基于“8”字軌跡熱能驅動車的結構創新設計案例簡析

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中紅線為小車運行軌跡。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=11539.5mm，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=549.5mm，D主動輪=S2/π=175 mm。

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300r/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。

審核編輯：劉清