“8”形轨迹无碳小车转向机构优化设计及运动仿真

“8”形轨迹无碳小车转向机构优化设计及运动仿真
刘洋洋
【摘要】针对第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛无碳小车越障竞赛的题目要求,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,对往届的参赛小车进行优化设计与仿真分析,并根据所得数据重新制造无碳小车.实测表明,设计完全符合题目要求,后续竞赛中也验证了该小车结构的合理性和稳定性.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2017(000)012
【总页数】2页(P92-93)
【关键词】无碳小车;优化设计;仿真分析
【作者】刘洋洋
【作者单位】沈阳航空航天大学工程训练中心,沈阳110136
【正文语种】中文
引言
全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，是基于国内各高校综合性工程训练教学平台，为深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛竞赛命题“以重力势能驱动的具有方向控
制功能的自行小车”。

具体要求：设计一种小车，驱动其行走及转向的能量需根据能量转换原理，由给定重力势能转换得到。

该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1kg的标准砝码（￠50×65mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度
为400±2mm。

标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。

图1为小车示
意图。

要求小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量；要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地；要求小车为三轮结构。

其中，一轮为转向轮，另外二轮为行进轮，且允许二行进轮中的一个轮为从动轮。

具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。

图1 无碳小车
1 无碳小车总体优化方案
根据大赛题目要求，无碳小车应具有传动机构、转向机构、行走机构、微调机构及车架等构成。

其中，转向机构作为小车的核心，直接影响小车的轨迹精度和传动效率。

所以，优化设计时首先考虑对其加以改进，其余部分则进行相应完善，以提高各部分的匹配度和整车的可维护性。

2 转向机构优化设计
往届竞赛中，笔者指导的作品小车的转向机构均是基于凸轮机构设计，优点是可最大限度缩短传动链，提高传动效率，即通过一个弧面凸轮便可实现空间交错轴间的运动转换，使驱动轴的水平周转运动最终转化为转向轴的往复摆动。

但是，由于弧面凸轮的加工需五轴加工中心才能完成，制造周期和成本相对较高，且安装此机构的小车不易调整和改型，因此在本届竞赛中将不再使用。

经查阅资料得知，可实现空间交错轴之间圆周运动向往复摆动转化的机构有多种，如正弦+正切组合机构、正弦+齿轮齿条、RSSR空间摇杆机构、锥齿轮曲柄摇杆
机构等。

综合比较后，决定使用正弦+齿轮齿条组合机构作为参赛小车的转向机构。

该组合机构由正弦机构和齿轮齿条构成，两机构均为平面机构，容易调整，便于维护，如图2所示。

图2 正弦+齿轮齿条组合机构模型图
3 运动仿真分析
根据既定数据，利用caxa实体设计2013对小车主体进行建模。

模型建好后导入solidworks进行装配，将相应部件进行约束，装配图如图3所示。

图3 无碳小车装配图
图4 无碳小车运动仿真
装配好后，使用之前实验所得的部分数据在motion模块中对其进行运动仿真，并标记其运动轨迹对小车进行运动仿真分析。

小车运行轨迹如图4所示。

通过在约束中改变行进轮和绕线轴（即正弦机构输入轴）之间的传动比以及前叉与转向轴之间的固有偏角，得到了不同的小车运行轨迹，并运用此方法不断调整参数得出最优数据，然后利用所得数据制造出新的参赛小车。

优化后的无碳小车如图5所示。

图5 优化后的无碳小车
4 结语
通过对原有参赛小车的优化设计及仿真分析，重新制造的无碳小车完全符合竞赛要求，并获得了本届竞赛的国家一等奖。

参考文献
【相关文献】
[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（3）：32-34.
[2]王鹏博，蓝建，张国超，等.一种三轮无碳小车的车体结构设计[J].机械工程师，2014，（7）：127-128.
[3]王建军，朱海龙，尹洪友.无碳小车8字转向机构设计[J].机械制造，2014，（598）：17-19.
[4]吴新良，刘建春，郑朝阳.重力驱动的避障小车设计与制造[J].机械传动，2014，31（10）：25-28.。