“8”字形无碳小车轨迹分析及结构设计

Engineering工程

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“8”字形无碳小车轨迹分析及结构设计

刘蒙霖

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）

摘要：本文按照全国大学生工程训练综合能力竞赛要求，通过轨迹设计了一种“8”字形无碳小车。主要针对运行轨迹进行了分析，设计了一种不完全齿转向机构，结合轨迹的特点，考虑实际设计、制作精度，对小车结构的设计原理进行了描述。最后通过实验验证对设计进行了优化，优化后的结构能够达到精度要求，运行轨迹更加精确。

关键词：“8”字形无碳小车；轨迹；转向；不完全齿轮；制动

中图分类号：TH69   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2018）08（上）-0171-02

竞赛要求无碳小车以1千克重的标准砝码的重力势能为驱动，不得使用其他形式的动力来源；具有自动转向功能并且转向机构可调，适用于各种场地；自主设计结构参数并选材制作；小车为三轮结构，一个轮子为转向轮，两个轮子为行走轮；能够精确绕一定距离的两个障碍物以“8”字形轨迹运动，不出界，不撞倒障碍物。

间距，否则轨迹会出现误差，碰倒障碍物的概率越大。主动轮作为最小边界时是在轨迹的左边，当小车转向，运行到另外一侧时，主动轮交替成为最大参考边界，从动轮成为最小参考边界。在设计车体结构时要同时考虑车身两边的边界与障碍物的间距，轨迹越小，小车理论运行的“8”字形个数越多，同时对小车的设计、制作精度要求越高。转向角度对轨迹大小也有影响（转向轮与车身轴线的夹角），夹角越大轨迹越小，周期里程越短，夹角越小，则情况反之。本机构设计夹角为30°，理论上夹角应在90°以内，实际一般在45°以内。

1 轨迹设计

本文根据竞赛要求对小车的行驶轨迹进行了具体设计，特别是转向的设计，得到了结构的部分设计参数。设计轨迹如图1。

2 主动轮轮径与转向次数的设计

当轨迹和传动比后确定后，就可据此设计主动轮尺寸、车身尺寸与转向角度。根据图1可知：小车运行一圈，转向两次。不完全此轮设计为3齿3组，不完全齿轮运行一周，可以驱动转向机构转向3次，每次参与驱动转向的齿数较少，是为了保证转向迅速可靠。主动轮驱动齿轮与不完全齿轮同轴，保证了主动轮旋转1圈，不完全齿轮也同步旋转1圈并驱动转向3次，小车应该运行

图1 无碳小车轨迹图

1.5个“8”字形，同时根据主动轮旋转1圈知：主动轮的周长应该等于1.5个“8”字的轨迹里程，从而可确定主动轮的轮径。设计完成后的小车结构三视图如图2。

图1中最粗实线是主动轮轨迹，相当于车身的一个参考边界，轨迹是一大一小两个圆弧（相当于“8”字形）加上转向圆弧轨迹；较粗实线是转向轮的轨迹，为了提高转向的灵活性，安装在车身轴线上，所以其轨迹是两个等大的圆弧，理论上转向轮可安装在两个行走轮之间任意位置，那么其轨迹也随之改变为一大一小的“8”字形；细实线为从动轮的轨迹，其与主动轮正好相反，两者时刻平行，相互交替，同时作为车身的另一个参考边界。

车身参考边界要严格控制，车身尺寸要与轨迹结合设计，如图1所示，主动轮与从动轮之间的平行间距决定了实际车体的主动轮与从动轮的间距，根据主、从动轮的间距设计出车身宽度，由此得到车身边界，根据边界合理控制车身与障碍物间距。如果精度允许，可取小

图2 小车结构三视图

3 误差分析与优化设计

对于轨迹的调节，本文设计了一种带有刻度条的

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Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术

圆周多行位圆弧化直线运动抽芯模具设计

魏星雷

（荆州理工职业学院，湖北 荆州 434000）

摘要：针对圆周多行位、多层位的注塑产品,设计了圆弧化直线运动的抽芯模具,该模具采用齿轮传动抽芯组件在圆周运动时受限于导槽而做直线运动的方法,实现了复杂塑料件的合理脱模。详细介绍了模具的工作原理,通过4次分型实现了自动化注塑生产,经生产实践证明,该模具结构紧凑、工作稳定可靠,可为圆周多行位塑料件生产提供借鉴。

关键词：圆周；圆弧化直线运动；塑料模具 

中图分类号：TQ320.52   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2018）08（上）-0172-03

在塑料模的设计过程中,经常会遇到各种形式的圆弧内形,使模具的设计变得很困难,为了有效地解决这一难点,探讨了用滑块连杆、齿轮齿条、油缸驱动浮动滑块、开模动作为动力源的浮动滑块机构等可行圆弧抽芯结构的工作原理和结构特点,对塑料模设计过程中遇到的圆弧抽芯的结构设计具有一定的指导意义。

在塑料模设计工作中，经常遇到塑料制品零件上有内外侧孔和侧凹的形状，在进行模具设计时，就需要考虑采用侧抽芯机构。常用的抽芯机构有手动、机动、气动和液压分型抽芯机构等。手动抽芯是依靠人工直接抽拔或通过传动装置抽出型芯，工作效率较低，劳动强度大，仅适用于小批量生产和试制生产；气动和液压抽芯是利用气压或液压系统抽出型芯，它具有传动平稳，可获得较大的抽拔力和较长的抽芯距；机动侧向抽芯是利用注射机的开模动力，通过传动零件，将活动型芯抽

出，其结构复杂，但无需手工操作，生产效率高，是较为广泛采用的。机动分型抽芯机构又可分为弹簧式、斜导柱式、弯销式、斜导槽式、楔块式、斜滑块式、斜槽式、齿轮齿条式等８种。在实际生产过程中，斜导柱分型抽芯机构使用的最为普遍。这里单独介绍斜导柱抽芯机构的结构设计。

1 塑件成型结构 

塑件选用 ABS+PC材料(即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物/聚 碳酸酯复合材料)，其外形呈锥台状，锥台上端内圆直径为25 mm，下端内圆直径为29 mm，锥台高度12 mm，塑件平均壁厚1.2 mm；锥台侧壁上设计有30个侧边孔，以及15个对应的位于H下层单孔h(尺寸为Φ1 mm×2 mm)。上层单孔H的典

连杆，可以通过调节连杆的螺栓的长度来调节转向轮的转向角度；同时，还设计了转向刻度盘，通过调节刻度盘也可控制转向。两者共同调节，可得不同的轨迹组合，能够满足一般轨迹变化需要。

此外，在实验过程中，轨迹出现周期性误差，与设计、制作精度无关，通过调节转向机构可修正，是转向时的轨迹造成的误差。这种误差在这种不完全齿轮机构中不可避免，但可通过巧妙设计而避免。本文设计的不完全齿轮与主动轮驱动齿轮同轴，两者同步转动，在转向时主动轮也同样行驶对应里程，与时间无关，无法通过迅速转向避免，这是由最初设计就决定的。本机构设计的齿数较少，对应的误差行程也就较短，通关过调整基本可以弥补误差。为了优化这种结构，可把主动轮驱动齿轮也设计成为不完全齿轮，与控制转向不完全齿轮工作时间正好相反，两者模数、齿数完全一致，配合设计减速机构，在小车转向时制动，使小车停车转向，如此就可弥补设计上的缺陷，从根源解决轨迹周期误差。

参考文献：

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