張朝剛 鄒行宇 徐冰燦 饒闖 陳利

摘要：根據(jù)第七屆全國(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)競(jìng)賽要求，設(shè)計(jì)了一款基于“8”字軌跡的熱能驅(qū)動(dòng)車。熱能驅(qū)動(dòng)車整體運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念，共分為動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車身和行走機(jī)構(gòu)五個(gè)模塊。借助SolidWorks和凸輪設(shè)計(jì)軟件對(duì)凸輪形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出沿既定軌跡平穩(wěn)繞樁行駛的熱能驅(qū)動(dòng)車，最終實(shí)現(xiàn)液態(tài)乙醇燃燒驅(qū)動(dòng)小車沿“8”字軌跡行駛。

關(guān)鍵詞：熱能驅(qū)動(dòng)車；模塊化設(shè)計(jì)；凸輪設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP23? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0053-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.014

基金項(xiàng)目：2021年度湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“基于‘8軌的熱能驅(qū)動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”（S202111072063）；武漢市教研項(xiàng)目“新工程背景下工程實(shí)訓(xùn)智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系的構(gòu)建與研究”（2021041）

1? ? 熱能驅(qū)動(dòng)車總體設(shè)計(jì)

1.1? ? 設(shè)計(jì)目的

熱能驅(qū)動(dòng)車賽項(xiàng)所設(shè)定的賽道場(chǎng)景如圖1所示。驅(qū)動(dòng)車場(chǎng)地為一塊5 200 mm×2 200 mm長(zhǎng)方形平面區(qū)域。圖中粗實(shí)線為邊界擋板和中間隔板，兩塊長(zhǎng)1 000 mm的中間隔板位于兩條直線段賽道之間。賽道上的點(diǎn)畫線為賽道中心線，賽道設(shè)置了兩個(gè)1 100 mm×1 100 mm出發(fā)區(qū)，驅(qū)動(dòng)車發(fā)車時(shí)可以放置在任意一個(gè)出發(fā)區(qū)內(nèi)的任何位置，按逆時(shí)針方向發(fā)車運(yùn)行，圖1中黑線為小車運(yùn)行軌跡。在賽道中心線上放置有障礙樁，障礙樁為直徑20 mm、高200 mm的圓棒，賽道中心線直線段上障礙樁的間距由現(xiàn)場(chǎng)抽簽決定。根據(jù)大賽要求，擬設(shè)計(jì)出一款可平穩(wěn)運(yùn)行的基于“8”字軌跡的熱能驅(qū)動(dòng)車。通過斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力對(duì)小車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的曲線繞樁行駛[1]。

1.2? ? 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)驅(qū)動(dòng)車成功繞樁的評(píng)定規(guī)則，在SolidWorks中利用樣條曲線對(duì)熱能驅(qū)動(dòng)車的運(yùn)行路線進(jìn)行繪制。通過軌跡得到主要傳動(dòng)零件凸輪周期內(nèi)的升程和降程數(shù)據(jù)，利用SolidWorks和Matlab對(duì)凸輪形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)綜合考慮驅(qū)動(dòng)車的整體尺寸和運(yùn)行軌跡的瞬時(shí)曲率半徑，對(duì)熱能驅(qū)動(dòng)車的其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化處理。繪制熱能驅(qū)動(dòng)車的三維模型，并在SolidWorks中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。最終制作出熱能驅(qū)動(dòng)車的實(shí)物并進(jìn)行調(diào)試，使其能夠在規(guī)定的軌跡上平穩(wěn)運(yùn)行。其總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

該熱能驅(qū)動(dòng)車由動(dòng)力源、傳動(dòng)區(qū)、轉(zhuǎn)向區(qū)、車身和行走機(jī)構(gòu)五個(gè)模塊組成。如圖3所示，通過液態(tài)乙醇燃燒產(chǎn)生的熱能驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)能，動(dòng)能通過傳動(dòng)區(qū)帶動(dòng)主動(dòng)輪和凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到小車平穩(wěn)行駛的目的。通過凸輪與推桿的配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)車的換向，完成“8”字軌跡的行走。其動(dòng)力傳遞流程如圖4所示。

2? ? 熱能驅(qū)動(dòng)車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ? 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)整體組成如圖5所示。

2.1.1? ? 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)車在導(dǎo)向推桿的基礎(chǔ)上增加了微調(diào)裝置——螺旋測(cè)微器。通過螺紋調(diào)距來控制導(dǎo)向推桿與凸輪回轉(zhuǎn)中心之間的距離，減小由裝配誤差引起的凸輪與前輪之間基準(zhǔn)半徑的變化，從而防止小車偏離既定軌跡[2]。

2.1.2? ? 凸輪設(shè)計(jì)

按照競(jìng)賽命題，在SolidWorks中根據(jù)樁數(shù)和樁距用樣條曲線擬合出小車行徑軌跡，如圖6所示。

對(duì)軌跡圖的升程和降程進(jìn)行劃分，取基圓半徑為40 mm，測(cè)量升程和降程中特殊點(diǎn)的各參數(shù)值，測(cè)量及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)并結(jié)合Matlab仿真得出參數(shù)，將各參數(shù)值對(duì)應(yīng)輸入凸輪設(shè)計(jì)軟件，如圖7所示，利用凸輪設(shè)計(jì)軟件得到三維凸輪，如圖8所示。

2.2? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為使凸輪與小車軌跡同步且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能，對(duì)于熱能驅(qū)動(dòng)車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出3種方案，如表2所示。

經(jīng)過方案對(duì)比，最終選擇齒輪組配合帶輪組傳動(dòng)作為熱能驅(qū)動(dòng)車的主要傳動(dòng)形式。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過帶輪組傳遞給主動(dòng)輪軸，主動(dòng)輪軸將獲得的動(dòng)力通過齒輪組傳遞給凸輪。同時(shí)，為了整車設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)更加緊湊，將帶輪系傳動(dòng)和齒輪系傳動(dòng)分別置于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)[3]。

2.2.1? ? 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于熱能驅(qū)動(dòng)車運(yùn)行的路徑較長(zhǎng)，而凸輪的運(yùn)行路徑較短，為使凸輪與小車軌跡同步，需要做減速處理，這樣可以使凸輪的運(yùn)行軌跡和小車的運(yùn)行軌跡相互對(duì)應(yīng)。預(yù)設(shè)后輪直徑D主動(dòng)輪=174 mm，得到主動(dòng)輪周長(zhǎng)S2=πD主動(dòng)輪，根據(jù)軌跡圖測(cè)量得到驅(qū)動(dòng)車“8”字軌跡周長(zhǎng)S1=11 539.5 mm，則由式（1）得到i=21.12，按最小誤差進(jìn)行圓整取i=21，再次由式（1）求得主動(dòng)輪實(shí)際周長(zhǎng)S2=549.5 mm，D主動(dòng)輪=S2/π=175 mm。

S1=i×S2（1）

因?yàn)閭鲃?dòng)比較大，采用一對(duì)齒輪嚙合將會(huì)導(dǎo)致車身尺寸大，不利于小車避障，故采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，由傳動(dòng)比計(jì)算得齒輪的齒數(shù)為35/105，26/182（主/從）。同時(shí)，為避免制造誤差產(chǎn)生的齒輪多邊形效應(yīng)，且在傳動(dòng)中小模數(shù)的齒輪運(yùn)行平穩(wěn)，瞬時(shí)傳動(dòng)比也比大模數(shù)的齒輪要準(zhǔn)，所以在條件允許的前提下，選擇齒輪模數(shù)為0.5[4]。

如圖9所示，將兩對(duì)齒輪分別布置于軸承座的兩端，提高了空間的利用率，使小車結(jié)構(gòu)更加緊湊，兩對(duì)相互嚙合的齒輪將凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和后輪的運(yùn)動(dòng)相互連接。

2.2.2? ? 帶輪減速機(jī)構(gòu)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出輪轉(zhuǎn)速高達(dá)300 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率一定，速度過大會(huì)使驅(qū)動(dòng)車在啟動(dòng)時(shí)因轉(zhuǎn)矩過小而不能啟動(dòng)，為使驅(qū)動(dòng)車啟動(dòng)更加容易，行駛更加平穩(wěn)，在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和右后輪軸之間加入帶輪減速機(jī)構(gòu)做降速處理，以達(dá)到減速增矩的目的[5]。

式中：D輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出帶輪直徑20 mm；D1為塔輪1的大徑50 mm；D1′為塔輪1的小徑20 mm；D2為塔輪2的大徑50 mm；D2′為塔輪2的小徑20 mm；D3為塔輪3的直徑50 mm。

由式（2）計(jì)算得i減速=62.5。如圖10所示，塔輪1連接發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出帶輪，帶輪連接驅(qū)動(dòng)車輸出軸，塔輪2在兩者之間起連接作用，通過此帶輪組達(dá)到減速輸出的目的。

2.3? ? 車身和行走機(jī)構(gòu)

如圖11所示，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和位置分布，設(shè)計(jì)車身底板的形狀并預(yù)留軸承座安裝孔位。

如圖12所示，考慮到小車在轉(zhuǎn)向時(shí)，外側(cè)后輪比內(nèi)側(cè)后輪行進(jìn)的路程長(zhǎng)，為了平衡兩輪速度的差異，采用不同軸的大小輪實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。小輪作為從動(dòng)輪，大輪作為主動(dòng)輪固定在輸出軸上。

3? ? 熱能驅(qū)動(dòng)車整體

通過上述對(duì)驅(qū)動(dòng)車各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，在SolidWorks中對(duì)熱能驅(qū)動(dòng)車的零部件進(jìn)行繪制和裝配，裝配圖如圖13所示。

4? ? 結(jié)語

本文對(duì)基于“8”字軌跡熱能驅(qū)動(dòng)車的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，將熱能驅(qū)動(dòng)車總體的設(shè)計(jì)分為動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車身和行走機(jī)構(gòu)五個(gè)模塊，利用SolidWorks和Matlab軟件對(duì)凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化處理，采用帶輪組對(duì)驅(qū)動(dòng)車進(jìn)行減速增距，采用小模數(shù)齒輪和二級(jí)齒輪傳動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)車進(jìn)行二次減速，最終得到按照“8”字軌跡平穩(wěn)繞樁行駛的熱能驅(qū)動(dòng)車。本設(shè)計(jì)的合理性和有效性在實(shí)際運(yùn)行中也得到了驗(yàn)證，在省賽中取得了較好的成績(jī)。

熱能驅(qū)動(dòng)車以可再生能源為燃料，將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了能源的有效利用；且熱能驅(qū)動(dòng)車的車身都由可回收材料制成，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，可為新能源車的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供思路和參考。

[參考文獻(xiàn)]

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[5] 王伯平.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2023-02-23

作者簡(jiǎn)介：張朝剛（1982—），男，山東棗莊人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械工程。