以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车

1、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 金石竞赛命题及参赛工程 3二设计思想 . 4三传动机构方案拟定 . 5四工作过程 . 11竞赛命题及参赛工程竞赛命题匚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IKg的重块 ?50X65 mm,普通碳钢铅垂下降来获得，落差 400i2mm,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

2、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。-1iJS' gp 1'fc.Jr、0血1b/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工程: 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

3、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

4、原理相同，车体转向时方向控制轮车子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，到达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 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 子前进，物块局部能量转换为车子的动能及车体摩擦损失，其余局部使物块获 下落的速度。动车得前进和E车二E乍+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

5、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，市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撐力叫远大于内侧轮支撐力 F?,那么内侧轮滚动和滑 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，放置在前轮轴伸出局部的槽内，前轮与车身轴线

6、夹角的正切值与凸轮轮廓到凸轮转动中心的距离成正比，机构简图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。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列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 e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

7、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，那么曲线段也为圆弧。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局部对应的 圆周角，设定 的圆弧段的半径可以确定凸轮凸出和下凹局部的深度，图中虚线局部 为车子直行时凸轮 对应位置，车子从 “8字形两圆弧相交点 0 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 0C 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局部，绕行至 过渡段DO 下凹局部结束， 小车前轮开始向另一侧偏转，小车经过过渡段 0E进入另一侧圆弧EF 凸轮对应位置为 凸出局部，完成绕杆凸出段结束经过过渡段 F0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