馮贊

(唐山市第一中學(xué),河北 唐山 063000)

無碳小車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與優(yōu)化

馮贊

(唐山市第一中學(xué),河北 唐山 063000)

為了能夠達(dá)到"無碳小車"的相關(guān)性能要求, 將任務(wù)進(jìn)行合理分解,對(duì)小車進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì).本文深入的研究并探討了如何有效提升小車運(yùn)行的平穩(wěn)性,同時(shí)對(duì)影響小車平穩(wěn)、周期性轉(zhuǎn)向、運(yùn)動(dòng)換向機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了深入的分析,并提出解決方案,旨在提升小車的運(yùn)行精度,進(jìn)一步確定小車總體方案以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù).相關(guān)實(shí)踐表明,小車具有操作相對(duì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)相對(duì)合理等優(yōu)點(diǎn).另外小車運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn),行程相對(duì)較遠(yuǎn),可以避開數(shù)目較多的障礙物.小車設(shè)計(jì)方案相對(duì)合理,可以取得較好的競(jìng)賽成績(jī).

無碳小車;車身結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)比現(xiàn)有無碳小車,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得小車的相關(guān)設(shè)計(jì)既可以滿足命題要求,還可以達(dá)到小車車身結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)潔、車體最為輕便、車體加工工作較為簡(jiǎn)單,易于操作等.本文具體從車身、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及專項(xiàng)機(jī)構(gòu)等幾個(gè)方面,對(duì)小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案以及相應(yīng)的工作原理進(jìn)行了詳盡的介紹與分析.實(shí)踐證明,經(jīng)過改進(jìn)的新型無碳小車的整體性能有了很大改進(jìn),小車的行走距離以及繞障數(shù)量增加都十分明顯.

1 任務(wù)分解與工作原理

無碳小車進(jìn)行設(shè)計(jì)的核心思想是作品的創(chuàng)新性設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)過程可以充分體現(xiàn)四個(gè)方面的工程能力要求,分別是:創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、工程管理能力、制造工藝能力以及實(shí)際操作能力.小車雖然車身較小,但卻是個(gè)完整的系統(tǒng)工程,在設(shè)計(jì)的過程中,主要對(duì)各種因素進(jìn)行充分考究.經(jīng)過多次實(shí)踐論證表明,小車設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是能量轉(zhuǎn)換怎樣實(shí)現(xiàn)、車體驅(qū)動(dòng)怎樣實(shí)現(xiàn)、車體周期性轉(zhuǎn)向怎樣實(shí)現(xiàn)以及車體的平衡怎么實(shí)現(xiàn).在小車設(shè)計(jì)的過程中,關(guān)于小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須以實(shí)際加工工藝為基礎(chǔ).相關(guān)的設(shè)計(jì)原則為:小車車身重心盡量靠下;小車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔;使用的傳動(dòng)件數(shù)量盡量要少;小車質(zhì)量盡量小;運(yùn)行起來不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng);具有充分的剛度,操作更為簡(jiǎn)單、靈活.

小車運(yùn)行的基本思路是重錘下降所產(chǎn)生的重力勢(shì)能以及運(yùn)動(dòng)勢(shì)能憑借能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,然后動(dòng)能會(huì)憑借傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng),這樣就可以驅(qū)動(dòng)小車行走,小車中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)小車可以有效繞障.

2 無碳小車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 車身

因?yàn)樾≤囘M(jìn)行啟動(dòng)的難易以及小車行走距離的長(zhǎng)短和小車車體質(zhì)量有直接關(guān)系.所以需要在車身部分進(jìn)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(duì)地板進(jìn)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(shè)計(jì),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(shè)計(jì)

圖2 改進(jìn)優(yōu)化后的小車外觀

2.2 能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的作用是轉(zhuǎn)換重錘下降的勢(shì)能為動(dòng)能.能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)包括五個(gè)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(dòng)之前,重錘會(huì)上升到立柱的頂端位置,松開重錘后,重錘下降的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,動(dòng)能通過能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)小車啟動(dòng).重錘在下降的過程中通過繞線繩、繞線輪以及定滑輪帶動(dòng)動(dòng)力軸,動(dòng)力軸左側(cè)安裝有飛輪,右側(cè)安裝有大皮帶輪,伴隨重錘下降,勢(shì)能會(huì)經(jīng)過一系列動(dòng)作轉(zhuǎn)換為動(dòng)能.在實(shí)際操作過程中,這個(gè)結(jié)構(gòu)具有一定的弊端,即為重錘下降的過程,小車會(huì)產(chǎn)生一定的晃動(dòng),進(jìn)而對(duì)小車運(yùn)行的平穩(wěn)性產(chǎn)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(shè)計(jì)三根立柱之間的距離時(shí),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?yàn)殇X合金相對(duì)較為輕便,為了可以進(jìn)一步增加其穩(wěn)定性,需要將立柱折成角鋁形.經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì),重錘在下降時(shí)不會(huì)再發(fā)生晃動(dòng),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(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是傳遞動(dòng)能給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成部分有三個(gè),分別是主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和皮帶.其工作的具體思路是:重錘下降后,繞線輪會(huì)因?yàn)槔@線繩的帶動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),因?yàn)橹鲃?dòng)輪和飛輪和繞線輪處于同一軸線,所以也會(huì)和繞線輪一同轉(zhuǎn)動(dòng),小車會(huì)受到驅(qū)動(dòng)進(jìn)而行走,小車?yán)@障會(huì)通過驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn).在小車運(yùn)行的過程中,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)皮帶打滑的現(xiàn)象,為了可以進(jìn)一步提高傳遞效率,將小車的皮帶傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化,將其改為齒輪傳動(dòng),選擇齒輪材質(zhì)的過程中需要注意,盡量選擇質(zhì)量更為輕便,耐磨性佳,價(jià)格相對(duì)低廉的產(chǎn)品.本文設(shè)計(jì)小車選擇了塑料齒輪.

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化

小車最為關(guān)鍵的部分就是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),小車能夠有效的進(jìn)行繞障完全取決于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)性能的好壞.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的構(gòu)成有四部分,分別是:飛輪、銷釘、連桿、橫梁,如圖3所示.在實(shí)際進(jìn)行調(diào)試時(shí),連桿通過卡槽和橫梁進(jìn)行連接,連接的時(shí)候,如果產(chǎn)生的間隙過大,小車在運(yùn)行過程中,不容易準(zhǔn)確的控制轉(zhuǎn)向,如果產(chǎn)生的間隙過小,連桿和橫梁容易相互卡死導(dǎo)致小車不能運(yùn)行.另外,因?yàn)檫B桿和橫梁之間會(huì)有滑動(dòng)摩擦的存在,所以在小車運(yùn)行的過程中,會(huì)有很大的能量損失,經(jīng)過相關(guān)實(shí)踐證明,專項(xiàng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并不完美,如圖4所示.原有飛輪因?yàn)槠渲饕饔檬菍?shí)現(xiàn)連桿和動(dòng)力軸半徑可調(diào),途徑是將動(dòng)力傳給連桿,現(xiàn)有飛輪經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)行連接,銷釘位置可以調(diào)節(jié),這樣一來,能夠更為準(zhǔn)確的控制前輪擺角.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)后,在精準(zhǔn)的控制轉(zhuǎn)向精度方面有很大的提升.

2.5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

小車后兩輪是小車的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),因?yàn)樾≤囋谶M(jìn)行饒障的過程中,會(huì)產(chǎn)生一定的差速,所以,一側(cè)和軸緊固連接的車輪為動(dòng)力輪,另外一側(cè)裝有軸承的為從動(dòng)輪.原有后輪憑借150mm的棒料進(jìn)行加工,加工成為8mm的車輪.現(xiàn)在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì),將其進(jìn)行優(yōu)化為厚度為4mm,材質(zhì)為鋁板,這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì),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(zhì)量并未增加.重錘下降相同的高度,車輪直徑大的,通常會(huì)比車輪直徑小的能夠行走更遠(yuǎn)的路程.

2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)

圖3 原小車俯視圖

圖4 改進(jìn)后小車俯視圖

在原有小車結(jié)構(gòu)中,微調(diào)結(jié)構(gòu)具體指的是銷釘?shù)囊苿?dòng)位置,憑借銷釘位置的改變來控制連桿半徑,以實(shí)現(xiàn)調(diào)整前輪擺角.經(jīng)過優(yōu)化后的小車微調(diào)的機(jī)構(gòu)分為兩個(gè)部分,其一是調(diào)整曲柄上銷釘?shù)奈恢?其二是通過移動(dòng)橫梁上的銷釘精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)小車?yán)@障間距.所以,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的小車具有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)功能,可以精準(zhǔn)的控制小車的行走軌跡.

3 無碳小車優(yōu)化前后對(duì)比

對(duì)比原小車,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的小車,兩者具有以下差別:立柱的數(shù)量由一個(gè)變?yōu)槿齻€(gè),車輪直徑由小變大,原有小車的傳動(dòng)是通過皮帶實(shí)現(xiàn),現(xiàn)有小車的傳動(dòng)通過齒輪傳動(dòng),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(shí)踐還可以看出,經(jīng)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(jìn)一步增加了小車運(yùn)行的穩(wěn)定性.原有小車的車底板為矩形,經(jīng)過優(yōu)化有的小車底板為三角形,這些優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以使得車體重量減輕,更能夠簡(jiǎn)化相關(guān)構(gòu)件的加工.特別是在進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化過程中,因?yàn)樵瓉淼霓D(zhuǎn)向調(diào)控并不精確,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,無間隙調(diào)控可以更為精確.總的來說,新型無碳小車對(duì)比原有小車,性能上有了很大提升.

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)無碳小車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅可以提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、鍛煉創(chuàng)新思維,還可以增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí).在小車研制的過程中,更容易對(duì)機(jī)械原理的構(gòu)件組合、配合進(jìn)行理解,進(jìn)而可以有效的對(duì)機(jī)械各構(gòu)件進(jìn)行合理的應(yīng)用.

[1]張金玲,肖坤,邊普陽(yáng),等."8"字型無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,(03).

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

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1671-0711(2017)11(上)-0058-02