李明澤 付強(qiáng) 王曉東 王冬垚 張玉明

摘要：無碳小車根據(jù)第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車比賽要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了分析計(jì)算無碳小車在運(yùn)行時(shí)的能量轉(zhuǎn)換消耗，將自定義閉合路徑設(shè)計(jì)規(guī)劃的無碳小車作為研究對(duì)象，對(duì)所設(shè)計(jì)的無碳小車的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行闡述，利用Matlab進(jìn)行算法開發(fā)，對(duì)無碳小車預(yù)定軌跡進(jìn)行模擬運(yùn)行，避開障礙物，得出最優(yōu)的凸輪形狀以及無碳小車的部分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)換，損耗能量分析等，對(duì)于能源利用率提高和新能源開發(fā)有著重要意義。

關(guān)鍵詞：無碳小車;轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu);凹槽調(diào)整結(jié)構(gòu);凸輪;Matlab模擬;UG solidwork建模

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

根據(jù)中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽驅(qū)動(dòng)車賽項(xiàng)勢(shì)能車組比賽要求[1] ，無碳小車借助一定的勢(shì)能，完成自主避障。近年來，對(duì)于無碳小車的研究眾多，陳健等完成了勢(shì)能驅(qū)動(dòng)無碳小車的主體結(jié)構(gòu)選擇[2] ，韋愈群等完成了勢(shì)能小車轉(zhuǎn)向放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[3] ，王晶東等通過MATLAB進(jìn)行模擬對(duì)無碳小車軌跡做出優(yōu)化[4] 。隨著賽事升級(jí)，勢(shì)能小車軌跡變化越來越復(fù)雜，運(yùn)行過程容易卡死。本文勢(shì)能小車?yán)肕atlab算法對(duì)于凸輪轉(zhuǎn)向模塊進(jìn)行模擬，在底板上利用凹槽滑軌調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向車插（前輪）的位置，優(yōu)化凸輪形狀，以適應(yīng)不同軌跡的路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)勢(shì)能小車不同軌跡的流暢運(yùn)行。

1 工作原理分析

小車整體機(jī)構(gòu)主要分為驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)向部分，驅(qū)動(dòng)力來源于砝碼的勢(shì)能，當(dāng)砝碼下落，勢(shì)能通過尼龍線將動(dòng)力傳遞給動(dòng)力軸，又經(jīng)齒輪組傳遞動(dòng)力給后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，動(dòng)力軸上的凸輪與橫向撥桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，凸輪等參數(shù)由MATLAB模擬得到。

2 無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

無碳小車主要包括四部分。能量部分來源于1000±10g的重物。傳動(dòng)部分為細(xì)繩以及齒輪組與齒輪軸。差速部分為后輪組，分別由主動(dòng)輪與從動(dòng)輪組成，以實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向部分為前輪組以及凸輪，并通過凹槽滑軌設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)前輪組前后移動(dòng)，以及凸輪左右移動(dòng)?？梢酝ㄟ^算法進(jìn)行凸輪輪廓形狀模擬，通過凹槽滑軌設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了凸輪輪廓的最優(yōu)化，防止運(yùn)行過程中被卡死。

2.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

無碳小車采用三輪結(jié)構(gòu)[5] 。具體設(shè)計(jì)為前輪為單輪，后輪分別由主動(dòng)輪與從動(dòng)輪組成。與相比四輪結(jié)構(gòu)，三輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)單，無碳小車轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向更加靈活易于操作，減少?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的能量損失，且三輪結(jié)構(gòu)更具有穩(wěn)定性。

由于無碳小車運(yùn)行時(shí)，絕大多數(shù)路徑為曲線，所以轉(zhuǎn)彎時(shí)后內(nèi)外輪必然產(chǎn)生速度差，需要解決其差速問題。工業(yè)生產(chǎn)常用差速器解決，由于差速器用在無碳小車上能量消耗大。于是本無碳小車采用后輪單輪驅(qū)動(dòng)，一輪為主動(dòng)輪輸出動(dòng)力，另外一輪為從動(dòng)輪不輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)差速。以實(shí)現(xiàn)代替差速器，降低能量損耗。前輪為轉(zhuǎn)向輪，與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接控制小無碳小車方向。

2.3 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無碳小車運(yùn)行中需要完成復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)向選用凸輪與橫向撥桿來實(shí)現(xiàn)方向的控制。在能量方面，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)能量來源于前動(dòng)力軸，所以凸輪安裝在前動(dòng)力軸上。由于凸輪與橫向撥桿滑動(dòng)摩擦能量損耗較大，在橫向撥桿上加裝小軸承使滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減少能量損耗。

3 Matlab算法模擬

小車的凸輪輪廓需要結(jié)合無碳小車設(shè)計(jì)的具體參數(shù)，使用的方法為迭代法，通過前輪轉(zhuǎn)角與路徑曲率來逆向模擬凸輪輪廓。我們先將預(yù)設(shè)的平滑軌跡通過CREO畫出，將其路徑均勻分成個(gè)點(diǎn)（N數(shù)值不宜過大或過小），并輸出其坐標(biāo)值，將坐標(biāo)值導(dǎo)入Matlab，通過算法進(jìn)行模擬。

節(jié)點(diǎn)間距離確定后，便可開始軌跡的仿真，在此以后軸中心的軌跡仿真為例。設(shè)置無碳小車后軸中心的初始點(diǎn)為（-1.8m，0m），主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和前輪的初始坐標(biāo)也可以根據(jù)無碳小車結(jié)構(gòu)參數(shù)求得。此時(shí)小車車身水平向下=90°，采用迭代進(jìn)行軌跡求解的方法如下：

對(duì)上述步驟循環(huán)N次，即可求得凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，即無碳小車走出半個(gè)環(huán)S時(shí)的后軸中心軌跡。主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的軌跡求解跟后軸中心類似，只需將l替換成ly或lz即可。對(duì)于前輪的行走軌跡，還應(yīng)考慮前輪轉(zhuǎn)角的影響，仿真時(shí)需在車身傾角后加上前輪轉(zhuǎn)角θ后再進(jìn)行軌跡求解。最終模擬出路徑軌跡以及凸輪輪廓軌跡。

4 結(jié)語

隨著全國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽的進(jìn)行，不斷對(duì)無碳小車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改以及算法優(yōu)化，使無碳小車運(yùn)行更流暢，能量損耗更低。本無碳小車在設(shè)計(jì)方面結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，運(yùn)行流暢，路徑改變時(shí)小車更換凸輪后正常運(yùn)行能力好，通過創(chuàng)新的凹槽調(diào)整結(jié)構(gòu)可以使其能夠運(yùn)行良好，達(dá)到預(yù)期效果。充分激發(fā)了學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)造能力，利用多種設(shè)計(jì)加工軟件，增強(qiáng)設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新能力，切身領(lǐng)悟到機(jī)械構(gòu)造的奧妙與精髓。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴鑫智.開展大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的意義——以無碳小車的改進(jìn)和優(yōu)化為例[J].山西科技，2015，30（5）：103-104，109.

[2]陳健， 駱政私， 胡思揚(yáng). 勢(shì)能驅(qū)動(dòng)無碳小車的設(shè)計(jì)[J]. 大學(xué)科普， 2011， 5（2）：4.

[3]韋愈群、張俊、苗同升. 一種基于轉(zhuǎn)向放大機(jī)構(gòu)勢(shì)能小車的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2020（8）：5.

[4]王晶東， 陳廣俊， 湯翔，等. 基于MATLAB的無碳小車軌跡優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程師， 2018（6）：4.

[5]王鵬博， 藍(lán)建， 張國(guó)超，等. 一種三輪無碳小車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師， 2014（7）：2.

[6]付強(qiáng)，周詳宇，張彩紅.機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2018.6.

基金項(xiàng)目：2022年遼寧科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目-基于逆向加工規(guī)劃路徑的無碳小車，項(xiàng)目編號(hào)：D202110132025171628

作者簡(jiǎn)介：李明澤（2000.03-），男，漢族，遼寧葫蘆島人，本科在讀。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化