以重力势能驱动的具有方向控制的小车设计报告

上海交通大学

令狐采学

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

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)

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。

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。

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。

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。

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