以重力势能驱动的具有方向控制功能小车的设计

以重力势能驱动的具有方向控制功能小车的设计摘要：本文根据竞赛命题“无碳小车”，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为动能来驱动小车行走的装置。

该小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），并且小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。

本小车最大的亮点是采用两边对称的永久磁铁固定车的车把，周期性使车把左右固定，使小车一直走的路线是相切的圆弧，从而实现绕过障碍物。

本文将对小车的设计过程和亮点进行阐述。

关键词：无碳小车自动转弯圆弧路线重力1引言随着资源越来越少，而需求量越来越大的发展趋势，研究无碳能源越来越受到关注，本文设计的无碳小车就是一次小的创新。

本研究就是来自第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛赛题，通过设计研究，即围绕命题“无碳小车”，不利用有碳能源，即根据能量转换原理，将重力势能转换为小车的动能，并能实现自动转弯绕障碍的功能。

２小车的相关参数选择和分析图1：小车示意图图2为小车的三维图１)上图为小车的主要结构图A 转向把B 永久磁铁C 打片(对称的两个)D 驱动转向把的装置E 重物F 前后皮带轮G 转向轮H 驱动轮 Ｉ支架 Ｊ直铁丝２)工作原理：利用重物的重力势能转化为小车前行的动能，同时带动皮带轮实现前轮转向 以下是工作示意图３)理论计算小车参数：重物1Kg小车总重： m=2.5kg（带重物与载荷）小车后轮直径Ø＝110 绳索缠绕的直径为Ø＝7启动前直径大于10，这样便于小车启动。

受力如图所示列平衡方程ΣFx=0 Pcos α－Fs=0Σfy=0 Fn + Psin α- mg=0ΣM(F)=0 Mf – Pcos α·h －Psin α·d =0DB F 1CEF 2AHGＩＪ有上方程解得Fs=Pcosα，Fn =mg- Psinα，Mf = Pcosα·h + Psinα·d小车不滑动即Fs<Fmax,即小车不滑动的条件是Pcosα<fsFn=fs(mg-Psinα)代入数据重物P＝10N, α取85°，fs取0.１，（其中α为绳索和水平线的夹角，fs为地板摩擦系数）。

8字路径行进以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计方案一、设计要求1.车身要求设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。

该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。

标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。

图1.1为小车示意图。

图1.1 无碳小车示意图要求小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。

要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

要求小车为三轮结构。

其中一轮为转向轮，另外二轮为行进轮，允许二行进轮中的一个轮为从动轮。

具体设计、材料选用及加工制作均由学生自主完成。

2. “8”字型赛道避障行驶竞赛要求竞赛场地在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，有3个障碍成“L”形放置，“L”形的长边在球台的中线上，（放置球台时“L”形的长边平行主看台方向，短边垂直且远离主看台），经现场公开抽签，在400～500mm范围内产生“L”形的长边值，在300±50mm范围内产生“L”形的短边值。

小车需绕中线上的两个障碍物按“8”字型轨迹运行，障碍物为直径20mm、长200mm的3个圆棒，圆棒中心分别放置在“L”形的3个端点上，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩。

图1.2 “8”字型赛道竞赛所用乒乓球台及障碍设置图二、设计思路通过对大赛要求的仔细分析，我们分析得出：小车主要有驱动和转向两个功能。

相应的，我们需要设计一个驱动机构能将重物下落的重力势能高效地转化为小车前进的动能；对于转向机构有三个特殊要求：1.需要实现在一个周期内的自动转向，不能有电路控制或者人为的控制。

2.每个周期转向的范围和幅度要保持固定，实现周期性的转向，精确的轨迹控制。

大学生工程综合能力竞赛内容及方式竞赛内容1、竞赛命题竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。

竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。

设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。

该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（φ50×65 mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。

标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。

图1为小车示意图。

图1 无碳小车示意图要求小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。

要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

要求小车为三轮结构。

具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。

2、竞赛项目完成一台符合本命题要求的可运行的机械装置，进行现场竞争性运行考核。

竞赛分为“S”型赛道场地赛和“8”字型赛道场地赛。

竞赛时经现场公开抽签，在700～1300mm范围内产生一个“S”型赛道障碍物间距值，在300～500mm范围内产生一个“8”字型赛道障碍物间距值。

(1)“S”型赛道场地赛竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。

障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。

以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。

见图2。

图2 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图赛道宽度为2米，出发端线距第一个障碍及障碍与障碍之间的间距均相同，具体数值由开始时的抽签产生。

小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体越过赛道中线且障碍物不被撞倒或推出障碍物定位圆；连续运行，直至小车停止。

小车有效的运行距离为：停止时小车最远端与出发线之间的垂直距离。

(2)“8”字型赛道场地赛小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕两个障碍物按“8”字型轨迹运行。

一种重力势能驱动小车的设计与实现屈伸;李斯瑞;靳松【摘要】结合大学生工程训练综合能力竞赛要求,开发了一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车.该小车能按“S”轨迹自动行走并依次绕过赛道上设置的等间距障碍物,还能通过简单调节结构参数,适应障碍物的间距变化.通过对小车的机械系统进行精心设计和详细分析,从小车结构、装配以及调试等方面探讨了如何提高小车的运行精度以及稳定性等问题.实验结果表明:小车结构简单、运行平稳、轨迹准确,可较好地实现“S”轨迹自行越障功能,对此类小车的设计和工作性能提高有一定的参考价值.【期刊名称】《湖南工业大学学报》【年(卷),期】2015(029)003【总页数】5页(P30-34)【关键词】无碳小车;重力势能驱动;运行轨迹;结构设计;装配调试【作者】屈伸;李斯瑞;靳松【作者单位】北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081;北京理工大学工程训练中心,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TH122全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动。

重力势能驱动的自行越障小车（也称无碳小车）项目是培养学生综合能力和素质的非常重要的环节之一，已连续3届作为竞赛内容。

由于受装配误差、车轮与地面的滑移以及不同运行场地地面特性差别等因素的影响，小车轨迹偏差的优化调试方案和小车多次行驶轨迹的同一性成为影响小车性能的关键因素。

本课题组结合大学生工程训练综合能力竞赛要求，从无碳小车的结构、装配等方面探讨影响小车运行精度及稳定性等问题，并对小车参数调试流程进行优化分析。

根据竞赛要求，无碳小车为三轮结构，能以“S”轨迹行走并自动连续绕过赛道上设置的等间距障碍物（障碍物为直径20 mm、高度200 mm的塑料圆管），且在一定范围内能适应桩间距的变化。

由于障碍物等间距，因此，小车的运行轨迹一般选择周期曲线，小车每运行1个周期，绕过2个障碍物。

本科毕业设计题目：重力势能驱动的“8”字型自控越障车设计摘要我的毕业设计题目是“重力势能驱动的“8”字型自控越障车设计”。

设计过程中小车的设计方法极其关键，首先论文思路要明确；而在设计过程中，选材、建模以及加工过程中要考虑充分。

我借鉴了一些现代发明理论例如对系统、参数的优化设计等；并采用了WINDOWS、MATLAB、PROE等辅助设计软件。

根据方案我将小车的机器构成分为六个部分，进行分步设计。

针对每一个部件设计切合的方案，通过筛选对比选出其中最好的方案组合。

我的方案最终确定为：选用三角底板式车架、锥形轴原动结构、传动结构选用齿轮或无需该机构、采用槽轮结构及曲柄连杆作为转向机构、行走结构采用单轮驱动实现差速、微调结构采用微调螺母螺钉。

在设计阶段我先建立了模型进行分析，利用TMATLAB对能耗、运动、动力及灵敏度等方面进行了分析。

进而获取了一部分有关小车运动的数据。

然后用PROE 三维软件模拟小车的实体建模以及模拟小车的部分运动。

根据方案我将小车的机器构成分为六个部分，进行分步设计。

针对每一个部件设计切合的方案，对塑料可采用切割，因为小车只是个试验模型，所以部分零件采用了木板、塑料等轻便材料，因为零件大多采用胶水衔接。

在调试过程中只需要微调便可改变小车参数，在设计阶段我先建立了模型进行分析，利用TMATLAB 对能耗、运动、动力及灵敏度等方面进行了分析。

方便试验的过程中验证小车运动规律，确立小车最优的参数。

关键词：8字型轨迹无碳参数辅助微调机构灵敏度ABSTRACTThe title of my graduation project is "8 track without carbon car".In the process of design, the design method of car is very important,First of all, the thesis should be clear;In the design process, material selection, modeling and processing should be considered fully.I draw lessons from some modern inventions such as the optimization design of the system and the parameters, and use WINDOWS, MATLAB, PROE and other auxiliary design software.My thesis is divided into four parts, which is particularly important because of the design of the car so I will design the car is divided into three stages.According to the plan, I will be divided into six parts of the car machine, step by step design.For each part of the design of the program, through the selection of the best combination of screening and comparison.I plan to finalize the selection: the triangular floor frame, conical shaft driving structure, selection of gear transmission structure with or without the use of Geneva mechanism, structure and crank as steering mechanism driven by a single wheel walking structure to achieve differential, trimming structure by trimming nut screw.In the design phase, I first set up the model for analysis, the use of TMATLAB energy consumption, motion, power and sensitivity analysis.And then get a part of the car movement data.Then use PROE 3D software to simulate the solid modeling of the car and simulate the movement of the car.After a variety of factors on the impact of the car I also in the solid modeling based on the detailed design of each part of the car.Because most parts of the car can be used to buy standard parts, in addition to a small part because of the high processing accuracy of the reasons for the need for special processing, the majority of parts can be met by manual processing.The plastic can be cut, because the car is only a test model, so part of the use of wood, plastic andother lightweight materials, because most of the parts using glue.In the process of debugging, it is necessary to fine tune the parameters of the car, to facilitate the test process to verify the law of motion of the car, to establish the optimal parameters of the car.Keywords:8 - Track carbon Carbonles fine-tuning mechanism sensitive目录1 论述 (1)1.1小车示意图 (1)1.2小车的设计要求 (1)1.3整体方案设计 (2)1.4小车的设计方法 (2)2 具体方案设计 (4)2.1车架设计 (6)2.2小车动力机构设计 (6)2.3传动机构 (6)2.4转向机构 (6)2.5行走机构 (7)2.6微调机构 (8)3 技术设计 (10)3.1能耗规律模型 (10)3.2运动学分析模型 (12)3.3动力学分析模型 (14)4 三维建模及工程图纸绘制 (17)4.1主要零件的建模及分析 (17)4.1.1 齿轮 (17)4.1.2 轴 (17)4.1.3 底板 (18)4.1.4 绕线筒 (18)4.1.5 曲柄 (19)4.1.6 前叉 (19)4.1.7 车轮 (19)4.2.机架机构 (20)4.2.1原动机构 (21)4.2.2 传动机构 (22)4.2.3 驱动机构 (23)4.2.4 转向机构 (23)5 小车调试及改进 (25)5.1小车调试方法 (25)5.2小车改进方法 (25)6 总结体会 (26)参考文献 (27)致谢 (28)1 论述现如今，科学技术发展迅速，人们生活水平得到不断优化及提高，然而环境污染的问题也日益严重，可持续发展意识已成为世界潮流，“低碳生活”的观念已达成共识。

上海交通大学PRP学生研究论文项目名称：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计项目题目：无碳小车设计方案及分析学生姓名：学号：所在院系：机械与动力工程学院指导老师：承担单位：工程训练中心目录一、功能及设计要求 (1)二、无碳小车设计方案................................ 错误!未定义书签。

2.1整车设计 (3)2.2转向轮设计 (4)2.3驱动轮设计 (5)2.4转向和驱动轮的链接 (5)2.5主要尺寸设计 (6)2.6能量计算 (7)2.7材料选择 (8)2.8工艺分析 (8)2.9成本分析 (8)三、实际测试结果分析及改进方案3.1 比赛轨迹分析 (9)3.2 理论分析 (10)3.3 比赛实际状况 (11)3.4 改进方案 (12)摘要本文详细介绍了我们根据全国大学生工程能力竞赛的要求设计的一辆无碳小车，包括驱动机构、转向机构的原理，小车的尺寸设计，行进路线计算，能量计算，材料选择和工艺分析等，根据此设计报告制造出的无碳小车成功的实现了竞赛的设计要求，并代表交大参加了全国工程能力竞赛，取得了好成绩。

这是一辆纯机械系统控制，以重力势能驱动的能够自行按周期转向的小车，对于开阔机械设计者的思路有很好的效果，也体现了低碳环保的主题。

关键词：无碳设计自行转向重力势能AbstractThis text introduces a no-carbon car we desired according to the requirements of the national engineering competition. It contains the idea we used to drive and turn the direction of the car, the desire of size, the simulation of its route and energy, the choice of material and manufacture process. The car we manufactured have successfully achieve the requirements of the competition and it has won the third price in the national competition. It is a car controlled without power; it is drived by gravitational potential energy and can turn its wheel automatically. It is a good example to broaden our prospective in mechanical desire and it also show the principle of low carbon and environmental friendly.Key words: no carbon,desire,turn automatically,gravitational potential energy一、功能设计要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。

小车功能设计要求无碳小车走“8”字形越障的设计1.1设计布置方案无碳小车示意图1.2功能设计要求以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。

给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。

小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距400mm距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。

障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。

见下图二：图二小车绕行所用乒乓球台及障碍设置图给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的重块（ 50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，重物须被小车承载，并同小车一起运动，不允许掉落。

要求小车在前行过程中完成的一切动作所需的能量均由重力势能转换获得，不可用任何其他的能量形式。

小车要求采用三轮结构，具体结构以及材料选用均由学生自主设计完成。

二方案设计通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。

为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（五部分分别为：车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构）。

2.1车架车架由于不需要承受太大的重力势能，所以其对强度要求不高。

在考虑到整理成本和加工的难易程度后，由于铝板密度小，强度对于整理小车也足够，同时易于加工，所以车架采用铝条焊接铝板加工整理成底板，即方便也经济。

2.2原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。

我们设想使用飞轮作为储能机构，小车对原动机构应有这些要求。

1.驱动力适中，不会使小车拐弯时因速度过大而是离心力增大导致小车倾翻，或重块晃动厉害影响行走。

2.小车在到达终点前重物竖直方向上的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲量。

同时使重物的动能尽可能的转化为驱动小车前进的驱动力，假如重块竖直方向的速度较大，重物本身还有较多动能未释放出来，能量利用率不高，将减小小车的行程。

8字形轨迹无碳小车的创新性设计摘要：针对第三届全国大学生工程训练综合竞赛“无碳小车”主题，设计一种以重力势能驱动具有方向控制功能8字形轨迹自行小车，提出了一种创新设计，设计出一种结构简单，制作容易的无碳小车，该小车特点是：小车为边三轮结构，采用共轭凸轮滚子直动推杆转向机构，采用了动滑轮组、锥形滚筒及约束导轨，提高了能量利用率及行驶稳定性，使得行驶轨迹更精确，行驶路程更远。

本设计为日常生活、工业生产、儿童玩具车中需要“8”字形轨迹控制的小车机构设计提供了借鉴，有较好应用价值。

关键词：无碳小车、8字形轨迹、方向控制、共轭凸轮、机构设计1 引言当今世界，科学技术飞速发展，人们生活水平不断提高，然而环境污染也日益严重，可持续发展已成时代潮流，“低碳生活”观念已成共识。

坚持科学发展观，走可持续发展道路是社会发展必然趋势，现在许多发达国家都把无碳技术运用到工农业及日常生活各领域，我国也在加大无碳生产技术的研究。

鉴于此，设计无碳小车模型具有重要意义。

小车设计要求：全部能量由重力势能提供，能绕一定间距两障碍物走8字形轨迹，能自动转向。

2 运动轨迹分析及设计小车在行驶时能绕一定间距两障碍物沿8字形循环绕行，要求转向机构能周期转向，在速度一定下，必须保证小车运动轨迹曲率是连续的，否则曲率突然改变，小车容易晃动甚至倾覆。

因此，可将小车轨迹设计成由两个相切的圆组成的8字形，使小车在每走完半个8字时转向机构换向一次，即实现8字绕行。

3 驱动及转向原理重物下降过程中，重力势能通过绳轮式原动机构传递给后轮轴，轴带动后轮转动，带轮传动机构将能量传递给共轭凸轮滚子直动推杆转向机构，控制小车前轮自动转向，在行走机构驱动下使小车前行，根据小车行驶8字形轨迹大小来设计带轮传动机构传动比及转向机构凸轮形状，同时在微调机构调节下对前轮摆角进行微调，使前轮在每走完半个8字时转向一次，即实现小车走8字形轨迹。

图4：驱动转向原理图（2. 驱动轴4.滚筒 6.带轮8.定滑轮12.凸轮18.前轮20.边轮23.后轮24.小带轮）4 机构设计根据功能要求把小车分为原动机构、传动机构、转向机构、行走机构四个模块，进行模块化设计。

“S”型无碳小车设计说明书目录一、绪论1.1 竞赛命题主题1.2 小车功能设计要求二、方案设计2.1 路径选择2.2 转向装置2.2.1 前轮转向装置设计2.2.2 后轮转向装置设计2.3 能量转换装置设计2.4 微调机构设计三、参数设计3.1 路径参数设计3.2 其他参数设计四、选材加工五、附录1.1 竞赛命题主题本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。

要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一台本命题要求的可运行的机械装置，并进行现场竞争性运行考核。

每个参赛作品需要提交相关的设计方案。

竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。

1.2 小车功能设计要求1、设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。

该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg 的标准砝码 (￠50×65mm，碳钢制作) 来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。

标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。

图1 为小车示意图。

图1：无碳小车示意图2、要求小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。

3、要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

4、要求小车为三轮结构。

具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。

二、方案设计2.1 路径选择我们选择了“S”型方案，路径如图2 所示，图中所示“S”是后轮轴中点轨迹。

在设计计算中我们近似认为这是一条余弦曲线，通过分析道路要求给出曲线方程各项参数，从而得到后续理论设计的基础数据。

图2：小车路径轨迹示意图(后轮轴中点轨迹)2.2 转向装置2.2.1 前轮转向装置设计考虑到小车在行进过程中要实现自行转向，我们选择通过改变前轮摆角来控制整个小车的转向，有两种备选方案：1、凸轮+连杆+摇杆；2、曲柄连杆+摇杆。

第一种方案中，凸轮的设计加工难度较大且成本较高，一般而言实用性不强，想要实现对小车路径的精准控制不易，而相较之下方案二中曲柄机构更容易设计计算，路径特殊点所对应曲柄的位置更容易找到，还可以通过改变曲柄偏心距实现间距微调，而且加工成本较低，拆装稳定性好，原理简单易懂，可以帮助中学生或大学生快速理解机械传动和加工原理，因此我们选用方案二，如图3 所示。