气动自行车理论计算

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1、本项目中马达和气罐是自行车行走的动力源，气罐与马达通过导气管相互连接，气罐的气体经由气管到达马达使马达做功产生能量，能量通过链条传递给自行车后轮的主轴，从而是自行车运动。所以对马达输出扭矩及气罐内压强的计算是极其必要的。1、气动马达的可行性分析自行车的起动及其匀速运动木项目中取自行车木体机器人的重量为G二1000N,自行车行驶时与地面的摩擦系数为［1=0.02,白行车前轮与后轮的中心距为L=980mm,白行车前后轮半径均为R二300mm、其中心轴半径均为r=8mm；经综合考虑取自行车的质心距其13前轮的距离为1=—L=637mmo20

2、起动吋自行车受力如图1所示，如果不考虑滚动摩擦，此吋应有：r/i

3、（0）=Gl-N2厶=0⑵-^A/（O2）=N,L-G（£-Z）=0将已知数据代入上述方程组可得：自行车车轮与地面的摩擦力f与地面对自行车支持力N之间的关系满足下列方程：f=BP：=ilN,=7N;/2=

4、iN2=13No马达通过链条与后轮连接，使得自行后轮获得驱动力，进而驱动自行车的运动。现以自行车的后轮为研究对象进行分析，如图2所示。图2自行车行驶吋其后轮受力分析对于自行车的后轮，它受到链条的拉力T,是气动自行车可以行驶的动力;地面与自行车轮胎间的摩擦力力是阻止自行车后轮转动的阻力。当自行车匀速运动时，对于后轮应有以下关系式：X

5、M（O2）=f2R-Fr=0将已知数据代入公式（3）得链条传递的扭矩为：T=Fr=3・9Nm。马达与自行车后轮通过滚子链连接，通过机械手册查的滚子链的链传动效率T79为n=96%,即马达的输出扭矩为T.=-=—=4.06A^./Ho在本项目中选择输-r

6、0.96出扭矩为T=4ANm>T2的马达。综上所述已选马达满足本项目的使用耍求。气动自行车可行性理论分析在车载一定容量的高压空气条件下，不考虑机械损耗，高压空气所释放的能量.等于高压空气内初始压强完全膨胀到马达排气压强时所做的机械功。由热力学理论可知，高压气体在膨胀过程中因工况不同将

7、经历不同的热力过程，不同的热力过程对外所做的机械功有较大差别，将使自行车的理论行驶能力有很大的差异。空气在膨胀过程中.对外所作的机械功由下式决定：W=fV?PdV(4)式中：W-储气罐内气体对外所作总机械功；％—气罐总容积；岭一高压气体膨胀后体积；P—瞬时压力变化；v—瞬时气体体积。系统在膨胀时不吸热.经历绝热膨胀过程，对外做功最少。根据经验为安全起见，现以绝热膨胀过程为例进行分析。其中气体状态参数间有如下关系式:(5)公式(5)中：P—储气罐内初始压强;如果保证气动发动机最终的排气压强为£,K-1K-那么由式(4)和式(5)可得:

8、(6)式中：K一绝热系数：—绝热过程高压空气输出总机械功。设气动自行车车载气罐缸内初始压强为0.6MPa,体积为0.01m3,制气动马达排气压力为O.IMPa,绝热系数为1.4。由式(6)及相应参数可计算出起始、终了状态间的绝热膨胀所做总的理论机械功为：WJ6xl0h。由第一部分可知选择马达的输出扭矩为T=4.1N-m，马达工作时的功率、转速和力偶矩满足以下关系：PCM=9550—n

9、成一个理论绝热过程中压缩气体对气动马达所做的绝热理论功，单位为J;Z气动马达叶片数；rf气动马达绝热总效率，一般取0.42〜0.5。M现取Z=3,n=0.45o将己知数据代入方程组(7)整理并计算得M=0.954八即当完成一个理论绝热过程中压缩气体对气动马达所做的绝热理论功为0.954J时便可保证自行车的起动或匀速行驶。综上分析计算可知，气罐内气体在其起始、终了状态间的绝热膨胀所做总的理论机械功Wz=6xlOV>0.954J,由此可见气动自行车具有充分的可行性。自行车行驶速度的计算由第一部分可知已选马达扭矩T=4.1,转速为n=300

10、r/mino马达与自行车的后轮通过滚子链连接，根据经验其传动比一般取i=2:l,所以自行车后轮的转速为n^l50r/mino自行车的行驶速度与后轮转速及后轮半径满足关系式：v=2Rnn‘=2x0.3x3.14x150=2