S型無(wú)碳小車(chē)的建模設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真及試驗(yàn)研究

史家昊

（中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

如今人類(lèi)的活動(dòng)愈加頻繁，其中有許多行為活動(dòng)會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，因此各國(guó)為了緩解生態(tài)、資源壓力，都致力于探尋清潔能源。文章涉及的無(wú)碳車(chē)屬于環(huán)保特點(diǎn)明顯的一類(lèi)短程代步交通工具，其環(huán)保、節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)明顯。大面積推廣與應(yīng)用無(wú)碳車(chē)，有利于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保工作的進(jìn)一步落實(shí)。我國(guó)舉辦的大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力比賽也積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，為了提升學(xué)生綠色環(huán)保意識(shí)，將無(wú)碳小車(chē)列入到比賽項(xiàng)目當(dāng)中。

1 無(wú)碳小車(chē)的推廣意義

對(duì)于無(wú)碳小車(chē)而言，其惟一的能量即焦耳重力勢(shì)能，其屬于一類(lèi)三輪小車(chē)，具備連續(xù)繞過(guò)障礙的功能，能夠幫助人們落實(shí)無(wú)碳出行。無(wú)碳小車(chē)中運(yùn)用柔性繩索取代以往擺桿機(jī)構(gòu)的剛性桿，能幫助人們更加省力地對(duì)轉(zhuǎn)彎操作加以控制，從而在使小車(chē)重量有效降低的基礎(chǔ)上，順利實(shí)現(xiàn)、管控對(duì)障礙物的躲避周期。此類(lèi)小車(chē)的輪子主要是有機(jī)玻璃，也能夠使地面和車(chē)輪簡(jiǎn)摩擦系數(shù)合理降低。無(wú)碳小車(chē)擁有簡(jiǎn)單的總體構(gòu)造，較小的摩擦耗損，較高的工作效率，且便于安裝。

便捷性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性屬于無(wú)碳小車(chē)最重要的優(yōu)勢(shì)，其對(duì)于能源節(jié)約和能量利用率的有效提升意義深遠(yuǎn)。因此，無(wú)碳小車(chē)擁有良好的推廣和應(yīng)用前景：一方面，其可以使學(xué)生進(jìn)一步了解機(jī)械理論知識(shí)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐；另一方面，小車(chē)商品化特征的實(shí)現(xiàn)能夠充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握機(jī)械構(gòu)造的興趣；此外，有關(guān)部門(mén)還可將無(wú)碳小車(chē)陳列到科技館當(dāng)中，以便讓更多人對(duì)機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行深入把握。

當(dāng)前，我國(guó)的教育部為廣大大學(xué)生組織了工程訓(xùn)練綜合能力比賽，而無(wú)碳小車(chē)已經(jīng)屬于其中一項(xiàng)重要的命題。學(xué)生在設(shè)計(jì)、加工、制作、裝配以及調(diào)試和比賽階段，能夠不斷提升自身分析和解決問(wèn)題的水平，積極結(jié)合理論和實(shí)踐，同時(shí)，充分強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新邏輯。

2 S型無(wú)碳小車(chē)的建模設(shè)計(jì)

我所設(shè)計(jì)的S型無(wú)碳小車(chē)能夠避開(kāi)200-300mm間距的障礙。在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，我借助軟件NX10.0落實(shí)S型無(wú)碳小車(chē)的建模設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，隨后按照相應(yīng)建模進(jìn)行零件的加工與裝配等工作，最終調(diào)試樣機(jī)，對(duì)軌跡相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并且比對(duì)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)小車(chē)誤差規(guī)律以及行走軌跡的特征等展開(kāi)研究。

2.1 總體設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)時(shí)需要把重1kg的鉛錘砝碼從（400±2）mm高度下落時(shí)形成的重力勢(shì)能，全部轉(zhuǎn)化成確保無(wú)碳小車(chē)能夠前進(jìn)的相應(yīng)機(jī)械能，另外，也需要借助小車(chē)自身轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)確保其能夠自行避開(kāi)行進(jìn)中間距為200-300mm的障礙物。此類(lèi)小車(chē)的主要組成機(jī)構(gòu)包含了驅(qū)動(dòng)、車(chē)輪、傳動(dòng)以及轉(zhuǎn)向等。設(shè)計(jì)的邏輯要點(diǎn)在于：

在無(wú)碳小車(chē)行進(jìn)階段，其能量全部來(lái)自于重錘落下時(shí)產(chǎn)生的重力勢(shì)能，因此，設(shè)計(jì)需要對(duì)這部分能量加以運(yùn)用，避免出現(xiàn)不必要的能量耗損。

由于小車(chē)需要沿著S型的線(xiàn)路行進(jìn)，因此應(yīng)當(dāng)確保轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以根據(jù)相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行周期性的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)提升其可靠性以及穩(wěn)定性。

在重錘落下的時(shí)候會(huì)使繩輪發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后經(jīng)由齒輪傳動(dòng)以相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)比向車(chē)輪軸傳遞轉(zhuǎn)速，繼而使無(wú)碳小車(chē)開(kāi)始行進(jìn)。

此外，需要明確的是，若地面和小車(chē)車(chē)輪間擁有越小摩擦力，便可以使小車(chē)行進(jìn)更遠(yuǎn)的距離。

各機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)如下：

2.2 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)主要功能在于把上文體積的重力勢(shì)能順利轉(zhuǎn)化為小車(chē)的前進(jìn)動(dòng)能，較為常用的機(jī)構(gòu)包含了線(xiàn)繩牽引、撞擊擺桿以及單擺等機(jī)構(gòu)。要確保小車(chē)擁有簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如此才能使損失的能量被控制在最低；另外要使驅(qū)動(dòng)力有持續(xù)性且適中，且能夠適用于各類(lèi)場(chǎng)地摩擦力，并且能夠調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，在轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)能量的時(shí)候，要保證能量之間實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換，防止能量流失。所以，在設(shè)計(jì)無(wú)碳小車(chē)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)優(yōu)選線(xiàn)繩式牽引機(jī)構(gòu)。

2.3 設(shè)計(jì)車(chē)輪機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要功能在于確保無(wú)碳小車(chē)能夠持續(xù)行進(jìn)。按照比賽的實(shí)際要求，所設(shè)計(jì)小車(chē)整體應(yīng)該是三輪結(jié)構(gòu)，其中前輪屬于小車(chē)的轉(zhuǎn)向輪，而兩個(gè)后輪屬于小車(chē)的行進(jìn)輪。因?yàn)闊o(wú)碳小車(chē)在行進(jìn)時(shí)應(yīng)積極克服地面和車(chē)輪間摩擦力，因此要將凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)置在兩個(gè)后輪中間，確保摩擦力以及能量耗損得以減少。在此機(jī)構(gòu)中，較為常用的后輪設(shè)計(jì)包含了雙輪差速行進(jìn)、單輪行進(jìn)以及雙輪同步行進(jìn)等，然而因?yàn)樵谛≤?chē)行進(jìn)時(shí)時(shí)常會(huì)需要執(zhí)行變向以及急轉(zhuǎn)等操作，因此設(shè)計(jì)兩個(gè)后輪時(shí)可采用雙輪差速行進(jìn)的方式。我在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了70mm的后輪直徑，并且將參賽小車(chē)右后輪當(dāng)做主動(dòng)輪，而將左后輪當(dāng)做從動(dòng)輪。

2.4 設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)主要功能在于向前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳遞車(chē)輪軸動(dòng)力，確保其能夠?qū)崿F(xiàn)周期轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)前常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包含了鏈、齒輪以及帶等傳動(dòng)方式，而無(wú)碳小車(chē)所應(yīng)用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)可以簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和高效地進(jìn)行傳動(dòng)，同時(shí)要保證無(wú)碳小車(chē)便于裝拆，有緊湊的機(jī)構(gòu)以及較高的安裝精度。我在設(shè)計(jì)時(shí)選用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪傳動(dòng)。

2.5 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)主要功能在于對(duì)前車(chē)輪的周期轉(zhuǎn)動(dòng)加以控制，屬于無(wú)碳小車(chē)最為關(guān)鍵的一個(gè)機(jī)構(gòu)，小車(chē)是否可以根據(jù)預(yù)定目標(biāo)行進(jìn)主要取決于此機(jī)構(gòu)的精度。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)即把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成往復(fù)性的擺動(dòng)，而常用于實(shí)現(xiàn)此性質(zhì)的機(jī)構(gòu)包含了曲柄滑塊、凸輪以及曲柄搖桿等機(jī)構(gòu)。我在設(shè)計(jì)階段選用了曲柄搖桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

當(dāng)所有機(jī)構(gòu)都設(shè)計(jì)完成，且展開(kāi)干涉檢查之后，裝配各個(gè)機(jī)構(gòu)。

3 運(yùn)動(dòng)仿真及試驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果

通過(guò)觀(guān)察仿真及試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)碳小車(chē)行進(jìn)時(shí)其右后輪軌跡線(xiàn)可知，此軌跡與正弦曲線(xiàn)相近，試驗(yàn)中無(wú)碳小車(chē)能夠自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，這表明我的設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了初步要求。

3.2 搖桿擺距的改變引發(fā)的軌跡變化

觀(guān)察仿真及試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)碳小車(chē)行進(jìn)時(shí)，在軌跡伴隨搖桿擺距有15mm，20mm以及25mm變化的時(shí)候，無(wú)碳小車(chē)的越障樁距分別是186mm，243mm以及309mm。由此可知，當(dāng)增加搖桿擺距時(shí)，無(wú)碳小車(chē)的越障樁距也會(huì)加大。因?yàn)檫b桿可以調(diào)節(jié)的范圍在15-25mm范圍內(nèi)，所以我設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車(chē)越障樁距與要求的200-300mm樁距范圍相符合。

3.3 軌跡受最初擺放角度的影響

盡管我設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車(chē)已經(jīng)擁有與正弦曲線(xiàn)相近的軌跡，然而很多時(shí)候在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中，其軌跡中心線(xiàn)沒(méi)有與障礙物相對(duì)應(yīng)地連成直線(xiàn)。在運(yùn)動(dòng)仿真及試驗(yàn)階段可知，無(wú)碳小車(chē)行進(jìn)軌跡中心線(xiàn)將會(huì)受到初始小車(chē)擺放角度的直接影響。通過(guò)觀(guān)察試驗(yàn)結(jié)果得知，試驗(yàn)、模擬軌跡改變的主要趨勢(shì)是相同的，然而試驗(yàn)中并沒(méi)有較大變化幅度。此現(xiàn)象的主要影響因素包含了小車(chē)實(shí)際加工與裝配、行進(jìn)階段應(yīng)克服的摩擦力，以及比賽階段可變的樁距等。所以調(diào)試小車(chē)時(shí)，我還應(yīng)該進(jìn)行更多的嘗試，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，以便得到與比賽要求更為相符的初始無(wú)碳小車(chē)擺放的角度。

4 結(jié)束語(yǔ)

總體而言，通過(guò)仿真及試驗(yàn)?zāi)軌虻弥?/p>

（1）我所設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車(chē)能夠達(dá)成預(yù)期的比賽要求，此小車(chē)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向，也可以使避開(kāi)200-300mm障礙樁距的與其要求得到滿(mǎn)足。

（2）我應(yīng)用的軟件NX10.0，能夠使小車(chē)整體運(yùn)動(dòng)仿真得以實(shí)現(xiàn)，其試驗(yàn)和模擬的結(jié)果都較為一致，這說(shuō)明我的設(shè)計(jì)方法是可行的，同時(shí)也能借助軟件所模擬的規(guī)律以及結(jié)果，對(duì)小車(chē)的調(diào)試工作進(jìn)行指導(dǎo)。

（3）經(jīng)由對(duì)初始小車(chē)的擺放角度以及搖桿擺距進(jìn)行調(diào)整，能夠使小車(chē)的行進(jìn)軌跡到有效調(diào)整。

（4）在反復(fù)試驗(yàn)中得知，我設(shè)計(jì)的小車(chē)在行進(jìn)時(shí)，其軌跡線(xiàn)一直都會(huì)被行進(jìn)時(shí)各種場(chǎng)地的摩擦力、可變樁距以及裝配與加工零件的精度等影響，所以為了最大限度減少影響，我還應(yīng)展開(kāi)更多試驗(yàn)，并從中對(duì)無(wú)碳小車(chē)行進(jìn)軌跡相應(yīng)影響因素加以總結(jié)。