无碳小车车身结构设计的创新与优化

2017-11-15冯赞

中国设备工程 2017年21期

关键词：销钉重锤连杆

冯赞

(唐山市第一中学,河北唐山 063000)

无碳小车车身结构设计的创新与优化

冯赞

(唐山市第一中学,河北唐山 063000)

为了能够达到"无碳小车"的相关性能要求, 将任务进行合理分解,对小车进行创新性设计.本文深入的研究并探讨了如何有效提升小车运行的平稳性,同时对影响小车平稳、周期性转向、运动换向机构以及驱动因素进行了深入的分析,并提出解决方案,旨在提升小车的运行精度,进一步确定小车总体方案以及相应的结构参数.相关实践表明,小车具有操作相对简单、结构相对合理等优点.另外小车运行相对平稳,行程相对较远,可以避开数目较多的障碍物.小车设计方案相对合理,可以取得较好的竞赛成绩.

无碳小车;车身结构;设计与优化

对比现有无碳小车,对其进行结构优化,使得小车的相关设计既可以满足命题要求,还可以达到小车车身结构最为简洁、车体最为轻便、车体加工工作较为简单,易于操作等.本文具体从车身、传动机构、驱动机构、能量转换机构以及专项机构等几个方面,对小车的结构设计、结构优化方案以及相应的工作原理进行了详尽的介绍与分析.实践证明,经过改进的新型无碳小车的整体性能有了很大改进,小车的行走距离以及绕障数量增加都十分明显.

1 任务分解与工作原理

无碳小车进行设计的核心思想是作品的创新性设计,其设计过程可以充分体现四个方面的工程能力要求,分别是:创新设计能力、工程管理能力、制造工艺能力以及实际操作能力.小车虽然车身较小,但却是个完整的系统工程,在设计的过程中,主要对各种因素进行充分考究.经过多次实践论证表明,小车设计最为关键的环节就是能量转换怎样实现、车体驱动怎样实现、车体周期性转向怎样实现以及车体的平衡怎么实现.在小车设计的过程中,关于小车的结构设计必须以实际加工工艺为基础.相关的设计原则为:小车车身重心尽量靠下;小车车体结构设计尽量简洁;使用的传动件数量尽量要少;小车质量尽量小;运行起来不会产生较大的振动;具有充分的刚度,操作更为简单、灵活.

小车运行的基本思路是重锤下降所产生的重力势能以及运动势能凭借能量转换结构转换为动能,然后动能会凭借传动机构向转向机构进行传动,这样就可以驱动小车行走,小车中的转向机构负责小车可以有效绕障.

2 无碳小车的结构优化

2.1 车身

因为小车进行启动的难易以及小车行走距离的长短和小车车体质量有直接关系.所以需要在车身部分进行优化:小车车身地板以前选择宽度为6mm的矩形铝板制成,如图1所示,现对地板进行优化,将其厚度改为3mm,为了可以尽可能的将多余的部分去掉,将其优化成为三角形状,如图2所示,这样的优化设计,不仅可以使地板减轻重量,还可以使其看起来更为美观.

图1 原小车外观设计

图2 改进优化后的小车外观

2.2 能量转换机构

能量转换机构的作用是转换重锤下降的势能为动能.能量转换机构的结构包括五个部分,分别是:立柱、绕线绳、定滑轮支架、绕线轮以及定滑轮. 具体工作的思路是:小车启动之前,重锤会上升到立柱的顶端位置,松开重锤后,重锤下降的势能转换为动能,动能通过能量转换机构传至驱动机构,驱动小车启动.重锤在下降的过程中通过绕线绳、绕线轮以及定滑轮带动动力轴,动力轴左侧安装有飞轮,右侧安装有大皮带轮,伴随重锤下降,势能会经过一系列动作转换为动能.在实际操作过程中,这个结构具有一定的弊端,即为重锤下降的过程,小车会产生一定的晃动,进而对小车运行的平稳性产生影响,容易造成翻车以及车体跑偏的现象.所以,优化的过程将小车原有的单根立柱改为三根立柱,在设计三根立柱之间的距离时,需要注意,相邻两根立柱之间恰好可以使得重锤通过的距离为最佳距离.另外,立柱通常选择铝合金,因为铝合金相对较为轻便,为了可以进一步增加其稳定性,需要将立柱折成角铝形.经过优化设计,重锤在下降时不会再发生晃动,也就避免了小车发生翻车以及车体跑偏的现象.

2.3 传动机构优化

传动机构的作用是传递动能给转向机构及驱动机构,传动机构的组成部分有三个,分别是主动轮、从动轮和皮带.其工作的具体思路是:重锤下降后,绕线轮会因为绕线绳的带动进行转动,因为主动轮和飞轮和绕线轮处于同一轴线,所以也会和绕线轮一同转动,小车会受到驱动进而行走,小车绕障会通过驱动转向机构实现.在小车运行的过程中,传动机构经常会出现皮带打滑的现象,为了可以进一步提高传递效率,将小车的皮带传动进行优化,将其改为齿轮传动,选择齿轮材质的过程中需要注意,尽量选择质量更为轻便,耐磨性佳,价格相对低廉的产品.本文设计小车选择了塑料齿轮.

2.4 转向机构优化

小车最为关键的部分就是转向机构,小车能够有效的进行绕障完全取决于转向机构性能的好坏.转向机构的构成有四部分,分别是:飞轮、销钉、连杆、横梁,如图3所示.在实际进行调试时,连杆通过卡槽和横梁进行连接,连接的时候,如果产生的间隙过大,小车在运行过程中,不容易准确的控制转向,如果产生的间隙过小,连杆和横梁容易相互卡死导致小车不能运行.另外,因为连杆和横梁之间会有滑动摩擦的存在,所以在小车运行的过程中,会有很大的能量损失,经过相关实践证明,专项机构设计并不完美,如图4所示.原有飞轮因为其主要作用是实现连杆和动力轴半径可调,途径是将动力传给连杆,现有飞轮经过优化设计后,不仅可以减轻重量,还有利于装配空间的节省,效果十分明显.横梁的形状由原有的圆棒形状改为槽型,连杆的万向节通过销钉和横梁进行连接,销钉位置可以调节,这样一来,能够更为准确的控制前轮摆角.转向机构经过改进后,在精准的控制转向精度方面有很大的提升.

2.5 驱动机构

小车后两轮是小车的主要驱动机构,因为小车在进行饶障的过程中,会产生一定的差速,所以,一侧和轴紧固连接的车轮为动力轮,另外一侧装有轴承的为从动轮.原有后轮凭借150mm的棒料进行加工,加工成为8mm的车轮.现在经过优化设计,将其进行优化为厚度为4mm,材质为铝板,这样的优化设计,在加工的过程能够节省大部分材料,另外车轮的直径虽然有所增加,但是车轮质量并未增加.重锤下降相同的高度,车轮直径大的,通常会比车轮直径小的能够行走更远的路程.

2.6 微调机构

图3 原小车俯视图

图4 改进后小车俯视图

在原有小车结构中,微调结构具体指的是销钉的移动位置,凭借销钉位置的改变来控制连杆半径,以实现调整前轮摆角.经过优化后的小车微调的机构分为两个部分,其一是调整曲柄上销钉的位置,其二是通过移动横梁上的销钉精准的调节小车绕障间距.所以,经过优化设计的小车具有更强的调节功能,可以精准的控制小车的行走轨迹.

3 无碳小车优化前后对比

对比原小车,经过优化设计后的小车,两者具有以下差别:立柱的数量由一个变为三个,车轮直径由小变大,原有小车的传动是通过皮带实现,现有小车的传动通过齿轮传动,横梁的形状由圆棒性变为槽形,飞轮优化为曲柄.另外,通过实践还可以看出,经过优化后的小车的底盘更低,重锤的位置也更低,这就使得小车的整体重心都有所下降,进一步增加了小车运行的稳定性.原有小车的车底板为矩形,经过优化有的小车底板为三角形,这些优化设计不仅可以使得车体重量减轻,更能够简化相关构件的加工.特别是在进行转向机构的优化过程中,因为原来的转向调控并不精确,经过优化设计后,无间隙调控可以更为精确.总的来说,新型无碳小车对比原有小车,性能上有了很大提升.