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=0

Σfy=0 Fn + Psin α- mg=0

ΣM(F)=0 Mf – Pcos α·h －Psin α·d =0

D

B F 1

C

E

F 2

A

H

G

Ｉ

Ｊ

有上方程解得

Fs=Pcosα，Fn =mg- Psinα，Mf = Pcosα·h + Psinα·d

小车不滑动即Fs

Pcosα

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）。

满足条件，即不会发生滑动

同时，Mf≥Mmax＝δFn＝δ（mg- Psinα）即

小车发生滚动的条件是Pcosα·h + Psinα·d≥δ（mg- Psinα）

代入数据摩阻系数δ取２mm(木质地板)，h=55mm, d=5mm

满足条件，即小车能滚动。

所以小车能启动并且只做纯滚动不滑动。设计尺寸合适。

４)转向机构的分析

利用皮带轮带动两个打片旋转，每转过180°打片打向D（驱动转向把装置）的底部，这样Ｄ带动转向把，转过相应角度，由磁铁将转向把吸引住，等待下一个打片将转向把调整到另一边（对称的角度），这样周期性转弯，以此实现绕障功能。(磁铁的磁性比较弱，刚好能固定小车转向把在行走过程中不发生意外摆动)

图3：小车在重力势能作用下自动行走示意图

设计的大皮带轮的直径为45，小皮带轮7，因此传动比i=6.5。即打片打一次到将打下一次（即转弯一次），车后轮转过3.5圈，行走路程为1145.8, 因为小车速度很低，可以忽略打的时间。这样小车走的是相切的圆弧。如上图所示。

为了过障碍物（两障碍物之间的距离为1000）时小车不撞到障碍物，小车的中心线

离障碍物的安全距离设定为L为240

几何关系如图4所示

弧长Ｓ＝1145.8，L=240,

列方程组2Rα=Ｓ

(R-L)²＋500²＝Ｒ²

解出Ｒ＝640, α=51º

图4 所以通过调整两队磁铁的位置来调整转向角，即可确保小车安全绕过障碍物。

５)效率分析

给小车提供的能量是5焦耳，而小车绕过了8个障碍物，

及小车后轮转过的角度θ=16π

根据机械能守恒，即重力势能转化为小车行驶滚动摩擦力做的功和其它损失的能量

Ph=δ·Fn·θ+E

η=1-E/Ph

代入数据解得效率η=30.1%

6)运动分析

小车启动时获得较大的力矩，即可加速，紧接着获得较小的力矩，基本保持匀速，小车很低的速度行驶，约为0.3m/s。

小车周期性做圆周运动，但很低速度行驶，在此就不做讨论。

7)其它参数

前轮φ＝30；车架厚度２；最宽处200,支架高650，上面有定滑轮（释放重物的）

3小车的分析

小车的优点：

1)小车质量较轻，这样利用有限的能量，小车就能走较远的距离，绕过更多的障碍物。

2)小车起始时采用较大的启动力，在小车行进过程中减小力偶，是小车能保持在基本匀速，

且很低速度行使，保持了小车的稳定性。

３）重物采用两根直铁丝和支架固定，避免了重物在转弯的过程中发生摆动使小车发生侧翻现象。

４）小车的转向采用固定转向把，这样固定好了摆角，使小车走弧线，这样很好的在离中心线最远处绕过障碍物。

小车的不足：

小车由于通过打片周期性来打驱动转向把装置来调整转向把，这样每次打得过程中都会有能量的损失，并且在打的过程中也有可能造成打片的稍微的移动，这样会造成小车偏离原来的行驶曲线，不能完成比赛的任务。

４结论

虽然这仅是第二届全国工程实训大赛的命题——设计“无碳小车”，但也是人们对无碳的倡导和尝试，这种无碳的理念越来越受到人们的关注。无碳将越来越具有广大的发展空间，随着资源的枯竭，和日益加剧的环境污染，绿色环保将尤为被人们重视。设计绿色环保的交通工具将是人们不懈的追求。

参考文献

[1]理论力学（第１版）/李卓球主编武汉理工大学出版社 200９年８月

[2] 机械设计—基础篇/吴昌林姜柳林主编武汉：华中科技大学出版社 2005年3月

[3] 机械制图/刘朝儒吴志军高政一主编高等教育出版社200９年５月

[4]机械原理孙恒陈作模葛文杰主编西北工业大学教研室 2010年1月