基于“8”字轨迹热能驱动车的结构创新设计

张朝刚 邹行宇 徐冰灿 饶闯 陈利

摘要：根据第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛热能驱动车赛项竞赛要求，设计了一款基于“8”字轨迹的热能驱动车。热能驱动车整体运用模块化设计理念，共分为动力源、传动机构、转向机构、车身和行走机构五个模块。借助SolidWorks和凸轮设计软件对凸轮形状进行设计和优化，设计出沿既定轨迹平稳绕桩行驶的热能驱动车，最终实现液态乙醇燃烧驱动小车沿“8”字轨迹行驶。

关键词：热能驱动车；模块化设计；凸轮设计

中图分类号：TP23  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0053-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.014

基金项目：2021年度湖北省大学生创新创业训练项目“基于‘8轨的热能驱动汽车结构创新设计”（S202111072063）；武汉市教研项目“新工程背景下工程实训智能制造实训教学体系的构建与研究”（2021041）

1    热能驱动车总体设计

1.1    设计目的

热能驱动车赛项所设定的赛道场景如图1所示。驱动车场地为一块5 200 mm×2 200 mm长方形平面区域。图中粗实线为边界挡板和中间隔板，两块长1 000 mm的中间隔板位于两条直线段赛道之间。赛道上的点画线为赛道中心线，赛道设置了两个1 100 mm×1 100 mm出发区，驱动车发车时可以放置在任意一个出发区内的任何位置，按逆时针方向发车运行，图1中黑线为小车运行轨迹。在赛道中心线上放置有障碍桩，障碍桩为直径20 mm、高200 mm的圆棒，赛道中心线直线段上障碍桩的间距由现场抽签决定。根据大赛要求，拟设计出一款可平稳运行的基于“8”字轨迹的热能驱动车。通过斯特林发动机提供动力对小车进行驱动，实现小车的曲线绕桩行驶[1]。

1.2    设计思路

根据驱动车成功绕桩的评定规则，在SolidWorks中利用样条曲线对热能驱动车的运行路线进行绘制。通过轨迹得到主要传动零件凸轮周期内的升程和降程数据，利用SolidWorks和Matlab对凸轮形状进行设计和优化，同时综合考虑驱动车的整体尺寸和运行轨迹的瞬时曲率半径，对热能驱动车的其他机构进行设计和优化处理。绘制热能驱动车的三维模型，并在SolidWorks中进行运动仿真验证设计的合理性。最终制作出热能驱动车的实物并进行调试，使其能够在规定的轨迹上平稳运行。其总体设计流程图如图2所示。

该热能驱动车由动力源、传动区、转向区、车身和行走机构五个模块组成。如图3所示，通过液态乙醇燃烧产生的热能驱动斯特林发动机产生动能，动能通过传动区带动主动轮和凸轮转动，主动轮转动带动从动轮转动，从而达到小车平稳行驶的目的。通过凸轮与推杆的配合运动实现驱动车的换向，完成“8”字轨迹的行走。其动力传递流程如图4所示。

2    热能驱动车机构设计

2.1    转向机构

驱动车的转向机构整体组成如图5所示。

2.1.1    微调机构设计

驱动车在导向推杆的基础上增加了微调装置——螺旋测微器。通过螺纹调距来控制导向推杆与凸轮回转中心之间的距离，减小由装配误差引起的凸轮与前轮之间基准半径的变化，从而防止小车偏离既定轨迹[2]。

2.1.2    凸轮设计

按照竞赛命题，在SolidWorks中根据桩数和桩距用样条曲线拟合出小车行径轨迹，如图6所示。

对轨迹图的升程和降程进行划分，取基圆半径为40 mm，测量升程和降程中特殊点的各参数值，测量及计算结果如表1所示。

经过多次反复试验并结合Matlab仿真得出参数，将各参数值对应输入凸轮设计软件，如图7所示，利用凸轮设计软件得到三维凸轮，如图8所示。

2.2    传动机构

为使凸轮与小车轨迹同步且传动机构具有良好的传动性能，对于热能驱动车传动机构的设计提出3种方案，如表2所示。

经过方案对比，最终选择齿轮组配合带轮组传动作为热能驱动车的主要传动形式。斯特林发动机输出的动力通过带轮组传递给主动轮轴，主动轮轴将获得的动力通过齿轮组传递给凸轮。同时，为了整车设计时结构更加紧凑，将带轮系传动和齿轮系传动分别置于斯特林发动机两侧[3]。

2.2.1    齿轮传动机构

由于热能驱动车运行的路径较长，而凸轮的运行路径较短，为使凸轮与小车轨迹同步，需要做减速处理，这样可以使凸轮的运行轨迹和小车的运行轨迹相互对应。预设后轮直径D主动轮=174 mm，得到主动轮周长S2=πD主动轮，根据轨迹图测量得到驱动车“8”字轨迹周长S1=11 539.5 mm，则由式（1）得到i=21.12，按最小误差进行圆整取i=21，再次由式（1）求得主动轮实际周长S2=549.5 mm，D主动轮=S2/π=175 mm。

S1=i×S2（1）

因为传动比较大，采用一对齿轮啮合将会导致车身尺寸大，不利于小车避障，故采用二级齿轮传动，由传动比计算得齿轮的齿数为35/105，26/182（主/从）。同时，为避免制造误差产生的齿轮多边形效应，且在传动中小模数的齿轮运行平稳，瞬时传动比也比大模数的齿轮要准，所以在条件允許的前提下，选择齿轮模数为0.5[4]。

如图9所示，将两对齿轮分别布置于轴承座的两端，提高了空间的利用率，使小车结构更加紧凑，两对相互啮合的齿轮将凸轮的转动和后轮的运动相互连接。

2.2.2    带轮减速机构

斯特林发动机输出轮转速高达300 r/min，发动机的功率一定，速度过大会使驱动车在启动时因转矩过小而不能启动，为使驱动车启动更加容易，行驶更加平稳，在斯特林发动机和右后轮轴之间加入带轮减速机构做降速处理，以达到减速增矩的目的[5]。

式中：D输出为发动机输出带轮直徑20 mm；D1为塔轮1的大径50 mm；D1′为塔轮1的小径20 mm；D2为塔轮2的大径50 mm；D2′为塔轮2的小径20 mm；D3为塔轮3的直径50 mm。

由式（2）计算得i减速=62.5。如图10所示，塔轮1连接发动机的输出带轮，带轮连接驱动车输出轴，塔轮2在两者之间起连接作用，通过此带轮组达到减速输出的目的。

2.3    车身和行走机构

如图11所示，根据转向机构和传动机构的设计和位置分布，设计车身底板的形状并预留轴承座安装孔位。

如图12所示，考虑到小车在转向时，外侧后轮比内侧后轮行进的路程长，为了平衡两轮速度的差异，采用不同轴的大小轮实现差速转向。小轮作为从动轮，大轮作为主动轮固定在输出轴上。

3    热能驱动车整体

通过上述对驱动车各个模块的设计，在SolidWorks中对热能驱动车的零部件进行绘制和装配，装配图如图13所示。

4    结语

本文对基于“8”字轨迹热能驱动车的结构创新设计进行介绍，将热能驱动车总体的设计分为动力源、传动机构、转向机构、车身和行走机构五个模块，利用SolidWorks和Matlab软件对凸轮进行设计和优化处理，采用带轮组对驱动车进行减速增距，采用小模数齿轮和二级齿轮传动对驱动车进行二次减速，最终得到按照“8”字轨迹平稳绕桩行驶的热能驱动车。本设计的合理性和有效性在实际运行中也得到了验证，在省赛中取得了较好的成绩。

热能驱动车以可再生能源为燃料，将热能转化为动能，实现了能源的有效利用；且热能驱动车的车身都由可回收材料制成，实现了节能环保，可为新能源车的设计和研发提供思路和参考。

[参考文献]

[1] 刘志峰，黄海鸿，李磊，等.绿色制造：碳达峰、碳中和目标下制造业的必然选择[J].金属加工（冷加工），2022（1）：15-19.

[2] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 郭卫东.机械原理[M].2版.北京：科学出版社，2013.

[4] 机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5] 王伯平.互换性与测量技术基础[M].4版.北京：机械工业出版社，2013.

收稿日期：2023-02-23

作者简介：张朝刚（1982—），男，山东枣庄人，硕士，高级实验师，研究方向：机械工程。