无碳小车的整体设计及仿真分析

无碳小车的整体设计及仿真分析摘要：本设计来源于“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛和中国大学生创业计划竞赛，设计一种将重力势能转换为机械能，并可用来驱动小车行走及转向的装置。本小车着重体现了无碳的概念，小车的动能完全由重力势能提供，是对环保的最高理想。设计需要借助三维软件及动力学仿真软件进行可行性分析，验证设计的合理性。使用Proe软件辅助设计并三维造型，使用Adams软件仿真分析，设计出了合理的转向机构，得到了符合比赛要求的行驶轨迹。对小车行驶过程做出分析，得到速度曲线。关键词：无碳小车，整体设计，三维造型，模拟仿真Carbon-freecarsoveralldesignandsimulationanalysisAbstract:ThisdesignisderivedfromthechallengecupnationaluniversitystudentextracurricularacademicscienceandtechnologyworkscompetitionandChinesecollegestudentsbusinessplancompetition,designakindofgravitationalpotentialenergyintomechanicalenergy,andcanbeusedtodrivethecartowalkandtothedevice.Thiscarwillreflecttheconceptoffreecarbon,thekineticenergyofthecarcompletelyprovidedbythegravitationalpotentialenergy,isthehighestidealofenvironmentalprotection.Designneedtouse3dsoftwareanddynamicsimulationsoftwareoffeasibilityanalysis,validatetherationalityofthedesign.UsingProesoftwareaideddesignand3dmodeling,simulationusingAdamssoftware,thedesignofsteeringmechanism,themovementtrackofconformtotherequirementsofthegame.Makeanalysistothecardrive,speedcurve.Keywords:Carbon-freecar,integrateddesign,3Dmodeling,simulation目录1绪论.11.1研究目的及意义.11.2无碳小车竞赛.11.3小车设计方法.22理论基础及方案设计.42.1车架设计.42.2原动机构设计.42.3传动机构设计.52.4转向机构设计.62.5行走机构设计.163三维造型及仿真分析.173.1三维造型.173.1.1原动机构造型.183.1.2传动机构造型.193.1.3转向机构造型.203.1.4行走机构造型.213.2仿真分析.213.2.1基于PROE的运动学仿真.213.2.2基于ADAMS的动力学仿真.244结果分析.324.1小车行驶轨迹分析.324.2小车行驶速度分析.334.3成果与展望.35参考文献.36致谢.3701绪论1.1研究目的及意义毕业设计是教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计，能使学生综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的练习。本设计来源于“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛和中国大学生创业计划竞赛，设计一种将重力势能转换为机械能，并可用来驱动小车行走及转向的装置。无碳小车采用三轮结构，前转向轮最大外径不小于30mm，小车上装载一外形尺寸为60mm20mm且质量不小于400g的实心圆柱型钢制质量块。该无碳小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。本小车着重体现了无碳的概念，小车的动能完全由重力势能提供，是对环保的最高理想。图1.1无碳小车竞赛1.2无碳小车竞赛（1）竞赛命题本届竞赛命题主题为“无碳小车”。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。（2）小车功能设计要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能1并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（5065mm，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，不允许掉落。要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），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：小车上面要装载一件外形尺寸为6020mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。转向轮最大外径应不小于30mm。图1.2无碳小车示意图图1.3无碳小车行走示意图1.3小车设计方法设计需要借助三维软件及动力学仿真软件进行可行性分析，验证设计的合理性。三维软件可以使用CAD软件进行计算机辅助设计，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。鉴于此，本设计采用Pro/Engineer操作软件。动力学仿真软件我们使用CAE软件，主要是指利用数值模拟分析技术对工程和产品进行性能和安全可靠性分析，模拟其未来的工作状态和运行行为，及早发现2设计缺损，验证工程产品功能的可用性与可靠性。设计关键点在于两种软件的结合，三维造型后运用动力学仿真软件进行仿真分析，这样才能真正达到设计和仿真的结合，做出完整的设计。32理论基础及方案设计小车大体由四个部分构成，分别为：原动机构，传动机构，执行机构和控制部分。所以可以把小车分为：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。分别对每一个模块进行多种方案设计，并比较各个方案的优缺点，选择最优方案，进行整体设计。2.1车架设计由于车架只需承受重块的重力势能及载荷的重量，所以对其强度要求不高，综合考虑加工成本和难易程度，选择铝制车架。车身宽度不能过大，以便于实现绕桩行走，同时也不能过小，防止发生侧翻，综合考虑后决定车身宽度为150mm，造型示意图如图1.4所示。图2.1车架示意图2.2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4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，主动轴每旋转一周，小车走过一个周期的距离，有式2.1成立：nd=l（2.1）其中，n为小车在重物下落过程中能走过的周期数，d为主动轴直径，l为绳索长度（500mm），综合考虑主动轴的强度和小车走过的周期数，选择主动轴周长为5mm，此时小车走过的周期数为31.8周。2.3传动机构设计（1）传动方案选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，传动机构必需具备传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等条件。不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动5精度并不高。不适合本小车设计。齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。原动机构的设计中已经提到，主动轴为锥轴，如果采用传动方式即不用其他额外的传动装置，直接由锥轴驱动轮子和转向机构，那么锥轴每转一周，后轮必须走过一个周期的路程，s=d,s可以求得为2279.64mm，此时后轮直径d=726mm，后轮过大，所以第一种方式不可取。本设计采用齿轮传动，正如上文所述，齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定的优点。（2）具体参数确定首先确定齿轮机构的传动比。由于s=di，式中s（2279.64mm）为一个周期内小车行走距离，d为后轮直径，i为齿轮传动比。为保证行驶稳定，小车中心不能过高，后轮直径不能过大。采用一级变速，传动比不宜过大。综上考虑，选择传动比i=5，此时后轮直径d=145.2mm。齿轮参数采用小模数齿轮，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50mm。2.4转向机构设计转向机构的设计是无碳小车整体设计中的重点，对于小车能否跑出均匀的“s”形轨迹具有决定性作用。要使小车运行出均匀的“s”型轨迹，则需要使小车轨迹的中心线保持为一条直线。目前，能够实现无碳小车车轮转向控制的机构主要有曲柄摇杆机构、正弦机构(曲柄移动导杆机构)和RSSR空间四杆机构。（1）以曲柄摇杆为转向机构通过设计曲柄摇杆机构各杆长参数可以使其形成摆转副，进而实现对无碳小车前轮转向的控制。但一般曲柄摇杆机构存在急回特性，易导致前轮左右摆角不相同，所以将其作为无碳小车转向机构时，最好设计为无急回特性的曲柄摇杆机构，其模6型如图2.2所示。图2.2无急回特性的曲柄摇杆机构模型设上图所示无急回特性的曲柄摇杆模型中曲柄AO2=R，从图右侧可以看出，EG=2R，下式便是曲柄摇杆机构无急回的充要条件，（2.2)2/sin(,co321LRL）将式2.2化简，可得：L12+R2=L22+L32（2.3）如要将此机构应用于无碳小车，则还需要满足如下条件：当曲柄处于B，D位置时，摇杆要处于F位置。显然，当BF位置满足要求时，DF位置便无法满足要求。因此，无急回特性曲柄摇杆机构理论上不满足无碳小车的应用条件。其次其运动副元素为面接触，压力较小，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利，在连杆机构中，在原动件运动规律不变的条件下，可改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的规律。但是由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累积同时也使机械效率降低，在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的附加惯性力难以用一般的平衡方法平衡，因而连杆机构不适于高速运功，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁琐，7且一般只是近似得以满足。（2）以正弦机构为转向机构正弦机构是目前无碳小车设计过程中常选用的转向机构之一，图2.3为其机构简图，其曲柄可在小范围内调节，同样可控制无碳小车的前轮摆角。图2.3正弦机构简图正弦机构前轮摆角与后轮转角的关系如下：推杆移动距离为D=Rsin，其中为曲柄转角,R为曲柄长度；前轮摆角为tan=D/L，其中L为推杆距前轮轴心的距离；前轮摆角与后轮转角间的关系为：tan=(Rsin)/L（2.4）将式2.4改写，得到正弦机构曲柄转角和前轮摆角问有如下关系式：（2.5)()(),/sinarct(/sinarct/)siarct,()(ffLRLRf）据式2.5可得出：正弦机构正反方向的转角变化完全对称，可使无碳小车前轮左右摆角相同。上式中的R有一般性，改变R的大小不会改变前轮摆角的表达式，因此调节曲柄长度即可调整前轮摆角的幅度，而且调整后的摆角规律依然对称。可用来调整小车一个周期内的纵向位移与最大横向位移。但是在实际应用中，由于制造误差和安装误差的存在，即使前轮摆角规律对称，小车也可能走不出直线度较好的轨迹，典型问题是小车轨迹向一侧弯曲。此时，可以调整推杆的长度来调节前轮左右摆动的幅度。以正弦机构为转向机构时，摇杆向前和向后的两极限位置如图2.4所示。8图2.4摇杆极限位置简图（3）以RSSR空间四杆机构为转向机构RSSR空间四杆机构也是目前应用较多的无碳小车转向机构之一。它利用空间连杆的传动来实现无碳小车前轮的左右摆动，进而达到控制其运动轨迹的目的。具有结构紧凑，运动灵活、传动准确的特点。结论：（1）无急回曲柄摇杆机构是平面机构，要求曲柄处于前轮支架轴线的垂直面，要多一级转换机构。该机构对于摇杆与前轮角度的精度要求较高，装配难度较大，而且曲柄长度不具备调节功能，会导致摇杆摆角不对称。（2）正弦机构有2个销槽副、一个移动副，曲柄具备调节功能，可以在小范围内调节小车的轨迹，调节性能较好。（3）RSSR空间四杆机构有2个球副，机构简单，传动效率较高，但摇杆与前轮的角度难以控制，同样具有安装精度高的特点。根据以上分析可知：正弦机构可以实现正反转角的完全对称，从功能上分析是作为无碳小车转向机构的最佳方案；曲柄摇杆机构和RSSR空间四杆机构通过优化设计，可以使机构的对称性得到提高，也可作为无碳小车的转向机构。综合上述分析，本设计拟采用正弦机构作为转向机构。同时为保证机构结构简单紧凑，对称性良好，可以使用演化机构：偏心轮机构。下面对偏心轮机构进行理论分析。如图2.5所示为偏心轮结构。9图2.5偏心轮结构其中偏心轮半径为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=SB-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aa=e2cost（2.10）图2.6(a),(b),(c)分别表示了、图。因其加速度变化为余弦Sva曲线，故称其为余弦曲线变化加速度运动或称简谐运动。10(a)(b)(c)图2.6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0a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，可用于只只要求从动件具有一定行程的场合。综上所述，本设计采用偏心轮控制的正弦机构作为小车转向机构。偏心轮机构设计(1)整体设计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2.7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。11图2.7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00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。对行走轨迹进行分析，测量出车身最大转角为38o，但偏心轮决定的是前轮转角大小，这两个角度存在差异，下面分析这两个角度间的差异。设小车的前后轮距为L,两后轮间距为W。设任意轨迹点上小车车身与X轴夹角为,小车前轮与车身中心线间的夹角为,如图2.8所示，以小车前轮为计算基准点,设小车前轮走过微小距离ds，则ds会同时引起车身的前进和转向，其中ds对车身前进的贡献量为f=dscos,对转向的贡献量为r=dssin。下面分别讨论这两个分量的作用。图2.8任意轨迹点上小车的转向过程12前进贡献量f=dscos会引起车身整体的平移。考虑到车身的平移是由后轮驱动的,设小车后轮半径为Rh，则后轮转过的角度为dscos/Rh,该转动角度会通过传动机构传递给前轮的转向机构。本设计采用的是共轭偏心轮机构，后轮转过的角度与前轮前叉转过的角度间存在一定的比例关系，（2.11dish/co&/180）i=5为齿轮传动比，Rh=72.5mm，&为前叉最大转角可推得：（2.12hds90co）设前轮与车身中心线的初始夹角为0则任意轨迹点上,前轮与车身中心线的夹角可描述为：（2.13dsco6520&/9Rs/0h0）下面讨论转向贡献量r=dssin的作用。转向贡献量r=dssin会引起车身与X轴夹角的变化,其变化量可表达为（2.1422)/(sinWLd）设车身与X轴的初始夹角为0则任意轨迹点上,车身与X轴的夹角（2.15dsin)2/(120）式中，L=176.83mmW=168mm（上文提供计算参数）可推出：（2.16dsin10*.530）下面讨论任意轨迹点上小车前轮的位置描述。13设小车前轮的初始位置为(x0,y0),则任意轨迹点上,小车前轮的位置坐标可描述为dsyx)sin(co0（2.17）通过(x,y)和不难推导任意轨迹点上,小车车身上任意一点的位置坐标。不妨以小车中心为例,其在车身坐标系中(小车中心线为X轴,前轮位置为原点,向前为X轴正向),小车中心的位置坐标为(-L/2,0),则其在地面坐标系下的位置可描述为（2.18)sin(2coLyxm）用MATLAB中的ODE45函数求解上述方程。经多次比较，当&=27o时，图线较符合比赛要求，把&=27o，Rh=72.5代入式2.12，得到式2.12的系数为0.0004，依据上述方程建立m文件。建立的m文件如图2.9图2.9m文件在Matlab窗口输入命令：t,y=ode45(li6_44fun,09000,038138108)plot(t,y(:,3),-,t,y(:,4),.)得到图线如图2.1014图2.10模拟坐标值由图2.7可知偏心轮推程满足关系式2.19（2.19）DH*tan2/由式可知推程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。则根据式可得推程H=35.66mm。最后确定偏心轮基圆半径r0=5mm，偏心距e=H/2=17.83mm，再依据推杆长得出外轮廓直径d=45.66mm。造型出偏心轮如图2.11所示。图2.11偏心轮造型152.5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。163三维造型及仿真分析3.1三维造型Pro/Engineer是一款操作软件，该软件以参数化著称，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，是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。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，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/ENGINEER（简称Pro/e）是由美国PTC公司推出的一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成品的全过程，其中还包含了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模块，应用范围涉及航空、汽车、机械、数控（NC）加工、电子等诸多领域。由于Pro/ENGINEER具有强大而完美的功能，因此几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和标准。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。图3.1proe软件界面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。17（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。基于上文所述，采用proe软件进行三维造型。3.1.1原动机构造型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，只将装配时添加的运动副加以说明。18滑轮和锥轴通过转动副实现旋转运动，重物通过移动副实现与车身的相对运动。造型如图3.2所示：图3.2原动机构造型3.1.2传动机构造型传动机构包括锥轴、后轴以及一对齿轮。两齿轮固定在两轴上，两轴与车身用转动副实现相对转动。齿轮副定义：打开齿轮副定义对话框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193.4图3.3齿轮副定义图3.4齿轮造型3.1.3转向机构造型转向机构包括共轭凸轮机构、推杆和前叉。其中，凸轮和推杆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。20图3.5齿轮机构造型3.1.4行走机构造型行走机构即三个轮子，将前轮轴固定在前叉上，并在前轮和轮轴间添加转动副，将后轮与后轮轴固定连接，小车行走机构装配完成。至此整车装配完成。3.2仿真分析3.2.1基于proe的运动学仿真需要在proe中进行运动学仿真来验证装配模型有没有过约束，能否完成要求的运动。由于proe中不能添加力，所以将锥轴上添加伺服电机，以模拟重块下落带来的驱动力。这里在锥轴上添加伺服电机，定义如图3.621图3.6伺服电动机定义最后对推杆的位移、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3.722t-s曲线：t-v曲线：(a)(b)t-a曲线：(c)图3.7推杆测量结果分析上述三条曲线，符合设计要求，可以导入Admas中进行仿真。233.2.2基于Adams的动力学仿真(1)Adams软件简介ADAMS,即机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),该软件是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的虚拟样机分析软件.目前,ADAMS己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.。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郎日方程方法,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WindowsNT/2000版.本书将以Windows2000版的ADAMSl2.0为蓝本进行介绍。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,如表3-1所示.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。本设计使用Admas/View进行动力学仿真。(2)前期准备24仿真之前可以对跑道在proe中造型，将小车放在第一个桩前0.5m，小车与中线成27o放置。proe模型可以导入Adams，在proe中将模型保存副本，保存为Parasolid格式，可以实现模型对接。在Adams软件中import.x_t文件，图3.8importtoAdams打开Adams软件，将小车所有零件设置成铝制，将跑道设置成木质。图3.9设置材料由于pro/e中的模型在导入到Adams中已定义的运动副与驱动会丢失，故需在Adams中重新定义运动副与接触力。(3)接触力定义利用动力学仿真软件ADAMS可以较方便地求解刚性体的碰撞问题，但计算参数的选取对计算结果的准确性有很大影响，成为人们应用ADAMS准确、快速解决碰撞25问题的难点和重点，计算参数如果设置的不够准确，在进行碰撞仿真时可能会出现穿透现象，甚至会使计算终止。从现有文献来看，人们只是对刚度、碰撞力指数及阻尼的定义进行了一些分析研究，大量计算表明，仅仅注重这几个参数是远远不够的。本文以ADAMS的碰撞力定义方法为依据，对碰撞参数的设置进行了比较全面的分析研究，通过具体碰撞仿真实例，得出了一些如何合理进行参数设置的结论。Adams碰撞力定义分析在Adams中有两种定义碰撞力的方法:一种是补偿法(Restitution);另一种是冲击函数法(Impact)。相对而言，前者的参数更难准确设置，所以更多是选用后者来计算碰撞力。冲击函数法是根据impact函数来计算两个构件之问的碰撞力，碰撞力由两个部分组成:一个是由于两个构件之问的相互切入而产生的弹性力;另一个是由于相对速度产生的阻尼力。impact函数的一般表达式为:（3.100,0max0)1,(*)/()q(qqdstepdqckHe）式中:q0为两个要碰撞物体的初始距离;q为两物体碰撞过程中的实际距离;dq/dt为两个物体间距离随时问的变化率，即速度;k为刚度系数;e为碰撞指数;为最maxC大阻尼系数;d为切入深度，它决定了何时阻尼力达到最大;为了防止碰撞过程中阻尼力的不连续，式中采用了step函数，其形式为),(10hxstep（3.211020)3(*xhastep）式中：。)/();01001碰撞参数设置分析：a.刚度系数(Stiffness)。对旋转物体的碰撞，其刚度系数可近似地根据式3.3来确定：（3.3ERk2/134）式中R1、R2分别为两碰撞物体碰撞处的半径（1/R=1/R1+1/R2）；26（3.4212EE）1、2分别是两物体的泊松比，E1、E2分别是两物体的弹性模量。对于非旋转体的碰撞，刚度系数可采用ADAMS的官方推荐值，即默认值进行计算。b.碰撞指数(ForceExponent)。碰撞指数e反映了材料的非线性程度。其推荐值：金属与金属材料为1.5；橡胶材料为2。c.最大阻尼系数(Damping)。最大阻尼系数maxc表征碰撞能量的损失。其值通常设为刚度系数的0.11。d.切入深度(PenetrationDepth)。切入深度表征最大阻尼时的侵入深度。刚碰撞时，没有阻尼力，随着侵入深度增大，阻尼力加大，直到最大阻尼力。其适合值为0.1mm。Adams摩擦力分析Adams接触力中的摩擦是非线性摩擦模型，是动摩擦与静摩擦之间按照两接触物体的相对滑移速度的相互转换，图3.10摩擦力关系图图中vs为静摩擦转变速度，Vd为动摩擦转变速度，s为最大静摩擦系数，d为动摩擦系数，vsd。当相对滑移速度的绝对值由0逐渐转变为vs，物体所受的是静摩擦，静摩擦系数的绝对值由0逐渐转变为s；当相对滑移速度的绝对值由vs逐渐转变为vd时，物体处于由静摩擦向动摩擦的转换过程中，摩擦系数的绝对值由s逐渐转变为d,当相对滑移速度的绝对值大于时vd,物体所受的是动摩擦，摩擦系数不变，为d。对于大部分相对运动的构件（如车轮和轨道），在实际中，两者之间的摩擦在绝大多数27情况下都是动摩擦，所以一定要保证动摩擦系数的准确性（静摩擦系数的准确性相对来说就不是太重要了）。静摩擦转变速度和动摩擦转变速度的单位为mm/s，数值一般都很小（相对于起重机大小车的运行速度），具体值的准确性也不是太重要。通过以上分析可以使用contact函数来很好的模拟小车车轮与地面的接触情况。本设计选用冲击函数法(Impact)来定义碰撞，图中Stiffness代表接触刚度，ForceExponent代表碰撞指数，Damping代表最大阻尼系数，PenetrationDepth代表切入深度，staticcoefficient代表静摩擦系数，Dynamiccoefficient代表动摩擦系数。定义好的接触力如图3.11，图3.12所示（三个车轮与地面间接触力相同）图3.11车轮与地面间接触力图3.12偏心轮与推杆与前叉间接触力(4)运动副添加固定链接：将车架与四个轴承座布尔运算成为一个整体。另外，将车架与滑轮轴、前轮轴，刚性连接；将锥轴与两偏心轮、大齿轮，刚性连接；将后轮轴与两后轮、小齿轮，刚性连接；将载荷与车架刚性连接；由于此次仿真使用在锥轴上添加驱动力矩的方式模拟驱动力，所以将重块与车架刚性连接。28图3.13刚性连接转动副：Adams中转动副的建立有三种方法，这里选择“2Bod-1Loc”（选择两零件，一位置）位置即旋转中心在哪一点上，然后选择“PickFeature”（选择转动方向）。在滑轮与滑轮轴间添加转动副，旋转中心位于滑轮中心，向量方向为滑轮轴中心线方向；同理，在前轮与前轮轴间添加转动副；在后轴与车架间添加转动副，旋转中心为后轴中心，向量方向为后轴中心线方向；同理，在前轴与车架间添加转动副；最后在前叉与前轴承座间添加转动副，旋转中心为前叉中心，向量方向为前叉中心线方向。图3.14旋转副添加移动副：Adams中移动副的建立与旋转副相同，也有三种方法，这里不再赘述。在推杆与车架间添加移动副，位置选择在推杆中心，方向为推杆中心线方向。29图3.15移动副添加齿轮副：Adams中提供了齿轮副的建立方法，要求选择两个运动轴和一个等速点，由于Adams是一个坐标控制的软件，pro/e导入Adams中原有坐标消失使得齿轮传动的等速点建立比较困难。由于小车上的一对齿轮是直齿圆柱齿轮，只要已知两齿轮传动比，就可以使用关联副将两齿轮轴的转动副关联连接，将关联参数设置为一正一负即可模拟齿轮间的传动关系，因此这里使用关联副代替齿轮副进行连接。连接效果如图。图3.16关联副添加定义(5)驱动力定义有与本设计的原动轴采用了锥轴，其启动力矩是先减后匀速的，在Adams中可30以使用step函数来定义这种情况从而可以比较真实的模拟启动情况，在Adams中单击来定义力矩（需确定力矩作用点和力矩）在力矩函数（functions）中输入step(time,0,0.08,20,0.025)+step(time,250,0.025,260,0)可定义这一变换的力矩。图3.17驱动力矩定义(6)基于Admas的小车仿真在仿真前需要添加重力以制造车轮与地面间的压力。设置endtime50，step500，开始仿真。对仿真结果在PostProcessor模块中进行后续处理，并录制视频。图3.18仿真定义314结果分析4.1小车行驶轨迹分析仿真结束后，在Adams中画出车架中心行驶轨迹线，如图4.1所示图4.1车架中心轨迹线将仿真结果导入PostProcessor模块中进行进一步分析，导入后的图像如下。图4.2仿真路线32图4.3t-s曲线（前轮、两后轮）由图4.2可以看出，行驶轨迹已基本符合比赛要求，没有与圆柱发生干涉且轨迹平缓均匀。最后将该轨迹线导入Proe进行测量，测量结果如图4.4图4.4轨迹线测量结果分析图线，半周期距离约为1000mm，振幅约为250mm，符合设计要求与比赛要求。4.2小车行驶速度分析将仿真结果导入PostProcessor模块中进行速度分析。首先得到小车前轮和两后轮速度曲线如图4.533图4.5t-v曲线（前轮、两后轮）分析图线可知小车刚刚启动速度不稳，经过大约20s后，速度开始呈现周期性变化。当小车处于中部时，行驶速度最大，小车状态如图4.6图4.6速度最大状态当小车处于上下两极限位置时，行驶速度最小，小车状态如图4.734图4.7速度最小状态4.3成果与展望（1