基于“8”字軌跡熱能驅動車的結構創新設計

張朝剛 鄒行宇 徐冰燦 饒闖 陳利

摘要：根據第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽熱能驅動車賽項競賽要求，設計了一款基于“8”字軌跡的熱能驅動車。熱能驅動車整體運用模塊化設計理念，共分為動力源、傳動機構、轉向機構、車身和行走機構五個模塊。借助SolidWorks和凸輪設計軟件對凸輪形狀進行設計和優化，設計出沿既定軌跡平穩繞樁行駛的熱能驅動車，最終實現液態乙醇燃燒驅動小車沿“8”字軌跡行駛。

關鍵詞：熱能驅動車；模塊化設計；凸輪設計

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新創業訓練項目“基于‘8軌的熱能驅動汽車結構創新設計”（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建與研究”（2021041）

1? ? 熱能驅動車總體設計

1.1? ? 設計目的

熱能驅動車賽項所設定的賽道場景如圖1所示。驅動車場地為一塊5 200 mm×2 200 mm長方形平面區域。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，賽道設置了兩個1 100 mm×1 100 mm出發區，驅動車發車時可以放置在任意一個出發區內的任何位置，按逆時針方向發車運行，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場抽簽決定。根據大賽要求，擬設計出一款可平穩運行的基于“8”字軌跡的熱能驅動車。通過斯特林發動機提供動力對小車進行驅動，實現小車的曲線繞樁行駛[1]。

1.2? ? 設計思路

根據驅動車成功繞樁的評定規則，在SolidWorks中利用樣條曲線對熱能驅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的升程和降程數據，利用SolidWorks和Matlab對凸輪形狀進行設計和優化，同時綜合考慮驅動車的整體尺寸和運行軌跡的瞬時曲率半徑，對熱能驅動車的其他機構進行設計和優化處理。繪制熱能驅動車的三維模型，并在SolidWorks中進行運動仿真驗證設計的合理性。最終制作出熱能驅動車的實物并進行調試，使其能夠在規定的軌跡上平穩運行。其總體設計流程圖如圖2所示。

該熱能驅動車由動力源、傳動區、轉向區、車身和行走機構五個模塊組成。如圖3所示，通過液態乙醇燃燒產生的熱能驅動斯特林發動機產生動能，動能通過傳動區帶動主動輪和凸輪轉動，主動輪轉動帶動從動輪轉動，從而達到小車平穩行駛的目的。通過凸輪與推桿的配合運動實現驅動車的換向，完成“8”字軌跡的行走。其動力傳遞流程如圖4所示。

2? ? 熱能驅動車機構設計

2.1? ? 轉向機構

驅動車的轉向機構整體組成如圖5所示。

2.1.1? ? 微調機構設計

驅動車在導向推桿的基礎上增加了微調裝置——螺旋測微器。通過螺紋調距來控制導向推桿與凸輪回轉中心之間的距離，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? ? 凸輪設計

按照競賽命題，在SolidWorks中根據樁數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值，測量及計算結果如表1所示。

經過多次反復試驗并結合Matlab仿真得出參數，將各參數值對應輸入凸輪設計軟件，如圖7所示，利用凸輪設計軟件得到三維凸輪，如圖8所示。

2.2? ? 傳動機構

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

經過方案對比，最終選擇齒輪組配合帶輪組傳動作為熱能驅動車的主要傳動形式。斯特林發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，為了整車設計時結構更加緊湊，將帶輪系傳動和齒輪系傳動分別置于斯特林發動機兩側[3]。

2.2.1? ? 齒輪傳動機構

由于熱能驅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。預設后輪直徑D主動輪=174 mm，得到主動輪周長S2=πD主動輪，根據軌跡圖測量得到驅動車“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為35/105，26/182（主/從）。同時，為避免制造誤差產生的齒輪多邊形效應，且在傳動中小模數的齒輪運行平穩，瞬時傳動比也比大模數的齒輪要準，所以在條件允許的前提下，選擇齒輪模數為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，使小車結構更加緊湊，兩對相互嚙合的齒輪將凸輪的轉動和后輪的運動相互連接。

2.2.2? ? 帶輪減速機構

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

式中：D輸出為發動機輸出帶輪直徑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連接發動機的輸出帶輪，帶輪連接驅動車輸出軸，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

如圖11所示，根據轉向機構和傳動機構的設計和位置分布，設計車身底板的形狀并預留軸承座安裝孔位。

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

3? ? 熱能驅動車整體

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

4? ? 結語

本文對基于“8”字軌跡熱能驅動車的結構創新設計進行介紹，將熱能驅動車總體的設計分為動力源、傳動機構、轉向機構、車身和行走機構五個模塊，利用SolidWorks和Matlab軟件對凸輪進行設計和優化處理，采用帶輪組對驅動車進行減速增距，采用小模數齒輪和二級齒輪傳動對驅動車進行二次減速，最終得到按照“8”字軌跡平穩繞樁行駛的熱能驅動車。本設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。

熱能驅動車以可再生能源為燃料，將熱能轉化為動能，實現了能源的有效利用；且熱能驅動車的車身都由可回收材料制成，實現了節能環保，可為新能源車的設計和研發提供思路和參考。

[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.機械設計[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 郭衛東.機械原理[M].2版.北京：科學出版社，2013.

[4] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5] 王伯平.互換性與測量技術基礎[M].4版.北京：機械工業出版社，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。