無(wú)碳勢(shì)能車的運(yùn)動(dòng)仿真與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化*

蘆新春，王子軒，黃茜茜

(江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

根據(jù)第六屆江蘇省工程能力訓(xùn)練競(jìng)賽要求，自主設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有方向控制功能的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車，行走過(guò)程中按照轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制在相應(yīng)的軌跡上運(yùn)動(dòng)，且完成所有動(dòng)作所用能量均由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換，不使用任何其他形式的能量，達(dá)到無(wú)碳排放和環(huán)保的目的。為此，筆者通過(guò)UG軟件建立小車三維實(shí)體模型進(jìn)行加工裝配，采用Matlab數(shù)學(xué)分析軟件擬合出的比賽路線設(shè)計(jì)小車凸輪，通過(guò)裝配的實(shí)體模型驗(yàn)證了該小車得以自動(dòng)按規(guī)定路徑行駛并規(guī)避障礙完成比賽。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及思路

根據(jù)競(jìng)賽要求該車行走過(guò)程中必須在指定競(jìng)賽場(chǎng)地上與地面接觸運(yùn)行，且完成所有動(dòng)作所用能量均由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得， 不允許使用任何其他形式的能量驅(qū)動(dòng)自身行走。重力勢(shì)能通過(guò)自主設(shè)計(jì)制造的1 kg±10 g重物下降 300 ±2 mm 高度獲得。在勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車行走過(guò)程中，重物不允許從勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車上掉落且自動(dòng)避開障礙物，在賽道中運(yùn)行流暢。比賽中，小車需連續(xù)運(yùn)行，直至停止。小車沒(méi)有繞過(guò)障礙、碰倒障礙、將障礙物推出定位圓區(qū)域、砝碼脫離小車、小車停止或小車掉下球臺(tái)均視為本次比賽結(jié)束。本文根據(jù)小車所要完成的任務(wù)將小車劃分為四個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)；分別是車身 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu)。整車裝配如圖1、2所示。

圖1 小車裝配圖 圖2 小車主要部件

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 車身設(shè)計(jì)

小車底架采用3D打印技術(shù)制造，保證車體強(qiáng)度足夠可支撐全車構(gòu)件，同時(shí)較金屬底架減小阻力，降低能量損耗，使車身整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化與重量最輕化，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪挖孔減重處理，減小與桌面的接觸面積、減小摩擦阻力與降低桌面黏附物的粘結(jié)程度[1]；重物支撐架采用D=5 mm的鋁合金管，側(cè)板、小車前輪、小車前輪支撐架以及大齒輪小齒輪均采用3D打印一體化制造；重物勢(shì)能一部分轉(zhuǎn)化為小車動(dòng)能，一部分消耗為摩擦做功,為此轉(zhuǎn)動(dòng)副以及軸與側(cè)板連接部分全部安裝軸承。

2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重錘的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能。采用繞線將重錘下落產(chǎn)生的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為齒輪運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，進(jìn)而帶動(dòng)小車車輪和凸輪的運(yùn)動(dòng)，由于線在整個(gè)裝置中起到連接作用，線的材質(zhì)也決定了小車前行的速度以及平穩(wěn)性，文中經(jīng)過(guò)多次調(diào)試及實(shí)際情況最終選擇魚線作為繞線，魚線有著很好的延展性且不易打結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，考慮到線在小車行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)的連貫性，故采用階梯式繞線輪輪盤并創(chuàng)新型設(shè)計(jì)了啟動(dòng)盤如圖3所示，合理布局傳動(dòng)比，加大驅(qū)動(dòng)扭矩，以解決扭矩過(guò)小導(dǎo)致的起步困難的問(wèn)題。通過(guò)該優(yōu)化設(shè)計(jì)，使無(wú)碳小車具有更大的前進(jìn)動(dòng)能，并減少了摩擦損耗。

圖3 啟動(dòng)盤 圖4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等方式。其中鏈 傳動(dòng)不穩(wěn)定，蝸輪蝸桿傳動(dòng)制造較復(fù)雜，能耗較多，不適用于無(wú)碳小車。而帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不緊湊，也容易打滑[2]。文中采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如圖4所示)由前軸、兩個(gè)小齒輪、一個(gè)中齒輪、一個(gè)大齒輪、后軸組成，前軸帶動(dòng)齒輪又帶動(dòng)后軸轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)能傳遞于后輪使其轉(zhuǎn)動(dòng)。二級(jí)齒輪增速傳動(dòng)來(lái)保證動(dòng)力的持續(xù)、平穩(wěn)輸出。具體仿真關(guān)鍵程序如下：文中設(shè)定齒輪模數(shù)為0.8， chi1=[26 40];%小齒輪齒數(shù)選取范圍，chi2=[60 180];%大齒輪齒數(shù)選取范圍。

由條件語(yǔ)句

for i=chi1(1):chi1(2)

for j=i:chi1(2)

% for k=j:chi1(2)

aa=[aa;i*j i j ];%小齒輪

for i=chi2(1):chi2(2)

for j=i:chi2(2)

%for k=j:chi2(2)

bb=[bb;i*j i j ];%%大齒輪

計(jì)算結(jié)果代入if l>tl/dd/pi-ex && l

cc=[cc;l bb(j,:) aa(i,:)];

即可得出四個(gè)齒輪的參數(shù)根據(jù)UG仿真模擬選出最佳數(shù)據(jù)。由傳動(dòng)比公式i=Z1/Z2得出齒輪組總傳動(dòng)比為21。

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是整車最核心的部分,也是最復(fù)雜的部分,根據(jù)競(jìng)賽要求要達(dá)到在賽道上交替完成環(huán)形和8字兩種運(yùn)行方式(如圖5)，次序不限。故本文采用凸輪推桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)凸輪高副,將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng),控制小車左右周期性擺動(dòng)通過(guò)凸輪高副,將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng),控制小車左右周期性擺動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,設(shè)計(jì)方便,只要正確地設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線,就可以使推桿得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而且響應(yīng)迅速;缺點(diǎn)是凸輪輪廓與推桿之間是點(diǎn)、線接觸,易磨損,摩擦力大,效率低,凸輪加工困難[3],固筆者采用Matlab數(shù)學(xué)函數(shù)分析計(jì)算如圖6、圖7所示。根據(jù)賽道要求仿真出凸輪軌跡以及小車行走軌跡。經(jīng)檢驗(yàn)仿真賽道擬合的凸輪能驅(qū)動(dòng)小車走規(guī)定軌跡。

圖5 比賽要求小車軌跡

圖6 matlab擬合實(shí)際軌跡

圖7 實(shí)際凸輪輪廓

2.5 行走機(jī)構(gòu)

小車采用三輪結(jié)構(gòu)，前面一個(gè)轉(zhuǎn)向輪、后面一個(gè)同軸的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪。在保證力學(xué)性能的前提下，使用亞克力板為材料，在外型上即達(dá)到美觀實(shí)用上減少車的重量。輪子的大小基于凸輪的計(jì)算結(jié)果得到，根據(jù)UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊功能，我們最終采用主動(dòng)輪、從動(dòng)輪均為Φ81作為小車的兩個(gè)后輪，前輪大小根據(jù)裝配高度確定。

3 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的凸輪推桿機(jī)構(gòu)可使小車轉(zhuǎn)向達(dá)到任意規(guī)定軌跡，巧妙的利用凸輪本身特性來(lái)避免傳統(tǒng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶來(lái)的轉(zhuǎn)向誤差，使小車行駛精確平穩(wěn)且更遠(yuǎn)。所設(shè)計(jì)的小車在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)及在UG中的仿真結(jié)果也表明了本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

(1) 小車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便制作和調(diào)試；二級(jí)齒輪傳動(dòng)，有利于減少能量的損失Matlab擬合出來(lái)的凸輪能夠精確地控制搖桿的擺動(dòng)進(jìn)而控制車輪行駛軌跡[4]。達(dá)到比賽要求。

(2) 最終通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證小車在調(diào)試過(guò)程中可完成預(yù)定軌跡2圈，繞樁最好成績(jī)?yōu)?個(gè)。調(diào)試時(shí)間大幅度縮短且在獲得第六屆江蘇省工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽比賽二等獎(jiǎng)，證明了設(shè)計(jì)的科學(xué)性與高效性。

(3) 在制作實(shí)物上大量采用了ABS材料3D打印，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工不僅能快速成型、在裝配過(guò)程中易修改且很大程度上節(jié)省了各項(xiàng)成本，提高了方案性能。