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。