工程实践与创新能力赛道重点考查大学生的基础工程知识与基本实践技能。惯性小车的设计及制作赛项重点考查学生设计能力、加工制作能力及综合工程实践能力，强调大学生思创融合与团队合作等综合素质能力，夯实后备人才的工程基础。
广东省大学生工程实践与创新能力大赛是由广东省教育厅主办、广东工业大学（大学城校区）承办。惯性小车设计与制作是2024年广东省大学生工程实践与创新能力大赛赛道之一。竞赛命题是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。根据现场发布的竞赛命题给出的有关参数和要求，进行惯性小车相关零部件的设计，并利用现场提供的设备和材料进行制作，然后进行小车的装配和调试。小车根据能量转换原理驱动，利用其惯性实现直线行驶
［1］。
1 设计要求及赛道
1.1 小车设计要求
（1） 设计一台四轮惯性小车，必须有完整的外壳。
（2） 小车的外形尺寸不大于250 mm×150 mm×150 mm，总重量不超过700 g。
（3） 小车所有轴承座、小车底板及外壳现场进行设计，并利用现场提供的设备完成零件的加工，其余零件（包括4个外径为50 mm的从动轮、4个F686ZZ轴承和1根直径为6 mm、长度为500 mm的轴）现场统一配置，各部分的结构要考虑小车组装的方便性、合理性及美观度。
（4） 要求小车在行走过程中完成所有动作，所需的能量均由下滑时的势能转换获得（若小车设计有储能机构，则其能量均由小车下滑时的势能转换获得），不可使用任何其他的能量来源。
1.2 比赛赛道
比赛赛道示意图如
图1（图中标注尺寸单位为mm）所示，斜坡的倾斜度约为15°，水平长度约为1.0 m，赛道宽为1.5 m。
1.3 比赛评分标准
比赛分为百分制，设计制作占40分：其中零件加工质量得10分，规定时间（180 min）内完成零件设计和制作得10分，小车设计及制作20分；现场竞赛60分，根据具体运行距离评分。
2 赛道分析
2.1 设计思路
根据赛道规定，要实现小车直线行驶，惯性小车的机械设计需要确保车辆在运行过程中保持稳定，以减少外界干扰对车辆行驶轨迹的影响。设计时要考虑车辆的重心位置、轮子的平衡以及各部件之间的配合，确保车辆在直线行驶时能够保持稳定。
要实现小车能有足够的动力前进，必须利用好小车惯性的作用。惯性是物体固有的属性，它使物体保持原来的运动状态（静止或匀速直线运动），除非受到外力的作用。这一原理是牛顿第一定律的核心内容。物体的质量越大，其惯性也越大，即越难改变其运动状态。在确保小车直线行驶过程中，增加小车自重可以有效提高其惯性的作用，从而获得更多的动力。
如
图2所示，小车从
A点开始释放，
C点为小车最终行驶位置，
B、
C点之间的水平距离为小车的具体行驶距离。在到达
B点时，小车速度方向发生变化，这是因为小车与地面发生了碰撞，在地面所施加的力的作用下，小车的运动轨迹发生了变化。在碰撞过程中，小车会受到地面的反作用力，这个力会改变物体的速度，从而导致动量的变化。根据动量定理，物体动量的变化等于作用在物体上的合外力与时间的乘积，即：
其中，是动量的变化，是作用在物体上的合外力，是碰撞持续的时间。
在小车与地面发生碰撞的情况下，合外力主要包括地面的反作用力和可能存在的空气阻力（通常空气阻力在碰撞过程中可以忽略不计）。假设小车在下滑过程中两侧的轮子同时经过B点，小车前轮组、后轮组分别会发生一次碰撞，两次碰撞过程中 F 大小不同，这与小车重心位置有关，而碰撞的持续时间则与小车到达B点的速度大小有关。
为了减少该过程的能量损失，小车轴架应装配牢固，确保车轮在行驶过程中不会晃动或偏移。车辆的重心尽可能降低，将轴承座悬臂缩短，有助于提高小车在经过B点的稳定性，从而降低能量损失。
为了保证小车直线行驶的准确性，应确保所有车轮都正确对齐，没有偏差，避免增加碰撞。可以调节车轴支架和轴承座，实现车轮位置的调整，保证所有车轮都指向同一方向。同时，小车重心对小车的运动状态也起到一定影响，通过配重的装配进而实现调整重心的作用，使小车重心位于两对车轮中心，可以防止小车在直线行驶过程中出现偏离。
2.2 不同方案对比分析
在小车上建立
X-
Y坐标系作为小车配重装配位置，如
图3所示。小车为测试模型，小车车身长度为130 mm，高为50 mm。将配重安装在小车底板和外壳上的不同位置，比较各方案的可行性，从而得到最佳方案。
为实现小车获得更远的行驶距离，通过调整配重（约370 g）的装配位置达到调整小车重心位置的目的，对比不同重心位置对小车滑行距离的影响，如
表1所示。
由
表1中的数据可知，方案3、5、6行驶效果更优，小车配重安装于外壳上的整体效果要优于安装在底板上的，根据实验过程行驶效果和
表1数据进行分析，做出总结，如
表2所示。
通过
表2的总结和分析，比赛规定小车有2次运行机会，为保证小车行驶距离稳定、外观效果更优，因此选择方案3为最终配重安装方案。
3 结构设计
3.1 底板设计
底板加工方式为激光切割，加工材料为亚克力。小车采用整体式底盘结构，可提高底盘的抗扭性和承载能力；底板结构设计简单，可降低加工成本、节省加工时间。底板大小略大于小车外壳，避免气流从小车底部流入小车内部，在小车内部形成涡流，进而影响小车的重心和行驶轨迹。如
图4所示，在底板中心设计一条直槽口，用于安装配重和调整配重安装位置。底板圆孔安装紧固螺钉，用于与轴承座连接，两侧方形通孔用于小车外壳拼接。
3.2 轴承座设计
轴承座加工方式为3D打印，加工材料为ABS。轴承座是固定轴承的关键结构，在一定程度上决定了小车的运动走向，因此要确保各轴承座的装配标准。轴承座孔壁均应有足够的厚度，轴承座的悬臂应尽可能地缩短
［2］。同时，轴承座与轴承的配合十分重要，轴承座的加工精度会直接影响两侧车轮是否平行。在确保轴承座力学结构符合标准的情况下，尽可能减小轴承座的尺寸，以达到节省时间、节约材料的目的。如
图5所示，在轴承座中间做一条开口，可以有效解决制造精度造成的配合误差。
通过对轴承座进行有限元分析，轴承座在装配过程中受力发生静应力位移，受力分析如
图6所示。在有限元分析模拟过程中，将轴承座受力效果放大10倍，从
图6中的模拟分析可知，轴承座发生形变程度较低，符合结构性能要求，具有良好的稳定性。
轴承座设计一致，统一打印，减小配合误差。前后轴承座安装平行，尽可能减少小车迎风面积，减小空气阻力。
3.3 外壳设计
外壳加工方式为激光切割，加工材料为椴木板。车身设计成流线型，以减少气流在车身表面的分离和紊流产生，目前汽车行业方面的研究也是在此基础上优化创新的
［3-4］。流线型设计能够引导气流顺畅通过，从而降低空气阻力。小车外壳的设计简单，由5块椴木板拼接而成，减少加工工序。小车外壳前端设计成尖锐的形状，减少空气的正面冲击，并减少车身表面的凹凸和凸起部分，使气流在车身表面更加平滑地流动，减少与车身的摩擦，从而降低阻力。空气阻力大小的计算公式如下：
其中，F为空气阻力，C为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为迎风面积，V为物体与空气的相对运动速度。由公式可知，减小小车外壳的迎风面积是减小空气阻力的关键。
地面效应的利用
［5］：如
图7所示，通过车身周围的挡板等设计，将原本通过车底的气流引导到车身两侧，减少两侧气流进入车底，从而在车与地面之间形成低气压区域，增加下压力，减小空气阻力。再使用软件模拟仿真小车运动过程中受到的空气阻力作用，检验小车外壳对气流的引导效果。
3.4 润滑技术
小车在装配前对轴承进行润滑可以减小其在工作过程中的摩擦，选择黏度低的润滑油可以有效减小小车轴承在工作中摩擦产生的影响。润滑油不仅可起到润滑作用，还能带走轴承内部的杂质和磨损颗粒，保持轴承内部的清洁和润滑效果。一般来说，润滑油应能够覆盖轴承的滚动体和保持架，但不能过多溢出。通过观察轴承的运行状态等判断是否需要添加润滑油。在完成小车装配后转动小车车轮，可以促进润滑油渗入轴承，提高润滑效果。润滑措施做好后对轴承预紧，可以提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机械工作时轴的振动
［2］。
3.5 小车整体结构
如
图8所示，小车组装顺序自下而上。先将各个轴承与轴承座进行组装，使用轴将轴承座成对连接，将车轮安装在轴的两侧，再将轴承座安装于底板下方，车轮位于小车两侧，可以减小底板高度；然后安装配重至底板，使得小车重心靠后；最后将小车外壳拼接完成后嵌入小车底座，采用间隙配合，在装配完成后使用胶水黏合，防止小车外壳脱落，提高车身稳定性。
如
图9所示，小车实物车身两侧加工两道开口，可以对松动的配重进行紧固。在小车运行前使用胶布进行封闭，防止空气进入小车内部，从而增加空气阻力。
4 结论
小车设计符合竞赛规定，小车结构设计简单合理，加工成本低，无能量间接转化，并通过Solidworks建模运动仿真和实践得出结论：小车性能良好，结构稳定，内部系统能量损失低，动力转化较为理想，在赛道中行驶距离为14.32 m；小车行驶路径相对稳定，还有改进空间，可以提高对轴承座的装配精度，提高小车行驶稳定性。
本次比赛目的在于培养学生的科学知识应用能力、创新能力、动手实践能力、团队协作能力等，将知识与实践相结合，以赛促学，激发学习动力，培养创新思维，营造良好的学习氛围。
京公网安备11010202008535号
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