热能驱动车设计与运动轨迹分析

刘镇英　张国福　欧阳博　张彪

摘 要：热能驱动车是一种具有方向控制功能，以热能驱动的自行小车。为了解决热能驱动车因加工精度，装配误差等因素影响出现的轨迹不准确的问题。首先对热能驱动车进行简化，通过改变部分参数来影响小车的运动轨迹，再利用UG运动学仿真模块对小车运动轨迹进行仿真实验。然后对影响轨迹的参数进行总结和分析，通过对小車的部分参数进行修改得到了一种简单可靠的轨迹修正方案。通过对制作的小车进行轨迹运行调试得到了成功绕桩10个的成绩，为以后的热能驱动车设计积累了经验。

关键词：UG 热能驱动车 结构设计 轨迹分析

Design and Trajectory Analysis of Thermal Energy Driven Vehicle

Liu Zhenying，Zhang Guofu，ou Yangbo，Zhang Biao

Abstract：Thermal energy driven car is a self-propelled car with direction control function and driven by thermal energy. In order to solve the problem of inaccurate track of thermal energy driven vehicle due to processing accuracy， assembly error and other factors， firstly， the thermal energy driven vehicle is simplified， and some parameters are changed to affect the motion trajectory of the vehicle， and then the motion trajectory of the vehicle is simulated by UG kinematics simulation module. Then the parameters affecting the trajectory are summarized and analyzed， and a simple and reliable trajectory correction scheme is obtained by modifying some parameters of the trolley. Through the track operation and debugging of the produced trolley， the results of successfully winding 10 piles have been obtained， which has accumulated experience for the design of thermal energy driven vehicle in the future.

Key words：UG， thermal energy driven vehicle， structural design， trajectory analysis

1 引言

目前，发展高效率绿色环保机械设备已经成为机械领域的热点。第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛旨在提倡无碳环保的设计理念。本文源于竞赛主题“以热能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。目标是设计一种三轮小车，所需能量由浓度为95%的液态乙醇提供。以小车所走的距离和绕桩数目来评定性能的优劣。在设计和实际运行当中，凸轮是整个部件的核心。但是在运行当中小车的运动轨迹却不太准确，经常出现轨迹不闭合、平移、旋转等一系列问题。原因是由于热能驱动车的加工误差、装配误差、后期磨损、斯特林发动机一直加速运动等一系列问题的积累导致轨迹偏差严重，最终绕桩失败。故从热能驱动车的基本结构设计出发，对可能影响运动轨迹变化的因素进行分析提出了新的轨迹修正方案。

2 热能驱动车基本结构

热能驱动车（以下简称小车）主要机构包括驱动机构、差速机构、转向机构、微调机构。其中驱动机构主要由斯特林发动机提供动力;差速机构主要使小车速度降低;转向机构基本由凸轮提供，转向方式主要由以下四种结构：凸轮推杆式、凸轮顶球式、凸轮圆槽式、齿轮齿条式;微调机构主要由改装后的螺旋测微器构成。

3 热能驱动车设计要点

小车的设计可以分为两个部分：第一部分为小车的基本结构，第二部分为小车的凸轮设计。

①小车根据斯特林发动机特点，必须采取减速措施，其作用为减少因小车速度过快导致的轨迹出现偏差。减速部分可分为两部分：第一部分为发动机到主动轮的减速;第二部分为主动轮到凸轮的减速。由本次小车数据得到斯特林发动机到主动轮减速比应在30-45左右。

②发动机到主动轮减速应设置为同步带轮。在避免皮带与带轮打滑的同时保证了相对稳定的减速比。主动轮到凸轮的减速齿轮选择，模数尽量选择0.8、1。相比较0.5模数的齿轮，0.8和1模数的齿轮具有较大轮齿，可以使中心距留有间隙不易造成卡齿的现象。

③小车的路程与车轮的关系：路程=π*主动轮到凸轮的差速比*主动轮直径。故在实际设计中应当将减速比设置成为可调节以便应对复赛时的变桩导致的路程变化。

④小车差速系统需设计多级减速齿轮机构（注：单一的两级减速不仅对加工精度要求高而且对于整个减速系统来说是十分脆弱的）。

⑤小车转向机构的由于大多数采用凸轮转向所以需考虑凸轮推杆的推程与回程时的速度。

⑥小车的稳定与否会影响小车运动轨迹。所以当小车达到稳定时凸轮才会发挥最大的作用。

⑦小车的主动轮与从动轮设置。如果设置主动轮与从动轮小车在转向时会受到自身的限制导致一定程度上的转向困难。因此作者建议加入单向轴承或者使用万向轮。使用单向轴承时需要注意两个轴承的转动方向必须保持一致。

小车结构应遵循稳定性原则所以重心、发动机震动、小车速度、加工精度、装配误差和后期的磨损都需要在设计范围之内。

4 虚拟仿真运动

UG运动学仿真分析小车运动轨迹能够清楚地观察到小车在理论上的运动轨迹，并且验证凸轮的误差为实际运行做好理论基础。应用UG运动学模块对小车进行分析时，为了减少仿真运算的压力将小车简化只保留关键运动部件，如下图1所示。其操作步骤如下：第一步设置连杆，车架、前轮、凸轮、前轮架、左轮、右轮。第二步设置运动副，将以上运动机构均设置为旋转副，将车轮与地面之间和凸轮与前轮架之间设置为3D接触，除此之外将凸轮中心与前轮架之间设置为弹簧链接，并且注意弹簧的初始状态应为张紧状态。第三设置驱动体，这里设置两个驱动体分别为左轮驱动与凸轮驱动。两个的速度差应为实际的减速比。第四仿真运动，注意这里需要将求解器修改为recurdyn求解器。新建一个求解方案，求解时间为10000S，步数为500。

5 热能驱动车运动分析

当小车装配完成以后小车的大多数参数已经固定。所走的轨迹也已经基本固定能够调节的只有前轮与车身的偏角以及凸轮与车中心（小车中轴线）的距离。故此调车发车只是搬着小车的轨迹去套赛道。

4.1轨迹旋转

这是由于小车完成一次周期运动后车身与下一次运动时的轨迹有夹角所致，如下图2所示。也就是说小车完成一次周期运动后没有回到初始状态，所以需要在初始出发时补充相应偏角。

4.2轨迹平移

平移会有两种形式，一种为沿长轴方向平移，一种为沿短轴方向平移。

为了便于说明现将小车的简化结构，如下图3所示。由于凸轮旋转一圈和主动轮走的路程是固定的。在小车的结构中A和D的大小会影响小车的拐弯幅度，所以当小车的A值发生变化时小车转弯幅度也发生变化。D为定值当A越小，那么∠P的余角变大，小车的拐弯幅度也就变大，反之则小。故当小车走的路程一定时，拐弯幅度也会影响到达的位置。故调节A的大小能够不断减小平移现象。因此可根据实际情况，在此处加上微调装置来改变A的大小，并且在设计时应适当加大D的数值使生成的凸轮起伏程度低。

6 调试方法

在实际当中，影响小车轨迹的因素有很多，所以实际运行中的调试的顺序应先找到凸轮的出发点和此时小车的方向，使轨迹基本符合大赛要求。然后根据原理解决旋转，根据实际情况调整小车的偏角。再调试A的大小，在反复的调试偏角和A的大小使小车达到最佳状态。小车的调试和小车的磨损程度、加工精度、装配误差有关，根据小车的材料不同，小车的使用寿命也不同（前期的磨合期，中期的使用期，后期的老化期）。大多数小车的轨迹往往同时存在平移和旋转现象，经调试后绝大部分车存在平移现象，并且都只能运行几圈，这是因为小车的加工精度和装配误差的影响，以及小车的发动机一直在燃烧而导致小车始终处于加速状态导致的。

7 结语

反映小车性能的指标，就是绕桩数以及所行走的路程。在本文中通过对小车的结构分析，利用UG的模拟仿真，得到了小车的运动轨迹变化规律。将以上结论应用于实践提出了新的轨迹修正方案。针对小车基本结构提出的轨迹修正方案，很大程度上提高了小车的稳定性，使凸轮的作用发挥到最大。在第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛中，原来错乱的轨迹行走，在经过不断地调整后，轨迹很快得到了修正并取得省级二等奖的成绩。用实际证明了该方案在轨迹修正中的正确性和可靠性。

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