一种太阳能驱动自行小车模型设计.pdf

第3 9 卷 第4 期 2 0 1 1 年1 2 月 江汉大学学报(自然科学版)J J i a n g h a n Un i v (Na t S c i E d )VO 1 39 NO 4 De c 201 1 一种太阳能驱动A行小车模型设计 陈伟，赵天婵(江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉4 3 0 0 5 6)摘 要：利用四杆机构的Y-作特性，通过内联传动，完成以太阳能为动力源，能够 自动转向并且按 预定轨迹运行的 自行小车模型设计，很好地利用了四杆机构的机械特性，达到了运用简单机构实现复杂 运 动的 目的，同时也体 现 了低碳 环保的理念 关键 词：太阳能；四杆机 构；转 向功能 中图分类号：U 4 6 9 7 2 1 文献标志码：A 文章编 号：1 6 7 3 0 1 4 3(2 0 1 1)0 4 0 0 5 6 0 4 能源 危机是 制 约人类 社会 前进 的一 个重 要 因 素煤、石油、天然气这些传统能源不仅污染严 重，而 且 已经 消耗 殆尽 太 阳能作 为 一种 新 型 的 清洁能源，正在我们的生活中扮演着重要 的角 色笔者基于一定尺寸的太阳能电池板，根据光 电转换原理，设计了一种可将光能转换为电能并 可用于驱动小车行走的装置 小车行走过程 中能 自动 以“s”形 避 开 间 隔 1 m 的 障碍 物(直 径 2 0 m m、高 2 0 0 m m 的弹性 障碍棒)，小车要求采 用三轮结构(前轮为转向轮，后轮为驱动轮)1 设计方案 1 1小车理论运行轨迹设计 该小车的驱动轮和转 向装置为运动的执行机 构，且二者之间构成内联传动，所 以对它们之间 的相对运动有严格的要求 为了确定各种运动参 数，需要设计出小车理论运行轨迹，如图 1 所示，为参照点，为小车起点位置，A O=1 0。y 1 0 o 7。C 一一一 7 一 一 、E B F 一 4 D C L一 t 一1 o 一 1 0 o o 1 0 0 0 【图 1 小车理论运行轨迹图(单位：m m)A E-B 一 F-C I 的轨迹方程为=1 7 6 c。s()，一E B，c 各点的斜率满足 】7 6兀，兀、Y 一1 0 0 0 s in t 而 _ J 由此，可以得出小车行驶中最大偏角=a r c t a n1 Y I=2 9。一个周期内小车走过的路程 2 00 0 S=d x=2 3 0 0 m m 0 设计驱动轮与转 向机构的传动 比i，=6，即 一个 完整 转 向周 期 内后轮 转 动 6圈，可 以得 出后 轮 直 径 D =2 3 0 0 6 n=1 2 2 m i l 1 考虑选用 电机 的功率 以及小车行驶 的速 度，设计 电机输 出轴与驱动轮轮轴 的传动 比 i：=3 如果 i 过大，则电机输 出轴所产生的力矩可 能不足以驱动小车前行；而 i 过小，则小车运行 的速 度很 大，会 造 成传 动 的不 平稳 1 2 电机选用 电机的启动 电流越小越好，这样便于小车启 动 同时电机 的额定工作 电压要能够承受太阳能 板的峰值电压和峰值电流，考虑到没有任何 的储 能装置，所 以电机 的自身功耗要尽可能低电机 还 要有 足 够大 的力 矩并 满 足 要求 的转 速，所 以应 选 择具 有 合适 减 速 比的 电机 根 据 上述 要 求，最 终选择型号为 M0 5 5 5的空心杯电机，扭矩约为 1 2 k g c m，与该电机可配合齿轮箱组件：减速箱 K 2 4，减速比 2 0：1，直径 2 4 mm，其技术参数如 表 1 所示实验测出 MB F 1 0电池板各种 1 作参 数如表 2所示 收稿 日期：2 0 1 1 0 4 2 1 作者简介：陈伟(1 9 9 0-)，男，湖北十堰人，主要从事机械设计及其 自 动化研究 2 0 1 1 年第4 期 陈伟，等：一种太阳能驱动自 行小车的模型设计 5 7 最大功率 w 最佳工作电压 v 最佳工作电流 A 短路电流 A 开路电压 v 最大系统电压 v 1 0 1 7 5 0 5 8 0 64 21 5 1 0 00 表 1、表 2各项参数表明 M0 5 5 5空心杯 电机 可以在太 阳能 电池板MB F 1 0的作用下正常lT作 同时考虑到小车在行驶 中有载重要求，估算小车 最大 质 量=1 5 k g，后 轮 直径 D 后=1 2 2 m m，因 此可以估算小车的启动转矩 1 1 =I M g D e 寺 0 1 1 5 1 0 0 1 2 2 0 0 9 1 5 N m，电机输出转矩 T=1 2k g c m=1 2 1 00 01 0 1 2Nm 易得 TT ，综上可知选用的电机满足工作 要 求 J 2 结构设计 2 1传动机构设计 小 车 的动力 主要 用 于 两个 方 面：一 是 驱动 小 车前行，二是驱动小车转 向二者属于 内联传 动，因此要求运动传递准确同时，考虑到小车 结构 的大小，要求该传 动装置结构紧凑常用的 传动装置有带传 动、链传动、齿轮传动如果使 用带传动，为了防止打滑，必须给予一定的张紧 力考虑到零件的加工精度和小车装配精度，张 紧力的作用可能会增加轴转动时的摩擦，甚至会 出现卡死现象，同时，由于对带轮 中心距 的要 求，会增大小车的结构尺寸；如果使用链传动，则不能保持恒定的瞬时传动 比，而且要求两轴相 距较远；而齿轮传动可以有较高的传动效率，结 构紧凑简单，传动 比稳定，容易实现传动要求，因此小车采用齿轮传动 J 图 2为小车主体结构简图，图 3为传动示意 图齿轮 1、齿轮 2、齿轮 3、齿轮 4为标 准 渐开 线直齿轮，模数 m均为 1 5，它们一起组成小车 的传动系统，电机带动齿轮 4运动，齿轮 4与齿 轮 2啮合传动，齿轮 2、齿轮 3、及后轮 6同时 固连在后轮轴 I I上所以，齿轮 2带动后轮运 动同时，又将运动通过齿轮 3传递给齿轮 1 而 齿轮 1 与曲柄 8 也同时固连在轴 I 上，因而曲柄 8将绕轴做 回转运动这样，曲柄 8作为转 向机 构的原动件，带动滑块 1 0在滑槽 9内做往复直 线运动再通过前 轮导 向轴 1 1的作用，就可以 实现前轮周期性 的左右偏转 卜 订 _ 1 I _ _ 7 _。i ”，r _ T I ，、一 、I、f 或 l ：，肇辨 一广、l f 一_ 十 I l 轰一 L 1 、一 、w、1、2、3、4 齿轮 1、齿轮 2、齿轮 3、齿轮 4，5 一 电机 支撑板，6 后轮，7 一 侧板，8 一 曲柄 9 一 滑槽，1 0一 滑块，1 1 一 导向轴 图 2 小 车主体结构简图 图 3 机构传 动示意图 2 2转 向机构设计 由小车的运动要求可知，、玄转向机构应具有 对称性和周期性四杆机构、凸轮机构、蜗轮蜗 杆机构等都可以达到要求从机构 的复杂度、加 工制作 的难易度以及安装的精度要求和可调性等 几个 方 面考 虑，决 定选 用 四杆 机构 在 主动 杆是 连续 回转运 动而从 动杆是 往复运 动的四杆机构 中，正弦机构是运动对称性最好的一种同时其 加工制作简易，可调节性好，所 以利用正弦机构 工作原理设计转向机构 如 图 4所示，该机构需要确定的参数有曲柄 的长度 f 、滑块的长度 以及滑块相对于前轮 5 8 江 汉大学学 报(自然科 学版)总第3 9 卷 轴 t2 线的垂直距离 f 3 为曲柄瞬时旋转角度，为滑块行程，0为前轮导 向轴的偏 角其 中 f 1、，3 取值将直接对、0产生影响，从而影响小 车行驶过程 中的运行轨迹为此必须严格控 制 f l、f 、，j 者之 间 的尺 寸关 系 l 2 7777_ 图 5 底板尺寸结构(单位：mm)车底板是整个小车的载体，它既要承载电池 板也要安装传动和转 向装置，因此底板结构设计 的合理与否将直接影响小车整体性能的好坏 其 外形尺寸的确定主要依据电池板 的大小进行设 计，在能确保安放 电池板的前提下应以节省材料 为原则，同时应尽量使各部件之间结构紧凑电 机支撑板与侧板二者的安装位置是根据齿轮 2、图6 底板三维模型 4(见图 2)啮合时二者 的中心距确定 的，同时 还要 保证 电机 安装 后不 会与后 轮 发生干 涉 而滑 槽的安装位置则是由转 向机构各部分尺寸确定，滑槽安装后应该确保滑块能平滑地做往复直线运动 2 4 电池板安装位置设计 太阳能电池板接收太阳光的多少与太阳光的 入射 角度有密切的关系，当阳光垂直照射 电池板 时，太 阳能利用率最大如 图 7所示，a、b、C、d为 电池板 4个安放位置，根据实际情况选择不 同的安放位置 其中位置 e则是 出于对 电池板 的 保护所设计 的，当小车不工作时，可以将 电池板 平放在 e位置，以确保当小车遇到某些特殊情况 时不至于摔落电池板 图 7 电池板安放位置示意图 3 设计 中需要注意的问题及分析 小车整车装配完成后，在调试过程 中存在一 些 问题 一 个 最 突 出的 问题 是小 车 总是 朝一 个 方 向跑偏，驶离正确的运行轨迹对于这一现象的 产 生，做 出了 以下 分析：(1)正 弦机 构 中，当主 动 曲柄做 等 角 速 回转 运 动时，从 动滑块 做简谐运 动，从 实际问题考 虑，要求小车应该平稳地绕过障碍物，所以要求 滑块做近似等速运动，则主动 曲柄必须做相应的 变角速转动然而在实际操作中，太阳能电池板 直接接受阳光输送能量，由于各种不确定 因素，导致能量大小时刻变化，不能保证 曲柄以理论角 速度转动 因此导致小车在转 向过程 中产生加速 度，从而影 响其正常运行轨迹 2 0 1 1 年第4 期 陈伟，等：一种太阳能 驱动自 行小车的模型设计 5 9 (2)前轮在运动中的受力情况如图 8所示 滑块对前轮的作用力，可以分解为、使 前轮受到扭转力矩 的作用实现转 向，F 2 则使前轮 受 离 心作 用，当小 车受 到 的地 面对 其摩 擦 力较 小 时，则会出现侧滑，也会导致其驶离正确的轨迹 而 出现 跑偏 的情况 图8 前轮受力示意图(3)小车车身主要部件的制作材料是有机玻 璃，而在零部件安装过程中许多地方用到轴承 两种材料的强度、刚度差别很大，很难有较高的 装配精度保证，故而不能保证各部件之问精确运 动传递，这也会直接影 响小车实际运行轨迹 针对上述问题，为了使小车具有更精确 的运 动轨 迹，应 该 从 以下 几个 方面 进行 改 进：(1)采用符合实际需求的变速装置，使得曲 柄做相应 的变角速运动 (2)更换小车主要部件制作材料(可以考虑 合金)，保证一定的刚度、强度，并采用合适的 加工方法，确保加工精度(3)增大车轮与接触面的摩擦 系数(例如采 用橡胶套)，并减小车轮与地面的接触面积 4 结语 该太阳能驱动具有转向功能小车实物模型如 图 9所示 图 9 小 车实物模型 该小车成功地将太 阳能转化为电能，达到 了 节能环保的 目的，同时合理地运用四杆机构 的原 理，完成 了预 期 的 目标 然 而，对 于实 际 中 出现 的问题，还有许多方面有待改进 参 考 文 献：1 J 郑文纬，吴 克坚 机械原理 M 北京：高等教 育出版 社 1 9 9 7 2 华大 年，华志宏 连杆机构设计与应用创新 M】北京：机械工业 出版社，2 0 0 7 【3】濮 良贵，纪名 刚 机械设计 M1 北京：高等教育出版 社，2 0 0 6 【4 哈尔 滨工业大学理论力学教研室 理论力学(I)【M】北 京：高等教育 出版社，2 0 0 2 De s i g n o f a S o l a r Po we r e d M o de l Ca r CHEN W e i，ZHAO Ti a n c h a n (S c h o o l o f E l e c t r o me c h a n i c a l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g，J i a n g h a n U n i v e r s i t y,Wu h a n 4 3 0 0 5 6，H u b e i，C h i n a)Ab s t r a c t：On t h e b a s i s o f f o u r b a r l i n k a g e a n d l n n e r l i n k e d t r a n s mi s s i o n，a s o l a r p o we r e d mo d e l c a r wa s d e s i g n e d，w h i c h c o u l d c h a n g e d i r e c t i o n a u t o ma t i c a l l y a n d f o l l o w a p r e s c r i b e d t r a j e c t o r y By u s e o f t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f o u r b a r l i n g k a g e，c o mp o u n d mo v e me n t wa s r e a l i z e d wh i c h a c h i e v e d b y s i mp l e me c h a n i s ms F u r t h e r mo r e，i t g a v e e x p r e s s i o n t o l o w c a r b o n e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n Ke y wo r d s：s o l a r p o we r；f o u r-b a r l i n k a g e；s t e e r i n g f u n c t i o n (责任编辑：曾 婷)