以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车(S轨迹)

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）。

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。

无碳小车是2010年以来全国大学生工程训练综合能力竞赛题。

本文针对第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车，即自主设计并制作一种三轮结构小车，完成所有行走过程所需的能量均由给定的重力势能（1kg 的砝码下落400±2mm 高度）转换获得，不可引入任何其他来源的能量”。

要求小车具有可调节的转向控制机构，前行时必须自动交替绕过赛道上设置的不同间距障碍物且障碍物不被撞倒（擦碰障碍但障碍物未倒，亦视为通过）。

1　行驶轨迹分析为准确设计无碳小车的结构，首先分析行驶轨迹。

“S ”型赛道宽度2m ，沿直线方向水平铺设。

障碍桩为φ20×200mm 的圆棒，沿赛道中线从距出发线1m 处开始，按1m 等间距摆放。

摆放完成后，将偶数位置的障碍物按现场抽签得到的障碍物间距变化值和变化方向进行移动（±200～350mm ，正值远离，负值移近），形成的即为竞赛时的赛道。

以小车前行的距离和成功绕障数量来评定成绩。

参赛小车出发位置自定，但不得超过出发端线和赛道边界线。

从设定的小车行走轨迹图（图1）可知：小车行走轨迹应满足三角函数曲线，每行走1个周期，绕过2个障碍物。

理想轨迹应该满足：在摆幅相对较小的情况下实现安全绕桩，且绕奇数桩与偶数桩时，前后与左右的安全值接近[1]。

综合考虑加工和装配误差、设计原理误差以及侧滑等因素，取小车轨迹曲线幅值B =0.5×车身宽度+障碍桩半径+安全裕量。

选取极限情况进行分析，即偶数桩移 d =-350mm ，小车设计宽度为130mm ，取安全裕量为80mm ， 则轨迹曲线幅值为B =200mm 。

将小车的行走轨迹近似为正弦曲线，并根据偶数桩极限偏移量进行偏移，使得轨迹线经过奇偶数桩最小距离的中点，此时轨迹方程为：π2200sin π3y x =−+ （1）其中，x 为小车前进方向的位移，mm ；y 为小车偏离中心线的位移，mm 。

对重力势能驱动的“S”形越障小车的研究摘要据全国大学生工程训练综合能力大赛的要求，在给定一重力势能的情况下设计一种可以将该重力势能转化为机械能并用作驱动力的自行小车，在前行时能够自动交错的绕过障碍物，且行走路线为“S型”。

通过开展此类创新比赛，一是可以培养同学们的创新能力，为建设科技创新性国家提供人才；二是通过做重力势能驱动的“无碳小车”，节约了能源，而且无污染，更环保。

因此对此类小车的设计和研究有一定的参考价值。

关键词重力势能；越障小车；曲柄摇杆机构引言随着现在社会的发展，工业化进程也在逐渐加快。

而与之一起带来的污染问题也在加剧。

而无碳小车的研制，具有经济、环保、便利等优点，有助于我们找到更为环保、绿色的能源，有利于能量转化途径，以及提高能量的利用效率[1]。

它将对传统能源的逐渐取代有深远意义。

通过设计制作重力势能驱动小车，希望可以找到新的方法来缓解能源和环保问题。

2 设计阶段[2]2.1 原动机构依靠重锤的下落，使重力势能转化成小车前进的动能。

为保证小车运动平稳和起步，采用绕线组件对驱动力加以约束，减少能量损失。

2.2 传动机构由于重锤下落速度较大，且要求小车实现较远距离的行程，因此需要传动机构来实现减速功能。

在设计传动机构时提出两种方案：一是链传动，其能够精确保证传动比，工作可靠，效率高，但是安装困难，成本高，且会产生噪声和附加载荷；二是齿轮传动，质量轻，有较高的传递效率，并且能保证传动比。

齿轮的优势明显，符合小车的要求，故选用齿轮传动。

2.3 转向机构对小车的要求是能够实现“S”形走位，提出凸轮机构、曲柄摇杆机构等方案，在考虑建构简洁性，成本大小，加工难度等因素后，选择曲柄摇杆机构。

曲柄和驱动轴相连，通过连杆带动前杆摆动，实现前轮周期性变化，从而实现“S”形行程。

2.4 行走机构若依靠后轮双向同步驱动，则小车易于地面打滑，产生摩擦，小车可能会偏离预计轨迹。

故后轮采用单向驱动，前轮转向，从而实现小车按照预想的轨迹运动。

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。

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2020.06.079基于“S”型重力小车的设计与调试①焦林峰 程章磊 刘丹(江汉大学机电与建筑工程学院 湖北武汉 430000)摘 要：根据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题要求，设计一种通过重力势能转化为动能的无碳小车，辅以转向机构、可调机构使小车实现“S”型轨迹且不等桩距的绕桩功能。

为使小车的运行最佳化，在理论设计的基础上，采用控制变量的方式，经过实际测验，解决小车轨迹问题，并在其中找到调试方法以及小车的轨迹规律。

根据实验得出小车最佳调试数据，使小车轨迹达到最佳。

关键词：结构设计 轨迹调试 控制变量 数据测验中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)02(c)-0079-04Abstract: According to the the 6th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition, a carbon-free car transformed into kinetic energy by gravity potential energy is designed, supplemented by a steering mechanism and an adjustable mechanism to make the car realize the "S"-type trajectory and the pile-pile function of the pile distance. In order to optimize the operation of the car, on the basis of the theoretical design, the control variables are used to solve the trolley trajectory problem through actual tests, and the debugging method and the trajectory law of the trolley are found in it. According to the experiment, the best debugging data of the car is obtained, so that the trolley track is optimized.Key Words：Physical design; Track debugging; Control variable; Data testing①基金项目：国家级大学生创新创业训练计划支持项目：基于“S”型赛道壁障行驶无碳小车的设计与加工(项目编号：201911072007）。

附件1命题1：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车1．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。

该自行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）。

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。

给定重力势能为5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500±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落（见图1和图2）。

要求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。

小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2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：①小车上面要装载一件外形尺寸为￠60×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。

②转向轮最大外径应不小于￠30mm。

参赛者需要提交关于作品的设计说明书和工程管理方案、加工工艺方案及成本分析方案报告。

要求参赛者在自制的载荷质量块上自主设计并加工出反映本届竞赛主题的徽标。

参赛队参赛时同时提交徽标设计说明（篇幅限制为A4纸一张，文字部分的字数不超过300字，内容包括创意、材料、制作说明），作为评分点之一。

2．本校制作：以参赛小组为单位，每组不多于3人。

按照预赛阶段的要求，在各自所在的学校内，自主设计相关结构，图片和动画。

通过学校选拔比赛，决定1-2项参加省级分区赛的项目，并制作出全部零件。

3．省分区赛内容：加载符合本命题规定的比赛载荷质量块，在硬质水平地面（例如光滑的水泥地面、水磨石地面或室内标准球赛地板等）的指定赛道上进行比赛，小车需按规定绕过各个障碍。

行走绕过的障碍越多，得分越高。

S组无碳小车设计说明书目录1、小车的设计要求 (1)2、无碳小车结构方案的设计 (2)2.1整体方案分析 (2)2.2驱动机构 (3)2.3传动机构 (4)2.4转向机构以及轨迹分析与设计 (4)2.4.1小车运行轨迹理论参数分析 (4)2.4.2小车动态力分析 (5)2.4.3传动机构及行走机构参数确定 (7)2.4.4 转向机构参数的确定 (8)2.5微调机构 (9)2.6小车车体整体分析 (9)3、基于SolidWorks motion的仿真分析 (10)3.1 简化模型的建立 (10)3.2 运动副的添加 (10)3.2 仿真计算以及结果分析 (11)参考文献 (12)1、小车的设计要求图1-1 无碳小车示意图图1-2 无碳小车运行轨迹图如上图1-1小车示意图：根据能量守恒定律，给一定重力势能（用⌀mm5065错误!未找到引用源。

普通碳钢的重块，质量为1kg，铅垂下落差为400mm来获得），设计一种“以重力势能驱动具有方向控制功能的无碳小车”，该小车能够在行驶的过程中有规律避开水平的平面上每隔1米设置一个弹性圆棒障碍物（如上图2小车运行轨迹图）。

保证小车行走的过程重物随车平稳的行走而不掉落，要求小车行走的过程中所有的动能均由重物的重力势能获得，不得借用其他形式的能量。

小车底板结构设计采用三轮结构，即2个驱动轮，1个转向轮。

细节上的结构只能根据学校现有材料、机床以及加工工艺的难度进行设计。

2、无碳小车结构方案的设计2.1整体方案分析通过对毕业设计任务要求及目的的剖析，利用发散性思维方式，把实现小车功能的各种可能方案一一列出，为了方便设计，可以将能实现小车功能细分为：驱动机构、传动机构、转向机构、微调机构四个模块。

下图2-1为无碳小车设计的思维导图：图2-1 无碳小车结构方案设计思路在选择各个模块方案时，要从实际情况出发，充分考虑实际学校的机床设备，材料的获取，制造成本以及实际加工工艺的可行性等等。

S型无碳小车说明书学校：南华大学学院：机械工程学院班级：机械1507班指导老师：***目录一绪论 (2)1.1设计制作说明 (2)1.2小车整体设计要求 (2)1.3设计制作要求 (3)1.4小车的设计方法 (3)二方案设计 (3)2.1路径的选择 (3)2.2自动转向装置 (4)2.3能量转换装置 (5)三转向机构分析 (6)3.1摆动从动件圆柱凸轮机构的分析 (6)3.2摆动导杆机构的分析 (9)四小车运行分析 (10)4.1运动学分析 (10)4.2车轮的运动方程 (11)5运动方式讲解 (11)六评价分析 (13)6.1小车优缺点 (13)5.2改进方向 (14)一绪论1.1设计制作说明s型无碳小车是“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），比赛时统一用质量为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。

图1为小车示意图。

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。

见图2。

1.2小车整体设计要求无碳小车体现了大学生的创新能力，制作加工能力，解决问题的能力。

并在设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小车具有下列要求：1.要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。

2. 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。

3. 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。

4. 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。