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)

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；

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。转向过程中夹角a 逐渐增大，达到一定程度时开始逐渐减小，直至与前轮轴线与车体轴线重合，车子完成转向过程做直线运动。 主动力传动过程中只通过一个定滑轮，让传动效率最大化；

根据能量守恒，最初的总能量为物块的重力势能，随着物块下落，通过细绳拉动车子前进，物块部分能量转换为车子的动能及车体摩擦损失，其余部分使物块获得前进和下落的速度。 车E =车E +2x MV 21+2y MV 2

1

确定较大传动比，使小车初始运动时的动力略大于其静摩擦阻力，这样使小车获得最小初速度和较小的加速度，重物落下时速度较慢，转化为

车子前进的有用功越多。

实际汽车转向的实现，由于两轮速度相同直径相同但路程不同，要依赖于后轮之间的差动连接，本设计中的小车后轮没有差动连接，存在一个轮滚动和滑动同时出现的情况，考虑到物块开始运动时重心较高，小车转向过程中需要较大的力矩平衡物块受到的向心力，此时处在行进曲线外侧

的轮支撑力F

1远大于内侧轮支撑力F

2

，则内侧轮滚动和滑动同时存在，外

轮做纯滚动，所以以外轮路径为计算基准。（上图）

图中凸轮顶杆通过车身两处支撑使其保持水平且不能产生水平方向的摆动，用弹簧拉紧使其一段时刻与凸轮轮廓曲线接触，另一端设置一拐头，放置在前轮轴伸出部分的槽内，前轮与车身轴线夹角的正切值与凸轮轮廓到凸轮转动中心的距离成正比，这样就可以通过改变凸轮轮廓曲线实现对车前轮与车身轴线夹角的控制。

机构简图

依照三轮车的转向原理：设定小车后轮中心点的行进路线(如下图）在两杆之间的较长的距离内车子路径为直线，绕杆可设置为曲线，这样直线与曲线段相切，转向过程过渡平稳。

根据上述转向原理，小车实际的尺寸以及设定的后轮曲线，可以求出前轮的运行曲线，之后求出后轮中心处切线斜率与前轮曲线切线斜率之差，即可得到前轮与车身轴线的夹角的变化规律，确定凸轮轮廓曲线，由于小车进入曲线和走出曲线时φ角是突变量，为了到过渡的平稳性，在轮廓曲线加工时适当的将开槽提前，并进行过渡处理，使得转向更平稳，后轮中心轨迹更精确。为简便轮廓曲线的加工，将后轮中心轨迹曲线设定为圆弧，这样凸轮轮廓对应段距离旋转中心距离不变，则曲线段也为圆弧。

结构实现：计算设定路线的总路程和后轮周长，它们的比值即为后轮与凸轮的带传动传动比，这样车子行进一个周期（完整8字形）时凸轮刚好转过一圈，计算绕杆曲线段在一个周期路段中所占的比例，即可确定圆盘凸出和下凹的部分对应的圆周角，设定的圆弧段的半径可以确定凸轮凸出和下凹部分的深度，图中虚线部分为车子直行时凸轮对应位置，车子从“8”字形两圆弧相交点O释放（对应位置为虚线与凸轮轮廓左侧相交位置），通过过渡段OC（对应位置为凸轮凸出和下凹连接段）之后，车子开始绕A 杆运动，轨迹为圆弧CD（对应位置为凸轮下凹部分），绕行至过渡段DO（下凹部分结束），小车前轮开始向另一侧偏转，小车经过过渡段OE进入另一侧圆弧EF（凸轮对应位置为凸出部分），完成绕杆（凸出段结束）经过过渡段FO回到起点，一次绕行结束，之后重复上述动作。

四工作过程

由于小车计算路径以后轮为基准，因此开始运动的位置要与凸轮的相应位置对应，对应之后将物块提升至要求高度，将细线通过车架顶部的滑轮然后逆时针缠绕在固定于后轮轴的绕线轴上，释放物块，物块由于重力作用通过细线拉动后轮使其转动，从而带动车体前进，通过带轮传动将运动传递到凸轮，带动凸轮转动，通过凸轮顶杆实现对前轮与车身轴线夹角的控制，即实现绕杆过程。当两杆之间的距离变动时，设定好车子行进轨迹，改变带传动传动比，使小车行进一个周期时圆盘同样刚好转动一周，换一块满足新轨迹要求的凸轮即可。

效果图：

主要传动机构