实训园地 ｄｏｉ：１０．１６５７６／ｊ．ｃｎｋｉ．１００７—４４１４．２０１７．０３．０６８ ２０１７年第３期（第３０卷，总第１４９期）・机械研究与应用・ 基于圆柱凸轮机构“８字＂无碳小车设计 高立婷 ，杨文敏 ，杨（１．湖南农业大学教育学院，湖南长沙涛 ，王俊 ，陈梓川 ４１０１２８ ４１０１２８；２．湖南农业大学工学院，湖南长沙３．内蒙古科技大学机械学院，内蒙古包头０１４０１０） 摘要：根据湖南省第四届大学生工程训练综合能力竞赛的要求，设计一款无碳小车，该无碳小车主要由机架、动力 转换机构、导向机构与传动机构构成。主要阐述圆柱凸轮导向机构的设计过程．并用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件进行轨迹仿真分 析，详细阐述了轨迹误差的调节方法，从理论上解决了小车的设计、制作、调试问题，满足了比赛要求。 关键词：圆柱凸轮机构：无碳小车：仿真 中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—４４１４（２０１７）０３—０２００—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ—。Ｆｒｅｅ Ｃａｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｃａｍ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｄｒｉｖｉｎｇ ｉｎ ８＿‘Ｓｈａｐｅｄ Ｔｒａｃｋ ＧＡＯ Ｌｉ—ｔｉｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｗｅｎ—ｍｉｎ ，ＹＡＮＧ Ｔａｏ ，ＷＡＮＧ Ｊｕｎ ，ＣＨＥＮ Ｚｉ—ｃｈｕａｎ （』．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｈｕｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｈｍｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆ ｏＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ４ｔｈ Ｈｕｎａｎ ｐｒｏｖｉｎｃｅ ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ， ａ ｃａｒｂｏｎ—ｆｒｅｅ ｃａｒ ｗｈｉｃｈ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｓ ｏｆ ｆｒａｍｅ，ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｇｕｉｄｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａ— ｎｉｓｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｃａｍ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ；ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｅｘｐｏｓｉｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｏｆｔ— ｗａｒｅ．Ｔｈｕｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｒ ａｒｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｓｏｌｖｅｄ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｃａｍ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｃａｒｂｏｎ—ｆｒｅｅ ｅａｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０ 引 言 湖南省第四届大学生ｌＴ程训练综合能力竞赛的 项目之一，是绕行“８”字轨迹无碳小车的设计制作。 比赛时统一用１ ｋｇ的标准砝码提供４ Ｊ能量，能准 确、连续绕障的三轮小车，实现真正意义的无碳理念。 设计难点是小车需要在短时间和距离内．导向机构进 行大角度转弯，且一个周期的“８”字轨迹要绕过障碍 ｍｍ范围内产生“ 长边值，在３００＋５０ ｍｉｌｌ范围内产 生“Ｌ，＇短边值．设计中需先选定理论的长边中心距 （０ ０ ）和转弯半径Ｒ，转弯半径Ｒ、车宽Ｋ和间距 ＢＯ 的关系为： ０—２０３：一Ｒ＋ ＋ ：３ｏ０±５０ 以 日 （１） 物自行闭合。设计了一款以圆柱凸轮为导向机构的 无碳小车，详细阐述了其机构运动分析与结构设计， 并进行轨迹仿真分析。 １整体布局 １．１轨迹参数设定 根据比赛规则采用三轮小车，车轮结构的布局一 Ｃ 般有三种型式：导向轮与驱动轮为同一车轮、前导向 轮偏置与驱动轮对齐、前导向轮置中。前导轮的位置 影响驱动轮两圆弧路径的偏角 的结构形式。 图１ “８”字型绕行轨迹示意图 ，采用前导轮置中 １．２结构布局如图 设计的无碳小车运动系统如冈２所示。砝码自 “８”字型绕行轨迹如图１所示．有３个障碍桩 （Ｏ 、Ｏ 、Ｏ ）成“Ｌ”形放置，经现场抽签，在４００～５００ 然落体，通过绕绳带动绕绳轮转动，经过齿轮３、４控 制导向轮转向．经过齿轮１、２带动小车前进动力。 收稿日期：２０１７—０４—０２ 作者简介：高立婷（１９９５－），女，湖南泪罗人，在校学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。 ・２００・ ・机械研究与应用・２０１７年第３期（第３０卷，总第１４９期） 实训园地 驱动轮 图２无碳小车运动系统示意图 ２机构设计 ２．１动力转换机构设计 小车的能量来自重物下降的重力势能，需将重物 的重力转换为小车行走的驱动力，采用简单的定滑轮 绕线机构来实现。细绳的两端一端栓在砝码挂钩，另 一端缠绕在驱动轴的卷筒上，重物下降时产生转矩驱 动小车行走。卷筒的直径设计应保证小车的启动力 矩，且控制小车的行走速度 ］。 驱动轴的动力传递到后两轮采用断轴设计实现 差速，使从动轮随主动轮做滚动。 ２．２导向机构设计 导向机构可采用四杆机构、不完全齿轮、槽轮机 构和凸轮机构等。为保证小车精准的绕障和结构的 紧凑，采用滚子摆动从动件圆柱凸轮机构。凸轮转动， 摆杆带动导向轮有规律的左右摆动。图３所示的机 构中，从动摆杆的运动平面与主动凸轮的运动平面相 互垂直，靠滚子与凸轮槽的接触传递运动和动力。 图３ 圆柱凸轮导向机构示意图 ２．２．１计算分段轨迹长。确定摆杆角行程 如图１所示， 为圆弧ＢＣ所对的圆心角， 为圆 弧ＤＥ所对的圆心角，Ｆ（ ）为连接ＢＣ和ＤＥ的正弦 曲线方程，Ｆ（ ）＝Ｙ ｓｉｎ（０９ｔ），Ｙ为幅值， 为周期（ 与ｙ的取值应保证轨迹上所有点的曲率半径是连续 的），计算可得各段轨迹长度，见表１。 小车走圆弧段时凸轮摆杆应静止不动，摆杆的角 行程为 ，导向轮锁止偏转角为 ／２（导向轮布置 在凸轮的正中间）。在图４所示ＲｔＡａｂｏ中，有： ＝２ａｒｃｔａｎ（ ） （２） 式中： 为小车的前后轮之间的轴距；Ｒ为转弯半 径。 表１分段轨迹长度计算 轨迹路段 计算公式 大圆弧ＢＣ ５－ Ｄ 小圆弧ＥＤ ｓ：＝ ，Ｊ 正弦曲线ＤＡＣ和ＥＡＢ ｓ ：Ｉ￣，Ｏ１ ／１＋Ｆ（ ） 总行程 ５ Ｓ】＋Ｓ２＋Ｓ， ０ 图４摆杆角行程求解示意图 ２．２．２选择摆杆运动规律 凸轮机构的运动循环有推程 、远休止 、回程 、近休止（ｆ） 四个阶段；处于推程和回程时，凸轮摆 杆的运动规律有多项式运动规律和三角函数两大类。 小车在曲线ＤＡＣ和曲线ＥＡＢ理论轨迹为正弦曲 线，避免凸轮机构产生过大的冲击和轨迹误差，采用 正弦加速度的运动规律。 推程运动方程： ［ 一 １ ｓｉｎ（ ）］ （３） ＝ ［…。一。吣ｓ 、 ｊ ，］Ｊ。≤ｕ≤ ≤ 乓 ㈩ （４） 回程运动方程 ：ｇｔ［１一 ＋ １ ｓｉｎ（２ ｗ ）］ （５） ｍ＝ ）一 ］，０≤ ㈩ 式中： 为凸轮转角，５ｐ∈［０，３６０。］ ２．２．３摆杆长度Ｌ和基圆半径Ｒ 的确定 小车要求结构紧凑。摆杆长度和基圆半径应尽量 ．２０１． ２０１７年 ３ １ ９Ｊ（ ３１１ ，总第１４９ ｌ９Ｊ］・机械研究与应用・ 小，初步没定 虑以下两个冈素 、 径Ｒ．．， 据Ｉ 求得推程期凸轮符转ｉｈ 所对应的 乐力们 ． 丧３ 表３压力角校核数据 Ｊ 力『ｆ】条什：、Ｉ，＿从动件的规律已定，杆长和摹 半径直接影响Ｊ 力角，基 过小， 力角增大， 现 传力性能差、 ②最小『ｌＩ１ 锁死”现象、 条什 ：存考虑结构要求紧凑， 减小基同半｛钏、ｆ＇ 他婵沦轮廓曲线最小ｆ｝ｌ１牢半径应 大丁滚子半ｆ ，避免轮廓｝ｆＩ观尖顶。 摆仟可 ｔ：ｉ 轮轴线的Ⅱ：下方，，“接将从动摆 卡ｒ运动传递纠导 轮，确定摆杆长度Ｌ．． ．＝２０ ｍｒｎ，图 ５为１１１１轮轮 腱肝 表２ 凸轮各阶段参数详细设计 Ｊ ｌ ⑦ ／ｉ、＼④ ０ ｌ Ｉ∞・ ｌ。 ・ ５ ＩＩ１｜轮轮 展开冈 ２．２．４压力角的校核 为了使， ｌ轮机构具有较好的传力性能，通常要校 核凸轮机构的 乃角，推程的许用朦力角为［ ］＝ ４０。～４５。， ・般不会¨｛现“锁死”脱象，…程的许 Ｊ１｝ＪＫ力角为ｆ ］＝７０。～８０。 ， Ｉ ． ・ ，一 ｔ ＼ ／ Ｌ －ｔ，ｓ ＂ｉＴ一一≤ ≤一ｑＴ ｆ ７、 ２ ２ 凸轮各点的爪力角 相等，需要取多组数据进行 校核．．主要校核推程的¨ｉ力角，用Ｍａｌｌａ］）编程计算， 定义白变量【Ｊ １轮转角妒取值范 并取多组数据，每 个转角对噍小 的摆角 （按式（３）ｉ：ｔ 算）、角速度 （ＩＶ－＇＿（按式（４）汁算）， 带入初定的杆长，Ｊ和基网半 （１ ．２０２． ２．２．５ 凸轮槽宽与安装中心距 ｉＩｌｉ轮 沦的槽宽应等Ｔ滚 “径，实际丁作过程 中需 一定的 隙米 证凸轮的连续转动，存 ３所 示的安装 ， 沦汁算的摆角ｉｈ 较大．误差 相对也比较＿人， ＝÷，｜ ［１一¨，ｓ（÷ ）］ （８） ｉＩｉｌ轮轮情的槽宽间隙过犬，会使凸轮滚子在南一 个接触而过渡到另一个接触面ｆｌＩｆ， 隙时『ｕＪ差变长， 运动小确定的ｍｔｆ￣Ｊ变长，安装从动杆离凸轮轴线中心 距做细微捌祭，装配时将杆长 ｆ １轮轴线方向偏移 ｋ／２．４．７－ｉ￣謦ｊ均分到ＩＺｌ． ３所示 标系 Ｙ轴的正负方 向．此时的槽深心通当留有问隙，州 后小心距汁算 如下： 一 ｓ（ ］： ２．３传动机构的设计 砝码Ｆ降离度４００ １＂Ｉ１１１１，为使小１ 行止８字阁数 更多．分圳采刚一级齿轮传动将动力传递到驱动轮和 导向轮 ３基于Ｓｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ的三维轨迹仿真 ３．１运动轨迹仿真㈧ 据没汁计算结果，建 ＿尢碳小１ 的 维模型， 如【殳】６所，Ｊｊ ６ 理模仿九分析爪也 曰 川Ｍｏｌｉｏｉ１卡Ｉ！块打开装 模， ｓｔ）ｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ将配 合自动映射为运动剐．在绕绳轮添Ｊ】『１“转动”运动，ｎ＝ ２ ｒ／ｒａｉｎ， 柱【 ｌ轮和滚子之『ｕＪ添ＪＪｆＩ“拟合”，没置仿 真时问，＝３０ ｓ，进行仿真利ＪＩ』轨迹跟踪．测定导向 ・机械研究与应用・２０１７ 第３期（第３０卷．总第１４９】９Ｊ） 实训同地 向左（右）调节时，与之对应将增大凸轮右（左）圆弧 所对应轨迹的偏角。理想“８”字如图７（ｔＩ）所示。 单位长度左右偏角调节量计算公式为： 轮转动中心的轨迹如图７所示。 ａｒｃｔａｎ＿＿、／／＝ （ｂ） （１０） ，Ｊ 一ｎ 制作完成的无碳小车如图８所示 网７模拟仿真轨迹示意 ３．２轨迹的分析及调节方式 凸轮转动一周，主动轮行走轨迹总长一定，故轨 迹调节主要为调节轨迹的分配．使之成为一个闭合 “８”字。 罔８ 制作完成的尤碳小车 调节总偏角的情况：导向轮偏角越大，“８”字轨 迹圆弧越小，反之越大。如冈７（ａ）所示，“８”字轨迹 制作的小车在湖南省第四屑大学生Ｔ程训练综 合能力竞赛中以全省第四名获得一等奖，在挑战赛中 以中心距２８０ ｍｍ的成绩获全省第二名。 参考文献： ［１］ 曹斌，张海波，木华炳．基于槽轮机构的８字轨迹无碳小 设 尚未闭合，表明圆弧过大，此时应减小圆弧，即增大总 偏角。图７（ｂ）中“８”字轨迹虽闭合，但多出一段轨 迹，则说明圆弧过小．需将多余轨迹分配到圆弧轨迹 之中。即应当增大总偏角。总偏角可通过调节摆杆的 长度进行改变，减少摆杆的长度，总偏角增加；反之， 计［Ｊ］．合肥：ｒ、 大学学报，２０１４（６）：６６１—６６５． 总偏角减少。 调节左右偏角分配的情况：总偏角一定时，导向 ［２］ 赵 匀．机构数值分析与综合［Ｍ１．北京：机械ｈ啦Ｉ｝ｌ版社， ２００５． ［３］ 夏怀健，陈秀梅．１¨｛线拟合在求解，、轮ｎ｛ｊ丰半径中的应用［Ｊ］． 机械研究与应用，２０１４（６）：１０５—１０９． 轮向左／向有偏角分配不合理也将导致“８”字轨迹的 变形．向左偏角过大，则对应轨迹圆弧将过小，另一边 偏角过小，对应圆弧过大，如图７（ｃ）所示。调节方式 为调节凸轮左右位置以改变两圆弧偏角分配，将凸轮 ［４］潘仔云．机械原理［Ｍ］．长沙：中南大学Ｉ１｛版丰十，２０１３． ［５］ 陈超弹，胡其登．Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ Ｍｏｔｉｏｎ运动仿真教程［Ｍ］．北京：机 械丁业Ｈ｛版社．２０１６． （上接第１９９页） ＝台的主体台架布局，面板布置进行了介绍 虽存在不 ２５．３ｘ１０～ｍ 合理的地方，但在多次修改之后，最终完成了发动机 实验台的总体设计。还对整个实验台进行了校核．且 则： ｏｌＭＡｘ＝Ｍ／Ｗｚ 都符合实际要求。面板的布置为下一步实际操作奠 定了基础 ． ＝２２４．０７（Ｎ・ｍ）＋２５．３×１０ （１１３ ） ８．８５ ＭＰａ 南金属工艺学可知：该钢板的许用拉应力为４０ ＭＰａ．许用压应力为１２０ ＭＰａ．由受力图可知其只受 压应力，因此，支队压应力进行校核即可。 由于 ８．８５ ＭＰａ＜１２０ ＭＰａ 参考文献： ［１］刘剑冰．汽１ 发动机电控原件测试试验台研究［Ｄ］．长春： 林 大学。２００７． 所以该支撑架符合要求，所选材料合格。 ［２］ 陈桂英．机械绘 及计算机绘图［Ｍ］．北京：机械Ｔ业 版社， ２ｏｏ１． ６ 结语 ［３］ 于春鹏．丰田５Ａ－ＦＥ｜乜控发动机实验台的设汁［Ｊ］．ｔ，；Ｚｌｆ】科技， ２００８（１）：２－３． 主要介绍了台架的结构设 ‘部分．对发动机实验 ・２０３・
