基于熱能驅(qū)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與研究*

彭 利，蔣東霖，馬晟哲，韓 瀟，常 遷

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長春 130032)

0 引言

為了保護(hù)我們賴以生存的環(huán)境，現(xiàn)在的產(chǎn)品不僅要質(zhì)量好還要求環(huán)保，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前市場上具有控制方向功能的小車大多需要消耗能源，處理不當(dāng)就會(huì)造成污染，不符合保護(hù)環(huán)境的理念。

設(shè)計(jì)并加工一輛熱能無碳小車，將酒精燈產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)換為小車前進(jìn)并自動(dòng)躲避障礙的機(jī)械能，同時(shí)優(yōu)化小車的繞障礙數(shù)量，提高小車的平穩(wěn)性，這要求在設(shè)計(jì)及加工過程中盡可能提高零件的加工精度。此小車不僅綠色環(huán)保、節(jié)能、而且方便，經(jīng)濟(jì)。

1 小車系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 車架設(shè)計(jì)

車架是無碳小車的基礎(chǔ)部分，負(fù)責(zé)支撐起整輛小車中所有的機(jī)構(gòu)，使它們可以完成相互之間的配合工作，從而驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)。小車車架的材料選擇鋁板，小車的加工精度也有一定的要求，因此采用數(shù)控機(jī)床切割來進(jìn)行加工。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)

對于熱能驅(qū)動(dòng)小車，它的動(dòng)力需要通過熱能來轉(zhuǎn)化，因此選擇斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為此小車的源動(dòng)力。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，也稱為熱氣機(jī)，它是通過氣缸內(nèi)的氫氣或氦氣的冷卻、壓縮、吸熱、膨脹一系列的過程周期循環(huán)，使活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)大飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，為外界提供動(dòng)力。

1.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是要把動(dòng)力傳到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)軸上，它需要具備傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點(diǎn)，這樣就能讓它精準(zhǔn)地按照預(yù)定軌跡前進(jìn)。不用額外的傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)軸直接由熱機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)，效率最高。傳動(dòng)過程中為保證不消耗太多能量，選擇齒輪傳動(dòng)，在傳動(dòng)軸上安裝兩對相互嚙合的齒輪，即3與4嚙合，5與6嚙合。由于使用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的速度，空載時(shí)速度非常高，但放在地上時(shí)，小車卻無法行走，于是決定增加帶傳動(dòng)，采用帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)復(fù)合的形式。帶輪結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低廉，且能夠吸震緩沖，使得整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更加的流暢。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)直接決定著小車能否實(shí)現(xiàn)環(huán)s形前進(jìn)并繞過賽道上的障礙物，需要盡可能的減少能量的消耗，同時(shí)還需要滿足一些特殊的運(yùn)動(dòng)特性，可以帶動(dòng)主動(dòng)輪輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)自主拐彎，達(dá)到避障的功能。將酒精燈產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為小車運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，從而帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在確保軌跡重合的情況下，小車可反復(fù)按照軌跡行走。小車導(dǎo)桿與凸輪在橡皮筋的作用下接觸，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)它跟著運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致軌跡的變化。

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1.5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即三個(gè)輪子，有大小之分，其中小車右輪為主動(dòng)輪，左后輪為從動(dòng)輪，左前小輪為轉(zhuǎn)向輪，需考慮輪子的直徑，直徑越大，受到的摩擦力越小，行駛的距離理論上就越多。但具體尺寸還需考慮安裝問題。小車通過斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供源動(dòng)力，帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動(dòng)將力矩傳遞給凸輪，凸輪的旋轉(zhuǎn)和皮筋的共同作用會(huì)帶動(dòng)凸輪軸的逆、順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，最終帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向工作。

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)

1.6.1 結(jié)構(gòu)的調(diào)整

本小車在分體舵處安裝螺釘及螺母配合的微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)螺釘?shù)臈U長，以此來調(diào)整小車行駛的軌跡，使軌跡可以更加精確，小車的發(fā)車角度和發(fā)車位置也能得到調(diào)整，當(dāng)發(fā)現(xiàn)小車軌跡不重合并提前相交時(shí)，需松開一點(diǎn)螺釘，當(dāng)小車軌跡不相交時(shí)，需擰緊螺釘，每次調(diào)節(jié)不超過當(dāng)前位置的1/4，防止過度調(diào)節(jié)，使小車順利繞過障礙。唯一不足的是此微調(diào)機(jī)構(gòu)配合精度比較低，調(diào)整次數(shù)過多時(shí)，螺釘螺母會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)的情況，行進(jìn)狀態(tài)得不到保障。

1.6.2 軌跡周期調(diào)整

軌跡周期出現(xiàn)問題的根本原因在于小車凸輪位置的擺放不合理。調(diào)試小車時(shí)出現(xiàn)各種不同的情況，應(yīng)對不同的情況采取不同的調(diào)整辦法。當(dāng)實(shí)際周期大于理論周期時(shí)，應(yīng)適當(dāng)往里調(diào)整凸輪；當(dāng)實(shí)際周期小于理論周期時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)往外調(diào)整凸輪。

2 仿真分析

軌跡仿真主要采用迭代的方法。大致方法為：將路程分成N份，從初始點(diǎn)開始，一步一步迭代求出下一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而仿真出軌跡。仿真目標(biāo)為后軸中心、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和前輪的軌跡，具體的軌跡仿真步驟如下：

經(jīng)以上分析可知小車的部分確定參數(shù)如下：前后軸距離A、主動(dòng)輪的偏距eL、小車行走過程的曲率p、凸輪旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)的主動(dòng)輪路程L。設(shè)置小車的前輪轉(zhuǎn)角為θ。

將路程分為N份后，每兩節(jié)點(diǎn)間主動(dòng)輪前進(jìn)的距離Ly=L/N，經(jīng)分析可得，每兩節(jié)點(diǎn)間后軸中心前進(jìn)的距離L1=Ly/(1+p×eL)，從動(dòng)輪前進(jìn)的距離Lz=Ly×(1-p×eL)/(1+p×eL)，前輪前進(jìn)的距離為Lq=l/cos(θ)。

節(jié)點(diǎn)間距離確定后，便可開始軌跡的仿真，以后軸中心的軌跡仿真為例。設(shè)置小車后軸中心的初始位置為(-1.8，0)，主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和前輪的初始坐標(biāo)也可以根據(jù)小車結(jié)構(gòu)參數(shù)求得。

求解所得的仿真軌跡如圖5、圖6所示。

圖5 后軸中心軌跡

圖6 前輪、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪軌跡

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 小車基礎(chǔ)參數(shù)

1)根據(jù)所設(shè)計(jì)的路線和后輪的大小，決定總傳動(dòng)比為687.5。

2)根據(jù)CAD模擬賽場及路線軌跡，得到初賽時(shí)小車?yán)碚撀烦虨?1344.328 mm，決賽小車?yán)碚撀烦虨?1344.341 mm。

3)大輪直徑為50 mm，小輪直徑為10 mm，單級傳動(dòng)比為5，主動(dòng)輪總傳動(dòng)比為25。

4)小齒輪齒數(shù)20齒，大齒輪齒數(shù)102齒，中間軸大齒輪齒數(shù)112齒，模數(shù)均為1，齒輪傳動(dòng)比為28。

5)主動(dòng)輪偏距eL=77.5 mm，從動(dòng)輪偏距eL’=50 mm，后輪直徑rh=130 mm。

6)熱效率為0.00416，加熱量Qh=96 W。

3.2 小車運(yùn)動(dòng)參數(shù)

查資料可知，小車的最佳行走速度為0.2～0.4 m/s，在設(shè)計(jì)過程中，取值0.3 m/s，則后軸轉(zhuǎn)速n1為48.07 r/min。

凸輪軸轉(zhuǎn)速n2為8.85 r/min，取凸輪軸和后軸直徑為5，則后軸輸入功率P2為0.065 W，齒輪精度8級，采用一般齒輪潤滑，則齒輪間的傳動(dòng)效率為0.97，前軸的輸入功率P1為0.62 W。

4 小車軌跡偏差分析與調(diào)試

4.1 軌跡偏差理論分析

1)凸輪位置的影響。凸輪越接近車架，則軌跡周期越小，越遠(yuǎn)離車架，軌跡周期越大。需找到一個(gè)合適的位置來確保小車既不會(huì)出界也不會(huì)撞到中間擋板。

2)發(fā)車角度的影響。在調(diào)試過程中，第一圈就發(fā)現(xiàn)小車軌跡整體偏移并跑出賽道，則是因?yàn)榘l(fā)車角度不正確，需要通過不斷的嘗試選擇合適的發(fā)車角度。

3)發(fā)車位置的影響。發(fā)車位置的不同導(dǎo)致小車軌跡位置不一樣，則不能保障小車安全的繞過障礙物。

4.2 調(diào)試操作方法

4.2.1 精準(zhǔn)的軌跡周期

制造裝配存在誤差，車輪與地面存在摩擦力，這些原因都可能引發(fā)小車在調(diào)試過程中出現(xiàn)軌跡不重合以及實(shí)際周期大于或小于理論周期。通過擺放物體記錄小車前行的軌跡，在軌跡重合的前提下觀察實(shí)際周期。經(jīng)這一系列步驟來使誤差降到最低。

4.2.2 保證重復(fù)運(yùn)行軌跡一致性

在確保軌跡調(diào)節(jié)正確后，對發(fā)車進(jìn)行精確定位來保證小車自動(dòng)并連續(xù)的繞過障礙物，發(fā)車定位分為以下3個(gè)步驟：

1)凸輪位置定位。本車用凸輪進(jìn)行導(dǎo)向，用頂絲頂住軸，在行走過程中使凸輪不能來回竄動(dòng)，以保證每次發(fā)車后得到的軌跡相同。如發(fā)現(xiàn)周期過大，往里調(diào)整凸輪，周期過小，則往外調(diào)整。

2)發(fā)車角度定位。每次發(fā)車都借助直角尺記錄下發(fā)車的位置。多次重復(fù)發(fā)車角度，觀察運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)小車不跑出邊界或撞到中心障礙物時(shí)即為正確的角度。

3)發(fā)車位置定位。觀察小車與繞過的障礙物之間的距離，當(dāng)距離過長時(shí)，往后調(diào)節(jié)發(fā)車位置，當(dāng)距離過短或并沒有繞過障礙時(shí)需往前調(diào)整發(fā)車位置。調(diào)節(jié)完畢后，利用亞克力板明確位置。

5 結(jié)論

在設(shè)計(jì)過程中，通過查詢資料，首先根據(jù)軌跡設(shè)計(jì)一個(gè)凸輪，分析運(yùn)動(dòng)軌跡，SolidWorks進(jìn)行建模和仿真。不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后再加工裝配，進(jìn)行跑合，讓小車各個(gè)機(jī)構(gòu)銜接更加流暢；在調(diào)試時(shí)，該微調(diào)機(jī)構(gòu)配合精度比較低，需要反復(fù)調(diào)試，把小車軌跡完全調(diào)重合后才能確保小車前進(jìn)的距離。設(shè)計(jì)的小車雖達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，但是還有待進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。