基于工程訓練的慣性小車的設計

莊集超，李德榮，林景亮，曾嘉煜，劉子浪

(廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088)

基于工程訓練的慣性小車的設計

莊集超，李德榮，林景亮，曾嘉煜，劉子浪

(廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088)

針對大學生工程訓練綜合能力競賽中對慣性小車設計的要求，依據理論力學和機械設計基本知識，選擇合理的結構形式，設計出一種無動力慣性驅動直線行駛的純綠色環保型小車。通過SolidWorks 建模仿真和基于不同參數的實車調試發現: 設計的小車結構簡單，性能良好，符合競賽要求，在競賽中可以跑完38 m標準賽道。

慣性小車；能量轉換；直線滑行；質量分配；結構設計

0 引言

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

全國大學生工程訓練綜合能力競賽，是2009年由教育部高等教育司舉辦的全國性大學生科技創新實踐競賽活動，是國家“本科教學質量與教學改革工程”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年廣東省工科大學生綜合技能訓練大賽的競賽主題是慣性小車的設計與制作，競賽命題是參賽隊設計制作一輛無動力慣性直線滑行的小車，并進行現場競爭性運行考核。小車在規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。根據省賽命題要求，結合某校工程訓練中心及學生自身情況，設計一種新型三輪小車，利用給定勢能而不能使用其他能源，根據能量轉換原理來驅動小車直線滑行。

1 慣性小車設計總體方案

1.1 小車設計要求

小車設計要求如下：

(1)小車為三輪結構。

(2)小車的最大質量為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的環形范圍，這個范圍將用于比賽第二輪進行統一要求的設計和3D打印，具體結構形式根據現場發放圖紙進行設計。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換獲得(若小車設計有儲能機構，其能量均由小車下滑時的勢能轉換獲得)，不可使用任何其他的能量來源。

1.2 不同方案對比分析

根據比賽要求，為實現小車最大直線滑行距離這一目標，作者采用“前一后二”、“兩側板”設計。通過不同結構實車試驗數據和原因分析(如表1所示)，將小車主要質量集中在后輪，小車滑行距離最遠。

表1 實驗結果及分析

2 慣性小車設計

2.1 設計思路

為實現小車慣性直線滑行，需考慮以下因素：質量分配、運動平穩、能量損耗、直線滑行。

(1)在保證小車設計尺寸要求下，加大后輪直徑和厚度增加質量，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翻，提高運動平穩性。

(3)能量損耗包括內損和外損：內損由軸承摩擦和后輪動損造成；外損由風阻、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，調節后輪的直徑和質量，小車整體以流線型設計，減少車輪與地面的接觸面和調節前輪的直徑以減少損耗。

(4)小車質量左右不對稱，會在滑行中偏向質量輕的一側。

2.2 側板設計

采用兩側板結構并鏤空處理，將最大限度的質量集中在后輪。側板設計有軸承外殼孔,避免了軸承座質量分配。兩側板用支撐柱連接，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 后輪結構設計

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

假設后輪的質量為m，質量mi到中心軸的距離等于半徑R,所以后輪對于后車軸z的轉動慣量為：

JF=∑miR2=R2∑mi=mR2

后輪的轉動慣量與輪子的質量和半徑平方成正比。

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

最佳設計是以最少的材料獲得最大轉動慣量JF，即應把質量集中在輪緣上。考慮到實際加工質量和軟件分析質量的誤差，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，后車輪結構如圖2所示。

圖2 后車輪結構

2.4 前輪結構設計

根據比賽二輪要求，需回收前輪和前車軸，現場加工前輪和車軸再次裝配競賽，為此前輪結構設計為方便裝卸結構。通過緊定擋圈固定于車軸，兩側板的預緊力使車軸固定靜止。前輪和軸承一體式設計，極大地降低了軸和車輪同軸配合的難度，如圖3所示。

圖3 前輪結構

2.5 前車軸設計

前車軸設計成階梯軸，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 前車軸等效應力圖

圖5 前車軸等效應變圖

3 結論

此次設計的慣性小車結構簡單、質量輕、傳動件少、能耗較低，利用重力勢能轉化為小車運動的動能，且沒有間接能量轉換。根據機械設計和理論力學的基本知識，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(自然科學版)，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．機械設計手冊[M]．北京:機械工業出版社，2010．

【3】陳家瑞．汽車構造:下冊[M]．北京:人民交通出版社，2006．

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

【5】鄒光明，楊秀光，黃川,等.以勢能驅動的渦卷彈簧儲能小車研究[J].機械設計,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