基于工程訓練的無碳小車的設計

戴海燕，蔡鍇文，吳鈅烺，鄒偉輝

(華南理工大學廣州學院汽車工程學院，廣東廣州 510800)

基于工程訓練的無碳小車的設計

戴海燕，蔡鍇文，吳鈅烺，鄒偉輝

(華南理工大學廣州學院汽車工程學院，廣東廣州 510800)

針對大學生工程訓練綜合能力競賽中對無碳小車設計的要求，依據機械原理和機械設計基本知識，選擇合理的結構形式，設計出一種完全依靠重力驅動行駛的純綠色環保型小車。通過SolidWorks運動學仿真和實車調試發現：設計的小車結構簡單，性能良好，符合競賽要求。

無碳小車；能量轉換；綠色環保

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生工程訓練綜合能力競賽而提出的，主題為“無碳小車越障”。即設計一種小車，其動力不依靠與碳有關的任何能源，如燃油或者電能等，而是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換來的。給定重力勢能為4 J(取g=10 m/s2)，競賽時統一用質量為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動，不允許從小車上掉落。該車在運動過程中，需遵循一定規律，正確轉向并繞過固定障礙物。與其他類似小車設計相比，該車設計更注重小車行駛的穩定性和能量的利用率。

1 無碳小車設計總體方案

要求該小車為三輪結構，其行駛的動力全部來自于重塊下落的重力勢能，不依靠外來任何能源，因此可分析得到小車的結構簡圖，見圖1。

比賽中要求小車能夠繞障，具有轉向控制能力，即小車從賽道一側越過一個障礙后，整體越過賽道中線且障礙物不被碰倒，且重復該路線，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一個周期，其幅值大小與車寬有關，車寬越大，幅值應越大，以避免小車碰倒障礙物。

經分析得知，如果要滿足小車的運行條件，則小車至少具有5大機構：

轉向機構、原動機構、傳動機構、行走機構和微調機構，還應具有其他某些附屬部件。該車的整體框架如圖3所示。

2 無碳小車的設計

完整的無碳小車結構至少包含以上6大機構，而6大機構中，最主要部件是傳動機構和轉向機構。

2.1 原動機構設計

該車行駛動力完全來自于重物的重力勢能，即將重物直線下落運動轉化為小車車輪的旋轉運動，從而使得小車向前運行。在小車原動機構設計時要求結構簡單，質量小，重塊下落的動能盡可能轉化到驅動小車前進上，若垂向方向速度較大，前進過程中，由于慣性作用重物產生水平方向搖擺，將會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機構主要有繩輪式、彈簧儲能式和鏈輪式。考慮到結構簡單性、能量轉換效率盡可能比較好、成本低廉，故選擇繩輪式。

2.2 傳動機構設計

傳動機構主要是將重物下落過程中動能傳遞給車輪部分。傳動機構主要有帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動等，為提高傳動效率，傳動步驟越少越好。相對于其他幾種傳動方案，高精度的齒輪嚙合傳遞動力效率較高，動力傳遞穩定，能夠很好地符合小車運行的需要。傳動機構在設計時確定傳動比為4∶1，根據結構的需要，計算大小齒輪的基本尺寸，實現將繞線軸的動力傳遞到后軸。如圖4所示。

2.3 轉向機構設計

小車以S路前進時，采用前輪導向。其中的轉向機構是該小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉向機構也同樣需要滿足盡可能減少摩擦耗能、結構簡單、零部件易獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性：能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動，從而實現拐彎避障的功能。能實現該功能的機構有：凸輪機構+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉彎等。應用機械原理知識，選擇曲柄連桿機構可實現整車的S軌跡行駛，如圖5—6所示。

2.3 行走機構設計

行走機構主要部件為3個輪子，輪子有薄厚、大小的區別，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，因此主要根據能耗原理進行設計與計算。設小車內部的能耗系數為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為δ，理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有

式中：Ni為第i個輪子對地面的壓力；Ri為第i個輪子的半徑；si為第i個輪子行走的距離；m總為小車總質量。通過選取合適的參數，最終計算出車輪參數大小，同時結合其他各項參數確定出各零部件的相關尺寸，從而得出具體小車整車模型,如圖7所示。

3 總結

此次設計的無碳小車結構簡單、質量輕、傳動件少、能耗較低，利用繞線牽引，實現重物重力勢能轉化為小車運動的動能，且應用曲柄搖桿機構成功實現繞障轉向。根據機械設計和機械原理的基本知識，對小車的關鍵結構部件進行了設計和計算，并對小車的整體結構應用SolidWorks進行了運動仿真分析。實踐證明：該車結構設計合理，性能優良，小車行駛平穩，符合性能要求。

【1】 王斌，王衍，李潤蓮，等.“無碳小車”的創新性設計[J].山西大同大學學報，2012，28(1)：59-62.

【2】 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社,2010.

【3】 王躍進.機械原理[M].北京：北京大學出版社,2009.

【4】 陳家瑞.汽車構造:下冊[M].北京：人民交通出版社，2006.

【5】 鄒光明，楊秀光，黃川，等.以勢能驅動的渦卷彈簧儲能小車研究[J].機械設計，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，研究方向為汽車零部件設計。E-mail：137165362@qq.com。