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
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
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。
基于轨迹分析的S型无碳小车设计
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
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。
一种重力势能驱动小车的设计与实现
ｒ ｕ ｎ ｉ ｎ“ Ｓ” ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ａ ｎ ｄ ｂｙ ｐａ ｓ ｓ ｅ ｑ ｕ ｉ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎｃ ｅ ｏ ｂ ｓ ｔ ａ ｃ ｌ ｅ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒａ ｔ ｃ ｋ ， ａ ｎｄ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｏ ｆｏ ｂ ｓ ｔ ａ ｃ ｌ ｅ ｓ
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
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。
基于“S”型重力小车的设计与调试
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）。
命题1以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车功能
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。
无碳小车设计说明书
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
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。
S形轨迹无碳小车的结构设计（精选五篇）
S形轨迹无碳小车的结构设计（精选五篇）第一篇：S形轨迹无碳小车的结构设计“S形轨迹无碳小车的结构设计摘要：针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，设计一辆通过重力驱动的纯机械结构的无碳小车，且小车具有周期性越障功能。
通过所学知识，设计并制作该小车，参加比赛。
设定不同的参数，借助工程软件MATLAB对小车的轨迹进行仿真计算。
通过分析，设计出一辆满足比赛要求的小车。
并且通过调试证明，小车能够稳定行驶，具有较高的可靠性。
关键词：无碳小车越障轨迹仿真0前言本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于“S”形轨迹的要求，设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小车。
小车为三轮结构，前轮为方向轮；后面一轮为驱动轮，一轮为从动轮。
小车具有可调节的转向控制机构，以适应700-1300mm间距的不同间距障碍物。
1小车结构设计本文把小车的机构分为：原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身。
除了轴承、螺栓螺母等标准件可以直接选用外，小车的其余部件均使用LY102铝合金制作。
本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调，满足强度要求、实现不同距离的越障功能。
下面是各个机构的设计： 1.1原动机构设计原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能，从而驱动小车前进和转向的机构。
重物是1kg的标准砝码，重物周围是三根均布的钢管，从而约束重物的自由度，使重物直线下降，减少了能量损失，保证了小车重心的稳定性。
重物通过尼龙线绕在小车的绳轮上，在下降的过程中，带动绳轮的转动，实现了能量转换。
在实际测试中，证明了该结构简单、能量转化率高、成本低等特点。
1.2传动机构设计传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽，本文设计的小车的传动机构由后轮、一级齿轮、及其相关零件组成。
由于小车具有转向的功能，为不干扰小车的转向，后轮采用差速连接。
小车的右后轮为主动轮，左后轮为从动轮。
主动轮与传动机构相连，驱使小车的运动，从轮轮用轴承空套在后轴上，跟随小车的运动。
专业综合实践任务书
专业综合实践任务书专业综合实践任务书一、设计题目“ 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 为小车示意图。
图 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。
二、功能要求在下列两种中选择一种作为设计要求 1）在700～1300mm 范围内产生一个”;S”型场地障碍物间距值； 2）在 300～500mm 范围内产生一个“8”字型场地障碍物间距值。
障碍物具体间隔距离由任课老师指定。
三、人员安排学生以小组为单位每组 5~8 人。
四、设计内容 1、结构设计方案文件完整性要求：小车装配图 1 幅、要求标注所有小车零件（A3 纸 1 页）；装配爆炸图1 幅（所用三维软件自行选用 A3 纸 1 页）；传动机构展开图 1 幅（A3 纸 1 页）；设计说明书 1-2 页（A4）。
正确性要求：传动原理与机构设计计算正确选材和工艺合理。
创新性要求：有独立见解及创新点。
规范性要求：图纸表达完整标注规范；文字描述准确、清晰。
2、工艺设计方案文件按照中批量（500 台/年）的生产纲领自选作品小车上一个较复杂的零件完成并提交工艺设计方案报告（A42－3 页）。
要求采用统一的方案文件格式。
3、成本分析方案文件分别按照单台小批量和中批量（500 台/年）生产纲领对作品小车产品做成本分析。
内容应包含材料成本、加工制造成本两方面（A42－3 页）。
无碳小车比赛规则
3.以重力势能驱动的绕S形路径行走的自行小车命题编号（HBGX2015-3）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（￠50×65mm，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。
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。
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3.1 本校制作参赛学生以小组为单位，按照竞赛命题的要求，在各自所在的学校内，自主设计，独立制作出参赛小车。
3.2集中参赛参赛队携带在本校制作完成并调试好的小车作品和关于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等4份报告（纸质版+电子版）参加竞赛。
报告按竞赛秘书处发布的统一格式编写。
3.3报告的评分由竞赛评审组对每个参赛队提交的方案报告进行评阅。
此项成绩编号为IA，满分30分，其中结构设计方案7.5分，工艺设计方案7.5分，成本分析方案7.5分，工程管理设计方案7.5分。
（1）结构设计报告评分（7.5分）完整性要求：小车装配图1幅（A4纸1页），设计说明书1-2页（A4）；正确性要求：传动原理与机构设计正确，选材和工艺合理；创新性要求：有独立见解及创新设计思想；规范性要求：图纸表达完整，标注正确；文字描述准确、清晰。
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。
基于重力势能的S形无碳小车技术创新与应用
基于重力势能的S形无碳小车技术创新与应用摘要：针对“第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛”关于“S”形轨迹的要求，设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小车，辅助以传动机构、转向机构、微调机构实现“S“形不等桩距的绕桩功能。
关键词：无碳小车；“S“形转向运动；结构设计；1 设计任务分析基于第六届全国大学生工程训练综合能力比赛要求，在往届小车的基础上进行创新与改进，自主设计并制作一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的无碳小车。
因此在制作小车各个部件前，需要对小车进行合理的理论计算设计，借助solidworks对结构进行优化。
由能量守恒定律可知：W(重)=W(地)+W(车)，即重物下降的重力做功等于小车与地面的摩擦做功加上小车内部零件摩擦做功。
在W(重)恒定情况下，应尽量简化小车机构，减小W(车)，使W(地)足够大。
而W(地)=f×mg×s，在地面摩擦系数f及W(地)一定情况下，为使行驶距离S足够大，应尽量减轻小车质量mg。
为使小车能稳定运行，小车应保持低速行驶，为提高小车的转向精度．需要确保小车各个零件的制造精度以及整车的装配精度，并设计合理的微调装置以便调节偏移量。
由于实际测试与理论分析总会有偏差，需要反复的试跑-调试-记录数据-修改零件-试跑，最后找到一组最优的参数，进而确定一个最优的小车结构。
2 无碳小车整体结构设计与分析2.1原动机构原动机构采用三根铝棒以三角形安放在底盘中央，作为支撑杆。
重物通过尼龙线绕在小车的主动轴上，在下降过程中，带动主动轴的转动，实现能量的转换。
由摩擦力矩与正压力的关系：M=nδ，当δ一定时，滚动摩擦阻力有：f=m/r=nδ/r，得到轮胎越大摩擦力越小的结论，所以选择较大轮胎。
我们选择直径渐变的轴作为主动轴，理由如下，首先，驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻。
其次，到达终点前重块竖直方向的速度较小，避免对小车过大的冲击，能量利用率高。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车（S轨迹）
小组成员：邵显晶、侯单懿、张烨、廖轶
目录Part One：绪论
1.1 命题要求
1.2 选题项目
1.3 前期思考
Part Two：方案设计
2.1 原动模块
2.2 传动模块
2.3 转向模块
2.4 行进模块
2.5 微调模块
Part One：绪论
1.1 命题要求
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。
图1为小车示意图。
图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参赛学生自主完成。
1.2 选题项目
第一轮“S”型赛道避障行驶竞赛
经现场公开抽签，在±200～300mm范围内产生一个“S”型赛道第一轮障碍物间距变化值和变化方向。
竞赛小车在前行时能够自动绕过赛道上设置的障碍物，如图2。
赛道宽度为2米，障碍物为直径20mm、高200mm的圆棒，沿赛道中线从距出发线1米处开始按间距1米摆放，摆放完成后，将偶数位置的障碍物按抽签得到的碍物间距变化值和变化方向进行移动（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，。
参赛前，各队加载由竞赛组委会统一提供的标准砝码，在指定的赛道上进行比赛。
小车出发位置自定，但不得超过出发端线和赛道边界线。
每队小车运行2次，取2次成绩中的最好成绩。
图2 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图
小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体越过赛道中线且障碍物不被撞倒或推出障碍物定位圆；连续运行，直至小车停止。
小车有效的运行距离为：停止时小车最远端与出发线之间的垂直距离。
评分标准：每米得2分，测量读数精确到毫米；每成功绕过1个障碍得8分，以车体投影全部越过赛道中线为判据。
1次绕过多个障碍时只算1个；多次绕过同1个障碍只算1个；障碍被撞倒或推开均不得分。
1.3 前期思考
1、小车重量保证在满足稳定性的情况下越轻越好；
2、小车宽度保证在满足不翻车的情况下越窄越好；
3、物块下落的最终速度越慢，小车获得的能量越多；
4、车速不能过慢，否则会中途停车；
5、传递主动力的机构越多，传递效率越低；
Part Two：方案设计
2.1 原动模块
原动模块是驱动小车行进的模块，其中的能量转换为：物块具有的重力势能→小车内部摩擦消耗的内能（无用）+小车行进摩擦消耗的内能（无用）+小车行进的动能（有用）+物块的末动能（无用）。
所以原动模块在保证实现能量转换的前提下，要尽量多的将物块的重力势能转换为小车行进的动能。
需要注意的项目：1、驱动速度适中，保证小车持续不间断行进，保证小车转弯时不翻车，保证物块在小车行进中不剧烈晃动；2、物块下降结束时，尽量
保证其竖直速度接近零，避免速度太快撞击小车改变小车运动轨迹，避免将能量浪费在物块的末动能上；3、机构尽量简单，减少原动模块内的能量损失。
所以我们决定：原动模块采用简易绳轮结构。
2.2 传动模块
传动模块是将物块下降产生的动力传递给小车的行进模块，为了保证小车行进平稳、距离长远，传动模块应当具有：1、传递效率高，浪费的能量少；2、自身结构重量轻，保证传递稳定。
所以共有两种可选方案：1、齿轮结构，齿轮传动的优点是传动比稳定、结构紧凑，其缺点是齿轮摩擦消耗能量较多、齿轮磨损相对严重；2、带轮结构，带轮传动的优点是传动平稳、缓冲减震，其缺点是传递效率低、精度不高。
所以我们决定：传动模块采用齿轮结构。
2.3 转向模块
转向模块是小车设计的重点环节，直接决定小车功能的实现。
转向模块的功能是驱使小车前轮做往复左右摆动。
转向模块的要求是可靠性高、稳定性好、尽量减少能耗、可根据实际情况进行调节等。
共有如下几种方案：1、凸轮结构，使用凸轮的优点是设计简单、结构紧凑、稳定，缺点是加工困难、可调节性差、重量过大、精度不高、依赖力封闭；2、曲柄摇杆结构，曲柄摇杆的优点是精度较高、制造容易、几何封闭、便于润滑、体积质量小、拥有急回特性可以满足偶
数杆距离变换的要求，缺点是运动轨迹复杂很难设计、构件数过多效率不高；
所以我们决定：转向模块采用曲柄摇杆结构
2.4 行进模块
行进模块实现了小车的前进（包括转向前进）。
行进模块需要注意：1、轮子设计越大、摩擦阻力越小；2、轮子设计不能过大，否则车身重心过高，稳定性不好。
前轮为转向轮，不直接作为驱动轮。
后轮的设计共有如下几种方案：1、双驱动后轮，双轮共同驱动的优点动力足、小车不易停车，缺点是精度不高、容易形成过约束，出现其中单一轮打滑或空转，滑动摩擦过大使能量损耗过大；2、双差速后轮，通过差速器可实现差速驱动，优点是很好的减少能耗、保证运动要求，缺点是主动轮从动轮切换时运动轨迹复杂，易导致小车变向；3、单轮驱动，保证一轮恒为驱动轮，另一轮恒为从动轮，优点是效率较高、传动精度较高，缺点是行进速度不稳定、拐弯速度复杂。
所以我们决定：行进模块采用单轮驱动。
2.5 微调模块
微调模块的作用是使小车适应不同的场地，较好的完成比赛内容。
比赛要求偶数杆的位置改变，这使得我们要调节曲柄摇杆的左右摆角的大小，因此要使曲柄摇杆的曲柄和连杆的长度都可改变。
为实现此目的，曲柄上将开出一个槽，连杆将由两个可配合连接的杆组成。