基于凸輪機構(gòu)的“環(huán)S型”熱能驅(qū)動車結(jié)構(gòu)設(shè)計

張 碩，周洪艷，王 鑫，劉鑫明

(長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032)

0 引言

以“守德崇勞工程創(chuàng)新求卓越，服務(wù)社會智造強國勇?lián)敗睘橹黝}的全國大學生工程訓練綜合能力競賽，新增熱能驅(qū)動車賽項并改用“環(huán)S型”賽道。沿賽道中心線放置10個障礙樁，障礙樁為直徑20 mm、高200 mm的圓棒。比賽要求驅(qū)動車必須在發(fā)車區(qū)域內(nèi)，并在發(fā)車線后按照規(guī)定的出發(fā)方向發(fā)車，前行方向為逆時針。

相較于原先的賽道，新型“環(huán)S型”賽道更加復雜，對無碳小車的整體要求更高。本文依據(jù)全國大學生工程訓練綜合能力競賽熱能驅(qū)動車賽項賽道要求，設(shè)計了一款斜推式“環(huán)S型”熱能驅(qū)動車。熱能驅(qū)動車完成動作所用能量由液態(tài)乙醇(濃度95%)燃燒所得熱能轉(zhuǎn)換而得。

1 “環(huán)S型”熱能驅(qū)動車的總體設(shè)計方案

熱能驅(qū)動車由微調(diào)機構(gòu)1、轉(zhuǎn)向機構(gòu)2、傳動機構(gòu)3、斯特林發(fā)動機4和車體5組成，如圖1所示。車體全鋁合金制造，為驅(qū)動車提供可靠支撐；斯特林發(fā)動機將酒精燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，負責為熱能驅(qū)動車提供前進動力；轉(zhuǎn)向機構(gòu)位于車體前端，利用凸輪推動推桿獲得預期運動規(guī)律；傳動機構(gòu)位于車體兩側(cè)，使驅(qū)動車以合理的速度前進；微調(diào)機構(gòu)位于轉(zhuǎn)向機構(gòu)分體舵上，用于調(diào)整驅(qū)動車軌跡。

2 “環(huán)S型”熱能驅(qū)動車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主體設(shè)計

學校設(shè)備能提供的加工方式有激光切割、3D打印、金屬加工三種，考慮到酒精燃燒十分危險，測試過程中難免出現(xiàn)意外，而ABS塑料和亞克力材料屬于易燃物，為保證車身不會因測試過程中的失誤損壞，選用金屬加工的方式完成驅(qū)動車制造，同時由于鋁合金相較鋼材而言質(zhì)量輕，故采用鋁合金作為驅(qū)動車全車材料，利用車床、拉床、銑床和數(shù)控銑床加工出全車零件。

1-微調(diào)機構(gòu)；2-轉(zhuǎn)向機構(gòu)；3-傳動機構(gòu)；4-發(fā)動機；5-車體

通過仔細研究競賽規(guī)則和賽道數(shù)據(jù)，多次模擬嘗試，規(guī)劃車身整體空間尺寸?？紤]到斯特林發(fā)動機在帶有負載啟動時容易啟動失敗，所以采取剛性傳動的齒輪傳動和撓性傳動的帶傳動混合傳動，既能保證整體傳動穩(wěn)定，又能在啟動力矩驟變時保證發(fā)動機啟動成功。經(jīng)實驗和模擬，確定車身整體空間尺寸(長×寬×高)為210 mm×144 mm×210 mm。

驅(qū)動車采用右后輪單輪驅(qū)動，左右后輪軸斷開，利用差速器原理[1]，在減少能耗的同時，可以使左、右后輪產(chǎn)生速度差，過彎更加平穩(wěn)。

2.2 傳動機構(gòu)設(shè)計

大賽要求熱能驅(qū)動車只能由定量酒精燃燒作為能源，為了保證發(fā)車成功的情況下行駛更遠的路程，驅(qū)動車采取齒輪傳動和帶傳動混合傳動的方法，傳動機構(gòu)如圖2所示。主動輪5、小齒輪Z16與單槽帶輪7同軸，發(fā)動機通過皮帶連接雙槽帶輪8，雙槽帶輪又與單槽帶輪7連接，為主動輪提供動力；小齒輪Z16與大齒輪Z33嚙合組成齒輪副作為第一級齒輪減速，小齒輪Z24與大齒輪Z33同軸又與大齒輪Z42嚙合組成齒輪副作為第二級齒輪減速，凸輪1與大齒輪Z42同軸達成減速目的。

1-凸輪；2-齒輪Z4；3-齒輪Z3；4-齒輪Z2；5-主動輪；6-齒輪Z1；7-單槽帶輪；8-雙槽帶輪

確定凸輪1與主動輪5的傳動比i，編寫MATLAB程序如下：

aa=;bb=;cc=;

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

for j=i:chi1(2)

for k=j:chi1(2)

aa=[aa;i*j*k i j k];

end

end

i

end

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

for j=i:chi2(2)

for k=j:chi2(2)

bb=[bb;i*j*k i j k];

end

i

end

s0=size(aa);

s1=s0(1);

s0=size(bb);

s2=s0(1);

for i=1:s1

for j=1:s2

l=bb(j)/aa(i);

if l>tl/dd/pi-ex &&l

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

end

end

i

end

由以上程序算出所有滿足要求的傳動比分配情況。由于傳動比較大，故選用二級傳動，且將傳動比i平均分配[2]，i=5.3×5.3=25.09，得i1=5.3，i2=5.3，取齒輪模數(shù)為1 mm，各齒輪的齒數(shù)取值如下：z1=z2=20，z3=z4=106。

主動輪5與凸輪1的傳動為剛性傳動，確保凸輪在旋轉(zhuǎn)一周時，驅(qū)動車剛好能沿著軌跡運動一圈，推算出后輪直徑為130 mm。發(fā)動機轉(zhuǎn)速過快且力矩較小，所以用帶傳動連接發(fā)動機和主動輪，既能降低轉(zhuǎn)速增大力矩，又能保障發(fā)動機啟動成功。

2.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用斜推式，如圖3所示。凸輪6在側(cè)面推動推桿7進行轉(zhuǎn)向，且設(shè)計成上、下兩舵的分體舵，兩舵都可以繞轉(zhuǎn)動軸5進行旋轉(zhuǎn)，給微調(diào)螺栓3留有調(diào)節(jié)空間，下舵2通過一根光軸10與轉(zhuǎn)向輪1相連，制作合適的軸套，確保轉(zhuǎn)向輪的最大截面圓和轉(zhuǎn)動軸5的軸線在同一平面，使得轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動角度與轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動角度一致。上舵4連接推桿，且推桿上套有可轉(zhuǎn)動尼龍?zhí)?，用滾動摩擦代替滑動摩擦以減小摩擦力[3]，避免凸輪與推桿卡死，導致轉(zhuǎn)向機構(gòu)失效。

凸輪進行定軸轉(zhuǎn)動，橡皮筋9套在上舵上，這樣推桿就在橡皮筋的作用下緊貼凸輪外輪廓，且繞轉(zhuǎn)向軸做周期擺動，使轉(zhuǎn)向輪進行周期轉(zhuǎn)向，凸輪旋轉(zhuǎn)一周，小車運行一圈。上舵4與下舵2都繞轉(zhuǎn)動軸5旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動微調(diào)螺栓3可調(diào)節(jié)上、下舵的夾角，從而調(diào)整驅(qū)動車運行軌跡的重合度，減少軌跡的誤差積累。

1-轉(zhuǎn)向輪；2-下舵；3-微調(diào)螺栓；4-上舵；5-轉(zhuǎn)動軸；6-凸輪；7-推桿；8-尼龍?zhí)祝?-橡皮筋；10-光軸

3 凸輪設(shè)計

3.1 基礎(chǔ)理念

凸輪外輪廓的起伏經(jīng)過轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)換后變成轉(zhuǎn)向輪的擺動，反向同樣成立，將驅(qū)動車預想的軌跡和轉(zhuǎn)向輪的擺動轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標系里的周期波(推程/位移圖，如圖4所示)，再將周期波中的一個周期轉(zhuǎn)化為極坐標系下的極坐標方程，其圖像即為凸輪外輪廓圖像，如圖5所示。

圖4 笛卡爾坐標系周期波

圖5 極坐標系周期波

3.2 影響參數(shù)

本文采用MATLAB得到凸輪形狀。需要事先確定的參數(shù)有：①前軸到后輪軸的距離a=117 mm；②后輪間距b=127.5 mm；③凸輪內(nèi)側(cè)相對前輪的偏移距離c=30 mm；④凸輪基圓直徑d=90 mm；⑤凸輪厚度f=3 mm。

3.3 凸輪設(shè)計流程及部分程序

通過驅(qū)動車預想軌跡對凸輪進行模擬仿真，首先在Cero中模擬建立比賽賽道并規(guī)劃出預設(shè)驅(qū)動車轉(zhuǎn)向輪行駛的軌跡。將軌跡陣列出數(shù)千個點(點數(shù)越多，凸輪精度越高)，導出點集的坐標集，導入MATLAB程序當中，先算出笛卡爾坐標系里的周期波，取其中一個完整周期，再將笛卡爾坐標系轉(zhuǎn)換成極坐標系，轉(zhuǎn)換程序如下：

xa=;

ya=;

for i=1;s-1

xa=[xa p(i)*cos(alpha(i))];

ya=[ya p(i)*sin(alpha(i))];

end

xa=xa';

ya=ya';

n=1;s-1;

n=n';

o=zeros(size(n));

整個車體是剛性結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向輪移動時，小車的兩后輪會以一個最短的路徑移到相應(yīng)位置，即可確定兩后輪的運動軌跡。同時由于在小車走完一圈后后輪中點不會回到原點，為了提高精度，重新設(shè)置后輪中點坐標，重新輸出后輪移動曲線。重新輸出的后輪軌跡程序如圖6所示。

圖6 重新輸出的后輪軌跡程序

4 總結(jié)

本文將熱能驅(qū)動車設(shè)計過程分為結(jié)構(gòu)設(shè)計和凸輪設(shè)計兩方面。首先，借助Creo和MATLAB軟件對預定軌跡進行反向計算，推算出凸輪外輪廓形狀；然后，輔以微調(diào)螺栓，糾正零件加工和裝配中的誤差，保證驅(qū)動車實際運行軌跡；最后考慮了發(fā)動機抖動和發(fā)動機啟動阻力等各種實際影響因素，并選用混合傳動的方案降低發(fā)動機帶來的影響。采用本文設(shè)計的熱能驅(qū)動車在全國大學生工程訓練綜合能力競賽中獲得了省賽一等獎的成績，能夠為后續(xù)參賽同行提供一定的參考。