基于工程實踐的一種太陽能無碳小車設計

摘要：為設計一款具有方向控制功能的太陽能無碳小車，首先通過SolidWorks軟件對小車進行了整體三維建模，然后設計了小車的關鍵機構，包括傳動機構、微調轉向機構和凸輪的設計，并選擇適合的電機。在滿足無碳小車尺寸要求的前提下，借助MATLAB軟件對小車的運行長征軌跡進行了凸輪仿真和軌跡優化。最后，通過Motion運動仿真成功驗證了小車設計方案的合理性，實現了太陽能驅動和固定點打卡的功能要求。設計出的小車結構簡單、性能良好、運行效率高，為今后將太陽能技術應用于無碳小車設計提供了一種新的方法和思路。

關鍵詞：太陽能小車；凸輪設計；Motion仿真；長征軌跡；單輪驅動

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.06.009

文章編號：1006-0316 （2024） 06-0060-07

Design of a Solar Carbon-free Car based on Engineering Practices

LIU Zhihe，GUO Aiyong，CHEN Wenyang，CHEN Baiqi，MAO"Zijie，LU Xueyu

（"School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China"）

Abstract：To design a solar carbon-free car with direction control function， the SolidWorks software is first used to establish the 3D model of the car. Then， the key mechanisms of the car are designed， including the transmission mechanism， fine-tuning steering mechanism， and cam design， followed by the selection of a suitable motor. On the premise of meeting the size requirements of the carbon-free car， the cam motion and optimization of the car's long trajectory are conducted. Finally， the feasibility of the car design is successfully verified by Motion simulation， and the functional requirements of solar propulsion and fixed-point punch card are realized. The designed car has the advantages of simple structure， good performance and high operational efficiency， which provides a new approach and idea for the application of solar energy technology in the future design of carbon-free car.

Key words：solar car；CAM design；Motion simulation；long march track；single-wheel drive

隨著社會經濟的不斷發展，能源與環保問題已成為全球關注的焦點之一。在這一背景下，太陽能作為一種可再生且清潔的能源，具有巨大的發展潛力。

目前國內對無碳小車的研究分析主要體現在機構參數設計、MATLAB仿真軌跡、ADAMS參數優化等方面^[1]。王政等^[2]利用ADAMS軟件參數化建模功能和仿真功能，分別對以曲柄搖桿機構、正弦機構、RSSR空間四桿機構作為無碳小車轉向機構的情況進行了仿真試驗分析。李元良等^[3]提出基于空間凸輪機構的“8”字形無碳小車軌跡的逆向分析方法，通過數學建模計算出小車的各個參數及理論運行軌跡。鐘樟榕等^[4]由小車的機械結構和運動方程分析歸納出具有隨機分布特點的幾種典型運行誤差，并找出了影響最大的兩種隨機誤差。呂晨茜等^[5]通過Motion分析對小車避障路徑的規劃與凸輪的設計進行了研究。

以上研究對軌跡循環、規則避障的無碳小車設計方法和優化提供了想法和思路，但沒有對無規則開環軌跡、固定點打卡的小車設計進行詳細討論。本文側重于機械結構與軟件仿真的綜合運用，選用凸輪及推桿機構組成的轉向機構，通過軟件仿真設計實現了太陽能驅動、固定點覆蓋、讀卡亮燈等功能，為無碳小車設計提供了一種新的研究方法和思路^[6]。

1"太陽能小車總體設計方案

1.1"設計方案

小車整體設計方案主要分為三個部分，分別是結構設計、MATLAB優化模擬和電路主控板設計，最終實現小車運行軌跡的特定點覆蓋以及避障等功能。本文設計的小車傳動比保持不變，即僅使用一套傳動機構，只需更換不同直徑大小的車輪和凸輪便可使同一輛小車行走兩種甚至更多種不同的軌跡^[7]。小車總裝三維模型如圖1所示^[8]。

1.2"主要設計參數

該小車主要由太陽能電池板、充電電路板、儲能元件、儲能元件輸出的穩壓電路、電機及相關元器件和本體組成。結構圖如圖2所示。

要求該太陽能小車最大外形尺寸滿足鉛垂方向投影不大于邊長為300"mm的正方形，且所用的太陽能電池板總面積不大于0.1"m²，因此小車的主要參數如表1所示。

表

2"太陽能小車關鍵機構設計

2.1"傳動機構設計

為使小車行走平穩，同時兼顧小車整體外形美觀，采用三級帶傳動來達到減速目的。

后輪軸上放置主動輪與齒輪1和齒輪2，齒輪1在電機小齒輪的帶動下轉動使后輪軸帶動齒輪2轉動，齒輪2與齒輪3嚙合完成第一次減速。傳動軸上的齒輪3與齒輪4傳動轉速相同，其后，齒輪4與齒輪5嚙合完成再一次減速。最后，齒輪6與凸輪軸上的齒輪7嚙合完成最后一次減速，如圖3所示。齒輪7與凸輪共同在凸輪軸上，具有相同轉速，最后傳動至凸輪處^[9]，如圖4所示。

式中：i為主動輪與凸輪之間的預設傳動比；～為齒輪2～7的齒數；d為主從動輪直徑；S為設定的軌跡長度。

已知：＝16，＝40，＝18，＝105，＝34，＝105，S＝19 101 mm。

計算得：i＝45.04，d＝135 mm。

2.2"微調轉向機構設計

微調轉向傳動部分為搖桿與前輪之間的傳動。搖桿與前輪相對固定，當搖桿貼緊凸輪擺動時，前輪的偏轉角度隨之改變。凸輪是控制小車前進方向的核心部件，選用3"mm亞克力板激光雕刻成型^[10]，轉向機構如圖5所示。

在搖桿所處前插裝置上加裝有千分頭微調裝置^[11]。其主要原理為：將千分尺安裝在前叉圓孔處，控制微調滑塊的移動，影響擺桿與凸輪軸的間距大小，從而實現對前輪轉角幅度大小的調節。當調節旋鈕使距離增大時，前輪轉角幅度減?。环粗?，幅度增大^[12]。

2.3"凸輪設計

根據研究，采用MATLAB參數化設計凸輪的方法主要分為兩種：軌跡引導法和函數擬合法^[13]。本設計主要采用軌跡引導法，即根據小車行走軌跡得出凸輪推程，設計凸輪旋轉一周驅動小車運行完軌跡總路程，進而得出凸輪輪廓。

首先將標志點坐標導入UG軟件，然后從起始點出發規劃出小車覆蓋全部標志點的運行軌跡，如圖6所示。為保證整個軌跡的圓滑性，將軌跡分成N份，且N足夠大，每一段軌跡的距離足夠小，因此可將每段軌跡看作一段直線，通過迭代的方法便可推出小車下一步的軌跡。

小車的結構參數設定如圖7所示，圓弧分別為主動輪、從動輪及后軸上點O的前進軌跡。

在迭代小車優化軌跡過程中，將小車簡化為一個方向向量，向量起始于后輪軸中心，指向小車前進方向^[14]。則有：

對以上迭代步驟重復循環N次，在對N個節點的軌跡循環優化過程中引入節點修正參數w_0（m，n）*cos（w_0（m，n）），細化相鄰節點間距離，避免模擬出的凸輪輪廓中含有尖點。其中，w_0表示小車的矢量角，w_0（m，n）表示第m次優化第n點。

根據軌跡點的數量將整個凸輪同樣均分為N個節點，設凸輪每轉過360°/N，每兩節點間主動輪前進的距離為S/N，主動輪與前輪的偏距為13.7 mm。

前輪轉角θ確定后，如圖9所示，通過凸輪偏距J、基圓半徑R₀以及與凸輪接觸的推桿半徑B，即可推算出凸輪的推程，進而得到理論凸輪的形狀。

如圖10所示，假設f（x）的AB段為目標軌跡，通過UG導出數據可知任意一點處的曲率半徑R，再利用R、前后輪軸距X₀在直角三角形OCD中的關系可求得凸輪極徑，計算AC段軌跡長度在AB整條軌跡中的占比再乘2π即為凸輪極角。

凸輪主要參數如表2所示。由此可算得凸輪理論輪廓。

不過，理論凸輪無法直接應用到無碳小車上，因為除了凸輪推程最小的點，接觸軸與凸輪的理論接觸點和實際接觸點均不在同一位置。這主要是由于在凸輪理論計算中忽略了小車推桿實際半徑的影響，因此還需通過橢圓方程對理論凸輪進行包絡，以消除推桿半徑的誤差影響，求得其內包絡線即為所需的實際凸輪，如圖11所示。

最后根據前文相關理論公式在MATLAB中完成凸輪的程序設計、優化以及路徑模擬優化^[15]。

2.4"電機選用

本產品在常溫下正常工作，需要輸出穩定的轉速，對啟動機沒有特殊要求。

根據鋰電池總額定電壓≤7.4 V的要求，最終選用N20減速馬達機。其輸出功率為2.4"W，額定轉速150"r/min，其他主要參數如表3所示。

3"運動仿真

運用SolidWorks軟件中Motion運動仿真，為小車添加馬達、轉速、摩擦系數等參數，設置三個車輪與地面接觸，以前輪為參考點，進行軌跡仿真，記錄相應的仿真數據，得到運動軌跡如圖12所示^[16]。

4"結語

本文設計了一種以太陽能為動力、集電路和機械機構為一體的無碳小車。從創意構思、設計理念出發，討論了小車的各個組成部分，包括動力系統、關鍵機械結構和相關電路的設計等，并基于相關數學公式利用MATLAB軟件完成了凸輪零件的仿真模擬，在SolidWorks軟件中對小車各關鍵機構進行三維建模，最后利用Motion插件對小車的運行軌跡進行運行仿真。該設計為今后如何將太陽能技術應用于實際小車設計中提供了一種方法和思路。

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