无碳势能车的运动仿真与结构设计优化*

芦新春，王子轩，黄茜茜

(江苏海洋大学 机械工程学院，江苏 连云港 222000)

0 引 言

根据第六届江苏省工程能力训练竞赛要求，自主设计并制作一台具有方向控制功能的势能驱动车，行走过程中按照转向机构的控制在相应的轨迹上运动，且完成所有动作所用能量均由重力势能转换，不使用任何其他形式的能量，达到无碳排放和环保的目的。为此，笔者通过UG软件建立小车三维实体模型进行加工装配，采用Matlab数学分析软件拟合出的比赛路线设计小车凸轮，通过装配的实体模型验证了该小车得以自动按规定路径行驶并规避障碍完成比赛。

1 设计目标及思路

根据竞赛要求该车行走过程中必须在指定竞赛场地上与地面接触运行，且完成所有动作所用能量均由重力势能转换而得， 不允许使用任何其他形式的能量驱动自身行走。重力势能通过自主设计制造的1 kg±10 g重物下降 300 ±2 mm 高度获得。在势能驱动车行走过程中，重物不允许从势能驱动车上掉落且自动避开障碍物，在赛道中运行流畅。比赛中，小车需连续运行，直至停止。小车没有绕过障碍、碰倒障碍、将障碍物推出定位圆区域、砝码脱离小车、小车停止或小车掉下球台均视为本次比赛结束。本文根据小车所要完成的任务将小车划分为四个部分进行模块化设计；分别是车身 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构。整车装配如图1、2所示。

图1 小车装配图 图2 小车主要部件

2 关键部件设计

2.1 车身设计

小车底架采用3D打印技术制造，保证车体强度足够可支撑全车构件，同时较金属底架减小阻力，降低能量损耗，使车身整体结构最优化与重量最轻化，主动轮和从动轮挖孔减重处理，减小与桌面的接触面积、减小摩擦阻力与降低桌面黏附物的粘结程度[1]；重物支撑架采用D=5 mm的铝合金管，侧板、小车前轮、小车前轮支撑架以及大齿轮小齿轮均采用3D打印一体化制造；重物势能一部分转化为小车动能，一部分消耗为摩擦做功,为此转动副以及轴与侧板连接部分全部安装轴承。

2.2 原动机构

原动机构的作用是将重锤的重力势能转化为小车的动能。采用绕线将重锤下落产生的势能转换为齿轮运动的动能，进而带动小车车轮和凸轮的运动，由于线在整个装置中起到连接作用，线的材质也决定了小车前行的速度以及平稳性，文中经过多次调试及实际情况最终选择鱼线作为绕线，鱼线有着很好的延展性且不易打结的优点，考虑到线在小车行驶过程中转动的连贯性，故采用阶梯式绕线轮轮盘并创新型设计了启动盘如图3所示，合理布局传动比，加大驱动扭矩，以解决扭矩过小导致的起步困难的问题。通过该优化设计，使无碳小车具有更大的前进动能，并减少了摩擦损耗。

图3 启动盘 图4 传动机构

2.3 传动机构

一般传动机构的设计主要有齿轮传动、带传动、链传动和蜗杆传动等方式。其中链 传动不稳定，蜗轮蜗杆传动制造较复杂，能耗较多，不适用于无碳小车。而带传动结构不紧凑，也容易打滑[2]。文中采用的传动机构(如图4所示)由前轴、两个小齿轮、一个中齿轮、一个大齿轮、后轴组成，前轴带动齿轮又带动后轴转动将动能传递于后轮使其转动。二级齿轮增速传动来保证动力的持续、平稳输出。具体仿真关键程序如下：文中设定齿轮模数为0.8， chi1=[26 40];%小齿轮齿数选取范围，chi2=[60 180];%大齿轮齿数选取范围。

由条件语句

for i=chi1(1):chi1(2)

for j=i:chi1(2)

% for k=j:chi1(2)

aa=[aa;i*j i j ];%小齿轮

for i=chi2(1):chi2(2)

for j=i:chi2(2)

%for k=j:chi2(2)

bb=[bb;i*j i j ];%%大齿轮

计算结果代入if l>tl/dd/pi-ex && l

cc=[cc;l bb(j,:) aa(i,:)];

即可得出四个齿轮的参数根据UG仿真模拟选出最佳数据。由传动比公式i=Z1/Z2得出齿轮组总传动比为21。

2.4 转向机构

转向机构是整车最核心的部分,也是最复杂的部分,根据竞赛要求要达到在赛道上交替完成环形和8字两种运行方式(如图5)，次序不限。故本文采用凸轮推杆机构。通过凸轮高副,将凸轮的旋转运动转化为推杆的前后往复运动,控制小车左右周期性摆动通过凸轮高副,将凸轮的旋转运动转化为推杆的前后往复运动,控制小车左右周期性摆动。其优点是结构简单紧凑,设计方便,只要正确地设计出凸轮的轮廓曲线,就可以使推杆得到各种预期的运动规律,而且响应迅速;缺点是凸轮轮廓与推杆之间是点、线接触,易磨损,摩擦力大,效率低,凸轮加工困难[3],固笔者采用Matlab数学函数分析计算如图6、图7所示。根据赛道要求仿真出凸轮轨迹以及小车行走轨迹。经检验仿真赛道拟合的凸轮能驱动小车走规定轨迹。

图5 比赛要求小车轨迹

图6 matlab拟合实际轨迹

图7 实际凸轮轮廓

2.5 行走机构

小车采用三轮结构，前面一个转向轮、后面一个同轴的主动轮和从动轮。在保证力学性能的前提下，使用亚克力板为材料，在外型上即达到美观实用上减少车的重量。轮子的大小基于凸轮的计算结果得到，根据UG运动仿真模块功能，我们最终采用主动轮、从动轮均为Φ81作为小车的两个后轮，前轮大小根据装配高度确定。

3 结 论

文中设计的凸轮推杆机构可使小车转向达到任意规定轨迹，巧妙的利用凸轮本身特性来避免传统曲柄摇杆机构带来的转向误差，使小车行驶精确平稳且更远。所设计的小车在实际的运动及在UG中的仿真结果也表明了本结构设计的合理性和可行性。

(1) 小车机构设计简单，方便制作和调试；二级齿轮传动，有利于减少能量的损失Matlab拟合出来的凸轮能够精确地控制摇杆的摆动进而控制车轮行驶轨迹[4]。达到比赛要求。

(2) 最终通过实践验证小车在调试过程中可完成预定轨迹2圈，绕桩最好成绩为7个。调试时间大幅度缩短且在获得第六届江苏省工程训练综合能力竞赛比赛二等奖，证明了设计的科学性与高效性。

(3) 在制作实物上大量采用了ABS材料3D打印，利用3D打印技术进行机械加工不仅能快速成型、在装配过程中易修改且很大程度上节省了各项成本，提高了方案性能。