基于工程训练的无碳小车的设计_戴海燕.pdf

收稿日期:2014 06 12 作者简介:戴海燕 ( 1982) ，女，硕士，讲师，研究方向为汽车零部件设计。E- mail:137165362 qq. com。 基于工程训练的无碳小车的设计 戴海燕，蔡锴文，吴鈅烺，邹伟辉 ( 华南理工大学广州学院汽车工程学院，广东广州 510800) 摘要: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，依据机械原理和机械设计基本知识，选择合理的结构形 式，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 运动学仿真和实车调试发现:设计的小车结构简单， 性能良好，符合竞赛要求。 关键词:无碳小车;能量转换;绿色环保 Design of Carbon- free Car Based on Engineering Training DAI Haiyan，CAI Kaiwen，WU Yuelang，ZOU Weihui ( Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510800，China) 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 protec- tion 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 此课题是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 J ( 取 g =10 m/s2) ，竞赛时统一用质量为 1 kg 的重块 ( 50 mm 65 mm，普通碳钢)铅垂下降来获得，落差 ( 400 2)mm， 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，该车设计更注重小 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 结构简图，见图 1。 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。走过的路线为如图 2 所示的 S 形曲线。 图 2小车绕障路线图 S 形轨迹 2 m 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。 图 3无碳小车系统总体结构 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，最主要部件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。 一般比较常见的原动机构主要有绳轮式、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，故选择绳轮式。 2. 2传动机构设计 传动机构主要是将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，传动步骤越少越好。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 4 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。其中的转向机构是该 小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也 同样需要满足尽可能减少摩擦耗能、结构简单、零部件易获 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，选择曲柄连杆机构可实现整车的 S 轨迹行驶， 如图 56 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 3 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 1 ， 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 3 i =1 Ni i si= mgh 3 i =1Ni = m总 g 式中:Ni为第 i 个轮子对地面的压力;i为第 i 个轮子的半径; si为第 i 个轮子行走的距离;m总为小车总质量。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 7 所示。 ( 下转第 37 页) 图 8齿条齿背等效应力图 图 9齿条齿部等效应力图 由图 7 可得出:在载荷作用下，齿条左部区域变形量很 小，从啮合中心向右，变形量逐渐增大，在齿条端部达到最大 值，为 0. 81 mm。 由图 8、图 9 可看出:在载荷作用下，齿条应力由啮合区 向两端扩散;且在齿条受压一侧应力为 343. 22 MPa，齿条受拉 一侧应力稍大，为 525. 29 MPa。此应力均小于材料的屈服极 限，这也说明了齿条的刚度实验为非破坏性实验。 2实验结果对比分析 为了验证有限元分析结果，对 6 种不同规格的转向器齿条 进行刚度分析及实验，分析及实验结果列于表 2。 表 2齿条刚度有限元及实验结果 产品 编号 齿条直 径/mm 变形/mm 有限元结果实验结果 准确 度/% 1 号 240. 810 880. 8397. 7 2 号 270. 846 310. 8698. 4 3 号 280. 491 160. 5294. 4 4 号 280. 597 150. 6296. 3 5 号 300. 258 370. 2795. 7 3结论 通过对齿轮齿条动力转向器齿条进行刚度分析，并与实验 结果进行对比，现得出结论如下: ( 1)齿条按文中描述载荷进行刚度实验时，齿条材料处于 弹性变形区，为非破坏性实验，且齿条受拉侧应力较大; ( 2)运用 Workbench 对齿条刚度进行分析，其结果与实验 测试值比对，准确度达到 94%以上。 ( 3)运用有限元分析技术对齿条刚度进行分析，可以为齿 条的刚度设计及改进提供理论依据。 参考文献: 【1】蒋建平， 蒋晶 浅析汽车安全新技术与道路交通安全J 绿色 科技， 2013( 11) : 213 215 【2】张洪欣 汽车设计 M 2 版 北京: 机械工业出版社， 1995 【3】禹红斌 转向器齿条通气孔截面应力的分析J 装备制造技 术， 2007( 10) : 12 13 【4】李兵 ANSYS Workbench 设计、 仿真与优化 M 北京: 清华大学 出版社， 2010 【5】中国第一汽车集团公司编写组 机械工程材料手册金属材料 M 5 版 北京: 机械工业出版社， 1998 ( 上接第 27 页) 图 7小车整车模型 3总结 此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 SolidWorks 进行了运动仿真分 析。实践证明:该车结构设计合理，性能优良，小车行驶平 稳，符合性能要求。 参考文献: 【1】王斌， 王衍， 李润莲， 等“无碳小