基于工程訓(xùn)練的慣性小車的設(shè)計

莊集超，李德榮，林景亮，曾嘉煜，劉子浪

(廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東湛江 524088)

基于工程訓(xùn)練的慣性小車的設(shè)計

莊集超，李德榮，林景亮，曾嘉煜，劉子浪

(廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東湛江 524088)

針對大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中對慣性小車設(shè)計的要求，依據(jù)理論力學(xué)和機械設(shè)計基本知識，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出一種無動力慣性驅(qū)動直線行駛的純綠色環(huán)保型小車。通過SolidWorks 建模仿真和基于不同參數(shù)的實車調(diào)試發(fā)現(xiàn): 設(shè)計的小車結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，符合競賽要求，在競賽中可以跑完38 m標準賽道。

慣性小車；能量轉(zhuǎn)換；直線滑行；質(zhì)量分配；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

工程訓(xùn)練大賽對絕大部分的工科學(xué)生來說，都是一項具有足夠吸引力的賽事，而能夠代表學(xué)校參加全國性比賽，更是許多學(xué)生夢寐以求的榮耀。

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽，是2009年由教育部高等教育司舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實踐競賽活動，是國家“本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”資助賽事之一，也是教育部主辦的最具影響力的競賽之一。2016年廣東省工科大學(xué)生綜合技能訓(xùn)練大賽的競賽主題是慣性小車的設(shè)計與制作，競賽命題是參賽隊設(shè)計制作一輛無動力慣性直線滑行的小車，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。小車在規(guī)定的坡路以自身勢能釋放獲得動力，使小車行駛盡可能長的距離。根據(jù)省賽命題要求，結(jié)合某校工程訓(xùn)練中心及學(xué)生自身情況，設(shè)計一種新型三輪小車，利用給定勢能而不能使用其他能源，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理來驅(qū)動小車直線滑行。

1 慣性小車設(shè)計總體方案

1.1 小車設(shè)計要求

小車設(shè)計要求如下：

(1)小車為三輪結(jié)構(gòu)。

(2)小車的最大質(zhì)量為700 g；最大尺寸不得超過：長250 mm，寬150 mm,高80 mm。

(3)前輪輪轂與輪外緣之間至少有10 mm的環(huán)形范圍，這個范圍將用于比賽第二輪進行統(tǒng)一要求的設(shè)計和3D打印，具體結(jié)構(gòu)形式根據(jù)現(xiàn)場發(fā)放圖紙進行設(shè)計。前輪軸為階梯軸，最大外徑10 mm。

(4)要求小車行走過程中完成所有動作，所需的能量均由下滑時的勢能轉(zhuǎn)換獲得(若小車設(shè)計有儲能機構(gòu)，其能量均由小車下滑時的勢能轉(zhuǎn)換獲得)，不可使用任何其他的能量來源。

1.2 不同方案對比分析

根據(jù)比賽要求，為實現(xiàn)小車最大直線滑行距離這一目標，作者采用“前一后二”、“兩側(cè)板”設(shè)計。通過不同結(jié)構(gòu)實車試驗數(shù)據(jù)和原因分析(如表1所示)，將小車主要質(zhì)量集中在后輪，小車滑行距離最遠。

表1 實驗結(jié)果及分析

2 慣性小車設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

為實現(xiàn)小車慣性直線滑行，需考慮以下因素：質(zhì)量分配、運動平穩(wěn)、能量損耗、直線滑行。

(1)在保證小車設(shè)計尺寸要求下，加大后輪直徑和厚度增加質(zhì)量，使整車的重心后移和抬高以獲得最大重力勢能。

(2)后輪中心和前輪中心偏距15 mm，以保證小車下坡撞擊時不側(cè)翻，提高運動平穩(wěn)性。

(3)能量損耗包括內(nèi)損和外損：內(nèi)損由軸承摩擦和后輪動損造成；外損由風(fēng)阻、滾動摩擦和下坡時小車與地面的撞擊造成。加工和裝配時保證軸和軸承的同軸度，調(diào)節(jié)后輪的直徑和質(zhì)量，小車整體以流線型設(shè)計，減少車輪與地面的接觸面和調(diào)節(jié)前輪的直徑以減少損耗。

(4)小車質(zhì)量左右不對稱，會在滑行中偏向質(zhì)量輕的一側(cè)。

2.2 側(cè)板設(shè)計

采用兩側(cè)板結(jié)構(gòu)并鏤空處理，將最大限度的質(zhì)量集中在后輪。側(cè)板設(shè)計有軸承外殼孔,避免了軸承座質(zhì)量分配。兩側(cè)板用支撐柱連接，保證小車整體強度。慣性小車實物圖如圖1所示。

圖1 慣性小車實物圖

2.3 后輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

保證小車在相同的摩擦因數(shù)工況下行駛，小車的轉(zhuǎn)動慣量JF越大，小車滑行的距離越長。

假設(shè)后輪的質(zhì)量為m，質(zhì)量mi到中心軸的距離等于半徑R,所以后輪對于后車軸z的轉(zhuǎn)動慣量為：

JF=∑miR2=R2∑mi=mR2

后輪的轉(zhuǎn)動慣量與輪子的質(zhì)量和半徑平方成正比。

與輪緣相比，輪輻及輪轂的轉(zhuǎn)動慣量較小可略去不計。設(shè)GA為輪緣的重力，D1、D2和D3分別為輪緣的外徑、內(nèi)徑與平均直徑，則輪緣的轉(zhuǎn)動慣量近似為：

最佳設(shè)計是以最少的材料獲得最大轉(zhuǎn)動慣量JF，即應(yīng)把質(zhì)量集中在輪緣上?？紤]到實際加工質(zhì)量和軟件分析質(zhì)量的誤差，可在輪輻到輪轂之間增加配重。車輪與地面以線接觸的形式減少滾動摩阻，后車輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 后車輪結(jié)構(gòu)

2.4 前輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)比賽二輪要求，需回收前輪和前車軸，現(xiàn)場加工前輪和車軸再次裝配競賽，為此前輪結(jié)構(gòu)設(shè)計為方便裝卸結(jié)構(gòu)。通過緊定擋圈固定于車軸，兩側(cè)板的預(yù)緊力使車軸固定靜止。前輪和軸承一體式設(shè)計，極大地降低了軸和車輪同軸配合的難度，如圖3所示。

圖3 前輪結(jié)構(gòu)

2.5 前車軸設(shè)計

前車軸設(shè)計成階梯軸，最小直徑4 mm。由圖4、圖5看出：在外載荷的作用下，車軸形變量微小且剛度滿足要求。

圖4 前車軸等效應(yīng)力圖

圖5 前車軸等效應(yīng)變圖

3 結(jié)論

此次設(shè)計的慣性小車結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、傳動件少、能耗較低，利用重力勢能轉(zhuǎn)化為小車運動的動能，且沒有間接能量轉(zhuǎn)換。根據(jù)機械設(shè)計和理論力學(xué)的基本知識，對小車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進行了設(shè)計和計算，并對小車的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用SolidWorks進行了運動仿真分析。實踐證明: 該車結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，

性能優(yōu)良，小車行駛平穩(wěn)，符合性能要求。

【1】王斌，王衍，李潤蓮，等．“無碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計[J]．山西大同大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，28(1):59-62． WANG B,WANG Y,LI R L,et al.The Design of “Carbon-free Vehicle”[J].Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition),2012，28(1):59-62．

【2】聞邦椿．機械設(shè)計手冊[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

【3】陳家瑞．汽車構(gòu)造:下冊[M]．北京:人民交通出版社，2006．

【4】濮良貴，紀名剛．機械設(shè)計[M]．8版．北京:高等教育出版社，2006．

【5】鄒光明，楊秀光，黃川,等.以勢能驅(qū)動的渦卷彈簧儲能小車研究[J].機械設(shè)計,2012,29(4):32-35． ZOU G M,YANG X G,HUANG C,et al.Research on the Potential Energy-driven Car with Energy Stored by Vortex Coil Spring[J].Journal of Machine Design,2012,29(4):32-35．

Design of Inertial Car Based on Engineering Training

ZHUANG Jichao, LI Derong, LIN Jingliang, ZENG Jiayu, LIU Zilang

(Mechanical and Power Engineering College of Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088, China)

Based on the requirements of inertial car design in modern undergraduate engineering training competition, according to the basic knowledge of theoretical mechanics and mechanical design, through choosing reasonable structure，a kind of pure green free dynamic inertia driving straight driving car was designed. Through SolidWorks modeling and simulation and real vehicle test based on different parameters,it is shown that the designed car has simple structure, good performance, in accordance with the competition requirements. It can run 38 m standard track in the race.

Inertial car;Transformation of energy;Straight glide; Mass distribution;Structure design

2016-11-08

莊集超(1994—)，男，本科，研究方向為機電一體化。E-mail：18312735741@163.com。

李德榮，E-mail：lidr2008@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.003

TH122

A

1674-1986(2017)02-012-03