基于工程訓(xùn)練自由滑行的小車設(shè)計(jì)

何義群　劉萬(wàn)鋒

摘要：針對(duì)第五屆湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中對(duì)自由滑行小車設(shè)計(jì)的要求，依據(jù)理論力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)制作一種符合本命題要求的“重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車”。通過(guò)UG建模仿真和采用不同參數(shù)的實(shí)車調(diào)試發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)的小車構(gòu)造簡(jiǎn)單，具有良好性能，符合比賽的要求，在競(jìng)賽中可以跑完24m標(biāo)準(zhǔn)賽道。

關(guān)鍵詞：自由滑行小車 ?重力勢(shì)能 ?UG建模 ?質(zhì)量分配

引言

相對(duì)大部分學(xué)機(jī)械的工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，每?jī)赡暌粚玫墓こ逃?xùn)練大賽，是一項(xiàng)鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的賽事。2018年工程訓(xùn)練大賽中競(jìng)賽命題之一為自由滑行小車的設(shè)計(jì)與制作，該競(jìng)賽項(xiàng)目要求參賽隊(duì)設(shè)計(jì)制作一輛無(wú)動(dòng)力慣性直線滑行的小車，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)行考核，利用小車在特定路段中將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并獲得最大行駛距離。按照距離的長(zhǎng)短評(píng)價(jià)小車的性能并得到最終成績(jī)。

1 自由滑行小車設(shè)計(jì)總體方案

1.1小車整體設(shè)計(jì)要求

小車設(shè)計(jì)要求如下：

⑴小車為四輪結(jié)構(gòu)。

⑵小車的最大質(zhì)量為2000g;最大尺寸不得超過(guò)：長(zhǎng)320mm，寬240mm，高120mm。

⑶不可以使用滾動(dòng)軸承。

⑷驅(qū)動(dòng)其行走的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得到的，不可以使用任何其他形式來(lái)源的能量。（該給定重力勢(shì)能由自重≤2000g的小車在一個(gè)離水平面賽道升高1000mm滑坡上獲得，賽道寬度為1000mm，如圖所示。該賽道一般采用木質(zhì)材料制作。）

1.2不同方案對(duì)比分析

根據(jù)工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題說(shuō)明要求，為了使小車能夠達(dá)到最遠(yuǎn)直線滑行的距離，參賽團(tuán)隊(duì)將不同結(jié)構(gòu)的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)和原因分析（如表1所示）做出對(duì)比分析，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和重量選擇采用了“凸字形結(jié)構(gòu)”、“前后四輪”設(shè)計(jì)。并且將小車主要質(zhì)量集中在后輪，小車滑行距離最遠(yuǎn)。

2 自由滑行小車設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)小車在長(zhǎng)、寬、高限制的要求下，能夠擁有最大慣性力的直線滑行，以下四個(gè)因素具有明顯影響。：1）小車內(nèi)部質(zhì)量的分配、2）小車運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性、3）小車運(yùn)行過(guò)程中的能量損耗、4）小車是否能夠直線滑行。

（1）最大限度的增加后輪的直徑和厚度，并使小車的重心向后移動(dòng)，同時(shí)后輪通過(guò)車削兩邊，中間留有一段5mm與地面接觸的距離，其目的是將二個(gè)后輪與地面的面接觸盡可能的變?yōu)榫€接觸，使后輪獲得最大慣性力的同時(shí)減少與地面的摩擦。

（2）兩個(gè)后輪中心和兩個(gè)前輪中心的距離在長(zhǎng)度320mm的要求下盡可能做到了最大。

（3）能量損耗包括小車的內(nèi)部損耗和外部損耗：內(nèi)部損耗由滑動(dòng)軸承的摩擦和后輪與軸之間的直接摩擦損耗造成;外部損耗是由于風(fēng)的阻力、還有輪子與地面的摩擦。

（4）小車的“凸字形結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)，使得前輪比后輪寬，從而使小車在四輪穩(wěn)定的同時(shí)能夠更好直線行駛。

2.2車架設(shè)計(jì)

采用平面單板結(jié)構(gòu)并進(jìn)行鏤空處理，最大限度的減輕車身重量，使主要的質(zhì)量集中在后輪。軸承支撐固定座設(shè)計(jì)有安裝固定孔，通過(guò)與車架的連接，使前后輪能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，保證小車整體強(qiáng)度。

2.3后輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使小車在相同的摩擦因數(shù)下行駛，小車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，小車滑行的距離越長(zhǎng)。

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

后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量較小可略去不計(jì)。設(shè)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(dòng)慣量近似為：

或

式中：為后輪距，其單位為。

最佳設(shè)計(jì)是以最少的材料獲得最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即應(yīng)把質(zhì)量集中在輪緣上?？紤]到實(shí)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(dòng)摩阻，后車輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4前輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使小車能夠保持直線行駛，前輪之間的寬度比后輪之間的寬度大5mm，并且前車輪的厚度比后車輪的厚度大，目的是為了在下坡時(shí)能夠減少與地面的沖擊力，除此之外，前輪與軸之間用滑動(dòng)軸承連接，采用石墨芯潤(rùn)滑，極大的減少摩擦力，如圖3所示。

圖3前車輪結(jié)構(gòu)

2.5前后車輪軸設(shè)計(jì)

前后車軸設(shè)計(jì)成階梯軸，兩端鉆有螺紋孔，便于和直推固定，最小直徑6mm。在外載荷的作用下，車軸形變量微小且剛度滿足要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)自由滑行小車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并使用UG軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并轉(zhuǎn)化為實(shí)物作品，通過(guò)在規(guī)定路線上進(jìn)行運(yùn)行，實(shí)踐證明，該車運(yùn)動(dòng)距離大，運(yùn)行平穩(wěn)，性能優(yōu)異。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目

湖南文理學(xué)院教改項(xiàng)目（JGYB1939）。

作者簡(jiǎn)介

何義群（1997.10.27），男，湖南永州江華，大學(xué)本科在讀，瑤族，研究方向：機(jī)械電子工程。通訊作者：劉萬(wàn)鋒（1973.7），男，漢族，湖南常德人，大學(xué)本科，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。