霍海濤 梁國棟 辛延征

（天津科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，天津 300222）

基于第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽，即以2021年中國大學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽基礎(chǔ)工程賽道避障小車競賽項目中的熱能驅(qū)動車為背景設(shè)計和制作一臺小車。該小車能夠在運行過程中按照賽規(guī)要求自動控制方向，并走出完美的避障軌跡曲線。賽規(guī)要求，小車運行和動作的全部能量由濃度為95%的液態(tài)乙醇燃燒轉(zhuǎn)換而得，可以隨意設(shè)計產(chǎn)生熱能裝置的結(jié)構(gòu)，但不允許有任何其他形式的補充能量。因此，該車的設(shè)計應(yīng)注重小車沿避障軌跡運行的可靠性和能量轉(zhuǎn)化的效率與利用率。

1 熱能驅(qū)動車總體設(shè)計方案

該小車的設(shè)計仍然延用三輪結(jié)構(gòu)，行駛的動力來源于5 mL濃度為95%的液態(tài)乙醇，不依靠任何其他外來的能源和能量。與以往的無碳小車相比，其能量轉(zhuǎn)化形式由勢能轉(zhuǎn)化成動能變成了熱能轉(zhuǎn)化成動能，能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)有較大的變化，但是控制軌跡運行的機構(gòu)基本和勢能小車相同。

本屆比賽賽規(guī)的軌跡要求如圖1所示，小車需要以S形避障的方式走出環(huán)形軌跡、以S形避障的方式走出“8字”軌跡和以S形避障的方式走出環(huán)形和“8字”為一個周期的綜合軌跡[1]。3種運行方式的避障運行軌跡要比以往復(fù)雜很多。

圖1 競賽賽道示意圖

小車利用不完全齒輪與曲柄搖桿進行轉(zhuǎn)向[2]，自動走出這3種復(fù)雜軌跡，設(shè)計和制作難度較大，因此選用了凸輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)作為軌跡控制的核心。在總體設(shè)計方案中，除了凸輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)之外，還有能源動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)、傳動機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)以及包括車輪在內(nèi)的底盤與行走機構(gòu)等5個主要部分和一些附屬部件。該小車的整體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 熱能驅(qū)動小車整體結(jié)構(gòu)框架

2 熱能驅(qū)動小車設(shè)計

2.1 能動轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)計

將乙醇燃料的能量轉(zhuǎn)化成為機械動能的核心機構(gòu)是斯特林發(fā)動機，如圖3所示。該發(fā)動機有兩個氣缸，一個為動力氣缸，另一個為熱置換氣缸。其工作原理是利用氣缸內(nèi)工作介質(zhì)的溫差帶來的能量變換產(chǎn)生機械運動循環(huán)輸出動力，一個運動周期包括冷卻、壓縮、吸熱以及膨脹等動作。為了減少熱能的損失，同時也為了防止小車在行進過程中由于氣流的擾動造成火苗偏離玻璃管，在酒精燈上方設(shè)計了防風(fēng)聚能罩，如圖4所示。

圖3 斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)

圖4 酒精燈與防風(fēng)聚能罩

2.2 傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)的主要作用是將斯特林發(fā)動機產(chǎn)生的動能傳遞給小車的主動車輪和凸輪部分。因為斯特林發(fā)動機的運行轉(zhuǎn)速過高，但輸出的轉(zhuǎn)矩較小，所以不能直接接入小車的動力軸，必須設(shè)計合理的傳動方案。常見的傳動機構(gòu)有齒輪傳動、鏈條傳動、皮帶傳動、摩擦傳動和蝸輪蝸桿傳動等。為減少傳動損耗，提高傳動效率，傳動步驟越少越好。

經(jīng)過幾種傳動方案的對比，最終確定采用細橡膠圈為傳動皮帶輪，以此將斯特林發(fā)動機的動能傳遞給高精度的齒輪，然后經(jīng)過齒輪減速傳動，將扭矩轉(zhuǎn)遞給動力軸。齒輪嚙合具有動力傳遞效率高和動力傳遞穩(wěn)定的特點。采用橡膠圈的皮帶傳動，在發(fā)動機啟動后，小車待發(fā)車保持停止狀態(tài)時，可以利用皮帶傳動打滑的特點充當離合器，因此這種組合傳動設(shè)計能夠滿足熱能驅(qū)動小車運行的需要。

在設(shè)計時，皮帶傳動機構(gòu)的傳動比確定為30∶1，驅(qū)動主動輪的齒輪傳動機構(gòu)的傳動比確定為1∶4，驅(qū)動凸輪的齒輪傳動機構(gòu)傳動比確定為1∶6。根據(jù)小車結(jié)構(gòu)的整體布局，設(shè)計和計算大小皮帶輪和大小齒輪的基本尺寸，如圖5所示。

圖5 皮帶傳動與齒輪傳動機構(gòu)組合

2.3 轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)

若小車利用不完全齒輪與曲柄搖桿機構(gòu)進行轉(zhuǎn)向[2]，要自動走出賽規(guī)要求的3種復(fù)雜軌跡，其設(shè)計和制作難度都比較大。因此，本設(shè)計選用了凸輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)為軌跡控制的核心，其運行軌跡關(guān)系如圖6所示。運行過程中，凸輪廓形狀的改變會引起推桿的推程產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而使前輪擺角θ做出相應(yīng)的改變，而θ又和繞樁軌跡上的點一一對應(yīng)[3]，因此能夠滿足復(fù)雜運動軌跡的要求。

圖6 小車運行示意

從圖6分析可得：

式中：α3為轉(zhuǎn)向輪A的中心與驅(qū)動軸中心的水平距離。

傳統(tǒng)的小車凸輪設(shè)計方法是先分段尋找相近軌跡函數(shù)，然后利用式（2）的軌跡函數(shù)曲率半徑R的求解公式，求出各段函數(shù)曲線的曲率半徑函數(shù)，再通過推導(dǎo)計算出凸輪各段輪廓函數(shù)的方法進行凸輪設(shè)計。由于競賽題目的軌跡比較復(fù)雜，求得適合的函數(shù)難度大，軌跡擬合效果差。

式中：f ′(x)和f ′′(x)分別為某一段軌跡函數(shù)f(x)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。

本設(shè)計為了簡化軌跡的運算過程，采用了“坐標法”進行凸輪設(shè)計，即由三維可視化實體模擬軟件Autodesk Inventor進行軌跡規(guī)劃，小車運行軌跡規(guī)劃圖如圖7所示。凸輪的設(shè)計過程為：通過在規(guī)劃的軌跡上采樣，根據(jù)采樣點坐標值計算出每個采樣點的曲率半徑，再根據(jù)曲率半徑計算出凸輪坐標，然后將凸輪坐標導(dǎo)入UG NX。小車采用了凸輪槽結(jié)構(gòu)模式的設(shè)計，計算出的坐標即為槽內(nèi)側(cè)輪廓上的點坐標。進行凸輪三維建模如圖8所示，用加工中心成功加工出凸輪。

圖7 小車運行軌跡規(guī)劃圖

圖8 “8”字軌跡凸輪三維建模

2.4 微調(diào)校準機構(gòu)

微調(diào)機構(gòu)是小車能夠走出規(guī)劃軌跡的關(guān)鍵機構(gòu)，通過微調(diào)機構(gòu)的調(diào)節(jié)可以修正小車行走軌跡[4]。設(shè)計方案中，采用了螺旋微調(diào)器+微調(diào)滑塊+轉(zhuǎn)向塊的方案，如圖9所示。當需要調(diào)整小車偏移規(guī)劃軌跡的距離時，通過正向或反向旋轉(zhuǎn)螺旋微調(diào)器的旋鈕調(diào)整X方向微調(diào)塊和Y方向微調(diào)塊，以抵消零件公差和裝配間隙產(chǎn)生的誤差，從而實現(xiàn)微調(diào)功能，達到修正小車軌跡的目的。

圖9 微調(diào)校準機構(gòu)

2.5 差速運行機構(gòu)

如果采用雙輪同步驅(qū)動，則轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)彎半徑小的輪子會與地面打滑。由于滑動摩擦力遠比滾動摩擦力大得多，將會產(chǎn)生大量的能量損耗。同時，這也等同于小車前進中多受到一個約束，導(dǎo)致運行軌跡很難控制。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時的差速運動，可以采用以下3種方案。

第一，安裝差速器。大部分汽車驅(qū)動軸上裝的就是差速器。它能夠在車輪轉(zhuǎn)向時減少車輪與地面的滑動摩擦損耗，在實現(xiàn)最小能耗的同時，滿足實現(xiàn)運動的要求。小車差速器如圖10所示。選用差速器的不足之處是結(jié)構(gòu)和加工制作過程較為復(fù)雜。第二，通過單向軸承來實現(xiàn)差速。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是當小車向一個方向轉(zhuǎn)彎時，外圈速度較大的輪子成為從動輪，內(nèi)圈速度較慢的輪子成為主動輪。向另一個方向轉(zhuǎn)彎時，交替變換。第三，單輪驅(qū)動。在此方案中，后輪的兩個輪子中，一個始終是驅(qū)動輪，另一個始終是從動輪。該驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)很簡單，但高速偏轉(zhuǎn)行進時會產(chǎn)生軌跡誤差。由于小車運行速度較低，因此設(shè)計時選用了單輪驅(qū)動方案，如圖11所示。最終設(shè)計的熱能驅(qū)動小車實物圖如圖12所示。

圖10 小車差速器

圖11 后輪單輪驅(qū)動設(shè)計方案圖

圖12 熱能驅(qū)動小車實物圖

3 結(jié)語

針對此小車設(shè)計方案的整體結(jié)構(gòu)，采用SolidWorks軟件進行了運動仿真和驗證分析，結(jié)果表明凸輪轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)能夠成功實現(xiàn)繞障轉(zhuǎn)向，且軌跡曲線避障運行效果好。制作的熱能驅(qū)動小車結(jié)構(gòu)簡單、熱能轉(zhuǎn)化效率高、傳動件少，在2021年第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽天津賽區(qū)的競賽中獲得了一等獎。實踐證明，該熱能驅(qū)動車布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、運行平穩(wěn)，小車行駛軌跡曲線與規(guī)劃曲線擬合度高，完全滿足賽規(guī)要求，效果良好。