張 碩，周洪艷，王 鑫，劉鑫明

(長(zhǎng)春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032)

0 引言

以“守德崇勞工程創(chuàng)新求卓越，服務(wù)社會(huì)智造強(qiáng)國(guó)勇?lián)?dāng)”為主題的全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽，新增熱能驅(qū)動(dòng)車賽項(xiàng)并改用“環(huán)S型”賽道。沿賽道中心線放置10個(gè)障礙樁，障礙樁為直徑20 mm、高200 mm的圓棒。比賽要求驅(qū)動(dòng)車必須在發(fā)車區(qū)域內(nèi)，并在發(fā)車線后按照規(guī)定的出發(fā)方向發(fā)車，前行方向?yàn)槟鏁r(shí)針。

相較于原先的賽道，新型“環(huán)S型”賽道更加復(fù)雜，對(duì)無(wú)碳小車的整體要求更高。本文依據(jù)全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽熱能驅(qū)動(dòng)車賽項(xiàng)賽道要求，設(shè)計(jì)了一款斜推式“環(huán)S型”熱能驅(qū)動(dòng)車。熱能驅(qū)動(dòng)車完成動(dòng)作所用能量由液態(tài)乙醇(濃度95%)燃燒所得熱能轉(zhuǎn)換而得。

1 “環(huán)S型”熱能驅(qū)動(dòng)車的總體設(shè)計(jì)方案

熱能驅(qū)動(dòng)車由微調(diào)機(jī)構(gòu)1、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4和車體5組成，如圖1所示。車體全鋁合金制造，為驅(qū)動(dòng)車提供可靠支撐；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將酒精燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，負(fù)責(zé)為熱能驅(qū)動(dòng)車提供前進(jìn)動(dòng)力；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)位于車體前端，利用凸輪推動(dòng)推桿獲得預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于車體兩側(cè)，使驅(qū)動(dòng)車以合理的速度前進(jìn)；微調(diào)機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)分體舵上，用于調(diào)整驅(qū)動(dòng)車軌跡。

2 “環(huán)S型”熱能驅(qū)動(dòng)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主體設(shè)計(jì)

學(xué)校設(shè)備能提供的加工方式有激光切割、3D打印、金屬加工三種，考慮到酒精燃燒十分危險(xiǎn)，測(cè)試過(guò)程中難免出現(xiàn)意外，而ABS塑料和亞克力材料屬于易燃物，為保證車身不會(huì)因測(cè)試過(guò)程中的失誤損壞，選用金屬加工的方式完成驅(qū)動(dòng)車制造，同時(shí)由于鋁合金相較鋼材而言質(zhì)量輕，故采用鋁合金作為驅(qū)動(dòng)車全車材料，利用車床、拉床、銑床和數(shù)控銑床加工出全車零件。

1-微調(diào)機(jī)構(gòu)；2-轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；3-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；4-發(fā)動(dòng)機(jī)；5-車體

通過(guò)仔細(xì)研究競(jìng)賽規(guī)則和賽道數(shù)據(jù)，多次模擬嘗試，規(guī)劃車身整體空間尺寸?？紤]到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在帶有負(fù)載啟動(dòng)時(shí)容易啟動(dòng)失敗，所以采取剛性傳動(dòng)的齒輪傳動(dòng)和撓性傳動(dòng)的帶傳動(dòng)混合傳動(dòng)，既能保證整體傳動(dòng)穩(wěn)定，又能在啟動(dòng)力矩驟變時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和模擬，確定車身整體空間尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為210 mm×144 mm×210 mm。

驅(qū)動(dòng)車采用右后輪單輪驅(qū)動(dòng)，左右后輪軸斷開，利用差速器原理[1]，在減少能耗的同時(shí)，可以使左、右后輪產(chǎn)生速度差，過(guò)彎更加平穩(wěn)。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

大賽要求熱能驅(qū)動(dòng)車只能由定量酒精燃燒作為能源，為了保證發(fā)車成功的情況下行駛更遠(yuǎn)的路程，驅(qū)動(dòng)車采取齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)混合傳動(dòng)的方法，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。主動(dòng)輪5、小齒輪Z16與單槽帶輪7同軸，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶連接雙槽帶輪8，雙槽帶輪又與單槽帶輪7連接，為主動(dòng)輪提供動(dòng)力；小齒輪Z16與大齒輪Z33嚙合組成齒輪副作為第一級(jí)齒輪減速，小齒輪Z24與大齒輪Z33同軸又與大齒輪Z42嚙合組成齒輪副作為第二級(jí)齒輪減速，凸輪1與大齒輪Z42同軸達(dá)成減速目的。

1-凸輪；2-齒輪Z4；3-齒輪Z3；4-齒輪Z2；5-主動(dòng)輪；6-齒輪Z1；7-單槽帶輪；8-雙槽帶輪

確定凸輪1與主動(dòng)輪5的傳動(dòng)比i，編寫MATLAB程序如下：

aa=;bb=;cc=;

for i=chi1(1):chi1(2)

for j=i:chi1(2)

for k=j:chi1(2)

aa=[aa;i*j*k i j k];

end

end

i

end

for i=chi2(1):chi2(2)

for j=i:chi2(2)

for k=j:chi2(2)

bb=[bb;i*j*k i j k];

end

i

end

s0=size(aa);

s1=s0(1);

s0=size(bb);

s2=s0(1);

for i=1:s1

for j=1:s2

l=bb(j)/aa(i);

if l>tl/dd/pi-ex &&l

cc=[cc;l bb(j,:)aa(i,:)]

end

end

i

end

由以上程序算出所有滿足要求的傳動(dòng)比分配情況。由于傳動(dòng)比較大，故選用二級(jí)傳動(dòng)，且將傳動(dòng)比i平均分配[2]，i=5.3×5.3=25.09，得i1=5.3，i2=5.3，取齒輪模數(shù)為1 mm，各齒輪的齒數(shù)取值如下：z1=z2=20，z3=z4=106。

主動(dòng)輪5與凸輪1的傳動(dòng)為剛性傳動(dòng)，確保凸輪在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，驅(qū)動(dòng)車剛好能沿著軌跡運(yùn)動(dòng)一圈，推算出后輪直徑為130 mm。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快且力矩較小，所以用帶傳動(dòng)連接發(fā)動(dòng)機(jī)和主動(dòng)輪，既能降低轉(zhuǎn)速增大力矩，又能保障發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功。

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用斜推式，如圖3所示。凸輪6在側(cè)面推動(dòng)推桿7進(jìn)行轉(zhuǎn)向，且設(shè)計(jì)成上、下兩舵的分體舵，兩舵都可以繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸5進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，給微調(diào)螺栓3留有調(diào)節(jié)空間，下舵2通過(guò)一根光軸10與轉(zhuǎn)向輪1相連，制作合適的軸套，確保轉(zhuǎn)向輪的最大截面圓和轉(zhuǎn)動(dòng)軸5的軸線在同一平面，使得轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度一致。上舵4連接推桿，且推桿上套有可轉(zhuǎn)動(dòng)尼龍?zhí)?，用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦以減小摩擦力[3]，避免凸輪與推桿卡死，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)失效。

凸輪進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，橡皮筋9套在上舵上，這樣推桿就在橡皮筋的作用下緊貼凸輪外輪廓，且繞轉(zhuǎn)向軸做周期擺動(dòng)，使轉(zhuǎn)向輪進(jìn)行周期轉(zhuǎn)向，凸輪旋轉(zhuǎn)一周，小車運(yùn)行一圈。上舵4與下舵2都繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸5旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)螺栓3可調(diào)節(jié)上、下舵的夾角，從而調(diào)整驅(qū)動(dòng)車運(yùn)行軌跡的重合度，減少軌跡的誤差積累。

1-轉(zhuǎn)向輪；2-下舵；3-微調(diào)螺栓；4-上舵；5-轉(zhuǎn)動(dòng)軸；6-凸輪；7-推桿；8-尼龍?zhí)祝?-橡皮筋；10-光軸

3 凸輪設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)理念

凸輪外輪廓的起伏經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換后變成轉(zhuǎn)向輪的擺動(dòng)，反向同樣成立，將驅(qū)動(dòng)車預(yù)想的軌跡和轉(zhuǎn)向輪的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標(biāo)系里的周期波(推程/位移圖，如圖4所示)，再將周期波中的一個(gè)周期轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)系下的極坐標(biāo)方程，其圖像即為凸輪外輪廓圖像，如圖5所示。

圖4 笛卡爾坐標(biāo)系周期波

圖5 極坐標(biāo)系周期波

3.2 影響參數(shù)

本文采用MATLAB得到凸輪形狀。需要事先確定的參數(shù)有：①前軸到后輪軸的距離a=117 mm；②后輪間距b=127.5 mm；③凸輪內(nèi)側(cè)相對(duì)前輪的偏移距離c=30 mm；④凸輪基圓直徑d=90 mm；⑤凸輪厚度f(wàn)=3 mm。

3.3 凸輪設(shè)計(jì)流程及部分程序

通過(guò)驅(qū)動(dòng)車預(yù)想軌跡對(duì)凸輪進(jìn)行模擬仿真，首先在Cero中模擬建立比賽賽道并規(guī)劃出預(yù)設(shè)驅(qū)動(dòng)車轉(zhuǎn)向輪行駛的軌跡。將軌跡陣列出數(shù)千個(gè)點(diǎn)(點(diǎn)數(shù)越多，凸輪精度越高)，導(dǎo)出點(diǎn)集的坐標(biāo)集，導(dǎo)入MATLAB程序當(dāng)中，先算出笛卡爾坐標(biāo)系里的周期波，取其中一個(gè)完整周期，再將笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換程序如下：

xa=;

ya=;

for i=1;s-1

xa=[xa p(i)*cos(alpha(i))];

ya=[ya p(i)*sin(alpha(i))];

end

xa=xa';

ya=ya';

n=1;s-1;

n=n';

o=zeros(size(n));

整個(gè)車體是剛性結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向輪移動(dòng)時(shí)，小車的兩后輪會(huì)以一個(gè)最短的路徑移到相應(yīng)位置，即可確定兩后輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)由于在小車走完一圈后后輪中點(diǎn)不會(huì)回到原點(diǎn)，為了提高精度，重新設(shè)置后輪中點(diǎn)坐標(biāo)，重新輸出后輪移動(dòng)曲線。重新輸出的后輪軌跡程序如圖6所示。

圖6 重新輸出的后輪軌跡程序

4 總結(jié)

本文將熱能驅(qū)動(dòng)車設(shè)計(jì)過(guò)程分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和凸輪設(shè)計(jì)兩方面。首先，借助Creo和MATLAB軟件對(duì)預(yù)定軌跡進(jìn)行反向計(jì)算，推算出凸輪外輪廓形狀；然后，輔以微調(diào)螺栓，糾正零件加工和裝配中的誤差，保證驅(qū)動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行軌跡；最后考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力等各種實(shí)際影響因素，并選用混合傳動(dòng)的方案降低發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的影響。采用本文設(shè)計(jì)的熱能驅(qū)動(dòng)車在全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中獲得了省賽一等獎(jiǎng)的成績(jī)，能夠?yàn)楹罄m(xù)參賽同行提供一定的參考。