馮贊

(唐山市第一中學,河北 唐山 063000)

無碳小車車身結構設計的創(chuàng)新與優(yōu)化

馮贊

(唐山市第一中學,河北 唐山 063000)

為了能夠達到"無碳小車"的相關性能要求, 將任務進行合理分解,對小車進行創(chuàng)新性設計.本文深入的研究并探討了如何有效提升小車運行的平穩(wěn)性,同時對影響小車平穩(wěn)、周期性轉向、運動換向機構以及驅動因素進行了深入的分析,并提出解決方案,旨在提升小車的運行精度,進一步確定小車總體方案以及相應的結構參數(shù).相關實踐表明,小車具有操作相對簡單、結構相對合理等優(yōu)點.另外小車運行相對平穩(wěn),行程相對較遠,可以避開數(shù)目較多的障礙物.小車設計方案相對合理,可以取得較好的競賽成績.

無碳小車;車身結構;設計與優(yōu)化

對比現(xiàn)有無碳小車,對其進行結構優(yōu)化,使得小車的相關設計既可以滿足命題要求,還可以達到小車車身結構最為簡潔、車體最為輕便、車體加工工作較為簡單,易于操作等.本文具體從車身、傳動機構、驅動機構、能量轉換機構以及專項機構等幾個方面,對小車的結構設計、結構優(yōu)化方案以及相應的工作原理進行了詳盡的介紹與分析.實踐證明,經過改進的新型無碳小車的整體性能有了很大改進,小車的行走距離以及繞障數(shù)量增加都十分明顯.

1 任務分解與工作原理

無碳小車進行設計的核心思想是作品的創(chuàng)新性設計,其設計過程可以充分體現(xiàn)四個方面的工程能力要求,分別是:創(chuàng)新設計能力、工程管理能力、制造工藝能力以及實際操作能力.小車雖然車身較小,但卻是個完整的系統(tǒng)工程,在設計的過程中,主要對各種因素進行充分考究.經過多次實踐論證表明,小車設計最為關鍵的環(huán)節(jié)就是能量轉換怎樣實現(xiàn)、車體驅動怎樣實現(xiàn)、車體周期性轉向怎樣實現(xiàn)以及車體的平衡怎么實現(xiàn).在小車設計的過程中,關于小車的結構設計必須以實際加工工藝為基礎.相關的設計原則為:小車車身重心盡量靠下;小車車體結構設計盡量簡潔;使用的傳動件數(shù)量盡量要少;小車質量盡量小;運行起來不會產生較大的振動;具有充分的剛度,操作更為簡單、靈活.

小車運行的基本思路是重錘下降所產生的重力勢能以及運動勢能憑借能量轉換結構轉換為動能,然后動能會憑借傳動機構向轉向機構進行傳動,這樣就可以驅動小車行走,小車中的轉向機構負責小車可以有效繞障.

2 無碳小車的結構優(yōu)化

2.1 車身

因為小車進行啟動的難易以及小車行走距離的長短和小車車體質量有直接關系.所以需要在車身部分進行優(yōu)化:小車車身地板以前選擇寬度為6mm的矩形鋁板制成,如圖1所示,現(xiàn)對地板進行優(yōu)化,將其厚度改為3mm,為了可以盡可能的將多余的部分去掉,將其優(yōu)化成為三角形狀,如圖2所示,這樣的優(yōu)化設計,不僅可以使地板減輕重量,還可以使其看起來更為美觀.

圖1 原小車外觀設計

圖2 改進優(yōu)化后的小車外觀

2.2 能量轉換機構

能量轉換機構的作用是轉換重錘下降的勢能為動能.能量轉換機構的結構包括五個部分,分別是:立柱、繞線繩、定滑輪支架、繞線輪以及定滑輪. 具體工作的思路是:小車啟動之前,重錘會上升到立柱的頂端位置,松開重錘后,重錘下降的勢能轉換為動能,動能通過能量轉換機構傳至驅動機構,驅動小車啟動.重錘在下降的過程中通過繞線繩、繞線輪以及定滑輪帶動動力軸,動力軸左側安裝有飛輪,右側安裝有大皮帶輪,伴隨重錘下降,勢能會經過一系列動作轉換為動能.在實際操作過程中,這個結構具有一定的弊端,即為重錘下降的過程,小車會產生一定的晃動,進而對小車運行的平穩(wěn)性產生影響,容易造成翻車以及車體跑偏的現(xiàn)象.所以,優(yōu)化的過程將小車原有的單根立柱改為三根立柱,在設計三根立柱之間的距離時,需要注意,相鄰兩根立柱之間恰好可以使得重錘通過的距離為最佳距離.另外,立柱通常選擇鋁合金,因為鋁合金相對較為輕便,為了可以進一步增加其穩(wěn)定性,需要將立柱折成角鋁形.經過優(yōu)化設計,重錘在下降時不會再發(fā)生晃動,也就避免了小車發(fā)生翻車以及車體跑偏的現(xiàn)象.

2.3 傳動機構優(yōu)化

傳動機構的作用是傳遞動能給轉向機構及驅動機構,傳動機構的組成部分有三個,分別是主動輪、從動輪和皮帶.其工作的具體思路是:重錘下降后,繞線輪會因為繞線繩的帶動進行轉動,因為主動輪和飛輪和繞線輪處于同一軸線,所以也會和繞線輪一同轉動,小車會受到驅動進而行走,小車繞障會通過驅動轉向機構實現(xiàn).在小車運行的過程中,傳動機構經常會出現(xiàn)皮帶打滑的現(xiàn)象,為了可以進一步提高傳遞效率,將小車的皮帶傳動進行優(yōu)化,將其改為齒輪傳動,選擇齒輪材質的過程中需要注意,盡量選擇質量更為輕便,耐磨性佳,價格相對低廉的產品.本文設計小車選擇了塑料齒輪.

2.4 轉向機構優(yōu)化

小車最為關鍵的部分就是轉向機構,小車能夠有效的進行繞障完全取決于轉向機構性能的好壞.轉向機構的構成有四部分,分別是:飛輪、銷釘、連桿、橫梁,如圖3所示.在實際進行調試時,連桿通過卡槽和橫梁進行連接,連接的時候,如果產生的間隙過大,小車在運行過程中,不容易準確的控制轉向,如果產生的間隙過小,連桿和橫梁容易相互卡死導致小車不能運行.另外,因為連桿和橫梁之間會有滑動摩擦的存在,所以在小車運行的過程中,會有很大的能量損失,經過相關實踐證明,專項機構設計并不完美,如圖4所示.原有飛輪因為其主要作用是實現(xiàn)連桿和動力軸半徑可調,途徑是將動力傳給連桿,現(xiàn)有飛輪經過優(yōu)化設計后,不僅可以減輕重量,還有利于裝配空間的節(jié)省,效果十分明顯.橫梁的形狀由原有的圓棒形狀改為槽型,連桿的萬向節(jié)通過銷釘和橫梁進行連接,銷釘位置可以調節(jié),這樣一來,能夠更為準確的控制前輪擺角.轉向機構經過改進后,在精準的控制轉向精度方面有很大的提升.

2.5 驅動機構

小車后兩輪是小車的主要驅動機構,因為小車在進行饒障的過程中,會產生一定的差速,所以,一側和軸緊固連接的車輪為動力輪,另外一側裝有軸承的為從動輪.原有后輪憑借150mm的棒料進行加工,加工成為8mm的車輪.現(xiàn)在經過優(yōu)化設計,將其進行優(yōu)化為厚度為4mm,材質為鋁板,這樣的優(yōu)化設計,在加工的過程能夠節(jié)省大部分材料,另外車輪的直徑雖然有所增加,但是車輪質量并未增加.重錘下降相同的高度,車輪直徑大的,通常會比車輪直徑小的能夠行走更遠的路程.

2.6 微調機構

圖3 原小車俯視圖

圖4 改進后小車俯視圖

在原有小車結構中,微調結構具體指的是銷釘?shù)囊苿游恢?憑借銷釘位置的改變來控制連桿半徑,以實現(xiàn)調整前輪擺角.經過優(yōu)化后的小車微調的機構分為兩個部分,其一是調整曲柄上銷釘?shù)奈恢?其二是通過移動橫梁上的銷釘精準的調節(jié)小車繞障間距.所以,經過優(yōu)化設計的小車具有更強的調節(jié)功能,可以精準的控制小車的行走軌跡.

3 無碳小車優(yōu)化前后對比

對比原小車,經過優(yōu)化設計后的小車,兩者具有以下差別:立柱的數(shù)量由一個變?yōu)槿齻€,車輪直徑由小變大,原有小車的傳動是通過皮帶實現(xiàn),現(xiàn)有小車的傳動通過齒輪傳動,橫梁的形狀由圓棒性變?yōu)椴坌?飛輪優(yōu)化為曲柄.另外,通過實踐還可以看出,經過優(yōu)化后的小車的底盤更低,重錘的位置也更低,這就使得小車的整體重心都有所下降,進一步增加了小車運行的穩(wěn)定性.原有小車的車底板為矩形,經過優(yōu)化有的小車底板為三角形,這些優(yōu)化設計不僅可以使得車體重量減輕,更能夠簡化相關構件的加工.特別是在進行轉向機構的優(yōu)化過程中,因為原來的轉向調控并不精確,經過優(yōu)化設計后,無間隙調控可以更為精確.總的來說,新型無碳小車對比原有小車,性能上有了很大提升.

4 結語

對無碳小車進行優(yōu)化設計,不僅可以提升學生的工程實踐能力、鍛煉創(chuàng)新思維,還可以增強學生團隊合作的意識.在小車研制的過程中,更容易對機械原理的構件組合、配合進行理解,進而可以有效的對機械各構件進行合理的應用.

[1]張金玲,肖坤,邊普陽,等."8"字型無碳小車的結構設計與實現(xiàn)[J].寧波職業(yè)技術學院學報,2015,(03).

[2]戴海燕,蔡鍇文,吳鈅烺,等.基于工程訓練的無碳小車的設計[J].汽車零部件,2014,(11).

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1671-0711(2017)11(上)-0058-02