8字型無碳小車的軌跡參數設計

魏領會 李靜威 周宇 李向貴

摘 要 本文對無碳小車的研究，設計一種小車，完成繞“8字”軌跡的讓障運動，小車運動所需能量全部由設定重物的重力勢能轉換獲得。根據任務，首先完成小車的方案設計，包括對車架、動力機構、傳動機構、轉向及微調機構、差速驅動系統五大模塊的設計及選材，并完成小車的三維模型設計，進行小車運動軌跡的參數化設計，確定出較優運動擺角度；最后完成小車的加工和制作。

【關鍵詞】8字型 無碳小車 軌跡參數

隨著傳統能源的消耗越來越大，我國迫切需要將新能源的開發和使用、工業發展無碳驅動的全新課題引入到當前的社會進步中。人們無碳的理念需要不斷的建立和培養，論文無碳小車的研究基于全國工程訓練競賽項目，設計一種小車，要求小車行走過程中完成所有動作所需能量，均由設定重塊的重力勢能轉換獲得，考核學生基本設計理論、工程實踐動手能力的同時，培養節能、環保意識，激發學生探索可持續發展綠色能源、有利的能量轉化途徑，以及有效提高能量利用率。

1 無碳小車要求及方案設計

1.1 無碳小車設計要求

設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能4焦耳（取g=10m/s2），用質量為1Kg的重塊（Ф50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，不可使用任何其他的能量來源。

1.2 無碳小車設計方案

小車分為車架、動力機構、傳動機構、轉向及微調機構、差速驅動系統五大模塊，其中，車架采用一體式SLA光敏樹脂快速成型、碳纖維板輔助加固的方式，動力機構采用二級齒輪傳動，轉向及微調機構使用雙頭反牙螺紋進行微調轉向角，全軸承差速器有效降低了摩擦阻力保證了運行的平穩。

車架是小車其它零件安裝的基礎，是最核心的支承件，采用SLA光敏樹脂制作一體骨架式車架，兩塊1mm厚的碳纖維板材經雕刻機加工成形；小車的動力機構，重物的重心豎直方向，采用三根直徑8mm的碳纖維管圍成三角形結構，保證重物垂直下落，保證運動中不發生側翻和滑移。

傳動機構輸出的動力準確平穩的傳遞到轉向機構和兩個驅動輪上，用鋁合金線切割齒輪。

轉向機構采用曲柄連桿，通過輸出軸上的曲柄帶動雙球副連桿，連桿連接轉向輪架上了水平擺桿實現擺桿的往復運動。

小車的運動軌跡為8字形，轉彎半徑小，角度大，選用齒輪差速器來解決驅動輪差速問題。進行設計方案的建模，設計方案的三維模型如圖1所示。

2 無碳小車運動軌跡參數設計

無碳小車參數設計的主要任務是將設計的方案通過建立數學模型，將小車的運行軌跡，轉向角度參數化，在solidworks上進行三維建模，做motion分析，進一步修正各零件參數。

2.1 動態分析

根據確定好的各零件參數建立三維模型之后，為了進一步驗證參數計算的正確性，這里對三維模型通過solidworks自帶插件motion分析進行動態仿真。

分析步驟如下：

（1）簡化模型，小車的完整三維模型多達70多個零件，上千個特征數，對此進行模型簡化，簡化后效果如圖2。

（2）繪制運動平面，在Solidworks中導入一個運動平面大小的零件以方便進行后續的仿真。

（3）給零部件添加材料，按照實際材料一一添加小車零件以及運動平面。

（4）添加引力，引力是車輪和地面產生摩擦的必要條件。

（5）添加接觸，給輪子和運動平臺添加接觸組，在引力的作用下車輪和運動平臺接觸。

（6）添加馬達，考慮到小車用的是齒輪差速器，這里將動力輸出直接添加到前輪，轉向則通過伺服馬達生成余弦曲線代替曲柄連桿的擺動。

（7）計算結果，經過多次軌跡仿真，最后對計算結果做了略微的修正，最終確定了最大擺角θ=28°時運動曲線重復率最高。圖3為最終仿真結果。

3 小車的制作

小車的加工制作直接決定了小車最終的運行效果和對理論計算結果的有效驗證。小車結構以光敏樹脂和碳纖維復合材料為主，齒輪差速器的引入保證了小車在轉彎時運行的穩定性，又能保證雙輪驅動。小車加工制作和裝配實物如圖4所示。

參考文獻

[1]胡越銘，高德文，張瑞，張欣，高軒.基于凸輪組合機構的“8”字形無碳小車創新性設計[J].北方工業大學學報，2014（01）：38-43.

[2]方興.智能車動力學模型參數辨識方法研究[D].上海：上海交通大學，2009.

作者單位

北方工業大學 北京市 100144