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1、机械创新设计1. 设计目标 针对全国大学生工程训练综合能力竞赛中的无碳S小车项目，设计出一种小车在行进过程中可以自动转向的机构。该转向机构可以使小车呈S形行进，以绕开具有固定间距的障碍物。并且在障碍物的间距变动时，通过调节机构的参数使得小车仍能绕开障碍物安全前行。2. 资料查询与分析 目前存在的自动转向机构有四杆机构（图一）、正弦机构（图二）、凸轮机构（图三）等，设计思想都是使小车边行走边转向，最终呈S形前进。图一图二图三现对以上三种典型的机构应用作对比分析：四杆机构：用于自动转向机构的是四杆机构中的曲柄摇杆机构，曲柄可用齿轮代替。该种机构结构简单，易于实现，传动效率高，但难以实现精确控制，并
2、且存在急回的特性。若每个转向周期存在误差，则误差的积累会导致小车逐渐偏离预计的轨道，最终因不能实现绕障而被淘汰。急回的特性会导致小车的转向不稳，这对小车的前进也是不利的。正弦机构：正弦机构是将回转运动转化为具有正弦特性的直线运动，其实质也是四杆机构。用在S小车的自动转向机构中，还要进一步将具有正弦特性的直线运动转化为角度的连续性变化，这就需要加一个转动副和移动副。该种机构在曲柄摇杆基础上加了两个低副，结构的复杂性有所增加，效率难免有所降低，但可以实现角度的精确控制，数学模型也很容易建立。因此，这种机构被普遍采用。凸轮机构：凸轮机构和正弦机构一样，将回转运动转化成直线运动，但运动特性可以由凸轮的
3、轮廓曲线随意控制，较正弦机构更为灵活，机构上也简单，而且也可以实现运动的精确控制。但由于是高副接触，机构的传动效率很低，而且凸轮的轮廓曲线加工比较困难。因此，这种机构被采用的不多。以上三种机构的最大共同点就是小车一直在转向，如果小车的转向能被控制得很精确，那当然是最理想的结果了。然而这在现实中是无法做到的，误差的不断积累只会让小车的行进更糟糕。针对这个缺陷，本文设计了一种间歇性转向的自动转向机构，通过减少行进中转向的频繁度来增加小车前进的可靠性。图四与以上三种机构相比，本文的机构有以下特点：转向具有间歇性，行进中只有两个角度位置；借用凸轮的思想，实现两个转向位置的转化，但轮廓曲线简化为两个大小
4、不一样的同心圆，方便制造加工；小车行进的曲线是半圆形（图四），而以上三种设计的思想是正弦形轨迹（图五）。图五3. 工作原理与功能模块划分 3.1 工作原理（2）（1）首先，用一对锥齿轮将轮轴的回转运动转化成水平面内的回转运动，再将水平面内的回转运动传递给凸轮，凸轮将回转运动转化成摆杆的角度变化。凸轮的工作如图六所示：（3）（4）图六3.2功能模块方向转换模块：由一对圆锥齿轮组成，实现回转运动的换向，如图七；凸轮转向模块：由凸轮机构组成，将齿轮的回转运动转化成前轮的转角变化，如图八；图七图八4. 设计方案的分析、比较与评价方案一：将后轮方向的回转运动直接转化成前轮的转角，中间结构少，能量损失少。
5、如图九所示，当曲柄1转到下方时，推动摆块3向左运动，从而带动前轮右转，当曲柄2转到下方时，推动摆块3向右运动，从而带动前轮左转。通过设计摆块两条边的尺寸来控制前轮转向的角度。图九方案二：先将后轮的回转方向转化成水平面内的回转方向，再通过凸轮将回转方向转化成前轮角度的变化。如图十所示，当凸轮的大圆与摆杆4接触时，摆杆4处于最左端，即前轮右转；当凸轮的小圆与摆杆接触时，摆杆处于最右端，即前轮左转。当摆杆从与凸轮的小圆接触到与凸轮的大圆接触（或从与凸轮的大院接触到与凸轮的小圆接触）时，摆杆有一个角度的过渡变化，理想情况下，这个过渡时间越短越好。图十方案三：在后轮的轴上装一个曲柄，曲柄在一个小弧度的范
6、围内可以碰到触发机构，前轮的转向杆与触发机构相连，通过触发机构的开和关来控制前轮的左右转角。由于该种方案还未成熟，暂无图形提供，以下讨论均不包涵此方案。现就前两种方案进行对比分析：控制的精确度：理想情况下，前轮转向只能处在两个状态左转和右转，两个状态的切换时间（用过渡时间表示）越短越符合理想轨迹，就越精确。方案一中的曲柄与摆块开始接触到脱离经历的时间即为过渡时间，转速一定时，对应的弧长与过渡时间时正相关的，从图中可以看出，过渡时间相对于周期来说是很短的；方案二中摆杆从与凸轮的大圆接触到与凸轮的小圆接触（从与凸轮的小圆接触到与凸轮的大圆接触）所经历的时间即为过渡时间，同样也可以用对应的弧长来表示
7、过渡时间的长短，从工作原理图可以看出，过渡时间与方案一比较较长，但总的来说还是比较短。传递的效率：能量损失越少，效率越高。方案一中，不存在中间机构，但曲柄和摆块接触时有撞击，一是能量损失多、对零件损伤比较大，二是对后轮的平稳性有很大影响。方案二中，存在中间机构圆锥齿轮，但齿轮的传递效率一般可达95%以上，因此，中间机构的影响很小，凸轮机构存在高副，效率有所降低，但运动平稳，不存在撞击，总的来说传递效率比较高。摆件的约束性：控制前轮转向的摆件需要间歇性两边摆动，由于摆动的思想是来自于凸轮，这就需要一个约束使摆件与凸轮紧密接触。方案一中，曲柄与凸轮接触瞬间有撞击，会导致摆块的速度迅速增加，若为弹簧
8、约束，则摆块会有个不稳定的角度振动，这个不稳定性一是会导致前轮转向不稳定，二是会导致摆块摆动不到位，在与另一个摆块接触时出现较大偏差。因此，约束形式很难选取。方案二中，凸轮与摆件的接触很稳定，只需要在摆杆的转动中心加一个扭力弹簧就可以了。因此，约束简单可靠。制造工艺性：方案一中，各零件结构都很简单，制造简单；和曲柄配合的摆块的侧面需要加工，加工面小，生产成本低。方案二中，锥齿轮为标准件，可直接购买，凸轮及摆杆需要加工。凸轮及摆杆形状都很简单，制造容易；凸轮侧面和摆杆接触，为加工面，与方案一比较，加工面有所增加，但生产成本同样很低。5. 总体结构设计总体结构如图十一所示：图十一机构图说明：1小车
9、底盘2后轮轴3锥齿轮4凸轮5摆杆6前轮支架辅助模块：由一对锥齿轮构成，作用是将后轮的回转运动转化成水平面的回转运动，将后轮转速降低传递给凸轮，以使前轮稳定的转向。转向模块：由凸轮机构构成，作用是将后轮的回转运动转化成前轮的转向，以使小车能绕障前行。6. 详细设计锥齿轮设计由于该机构是用于比赛中，寿命不需要很长，故一般齿轮强度均能满足要求，主要保证齿轮传动比的精确性，设后轮的转速为，凸轮的转速为，则齿轮的传动比为，根据传动比来选择合适的齿轮。具体参数待定。凸轮设计LRr图十二凸轮机构在该机构中至关重要，起到核心的控制作用。设前轮中心与凸轮中心的距离为L，凸轮的大圆直径为R，小圆直径为r，大圆所在
10、弧对应的圆心角为，则小圆所在弧对应的圆心角为（）。设小车的中心轴线与前轮中心和凸轮中心连线的夹角为，则:前轮的最大偏角为；最小偏角为；要使前轮左右转向的角度相等，则有，即角要满足：；摆杆处于时凸轮转过的角度为，摆杆处于时凸轮转过的角度为（），摆杆处于过渡角度时凸轮转过的角度均为。要使前轮左右转弯的时间相等，则有，即凸轮大圆所在弧对应的圆心角，为了使摆杆处于过渡角度的时间短，则应使尽可能的小，也即r与R尽可能的接近。综上，凸轮机构设计的关键参数如下：前轮最大转向角：；前轮最小转向角：；凸轮中心与前轮中心的连线与小车轴线的夹角：；凸轮大圆弧长所对应的圆心角：；一个周期中摆杆处于过渡时间凸轮转过的角
11、度：。其中，前四个为设计公式，最后一个为优化公式。7. 方案的可行性与市场分析可行性分析：从原理来看，减速换向都是锥齿轮很基本的功能，而凸轮机构中的摆动盘状凸轮就是将转动转化成杆的摆动，因此在原理上都是可行的。从结构上来看，该机构结构简单紧凑，容易实现，传动效率相对也较高，精确度也够，但系统上还是存在一些固有的缺陷，通过分析运动特性，设计合理的参数，可以降低缺陷造成的系统误差。从制造工艺上来看，机构的零件都是简单的常用零件，其中锥齿轮、轴承和弹簧可以直接购买，轴类零件、凸轮、摆杆形状常规，加工简单，零件的配合处需要精加工，但加工的面积比较少。因此，机构的制造成本很低。市场分析：该结构设计的目的
12、是用于比赛作品，但在工业制造领域，在一些相对固定的生产线上，可以用来做一些简单繁琐的工作，用来代替人的岗位，减轻人的负担。随着社会的发展，机器人的热潮将会越来越高，各种行业的机器人将会应运而生。而机器人的骨架就是各种机械结构的结合，因此，该种机械机构可能将会在机器人身上得到应用。8. 设计总结本机构最大的创新点是小车的轨迹是一系列相切的半圆，前轮转向是间歇性的。而已存在的机构都是连续性的转向，轨迹是类似于正弦的曲线。本设计以此为中心展开，最初考虑过使用棘轮机构以达到前轮的左右间歇性转动，但最终以失败告终。后来，又开始考虑凸轮机构，本着简单高效的原则，设计出这个简单实用的机构。然而，该机构本身存
13、在一些缺陷，但考虑到简单高效问题，没有将此机构复杂化。如果将此机构运用到工业上，可以作进一步的改进以消除机构本身存在的缺陷，实现更精确的运动。参考文献：1濮良贵,纪名刚.机械设计M.8版.北京:高等教育出版社,2006.2王跃进. 机械原理 M. 北京: 北京大学出版社,2009.3徐灏. 机械设计手册 M. 北京: 机械工业出版社,2004.4廖汉元，孔建益机械原理M.北京:机械工业出版社,2007.5刘国良.SoildWorks2007完全自学宝典M.北京:电子工业出版社,2007.6邹光明,杨秀光,黄川,冯建.以势能驱动的涡卷弹簧储能小车研究J.机械设计,2012,29(4).7王斌,王衍,李润莲,赵小龙,崔景峰,杨富林.“无碳小车”的创新型设计J.山西大同大学学报,2012,28(1).8李洲,王洪,李亚光.“无碳小车”的机械原理及应用J.学术起跑线,2011(2).
