基于“8”字軌跡熱能驅(qū)動車的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

張朝剛 鄒行宇 徐冰燦 饒闖 陳利

摘要：根據(jù)第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽熱能驅(qū)動車賽項競賽要求，設(shè)計了一款基于“8”字軌跡的熱能驅(qū)動車。熱能驅(qū)動車整體運用模塊化設(shè)計理念，共分為動力源、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車身和行走機構(gòu)五個模塊。借助SolidWorks和凸輪設(shè)計軟件對凸輪形狀進行設(shè)計和優(yōu)化，設(shè)計出沿既定軌跡平穩(wěn)繞樁行駛的熱能驅(qū)動車，最終實現(xiàn)液態(tài)乙醇燃燒驅(qū)動小車沿“8”字軌跡行駛。

關(guān)鍵詞：熱能驅(qū)動車；模塊化設(shè)計；凸輪設(shè)計

中圖分類號：TP23? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0053-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.014

基金項目：2021年度湖北省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目“基于‘8軌的熱能驅(qū)動汽車結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計”（S202111072063）；武漢市教研項目“新工程背景下工程實訓智能制造實訓教學體系的構(gòu)建與研究”（2021041）

1? ? 熱能驅(qū)動車總體設(shè)計

1.1? ? 設(shè)計目的

熱能驅(qū)動車賽項所設(shè)定的賽道場景如圖1所示。驅(qū)動車場地為一塊5 200 mm×2 200 mm長方形平面區(qū)域。圖中粗實線為邊界擋板和中間隔板，兩塊長1 000 mm的中間隔板位于兩條直線段賽道之間。賽道上的點畫線為賽道中心線，賽道設(shè)置了兩個1 100 mm×1 100 mm出發(fā)區(qū)，驅(qū)動車發(fā)車時可以放置在任意一個出發(fā)區(qū)內(nèi)的任何位置，按逆時針方向發(fā)車運行，圖1中黑線為小車運行軌跡。在賽道中心線上放置有障礙樁，障礙樁為直徑20 mm、高200 mm的圓棒，賽道中心線直線段上障礙樁的間距由現(xiàn)場抽簽決定。根據(jù)大賽要求，擬設(shè)計出一款可平穩(wěn)運行的基于“8”字軌跡的熱能驅(qū)動車。通過斯特林發(fā)動機提供動力對小車進行驅(qū)動，實現(xiàn)小車的曲線繞樁行駛[1]。

1.2? ? 設(shè)計思路

根據(jù)驅(qū)動車成功繞樁的評定規(guī)則，在SolidWorks中利用樣條曲線對熱能驅(qū)動車的運行路線進行繪制。通過軌跡得到主要傳動零件凸輪周期內(nèi)的升程和降程數(shù)據(jù)，利用SolidWorks和Matlab對凸輪形狀進行設(shè)計和優(yōu)化，同時綜合考慮驅(qū)動車的整體尺寸和運行軌跡的瞬時曲率半徑，對熱能驅(qū)動車的其他機構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化處理。繪制熱能驅(qū)動車的三維模型，并在SolidWorks中進行運動仿真驗證設(shè)計的合理性。最終制作出熱能驅(qū)動車的實物并進行調(diào)試，使其能夠在規(guī)定的軌跡上平穩(wěn)運行。其總體設(shè)計流程圖如圖2所示。

該熱能驅(qū)動車由動力源、傳動區(qū)、轉(zhuǎn)向區(qū)、車身和行走機構(gòu)五個模塊組成。如圖3所示，通過液態(tài)乙醇燃燒產(chǎn)生的熱能驅(qū)動斯特林發(fā)動機產(chǎn)生動能，動能通過傳動區(qū)帶動主動輪和凸輪轉(zhuǎn)動，主動輪轉(zhuǎn)動帶動從動輪轉(zhuǎn)動，從而達到小車平穩(wěn)行駛的目的。通過凸輪與推桿的配合運動實現(xiàn)驅(qū)動車的換向，完成“8”字軌跡的行走。其動力傳遞流程如圖4所示。

2? ? 熱能驅(qū)動車機構(gòu)設(shè)計

2.1? ? 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

驅(qū)動車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)整體組成如圖5所示。

2.1.1? ? 微調(diào)機構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動車在導向推桿的基礎(chǔ)上增加了微調(diào)裝置——螺旋測微器。通過螺紋調(diào)距來控制導向推桿與凸輪回轉(zhuǎn)中心之間的距離，減小由裝配誤差引起的凸輪與前輪之間基準半徑的變化，從而防止小車偏離既定軌跡[2]。

2.1.2? ? 凸輪設(shè)計

按照競賽命題，在SolidWorks中根據(jù)樁數(shù)和樁距用樣條曲線擬合出小車行徑軌跡，如圖6所示。

對軌跡圖的升程和降程進行劃分，取基圓半徑為40 mm，測量升程和降程中特殊點的各參數(shù)值，測量及計算結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過多次反復試驗并結(jié)合Matlab仿真得出參數(shù)，將各參數(shù)值對應(yīng)輸入凸輪設(shè)計軟件，如圖7所示，利用凸輪設(shè)計軟件得到三維凸輪，如圖8所示。

2.2? ? 傳動機構(gòu)

為使凸輪與小車軌跡同步且傳動機構(gòu)具有良好的傳動性能，對于熱能驅(qū)動車傳動機構(gòu)的設(shè)計提出3種方案，如表2所示。

經(jīng)過方案對比，最終選擇齒輪組配合帶輪組傳動作為熱能驅(qū)動車的主要傳動形式。斯特林發(fā)動機輸出的動力通過帶輪組傳遞給主動輪軸，主動輪軸將獲得的動力通過齒輪組傳遞給凸輪。同時，為了整車設(shè)計時結(jié)構(gòu)更加緊湊，將帶輪系傳動和齒輪系傳動分別置于斯特林發(fā)動機兩側(cè)[3]。

2.2.1? ? 齒輪傳動機構(gòu)

由于熱能驅(qū)動車運行的路徑較長，而凸輪的運行路徑較短，為使凸輪與小車軌跡同步，需要做減速處理，這樣可以使凸輪的運行軌跡和小車的運行軌跡相互對應(yīng)。預設(shè)后輪直徑D主動輪=174 mm，得到主動輪周長S2=πD主動輪，根據(jù)軌跡圖測量得到驅(qū)動車“8”字軌跡周長S1=11 539.5 mm，則由式（1）得到i=21.12，按最小誤差進行圓整取i=21，再次由式（1）求得主動輪實際周長S2=549.5 mm，D主動輪=S2/π=175 mm。

S1=i×S2（1）

因為傳動比較大，采用一對齒輪嚙合將會導致車身尺寸大，不利于小車避障，故采用二級齒輪傳動，由傳動比計算得齒輪的齒數(shù)為35/105，26/182（主/從）。同時，為避免制造誤差產(chǎn)生的齒輪多邊形效應(yīng)，且在傳動中小模數(shù)的齒輪運行平穩(wěn)，瞬時傳動比也比大模數(shù)的齒輪要準，所以在條件允許的前提下，選擇齒輪模數(shù)為0.5[4]。

如圖9所示，將兩對齒輪分別布置于軸承座的兩端，提高了空間的利用率，使小車結(jié)構(gòu)更加緊湊，兩對相互嚙合的齒輪將凸輪的轉(zhuǎn)動和后輪的運動相互連接。

2.2.2? ? 帶輪減速機構(gòu)

斯特林發(fā)動機輸出輪轉(zhuǎn)速高達300 r/min，發(fā)動機的功率一定，速度過大會使驅(qū)動車在啟動時因轉(zhuǎn)矩過小而不能啟動，為使驅(qū)動車啟動更加容易，行駛更加平穩(wěn)，在斯特林發(fā)動機和右后輪軸之間加入帶輪減速機構(gòu)做降速處理，以達到減速增矩的目的[5]。

式中：D輸出為發(fā)動機輸出帶輪直徑20 mm；D1為塔輪1的大徑50 mm；D1′為塔輪1的小徑20 mm；D2為塔輪2的大徑50 mm；D2′為塔輪2的小徑20 mm；D3為塔輪3的直徑50 mm。

由式（2）計算得i減速=62.5。如圖10所示，塔輪1連接發(fā)動機的輸出帶輪，帶輪連接驅(qū)動車輸出軸，塔輪2在兩者之間起連接作用，通過此帶輪組達到減速輸出的目的。

2.3? ? 車身和行走機構(gòu)

如圖11所示，根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)和傳動機構(gòu)的設(shè)計和位置分布，設(shè)計車身底板的形狀并預留軸承座安裝孔位。

如圖12所示，考慮到小車在轉(zhuǎn)向時，外側(cè)后輪比內(nèi)側(cè)后輪行進的路程長，為了平衡兩輪速度的差異，采用不同軸的大小輪實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。小輪作為從動輪，大輪作為主動輪固定在輸出軸上。

3? ? 熱能驅(qū)動車整體

通過上述對驅(qū)動車各個模塊的設(shè)計，在SolidWorks中對熱能驅(qū)動車的零部件進行繪制和裝配，裝配圖如圖13所示。

4? ? 結(jié)語

本文對基于“8”字軌跡熱能驅(qū)動車的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計進行介紹，將熱能驅(qū)動車總體的設(shè)計分為動力源、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車身和行走機構(gòu)五個模塊，利用SolidWorks和Matlab軟件對凸輪進行設(shè)計和優(yōu)化處理，采用帶輪組對驅(qū)動車進行減速增距，采用小模數(shù)齒輪和二級齒輪傳動對驅(qū)動車進行二次減速，最終得到按照“8”字軌跡平穩(wěn)繞樁行駛的熱能驅(qū)動車。本設(shè)計的合理性和有效性在實際運行中也得到了驗證，在省賽中取得了較好的成績。

熱能驅(qū)動車以可再生能源為燃料，將熱能轉(zhuǎn)化為動能，實現(xiàn)了能源的有效利用；且熱能驅(qū)動車的車身都由可回收材料制成，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，可為新能源車的設(shè)計和研發(fā)提供思路和參考。

[參考文獻]

[1] 劉志峰，黃海鴻，李磊，等.綠色制造：碳達峰、碳中和目標下制造業(yè)的必然選擇[J].金屬加工（冷加工），2022（1）：15-19.

[2] 濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 郭衛(wèi)東.機械原理[M].2版.北京：科學出版社，2013.

[4] 機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5] 王伯平.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2023-02-23

作者簡介：張朝剛（1982—），男，山東棗莊人，碩士，高級實驗師，研究方向：機械工程。