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无碳小车的能耗规律与稳定性分析

第一篇：无碳小车的能耗规律与稳定性分析无碳小车的能耗规律与稳定性分析（西南交通大学峨眉校区，四川峨眉614202）杜磊摘要根据第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求，对无碳小车进行了能耗规律模型的建立以及进行了稳定性分析，确保小车在行走过程中，能量消耗更少，行走更稳。经过大赛的实践表明，针对小车建立的能耗规律模型以及稳定性分析起到至关重要的作用，取得了优异的竞赛成绩。关键词无碳小车能耗规律动力系统稳定性0引言无碳小车是一种利用给定重力势能转化为动能来驱动其行走及转向的小车。要求小车为三轮结构，小车转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。在保证小车精度的前提下，建立良好的能耗规律模型及稳定性分析更有助于小车平稳的行驶更远的距离，将取得更加优异的成绩。1能耗规律模型的建立设小车内部的能耗系数为1，即小车能量的传递效率为。小车轮与地面的摩阻系数为，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：3Ni*Risimghi13Nim总gi1Ni为第i个轮子对地面的压力Ri为第i个轮子的半径Si为第i个轮子行走的距离m总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离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量三方面进行考虑。通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。图1为当摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.....mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图：图1小车行走距离随摩阻系数变化规律图由图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小车行走距离随车轮半径变化规律图由图2可知当小车的半径每增加1cm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。图3为当小车轮子直径以及滚阻系数确定后，小车重量依次增加时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图：图3小车行走距离随重量变化规律图由图3可看出，小车的质量越轻，其行走距离越远。因此在设计小车的过程中应尽量减少机构，采用密度更小的材质。动力系统分析图4小车受力分析示意图以小车为研究对象，受力如上图所示。其中P1、P2和P3是主动力，FA、FB、FC为地面的约束力，此6个力互相构成空间平衡力系。取坐标系Oxyz如图所示，列出三个平衡方程：FZ0FAFBFCP1P2P30MX(F)0FC185mmP1110mmP265mmP365mm0MY(F)0P322.5mmFA70mmP222.5mmFB70mm0其中,由于P1、P2和P3是等边三角形的三个顶点，所以这三个力大小是相等的，即：P1P2P38N解得：FA6.8NFB6.8NFC10.4N又因为有机玻璃-木质地板摩擦系数u0.25有：fAuFAfBuFAfCuFC解得：fA1.5NfB1.5NfC2.6N稳定性分析小车在行走过程中，会进行左右周期性的转向，则必然会出现转角最大的时候，也就是转弯半径R最小的时候，此时，就是小车最容易侧翻的时候，由于小车是对称机构，其运动轨迹也是对称机构，所以小车的左右临界侧翻速度都一样，下面以小车的右侧侧翻为例，对小车的稳定性做一个系统的分析。图5小车右侧翻受力分析示意图以小车为研究对象，受力如上图所示。其中P1、P2和P3是主动力，FA、FB、FC为地面的约束力，Fmax为重块转弯的离心力，此7个力互相构成空间平衡力系。取坐标系Oxyz如图所示，列出三个平衡方程：FZ0FAFBFCP1P2P30MX(F)0FC185mmP1110mmP265mmP365mm0MY(F)0P322.5mmFA70mmP222.5mmFB70mmFmax400mm0若小车出现右侧翻，则FB0解得：FA13.6NFB0NFC10.4NFmax2.72N其中FmvmaxmaxRminRmin为重块的最小转弯半径；则vmaxRminmaxFm由此，可确定小车在行进过程中的最大速度，通过调节锥形绕线轮的大小