張?zhí)煊睿?馬　帥， 李恩智， 劉　禎

(湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽(yáng)　441053)

0　引　言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)逐步增強(qiáng)，“無(wú)碳”的設(shè)計(jì)理念也越來(lái)越受到重視[1]。教育部高教司發(fā)文舉辦的以無(wú)碳小車為主題的全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽將機(jī)械與環(huán)保結(jié)合在一起，旨在提倡無(wú)碳環(huán)保的設(shè)計(jì)理念[2]，現(xiàn)已成為機(jī)械專業(yè)大學(xué)生參與的比較重要的賽事之一。參賽者根據(jù)比賽要求設(shè)計(jì)制作出無(wú)碳小車，在比賽過(guò)程中能夠很好的提高設(shè)計(jì)者的提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，深受各大高校學(xué)生們的歡迎。根據(jù)比賽的設(shè)計(jì)要求，無(wú)碳小車只能通過(guò)將砝碼下落過(guò)程中的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)前進(jìn)和繞開障礙物，不能使用其他形式的能量。在實(shí)際的設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，由于無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有文獻(xiàn)使用數(shù)學(xué)方法推演小車的運(yùn)動(dòng)軌跡[3-7]，但并沒有對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬驗(yàn)證，因此運(yùn)用Adams對(duì)小車進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)仿真，將得到的結(jié)果與理論計(jì)算相對(duì)比，可以檢驗(yàn)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1　無(wú)碳小車設(shè)計(jì)方案

小車的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)碳小車主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將砝碼的重力勢(shì)能傳遞至車輪用以驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制小車的前進(jìn)方向，使小車可以繞開預(yù)定的障礙物。因?yàn)樵诒荣愔姓系K物之間的間距并不確定，所以還需要調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用來(lái)微調(diào)小車的轉(zhuǎn)向角以及傳動(dòng)比。

1.1　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將砝碼的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)。小車對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求:①驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過(guò)大傾翻，或砝碼晃動(dòng)過(guò)大影響行走;②到達(dá)終點(diǎn)前砝碼豎直方向的速度要盡可能小，避免對(duì)小車產(chǎn)生過(guò)大的沖擊。同時(shí)使砝碼的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)的動(dòng)作上，如果砝碼豎直方向的速度較大，砝碼本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高;③由于不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦力可能不一樣，在不同的場(chǎng)地小車所需要的動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)不能確定所需驅(qū)動(dòng)力的大小，所以原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要進(jìn)行調(diào)整;④機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

1.2　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)走固定“s”形路線的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。根據(jù)最優(yōu)原則我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。小車的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)圖　　　1.前輪　2.轉(zhuǎn)向架　3.T型桿　4.連桿　5.曲柄　6.左后輪　7.后軸　8.中間軸　9.齒輪4　10.齒輪3　11.右后輪　12.齒輪2　13.齒輪1　14.前叉　15.前軸　16.繞線輪

1.3　調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

比賽時(shí)會(huì)根據(jù)抽簽決定每個(gè)障礙物之間的距離，所以要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按比賽要求的軌道精確地行駛，就必須要有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)小車的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，以修正小車的轉(zhuǎn)向角以及傳動(dòng)比等數(shù)據(jù)。

2　整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

砝碼下落通過(guò)繞線輪帶動(dòng)前軸轉(zhuǎn)動(dòng)前軸上的齒輪1和中間軸上的齒輪2嚙合，帶動(dòng)中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)。中間軸上的齒輪3和后軸上的齒輪4嚙合，帶動(dòng)后軸轉(zhuǎn)動(dòng)，后軸使用單向軸承連接來(lái)實(shí)現(xiàn)后輪的差速傳動(dòng)，使小車能夠平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向。

2.2　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

繞線輪帶動(dòng)前軸轉(zhuǎn)動(dòng)，和前軸連接的曲柄連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)旋轉(zhuǎn)使T型桿做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，T型桿與轉(zhuǎn)向架接觸，則可以與轉(zhuǎn)向架做具有一定夾角的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前輪的來(lái)回?cái)[動(dòng)以繞開障礙物。

2.3　調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

通過(guò)調(diào)整繞線的粗細(xì)以及在繞線輪上的纏繞位置可以調(diào)整小車的傳動(dòng)比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的調(diào)整。前軸與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連接點(diǎn)以及T型桿與曲柄連桿的連接點(diǎn)的位置都是可調(diào)的，可以根據(jù)比賽現(xiàn)場(chǎng)的障礙物之間的距離進(jìn)行調(diào)整。

3　無(wú)碳小車的理論軌跡

第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的命題為“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車”。比賽要求參賽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一種通過(guò)重力勢(shì)能來(lái)驅(qū)動(dòng)的具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)的自行小車，且小車的轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，能夠適應(yīng)放有不同間距(700～1 300 mm)障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。重力勢(shì)能統(tǒng)一使用質(zhì)量為1 kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼(φ50×65 mm，碳鋼制作)來(lái)獲得，砝碼的可下降高度為400±2 mm，行駛過(guò)程中不允許從小車上掉落。要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)、材料選用以及加工制作均由學(xué)生自主完成[8]。

根據(jù)無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)方案，在假設(shè)障礙物間距為1 000 mm的情況下，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出了小車的理論運(yùn)動(dòng)軌跡，小車在理論條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡可以滿足比賽要求，能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，理論軌跡如2圖所示。

圖2　理論軌跡圖

4　Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

利用Adams軟件參數(shù)化建模功能和仿真功能[9]，對(duì)小車模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。Adams軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、力庫(kù)、約束庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。其求解器使用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、碰撞檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)范圍、峰值載荷以及計(jì)算有限元的載荷等。

4.1　模型描述

在對(duì)無(wú)碳小車進(jìn)行Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)小車的模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，增加仿真的成功性和減輕模擬的難度。小車前進(jìn)的動(dòng)能來(lái)源于砝碼下降的重力勢(shì)能，砝碼和繞線輪通過(guò)細(xì)繩連接，砝碼在下落時(shí)通過(guò)細(xì)繩帶動(dòng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，但是在Adams軟件中很難模擬出砝碼下落通過(guò)細(xì)繩帶動(dòng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在實(shí)際比賽中，小車一旦啟動(dòng)后所做運(yùn)動(dòng)基本為勻速運(yùn)動(dòng)，在瞬時(shí)速度變化不大的情況下，小車的運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)發(fā)生太大改變，因此在模擬的時(shí)候直接在繞線軸(前軸)上施加了一個(gè)恒定的驅(qū)動(dòng)速度。小車在運(yùn)動(dòng)時(shí)車輪與地面接觸，車輪與地面間的關(guān)系采用solid-to-solid類型，接觸剛度設(shè)置為25.11 N/m。

無(wú)碳小車各部分的接觸關(guān)系為：前軸和底板為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接；四個(gè)齒輪之間均為齒輪副接觸；左后輪與后軸為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接；前軸與曲柄為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接；曲柄與連桿為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接；連桿與T型桿為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接；T型桿與底板為移動(dòng)副接觸；T型桿與轉(zhuǎn)向架為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接；前叉與底板為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接；前輪與前叉為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖3所示。

圖3　運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

4.2　仿真結(jié)果

圖4為前輪中心運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖4　前輪中心運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)砝碼下落的速度計(jì)算出繞線軸的旋轉(zhuǎn)角速度，將其施加在繞線軸(前軸)上，無(wú)碳小車開始運(yùn)動(dòng)，選取小車前輪上的中心點(diǎn)提取出其相對(duì)x軸和y軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，所繪出的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，與理論分析的軌跡近似，誤差較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)　語(yǔ)

無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，采用單級(jí)齒輪傳動(dòng)，能量損耗較少，但是由于比賽的要求，小車的精度要求高并且要具有微調(diào)機(jī)構(gòu)，使得小車在設(shè)計(jì)時(shí)需要不斷的實(shí)驗(yàn)、模擬以選擇出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)使用Adams軟件對(duì)無(wú)碳小車模型進(jìn)行模擬分析，大大提高了設(shè)計(jì)效率、節(jié)約設(shè)計(jì)成本。無(wú)碳小車制作完成后，經(jīng)調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)繞開間距為700～1 300 mm的障礙物并平穩(wěn)前進(jìn)，證明了小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。