基于工程訓練自由滑行的小車設計

何義群　劉萬鋒

摘要：針對第五屆湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽中對自由滑行小車設計的要求，依據理論力學和機械設計方面的知識，選擇合理的結構形式，設計制作一種符合本命題要求的“重力勢能驅動小車”。通過UG建模仿真和采用不同參數的實車調試發現：設計的小車構造簡單，具有良好性能，符合比賽的要求，在競賽中可以跑完24m標準賽道。

關鍵詞：自由滑行小車 ?重力勢能 ?UG建模 ?質量分配

引言

相對大部分學機械的工科學生來說，每兩年一屆的工程訓練大賽，是一項鍛煉學生實踐能力和創新能力的賽事。2018年工程訓練大賽中競賽命題之一為自由滑行小車的設計與制作，該競賽項目要求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，利用小車在特定路段中將勢能轉化為動能，并獲得最大行駛距離。按照距離的長短評價小車的性能并得到最終成績。

1 自由滑行小車設計總體方案

1.1小車整體設計要求

小車設計要求如下：

⑴小車為四輪結構。

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

⑶不可以使用滾動軸承。

⑷驅動其行走的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的，不可以使用任何其他形式來源的能量。（該給定重力勢能由自重≤2000g的小車在一個離水平面賽道升高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材料制作。）

1.2不同方案對比分析

根據工程訓練綜合能力競賽命題說明要求，為了使小車能夠達到最遠直線滑行的距離，參賽團隊將不同結構的實車試驗數據和原因分析（如表1所示）做出對比分析，根據實際測試，從結構穩定和重量選擇采用了“凸字形結構”、“前后四輪”設計。并且將小車主要質量集中在后輪，小車滑行距離最遠。

2 自由滑行小車設計

2.1設計思路

為了實現小車在長、寬、高限制的要求下，能夠擁有最大慣性力的直線滑行，以下四個因素具有明顯影響。：1）小車內部質量的分配、2）小車運行過程中的平穩性、3）小車運行過程中的能量損耗、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，同時后輪通過車削兩邊，中間留有一段5mm與地面接觸的距離，其目的是將二個后輪與地面的面接觸盡可能的變為線接觸，使后輪獲得最大慣性力的同時減少與地面的摩擦。

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

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

（4）小車的“凸字形結構”設計，使得前輪比后輪寬，從而使小車在四輪穩定的同時能夠更好直線行駛。

2.2車架設計

采用平面單板結構并進行鏤空處理，最大限度的減輕車身重量，使主要的質量集中在后輪。軸承支撐固定座設計有安裝固定孔，通過與車架的連接，使前后輪能夠穩定的運行，保證小車整體強度。

2.3后輪結構設計

為了使小車在相同的摩擦因數下行駛，小車的轉動慣量越大，小車滑行的距離越長。

假設后輪的質量為m，質量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：

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：

或

式中：為后輪距，其單位為。

最佳設計是以最少的材料獲得最大轉動慣量，即應把質量集中在輪緣上?？紤]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。

2.4前輪結構設計

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能夠減少與地面的沖擊力，除此之外，前輪與軸之間用滑動軸承連接，采用石墨芯潤滑，極大的減少摩擦力，如圖3所示。

圖3前車輪結構

2.5前后車輪軸設計

前后車軸設計成階梯軸，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 結論

通過對自由滑行小車進行結構設計并使用UG軟件進行運動仿真，并轉化為實物作品，通過在規定路線上進行運行，實踐證明，該車運動距離大，運行平穩，性能優異。

參考文獻

[1]張德慧，刁吉祥，張恒，李紅寬.基于重力勢能驅動的無碳小車的創新設計與仿真[J].工程科技與產業發展，20166，13：82.

[2]張國勝，王元昔.勢能小車的設計與應用[J].科學技術創新，2018，5：152-153.

[3]石云浩.無碳重力小車的研究與設計[J].現代制造技術與裝備.2016，10（239）：80-81.

[4]莊集超，李德榮，林景亮，曾嘉煜，劉子浪.基于工程訓練的慣性小車的設計[J].研究與開發，2017，2：12-14.

基金項目

湖南文理學院教改項目（JGYB1939）。

作者簡介

何義群（1997.10.27），男，湖南永州江華，大學本科在讀，瑤族，研究方向：機械電子工程。通訊作者：劉萬鋒（1973.7），男，漢族，湖南常德人，大學本科，助教，研究方向：機械設計與制造。