張 鈺 楊燦宇＊ 田紹兵 李 帥 羅 鑫

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

1 概述

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽對(duì)于促進(jìn)高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)能力的提升、提高學(xué)生理實(shí)結(jié)合綜合能力有重大作用[1]。工訓(xùn)大賽每年的賽道和規(guī)則都在發(fā)生變化，前幾屆工訓(xùn)大賽的無碳小車已有較全面的設(shè)計(jì)方法[2]及優(yōu)化試驗(yàn)[3]，本文針對(duì)第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽（更名后為中國大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽）工程基礎(chǔ)賽道勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車賽項(xiàng)，提出了一種勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車的整體設(shè)計(jì)方法。

2 設(shè)計(jì)題目

大賽官網(wǎng)[4]勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車的命題為“由參賽隊(duì)員自主設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有方向控制功能的自行走勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車”，完成所有動(dòng)作所用能量?jī)H由一件1kg±10g 重物下降300±2mm 高度產(chǎn)生的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得。比賽分為初賽和決賽，初賽運(yùn)行方式為環(huán)形運(yùn)行（圖1），決賽運(yùn)行方式由參賽選手自行在環(huán)形運(yùn)行、“8”字運(yùn)行（圖2）及綜合運(yùn)行（環(huán)形運(yùn)行和“8”字運(yùn)行交替進(jìn)行）三種運(yùn)行方式自行選擇。參賽選手可從兩個(gè)發(fā)車區(qū)內(nèi)任選一個(gè)發(fā)車區(qū)，按指定方向進(jìn)行無接觸發(fā)車，直至驅(qū)動(dòng)車停止運(yùn)行，根據(jù)有效行駛距離和繞樁數(shù)計(jì)算得分。

圖1 環(huán)形運(yùn)行方式

圖2“8”字運(yùn)行方式

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)路線

勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車由車身、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)和微調(diào)機(jī)構(gòu)組成，綜合考慮賽道大小、重物尺寸、行走長(zhǎng)度、行走穩(wěn)定性、拆裝難度及加工等因素后，驅(qū)動(dòng)車在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。首先為了便于拆裝，車身結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、傳動(dòng)件盡量少；其次為了最大限度減小由于比賽過程中二次拆裝對(duì)行走軌跡產(chǎn)生的影響，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)整和拆裝盡量方便、可靠；最后在設(shè)計(jì)車身主要數(shù)據(jù)（主動(dòng)輪偏距a、前后軸距b、凸輪基圓直徑d 等）時(shí)，要綜合考量傳動(dòng)比是否合適、計(jì)算出的凸輪形狀是否可行。在驅(qū)動(dòng)車設(shè)計(jì)、制作好后，還要配合正確的調(diào)試方法進(jìn)行試車，以達(dá)到最理想的行走效果。本設(shè)計(jì)的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車三維圖如圖3 所示。

圖3 勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車三維圖

3.2 車身結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)

3.2.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)車采用三輪式，轉(zhuǎn)向輪起轉(zhuǎn)向作用，對(duì)傳動(dòng)影響不大，轉(zhuǎn)向輪直徑可根據(jù)車身結(jié)構(gòu)適當(dāng)選定。在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪直徑的確定上，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪直徑建議120mm～200mm。本設(shè)計(jì)的三輪直徑分別為轉(zhuǎn)向輪直徑d1=20mm、主動(dòng)輪直徑d2=130mm、從動(dòng)輪直徑d3=130mm。在主動(dòng)輪偏距、前后軸距的選擇上，本設(shè)計(jì)建議主動(dòng)輪偏距小于90mm，前后軸距小于200mm。本設(shè)計(jì)的主動(dòng)輪偏距a=75mm，前后軸距b=116mm。

3.2.2 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)形運(yùn)行、“8”字運(yùn)行及綜合運(yùn)行方式的軌跡長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量估算，得到環(huán)形運(yùn)行方式一圈的路程在11500mm 左右，“8”字運(yùn)行方式一圈的路程在12500mm 左右，綜合運(yùn)行方式的一圈路程在24000mm 左右，由于驅(qū)動(dòng)車在繞樁時(shí)的繞樁角度和繞樁路線長(zhǎng)度不同，總路程無法精確計(jì)算，則本設(shè)計(jì)按照繞大彎、不撞樁的原則進(jìn)行軌跡的繪制。隨后通過車身結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過Matlab 軟件進(jìn)行傳動(dòng)比和齒輪組的計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[5]。由于后輪直徑為130mm，傳動(dòng)比較大，故選擇二級(jí)傳動(dòng)，取i1=4.9，i2=5.4，齒輪模數(shù)m=1，齒數(shù)取z1=z2=20，z3=98，z4=108，總轉(zhuǎn)動(dòng)比i=i1×i2=26.46。

驅(qū)動(dòng)車的前進(jìn)由重物下降帶動(dòng)繞線盤轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線盤經(jīng)齒輪組帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在繞線盤的選擇上，本設(shè)計(jì)選擇階梯繞線盤。由于驅(qū)動(dòng)車的啟動(dòng)方式為無接觸啟動(dòng)，則啟動(dòng)時(shí)需要的扭矩大，則由大直徑處繞線盤帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)車啟動(dòng)；驅(qū)動(dòng)車啟動(dòng)以后，需要的扭矩相比啟動(dòng)時(shí)有所減小，可由小直徑處繞線盤帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)車?yán)^續(xù)前行。選擇階梯繞線盤既能滿足驅(qū)動(dòng)車啟動(dòng)的扭矩要求，也能增加繞線盤的繞線圈數(shù)，提高驅(qū)動(dòng)車運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加驅(qū)動(dòng)車的前進(jìn)路程。

3.3 凸輪設(shè)計(jì)

3.3.1 計(jì)算轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角角度

將繪制好的軌跡曲線近似看成2000 個(gè)點(diǎn)的平滑連線，并將這2000 個(gè)點(diǎn)的X、Y 坐標(biāo)導(dǎo)出到Matlab 內(nèi)進(jìn)行軌跡繪制，進(jìn)行后續(xù)的凸輪仿真設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以環(huán)形運(yùn)行方式為例進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)說明，環(huán)形運(yùn)行方式在Matlab 內(nèi)軌跡圖如圖4 所示。

圖4 環(huán)形運(yùn)行方式在Matlab 內(nèi)的軌跡圖

驅(qū)動(dòng)車的凸輪每轉(zhuǎn)過一圈，驅(qū)動(dòng)車需走完完整的一圈。我們將圖中A 點(diǎn)設(shè)定為驅(qū)動(dòng)車的出發(fā)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)車逆時(shí)針運(yùn)行，則轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向需經(jīng)歷左轉(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)的過程。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)車的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角曲線時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角曲線的曲率連續(xù)，驅(qū)動(dòng)車左轉(zhuǎn)到右轉(zhuǎn)的過渡用三角函數(shù)和常數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角曲線的拼接，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[6]。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，得到驅(qū)動(dòng)車轉(zhuǎn)向輪在不同路程處的轉(zhuǎn)角角度（圖5）。

圖5 轉(zhuǎn)向輪在不同路程處的轉(zhuǎn)角角度

3.3.2 凸輪形狀繪制

轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角確定后，需要設(shè)置凸輪偏距c、凸輪基圓直徑d以及凸輪推桿直徑d桿，即可推算出凸輪的推程，進(jìn)而得到凸輪的形狀。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中凸輪偏距c=49mm，凸輪基圓直徑d=96mm，凸輪推桿直徑d桿=2mm。推算出凸輪推程（圖6）后，最終得到凸輪的形狀（圖7）。將Matlab 中繪制的凸輪形狀，導(dǎo)入到SolidWorks、CAD 等軟件中，即可進(jìn)行凸輪的建模及加工制作。

圖6 凸輪推程

圖7 凸輪形狀

4 調(diào)試及修正

由于轉(zhuǎn)向軸偏角、發(fā)車位置等因素導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)車的實(shí)際運(yùn)行軌跡與競(jìng)賽場(chǎng)地的標(biāo)準(zhǔn)軌跡不吻合，調(diào)試目的是為了使兩者更加接近。首先在空曠的場(chǎng)地上讓驅(qū)動(dòng)車自行行走，判斷其運(yùn)動(dòng)軌跡的起止點(diǎn)是否接近或重合。通過微調(diào)儀（可選R 軸角度旋轉(zhuǎn)微調(diào)平臺(tái)）不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向軸偏角及發(fā)車位置，直至確定最佳的轉(zhuǎn)向軸偏角及發(fā)車位置。如經(jīng)上述手段仍不能達(dá)到理想的運(yùn)行效果，則可根據(jù)驅(qū)動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行路線，用銼刀或膠帶對(duì)凸輪形狀進(jìn)行微小修改，以達(dá)到最理想的運(yùn)行效果。

5 結(jié)論

本文針對(duì)第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽工程基礎(chǔ)賽道勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車賽項(xiàng)，提出了一種勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車的整體設(shè)計(jì)方法。文章以Matlab 計(jì)算仿真為主，通過仿真計(jì)算得出合適的傳動(dòng)比及凸輪形狀，隨后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)車三維建模裝配及實(shí)體車加工。同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)車的賽前調(diào)試方法進(jìn)行闡述說明，通過調(diào)試可更好的達(dá)到理想、穩(wěn)定的運(yùn)行效果。

由本文的五位作者設(shè)計(jì)、制作的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車（圖8）在第七屆工程訓(xùn)練大賽云南省省賽中獲得了云南省第二（金獎(jiǎng)）的成績(jī)。但本設(shè)計(jì)仍存在一些問題，如行進(jìn)路線仍過于緊湊，會(huì)產(chǎn)生撞樁現(xiàn)象；齒輪傳動(dòng)能量損耗過大，導(dǎo)致不得不采用直徑較大的繞線盤，縮短了驅(qū)動(dòng)車的行進(jìn)路程；車身底盤過高，撞樁后容易將障礙樁卷入車底等，相關(guān)問題有待進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。

圖8 勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車實(shí)物圖