周千宇，劉洪春，胡昊君

(武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

0 引 言

熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)避障賽是第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的賽項(xiàng)之一，旨在通過(guò)設(shè)計(jì)、制造、裝配、調(diào)試和最終的比賽等過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,提升將理論與實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新意識(shí),同時(shí)對(duì)大學(xué)生提高競(jìng)技意識(shí)也有深遠(yuǎn)的影響[1]。

該賽項(xiàng)是此屆比賽新開(kāi)展的賽項(xiàng)，按照競(jìng)賽要求，自主設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有方向控制功能的自行走熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)，小車(chē)完成所有動(dòng)作所用能量均由液態(tài)乙醇(濃度95%)燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換而得。為此，本文針對(duì)熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，提出一種盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)向的小車(chē)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，通過(guò)Matlab進(jìn)行軌跡分析并設(shè)計(jì)凸輪輪廓，利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，最后通過(guò)制造的實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，文中所體現(xiàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思維對(duì)此類競(jìng)賽具有一定的指導(dǎo)意義。

1 熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)總體設(shè)計(jì)

1.1 小車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)組合式設(shè)計(jì)可方便拆裝、調(diào)整及更換零部件。其結(jié)構(gòu)根據(jù)功能一般可劃分為車(chē)架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)[2-3]，各機(jī)構(gòu)的組成如表1所列。

表1 小車(chē)結(jié)構(gòu)組成

1.2 小車(chē)運(yùn)動(dòng)原理分析

根據(jù)各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在SolidWorks中建立小車(chē)三維模型，如圖1所示。比賽小車(chē)需完成熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開(kāi)障礙樁等要求。

圖1 小車(chē)三維模型

小車(chē)運(yùn)動(dòng)的原理為：點(diǎn)燃酒精燈，撥動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)將酒精的熱能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能，通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)能傳遞到驅(qū)動(dòng)輪輪軸上，使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小車(chē)向前運(yùn)動(dòng)。同時(shí)經(jīng)驅(qū)動(dòng)輪輪軸與凸輪軸之間的齒輪傳動(dòng)，使凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪從動(dòng)件推桿沿水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。推桿移動(dòng)使固定在前輪支架上的搖桿運(yùn)動(dòng)，從而使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向。小車(chē)在前進(jìn)的同時(shí)，通過(guò)凸輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整前輪角度使小車(chē)轉(zhuǎn)向，在設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的凸輪形狀后，可實(shí)現(xiàn)小車(chē)按軌跡轉(zhuǎn)向避開(kāi)障礙物。

2 熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)車(chē)場(chǎng)地為5 200 mm×2 200 mm長(zhǎng)方形平面區(qū)域，如圖2所示，驅(qū)動(dòng)車(chē)須在賽場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行。在賽道上放置有障礙樁以及固定隔板，障礙樁為直徑20 mm、高200 mm的圓棒，固定隔板長(zhǎng)1 000 mm。

圖2 初賽驅(qū)動(dòng)車(chē)賽道示意圖及預(yù)設(shè)軌跡

小車(chē)結(jié)構(gòu)如圖3所示，相關(guān)參數(shù)如表2所列。

表2 小車(chē)相關(guān)參數(shù) /m

圖3 小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

現(xiàn)場(chǎng)初賽時(shí)，兩固定隔板缺口處放置活動(dòng)隔板，小車(chē)需繞樁走出環(huán)形“S”軌跡，如圖2中虛線所示，前輪轉(zhuǎn)向?yàn)椋鹤筠D(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)。

通過(guò)設(shè)計(jì)小車(chē)前輪轉(zhuǎn)向角的變化曲線來(lái)設(shè)計(jì)小車(chē)行走軌跡，小車(chē)軌跡為對(duì)稱圖形，只需要設(shè)計(jì)半個(gè)軌跡即可。小車(chē)走圓弧軌跡時(shí)設(shè)置小車(chē)前輪轉(zhuǎn)角為常數(shù)，為保證前輪轉(zhuǎn)角變化連續(xù)，不發(fā)生突變，小車(chē)左轉(zhuǎn)到右轉(zhuǎn)的角度變化為三角函數(shù)。通過(guò)在Matlab軟件中調(diào)試，得到環(huán)形“S”軌跡對(duì)應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)向角函數(shù)圖如圖4所示。

圖4 前輪轉(zhuǎn)向角函數(shù)圖

以場(chǎng)地中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，小車(chē)發(fā)車(chē)位置在圖2左下發(fā)車(chē)區(qū)，起始坐標(biāo)為O(-1.8，0)，前輪轉(zhuǎn)角為0°。如圖5為小車(chē)行走過(guò)程中的一般位置，對(duì)小車(chē)軌跡進(jìn)行微元處理，將小車(chē)行走一圈的軌跡均等分成足夠多的M段，每一段軌跡的兩節(jié)點(diǎn)間距離對(duì)應(yīng)主動(dòng)輪走過(guò)的距離為dx，軌跡仿真中取M=187 200，dx=0.000 06 m。

圖5 小車(chē)行走示意圖

圖中小車(chē)O點(diǎn)軌跡的曲率半徑為ρ，通圖中的幾何關(guān)系可知O點(diǎn)軌跡曲率：

P=tanθ/A

(1)

O點(diǎn)經(jīng)過(guò)的距離：

l=dx/(1+P·B1)

(2)

左輪前進(jìn)距離：

lz={dx·(1-P·B2)}/(1+P·B1)

(3)

右輪前進(jìn)距離：

ly=dx

(4)

前輪前進(jìn)距離：

lq=l/cosθ

(5)

后輪中心圓心角的變化角度：

β=l·p

(6)

后輪中點(diǎn)O的坐標(biāo)：

x=x-l·cosβ，y=y-l·sinβ

(7)

左輪坐標(biāo)：

xz=xz-lz·cosβ，yz=yz-lz·sinβ

(8)

右輪坐標(biāo)：

xy=xy-ly·cosβ，yy=yy-ly·sinβ

(9)

前輪坐標(biāo)：

xq=xq-lq·cos(β+θ)

yq=yq-lq·sin(β+θ)

(10)

通過(guò)上述關(guān)系式能推算出軌跡中下一點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)不斷地迭代可推算得出各個(gè)輪子的行走軌跡，在Matlab中帶入相關(guān)參數(shù)，對(duì)各輪子的離散坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到小車(chē)各個(gè)輪子的軌跡，如圖6所示。

圖6 初賽小車(chē)軌跡

2.2 小車(chē)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 小車(chē)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將乙醇燃燒產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用α型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖7所示。

圖7 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

該發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由外部供熱使氣體在不同溫度下作周期性壓縮和膨脹的閉式循環(huán)往復(fù)式外然發(fā)動(dòng)機(jī)，由熱缸、冷缸、配氣活塞、做功活塞、曲柄連桿、飛輪等構(gòu)成，如圖所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率較高。

(2) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)始終堅(jiān)持原則：小車(chē)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，傳動(dòng)件數(shù)少，操作和調(diào)整方便靈活[4]。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪和后輪軸間使用二級(jí)皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比分別為2和4，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪速度，增大力矩。在后輪軸及凸輪軸之間使用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、效率高。

利用Matlab計(jì)算出小車(chē)軌跡的長(zhǎng)度，以最長(zhǎng)的小車(chē)輪子的軌跡長(zhǎng)度設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)比，小車(chē)行走一圈軌跡長(zhǎng)度L=11.232 4 m，則小車(chē)行走一圈軌跡后輪轉(zhuǎn)圈數(shù)n1=L/π·D2=20 r，小車(chē)行走一圈軌跡凸輪轉(zhuǎn)圈數(shù)n4=1 r。

圖8 齒輪輪系圖9 小車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(3) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分[5],筆者采用盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9所示。在得到準(zhǔn)確的小車(chē)軌跡后，前輪轉(zhuǎn)角的變化便確定下來(lái)，通過(guò)前輪轉(zhuǎn)角θ與凸輪推程s的關(guān)系可設(shè)計(jì)出凸輪輪廓。圖中，凸輪推程s=tanθ·c，則凸輪從動(dòng)件位移S=R0+s，R0為凸輪基圓半徑。

使用微元法將凸輪輪廓按角度均等分成M份，設(shè)主動(dòng)輪每走過(guò)dx長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)(360/M)°，在Matlab中，對(duì)從動(dòng)件位移點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，調(diào)試c與R0值可得到合適的理論凸輪輪廓，如圖10所示。

圖10 理論凸輪輪廓 圖11 微調(diào)機(jī)構(gòu)

在得到理論凸輪輪廓后，考慮凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件推桿滾子的半徑，在SolidWorks中可建立實(shí)際凸輪的三維模型。

(4) 微調(diào)機(jī)構(gòu) 小車(chē)微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖11所示。通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)機(jī)構(gòu)的螺桿改變轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的搖桿長(zhǎng)度c，精確調(diào)節(jié)前輪轉(zhuǎn)向角度θ，從而調(diào)整小車(chē)軌跡，實(shí)現(xiàn)小車(chē)準(zhǔn)確避障。

2.3 場(chǎng)地變樁后的零件調(diào)整設(shè)計(jì)

比賽規(guī)定，決賽時(shí)賽道障礙樁數(shù)量和間距均要改變，小車(chē)有環(huán)形、“8”字和綜合三種運(yùn)行方式，現(xiàn)以一種可能出現(xiàn)的決賽情形進(jìn)行分析，如圖12所示，小車(chē)選擇“8”字運(yùn)行方式。

圖12 驅(qū)動(dòng)車(chē)8字運(yùn)行方式示意圖

按照初賽小車(chē)軌跡設(shè)計(jì)思路，重新設(shè)計(jì)前輪轉(zhuǎn)角變化曲線，調(diào)試相關(guān)參數(shù)在Matlab中可得到?jīng)Q賽小車(chē)軌跡，如圖13所示。

圖13 決賽小車(chē)軌跡

為減少重新加工零件的個(gè)數(shù)，小車(chē)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，即帶傳動(dòng)與二級(jí)齒輪傳動(dòng)的零件不重新設(shè)計(jì)加工，場(chǎng)地變樁后的零件調(diào)整方案為保持帶傳動(dòng)與二級(jí)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比不變，只重新設(shè)計(jì)凸輪與小車(chē)后輪。

利用Matlab計(jì)算出決賽時(shí)小車(chē)行走一圈軌跡的長(zhǎng)度L′=11.368 8 m。二級(jí)齒輪未改變，其傳動(dòng)比i14為20,小車(chē)行走一圈軌跡凸輪轉(zhuǎn)1圈，則主動(dòng)輪圈數(shù)n1=20 r，需重新制作的后輪直徑：

按照前述凸輪設(shè)計(jì)方法，在Matlab中調(diào)整相關(guān)參數(shù)可得到需調(diào)整的理論凸輪的輪廓，如圖14所示。

圖14 決賽理論凸輪輪廓

最后，在利用SolidWorks進(jìn)行零件三維建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)控加工和激光切割等工藝制作出小車(chē)零件，裝配得到的小車(chē)實(shí)物如圖15所示。通過(guò)對(duì)樣機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證了筆者設(shè)計(jì)出的熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)能夠行駛出環(huán)形“S”字軌跡，且小車(chē)行駛軌跡精度較高，檢驗(yàn)了文中小車(chē)設(shè)計(jì)中的可行性和實(shí)效性。

圖15 小車(chē)實(shí)物

3 結(jié) 語(yǔ)

文中所設(shè)計(jì)的基于凸輪機(jī)構(gòu)的熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)在運(yùn)動(dòng)軌跡和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了一定程度的創(chuàng)新和優(yōu)化，利用Matlab進(jìn)行小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，并實(shí)現(xiàn)不同路徑的熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)通用設(shè)計(jì)，只需更換凸輪和后輪即可完成不同的路徑。實(shí)際的試驗(yàn)也表明此次設(shè)計(jì)是合理有效的，能使熱能驅(qū)動(dòng)車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡得到優(yōu)化。文中所體現(xiàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思維對(duì)此類競(jìng)賽具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。