基于凸轮机构的“环S型”热能驱动车结构设计

张 硕，周洪艳，王 鑫，刘鑫明

(长春师范大学 工程学院，吉林 长春 130032)

0 引言

以“守德崇劳工程创新求卓越，服务社会智造强国勇担当”为主题的全国大学生工程训练综合能力竞赛，新增热能驱动车赛项并改用“环S型”赛道。沿赛道中心线放置10个障碍桩，障碍桩为直径20 mm、高200 mm的圆棒。比赛要求驱动车必须在发车区域内，并在发车线后按照规定的出发方向发车，前行方向为逆时针。

相较于原先的赛道，新型“环S型”赛道更加复杂，对无碳小车的整体要求更高。本文依据全国大学生工程训练综合能力竞赛热能驱动车赛项赛道要求，设计了一款斜推式“环S型”热能驱动车。热能驱动车完成动作所用能量由液态乙醇(浓度95%)燃烧所得热能转换而得。

1 “环S型”热能驱动车的总体设计方案

热能驱动车由微调机构1、转向机构2、传动机构3、斯特林发动机4和车体5组成，如图1所示。车体全铝合金制造，为驱动车提供可靠支撑；斯特林发动机将酒精燃烧产生的热能转化为机械能，负责为热能驱动车提供前进动力；转向机构位于车体前端，利用凸轮推动推杆获得预期运动规律；传动机构位于车体两侧，使驱动车以合理的速度前进；微调机构位于转向机构分体舵上，用于调整驱动车轨迹。

2 “环S型”热能驱动车的结构设计

2.1 主体设计

学校设备能提供的加工方式有激光切割、3D打印、金属加工三种，考虑到酒精燃烧十分危险，测试过程中难免出现意外，而ABS塑料和亚克力材料属于易燃物，为保证车身不会因测试过程中的失误损坏，选用金属加工的方式完成驱动车制造，同时由于铝合金相较钢材而言质量轻，故采用铝合金作为驱动车全车材料，利用车床、拉床、铣床和数控铣床加工出全车零件。

1-微调机构；2-转向机构；3-传动机构；4-发动机；5-车体

通过仔细研究竞赛规则和赛道数据，多次模拟尝试，规划车身整体空间尺寸。考虑到斯特林发动机在带有负载启动时容易启动失败，所以采取刚性传动的齿轮传动和挠性传动的带传动混合传动，既能保证整体传动稳定，又能在启动力矩骤变时保证发动机启动成功。经实验和模拟，确定车身整体空间尺寸(长×宽×高)为210 mm×144 mm×210 mm。

驱动车采用右后轮单轮驱动，左右后轮轴断开，利用差速器原理[1]，在减少能耗的同时，可以使左、右后轮产生速度差，过弯更加平稳。

2.2 传动机构设计

大赛要求热能驱动车只能由定量酒精燃烧作为能源，为了保证发车成功的情况下行驶更远的路程，驱动车采取齿轮传动和带传动混合传动的方法，传动机构如图2所示。主动轮5、小齿轮Z16与单槽带轮7同轴，发动机通过皮带连接双槽带轮8，双槽带轮又与单槽带轮7连接，为主动轮提供动力；小齿轮Z16与大齿轮Z33啮合组成齿轮副作为第一级齿轮减速，小齿轮Z24与大齿轮Z33同轴又与大齿轮Z42啮合组成齿轮副作为第二级齿轮减速，凸轮1与大齿轮Z42同轴达成减速目的。

1-凸轮；2-齿轮Z4；3-齿轮Z3；4-齿轮Z2；5-主动轮；6-齿轮Z1；7-单槽带轮；8-双槽带轮

确定凸轮1与主动轮5的传动比i，编写MATLAB程序如下：

aa=;bb=;cc=;

for i=chi1(1):chi1(2)

for j=i:chi1(2)

for k=j:chi1(2)

aa=[aa;i*j*k i j k];

end

end

i

end

for i=chi2(1):chi2(2)

for j=i:chi2(2)

for k=j:chi2(2)

bb=[bb;i*j*k i j k];

end

i

end

s0=size(aa);

s1=s0(1);

s0=size(bb);

s2=s0(1);

for i=1:s1

for j=1:s2

l=bb(j)/aa(i);

if l>tl/dd/pi-ex &&l

cc=[cc;l bb(j,:)aa(i,:)]

end

end

i

end

由以上程序算出所有满足要求的传动比分配情况。由于传动比较大，故选用二级传动，且将传动比i平均分配[2]，i=5.3×5.3=25.09，得i1=5.3，i2=5.3，取齿轮模数为1 mm，各齿轮的齿数取值如下：z1=z2=20，z3=z4=106。

主动轮5与凸轮1的传动为刚性传动，确保凸轮在旋转一周时，驱动车刚好能沿着轨迹运动一圈，推算出后轮直径为130 mm。发动机转速过快且力矩较小，所以用带传动连接发动机和主动轮，既能降低转速增大力矩，又能保障发动机启动成功。

2.3 转向机构设计

驱动车的转向机构采用斜推式，如图3所示。凸轮6在侧面推动推杆7进行转向，且设计成上、下两舵的分体舵，两舵都可以绕转动轴5进行旋转，给微调螺栓3留有调节空间，下舵2通过一根光轴10与转向轮1相连，制作合适的轴套，确保转向轮的最大截面圆和转动轴5的轴线在同一平面，使得转向轴的转动角度与转向轮的转动角度一致。上舵4连接推杆，且推杆上套有可转动尼龙套8，用滚动摩擦代替滑动摩擦以减小摩擦力[3]，避免凸轮与推杆卡死，导致转向机构失效。

凸轮进行定轴转动，橡皮筋9套在上舵上，这样推杆就在橡皮筋的作用下紧贴凸轮外轮廓，且绕转向轴做周期摆动，使转向轮进行周期转向，凸轮旋转一周，小车运行一圈。上舵4与下舵2都绕转动轴5旋转，转动微调螺栓3可调节上、下舵的夹角，从而调整驱动车运行轨迹的重合度，减少轨迹的误差积累。

1-转向轮；2-下舵；3-微调螺栓；4-上舵；5-转动轴；6-凸轮；7-推杆；8-尼龙套；9-橡皮筋；10-光轴

3 凸轮设计

3.1 基础理念

凸轮外轮廓的起伏经过转向机构的转换后变成转向轮的摆动，反向同样成立，将驱动车预想的轨迹和转向轮的摆动转化成笛卡尔坐标系里的周期波(推程/位移图，如图4所示)，再将周期波中的一个周期转化为极坐标系下的极坐标方程，其图像即为凸轮外轮廓图像，如图5所示。

图4 笛卡尔坐标系周期波

图5 极坐标系周期波

3.2 影响参数

本文采用MATLAB得到凸轮形状。需要事先确定的参数有：①前轴到后轮轴的距离a=117 mm；②后轮间距b=127.5 mm；③凸轮内侧相对前轮的偏移距离c=30 mm；④凸轮基圆直径d=90 mm；⑤凸轮厚度f=3 mm。

3.3 凸轮设计流程及部分程序

通过驱动车预想轨迹对凸轮进行模拟仿真，首先在Cero中模拟建立比赛赛道并规划出预设驱动车转向轮行驶的轨迹。将轨迹阵列出数千个点(点数越多，凸轮精度越高)，导出点集的坐标集，导入MATLAB程序当中，先算出笛卡尔坐标系里的周期波，取其中一个完整周期，再将笛卡尔坐标系转换成极坐标系，转换程序如下：

xa=;

ya=;

for i=1;s-1

xa=[xa p(i)*cos(alpha(i))];

ya=[ya p(i)*sin(alpha(i))];

end

xa=xa';

ya=ya';

n=1;s-1;

n=n';

o=zeros(size(n));

整个车体是刚性结构，在转向轮移动时，小车的两后轮会以一个最短的路径移到相应位置，即可确定两后轮的运动轨迹。同时由于在小车走完一圈后后轮中点不会回到原点，为了提高精度，重新设置后轮中点坐标，重新输出后轮移动曲线。重新输出的后轮轨迹程序如图6所示。

图6 重新输出的后轮轨迹程序

4 总结

本文将热能驱动车设计过程分为结构设计和凸轮设计两方面。首先，借助Creo和MATLAB软件对预定轨迹进行反向计算，推算出凸轮外轮廓形状；然后，辅以微调螺栓，纠正零件加工和装配中的误差，保证驱动车实际运行轨迹；最后考虑了发动机抖动和发动机启动阻力等各种实际影响因素，并选用混合传动的方案降低发动机带来的影响。采用本文设计的热能驱动车在全国大学生工程训练综合能力竞赛中获得了省赛一等奖的成绩，能够为后续参赛同行提供一定的参考。