環(huán)“S”形勢能無碳小車設計與仿真*

朱桂成，張小奇

(長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032)

0 引言

我國能源儲備量雖多，但人均占有量較少，降低能源消耗變得尤為重要。設計一款綠色、環(huán)保、節(jié)能的無碳小車，能夠按照預定軌跡運動，自動繞開障礙樁，其能量完全由重力勢能提供，可以實現(xiàn)真正意義上的無碳。

1 無碳小車總體方案設計

根據(jù)第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，自主設計一輛無碳小車，該車運動能量由勢能提供，實現(xiàn)自主行走、轉(zhuǎn)向繞樁的功能。所用重物質(zhì)量為1 kg±10 g，下落高度為300 mm±2 mm。無碳小車由車架、動能轉(zhuǎn)換機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行駛機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)組成。無碳小車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中車架由底座和軸承座組成；動能轉(zhuǎn)換機構(gòu)由小繞線輪和大繞線輪組成；傳動機構(gòu)由齒輪Z1、齒輪Z2、齒輪Z3和齒輪Z4組成；轉(zhuǎn)向機構(gòu)由導向推桿、轉(zhuǎn)向輪固定架和轉(zhuǎn)向輪組成；行駛機構(gòu)由從動輪、轉(zhuǎn)向輪和主動輪組成；微調(diào)機構(gòu)由微調(diào)機構(gòu)分體舵和微調(diào)機構(gòu)螺栓組成。無碳小車車架等零件選用鋁合金材料制成，鋁合金具有比重小、比強度高的優(yōu)點，擁有良好力學性能和工藝性能[1]。

工作時，動能轉(zhuǎn)換機構(gòu)提供動能，傳動機構(gòu)將動能傳遞給轉(zhuǎn)向機構(gòu)和行駛機構(gòu)，驅(qū)動無碳小車運動，通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)整無碳小車運動軌跡。

2 無碳小車的參數(shù)

2.1 凸輪參數(shù)

將凸輪角度平均分為N份，當凸輪轉(zhuǎn)動(360/N)°，主動輪運動距離為LT。設定前輪轉(zhuǎn)角θ，已知參數(shù)前后軸距離A(117 mm)、主動輪偏距E(77.5 mm)、節(jié)點距離LT(0.06)，由MATLAB軟件計算出凸輪基圓半徑R0(57 mm)。

2.2 無碳小車傳動比

無碳小車總傳動比較大，采用二級傳動方案[2-3]。齒輪模數(shù)為1，Z1=100，Z2=Z3=20，Z4=110，總傳動比為i。

(1)

(2)

i=i1*i2=27.5

(3)

兩個后輪的半徑R1(R1=65.00 mm)。凸輪軸半徑R2(R2=3 mm)，計算出無碳小車理論可運行3.18圈。

(4)

3 無碳小車的結(jié)構(gòu)

3.1 動能轉(zhuǎn)換機構(gòu)

動能轉(zhuǎn)換機構(gòu)作用是將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。重物通過繩子與大繞線輪相連接，凸輪驅(qū)動軸與小繞線輪相連接，重物下落拉動凸輪驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。采用二級傳動啟動力矩更大，并且結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效減少能量損失。

3.2 傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)作用是將動能、扭矩傳遞給主動輪。無碳小車能夠穩(wěn)定并精確地按照預定軌跡運動，要求傳動機構(gòu)具有傳動穩(wěn)定、傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單的特點，以減少能量在傳動過程中的損失。常見的傳遞方案包括帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動，方案一：帶傳動結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)，但傳動比不準確，需要張緊裝置，結(jié)構(gòu)復雜；方案二：鏈傳動瞬時傳動比不固定，鏈條的速度有波動；方案三：齒輪傳動瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高，并且傳動效率高，但制造精度要求較高。綜合考慮無碳小車在運動過程中需按照預定軌跡精確運動，要求恒定的傳動比，故采用齒輪傳動方案。

3.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

按照比賽要求無碳小車運動軌跡為環(huán)“S”形曲線，在運動過程中需要轉(zhuǎn)向機構(gòu)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。為實現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向，設計轉(zhuǎn)向機構(gòu)應具有機械結(jié)構(gòu)簡單的特點，減小零件加工誤差對無碳小車運動軌跡的影響。選用搖桿凸輪機構(gòu)設計方案，凸輪與推桿相切，改變前輪轉(zhuǎn)角實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

3.4 行駛機構(gòu)

行駛機構(gòu)在運動過程中起到支撐無碳小車全部重量，傳遞牽引力、驅(qū)動力矩的作用。行駛機構(gòu)由轉(zhuǎn)向輪、主動輪和從動輪組成，左后輪為主動輪，右后輪為從動輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪，其中主動輪半徑R1(R1=65 mm)與從動輪半徑相等，轉(zhuǎn)向輪半徑R3(R3=10 mm)。由于主動輪和從動輪在運動過程中行走的距離不相等，兩車輪之間存在轉(zhuǎn)速差。為解決上述問題共有以下兩個方案，方案一：在無碳小車上安裝差速器，主動輪、從動輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，解決主動輪、從動輪轉(zhuǎn)彎存在轉(zhuǎn)速差的問題，但整體結(jié)構(gòu)復雜；方案二：左后主動輪與后輪軸采用過盈配合隨軸轉(zhuǎn)動，右后從動輪上安裝一個軸承與軸連接，自由轉(zhuǎn)動，解決轉(zhuǎn)彎時主動輪、從動輪轉(zhuǎn)速差的問題。無碳小車結(jié)構(gòu)設計應簡便，所以選擇方案二。

3.5 微調(diào)機構(gòu)

為提升無碳小車運動的精度，設計一個微調(diào)機構(gòu)，該機構(gòu)由分體舵和微調(diào)螺栓組成。通過調(diào)整導向推桿與凸輪之間的距離，改變前輪轉(zhuǎn)角，進而調(diào)整無碳小車運動軌跡。微調(diào)機構(gòu)可以提高無碳小車實際運動軌跡與理論軌跡重合率，降低碰撞障礙樁的概率。

4 無碳小車模擬仿真

根據(jù)第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，無碳小車需要按照如圖2所示軌跡運動，使用MATLAB、SOLIDWORKS軟件對凸輪和無碳小車運動進行仿真。

4.1 凸輪軌跡仿真

設置無碳小車的后輪軸初始點為O，主動輪、從動輪和前導向輪的初始坐標可以根據(jù)無碳小車總體參數(shù)確定。此時無碳小車車身水平向下(φ=90°)，使用MATLAB軟件分析進行軌跡求解，凸輪模擬仿真結(jié)果如圖3所示。

車身傾角：

φ(i+1)=φ(i)=l(i)*p(i)

(5)

中心橫坐標：

x(i+1)=x(i)-l(i)*cos(φ(i+1))

(6)

中心縱坐標：

y(i+1)=y(i)-l(i)*sin(φ(i+1))

(7)

4.2 無碳小車運動仿真

在確定無碳小車參數(shù)基礎上，使用SOLIDWORKS三維軟件進行MOTION運動仿真分析，無碳小車的仿真分析結(jié)果如圖4所示。

運動軌跡仿真結(jié)果顯示，仿真運動軌跡與第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽規(guī)定運動軌跡一致，能有效避開障礙樁，符合比賽要求。

5 無碳小車的制作工藝與調(diào)試

5.1 無碳小車制作工藝

為提高零件的精度，所有零件在加工完成后，先用粗砂紙打磨，去除零件表面的毛刺，再用細砂紙對其進行拋光處理，提升零件的精度和美觀度；將軸承擋圈取出，使用石油醚清洗附著在軸承內(nèi)的雜質(zhì)，對清洗過的軸承添加潤滑油，減小軸承摩擦和磨損；對裝配好的無碳小車進行磨合，讓各零部件配合更精準，使無碳小車達到最佳狀態(tài)。

5.2 無碳小車運動調(diào)試

調(diào)試過程中車架上安裝一個漏斗裝置[4-5]，通過漏中滴落到地面的水跡，以此獲得無碳小車實際運動軌跡。通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)試出無碳小車運動軌跡，固定微調(diào)機構(gòu)螺栓保持不動，測量出最佳發(fā)車位置和角度的數(shù)據(jù)，根據(jù)計算與運動結(jié)果，設計一塊亞克力板，確定無碳小車發(fā)車位置和角度，可提高比賽成功發(fā)車概率。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：實際的運動軌跡左偏時，擰松微調(diào)機構(gòu)螺栓，增加前輪轉(zhuǎn)角角度；實際運動軌跡偏右時，擰緊微調(diào)機構(gòu)螺栓，減少前輪轉(zhuǎn)角角度。

6 結(jié)論

無碳小車采用搖桿凸輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)方案設計，運用MATLAB、SOLIDWORKS軟件對凸輪和無碳小車進行運動仿真，模擬的運動軌跡與實際運動軌跡相符。該無碳小車結(jié)構(gòu)簡單，減少能量在傳遞過程中的損失，達到自動行走、有效避開障礙樁的要求。