业设计（论文）-以重力势能驱动的具有“S”型绕障功能的自行小车设计（全套图纸）.docx

成都理工大学毕业论文（设计）以重力势能驱动的具有“S”型绕障功能的自行小车设计作者姓名： 专业班级：机械二班 指导老师：摘要本文设计的无碳小车利用重物块的重力势能驱动小车行走，并且依靠曲柄摇杆结构控制前轮左右周期性转向以此来避开障碍物，前后轮转向能够很好配合。所设计的传动系统与转向系统结构简单，传动件少，很大程度上降低了小车的传动损耗，从而让小车行走更远更平稳。利用Pro/E和MATLAB中的SimMechanics工具箱建立了自行小车的机构模型，并在SimMechanics环境下对自行小车的转向机构进行了运动学的动态仿真，同时进行了轨迹跟踪控制。通过对无碳小车能耗规律模型的建立以及对动力系统的分析，改进了小车的结构，让小车在原来的基础上行驶更远距离。同时，通过对无碳小车进行的稳定性分析，限制其行驶速度，从而使小车更平稳的行驶。关键词：无碳小车稳定性Pro/E三维建模仿真SimMechanics 能耗规律全套图纸，三维动画仿真，加153893706In gravitational potential energy drive has S type around the barrier function of its own car designAbstractThis design of carbon-free car weight block potential gravity-driven trolley travel and rely on the structure of the control crank rocker cyclical steering wheel to avoid obstacles, front and rear wheel steering can be a good match. Simple transmission and steering systems designed structure, less transmission parts, largely reducing the transmission loss of the car, allowing the car to walk farther and more stable.The use of Pro/E and MATLAB toolbox of SimMechanics agency model established their own car, and in their own environment SimMechanics car steering mechanism dynamic simulation of kinematics, simultaneously trajectory tracking control.Through the establishment of non-carbon energy law car models and the analysis of power systems and improved the structure of the car, so the car on the basis of the original travel longer distances. Meanwhile, the stability of the analysis carried out carbon-free car, limit its speed, making the car a smoother ride.Key Words：Carbon-free car; Stability; Pro/E three-dimensional modeling and simulation; SimMechanics ;Energy consumption patterns目录第1章前言11.1课题的研究背景及研究目的和意义11.2国内外的研究状况21.3本文主要研究的内容2第2章自行小车的结构设计32.1原动机构设计42.2传动机构设计52.3转向机构设计62.4微调机构设计72.5行走机构设计82.6车架结构设计92.7参数确定102.7.1齿轮副参数的确定102.7.2曲柄摇杆机构参数的确定11第3章基于Pro/E的三维设计和运动仿真143.1 前言143.2无碳小车的Pro/E建模与装配143.2.1Pro/E三维建模143.2.2Pro/E装配与干涉检查143.3 无碳小车运动仿真163.3.1创建无碳小车运动仿真163.3.2运动结果分析18第4章基于Simulink的机构运动仿真204.1 SimMechanics 模块库204.2 实例分析214.2.1仿真模块确立214.2.2仿真参数设置224.2.3仿真结果输出25第5章小车的能耗规律与稳定性分析265.1 能耗规律模型的建立265.2 动力系统分析285.3 稳定性分析29结论31致谢32参考文献3334第1章 前言1.1课题的研究背景及研究目的和意义胡锦涛总书记当时在清华大学百年校庆大会上的重要讲话中曾提出，建设人才强国和创新型国家要以“创新能力提高为突破 ”1。创新能力的培养需要的条件和因素很多，不是就说一句话在哪里而什么实事都不做就可以对一个人的创新能力提高有什么帮助；需要的是能干点实际的事情出来，需要的是提供一个平台，一个可以培养创新能力的平台，比如教育部高等教育司举办的全国大学生工程训练综合能力竞赛对创新能力的提高就有很大的帮助2。第二、三、四届全国大学生工程训练综合能力竞赛都是以“无碳小车”为命题，从这个命题我们可以看出很多东西，一方面体现了国家对创新能力培养的重视，另一方面也体现了国家对节能减排的重视，同时对大学生的创新能力培养提供了一个很好的机会3。通过培养学生创新能力而得到的创新型人才正是我们国家所需要的，这样的人才为社会的发展将会做出更大的贡献；同时，创新型人才的形成是创新教育的最终目标，把创新能力作为主要培养的能力，当然动手能力也是不可缺少的，很多全国性质的比赛都是同时注重创新能力和动手能力的培养。另一方面，由于我国环境污染和能源缺乏问题相当严重，人类开始思考着自己长期发展的方式，节能减排的观念慢慢的被人们所认知，节约能源，让我们对地球的能源的使用能够持续更久的时间；减少二氧化碳排放，保护我们的环境；以这两种内容为主题的活动在全球范围内进行着。在这种国际大背景下，各个国家也努力的采取措施，全面的推动节能减排工作的进行，在一定程度上取得了不错的效果和宝贵的经验。最近，国际原油价格浮动比较大、汽车尾气排放不断增多、全球变暖等问题日益严峻，这些情况都让汽车生产商重新规划自己未来的发展方式。在汽车的研发方面也下足了功夫，比较节能的太阳能汽车，多方位发展的电油混合动力汽车等。但是这些成本太高、性能达不到要求，因此，新兴能源的开发研究和使用就变得极为重要。在国内外大兴节能减排，纯机械的机构存在很大市场前景的情况下，该课题就有很大的研究价值。同时，该题目对科学技术和工程有很大的实际应用价值和理论意义。1.2国内外的研究状况本文研究的是只能用重力势能驱动的实现“S”型绕障功能的自行小车，其中最主要部分就是要可以实现“S”型绕障，而四杆机构能够完美的实现自行小车的“S”型绕障。我国对于平面四杆机构方面知识的应用一直以来都没有松懈过，对这方面的应用与研究也已有很多年的历史，比如张衡发明的地震仪，就是对平面连杆机构的有效运用。目前，对于平面四杆机构的应用与研究依然在不断地扩展和深入。国外对于平面四杆机构的应用与研究也能追溯到很久以前，比如列奥纳多达芬奇描述的椭圆车削装置，也是对四杆机构的研究运用。在1983年的全国第三届机构学学术讨论会上，关于平面四杆机构的论文只有为数不多的8篇；在1988年的全国第六届会议上，有了20篇相关的论文，在1990年第七届会议，又多了平面四杆机构方面的论文两篇，达到了22篇，可以说我国对于这方面的研究是越来越深入4。不过和先进国家相比还是有一定差距，毕竟这些国家的经济发展比中国领先了几十年，很多方面都是有一定优势的。1.3本文主要研究的内容对自行小车的六大结构进行分析研究，通过方案对比，得出最优的结构，为小车的设计做好理论基础。将Pro/E应用于自行小车的建模与运动仿真，得出小车的整体装配图，分析出小车前轮的轨迹曲线，为小车的加工做好准备工作。运用Simulink中的SimMechanics模块，对平面四杆机构进行运动分析，为小车四杆机构的设计提供一定帮助5。对自行小车的稳定性和能耗规律进行分析，让小车以更加稳定的速度行驶，以较低能量的损耗行走更远的距离。第2章 自行小车的结构设计本文要求设计一种通过重力势能驱动，能够行走“S”型轨迹的自行小车，把重物块挂在离小车400mm的高度，即给定3.92J(g=9.8m/s2)的重力势能，通过重物下落带动系在它上面的绳子，绳子另一端连接一个驱动机构，即把重物的重力势能传递给小车，带动小车行走。当重物落到底板上，能够和小车一起前行且不能掉在地上，同时绕过前行道路上的圆柱形障碍物，在不碰撞障碍物的前提下最大可能地让小车跑得更远，图2-1为小车示意图。图2-1 无碳小车示意图小车在运动过程中可以绕过前行道路上放置的间距为700-1300mm之间的圆柱形障碍物，如图2-2所示是圆柱形障碍物间距为1m的示意图。图2-2 自行小车行走轨迹示意图2.1原动机构设计本文设计的原动机构是具有将重物块的重力势能转化为小车前进驱动力的功能6。能够达到这种功能的方案主要有弹簧储能式、绳轮式和链轮式。小车对于原动机构还有其它的要求。驱动力一定要适中，驱动力太大会让小车行进速度过大，小车上的重物就会不停地晃动，使小车损失很多能量；同时在转弯的时候会因为速度太大而导致小车发生侧翻；重物一旦开始落下，如果不加以约束，它的速度就会越来越快，最后落在小车底板上的时候会发生猛烈的冲撞，对小车的行走产生影响，也会造成能量的大量损失；机构以简洁为主，效率要高；由于重物下降过程中不是匀速运动，实际下落的运动规律是：由静止开始加速，然后匀速下落，最后进入减速阶段，以接近速度为零落至底板，所以开始时需要较大的启动力矩，才能使小车启动。通过上面的分析，自行小车的原动机构采用输出驱动力可以调节的锥形轴圆柱体绳轮式，如图2-3所示。图2-3 绳轮2.2传动机构设计本文设计的传动机构是为了把小车的运动和动力传递到后轮上，同时也传递到转向机构上。为了能让小车行走更远的距离，传动机构必须达到一定的要求：传递效率高、传动稳定、结构简单等7。方案一链轮传动：链传动使用广泛，能够精确保证传动比，工作可靠，效率高；过载能力强，传递功率大，同一工况条件下传动尺寸小；所需张紧力小，作用在轴上的压力小。但是链传动成本高，容易磨损，传动平稳性较差，运转时会产生附加动载荷、振动、噪声和冲击。方案二同步带传动：同步带传动效率较高，能够使轮齿连续啮合并保证传动比，不过同步带在保证传递效率的前提下还需要保证带的包角，自行小车中两个传动轴的中心距较小，不容易保证包角8。方案三齿轮传动：齿轮传动的效率高，可以达到98%，并且能保证传动比，同时齿轮加工精度要求高，精度上有保证。使用铝合金并且在结构上合理设计，齿轮的重量不会太重。齿轮的优势明显，具有传动比稳定、传动效率高等优点，符合小车设计中传动的要求，所以在这里选用齿轮传动。根据结构的需要，运用公式计算大小齿轮的基本尺寸，实现把锥形绕线轴的动力最大程度地传递到后轮轴。如图2-4所示。图2-4 齿轮传动机构2.3转向机构设计本文要求小车能够实现“S”字型轨迹周期性的绕行，必须满足轨迹成近似的正弦函数且曲率不能突变，这就要求转向机构必须具有转向和周期性运动的功能；又因为障碍物距离是可调动的，则要求转向机构能够根据间距做一定的调整，所以还必须设计调节机构。当然，在能满足基本条件的时候，要考虑怎样才能使小车更精确地转向，更远更稳地行驶。小车能够行走“S”型轨迹，同时绕过前行道路上每隔一米布置的一个圆柱形障碍物，在不碰撞障碍物的前提下最大可能地让小车跑得更远。通过查阅大量书籍和文献，能够将铅垂平面的运动通过转向机构转化为水平面的运动的机构主要有：凸轮机构、锥齿轮、曲柄摇杆等，这些结构各有各的优势，在对结构的简洁性、安装精度和加工制作的成本进行综合考虑后，最终选择了空间曲柄摇杆机构作为本文的方案，见图2-5。曲柄摇杆机构中曲柄和驱动轴连接在一起，在驱动轴的作用下做匀速转动，通过连杆带动摇杆前后摆动，实现前轮的周期性转向，自行小车运行轨迹接近正弦曲线，曲率能够连续变化9。1 曲柄， 2 连杆， 3 摇杆图2-5 曲柄摇杆机构按照要求，空间曲柄摇杆机构中的曲柄回转中心应该与摇杆的中心在同一高度，以保证装配的时候比较方便，也能保证机构无急回特性，使小车运行平稳。摇杆前后摆动的时候能够保证前后摆角相同，让小车按照“S”型轨迹周期性的行走。空间四杆机构的连杆和曲柄摇杆通过关节轴承连接，三个旋转自由度不受限制，能够很好的把铅垂面的运动转化为水平面的运动。2.4微调机构设计一台完整的机器包括 ：传动机构，控制部分，原动机构，执行机构，辅助设备。微调机构作为自行小车的控制部分，自然扮演了一个重要的角色。微调机构能够调整曲柄、连杆和摇杆的长度，对加工误差进行修正，让小车能够按照设定的轨迹行走。针对曲柄摇杆机构可采用两种微调方式，一种是螺母式，另一种是滑块式。螺母式微调机构通过调节螺母实现连杆长短的调节，比滑块式更加方便，在此选用螺母式。结构如图2-6。1 曲柄微调螺母， 2 连杆微调螺母， 3摇杆微调螺母图2-6 微调机构2.5行走机构设计本文要求小车为三轮机构，因此我们设计小车的前轮为单轮，作为转向轮，小车后轮为对称双轮，作为驱动轮。轮子的大小、厚薄和材料的选择对小车的设计都会产生影响，所以需要就不同原因做不同分析。 由摩擦理论可知道摩擦力矩与正压力的关系为： M=N，而滚动摩擦阻力f=MR=NR。由此可知，轮子的直径越大小车受到的阻力就会越小，增大轮子的直径就能让小车走的更远10。 综合考虑小车的材料、加工、安装等一系列问题，小车的材料选用铝合金，轮子半径9cm。 因为小车在前进的过程中是按照“S”型轨迹行驶的，两个后轮在这个过程中必定会出现差速。对于后轮驱动有以下几种方式： 双轮同步驱动。这种方式肯定会产生轮子和地面打滑的现象，对小车的前进造成影响；相比于滚动摩擦，滑动摩擦损失的能量将会更大更严重，在轮子产生滑动摩擦的过程中，小车可能会脱离轨迹，从而无法有效避开障碍物。 双轮差速驱动。双轮差速驱动可利用差速器实现差速，能够很好地实现差速功能，完成小车轨迹的行驶。不过差速器的制造精度要求高、体积大、重量大，不满足尽量减少小车重量的条件。 单向轴承差速驱动。这种驱动的表现在当一边轮子的速度大于另一边轮子时，速度较大的就变为从动轮，速度就会降下来；另一个轮子成为主动轮，速度就会提升，这样不断变化着。因为单向轴承内部存在侧隙，所以行进的时候当主动轮和从动轮进行变换时就会因为出现误差而导致小车轨迹的改变，使小车不能够完成“S”型轨迹。 单轮驱动。单轮驱动即一个后轮固定在轴上成为驱动轮，另一个后轮通过轴承和轴配合作为从动轮。单轮驱动能量利用率高、传动精度高、加工简单，所以选用单轮驱动作为小车的后轮驱动方式。2.6车架结构设计车架作为整个小车的载体，合理的结构能够让小车各种功能得以完美实现。首先，车架不能做得太大，这样小车转向不好控制，同时不方便避开障碍物；同时，车架也不能做的太小，如此小车行走不稳定，在运行过程中容易导致重块晃动，影响小车的行走轨迹。因此车架大小要做的适中，同时刚度要适当，保证各个结构装配好之后能够承受住而不变形；另外小车重量要轻，材料成本低且易加工，车架可以选择塑料板制作成三角底板式 ，也可以选用铝合金制作成骨架式。本文选用铝合金制作成的骨架式，首先是小车整体所受的力都不是很大，所以将底板做成骨架式；其次，为了避免底板因发生振动而造成能量大量损失，将底板上重物块落下的部分挖空，如此减少了小车前面重量，让小车整体的重心向中间靠近；同时小车的厚度不能太大，取为 4mm，这样小车的装配和承重同样得到了保证。两个后轮距离的大小对小车运行的平稳性以及两个后轮差速的大小都有一定地影响。轴距太小则小车整体就会做得很小，后轮之间的距离小，小车运行的平稳性就会降低，不利于小车行走；轴距如果太大则会使小车的转向难度增大。综合以上因素，将小车底板宽度定为140 mm，底板长度定为180 mm。 小车底板结构示意图如图2-7所示，重块的落差为400 mm，为了降低整个小车的重心，提高重块下落时的能量利用率，要求重块的初始高度尽量低，所以将底板设计成Z字形。图2-7 车架2.7参数确定2.7.1齿轮副参数的确定在机械设计中，齿轮传动效率很高，可达到98%，因此利用齿轮传动。为增加小车有效绕桩数目，考虑到如果采用多级传动，多根轴的装配要求必然会很高，多齿轮啮合也会影响小车的传动效率，同时也会增加成本，因此采用了一级传动。见图2-4可知。根据设计要求，障碍物半径规定是1cm,确定小车总体宽度是18cm，后轮半径是9cm。小车要能够很好地绕过前进道路上的障碍物，必须在最大位置转弯时与障碍物横向偏离至少10cm。考虑到小车稳定性及地面摩擦的影响，假设定偏距为p，小车传动比( 即大齿轮与小齿轮齿数比) 为k: 1。由图1和图3，小车在绕桩过程中，每个周期会绕过两个障碍物，重物驱动大齿轮转动一周，则小齿轮转动k周，后轮行驶轨迹长为S=180k。下面通过C+编程，寻找定偏距p与传动比k之间的关系，最终选出小车最优行驶轨迹。由图2-2，可将小车轨迹定近似为正弦曲线，轨迹方程为y=psin(x)，周期T=2000mm。则编程为:#include#include#includevoid main(void)double x，y，s，m，p，l，k；inti=1000; /将正弦曲线前四分之一周期分为i份；l=0.5/i； /每一份的距离；s=0；/s为小车每周期行驶轨迹距离；x=0.5/i；coutp；y=p*(sin(pi*x)-sin(pi*(x-1)；while(x=0.5)m=y*yl*l；s=ssqrt(m)；x=xl；s=s*4；cout“小车每周期行驶距离为：”；coutsendl；cout“小车传动比为：”；k=s/pi/180； /k为小车传动比；coutbendl；通过改变p值得出b与p关系如表1所示。表1偏距p与传动比b及s的关系P偏距值/m0.20.250.30.350.40.45S每周期行驶距离/m2.328 732.698 782.858 432.914 953.180 253.434 52K传动比3.878 154.092 654.533 464.982 355.394 335.805 62考虑地面摩擦及小车行驶过程中的最优轨迹，确定p0.35m，则k可取5，所以选取小齿轮齿数为17，大齿轮齿数为85，齿轮模数为1.25，压力角20。 小车轨迹方程为y=0.35sin(x)，实验模拟，可以得到前轮的最大转角为27。2.7.2曲柄摇杆机构参数的确定小车采用曲柄摇杆机构中摇杆的前后摆动来实现前轮左右摆动，进而使小车在前进过程中能稳定等偏距绕过障碍物。如图2-8所示。图2-8 小车转向机构示意图小车行驶过程中转向必须均匀稳定，所以曲柄摇杆机构不能有急回特性，导致摇杆来回摆动的速度不相等，即行程速度变化系数K=1，B1AB2在一条直线上11。由图2-8得:cosC1AD=a+（b-a）-c/2d(b-a),（2-1）cosC2AD=d+（ba）-c/2d(ba)（2-2）两式相减并整理得:cosC1AD- cosC2AD=aad-（bc）/d(b-a)（2-3）则构件之间满足关系为: ad bc（2-4）其中: a为曲柄AB长度，b为连杆BC长度，c为摇杆CD长度，d为机架AD长度，为摇杆c两极限位置间的夹角。按最小传动角来设计行程速比数K=1的曲柄摇杆机构。首先确定曲柄长度 a=19mm，根据已知的 B1AB2=180、=54及选定的最小传动角min和C2AD ，然后查表并结合下列公式计算连杆和摇杆的长度 。bd=1-cosa2cos2min12(2-5)cd=1-cd21-bd2cos2min12(2-6)cd=bd2+ad2-112(2-7)通过计算最终确定的机构尺寸为 ： a 19 mm； b 115mm； c 59 mm； d 128 mm 。考虑到小车调试过程中的可调性，应将a曲柄、b连杆和c摇杆设置微调机构，见图2-6中长度微调机构，以使小车在更加精确的轨迹上前行。第3章 基于Pro/E的三维设计和运动仿真3.1 前言Pro/Engineer软件是美国PTC(Parametric Technology Corporation，参数技术公司)公司推出的工程设计软件，简称Pro/E。Pro/E作为功能十分强大的三维软件之一，在本次毕业设计中对它的应用也十分频繁，在要求加工实物的前提下，首先必须得对小车的每个零件进行建模，然后将每个零件装配起来，在装配图中就可以明确每个零件的位置是否合理，零件的尺寸大小是否合适；最后进行动态仿真，得出小车前轮的轨迹。在所有尺寸确定好后，还可以将Pro/E中的零件图和装配图导成二维图，对于本设计中零件比较多的无碳小车，这将会从很大程度上降低工作量，如果在AUTO CAD中绘制装配图，这将会无比困难。3.2无碳小车的Pro/E建模与装配3.2.1Pro/E三维建模Pro/E建模的一般过程如下：(1)建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时，都要利用基准特征作为参照；(2)建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等；(3)建立工程特征：孔、倒圆角、抽壳、拔模等；(4)特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作；(5)添加材质和渲染处理12。3.2.2Pro/E装配与干涉检查在对无碳小车结构中全部零件完成建模后，进行无碳小车的结构装配。装配图中第一个零件选用缺省模式，然后，不断插入各个零件，不同的零件所采用的装配方式也不一样，如：轴采用销钉的连接方式、齿轮用插入的连接方式、支撑架用配对和对齐的连接方式等，按照相互约束条件和位置要求来进行不同零件的装配，最终完成无碳小车装配图，如图3-l所示。1 砝码定滑轮，2 砝码支撑板，3 砝码支撑杆，4 驱动轴，5 驱动齿轮，6 绳轮，7 摇杆，8 支撑块，9前轮，10 底板，11 连杆，12 曲柄，13 支撑架，14后轮，15 后轮轴，16 小齿轮，17 前轮轴，18 前轮支撑架，19 砝码轴，20 砝码支撑架图3-1 无碳小车装配图零件完成装配之后需要进行干涉检查，为后续的运动仿真做好基础。首先选择菜单选项中的“分析”，然后选择“模型”，最后选择“全局干涉”。干涉出现的时候不一定通过修改尺寸以达到最优，可以通过检查约束配合的关系，也能轻易排除干涉，如图3-2所示。图3-2 干涉排除3.3 无碳小车运动仿真3.3.1创建无碳小车运动仿真对无碳小车进行运动仿真，在“应用程序”中选择“机构”，首先添加驱动器，如图3-3。点击“伺服电动机”，打开“伺服电动机定义”对话框，在“类型”中单击“运动轴”，再单击箭头符号选择驱动轴作为电机轴13。（a）（b）图3-3 伺服电机定义在“轮廓”的“规范”组框中有“位置”、“速度”和“加速度”三个选项，在这里选择“速度”，单位选择“mm/sec”，在“初始角”中选择“当前”，在“A”中输入10，点击确定，退出伺服电机的编辑。图3-4 分析定义添加完驱动器后就可以进行运动分析了，如图3-4。单击“机构分析”，弹出“分析定义”对话框，在“名称”中输入一个你想要的字母名字，在“类型”组框中有“位置”、“运动学”、“动态”、“静态”和“力平衡”，选择“运动学”，在“图形显示”的“开始时间”中设为0，终止时间为80，帧数、帧频和最小间隔保持默认设置，“初始配置”选择“当前”，单击运行按钮，就可以观察无碳小车的运动情况。3.3.2运动结果分析在“机构分析”命令执行之后，单击“测量”选项卡，弹出一个“测量结果”对话框，在“测量”中点击“新建”，在“类型”中有“位置”、“速度”和“加速度”选项，选择“位置”，在“点和运动轴”中选择前轮转向轴，点击确定。运动学分析类型，单击运行按钮可以观察无碳小车的运动情况。在“结果集”对话框中选择AnalysisDefinition9，点击“绘制选定结果集所选测量的图形”就可以得到分析结果，图3-3所示为位移一时间曲线14。从图中可以查看前轮的唯一变化。以同样的方法可以得到速度时间如图3-4和加速度时间如图3-5的测量曲线。图3-3 位移-时间图3-4 速度-时间图3-5 加速度-时间从位移-时间图中可以看出，前轮的仿真分析是“S”型曲线，满足本文设计要求。第4章 基于Simulink的机构运动仿真4.1 SimMechanics模块库SimMechanics 模块集是MATLAB6.5版中的Simulink5.0所包含的一个专门用于机构设计及其运动仿真的工具包15。SimMechanics模块集由实体（Bodies）、约束和驱动体（Constraints & Drives）、力模块组(Force Elements)、运动副模块组（ Joints）、检测和驱动模块组（ Sensors & Actuators）和辅助工具模块组（Utilities）六个模块组成，如图4-1。图4-1 MATLAB中的SimMechanics库4.2 实例分析现以机械系统中典型机构平面四杆为研究对象，深入地讨论了怎样利用SimMechanics模块集来完成机构运动的分析。如图4-2所示的平面四杆机构的运动简图，假设图中各构件全部作为等截面的圆钢（直径d=4cm)，它们的长度分别是：AB=19mm、BC=115mm、CD=59mm、AD=127.8mm，并在图中标出了该机构的初始位置。图4-2 曲柄摇机构的运动简图利用SimMechanics建模可以分成三个步骤：第一，根据机械系统中每个构件之间的位置关系利用SimMechanics建立仿真模型；第二，依据每个构件的几何及物理属性，求解出仿真模块的具体参数，并通过匹配的交互窗口设置模型仿真参数；第三，在Simulink环境中来运行模型，能够动态地显示出机构仿真结果或将结果输出到MATLAB的工作空间中以便进行更为深入地分析。4.2.1仿真模块确立根据图4-2所示的机构运动简图，应用SimMechanics模块集建立Simulink 仿真模型，如图4-3所示。图4-3 四杆机构SimMechanics仿真模型图中，Groud1、Groud2为机架；AB、BC、CD是图4-2中的三根杆，在图4-3中表示刚体，CS1为刚体从动端，CS2为刚体主动端；Revolute1、Revolute2、Revolute3、Revolute4分别是图4-2中的4个转动副，其中B作为转动副主动端，F作为转动副从动端；Joint Sensor和Joint Sensor1是图4-3中的两个关节传感器，分别测量B点和C点的角度和速度，Scope是图4-2中的示波器，用于显示两个传感器传递来的信号，即仿真结果。4.2.2仿真参数设置如图4-4所示为Machine Environment 的参数设置，在Gravity vector中输入重力加速度为9.81m/s2,因为重力的方向向下，所以有一个负号。图4-4 机械环境参数如图4-5所示，设置A点机架位置的坐标为0 0 1。图4-5 机架参数图4-6为旋转副的参数设置，在传感器/驱动器接口数（Number of sensor/actuator ports）中输入1，增加一个接口，用于连接一个旋转副驱动器，驱动旋转副运动。图4-6旋转副参数如图4-7是构件AB杆给出参数时的对话框，要求输入该构件的质量(Mass)和相对应三个坐标轴的转动惯量（Inertia)，包括它的几何属性（重心、连接点坐标）和对应的参考坐标系。模型的其余构件也存在类似对话框用来输入参数，具体操作可见文献16。在Simulink 窗口下的Simulation菜单下选Simulation parameters和Mechanical environment菜单项，进行仿真环境参数设置。图4-7刚体AB参数4.2.3仿真结果输出图4-8（a）是表示四杆机构处于初始位置，图4-8（b）表示四杆结构在运动过程中。（a）（b）图4-8仿真结果从仿真结果可以看出，对于机械模型设计仿真优化，SimMechanics无论是在效率上，还是在功能上都要比普通的编程强大得多，这大大节约了时间和成本，同时还实现了动画仿真，能够直观的看出每根杆的运动情况，是机械系统建模和设计的强大而方便的工具。第5章 小车的能耗规律与稳定性分析5.1 能耗规律模型的建立假设小车内部的能耗系数是1-，则小车能量的传递效率是。小车的轮子与地面的摩阻系数是，理想情况下认为重块的重力势能全部用在小车克服阻力前行上17。则有：i=13NiRiSi=mghi=13Ni=m总g （5-1）其中：Ni是第i个轮子施加于地面的压力；Ri是第i个轮子的半径；Si是第i个轮子所行走的距离；m总是小车的总质量。为了具体的理解小车的各参数在变化时对小车前行距离的变化，下面就分别从轮子和地面的滚动摩阻系数、小车的重量与轮子的半径三方面考虑。图5-1小车行走距离随着摩阻系数变化规律图图5-2小车行走距离随车轮半径变化规律图图5-3小车行走距离随重量变化规律图图5-1是当摩阻系数分别为0.2，0.3，0.4mm小车行走的距离和小车内部转换效率的坐标图。从图5-1可知，滚动摩阻系数对小车的运动影响非常地大，设计轮子时要考虑轮子的材料，尽量选用比较光滑的材料，这样的材料做的轮子和地面的摩阻系数就会很小，能让小车行走的更远。同时可以知道小车内部的能量转化率越高，提供给轮子的能量就越多，而通过充分润滑可减少小车内部的摩擦损耗。图5-2是当摩阻系数为0.6时，车轮的半径每次增加10 mm时自行小车所行走的距离及自行小车内部转换效率的坐标图。在图5-2中可以看出，小车每次多行走一至二米，是因为小车的半径增加了10mm。因此设计小车轮子的时候直径越大越好。图5-3是当确定了小车轮子直径和滚阻系数后，小车重量顺次增加时小车所行走距离与小车内部转换效率的坐标图。从图5-3可以看出，小车做的越轻，它能行进的距离就越大。小车越轻，它所损耗的能量就越少，所以在设计小车的时应尽可能采用密度小的材质，控制小车重量。5.2 动力系统分析图5-4小车受力分析示意图以自行小车作为研究对象，图5-4所示为受力情况。其中的FA、FB、FC是地面对小车的约束力，P1、P2和P3为小车所受的主动力,通过这六个力就可以构成一个空间平衡力系。建立一个坐标系Oxyz如图5-4所示，得到三个平衡方程如下：FZ=0 FA+FB+FC-P1-P2-P3=0（5-2）MXF=0FC185mm-P1110mm-P265mm-P365mm=0（5-3）MrF=0P322.5mm-FA70mm-P222.5mm+FB70mm=0（5-4）P1、P2和P3作为等边三角形中的三个顶点，因此这三个力是同等大小的，即：Pl=P2=P3=8N（5-5）解得：FA=6.8N FB=6.8N FC=10.4N（5-6）又因为铝合金与木质地板之间的摩擦系数为u=0.20有：fA=uFA fB=uFB fC=uFC（5-7）解得：fA=1.5N fB=1.5N fC=2.6N （5-8）5.3 稳定性分析自行小车在行进过程中要按照“S”型路线行驶，即会出现左右周期性的转向，在转向的过程中速度不能过大，速度太大会造成小车侧翻，在转角最大的时候也是小车转弯半径R最小的时候，也是小车容易发生侧翻的时候。由于自行小车的结构是对称的，所以发生侧翻时左右两轮的情况也一样，这里就只需要对一种情况进行分析即可。下面以小车右翻来进行分析，对小车的稳定性做一个分析。图5-5自行小车右侧翻受力分析示意图以自行小车作为研究对象，图5-5所示为受力情况。其中的FA、FB、FC是地面对小车的约束力，P1、P2和P3为小车所受的主动力,Fmax为小车在转弯过程中产生的离心力，通过这7个力就可以构成一个空间平衡力系。建立坐标系Oxyz，如图5-5所示，能够得到三个平衡方程：FZ=0 FA+FB+FC-P1-P2-P3=0 （5-9）MXF=0FC185mm-P1110mm-P265mm-P365mm=0（5-10）MrF=0P322.5mm-FA70mm-P222.5mm+FB70mm=0 （5-11）若小车出现右侧翻，则FB=0解得：FA=3.6NFB=0NFC=10.4NFmax=2.72N （5-12）其中Fmax=mvmaxRmin （5-13）Rmin为小车的最小转弯半径,小车轨迹方程为y=0.35sin(x),可知Rmin=350mm；有vmax=FmaxRminm=2.720.352.5=0.62m/s（5-14）由公式（5-14），可以知道小车转弯时所能达到的最高速度，因为小车是匀速行驶的，所以整个过程小车速度都相同，在设计时不能超过这个速度，可以通过改变绳子绕绳轮的位置来改变小车的行驶速度，以此达到优化分析的目的。结论本文首先分析了国内外平面四杆机构的研究成果及发展前景，针对自行小车无碳环保的要求，在此基础上设计一种完全以重力势能来驱动的能够实现“S”型绕障功能的无碳小车，同时保证自行小车行驶过程中平稳、行驶距离更远等特点。论文主要做了以下工作：（1）对自行小车的六大结构进行分析研究，通过方案对比，得出最优的结构，为小车的设计做好理论基础。（2