基于工程训练的无碳小车的设计.doc

基于工程训练的无碳小车的设计 罗志勇，吴超明，林铂棠，吴俊 （华南理工大学广州学院汽车工程学院 广东广州 510800） [摘要]：本文针对大学生工程训练综合能力竞赛中对无碳小车设计的要求，进行任务分解，依据机械原理和机械设计基本知识，选择合理的结构形式，对小车进行设计和计算，设计出一种完全依靠重力驱动行驶的纯绿色环保型小车。通过solidworks的运动学仿真和实车的调试发现，设计出的小车结构简单，性能良好，符合竞赛要求。 [关键词]：无碳，转向，结构，设计 中图分类号：R235.3 文献标识码：A 0 引言 本课题基于近几年的全国大学生工程训练综合能力竞赛而提出的，主题为“无碳小车越障”。即设计一种小车，其动力不依靠与碳有关的任何能源，如燃油或者电能等，而是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。该车在要运动过程中，需遵循一定规律，正确转向并绕过固定障碍物。与其他类似小车设计相比，本车设计更注重小车行驶的稳定性和能量的利用率。 1 无碳小车设计总体方案 要求该小车为三轮结构，其行驶的动力全部来自于重块下落的重力势能，不依靠外来任何能源，因此可分析得到小车的构简图： 图1 小车结构简图 比赛中要求小车能够绕障，具有转向控制能力，即小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体越过赛道中线且障碍物不被碰倒，且重复该路线，直至小车停止为止。走过的路线如图2的S形曲线所示， S形轨迹2m一个周期，其幅值大小与车宽有关，车宽越大，幅值应越大，以避免小车碰倒障碍物。 经分析得知，如果要满足小车的运行条件，则小车至少具有5大机构：转向机构，原动机构，传动机构，行走机构和微调机构，还应具有其他某些附属部件。该车的整体框架如图3所示： 2 无碳小车的设计 完整的无碳小车结构至少包含以上6大机构，而6大机构中，最主要最关键的部件则是传动机构和转向机构。 2.1 原动机构设计 该车行驶动力完全来自于重物的重力势能，即将重物直线下落运动转化为小车车轮的旋转运动，从而使得小车向前运行。在小车原动机构设计时要求结构简单，质量小，重块下落的动能尽可能转化到驱动小车前进上，若垂向方向速度较大，前进过程中，由于惯性作用重物产生水平方向摇摆，将会大大影响整车行驶性能及能量利用率。 原动机构一般比较常见的主要有绳轮式，弹簧储能式和链轮式。考虑到结构简单性，能量转换效率尽可能比较好，成本低廉，故选择采用绳轮式。 2.2 传动机构设计 传动机构主要是将动力从重物下落过程中动能传递给车轮部分。传动机构主要有带传动，齿轮传动，链传动，蜗轮蜗杆传动等，为提高传动效率，传动步骤越小越好。相对于其他几种传动方案，高精度的齿轮啮合传 递动力效率较高，动力传递稳定，能够很好地符合小车运行的需要。传动机构在设计时确定传动比为4：1，根据结构的需要，计算大小齿轮的基本尺寸。实现将绕线轴的动力传递到后轴。如图5所示： 图4 齿轮传动机构 2.3 转向机构设计 小车以S路前进时，采用前轮导向。其中的转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等，应用机械原理知识，选择采用曲柄连杆机构可实现整车的S轨迹行驶，如下图所示： 图5 转向机构三维模型 图6 转向机构结构简图 2.3 行走机构设计 行走机构主要部件为三个轮子，轮子有薄厚，大小的区别，也有材料的不同，因此需综合考虑。小车在行走过程中，地面摩擦阻力直接影响了小车总的行驶距离，因此主要根据能耗原理进行设计与计算。设小车内部的能耗系数为，即小车能量的传递效率为。小车轮与地面的摩阻系数为，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有 为第i个轮子对地面的压力，为第i个轮子的半径，为第i个轮子行走的距离，为小车总质量。通过选取合适的参数，最终计算出车轮参数大小，同时结合其他各项参数确定出各零部件的相关尺寸，从而得出具体小车整车模型。如图8所示： 图8 小车整车模型 3 总结 本次设计的无碳小车结构简单，质量轻，传动件少，能耗较低，利用绕线牵引，实现重物重力势能转化为小车运动的动能，且应用曲柄摇杆机构成功实现绕障转向。根据机械设计和机械原理的基本知识，对小车的关键结构部件进行了设计和计算，并对小车的整体结构应用soli