环“S”形势能无碳小车设计与仿真*
2022-03-15朱桂成张小奇
朱桂成,张小奇
(长春师范大学工程学院,吉林 长春 130032)
0 引言
我国能源储备量虽多,但人均占有量较少,降低能源消耗变得尤为重要。设计一款绿色、环保、节能的无碳小车,能够按照预定轨迹运动,自动绕开障碍桩,其能量完全由重力势能提供,可以实现真正意义上的无碳。
1 无碳小车总体方案设计
根据第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛要求,自主设计一辆无碳小车,该车运动能量由势能提供,实现自主行走、转向绕桩的功能。所用重物质量为1 kg±10 g,下落高度为300 mm±2 mm。无碳小车由车架、动能转换机构、传动机构、转向机构、行驶机构、微调机构组成。无碳小车结构示意图如图1所示,其中车架由底座和轴承座组成;动能转换机构由小绕线轮和大绕线轮组成;传动机构由齿轮Z1、齿轮Z2、齿轮Z3和齿轮Z4组成;转向机构由导向推杆、转向轮固定架和转向轮组成;行驶机构由从动轮、转向轮和主动轮组成;微调机构由微调机构分体舵和微调机构螺栓组成。无碳小车车架等零件选用铝合金材料制成,铝合金具有比重小、比强度高的优点,拥有良好力学性能和工艺性能[1]。
工作时,动能转换机构提供动能,传动机构将动能传递给转向机构和行驶机构,驱动无碳小车运动,通过微调机构调整无碳小车运动轨迹。
2 无碳小车的参数
2.1 凸轮参数
将凸轮角度平均分为N份,当凸轮转动(360/N)°,主动轮运动距离为LT。设定前轮转角θ,已知参数前后轴距离A(117 mm)、主动轮偏距E(77.5 mm)、节点距离LT(0.06),由MATLAB软件计算出凸轮基圆半径R0(57 mm)。
2.2 无碳小车传动比
无碳小车总传动比较大,采用二级传动方案[2-3]。齿轮模数为1,Z1=100,Z2=Z3=20,Z4=110,总传动比为i。
(1)
(2)
i=i1*i2=27.5
(3)
两个后轮的半径R1(R1=65.00 mm)。凸轮轴半径R2(R2=3 mm),计算出无碳小车理论可运行3.18圈。
(4)
3 无碳小车的结构
3.1 动能转换机构
动能转换机构作用是将重力势能转化为动能。重物通过绳子与大绕线轮相连接,凸轮驱动轴与小绕线轮相连接,重物下落拉动凸轮驱动轴转动,将重力势能转化为动能。采用二级传动启动力矩更大,并且结构简单,能够有效减少能量损失。
3.2 传动机构
传动机构作用是将动能、扭矩传递给主动轮。无碳小车能够稳定并精确地按照预定轨迹运动,要求传动机构具有传动稳定、传动效率高、结构简单的特点,以减少能量在传动过程中的损失。常见的传递方案包括带传动、链传动、齿轮传动,方案一:带传动结构简单、传动平稳,但传动比不准确,需要张紧装置,结构复杂;方案二:链传动瞬时传动比不固定,链条的速度有波动;方案三:齿轮传动瞬时传动比恒定,工作平稳性较高,并且传动效率高,但制造精度要求较高。综合考虑无碳小车在运动过程中需按照预定轨迹精确运动,要求恒定的传动比,故采用齿轮传动方案。
3.3 转向机构
按照比赛要求无碳小车运动轨迹为环“S”形曲线,在运动过程中需要转向机构,实现转弯功能。为实现精确转向,设计转向机构应具有机械结构简单的特点,减小零件加工误差对无碳小车运动轨迹的影响。选用摇杆凸轮机构设计方案,凸轮与推杆相切,改变前轮转角实现转向功能。
3.4 行驶机构
行驶机构在运动过程中起到支撑无碳小车全部重量,传递牵引力、驱动力矩的作用。行驶机构由转向轮、主动轮和从动轮组成,左后轮为主动轮,右后轮为从动轮,前轮为转向轮,其中主动轮半径R1(R1=65 mm)与从动轮半径相等,转向轮半径R3(R3=10 mm)。由于主动轮和从动轮在运动过程中行走的距离不相等,两车轮之间存在转速差。为解决上述问题共有以下两个方案,方案一:在无碳小车上安装差速器,主动轮、从动轮以不同转速转动,解决主动轮、从动轮转弯存在转速差的问题,但整体结构复杂;方案二:左后主动轮与后轮轴采用过盈配合随轴转动,右后从动轮上安装一个轴承与轴连接,自由转动,解决转弯时主动轮、从动轮转速差的问题。无碳小车结构设计应简便,所以选择方案二。
3.5 微调机构
为提升无碳小车运动的精度,设计一个微调机构,该机构由分体舵和微调螺栓组成。通过调整导向推杆与凸轮之间的距离,改变前轮转角,进而调整无碳小车运动轨迹。微调机构可以提高无碳小车实际运动轨迹与理论轨迹重合率,降低碰撞障碍桩的概率。
4 无碳小车模拟仿真
根据第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛要求,无碳小车需要按照如图2所示轨迹运动,使用MATLAB、SOLIDWORKS软件对凸轮和无碳小车运动进行仿真。
4.1 凸轮轨迹仿真
设置无碳小车的后轮轴初始点为O,主动轮、从动轮和前导向轮的初始坐标可以根据无碳小车总体参数确定。此时无碳小车车身水平向下(φ=90°),使用MATLAB软件分析进行轨迹求解,凸轮模拟仿真结果如图3所示。
车身倾角:
φ(i+1)=φ(i)=l(i)*p(i)
(5)
中心横坐标:
x(i+1)=x(i)-l(i)*cos(φ(i+1))
(6)
中心纵坐标:
y(i+1)=y(i)-l(i)*sin(φ(i+1))
(7)
4.2 无碳小车运动仿真
在确定无碳小车参数基础上,使用SOLIDWORKS三维软件进行MOTION运动仿真分析,无碳小车的仿真分析结果如图4所示。
运动轨迹仿真结果显示,仿真运动轨迹与第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛规定运动轨迹一致,能有效避开障碍桩,符合比赛要求。
5 无碳小车的制作工艺与调试
5.1 无碳小车制作工艺
为提高零件的精度,所有零件在加工完成后,先用粗砂纸打磨,去除零件表面的毛刺,再用细砂纸对其进行抛光处理,提升零件的精度和美观度;将轴承挡圈取出,使用石油醚清洗附着在轴承内的杂质,对清洗过的轴承添加润滑油,减小轴承摩擦和磨损;对装配好的无碳小车进行磨合,让各零部件配合更精准,使无碳小车达到最佳状态。
5.2 无碳小车运动调试
调试过程中车架上安装一个漏斗装置[4-5],通过漏中滴落到地面的水迹,以此获得无碳小车实际运动轨迹。通过微调机构调试出无碳小车运动轨迹,固定微调机构螺栓保持不动,测量出最佳发车位置和角度的数据,根据计算与运动结果,设计一块亚克力板,确定无碳小车发车位置和角度,可提高比赛成功发车概率。调试中发现以下规律:实际的运动轨迹左偏时,拧松微调机构螺栓,增加前轮转角角度;实际运动轨迹偏右时,拧紧微调机构螺栓,减少前轮转角角度。
6 结论
无碳小车采用摇杆凸轮转向机构、齿轮传动机构方案设计,运用MATLAB、SOLIDWORKS软件对凸轮和无碳小车进行运动仿真,模拟的运动轨迹与实际运动轨迹相符。该无碳小车结构简单,减少能量在传递过程中的损失,达到自动行走、有效避开障碍桩的要求。