環“S”形勢能無碳小車設計與仿真*

朱桂成，張小奇

(長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032)

0 引言

我國能源儲備量雖多，但人均占有量較少，降低能源消耗變得尤為重要。設計一款綠色、環保、節能的無碳小車，能夠按照預定軌跡運動，自動繞開障礙樁，其能量完全由重力勢能提供，可以實現真正意義上的無碳。

1 無碳小車總體方案設計

根據第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，自主設計一輛無碳小車，該車運動能量由勢能提供，實現自主行走、轉向繞樁的功能。所用重物質量為1 kg±10 g，下落高度為300 mm±2 mm。無碳小車由車架、動能轉換機構、傳動機構、轉向機構、行駛機構、微調機構組成。無碳小車結構示意圖如圖1所示，其中車架由底座和軸承座組成；動能轉換機構由小繞線輪和大繞線輪組成；傳動機構由齒輪Z1、齒輪Z2、齒輪Z3和齒輪Z4組成；轉向機構由導向推桿、轉向輪固定架和轉向輪組成；行駛機構由從動輪、轉向輪和主動輪組成；微調機構由微調機構分體舵和微調機構螺栓組成。無碳小車車架等零件選用鋁合金材料制成，鋁合金具有比重小、比強度高的優點，擁有良好力學性能和工藝性能[1]。

工作時，動能轉換機構提供動能，傳動機構將動能傳遞給轉向機構和行駛機構，驅動無碳小車運動，通過微調機構調整無碳小車運動軌跡。

2 無碳小車的參數

2.1 凸輪參數

將凸輪角度平均分為N份，當凸輪轉動(360/N)°，主動輪運動距離為LT。設定前輪轉角θ，已知參數前后軸距離A(117 mm)、主動輪偏距E(77.5 mm)、節點距離LT(0.06)，由MATLAB軟件計算出凸輪基圓半徑R0(57 mm)。

2.2 無碳小車傳動比

無碳小車總傳動比較大，采用二級傳動方案[2-3]。齒輪模數為1，Z1=100，Z2=Z3=20，Z4=110，總傳動比為i。

(1)

(2)

i=i1*i2=27.5

(3)

兩個后輪的半徑R1(R1=65.00 mm)。凸輪軸半徑R2(R2=3 mm)，計算出無碳小車理論可運行3.18圈。

(4)

3 無碳小車的結構

3.1 動能轉換機構

動能轉換機構作用是將重力勢能轉化為動能。重物通過繩子與大繞線輪相連接，凸輪驅動軸與小繞線輪相連接，重物下落拉動凸輪驅動軸轉動，將重力勢能轉化為動能。采用二級傳動啟動力矩更大，并且結構簡單，能夠有效減少能量損失。

3.2 傳動機構

傳動機構作用是將動能、扭矩傳遞給主動輪。無碳小車能夠穩定并精確地按照預定軌跡運動，要求傳動機構具有傳動穩定、傳動效率高、結構簡單的特點，以減少能量在傳動過程中的損失。常見的傳遞方案包括帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動，方案一：帶傳動結構簡單、傳動平穩，但傳動比不準確，需要張緊裝置，結構復雜；方案二：鏈傳動瞬時傳動比不固定，鏈條的速度有波動；方案三：齒輪傳動瞬時傳動比恒定，工作平穩性較高，并且傳動效率高，但制造精度要求較高。綜合考慮無碳小車在運動過程中需按照預定軌跡精確運動，要求恒定的傳動比，故采用齒輪傳動方案。

3.3 轉向機構

按照比賽要求無碳小車運動軌跡為環“S”形曲線，在運動過程中需要轉向機構，實現轉彎功能。為實現精確轉向，設計轉向機構應具有機械結構簡單的特點，減小零件加工誤差對無碳小車運動軌跡的影響。選用搖桿凸輪機構設計方案，凸輪與推桿相切，改變前輪轉角實現轉向功能。

3.4 行駛機構

行駛機構在運動過程中起到支撐無碳小車全部重量，傳遞牽引力、驅動力矩的作用。行駛機構由轉向輪、主動輪和從動輪組成，左后輪為主動輪，右后輪為從動輪，前輪為轉向輪，其中主動輪半徑R1(R1=65 mm)與從動輪半徑相等，轉向輪半徑R3(R3=10 mm)。由于主動輪和從動輪在運動過程中行走的距離不相等，兩車輪之間存在轉速差。為解決上述問題共有以下兩個方案，方案一：在無碳小車上安裝差速器，主動輪、從動輪以不同轉速轉動，解決主動輪、從動輪轉彎存在轉速差的問題，但整體結構復雜；方案二：左后主動輪與后輪軸采用過盈配合隨軸轉動，右后從動輪上安裝一個軸承與軸連接，自由轉動，解決轉彎時主動輪、從動輪轉速差的問題。無碳小車結構設計應簡便，所以選擇方案二。

3.5 微調機構

為提升無碳小車運動的精度，設計一個微調機構，該機構由分體舵和微調螺栓組成。通過調整導向推桿與凸輪之間的距離，改變前輪轉角，進而調整無碳小車運動軌跡。微調機構可以提高無碳小車實際運動軌跡與理論軌跡重合率，降低碰撞障礙樁的概率。

4 無碳小車模擬仿真

根據第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，無碳小車需要按照如圖2所示軌跡運動，使用MATLAB、SOLIDWORKS軟件對凸輪和無碳小車運動進行仿真。

4.1 凸輪軌跡仿真

設置無碳小車的后輪軸初始點為O，主動輪、從動輪和前導向輪的初始坐標可以根據無碳小車總體參數確定。此時無碳小車車身水平向下(φ=90°)，使用MATLAB軟件分析進行軌跡求解，凸輪模擬仿真結果如圖3所示。

車身傾角：

φ(i+1)=φ(i)=l(i)*p(i)

(5)

中心橫坐標：

x(i+1)=x(i)-l(i)*cos(φ(i+1))

(6)

中心縱坐標：

y(i+1)=y(i)-l(i)*sin(φ(i+1))

(7)

4.2 無碳小車運動仿真

在確定無碳小車參數基礎上，使用SOLIDWORKS三維軟件進行MOTION運動仿真分析，無碳小車的仿真分析結果如圖4所示。

運動軌跡仿真結果顯示，仿真運動軌跡與第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽規定運動軌跡一致，能有效避開障礙樁，符合比賽要求。

5 無碳小車的制作工藝與調試

5.1 無碳小車制作工藝

為提高零件的精度，所有零件在加工完成后，先用粗砂紙打磨，去除零件表面的毛刺，再用細砂紙對其進行拋光處理，提升零件的精度和美觀度；將軸承擋圈取出，使用石油醚清洗附著在軸承內的雜質，對清洗過的軸承添加潤滑油，減小軸承摩擦和磨損；對裝配好的無碳小車進行磨合，讓各零部件配合更精準，使無碳小車達到最佳狀態。

5.2 無碳小車運動調試

調試過程中車架上安裝一個漏斗裝置[4-5]，通過漏中滴落到地面的水跡，以此獲得無碳小車實際運動軌跡。通過微調機構調試出無碳小車運動軌跡，固定微調機構螺栓保持不動，測量出最佳發車位置和角度的數據，根據計算與運動結果，設計一塊亞克力板，確定無碳小車發車位置和角度，可提高比賽成功發車概率。調試中發現以下規律：實際的運動軌跡左偏時，擰松微調機構螺栓，增加前輪轉角角度；實際運動軌跡偏右時，擰緊微調機構螺栓，減少前輪轉角角度。

6 結論

無碳小車采用搖桿凸輪轉向機構、齒輪傳動機構方案設計，運用MATLAB、SOLIDWORKS軟件對凸輪和無碳小車進行運動仿真，模擬的運動軌跡與實際運動軌跡相符。該無碳小車結構簡單，減少能量在傳遞過程中的損失，達到自動行走、有效避開障礙樁的要求。