一种势能小车设计说明书

PAGE32PAGE33一种势能小车的设计通过对第七届全国大学生工程训练“无碳重力势能小车”的赛题分析。对小车的结构部分进行设计。通过每一阶段的深入分析把设计尽可能向最优设计靠拢。根据小车功能要求，把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。首先针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。确定的方案为:车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮、转向机构采用曲柄摇杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母。然后对方案进行理论分析，综合考虑零件材料性能、加工工艺等，进而得出了小车的具体参数和运动规律。关键字:工程训练;参赛作品;重力势能小车DesignofapotentialenergytrolleyBasedonthesecondnationalcollegeengineeringtrainingentries"carbon-freegravitationalpotentialenergycar"analysis.Findcartinthedesigndeficiencies.Inordertoimprovethedeficiencyofthetrolleycar,aportionofthestructureredesign.Througheachphaseofthein-depthanalysisofthedesignaspossibletomoveclosertooptimaldesign.Accordingtothefunctionalrequirementsofthetrolleycar,dividedintoframe,drivingmechanism,atransmissionmechanism,asteeringmechanism，awalkingmechanism,afineadjustmentmechanismofsixmodules,modulardesign.First,foreachmoduleperformsmultipledesign，throughcomprehensivecomparisonandchoosetheoptimalschemeofcombination.Determiningtheschemeare:framewithtriangularbottomplatetype,motivemechanismadoptsaconicalshaft,thedrivemechanismadoptsgear,steeringmechanismwithcrankrocker,walkingmechanismdrivenbyasinglewheeltoachievedifferential,finetuningmechanismbyfineadjustmentnut.Thentheschemetheoryanalysis,consideringthepartsandmaterialsproperties,processingtechnology,andthenthespecificparameters,andmovementrules.Keywords:Engineeringtraining,entries,gravitationalpotentialenergy目录TOC\o"1-2"\h\u25471摘要 132208Abstract 288531绪论 5207551.1势能小车主体功能设计要求 586751.2小车的设计方法 6170312势能小车的方案设计 72.285591势能小车的原理 72.28973势能小车行走方案的对比和分析72.252173势能小车方案的确定 82.146724小结 9195993势能小车的总体方案设计 1015983.1重块设计 1139963.2原动机构的设计 11241133.3传动机构的设计 12185803.4转向机构的设计 1311453.5行走机构的设计 14100643.6微调机构的设计 1592563.7驱动机构 166903.8底板和支撑板的设计 1762253.9整车设计 18292954势能小车的主要技术设计 19181954.1影响小车性能主要因素的分析 19175084.1.1能耗规律分析 20118134.1.2运动学分析 2244664.1.3动力学分析 23299015势能小车的三维建模与仿真 2656685.1机构尺寸确定 26139145.2软件建模 26219425.3运动仿真 2745066典型零件加工工艺的分析及编写 305696.1驱动轴加工工艺分析 30114967车体车架的有限元分析 32150777.1有限元分析的介绍 3271097.2有限元分析的原理及分析过程 32311857.3有限元分析详细流程 32148727.4有限元分析结果 325297结论 331067致谢 34230参考文献 351绪论1.1势能小车主体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。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。本论文主要以第七届工程能力竞赛的要求为主，设计具有“8”字轨迹的绕障功能小车,小车必须绕过两障碍物且不碰倒，并按规定路线运行，在赛道中心线上测量的驱动车有效的运动距离越长以及成功绕桩数量越多越好。(1）驱动车成功绕过障碍桩的评定:驱动车须分别从障碍桩前后的左侧（或右侧）和右侧（或左侧)越过赛道中心线(即驱动车后轮过赛道中心线),且障碍物未被撞倒或推出障碍物定位圆方可计入成绩;(2）驱动车一次绕过多根桩或多次绕过同一根桩:均算作绕过一根桩，障碍桩被推出定位圆或被推倒均不得分。对机构设计方面的要求:转向部分需要可控可调，只有重块提供源能量（其中，ma=1kg,，悬高300±2mm)。行走过程中，小车不能碰倒障碍，重块不能脱离小车。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。1.2小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析得到了比较清晰开阔的设计思路。设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等多方面因素。小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上考虑优化设计、系统设计等现代设计理论方法。1.3本章小结设计前首先了解全国大学生工程训练参赛的规则，这样才能合理的制定这次的设计方案，才能达到所要求的设计目的。本次设计我是依据第七届全国大学生工程训练参赛规则来进行设计，以认真负责，刻苦钻研的精神为根本，来对本次设计做到更好更精确的设计。通过这次的毕业设计，我可以在设计、论证、画图以及实验验证的这个过程当中反复探索研究，一方面让我对常用的工作软件更加熟悉，使用起来更加得心应手，另一方面加强了我们对专业知识的理解，也能更加认识到自己学习的不足之处。在势能小车设计不断完善的这个过程中也许会碰到很多层出不穷的新问题，及时地去发现问题、分析问题、解决问题，更能让我不仅学会怎么从工程设计的角度去审视问题，从最开始的漫无目的，毫无头绪，随着查阅资料，一点点的了解势能小车，慢慢的做出设计，看着势能小车设计的一步步完成，我的成就感也随之增加。2势能小车的方案设计2.1势能小车的原理根据第七届全国大学生工程训练大赛的比赛要求，势能小车主要要实现两个功能:重力势能转化为势能小车的动能以及势能小车行走方向的不定期转向，根据这样，可以将势能小车分为驱动系统和转向系统这两个大的部分。驱动系统的难点在于要能量损耗小和传动比的精确，影响能耗与传动比的主要机构为传动机构，而常用的传动机构有带轮传动、齿轮传动、同步带传动、皮带传动、链条传动，关于选择，后续还需继续深入讨论。转向系统的难点在于要控制精度高、能量损耗小并且可以进行调节，常见的有曲柄滑块机构、凸轮+摇杆机构、曲柄连杆+摇杆机构等。在转向系统中，可以设置微调机构，通过调节曲柄和连杆的长度，以此让小车来适应不同桩距的行走。经初步设计，将本小车结构细分为六个部分,分别为车架、行走机构、原动机构、转向机构、传动机构及微调机构。驱动机构要求能满足小车的平稳启动，并以较低速度进行稳定的行驶。如果小车的启动力矩太小，则无法驱动势能小车前进，但若小车的驱动力矩过大，则初始加速度也会过大，则小车启动速度太快，小车很难满足稳定的启动以及后续的稳定行驶。传动机构要满足小车驱动轴与转向机构之间的传动。转向机构要求势能小车能够根据比赛的轨迹而进行精准的调节，该部分结构尤为重要，若小车无法精确的转向，就会出现运行轨迹的偏差，则会使绕桩的路径发生偏差，甚至会与桩相撞，影响比赛的后续进行。微调机构要求能根据比赛时现场桩距的变化来进行调整，改变小车转弯半径，实现小车的正常运行。2.4本章小结本次设计中转向机构初步确定为曲柄连杆+摇杆。行走机构初步确定为单论驱动。原动机构为输出驱动力可调的锥形螺旋槽。3势能小车的总体方案设计通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构)。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。设计图框如图3-1图3-1设计步骤在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。3.1重块支架设计车架不用承受很大的力，精度要求低。但考虑到重量以及小车转弯时产生的离心力造成重块晃动从而使小车不稳定等，重块支架采用铝合金制作成三角底板式。3.2原动机构的设计原动机构的功能是把重块的重力势能转化为到小车前进的动力上。于是，小车原动部分的设计须考虑以下条件:①适当大的起动力矩，适当的牵引力，才能使小车足以起动、行驶平稳，拐弯的时候不会因为速度太大而出现晃动或者侧翻;②重块在即将落到底板时，竖直方向上的速度应该尽可能地小，以免较大地冲击小车，以至于停车;③由于每种材料的摩擦力不同，场地的不确定性，小车转化的动力也不同，因此需要考虑牵引力可调;④小车的机构设计应该尽量简化，减轻小车整体的质量，减少消耗;综合以上方面的考虑，选择采用以前设计中出现的输出动力可调的绳轮机构，材料选用铝合金。为减少能量损失，采用高强度的尼龙线。开始时，起动力矩克服车轮的阻力矩向前滚动，起动小车，重物下降的过程就是重力势能向小车动能的转换。由于重块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。因此，开始时需要较大的起动力矩，才足以将小车牵动。所以需要对滚简的直径进行设计，这里通过资料的查阅，决定采用锥形圆柱体和滑轮组合结构，能够更好地满足以上的运动规律，使小车能够比较平稳地起动和行走得更长。这样既减小了能量的损失，也充分地运用了重块下降所做的功。此外，需要注意的是变径线轮和驱动轮轴之间为过盈配合。小车原动部分机构设计的组合方案，如图3-2所示，图3-2小车原动机构图3.3传动机构的设计传动机构主要是将转化来的动力传到小车的驱动轮上。要使小车按照理想的轨迹行走，并且收到比较满意的结果，传动部分的设计须要保证传递效率高、传动稳定、结构简单、质量轻等优点。常见的传动机构及分析如下:①带轮传动:相较于其他结构来说，其优点是结构相对简单、传动时平缓稳定、抗震性能较好、成本低等，但其缺点也很明显，传动效率和传动精度的不高，导致不适合本小车设计，固舍弃。②齿轮传动:结构较为紧凑、所以传动比比较稳定、故而传动效率很高，甚至可以达到95%，因此工作可靠③同步带传动:虽然传动效率很高，但是势能小车中两传动轴的中心距小，不容易保证包角，所以舍弃。④皮带传动:易打滑，不够平稳，传动性不好，摩擦较大，能耗损失太大。⑤链条传动:传动比较准确，且质量轻，但瞬时转速和瞬时传动比无法固定，传动的平稳性较差。综上分析，可以采用线切割铝合金制造齿轮，以保证传动的精确性与质量较轻，固选齿轮传动。由于小车的动力源全部由重块提供，则驱动轮和转向机构都是通过传动机构来运作的。驱动轮旋转时，绕线筒在重块的牵引力下产生扭矩使得驱动轮轴转动。此外，还以一定的传动比将驱动轮上的旋转运动传递给摇杆，带动转向机构旋转。为了行走到接近重合的轨迹，传动部分的作用很大，则齿轮的传动比i的取值就显得非常重要。它不仅传递转向机构的动力输入，同时保证了在驱动轮完成一个周期的路程时，转向机构完成一个周期的动作。本次大赛赛道如图，两个板最远距离为3000mm，为了使小车有充足的行走空间，安全通过不撞隔板，则取行走轨迹的两端点距离为3200mm。行走轨迹为“8”字，相当于两个圆形，则一个圆的直径为1600mm。S总轨迹=2×Πd=2×1600Π=3200Πmm我们假设轮子直径400mm，则周长为400Πmm，则小车每走完一个八字，后轮就转动8圈，转向2次，如此循环，故暂选齿轮传送比为1：8。不完全齿轮与转向小齿轮的齿数比为1:2。须注意的是，齿轮的设计和材料的选择，以及加工精度的保证。以尽量减少受载时轴弯曲变形，因此各传动轴应有较高的刚度，位置上也有考虑轴的两端支承跨距尽可能小，轴伸尺寸尽可能短，齿轮尽可能靠近支承处以提高运动的精度。3.4转向机构的设计本次势能小车共有六部分组成，其中转向部分为关键部分，初步筛选能满足此次小车设计转向要求的机构有曲柄滑块机构、凸轮+摇杆机构、曲柄连杆+摇杆机构等。每个机构都有自己的优缺点，所以在设计过程中需要对比自己设计机械的使用环境来进行选择，如转向机构中凸轮：凸轮是一种具有特定凸轮轮廓或凹槽的元件。当它运动时，它可以通过高次接触引起从动件的任何连续或不连续的往复运动。优点：凸轮从动件只需设计一个合适的曲线轮廓就可以获得任何所需的运动，而且结构简单、紧凑并且易于设计。缺点:凸轮轮廓加工比较困难。在这种小车设计中，凸轮轮廓难以加工，尺寸不能随意的变化，精度难以保证，重量比较大且效率低，因此会导致能量损失大（主要为滑动摩擦），所以不采用。曲柄连杆+摇杆优点：运动部件的单位面积压力较低，接触面容易润滑，所以磨损减少，容易制作，容易获得较高的精度，两个部件之间的接触是靠自身的几何闭合来维持，它不像凸轮机构，有时必须用弹簧和其他闭合力来维持接触。缺点：通常只能近似于给定的运动规律或轨迹，获得完美的运动轨迹较难，而且设计比较复杂，如果给定的运动要求比较大或比较复杂，所需的部件和运动子集的数量往往比较大，所以机构的结构比较复杂，性能降低，不仅自锁的可能性增大，而且对产生运动规律的机构来说，误差设定的灵敏度也增大。机构对飞机复杂的运动部件和往复运动的惯性力部件难以平衡，在高速下会引起较多的振动和动应力，所以联动机构常在低速情况下使用。在小车设计中，由于小车控制的频率和动力传递不大，所以机构可以相对较轻，可以忽略惯性力，机构也不复杂。对于敏感的设定误差，我们可以增加一个微调机构来解决这个问题。曲柄摇杆优点：结构较为简单，易于制作。缺点：和凸轮一样，有一个滑动的摩擦副，导致其效率低，对于能量提供有限的小车来说，比较致命，存在急回特性，且占用空间大，容易损坏，导致难以设计出较好的机构。综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案3.5行走机构的设计有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为文献[7]对于相同的材料为一定值,滚动摩擦阻力文献[7]通过分析公式可知道，当压力一定和材料一定时，摩擦力与轮子尺寸成反比，当轮子尺寸越大时，小车运动过程中所受到的阻力则会越小，故能够行走的距离就会更远。但由于需要考虑加工的问题、材料的问题以及安装的问题等等，车轮的具体尺寸还需要对其进一步分析后再确定。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。双轮差速驱动可以很好避免双轮同步驱动中出现的问题，双轮差速驱动主要通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器可以较好的减少摩擦损耗，单向轴承实现差速的原理是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，一个为主动轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与主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，传动精度比单向轴承高。综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，采用单轮驱动。3.6微调机构的设计由于障碍物的间距不确定、随机的，所以小车的最大转向角需可调，而小车的转角又与曲柄、连杆、摇杆的长度有关。曲柄和摇杆的长度对小车精确地完成重复轨迹至关重要，考虑到加工和装配精度的限制，必须增设微调机构。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。为了更方便的调节摇杆连杆的长度，选用螺母式。连杆的长短主要通过粗调和细调两种方式来实现，即在连杆的一端设置不同位置的定位孔与曲柄连接实现粗调，而在连杆的另一端通过螺纹与摇杆连接实现细调，通过螺纹转动的角度来改变连杆、摇杆的长度。此外，两端的螺纹需要反向，当向某一侧旋转旋套，两侧的螺杆同时旋入或旋出，从而减小或增大连杆的长度。这里采用的是M5公制细牙螺纹，牙距为0.5mm。微调时，当旋转旋套10°，连杆长度变化值△为:。可见，微调机构可以实现小距离的调整，在一定范围内满足调整要求。结构如图3-3所示，图3-3双球头螺杆3.7驱动机构行走机构常见的有单轮驱动，双轮同步驱动以及双轮差速驱动等。双轮同步驱动用于这次比赛，在转弯行驶的过程中必定有轮子会与地面打滑，而滑动摩擦远比滚动摩擦损失的能量多，考虑小车的初始能量有限且后续没有额外的能量来提供小车的运行，同时，双轮同步驱动会使小车在前进受到过多的约束，不能够保证其运行轨迹的稳定，碰到障碍的概率大大增加。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。差速器应用到最小能耗原理，能有效的减少摩擦带来的损耗，同时还能够较好的实现主要运动，但结构设计较为复杂，应用零件较多，会大幅度增加小车的整体重量以及制造成本。单向轴承是在一个方向上可以自动转动，而在另一个方向上锁死的一种轴承。而单向轴承能够实现差速的原理是在小车行驶过程中，使转速较快的的那个车轮将成为从动轮，转速较慢的车轮则会成为主动轮。然而，由于单向轴承中会存在侧隙，故而在主动轮和从动轮切换的过程中存在误差，以至于运动不准确。单轮驱动则是只利用一个轮子当作驱动轮，另外两个轮子不提供驱动作用，其中一个作为主动轮，另一个作为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮和主动轮间的差速，则是依靠与地面的运动来进行约束确定的。其缺点是传动精度比没有单向轴承高，前进速度不如差速器稳定，但优点是比差速器的效率高，且机构简单，装配方便，成本低。最终，考虑到加工过程中的可操作性和加工成本等一些列问题，选择单轮驱动作为小车的驱动机构。在确定单轮驱动作为驱动方案后，就直接把驱动轮作简化为参考点，并进行轨迹分析。通过前面一章轨迹的分析可以得到理想的轨迹路线应该是一个对称的且圆滑的八字形。考虑到单轮驱动向左转弯和向右转弯时，在主动轮在内侧和外侧，会产生不同的回转半径R。假设右边的后轮为主动轮，向右转时，向左转时,(其中，a为障碍物间距，b为小车的车宽，为前轮摆角），因此，最终形成的轨迹是一个葫芦型的八字。3.8底板和支撑板的设计为了防止重块下降过程中摆动，影响小车行走，设计了三根立柱的约束导轨，提高了小车的稳定性。车架要尽可能的轻便、牢固，刚度要适当，弹性小，在重物的压力下要求变形尽可能小。综合质量、成本、加工难易、装配等因素的考虑，车架选择铝合金制作成支撑架。如图3-4所示，图3-4三导轨支撑架底板是小车最主要的承载体，连接重要机构，固结构设计一定要合理。考虑到小车载重不是很大，将底板设计成框式结构。为了避免底板因发生振动而造成大量能量损失，将边框横截面设计成T字型，边框的宽度为10mm，厚度为4mm，这样就可以保证了小车的刚度，在不变形的情况下又能承受住载荷，理想的底板结构如图3-5所示。图3-5底板理想结构示意图然而，底板的宽度决定了两个后轮之间的轴距，由于小车连续不断地作曲线运动，因此两个后轮行走时存在着速差。轴距会影响小车的平稳性，并且对后轮的差速性能也有很大的影响。轴距太小则会降低小车行走过程中的平稳性，轴距太大又会加大小车的转向难度。在把每个零件装配上去后，取底板能够达到的最小值，将底板的宽度设计为105mm，长度根据齿轮啮合的长度以及转向部分和行走部分所占长度设计为220mm，厚度为3mm，既可以保证形变量很小，也可以最大化的减轻重量，最终小车底板实际结构如图3-7所示，图3-6底板实际建模3.9整车设计整车的轴承统一选择:内径确定为6毫米，外径确定为10毫米，宽度确定3毫米的微型深沟球轴承。根据往届工程能力竞赛的要求设计前轮直径为30mm，厚度为10mm,以便于放下两个轴承。转向部分的球头为网上购买，设计尺寸为内径3mm，外径5mm;微调螺母为双向螺纹，为了适应球头设计外径为3毫米，长度为55毫米;转向支撑架根据已确定的零件尺寸来设计;与前轮支撑架连接到螺杆为全螺纹，设计长度为56mm，便于大幅度的调节长度，改变前轮的最大转角。传动机构的不完全齿轮设计为68个齿，模数为1，隔90°把齿切掉，与不完全齿轮连接的小齿轮设计为33个齿，模数为1，传动比约为1:2;而有前面的说明可知原动轴上的齿轮与传动轴上的齿轮齿数分别为19和99，模数为1;绕线轮设计为锥形，最大直径和最小直径分别为18mm和15mm。根据前面章节的设计，后轮的直径200毫米，厚度为5毫米，小车底板宽105毫米，长度为220毫米，厚度为3毫米，各个支架依据安放位置自行调整设计，再把车架多余的地方掏空。依据以往比赛经验，支撑长杆要保持重心的稳定，设计杆长500mm，且三根杆起稳定砝码的作用;滑轮直径根据绕线轴一侧到砝码中心线的距离设计为25mm，厚度8mm.4势能小车的主要技术设计技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。4.1影响小车性能主要因素的分析通过对小车的能耗规律、运动学、动力学进行分析，可以实现小车的优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。4.1.1能耗规律分析为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为1-，即小车能量的传递效率为。小车轮与地面的摩阻系数为，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有式中为第i个轮子对地面的压力--为第i个轮子的半径-为第i个轮子行走的距离-为小车总质量由此，可以看出小车行走的距离S与能量的传递效率、摩擦系数、轮子半径R都有很大的联系。小车在尽可能消耗少的能量走得更远，即是小车能耗少，性能好的体现，下面就主要以、、R分析。通常常一般材料的是在0.1到0.8，通过调查，随着的递增，车子所走距离与能量转换效率之间的关系，如图4-1所示。由图分析可见，随着的增大，距离在减小，即小车可能更早的停下。由于，地面材料的不确定性，只有在选择小车轮子时考虑与地面的摩擦和内部能耗的因素，慎重选择材料。。图4-1行走距离摩阻系数图图4-2是当摩擦系数=0.5mm时，小车行走距离与小车内部转换效率的坐标图。由图4-2可知，当小车的半径递增lcm时距离则相应的增多1～2m。因此，在结构设计上，在能保证完成八字型绕行和结构安装的同时，可以适量地增大轮子半径，从而使小车行走得更远。图4-2距离轮子半径图图4-3是当小车后轮直径与摩擦系数都定下来之后，随着小车重量的递增，小车的前进距离与内部转换的效率的关系图。由图4-3可知，小车质量越重，行走的距离相应也就越近，能量消耗地也就更多，更容易较早地停车。因此在设计小车时应尽量减少机构，材质的密度也要尽可能小，以减轻小车质量。。图4-34.1.2运动学分析以小车为整体研究，系统的受力如图4-4分析所示，其中、、是重块下降的重力的等效作用力，即主动力;FA、FB、Fc为地面对小车的支撑力，即约束力，这六个力相互作用构成空间三维上的一个平衡力系。图4-4小车受力分析示意图如上图所示，在oxyz中，由力的平衡，可以得到方程;又∵木质地板与铝合金之间的摩擦系数大概在0.18~0.22，这里暂时以u=0.20为例计算，由，,所以，可解得三个轮子与地面的滚动摩擦分别为:==1.36N，fc=2.08N.这里对小车稳定时的系统的动力分析，可得出轮子与地面间的滚动摩擦力的大小，但由于场地的不确定性，因此，摩擦力也不确定。但通过此分析，可以得出摩擦力的大小与小车的质量有很大关系，因此，后期设计和选材方面，应该尽量减重。4.1.3动力学分析根据8字型轨迹的走法，一定存在转向。有转弯就有可能侧翻，所以有必要找到不翻倒的条件，这里就以小车右倾倒为例做系统的稳定性分析，图4-5是右倒的受力分析图，图4-5小车侧倾时的受力示意图以小车为研究对象，Fmax为小车转弯时重块所受的离心力，其余力与图4-4相同,由受力分析可得，若小车出现右侧翻，则，可得，，，,其中,为小车转弯时的最小半径,则由上述的分析可知，小车在行走时的最大速度可以通过改变绳子绕锥形轮的位置改变，最大速度时不超过锥形轮的最大端，随后慢慢减小，以此达到控制转弯时速度过大而侧翻。小车轨迹分析小车实现绕“8”字型运行，有两种轨迹走法:其一，不规则的轨迹，可近似地看作是由圆形和非圆组成，如图4-6所示;其二，接近于两个相切的圆组成，如图4-7所示。为使小车转弯过程平稳，所设计的小车运行的轨迹曲率半径不能突变，并且应当在满足加工的可制造性和绕障距离的同时，整个轨迹长度应尽可能的短。这样才能充分地利用重块的重力势能，减少行走过程中的能耗，以至于让小车在规的能量下多走几个循环周期。图4-6轨迹一图4-7轨迹二轨迹一，为计算简便，假设为两段半圆和两段正弦曲线组成。在这里设定相同的障碍物距离为400mm，经计算，轨迹总长度为L~2042.59mm。相同情况下，轨迹二的总长度大概为L=2×2tR=2009.6mm，因此选择轨迹二。但由于实际实验中很难走到圆形并且相切的情况，因此在后期结构设计中，也只能尽可能使8字轨迹更加丰满，不要太瘦长。5势能小车的三维建模与仿真本设计要对实物或设计进行三维建模时，同样也需要零件的基本尺寸，所以实体建模之前还得确定每个零件的尺寸(这里不考虑材料的区分）。5.1机构尺寸确定通过前面的机构设计和轨迹模拟，整个小车的主要的结构和尺寸基本确定，详见表5-1所示，表5-1小车结构尺寸5.2软件建模建模步骤建立并选取基准（基准面、基准轴和基准坐标系等）作为参照;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、倒角、肋、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。根据前面小车结构和尺寸的确定，运用软件绘制小车各零件实体图（详见后面附图），通过装配每个零件，形成一个完整的实物建模，如图5-1所示小车装配图，图5-1小车装配图5.3运动仿真在工程实验中，凡是要求做实物、机构存在运动，为了降低时间和加工的成本，一般都会事先使用软件做部分运动仿真，主要是检验机构间的传动和配合，验证机构的可行性，准确装配保证正常的运动特征。小车的运动仿真，主要是在三维建模之后的装配图中，实现运动部分的运动仿真。参数的设置尤为重要，需要根据运动的状态和特性，添加电机和运动的时间，其中电机的位置和时间的长短等都是需要着重考虑的因素。下面就齿轮和电机的定义和测量分析做详细的介绍。5.3.1齿轮连接的定义在装配正确的情况下，需要定义齿轮的连接，如图5-2和5-3，需要确定每个齿轮的直径即可完成定义。图5-2不完全齿轮连接副的定义图图5-3齿轮连接副的定义图5.3.2电机的定义在动力方面，并没有给定砝码的自由落体提供能量，而是简化成在原动轴上添加电机，如图5-4，设定为伺服电机，速度为常数20度每秒。图5-4伺服电机定义图5.3.3测量分析设定初始时间0，结束时间50秒，帧数25帧每秒，最小间隔0.04，点击确定和运行，即可观察到电机运行机构的运动情况，如图5-5所示。并观察发现，通过传递电机的动力带动右后轮的转动，并通过传动驱使前轮间歇地转向运动，即证明机构的可行性。图5-5测量分析图6典型零件加工工艺的分析及编写6.1驱动轴加工工艺分析驱动轴是无碳小车的一个典型零件，它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。该轴按给定的生产纲领600件/年，则生产批量为50件/月，生产类型属于中批生产。而生产类型的不同，则其工艺特征也不同，则该驱动轴的工艺应结合中批生产的工艺特征来考虑。6.1.1零件结构及其工艺性分析该轴为细长小台阶轴，由外圆柱面、螺纹和键槽组成，结构比较简单，但长径比L/d>12属挠性轴，刚性差，工艺性差，加工时极易造成弯曲变形，但可以使用中心架来防止其变形，能够保证以高生产率和低成本制造。6.1.2零件技术要求分析1.尺寸精度该轴的主要尺寸精度要求在几处台阶轴处，即安装轴承和安装齿轮的部位，精度较高，均是6级精度，过渡配合。可通过在MG1320E高精度磨床上磨削加工，均能保证其要求。2.形状与位置精度分析该轴没有形状精度要求，只有3处阶梯轴段对两处基准的径向圆跳动的要求，属位置精度要求，精度较高，最高值为0.008mm，且该轴长径比比较大，属细长轴类零件，该径向圆跳动要求属于加工关键，加工时应优先考虑基准统一的原则，可通过以两端中心孔为工艺基准（精基准）和中心架来保证其圆跳动的位置精度要求;两处键槽的对称度要求较高，为0.01mm，在普通铣床上很难保证，应使用数控铣床来完成，但必须以两端中心孔为工艺基准再辅以千斤顶做辅助支撑。3.表面粗糙度分析表面粗糙度最低值为Ra1.6um，要求不高，通过磨削可以保证。4.零件选材及热处理分析该轴虽属台阶轴，但外圆直径尺寸相差不大，且强度要求不高，毛坯选用棒料即可。该轴选用了比较常用的45圆钢，切削性能良好，加工时不需采取特殊工艺措施，刀具材料选择范围较大，高速钢或YT类硬质合金均可。选材合理。热处理调质硬度170-230HBS，容易达到。7车体车架的有限元分析7.1有限元分析方法概述有限元法是一种离散化的数值解法,是用于求解各类实际工程问题的方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的、非线性的问题及热力学、流体力学、电磁学以及冲击动力学问题都可以通过有限元法得到解决。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（CloSOLIDWORKSh）教授形象地将其描绘为：“有限元法=RayleighRitz法＋分片函数”，即有限元法是RayleighRitz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的RayleighRitz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。7.2有限元分析的原理有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本思想是用较为简单的问题代替比较复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所替代。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂情况，因而有限元分析成为行之有效的工程分析手段。有限元法的基本思想可归结为两个方面，一是离散，二是分片插值。离散就是将一个连续的求解域人为地划分为一定数量的单元，单元又称网格，单元之的连接点称为节点，单元间的相互作用只能通过节点传递，通过离散，一个连续体便分割为由有限数量单元组成的组合体。离散的目的就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界转换条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于用计算机求解。有限元法的离散思想借鉴于差分法，但做了适当改进。首先，差分法是对计算对象的微分方程和边界条件进行离散，而有限元法是对计算对象的物理模型本身进行离散，即使该物理模型的微分方程尚不能列出，但离散过程依然能够进行。其次，有限元法的单元形状并不限于规则网格，各个单元的形状和大小也并不要求一样，因此在处理具有复杂几何形状和边界条件以及在处理具有像应力集中这样的局部特性时，有限元法的适应性更强，离散精度更高。变分法是在整个求解域用一个统一的试探函数逼近真实函数，当真实函数性态在求解域内趋于一致时，这种处理是合理的。但如果真实函数的性态很复杂，再用统一的试探函数就很难得到较高的逼近精度，或者说要得到较高的精度就需要阶次很高的试探函数。同时由于不能在求解域的不同部位对试探函数提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求问题的求解很困难。所以这类方法一般用于求解函数交规则和边界条件较简单的问题。分片插值的思想是有限元法与里兹法的一个重要区别，它是针对每一个单元选择试探函数（也称插值函数），积分计算也是在单元内完成。由于单元形状简单，所以容易满足边界条件，且用低阶多项式就可获得整个区域的适当精度。对于整个求解域而言，只要试探函数满足一定条件，当单元尺寸缩小时，有限元就能收敛于实际的精确解。从以上分析可知，有限元法是差分法的一种发展，又可以看成是里兹法的一种新形式。它兼顾了两者的优点，同时克服了各自的不足，因而具有更大的优越性和实用性。7.3有限元分析详细流程7.3.1零件建模在SolidWorks中，做出小车的建模比较容易实现，可以通过草图绘制出各个零件的外形轮廓，然后通过拉伸，旋转等一系列命令实现三维模型的建立。7.3.2模型简化本次有限元分析是分析小车车架的受力，然后对小车的整体结构的合理性进行分析，从而确定设计的合理情况，然而分析整个建模可能需要几十个小时，因此需要对整个分析模型进行简化。7.3.3模型导入ANSYS通过SOLIDWORKS软件与ANSYS软件之间的无缝连接将三维实体模型导入ANSYS，形成ANSYS模型，具体操作为：File→Import→SOLIDWORKS，选择三维实体模型，即可将模型导入ANSYS软件。将模型显示为实体：PlotCtrls→Style→SolidModelFacets,导入模型对话框如下图所示：图7-1导入模型7.3.4定义单元类型实际工程中的结构是千变万化的，为了方便模拟，ANSYS为用户提供了几十种单元用于结构分析，而选取恰当的单元类型是顺利进行有限元分析的重要一步。单元类型的选取，既要充分反映结构的力学特性，也要尽可能的选取简单的单元，使模型计算时简单又节约计算费用。ANSYS软件中，常用的单元类型有Solid实体单元、Shell板壳单元等。本文选用Solid186单元。相对于3-D，8节点的Solid45单元来说，Solid186单元更为高级，Solid186单元由20个节点定义，每个节点有三个自由度，为节点在x，y，z方向的平移自由度。它能够吸收不规则形状的单元而没有精度损失，还有可并立的位移形状，对于曲线边界的模型能很好的适应。Solid186单元有塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变能力.7.3.5定义材料属性具体操作：MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,在弹出的对话框中选择Structural→Linear→Elastic→Isotropic，设置材料的弹性模量EX为XXXXMPa，泊松比PRXY为XXXX。定义材料密度：Structural→Linear→Elastic→Density，设置材料的密度DENS为XXXXX吨/毫米37.3.6网格划分在前两步的基础上划分网格：MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，在MeshTool对话框中勾选SmartSize，选择8级精度，点击Mesh按钮，出现MeshVolumes对话框，点击PickAll，点击OK。7.4有限元分析结果7.4.1应力云图7.4.2应变云图7.4.3合位移云图结论本文经过前期充分的调查，翻阅大量的书籍和资料，分析了命题相关的研究状况，再结合国内外相关技术的发展趋势和背景，确定了命题具有一定的研究意义和研究价值。根据小车的运动原理和技术要求设计了比较合理的结构，再使用MATLAB软件中的Simulink-SimMechani