命题1以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车功能

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）。

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。

关于成都理工大学工程技术学院工程训练综合能力竞赛的通知校内各系：全国大学生工程训练综合能力竞赛旨在深化实验教学改革，提升大学生工程实践能力、创新意识和团队合作能力，促进创新人才培养、提高高等教育质量。

2013年举办的全国大学生工程训练综合能力竞赛是我校第一次参加的全国性4A级大赛。

根据教育部高教司安排，决定从2012年下半年开始启动“第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛”工作。

本次竞赛氛围“省区预赛”（拟定于2013年3月份）和“全国决赛”（拟定于2013年6月）两个阶段，我校决定由工程训练中心在全校范围内举办我校第一届大学生工程训练综合能力竞赛，选拔优秀团队参加四川省和全国组织的大学生工程训练综合能力竞赛，欢迎广大学生积极参与，现将有关事项通知如下：一、竞赛内容本次竞赛命题参照第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求，确定一下命题：本届竞赛命题主题为“无碳小车”以重力时能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计具体要求①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。

②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（φ50mm×65mm，普通碳钢）铅垂落下来获得，落差400±2mm，重块落下，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。

③方案一：该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物，障碍物间隔可以调整，在1米以下，每间距放置一个直径20mm、高度200mm的弹性障碍圆棒）。

以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。

④方案二：该自行小车在前行时能够自动走直径为1m的“8”形，以小车前行距离的远近和8字形的多少来评定成绩。

⑤要求小车前行过程中完成的所有动作所需要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。

⑥小车要求用三轮机构（一个转向轮，两个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成，要求满足：转向轮最大外径不小于直径30mm。

黑龙江首届工程训练综合能力大赛总结报告——论产品的设计及生产流程（以本次大赛“无碳小车”为例进行说明）随着社会的发展，各式新产品层出不穷。

为了满足社会某种特定的需求，一件件新产品应运而生。

而任何一种新产品的诞生都是一个系统而复杂的过程。

在这里我将以“黑龙江首届工程训练综合能力大赛”为契机，结合自身设计制作“无碳小车”的感悟，谈谈一件新产品诞生所需要经历的一些必要过程。

一、进行市场调研一件新产品的产生必然是为了满足市场的某种特定需求，不然所设计的产品就是废品，就没有使用价值。

以“无碳小车”为例，我们需要仔细研究的便是大赛命题，明确规则要求。

大赛命题是“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”，从命题中我们可以明确驱动小车的能量来源，即“重力势能驱动”。

还明确小车有一特殊的功能要求，即“具有方向控制功能”。

研究了命题之后，我们头脑里就有了疑问：怎样实现重力势能的的转化呢？小车到底有怎样的方向功能要求呢？如果看过命题后你的大脑里充满了疑问，那么恭喜你，你审题的目的已经达到了。

接下来要做的就是带着疑问去研究规则的细节。

待到你审题时的疑问一个个被解决时，相信小车在你的脑海里就已经有一个大致的框架了。

二、产品的理论设计要想设计一个产品，我们首先需要明确产品的用途，即产品要被用来做什么，我们希望用它来实现什么功能。

一旦明确了产品的用途之后，我们的设计就有了方向。

以本次大赛“无碳小车”为例，通过我们第一步对命题和详细规则的研究后我们知道我们需要设计一小车，小车需采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），以重力势能转化的能量来驱动小车；小车行进的轨迹要求为S型且能顺利绕过一米一个的障碍物，这就要求转向轮能成周期性的摆动。

1 产品原理概念设计明确了产品的功能特性后，我们接下来要考虑的就是产品的原理，即用什么方式去实现产品所要求达到的功能特性。

产品原理概念设计旨在于此，而不必考虑现实条件的种种制约。

以本次“无碳小车”为例，我们需要考虑两个问题。

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。

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。

0引言无碳小车是一种通过滑轮机构将重物下落的重力势能转化为小车前进的动能以实现小车行走，并采用合理的机构，来实现行走过程中正确转向并绕过障碍的装置。

小车设计注重能量利用的有效性，车体结构的合理性，行走的稳定性、匀速性，调试的可靠性等。

应用了诸多数学理论进行验证，最终采用了万向节连杆机构作为转向机构，使小车控制转弯更省力、对小车躲避障碍物的周期控制更容易实现，亦降低了整车重量。

再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦损耗小，效率高，较容易安装制造。

另外，通过对小车的设计、制作和调试，提高了提出问题、分析问题、解决问题的能力，并总结了从中获得的经验和教训。

1无碳小车的制作原理1.1命题简介该竞赛其中的一个命题为，要求设计一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车，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(50×65mm，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。

在比赛中，小车出发后，小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒(擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过);重复上述动作，直至小车停止(障碍物初始间距为1m，后期在1m±100mm范围内产生一个新的障碍物间距，需调整小车以适应新距离)，最终绕过障碍物多者获胜。

1.2无碳小车设计原理由命题得知，关键在于利用重力势能获得相当长距离的具有稳定正弦特征的轨迹。

由此，来设计小车以使其满足要求。

重力势能大多通过挂在绳子上的重物拖动小车的轴进而驱使小车前进，这便对绳子提出较高的要求，一般选取弹性较小，耐磨的绳子为佳。

在传动方面，根据往届赛事经验，有齿轮传动，皮带传动等。

由于小车在前行较长距离(一般为20m以上)，同时需要保证精确的行走轨迹，因此，皮带由于打滑等原因不如齿轮传动。

《无碳小车制作方案》参赛者：陈振威肖啸川邹镇澎指导老师：江帆摘要第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的命名主题是“无碳小车”。

设计过程特别注重设计方法，对制作过程的材料选择，加工难度和成本也有更高要求。

我们综合运用参数化设计，数控加工等先进设计加工方法，采用solidworks，creo等软件配合制作。

我们把小车的制作分为材料选择，制作加工和装配三个过程。

将每个过程独立分析又联合考虑，通过学习提升加工人员综合素质、充分利用已有资源，层层把关，降低加工难度，加工误差，缩短时间和减少制作成本，一步步向最优的制作方案靠近。

根据制作方法，我们将零件分为标准件和非标准件两种。

为了制作过程更加容易完成，设计过程尽量使用标准件，然后购买。

非标准件将由参赛者加工完成。

关键字：参数化设计数控加工标准件非标准件一、材料选择1.1小车零件标准件：m4×12盘头螺钉和配套螺母、m8螺母、h8×m5x36+10隔离螺柱6个、1m-20齿齿轮1个、1m-80齿齿轮1个、m8立式kp08轴承座5个、卧式轴承座1个、导向轮、顶滑轮非标准件：底板、后轮2个、后轮轴1个、大齿轮轴1个、转片1个、转片轴、连架杆2个、微调螺杆1个、前摇杆1个、车顶1个、载重物板、撑杆3个、连杆1个1.2现有设备立式升降台铣床、立式数控加工中心、数控车床、数控铣钻床、万能外圆磨床、数控铣床、台虎钳、锯、刻度尺1.3非标准件材料选择市场上常用的机械材料有铸铝合金、铝合金、碳钢、铸铁、有机玻璃、合金钢等等。

从材料的成本和加工程度考虑，就数铝合金和亚克力板（有机玻璃）最好。

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，具有优良的导电性，导热性和抗腐蚀性。

亚克力板具有较好的透明性，化学稳定性，力学性能和耐候性，易加工，外观优美，价格低廉等特点。

通过上述分析，理应选择亚克力板，但是机电实验中心现有设备限制，在事件加工过程中，亚克力板的加工容易裂，无法满足要求。