重力势能小车设计报告

组员：徐一航管磊 卢光灿覃泽儒

学院：船舶海洋与建筑工程学院

指导教师： 沈幸平

2013.06

一.设计方案确定2

设计理念 2

设计方案 2

二.图纸3

总装图3

零件工程图4

三.技术难点5

如何设计使小车跑的比较远？5

如何将能量转换得更多？5

如何实现小车顺利启动？5

如何安置支架与载重？5

四.加工工艺6

轴的加工6

轮的加工6

底板加工7

整体装配7

五.调试装配中遇到的问题7

轴的问题7

轮子问题8

绕线问题8

载重问题8

六.小车达到的性能8

七.收获与体会9

八.课程建议11

一．设计方案确定

●设计理念

减轻小车质量：在保证小车运动稳定的前提下尽一切可能减轻车身质量，在规定能量前提下理论上可以行驶更远的距离，同时速度方面也有相应的提高。另外，对于不必要的结构尽量舍弃。

车身结构设计：主要是车身长宽量化方面，以保证小车在前进的时候轨迹更加平滑。实现方式：对小车运行轨迹、车身的长度、宽度量化，通过人工计算和电脑计算确定出最佳的长宽和运行轨迹。

重心调整：通过在设计时候对重心的调制使小车运行平稳，该过程仍然采用量化。在实际操作中，由于底板控制余地有限，因此主要通过调节附加重物的位置，使小车的重心达到调节。

设计原则：简单可行原则。

●设计方案

能量转化装置：通过定滑轮将重物的重力势能转化为小车的动能。为了让小车运行得更稳定，我们采用小传动比，让小车的转矩刚好比摩擦力的转矩略大，使小车先保持尽量低的前进速度，然后再实现逐渐加速的过程，以利于物体的重力势能更多的转化为小车前进的动能，同时也减少了重物由于高速下落，最后撞击车身所带来的能量损失。

车身整体设计：车身采用平滑型的车身，尖嘴宽尾，车尾稍高于车头，前轮与两个后轮成约45°夹角。该设计一定程度上有利于小车顺利前进，在锯除多余部分后更是减轻了不少车身重量。

附加物设计：重物下落时紧贴支架，达到缓慢下落和稳定无偏移的效果，同时能够尽可能多地将重力势能转化为小车的动能；载重物块竖直卡在车尾的凹槽中，达到后期加速的效果。

●终设计方案示意图如下：

二．图纸

总装图:

各种加工零件的工程图:

1.底板：

2.轴：

3.轮子：

三．技术难点

如何设计使小车跑的比较远？

重物下落带动小车前进，重物下降的距离相同，根据同轴转动原理，角速度相同，半径越大，线速度越大。因此，我们想出将后轮直径做得较大、与后轮相连的轴做得较细的措施。为了将下落距离更大的转换为前进距离，我们原先打算设计实施两级放大，在重物与后轮之间另加一根轴——重物与轴粗部连接，轴细部与后轮连接。但是在综合分析可行性以及吸取他组经验后，决定采取简单的单轴转动装置，而是通过其他方式来增加行近距离。

如何将能量转换得更多？

重力势能转换成动能，总能量是相同的，小车前进过程中的摩擦损耗越小，前进距离越远。因此我们要想办法尽可能减小损耗。本来想在重物与绳子间用弹簧连接，减小重物下落对车的冲击，但后来得知弹簧是不允许使用的最终放弃了。小车质量越小，重物下落时就越容易带动小车前进，因此我们决定将小车尽量多地进行裁除，轮子镂空，既减轻质量又美观。另外保持重物缓慢下落，将重力势能尽可能多地转化为小车动能。

如何实现小车顺利启动？

另外，小车设计的一个关键点是小车的启动。只要重物下落初始时刻小车能顺利启动，后续的前进问题就不大。为了使小车容易启动，可以采取在小车后轴绕线处增大绕线直径来实现，但在下落距离一定时，这样会严重缩短小车行进的距离。所以最后我们决定通过计算力矩等方面设计好轴与轮子的直径适合比，并将轴与绳子连接处适当磨粗糙。

如何安置支架与载重？

支架的安装以及载重物块的放置都会影响小车的重心，从而影响小车的启动和行进过程的稳定。支架的安装我们通过反复考量最终选定了合适的位置，保证重物下落接触到地盘后不会掉落也不会产生任何阻碍；而在载重物块方面，我们起先是打算放在车首，并用前轮最前方的两颗螺丝反装的形式和支架组成三角将其固定在车上，但这样会影响小车最后的加速。于是我们决定在车尾割出合适的矩形槽，将载重竖直放置，如此一来车身减轻了，载重在重物下落结束后仍能促使小车进一步向前。

四．加工工艺

1) 轴：车床加工

2) 轮子：激光加工

3) 底板：钳工

4) 整体安装：钳工

轴的加工：

1) 选用直径为10mm的柱体原材料，在200mm处切断（保留适当余量），得到合适长度的轴；

2) 接着将轴的端面车平至轴长200mm ；

3) 然后将轴的两端分别车成长30mm直径7.8mm的圆柱；

4) 再将轴两端车好的圆柱各车成长20mm直径5.8mm的螺纹。

轮子的加工：

1) 选用轻木质板作为小车轮子的原材料；

2) 先使用CAD画出轮子的设计图：先画出一个直径200mm的外圆，再画出一个直径6mm的同心内圆，然后画出四瓣扇形作为轮盘上的空心部分的样式；

3) 画好后，我们到激光加工中心将图导入，用激光切割把两个轮子切割成型；

4) 由于切割下来的轮子边缘不是很光滑，我们先是使用了钳工中的磨的技术进行打磨，想要把轮子的外沿磨得更光滑圆整一些，但是当把轮子装到小车上实验的时候，发现人工打磨的精度比较差，车子有明显起伏，前进速度明显不均匀，说明轮子实际上没有很圆；

5) 于是，我们再把轮子带到车床车间，用普通车床将轮子车至直径为160mm。最后经过车床修正后得出的轮子比原来大有改善，装到小车上后再次试行，小车的起伏明显减小，前进速度也比较均匀，说明轮子已经比较圆，符合我们的要求。

底板加工：

1) 选用长260mm宽200mm的矩形板作为原材料；

2) 在端部两边各锯掉长260mm宽50mm的矩形，再锯掉两个底20mm高40mm的直角三角形；

3) 在另一端横向彻底锯掉宽70mm的矩形，接着在中部对称挖出长55mm宽15mm的矩形槽；

4) 在剩下部分按零件分布打孔，最后将切割的边缘用锉刀磨平。

整体装配

1) 首先装配前轮：将前轮对准孔位，再将螺丝螺帽拧紧即可，前轮最前端的两颗长螺丝采取倒装；

2) 接着装配后轮：先将轴一端的控制轴承装上，将轴穿过后再装另一端，接着将车轮分别由两颗螺帽固定好位置；

3) 最后装配支架与载重：先将支架与滑轮装好，再在通过计算和实践确定好的孔位上固定好支架，接着绕线，把载重置于尾部凹槽。

五．调试装配中遇到的问题

在装配完成之后，我们立即进行了多次实验与调试，在这过程中也暴露出了很多问题，一定程度上都影响了小车的行进和距离，经过反复调试最终达到一个较为满意的状态。以下将按顺序进行问题描述。

轴的问题

第一次实验时，小车启动稍有犹豫，比较勉强，我们试了很多种方法进行改进。首先想到的是调整力臂，也就是增大绕线半径来使小车顺利启动，实践证明这种方法是可行的。但我们不甘于就这样缩短了小车行进距离，既然可以增大力臂，那麽是否也可以增大力？于是我们将轴的绕线部分进行打磨，使粗糙度适中，进行改进后小车果然顺利启动，并且反而增大了行进距离。

轮子问题

激光加工出来的轮子并不光滑，手动磨平也还是不够达标。于是我们使用车床进行切削，终于达到要求；另外我们也有想过像其他组一样，在轮子上绕上一圈胶带以减小摩擦，但反复实验后还是不饶胶带走得较远，最终我们觉得放弃胶带，直接使用车床磨光滑后的轮子。

绕线问题

在进行绕线时，我们也讨论了关于绕线是否越紧越好的问题，最后实践证明绕线需要比较紧绷，但依然是适中为好。紧绷为好是因为线越紧，相同绳长情况下绕的圈数就越多，小车驱动过程就更充分；不能过紧是因为这样会导致小车在一开始的短时间内加速过快，会使得小车行进不稳定，且能量转化不充分，造成一定的浪费。

载重问题

决定载重位置的过程也经历了不少争论。一开始为了尽量多的割去车身以减轻质量，所以计划将载重放在前端，由前轮最前方的两颗螺丝反装的形式和支架组成三角将其固定在车上。但是这样严重增大了前轮的压力和摩擦力，不利于小车进一步向前。最终我们决定在车身尾部挖出合适大小的槽，将载重物块竖直放置，意外发现不仅车身减轻了，而且在重物下落结束后尾端的物块仍能促使小车进一步向前。

六．小车达到的性能

经过精心制造和反复调试，小车最终达到如下效果：

1) 重物开始下落小车即顺利启动；

2) 启动后在平直路上稳定加速行进；

3) 重物停止下落后小车依旧靠惯性向前滑行一段距离。

七．收获体会

回想起造小车的过程，仍然历历在目。拼搏、忙碌、汗水与精力挥洒的日子，真是让人难忘。战斗过的亲身经历，使我获得很多很多，整理了一下思绪，得到了以下几点收获。

第一，要端正自己的心态，在训练中有不断增强自己的决心。明确自己的目标，总而言之“态度决定一切” 。只有态度端正了，才能全身心地投入竞赛，才能在竞争中处于不败之地。

第二，要有热情。热情是动力的源泉，没有动力，汽车将不能开动，火箭将不能腾空，飞船将不能遨游。同样，人也一样，没有热情，就没有前进的动力，不下定决心，是不会有什么结果的。记得在小车的调试过程中，每天面对着走得不够远的小车，我们无可奈何，但我们还是得不厌其烦的调试，因为这是一项伟大的工程，于是乎，我们双手与双脚没有空闲的时间，纸上记满了无规律的数据与想法，只要小车在跑我们就会觉得我们就快成功了。到后面距离比赛时间越来越近，终于灵感来了，一切问题都迎刃而解了，我们感动万分。是热情使我们不惧任何困难。是热情让我们不知疲倦，是热情让我们比赛充满激情。

第三，要有严谨的科学精神，科学是容不得半点马虎的，小车设计是一个用科学来指导实践，把科学运用到实践中去的过程。既然是指导实践，就应该做到事无巨细，考虑周全。在设计的过程中，不应放过每一个细节。其次假设要合理，取舍要得当。调试是一个繁杂的过程，要清楚调节先后顺序，要把责任落实到每个队员的身上，每个人负责自己的工作，运用控制变量法调节，同时要时刻记录实验数据，最后处理写出报告。

光有这些还是不够的，还要认真，要努力，要有敢于挑战的信心。我们必须严肃认真的思考我们需要做那些努力，认认真真的把我们必须作的事情作好。

——管磊

这次的小车制作作为金工实习的最终工程，我认为主要是为了锻炼我们实习加工手段如何运用在实用设计上，于是我们在实习每个工程时充分了解该工程适用的范围最后才能决断出用什么工艺来完成。同时设计时，我们必须考虑构件的可加工性。

关于小车的要求，只能是重力势能直接转化为动能，则我们分析最好是物块落下时的速度为0，即是说每时每刻势能都要转化为动能，而小车前进的力必须由摩擦力提供，所以我们只能想到用转轮使小车运动，而且我们接触到的几乎所有的组都用这一种方法使小车运动。于是我们把重心转移到小车细节设计制作中，因为我们学生经验不足，理论分析亦不能完全符合现实情况，我们在充分了解到先做好的小组遇到的问题后，再分析讨论了解到解决方法后，再动手制作，并且每次留有充分的余量，为了能不断地改进。

通过上述这一系列的想法以及做法，让我在实习中学会如何从要求构思出成品，如何通过知识来实现制作，如何通过分析来优化产品，如何通过吸取他人的经验来使自己的作品更好，我觉得通过这次实习实在是有许多实质性的收获，感谢老师们给予我们这次机会。

——卢光灿

参与重力势能小车制作几个星期下来，最深刻的体会是合作和细节。

合作自然不用说，分工是很重要的，只有合理分工才能顺利高效地完成任务。其次，制作过程中很多方面的合作也是必不可少的，光是要给小车拧上一个螺钉，就需要两个人齐心协力，一个扶车、一个拧螺钉。而队员之间的默契配合，不仅在制作时可以提高效率，也可以减少在讨论时为无关琐事争执得面红耳赤的时间，大家心平气和、心无杂念地为着同一个目标而努力。

至于细节，则是要在制作的过程中谨慎处理好每一个步骤，比如磨去支架底部的小凸起，将每一个孔的位置打得不偏不倚等等。这些小问题，看起来似乎无伤大雅，但如果处理不好，就会造成大的麻烦和不必要的返工。毕竟做出的决定往往无从修改，造成的错误也往往难以回头。

小车的制作从无到有，从一开始不明所以，到后来能够驾轻就熟，是一个从自己手中创造的愉悦过程。感受这其中不断碰壁、不断尝试，再碰壁、再尝试的快乐，也就感受到了自己的成长。小车制作的过程问题重重，大家都很辛苦，但不得不说，在这个过程中我们培养了发现问题解决问题的能力，学到了很多知识，收获了很多。

——覃泽儒

经过这次制作小车，我觉得自己的收获还是很大的。在此之前，我上过工程技术探究（即制作投石车）的课程，可以说在零件的认知、工具的使用、模型的设计方面我都有一些经验。相对于当时的投石车，这次的重力势能小车在设计方面要简单一些，不过让我们感受到的压力却丝毫没有变小。主要也是因为设计虽然简单，但是要设计出独特的方案还是需要更多更全面的思考。最后我们小组并没有在设计上做出很大的改变，而是利用我们团队整体对于细节把握的出色能力将工作重点放在了基本尺寸定夺以及精良加工上，在每一个点上我们都追求细致完美。

在最后的三周小车加工、调试中，我们小组充分地利用了每一个组员的特点，大家合理地接手任务，最终将小车的每一个部件都做到了我们预先设计的程度，最后的组装也很顺利。在调试中，我们组的小车在行走的距离上也较为理想，这些都归功于我们小组每位同志的辛勤付出。

最后，感谢沈幸平老师以及其他带队老师在整个小车制作过程中给予的帮助和指导！祝身体健康，工作顺利！

——徐一航

八．建议

对总体活动的建议：

1) 希望能尽早发放小车零件，以便实际地确定各零件位置和尺寸。

2) 除了通过距离来考察小车的性能外，还可以通过是否能走直线、经济性、可行性等其他方面性能进行考察。

3) 希望以后活动能明确下主题，感觉活动缺乏一种内在的精神指导。

4) 建议材料不用限制，我们可以自由发挥寻找合适的材料，这样能更好的锻炼我们的创新精神。

对今后同学们的建议：

1) 制作装配小车时要把握每一个细节，努力把每一个零件装配好，因为每一处的缺陷都有可能影响最终的效果。

2) 制作无动力小车其实不必需要太过复杂的传动装置的设计。因为小车初始的能量很小，传动装置越多，损失的能量越多，有可能反而会跑得更短。

3) 建议同学们多与指导老师进行交流，开拓更多的思路，做出让人耳目一新的突破性小车。

附：LOGO

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/f0a2e377b9f67c1cfad6195f312b3169a451eab8.html