熱能驅動車設計與運動軌跡分析

劉鎮英　張國福　歐陽博　張彪

摘 要：熱能驅動車是一種具有方向控制功能，以熱能驅動的自行小車。為了解決熱能驅動車因加工精度，裝配誤差等因素影響出現的軌跡不準確的問題。首先對熱能驅動車進行簡化，通過改變部分參數來影響小車的運動軌跡，再利用UG運動學仿真模塊對小車運動軌跡進行仿真實驗。然后對影響軌跡的參數進行總結和分析，通過對小車的部分參數進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行軌跡運行調試得到了成功繞樁10個的成績，為以后的熱能驅動車設計積累了經驗。

關鍵詞：UG 熱能驅動車 結構設計 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，發展高效率綠色環保機械設備已經成為機械領域的熱點。第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽旨在提倡無碳環保的設計理念。本文源于競賽主題“以熱能驅動的具有方向控制功能的自行小車”。目標是設計一種三輪小車，所需能量由濃度為95%的液態乙醇提供。以小車所走的距離和繞樁數目來評定性能的優劣。在設計和實際運行當中，凸輪是整個部件的核心。但是在運行當中小車的運動軌跡卻不太準確，經常出現軌跡不閉合、平移、旋轉等一系列問題。原因是由于熱能驅動車的加工誤差、裝配誤差、后期磨損、斯特林發動機一直加速運動等一系列問題的積累導致軌跡偏差嚴重，最終繞樁失敗。故從熱能驅動車的基本結構設計出發，對可能影響運動軌跡變化的因素進行分析提出了新的軌跡修正方案。

2 熱能驅動車基本結構

熱能驅動車（以下簡稱小車）主要機構包括驅動機構、差速機構、轉向機構、微調機構。其中驅動機構主要由斯特林發動機提供動力;差速機構主要使小車速度降低;轉向機構基本由凸輪提供，轉向方式主要由以下四種結構：凸輪推桿式、凸輪頂球式、凸輪圓槽式、齒輪齒條式;微調機構主要由改裝后的螺旋測微器構成。

3 熱能驅動車設計要點

小車的設計可以分為兩個部分：第一部分為小車的基本結構，第二部分為小車的凸輪設計。

①小車根據斯特林發動機特點，必須采取減速措施，其作用為減少因小車速度過快導致的軌跡出現偏差。減速部分可分為兩部分：第一部分為發動機到主動輪的減速;第二部分為主動輪到凸輪的減速。由本次小車數據得到斯特林發動機到主動輪減速比應在30-45左右。

②發動機到主動輪減速應設置為同步帶輪。在避免皮帶與帶輪打滑的同時保證了相對穩定的減速比。主動輪到凸輪的減速齒輪選擇，模數盡量選擇0.8、1。相比較0.5模數的齒輪，0.8和1模數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象。

③小車的路程與車輪的關系：路程=π*主動輪到凸輪的差速比*主動輪直徑。故在實際設計中應當將減速比設置成為可調節以便應對復賽時的變樁導致的路程變化。

④小車差速系統需設計多級減速齒輪機構（注：單一的兩級減速不僅對加工精度要求高而且對于整個減速系統來說是十分脆弱的）。

⑤小車轉向機構的由于大多數采用凸輪轉向所以需考慮凸輪推桿的推程與回程時的速度。

⑥小車的穩定與否會影響小車運動軌跡。所以當小車達到穩定時凸輪才會發揮最大的作用。

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

小車結構應遵循穩定性原則所以重心、發動機震動、小車速度、加工精度、裝配誤差和后期的磨損都需要在設計范圍之內。

4 虛擬仿真運動

UG運動學仿真分析小車運動軌跡能夠清楚地觀察到小車在理論上的運動軌跡，并且驗證凸輪的誤差為實際運行做好理論基礎。應用UG運動學模塊對小車進行分析時，為了減少仿真運算的壓力將小車簡化只保留關鍵運動部件，如下圖1所示。其操作步驟如下：第一步設置連桿，車架、前輪、凸輪、前輪架、左輪、右輪。第二步設置運動副，將以上運動機構均設置為旋轉副，將車輪與地面之間和凸輪與前輪架之間設置為3D接觸，除此之外將凸輪中心與前輪架之間設置為彈簧鏈接，并且注意彈簧的初始狀態應為張緊狀態。第三設置驅動體，這里設置兩個驅動體分別為左輪驅動與凸輪驅動。兩個的速度差應為實際的減速比。第四仿真運動，注意這里需要將求解器修改為recurdyn求解器。新建一個求解方案，求解時間為10000S，步數為500。

5 熱能驅動車運動分析

當小車裝配完成以后小車的大多數參數已經固定。所走的軌跡也已經基本固定能夠調節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。故此調車發車只是搬著小車的軌跡去套賽道。

4.1軌跡旋轉

這是由于小車完成一次周期運動后車身與下一次運動時的軌跡有夾角所致，如下圖2所示。也就是說小車完成一次周期運動后沒有回到初始狀態，所以需要在初始出發時補充相應偏角。

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。

為了便于說明現將小車的簡化結構，如下圖3所示。由于凸輪旋轉一圈和主動輪走的路程是固定的。在小車的結構中A和D的大小會影響小車的拐彎幅度，所以當小車的A值發生變化時小車轉彎幅度也發生變化。D為定值當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。故當小車走的路程一定時，拐彎幅度也會影響到達的位置。故調節A的大小能夠不斷減小平移現象。因此可根據實際情況，在此處加上微調裝置來改變A的大小，并且在設計時應適當加大D的數值使生成的凸輪起伏程度低。

6 調試方法

在實際當中，影響小車軌跡的因素有很多，所以實際運行中的調試的順序應先找到凸輪的出發點和此時小車的方向，使軌跡基本符合大賽要求。然后根據原理解決旋轉，根據實際情況調整小車的偏角。再調試A的大小，在反復的調試偏角和A的大小使小車達到最佳狀態。小車的調試和小車的磨損程度、加工精度、裝配誤差有關，根據小車的材料不同，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）。大多數小車的軌跡往往同時存在平移和旋轉現象，經調試后絕大部分車存在平移現象，并且都只能運行幾圈，這是因為小車的加工精度和裝配誤差的影響，以及小車的發動機一直在燃燒而導致小車始終處于加速狀態導致的。

7 結語

反映小車性能的指標，就是繞樁數以及所行走的路程。在本文中通過對小車的結構分析，利用UG的模擬仿真，得到了小車的運動軌跡變化規律。將以上結論應用于實踐提出了新的軌跡修正方案。針對小車基本結構提出的軌跡修正方案，很大程度上提高了小車的穩定性，使凸輪的作用發揮到最大。在第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽中，原來錯亂的軌跡行走，在經過不斷地調整后，軌跡很快得到了修正并取得省級二等獎的成績。用實際證明了該方案在軌跡修正中的正確性和可靠性。

參考文獻：

[1]孫一平，曾麟.基于UG和MATLAB的‘S’軌跡無碳小車設計與運動學仿真研究[A].現代機械，2018，1：15-18.

[2]劉洋，姜吉光，謝醇.基于“軌跡分析法”的無碳小車微調機構的創新設計[J] 機械傳動2015，39（12）：83-87.

[3]李剛，周致成，袁航，張大明，王超.S形轉向運動無碳小車的改進設計研究[A]汽車實用技術，2014，2：13-16.

[4]楊波，陳紅，邵丹，鑫龍.基于軌跡分析的S型無碳小車設計[J]設計與分析，2017，33：124-125.

[5]皇大偉，景新，孟程琳，劉志杰.基于凸輪控制的S型無碳小車設計[A]機械設計與制造工程，2015，（44），7：43-47.