熱能驅(qū)動(dòng)小車創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作

范浩文 賈梓瀅 王俊杰 張洪軒

摘要：本熱能驅(qū)動(dòng)小車即新能源汽車模型，依托遼寧省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽暨全國工程訓(xùn)練競賽選拔賽，設(shè)計(jì)一個(gè)由燃燒酒精產(chǎn)出的熱能提供動(dòng)力、機(jī)械零件傳遞能量的創(chuàng)新型機(jī)械結(jié)構(gòu)新能源小車，利用熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的原理提供小車向前運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，滿足命題的運(yùn)動(dòng)軌跡，該設(shè)計(jì)是由凸輪構(gòu)成的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及由齒輪構(gòu)成二級(jí)圓柱齒輪減速機(jī)構(gòu)組成的運(yùn)動(dòng)裝置。本論文詳細(xì)闡述說明了該熱能驅(qū)動(dòng)車的設(shè)計(jì)和制作過程。

Abstract： The thermal energy driven car is a carbon free car， which comes from the proposition of Liaoning College Students' engineering training comprehensive ability competition and national engineering training competition. An innovative mechanical structure carbon free car is designed， which is powered by thermal energy and transmitted by mechanical parts. It uses the principle of thermal energy into kinetic energy to provide the forward motion power of the mechanical structure car， According to the motion trajectory of the proposition， the steering mechanism composed of cams and the two-stage cylindrical gear reducer composed of gears are designed.

關(guān)鍵詞：熱能驅(qū)動(dòng);齒輪傳動(dòng);凸輪轉(zhuǎn)向;Solidworks仿真;創(chuàng)新

Key words： thermal driving;gear driving;cam steering;solidworks simulation;innovation

中圖分類號(hào)：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0218-02

0? 引言

本文概述了在分析命題要求后確定了熱能驅(qū)動(dòng)小車該有的運(yùn)動(dòng)特性，完成了方案設(shè)計(jì)以及圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。在完成小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后進(jìn)行了小車的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，制作出一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)行軌跡合理的新能源小車。在方案設(shè)計(jì)中，無碳小車按照四個(gè)過程設(shè)計(jì)：第一步選擇小車的原動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二步設(shè)計(jì)小車的基本框架，第三步設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，第四步設(shè)計(jì)小車凸輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

1? 熱能驅(qū)動(dòng)車的設(shè)計(jì)與制作過程

1.1 選擇小車的原動(dòng)機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)工作開始前，選擇熱能發(fā)動(dòng)機(jī)。通過一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)測試最終選擇斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油是濃度為95%酒精，點(diǎn)燃后加熱發(fā)動(dòng)機(jī)熱缸，用手輕輕撥動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)大飛輪，熱缸的活塞連桿帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)大飛輪，冷缸的活塞連桿帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)小飛輪，小飛輪與大飛輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度相同，從而形成熱能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)小飛輪轉(zhuǎn)速在1200-1800r/min，初步估計(jì)帶傳動(dòng)的能量損失，傳遞到主動(dòng)軸上的能量能使小車的主動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)帶傳動(dòng)所需的傳動(dòng)比設(shè)置帶的松緊度，在帶選定的情況下根據(jù)命題要求設(shè)計(jì)主動(dòng)軸帶輪與發(fā)動(dòng)機(jī)小飛輪的位置關(guān)系。

1.2 設(shè)計(jì)小車的基本框架

根據(jù)帶傳動(dòng)中帶所需要的松緊度初步確定發(fā)動(dòng)機(jī)小飛輪與主動(dòng)軸帶輪之間的尺寸關(guān)系，在確定軸承架高度的時(shí)候便確定了帶輪所在位置隨之便可確定出發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置，我們競賽小組通過Solidworks模擬出了熱能驅(qū)動(dòng)小車的基本結(jié)構(gòu)，在模擬出基本結(jié)構(gòu)之前，需選擇采用三輪結(jié)構(gòu)還是四輪結(jié)構(gòu)，考慮到便于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，則將熱能驅(qū)動(dòng)小車設(shè)計(jì)為三輪結(jié)構(gòu)。根據(jù)命題要求初步設(shè)計(jì)小車的主動(dòng)輪尺寸以及主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的距離。初步設(shè)計(jì)小車的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，在主動(dòng)軸上通過鍵連接安裝小齒輪在小車車身靠近主動(dòng)輪一端設(shè)計(jì)一個(gè)直齒圓柱齒輪二級(jí)減速裝置，凸輪軸帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，初步設(shè)計(jì)小車的凸輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，根據(jù)主動(dòng)輪的大小設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向輪的位置。由以上可設(shè)計(jì)出熱能驅(qū)動(dòng)小車的基本框架。（圖1）

選取熱能驅(qū)動(dòng)小車的軸的材料和設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)，小車所有的軸均采用軸徑為6mm的硬軸，在對(duì)其加工的過程中僅加工了直徑為6mm的螺紋線，使用在主驅(qū)軸、從動(dòng)軸、小齒輪軸、凸輪驅(qū)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向軸、前輪固定軸、前輪軸和前輪固定架軸等均采用此材料。

軸類零件的設(shè)計(jì)并不是繁瑣。對(duì)于只傳遞扭矩或可以近似地認(rèn)為只傳遞扭矩的傳動(dòng)軸，我們可以只按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算;但是對(duì)于同時(shí)承受彎矩和扭矩的軸類零件，就得按照許用彎曲應(yīng)力預(yù)估出軸的最小直徑，然后再進(jìn)行軸類零件的設(shè)計(jì)。本文研究減速器的傳動(dòng)軸是前一種情況，利用公式初定最小軸徑：

小車所有的軸均采用軸徑為6mm的硬軸，在對(duì)其加工的過程中僅加工了直徑為6mm的螺紋線，使用在主驅(qū)軸、從動(dòng)軸、小齒輪軸、凸輪驅(qū)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向軸、前輪固定軸、前輪軸和前輪固定架軸等均采用此材料。設(shè)計(jì)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)軸帶輪傳動(dòng)，確定主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，根據(jù)小車在不同賽道上的運(yùn)行的不同規(guī)則，通過改變小車的運(yùn)行速度來適應(yīng)不同賽道的轉(zhuǎn)向要求。

1.3 設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要依靠齒輪傳動(dòng)，由圖2、圖3可直觀的看出從動(dòng)軸上的小齒輪與內(nèi)側(cè)大齒輪進(jìn)行嚙合，內(nèi)側(cè)大齒輪與外側(cè)小齒輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外側(cè)小齒輪與外側(cè)大齒輪嚙合，外側(cè)大齒輪又與凸輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)原理是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)，但在熱能小車中僅用到了第一個(gè)傳動(dòng)原理，按齒輪軸線的相對(duì)位置可分為平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)，但在熱能小車中僅用到了第一個(gè)傳動(dòng)原理，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點(diǎn)。前輪為轉(zhuǎn)向輪，左輪為從動(dòng)輪，右輪為主動(dòng)輪?？繜釞C(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪內(nèi)側(cè)小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪傳遞力矩給凸輪軸，帶動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，從而使前輪做周期性擺動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。齒輪傳動(dòng)如圖2、圖3。

由于熱能小車使用的工件的都是小零件，所以考慮到小車的右側(cè)不能重量過載荷，因此齒輪選擇結(jié)構(gòu)緊湊的，質(zhì)量輕的亞克力板作為其構(gòu)造材質(zhì)，即內(nèi)、外小齒輪，內(nèi)側(cè)大齒輪和外側(cè)大齒輪分別采用6mm亞克力板和3mm亞克力板。

關(guān)于齒輪傳動(dòng)比的分配問題，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》為我們提供具有指導(dǎo)意義的分配原則，在本文中不作詳細(xì)分析。

1.4 設(shè)計(jì)小車凸輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

在進(jìn)行轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)之前先進(jìn)行凸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，凸輪機(jī)構(gòu)是熱能小車最具技術(shù)的部分，根據(jù)賽道的行程方向設(shè)計(jì)小車的凸輪外輪廓結(jié)構(gòu)，利用凸輪的凹凸不平的形狀推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，熱能小車因?yàn)檗D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎。凸輪設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是由前輪固定架、前輪軸、導(dǎo)向軸、導(dǎo)向架軸、轉(zhuǎn)向軸套和前輪加緊塊配合而成，熱能小車的主要的轉(zhuǎn)向能力都來自于此機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向軸套與凸輪結(jié)構(gòu)相接觸，由凸輪結(jié)構(gòu)推動(dòng)轉(zhuǎn)向軸套，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以導(dǎo)向架軸為中心軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)小車旋轉(zhuǎn)，從而使小車轉(zhuǎn)向。（圖4）

2? 結(jié)論

作為一名大學(xué)生，在這次創(chuàng)新型設(shè)計(jì)命題競賽過程中感受頗多，養(yǎng)成了創(chuàng)新型思維，能夠直面自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品所具有的問題，在發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題的第一時(shí)間找到問題出現(xiàn)的原因并且立刻改正錯(cuò)誤。在制作過程中我們小組的每一位成員都十分熟悉地掌握了專業(yè)制圖軟件，并且組員之間相互學(xué)習(xí)，相互鼓勵(lì)，相互幫助，讓我們都認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)的重要性，這是我覺得在這次命題競賽中最珍貴部分。更重要的一點(diǎn)就是讓我們每一位組員都鍛煉了堅(jiān)持和耐心，筆者個(gè)人覺得是由于擁有這份耐心和堅(jiān)持，外加團(tuán)隊(duì)的密切合作才能完成這一整個(gè)漫長的設(shè)計(jì)的過程，在未來的路上，再困難的項(xiàng)目完成與否都只是時(shí)間的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].八版.北京：高等教育出版社，2013.

[2]濮良貴，陳國定，吳力言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].十版.北京：高等教育出版社，2019.

[3]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[4]高志，黃純穎.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].八版.北京：高等教育出版社，2010.

[5]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1 卷、第2 卷、第3卷）[M].新版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.