基于热能驱动小车的设计与研究*

彭 利，蒋东霖，马晟哲，韩 潇，常 迁

(长春师范大学工程学院，吉林 长春 130032)

0 引言

为了保护我们赖以生存的环境，现在的产品不仅要质量好还要求环保，实现可持续发展。目前市场上具有控制方向功能的小车大多需要消耗能源，处理不当就会造成污染，不符合保护环境的理念。

设计并加工一辆热能无碳小车，将酒精灯产生热能转换为小车前进并自动躲避障碍的机械能，同时优化小车的绕障碍数量，提高小车的平稳性，这要求在设计及加工过程中尽可能提高零件的加工精度。此小车不仅绿色环保、节能、而且方便，经济。

1 小车系统方案设计

1.1 车架设计

车架是无碳小车的基础部分，负责支撑起整辆小车中所有的机构，使它们可以完成相互之间的配合工作，从而驱动小车前进。小车车架的材料选择铝板，小车的加工精度也有一定的要求，因此采用数控机床切割来进行加工。

1.2 发动机设计

图1 发动机

对于热能驱动小车，它的动力需要通过热能来转化，因此选择斯特林发动机作为此小车的源动力。斯特林发动机，也称为热气机，它是通过气缸内的氢气或氦气的冷却、压缩、吸热、膨胀一系列的过程周期循环，使活塞运动，带动大飞轮转动，为外界提供动力。

1.3 传动机构

传动机构是要把动力传到转向机构和驱动轴上，它需要具备传动平稳、传动效率高、结构简单、重量轻等特点，这样就能让它精准地按照预定轨迹前进。不用额外的传动装置，驱动轴直接由热机输出轴驱动，效率最高。传动过程中为保证不消耗太多能量，选择齿轮传动，在传动轴上安装两对相互啮合的齿轮，即3与4啮合，5与6啮合。由于使用的斯特林发动机有较高的速度，空载时速度非常高，但放在地上时，小车却无法行走，于是决定增加带传动，采用带传动与齿轮传动复合的形式。带轮结构简单，传动平稳，价格低廉，且能够吸震缓冲，使得整个传动机构更加的流畅。

图2 传动机构

1.4 转向机构

转向机构直接决定着小车能否实现环s形前进并绕过赛道上的障碍物，需要尽可能的减少能量的消耗，同时还需要满足一些特殊的运动特性，可以带动主动轮轮转动从而实现自主拐弯，达到避障的功能。将酒精灯产生的热能转换为小车运动的机械能，从而带动凸轮转动。在确保轨迹重合的情况下，小车可反复按照轨迹行走。小车导杆与凸轮在橡皮筋的作用下接触，当凸轮转动时，带动它跟着运动，进而导致轨迹的变化。

图3 转向机构

1.5 驱动系统

驱动系统即三个轮子，有大小之分，其中小车右轮为主动轮，左后轮为从动轮，左前小轮为转向轮，需考虑轮子的直径，直径越大，受到的摩擦力越小，行驶的距离理论上就越多。但具体尺寸还需考虑安装问题。小车通过斯特林发动机为整个系统提供源动力，带动主动轮旋转，通过齿轮传动将力矩传递给凸轮，凸轮的旋转和皮筋的共同作用会带动凸轮轴的逆、顺时针的旋转，最终带动转向轮的转向工作。

图4 驱动系统

1.6 微调机构

1.6.1 结构的调整

本小车在分体舵处安装螺钉及螺母配合的微调机构，通过调节螺钉的杆长，以此来调整小车行驶的轨迹，使轨迹可以更加精确，小车的发车角度和发车位置也能得到调整，当发现小车轨迹不重合并提前相交时，需松开一点螺钉，当小车轨迹不相交时，需拧紧螺钉，每次调节不超过当前位置的1/4，防止过度调节，使小车顺利绕过障碍。唯一不足的是此微调机构配合精度比较低，调整次数过多时，螺钉螺母会出现松动的情况，行进状态得不到保障。

1.6.2 轨迹周期调整

轨迹周期出现问题的根本原因在于小车凸轮位置的摆放不合理。调试小车时出现各种不同的情况，应对不同的情况采取不同的调整办法。当实际周期大于理论周期时，应适当往里调整凸轮；当实际周期小于理论周期时，则应适当往外调整凸轮。

2 仿真分析

轨迹仿真主要采用迭代的方法。大致方法为：将路程分成N份，从初始点开始，一步一步迭代求出下一节点的坐标，进而仿真出轨迹。仿真目标为后轴中心、主动轮、从动轮和前轮的轨迹，具体的轨迹仿真步骤如下：

经以上分析可知小车的部分确定参数如下：前后轴距离A、主动轮的偏距eL、小车行走过程的曲率p、凸轮旋转一圈时的主动轮路程L。设置小车的前轮转角为θ。

将路程分为N份后，每两节点间主动轮前进的距离Ly=L/N，经分析可得，每两节点间后轴中心前进的距离L1=Ly/(1+p×eL)，从动轮前进的距离Lz=Ly×(1-p×eL)/(1+p×eL)，前轮前进的距离为Lq=l/cos(θ)。

节点间距离确定后，便可开始轨迹的仿真，以后轴中心的轨迹仿真为例。设置小车后轴中心的初始位置为(-1.8，0)，主动轮、从动轮和前轮的初始坐标也可以根据小车结构参数求得。

求解所得的仿真轨迹如图5、图6所示。

图5 后轴中心轨迹

图6 前轮、主动轮、从动轮轨迹

3 数据分析

3.1 小车基础参数

1)根据所设计的路线和后轮的大小，决定总传动比为687.5。

2)根据CAD模拟赛场及路线轨迹，得到初赛时小车理论路程为11344.328 mm，决赛小车理论路程为11344.341 mm。

3)大轮直径为50 mm，小轮直径为10 mm，单级传动比为5，主动轮总传动比为25。

4)小齿轮齿数20齿，大齿轮齿数102齿，中间轴大齿轮齿数112齿，模数均为1，齿轮传动比为28。

5)主动轮偏距eL=77.5 mm，从动轮偏距eL’=50 mm，后轮直径rh=130 mm。

6)热效率为0.00416，加热量Qh=96 W。

3.2 小车运动参数

查资料可知，小车的最佳行走速度为0.2～0.4 m/s，在设计过程中，取值0.3 m/s，则后轴转速n1为48.07 r/min。

凸轮轴转速n2为8.85 r/min，取凸轮轴和后轴直径为5，则后轴输入功率P2为0.065 W，齿轮精度8级，采用一般齿轮润滑，则齿轮间的传动效率为0.97，前轴的输入功率P1为0.62 W。

4 小车轨迹偏差分析与调试

4.1 轨迹偏差理论分析

1)凸轮位置的影响。凸轮越接近车架，则轨迹周期越小，越远离车架，轨迹周期越大。需找到一个合适的位置来确保小车既不会出界也不会撞到中间挡板。

2)发车角度的影响。在调试过程中，第一圈就发现小车轨迹整体偏移并跑出赛道，则是因为发车角度不正确，需要通过不断的尝试选择合适的发车角度。

3)发车位置的影响。发车位置的不同导致小车轨迹位置不一样，则不能保障小车安全的绕过障碍物。

4.2 调试操作方法

4.2.1 精准的轨迹周期

制造装配存在误差，车轮与地面存在摩擦力，这些原因都可能引发小车在调试过程中出现轨迹不重合以及实际周期大于或小于理论周期。通过摆放物体记录小车前行的轨迹，在轨迹重合的前提下观察实际周期。经这一系列步骤来使误差降到最低。

4.2.2 保证重复运行轨迹一致性

在确保轨迹调节正确后，对发车进行精确定位来保证小车自动并连续的绕过障碍物，发车定位分为以下3个步骤：

1)凸轮位置定位。本车用凸轮进行导向，用顶丝顶住轴，在行走过程中使凸轮不能来回窜动，以保证每次发车后得到的轨迹相同。如发现周期过大，往里调整凸轮，周期过小，则往外调整。

2)发车角度定位。每次发车都借助直角尺记录下发车的位置。多次重复发车角度，观察运动轨迹，当小车不跑出边界或撞到中心障碍物时即为正确的角度。

3)发车位置定位。观察小车与绕过的障碍物之间的距离，当距离过长时，往后调节发车位置，当距离过短或并没有绕过障碍时需往前调整发车位置。调节完毕后，利用亚克力板明确位置。

5 结论

在设计过程中，通过查询资料，首先根据轨迹设计一个凸轮，分析运动轨迹，SolidWorks进行建模和仿真。不断优化设计，然后再加工装配，进行跑合，让小车各个机构衔接更加流畅；在调试时，该微调机构配合精度比较低，需要反复调试，把小车轨迹完全调重合后才能确保小车前进的距离。设计的小车虽达到了预期目标，但是还有待进一步的研究和优化。