无碳自行避障小车的技术设计

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1、无碳自行避障小车的技术设计【摘要】为响应国家的节能减排号召，构建节约型社会，本文设计一种给定一重力势能，根据能量转换原理，可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。小车行走时能沿着既定的路线并自动避开预先设置的障碍物。本文通过建立小车数学模型，利用Matlab软件分析各参数对小车行走的影响及绘制小车行走轨迹，实现优化设计，并最终指导零件尺寸的精确设计。【关键词】无碳小车;影响因素;Matlab软件1小车功能设计要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可

2、用来驱动小车行走的装置。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考量小车设计的优劣好坏。给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），用质量为1kg的重块（Φ50×65mm，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。62数学模型构建通过

3、对小车建立数学模型，可以实现小车的参数化设计和优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。2.1能耗规律模型为简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为1-ξ，即小车能量的传递效率为ξ。小车轮与地面的摩阻系数为δ，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有■■S■=ξmgh■N■=m■g其中：N■为第i个轮子对地面的压力R■为第i个轮子的半径S■为第i个轮子行走的距离m■为小车总质量为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距

4、离的变化，下面分别从轮子与地面的滚动摩阻系数、轮子的半径、小车的重量以及小车能量转换效率四方面考虑。通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8。下图为当车轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5mm……时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图（图1）。6图1有上图1可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提

5、高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。图2为当摩阻系数为0.5mm，车轮半径依次增加10mm时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图。图2由图2可知当小车的半径每增加1cm时，小车便可多前进1m到2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。2.2运动学分析模型符号说明：R――驱动轮半径i――齿轮传动比a1――驱动轮A与转向轮横向偏距a2――驱动轮B与转向轮横向偏距d――驱动轴（轴2）与转向轮中心距离b――曲柄轴（轴1）与转向轮中心距离r1――曲柄的旋转半径c――摇杆

6、长6l――连杆长r2――轴的绳轮半径图3（1）驱动：当重物下降dh时，驱动轴（轴2）转过的角度为dθ2，则有dθ■=■，则曲柄轴（轴1）转过的角度dθ1=■，小车移动的距离为（以A轮为参考）ds=R・dθ2（2）转向：当转向杆与驱动轴间夹角为α时，曲柄转过的角度为θ1，则α与θ1满足以下关系：l■=c■・（1-cosα）■+（b+c・sinα-r■・sinθ■）■+r12・cos■θ■解上述方程可得θ1与α的函数关系式α=f（θ1）（3）小车行走轨迹只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度α时，则小车转

7、弯的曲率半径为ρ=■+a■。小车行走ds过程中，小车整体转过的角度dβ=■。当小车转过的角度为β时，有dx=-ds・sinβdy=ds・cosβ（4）小车其他轮的轨迹以轮A为参考，则在小车的运动坐标系中，B的坐标B（-（a1+a2），0），C的坐标C（-a，d）。在平面坐标系中，有6xB=xA-（a1+a2）・cosβyB=yA-（a1+a2）・sinβxC=xA-a1・cosβ-dsinβyC=yA+d・cosβ-a1sinβ经过整理、方程求解以及设定合理的参数得到小车的运动轨迹如下图4所示。图

8、43结语本文根据无碳小车功能设计的要求，在完成方案设计的基础上，对小车进行技术设计。通过建立数学模型，使用Matlab软件编程得到各参数改变对小车行走距离的影响和小车的运动路线。在这样的设计方法下，可以清晰地知道各零件尺寸变化对小车行走轨迹的影响，既节省了设计时间，同时也保证了设计精度。【参考文献】[1]赵亮，吴军，郑小军.纯机械传动无碳小车创新设计[J].科技信息，2013（2）.[2]刘广，曹恺，刘剑桥.无碳小车设计[J].企业技术开发，2011（7）.[3]白雪，唐鹏达.机械