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研究与开发
机电工程技2014年第43卷第03期
DOI:10.3969/j.issa.1009-9492.2014.03.003
基于不完全齿轮齿条转向的避障小车研究
邹光明,王东雄,尹志朋,刘源泂,沈欢
(武汉科技大学杌械自动化学院,湖北武汉430081)
摘要:设计了一种以不完全齿轮和齿条啮合来控制转向的避障小车。小车在前行过程中能自动避开相隔一定距离的障碍物。该
小车由转向系统、传动系统和车架等组成。转向系统由两个不完全齿轮与齿条啮合驱动转向轮转向;传动系统由齿轮机构组
成。实践表明该避障小车的设计是合理可行的。
关键词:不完全齿轮;齿条;避障小车;转向系统
中图分类号:TH122
文獻标识码:A文章编号:1009-9492(2014)03-0008-03
Study on the Obstacle Avoidance Car Based on Incomplete Gear Rack
Mechanism for Steering
ZOU Guang-ming, WANG Dong-xiong, YIN Zhi-peng, LIU Yuan-jong, SHEN Huan
( School of Machinery and Automation, Wuhan University of Seience and Technology, Wuhan430081, China
Abstract: A car whose steering system is based on incomplete gear and rack is designed. The car could automatically avoid an obstruction
at intervals when running. The car is composed of steering system, transmission system and frame. Steering system driven by two
incomplete gear and rack joint steering wheel steering; Driving s stem consists of gear mechanism. Practice shows that the design of the car
is feasible
Key words: incomplete gear; rack; obstacle avoidance car; steering system
根据第三届工程训练大赛的主题,对避障小定着小车的绕障功能。转向系统需要尽可能地减
车进行了设计。设计要求为:给定4J的重力势少摩擦损耗,具有结构简单、零部件易获得等基
能,根据能量转换原理,设计一种小车,该小车本条件,同时还需具有特殊的运动特性一一能够
可将4J的重力势能转换为机械能驱动小车行走,将连续的旋转运动转化为转向杆的往复摆动,从
并且在前行过程中能够自动避开设置在赛道上的而带动转向轮左右转动实现转向避障的功能。转
固定间距为1000mm的障得物。对于避障小车的向系统的方案主要考虑以下几种形式。
研究一直以来受到全国各高校及研究机构相关人
(1)凸轮机构。通过对凸轮机构的设计可以
员的关注,他们的研究取得了一些成果,并已有达到运动特性的要求,但是凸轮轮廓加工较困
相关文献发表
难,一旦凸轮轮廓如果加工不准确小车运动轨迹
1小车方案设计
将发生很大的变化。
通过对小车进行功能分析可知小车需要完成
(2)曲柄摇杆机构。根据文献[4知曲柄摇杆
的功能有:实现重力势能的转换、驱动自身行机构可以将连续的旋转运动转化为转向杆的往复
走、自动避开障碍物。根据小车所要完成的功能摆动,然而曲柄摇杆机构有急回特性,这将不利
将小车划分为传动系统、转向系统和车架等部分。于小车稳定转向。
1.1转向系统方案设计
本小车转向系统采用不完全齿轮齿条机构。
转向系统是本小车设计的关键部分,直接决在文献5]基础上设计如图1所示的转向系统,转
*国家自然科学基金资助项目(编号:50805108,51175388)
收稿日期:2013-09-26
8?
光明等:基于究金齿於齿条?向的障小研究
研究与开
向系统主要由两个不完全齿轮、双面齿条和转向递给后轮和转向系统,使小车在前行并成功绕
杆等部分组成。两个不完全齿轮所在的轴以相同障。齿轮副具有效率高、结构紧凑、工作可靠
的角速度转动。当不完全齿轮1与齿条上齿面啮传动比稳定等特点。
合时(此时,不完全齿轮2与齿条下齿面未啮
本小车传动系统采用齿轮传动。
合),不完全齿轮1带动齿条向前运动,带动转向2小车详细设计
杆向前运动,驱动小车前轮向右转动;同理,当2.1转向系统
不完全齿轮2与齿条下齿面啮合时齿条向后运
根据小车转向系统的工作原理分析可知:重
动,带动转向杆向后运动,驱动小车前轮向左转物在匀速下落的过程中,小车的运动轨迹将是由
动。如此往复循环,实现小车绕障运动。
几段抛物线组成,如图2所示。图2中A为小车偏
离赛道中心线最远距离,a为相邻障碍物之间的
间距。
y
图2小车运行轨迹
由图2可得在一个周期内,小车的运动轨迹
方程如式(1)。
A
0≤x≤
A
≤x≤
≤c≤
选取前四分之一个周期为研究对象,对式
1.不完全齿轮12.不完全齿轮23.双面齿条4.前轮
(1)的第一式求导得
支架5.转向杆6.前轮7.地面
图1小车转向系统简图
由于运行轨迹线上每点切线的斜率为前轮偏
1.2传动系统方案设计
离水平位置的正切值,即
传动机构的功能是把动力和运动传递到驱动
轮上。要使小车行驶的距离更远并按设计的轨迹
式中,B为转向杆的转角。
精确地行驶,传动系统必须具备传递效率高、传
动稳定、结构简单、重量轻等特点。传动系统的
则当0≤x≤号时,0≤y=umn?に丝。
方案主要考虑以下几种形式。
设齿条运动过程中的最大位移为b,齿条中心
(1)采用带传动。将重物的重力势能通过皮线与前轮支架的距离为e,如图3所示,规定β在
带传递给后轮和转向系统。以此达到设计目的。转向杆右边为正,左边为负。
根据文献知道带传动具有结构简单、传动平
当y=tanB=-4时,前轮与水平位置有最
稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动
大偏角,即导向杆处于极限位置,此时
精度并不高。
(2)采用齿轮传动。通过齿轮啮合将能量传
=y1=44
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