基于ProE与ADAMS的无碳小车S型路径优化

太原工业学院毕业设计 毕业设计 基于Pro/E和Adams的无碳小车S型路 径优化 102012211 张 东学生姓名： 学号： 机械电子工程机械工程系系 部： 专 业： 李 烨指导教师： 二零一四年六月7诚信声明 本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日2毕业设计任务书设计题目： 基于Pro/E与ADAMS的无碳小车S型路径优化 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 102012211 学生： 张 东 指导教师（含职称）： 李 烨 专业负责人： 张焕梅 1设计的主要任务及目标1.1主要任务借助pro/e、Adams等软件，利用计算机辅助设计的手段完成无碳小车整体结构设计，完成小车的传动系统与转向系统的设计，完成小车的虚拟设计仿真以及对小车进行S路径优化分析。1.2 目标完成符合比赛要求的无碳小车的整车设计，通过pro/e与Adams联合仿真的手段找到符合比赛要求的小车的实际轨迹，采用理论与实际轨迹对比的方法设计小车转向机构，使得小车在Adams虚拟软件下顺利完成比赛要求，并通过Adams模拟小车的实际运动情况，得到小车的速度变化曲线。将小车模型导入Adams中对小车进行路径优化分析，完成小车行驶S字型路径的仿真操作，并显示出路径轨迹图像。2设计的基本要求和内容2.1基本要求设计符合比赛要求的无碳小车的理论运行轨迹，完成小车在理论运行轨迹下的转向机构、传动机构、原动机构的设计，完成无碳小车模型的建立。2.2内容结合第二、三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题要求，采用计算机辅助设计的手段完成无碳小车的整车设计，设计主要完成以下工作（1）了解并掌握Pro/E建模与Adams动力学仿真分析软件应用，掌握小车转向机构设计与分析；（2）转向机构的设计：采用偏心轮机构实现前轮的转向及各参数的确定；行走机构的设计：完成车轮结构的设计与尺寸参数的确定。（3）完成小车设计对小车建模并仿真优化S字型路径。3主要参考文献1 孙桓,陈作模.机械原理.7版.北京：高等教育出版社,20102 陆凤仪，钟守炎.机械设计.2版.北京：机械工业出版社,20113 李增刚.ADAMS入门详解与实例.北京：国防工业出版社,20064 汤修映，肖丹，刘岭，刘川，毛恩荣. ADAMS、Pro/E和ANSYS间数据的自动传输技术.农业机械学报，2011,42（6）:193-1985 范云霄,尤振环.基于ADAMS的凸轮设计.煤矿机械,2011(2)6 刘飞,张大伟.基于Pro/E和Adams的共轭凸轮设计与仿真.机械研究与应用, 2011(5)7 徐岩.基于工程训练大赛作品无碳小车进行实物仿真的研究.现代企业教育,2011(8)8 白雪,唐鹏达.机械传动无碳小车的设计构想.工业设计, 2011(8)9 周炜,易建军,郑建荣.ADAMS软件中绳索类物体的一种建模方法.现代制造工程,2004(5)10 Ji huiling, Li lixin. Simulation anslysis and optimization design of front suspension based on ADAMSJ. Mechanika,2012(3)11 Bai Xianglin, Li Haoyu, Liu Faxian. Dynamic simulation of auto-centralizer for horizontal well traction robot based on ADAMSJ. Petroleum Exploration and Development online,2010(37)设计各阶段名称起 止 日 期1完成毕业设计选题2013-12-10至2014-12-302查阅相关的文献资料，完成开题报告2014-02-20至2014-03-103完成无碳小车传动系统、转向系统设计2014-03-15至2014-04-154完成无碳小车整车三维模型建立2014-04-20至2014-04-285利用PRO/E、ADAMS进行小车轨迹仿真2014-04-30至2014-05-206整理毕业设计相关资料，准备答辩2014-05-25至2014-06-15-06-104 进度安排基于Pro/E和Adams的无碳小车S型路径优化摘要：本次设计是利用Pro/E和Adams的结合应用来对无碳小车进行建模，仿真,以及S型路径的优化分析。Pro/E软件的建模功能强大而仿真分析方面的能力较弱；相比之下Adams软件的建模能力较弱，而仿真和优化分析的能力强大。所以我们以Pro/E对S路径的无碳小车进行建模，再用Adams软件进行路径的优化分析。利用Pro/E对无碳小车的结构进行设计建模、约束并仿真，仿真成功之后将机构以x-t格式进行保存副本，并导入Adams软件中。利用Adams对小车模型重新添加约束，运动仿真，追踪路径轨迹，进行路径优化分析。本设计的重点为利用Adams软件对无碳小车实现动力学仿真和S型路径的优化分析。关键词：无碳小车，Pro/E，Adams，仿真分析，路径优化Based on Pro/E and Adams carbon-free car s-shaped path optimizationAbstracts: This design is the use of Pro/E and Adams, a combination of applied to carbon-free car modeling, simulation. And the analysis of the path optimization. Powerful function of Pro/E software modeling, simulation analysis ability is weak, compared with Adams software modeling ability is weak, and simulation and optimization analysis ability is strong. So we with Pro/E to S path of carbon-free car model, path optimization analysis with Adams software. Using Pro/E structure of carbon-free car design modeling, constraints, and the simulation, the simulation after successful institutions to x - t format to save a copy, and import the Adams software. Using Adams to add restrictions on car model, motion simulation, tracking path trajectory, path optimization analysis.This design using the Adams software to carbon-free car key so as to realize the dynamic simulation and optimization analysis of s-shaped path.KEYWORDS: carbon-free car, Pro/E, Adams, the simulation analysis, path optimization.目 录1前言11.1课题研究背景及其意义11.2 第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题21.2.1本届竞赛主题：21.2.2竞赛命题：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车21.2.3竞赛项目：31.3小车的设计方法42.小车的理论方案设及其概述52.1 车架设计52.1.1 车架外形尺寸设计52.1.2 车架结构形式的选择及其车架三维图52.2小车行走轨迹设计62.2.1 小车行走轨迹确定62.2.2 处理行走轨迹的绘制72.3原动机构设计82.4 传动系统设计概述102.4.1转动方案的确定102.4.2 传动比的确定102.4.3 齿轮参数确定102.5 转向系统设计112.5.1 转向机构介绍112.5.2 转向机构的选择142.5.3 偏心轮结构设计142.6行走机构设计172.7 无碳小车整体方案确定183.用Pro/Engineer进行建模造型及其仿真分析193.1 Pro/Engineer操作软件的简介193.2 小车零部件的模型以及装配203.2.1原动机构的装配20I3.2.2 传动机构的装配设计213.2.3转向系统的装配概述223.2.4 整车装配设计234基于ADAMS的无碳小车动力学仿真284.1 ADAMS的简介及其功能284.2 ADAMS/View的安装294.3 Pro/e与Adams的无缝对接314.4小车仿真394.5 小车仿真轨迹后处理39结 论43参考文献46致 谢48太原工业学院毕业设计1前言1.1课题研究背景及其意义随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。全国大学生工程训练综合能力竞赛是公益性的大学生科技创新竞技活动，是有较大影响力的国家级大学生科技创新竞赛，是教育部、财政部资助的大学生竞赛项目，目的是加强学生创新能力和实践能力培养，提高本科教育水平和人才培养质量。为开办此项竞赛，经教育部高等教育司批准，专门成立了全国大学生工程训练综合能力竞赛组织委员会和专家委员会。竞赛组委会秘书处设在大连理工大学。每两年一届。全国大学生工程训练综合能力竞赛秉承“竞赛为人才培养服务，竞赛为教育质量助力，竞赛为创新教育引路”的宗旨。竞赛活动面向全国各类本科院校在校大学生，实行校、省（或多省联合形成的区域）、全国三级竞赛制度。省级竞赛或区域竞赛的优胜者，经省或区域教育厅核准，报名推荐参加全国决赛。竞赛性质：这是一项面向全国在校本科生开展科技创新工程实践活动的全国性大赛。竞赛宗旨：竞赛为人才培养服务，竞赛为教育质量助力，竞赛为创业就业引路。竞赛方针：基于理论、注重创新，突出能力，强化实践。大赛的指导思想是“重在实践，鼓励创新，突出综合，强调能力”，以提高大学生的实践动手能力、科技创新能力和团队精神。图 1.1 第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛1.2 第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题1.2.1本届竞赛主题：本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理4项报告。1.2.2竞赛命题：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差5002mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。图 1.2无碳小车示意图要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。要求小车具有转向控制机构，小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮）如图1.2所示，具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：转向轮最大外径应不小于30mm。1.2.3竞赛项目：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。小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒（擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过）；重复上述动作，直至小车停止。小车有效的运行距离为：停止时小车距出发线最远端与出发线之间的垂直距离。测量此距离，每米得2分，测量读数精确到毫米；每绕过一个障碍得8分（以小车整体越过赛道中线为准），一次绕过2个或2个以上障碍时只算1个；多次绕过同1个障碍时只算1次，障碍物被撞倒不得分；障碍物未倒，但被完全推出定位圆区域（20 mm）也不得分。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。见图1-3。图 1.3 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图1.3小车的设计方法 本设计充分利用了Pro/E软件的强大的建模功能结合Adams软件的强大的仿真分析的功能，对无碳小车的设计以及路径分析、优化进行了技术上的拓展，应用上的结合，以及一种有前途的探索。设计中先对无碳小车进行初步设计，然后在Pro/E软件中进行零件的建模，构件的装配，添加运动副自由度的约束，添加合理的机构，合理的驱动力，对小车进行运动学仿真（以表明设计的小车是可行的，是不存在构件之间干涉情况的），然后将装配完成的模型备份保存，然后以合理的格式导入Adams软件中，进行一系列的基本操作，对构件属性进行定义，颜色进行修改，对构件之间的连接进行合理的约束，添加合理的驱动力，与地面之间建立约束，添加重力，地面接触以及接触摩擦，对小车进行动力学的仿真，标记轨迹，并对其路径进行优化分析，动画效果导出视频。经过Adams对机构的分析，更改路径，优化效果。本次设计是Adams中对无碳小车进行优化分析的首次尝试。一方面为以后的无碳小车路径问题提供了方便有效地分析改进，优化设计的方向和方法；另一方面本次设计仅是对本次设计的题目（重点是Adams中小车的路径优化）相关的操作自学自改，并未对Adams软件进行过全面的的了解，所以就此而言，还需要后来之秀的研究者以此为基础进行更加全面以及有效的深入探索。2.小车的理论方案设及其概述根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构五个模块，进行模块化设计 ，通过综合实用对比选择出最优的方案组合。2.1 车架设计2.1.1 车架外形尺寸设计通过比赛命题规则可知，用于提供小车重力势能的重物需同小车一起运动，重物直径为50mm，所以小车的车身宽度应大于50mm，由图1.1所示的小车行走示意图可知小车的外形尺寸越小，小车越容易实现绕桩行走，所以小车的车身宽度D应尽可能小（D50mm）,同时考虑小车的行走的平稳性，不应使车身宽度过小，综上所述拟定小车车身宽度为150mm。2.1.2 车架结构形式的选择及其车架三维图车架结构形式分为整体式和拆装式，考虑到整体切割式加工成本较高，本设计中车架拟采用角铝进行拼装车身，这种结构不仅使得加工难度和成本大大降低，也使得车身具有了可调性，在调整其中一个尺寸是不需要全部更换而只需要更换需要调整尺寸的某一根角铝，大大降低了成本同时也提高了效率。由于角铝自身有厚度，在装配中需要考虑厚度，所以建立车架的三维模型也就显得比较重要了，同时也是为了下文的整车仿真做准备。如图2.2所示为车架三维模型图。图 2.1车架三维模型2.2小车行走轨迹设计2.2.1 小车行走轨迹确定由图1.1所示的小车行走示意图可知，障碍物为等距离放置，距离为1米，所以要使小车顺利通过障碍物，应使小车的行走轨迹为正余弦曲线，同时可以看出决定小车能否顺利通过障碍物主要取决与下面两个因素。(1)：正余弦曲线的周期T(2)：正余弦曲线的振幅A综合考虑障碍物放置情况和上文确定的小车车身宽度，拟采用式2.1的正弦曲线作为小车的理论行走轨迹。 （2.1）2.2.2 处理行走轨迹的绘制由于小车行走轨迹曲线的长度决定着小车传动系统与转向系统的设计，所以必须要知道小车行走轨迹曲线的长度。由于三维制图软件pro/e有强大的绘图功能与测量功能，且在后期的仿真过程中仍要利用该轨迹曲线所以本设计用pro/e进行轨迹曲线的绘制与测量。(1) pro/e曲线绘制在pro/e中新建一个.prt,在操作面板中点击创建曲线按钮，选基准曲线工具从方程选坐标系选择坐标系类型输入方程即可。注意方程要是参数方程使用通过方程建立。曲线在方程输入框中输入表达式2.2生成式2.1的正弦曲线如图2.3所示 （2.2）图 2.3小车行走轨迹图(2) pro/e曲线测量 在pro/e工具栏中使用分析中的测量工具可以侧得曲线半个周期之间的距离为1000mm，与赛事要求的两个桩之间的距离吻合，振幅A=250mm,曲线长度S=2275.64mm测量结果图2.4所示。图 2.4测量图2.3原动机构设计 驱动行走的动能是根据能量转换原理，由重块的重力势能转换来的，绳子的拉力作为动力，将物体下落产生的动能尽可能转化成小车的动能，进而克服阻力做功，并且尽可能使小车匀速运动。 小车对原动机构还有其他具体要求： （1）驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。（2）到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。（3）由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。综合考虑以上因素，可以使用滑轮绳索机构作为原动机构，为保证重块平稳下落，可以采用多根绳索牵引来保证。驱动轴使用锥轴，以适应不同场地需要，调整驱动力。同时选择驱动轴作为主动轴，由于比赛规定的重物下落高度只有500mm，也就说绕在主动轴上的绳子的周长只有500mm，假设驱动绳索绕在后轮轴上则有式2-3： （2-3）式中n为小车整个行走过程中所走过的总的周期数（一个周期内小车可绕过两个桩），i为传动比i=5（下文有确定依据）， 为绕在主动轴上绳子周长，为后轮轴的直径。则将、代如式2-1可得与的关系如表2.1所示。表 2.1 n与d的关系n321611865d123456由表可知要想使小车绕过多的障碍物势必会使后轮轴过细从而削弱轴的强度，同时也减小了启动力矩不利于小车启动，故不能选择后轮轴做主动轴，而只能选转向轴作为主动轴，因为选转向轴做主动轴时有式2.4成立： （2.4）由式2.4可知在同的轴径下如果选择转向轴作为主动轴的话小车的前进距离可以增加5倍，故选择转向轴作为主动轴且可知轴径5mm。图 2.5 锥形轴2.4 传动系统设计概述2.4.1转动方案的确定传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定。所以选用齿轮传动。2.4.2 传动比的确定由上文可知若小车按式2.1的正弦曲线行走，则在一个行程内（小车绕过两个桩）小车走过的路程S=2279.64mm，由图2.2所示在一个行程内小车完成一次转向，故有式2.5成立。 （2.5）式中s为小车一个行程内的走过的路程，=3.14，为传动机构的传动比，d为后轮直径。将s=2279.64mm,=3.14代入式2.5可得传动比与后轮直径d的关系，如表2.2所示表2.2：传动比与后轮直径d的关系 11.5 22.5 33.5 44.5 5 6d726484363290242207181161145121经分析比较，=5时，d=145 mm,满足采用一级变速，传动比较小，后轮直径也比较适中，重心较低的要求。确定传动比选为5后轮直径选择145mm，2.4.3 齿轮参数确定采用小模数齿轮，增加齿数，增大齿轮啮合重合度，可提高传动精度，弥补齿轮制造精度差。因此选择齿轮模数为1，大齿轮Z1=100，小齿轮Z2=20,中心距为60mm。图2.6小齿轮图 2.7 大齿轮2.5 转向系统设计2.5.1 转向机构介绍转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。偏心轮机构是一种演化机构，其中可以将四杆机构中的连架杆演化成为偏心轮，与四杆机构作用一样，而凸轮式偏心轮机构则是凸轮机构的一种特殊情况，在实现简单往复运动时有很多好处。由机械原理知识可知，凸轮的从动件形式有三种分别为尖顶、滚子，平底三种形式，其中由于平底从动件的压力角始终为零，传动性能最好，所以下文只对平底偏心轮结构进行分析。如图2.8所示其中偏心轮半径为R,偏心距为e，转角，为偏心轮角速度，t为时间，由图2.8可知偏心轮从起始位置A运动到B时有： 其中偏心轮半径为R,偏心距为e，转角=t，为偏心轮角速度，t为时间，由图2.5可知偏心轮从起始位置A运动到B时有：S0=R-e （2.6） SH=R-ecos （2.7）即从动件位移：S=-S0=e(1-cost) （2.8） 将式2.8对t求导得速度V： V=esint （2.9） 将式2.9对t求导得加速度a ： a=e2cost （2.10） 图2.8偏心轮结构图2.9(a),(b),(c)分别表示了、图。因其加速度变化为余弦曲线，故称其为余弦曲线变化加速度运动或称简谐运动。 (a) (b) (c) 图 2.9 偏心轮机构运动特性图当或时，加速度的绝对值达最大值。从图可以明显看出平底从动件在运动起始位置时加速度有有限突变，可能有柔性冲击产生，但在其余中间位置时，加速度变化平滑，均处于良好状态。此外，由于平底从动件和凸轮间压力角恒等于零，在不考虑摩擦力的情况下，其相互问作用力始终垂直于底面，因而受力均匀。通过以上对对心移动从动件偏心轮凸轮机构运动的分析可以看到，偏心轮实际上是以S为节圆半径的升回程曲线对称且连续无空程的凸轮。因其加工简单，因而易于达到很高的精度。对心从动的偏心轮凸轮机构具有良好的运动特性，可用于只要求从动件具有一定行程的场合。2.5.2 转向机构的选择通过对三种转向机构的分析可知单纯的四杆机构由于其算法繁琐，只能近似符合运动规律，同时考虑到小车的转向系统为空间结构，势必要用到空间较链结构使得轨迹确定成为一个困难，同时也加大了加工的难度，而使用传统的凸轮结构的话给加工带来了很大的成本，所以这两种结构都不能选，而对于本设计（只要求小车能往复运动就行）如果采用偏心轮结构则可以很好的克服以上两种机构的缺点，由于偏心轮的轮廓线圆形轮廓，使用车床就可以加工使得加工成本大大降低，同时偏心轮机构又具备凸轮的性质可以很精确的实现小车前叉往复运动故本设计拟采用偏心轮结构作为小车的转向系统，而采用偏心轮结构也体现了大赛创新设计宗旨。2.5.3 偏心轮结构设计(1) 理论概述由机械原理知识可知凸轮结构的封闭形式有两种，一种为力封闭式，这种凸轮结构主要通过弹簧弹力或者是重力来保持推杆与凸轮接触，另一种是形封闭凸轮，这种凸轮结构主要利用特殊的凸轮结构或推杆结构来保持推杆与凸轮接触，这两种中形式中由于力封闭凸轮工作不可靠同时效率比较低，故本设计拟采用形封闭偏心轮式凸轮结构，采用共轭凸轮的结构利用两个凸轮来控制小车前叉的往复运动（图2.10）。 图中两偏心轮为相差180度布置，其中为前轮转角，D为推杆中心距，H为推程，当左面凸轮在推程阶段的时候，右面凸轮则正好处于回程阶段，从而实现小车前叉的往复运动。图 2.10 偏心轮转向机构(2)偏心轮设计分析比赛命题可知只要使小车的前叉转角可以从连续变化到最大角度，小车就可实现类似正弦曲线的运动规律，而经过对偏心轮结构的分析，只要找到最大转角就可以设计偏心轮了。对式2.1求导得小车在每个位置的正切值大小为： （2.13）由式2.13可得车身的最大转角为,由于小车在行进过程中前轮与后轮存在距离，其车身转角理论上不等于前叉转角，但是两个角度之间应该存在一定的比例关系，故本设计先假设小车转角与前叉转角相同，来设计小车的转向系统，在通过pro/e与Adams联合仿真来找到前叉转角与车身转角的关系，从而设计出符合小车运行轨迹的转向系统。由图2.1可知偏心轮推程满足关系式： （2.15）由式2.15可知推程H与推杆距D成比，也就是说推杆距D越小越有利于减小偏心轮结构，同时D也不能太小因为随着D的减小施加在前叉上的力矩就会减小使得转向困难，综合以上原因，选择推杆中心距D=35mm。则根据式2.15可得推程H=54.7，同时也可以借助pro/e强大参数化绘图功能来快速计算推程如图2-10所示该转向系统可简化为该图。在图2.18中锁定推杆直径，建立推杆与中心轴线垂直约束，以后只要改前叉的转角就可快速的得到推程，提高了设计的效率。图2.18是前叉最大转角为的情况。 图 2.11 偏心轮设计图在推程知道的情况下就可以开始设计偏心轮的轮廓曲线了，同样在偏心轮的轮廓设计中仍然借助pro/e强大的绘图约束功能进行偏心轮的轮廓设计，图2-11为在pro/e中建立的偏心轮轮廓曲线其中偏心轮基圆半径为5mm（转向轴的直径取为5mm）通过建立约速得到偏心轮的偏心距e=27.35 外轮廓半径R=32.25，最后生成的pro/e三维模型如图2.20所示 图 2.20 偏心轮示意图图 2.21 偏心轮三维图2.6行走机构设计行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 M=N （2.20）对于相同的材料为一定值。而滚动摩擦阻力f=M/R=N/R，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。从简单易行及大赛要求考虑，本设计采用双轮同步驱动。为减轻重量，后轮采用轮辐式车轮，由于前轮较小，前轮采用整体式车轮。2.7 无碳小车整体方案确定通过前文的论述我们得到了无碳小车车架、原动机构、传动机构、转向机构的设计方案以及具体的设计参数，如表2.3所示表2.3：无碳小车设计方案及参数 无碳小车方案确定 车架车架结构采用角铝拼接的形式，如图2.2的形式，车身宽度为150mm 原动机构主动轴选择转向轴，主动轴设计为锥形轴，传动原理如图2.6 传动机构选择齿轮传动，传动比为5，齿轮模数为1mm，大齿轮齿数为20，小齿轮齿数为100 转向机构转向机构采用偏心轮结构实现如图2.17所示，其中偏心轮基圆径r0为5mm、偏心距e=27.35 、外轮廓半径R=32.25推杆采用平底推杆推杆长为168mm。 行走机构后轮采用轮辐式车轮如图2.21所示，其中后轮直径为145mm，前轮采用整体式车轮如图2.22所示，其中前轮直径为35mm。3.用Pro/Engineer进行建模造型及其仿真分析3.1 Pro/Engineer操作软件的简介Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。1参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2 基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3 单一数据库（全相关）Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。3.2 小车零部件的模型以及装配上文中已经概述了Pro/Enginer 了它强大的功能以及多封面的的用途，在这次设计中主要用到了零部件的绘制，装配，以及运动分析。限于篇幅这里只对装配时添加运动副做出说明以及运动分析加以解释。3.2.1原动机构的装配原动机构采用滑轮绳索机构，具体包括重物、滑轮、绳索、锥轴。由于零件尺寸要求不严格，因此这里不再说明零件具体尺寸（可以在pro/e中测量后附模型压缩包），在pro/e中提供了销钉副（）来实现转动副的功能，提供滑动杆（）来实现移动副的功能，同时也提供了刚性（）约束来实现固定的连接， 其中销钉副需要一条旋转中心线和一个对齐平面来确定，滑动杆需要一个移动中心线和一个移动对齐平面来确定，而刚性约束需要任意的点、线、面均可确定（不能过多约束），在图3.1中转向轴通过使用轴的中心线与轴的中间平面来确定销钉副实现转向轴相对有车体的转动，而齿轮与偏心轮则通过刚性连接与转向轴形成固定约束，重物则通过重物的回转轴线与过轴心的平面建立移动副实现重物相对于小车的移动，而车架则使用固定的约束是车架变成了不可动的机架以方便后期的运动仿真。 图 3.1 装配图3.2.2 传动机构的装配设计 分析转动机构的工作原理可知，传动机构由转向轴（大齿轮、偏心轮）、后轮轴（小齿轮、后轮）、以及支撑传动机构的车架组成，其中转向轴通过销钉副来实现相对于车架的转动，后轮轴亦然，而转向轴与后轮轴之间的传动则通过齿轮传动，pro/e中提供了齿轮副（）来实现这一功能，上文以说明了销钉副的定义方法这种主要介绍齿轮副的定义过程。单击齿轮副 按钮弹出如图3.5所示的齿轮副定义对话框运动轴一选择上文定义好的后轮轴，节圆直径输入20，运动轴二选择上文定义好的转向轴，节圆直径输入100，单击确定完成齿轮副的定义如图 图 3.3 齿轮副 图3.2 齿轮副定义对话框图 3.2.3转向系统的装配概述分析转向系统的工作原理可知转向系统包括转向轴（大齿轮、偏心轮）、推杆、前叉，其中偏心轮与推杆之间通过凸轮副实现相对运动、推杆可通过滑动杆连接来实现相对于车身的往复移动，通过销钉副与滑动杆连接来实现推杆相对于前叉的移动与转动，各运动副的定义在上文已有论述这里不在陈述定义好的转向系统如图3.7所示。图 3.4 转向装配示意图3.2.4 整车装配设计将以上几个模块组合在一块之后就可以得到如图3.8所示的整车三维装配图其中400的载荷采用刚性连接固定与小车底部。表3.1为小车各零件之间的约束关系。图3.5小车装配示意图 表3.1：无碳小车pro/e模型约束关系表无碳小车模块名称零件1零件2约束关系车身车架轴承座固定连（刚性连接：）400g载荷滑轮轴原动机构滑轮轴滑轮转动副（销钉: ）车架重物移动副（滑动杆; ）传动机构小齿轮大齿轮齿轮副（齿轮副： i=5）转向机构轴承座转向锥轴转动副转向锥轴两偏心轮固定连接，成1800装配转向锥轴大齿轮固定连接偏心轮推杆凸轮副（）推杆前叉移动副+转动副行走机构后轮轴轴承座转动副后轮轴后轮固定连接前叉轴承座转动副前叉前轮轴固定连接前轮轴前轮转动副由于pro/e不能对小车的车轮添加滚动摩擦力，故需将pro/e中建好的模型导入Adams中分析，这也就决定了需要先在pro/e中验证模型的正确性，故需提前对小车模型在pro/e中进行运动学仿真，来验证小车有没有运动干涉，有没有过约束，验证设计的偏心轮的推程是否符合理论的推程，推杆轨迹是否失真等。图3.6 定义过程图3.7 添加伺服电机示意图1图3.8 添加伺服电机示意图2图 3.9仿真最后对偏心轮的位移、速度、加速度进行测量，点击测量按钮，创建新测量，分别添加位置、速度和加速度的测量。测量结果如图3.10图3.10分析图像分析图3.15三条曲线可知设计的偏心轮可实现不间断的往复运动，观察t-s曲线可知其推程为H=54.7=2e，e为偏心距符合设计要求，观察t-a曲线可知该偏心轮没有速度突变无刚性冲击，通过上述分析证明该模型符合设计要求可以导入Adams中进行动力学仿真以找到小车的真实轨迹。4基于ADAMS的无碳小车动力学仿真4.1 ADAMS的简介及其功能ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额，现已经并入美国MSC公司。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。在这里将以Windows 2000版的ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。软件模块ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一,采用以用户为中心的交互式图形环境,将图标操作,菜单操作,鼠标点击操作与交互式图形建模,仿真计算,动画显示,优化设计,X-Y曲线图处理,结果分析和数据打印等功能集成在一起.ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作.采用Parasolid内核进行实体建模,并提供了丰富的零件几何图形库,约束库和力/力矩库,并且支持布尔运算,支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数.除此之外,还提供了丰富的位移函数,速度函数,加速度函数,接触函数,样条函数,力/力矩函数,合力/力矩函数,数据元函数,若干用户子程序函数以及常量和变量等.自9.0版后,ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统),从而大大提高了快速建模能力.在ADAMS/View中,用户利用TABLE EDITOR,可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据,同时还提供了PLOT BROWSER和FUNCTION BUILDER工具包.DS(设计研究),DOE(实验设计)及OPTIMIZE(优化)功能可使用户方便地进行优化工作.ADAMS/View有自己的高级编程语言,支持命令行输入命令和C+语言,有丰富的宏命令以及快捷方便的图标,菜单和对话框创建和修改工具包,而且具有在线帮助功能.ADAMS/View模块界面如图3-1所示.ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口,能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图;具有丰富的二维碰撞副,用户可以对具有摩擦的二维点-曲线,圆-曲线,平面-曲线,以及曲线-曲线,实体-实体等碰撞副自动定义接触力;具有实用的Parasolid输入/输出功能,可以输入CAD中生成的Parasolid文件,也可以把单个构件,或整个模型,