以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車

1、無碳小車設計說明書 班 級： 過控09-2班 姓 名：候朋遠 團隊成員：候朋遠 曾金石 2012.10目 錄一 競賽命題及參賽項目 (3)二 設計思想 (4)三 傳動機構方案擬定 (5)四 工作過程 (11)一 競賽命題及參賽項目競賽命題I：以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車。 設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換來的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質量為1Kg的重塊（5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差4002mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，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作所需的能量均由此能量轉換獲得，不可使用任何其他的能量形式；（2）小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地；（3）小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。 小車示意圖 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖 參賽項目：競賽命題II：第一階段：小車在半張標準乒乓球臺（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個障礙物沿8字形軌跡繞行，出發(fā)點自定，繞行時不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個圓棒，以小車完成8字繞

3、行圈數的多少來綜合評定成績。第二階段：經比賽現場公開抽簽，在300-500mm范圍內產生一個新的障礙物間距。本組各隊根據調整后的障礙間距，對自己的小車進行調整裝配或修配。組委會在現場提供普通車床、鉗工臺及調試場地。在規(guī)定的時間內，各隊應完成調整修配內容。本組各隊攜帶調整修配后小車，在調整障礙間距后的競賽場地上，進行比賽。二 設計思想 1、傳遞主動力的機構越多，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；三 傳動機構方案的擬定原理分析：三輪車繞桿和實際車體轉向過程原理相同

4、，車體轉向時方向控制輪（此處為前輪）與車體軸線產生夾角a，此時后輪軸線與前輪軸線相交于遠處一點，當夾角a不變時，實際汽車后輪為差動連接，所以車體繞該點做轉動。轉向過程中夾角a逐漸增大，達到一定程度時開始逐漸減小，直至與前輪軸線與車體軸線重合，車子完成轉向過程做直線運動。主動力傳動過程中只通過一個定滑輪，讓傳動效率最大化；根據能量守恒，最初的總能量為物塊的重力勢能，隨著物塊下落，通過細繩拉動車子前進，物塊部分能量轉換為車子的動能及車體摩擦損失，其余部分使物塊獲得前進和下落的速度。=+確定較大傳動比，使小車初始運動時的動力略大于其靜摩擦阻力，這樣使小車獲得最小初速度和較小的加速度，重物落下時速度較

5、慢，轉化為車子前進的有用功越多。實際汽車轉向的實現，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連接，本設計中的小車后輪沒有差動連接，存在一個輪滾動和滑動同時出現的情況，考慮到物塊開始運動時重心較高，小車轉向過程中需要較大的力矩平衡物塊受到的向心力，此時處在行進曲線外側的輪支撐力F遠大于內側輪支撐力F，則內側輪滾動和滑動同時存在，外輪做純滾動，所以以外輪路徑為計算基準。（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生水平方向的擺動，用彈簧拉緊使其一段時刻與凸輪輪廓曲線接觸，另一端設置一拐頭，放置在前輪軸伸出部分的槽內，前輪與車身軸線夾角的正切值與凸輪輪廓到凸輪轉動中心的

6、距離成正比，這樣就可以通過改變凸輪輪廓曲線實現對車前輪與車身軸線夾角的控制。機構簡圖依照三輪車的轉向原理：設定小車后輪中心點的行進路線(如下圖）在兩桿之間的較長的距離內車子路徑為直線，繞桿可設置為曲線，這樣直線與曲線段相切，轉向過程過渡平穩(wěn)。根據上述轉向原理，小車實際的尺寸以及設定的后輪曲線，可以求出前輪的運行曲線，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，由于小車進入曲線和走出曲線時角是突變量，為了到過渡的平穩(wěn)性，在輪廓曲線加工時適當的將開槽提前，并進行過渡處理，使得轉向更平穩(wěn)，后輪中心軌跡更精確。為簡便輪廓曲線的加工，將后輪

7、中心軌跡曲線設定為圓弧，這樣凸輪輪廓對應段距離旋轉中心距離不變，則曲線段也為圓弧。結構實現：計算設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傳動比，這樣車子行進一個周期（完整8字形）時凸輪剛好轉過一圈，計算繞桿曲線段在一個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的圓周角，設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凸輪對應位置，車子從“8”字形兩圓弧相交點O釋放（對應位置為虛線與凸輪輪廓左側相交位置），通過過渡段OC（對應位置為凸輪凸出和下凹連接段）之后，車子開始繞A桿運動，軌跡為圓弧CD（對應位置為凸輪下凹部分），繞行至過渡段DO（下凹部分結束），小車前輪開始向另一側偏轉，小車經過過渡段OE進入另一側圓弧EF（凸輪對應位置為凸出部分），完成繞桿（凸出段結束）經過過渡段FO回到起點，一次繞行結束，之后重復上述動作。四 工作過程由于小車計算路徑以后輪為基準，因此開始運動的位置要與凸輪的相應位置對應，對應之后將物塊提升至要求高度，將細線通過車架頂部的滑輪然后逆時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線拉動后輪使其轉動，從而帶動車體前進，通過帶輪傳動將運動傳遞到凸輪，帶動凸輪轉動，通過凸輪