热能驱动小车创新设计与制作

范浩文 贾梓滢 王俊杰 张洪轩

摘要：本热能驱动小车即新能源汽车模型，依托辽宁省大学生工程训练综合能力竞赛暨全国工程训练竞赛选拔赛，设计一个由燃烧酒精产出的热能提供动力、机械零件传递能量的创新型机械结构新能源小车，利用热能转化为动能的原理提供小车向前运动的动力，满足命题的运动轨迹，该设计是由凸轮构成的转向机构以及由齿轮构成二级圆柱齿轮减速机构组成的运动装置。本论文详细阐述说明了该热能驱动车的设计和制作过程。

Abstract： The thermal energy driven car is a carbon free car， which comes from the proposition of Liaoning College Students' engineering training comprehensive ability competition and national engineering training competition. An innovative mechanical structure carbon free car is designed， which is powered by thermal energy and transmitted by mechanical parts. It uses the principle of thermal energy into kinetic energy to provide the forward motion power of the mechanical structure car， According to the motion trajectory of the proposition， the steering mechanism composed of cams and the two-stage cylindrical gear reducer composed of gears are designed.

关键词：热能驱动;齿轮传动;凸轮转向;Solidworks仿真;创新

Key words： thermal driving;gear driving;cam steering;solidworks simulation;innovation

中图分类号：TH122                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0218-02

0  引言

本文概述了在分析命題要求后确定了热能驱动小车该有的运动特性，完成了方案设计以及图纸设计。在完成小车的结构设计后进行了小车的运动轨迹仿真，制作出一个机械传动稳定，运行轨迹合理的新能源小车。在方案设计中，无碳小车按照四个过程设计：第一步选择小车的原动机构，第二步设计小车的基本框架，第三步设计齿轮传动机构，第四步设计小车凸轮转向机构。

1  热能驱动车的设计与制作过程

1.1 选择小车的原动机构

设计工作开始前，选择热能发动机。通过一系列的发动机测试最终选择斯特林发动机，燃油是浓度为95%酒精，点燃后加热发动机热缸，用手轻轻拨动发动机大飞轮，热缸的活塞连杆带动发动机大飞轮，冷缸的活塞连杆带动发动机小飞轮，小飞轮与大飞轮同轴转动，角速度相同，从而形成热能向动能的转化。计算出发动机小飞轮转速在1200-1800r/min，初步估计带传动的能量损失，传递到主动轴上的能量能使小车的主动轮匀速转动，根据带传动所需的传动比设置带的松紧度，在带选定的情况下根据命题要求设计主动轴带轮与发动机小飞轮的位置关系。

1.2 设计小车的基本框架

根据带传动中带所需要的松紧度初步确定发动机小飞轮与主动轴带轮之间的尺寸关系，在确定轴承架高度的时候便确定了带轮所在位置随之便可确定出发动机的安装位置，我们竞赛小组通过Solidworks模拟出了热能驱动小车的基本结构，在模拟出基本结构之前，需选择采用三轮结构还是四轮结构，考虑到便于设计转向机构，则将热能驱动小车设计为三轮结构。根据命题要求初步设计小车的主动轮尺寸以及主动轮和从动轮之间的距离。初步设计小车的动力机构，在主动轴上通过键连接安装小齿轮在小车车身靠近主动轮一端设计一个直齿圆柱齿轮二级减速装置，凸轮轴带动凸轮转动，初步设计小车的凸轮转向机构，根据主动轮的大小设计转向轮的位置。由以上可设计出热能驱动小车的基本框架。（图1）

选取热能驱动小车的轴的材料和设计轴的结构，小车所有的轴均采用轴径为6mm的硬轴，在对其加工的过程中仅加工了直径为6mm的螺纹线，使用在主驱轴、从动轴、小齿轮轴、凸轮驱动轴、转向轴、前轮固定轴、前轮轴和前轮固定架轴等均采用此材料。

轴类零件的设计并不是繁琐。对于只传递扭矩或可以近似地认为只传递扭矩的传动轴，我们可以只按照扭转强度计算;但是对于同时承受弯矩和扭矩的轴类零件，就得按照许用弯曲应力预估出轴的最小直径，然后再进行轴类零件的设计。本文研究减速器的传动轴是前一种情况，利用公式初定最小轴径：

小车所有的轴均采用轴径为6mm的硬轴，在对其加工的过程中仅加工了直径为6mm的螺纹线，使用在主驱轴、从动轴、小齿轮轴、凸轮驱动轴、转向轴、前轮固定轴、前轮轴和前轮固定架轴等均采用此材料。设计主动轮和从动轮，根据发动机带动主动轴带轮传动，确定主动轴的转速，根据小车在不同赛道上的运行的不同规则，通过改变小车的运行速度来适应不同赛道的转向要求。

1.3 设计齿轮传动机构

传动机构主要依靠齿轮传动，由图2、图3可直观的看出从动轴上的小齿轮与内侧大齿轮进行啮合，内侧大齿轮与外侧小齿轮同轴转动，外侧小齿轮与外侧大齿轮啮合，外侧大齿轮又与凸轮同轴转动。传动原理是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动，但在热能小车中仅用到了第一个传动原理，按齿轮轴线的相对位置可分为平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动，但在热能小车中仅用到了第一个传动原理，具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。前轮为转向轮，左轮为从动轮，右轮为主动轮。靠热机带动主动轮内侧小齿轮旋转，通过齿轮传递力矩给凸轮轴，带动凸轮轴旋转，从而使前轮做周期性摆动从而实现小车的转向。齿轮传动如图2、图3。

由于热能小车使用的工件的都是小零件，所以考虑到小车的右侧不能重量过载荷，因此齿轮选择结构紧凑的，质量轻的亚克力板作为其构造材质，即内、外小齿轮，内侧大齿轮和外侧大齿轮分别采用6mm亚克力板和3mm亚克力板。

關于齿轮传动比的分配问题，《机械设计手册》为我们提供具有指导意义的分配原则，在本文中不作详细分析。

1.4 设计小车凸轮转向机构

在进行转向设计之前先进行凸轮的结构设计，凸轮机构是热能小车最具技术的部分，根据赛道的行程方向设计小车的凸轮外轮廓结构，利用凸轮的凹凸不平的形状推动转向机构运动，热能小车因为转向机构转弯。凸轮设计完成后进行转向机构的设计转向机构是由前轮固定架、前轮轴、导向轴、导向架轴、转向轴套和前轮加紧块配合而成，热能小车的主要的转向能力都来自于此机构，转向轴套与凸轮结构相接触，由凸轮结构推动转向轴套，转向机构以导向架轴为中心轴旋转带动小车旋转，从而使小车转向。（图4）

2  结论

作为一名大学生，在这次创新型设计命题竞赛过程中感受颇多，养成了创新型思维，能够直面自己设计的产品所具有的问题，在发现设计问题的第一时间找到问题出现的原因并且立刻改正错误。在制作过程中我们小组的每一位成员都十分熟悉地掌握了专业制图软件，并且组员之间相互学习，相互鼓励，相互帮助，让我们都认识到团队的重要性，这是我觉得在这次命题竞赛中最珍贵部分。更重要的一点就是让我们每一位组员都锻炼了坚持和耐心，笔者个人觉得是由于拥有这份耐心和坚持，外加团队的密切合作才能完成这一整个漫长的设计的过程，在未来的路上，再困难的项目完成与否都只是时间的问题。

参考文献：

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