戴海燕，蔡鍇文，吳鈅烺，鄒偉輝

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

基于工程訓(xùn)練的無碳小車的設(shè)計(jì)

戴海燕，蔡鍇文，吳鈅烺，鄒偉輝

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

針對(duì)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中對(duì)無碳小車設(shè)計(jì)的要求，依據(jù)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)基本知識(shí)，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出一種完全依靠重力驅(qū)動(dòng)行駛的純綠色環(huán)保型小車。通過SolidWorks運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和實(shí)車調(diào)試發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)的小車結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，符合競賽要求。

無碳小車；能量轉(zhuǎn)換；綠色環(huán)保

Abstract:Based on the requirements of carbon-free car design in modern undergraduate engineering training competition,according to the basic knowledge of mechanical principle and mechanical design,choosing reasonable structure,a kind of pure green environmental protection type car was designed which was driven by the gravity.Through SolidWorks simulation and debugging,it is proved the car has simple structure,good performance,and meets competition requirements.

Keywords:Carbon-free car; Energy conversion; Green environmental protection

0 引言

此課題是基于近幾年的全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽而提出的，主題為“無碳小車越障”。即設(shè)計(jì)一種小車，其動(dòng)力不依靠與碳有關(guān)的任何能源，如燃油或者電能等，而是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢(shì)能為4 J(取g=10 m/s2)，競賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1 kg的重塊(φ50 mm×65 mm，普通碳鋼)鉛垂下降來獲得，落差(400±2)mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。該車在運(yùn)動(dòng)過程中，需遵循一定規(guī)律，正確轉(zhuǎn)向并繞過固定障礙物。與其他類似小車設(shè)計(jì)相比，該車設(shè)計(jì)更注重小車行駛的穩(wěn)定性和能量的利用率。

1 無碳小車設(shè)計(jì)總體方案

要求該小車為三輪結(jié)構(gòu)，其行駛的動(dòng)力全部來自于重塊下落的重力勢(shì)能，不依靠外來任何能源，因此可分析得到小車的結(jié)構(gòu)簡圖，見圖1。

比賽中要求小車能夠繞障，具有轉(zhuǎn)向控制能力，即小車從賽道一側(cè)越過一個(gè)障礙后，整體越過賽道中線且障礙物不被碰倒，且重復(fù)該路線，直至小車停止為止。走過的路線為如圖2所示的S形曲線。

S形軌跡2 m一個(gè)周期，其幅值大小與車寬有關(guān)，車寬越大，幅值應(yīng)越大，以避免小車碰倒障礙物。

經(jīng)分析得知，如果要滿足小車的運(yùn)行條件，則小車至少具有5大機(jī)構(gòu)：

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)，還應(yīng)具有其他某些附屬部件。該車的整體框架如圖3所示。

2 無碳小車的設(shè)計(jì)

完整的無碳小車結(jié)構(gòu)至少包含以上6大機(jī)構(gòu)，而6大機(jī)構(gòu)中，最主要部件是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

2.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該車行駛動(dòng)力完全來自于重物的重力勢(shì)能，即將重物直線下落運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為小車車輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使得小車向前運(yùn)行。在小車原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，重塊下落的動(dòng)能盡可能轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，若垂向方向速度較大，前進(jìn)過程中，由于慣性作用重物產(chǎn)生水平方向搖擺，將會(huì)大大影響整車行駛性能及能量利用率。

一般比較常見的原動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有繩輪式、彈簧儲(chǔ)能式和鏈輪式?？紤]到結(jié)構(gòu)簡單性、能量轉(zhuǎn)換效率盡可能比較好、成本低廉，故選擇繩輪式。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是將重物下落過程中動(dòng)能傳遞給車輪部分。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等，為提高傳動(dòng)效率，傳動(dòng)步驟越少越好。相對(duì)于其他幾種傳動(dòng)方案，高精度的齒輪嚙合傳遞動(dòng)力效率較高，動(dòng)力傳遞穩(wěn)定，能夠很好地符合小車運(yùn)行的需要。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)確定傳動(dòng)比為4∶1，根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，計(jì)算大小齒輪的基本尺寸，實(shí)現(xiàn)將繞線軸的動(dòng)力傳遞到后軸。如圖4所示。

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車以S路前進(jìn)時(shí)，采用前輪導(dǎo)向。其中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是該小車設(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)也同樣需要滿足盡可能減少摩擦耗能、結(jié)構(gòu)簡單、零部件易獲得等基本條件，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)化為滿足要求的來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。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。應(yīng)用機(jī)械原理知識(shí)，選擇曲柄連桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)整車的S軌跡行駛，如圖5—6所示。

2.3 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)主要部件為3個(gè)輪子，輪子有薄厚、大小的區(qū)別，也有材料的不同，因此需綜合考慮。小車在行走過程中，地面摩擦阻力直接影響了小車總的行駛距離，因此主要根據(jù)能耗原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為1-ξ，即小車能量的傳遞效率為ξ。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為δ，理想情況下認(rèn)為重塊的重力勢(shì)能都用在小車克服阻力前進(jìn)上。則有

式中：Ni為第i個(gè)輪子對(duì)地面的壓力；Ri為第i個(gè)輪子的半徑；si為第i個(gè)輪子行走的距離；m總為小車總質(zhì)量。通過選取合適的參數(shù)，最終計(jì)算出車輪參數(shù)大小，同時(shí)結(jié)合其他各項(xiàng)參數(shù)確定出各零部件的相關(guān)尺寸，從而得出具體小車整車模型,如圖7所示。

3 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)的無碳小車結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、傳動(dòng)件少、能耗較低，利用繞線牽引，實(shí)現(xiàn)重物重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，且應(yīng)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)繞障轉(zhuǎn)向。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理的基本知識(shí)，對(duì)小車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，并對(duì)小車的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。實(shí)踐證明：該車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28(1)：59-62.

【2】 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

【3】 王躍進(jìn).機(jī)械原理[M].北京：北京大學(xué)出版社,2009.

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

【5】 鄒光明，楊秀光，黃川，等.以勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的渦卷彈簧儲(chǔ)能小車研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2012(4)：32-35.

DesignofCarbon-freeCarBasedonEngineeringTraining

DAI Haiyan，CAI Kaiwen，WU Yuelang，ZOU Weihui

(Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510800，China)

2014-06-12

戴海燕(1982—)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)槠嚵悴考O(shè)計(jì)。E-mail：137165362@qq.com。