毕业答辩-一种无碳小车的创新性设计与仿真优化分析.ppt

一种无碳小车的创新性设计与仿真优化分析,华北科技学院,学生：班级：机制B1114指导教师：,无碳小车设计提纲,一、无碳小车设计背景及研究意义二、无碳小车结构方案设计三、无碳小车理论计算基础四、虚拟样机动态仿真优化分析五、无碳小车的展望六、无碳小车实际样机展示,一、无碳小车的设计背景及研究意义,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。因此利用清洁，环保，可再生能源作为机器的动力来源，是现代工业技术高度发达的今天，人们通过反思工业发展中给人们生活及地球环境带来的种种弊端，重新思考和致力追求的挑战性课题。本此论文研究以重力这一地球引力作为机械驱动源，选题具有重要理论意义和工程使用价值。,重力灯,二、无碳小车结构方案设计,小车结构示意图,小车行走轨迹图,2、无碳小车结构方案设计思路,根据对小车的功能分析，在Triz理论的引导下，利用发散性思维的方法，提出能够实现小车具体功能的几种方案，并选择出最优方案。为了方便设计，采用机械系统设计的方法将小车分成五大模块：驱动机构、传动机构、转向机构、行走机构、调整机构,明确小车的任务,小车功能分析,可行方案,组合几种可行方案,确定最优方案,分析比较,3、无碳小车结构方案设计,（1）驱动机构,重物下降的重力势能转化为小车的动能，驱动小车行走，而小车运行过程中必须保持平稳，匀速行驶，因此对于重物提供的驱动力矩就有精确的要求，驱动机构就是实现小车缓慢行走。提出的两种方案只能选择：重物+棉绳+锥形绳轮,驱动力矩,驱动原理：A、小车刚刚启动时，绳轮的转动半径大，启动力矩大，利于启动。B、启动后，绳轮半径变小，驱动力矩随之变小，小车转速减小，当驱动力力矩和整车的合外阻力平衡后，小车匀速运行。C、当重物距离小车底板很近时，绳轮半径最小，此时驱动力矩不足以驱动小车行走，此时小车减速运行，直至落到小车底板,（2）传动机构,直齿轮传动优点：传动效率高；传动比大且稳定传动扭矩大；结构简单。缺点：重量大；传动距离较小；,带传动、链传动优点：结构简单；缓冲吸震；缺点：传动精度不高；传动效率低；摩擦损耗能量大；,不用附加传动优点：后轮驱动力矩和转向机构的动力源直接由绳轮轴驱动，这是最简单的，而且传动效率最高。缺点：整个小车的布局不好控制，重心容易偏移,经过优缺点分析对比后，选择：直齿轮传动机构,（3）转向机构,转向机构要保证结构简单，摩擦阻力小，而且具有无急回的运动特性，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。,A、凸轮+摇杆优点：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，设计方便缺点：微调机构设计不容易控制；重量比较大；由于存在高副，能量损失较大；,（3）转向机构,B、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：微调机构设计制造难以把握，而且杆件连接处存在较大的摩擦阻力,C、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，转速高时还会引起震动，只适用于低速机构。,D、差速转弯优点：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。缺点：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。,（3）转向机构,综上几种转向机构方案优缺点分析，再结合零件加工工艺难易程度，选择：C、曲柄连杆+摇杆,其中曲柄连杆采用其特殊形式：正弦机构,黄色部分为转向机构,（4）行走机构,行走机构通过两个后轮的直径大小控制小车正弦轨迹曲线的周期大小，由于小车在转弯的时候存在差速，因此需要设置差速器。,A、差速器行走机构优点：减少滑动摩擦；缺点：价钱高，设计及组装难,B、单轮行走机构优点：设计制造方便；缺点：不能精确实现差速功能,后轮,后轮,综上优缺点对比，选择：单轮行走机构,（5）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。,鉴于转向机构采用曲柄连杆+摇杆方式，所以在曲柄处设置滑槽式微调机构比较容易。,滑槽式微调机构,4、无碳小车虚拟样机模型,（1）根据最终确定的锥形绳轮重力驱动直齿轮变速正弦转向机构大后轮行走机构微调机构运动传动方案进行草图的绘制：,（2）根据绘制的草图方案建立虚拟样机,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）,（2）根据绘制的草图方案建立虚拟样机,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）,（3）虚拟样机传动链图,后轮,小齿轮,绳轮轴,后轮,T型连杆,曲柄轴,摇杆,大齿轮,辅轴,前轮,5、无碳小车运动原理,随着重块的下落，重物牵引棉绳给绳轮轴提供扭矩，一部分直接驱动后轮行走，控制运行轨迹的周期大小。另一部分扭矩通过传动机构将力矩传到转向机构，间接控制前轮左右摆动，从而实现小车自动转向功能。即转向机构控制正弦运行轨迹的振幅。根据小车运动的工况不同，可以调整微调机构，通过微调机构改变前轮的摆动幅度大小从而改变运行轨迹的周期长度。相当于一个系统的控制部分。,三、无碳小车理论计算基础,1、理论计算基础,假设小车的行走轨迹为正弦函数：y=0.35sinx(单位m）即小车的运行轨迹幅值为A：0.35m，周期为T=2m对轨迹曲线求导得y=0.35cosx，此方程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最大转角大约为36，通过对该正弦函数在一个周期内求导可以得到：小车运行一个周期的轨迹路径大约为L=2443mm,也就是辅轴回转一圈摇杆前后往复摆动动一次，后轮前进2433mm。从而得出后轮直径d和传动机构传动比i的关系式：,齿轮传动比i和后轮直径d之间的函数关系式,1、理论计算基础,2、无碳小车的参数确定,经过运动学分析和做功分析计算和曲柄滑块机构的分析计算得出小车各个重要模块的参数：,模数为m=1小齿轮Z1=20,大齿轮Z2=100中心距=60mm后轮直径d=155mm前轮直径d1=35mm摇杆c=58mm曲柄R=20mm,四、无碳小车仿真优化设计,1、动态运动仿真分析,利用Pro/e工程设计软件进行设计方案的特性验证，在建立精确的虚拟样机模型的基础上，运用Pro/e机构仿真模块进行仿真优化设计。,设置运动环境,动态分析,获取分析结果,优化设计,Pro/e中的机构模块可以模拟实物样机在重力、摩擦力、弹力等外力作用下进行动态仿真分析。无碳小车虚拟样机在地面上运动仿真模拟时，可以设置几种工况：A、小车只受到重力作用和地面的摩擦力。B、小车除了受到重力作用和地面的滚动摩擦阻力外还受到内部连接处的摩擦力作用。,（1）设置运动环境,设置小车受到的重力作用,1）无碳小车材料赋予并分析整车的质量属性,重物：碳钢Steel其他小车零件的材料：AL2014,分析结果：整车的重量大约为2.2Kg,2）阻尼设计,3）小车电机的设计,根据之前对小车的理论计算基础，可以估算小车主轴驱动扭矩为：100N,重物下降时，因为不能模拟重物牵引绳子，所以只能用伺服电机代替。车子刚刚启动的瞬间，重物的速度是慢慢增加的，直至车子匀速行驶，重物才匀速下降,3）小车电机的设计,设置重物的伺服电机如下,（2）动态运动分析并获取结果,驱动主轴的转速为约为20dec/s,小车行驶的平均速度为34mm/s,小车运行的轨迹路线，近似为正弦曲线，,（3）优化设计,经过多次调整工况和微调机构的尺寸，优化得出无碳小车的准确参数：模数为m=1小齿轮Z1=20,大齿轮Z2=100中心距=60mm后轮直径d=155mm前轮直径d1=35mm摇杆c=58mm曲柄R=30mm