基于凸轮组合机构的_8_字形无碳小车创新设计_胡越铭.pdf

第 卷第期 年月 北 方 工 业 大 学 学 报 收稿日期： 第一作者简介： 胡越铭， 本科生 基于凸轮组合机构的“ ” 字形无碳小车创新设计 胡越铭 高德文 张 瑞 张 欣 高 轩 （ 北方工业大学机电工程学院， ， 北京） 摘 要 无碳小车应用凸轮组合机构实现了沿“” 字形轨迹的自动行驶功能本文对小车 的参数进行了系统分析， 通过对凸轮连杆机构的精算与设计， 完成了“” 字形轨迹的转向机构的 设计， 最终完成了无碳小车的制作， 并且实现了小车按预定轨迹行驶的目的 关键词 “” 字形； 无碳小车； 参数设计； 能量转换 分类号 现代机械中， 可以实现沿“字形” 轨迹运 行的机构很少， 它们之中大多数为间歇性的机 构， 如： 槽轮、 棘轮、 不完全齿轮等 本文根据全 国大学生工程训练综合能力竞赛命题要求， 设 计出一种可以实现“ 字形” 轨迹的无碳小车 小车将焦耳重力势能转换为前进的动能“ 字形” 轨迹的自动转向功能由凸轮连杆组合机 构完成 无碳小车结构简图如图所示 图 无碳小车结构简图 数据分析 力学分析 根据题目要求， 比赛场地 为 乒乓球 桌面 （ 木质地板） ， 查找资料知木质地板摩擦系数 为 ， 将其它摩擦力等效到后轮， 这里 取 图给出了小车的受力模型图（ 为了简化模 型， 假使小车前轮受到的支持力和与前轮运动方 向相反的摩擦力对 点的力矩相互抵消） 图 小车力学模型图 其中： 为重物对绕线轮即后轮轴的拉 力； 为地面对后轮的摩擦力；为小车所受 的重力， 其作用点为小车的重心；为后轮半 径； 为绕线轮半径；为齿轮传动比；为地 面的摩擦系数 要使小车能够行走， 顺时针扭矩必然大于 等于逆时针扭矩， 即： （ ） 加上重物及配重， 小车总质量 若重物通过定滑轮绕到后轮， 则 ， （为重物的质量） ， 简化式（ ） 为： ， 代入数据 （ ） ， 而实际 大于此数 由于重物只通 过定滑轮绕到后轮轴上， 小车必然加速行走， 行 走必然不稳定， 为了合理利用重物的势能， 需使 小车能够匀速前行 为此， 可以通过合理调整配 重的载荷位置， 使小车重心稍往前移， 这些过程 可在小车零件加工并装配完成后进行 由于小 车并非精密仪器， 所受载荷也不是很大， 可以不 考虑材料的应力 能量分析 重物 能量一部分转化为小车动能， 另外 一部分消耗在内部摩擦 为减小摩擦， 转动副基 本都安装轴承 若小车非匀速行驶， 会造成前后 轮差速， 降低效率 因此， 应保证小车在行走过 程中， 在尽可能长轨迹上做匀速运动， 这些要在 小车调试过程中完成 设计方案 为实现本设计的目的要求， 首先， 必须设计 合适的结构装置来完成能量的转换与传递及前 轮的转向， 再根据所设计的各部分机构及小车 行走的大致路线来配置小车的前后轮尺寸、 传 动装置的传动比及往复运动机构的运动轨迹 根据各机构的连接情况设计合理的粗糙度， 这 还需合理设置各零件间的配合尺寸、 连接方式， 以确保各机构零件不互相干涉， 且能高效有序 的运行 其次， 对各机构零件， 要考虑到加工工 艺的合理性、 经济性以及生产效率 在设计时， 对各机构先要对合理性、 稳定性、 高效性进行分 析 由于是单件生产， 应尽量使用通用机床、 通 用卡具， 应用工序集中原则 轨迹确定 小车的设计理论路线如图， 定义小车轨 迹如下（ 公式单位为 ） ： 图 设计理论路线图 段： （ ） ； 段： （ ） ， （ ） ； 段： （ ） ， （ ） ； 段： （ ） ， （ ） 驱动方案 无碳小车沿曲线前进时， 一对后轮间必定 会产生差速， 为此， 我们采用单轮驱动 单轮驱动只利用一个轮子作为驱动轮， 另 一个为从动轮， 驱动轮与从动轮之间的差速是 由两后轮与地面之间的运动约束而产生的 重块下落通过绳和滑轮带动主动轴转动， 主动轴通过齿轮传动带动后轮轴转动 主动轴 与后轮轴之所以采用齿轮传动是因为齿轮具有 传动比稳定、 工作可靠、 效率高的特点 综上， 图 给出小车结构简图 图 小车结构简图 车体平衡 采用 厚的铝板作为小车的底板， 这 样足以支撑车体本身的重量 在小车前进时， 由于小车的前轮和主动车 轮不在一条直线上， 会使得小车前进时的轨迹 不好控制， 因此在计算小车轨迹时， 要考虑从动 第期 胡越铭等： 基于凸轮组合机构的“” 字形无碳小车创新设计 车轮的影响 设计时， 我们将小车前轮和后轮设 计在同一条直线上， 无碳小车设计全图如图 所示 小车在绕桩运动时， 两根立柱之间的距离 是 ， 小车总长度不超过 ， 小车总宽不超过 通过车体的配合与计 算， 实际取车板长为 ， 车板宽 小车在走“ ” 字时， 需要不断的拐弯， 小车 的重锤会因为惯性的原因而左右摆动， 因而会 出现翻车现象 为了避免这一现象发生， 需要设 计三根细钢立柱， 恰好能使 重锤下落 （ 如图 ） 如果小车重锤太靠前， 会导致小车不 能启动； 小车重锤太靠后， 会使得小车前进时， 由于重心的中心改变， 导致翻车 根据分析所 得， 将小车的重锤下落位置大致设定在车轮轴 的中心位置， 这样就能避免以上情况出现 转向装置（ 间歇性往复运动装置） “ ” 字形小车必须有严格的方向自控装置， 在速度一定的前提下， 小车的运动轨迹曲率必 须连续变化， 这样小车才能实现平稳运行 如果 小车路径轨迹曲率出现突变， 小车很容易晃动， 失去中心而翻车 因此， 选择转向装置时， 应谨 慎注意这点状况 本文选择的凸轮双摇杆机 构符合轨迹曲率的连续变化， 使小车可以按照 理想的“ ” 字曲线运动 设计往复运动装置， 在前面的设计中既然 采用了齿轮传动， 则往复机构中的主动轴必然 是竖直方向上的转动， 要转换成前轮的往复摆 动， 需把直线往复运动转换成往复摆动 一般常 用的且较容易实现的往复运动机构有凸轮和连 杆机构 对于凸轮机构， 可通过推杆实现直线往 复运动， 并且在凸轮机构的远休和近休点可以 实现推杆的间歇性传动 对于连杆机构， 可以选 用双摇杆机构， 各转动副之间可以使用轴承来 减小摩擦， 如果尺寸设计合理， 会使机构有较好 的稳定性 因此， 我们选择凸轮和双摇杆机构， 结构简图如图所示 图 凸轮、 双摇杆机构结构简图 图 凸轮计算图 由于凸轮机构的滑动摩擦可能较大， 这会 降低小车的工作效率 这里， 我们提出创新性思 想， 即将双摇杆机构的一个连架杆转换成滚筒 的形式， 将滑动摩擦转变为滚动摩擦， 这样可增 加小车的运动效率， 也降低了以往用双球绞的 加工难度 这样既经济， 又提高了强度 参数的确定 凸轮机构的设计 图所示一尖顶偏置直动从动件盘形凸轮 机构， 凸轮逆时针转过角， 从动件从初始位 置上升距离 图中两右手直角坐标系 与分别与凸轮和机架固接 坐标系原点 与凸轮回转中心重合 静坐标系轴与 从动件移动方向平行， 且指向从动件升程方向， 此两坐标系的坐标变换公式为： （） （） （ ） （ ） 式中表示凸轮转角， 表示前轮转过角度； 为凸轮转角； 为凸轮转向符号系数 当凸轮 逆时针运转时 ， 反之 图所示 位置， 从动件与凸轮轮廓接触点在静坐标系 下的坐标为： 北 方 工 业 大 学 学 报 第 卷 （ ） 式中为偏距， 沿轴正方向偏置为正， 反之 为负； 为从动件的位移， 它是凸轮转角的 函数 将式（ ） 代入式（） ， 得接触点在动系 下的坐标： （） （） （ ） 当变化时， 由式（） 可求出在动系下一系列 接触点的坐标， 这些接触点的连线即为凸轮廓 形 可见式（ ） 可视为以凸轮转角为参变量 的凸轮廓形曲线参数方程 从上面讨论可知， 要求凸轮廓形曲线， 只须 求出从动件与凸轮接触点在静系下的坐标 和， 然后代入式（ ） 即可 假设小车行驶完半圆部分时， 前轮摆角为 ， 前轮行驶完类 曲线时， 前轮转角为， 凸轮转过角度为， 我们可以计算出每个瞬间 凸轮转过角度： （ ） 前轮半径为；前代表后轮在轴方向行 驶距离的积分；转代表后轮在轴方向前行 距离的积分； 当前轮由摆为度时： 前 转 （ ） 然而此时， 小车走过的路程为： 前 槡 转 （ ） 这样， 我们只需要将式（ ） （） （） 三式联立， 解 出、 从而， 将其带入前个式子， 这样就可 以反求出凸轮的轮廓曲线 齿轮参数的确定 圆弧路程： ； 直线路程： （ ） 槡 ； 一个周期总路程 根据一个周期的总路程， 通过简单计算可 确定出传动比与后轮直径关系如表所示 表 传动比与后轮直径关系 传动比 直径 前轮最大转角 车轮转角计算， 图为小车转角计算参 照图 图 根据上述转向装置的分析， 可由下列公式 计算前轮最大转角： 车长 ， 此时， 设计合适的机构配比， 大致设定前后轮距 为 ， 由公式计算求得前轮转角 连杆机构参数的确定 按前轮转角需要， 最初确定前轮连接连杆 ， 球铰连杆 考虑到可调性， 设置微调结构在球铰连杆 处设置调长螺杆（ 图 ， 件 ） ； 在连杆处使 用了长度调节螺栓（ 图 ， 件 ） 由此， 实现了 双方向的可微调， 使得摇杆、 连杆长度的调节变 得方便、 精确， 保证了轨迹的准确 为了更方便 表示小车的结构， 特绘制小车的三维图， 如图 所示 结论 无碳小车设计的关键技术在于： ） 凸轮轮 廓的准确设计 凸轮是小车自控转向的关键， 准 确的外形设计需找准正确公式， 以确保外形的 精确； ） 完善的微调机构 由于小车实际路径和 理论路径之间难免存有误差， 所以精细的微调 机构是小车能够平稳完成多次“ ” 字形行驶的 保证； ） 公差配合的精度要有保证， 即保证轴与 轴承之间的过渡配合， 以减少损失在轴承上的 第期 胡越铭等： 基于凸轮组合机构的“” 字形无碳小车创新设计 能量； ） 车体重心的确认与平衡 在重物下落过 程中， 小车的重心会有所变化， 从而使小车不能 平稳运行， 所以要给小车进行配重 当然， 理论上成立的设计在实际加工装配中 结果并不一定完全一致， 一些微小的误差也可能 导致小车偏离轨道 因此， 在装配过程需要调试， 使一些误差能够相互弥补， 最终减小误差 主动轮 车底板 轴承座 轴承 螺母 车轮轴 轴承座 轴承 主动轴 凸轮 轴承 球头铰 球头铰连杆 球头铰 螺丝 大齿轮 随动轮 轴承座 轴承 支架 螺丝 小螺丝 小齿轮 连片 滑轮轴 滑轮 螺母 摆杆支座 前轮 前轮轴 前轮叉 轴承 前轮叉支座 轴套 螺母 连杆 摆杆轴 摆杆 约束圈 钢丝 钢丝 细绳 重锤 钢丝 图 无碳小车设计全图 图 小车的三维图 参 考 文 献 李庆余 孟广耀 机械制造装备设计 版北 京： 机械工业出版社， 白雪， 唐鹏达 机械传动无碳小车的设计构想 工业设计， （ ） ： 机械设计手册编委会机械设计手册北京： 机械工业出版社， 杨秀光， 邹光明， 黄川， 冯建 避障小车转向系统的 设计 机械传动， （） ： 北 方 工