無碳勢能車的運動仿真與結構設計優化*

蘆新春，王子軒，黃茜茜

(江蘇海洋大學 機械工程學院，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

根據第六屆江蘇省工程能力訓練競賽要求，自主設計并制作一臺具有方向控制功能的勢能驅動車，行走過程中按照轉向機構的控制在相應的軌跡上運動，且完成所有動作所用能量均由重力勢能轉換，不使用任何其他形式的能量，達到無碳排放和環保的目的。為此，筆者通過UG軟件建立小車三維實體模型進行加工裝配，采用Matlab數學分析軟件擬合出的比賽路線設計小車凸輪，通過裝配的實體模型驗證了該小車得以自動按規定路徑行駛并規避障礙完成比賽。

1 設計目標及思路

根據競賽要求該車行走過程中必須在指定競賽場地上與地面接觸運行，且完成所有動作所用能量均由重力勢能轉換而得， 不允許使用任何其他形式的能量驅動自身行走。重力勢能通過自主設計制造的1 kg±10 g重物下降 300 ±2 mm 高度獲得。在勢能驅動車行走過程中，重物不允許從勢能驅動車上掉落且自動避開障礙物，在賽道中運行流暢。比賽中，小車需連續運行，直至停止。小車沒有繞過障礙、碰倒障礙、將障礙物推出定位圓區域、砝碼脫離小車、小車停止或小車掉下球臺均視為本次比賽結束。本文根據小車所要完成的任務將小車劃分為四個部分進行模塊化設計；分別是車身 、原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構。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 關鍵部件設計

2.1 車身設計

小車底架采用3D打印技術制造，保證車體強度足夠可支撐全車構件，同時較金屬底架減小阻力，降低能量損耗，使車身整體結構最優化與重量最輕化，主動輪和從動輪挖孔減重處理，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程度[1]；重物支撐架采用D=5 mm的鋁合金管，側板、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；重物勢能一部分轉化為小車動能，一部分消耗為摩擦做功,為此轉動副以及軸與側板連接部分全部安裝軸承。

2.2 原動機構

原動機構的作用是將重錘的重力勢能轉化為小車的動能。采用繞線將重錘下落產生的勢能轉換為齒輪運動的動能，進而帶動小車車輪和凸輪的運動，由于線在整個裝置中起到連接作用，線的材質也決定了小車前行的速度以及平穩性，文中經過多次調試及實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的優點，考慮到線在小車行駛過程中轉動的連貫性，故采用階梯式繞線輪輪盤并創新型設計了啟動盤如圖3所示，合理布局傳動比，加大驅動扭矩，以解決扭矩過小導致的起步困難的問題。通過該優化設計，使無碳小車具有更大的前進動能，并減少了摩擦損耗。

圖3 啟動盤 圖4 傳動機構

2.3 傳動機構

一般傳動機構的設計主要有齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動和蝸桿傳動等方式。其中鏈 傳動不穩定，蝸輪蝸桿傳動制造較復雜，能耗較多，不適用于無碳小車。而帶傳動結構不緊湊，也容易打滑[2]。文中采用的傳動機構(如圖4所示)由前軸、兩個小齒輪、一個中齒輪、一個大齒輪、后軸組成，前軸帶動齒輪又帶動后軸轉動將動能傳遞于后輪使其轉動。二級齒輪增速傳動來保證動力的持續、平穩輸出。具體仿真關鍵程序如下：文中設定齒輪模數為0.8， chi1=[26 40];%小齒輪齒數選取范圍，chi2=[60 180];%大齒輪齒數選取范圍。

由條件語句

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

計算結果代入if l>tl/dd/pi-ex && l

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

即可得出四個齒輪的參數根據UG仿真模擬選出最佳數據。由傳動比公式i=Z1/Z2得出齒輪組總傳動比為21。

2.4 轉向機構

轉向機構是整車最核心的部分,也是最復雜的部分,根據競賽要求要達到在賽道上交替完成環形和8字兩種運行方式(如圖5)，次序不限。故本文采用凸輪推桿機構。通過凸輪高副,將凸輪的旋轉運動轉化為推桿的前后往復運動,控制小車左右周期性擺動通過凸輪高副,將凸輪的旋轉運動轉化為推桿的前后往復運動,控制小車左右周期性擺動。其優點是結構簡單緊湊,設計方便,只要正確地設計出凸輪的輪廓曲線,就可以使推桿得到各種預期的運動規律,而且響應迅速;缺點是凸輪輪廓與推桿之間是點、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數學函數分析計算如圖6、圖7所示。根據賽道要求仿真出凸輪軌跡以及小車行走軌跡。經檢驗仿真賽道擬合的凸輪能驅動小車走規定軌跡。

圖5 比賽要求小車軌跡

圖6 matlab擬合實際軌跡

圖7 實際凸輪輪廓

2.5 行走機構

小車采用三輪結構，前面一個轉向輪、后面一個同軸的主動輪和從動輪。在保證力學性能的前提下，使用亞克力板為材料，在外型上即達到美觀實用上減少車的重量。輪子的大小基于凸輪的計算結果得到，根據UG運動仿真模塊功能，我們最終采用主動輪、從動輪均為Φ81作為小車的兩個后輪，前輪大小根據裝配高度確定。

3 結 論

文中設計的凸輪推桿機構可使小車轉向達到任意規定軌跡，巧妙的利用凸輪本身特性來避免傳統曲柄搖桿機構帶來的轉向誤差，使小車行駛精確平穩且更遠。所設計的小車在實際的運動及在UG中的仿真結果也表明了本結構設計的合理性和可行性。

(1) 小車機構設計簡單，方便制作和調試；二級齒輪傳動，有利于減少能量的損失Matlab擬合出來的凸輪能夠精確地控制搖桿的擺動進而控制車輪行駛軌跡[4]。達到比賽要求。

(2) 最終通過實踐驗證小車在調試過程中可完成預定軌跡2圈，繞樁最好成績為7個。調試時間大幅度縮短且在獲得第六屆江蘇省工程訓練綜合能力競賽比賽二等獎，證明了設計的科學性與高效性。

(3) 在制作實物上大量采用了ABS材料3D打印，利用3D打印技術進行機械加工不僅能快速成型、在裝配過程中易修改且很大程度上節省了各項成本，提高了方案性能。