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)

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)

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。

无碳小车；能量转换；绿色环保

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(φ50 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。

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。

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。

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。

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5—6所示。

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-ξ，即小车能量的传递效率为ξ。小车轮与地面的摩阻系数为δ，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

式中：Ni为第i个轮子对地面的压力；Ri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。

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。

【1】 王斌，王衍，李润莲，等.“无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报，2012，28(1)：59-62.

【2】 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社,2010.

【3】 王跃进.机械原理[M].北京：北京大学出版社,2009.

【4】 陈家瑞.汽车构造:下册[M].北京：人民交通出版社，2006.

【5】 邹光明，杨秀光，黄川，等.以势能驱动的涡卷弹簧储能小车研究[J].机械设计，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，硕士，讲师，研究方向为汽车零部件设计。E-mail：137165362@qq.com。