24-无碳小车新型设计与仿真优化分析【全套含CAD图纸】
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 1 页 共 64 页 无碳小车设计与仿真 目录 摘要： . 3 . 4 第 1章 设计背景和研究意义 . 9 计背景 . 9 究意义 . 9 阳能的应用实例 . 9 力势能的应用实例 . 10 第 2章 无碳小车的设计概述 . 13 . 13 碳小车功能设计要求 . 13 碳小车的整体设计要求 . 14 碳小车的设计方法 . 14 第 3章 无碳小车结构方案的设计 . 16 体方案分析 . 16 部方案的技术分析 . 17 动机构 . 17 动机构 . 18 向机构 . 19 走机构 . 20 调机构 . 20 碳小车车体分析 . 20 案草图的建立及原理 . 21 碳小车材料选择 . 22 第 4章 无碳小车运行理论计算基 础 . 22 . 22 . 22 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 2 页 共 64 页 . 22 . 24 向机构参数的确定 . 25 第 5章 建立小车的虚拟样机模型 . 28 碳小车的整体虚拟样机模型 . 28 碳小车主要结构 3. 30 第 6章 无碳小车 . 33 ro/. 33 碳小车动态运动仿真的流程图： . 35 碳小车动态运动仿真 . 36 . 36 碳小车的优化设计 . 46 碳小车仿真优 化设计后数据结果 . 48 第 7章 设计总结 . 50 析设计仿真过程的失误 . 50 际样机的展望 . 50 碳小 车的应用意义 . 51 参考文献 . 52 致谢 . 53 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 3 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 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 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 4 页 共 64 页 is to a of to of to a a is to of of of of of of as a of of of to do of to of of of a In to of of I in is on is a of of to is as n to in of of to ro/e to in 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 5 页 共 64 页 (on of on to be to of is 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 6 页 共 64 页 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 7 页 共 64 页 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 8 页 共 64 页 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 9 页 共 64 页 第 1章 设计背景和研究意义 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 1/4 1/3,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。 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。 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 能利用率具有购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 10 页 共 64 页 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。 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“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。购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 11 页 共 64 页 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 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 ： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 12 页 共 64 页 图 1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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 13 页 共 64 页 第 2章 无碳小车的设计概述 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。 碳小车功能 设计要求 图 1碳小车示意图 图 1碳小车运行轨迹图 如上图 1车示意图： 根据能量守恒定律 ， 给一定重力势能 （ 用 错误 !未找到引用源。 普通碳钢的重块，质量为 1垂下落差为 400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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 14 页 共 64 页 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。 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 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 ： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 15 页 共 64 页 图 2碳小车设计流程图购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 16 页 共 64 页 第 3章 无碳小车结构方案的设计 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 3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： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 17 页 共 64 页 图 3响功能实现的因素 部方案的技术分析 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 ： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 18 页 共 64 页 图 3轮受力分析 驱动力矩 错误 !未找到引用源。 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 。 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 ： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 19 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 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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 20 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）。 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。 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。 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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 21 页 共 64 页 3、 将重物的位置尽量布置在底板的形心处 。 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 3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 +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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 22 页 共 64 页 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 碳小车参数的确定 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： y=x (单位 m）， 小车运行的轨迹幅值 A： 期 T： 2m 对轨迹曲线求导得： y =x 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 L=2433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 2433数学公式可以表达为 ： 其中 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 和 1 2 3 4 5 6 7 d(774 387 258 193 155 129 110 表 1 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： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 23 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 4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 误 !未找到引用源。 。 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 成正比关系。即 M 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 ： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 (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 。 小车的 总重量 地面对小车的支撑力 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 24 页 共 64 页 1) 运行阻力： 错误 !未找到引用源。 （ 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 =错误 !未找到引用源。 (w 为运行阻力系数 ，约为 2) 地面对无碳小车的滚动摩擦阻力： ( 一般材料的滚动摩擦阻力系数为 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 ：小车的总效率 则 ： 错误 !未找到引用源。 综上 方程式可得出轨迹路程方程式： 错误 !未找到引用源。 误 !未找到引用源。 (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 且后轮直径越大越好 。 动机构 及行走机构参数 确定 经 1中的齿轮传动比 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 155前轮的直径可以取 36证重心降低的要求 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 25 页 共 64 页 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 m=1， 小齿轮 0, 大齿轮 错误 !未找到引用源。 ， 中心距 错误 !未找到引用源。 ， 后轮直径 错误 !未找到引用源。 ， 前轮直径 错误 !未找到引用源。 。 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 ： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 26 页 共 64 页 从动件 以及转角 错误 !未找到引用源。 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， 、 C。 当连杆 在左极限位置 时，连杆的滑动距离 S=R 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=58杆 d=132小车运动分析示意图知： 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，在曲柄转盘处设置正弦 机构 图 4向机构运动示意图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 27 页 共 64 页 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 c=58杆 d=132柄 R=20买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 28 页 共 64 页 第 5章 建立小车的虚拟样机模型 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 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 ： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 29 页 共 64 页 图 5碳小车总装配图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 30 页 共 64 页 碳小车主要结构 3D 模型 图 5要零件解读 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 31 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 32 页 共 64 页 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 ） 曲柄圆盘 曲柄 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 33 页 共 64 页 第 6章 无碳小车 e 动态运动仿真与优化 ro/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： ro/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 所用的界面相同，因此，使用 e 而且 e 够 “ 识别 ” 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： 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 ” 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 34 页 共 64 页 在任何装配 ;也可以用 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 微分 (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 运动学和动力学性能设定设计可行性和优化研究目标；利用与其他如 e e 行为建模）的集成，优化和完成虚拟产品分析。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 第 35 页 共 64 页 碳小车动态运动仿真的流程图： 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 。 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 第 1 页 共 64 页 无碳小车设计与仿真 目录 摘要： . 3 . 4 第 1章 设计背景和研究意义 . 6 计背景 . 6 究意义 . 6 阳能的应用实例 . 6 力势能的应用实例 . 7 第 2章 无碳小车的设计概述 . 10 . 10 碳小车功能设计要求 . 10 碳小车的整体设计要求 . 11 碳小车的设计方法 . 11 第 3章 无碳小车结构方案的设计 . 13 体方案分析 . 13 部方案的技术分析 . 14 动机构 . 14 动机构 . 15 向机构 . 16 走机构 . 17 调机构 . 17 碳小车车体分析 . 17 案草图的建立及原理 . 18 碳小车材料选择 . 19 第 4章 无碳小车运行理论计算基 础 . 19 . 19 . 19 第 2 页 共 64 页 . 19 . 21 向机构参数的确定 . 22 第 5章 建立小车的虚拟样机模型 . 25 碳小车的整体虚拟样机模型 . 25 碳小车主要结构 3. 27 第 6章 无碳小车 . 30 ro/. 30 碳小车动态运动仿真的流程图： . 32 碳小车动态运动仿真 . 33 . 33 碳小车的优化设计 . 43 碳小车仿真优 化设计后数据结果 . 45 第 7章 设计总结 . 47 析设计仿真过程的失误 . 47 际样机的展望 . 47 碳小 车的应用意义 . 48 参考文献 . 49 致谢 . 50 第 3 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 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 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 第 4 页 共 64 页 is to a of to of to a a is to of of of of of of as a of of of to do of to of of of a In to of of I in is on is a of of to is as n to in of of to ro/e to in 第 5 页 共 64 页 (on of on to be to of is 第 6 页 共 64 页 第 1章 设计背景和研究意义 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 1/4 1/3,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。 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。 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： 第 7 页 共 64 页 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。 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“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 第 8 页 共 64 页 例： 1. 重力电灯的发明 英国人克雷 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 ： 第 9 页 共 64 页 图 1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 10 页 共 64 页 第 2章 无碳小车的设计概述 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。 碳小车功能 设计要求 图 1碳小车示意图 图 1碳小车运行轨迹图 如上图 1车示意图： 根据能量守恒定律 ， 给一定重力势能 （ 用 错误 !未找到引用源。 普通碳钢的重块，质量为 1垂下落差为 400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。 第 11 页 共 64 页 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。 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 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 12 页 共 64 页 图 2碳小车设计流程图 第 13 页 共 64 页 第 3章 无碳小车结构方案的设计 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 3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 14 页 共 64 页 图 3响功能实现的因素 部方案的技术分析 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 ： 第 15 页 共 64 页 图 3轮受力分析 驱动力矩 错误 !未找到引用源。 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 。 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 16 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 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。 第 17 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）。 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。 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。 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 18 页 共 64 页 3、 将重物的位置尽量布置在底板的形心处 。 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 3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。 第 19 页 共 64 页 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 碳小车参数的确定 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： y=x (单位 m）， 小车运行的轨迹幅值 A： 期 T： 2m 对轨迹曲线求导得： y =x 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 L=2433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 2433数学公式可以表达为 ： 其中 错误 !未找到引用源。 为曲 柄上的齿轮到驱动轴上的齿轮的传动比 、 错误 !未找到引用源。 和 1 2 3 4 5 6 7 d(774 387 258 193 155 129 110 表 1 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 20 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 4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 误 !未找到引用源。 。 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 成正比关系。即 M 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 ： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 (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 。 小车的 总重量 地面对小车的支撑力 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 第 21 页 共 64 页 1) 运行阻力： 错误 !未找到引用源。 （ 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 =错误 !未找到引用源。 (约为 2) 地面对无碳小车的滚动摩擦阻力： ( 一般材料的滚动摩擦阻力系数为 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 ：小车的总效率 则 ： 错误 !未找到引用源。 综上 方程式可得出轨迹路程方程式： 错误 !未找到引用源。 误 !未找到引用源。 (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 且后轮直径越大越好 。 动机构 及行走机构参数 确定 经 1中的齿轮传动比 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 155前轮的直径可以取 36证重心降低的要求 。 第 22 页 共 64 页 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 m=1， 小齿轮 0, 大齿轮 错误 !未找到引用源。 ， 中心距 错误 !未找到引用源。 ， 后轮直径 错误 !未找到引用源。 ， 前轮直径 错误 !未找到引用源。 。 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 ： 第 23 页 共 64 页 从动件 以及转角 错误 !未找到引用源。 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 时，连杆的滑动距离 S=R 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=58杆 d=132小车运动分析示意图知： 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，在曲柄转盘处设置正弦 机构 图 4向机构运动示意图 第 24 页 共 64 页 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 c=58杆 d=132柄 R=20第 25 页 共 64 页 第 5章 建立小车的虚拟样机模型 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 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。
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