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
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字路径小车设计方案
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。
重力势能驱动的“8”字型自控越障车设计
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。
小车
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。
金工实习重力势能小车设计报告
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。
无碳小车功能设计要求
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。
重力驱动小车的结构设计及运动仿真分析
毕业设计（论文）
重力驱动小车的结构设计及运动仿真分析
院别
控制工程学院
专业名称
机械工程及自动化
班级学号
3122218
学生姓名
孙衍宁
指导教师
单泉
2016年6月10日
重力驱动小车的结构设计及运动仿真分析
摘要
本文设计的重力驱动小车利用滑轮组将重物块的重力势能转换为小车的动能使之行走，并通过空间曲柄摇杆机构来控制前轮左右周期性转向，以此来避开障碍物。所设计的传动系统与转向系统结构简单，传动件少，降低了小车的传动损耗，从而让小车行走更远更平稳。
Utilizing the advantages of the inventor in the design, according to theprogramof thestructure, 3D modelingis developed by inventor.Seeing3D animation simulation and testingcar the moving part whether there is interference, the proportion of the car is harmonious.
重力势能驱动的自控无碳小车设计
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ２ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ７） ０ ４ — ０ ０ ３ ９ — ０ ３
全 国大学生工程训练综合 能力竞赛是 由教育部 高 教 司 主办 的重 要 的全 国性 大 学 生赛 事 之 一 ， 自控 行走 的无碳小车越障是其 中的竞赛项 目之一 。本文 针对 比赛 要 求 自主设 计 并 制 作 了 一种 将 重 力 势 能转 换 为前进 的动能并具有 自主避障转 向控制功能的无 碳 小 车 。赛道 如 图 １ 所示 。
图 ２ 小 车 设 计 示 意 图
转向驱动控制模块
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图 ４ 转 向 轮 设 计
（ ３ ） 材料 选 择
小 车 的加 工 ，首先 考 虑 到 小 车运 行 路 段 曲折 且 有 上 下坡 ， 为 了保 证 小车 运 行 稳 定 ， 因此 小 车 不能 太
用舵 机 ） 及 驱 动 电路 自行选 定 。电控 装 置所 用 电源 为
形绕线轴实现加速 ， 在后轮轴上增加橡胶 圈， 通过舵
机 控 制 制 动杆 摩 擦 橡 胶 圈实 现 减 速制 动 。 图 ３所 示 为摩擦 胶 圈 和绕 线变 速 器 。
５号 碱 性 电池 ， 电 池 自备 ， 比赛 时 须 安 装 到 车 上 并 随 车 行走 。小 车 上 安 装 的 电控 装 置 必 须确 保 不 能 增 加 小 车 的行进 能 量 。 图 ２为小 车示 意 图 。
以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车
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。
以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计共31页PPT
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
以重力势能驱动的具有方向控制功能的 自行小车设计
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
25、学习是劳动，是充满思想的劳动
重力驱动的机械式小车设计方案
重力驱动的机械式小车设计方案工程训练综合能力竞赛的目的在于培养大学生的创新能力、综合设计能力和协作精神,加强学生动手能力的培养和工程实践的训练。
一、主题与容本届竞赛主题为"无碳小车越障竞赛"。
参赛队伍最终制作完成一辆由重力驱动的机械式小车,按照规则完成比赛。
1.竞赛主题：本届竞赛主题为"无碳小车越障竞赛"。
要求经过一定的前期准备后,在比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置,并进行现场竞争性运行考核。
2.竞赛命题：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。
图1：无碳小车示意图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。
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。
3.竞赛项目：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携带制作完成的作品,在集中比赛现场,加载由竞赛组委会统一提供的势能重块〔￠50×65 mm普通碳钢,质量为1Kg,在指定的赛道上进行比赛,赛道宽度为2米,赛道边界线是40mm。
出发端线距第一个障碍及障碍与障碍之间的间距均为1米。
小车出发时不准超过出发端线和赛道边界线,小车位置及角度自定,每队有2次机会,计算时取2次成绩中的最好成绩。
基于“S”型重力小车的设计与调试
基于“S”型重力小车的设计与调试引言重力小车是一种能够利用重力加速运动的玩具车辆。
在这个项目中，我们将基于“S”型的设计原理，制作一个具有特定曲线加速和转弯能力的重力小车。
本文将介绍该设计的具体步骤和调试过程。
设计步骤1. 材料准备我们需要准备一些材料，包括：木板、弹簧、金属轴、轮子、压力传感器、Arduino控制板等。
这些材料将用于制作车身、悬挂系统、动力系统和控制系统。
2. 制作车身我们可以使用木板制作车身。
根据设计要求切割木板，然后将它们组装成“S”型的结构。
这个结构将影响小车的加速和转弯能力。
3. 安装悬挂系统为了使小车能够顺利通过“S”型曲线，我们需要设计一个悬挂系统，以提供足够的支撑和灵活性。
我们可以使用弹簧和金属轴来构建悬挂系统，并将其安装在车身上。
4. 安装动力系统小车的动力系统可以采用重力加速原理。
我们可以在车身上安装一个或多个轮子，以便让小车在斜坡上滑动，从而获得加速。
我们也可以使用压力传感器来控制小车的速度和方向。
5. 安装控制系统为了进一步提高小车的性能，我们可以使用Arduino控制板来实现对小车的控制。
通过编程，我们可以控制小车的加速、转弯和停止。
调试过程1. 车身设计调试在制作车身的过程中，我们需要不断调整木板的形状和尺寸，以确保小车能够顺利通过“S”型曲线。
这包括对“S”型结构的调整，以及对车身重心的调整。
2. 悬挂系统调试悬挂系统的调试是为了确保小车能够平稳地通过“S”型曲线，而不会出现颠簸和脱轨现象。
我们可以通过调整弹簧的张力和金属轴的位置，来优化悬挂系统的性能。
3. 动力系统调试小车的动力系统需要保证足够的加速度和稳定性。
我们可以通过调整轮子的尺寸和材质，以及斜坡的角度和长度，来优化动力系统的性能。
4. 控制系统调试控制系统的调试是为了确保小车能够按照预期的路线行驶，并且能够随时停车和转弯。
我们可以通过编程和调整传感器的灵敏度，来优化控制系统的性能。
结论通过以上的设计和调试过程，我们成功地制作了一辆基于“S”型的重力小车。
基于s形运动轨迹重力势能小车的结构设计
总694期第三十二期2019年11月河南科技Henan Science and Technology基于S 形运动轨迹重力势能小车的结构设计左伟玲（武昌工学院，湖北武汉430065）摘要：重力势能小车的原理是将钩码的重力势能转换为设计小车的动能，在不消耗能源的情况下，实现能量的转化，作为无碳小车动力源驱动其行进和转向。
根据全国大学生工程训练综合能力竞赛中的S 形运动轨迹无碳小车比赛相关要求，本文从能量转化设计、驱动设计及转向避障设计等方面对S 形运动轨迹无碳小车的结构设计进行探析。
关键词：S 形运动轨迹；无碳小车；微调机构；结构设计中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）32-0084-03Structural Design of Gravity Potential Energy TrolleyBased on S-shaped Motion TrajectoryZUO Weiling（Wuchang Institute of Technology ，Wuhan Hubei 430065）Abstract:The principle of the gravitational potential energy trolley is to convert the gravitational potential energy ofthe hook code into the kinetic energy of the designed trolley,realize the energy conversion without consuming energy,and drive its travel and steering as a carbon-free trolley power source.According to the requirements of the S-shaped trajectory carbon-free car competition in the national university student engineering training comprehensive ability competition,this paper analyzed the structural design of the S-shaped trajectory carbon-free car from the as⁃pects of energy conversion design,drive design and obstacle avoidance design.Keywords:S-shaped motion track ；carbon-free car ；fine-tuning mechanism ；structural design 第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”，S 形运动轨迹无碳小车的设计是其中项目之一。
以重力势能驱动的具有方向控制的小车设计报告
上海接通大教之阳早格格创做PRP教死钻研论文名目称呼：以沉力势能启动的具备目标统制功能的自止小车安排名目题目：无碳小车安排规划及分解教死姓名：教号：天圆院系：板滞与能源工程教院指挥教授：负担单位：工程锻炼核心目录一、功能及安排央供1二、无碳小车安排规划错误!未定义书签。
2.8工艺分解 (8)2.9整天职析 (8)三、本量尝试截止分解及矫正规划3.1 角逐轨迹分解 (9)3.2 表里分解 (10)3.3 角逐本量情景 (11)3.4 矫正规划 (12)纲要本文仔细介绍了咱们根据世界大教死工程本领竞赛的央供安排的一辆无碳小车，包罗驱效果构、转背机构的本理，小车的尺寸安排，前进门路估计，能量估计，资料采用战工艺分解等，根据此安排报告制制出的无碳小车乐成的真止了竞赛的安排央供，并代表接大介进了世界工程本领竞赛，博得了好结果.那是一辆杂板滞系统统制，以沉力势能启动的不妨自止按周期转背的小车，对付于开阔板滞安排者的思路有很好的效验，也体现了矮碳环保的中心.闭键词汇：无碳安排自止转背沉力势能AbstractThis 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 wemanufactured 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、功能安排央供给定一沉力势能，根据能量变换本理，安排一种可将该沉力势能变换为板滞能并可用去启动小车止走的拆置.该自止小车正在前止时不妨自动躲开赛讲上树坐的障碍物（每隔断1米，搁置一个直径20mm、下200mm的弹性障碍圆棒）.以小车前止距离的近近、以及躲开障碍的几去概括评比结果.给定沉力势能为5焦耳（与g=10m/s2），竞赛时统一用品量为1Kg的沉块（￠50×65 mm，一般碳钢）铅垂低沉去赢得，降好500±2mm，沉块降下后，须被小车拆载并共小车所有疏通，没有允许掉降.央供小车前止历程中完毕的所有动做所需的能量均由此能量变换赢得，没有成使用所有其余的能量形式.小车央供采与三轮结构（1个转背轮，2个启动轮），简直结构制型以及资料采用均由参赛者自决安排完毕.央供谦脚：①小车上头要拆载一件形状尺寸为￠60×20 mm的真心圆柱型钢制品量块动做载荷，其品量应没有小于750克；正在小车止走历程中，载荷没有允许掉降.②转背轮最大中径应没有小于￠30mm.图1：无碳小车示企图图2：无碳小车正在沉力势能效用下自动止走示企图二、无碳小车安排规划以下是简直的安排规划介绍：2.1、整车安排如图4所示为咱们安排小车的总图.图4车身尺寸330*220*7002.2、转背轮安排图5转背轮由晃动结构形成,安排为1号晃杆去回晃动一次，所有前轮安排晃动一定角度，进而小车前轮安排晃动一次，（简直晃动角度要通过真验决定）.2.3、启动轮安排图7由于需要很好的统制小车的前进速度，咱们安排了一其中轴机构，那样正在沉块低沉的历程中，会最先推动齿轮2随其转化，再由齿轮传播到齿轮1上，由于齿轮1与所有后轴牢固，所以不妨戴动后轮转化.由于存留多级齿轮的传播，所以不妨前进更多的距离.而后轮所受到的摩揩力会随着多级齿轮而搁大，那样不妨包管小车前进的脚够缓，那样也包管了小车的宁静性.2.4、转背轮与启动轮的链接图8咱们是通过晃杆2的前后移动去协做启动轮战转背轮的普遍性，由于齿轮3上的偏偏心拆置咱们戴动晃杆2正在1 中的前后疏通，咱们把能源从启动轮传到前圆的目标轮，使它有周期的偏偏转某个角度，去达到周而复初的海浪形疏通.2.5、主要尺寸安排初拟定启动轮中径D1=230mm二齿轮中径分别为D2=20mm D3=60mm导背轮半径D4=50mm正在中轴线上咱们央供小车每前进2000mm为一个周期，也便是统制转背拆置的机构只可转化一周，果为疏通轨迹是正直的，所以咱们树坐了小车轮子直径为230mm（简直截止睹后里）.2.7、能量估计1）力分解：小车品量P0 ，沉力P0 g=大天收反力N0小车驱能源矩M=等效力奇F0×D/ 2（小车驱能源）F0=2M/DM由G获与比圆：M= G×Φ/ 2= F0×D/ 2（久没有计效用）此时F0= G×Φ/D力拘束（克服运止阻力的最小值战没有挨滑的最大值）克服运止阻力（车体运止阻力包罗惯性阻力战静阻力）惯性阻力（N）=P0× a (小车开用加速度)静阻力普遍包罗基础阻力、直讲阻力、坡讲阻力、气流阻力等基础阻力(N)=P0 g w 式中：g 沉力加速度；w 运止阻力系数，真验得出体味数据，约0.01.F0＞P0 (a+ g w )大天对付小车摩揩阻力Ff ，Ff = P0 g × f（摩揩系数）没有挨滑条件F0 ＜Ff = P0 g × f2）干功分解：设：S为小车止走距离，mm，η为小车总效用，F0 × S =G×500mm×η则：S =G× 500mm×η / F0前里防滑估计得出：F0＜Ff = P0 g × f可睹：为了删大小车止走距离，为了预防能量益坏没有挨滑，正在包管不妨启动小车止走的前提下，F0 越小越好.F0= G×Φ/D2.8、资料采用收端选定铝合金去创制所有车身及百般对接拆置，轮子的资料为沉量塑料，简直资料由真验得出.2.9、工艺分解加工部件加工工序车轴车工后轮数铣，钻孔偏偏心拆置数铣，钻孔，攻丝前轮钳工，攻丝车身数铣，钳工，钻孔，攻丝皮戴轮数铣，压花2.10、整天职析后轮：3mm铝板20元启动轴：10元轴启：50元齿轮：100元前轮：10元龙门架：20元其余部件：70元铝板：5mm铝板12元合计300元三、本量尝试截止分解及矫正规划3.1、角逐轨迹分解根据无碳小车转背机构的安排（如图），受拘束只可前后滑动的传动杆将齿轮的匀速转化转移为自己正弦周期疏通，此疏通又通过图示机构转移为前轮正弦周期的安排晃动.小车的转背幅度是与前轮晃动的大小成正比的，设前轮晃动目标的函数为-sinwt,则小车的转背轨迹为∫-sinwtdt=coswt,是余弦函数，且与前轮的安排转背出进了π/4个周期.若前轮的晃动目标如下图，图1则此时小车前进的轨迹为图2底下分解角逐时无碳小车晃搁的最好初初状态:图2所示为前进时的最好轨迹.由图瞅出，正在初初状态，小车本去没有是正对付第一个杆，而是横背战第一个杆有一定距离.前轮也没有是正对付着前圆，而是像图1一般转到背左圆的最大偏偏角面.初初状态距离核心线的距离该当根据本量情况决定.那辆小车宽度为230mm，所以距离起码为115mm，别的还要思量由于制制粗度的问题小车正在前进历程中会渐渐偏偏离表里轨迹.果此咱们还定了70mm的余量，最后小车初初状态离核心线久定为190mm，正在那种情况下，小车通过一个周期（过二个杆），后轮前进的距离应为余弦直线的弦少（修模后测得为216mm）.定好小车轨迹后，不妨据此安排小车周期战其余尺寸.3.2 启动拆置安排小车的驱能源为1kg的沉物，为了包管小车前进中能脆持宁静状态，既要能沉快开用又没有克没有及速度太快，启动拆置的尺寸安排很要害.正在前进历程中，小车的主要阻力为前轮与大天的摩揩已经各轴启里里的益坏.最后小车的品量约为1.2kg,前轮启沉约为0.5kg,按滑动摩揩系数0.04，所受阻力为0.2N,再思量百般板滞益坏，前进中小车受阻力约莫为0.3N.沉物提供的推力为10N,所以推力阻力比约为33:1，不妨先通过20:60的齿轮将推力减小3倍，再通过20:230的小齿轮与后轮将推力减小11倍.那样沉物提供的推力不妨正好包管小车匀速疏通.（由于很普遍据皆是估算，需要正在小车干好后，通过试验决定最好的启动拆置尺寸）3.3 角逐情景正在世界大教死工程本领竞赛中，咱们安排的小车介进了角逐.最后咱们乐成绕杆13个，博得了三等奖.角逐中最强的队伍绕杆20多个，前进近30米.从中咱们也瞅到了很大的好异，通过对付其余队伍的瞅察战几天的教习，咱们瞅到了咱们的小车正在安排战制制圆里皆有许多的缺累，现分解如下：根据咱们的尺寸安排，咱们不妨得到表里上止的最近的距离为17.25米，但是正在本量尝试历程中咱们只可跑出12米安排的结果.附：表里前进距离：第一个齿轮的搁大比×第二个齿轮的搁大比，即【（60÷20）×（230÷20）=17.25】3.4 本果分解及矫正规划：本果分解：1. 小车品量太沉，由于咱们那辆小车采与了洪量的铝合金，所以引导了小车的完齐品量仍旧偏偏沉的，由于摩揩力是与压力成正比的，那也必定引导咱们的摩揩力会很大，所以一朝要开用那样的车子需要更大的力，也引导表里距离收缩了.2. 小车的前进门路过于蜿蜒，小车由于要前进更多的路途益坏了较大部分的能量，所以咱们要采用一条更好的线路去完毕角逐.3. 小车沉心没有稳，且没有正在中轴线上，正在安排移动的历程中会爆收较大的转矩，进而爆收了很大的摩揩力.矫正规划：1. 减少小车品量，正在包管小车疏通宁静的前提下包管小车疏通宁静的前提下尽十足力量减小车包管小车疏通宁静的前提下减小车身品量，正在5J前提下表里上不妨止驶更近的距离，共时速度圆里身品量也有相映的普及.减少品量该当起码从二个圆里进脚：1）对付于没有需要的结构尽管没有要，比圆小车土天咱们没有需要一个完备的小车土天，以至不妨只用几根梁推拢而成，那样正在结构上对付品量有所减少.小车的龙门架咱们也是用真心的钢材干成的，占了小车完齐沉量很大的比率，本去对付那一部分对付强度央供没有下，咱们不妨采用空心的管材.2）选材上，正在谦脚刚刚度央供的前提下，采用稀度更小的资料去创制，也能减少车身品量.2. 对付车身结构的安排，主假如车身少宽量化圆里，以包管小车正在前包管小车正在前进的时间轨迹越收仄滑.那样干的意思正在于：1）咱们不妨从示意进的时间轨迹越收仄滑图中瞅出如果安排路径后更仄缓，通过念共数量障碍所止路途便更短，小车便能跑得更近.2）小车转直的角度更小，保证了小车的稳固性.真止办法：对付小车运止轨迹、车身的少度、宽度量化，通过人为估计战电脑估计决定出最好的少宽战运止轨迹.3. 沉心调制沉心调制.通过正在安排时间对付沉心的调制使小车运止稳固，转直的时间转矩更小.该历程仍旧采与量化.正在本量收配中，通过安排附加沉物，使小车的沉心达到安排.。
重力小车——精选推荐
重⼒⼩车
⽆碳⼩车越障竞赛
竞赛说明：
就本届竞赛命题为“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（￠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。
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。
⽐赛要求：
(1)报到时提交参赛作品的结构设计⽅案、⼯程管理⽅案、加⼯⼯艺⽅案及成本分析⽅案共4个⽂件（分别提交纸质版⽂件⼀式2份、电⼦版⽂件1份），⽂件按本竞赛秘书处发布的统⼀格式编写。
(2) 提交1份3分钟的视频，(格式要求：MPEG⽂件，DVD-PAL 4:3，24位，720 x576，25 fps，⾳频数据速率448 kbps杜⽐数码⾳频
48KHz)，视频的内容是关于本队参赛作品赛前设计及制作过程的汇报及说明。
(3) 提交PPT⽂件1份，内容是阐述⼩车的设计、制作⽅案说明及体会。
报名⽅式：
1、3⼈1组，⾃⼰组队，由班级学委统⼀交到装备本121杨凯翔⼿中
2、报名截⽌⽇期：6⽉19⽇
咨询找杨凯翔,电话186********。
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3．３ 比赛实际状况...．............．...．.....．．..........．.．.．... 11
3.4 改进方案..．．..．.........．...．．..．.....．.......．.．.....．... 1２
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。
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Βιβλιοθήκη 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。
图 ４
车身尺寸３３0*220*700
２.2、转向轮设计
图 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。
以重力势能驱动的具有方向控制的小车设计报告
———————————————————————————————— 作者：
———————————————————————————————— 日期：
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
２．7材料选择ﻩ8
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
Kｅｙworｄs：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。
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
c:\iknow\docshare\data\cur_work\＼l
一、功能及设计要求ﻩ1
二、无碳小车设计方案ﻩ2
2．1整车设计ﻩ３
２.２转向轮设计ﻩ4
2.3驱动轮设计ﻩ5
2.４转向和驱动轮的链接ﻩ５
２．５主要尺寸设计6
２.6能量计算ﻩ7
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 tｏthereqｕiremｅnts ｏｆtｈenａtional 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 aｎｄmaｎufａcturｅprocesｓ.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 withｏutpowｅr;it is dｒived ｂｙ ｇravitａｔionaｌ potentｉal ｅｎergy aｎd ｃａn tｕrn ｉts whｅｅｌａuｔｏmatｉcaｌly.It is a good example tｏ broaｄeｎ our pｒｏｓpeｃtiｖe in meｃhaniｃａldｅsireａｎdｉt also sｈｏw the pｒincｉple ｏfloｗ carbon ａnd envｉroｎmｅnｔal frｉｅndly.
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。
２.4、转向轮与驱动轮的链接
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。