基于凸轮控制的S型无碳小车设计
                                            皇大伟，景〓新，孟程琳，刘志杰
                                  西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100
     依据第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛要求，首先通过选择合理的原动机构、传动机构、行走机构、转向机构、微调机构设计了一辆无碳小车，重点利用MATLAB与Pro/E软件对凹槽凸轮进行了具体的参数设计与三维建模；然后针对转弯状态下的小车建立了数学模型，并在MATLAB环境下实现了小车轨迹的仿真，仿真分析表明小车未出现机构空间干涉、卡死等问题。用该方案设计制作的无碳小车在竞赛中验证了设计的合理性与轨迹仿真的准确性。
     全国大学生工程训练综合能力竞赛是大学生诸多赛事之一，大赛宗旨在于提高大学生的理论应用、实践动手和工程训练等能力，每2年一届，全国各重点工科及理科院校均有参加。2015年为第四届，本届设计要求是：１)设计并制造一辆以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车；2)小车为三轮结构，具有转向控制机构，且该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；3)驱动小车行走及转向的能量由给定的重力势能转换而来，不可使用其他的能量来源。赛事给定的重力势能为4J (取g=10m／s2)，竞赛时统一用质量为1kg的重块铅垂下降来获得，落差 400±2mm，重块落下后，必须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。
依据上述要求，无碳小车的各部分设计应始终满足以下几个要求：1）机构设计应尽可能的简单；2）整车质量尽可能小；3）机械摩擦损耗要小；4）整车质心要尽量低；5）底板结构设计要有足够刚性［1-2］。

1机构设计
1.1动力转换机构设计
   动力转换机构亦称原动机构。其功能有二：一是将重物的重力势能转化为主动轮的动能，从而驱动小车前进以及转向避障；二是运动形式的转化，将重物下落所做的直线运动转化为主动轴的回转运动。笔者采用的方案是利用弹性系数很小的细绳和定滑轮机构，其中细绳两端分别拴在重物上和绕在主动轴上，使重物的重力可以转换为驱动轮上的扭矩，从而带动主动轮产生动力。为了保证小车在运行过程中能够稳定匀速前进，主动轴绕线部分的直径设计尤为重要。主动轴绕线部分的直径设计应通过动力学分析进行设计，首先应对整车质量和质心位置有个预估计；其次以小车为研究对象做受力分析，求出地面对主动轮的支反力，同时查阅相关资料得到主动轮材质与木质地板的摩擦系数；最后利用驱动力矩与阻力矩相等的关系式求得绕线部分的最大直径。为了保证小车在运行过程中不会因速度过快而导致车身不稳以及发生侧滑，绕线部分直径应采用由大到小的变径设计，小车启动后可依靠车身惯性保持前进。
1.2行走机构设计
    由于小车是沿着S型轨迹曲线前进，后轮必定产生差速问题。如果采用双轮驱动，当小车在转向时便会导致车身的不稳定，甚至是侧翻，更难以保证运行轨迹的精确性。为了解决上述差速问题，笔者采用简便、能耗小的办法——单轮驱动，也就是将从动轮轴上的一个后轮作为驱动轮，其与从动轴建立必要的旋转约束，以便传递扭矩；而另一个后轮则通过轴承套在轴上，不建立与从动轴的旋转约......


基金项目：全国大学生工程训练综合能力竞赛资助项目
作者简介：皇大伟（1994—），男，山西运城人，西北农林科技大学本科生，主要研究方向为农业机械化及其自动化。


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