基于平面凸轮机构的双“8”轨迹无碳小车设计概述

王攀 吴静

摘 要 根据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛项目要求，依据机械原理与机械设计相关基础知识及已有的实践经验，设计制作基于平面凸轮机构的双“8”轨迹无碳小车。根据小车理论轨迹，计算传递机构和转向机构的各个参数，用 SolidWorks 进行运动仿真，优化参数。本小车在第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛四川赛区中绕了12个双“8”，基本达到设计目标。

关键词 无碳小车；平面凸轮；运动仿真；结构设计

随着社会的发展，人们的节能环保意识逐步增强，“无碳”的设计理念也越来越受到重视，发展节能环保机械已经成为机械领域研究的热点，第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。本文根据大赛规定，设计一种能够绕双“8”轨迹行走的无碳小车，包括了特定的微调装置，传动装置和变径定比滑轮。

1 结构设计

1.1 设计要求

根据以往传统项目的经验，无碳小车的结构主要是动力机构、驱动机构、转向机构、传动机构等。

1.2 动力机构

为了充分利用砝码的重力势能，小车采用变径定比滑轮[1]，绕线轴通过细绳与大径轮相连，砝码通过细绳与小径轮相连，通过力矩计算和实践得出大小径之比R1∶R2=1.5∶1时得到理想效果。

1.3 传动机构

无碳小车对于传动机构的要求为：效率高、传动稳定、结构简单，由于齿轮传动刚好具有上述特点，因此本小车选用齿轮传动。此在设计小车时，将三级齿轮传动分为了两个部分，绕线轴向后将动力传递给主动轮时采用二级齿轮传动，传动比为i1∶i2∶i3=1∶2∶3.5；绕线轴向前传动时与凸轮齿轮采用一级齿轮传动，传动比为i4∶i5=2∶1，模数为0.6。

1.4 转向机构

2 Solidworks仿真

2.1 轨迹影响因素分析

轨迹的形状和重合度与凸轮的轮廓、凸轮的位置、小车制造精度以及比赛场地有关。

仿真分析时凸轮轮廓需要在仿真中根据轨迹微调。

凸轮位置分析时，我们以前轮轴线为基准，凸轮安装位置与推杆控制在同一水平高度，通过控制前轮与凸轮水平距离L3的大小控制前轮转角，L3增大，前轮左右转角减小，小车转弯半径增大；L3减小，前轮左右转角增大，小车转弯半径减小。

2.2 仿真步骤

根据小车理论数据，运用SolidWork三维软件建模和装配，并且运用Motion分析仿真模拟小车轨迹，具体步骤如下。

由图3可知，轨迹基本完全闭合，测得L=33.7mm，为理想轨迹。

3 实战验证与总结

（1）通过对大赛规则和场地分析，计算绕行轨迹總长，设计小车结构及凸轮参数。

（2）通过Solidworks仿真，获得理想凸轮轮廓和前轮与凸轮水平距离L3。

（3）在第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛初赛中绕12个双“8”轨迹，进入决赛，获得四川省一等奖。

参考文献

[1] 张宝庆，肖富阳，黎晓琳，等.重力势能小车"轨迹法"创新结构优化设计[J].机械传动，2012，36（03）：32-34.

[2] 胡越铭，高德文，张瑞，等.基于凸轮组合机构的"8"字形无碳小车创新设计[J].北方工业大学学报，2014，26（1）：39-41.