以重力勢能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車

1、無碳小車設(shè)計(jì)說明書班 級：過控09-2班姓 名：候朋遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)成員：候朋遠(yuǎn)曾金石2012.10一 競賽命題及參賽項(xiàng)目 (3)二 設(shè)計(jì)思想 (4)三 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案擬定 (5)四 工作過程 (11)一 競賽命題及參賽項(xiàng)目競賽命題I :以重力勢能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車。設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給 定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為 4焦耳（取g=10m/s2），競賽時(shí)統(tǒng)一 用質(zhì)量為1Kg的重塊（0 50X 65 mm普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400 士 2mm重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉 落。圖1為小車示意圖。具體要求：（1）

2、小車前行過程中完成的所有動(dòng)作 所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式；（2）小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不 同間距障礙物的競賽場地；（3）小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)、材料選用及 加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。小車示意圖無碳小車在重力勢能作用下自動(dòng)行走示意圖參賽項(xiàng)目：競賽命題II :第一階段：小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（長 1525mm寬1370mm上，繞 放置在中線上相距不小于 300mm距離（具體距離自定）的2個(gè)障礙物沿8 字形軌跡繞行，出發(fā)點(diǎn)自定，繞行時(shí)不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺。障礙物為直徑20mm長200mm勺2個(gè)圓棒，以小車完成8

3、字繞行圈數(shù)的多 少來綜合評定成績。第二階段：經(jīng)比賽現(xiàn)場公開抽簽，在300-500mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的障 礙物間距。本組各隊(duì)根據(jù)調(diào)整后的障礙間距，對自己的小車進(jìn)行調(diào)整裝配 或修配。組委會(huì)在現(xiàn)場提供普通車床、鉗工臺及調(diào)試場地。在規(guī)定的時(shí)間 內(nèi)，各隊(duì)?wèi)?yīng)完成調(diào)整修配內(nèi)容。本組各隊(duì)攜帶調(diào)整修配后小車，在調(diào)整障 礙間距后的競賽場地上，進(jìn)行比賽。二設(shè)計(jì)思想1傳遞主動(dòng)力的機(jī)構(gòu)越多，傳遞效率越低；2、單周期路徑越短，能量損失越少；3、物塊下落的最終速度越慢，小車獲得的能量越多；4、車身越輕，阻力越小，有效功越多；5、整車重心越低，車子越穩(wěn)定；原理分析：三輪車?yán)@桿和實(shí)際車體轉(zhuǎn)向過程原理相同，車體轉(zhuǎn)向時(shí)方 向控制

4、輪（此處為前輪）與車體軸線產(chǎn)生夾角 a,此時(shí)后輪軸線與前輪軸線 相交于遠(yuǎn)處一點(diǎn)，當(dāng)夾角 a不變時(shí)，實(shí)際汽車后輪為差動(dòng)連接，所以車體 繞該點(diǎn)做轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向過程中夾角 a逐漸增大，達(dá)到一定程度時(shí)開始逐漸減 小，直至與前輪軸線與車體軸線重合，車子完成轉(zhuǎn)向過程做直線運(yùn)動(dòng)主動(dòng)力傳動(dòng)過程中只通過一個(gè)定滑輪，讓傳動(dòng)效率最大化；根據(jù)能量守恒，最初的總能量為物塊的重力勢能，隨著物塊下落，通過細(xì)繩拉動(dòng)車子前進(jìn)，物塊部分能量轉(zhuǎn)換為車子的動(dòng)能及車體摩擦損失, 其余部分使物塊獲得前進(jìn)和下落的速度。11E 車=E 車 +MV：+ MV22確定較大傳動(dòng)比，使小車初始運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力略大于其靜摩擦阻力，這樣使小車獲得最小初速度和較

5、小的加速度，重物落下時(shí)速度較慢，轉(zhuǎn)化為 車子前進(jìn)的有用功越多。實(shí)際汽車轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)，由于兩輪速度相同直徑相同但路程不同，要依 賴于后輪之間的差動(dòng)連接， 本設(shè)計(jì)中的小車后輪沒有差動(dòng)連接，存在一個(gè) 輪滾動(dòng)和滑動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)的情況，考慮到物塊開始運(yùn)動(dòng)時(shí)重心較高，小車轉(zhuǎn) 向過程中需要較大的力矩平衡物塊受到的向心力，此時(shí)處在行進(jìn)曲線外側(cè) 的輪支撐力Fi遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)輪支撐力F2，則內(nèi)側(cè)輪滾動(dòng)和滑動(dòng)同時(shí)存在，外 輪做純滾動(dòng)，所以以外輪路徑為計(jì)算基準(zhǔn)。（上圖）圖中凸輪頂桿通過車身兩處支撐使其保持水平且不能產(chǎn)生水平方向的 擺動(dòng)，用彈簧拉緊使其一段時(shí)刻與凸輪輪廓曲線接觸，另一端設(shè)置一拐頭， 放置在前輪軸伸出部分的槽內(nèi)，前

6、輪與車身軸線夾角的正切值與凸輪輪廓 到凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離成正比，這樣就可以通過改變凸輪輪廓曲線實(shí)現(xiàn)對 車前輪與車身軸線夾角的控制。依照三輪車的轉(zhuǎn)向原理：設(shè)定小車后輪中心點(diǎn)的行進(jìn)路線 （如下圖）在 兩桿之間的較長的距離內(nèi)車子路徑為直線，繞桿可設(shè)置為曲線，這樣直線 與曲線段相切，轉(zhuǎn)向過程過渡平穩(wěn)。根據(jù)上述轉(zhuǎn)向原理，小車實(shí)際的尺寸以及設(shè)定的后輪曲線，可以求出 前輪的運(yùn)行曲線，之后求出后輪中心處切線斜率與前輪曲線切線斜率之差， 即可得到前輪與車身軸線的夾角的變化規(guī)律，確定凸輪輪廓曲線，由于小 車進(jìn)入曲線和走出曲線時(shí)©角是突變量，為了到過渡的平穩(wěn)性，在輪廓曲 線加工時(shí)適當(dāng)?shù)膶㈤_槽提前，并進(jìn)行過

7、渡處理，使得轉(zhuǎn)向更平穩(wěn)，后輪中 心軌跡更精確。為簡便輪廓曲線的加工，將后輪中心軌跡曲線設(shè)定為圓弧， 這樣凸輪輪廓對應(yīng)段距離旋轉(zhuǎn)中心距離不變，則曲線段也為圓弧。結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算設(shè)定路線的總路程和后輪周長，它們的比值即為后輪 與凸輪的帶傳動(dòng)傳動(dòng)比，這樣車子行進(jìn)一個(gè)周期（完整8字形）時(shí)凸輪剛好轉(zhuǎn)過一圈，計(jì)算繞桿曲線段在一個(gè)周期路段中所占的比例，即可確定圓 盤凸出和下凹的部分對應(yīng)的圓周角，設(shè)定的圓弧段的半徑可以確定凸輪凸 出和下凹部分的深度，圖中虛線部分為車子直行時(shí)凸輪對應(yīng)位置，車子從“ 8”字形兩圓弧相交點(diǎn)0釋放（對應(yīng)位置為虛線與凸輪輪廓左側(cè)相交位置）， 通過過渡段0C（對應(yīng)位置為凸輪凸出和下凹連接段）之后，車子開始繞 A 桿運(yùn)動(dòng)，軌跡為圓弧CD（對應(yīng)位置為凸輪下凹部分），繞行至過渡段DO（下 凹部分結(jié)束），小車前輪開始向另一側(cè)偏轉(zhuǎn)，小車經(jīng)過過渡段0E進(jìn)入另一側(cè)圓弧EF（凸輪對應(yīng)位置為凸出部分），完成繞桿（凸出段結(jié)束）經(jīng)過過 渡段F0回到起點(diǎn)，一次繞行結(jié)束，之后重復(fù)上述動(dòng)作。四工作過程由于小車計(jì)算路徑以后輪為基準(zhǔn)，因此開始運(yùn)動(dòng)的位置要與凸輪的相 應(yīng)位置對應(yīng)，對應(yīng)之后將物塊提升至要求高度，將細(xì)線通過車架頂部的滑 輪然后逆時(shí)針纏繞在固定于后輪軸的繞線軸上，釋放物塊，物塊由于重力 作用通過細(xì)線拉動(dòng)后輪使其轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車體前進(jìn)，通過帶輪傳動(dòng)將運(yùn) 動(dòng)傳