下载文档原格式
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。
“S”型无碳小车创新设计摘要：本作品设计以“S”型无碳小车创新设计命题，命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面要求。
本作品设计目的主题围绕“无碳”，即不利用有碳能源，根据能量转换原理，利用重力势能驱动具有方向控制功能的小车模型。
这种小车结构轻巧，能够将重力势能转化成小车的动能，从而完成小车的所有动作。
该小车行走时能够避开所设置的障碍物，障碍物所摆放的间距由转向机构中的偏心轮（偏心距）决定，根据偏心距的不同可以得到不同的“S”型曲线。
关键词：无碳小车；重力势能第1章小车工作原理和理论设计1.1 工作原理重锤的牵引带动原动轮的转动，原动轮的转动带动齿轮转动，再根据两齿轮之间的齿轮啮合带动驱动轮转动，在原动轮转动时偏心轮也同时转动从而使连杆、摇杆动作，杆前后运动，摇杆圆周运动，使得转向轮偏转，根据驱动轮转向，小车就可以按照要求一边行走一边转弯。
小车的设计是提高小车性能的关键。
在设计方法上采用参数化设计、优化设计、系统设计等理论方法。
采用了SOLIDWORKS等辅助软件。
1.2 小车基本构架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。
为了方便设计根据小车需要完成的功能将小车分为四个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构）。
第2 章小车总体分析2.1 小车功能实现2.1.1 原动机构原动机构的作用是将重锤的重力势能转化成小车的前进的动能。
小车对原动机构的要求：⑴驱动力适中，不至于小车在拐弯处速度过大而侧翻，或者重锤晃动厉害影响小车行走。
⑵小车的重力势能尽可能多的转换成动能，避免小车冲击过大，转换效率下降。
⑶由于小车在不同场合行走时所受的阻力会有所不同，故小车的动力提供必需可调。
基于以上原则原动机构采用绳轮式。
2.1.2 传动机构传动机构是将动力传递给驱动轮的架构。
要使小车行驶的更远且按既定的轨迹行走，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单质量轻。
无碳小车结构设计报告一、设计概述根据题目要求，为达到“8”字绕行的目的，无碳小车应实现两个功能：重力势能的转换和周期性的转向。
据此可以将小车分为驱动机构和转向机构两部分。
驱动机构要求能量损耗小、传动比准确，优先选用齿轮机构。
转向机构因为轨迹重复性要求高，采用齿轮和拉杆结合控制前轮转向来满足小车走周期性“8”字要求。
二、设计方案1.小车以钢板做的底板为主体，上面安装三根吊挂重物的立杆。
2.使用滑轮机构将重块的能量通过细绳以转矩的形式传递到输入轴。
3.输入轴通过一级齿轮传动将能量传到驱动轴，带动驱动轮并驱使小车向前运动。
4.输入轴转动一圈，带动转动的大齿轮转动四分之一，使与之啮合的小齿轮转动二分之一，用连杆机构链接，使前轮走了一个圆时实现转向，从而小车走了“8”字形运动。
三、相关计算驱动机构转向齿轮（控制方向）转向机构（控制周期）1主动轮2驱动轮3主动轮4从动轮传动比2.5:1传动比1:2 主要零件尺寸：前轮半径后轮半径驱动1半径驱动2半径转向3半径转向4半径转向1半径转向2半径5mm 50mm 35mm 14mm 35mm 14mm 30mm 30mm厚度为10mm 厚度为6mm 设为转角30度，两个障碍物的距离为300毫米：设为小车的轨迹半径为x，则150*150-75*75=16875,对其开方约得130毫米。
由此可知，小车的轨迹为3.14*2*130*2=1632.8毫米，车轮要转5圈，所以轴的周长为2毫米才能保证小车在理论上转了8圈。
四、整体装配图五、作品创意1.优化各零件布局，降低小车重心2.三根立杆防止小车运行中重块摞动3. 不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率高、结构简单。
在不考虑其它条件时这是最优的方式。
4.曲柄连杆面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触5.小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少六、心得与体会在设计无碳小车的环节中，我们在此过程当中反复探索、不断前进。
《机器人创新设计》课程报告题目：无碳小车功能原理方案创新设计2020年12月3 日1 功能原理方案设计概述 (2)1.1功能原理方案设计 (2)2功能原理方案设计 (2)2.1原动机构 (2)2.2传动机构 (3)2.3转向机构 (4)2.4行走机构 (4)2.5微调机构 (5)2.6小车整体外观 (6)2.7 小车运动方程 (6)3设计总结 (9)4参考文献 (10)1 功能原理方案设计概述1.1功能原理方案设计“无碳小车”是将重力势能转换为机械能使小车实现行走及转向功能的装置。
小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。
具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力通过线绳带动齿轮轴等传动机构单轮驱动通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。
无碳小车结构设计总装图如图所示。
2、设计思路和方案小车的设计分为三个主要阶段功能分析、、制造加工调试2. 1功能分析对小车功能要求进行分析寻找功能元解将小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块。
对每一个模块进行多方案设计综合对比选择最优的方案组合。
2功能原理方案设计2.1原动机构原动机构的作用是将质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降产生的重力势能转化为小车的驱动力。
通过分析我们知道原动机构需要满足以下具体要求：1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。
2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。
同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。
3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。
一、实验目的1. 了解重力势能和动能的概念及相互转化。
2. 掌握实验原理和操作方法，培养实验技能。
3. 分析实验数据，得出重力势能和动能的转化关系。
二、实验原理1. 实验原理：当小车从光滑斜面顶端由静止开始滑到斜面底端的过程中，重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，两者相互转化。
2. 动能公式：E_k = 1/2 m v^2（其中E_k为动能，m为物体质量，v为物体速度）3. 重力势能公式：E_p = m g h（其中E_p为重力势能，m为物体质量，g为重力加速度，h为物体高度）三、实验仪器与材料1. 光滑斜面2. 小车3. 测量小车质量的电子秤4. 测量小车速度的计时器5. 测量小车高度的高度计6. 计算器四、实验步骤1. 将光滑斜面竖立放置，确保斜面光滑无摩擦。
2. 将小车放在斜面顶端，使用电子秤测量小车质量m。
3. 使用高度计测量小车在斜面顶端的高度h。
4. 释放小车，记录小车滑到斜面底端所需时间t。
5. 使用计时器测量小车滑到斜面底端的速度v。
6. 计算小车在斜面顶端的重力势能E_p和动能E_k。
7. 分析实验数据，得出重力势能和动能的转化关系。
五、实验数据与处理1. 实验数据：| 小车质量m/kg | 斜面高度h/m | 时间t/s | 速度v/m·s^-1 | 重力势能E_p/J | 动能E_k/J || ------------ | ------------ | ------- | ------------ | ------------ | ---------- || 0.2 | 0.5 | 1 | 1.5 | 0.98 | 1.125 |2. 数据处理：（1）计算小车在斜面顶端的重力势能E_p：E_p = m g h = 0.2 9.8 0.5 = 0.98 J（2）计算小车在斜面底端的动能E_k：E_k = 1/2 m v^2 = 1/2 0.2 (1.5)^2 = 1.125 J（3）分析数据，得出重力势能和动能的转化关系：在实验过程中，小车从斜面顶端滑到斜面底端，重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，两者相互转化。
小车装配图
装配图
重量 kg
比例 武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛
装 订 线
学校名称： 武汉科技大学
车身铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1:1
前轮铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
前轮轴铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1:1
前轮连接座铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
后轮铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
后轮轴承座铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
后轮轴铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
定滑轮铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
定滑轮座铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
立柱铝重量 kg 比例武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛1：1
电气连接座
铝
重量 kg
比例 武汉科技大学第五届工程训练综合能力竞赛
1:1
装 订 线
学校名称： 武汉科技大学。
重力势能驱动方向控制无碳小车的设计
艾孝杰;汪朝晖;苏磊;赵丽敏
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2016(000)004
【摘要】基于曲柄滑块转向机构原理,设计了一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的无碳小车.建立了重力势能驱动的无碳小车的数学模型,以最大程度增大无碳小车轨迹重合度为目标,运用Simulink通过仿真分析得到最佳无碳小车绕障碍物的行驶参数.针对无碳小车结构尺寸的多样化,提出了一种能计算出最佳小车绕行的障碍物间距和初始摆放角度的后续处理方法.探讨了提高小车运行平稳的方法与措施,提高了小车的运行精度.确定了小车的结构参数及总体方案.实验表明:采用优化后的无碳小车结构和绕行参数,能够最大程度地增加轨迹绕行重复度.该小车为无碳小车的设计提供了指导意义,为相关机构的应用研究提供参考价值.
【总页数】4页(P157-160)
【作者】艾孝杰;汪朝晖;苏磊;赵丽敏
【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH122
【相关文献】
1.重力势能驱动的自控无碳小车设计 [J], 张普;李森;刘洋
2.基于重力势能驱动小车的轮毂机构设计 [J], 魏同学;王岗;李星;黄良康
3.基于重力势能驱动小车的轮毂机构设计 [J], 魏同学;王岗;李星;黄良康
4.重力势能驱动“8”字无碳小车的设计 [J], 王豪;祝钲淳;于泳
5.基于重力势能驱动S环形小车设计与制作 [J], 姜国振;宋敬敬;刘钰杰;杜坡;毛力因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
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 1
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 2
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
Abstract This 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。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。 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。 3
图1： 无碳小车示意图 图2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 二、无碳小车设计方案 以下是具体的设计方案介绍：
2.1、整车设计
如图4所示为我们设计小车的总图。 4
图 4 车身尺寸330*220*700
2.2、转向轮设计
图 5 5
转向轮由摆动结构构成,设计为1号摆杆来回摆动一次，整个前轮左右摆动一定角度，从而小车前轮左右摆动一次，（具体摆动角度要通过实验确定）。
2.3、驱动轮设计
图7 由于需要很好的控制小车的行进速度，我们设计了一个中轴机构，这样在重块下落
的过程中，会首先拉动齿轮2随其转动，再由齿轮传递到齿轮1上，由于齿轮1与整个后轴固定，所以可以带动后轮转动。由于存在多级齿轮的传递，所以可以行进更多的距离。而后轮所受到的摩擦力会随着多级齿轮而放大，这样可以保证小车行进的足够慢，这样也保证了小车的稳定性。
2.4、转向轮与驱动轮的链接 6
图 8 我们是通过摆杆2的前后移动来协调驱动轮和转向轮的一致性，由于齿轮3上的偏心
装置我们带动摆杆2在1 中的前后运动，我们把动力从驱动轮传到前方的方向轮，使它有周期的偏转某个角度，来达到周而复始的波浪形运动。
2.5、主要尺寸设计 初拟定驱动轮外径D1=230mm 两齿轮外径分别为D2=20mm D3=60mm 导向轮半径D4=50mm 在中轴线上我们要求小车每前进2000mm为一个周期，也就是控制转向装置的机构只能旋转一周，因为运动轨迹是歪曲的，所以我们确立了小车轮子直径为230mm（具体结果见后面）。
2.7、能量计算 1）力分析：
小车质量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0
小车驱动力矩M=等效力偶F0×D/ 2
（小车驱动力）F0=2M/D M由G获取 例如：M= G×Φ/ 2= F0×D/ 2（暂不计效率） 7
此时 F0= G×Φ/D 力约束（克服运行阻力的最小值和不打滑的最大值） 克服运行阻力（车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力） 惯性阻力（N）=P0 × a (小车启动加速度) 静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流阻力等 基本阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；w 运行阻力系数，实验得出经验数据，约 0.01。 F0＞ P0 (a+ g w ) 地面对小车摩擦阻力Ff ， Ff = P0 g × f（摩擦系数） 不打滑条件 F0 ＜ Ff = P0 g × f 2）做功分析： 设：S为小车行走距离，mm，η为小车总效率， F0 × S =G×500mm×η 则： S =G× 500mm× η / F0 前面防滑计算得出：F0＜ Ff = P0 g × f 可见： 为了增大小车行走距离， 为了避免能量损失不打滑， 在保证能够驱动小车行走的前提下，F0 越小越好。 F0= G×Φ/D
2.8、材料选择 8
初步选定铝合金来制作整个车身及各种连接装置，轮子的材料为轻质塑料，具体材料由实验得出。
2.9、工艺分析 加工部件 加工工序
车轴 车工 后轮 数铣，钻孔 偏心装置 数铣，钻孔，攻丝 前轮 钳工，攻丝 车身 数铣，钳工，钻孔，攻丝 皮带轮 数铣，压花
2.10、成本分析 后轮：3mm铝板 20元 驱动轴： 10元 轴承： 50元 齿轮： 100元 前轮： 10元 龙门架： 20元 其他部件： 70元 铝板：5mm铝板 12元 合计 300元
三、实际测试结果分析及改进方案 3.1、比赛轨迹分析
