一種工程訓練大賽勢能驅動車的設計方法

張 鈺 楊燦宇＊ 田紹兵 李 帥 羅 鑫

（西南林業大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224）

1 概述

全國大學生工程訓練綜合能力競賽對于促進高校實訓教學能力的提升、提高學生理實結合綜合能力有重大作用[1]。工訓大賽每年的賽道和規則都在發生變化，前幾屆工訓大賽的無碳小車已有較全面的設計方法[2]及優化試驗[3]，本文針對第七屆全國大學生工程訓練大賽（更名后為中國大學生工程實踐與創新能力大賽）工程基礎賽道勢能驅動車賽項，提出了一種勢能驅動車的整體設計方法。

2 設計題目

大賽官網[4]勢能驅動車的命題為“由參賽隊員自主設計并制作一臺具有方向控制功能的自行走勢能驅動車”，完成所有動作所用能量僅由一件1kg±10g 重物下降300±2mm 高度產生的重力勢能轉換而得。比賽分為初賽和決賽，初賽運行方式為環形運行（圖1），決賽運行方式由參賽選手自行在環形運行、“8”字運行（圖2）及綜合運行（環形運行和“8”字運行交替進行）三種運行方式自行選擇。參賽選手可從兩個發車區內任選一個發車區，按指定方向進行無接觸發車，直至驅動車停止運行，根據有效行駛距離和繞樁數計算得分。

圖1 環形運行方式

圖2“8”字運行方式

3 設計方法

3.1 設計路線

勢能驅動車由車身、原動機構、傳動機構、行走機構、轉向機構和微調機構組成，綜合考慮賽道大小、重物尺寸、行走長度、行走穩定性、拆裝難度及加工等因素后，驅動車在設計過程中應注意以下幾點。首先為了便于拆裝，車身結構應盡量簡單、傳動件盡量少；其次為了最大限度減小由于比賽過程中二次拆裝對行走軌跡產生的影響，轉向結構和微調機構的調整和拆裝盡量方便、可靠；最后在設計車身主要數據（主動輪偏距a、前后軸距b、凸輪基圓直徑d 等）時，要綜合考量傳動比是否合適、計算出的凸輪形狀是否可行。在驅動車設計、制作好后，還要配合正確的調試方法進行試車，以達到最理想的行走效果。本設計的勢能驅動車三維圖如圖3 所示。

圖3 勢能驅動車三維圖

3.2 車身結構及傳動設計

3.2.1 車身結構設計

本設計驅動車采用三輪式，轉向輪起轉向作用，對傳動影響不大，轉向輪直徑可根據車身結構適當選定。在主動輪和從動輪直徑的確定上，經反復試驗，主動輪和從動輪直徑建議120mm～200mm。本設計的三輪直徑分別為轉向輪直徑d1=20mm、主動輪直徑d2=130mm、從動輪直徑d3=130mm。在主動輪偏距、前后軸距的選擇上，本設計建議主動輪偏距小于90mm，前后軸距小于200mm。本設計的主動輪偏距a=75mm，前后軸距b=116mm。

3.2.2 傳動設計

本設計對環形運行、“8”字運行及綜合運行方式的軌跡長度進行了測量估算，得到環形運行方式一圈的路程在11500mm 左右，“8”字運行方式一圈的路程在12500mm 左右，綜合運行方式的一圈路程在24000mm 左右，由于驅動車在繞樁時的繞樁角度和繞樁路線長度不同，總路程無法精確計算，則本設計按照繞大彎、不撞樁的原則進行軌跡的繪制。隨后通過車身結構中的各項數據，通過Matlab 軟件進行傳動比和齒輪組的計算，并對其進行優化[5]。由于后輪直徑為130mm，傳動比較大，故選擇二級傳動，取i1=4.9，i2=5.4，齒輪模數m=1，齒數取z1=z2=20，z3=98，z4=108，總轉動比i=i1×i2=26.46。

驅動車的前進由重物下降帶動繞線盤轉動，繞線盤經齒輪組帶動主動輪轉動。在繞線盤的選擇上，本設計選擇階梯繞線盤。由于驅動車的啟動方式為無接觸啟動，則啟動時需要的扭矩大，則由大直徑處繞線盤帶動驅動車啟動；驅動車啟動以后，需要的扭矩相比啟動時有所減小，可由小直徑處繞線盤帶動驅動車繼續前行。選擇階梯繞線盤既能滿足驅動車啟動的扭矩要求，也能增加繞線盤的繞線圈數，提高驅動車運行的穩定性，增加驅動車的前進路程。

3.3 凸輪設計

3.3.1 計算轉向輪轉角角度

將繪制好的軌跡曲線近似看成2000 個點的平滑連線，并將這2000 個點的X、Y 坐標導出到Matlab 內進行軌跡繪制，進行后續的凸輪仿真設計。本設計以環形運行方式為例進行凸輪設計說明，環形運行方式在Matlab 內軌跡圖如圖4 所示。

圖4 環形運行方式在Matlab 內的軌跡圖

驅動車的凸輪每轉過一圈，驅動車需走完完整的一圈。我們將圖中A 點設定為驅動車的出發點，驅動車逆時針運行，則轉向輪轉向需經歷左轉-右轉-左轉-右轉-左轉-右轉-左轉-右轉-左轉的過程。在設計驅動車的轉向輪轉角曲線時，為了保證轉向輪轉角曲線的曲率連續，驅動車左轉到右轉的過渡用三角函數和常數進行轉向輪轉角曲線的拼接，并對其進行優化[6]。經過反復調試，得到驅動車轉向輪在不同路程處的轉角角度（圖5）。

圖5 轉向輪在不同路程處的轉角角度

3.3.2 凸輪形狀繪制

轉向輪轉角確定后，需要設置凸輪偏距c、凸輪基圓直徑d以及凸輪推桿直徑d桿，即可推算出凸輪的推程，進而得到凸輪的形狀。經反復試驗，本設計中凸輪偏距c=49mm，凸輪基圓直徑d=96mm，凸輪推桿直徑d桿=2mm。推算出凸輪推程（圖6）后，最終得到凸輪的形狀（圖7）。將Matlab 中繪制的凸輪形狀，導入到SolidWorks、CAD 等軟件中，即可進行凸輪的建模及加工制作。

圖6 凸輪推程

圖7 凸輪形狀

4 調試及修正

由于轉向軸偏角、發車位置等因素導致驅動車的實際運行軌跡與競賽場地的標準軌跡不吻合，調試目的是為了使兩者更加接近。首先在空曠的場地上讓驅動車自行行走，判斷其運動軌跡的起止點是否接近或重合。通過微調儀（可選R 軸角度旋轉微調平臺）不斷調整轉向軸偏角及發車位置，直至確定最佳的轉向軸偏角及發車位置。如經上述手段仍不能達到理想的運行效果，則可根據驅動車實際運行路線，用銼刀或膠帶對凸輪形狀進行微小修改，以達到最理想的運行效果。

5 結論

本文針對第七屆全國大學生工程訓練大賽工程基礎賽道勢能驅動車賽項，提出了一種勢能驅動車的整體設計方法。文章以Matlab 計算仿真為主，通過仿真計算得出合適的傳動比及凸輪形狀，隨后進行驅動車三維建模裝配及實體車加工。同時對驅動車的賽前調試方法進行闡述說明，通過調試可更好的達到理想、穩定的運行效果。

由本文的五位作者設計、制作的勢能驅動車（圖8）在第七屆工程訓練大賽云南省省賽中獲得了云南省第二（金獎）的成績。但本設計仍存在一些問題，如行進路線仍過于緊湊，會產生撞樁現象；齒輪傳動能量損耗過大，導致不得不采用直徑較大的繞線盤，縮短了驅動車的行進路程；車身底盤過高，撞樁后容易將障礙樁卷入車底等，相關問題有待進一步的研究和試驗。

圖8 勢能驅動車實物圖