熱能驅(qū)動車設(shè)計(jì)與運(yùn)動軌跡分析

劉鎮(zhèn)英　張國?！W陽博　張彪

摘 要：熱能驅(qū)動車是一種具有方向控制功能，以熱能驅(qū)動的自行小車。為了解決熱能驅(qū)動車因加工精度，裝配誤差等因素影響出現(xiàn)的軌跡不準(zhǔn)確的問題。首先對熱能驅(qū)動車進(jìn)行簡化，通過改變部分參數(shù)來影響小車的運(yùn)動軌跡，再利用UG運(yùn)動學(xué)仿真模塊對小車運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。然后對影響軌跡的參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，通過對小車的部分參數(shù)進(jìn)行修改得到了一種簡單可靠的軌跡修正方案。通過對制作的小車進(jìn)行軌跡運(yùn)行調(diào)試得到了成功繞樁10個(gè)的成績，為以后的熱能驅(qū)動車設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：UG 熱能驅(qū)動車 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軌跡分析

Design and Trajectory Analysis of Thermal Energy Driven Vehicle

Liu Zhenying，Zhang Guofu，ou Yangbo，Zhang Biao

Abstract：Thermal energy driven car is a self-propelled car with direction control function and driven by thermal energy. In order to solve the problem of inaccurate track of thermal energy driven vehicle due to processing accuracy， assembly error and other factors， firstly， the thermal energy driven vehicle is simplified， and some parameters are changed to affect the motion trajectory of the vehicle， and then the motion trajectory of the vehicle is simulated by UG kinematics simulation module. Then the parameters affecting the trajectory are summarized and analyzed， and a simple and reliable trajectory correction scheme is obtained by modifying some parameters of the trolley. Through the track operation and debugging of the produced trolley， the results of successfully winding 10 piles have been obtained， which has accumulated experience for the design of thermal energy driven vehicle in the future.

Key words：UG， thermal energy driven vehicle， structural design， trajectory analysis

1 引言

目前，發(fā)展高效率綠色環(huán)保機(jī)械設(shè)備已經(jīng)成為機(jī)械領(lǐng)域的熱點(diǎn)。第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽旨在提倡無碳環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。本文源于競賽主題“以熱能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種三輪小車，所需能量由濃度為95%的液態(tài)乙醇提供。以小車所走的距離和繞樁數(shù)目來評定性能的優(yōu)劣。在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，凸輪是整個(gè)部件的核心。但是在運(yùn)行當(dāng)中小車的運(yùn)動軌跡卻不太準(zhǔn)確，經(jīng)常出現(xiàn)軌跡不閉合、平移、旋轉(zhuǎn)等一系列問題。原因是由于熱能驅(qū)動車的加工誤差、裝配誤差、后期磨損、斯特林發(fā)動機(jī)一直加速運(yùn)動等一系列問題的積累導(dǎo)致軌跡偏差嚴(yán)重，最終繞樁失敗。故從熱能驅(qū)動車的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，對可能影響運(yùn)動軌跡變化的因素進(jìn)行分析提出了新的軌跡修正方案。

2 熱能驅(qū)動車基本結(jié)構(gòu)

熱能驅(qū)動車（以下簡稱小車）主要機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、差速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)。其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由斯特林發(fā)動機(jī)提供動力;差速機(jī)構(gòu)主要使小車速度降低;轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基本由凸輪提供，轉(zhuǎn)向方式主要由以下四種結(jié)構(gòu)：凸輪推桿式、凸輪頂球式、凸輪圓槽式、齒輪齒條式;微調(diào)機(jī)構(gòu)主要由改裝后的螺旋測微器構(gòu)成。

3 熱能驅(qū)動車設(shè)計(jì)要點(diǎn)

小車的設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)部分：第一部分為小車的基本結(jié)構(gòu)，第二部分為小車的凸輪設(shè)計(jì)。

①小車根據(jù)斯特林發(fā)動機(jī)特點(diǎn)，必須采取減速措施，其作用為減少因小車速度過快導(dǎo)致的軌跡出現(xiàn)偏差。減速部分可分為兩部分：第一部分為發(fā)動機(jī)到主動輪的減速;第二部分為主動輪到凸輪的減速。由本次小車數(shù)據(jù)得到斯特林發(fā)動機(jī)到主動輪減速比應(yīng)在30-45左右。

②發(fā)動機(jī)到主動輪減速應(yīng)設(shè)置為同步帶輪。在避免皮帶與帶輪打滑的同時(shí)保證了相對穩(wěn)定的減速比。主動輪到凸輪的減速齒輪選擇，模數(shù)盡量選擇0.8、1。相比較0.5模數(shù)的齒輪，0.8和1模數(shù)的齒輪具有較大輪齒，可以使中心距留有間隙不易造成卡齒的現(xiàn)象。

③小車的路程與車輪的關(guān)系：路程=π*主動輪到凸輪的差速比*主動輪直徑。故在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)將減速比設(shè)置成為可調(diào)節(jié)以便應(yīng)對復(fù)賽時(shí)的變樁導(dǎo)致的路程變化。

④小車差速系統(tǒng)需設(shè)計(jì)多級減速齒輪機(jī)構(gòu)（注：單一的兩級減速不僅對加工精度要求高而且對于整個(gè)減速系統(tǒng)來說是十分脆弱的）。

⑤小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的由于大多數(shù)采用凸輪轉(zhuǎn)向所以需考慮凸輪推桿的推程與回程時(shí)的速度。

⑥小車的穩(wěn)定與否會影響小車運(yùn)動軌跡。所以當(dāng)小車達(dá)到穩(wěn)定時(shí)凸輪才會發(fā)揮最大的作用。

⑦小車的主動輪與從動輪設(shè)置。如果設(shè)置主動輪與從動輪小車在轉(zhuǎn)向時(shí)會受到自身的限制導(dǎo)致一定程度上的轉(zhuǎn)向困難。因此作者建議加入單向軸承或者使用萬向輪。使用單向軸承時(shí)需要注意兩個(gè)軸承的轉(zhuǎn)動方向必須保持一致。

小車結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循穩(wěn)定性原則所以重心、發(fā)動機(jī)震動、小車速度、加工精度、裝配誤差和后期的磨損都需要在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

4 虛擬仿真運(yùn)動

UG運(yùn)動學(xué)仿真分析小車運(yùn)動軌跡能夠清楚地觀察到小車在理論上的運(yùn)動軌跡，并且驗(yàn)證凸輪的誤差為實(shí)際運(yùn)行做好理論基礎(chǔ)。應(yīng)用UG運(yùn)動學(xué)模塊對小車進(jìn)行分析時(shí)，為了減少仿真運(yùn)算的壓力將小車簡化只保留關(guān)鍵運(yùn)動部件，如下圖1所示。其操作步驟如下：第一步設(shè)置連桿，車架、前輪、凸輪、前輪架、左輪、右輪。第二步設(shè)置運(yùn)動副，將以上運(yùn)動機(jī)構(gòu)均設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，將車輪與地面之間和凸輪與前輪架之間設(shè)置為3D接觸，除此之外將凸輪中心與前輪架之間設(shè)置為彈簧鏈接，并且注意彈簧的初始狀態(tài)應(yīng)為張緊狀態(tài)。第三設(shè)置驅(qū)動體，這里設(shè)置兩個(gè)驅(qū)動體分別為左輪驅(qū)動與凸輪驅(qū)動。兩個(gè)的速度差應(yīng)為實(shí)際的減速比。第四仿真運(yùn)動，注意這里需要將求解器修改為recurdyn求解器。新建一個(gè)求解方案，求解時(shí)間為10000S，步數(shù)為500。

5 熱能驅(qū)動車運(yùn)動分析

當(dāng)小車裝配完成以后小車的大多數(shù)參數(shù)已經(jīng)固定。所走的軌跡也已經(jīng)基本固定能夠調(diào)節(jié)的只有前輪與車身的偏角以及凸輪與車中心（小車中軸線）的距離。故此調(diào)車發(fā)車只是搬著小車的軌跡去套賽道。

4.1軌跡旋轉(zhuǎn)

這是由于小車完成一次周期運(yùn)動后車身與下一次運(yùn)動時(shí)的軌跡有夾角所致，如下圖2所示。也就是說小車完成一次周期運(yùn)動后沒有回到初始狀態(tài)，所以需要在初始出發(fā)時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)偏角。

4.2軌跡平移

平移會有兩種形式，一種為沿長軸方向平移，一種為沿短軸方向平移。

為了便于說明現(xiàn)將小車的簡化結(jié)構(gòu)，如下圖3所示。由于凸輪旋轉(zhuǎn)一圈和主動輪走的路程是固定的。在小車的結(jié)構(gòu)中A和D的大小會影響小車的拐彎幅度，所以當(dāng)小車的A值發(fā)生變化時(shí)小車轉(zhuǎn)彎幅度也發(fā)生變化。D為定值當(dāng)A越小，那么∠P的余角變大，小車的拐彎幅度也就變大，反之則小。故當(dāng)小車走的路程一定時(shí)，拐彎幅度也會影響到達(dá)的位置。故調(diào)節(jié)A的大小能夠不斷減小平移現(xiàn)象。因此可根據(jù)實(shí)際情況，在此處加上微調(diào)裝置來改變A的大小，并且在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大D的數(shù)值使生成的凸輪起伏程度低。

6 調(diào)試方法

在實(shí)際當(dāng)中，影響小車軌跡的因素有很多，所以實(shí)際運(yùn)行中的調(diào)試的順序應(yīng)先找到凸輪的出發(fā)點(diǎn)和此時(shí)小車的方向，使軌跡基本符合大賽要求。然后根據(jù)原理解決旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整小車的偏角。再調(diào)試A的大小，在反復(fù)的調(diào)試偏角和A的大小使小車達(dá)到最佳狀態(tài)。小車的調(diào)試和小車的磨損程度、加工精度、裝配誤差有關(guān)，根據(jù)小車的材料不同，小車的使用壽命也不同（前期的磨合期，中期的使用期，后期的老化期）。大多數(shù)小車的軌跡往往同時(shí)存在平移和旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)試后絕大部分車存在平移現(xiàn)象，并且都只能運(yùn)行幾圈，這是因?yàn)樾≤嚨募庸ぞ群脱b配誤差的影響，以及小車的發(fā)動機(jī)一直在燃燒而導(dǎo)致小車始終處于加速狀態(tài)導(dǎo)致的。

7 結(jié)語

反映小車性能的指標(biāo)，就是繞樁數(shù)以及所行走的路程。在本文中通過對小車的結(jié)構(gòu)分析，利用UG的模擬仿真，得到了小車的運(yùn)動軌跡變化規(guī)律。將以上結(jié)論應(yīng)用于實(shí)踐提出了新的軌跡修正方案。針對小車基本結(jié)構(gòu)提出的軌跡修正方案，很大程度上提高了小車的穩(wěn)定性，使凸輪的作用發(fā)揮到最大。在第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中，原來錯(cuò)亂的軌跡行走，在經(jīng)過不斷地調(diào)整后，軌跡很快得到了修正并取得省級二等獎(jiǎng)的成績。用實(shí)際證明了該方案在軌跡修正中的正確性和可靠性。

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