学科竞赛中的无碳小车结构设计研究进展

2022-12-13赵永鹏

林业机械与木工设备 2022年11期

赵永鹏，刘璇

(1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550025；2.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)

我国经济的迅速发展使得对能源的需求增加，常规的化石能源供应等不可再生能源供求的矛盾日益突出[1]。以煤炭、石油与天然气为代表性的不可再生能源占绝大部分，新能源和可再生能源开发不足，不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源发展，能源安全和可持续发展成为我国必须解决的战略问题。新能源的发展和不可以再生资源的替代十分紧迫，也是世界各发达国家竞相研究的热点课题之一[2]。

无碳小车是简单的三轮结构，根据能量转换原理[3]，将给定的重力势能转换为动能驱动小车行走并能实时自动避开赛道上设置的障碍物的装置[4]。该小车由支撑重物的300 mm支撑架、传动机构[5]、凸轮机构[6]和车身构成，通过1 kg重物从300 mm高度下落的重力势能转换为动能来驱动后轮转动[7]，再通过齿轮传动减速增矩使得小车前进，转向机构使转向轮周期性转向从而自动避开障碍物[8]。

无碳小车具有经济、环保、便利等优点[9]，有利于能量转化，能量利用效率的提高，对促进我国碳中和、碳达峰等[10]战略的实施具有重大意义。

1 数据分析

刊发的文章数量在一定程度上可以反映无碳小车领域的大体研究现状以及未来发展趋势。将无碳小车的发文量与年份绘制成散点图，并预测未来三年的发文量，如图1所示。

图1 2010～2024年发文趋势及预测

综合来看，随着工程训练挑战赛的深入推进，无碳小车的研究吸引了广大研究人员的关注。其研究可为节能减排提供理论依据和参考。

2 无碳小车机构分析

2.1 原动机构优化设计

原动机构主要将1 kg重物在30 cm高度下落的重力势能转化动能供小车行走[11]。为优化小车设计的合理性，原动机构的设计需要满足易拆装、高度可微调以及更换容易等特点[12]。一是要保证原动机构转换给小车的牵引力适中且可调整，避免因牵引力过大而导致小车在行走过程速度变化过快而在转弯时发生翻车现象[13]。二是避免行进中重物发生晃动，从而影响小车在行走过程中的平稳性。

为了降低重物下落的过程中的能量损失，王大伟[14-15]等在支撑座顶端采用滑轮机构，通过一根线将小车的主动轮轴和下落的重物联系在一起，其绳的一端由主动轮上的绕线轮固定，另一端利用绳轮结构[16]与重物相连构成一个移动的滑轮机构，减小小车在运行过程中能量损耗，但随着重物的下落，小车在行进过程中的速度会发生较大的变化。为此，何海燕[17]等利用锥形直径的特点，将绕线轮设计成锥形，改变重物下坠过程中产生的扭矩，减小驱动力和阻力之间的差值，控制小车在行走过程中速度变化情况。刘金肖[18]等通过分析了小车在行走过程中不同速度的变化情况对小车行走距离的影响，得出当小车在整个运行过程中先加速后匀速，最后减速的整个得到的小车运行的结果处于最优的状态。

总体而言，针对绕线轮的设计，目前的研究大多围绕绕线轮轴承座顶端开口，便于取出更换绕线轮，保证小车在整个过程能尽可能地保证匀速行驶，避免重物在竖直方向上的速度过大，从而产生的冲量过大。同时重物的动能要尽可能转化为驱动小车前进的能量，提高利用率。在能源的利用方面，大多的学者采用四根杆作为支撑重物的支撑架，既稳固又提高了车架的空间利用率，同时还保证了在运行过程中重物对小车产生影响，就效率和简洁性而言，绳轮结构是最优方案。

2.2 传动机构

传动机构是将原动机构转化的驱动力传递给驱动轮使小车运动和转向[19]。其精度和传动效率可直接影响小车的行走距离。其中常见的传动方式分别为带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮传动。

基于上述的几种传动机构的优缺点，齿轮传动具有效率高、传动比恒定等特性[20]，采用多级传动便可轻易获得较大的传动比，进而实现减速增矩，使得小车获得较大的驱动力，是当前无碳小车中应用最为广泛的传动方式。

2.3 凸轮转向机构优化设计

凸轮机构作为无碳小车避障最重要的一部分，其设计的结果直接反映了小车的整体性能和避障效果。转向机构是小车的关键部分，由于预期运动比较复杂，转向部分需要与凸轮紧密配合以实现转向，才能按照所设计的路线行走。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，简化其结构，但更重要的是运动特性要能满足避障要求，使小车能走出预期的轨迹。从田于财[21-23]等的研究来看，无碳小车的转向机构大多采用四杆机构，在设计时需要避免死点、凸轮压力角过大[24]等情况，计算难度高，结构相对复杂，加工装配的精度要求高。而在以往的无碳小车组装完成后，需要进行大量的调试，才能获取设计前预设的轨迹；除此而外，凸轮推杆和摇杆之间存在缝隙，随着运行次数的增加，连杆与凸轮接触位置的间隙增加，需后续补偿误差，从设计到组装的周期较长，计算量大，且后期的误差补偿需二次计算。

在凸轮的设计方面，徐一村[25]等首先分析了小车转向机构的运动规律，借助Adams建立起从动件的运动情况；从平底从动件的角度出发，通过离散生成的曲线交集获得凸轮的轮廓曲线，而后建立起从动件的运动模型，在此基础之上，对模型进行约束和限制，进行仿真分析实验，并将得到的凸轮进行二次仿真，分析计算误差。但Adams仿真复杂，对技术要求较高。楚蓓蓓[26]等通过分析近似得出小车行走时的轨迹函数，总结出小车转向机构的运动规律，在已知转向机构推杆的情况下，利用反转法得到凸轮的轮廓曲线，获得凸轮的轨迹函数，然后借助C语言生成各关键节点位置的坐标，得到凸轮轨迹。将C语言中所获得的坐标导入到SolidWorks中，最后扫描切除得到凸轮机构。吴东昊[27]等利用正弦曲线和圆弧设计得到后轮连线中心点的轨迹，根据所建立的轨迹函数求出无碳小车的曲率，计算出小车的前轮转角，从而设计出小车的凸轮。

田国富[28]等利用空间四杆机构，搭建起转向机构的数学模型，获得转向机构的杆长最佳调节范围，可以有效地缩短小车运行前的调试时间；其次，使用VB软件仿真出曲柄和摇杆之间的转角关系，最后通过无碳小车轨迹建模，为小车调试提供了依据。符培元[29]等首先利用SolidWorks搭建起工程训练挑战赛的赛道平台，并在软件中使用样条曲线命令勾勒出小车理想状态下的运行轨迹，从而获得小车的主动轮的轨迹参数，得到凸轮的推程与位移的关系图，然后再计算出主动轮的轨迹和传动比，最后利用motion仿真分析出小车的轨迹，在此基础之上，对所得到的凸轮进行验证，发现与设计时吻合，具有计算便捷、精度高等特点。此种方法避免了Matlab不断迭代求取复杂弧线的拟合过程。

曹水源[30-31]等利用凸轮摇杆机构，基于2021年工程训练挑战赛赛道的轨迹，在未知小车参数的情况下利用Matlab仿真出无碳小车的轨迹，推导出无碳小车的凸轮轨迹，将理想中轨迹结合实际赛道要求导出无碳小车的关键参数，再结合SolidWorks进行拉伸，通过仿真技术将理想化的模型转换为现实中可操作的实体，采用“凸轮+摇杆”机构作为转向装置。其优点是传动链短，耗能少，结构紧凑，利用激光切割得到凸轮，更换凸轮即可得到不同的运动轨迹，方便前期的调试。凸轮摇杆结构可以近似视为圆柱滚子凸轮，运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便。

但目前所呈现的局限在于影响小车运行轨迹的任一关键参数发生细微变化后对小车后续运行的影响规律无法得到准确的分析判断，而研究者只能通过大量的实验不断对小车进行微调后得到合适的轨迹，但缺陷在于，不断调试的人力成本、时间成本难以估量。基于此，陈立峰[32]等通过空间四杆机构，建立起三维坐标系，通过建立小车行走轨迹重合度的评价方法，将影响小车轨迹的杆长等关键参数引入到轨迹的优化模型之中，通过等分区间获得转向机构的最优解，使得运行中的小车轨迹处于最佳状态。

从上述研究可以发现，针对当前凸轮设计的方法基本成熟，其方法都是已知转向机构的运动规律情况之下，通过软件仿真分析、不断迭代得到小车的凸轮机构，最后通过凸轮机构推出小车的整体结构。

2.4 微调机构优化设计

微调机构是保证小车按照所设计轨迹运行的重要保障机构[33]。在行走前进行适当调整，从而保证小车在运行之后能走出完美的轨迹。“小调节、大变化”不利于小车整体的调试。因此要保证在调整幅度大的情况下，小车的行走变化小的效果[34]。小车的轨迹对转向机构的尺寸精度要求极高，为了精确快捷的调出理想轨迹曲线，小车就必须采用微调机构[35]。

为了得出小车在运行前后的误差，优化微调机构的结构设计，王晶东[36]等分析出无碳小车在运行过程中产生误差的主要原因是小车的发车位置、转向机构的推程及回程极限角度之间的偏差会使得小车的实际轨迹与设计的轨迹产生偏差。通过调整小车在运行前的发车位置以及将角度误差变换为便于调整的导杆长度，即在导杆上安装螺纹副，弥补小车的转角误差。康渝佳[37]等整合了加工精度、装备精度、连杆机构、发车位置等造成的误差，提出了从设计的源头上解决误差、避免二次加工造成误差，在以曲柄摇杆机构为转向机构的前提下，提出了使用空间曲柄微调机构来保证摇杆摆角规律性变化，在连杆上采用微分设计，通过调整微分头来调整连杆的有效长度，以达到微调的效果。刘润[38]等在转向机构中引入弹簧约束，将转向系统作为单一的控制进行研究，以推杆力和转角作为变量建立起系统的传递函数。讨论了前轮的行走函数在方波信号、三角波信号两种信号之下的传递函数模型。通过实验来论证方法的可行性，最后与预期的结果一致。

刘洋[39-40]等在制造、装备等误差无法避免的情况下，对小车轨迹进行数学建模，通过大量的轨迹仿真与分析实验，建立起小车的轨迹方程，针对影响小车轨迹变化的主要参数，采用千分尺和蜗轮蜗杆机构，将其引入到微调机构中，从而修正由于误差所引起的轨迹偏移。赵鹏飞[41-43]等提出增加零件的刚度设计来降低小车的加工误差，在装备方面，采用轴肩、销等定位方式进行定位，替代传统的通过螺栓旋入到法兰盘中，通过螺纹预紧力达到周向固定的效果。在小车的制造过程中，在前轮的转向机构中引入前后直线上的微调机构，通过控制小车的齿条与凸轮之间的距离从而控制小车转向机构摆角幅度。有效控制小车理想轨迹与实际轨迹之间的误差。刘其南[44-45]等针对小车在行走过程中偏角过大的问题，采用千分头对小车的转向机构进行微调，调整小车轨迹的振幅，从而使小车的转向、偏角发生变化，减小与实际轨迹之间的误差。

综上所述，小车的轨迹误差主要来源于小车的设计误差、制造误差、装备误差以及小车发车前的角度和行走过程中转向机构的偏角导致的误差。而当前的研究中提出的微调方法基本主要采用微分头和螺纹副的设计。微分微调设计的优势在于微分设计的调节精度高，而螺纹副在于控制精度高，在进行微调时可以根据偏移量对微分头调整所需的偏移量，可以高效快捷地实现小车转向机构和前轮摆角的调整。打破了传统的“凭感觉”调整，可以预见的是，当前乃至未来一段时间微分调节将被广泛地应用于无碳小车的装置中。但微分设计所要求的加工和装备的要求较高，会提高整车的制造难度和加工成本，随着制造业的发展，相信在未来其加工和装备成本有所下降。

2.5 行走机构优化设计

无碳小车采用三轮结构，前轮控制转向，重物下落的能量通过绳轮结构和齿轮减速增矩后转移到小车后轮作为小车前进的动力。在行走过程中，若两轮均为驱动轮，虽简化了小车整体的设计，降低制造的时间和成本，但在小车转弯时要求小车的其中一轮打滑才能完成差速转弯[46]。显而易见的是，此方案会造成能量损失，降低能量的转化率。

针对上述问题，王鹏博[47]等在将重物下降产生的能量通过齿轮传动进行减速，再增加力矩后使得小车的主动轮轴进行旋转，从而驱动小车前行；在差速转弯问题上，在后轮的底座上安装两个型号为0612的超越轴承，提高了小车转弯时的平稳性。文伟松[48]等采用两个偏心的驱动轮，两轮在行走过程中因圆心轮缘的半径不一致而导致速度差实现转向。此种方案理论上可以实现，但现实问题在于发车时的发车方位、制造过程中的加工以及小车的发车时两驱动轮的位置均会对小车的避障造成巨大的影响，且此过程中的磨损大，平稳性低。

朱桂成等则是将小车的两个后轮通过一根轴连接在一起，其中左侧的后轮与主动轮轴采用过盈配合[49]，使之与轴同步传动。而右侧轮子与轴之间使用轴承联结，使其在行走过程中自由滚动。使小车在转弯时平稳、高效。

通过上述分析，当前小车的行走机构的主要方式有利用一轮在转弯时打滑实现转弯的两轮同步驱动；为了提高重物下降时的能量转化，单轮驱动则被更多的设计人员普遍处采用，通过一轮与后轮轴实现过盈连接或通过限制其周向转动的方式实现小车的平稳转弯，此时另一轮则支撑小车随动。此方案具有原理简单、结构清晰、制造容易、装配技术含量低、小车行走时平稳性良好等特点，目前被广大的学者所采用。