科技前沿 “Ｓ’’无 碳小车结构设计及优化研究 刘旭勤 （贵州理工学院，贵州贵阳５５０００３） 摘 要：全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动 、利 用重力势能转换设计的无碳小车，需驱动小车行走和转向。本文以全国大学生工程训练综合能力竞争中的“ｓ型无碳小车” 设计为例，介绍了小车的设计方案及主要部件设计计算方法，并针对理论设计方案的不足之处进行了相应的优化改进。优 化后的小车，能够最大程度地满足竞赛的要求，为今后小车的设计及调试提供了指导意义，也为相关机构的应用研究提供参 考价值 关键词：无碳小车设计；能量转换；方向控制；优化设计 中图分类号：Ｖ４６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ６７３一ｌ０６９（２０ｌ７）０６—１５６—２ １ 无碳小车研究意义 ２ｍｍ。标准砝码始终南小车承载，不允许从小车上掉落。 在比赛中要求小车在行走过程中完成所有动作所需的 全国大学生ｒ：程训练综合能力竞赛是教育部高等教育 司发文举办的全Ｉ玉１性大学生科技创新实践竞赛活动．是基于 能量均南此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来 国内各高校综合性ｌＴ程训练教学平台，为深化实验教学改 源的能量。小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有 革，提升大学生］ 程创新意识、实践能力和团队合作精神，促 可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。小车 为三轮结构。其中一轮为转向轮，另外二轮为行进轮，允许二 进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动。 ０００＿＋２００～３００ｍｍ范围 开展大学生 陧训练综合能力竞赛旨在促进各高校提 行进轮中的一个轮为从动轮。小车在１高＿Ｉ 程实践和 程训练教学改革和教学水平，培养大学生的 内产生一个…Ｓ’型赛道第一轮障碍物间距变化值和变化方 创新设计意识、综合］ 程应用能力与团队协作精神，促进学 向。竞赛中小车在前行时能够自动绕过赛道卜设置的障碍 生基础知识与综合能力的培养、理论 实践的有机结合，养 成良好的学风，为优秀人才脱颖而出创造条件。 物，赛道宽度为２ｍ，障碍物为直径２０ｒａｍ、高２００ｍｍ的圆 棒，沿赛道中线从距出发线ｌｍ处开始按间距ｌｍ摆放，摆 ２无碳小车设计的要求 竞赛要求设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根 放完成后，将偶数位置的障碍物按抽签得到的碍物间距变 据能量转换原理，ｌ訇给定重力势能转换而得到的。该给定重 化值和变化方向进行移动（正值远离，负值移近），形成的 力势能南竞赛时统一使用质量为１ｋｇ的标准砝码（ ５０￣６５ 即为竞赛时的赛道。以小车前行的距离和成功绕障数量来 ｍｍ．碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为４００＿＋ 评定成绩。表１ 汽车各项参数 项目名称 汽车整备质量／ｋｇ ４参数 ２６６０ 结论 在ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ环境下对半浮式半轴进行线性静 力分析，得到了应变及应力分布。从结果可以得ｍ该半轴的 弯扭复合应力满足许用弯曲应力的要求，其最大变形符合国 家标准。本文在建模和加载的过程中，做ｌ叶Ｊ了适当的简化，分 汽车满载总质量／ｋｇ 后轮距／ｍｍ ４４９５ ｌ４２５ 发动机最大转矩／Ｎ－ｆ１ 最高车速／ｋｍ／ｈ 后桥最大承载重量／ｋｇ ２８０ ９８ ２８７５ 析结果有一定的误差，但影响可以忽略。因此，该有限元仿真 分析结果可以作为设计开发的有效参考，以缩短开发周期降 低成本。半轴 作环境复杂多变，要完全切合实际的进行产 品制造，还需要进一步分析验证。 个单元，各单元之间通过节点相连，然后通过计算施加在节 点上的约束和载荷完成有限元计算。 ３．２ 载荷加载及有限元分析 分别在内端花键端面和外端凸缘端面添加固定约束，在 内端花键根部的支承处．即花键齿与半轴基体的过渡部分添 参考文献 ｆｌ】 陈家瑞．汽车构造（下）【Ｍ】。北京：机械工业出版社，２００９： １５ｌ一１５３． ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ １４．０超级学习手 加扭矩。在外端轴承处添加垂向力，经计算得扭矩为２８０Ｎ．ｎ１， 『２１黄志新，刘成柱．册【Ｍ１．北京：人民邮电出版社，２０１３：１６５—１６７． 最大垂向力为１４３７５Ｎ。最终加载如图３所示。 【３】 梁科，任燕．ＣＡＴＩＡ Ｖ５在汽车模具运动仿真的应用【Ｊ】ｌ 机械工程与自动化，２０１５（５）：２０７—２０８． 通 鑫 【４１ 王吉忠，沙德文，刘成极，等．基于ＵＧ软件的鼓式制 动器三维建模与装配…．机械设计与制造，２００８（２）： ｌ７ｌ～１７３． 【５】 王金杰．载货车驱动桥壳疲劳强度分析及优化设计【Ｄ】． 图３半轴载荷加载 山东：山东理工大学。２０１０． ・ｌ５６・ 科技前沿 ３无碳小车设计方案 角的对称性，可将连杆做成两段。通过螺纹连接进行调整。 根据竞赛要求分析，可以知道无碳小车的设计重点和难 ３．３绕线轮的设计 点是如何将重物的势能转换为机械能并驱动小车行走的距 由于小车运行驱动要考虑自重及车轮材料、行进赛道的 离最长和小车前行时如何避开道路上设置的障碍物。设计思 摩擦系数等因素，具体要求如下：驱动力要适中，使小车既能 路为：查阅相关资料，拟定将给定重物的势能转换为机械能 顺利启动，又不至于因小车加速使其在拐弯时速度过快而引 的结构和小车自动避障的机构，确定小车一个周期行进的路 起倾翻。线和长度，确定后轮尺寸和前后轮的传动比，传动机构设计， 我们要控制重物下落的速度，使重物的势能尽可能地转 小车车架总体结构设计，小车各零件的设计（包括材料和结 化为小车的动能，让小车平稳匀速的运动，达到运行更远的 构），主要零件配合部分尺寸及公差的确定、形状、位置的确 定。 目标。 由于影响小车运动的因素较多，最直接的就是赛道的摩 由于是第一次制作，很多因素无法预知，我们考虑相对 擦系数，在不同材料的赛道上面无小车需要的驱动力是不一 简单的结构方案，重物下落时直接带动小车行走，结构简单， 样的。在赛道确定前，是不知道需要多大的驱动力才能恰到 加工方便，成本也较低。绕在小车轴上线的一端通过定滑轮 好处。因此驱动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动 连接在重物上，重物下落直接通过绳子带动小车前行。为了 力，即调整绕线轮的大小。 重物下落是加速的，如果我们设计的绕线轮没有锥度， 避免重物下落时因为小车的行走而摆动．影响小车行进的轨 迹，甚至使小车倾翻，因此在小车上设计了阻止小车摆动的 小车的驱动力恒定的情况下，小车也会加速。速度不断增加，３根竖杆，３根竖杆由套圈固定，杆与下落重物圆周相切，形 会引起小车在转弯处侧翻，因此，考虑绕线轮做成圆锥形状。 成一个圆柱形状，使之下落稳定。 下落高度只有４００＿＋２ｍｍ，要想跑的远，要么加大驱动轮直 构采用空间四杆机构。 为了达到上面的要求，我们根据小车各部分材料，估算 小车驱动轮的最小驱动直径为３８ｍｍ，取￣４０ｍｍ。 小车传动结构方面，采用较简单的直齿齿轮传动，由于 出小车的质量为２．５ｋｇ，车轮和赛道摩擦系数０．０８，可以估算 径，要么增加传动比。综合考虑，采用一级齿轮传动。转向结 ４方案的优化 根据设计的方案，我们制作出了小车，并进行了实际试 跑。从中我们发现了以下主要问题：实际跑动距离比理论距 离相差甚远；小车运行轨迹基本与理论相符，但转向稳定性 很差。 针对以上问题，我们对小车进行了优化改进。 对问题１的改进：按照设计方案，我们把两个后轮都做 成主动轮，这样会大大增加其与赛道的摩擦，直接导致能量 损耗过大，跑动距离就短。优化后将其中一个后轮做成被动 图１ 间距为１Ｏ００ｍｍ的余弦曲线 轮，再次试跑效果明显。 对问题２的改进：小车运行过程中，前轮轮叉刚性不足 通过对项目要求分析可知小车的前进路线，我们可以将 它近似地看成余弦函数 ｙ＝Ａｃｏｓｔｏｘ 是跑动不稳定的主要原因，我们初始方案使用的材料为３Ｄ 打印的ＡＢＳ，直径也很小，故出现不稳定的问题。优化后采用 铝材制造，再次试跑效果明显。 其中，Ａ为振幅，∞为频率。函数的图像就类似于小车前 进的路线，如冈１所示。 ３．１ 传动比的确定 优化后小车与地面摩擦减小，我们又对驱动线轮进行修 改，最后车驱动轮的最小驱动直径为１５ｍｍ。 ５ 总结 按照理想化的思想，传动比越大，小车能跑得越远，但是 考齿轮减速比太大，会造成大齿轮直径过大，使小车结构不 本文介绍了Ｓ型转向运动无碳小车设计研究的意义，并 协调．重心会产生偏移，从而运动过程容易翻车，因此按照传 动比的选择原则，同时考虑到小车在行驶时要求传动比准确 介绍了总体设计方案和分析了主要部件的设计方法，并针对 原方案的不足之处进行了相应的优化改进。从设计到制作， 利用现代工程原理，很好的解决能量转换的问题。小车经过 和加工工艺性，将传动比初步确定为１：４，大齿轮齿数为 调试后，运行平稳、匀速。小车的转向运动轨迹完全符合赛道 ８０，小齿轮齿数为２０。设定小车轨迹中线与小车理想轨迹的 的要求，相信能取得不错的成绩。 最大偏移量为３００ｍｍ，根据扇形计算公式计算得出小车沿 参考文献 弧线行走距离约为２４５０ｍ。由上分析可以确定小车后轮的 理论直径为１９０。 ３．２转向机构的设计 ［１】全国大学生工程训练综合能力竞赛［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． ｇｃｘ１．ｅｄｕ．ｃｎ／ｈｔｍｌ／ｈｉｓｔｏｒｙ／． ２】魏朗，余强．现代最优化设计与规划方法【Ｍ】．北京：人民 转向机构的稳定直接影响到小车在运动过程中的稳定 【性和行走路线的准确性，因此，转向机构的选择是无碳小车 交通出版社。２００５． ３】 郭卫东主编．机械原理【Ｍ】．北京：科学出版社，２０１０． 设计的关键部分。这直接决定着无碳小车的使用功能。我们 ［考虑用四杆机构，将旋转运动转换为小车转向地来回摆动， 【４】 濮良责，纪名刚．机械设计【Ｍ】．８版：北京高等教出版社， 以实现拐弯避过障碍物的功能。考虑到障碍物不是固定的距 ２０ｏ６． 离，设计一个转向盘作为短杆，转向盘沿直径方向开一字槽， 【５】机械设计手册编委会．机械设计手册【Ｍ】．北京：机械工 用于调节短杆长度。连杆也必须可调，用于调节前轮左右摆 业出版社，２００４． ・１５７・
