第页共NUMPAGES4页以重力势能驱动的具有方向控制功能小车的设计摘要：本文根据竞赛命题“无碳小车”，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为动能来驱动小车行走的装置。该小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），并且小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。本小车最大的亮点是采用两边对称的永久磁铁固定车的车把，周期性使车把左右固定，使小车一直走的路线是相切的圆弧，从而实现绕过障碍物。本文将对小车的设计过程和亮点进行阐述。关键词：无碳小车自动转弯圆弧路线重力1引言随着资源越来越少，而需求量越来越大的发展趋势，研究无碳能源越来越受到关注，本文设计的无碳小车就是一次小的创新。本研究就是来自第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛赛题，通过设计研究，即围绕命题“无碳小车”，不利用有碳能源，即根据能量转换原理，将重力势能转换为小车的动能，并能实现自动转弯绕障碍的功能。２小车的相关参数选择和分析图1：小车示意图ＪＩHGEF2F1DCBA图2为小车的三维图１)上图为小车的主要结构图A转向把B永久磁铁C打片(对称的两个)D驱动转向把的装置E重物F前后皮带轮G转向轮H驱动轮Ｉ支架Ｊ直铁丝２)工作原理：利用重物的重力势能转化为小车前行的动能，同时带动皮带轮实现前轮转向以下是工作示意图驱动后轮绳索缓释重物实现前轮周期转向皮带轮３)理论计算小车参数：重物1Kg小车总重：m=2.5kg（带重物与载荷）小车后轮直径Ø＝110绳索缠绕的直径为Ø＝7启动前直径大于10，这样便于小车启动。受力如图所示列平衡方程ΣFx=0Pcosα－Fs=0Σfy=0Fn+Psinα-mg=0ΣM(F)=0Mf–Pcosα·h－Psinα·d=0有上方程解得Fs=Pcosα，Fn=mg-Psinα，Mf=Pcosα·h+Psinα·d小车不滑动即Fs<Fmax,即小车不滑动的条件是Pcosα<fsFn=fs(mg-Psinα)代入数据重物P＝10N,α取85°，fs取0.１，（其中α为绳索和水平线的夹角，fs为地板摩擦系数）。满足条件，即不会发生滑动同时，Mf≥Mmax＝δFn＝δ（mg-Psinα）即小车发生滚动的条件是Pcosα·h+Psinα·d≥δ（mg-Psinα）代入数据摩阻系数δ取２mm(木质地板)，h=55mm,d=5mm满足条件，即小车能滚动。所以小车能启动并且只做纯滚动不滑动。设计尺寸合适。４)转向机构的分析利用皮带轮带动两个打片旋转，每转过180°打片打向D（驱动转向把装置）的底部，这样Ｄ带动转向把，转过相应角度，由磁铁将转向把吸引住，等待下一个打片将转向把调整到另一边（对称的角度），这样周期性转弯，以此实现绕障功能。(磁铁的磁性比较弱，刚好能固定小车转向把在行走过程中不发生意外摆动)图3：小车在重力势能作用下自动行走示意图设计的大皮带轮的直径为45，小皮带轮7，因此传动比i=6.5。即打片打一次到将打下一次（即转弯一次），车后轮转过3.5圈，行走路程为1145.8,因为小车速度很低，可以忽略打的时间。这样小车走的是相切的圆弧。如上图所示。为了过障碍物（两障碍物之间的距离为1000）时小车不撞到障碍物，小车的中心线离障碍物的安全距离设定为L为240几何关系如图4所示弧长Ｓ＝1145.8，L=240,列方程组2Rα=Ｓ(R-L)²＋500²＝Ｒ²解出Ｒ＝640,α=51º图4所以通过调整两队磁铁的位置来调整转向角，即可确保小车安全绕过障碍物。５)效率分析给小车提供的能量是5焦耳，而小车绕过了8个障碍物，及小车后轮转过的角度θ=16π根据机械能守恒，即重力势能转化为小车行驶滚动摩擦力做的功和其它损失的能量Ph=δ·Fn·θ+Eη=1-E/Ph代入数据解得效率η=30.1%6)运动分析小车启动时获得较大的力矩，即可加速，紧接着获得较小的力矩，基本保持匀速，小车很低的速度行驶，约为0.3m/s。小车周期性做圆周运动，但很低速度行驶，在此就不做讨论。7)其它参数前轮φ＝30；车架厚度２；最宽处200,支架高650，上面有定滑轮（释放重物的）3小车的分析小车的优点：1)小车质量较轻，这样利用有限的能量，小车就能走较远的距离，绕过更多的障碍物。2)小车起始时采用较大的启动力，在小车行进过程中减小力偶，是小车能保持在基本匀速，且很低速度行使，保持了小车的稳定性。３）重物采用两根直铁丝和支架固定，避免了重物在转弯的过程中发生摆动使小车发生侧翻现象。４）小车