李军营;杨术芳
【摘 要】为解决无碳小车转向控制问题,采用共轭凸轮作为转向控制.CATIA建立了无碳小车模型,并通过ADAMS对凸轮的轮廓曲线和无碳小车运动轨迹进行了仿真分析.仿真分析结果表明,与传统的曲柄摇杆机构转向或一般凸轮转向控制设计相比,基于共轭凸轮转向设计同样能达到转向目的并且提高了小车的运行精度和车体稳定性,使得整车更加紧凑小巧,减少了小车在行驶过程中的耗能,增加了越障数目. 【期刊名称】《农业装备与车辆工程》
【年(卷),期】2015(053)006
【总页数】3页(P44-46)
电路板的制作【关键词】无碳小车;ADAMS;凸轮;建模;CATIA;仿真
【作 者】李军营;杨术芳
【作者单位】250023 山东省 济南市 山东交通学院汽车工程学院;250023 山东省 济南市 山东交通学院汽车工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】U489
0 引言
当前的能源危机、资源危机及环境污染已逐渐威胁到人们的生存与社会的发展。无碳小车是全国大学生工程训练综合能力竞赛项目之一，其设计也是当前人们利用科技手段倡导无碳生活的一个缩影。无碳小车的设计形式多样，主要区别在于小车的转向控制设计及整车参数调节，传统设计一般采用曲柄摇杆机构进行转向控制，为保证每一个转向周期内小车行走的距离和幅值趋近于一致，曲柄和摇杆的长度应尽可能短，而连杆长度应尽可能长[4]。因此，有不利于整车的布局，稳定性差的缺点，本设计采用了共轭凸轮的设计，可以实现小车的左右转向控制，并可以通过改变共轭凸轮的主副凸轮的镶嵌位置调整运行轨迹。无碳小车行走路线如图1所示。根据比赛规则，为顺利完成比赛可以总结为“两个中心”，
ome103即（1）整车的周期性转向；（2）整车的驱动设计。本文针对两个中心的工作总结如下。
图1 无碳小车自动行走示意图Fig.1 Automatic walking diagram of carbon-free car
1 设计思路
根据大赛公布的规则，设计的无碳小车有2个驱动轮C和1个转向轮D，通过重物E下落，经行程放大轮A带动后轴系驱动轮提供动力，通过共轭凸轮B的设计控制转向轮的转向，图2为整体的设计工程图。
彩相纸图2 整体的设计工程图Fig.2 The whole design engineering drawing
1.1 传动设计
为了提高传动的预紧力，提高系统的稳定性，设计中采用了行程放大轮。在传动设计中事先将小车的行走路线理想化为直线AB，如图1所示。由三角形定理已知直线AB=1.077 m，当小车穿越23个障碍时行驶的总路程S=24×1.077 m，车的后轮直径为0.55 m，每圈周长1.727 m，故小车后轮应转动15圈.后轴系直径(与张紧轮相连的后轴系部分)为0.010 6 m，
转向轮也应旋转23圈。因需屏蔽23个障碍，而与转向凸轮连接传递动力的后轴系直径是0.1 m，故转向凸轮的传动圆盘直径为0.06 m。无碳小车越障假定轨迹如图1弧虚线所示。如图3所示，CATIA实体传动设计。
图3 CATIA实体传动设计Fig.3 The design of CATIA entities transmission
图4 ADAMS仿真约束图Fig.4 The constraint graph of ADAMS simulation
1.2 转向控制
1.2.1 凸轮设计
凸轮有盘形凸轮、圆柱形凸轮[1-2]等，传统无碳小车采用曲柄摇杆机构，不利于整车的布局，有稳定性差的缺点。为避免其存在的缺点，实现对无碳小车稳定的方向控制，本设计采用了共轭凸轮的设计，依据反转法原理[2]设计了凸轮轮廓曲线。共轭凸轮也称复式凸轮，是机械化和自动化等生产设备中的关键部件，由主、副凸轮合为一体构成一对共轭凸轮。由于方向的控制是对称的，因此，设计主、副凸轮的一个即可。在凸轮的设计中，为了避免对转向杆的冲击，不宜采用加速度有突变的运动规律[1]。根据比赛要求可将等加速
度运动与正弦加速度运动规律结合设计凸轮的轮廓。
以下各式中：δ1、δ2——正弦修正区段所对应的凸轮转角，°；h1、h2——正弦修正区段所对应的推杆行程，m；δ——凸轮转角，°；s——推杆位移，m；ω——凸轮转动角速 度 ，rad/s；V1、V2、V3——推杆的速度，m/s；a——推杆的加速度；δ0——凸轮的运动角，°。
正弦加速度阶段：
等速运动阶段：磁疗被
正弦加速度减速阶段：磨砂杯
在共轭凸轮的设计过程中运用的软件是ADAMS，在运用过程中需要知道的参数是ω和v，因此，根据上述公式中的（2）、（5）、（8）可以求 v（m/s）。根据(1)、(4)、(7)公式与转向轴叉的长度可以求出理想的旋转角度（勾股定理），ω(rad/s）根据本车的实际情况来确定。在不同的凸轮转角的情况下对应的速度方程式
在ADAMS的推杆的速度框中采用 “所有函数”定义的形式，用到IF函数的嵌套方式IF(time×ω-δ1:V1,V1,IF(time×ω-(δ0-δ2):V2,V2,V3))(time 单位：s)，最后提取凸轮仿真模型设计。
2 仿真采集数据
由于CATIA建的小车的模型不能直接导入ADAMS进行分析，因此，可借助Pro/E作为中间环节辅助模型导入ADAMS[3]。创建运动副和驱动，导向轮、放大轮、前叉、后轴、凸轮与机架之间分别创建旋转副，重物与大地之间创建移动副，在重物、导向轮、行程放大轮、后轴、凸轮之间创建耦合副，在机架与后轴、前叉、凸轮之间创建接触。接触采用了回归法计算接触力，回归法定义2个参数，惩罚参数和回归系数，惩罚参数起加强接触中的单边约束作用，回归系数起控制接触过程中能量消耗的作用[4-5]。在整车车架上创建移动副与后轮建立函数关系。图4为运动副与驱动的创建。
3 模型仿真及结果分析
理想的路线如图1所示，波峰与波谷之间的幅值为400 mm，两波峰之间的距离2 000 mm，
按行驶路线其最大摆角为arctan(2/5)°。如图5所示为小车的轨迹仿真图，其纵坐标为小车的跨越屏障的横向运动值，横坐标为小车的运动距离，仿真设计的小车能跨越24个障碍。由表1得，波峰与波谷之间的幅值为409.882 4 mm左右，小车运行的距离29 007.0 mm左右。由图5得，按行驶路线其最大摆角为21.5°左右。仿真的相关参数与预设的误差较小，存在可信度。
表1 小车路径仿真相关参数Tab.1 The related parameters of car path simulationX Y Slope Min Max Avq RMS ＃of points 29 007.0 316.325 1-1.448 7 138.565 4 548.447 8331.35361.641 8 501
图5 小车轨迹仿真图Fig.5 The diagram of car trajectory simulation
线材生产图6 小车转向角度分析Fig.6 The analysis for car steering angle
4 结论
应用共轭凸轮的设计提高了整车的转向稳定性能。在软件上不断地对各传动比值的修改与共轭凸轮的设计优化仿真，通过ADAMS对整车建模仿真分析，提高了设计的精确性。计算
机辅助软件的运用避免了开发的盲目性，使整个车的设计过程变得形象可观，并提供了一定的参考价值，缩短了设计周期，约了设计材料。
参考文献
【相关文献】
[1] 曾子维，高建正，祁元明，等.“无碳小车”设计与制作[J].科技风 2013(7)：8.
[2] 孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育版社，2006
[3] Zhang Jiajie.On modeling and the interface technology of the reduction device based on Pro/E and ADAMS[C].International Conference on Digital Manufacturing＆Automation(ICDMA 2011)2nd.
[4] 郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[5] 刘晋霞，胡仁喜.ADAMS 2012虚拟样机入门到精通[M].机械工业出版社，2013.
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