无碳小车方案

基于旋转储能的无碳小车设计方案0弓|言本份报告概述了本小队的无碳小车的设计方案、总体结构布局，最后对部分关键零件绘制了示意图进行了动力学分析，完成了零件参数的匹配设计，并对能量流动过程中的损失进行了分析和估计。1基于旋转储能的无碳小车结构设计根据规则，驱动小车行驶过程的所有能量来自于1kg重块从500mm高度垂直下落的重力势能并要求在行驶中避障，因此可以将设计过程分为三个环节：能量转换及储能环节、传动环节和转向环节。1.1能量转换与存储如何将重块的势能转换为可以驱动车辆持续行驶的动能是小车设计中至关重要的一个环节，本方案采用将重块的势能转化为旋转的动能的方式来实现能量转换与存储，如图1所示：图1旋转储能装置在O点处安置轴承使物体可以围绕O点自由转动当重块从高空A点落下至B点时，具备较高的下落速度V，落入夹紧装置后绕O点高速旋转，从而将物体下落的势能转化为旋转动能。在重物下落至B点时，需一掐紧装置将其抓住，其设计结构如图1中所示，主要由四个关键部件来实现，掐块（1）用来将落入筐体中的重块固定住，当重物下落与掐块接触时将掐块推入槽中，待重物落下后，掐块在复位弹簧（2）的作用下回位，挡住重块防止其在转动过程中从筐中飞出，限位块（3）的作用是防止掐块从槽中脱出，筐底的缓冲弹簧（4）用来减少重物与框体接触过程中产生的冲击。1.2传动环节重块下落时具有较高的速度，因此动力输出轴上具有很高的转速，在传动到车轮的过程中，必须首先进行减速增扭，另外，为了使车辆可以平稳起步，在初始阶段车辆需要一个逐步增大的较大扭矩，在车辆达到一定速度之后，力矩逐渐降低，同时需要设置一个动力缓冲机构，使重块旋转所产生的力矩逐渐施加在车辆上。此处采用一级齿轮减速和弹簧缓冲机构来实现上述功能，如图2所示。图中一级齿轮减速机构来对重块旋转所产生的力矩进行减速增扭，由于弹簧缓冲机构在运动初始阶段弹簧不受力，处于松弛状态，所以在重块落下时阻力为0，不会产生冲击，随着重块的选择，弹簧开始压缩，当弹簧的压缩量达到足以使弹簧推力所产生的力矩客服滚动阻力时，车辆开始起步，因此此弹簧缓冲机构可以起到类似于车辆离合器的作用，使车辆平稳起步，减少冲击。车轮图2传动系统结构简图当车辆起步之后，随着车速的增高，弹簧压缩量变小，因此车辆驱动力会比起步时有所降低，当降低到恰好克服滚动阻力时，进入稳态，此过程类似于汽车中的两档无级变速结构，具体的工作原理及数学模型将在下文动力学分析中进行详细论述。1.3转向机构由于小车在行驶过程中需要躲避障碍，因此必须对转向机构进行设计，其基本原理图如图3,在车辆行驶过程中，每行进一定的距离，小车都具有一定的侧偏角，从而可以多开障碍物。aa(a)aa(a)俯视图(b)前视图图3转向机构示意图

1.4小车整体结构综合以上三个主要子部件，可以得到本小车设计方案的总体结构如图4所示，共由12个主要零件组成。驱动轮匚一11驱动轮1、转向轮6、大齿轮1、转向轮6、大齿轮10、弹簧2动力学分析2、转向拉杆7、锥齿轮11、驱动轮3、重块掐紧装置4、轴承8、锥齿轮（转向圆盘）9、弹簧缓冲变矩机构12、传动轴5、小齿轮首先，当重物从高空加速下落至图1中的B点时，重力势能转化为重块围绕O点旋转的动能，如式（1）所示；根据式（1）可以得到动力输出轴的初始旋转角速度刃°，如式（2）所示。mgh=-mv220其中m为重块质量，kg；g为重力加速度，m/s2；m/sov0为下落到B点时的重块速度(2)<2m/so(2)其中L为重块重心到轴承中心的距离，m。车辆运行过程可以分为两个阶段，第一阶段为车辆起步加速阶段，第二阶段为准匀速行驶阶段，即缓慢减速直至停车。首先分析第一阶段，即加速起步过程的动力学关系，如图5中所示，假设2级齿轮减速比为z•，则有CD=mJi，初始时车辆静止，刃3=0，在动力输出轴获得了初始角速度力。之后，显然有刃3</2,弹簧开始压缩，随着弹簧的压缩，车轮收到由弹簧传递来的驱动力矩，当驱动力矩大于滚动阻力矩时，车辆开始缓慢起步，如式（3）所示。u=1^气—炊g)dt(t)06mgifAx<AxmaxifAx=AifAx<AxmaxifAx=Axmax(4)B图5传动过程Td为作用在车轮上的车辆驱动力矩，Nm，计算方式如式（4）所示。rK-Axtdu、

r(fmg+6mg=)

zodt其中K为弹簧刚度，N/m；或为弹簧压缩量，m；%与气的计算如式（5）、式（6）所示；随着车速u的增加，气逐渐增大，%逐渐减小，当达到%3=%2时，弹簧达到最大压缩量，车辆产生最大的加速度值，之后，气继续增大，%2继续减小，%3>%2，弹簧压缩量开始减小，车辆加速度减小，但是仍在加速。(5)(6)…*-[Mdt2iL01z(6)随着弹簧压缩量的进一步减小，车辆驱动力继续下降，当Td下降到与Tf相等时，加速过程停止，第一阶段结束。在第二阶段中，弹簧压缩量维持不变，系统进入稳态，车辆呈匀减速状态以较小的减速度做准匀速行驶，重块旋转速度逐渐降低，其速度变化率由式（7）确定：d：=-fmgr-（'zl2+1）dt0zi其中Iz为传动过程中弹簧以前的部分的转动惯量，It为弹簧以后的部分等效到车轮处的转动惯量。。对弹簧之前的一段进行分析，可以得到如下关系：当①］降低到0时，车辆停止，预估计小车质量4kg,取齿轮传动效率为90%，地面阻力系数为0.016，根据计算，行驶距离约为5.47米。3系统参数匹配根据上述动力学分析过程，可以看出，齿轮减速比i的选取如果较小，则会很快使％降低为0，车速过快，发生明显滑转，应当避免，但是如果过大，则车速太低，虽然可以运行较长时间，但是行驶距离不远，这样浪费在克服空气阻力中的能量所占比例将会增多，综合分析之后，选取i=16。综合上述动力学分析结果并结合实际情况，设计小车主要零件参数如表1所示：表1小车主要零件及参数零件名称主要参数数量轴承内径4mm，外径8mm2弹簧刚度系数2.18，自由长度50mm6小齿轮分度圆直径17，模数12大齿轮分度圆直径68，模数12轴直径4mm3轴套内径10mm，外径14mm1车轮直径200mm3掐块机构结构特殊，暂定自己制作1叶片长10mm，宽5mm，厚1mm124功率损失分析本小车主要的能量损失包括两个部分，一是在能量转换机构上，当重块旋转至最后一圈并停止时，重块停止的位置无法准确估计，极限情况是如果重块恰好在最后一圈时停留在旋转轨迹的最高点，因能量转换与储能装置带来的损失可以表示为：E<mg-max{h}（9）假设一对定轴齿轮传动效率为90%，那么总传动效率可表示为：门>mgmaX田」x0.93x100%=0.84x09x100%=61.2%（10）。h5总结（1）本报告论述了本小组所设计的无碳小车的设计方案，详细论述了能量转换与储能装置、传动装置和转向装置三部分的设计思路和设计结构。（2）进行了动力