以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车论文(3)

湖北汽车工业学院科技学院毕业（设计）论文

图1.2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图

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第二章 方案设计

2.1 设计思路

1.小车在整个行进过程中，小车需要的所有动力来自重物的势能，应尽可能的将重物的势能转化成小车的动力势能。此外，因为能量有限，我们应尽可能简化小车的设计，机构设计越复杂，机构越多，小车的效率就会越低，所以越简单的设计越能将重力势能高效率的应用。

图2.1 设计思路图

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2.根据能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转化为小车前进的动能时，能量损失最小，所以小车前进能量来源直接由重物下落过程中减少的重力势能提供为宜。 3.根据小车功能设计要求（小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物），小车前进的路线具有一定的周期性，考虑到小车转向是速度有损失，小车前进的路线汉斯命题设计要求的最优解。

4.结构的设计与成本的分析，加工工艺设计统筹考虑，力求小车的最优化设计。 5.所制定的轨迹不是标准的正弦曲线，所走的大部分是直线，这样比正玄曲线理论长度更远，所以我制定了中间凹槽机构。

6.为了更好的发挥出小车的优势，充分利用重力势能，我决定不采用储能机构，因为储能机构进行储能是务必要能量转换的，这样无形中就损失了有限能量的一部分。可以通过计算，查处轮子与地面之间的摩擦因素，从而计算出摩擦力，考虑各种损失，从而制定出最为理想的传动比，所以我采用了阶梯轴，一个凹槽机构，一个合适的后轴机构。凹槽机构如下图所示，阶梯轴的实体效果图。后轴机构实体效果图分别如下图2.2，图2.3所示：

图2.2 阶梯轴的实体效果图 图2.3 后轴机构实体效果图

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2.2无碳小车要达到的要求及关键技术 2.2.1技术要求

该自行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）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。

给定重力势能为5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500±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。

要求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。

小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：①小车上面要装载一件外形尺寸为￠60×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于￠30mm。

2.2.2关键技术

1）转向轮及轨道设计 2）动力系统设计

3）小车整体及其外观设计

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2.2设计方案的确定【2】【3】【4】【5】 最初我们拟定了两个方案，并进行了对比，最后选择最佳方案。方案如下： 方案一：

主要构件如下：连杆，带轮，驱动轮，支撑板

图2.4 无碳小车方案一三维图

工作原理：先由重物长带（1）上，由于重力的作用，带向下运动，带动轮轴转动，这时候，车轮转动，同时，轮轴通过短带（2）带动轮盘（3）的转动，轮盘（3）带动导向轮（4）的右边的转向杆（5）前后摆动，实现车的转向。

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