1、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-free cars overall design and
2、simulation analysisAbstract: This design is derived from the challenge cup national university student extracurricular academic science and technology works competition and Chinese college students business plan competition, design a kind of gravitational potential energy into mechanical energy, and
3、 can be used to drive the car to walk and to the device.This car will reflect the concept of free carbon, the kinetic energy of the car completely provided by the gravitational potential energy, is the highest ideal of environmental protection.Design need to use 3 d software and dynamic simulation s
4、oftware of feasibility analysis, validate the rationality of the design.Using Proe software aided design and 3 d modeling, simulation using Adams software, the design of steering mechanism, the movement track of conform to the requirements of the game.Make analysis to the car drive, speed curve.Keyw
5、ords:Carbon-free car,integrated design,3D modeling,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
6、 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371 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
7、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20m
8、m、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（f5065mm，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f6020mm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
9、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
10、拟其未来的工作状态和运行行为，及早发现设计缺损，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。2 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
11、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
12、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5
13、mm，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
14、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。
15、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R SSR 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A
