基于工程训练的惯性小车的设计

庄集超，李德荣，林景亮，曾嘉煜，刘子浪

(广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088)

基于工程训练的惯性小车的设计

庄集超，李德荣，林景亮，曾嘉煜，刘子浪

(广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088)

针对大学生工程训练综合能力竞赛中对惯性小车设计的要求，依据理论力学和机械设计基本知识，选择合理的结构形式，设计出一种无动力惯性驱动直线行驶的纯绿色环保型小车。通过SolidWorks 建模仿真和基于不同参数的实车调试发现: 设计的小车结构简单，性能良好，符合竞赛要求，在竞赛中可以跑完38 m标准赛道。

惯性小车；能量转换；直线滑行；质量分配；结构设计

0 引言

工程训练大赛对绝大部分的工科学生来说，都是一项具有足够吸引力的赛事，而能够代表学校参加全国性比赛，更是许多学生梦寐以求的荣耀。

全国大学生工程训练综合能力竞赛，是2009年由教育部高等教育司举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，是国家“本科教学质量与教学改革工程”资助赛事之一，也是教育部主办的最具影响力的竞赛之一。2016年广东省工科大学生综合技能训练大赛的竞赛主题是惯性小车的设计与制作，竞赛命题是参赛队设计制作一辆无动力惯性直线滑行的小车，并进行现场竞争性运行考核。小车在规定的坡路以自身势能释放获得动力，使小车行驶尽可能长的距离。根据省赛命题要求，结合某校工程训练中心及学生自身情况，设计一种新型三轮小车，利用给定势能而不能使用其他能源，根据能量转换原理来驱动小车直线滑行。

1 惯性小车设计总体方案

1.1 小车设计要求

小车设计要求如下：

(1)小车为三轮结构。

(2)小车的最大质量为700 g；最大尺寸不得超过：长250 mm，宽150 mm,高80 mm。

(3)前轮轮毂与轮外缘之间至少有10 mm的环形范围，这个范围将用于比赛第二轮进行统一要求的设计和3D打印，具体结构形式根据现场发放图纸进行设计。前轮轴为阶梯轴，最大外径10 mm。

(4)要求小车行走过程中完成所有动作，所需的能量均由下滑时的势能转换获得(若小车设计有储能机构，其能量均由小车下滑时的势能转换获得)，不可使用任何其他的能量来源。

1.2 不同方案对比分析

根据比赛要求，为实现小车最大直线滑行距离这一目标，作者采用“前一后二”、“两侧板”设计。通过不同结构实车试验数据和原因分析(如表1所示)，将小车主要质量集中在后轮，小车滑行距离最远。

表1 实验结果及分析

2 惯性小车设计

2.1 设计思路

为实现小车惯性直线滑行，需考虑以下因素：质量分配、运动平稳、能量损耗、直线滑行。

(1)在保证小车设计尺寸要求下，加大后轮直径和厚度增加质量，使整车的重心后移和抬高以获得最大重力势能。

(2)后轮中心和前轮中心偏距15 mm，以保证小车下坡撞击时不侧翻，提高运动平稳性。

(3)能量损耗包括内损和外损：内损由轴承摩擦和后轮动损造成；外损由风阻、滚动摩擦和下坡时小车与地面的撞击造成。加工和装配时保证轴和轴承的同轴度，调节后轮的直径和质量，小车整体以流线型设计，减少车轮与地面的接触面和调节前轮的直径以减少损耗。

(4)小车质量左右不对称，会在滑行中偏向质量轻的一侧。

2.2 侧板设计

采用两侧板结构并镂空处理，将最大限度的质量集中在后轮。侧板设计有轴承外壳孔,避免了轴承座质量分配。两侧板用支撑柱连接，保证小车整体强度。惯性小车实物图如图1所示。

图1 惯性小车实物图

2.3 后轮结构设计

保证小车在相同的摩擦因数工况下行驶，小车的转动惯量JF越大，小车滑行的距离越长。

假设后轮的质量为m，质量mi到中心轴的距离等于半径R,所以后轮对于后车轴z的转动惯量为：

JF=∑miR2=R2∑mi=mR2

后轮的转动惯量与轮子的质量和半径平方成正比。

与轮缘相比，轮辐及轮毂的转动惯量较小可略去不计。设GA为轮缘的重力，D1、D2和D3分别为轮缘的外径、内径与平均直径，则轮缘的转动惯量近似为：

最佳设计是以最少的材料获得最大转动惯量JF，即应把质量集中在轮缘上。考虑到实际加工质量和软件分析质量的误差，可在轮辐到轮毂之间增加配重。车轮与地面以线接触的形式减少滚动摩阻，后车轮结构如图2所示。

图2 后车轮结构

2.4 前轮结构设计

根据比赛二轮要求，需回收前轮和前车轴，现场加工前轮和车轴再次装配竞赛，为此前轮结构设计为方便装卸结构。通过紧定挡圈固定于车轴，两侧板的预紧力使车轴固定静止。前轮和轴承一体式设计，极大地降低了轴和车轮同轴配合的难度，如图3所示。

图3 前轮结构

2.5 前车轴设计

前车轴设计成阶梯轴，最小直径4 mm。由图4、图5看出：在外载荷的作用下，车轴形变量微小且刚度满足要求。

图4 前车轴等效应力图

图5 前车轴等效应变图

3 结论

此次设计的惯性小车结构简单、质量轻、传动件少、能耗较低，利用重力势能转化为小车运动的动能，且没有间接能量转换。根据机械设计和理论力学的基本知识，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。

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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

庄集超(1994—)，男，本科，研究方向为机电一体化。E-mail：18312735741@163.com。

李德荣，E-mail：lidr2008@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.003

TH122

A

1674-1986(2017)02-012-03