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基于工程训练自由滑行的小车设计

2020-10-12何义群刘万锋

数码世界 2020年9期
关键词:重力势能

何义群 刘万锋

摘要:针对第五届湖南省大学生工程训练综合能力竞赛中对自由滑行小车设计的要求,依据理论力学和机械设计方面的知识,选择合理的结构形式,设计制作一种符合本命题要求的“重力势能驱动小车”。通过UG建模仿真和采用不同参数的实车调试发现:设计的小车构造简单,具有良好性能,符合比赛的要求,在竞赛中可以跑完24m标准赛道。

关键词:自由滑行小车  重力势能  UG建模  质量分配

引言

相对大部分学机械的工科学生来说,每两年一届的工程训练大赛,是一项锻炼学生实践能力和创新能力的赛事。2018年工程训练大赛中竞赛命题之一为自由滑行小车的设计与制作,该竞赛项目要求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,利用小车在特定路段中将势能转化为动能,并获得最大行驶距离。按照距离的长短评价小车的性能并得到最终成绩。

1 自由滑行小车设计总体方案

1.1小车整体设计要求

小车设计要求如下:

⑴小车为四轮结构。

⑵小车的最大质量为2000g;最大尺寸不得超过:长320mm,宽240mm,高120mm。

⑶不可以使用滚动轴承。

⑷驱动其行走的能量是根据能量转换原理,由给定重力势能转换而得到的,不可以使用任何其他形式来源的能量。(该给定重力势能由自重≤2000g的小车在一个离水平面赛道升高1000mm滑坡上获得,赛道宽度为1000mm,如图所示。该赛道一般采用木质材料制作。)

1.2不同方案对比分析

根据工程训练综合能力竞赛命题说明要求,为了使小车能够达到最远直线滑行的距离,参赛团队将不同结构的实车试验数据和原因分析(如表1所示)做出对比分析,根据实际测试,从结构稳定和重量选择采用了“凸字形结构”、“前后四轮”设计。并且将小车主要质量集中在后轮,小车滑行距离最远。

2 自由滑行小车设计

2.1设计思路

为了实现小车在长、宽、高限制的要求下,能够拥有最大惯性力的直线滑行,以下四个因素具有明显影响。:1)小车内部质量的分配、2)小车运行过程中的平稳性、3)小车运行过程中的能量损耗、4)小车是否能够直线滑行。

(1)最大限度的增加后轮的直径和厚度,并使小车的重心向后移动,同时后轮通过车削两边,中间留有一段5mm与地面接触的距离,其目的是将二个后轮与地面的面接触尽可能的变为线接触,使后轮获得最大惯性力的同时减少与地面的摩擦。

(2)两个后轮中心和两个前轮中心的距离在长度320mm的要求下尽可能做到了最大。

(3)能量损耗包括小车的内部损耗和外部损耗:内部损耗由滑动轴承的摩擦和后轮与轴之间的直接摩擦损耗造成;外部损耗是由于风的阻力、还有轮子与地面的摩擦。

(4)小车的“凸字形结构”设计,使得前轮比后轮宽,从而使小车在四轮稳定的同时能够更好直线行驶。

2.2车架设计

采用平面单板结构并进行镂空处理,最大限度的减轻车身重量,使主要的质量集中在后轮。轴承支撑固定座设计有安装固定孔,通过与车架的连接,使前后轮能够稳定的运行,保证小车整体强度。

2.3后轮结构设计

为了使小车在相同的摩擦因数下行驶,小车的转动惯量越大,小车滑行的距离越长。

假设后轮的质量为m,质量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:

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:

式中:为后轮距,其单位为。

最佳设计是以最少的材料获得最大转动惯量,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。

2.4前輪结构设计

为了使小车能够保持直线行驶,前轮之间的宽度比后轮之间的宽度大5mm,并且前车轮的厚度比后车轮的厚度大,目的是为了在下坡时能够减少与地面的冲击力,除此之外,前轮与轴之间用滑动轴承连接,采用石墨芯润滑,极大的减少摩擦力,如图3所示。

图3前车轮结构

2.5前后车轮轴设计

前后车轴设计成阶梯轴,两端钻有螺纹孔,便于和直推固定,最小直径6mm。在外载荷的作用下,车轴形变量微小且刚度满足要求。

3 结论

通过对自由滑行小车进行结构设计并使用UG软件进行运动仿真,并转化为实物作品,通过在规定路线上进行运行,实践证明,该车运动距离大,运行平稳,性能优异。

参考文献

[1]张德慧,刁吉祥,张恒,李红宽.基于重力势能驱动的无碳小车的创新设计与仿真[J].工程科技与产业发展,20166,13:82.

[2]张国胜,王元昔.势能小车的设计与应用[J].科学技术创新,2018,5:152-153.

[3]石云浩.无碳重力小车的研究与设计[J].现代制造技术与装备.2016,10(239):80-81.

[4]庄集超,李德荣,林景亮,曾嘉煜,刘子浪.基于工程训练的惯性小车的设计[J].研究与开发,2017,2:12-14.

基金项目

湖南文理学院教改项目(JGYB1939)。

作者简介

何义群(1997.10.27),男,湖南永州江华,大学本科在读,瑶族,研究方向:机械电子工程。通讯作者:刘万锋(1973.7),男,汉族,湖南常德人,大学本科,助教,研究方向:机械设计与制造。

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