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無(wú)碳小車設(shè)計(jì)與仿真
目錄
摘要： 3
Abstract： 4
第1章 設(shè)計(jì)背景和研究意義 6
1.1 設(shè)計(jì)背景 6
1.2 研究意義 6
1.3 太陽(yáng)能的應(yīng)用實(shí)例 6
1.3 重力勢(shì)能的應(yīng)用實(shí)例 7
第2章 無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)概述 10
2.1畢業(yè)設(shè)計(jì)的命名主題 10
2.2 無(wú)碳小車功能設(shè)計(jì)要求 10
2.3 無(wú)碳小車的整體設(shè)計(jì)要求 11
2.4 無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)方法 11
第3章 無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 13
3.1 整體方案分析 13
3.2 局部方案的技術(shù)分析 14
3.2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 14
3.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 15
3.2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 16
3.2.4 行走機(jī)構(gòu) 17
3.2.5 微調(diào)機(jī)構(gòu) 17
3.2.6 無(wú)碳小車車體分析 17
3.3 方案草圖的建立及原理 18
3.4 無(wú)碳小車材料選擇 19
第4章 無(wú)碳小車運(yùn)行理論計(jì)算基礎(chǔ) 19
4.1無(wú)碳小車參數(shù)的確定 19
4.1.1無(wú)碳小車運(yùn)行軌跡理論參數(shù)分析 19
4.1.2動(dòng)態(tài)力分析 19
4.1.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 21
4.1.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定 22
第5章 建立小車的虛擬樣機(jī)模型 25
5.1 無(wú)碳小車的整體虛擬樣機(jī)模型 25
5.2 無(wú)碳小車主要結(jié)構(gòu)3D模型 27
第6章 無(wú)碳小車Pro/e動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化 30
6.1 Pro/e機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊功能 30
6.2 無(wú)碳小車動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真的流程圖： 32
6.3 無(wú)碳小車動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真 33
6.3.1無(wú)碳小車?yán)硐霠顟B(tài)動(dòng)態(tài)仿真 33
6.4 無(wú)碳小車的優(yōu)化設(shè)計(jì) 43
6.5 無(wú)碳小車仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)后數(shù)據(jù)結(jié)果 45
第7章 設(shè)計(jì)總結(jié) 47
7.1 分析設(shè)計(jì)仿真過(guò)程的失誤 47
7.2 實(shí)際樣機(jī)的展望 47
7.3 無(wú)碳小車的應(yīng)用意義 48
參考文獻(xiàn) 49
致謝 50
摘要：
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題要求是設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)約型能源的綠色無(wú)碳小車，無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)與制作，重在倡導(dǎo)無(wú)碳的行為。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，給一定重力勢(shì)能，利用重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)具有方向自動(dòng)控制功能的小車行走。畢業(yè)設(shè)計(jì)目的主要是完成無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在兩米寬的跑道上，小車前進(jìn)的總距離和繞過(guò)的間隔一米障礙物的個(gè)數(shù)作為衡量的設(shè)計(jì)成功與否的重要的標(biāo)準(zhǔn)。作品的設(shè)計(jì)力求做到系統(tǒng)性、規(guī)范性和創(chuàng)新性，充分體現(xiàn)工程意識(shí)。本次設(shè)計(jì)主要采用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行形體分析和設(shè)計(jì)，在對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)和目的總體把握的情況下，綜合考慮材料、加工工藝、制造成本等方面的影響因素。通過(guò)對(duì)小車的功能分析得出清晰開(kāi)闊的方案設(shè)計(jì)思路。
為了便于對(duì)無(wú)碳小車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我把小車的整個(gè)系統(tǒng)分為六大模塊：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)、車體。然后進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，利用Triz理論發(fā)散性思維方式對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分析，并提出多種方案，經(jīng)過(guò)綜合分析對(duì)比各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)選擇出最優(yōu)的方案組合。整體的方案如下：
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：錐形軸
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：?jiǎn)渭?jí)圓柱直齒輪
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：正弦機(jī)構(gòu)+搖桿
行走機(jī)構(gòu)：?jiǎn)屋嗱?qū)動(dòng)
微調(diào)機(jī)構(gòu)：滑槽式
車體：三角形
為了使小車在行駛過(guò)程中更穩(wěn)，前進(jìn)距離更遠(yuǎn)，采用仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)小車的外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化，利用Pro/e仿真軟件模擬無(wú)碳小車在自然重力作用和合外力（地面滾動(dòng)摩擦阻力、內(nèi)部連接摩擦力）作用下，小車在地面上能夠運(yùn)行的最遠(yuǎn)軌跡，并分析影響小車運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)鍵因素，進(jìn)而優(yōu)化出更好的結(jié)構(gòu)方案，然后加以改進(jìn)，使小車的運(yùn)行軌跡更加穩(wěn)定，直線性更好。
關(guān)鍵詞：無(wú)碳小車；綠色能量；參數(shù)化設(shè)計(jì)；仿真優(yōu)化技術(shù)
Abstract：
The graduation design topic is to design a carbon saving energy, green cars, the design and manufacture of carbon-free car, advocate carbon-free behavior. According to the principle of energy conversion, to a certain gravity potential energy, using the gravitational potential energy into mechanical energy, driving a car walking direction automatic control function. Graduation design purpose is mainly to complete the structure design of the carbon-free car simulation optimization design, the two meters wide of the track, the car ahead of the total number of obstacles of distance and bypass the interval of one meter as a measure of success for the design of the important standard. The design of the works to do systematic, standardization and innovation, fully embody the engineering consciousness. Mainly adopts the design of mechanical system analysis and design, design method to form the overall grasp the design task and purpose, under the condition of considering material, processing technology, the influence factors of manufacturing cost, Through analyzing the function of the car a clear open design ideas.
In order to facilitate the design of the whole structure of carbon-free car, I put the car in the whole system is divided into six modules: driving mechanism, transmission mechanism and steering mechanism, travel mechanism, fine-tuning agencies, car body. Then carries on the modular design, using the theory of Triz divergent thinking way for each module is analyzed, and put forward a variety of solutions, through comprehensive analysis and contrast the advantages and disadvantages of various options to choose the optimal combination. The overall plan is as follows:
Drive: the cone shaft
Transmission mechanism: single-stage cylindrical spur gear
Steering mechanism: sine mechanism + rocker
Walking mechanism: single wheel drive
Fine-tuning mechanism: chute type
Body: triangle
In order to make the car more stable, in the process of driving forward farther, adopt the method of simulation optimization design for the car to optimize the overall size, the use of Pro/e simulation software to simulate carbon-free car in natural gravity and the external force (rolling friction resistance on the ground, the internal connection of friction, the car on the ground to be able to run the longest path, and analyzes the key factors influencing the performance of car movement, and then optimize the better structure scheme, and then improve it, make the car running path is more stable, better linearity.
Key words: carbon-free car; Green energy; Parametric design; The simulation optimization technique
第1章 設(shè)計(jì)背景和研究意義
1.1 設(shè)計(jì)背景
能源枯竭是目前世界各國(guó)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題之一，這也成為制約部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要因素。在發(fā)達(dá)國(guó)家，交通運(yùn)輸能量消耗占世界能量消耗總額的1/4～1/3,屬于資源消耗型和能源占用型行業(yè)，而我國(guó)雖說(shuō)地大物博，可是可以利用的資源日益急缺，交通運(yùn)輸業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)能源消耗增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一，這些導(dǎo)致有些能源正面臨著枯竭，因此節(jié)能降耗已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的基本要求。
根據(jù)資料報(bào)道：我國(guó)各類交通運(yùn)輸工具，輕型汽車、重型柴油車、摩托車乃至游艇、飛機(jī)相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，大部分屬于高能耗，高排放的機(jī)器。針對(duì)這一嚴(yán)峻形勢(shì)，我國(guó)探索新能源交通工具刻不容緩。同時(shí)，由于我國(guó)人口眾多，能源人均量相對(duì)匱乏，針對(duì)目前形勢(shì)的需要，我國(guó)正努力往資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會(huì)主義道路前進(jìn)。堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。
1.2 研究意義
無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)最主要的目的在于樹(shù)立人們的低碳理念，把低污染、低能耗、低排放作為現(xiàn)實(shí)生活的標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)與制作，重在把無(wú)碳的行為深入人心，真正做到節(jié)能減排的目的只有在我們的科技創(chuàng)新達(dá)到一定的應(yīng)用水平，并在綠色能源不斷突破，這樣我們才會(huì)走向可持續(xù)發(fā)展的軌道上。此次無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)制造意義在把綠色能源的應(yīng)用層面推向更深一層。而能夠?qū)崿F(xiàn)綠色無(wú)碳有多種方式可實(shí)現(xiàn)，比如：太陽(yáng)能應(yīng)用、重力勢(shì)能的應(yīng)用、彈力勢(shì)能的應(yīng)用、風(fēng)能的應(yīng)用、海洋勢(shì)能的應(yīng)用等等。
1.3 太陽(yáng)能的應(yīng)用實(shí)例
鑒于世界范圍內(nèi)的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，現(xiàn)在全球世界各國(guó)都在實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想，太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、取之不盡,用之不竭的清潔能源,太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用毫無(wú)置疑將被推上一個(gè)新的高度。
太陽(yáng)能源技術(shù)的成熟,太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用逐步融入人們的生產(chǎn)和生活中。討論太陽(yáng)能利用技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì),對(duì)太陽(yáng)能利用的理論研究和實(shí)踐研究的太陽(yáng)能利用率具有重要的意義。太陽(yáng)能的廣泛應(yīng)用可以解決我國(guó)資源緊缺的情況，從深層角度去看，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用使我國(guó)逐步向社會(huì)主義生態(tài)文明新時(shí)代靠攏，加快中國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展道路步伐。下面大致列舉太陽(yáng)能應(yīng)用層面上比較成熟的技術(shù)：
1. 太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用
太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換是太陽(yáng)能利用中最常見(jiàn)的基本形式之一，將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能是太陽(yáng)能熱利用的本質(zhì)。光—熱轉(zhuǎn)換的原理就是通過(guò)太陽(yáng)加熱水箱中的水，然后利用儲(chǔ)熱水箱把熱水儲(chǔ)存以備使用。太陽(yáng)能熱水器也稱為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱水器功能的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在于“集熱器”和“儲(chǔ)熱水箱”。太陽(yáng)能集熱器主要包括“聚光集熱器”和“平板集熱器”，“平板集熱器”是一種不聚合太陽(yáng)光線的集熱器，它采集太陽(yáng)輻射的面積和吸收太陽(yáng)輻射的面積相等，由于“平板集熱器”提供的溫度一般比較低，所以限制其使用的范圍，針對(duì)這一現(xiàn)象，要使太陽(yáng)能提供更高的溫度條件，我們又新開(kāi)發(fā)出另一種集熱器：聚光式集熱器。這種集熱器可以將太陽(yáng)能聚集在比較小的吸熱面上，而且散熱損失少，吸收效率極高，用這類型集熱器做成的太陽(yáng)能熱水器，即使在陽(yáng)光不充足的情況下也能集熱，這就解決天氣方面的問(wèn)題。
2. 太陽(yáng)能空調(diào)制冷技術(shù)的應(yīng)用
太陽(yáng)能空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由三大系統(tǒng)組成：太陽(yáng)能集熱器、熱驅(qū)動(dòng)制冷裝置、輔助熱源。它的工作方式主要有兩種形式：首先實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的功能，再利用電力驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)工作，這種工作方式原理比較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，而且成本高。其次直接利用集熱器采集到熱能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)制冷，雖然中間的電力驅(qū)動(dòng)流程，但是這種制冷技術(shù)要求高，不過(guò)利大于弊，此技術(shù)成為低，無(wú)噪音和污染。
3. 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用
隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，近期將以高吸收效率的硅電池為主，然后逐漸過(guò)渡到薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展。相對(duì)之前的太陽(yáng)能電池，薄膜太陽(yáng)能電池具有材料獲取資源豐富，且成本低等特點(diǎn)，隨著研發(fā)力量加大投入，薄膜電池將會(huì)有重大的突破，從而促使光電池得到極大的改善。
1.3 重力勢(shì)能的應(yīng)用實(shí)例
對(duì)于勢(shì)能的利用，從古代一直延至今日。在中國(guó)淵源流傳的文化中，有許多關(guān)于“勢(shì)能”的言論，這些與現(xiàn)代咱們所認(rèn)知的“位能”在一定程度上是相同的。而且“勢(shì)能”的概念在中國(guó)文化領(lǐng)域中已經(jīng)存在上千年，在日常生活上發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是由于古代人們的技術(shù)水平的局限性，勢(shì)能的利用范圍受到了限制。步入現(xiàn)代文明，科技發(fā)展快速，對(duì)于勢(shì)能的研究也取到了很大的成果，使得勢(shì)能的應(yīng)用逐漸走入我們的日常生活，給我們生活提供方便的同時(shí)也凈化了環(huán)境。下面就來(lái)大致介紹勢(shì)能的應(yīng)用實(shí)例：
1. 重力電燈的發(fā)明
英國(guó)人克雷-毛爾頓發(fā)明制造重力電燈，重力燈是利用重力勢(shì)能作為能源的環(huán)保燈。它的工作原理是通過(guò)懸掛著重物儲(chǔ)蓄重力勢(shì)能并產(chǎn)生動(dòng)力源。重力燈下端配備有一個(gè)繩子，使用者只需把懸掛在繩子末端的重物提至頂端，這款環(huán)保燈就能夠把重物向下滑落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。這種重力電燈只有在有星球萬(wàn)有引力的地方方才可以使用，并能持續(xù)照明大約30分鐘左右。這類型重力燈目前非常適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)貧困村莊。
2. 非自然重力勢(shì)能發(fā)電
咱們中國(guó)的三峽水利發(fā)電站便是利用大壩將水蓄起來(lái)，然后在大壩處飛瀉而下，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。雖然經(jīng)過(guò)一系列的復(fù)雜轉(zhuǎn)換，但是其電能的根本來(lái)源是水的重力勢(shì)能。
3. 利用重力勢(shì)能為自動(dòng)扶梯節(jié)約電能
自動(dòng)扶梯的上行和下行是獨(dú)立運(yùn)行的，這樣在下行的過(guò)程中重力勢(shì)能就完全浪費(fèi)了，而且還要能量來(lái)控制下行的勢(shì)能。這樣就更加大了用電量。為了節(jié)約電，將原來(lái)提供下行的電機(jī)去掉，通過(guò)聯(lián)軸器和換向器將上行和下行扶梯連接在一起，變成有同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。這樣就大大減少了電機(jī)的輸出功率，從而達(dá)到了省電的目的，同時(shí)還可以減少電機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。自動(dòng)扶梯的安全性能也沒(méi)用發(fā)生變化。利用重力勢(shì)能使自動(dòng)扶梯節(jié)電的方式，既節(jié)約了能源，緩解能源不足的壓力，而且?guī)?lái)了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
4. 重力勢(shì)能在水循環(huán)系統(tǒng)的使用
如下圖為重力勢(shì)能在水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理圖：
圖1-1 水循環(huán)系統(tǒng)原理圖
設(shè)計(jì)循環(huán)水系統(tǒng)的大概流程:根據(jù)用水設(shè)備全部開(kāi)啟時(shí)，即滿負(fù)荷狀態(tài)的用水量，管道阻力，水的流量及揚(yáng)程等實(shí)際條件來(lái)選擇水泵?？墒菍?shí)際工作的環(huán)境中，大多數(shù)用水設(shè)備在同一時(shí)間開(kāi)啟的可能性比較小，即使同時(shí)開(kāi)啟，也不是滿負(fù)荷的狀態(tài)，因此就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)輸出更多無(wú)用功，能源利用率低，即能源的浪費(fèi)。針對(duì)這類能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，我們采取巧妙的措施，在循環(huán)水系統(tǒng)中引入“重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換節(jié)約電能裝置”，減少了不必要能源浪費(fèi)。重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換節(jié)約能源裝置實(shí)現(xiàn)的功能是:將循環(huán)水系統(tǒng)由房頂?shù)睦鋮s塔到水泵進(jìn)口的高度形成的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為水的動(dòng)能，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。
無(wú)碳小車的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)主要意義在于推動(dòng)綠色能源的應(yīng)用進(jìn)入更高的層次，目的在于將低碳理念傳播到每個(gè)人的心靈深處。
第2章 無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)概述
2.1畢業(yè)設(shè)計(jì)的命名主題
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)命名主題為“一種無(wú)碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化分析”，命題能促進(jìn)學(xué)生工程意識(shí)的提高，命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，機(jī)械加工工藝，仿真優(yōu)化分析”三個(gè)方面的要求。
2.2 無(wú)碳小車功能設(shè)計(jì)要求
圖1-1 無(wú)碳小車示意圖
圖1-2 無(wú)碳小車運(yùn)行軌跡圖
如上圖1-1小車示意圖：根據(jù)能量守恒定律，給一定重力勢(shì)能（用普通碳鋼的重塊，質(zhì)量為1kg，鉛垂下落差為400mm來(lái)獲得），設(shè)計(jì)一種“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)具有方向控制功能的無(wú)碳小車”，該小車能夠在行駛的過(guò)程中有規(guī)律避開(kāi)水平的平面上每隔1米設(shè)置一個(gè)彈性圓棒障礙物（如上圖2小車運(yùn)行軌跡圖） 。保證小車行走的過(guò)程重物隨車平穩(wěn)的行走而不掉落，要求小車行走的過(guò)程中所有的動(dòng)能均由重物的重力勢(shì)能獲得，不得借用其他形式的能量。
小車底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用三輪結(jié)構(gòu)，即2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，1個(gè)轉(zhuǎn)向輪。細(xì)節(jié)上的結(jié)構(gòu)只能根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有材料、機(jī)床以及加工工藝的難度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.3 無(wú)碳小車的整體設(shè)計(jì)要求
小車設(shè)計(jì)過(guò)程中需要完成的任務(wù)分解：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)建模，實(shí)體建模，機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真和優(yōu)化分析，工藝方案設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)成本的分析和工程管理方案的設(shè)計(jì)。工程管理要求綜合材料、加工工藝可行性、成本等各個(gè)方面的因素做出合理的規(guī)劃。
整體設(shè)計(jì)要求：
1) 小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)向精確，能量轉(zhuǎn)換充分，能量損耗少；
2) 選材合理，經(jīng)濟(jì)性好，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)；
3) 小車運(yùn)行軌跡穩(wěn)定，行程遠(yuǎn)，直線性好。
無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要堅(jiān)持的原則:
1) 總重量要輕，整車的重心要低；
2) 結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單，便于加工；
3) 要有足夠的剛度，振動(dòng)小；
4) 微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證操作調(diào)整方便靈活。
2.4 無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)方法
首先要明確命題的要求，其次對(duì)命題做出詳細(xì)的分析得出清晰的設(shè)計(jì)思路。本次設(shè)計(jì)主要采用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總體分析和設(shè)計(jì)，利用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，站在全局的角度上進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，整體把握加工工藝合理性和經(jīng)濟(jì)節(jié)約，在設(shè)計(jì)任務(wù)和目的總體把握的情況下，進(jìn)行小車車體、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、方向微調(diào)系統(tǒng)、重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
為了使小車在行駛的過(guò)程中更加穩(wěn)定，前進(jìn)的距離更遠(yuǎn)，采用參數(shù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)小車零部件尺寸進(jìn)行優(yōu)化。得出比較合理尺寸后，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/e進(jìn)行實(shí)體建模，將小車的所有零件進(jìn)行裝配以完成無(wú)碳小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用pro/e機(jī)構(gòu)中動(dòng)態(tài)分析功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)設(shè)置各種環(huán)境因素（材料賦予、執(zhí)行電機(jī)、重力、連接處阻尼，輪子與地面的摩擦阻力），經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果得出小車軌跡，驗(yàn)算參數(shù)設(shè)計(jì)的軌跡是否跟仿真軌跡一樣，如果有偏差，通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)的微調(diào)機(jī)構(gòu)，適當(dāng)修改曲柄的尺寸，直至仿真的軌跡符合設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡。
如下圖3是設(shè)計(jì)小車整體思路及流程：
圖2-3 無(wú)碳小車設(shè)計(jì)流程圖
第3章 無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
3.1 整體方案分析
通過(guò)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)要求及目的的剖析，利用發(fā)散性思維方式，把實(shí)現(xiàn)小車功能的各種可能方案一一列出，為了方便設(shè)計(jì)，可以將能實(shí)現(xiàn)小車功能細(xì)分為：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)五個(gè)模塊。下圖4為無(wú)碳小車設(shè)計(jì)的思維導(dǎo)圖：
圖3-1 無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)思路
在選擇各個(gè)模塊方案時(shí)，要從實(shí)際情況出發(fā)，充分考慮實(shí)際學(xué)校的機(jī)床設(shè)備，材料的獲取，制造成本以及實(shí)際加工工藝的可行性等等。同時(shí)，在選擇方案時(shí)，要盡量避免主觀因素，多向同學(xué)、老師探討方案的可行性和最優(yōu)化。下圖5是討論的影響小車功能實(shí)現(xiàn)的各種因素：
圖3-2 影響功能實(shí)現(xiàn)的因素
3.2 局部方案的技術(shù)分析
3.2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
根據(jù)命題要求，重物下降的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)小車行走，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是實(shí)現(xiàn)這一功能的。小車要平穩(wěn)的行走，對(duì)于驅(qū)動(dòng)力矩有一定的要求，在剛剛啟動(dòng)瞬間，由于受到內(nèi)部和外部靜摩擦力的作用，所需要的啟動(dòng)力矩比較大，車子平穩(wěn)運(yùn)行后車子受到總的動(dòng)摩擦力不變，這時(shí)就需要控制驅(qū)動(dòng)力矩大致等于總的外部阻力。還有，由于小車可能在不同的地面運(yùn)行，摩擦阻力不一樣，勻速運(yùn)行時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力矩也是不一樣的。綜上所述實(shí)現(xiàn)小車驅(qū)動(dòng)功能可以采用：
重物+棉繩+錐形繩輪
采用錐形繩輪控制力矩的原理：
圖3-3 繩輪受力分析
驅(qū)動(dòng)力矩
1. 小車剛剛啟動(dòng)時(shí)，繩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大，啟動(dòng)力矩大，有利于啟動(dòng)
2. 啟動(dòng)后，繩輪半徑變小，驅(qū)動(dòng)力矩隨之變小，小車轉(zhuǎn)速增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩和小車和外力平衡后，小車勻速運(yùn)行。
3. 當(dāng)重物距離小車底板很近時(shí)，繩輪半徑再次變小，驅(qū)動(dòng)力矩小于總合外力，這時(shí)小車減速運(yùn)行，直至重物落到小車的底板。
3.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能是把能量傳送到后輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，若要使小車運(yùn)行軌跡更長(zhǎng)，并按預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡行走，那么傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率必須很高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。分析上述所提出的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾種方案：
1. 直齒輪傳動(dòng)：
優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高；
傳動(dòng)比大且穩(wěn)定；
傳遞扭矩大；
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：重量大；
傳動(dòng)距離較??；
2. 帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)：
優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)；
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；
緩沖吸震；
缺點(diǎn)：傳動(dòng)精度不高；
傳遞效率低；（摩擦力大）
3. 不用附加傳動(dòng)：
優(yōu)點(diǎn)：后輪驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源直接由繩輪軸生成，結(jié)構(gòu)是
最簡(jiǎn)單的，而且傳動(dòng)效率最高。
缺點(diǎn)：整車的布局上不好控制，中心容易偏移。
綜上論述：從實(shí)際情況出發(fā)，立足于加工工藝的可行性，選擇齒輪傳動(dòng)最合適
3.2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的功能是控制小車自動(dòng)繞障礙物行走，是無(wú)碳小車的兩大模塊之一，控制的是正弦運(yùn)行軌跡的振幅大小。同樣地，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也要保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力少。重要的是具有特定的運(yùn)動(dòng)特性，確保小車的前輪能夠均衡左右擺動(dòng)，即運(yùn)行軌跡上下振幅一樣。對(duì)上述提出的幾種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案分析：
1. 凸輪+搖桿：凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)具有一定凹槽和曲線輪廓的凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)控制從動(dòng)桿件按一定的規(guī)律往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn)：知道從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，很快就可以設(shè)計(jì)出凸輪形狀，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，制造容易（線切割加工很快）。
缺點(diǎn)：微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上不容；重量比較大；由于存在高副，能量損失大。
2. 空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：
優(yōu)點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)制造，必須保證機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性。
缺點(diǎn)：微調(diào)機(jī)構(gòu)方面比較難以把握，而且桿件連接處存在比較大摩擦阻。
3. 曲柄連桿+搖桿
優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)計(jì)算容易，制造方便，可以把曲柄的長(zhǎng)度設(shè)置成微調(diào)機(jī)構(gòu)，從而控制運(yùn)行軌跡的幅值。
缺點(diǎn)：連桿水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)跟“支撐架”存在面摩擦，轉(zhuǎn)速高時(shí)還會(huì)引起較大動(dòng)載荷和振動(dòng)，因此機(jī)構(gòu)適用于速度低的系統(tǒng)。
4、差速轉(zhuǎn)彎
原理：利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，“繩輪”提供原動(dòng)力，兩輪的角速度一樣，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不一樣，使得兩輪子的線速度不一樣，從而產(chǎn)生差速，小車通過(guò)兩輪的差速實(shí)現(xiàn)繞障礙物行走的功能。差速轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)理論上是實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行軌跡最遠(yuǎn)的方案，但是加工精度要求很高，不容出現(xiàn)任何偏差，而且微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較難。
綜上幾種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析可以選擇出最優(yōu)的方案:
曲柄連桿+搖桿（曲柄的回轉(zhuǎn)中心必須和搖桿在同一水平面上）。
3.2.4 行走機(jī)構(gòu)
行走機(jī)構(gòu)控制小車運(yùn)行正弦軌跡的周期，是通過(guò)兩個(gè)后輪是驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。由于小車是沿著正弦曲線軌跡行走的，拐彎的時(shí)候必定存在差速，針對(duì)這種情況可以選擇“雙輪差速”驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。若是曲線斜率比較小可采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)。從加工的難易程度以及經(jīng)濟(jì)成本分析應(yīng)該選擇單輪驅(qū)動(dòng)比較合適。
3.2.5 微調(diào)機(jī)構(gòu)
小車加工制造過(guò)程不可避免存在加工誤差和裝配誤差，還有小車可能在不同的工況下工作，遇到這些現(xiàn)象，就不得不設(shè)置微調(diào)機(jī)構(gòu)了。微調(diào)機(jī)構(gòu)就相當(dāng)于一個(gè)小車系統(tǒng)的控制部分，控制小車的運(yùn)行正弦軌跡的幅值、周期、方向，使小車走一條最優(yōu)的軌跡路線。
微調(diào)機(jī)構(gòu)可采用：微調(diào)螺母方式、滑塊式。鑒于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿+搖桿方式，所以在曲柄處設(shè)置微調(diào)機(jī)構(gòu)比較容易方便。下面論述會(huì)有相關(guān)圖片展示。
3.2.6 無(wú)碳小車車體分析
小車的底板和軸的支撐座就好比于一個(gè)完整機(jī)器的外殼，它們既是其他局部構(gòu)件的支撐件，同時(shí)也是各局部構(gòu)件的相互聯(lián)系、相互制約的樞紐，車體設(shè)計(jì)的好壞以及加工制造精度會(huì)間接影響小車整體的功能，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致小車傾覆不能行走。因此，其結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)合理巧妙：
1、各個(gè)部件布局保證整車的重心在重物下降中心線的附近。
2、保證整車的重心比較低，防止小車行走過(guò)程晃動(dòng)。
3、將重物的位置盡量布置在底板的形心處。
3.3 方案草圖的建立及原理
根據(jù)上述局部模塊方案論述，把選擇出局部機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行組裝，然后利用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法把整體結(jié)構(gòu)方案草圖畫出：
圖3-4 無(wú)碳小車整體結(jié)構(gòu)草圖
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)→重物+棉繩+繩輪
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)→小齒輪+大齒輪
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)→曲柄轉(zhuǎn)盤+T型連桿+搖桿（控制方向和正弦軌跡振幅）
行走機(jī)構(gòu)→兩個(gè)后輪+前輪（控制正弦軌跡周期長(zhǎng)度）
微調(diào)機(jī)構(gòu)→曲柄+曲柄轉(zhuǎn)盤
原理是：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供原動(dòng)力，一部分傳給行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小車往前行走，一部分傳給齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把扭矩傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（曲柄連桿+搖桿）控制小車周期性轉(zhuǎn)換方向，當(dāng)小車行走的運(yùn)行軌跡振幅偏小或者偏大時(shí)，這時(shí)微調(diào)機(jī)構(gòu)就起作用了，通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄的長(zhǎng)度，直至小車的運(yùn)行軌跡最優(yōu)化為止。
3.4 無(wú)碳小車材料選擇
根據(jù)上述對(duì)小車的功能分析知：小車的總體重量要輕，要有足夠的剛度，振動(dòng)要小。從學(xué)校的現(xiàn)有的機(jī)床和材料出發(fā)，選擇材料類型為：鋁合金。既保證整車重量輕，也能達(dá)到一定強(qiáng)度和剛度要求。
第4章 無(wú)碳小車運(yùn)行理論計(jì)算基礎(chǔ)
4.1無(wú)碳小車參數(shù)的確定
4.1.1無(wú)碳小車運(yùn)行軌跡理論參數(shù)分析
根據(jù)無(wú)碳小車行走示意圖2，假設(shè)小車的行走軌跡為正弦函數(shù)：
y=0.35sinπx (單位m），
小車運(yùn)行的軌跡幅值A(chǔ)：0.35m，周期T：2m
對(duì)軌跡曲線求導(dǎo)得：y＇=0.35πcosπx
此方程即為小車在各個(gè)軌跡位置轉(zhuǎn)角的正切值大小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M可以得到前輪的最大轉(zhuǎn)角大約為36°,此正弦函數(shù)一個(gè)周期的軌跡長(zhǎng)度可用積分求得
一個(gè)周期的軌跡路徑為L(zhǎng)=2433mm,也就是曲柄軸（輔軸）回轉(zhuǎn)一周，搖桿前后往復(fù)擺動(dòng)一次，后輪前進(jìn)2433mm,用數(shù)學(xué)公式可以表達(dá)為：
其中為曲柄上的齒輪到驅(qū)動(dòng)軸上的齒輪的傳動(dòng)比、d為后輪直徑。
和d之間的函數(shù)關(guān)系可以用表格表示如下：
1
2
3
4
5
6
7
d(mm)
774
387
258
193
155
129
110
表1
4.1.2動(dòng)態(tài)力分析
1. 力分析
為了全面的理解小車的各個(gè)參數(shù)變化對(duì)小車?yán)@樁個(gè)數(shù)的變化的影響，下面針對(duì)：
（1）輪子的半徑；
（2）小車與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；
（3）小車的重量；
（4）小車的能量轉(zhuǎn)換效率；
四方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，從而初步確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)。
假設(shè)后輪受力示意圖如下：
P0：小車的總重量
N0：地面對(duì)小車的支撐力
F0：小車的驅(qū)動(dòng)力
M：小車的驅(qū)動(dòng)扭力
D：小車后輪直徑
d：小車?yán)K輪直徑（平均值）
G：小車重物（砝碼）的重量
圖4-1 小車受力分析
控制小車在平面上勻速行走，受到重物下降牽引繩輪的扭矩M和滾動(dòng)摩擦阻力。
滾動(dòng)摩擦阻力：物體在另一物體上滾動(dòng)時(shí)受到的阻力作用是由物體和支承面接觸處的形變而產(chǎn)生的，用滾動(dòng)摩擦力矩來(lái)度量受到的阻力大小。滾動(dòng)摩擦力矩的大小M和支承力N成正比關(guān)系。即M＝KN（K為滾動(dòng)摩擦系數(shù)）。滾動(dòng)摩擦系數(shù)具有長(zhǎng)度的量綱，它的實(shí)際意義相當(dāng)一個(gè)力臂，滾動(dòng)摩擦力矩的大小主要取決于相互接觸物體的材料屬性和表面粗糙程度，濕度等等。
靜力受力分析可以得出以下公式：
①
②
③ (假設(shè)傳遞過(guò)程不計(jì)能量損耗)
2. 力約束
小車能夠平穩(wěn)勻速行駛，就要克服運(yùn)行組里的最小值和不打滑的最大值。
1) 運(yùn)行阻力：①（小車的啟動(dòng)加速度）
②靜阻力（包括基本阻力、彎道阻力）
基本阻力=(w為運(yùn)行阻力系數(shù)，約為0.01)
2) 地面對(duì)無(wú)碳小車的滾動(dòng)摩擦阻力：
(f為滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)，f與輪子材料和地面的材料有關(guān)，一般材料的滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)為0.1～0.8)
無(wú)碳小車不打滑的條件：
3. 做功分析：
假設(shè)：
S：小車運(yùn)行軌跡路程（單位mm）
η：小車的總效率
則： ④
綜上①③③④方程式可得出軌跡路程方程式：
mm
(防滑條件)
由上公式得出結(jié)論：為了增大小車行走的軌跡路程，避免能量損失不打滑，保證小車平穩(wěn)勻速行駛的前提下，驅(qū)動(dòng)力F0越小越好，且后輪直徑越大越好。
4.1.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)參數(shù)確定
經(jīng)4.1.2動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，表1中的齒輪傳動(dòng)比i和后輪直徑d之間的關(guān)系可以選擇：
這樣滿足一級(jí)變速傳動(dòng)，傳動(dòng)比較小，且后輪直徑比較適中的要求。
后輪直徑為155mm，前輪的直徑可以取36mm,保證重心降低的要求。
齒輪模數(shù)的確定：采用的小模數(shù)齒輪，增加齒數(shù)，從而增加齒輪嚙合的重合度，這樣可以提高傳動(dòng)精度，彌補(bǔ)齒輪制造精度的誤差。（齒輪是用線切割加工）
經(jīng)過(guò)分析，可以初步選擇
模數(shù)為m=1，
小齒輪Z1=20,
大齒輪，
中心距，
后輪直徑，
前輪直徑。
4.1.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)前輪左右周期性擺動(dòng)，采用對(duì)心曲柄連桿+搖桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)曲柄的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)控制搖桿前后等幅度擺動(dòng)。對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有無(wú)急回的運(yùn)動(dòng)特性。此次轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用對(duì)心曲柄滑塊的演變機(jī)構(gòu)形式：正弦機(jī)構(gòu)（具有兩個(gè)移動(dòng)副）。
原理圖如下表示：
正弦機(jī)構(gòu)
圖4-2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖
從動(dòng)件T型連桿的前進(jìn)位移和曲柄長(zhǎng)度R以及轉(zhuǎn)角關(guān)系為
根據(jù)假設(shè)的正弦運(yùn)行軌跡實(shí)驗(yàn)?zāi)M可以估摸出前輪的轉(zhuǎn)角大約擺動(dòng)360，即搖桿的相對(duì)于平衡位置的擺動(dòng)大小大約為180。曲柄在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，T型連桿有兩個(gè)極限位置B、C。
當(dāng)連桿在左極限位置B和右極限位置C時(shí)，連桿的滑動(dòng)距離S等于曲柄半徑的長(zhǎng)度R,即 S=R
為了給后期的虛擬樣機(jī)建立和仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，根據(jù)已經(jīng)初步確定的后輪、齒輪尺寸，考慮到底板尺寸合理性，以及整車的重心位置，可以預(yù)先假設(shè)：
搖桿c的長(zhǎng)度為：c=58mm
連桿d的長(zhǎng)度為：d=132mm
由小車運(yùn)動(dòng)分析示意圖知：
考慮到加工誤差、裝配誤差，以及小車可能在不同工況下行走，在曲柄轉(zhuǎn)盤處設(shè)置了滑塊式微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄的長(zhǎng)度控制小車的運(yùn)行方向及正弦軌跡的幅值大小。
綜上轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)的論述分析，初步估算出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的尺寸：
搖桿c=58mm
連桿d=132mm
曲柄R=20mm
第5章 建立小車的虛擬樣機(jī)模型
5.1 無(wú)碳小車的整體虛擬樣機(jī)模型
據(jù)上述提出的整體方案設(shè)計(jì)并且做出大致結(jié)構(gòu)示意圖，小車關(guān)鍵局部機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模得出估算的尺寸，然后進(jìn)行小車Pro/e三維模型的建立。建模的思路：
①首先對(duì)無(wú)碳小車的各個(gè)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維模型的建立；
②然后將各個(gè)零件裝配成構(gòu)件、組件；
③再最后將構(gòu)件、組件組裝成一個(gè)整體的無(wú)碳小車系統(tǒng)。組裝的過(guò)程中再對(duì)部分零件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使小車視覺(jué)上看起來(lái)更加美觀，加工工藝更便于設(shè)計(jì)。
下圖為根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖建立起來(lái)的無(wú)碳小車虛擬樣機(jī)模型：
圖5-1 無(wú)碳小車總裝配圖
5.2 無(wú)碳小車主要結(jié)構(gòu)3D模型
重物
棉繩
后輪
曲柄軸
曲柄轉(zhuǎn)盤
連桿
搖桿
?
前輪
?
大齒輪輪
小齒輪
錐形繩輪軸
支撐桿
圖5-2 主要零件解讀
后輪
錐形繩輪
后輪
底板
曲柄軸軸
曲柄轉(zhuǎn)盤
連桿
搖桿
大齒輪
前輪
曲柄轉(zhuǎn)盤
曲柄
連桿
搖桿
曲柄圓盤
曲柄
無(wú)碳小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為五大模塊：
1. 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分）
2. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：小齒輪+大齒輪（紅褐色部分）
3. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：曲柄軸+曲柄轉(zhuǎn)盤+連桿+搖桿（金黃色部分）
4. 行走機(jī)構(gòu)：后輪+前輪（黃色部分）
5. 微調(diào)機(jī)構(gòu)：曲柄+曲柄轉(zhuǎn)盤（紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉(zhuǎn)盤的滑槽內(nèi)滑動(dòng)）
第6章 無(wú)碳小車Pro/e動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化
6.1 Pro/e機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊功能
（1）模擬現(xiàn)實(shí)中作用力：
利用機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模塊，可以確定設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)在重力和合外力作用下所做的反應(yīng)。由于不用做出實(shí)物樣機(jī)就可以進(jìn)行分析優(yōu)化并預(yù)言整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的性能和運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)計(jì)階段及早洞察出產(chǎn)品的性能，并經(jīng)過(guò)細(xì)致優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)言機(jī)械性能。因此設(shè)計(jì)員可以制造出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，同時(shí)節(jié)省時(shí)間和金錢，因?yàn)楫?dāng)設(shè)計(jì)師真正建立實(shí)物樣機(jī)時(shí)，由于已經(jīng)通過(guò)虛擬方式完成了一系列嚴(yán)格的測(cè)試，實(shí)物樣機(jī)的質(zhì)量更加高了。
（2）設(shè)計(jì)和分析同步進(jìn)行：
Pro/e機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模塊利用了Pro/e的整套集成工具，這意味著設(shè)計(jì)和分析之間將不存在由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。此外，由于圖形用戶界面與在Pro/e設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)所用的界面相同，因此，使用Pro/e MDO的工程師已對(duì)界面很熟悉。而且Pro/e MDO 能夠“識(shí)別”Pro/e 的模型，因此，設(shè)計(jì)員無(wú)須浪費(fèi)時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備要分析的模型，實(shí)施工程變更后，設(shè)計(jì)員只需要重新運(yùn)行分析，從而能以更快的速度生成更高質(zhì)量的模型。
（3）探索真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
Pro/e中的機(jī)構(gòu)模塊可以模擬實(shí)物樣機(jī)在重力、摩擦力、彈力等外力作用下的動(dòng)力學(xué)分析，從而輕而易舉測(cè)量計(jì)算出執(zhí)行電機(jī)的位置、速度以及整個(gè)機(jī)構(gòu)的所有零件的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式，如此一來(lái)既可以減少很多數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，還可以很直觀的觀察到機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)情況。
將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系以表格數(shù)據(jù)形式輸出到電子表格，用來(lái)作為下步分析優(yōu)化，將優(yōu)化出的圖形軌跡結(jié)果跟實(shí)際進(jìn)行比較驗(yàn)證。
（4）利用高級(jí)運(yùn)動(dòng)分析更加靈活地研究復(fù)雜的實(shí)際情況：
這個(gè)模塊可以使用靜態(tài)分析來(lái)確定靜態(tài)平衡負(fù)載,然后反向靜荷載用于確定機(jī)構(gòu)所需的力(力平衡),然后通過(guò)使用彈簧和阻尼器連接到緊張和壓力,很容易創(chuàng)建機(jī)構(gòu)所選組件的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)部分的信封,用于太空研究聲明或用作“占位符”
在任何裝配;也可以用PTC Pro / toolkit寫各種各樣的復(fù)雜的行為,如齒輪系統(tǒng)基于力、彈性皮帶輪傳動(dòng)皮帶,線性梁和桁架單元和輪胎模型,最后以創(chuàng)建用戶定義的力和運(yùn)動(dòng)概述圖,繪制自定義函數(shù)的位置或速度,情報(bào)的比例-積分-微分(PID)控制器和非線性彈簧和阻尼器模型。
（5）集成的設(shè)計(jì)和模擬：
該模塊功能將反作用力、重力和慣性載荷直接傳入到Pro/e機(jī)構(gòu)模塊中；為運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能設(shè)定設(shè)計(jì)可行性和優(yōu)化研究目標(biāo)；利用與其他Pro/e解決方案（比如Pro/e Mechanica 和Pro/e行為建模）的集成，優(yōu)化和完成虛擬產(chǎn)品分析。
6.2 無(wú)碳小車動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真的流程圖：
①建立連接
②連接軸設(shè)置
③運(yùn)動(dòng)副
④伺服電機(jī)
①重力
②執(zhí)行電動(dòng)機(jī)
③阻尼
④力/扭矩
⑤初始條件
①位置
②運(yùn)動(dòng)學(xué)
③動(dòng)態(tài)
④力平衡
①測(cè)量
②速度
③加速度
④自由度
⑤回放
⑥運(yùn)動(dòng)干涉檢測(cè)
⑦運(yùn)動(dòng)包絡(luò)
⑧創(chuàng)建軌跡曲線
創(chuàng)建小車模型
建立運(yùn)動(dòng)仿真
設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境
分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
獲取分析結(jié)果
圖6-1 機(jī)構(gòu)仿真流程
1. 創(chuàng)建小車模型：創(chuàng)建用于裝配的零件模型。
2. 運(yùn)動(dòng)模型建立：創(chuàng)建連接，設(shè)置連接軸參數(shù)，生成所需要的連接關(guān)系，拖動(dòng)裝配關(guān)系，驗(yàn)正所設(shè)置的連接關(guān)系是否能產(chǎn)生所希望的運(yùn)動(dòng)形式。然后設(shè)置機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的虛擬環(huán)境：設(shè)置重力大小、執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、阻尼力大小、摩擦力和接觸力等外力，模擬仿真實(shí)際樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。
3. 分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：定義快照及其初始位置，然后定義運(yùn)動(dòng)分析參數(shù)，運(yùn)行。
4. 獲取分析下結(jié)果： 創(chuàng)建測(cè)量，查看測(cè)量結(jié)果，運(yùn)動(dòng)仿真回放，干涉檢查。
小車機(jī)構(gòu)仿真界面如下圖：
圖6-2 無(wú)碳小車動(dòng)態(tài)仿真仿真界面圖
6.3 無(wú)碳小車動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真
6.3.1無(wú)碳小車?yán)硐霠顟B(tài)動(dòng)態(tài)仿真
Pro/e中進(jìn)行小車在地面上運(yùn)動(dòng)模擬仿真時(shí)，可以設(shè)置幾種工況。
（1）小車只受到地面的滾動(dòng)摩擦阻力
（2）小車既受到地面的驅(qū)動(dòng)力，也受到內(nèi)部連接處（如：軸承跟軸連接，曲柄連桿連接等等）摩擦阻力。
（3）改變小車的曲柄長(zhǎng)度，從而改變小車的運(yùn)行軌跡。
1、小車運(yùn)動(dòng)的所有連接和重力加速度方向如下圖：
圖6-3
上圖中左側(cè)為設(shè)置小車運(yùn)動(dòng)的所有連接，紫紅色箭頭為模擬小車受到地球的重力加速度。
2、分配材料并分析重心位置和整車重量
重物：碳鋼Steel
小車零件的材料：AL2014
然后，通過(guò)pro/e分析模塊的質(zhì)量屬性分析整車的重心位置及其重量，選擇重物下降的軸心與底板上表面相交點(diǎn)建立的坐標(biāo)系為分析基準(zhǔn)
A. 當(dāng)重物恰好剛剛從最高處自由滑落時(shí)，分析質(zhì)量屬性結(jié)果如下圖
圖6-4
即：整車的重量大約為2.2Kg
重心位置大約在（0.26，-15.2，220）mm
B. 當(dāng)重物滑落到與底板接觸時(shí)，分析質(zhì)量屬性結(jié)果如下圖：
即：重量不變，重心位置下降了
重心位置大約在（0.26，-15.2,41.3）mm
A、B兩種情況均是在重物自由落體的兩個(gè)極限位置，重物下降過(guò)程中，重心始終在重物豎直方向的形心附近，因此，小車運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)傾倒。
3、阻尼設(shè)計(jì)
小車的三個(gè)輪子利用機(jī)構(gòu)連接中3D接觸與地面連接，靜摩擦系數(shù)設(shè)置為,摩擦系數(shù)設(shè)置為,其他接觸參數(shù)選用鋁材料的默認(rèn)值，如下圖設(shè)置：
紅色線框即為設(shè)置的摩擦系數(shù)和接觸連接標(biāo)識(shí)。
4、設(shè)置伺服電機(jī)
由于在pro/e機(jī)構(gòu)中模擬重物拉棉線牽引繩輪生成的力矩比較困難，因此只能把重物形成的力矩轉(zhuǎn)換成在繩輪軸上的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，如此一來(lái)，既能實(shí)現(xiàn)相同的功能，又可以減少工作量。根據(jù)之前對(duì)小車?yán)碚撚?jì)算基礎(chǔ)，估算小車的驅(qū)動(dòng)扭矩為：100N·mm，執(zhí)行電機(jī)軸位于繩輪軸與支撐座的連接處。如下圖表示：
同理地，模擬重物下降時(shí)，因?yàn)闆](méi)有棉繩的牽引，所以要控制重要重物緩慢下降，就得在重物下降設(shè)置一個(gè)伺服電機(jī)控制其勻速下降。
車子剛剛啟動(dòng)幾秒鐘，重物的速度是慢慢增加，直至車子勻速行駛，重物才勻速下降。經(jīng)過(guò)估算，可以大致定為：
期間，車子重物緩慢增速到 1mm/sec
,重物以1mm/sec的速度勻速下降。
控制重物的伺服電機(jī)設(shè)置如下
5、動(dòng)態(tài)分析
當(dāng)設(shè)置完小車運(yùn)動(dòng)環(huán)境后，就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析了。
“首選項(xiàng)”圖形顯示，設(shè)置分析時(shí)間100s,幀頻50；
“電動(dòng)機(jī)”選項(xiàng)給“繩輪軸”添加執(zhí)行電機(jī)和重物伺服電機(jī)；
“外部載荷”選項(xiàng)勾選“啟用重力”和“啟動(dòng)所有摩擦”；
如下圖示：
分析過(guò)程圖：
6、獲取動(dòng)態(tài)分析結(jié)果
動(dòng)畫回放如下圖示：
通過(guò)三個(gè)動(dòng)畫回放界面可以看出，小車能夠在預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡行駛，說(shuō)明前部分對(duì)小車的理論計(jì)算數(shù)據(jù)是對(duì)的。
下面對(duì)小車重要點(diǎn)位置、速度、加速度進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的展示：
（1）主軸分析測(cè)量結(jié)果：
測(cè)量點(diǎn)
（2）搖桿分析測(cè)量結(jié)果:
（3）曲柄分析測(cè)量結(jié)果：
（4）整車的運(yùn)行軌跡圖
小車運(yùn)行前
小車運(yùn)行后
經(jīng)過(guò)對(duì)小車運(yùn)行前后的對(duì)比，小車運(yùn)行的軌跡如上圖示。不過(guò)這只是在最理想的狀態(tài)下模擬仿真，小車內(nèi)部傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)沒(méi)有添加阻尼，因此還需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
6.4 無(wú)碳小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)
1、添加所有連接阻尼
在前期動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使模擬仿真的軌跡更加合理，符合實(shí)際加工制造組裝后應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)添加摩擦系數(shù) ,
由于之前模擬仿真時(shí)，材料“機(jī)構(gòu)阻尼”選用了默認(rèn)值，能量損失比較快，必須適當(dāng)修改機(jī)構(gòu)阻尼系數(shù)，減少阻尼摩擦，使小車運(yùn)行環(huán)境更接近實(shí)際。機(jī)構(gòu)阻尼系數(shù)設(shè)置如下圖：
第一步：打開(kāi)重新編輯3D接觸
第二步：選擇紅色線框內(nèi)的選擇材料，材料定義為Al,然后設(shè)置機(jī)構(gòu)阻尼為0.0005，如下圖示：
2、曲柄長(zhǎng)度優(yōu)化：
經(jīng)過(guò)多次仿真模擬軌跡，選出最佳的軌跡并記下此時(shí)微調(diào)機(jī)構(gòu)：
曲柄半徑R=30mm
按照動(dòng)態(tài)仿真步驟進(jìn)行分析，得出最佳的運(yùn)行軌跡路線如下圖
上圖中的近似余弦曲線即為小車運(yùn)行大約一個(gè)周期內(nèi)的軌跡圖。
6.5 無(wú)碳小車仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)后數(shù)據(jù)結(jié)果
從最初的方案提出到方案確定，再到建立虛擬樣機(jī)，其次進(jìn)行模擬仿真進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)可行性，最后仿真優(yōu)化得出小車的運(yùn)行的最佳軌跡路線，重新確認(rèn)了部分?jǐn)?shù)據(jù)。即從粗算數(shù)據(jù)到精算數(shù)據(jù)的過(guò)程。
具體的參數(shù)如下：
（1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)
模數(shù)為m=1，
小齒輪,
大齒輪
中心距=60mm
后輪直徑D=155mm
前輪直徑D1 =36mm
（2）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
搖桿c=58mm
連桿d=132mm
曲柄R=30mm
（3）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（錐形繩輪的尺寸）
即繩子纏繞在的錐形繩輪時(shí)牽引力矩最大，當(dāng)纏繞到，時(shí)牽引力矩最小，此時(shí)能夠控制小車勻速行走。
(4)無(wú)碳小車在一個(gè)周期內(nèi)的行駛軌跡路徑如下圖：
第7章 設(shè)計(jì)總結(jié)
7.1 分析設(shè)計(jì)仿真過(guò)程的失誤
設(shè)計(jì)方案階段及虛擬樣機(jī)建立階段沒(méi)存在多大阻力，主要在仿真這一塊困難重重，也許是動(dòng)態(tài)仿真缺少實(shí)戰(zhàn)練習(xí)，所以總是在一些細(xì)節(jié)上出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)仿真時(shí)分析失敗。不過(guò)經(jīng)過(guò)不懈的努力，將所發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)跟老師探討，仔細(xì)分析原因后，最終找到了解決辦法。
動(dòng)態(tài)仿真遇到的問(wèn)題：
A. 沒(méi)有給小車零件模型選材料，導(dǎo)致仿真的時(shí)候，小車無(wú)法運(yùn)行。
B. 小車后輪沒(méi)有進(jìn)行完全連接，導(dǎo)致小車運(yùn)行時(shí)左右側(cè)滑。
C. 小車輪子與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置太小，導(dǎo)致小車在原地打滑，不能前進(jìn)
D. 小車材料設(shè)置中沒(méi)有重新修改默認(rèn)的機(jī)構(gòu)阻尼系數(shù)，導(dǎo)致小車前進(jìn)時(shí)能量損失過(guò)大。
小車動(dòng)態(tài)仿真，一些關(guān)鍵的參數(shù)必須細(xì)致修改，這樣才能真正做到模擬小車實(shí)際運(yùn)動(dòng)的環(huán)境，分析出來(lái)的運(yùn)行軌跡才有可能在小車制造出來(lái)后實(shí)現(xiàn)虛擬軌跡跟實(shí)際軌跡匹配。
7.2 實(shí)際樣機(jī)的展望
無(wú)碳小車虛擬樣機(jī)測(cè)試完全無(wú)誤，小車能夠按照命題的軌跡路線行走；在實(shí)際樣機(jī)制造過(guò)程中，如果加工工藝誤差不是太大，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較、調(diào)試、優(yōu)化，肯定也能按照理想軌跡行走。
再往更深層意義去展望，假如把重物做成一個(gè)太陽(yáng)能電池，那無(wú)碳小車就是真正具有實(shí)際價(jià)值的永動(dòng)車了，只要有微弱的陽(yáng)光，這個(gè)小車便能一直行走下去。若果把這樣的技術(shù)用在探索外星球那將是新能源開(kāi)發(fā)的另一片天地。因此此次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅僅是倡導(dǎo)一種低碳的行為，更重要的是在綠色能源上應(yīng)用層面上不斷革新。
7.3 無(wú)碳小車的應(yīng)用意義
無(wú)碳小車的創(chuàng)作是倡導(dǎo)綠色新能源的開(kāi)發(fā)與利用，尤其是在勢(shì)能方便開(kāi)出了另一片新的天地。對(duì)于勢(shì)能的利用，從古代一直延至今日。在中國(guó)淵源流傳的的文化中，有許多關(guān)于“勢(shì)能”的言論，這些與現(xiàn)代咱們所認(rèn)知的“位能”在一定程度上是相同的。而且“勢(shì)能”的概念在中國(guó)文化領(lǐng)域中已經(jīng)存在上千年，在日常生活上發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是由于古代人們的技術(shù)水平的局限性，勢(shì)能的利用范圍受到了限制。步入現(xiàn)代文明，科技發(fā)展快速，對(duì)于勢(shì)能的研究也取到了很大的成果，使得勢(shì)能的應(yīng)用逐漸走入我們的日常生活，給我們生活提供方便的同時(shí)也凈化了環(huán)境。
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致謝
附錄 無(wú)碳小車工程圖
第 49 頁(yè) 共 64頁(yè)