浅论无碳小车的设计、制作与创新实践.pdf

本文为网络收集精选范文、公文、论文、和其他应用文档，如需本文，请下载

浅论无碳小车的设计、制作与创新实践

本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，

请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事

如意！

0引言

无碳小车是一种通过滑轮机构将重物下落的重力

势能转化为小车前进的动能以实现小车行走，并采用

合理的机构，来实现行走过程中正确转向并绕过障碍

的装置。小车设计注重能量利用的有效性，车体结构

的合理性，行走的稳定性、匀速性，调试的可靠性等。

应用了诸多数学理论进行验证，最终采用了万向节连

杆机构作为转向机构，使小车控制转弯更省力、对小

车躲避障碍物的周期控制更容易实现，亦降低了整车

重量。再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦

损耗小，效率高，较容易安装制造。另外，通过对小

车的设计、制作和调试，提高了提出问题、分析问题、

解决问题的能力，并总结了从中获得的经验和教训。

1无碳小车的制作原理

命题简介

该竞赛其中的一个命题为，要求设计一种以重力

势能驱动的具有方向控制功能的自行小车，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

本文为网络收集精选范文、公文、论文、和其他应用文档，如需本文，请下载

本文为网络收集精选范文、公文、论文、和其他应用文档，如需本文，请下载

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1kg的重块，普通碳

钢)铅垂下降来获得，落差400±2mm，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。在比赛中，小车出发后，小车从赛道一侧越过一

个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒(擦碰

障碍，但没碰倒者，视为通过);重复上述动作，直至

小车停止(障碍物初始间距为1m，后期在1m±100mm

范围内产生一个新的障碍物间距，需调整小车以适应

新距离)，最终绕过障碍物多者获胜。

无碳小车设计原理

由命题得知，关键在于利用重力势能获得相当长

距离的具有稳定正弦特征的轨迹。由此，来设计小车

以使其满足要求。重力势能大多通过挂在绳子上的重

物拖动小车的轴进而驱使小车前进，这便对绳子提出

较高的要求，一般选取弹性较小，耐磨的绳子为佳。

在传动方面，根据往届赛事经验，有齿轮传动，

皮带传动等。由于小车在前行较长距离(一般为20m

以上)，同时需要保证精确的行走轨迹，因此，皮带由

于打滑等原因不如齿轮传动。同时，齿轮由于金属材

质，大大加大了车的重量，因而我们采用快速成型制

造齿轮，保证了传动的精确性与质量较轻的优点。接

本文为网络收集精选范文、公文、论文、和其他应用文档，如需本文，请下载

本文为网络收集精选范文、公文、论文、和其他应用文档，如需本文，请下载

下来，便是使用两级变速还是一级变速的问题，两级

变速能够在有效的空间内实现较大的传动比，同时具

有较大的惯性，能够克服赛道上的不平整路面(事实证

明，这在比赛上时是相当重要的)，但由于齿轮加工精

度的局限，可能会造成较大摩擦力，造成能量的浪费。

而一级传动则较为轻便，结构简单，便于加工装配。

小车每绕过两个障碍物，即在前进方向上走了

2m，完成一个循环，此时，绕在轴上的绳子转过一圈。

因此，小车前进的理论长度即由绕线轴的直径和下落

高度决定。轴的最小直径由轮子和地面的摩擦力产生

的启动转矩确定。小车的轨迹越接近于直线，摩擦力

做功越少，便越节省能量。

我们发现，小车所走轨迹的幅值越大，便不容易

与障碍物发生碰撞，小车调整起来也越容易，同时，

前面已经提到，也就越浪费能量。而对于不同的周期

来讲，周期越小(障碍物间隔越小)，小车轨迹的幅值

越大，便不容易与障碍物发生碰撞。

为了实现上述轨迹，转向机构是重要的一环，由

于“S”形避障运动是周期性的运动，恰好可以通过齿轮

上的偏心，将其运动传递到前轮上。传递运动大致可

以分为两类，一类通过万向节，与前轮转向机构构成

四连杆机构，进而实现周期往复运动。这样的好处是

本文为网络收集精选范文、公文、论文、和其他应用文档，如需本文，请下载

本文为网络收集精选范文、公文、论文、和其他应用文档，如需本文，请下载

刚性较好，一旦调节完毕能够形成固定的轨迹且便于

加工。但是不容易调