劉鎮(zhèn)英　張國?！W陽博　張彪

摘 要：熱能驅(qū)動車是一種具有方向控制功能，以熱能驅(qū)動的自行小車。為了解決熱能驅(qū)動車因加工精度，裝配誤差等因素影響出現(xiàn)的軌跡不準確的問題。首先對熱能驅(qū)動車進行簡化，通過改變部分參數(shù)來影響小車的運動軌跡，再利用UG運動學仿真模塊對小車運動軌跡進行仿真實驗。然后對影響軌跡的參數(shù)進行總結(jié)和分析，通過對小車的部分參數(shù)進行修改得到了一種簡單可靠的軌跡修正方案。通過對制作的小車進行軌跡運行調(diào)試得到了成功繞樁10個的成績，為以后的熱能驅(qū)動車設(shè)計積累了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：UG 熱能驅(qū)動車 結(jié)構(gòu)設(shè)計 軌跡分析

Design and Trajectory Analysis of Thermal Energy Driven Vehicle

Liu Zhenying，Zhang Guofu，ou Yangbo，Zhang Biao

Abstract：Thermal energy driven car is a self-propelled car with direction control function and driven by thermal energy. In order to solve the problem of inaccurate track of thermal energy driven vehicle due to processing accuracy， assembly error and other factors， firstly， the thermal energy driven vehicle is simplified， and some parameters are changed to affect the motion trajectory of the vehicle， and then the motion trajectory of the vehicle is simulated by UG kinematics simulation module. Then the parameters affecting the trajectory are summarized and analyzed， and a simple and reliable trajectory correction scheme is obtained by modifying some parameters of the trolley. Through the track operation and debugging of the produced trolley， the results of successfully winding 10 piles have been obtained， which has accumulated experience for the design of thermal energy driven vehicle in the future.

Key words：UG， thermal energy driven vehicle， structural design， trajectory analysis

1 引言

目前，發(fā)展高效率綠色環(huán)保機械設(shè)備已經(jīng)成為機械領(lǐng)域的熱點。第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽旨在提倡無碳環(huán)保的設(shè)計理念。本文源于競賽主題“以熱能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”。目標是設(shè)計一種三輪小車，所需能量由濃度為95%的液態(tài)乙醇提供。以小車所走的距離和繞樁數(shù)目來評定性能的優(yōu)劣。在設(shè)計和實際運行當中，凸輪是整個部件的核心。但是在運行當中小車的運動軌跡卻不太準確，經(jīng)常出現(xiàn)軌跡不閉合、平移、旋轉(zhuǎn)等一系列問題。原因是由于熱能驅(qū)動車的加工誤差、裝配誤差、后期磨損、斯特林發(fā)動機一直加速運動等一系列問題的積累導致軌跡偏差嚴重，最終繞樁失敗。故從熱能驅(qū)動車的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，對可能影響運動軌跡變化的因素進行分析提出了新的軌跡修正方案。

2 熱能驅(qū)動車基本結(jié)構(gòu)

熱能驅(qū)動車（以下簡稱小車）主要機構(gòu)包括驅(qū)動機構(gòu)、差速機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)。其中驅(qū)動機構(gòu)主要由斯特林發(fā)動機提供動力;差速機構(gòu)主要使小車速度降低;轉(zhuǎn)向機構(gòu)基本由凸輪提供，轉(zhuǎn)向方式主要由以下四種結(jié)構(gòu)：凸輪推桿式、凸輪頂球式、凸輪圓槽式、齒輪齒條式;微調(diào)機構(gòu)主要由改裝后的螺旋測微器構(gòu)成。

3 熱能驅(qū)動車設(shè)計要點

小車的設(shè)計可以分為兩個部分：第一部分為小車的基本結(jié)構(gòu)，第二部分為小車的凸輪設(shè)計。

①小車根據(jù)斯特林發(fā)動機特點，必須采取減速措施，其作用為減少因小車速度過快導致的軌跡出現(xiàn)偏差。減速部分可分為兩部分：第一部分為發(fā)動機到主動輪的減速;第二部分為主動輪到凸輪的減速。由本次小車數(shù)據(jù)得到斯特林發(fā)動機到主動輪減速比應在30-45左右。

②發(fā)動機到主動輪減速應設(shè)置為同步帶輪。在避免皮帶與帶輪打滑的同時保證了相對穩(wěn)定的減速比。主動輪到凸輪的減速齒輪選擇，模數(shù)盡量選擇0.8、1。相比較0.5模數(shù)的齒輪，0.8和1模數(shù)的齒輪具有較大輪齒，可以使中心距留有間隙不易造成卡齒的現(xiàn)象。

③小車的路程與車輪的關(guān)系：路程=π*主動輪到凸輪的差速比*主動輪直徑。故在實際設(shè)計中應當將減速比設(shè)置成為可調(diào)節(jié)以便應對復賽時的變樁導致的路程變化。

④小車差速系統(tǒng)需設(shè)計多級減速齒輪機構(gòu)（注：單一的兩級減速不僅對加工精度要求高而且對于整個減速系統(tǒng)來說是十分脆弱的）。

⑤小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的由于大多數(shù)采用凸輪轉(zhuǎn)向所以需考慮凸輪推桿的推程與回程時的速度。

⑥小車的穩(wěn)定與否會影響小車運動軌跡。所以當小車達到穩(wěn)定時凸輪才會發(fā)揮最大的作用。

⑦小車的主動輪與從動輪設(shè)置。如果設(shè)置主動輪與從動輪小車在轉(zhuǎn)向時會受到自身的限制導致一定程度上的轉(zhuǎn)向困難。因此作者建議加入單向軸承或者使用萬向輪。使用單向軸承時需要注意兩個軸承的轉(zhuǎn)動方向必須保持一致。

小車結(jié)構(gòu)應遵循穩(wěn)定性原則所以重心、發(fā)動機震動、小車速度、加工精度、裝配誤差和后期的磨損都需要在設(shè)計范圍之內(nèi)。

4 虛擬仿真運動

UG運動學仿真分析小車運動軌跡能夠清楚地觀察到小車在理論上的運動軌跡，并且驗證凸輪的誤差為實際運行做好理論基礎(chǔ)。應用UG運動學模塊對小車進行分析時，為了減少仿真運算的壓力將小車簡化只保留關(guān)鍵運動部件，如下圖1所示。其操作步驟如下：第一步設(shè)置連桿，車架、前輪、凸輪、前輪架、左輪、右輪。第二步設(shè)置運動副，將以上運動機構(gòu)均設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，將車輪與地面之間和凸輪與前輪架之間設(shè)置為3D接觸，除此之外將凸輪中心與前輪架之間設(shè)置為彈簧鏈接，并且注意彈簧的初始狀態(tài)應為張緊狀態(tài)。第三設(shè)置驅(qū)動體，這里設(shè)置兩個驅(qū)動體分別為左輪驅(qū)動與凸輪驅(qū)動。兩個的速度差應為實際的減速比。第四仿真運動，注意這里需要將求解器修改為recurdyn求解器。新建一個求解方案，求解時間為10000S，步數(shù)為500。

5 熱能驅(qū)動車運動分析

當小車裝配完成以后小車的大多數(shù)參數(shù)已經(jīng)固定。所走的軌跡也已經(jīng)基本固定能夠調(diào)節(jié)的只有前輪與車身的偏角以及凸輪與車中心（小車中軸線）的距離。故此調(diào)車發(fā)車只是搬著小車的軌跡去套賽道。

4.1軌跡旋轉(zhuǎn)

這是由于小車完成一次周期運動后車身與下一次運動時的軌跡有夾角所致，如下圖2所示。也就是說小車完成一次周期運動后沒有回到初始狀態(tài)，所以需要在初始出發(fā)時補充相應偏角。

4.2軌跡平移

平移會有兩種形式，一種為沿長軸方向平移，一種為沿短軸方向平移。

為了便于說明現(xiàn)將小車的簡化結(jié)構(gòu)，如下圖3所示。由于凸輪旋轉(zhuǎn)一圈和主動輪走的路程是固定的。在小車的結(jié)構(gòu)中A和D的大小會影響小車的拐彎幅度，所以當小車的A值發(fā)生變化時小車轉(zhuǎn)彎幅度也發(fā)生變化。D為定值當A越小，那么∠P的余角變大，小車的拐彎幅度也就變大，反之則小。故當小車走的路程一定時，拐彎幅度也會影響到達的位置。故調(diào)節(jié)A的大小能夠不斷減小平移現(xiàn)象。因此可根據(jù)實際情況，在此處加上微調(diào)裝置來改變A的大小，并且在設(shè)計時應適當加大D的數(shù)值使生成的凸輪起伏程度低。

6 調(diào)試方法

在實際當中，影響小車軌跡的因素有很多，所以實際運行中的調(diào)試的順序應先找到凸輪的出發(fā)點和此時小車的方向，使軌跡基本符合大賽要求。然后根據(jù)原理解決旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實際情況調(diào)整小車的偏角。再調(diào)試A的大小，在反復的調(diào)試偏角和A的大小使小車達到最佳狀態(tài)。小車的調(diào)試和小車的磨損程度、加工精度、裝配誤差有關(guān)，根據(jù)小車的材料不同，小車的使用壽命也不同（前期的磨合期，中期的使用期，后期的老化期）。大多數(shù)小車的軌跡往往同時存在平移和旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)試后絕大部分車存在平移現(xiàn)象，并且都只能運行幾圈，這是因為小車的加工精度和裝配誤差的影響，以及小車的發(fā)動機一直在燃燒而導致小車始終處于加速狀態(tài)導致的。

7 結(jié)語

反映小車性能的指標，就是繞樁數(shù)以及所行走的路程。在本文中通過對小車的結(jié)構(gòu)分析，利用UG的模擬仿真，得到了小車的運動軌跡變化規(guī)律。將以上結(jié)論應用于實踐提出了新的軌跡修正方案。針對小車基本結(jié)構(gòu)提出的軌跡修正方案，很大程度上提高了小車的穩(wěn)定性，使凸輪的作用發(fā)揮到最大。在第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽中，原來錯亂的軌跡行走，在經(jīng)過不斷地調(diào)整后，軌跡很快得到了修正并取得省級二等獎的成績。用實際證明了該方案在軌跡修正中的正確性和可靠性。

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