以重力势能驱动的具有方向控制的小车设计报告

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。

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。

题目三：设计“无碳小车”
设计命题为“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。

该给定重力势能由一质量为1Kg的标准砝
图1 无碳小车示意图
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为小车示意图。

小车要求：
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。

最终成品能在规定的赛道上走一个“S”型或“8”字型路径。

（赛道宽2米，障碍物间距为1米）
图2 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图
图3 “8”字型赛道竞赛所用乒乓球台及障碍设置图
具体要求：
1.确定机构运动方案－每组提出三个方案，并画在说明书中。

2.针对最优方案，绘制机构运动简图（A3图纸上）。

3.绘制机构运动循环图（A3图纸上）。

4.图解法（连杆机构）或解析法（凸轮机构）设计所选方案中其中一个机构，要求具体的结构尺寸，对方案中其它机构只需要能求出传动比及总体安装尺寸即可。

5.就上述机构用解析法进行运动分析（要求上机调试，对结果进行分析，并打印出程序及结果）。

6.编写设计计算说明书。

重力势能小车设计报告组员：徐一航管磊卢光灿覃泽儒学院：船舶海洋与建筑工程学院指导教师：沈幸平2013.06目录一. 设计方案确定 (2)设计理念 (2)设计方案 (2)二. 图纸 (3)总装图 (3)零件工程图 (4)三. 技术难点 (5)如何设计使小车跑的比较远？ (5)如何将能量转换得更多？ (5)如何实现小车顺利启动？ (5)如何安置支架与载重？ (5)四. 加工工艺 (6)轴的加工 (6)轮的加工 (6)底板加工 (7)整体装配 (7)五. 调试装配中遇到的问题 (7)轴的问题 (7)轮子问题 (8)绕线问题 (8)载重问题 (8)六. 小车达到的性能 (8)七. 收获与体会 (9)八. 课程建议 (11)一．设计方案确定●设计理念减轻小车质量：在保证小车运动稳定的前提下尽一切可能减轻车身质量，在规定能量前提下理论上可以行驶更远的距离，同时速度方面也有相应的提高。

另外，对于不必要的结构尽量舍弃。

车身结构设计：主要是车身长宽量化方面，以保证小车在前进的时候轨迹更加平滑。

实现方式：对小车运行轨迹、车身的长度、宽度量化，通过人工计算和电脑计算确定出最佳的长宽和运行轨迹。

重心调整：通过在设计时候对重心的调制使小车运行平稳，该过程仍然采用量化。

在实际操作中，由于底板控制余地有限，因此主要通过调节附加重物的位置，使小车的重心达到调节。

设计原则：简单可行原则。

●设计方案能量转化装置：通过定滑轮将重物的重力势能转化为小车的动能。

为了让小车运行得更稳定，我们采用小传动比，让小车的转矩刚好比摩擦力的转矩略大，使小车先保持尽量低的前进速度，然后再实现逐渐加速的过程，以利于物体的重力势能更多的转化为小车前进的动能，同时也减少了重物由于高速下落，最后撞击车身所带来的能量损失。

车身整体设计：车身采用平滑型的车身，尖嘴宽尾，车尾稍高于车头，前轮与两个后轮成约45°夹角。

该设计一定程度上有利于小车顺利前进，在锯除多余部分后更是减轻了不少车身重量。

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。

无碳小车设计说明书班级：过控09-2班姓名：候朋远团队成员：候朋远曾金石2012.10目录一竞赛命题及参赛项目 (3)二设计思想 (4)三传动机构方案拟定 (5)四工作过程 (11)2一竞赛命题及参赛项目竞赛命题I：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来的。

给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为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，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。

图1为小车示意图。

具体要求：（1）小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式；（2）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；（3）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。

小车示意图无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图参赛项目：竞赛命题II：第一阶段：小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕放置在中线上相距不小于300mm距离（具体距离自定）的2个障碍物沿8字形轨迹绕行，出发点自定，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字绕行圈数的多共12 页少来综合评定成绩。

第二阶段：经比赛现场公开抽签，在300-500mm范围内产生一个新的障碍物间距。

本组各队根据调整后的障碍间距，对自己的小车进行调整装配或修配。

组委会在现场提供普通车床、钳工台及调试场地。

在规定的时间内，各队应完成调整修配内容。

本组各队携带调整修配后小车，在调整障碍间距后的竞赛场地上，进行比赛。

二设计思想1、传递主动力的机构越多，传递效率越低；2、单周期路径越短，能量损失越少；3、物块下落的最终速度越慢，小车获得的能量越多；4、车身越轻，阻力越小，有效功越多；5、整车重心越低，车子越稳定；4三传动机构方案的拟定原理分析：三轮车绕杆和实际车体转向过程原理相同，车体转向时方向控制轮（此处为前轮）与车体轴线产生夹角a，此时后轮轴线与前轮轴线相交于远处一点，当夹角a不变时，实际汽车后轮为差动连接，所以车体绕该点做转动。