一种无碳小车的设计与仿真优化分析【毕业论文+CAD图纸全套】

第0页共64页无碳小车设计与仿真目录摘要3ABSTRACT4第1章设计背景和研究意义911设计背景912研究意义913太阳能的应用实例913重力势能的应用实例10第2章无碳小车的设计概述1321毕业设计的命名主题1322无碳小车功能设计要求1323无碳小车的整体设计要求1424无碳小车的设计方法14第3章无碳小车结构方案的设计1631整体方案分析1632局部方案的技术分析17321驱动机构17322传动机构18323转向机构19324行走机构20325微调机构20326无碳小车车体分析2033方案草图的建立及原理2134无碳小车材料选择22第4章无碳小车运行理论计算基础2241无碳小车参数的确定22411无碳小车运行轨迹理论参数分析22买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第1页共64页412动态力分析22413传动机构及行走机构参数确定24414转向机构参数的确定25第5章建立小车的虚拟样机模型2851无碳小车的整体虚拟样机模型2852无碳小车主要结构3D模型30第6章无碳小车PRO/E动态运动仿真与优化3361PRO/E机构运动分析模块功能3362无碳小车动态运动仿真的流程图3563无碳小车动态运动仿真36631无碳小车理想状态动态仿真3664无碳小车的优化设计4665无碳小车仿真优化设计后数据结果48第7章设计总结5071分析设计仿真过程的失误5072实际样机的展望5073无碳小车的应用意义51参考文献52致谢53全套设计加11970985或197216396第2页共64页摘要本次毕业设计课题要求是设计一个节约型能源的绿色无碳小车，无碳小车的设计与制作，重在倡导无碳的行为。根据能量转换原理，给一定重力势能，利用重力势能转化为机械能，驱动具有方向自动控制功能的小车行走。毕业设计目的主要是完成无碳小车的结构设计，仿真优化设计，在两米宽的跑道上，小车前进的总距离和绕过的间隔一米障碍物的个数作为衡量的设计成功与否的重要的标准。作品的设计力求做到系统性、规范性和创新性，充分体现工程意识。本次设计主要采用机械系统设计方法进行形体分析和设计，在对设计任务和目的总体把握的情况下，综合考虑材料、加工工艺、制造成本等方面的影响因素。通过对小车的功能分析得出清晰开阔的方案设计思路。为了便于对无碳小车整体结构的设计，我把小车的整个系统分为六大模块驱动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构、车体。然后进行模块化设计，利用TRIZ理论发散性思维方式对各个模块进行分析，并提出多种方案，经过综合分析对比各种方案的优缺点选择出最优的方案组合。整体的方案如下驱动机构锥形轴传动机构单级圆柱直齿轮转向机构正弦机构摇杆行走机构单轮驱动微调机构滑槽式车体三角形为了使小车在行驶过程中更稳，前进距离更远，采用仿真优化设计的方法对小车的外形尺寸进行优化，利用PRO/E仿真软件模拟无碳小车在自然重力作用和合外力（地面滚动摩擦阻力、内部连接摩擦力）作用下，小车在地面上能够运行的最远轨迹，并分析影响小车运动性能的关键因素，进而优化出更好的结构方案，然后加以改进，使小车的运行轨迹更加稳定，直线性更好。关键词无碳小车；绿色能量；参数化设计；仿真优化技术买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第3页共64页ABSTRACTTHEGRADUATIONDESIGNTOPICISTODESIGNACARBONSAVINGENERGY,GREENCARS,THEDESIGNANDMANUFACTUREOFCARBONFREECAR,ADVOCATECARBONFREEBEHAVIORACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFENERGYCONVERSION,TOACERTAINGRAVITYPOTENTIALENERGY,USINGTHEGRAVITATIONALPOTENTIALENERGYINTOMECHANICALENERGY,DRIVINGACARWALKINGDIRECTIONAUTOMATICCONTROLFUNCTIONGRADUATIONDESIGNPURPOSEISMAINLYTOCOMPLETETHESTRUCTUREDESIGNOFTHECARBONFREECARSIMULATIONOPTIMIZATIONDESIGN,THETWOMETERSWIDEOFTHETRACK,THECARAHEADOFTHETOTALNUMBEROFOBSTACLESOFDISTANCEANDBYPASSTHEINTERVALOFONEMETERASAMEASUREOFSUCCESSFORTHEDESIGNOFTHEIMPORTANTSTANDARDTHEDESIGNOFTHEWORKSTODOSYSTEMATIC,STANDARDIZATIONANDINNOVATION,FULLYEMBODYTHEENGINEERINGCONSCIOUSNESSMAINLYADOPTSTHEDESIGNOFMECHANICALSYSTEMANALYSISANDDESIGN,DESIGNMETHODTOFORMTHEOVERALLGRASPTHEDESIGNTASKANDPURPOSE,UNDERTHECONDITIONOFCONSIDERINGMATERIAL,PROCESSINGTECHNOLOGY,THEINFLUENCEFACTORSOFMANUFACTURINGCOST,THROUGHANALYZINGTHEFUNCTIONOFTHECARACLEAROPENDESIGNIDEASINORDERTOFACILITATETHEDESIGNOFTHEWHOLESTRUCTUREOFCARBONFREECAR,IPUTTHECARINTHEWHOLESYSTEMISDIVIDEDINTOSIXMODULESDRIVINGMECHANISM,TRANSMISSIONMECHANISMANDSTEERINGMECHANISM,TRAVELMECHANISM,FINETUNINGAGENCIES,CARBODYTHENCARRIESONTHEMODULARDESIGN,USINGTHETHEORYOFTRIZDIVERGENTTHINKINGWAYFOREACHMODULEISANALYZED,ANDPUTFORWARDAVARIETYOFSOLUTIONS,THROUGHCOMPREHENSIVEANALYSISANDCONTRASTTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFVARIOUSOPTIONSTOCHOOSETHEOPTIMALCOMBINATIONTHEOVERALLPLANISASFOLLOWSDRIVETHECONESHAFTTRANSMISSIONMECHANISMSINGLESTAGECYLINDRICALSPURGEARSTEERINGMECHANISMSINEMECHANISMROCKERWALKINGMECHANISMSINGLEWHEELDRIVEFINETUNINGMECHANISMCHUTETYPEBODYTRIANGLEINORDERTOMAKETHECARMORESTABLE,INTHEPROCESSOFDRIVINGFORWARDFARTHER,ADOPTTHE第4页共64页METHODOFSIMULATIONOPTIMIZATIONDESIGNFORTHECARTOOPTIMIZETHEOVERALLSIZE,THEUSEOFPRO/ESIMULATIONSOFTWARETOSIMULATECARBONFREECARINNATURALGRAVITYANDTHEEXTERNALFORCEROLLINGFRICTIONRESISTANCEONTHEGROUND,THEINTERNALCONNECTIONOFFRICTION,THECARONTHEGROUNDTOBEABLETORUNTHELONGESTPATH,ANDANALYZESTHEKEYFACTORSINFLUENCINGTHEPERFORMANCEOFCARMOVEMENT,ANDTHENOPTIMIZETHEBETTERSTRUCTURESCHEME,ANDTHENIMPROVEIT,MAKETHECARRUNNINGPATHISMORESTABLE,BETTERLINEARITYKEYWORDSCARBONFREECARGREENENERGYPARAMETRICDESIGNTHESIMULATIONOPTIMIZATIONTECHNIQUE买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第5页共64页第6页共64页买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第7页共64页第8页共64页第1章设计背景和研究意义11设计背景能源枯竭是目前世界各国面临的严峻问题之一，这也成为制约部分地区经济发展的首要因素。在发达国家，交通运输能量消耗占世界能量消耗总额的1/41/3,属于资源消耗型和能源占用型行业，而我国虽说地大物博，可是可以利用的资源日益急缺，交通运输业已经成为我国能源消耗增长最快的行业之一，这些导致有些能源正面临着枯竭，因此节能降耗已经成为可持续发展社会的基本要求。根据资料报道我国各类交通运输工具，轻型汽车、重型柴油车、摩托车乃至游艇、飞机相对发达国家的排放标准相差甚远，大部分属于高能耗，高排放的机器。针对这一严峻形势，我国探索新能源交通工具刻不容缓。同时，由于我国人口众多，能源人均量相对匮乏，针对目前形势的需要，我国正努力往资源节约型和环境友好型的社会主义道路前进。坚持可持续发展的战略思想。12研究意义无碳小车的设计最主要的目的在于树立人们的低碳理念，把低污染、低能耗、低排放作为现实生活的标准。无碳小车的设计与制作，重在把无碳的行为深入人心，真正做到节能减排的目的只有在我们的科技创新达到一定的应用水平，并在绿色能源不断突破，这样我们才会走向可持续发展的轨道上。此次无碳小车的设计制造意义在把绿色能源的应用层面推向更深一层。而能够实现绿色无碳有多种方式可实现，比如太阳能应用、重力势能的应用、弹力势能的应用、风能的应用、海洋势能的应用等等。13太阳能的应用实例鉴于世界范围内的能源问题和环境问题，现在全球世界各国都在实施可持续发展战略思想，太阳能是一种无污染、取之不尽,用之不竭的清洁能源,太阳能的开发与利用毫无置疑将被推上一个新的高度。太阳能源技术的成熟,太阳能的开发和利用逐步融入人们的生产和生活中。讨论太买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第9页共64页阳能利用技术及其发展趋势,对太阳能利用的理论研究和实践研究的太阳能利用率具有重要的意义。太阳能的广泛应用可以解决我国资源紧缺的情况，从深层角度去看，太阳能开发利用使我国逐步向社会主义生态文明新时代靠拢，加快中国能源可持续发展道路步伐。下面大致列举太阳能应用层面上比较成熟的技术1太阳能热水器的应用太阳能光热转换是太阳能利用中最常见的基本形式之一，将太阳辐射能转化为热能是太阳能热利用的本质。光热转换的原理就是通过太阳加热水箱中的水，然后利用储热水箱把热水储存以备使用。太阳能热水器也称为太阳能热水系统，实现热水器功能的两个关键技术在于“集热器”和“储热水箱”。太阳能集热器主要包括“聚光集热器”和“平板集热器”，“平板集热器”是一种不聚合太阳光线的集热器，它采集太阳辐射的面积和吸收太阳辐射的面积相等，由于“平板集热器”提供的温度一般比较低，所以限制其使用的范围，针对这一现象，要使太阳能提供更高的温度条件，我们又新开发出另一种集热器聚光式集热器。这种集热器可以将太阳能聚集在比较小的吸热面上，而且散热损失少，吸收效率极高，用这类型集热器做成的太阳能热水器，即使在阳光不充足的情况下也能集热，这就解决天气方面的问题。2太阳能空调制冷技术的应用太阳能空调制冷系统主要由三大系统组成太阳能集热器、热驱动制冷装置、辅助热源。它的工作方式主要有两种形式首先实现光电转换的功能，再利用电力驱动制冷系统工作，这种工作方式原理比较简单、易于实现，而且成本高。其次直接利用集热器采集到热能进行驱动制冷，虽然中间的电力驱动流程，但是这种制冷技术要求高，不过利大于弊，此技术成为低，无噪音和污染。3太阳能电池的应用随着光伏技术的发展，近期将以高吸收效率的硅电池为主，然后逐渐过渡到薄膜太阳能电池的发展。相对之前的太阳能电池，薄膜太阳能电池具有材料获取资源丰富，且成本低等特点，随着研发力量加大投入，薄膜电池将会有重大的突破，从而促使光电池得到极大的改善。13重力势能的应用实例对于势能的利用，从古代一直延至今日。在中国渊源流传的文化中，有许多关于“势能”的言论，这些与现代咱们所认知的“位能”在一定程度上是相同的。而且第10页共64页“势能”的概念在中国文化领域中已经存在上千年，在日常生活上发挥着举足轻重的作用。但是由于古代人们的技术水平的局限性，势能的利用范围受到了限制。步入现代文明，科技发展快速，对于势能的研究也取到了很大的成果，使得势能的应用逐渐走入我们的日常生活，给我们生活提供方便的同时也净化了环境。下面就来大致介绍势能的应用实例1重力电灯的发明英国人克雷毛尔顿发明制造重力电灯，重力灯是利用重力势能作为能源的环保灯。它的工作原理是通过悬挂着重物储蓄重力势能并产生动力源。重力灯下端配备有一个绳子，使用者只需把悬挂在绳子末端的重物提至顶端，这款环保灯就能够把重物向下滑落的重力势能转化为电能。这种重力电灯只有在有星球万有引力的地方方才可以使用，并能持续照明大约30分钟左右。这类型重力灯目前非常适用于偏远山区贫困村庄。2非自然重力势能发电咱们中国的三峡水利发电站便是利用大坝将水蓄起来，然后在大坝处飞泻而下，带动发电机。虽然经过一系列的复杂转换，但是其电能的根本来源是水的重力势能。3利用重力势能为自动扶梯节约电能自动扶梯的上行和下行是独立运行的，这样在下行的过程中重力势能就完全浪费了，而且还要能量来控制下行的势能。这样就更加大了用电量。为了节约电，将原来提供下行的电机去掉，通过联轴器和换向器将上行和下行扶梯连接在一起，变成有同一电机驱动的系统。这样就大大减少了电机的输出功率，从而达到了省电的目的，同时还可以减少电机的维护费用。自动扶梯的安全性能也没用发生变化。利用重力势能使自动扶梯节电的方式，既节约了能源，缓解能源不足的压力，而且带来了很好的经济效益。4重力势能在水循环系统的使用如下图为重力势能在水循环系统的工作原理图买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第11页共64页图11水循环系统原理图设计循环水系统的大概流程根据用水设备全部开启时，即满负荷状态的用水量，管道阻力，水的流量及扬程等实际条件来选择水泵。可是实际工作的环境中，大多数用水设备在同一时间开启的可能性比较小，即使同时开启，也不是满负荷的状态，因此就会造成电动机输出更多无用功，能源利用率低，即能源的浪费。针对这类能源浪费的现象，我们采取巧妙的措施，在循环水系统中引入“重力势能转换节约电能装置”，减少了不必要能源浪费。重力势能转换节约能源装置实现的功能是将循环水系统由房顶的冷却塔到水泵进口的高度形成的重力势能转化为水的动能，从而达到节约电能的目的。无碳小车的创新性设计主要意义在于推动绿色能源的应用进入更高的层次，目的在于将低碳理念传播到每个人的心灵深处。第12页共64页第2章无碳小车的设计概述21毕业设计的命名主题本次毕业设计命名主题为“一种无碳小车的创新设计与仿真优化分析”，命题能促进学生工程意识的提高，命题内容体现“创新设计能力，机械加工工艺，仿真优化分析”三个方面的要求。22无碳小车功能设计要求图11无碳小车示意图图12无碳小车运行轨迹图如上图11小车示意图根据能量守恒定律，给一定重力势能（用普通碳钢的重块，质量为1KG，铅垂下落差为400MM来获得），设计一种“以重力势能驱动具有方向控制功能的无碳小车”，该小车能够在行驶的过程中有规律避开水平的平面上每隔1米设置一个弹性圆棒障碍物（如上图2小车运行轨迹图）。保证小车行走的过程重物随车平稳的行走而不掉落，要求小车行走的过程中所有的动能均由重物的重力势能获得，不得借用其他形式的能量。小车底板结构设计采用三轮结构，即2个驱动轮，1个转向轮。细节上的结构只能根据学校现有材料、机床以及加工工艺的难度进行设计。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第13页共64页23无碳小车的整体设计要求小车设计过程中需要完成的任务分解机械结构设计，数学建模，实体建模，机构的动态仿真和优化分析，工艺方案设计，经济成本的分析和工程管理方案的设计。工程管理要求综合材料、加工工艺可行性、成本等各个方面的因素做出合理的规划。整体设计要求1小车结构设计简单，转向精确，能量转换充分，能量损耗少；2选材合理，经济性好，达到了设计预期目标；3小车运行轨迹稳定，行程远，直线性好。无碳小车的结构设计要坚持的原则1总重量要轻，整车的重心要低；2结构上要简单，便于加工；3要有足够的刚度，振动小；4微调机构的设计保证操作调整方便灵活。24无碳小车的设计方法首先要明确命题的要求，其次对命题做出详细的分析得出清晰的设计思路。本次设计主要采用机械系统设计方法进行总体分析和设计，利用机械系统设计的方法，站在全局的角度上进行静态设计和动态设计，整体把握加工工艺合理性和经济节约，在设计任务和目的总体把握的情况下，进行小车车体、传动系统、转向系统、方向微调系统、重力势能转化系统和速度控制系统的设计。为了使小车在行驶的过程中更加稳定，前进的距离更远，采用参数设计、优化设计的方法对小车零部件尺寸进行优化。得出比较合理尺寸后，运用三维设计软件PRO/E进行实体建模，将小车的所有零件进行装配以完成无碳小车的整体结构设计，然后运用PRO/E机构中动态分析功能进行运动仿真，通过设置各种环境因素（材料赋予、执行电机、重力、连接处阻尼，轮子与地面的摩擦阻力），经过动态分析结果得出小车轨迹，验算参数设计的轨迹是否跟仿真轨迹一样，如果有偏差，通过四杆机构的微调机构，适当修改曲柄的尺寸，直至仿真的轨迹符合设计要求的运动轨迹。如下图3是设计小车整体思路及流程第14页共64页图23无碳小车设计流程图买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第15页共64页第3章无碳小车结构方案的设计31整体方案分析通过对毕业设计任务要求及目的的剖析，利用发散性思维方式，把实现小车功能的各种可能方案一一列出，为了方便设计，可以将能实现小车功能细分为驱动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构五个模块。下图4为无碳小车设计的思维导图图31无碳小车结构方案设计思路在选择各个模块方案时，要从实际情况出发，充分考虑实际学校的机床设备，材料的获取，制造成本以及实际加工工艺的可行性等等。同时，在选择方案时，要尽量避免主观因素，多向同学、老师探讨方案的可行性和最优化。下图5是讨论的影响小车功能实现的各种因素第16页共64页图32影响功能实现的因素32局部方案的技术分析321驱动机构根据命题要求，重物下降的重力势能转化为小车的动能，驱动小车行走，驱动机构就是实现这一功能的。小车要平稳的行走，对于驱动力矩有一定的要求，在刚刚启动瞬间，由于受到内部和外部静摩擦力的作用，所需要的启动力矩比较大，车子平稳运行后车子受到总的动摩擦力不变，这时就需要控制驱动力矩大致等于总的外部阻力。还有，由于小车可能在不同的地面运行，摩擦阻力不一样，匀速运行时需要的驱动力矩也是不一样的。综上所述实现小车驱动功能可以采用重物棉绳锥形绳轮采用锥形绳轮控制力矩的原理买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第17页共64页图33绳轮受力分析驱动力矩1小车刚刚启动时，绳轮的转动半径大，启动力矩大，有利于启动2启动后，绳轮半径变小，驱动力矩随之变小，小车转速增大，当驱动力矩和小车和外力平衡后，小车匀速运行。3当重物距离小车底板很近时，绳轮半径再次变小，驱动力矩小于总合外力，这时小车减速运行，直至重物落到小车的底板。322传动机构传动机构实现的功能是把能量传送到后轮和转向机构，若要使小车运行轨迹更长，并按预先设计的轨迹行走，那么传动机构的传动效率必须很高，而且结构简单。分析上述所提出的传动机构的几种方案1直齿轮传动优点传动效率高；传动比大且稳定；传递扭矩大；结构简单。缺点重量大；传动距离较小；2带传动、链传动第18页共64页优点传动平稳；结构简单；缓冲吸震；缺点传动精度不高；传递效率低；（摩擦力大）3不用附加传动优点后轮驱动力矩和转向机构的动力来源直接由绳轮轴生成，结构是最简单的，而且传动效率最高。缺点整车的布局上不好控制，中心容易偏移。综上论述从实际情况出发，立足于加工工艺的可行性，选择齿轮传动最合适323转向机构转向机构的功能是控制小车自动绕障碍物行走，是无碳小车的两大模块之一，控制的是正弦运行轨迹的振幅大小。同样地，转向机构也要保证结构简单，摩擦阻力少。重要的是具有特定的运动特性，确保小车的前轮能够均衡左右摆动，即运行轨迹上下振幅一样。对上述提出的几种转向机构的方案分析1凸轮摇杆凸轮从动机构是通过具有一定凹槽和曲线轮廓的凸轮运转控制从动杆件按一定的规律往复运动。优点知道从动件的运动规律后，很快就可以设计出凸轮形状，而且结构简单，设计方便，制造容易（线切割加工很快）。缺点微调机构设计上不容；重量比较大；由于存在高副，能量损失大。2空间曲柄摇杆机构优点机构简单，易于设计制造，必须保证机构无急回特性。缺点微调机构方面比较难以把握，而且杆件连接处存在比较大摩擦阻。3曲柄连杆摇杆优点设计计算容易，制造方便，可以把曲柄的长度设置成微调机构，从而控制运行轨迹的幅值。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第19页共64页缺点连杆水平往复运动跟“支撑架”存在面摩擦，转速高时还会引起较大动载荷和振动，因此机构适用于速度低的系统。4、差速转弯原理利用两个偏心轮作为驱动轮，“绳轮”提供原动力，两轮的角速度一样，转动半径不一样，使得两轮子的线速度不一样，从而产生差速，小车通过两轮的差速实现绕障碍物行走的功能。差速转弯机构理论上是实现小车运行轨迹最远的方案，但是加工精度要求很高，不容出现任何偏差，而且微调机构的设计比较难。综上几种转向机构方案的优缺点分析可以选择出最优的方案曲柄连杆摇杆（曲柄的回转中心必须和摇杆在同一水平面上）。324行走机构行走机构控制小车运行正弦轨迹的周期，是通过两个后轮是驱动实现的。由于小车是沿着正弦曲线轨迹行走的，拐弯的时候必定存在差速，针对这种情况可以选择“双轮差速”驱动，单轮驱动。若是曲线斜率比较小可采用双轮同步驱动。从加工的难易程度以及经济成本分析应该选择单轮驱动比较合适。325微调机构小车加工制造过程不可避免存在加工误差和装配误差，还有小车可能在不同的工况下工作，遇到这些现象，就不得不设置微调机构了。微调机构就相当于一个小车系统的控制部分，控制小车的运行正弦轨迹的幅值、周期、方向，使小车走一条最优的轨迹路线。微调机构可采用微调螺母方式、滑块式。鉴于转向机构采用曲柄连杆摇杆方式，所以在曲柄处设置微调机构比较容易方便。下面论述会有相关图片展示。326无碳小车车体分析小车的底板和轴的支撑座就好比于一个完整机器的外壳，它们既是其他局部构件的支撑件，同时也是各局部构件的相互联系、相互制约的枢纽，车体设计的好坏以及加工制造精度会间接影响小车整体的功能，严重的会导致小车倾覆不能行走。因此，其结构必须设计合理巧妙1、各个部件布局保证整车的重心在重物下降中心线的附近。2、保证整车的重心比较低，防止小车行走过程晃动。第20页共64页3、将重物的位置尽量布置在底板的形心处。33方案草图的建立及原理根据上述局部模块方案论述，把选择出局部机构方案进行组装，然后利用机械系统设计方法把整体结构方案草图画出图34无碳小车整体结构草图驱动机构重物棉绳绳轮传动机构小齿轮大齿轮转向机构曲柄转盘T型连杆摇杆（控制方向和正弦轨迹振幅）行走机构两个后轮前轮（控制正弦轨迹周期长度）微调机构曲柄曲柄转盘原理是驱动机构提供原动力，一部分传给行走机构驱动小车往前行走，一部分传给齿轮传动机构把扭矩传递到转向机构（曲柄连杆摇杆）控制小车周期性转换方向，当小车行走的运行轨迹振幅偏小或者偏大时，这时微调机构就起作用了，通过调节曲柄的长度，直至小车的运行轨迹最优化为止。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第21页共64页34无碳小车材料选择根据上述对小车的功能分析知小车的总体重量要轻，要有足够的刚度，振动要小。从学校的现有的机床和材料出发，选择材料类型为铝合金。既保证整车重量轻，也能达到一定强度和刚度要求。第4章无碳小车运行理论计算基础41无碳小车参数的确定411无碳小车运行轨迹理论参数分析根据无碳小车行走示意图2，假设小车的行走轨迹为正弦函数Y035SINX单位M），小车运行的轨迹幅值A035M，周期T2M对轨迹曲线求导得Y035COSX此方程即为小车在各个轨迹位置转角的正切值大小。通过实验模拟可以得到前轮的最大转角大约为36°,此正弦函数一个周期的轨迹长度可用积分求得一个周期的轨迹路径为L2433MM,也就是曲柄轴（辅轴）回转一周，摇杆前后往复摆动一次，后轮前进2433MM,用数学公式可以表达为其中为曲柄上的齿轮到驱动轴上的齿轮的传动比、D为后轮直径。和D之间的函数关系可以用表格表示如下1234567DMM774387258193155129110表1412动态力分析1力分析为了全面的理解小车的各个参数变化对小车绕桩个数的变化的影响，下面针对第22页共64页（1）轮子的半径；（2）小车与地面的滚动摩擦系数；（3）小车的重量；（4）小车的能量转换效率；四方面进行动态运动学分析，从而初步确定驱动机构和曲柄摇杆机构的参数。假设后轮受力示意图如下图41小车受力分析控制小车在平面上匀速行走，受到重物下降牵引绳轮的扭矩M和滚动摩擦阻力。滚动摩擦阻力物体在另一物体上滚动时受到的阻力作用是由物体和支承面接触处的形变而产生的，用滚动摩擦力矩来度量受到的阻力大小。滚动摩擦力矩的大小M和支承力N成正比关系。即MKN（K为滚动摩擦系数）。滚动摩擦系数具有长度的量纲，它的实际意义相当一个力臂，滚动摩擦力矩的大小主要取决于相互接触物体的材料属性和表面粗糙程度，湿度等等。静力受力分析可以得出以下公式P0小车的总重量N0地面对小车的支撑力F0小车的驱动力M小车的驱动扭力D小车后轮直径D小车绳轮直径（平均值）G小车重物（砝码）的重量买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第23页共64页假设传递过程不计能量损耗2力约束小车能够平稳匀速行驶，就要克服运行组里的最小值和不打滑的最大值。1运行阻力（小车的启动加速度）静阻力（包括基本阻力、弯道阻力）基本阻力W为运行阻力系数，约为0012地面对无碳小车的滚动摩擦阻力F为滚动摩擦阻力系数，F与轮子材料和地面的材料有关，一般材料的滚动摩擦阻力系数为0108无碳小车不打滑的条件3做功分析假设S小车运行轨迹路程（单位MM）小车的总效率则综上方程式可得出轨迹路程方程式MM防滑条件由上公式得出结论为了增大小车行走的轨迹路程，避免能量损失不打滑，保证小车平稳匀速行驶的前提下，驱动力F0越小越好，且后轮直径越大越好。第24页共64页413传动机构及行走机构参数确定经412动态运动学分析，表1中的齿轮传动比I和后轮直径D之间的关系可以选择这样满足一级变速传动，传动比较小，且后轮直径比较适中的要求。后轮直径为155MM，前轮的直径可以取36MM,保证重心降低的要求。齿轮模数的确定采用的小模数齿轮，增加齿数，从而增加齿轮啮合的重合度，这样可以提高传动精度，弥补齿轮制造精度的误差。（齿轮是用线切割加工）经过分析，可以初步选择模数为M1，小齿轮Z120,大齿轮，中心距，后轮直径，前轮直径。414转向机构参数的确定转向机构要实现前轮左右周期性摆动，采用对心曲柄连杆摇杆机构，通过曲柄的匀速转动控制摇杆前后等幅度摆动。对心曲柄滑块机构具有无急回的运动特性。此次转向机构设计采用对心曲柄滑块的演变机构形式正弦机构（具有两个移动副）。原理图如下表示买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第25页共64页正弦机构图42转向机构运动示意图从动件T型连杆的前进位移和曲柄长度R以及转角关系为根据假设的正弦运行轨迹实验模拟可以估摸出前轮的转角大约摆动360，即摇杆的相对于平衡位置的摆动大小大约为180。曲柄在匀速转动的过程中，T型连杆有两个极限位置B、C。当连杆在左极限位置B和右极限位置C时，连杆的滑动距离S等于曲柄半径的长度R,即SR为了给后期的虚拟样机建立和仿真优化设计做准备，根据已经初步确定的后轮、齿轮尺寸，考虑到底板尺寸合理性，以及整车的重心位置，可以预先假设摇杆C的长度为C58MM连杆D的长度为D132MM由小车运动分析示意图知第26页共64页考虑到加工误差、装配误差，以及小车可能在不同工况下行走，在曲柄转盘处设置了滑块式微调机构，通过调节曲柄的长度控制小车的运行方向及正弦轨迹的幅值大小。综上转向机构参数的论述分析，初步估算出转向机构的尺寸摇杆C58MM连杆D132MM曲柄R20MM买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第27页共64页第5章建立小车的虚拟样机模型51无碳小车的整体虚拟样机模型据上述提出的整体方案设计并且做出大致结构示意图，小车关键局部机构的数学建模得出估算的尺寸，然后进行小车PRO/E三维模型的建立。建模的思路首先对无碳小车的各个零部件进行结构设计和三维模型的建立；然后将各个零件装配成构件、组件；再最后将构件、组件组装成一个整体的无碳小车系统。组装的过程中再对部分零件的结构尺寸进行优化，使小车视觉上看起来更加美观，加工工艺更便于设计。下图为根据结构草图建立起来的无碳小车虚拟样机模型第28页共64页图51无碳小车总装配图买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第29页共64页52无碳小车主要结构3D模型重物棉绳后轮曲柄轴曲柄转盘连杆摇杆前轮大齿轮轮小齿轮锥形绳轮轴支撑杆图52主要零件解读第30页共64页后轮锥形绳轮后轮底板曲柄轴轴曲柄转盘连杆摇杆大齿轮前轮曲柄转盘曲柄连杆摇杆买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第31页共64页曲柄圆盘曲柄无碳小车的整体结构设计主要分为五大模块1驱动机构重物棉绳锥形绳轮（绿色部分）2传动机构小齿轮大齿轮（红褐色部分）3转向机构曲柄轴曲柄转盘连杆摇杆（金黄色部分）4行走机构后轮前轮（黄色部分）5微调机构曲柄曲柄转盘（红色曲柄轴可以在金黄色曲柄转盘的滑槽内滑动）第32页共64页第6章无碳小车PRO/E动态运动仿真与优化61PRO/E机构运动分析模块功能（1）模拟现实中作用力利用机构动力学模块，可以确定设计的虚拟样机在重力和合外力作用下所做的反应。由于不用做出实物样机就可以进行分析优化并预言整个机械系统的性能和运行状态，在设计阶段及早洞察出产品的性能，并经过细致优化设计预言机械性能。因此设计员可以制造出更优质的产品，同时节省时间和金钱，因为当设计师真正建立实物样机时，由于已经通过虚拟方式完成了一系列严格的测试，实物样机的质量更加高了。（2）设计和分析同步进行PRO/E机构动力学模块利用了PRO/E的整套集成工具，这意味着设计和分析之间将不存在由于数据转化而产生的错误。此外，由于图形用户界面与在PRO/E设计产品时所用的界面相同，因此，使用PRO/EMDO的工程师已对界面很熟悉。而且PRO/EMDO能够“识别”PRO/E的模型，因此，设计员无须浪费时间来准备要分析的模型，实施工程变更后，设计员只需要重新运行分析，从而能以更快的速度生成更高质量的模型。（3）探索真实世界的运动规律PRO/E中的机构模块可以模拟实物样机在重力、摩擦力、弹力等外力作用下的动力学分析，从而轻而易举测量计算出执行电机的位置、速度以及整个机构的所有零件的运动学关系式，如此一来既可以减少很多数学模型的计算，还可以很直观的观察到机构的动态情况。将电机的运动学关系以表格数据形式输出到电子表格，用来作为下步分析优化，将优化出的图形轨迹结果跟实际进行比较验证。（4）利用高级运动分析更加灵活地研究复杂的实际情况这个模块可以使用静态分析来确定静态平衡负载,然后反向静荷载用于确定机构所需的力力平衡,然后通过使用弹簧和阻尼器连接到紧张和压力,很容易创建机构所选组件的复杂运动部分的信封,用于太空研究声明或用作“占位符”买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第33页共64页在任何装配也可以用PTCPRO/TOOLKIT写各种各样的复杂的行为,如齿轮系统基于力、弹性皮带轮传动皮带,线性梁和桁架单元和轮胎模型,最后以创建用户定义的力和运动概述图,绘制自定义函数的位置或速度,情报的比例积分微分PID控制器和非线性弹簧和阻尼器模型。（5）集成的设计和模拟该模块功能将反作用力、重力和惯性载荷直接传入到PRO/E机构模块中；为运动学和动力学性能设定设计可行性和优化研究目标；利用与其他PRO/E解决方案（比如PRO/EMECHANICA和PRO/E行为建模）的集成，优化和完成虚拟产品分析。第34页共64页62无碳小车动态运动仿真的流程图建立连接连接轴设置运动副伺服电机重力执行电动机阻尼力/扭矩初始条件位置运动学动态力平衡测量速度加速度自由度回放运动干涉检测运动包络创建轨迹曲线创建小车模型建立运动仿真设置运动环境分析运动机构获取分析结果图61机构仿真流程1创建小车模型创建用于装配的零件模型。2运动模型建立创建连接，设置连接轴参数，生成所需要的连接关系，拖动装配关系，验正所设置的连接关系是否能产生所希望的运动形式。然后设置机构系统运动的虚拟环境设置重力大小、执行电动机的参数、阻尼力大小、摩擦力和接触力等外力，模拟仿真实际样机的运动情况。3分析运动机构定义快照及其初始位置，然后定义运动分析参数，运行。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第35页共64页4获取分析下结果创建测量，查看测量结果，运动仿真回放，干涉检查。小车机构仿真界面如下图图62无碳小车动态仿真仿真界面图63无碳小车动态运动仿真631无碳小车理想状态动态仿真PRO/E中进行小车在地面上运动模拟仿真时，可以设置几种工况。（1）小车只受到地面的滚动摩擦阻力（2）小车既受到地面的驱动力，也受到内部连接处（如轴承跟轴连接，曲柄连杆连接等等）摩擦阻力。（3）改变小车的曲柄长度，从而改变小车的运行轨迹。1、小车运动的所有连接和重力加速度方向如下图第36页共64页图63上图中左侧为设置小车运动的所有连接，紫红色箭头为模拟小车受到地球的重力加速度。2、分配材料并分析重心位置和整车重量重物碳钢STEEL小车零件的材料AL2014然后，通过PRO/E分析模块的质量属性分析整车的重心位置及其重量，选择重物下降的轴心与底板上表面相交点建立的坐标系为分析基准A当重物恰好刚刚从最高处自由滑落时，分析质量属性结果如下图图64即整车的重量大约为22KG重心位置大约在（026，152，220）MMB当重物滑落到与底板接触时，分析质量属性结果如下图买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第37页共64页即重量不变，重心位置下降了重心位置大约在（026，152,413）MMA、B两种情况均是在重物自由落体的两个极限位置，重物下降过程中，重心始终在重物竖直方向的形心附近，因此，小车运行过程中不会倾倒。3、阻尼设计小车的三个轮子利用机构连接中3D接触与地面连接，静摩擦系数设置为,摩擦系数设置为,其他接触参数选用铝材料的默认值，如下图设置红色线框即为设置的摩擦系数和接触连接标识。4、设置伺服电机由于在PRO/E机构中模拟重物拉棉线牵引绳轮生成的力矩比较困难，因此只能把重物形成的力矩转换成在绳轮轴上的执行电动机，如此一来，既能实现相同的功能，第38页共64页又可以减少工作量。根据之前对小车理论计算基础，估算小车的驱动扭矩为100NMM，执行电机轴位于绳轮轴与支撑座的连接处。如下图表示同理地，模拟重物下降时，因为没有棉绳的牵引，所以要控制重要重物缓慢下降，就得在重物下降设置一个伺服电机控制其匀速下降。车子刚刚启动几秒钟，重物的速度是慢慢增加，直至车子匀速行驶，重物才匀速下降。经过估算，可以大致定为期间，车子重物缓慢增速到1MM/SEC,重物以1MM/SEC的速度匀速下降。控制重物的伺服电机设置如下5、动态分析当设置完小车运动环境后，就可以进行动态仿真分析了。“首选项”图形显示，设置分析时间100S,帧频50；“电动机”选项给“绳轮轴”添加执行电机和重物伺服电机；买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第39页共64页“外部载荷”选项勾选“启用重力”和“启动所有摩擦”；如下图示分析过程图第40页共64页6、获取动态分析结果动画回放如下图示买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第41页共64页通过三个动画回放界面可以看出，小车能够在预定的运动轨迹行驶，说明前部分对小车的理论计算数据是对的。下面对小车重要点位置、速度、加速度进行测量结果的展示（1）主轴分析测量结果第42页共64页（2）摇杆分析测量结果测量点买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第43页共64页（3）曲柄分析测量结果第44页共64页（4）整车的运行轨迹图小车运行前小车运行后买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第45页共64页经过对小车运行前后的对比，小车运行的轨迹如上图示。不过这只是在最理想的状态下模拟仿真，小车内部传动链驱动机构和转向机构没有添加阻尼，因此还需要进行优化设计。64无碳小车的优化设计1、添加所有连接阻尼在前期动态仿真结果的基础上，进行优化设计，使模拟仿真的轨迹更加合理，符合实际加工制造组装后应该实现的功能。转向机构添加摩擦系数,第46页共64页由于之前模拟仿真时，材料“机构阻尼”选用了默认值，能量损失比较快，必须适当修改机构阻尼系数，减少阻尼摩擦，使小车运行环境更接近实际。机构阻尼系数设置如下图第一步打开重新编辑3D接触第二步选择红色线框内的选择材料，材料定义为AL,然后设置机构阻尼为00005，如下图示买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第47页共64页2、曲柄长度优化经过多次仿真模拟轨迹，选出最佳的轨迹并记下此时微调机构曲柄半径R30MM按照动态仿真步骤进行分析，得出最佳的运行轨迹路线如下图上图中的近似余弦曲线即为小车运行大约一个周期内的轨迹图。65无碳小车仿真优化设计后数据结果从最初的方案提出到方案确定，再到建立虚拟样机，其次进行模拟仿真进行验证计算数据可行性，最后仿真优化得出小车的运行的最佳轨迹路线，重新确认了部分数据。即从粗算数据到精算数据的过程。具体的参数如下第48页共64页（1）传动机构和行走机构模数为M1，小齿轮,大齿轮中心距60MM后轮直径D155MM前轮直径D136MM（2）转向机构摇杆C58MM连杆D132MM曲柄R30MM（3）驱动机构（锥形绳轮的尺寸）即绳子缠绕在的锥形绳轮时牵引力矩最大，当缠绕到，时牵引力矩最小，此时能够控制小车匀速行走。4无碳小车在一个周期内的行驶轨迹路径如下图买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第49页共64页第7章设计总结71分析设计仿真过程的失误设计方案阶段及虚拟样机建立阶段没存在多大阻力，主要在仿真这一块困难重重，也许是动态仿真缺少实战练习，所以总是在一些细节上出现错误，导致动态仿真时分析失败。不过经过不懈的努力，将所发现问题及时跟老师探讨，仔细分析原因后，最终找到了解决办法。动态仿真遇到的问题A没有给小车零件模型选材料，导致仿真的时候，小车无法运行。B小车后轮没有进行完全连接，导致小车运行时左右侧滑。C小车轮子与地面的滚动摩擦系数设置太小，导致小车在原地打滑，不能前进D小车材料设置中没有重新修改默认的机构阻尼系数，导致小车前进时能量损失过大。小车动态仿真，一些关键的参数必须细致修改，这样才能真正做到模拟小车实际运动的环境，分析出来的运行轨迹才有可能在小车制造出来后实现虚拟轨迹跟实际轨迹匹配。72实际样机的展望无碳小车虚拟样机测试完全无误，小车能够按照命题的轨迹路线行走；在实际样机制造过程中，如果加工工艺误差不是太大，经过实验比较、调试、优化，肯定也能按第50页共64页照理想轨迹行走。再往更深层意义去展望，假如把重物做成一个太阳能电池，那无碳小车就是真正具有实际价值的永动车了，只要有微弱的阳光，这个小车便能一直行走下去。若果把这样的技术用在探索外星球那将是新能源开发的另一片天地。因此此次毕业设计不仅仅是倡导一种低碳的行为，更重要的是在绿色能源上应用层面上不断革新。73无碳小车的应用意义无碳小车的创作是倡导绿色新能源的开发与利用，尤其是在势能方便开出了另一片新的天地。对于势能的利用，从古代一直延至今日。在中国渊源流传的的文化中，有许多关于“势能”的言论，这些与现代咱们所认知的“位能”在一定程度上是相同的。而且“势能”的概念在中国文化领域中已经存在上千年，在日常生活上发挥着举足轻重的作用。但是由于古代人们的技术水平的局限性，势能的利用范围受到了限制。步入现代文明，科技发展快速，对于势能的研究也取到了很大的成果，使得势能的应用逐渐走入我们的日常生活，给我们生活提供方便的同时也净化了环境。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985第51页共64页参考文献1TRIZ入门及实践赵敏、史晓凌、段海波编著科学出版社2发明是这样诞生的TRIZ理论全接触杨清亮主编北京机械工业出版社3机械设计手册M上海科学技术出版社，20004材料力学下册M高等教育出版社,19815理论力学M高等教育出版社，20046机械原理M北京高等教育出版社，20067机械创新设计理论与方法邹慧君主编高等教育出版社8PRO/E动态机构设计与仿真林清安主编电子工业出版社第52页共64页致谢附录无碳小车工程图