一种行驶特定轨迹的无碳小车的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

一种行驶特定轨迹的无碳小车的设计 本科生毕业设计题 目： 一种行驶特定轨迹 的无碳小车的设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 完成时间： 目录中文摘要及关键词英文摘要及关键词II第1章 前言11.1 研究背景及意义11.2 研究状况31.3 技术要求3第2章 系统分析52.1 能耗规律分析52.2 受力系统分析72.3 稳定性分析82.4 轨迹分析9第3章 结构设计113.1 原动机构113.2 传动机构123.3 转向机构133.3.1 转向部分133.3.2 间歇部分143.3.3 调节部分143.4 驱动机构153.5 底板和支撑架163.6 整车设计18第4章 轨迹模拟194.1 基于SimMechanics的轨迹模拟194.1.1 SimMechanics模块和功能194.1.2 仿真机构分析214.1.3 建立仿真模型224.1.4 仿真参数设置234.1.5 仿真结果输出264.2 偏差分析27第5章 三维建模及运动仿真285.1 三维建模285.1.1 机构尺寸确定285.1.2 基于Proe的三维建模295.2 运动仿真305.2.1 齿轮连接的定义305.2.2 电机的定义315.2.3 测量分析31结论33参考文献34致谢36中文摘要及关键词摘 要：本文主要针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛中的项目：以重力势能驱动的具有“8”字型绕障功能的无碳小车，进行机构设计上的探讨和总结。并对其进行能耗规律和稳定性的分析，使其在前进的过程中，能量消耗得更少，走得更加久远。通过小车主要组成模块的分析和设计，建立转向机构的数学模型，并使用MATLAB进行轨迹模拟，分析偏差，设置参数，优化结构。通过PROE三维建模，实现局部运动仿真，确保结构的可行性，减少加工的成本。关键词： 无碳小车 机构设计 轨迹模拟 运动仿真英文摘要及关键词Abstract：In this paper, for the Fourth National University engineering training comprehensive ability of competition in the project : gravitational potential energy to drive with the 8 carbon-free car-shaped around the barrier function of the car body designs were discussed and summarized. Performed on the car model and stability analysis of energy law, to ensure that the car during walking, consume less energy, are more stable walk farther. Through the analysis and design of the main building blocks of the car, the establishment of the steering mechanism of the mathematical model and use MATLAB to optimize the structure, determine the structure parameters, trajectory simulation. PROE three-dimensional modeling, to achieve local motion simulation, to ensure the feasibility of the structure, reducing the cost of processing.Key words： carbon car; body design; trajectory simulation; motion simulation.第1章 前言1.1研究背景及意义如今，环境污染和能源问题相当严重,人类逐渐的思考着自己长期的发展方式,节能减排的观念慢慢的被人们所认可,以节能减排为主题的活动也在全球范围内展开。在这种国际大背景下,各个国家也努力的采取措施,全面的推动节能减排工作的进行,在一定程度上是取得了一些不错的效果和有用的经验。自20世纪60年代以来，美国出台了一系列有关环境保护的法律法规，如：清洁空气法、清洁水法、濒危动物保护法等，这些法律法规很全很细，涉及到各个领域和各个环节，凡构成对环境造成污染的污染源都列为法律规定的范围，而这些法律法规的宗旨就是“一切为了健康”，而每一项立法与环境标准的制定都是围绕保护人的健康这个主题。其次，美国环境立法，均以科学数据作支撑，每一项法律背后，都有科研人员付出的巨大劳动，他们经过多年实验，得出精确的数据，依靠这些科学数据立法，可以说美国的环境法律法规与实用技术实现了一体化。近年来，我国经济虽然取得了很大的发展，但也承受着资源紧缺、能源匮乏、环境污染等的巨大压力1，为此，国家采取了很多相关治理和解救的措施，也制定了许多相关的政策。我国早在2006年3月16日就下达了单位GDP能耗必须下降20%的目标。并于在2009年在哥本哈根气候大会上，设置了到2020年单位GDP的CO2排放量比2005年的减少百分之四十左右的目标。据调查，在2013年30.49十亿吨全球碳排放量，中国排名第一，占22.3，人均碳排放量已超过世界平均水平。同时，去年4月在京召开了2015第七届国际节能减排展览会，本次节能减排展览了近300多个品牌。我国最近在研究无碳技术，已经有了一定的成果，在日常生活和工业生产等领域也有了相关设计产品，例如节能（包括节电、节油、节煤、节水等）产品的销售等，这些新技术的发明给人类信心在于改善环境方面。最近,国际原油价格浮动比较大、汽车尾气排放继续增多、全球变暖等问题日益严峻,这些情况都让汽车生产商重新规划自己的发展。太阳能、氢燃料电池、电混合电力汽车等顺势而来，但是这些都成本太高、性能不是很好，因此，新型能源的开发研究和使用变得尤为重要。环境的污染、能源的紧缺等问题越来越严重，可持续发展的道路势在必行，也将变成当今时代的最新潮流。很多国家把无碳技术用到工农业和日常生活的每个地方，“低碳生活”已成为全球发展趋向。就在国内外大兴节能减排时，这种纯机械的机构理所应当的存在很大的市场和发展前景2，该课题也就具有了比较大的研究价值。同时，该命题对科学技术和工程有很大的实际应用价值和理论意义。当然对我们当代大学生有待提升的创造性思维和动手能力有很大的帮助。本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观、成本、加工的可行性等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。在小车的设计和制造过程中，能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解，同时对于绘图软件的使用、零件加工工艺的过程有了更深入的了解，对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。361.2研究状况 自2010年第二届大学生工程训练竞赛主题定为“无碳小车”，以后的第三、四届也继续沿用此主题。该命题与高校教学中的工程训练密切相关，意在锻炼学生的“创新设计、制造工艺、实际操作和工程管理”四个方面的综合能力，比较系统和完整地考察学生的综合素质和学习能力。刚开始，没有对小车的轨迹要求，只是要求能绕障。后来，2012年第三届开始要求小车的轨迹，分为S形和8字型。每届竞赛也都呈现出了很多优秀的设计和实物的展现，各种机构层出不穷，各有所长。并以竞赛项目相关的设计、工艺、成本分析和工程管理四大部分来评比，其中，现场演示的成绩相当重要，再加上8字型轨迹的特征，需要实现转向、间歇和调节功能，这就对小车的转向机构要求较高3。据调查，无碳小车相关的图书和期刊等，有对8字型小车的结构设计、轨迹分析等，相关的专利已查阅到28篇，其中与8字型直接相关的有4篇。但仍未形成相关的学位和会议论文，也未出现使用MATLAB模拟轨迹的相关分析成果。 大多是对轨迹分析、能耗分析、机构的设计等得讨论和分析居多。也可能因为小车性能决定的原因，转向部分相当重要，所以分析得较多的是转向机构的设计。有采用过共轭凸轮滚子直动推杆、凹槽凸轮推杆、不完全齿轮和曲柄滑块组合、曲柄摇杆、万向节连杆、空间曲柄摇杆和不完全齿轮的组合、曲柄连杆等机构。传动上的设计也有所不同，有选用带轮、齿轮、皮带和链传动等，驱动上主要因为是三轮结构，所以也就单轮驱动的设计较多。1.3技术要求本论文主要以第四届工程能力竞赛的要求为主，设计具有“8”字型轨迹的绕障功能小车。障碍物是设在半大的兵乓球台中线上，距离在300mm500mm之内可调，小车必须绕过两障碍物且不碰倒，并按八字型运行，走的距离越长越好，完成的8字绕行圈数越多越好。对机构设计方面的要求：三轮结构，且转向部分需要可控可调， 只有重块提供源能量（其中，ma=1kg,5065 mm，普通碳钢，悬高4002mm）。行走过程中，小车不能碰倒障碍，不能掉下球台，重块不能脱离小车4。如图1-1为小车示意图，图1-2 无碳小车示意图第2章 系统分析 为了使小车能够更稳更远地行走，除了结构设计合理外，还需对小车系统的建模分析，以确定更加合适的结构尺寸。然而，影响小车行走轨迹的因素有很多，本章就最主要的能耗、受力、稳定性三个方面做系统的分析。2.1能耗规律分析 假设，重块下降的势能全用于小车前进（即在理想条件下），由系统能量守恒，可得： （2-1） （2-2）注：Ni第i个轮子对地面的压力； Ri第i个轮子的半径； Si第i个轮子行走的距离； 轮子与地面的摩擦系数； 能量的传递效率；m总小车总质量。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5。日常一般材料的是在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2-1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2-1 行走距离摩阻系数图图2-2是当摩擦系数0.5m m时，小车行走距离与小车内部转换效率的坐标图。由图2-2可知，当小车的半径递增lcm时距离则相应的增多12m。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2-2 距离轮子半径图（0.5mm）图2-3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2-3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2-3 距离重量图2.2受力系统分析 以小车为整体研究，系统的受力如图2-4分析所示，其中Pl、P2、P3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2-4 小车受力系统分析示意图如上图所示，在Oxyz中，由力的平衡，可以得到方程： （2-3） （2-4） （2-5）Pl=P2=P3=8N，FA=6.8N，FB=6.8N，Fc=10.4N，又木质地板与铝合金之间的摩擦系数大概在0.180.22，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：，. 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6。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。2.3稳定性分析 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2-5是右倒的受力分析图，图2-5 小车侧翻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2-4相同，由受力分析可得, （2-6）, （2-7）, （2-8） （2-9） （2-10） （2-11）若小车出现右侧翻，则FB=0，可得FA=13.6N，FB=0N，Fc=10.4N，Fmax=2.72N,其中,Rmin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7。2.4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2-6所示；其二，接近于两个相切的圆组成，如图2-7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8。图2-6 轨迹一 图2-7 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L12042.59mm3。相同情况下，轨迹二的总长度大概为L=22R=2009.6m m，固选择轨迹二。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。第3章 结构设计 根据小车的技术和功能要求，可大致将小车分为五个模块设计，包括：原动部分、传动部分、转向部分、驱动部分及车架部分。本章就小车结构设计方面讨论和分析，并得出较为完整的结构设计方案。3.1原动机构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：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；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；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；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。所以需要对滚筒的直径进行设计，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9。小车原动部分机构设计的组合方案，如图3-1所示，1-锥形圆柱体（绕线），2-滑轮机构（悬挂重块）图3-1 小车原动机构图3.2传动机构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10。常见的传动机构及分析如下：带轮传动：结构相对简单、传动平稳、抗震性能较好、成本低等，但其效率和传动精度不高，不适合本小车设计，固舍弃。齿轮传动：结构紧凑、工作可靠、传动比稳定、传动效率高，可达到95%。同步带传动：虽然传动效率很高，但是无碳小车中两传动轴的中心距小，不容易保证包角，所以舍弃。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。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8字，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。这里通过计算，以300mm直径的轨迹为例，后轮直径为160mm，则周长为160mm。一个八字，轨迹长度相当于直径为300mm的两个圆，即600mm。则小车每走完一个八字，后轮就转动三圈，转向两次，如此循环。由于不完全齿轮与小齿轮是同轴输出的，则暂选传动机构中的齿轮传动比1:5最为合适，所以初步确定小齿轮z=19，大齿轮z=99，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11。3.3转向机构要实现8字型轨迹周期性的绕行，必须满足轨迹封闭且曲率不能突变，这就要求转向机构必须具有转向和间歇的功能，又因为障碍物的距离是可调动的，则要求转向机构根据间距做一定的调整，所以还必须设计调节机构。当然，在同样能满足基本功能的时候，要考虑怎样才能使小车更精确地转向、更远更稳地行驶。3.3.1转向部分通过查阅大量书籍和文献，能够实现将竖直平面的转动转化为水平面运动的转向功能机构的主要有以下几种：锥齿轮、凸轮摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等。考虑到结构的复杂和安装精度等当面，不考虑前两者，后面两者的比较分析如下：差速转弯：通过运用两个驱动轮的角速度不同，而导致转动的半径不同，从而使产生不同的速度，形成差速。但是加工精度要求高，较难实现预期的运动12。 曲柄摇杆：曲柄做圆周运动转化为平面的往复运动，结构简单，加工方便。 最终选择，决定使用曲柄摇杆。但是，由于曲柄摇杆无间歇的运动特性，单纯地采用曲柄摇杆机构可以实现的8字轨迹非常“瘦长”，这样小车轨迹的重复性不是很好，而且因其所需要的前轮最大摆角非常大，容易使小车转弯时发生倾覆，所以在这里还应添加补充设计间歇机构。此外，曲柄摇杆机构是将竖直平面内将旋转运动转化为周期性的往返运动，却无法将竖直平面的运动转向为水平面的运动，也无法控制前轮的转向，所以添加球头，将竖直平面的运动转化为水平面的运动，已达到小车转向的目的。3.3.2间歇部分间歇机构的主要功能是将主动件中的连续运动转化为从动件有停歇的周期或非周期性的运动。使用比较多的机构有：凸轮、不完全齿轮、棘轮和槽轮机构，下面就这几种比较和分析。 凸轮：摆角设计上有其优势，通过调整凸轮轮廓便于实现复杂的轨迹样式。不完全齿轮：配合完全齿轮使用。当不完全齿轮上的轮齿与从动齿轮的相啮合时，从动轮运动；当啮合分开时，从动轮静止，停歇比可控性较高，设计较灵活。但在啮合时，随着从动轮角速度的变化，机构将产生刚性冲击，且脱离啮合时，也会产生刚性冲击13。棘轮：具有单向间歇特性，多用于进给、制动、超越和转位分度等机构、且摩擦大，不适用于周期性的往复运动。槽轮：转位较快，效率较高。但不能保证转弯时的稳定性，且槽轮的转角大小不能调节，制造和装配的精度要求较高，难以保证。考虑到小车实际运转速度慢、轻载和重复性要求高的特点，不完全齿轮有着更为明显的优势，所以，选择不完全齿轮机构能够更好地实现小车转向过程中的间歇运动。3.3.3调节部分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14。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：0.520.0278mm。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3-4所示，1和3球头，2和4微调螺杆图3-4 双球头螺杆3.4驱动机构根据小车的运动原理和技术要求，初步确定可行的驱动方案有双轮驱动、差速驱动、单轮驱动，三种方案的对比和分析如下：双轮同步驱动：小车前进中会有轮子与地面打滑从而产生滑动摩擦，能量利用率因此而降低，行走时也会受到更多的约束，导致行走的轨迹误差变大；双轮差速驱动：虽然可以通过差速器能相应的减少摩擦，但单向轴承存在间隙，在主动轮和从动轮的切换过程中会出现误差导致运动轨迹有偏差，精确度较低16。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R=，向左转时R=（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。3.5底板和支撑架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3-5所示，图3-5 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，将支撑架横截面设计成T字型，边框的宽度为10mm，厚度为5mm，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3-6所示。 图3-6 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17。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130mm，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261.5mm，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3-7 底板实际俯视图3.6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86mm，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160毫米，厚度为5毫米，小车底板宽130毫米，长度为150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。第4章 轨迹模拟在前面第二章里已经设计好转向机构，但为了确保机构的可行性以及更远更稳地行驶，需要事先对轨迹模拟，本章主要是利用MATLAB中SimMechanics模块对8字型轨迹的模拟的分析和探讨。4.1基于SimMechanics的轨迹模拟 SimMechanics是将Simulink和Matlab结合起来对机械系统进行建模仿真的一个模块。主要运用牛顿定律的原理，结合模块图的建模将各种运动件和运动副连接起来进行建模和仿真，以完成对机构系统的分析和设计18。4.1.1 SimMechanics模块和功能SimMechanics是一个模块库，使用的环境为Simulink，具有特殊仿真性质。SimMechanics中的模块都是建立机构系统所必须的，刚度、联接和自由度都能有组织的联接表示成实际系统19。SimMechanics模块集由七个模块组成，如图4-1所示， 图4-1 SimMechanics模块组包含刚体子模块组（Bodies）、运动副模块组（ Joints）、约束和驱动模块组（Constraints & Drives ）、传感器和作动器模块组（ Sensors & Actuators）、力单元模块组(Force Elements)、辅助工具模块组（Utilities）、演示模块组（Interface Elements）。各模块组的组成和功能：（1）刚体子模块组（Bodies）：包含机械环境(Machine Environment)、机架（Ground）和刚体（Body）三个模块。机械环境是仿真定义一个环境，它包括维数、重力、约束求解器、分析模式、误差、可视化和线性化。机架只有一个连接端，另外一端固定。刚体有两个连接端，即主动端（输入端）和从动端（输出端），且具有几何和惯量的属性，可以定义质量、坐标原点、初始位置、角度和惯性矩等20。（2）运动副模块组（ Joints）：包含Disassembled Joints和Massless Connectors两个模块。其中对应的铰如下图4-2和4-3所示， 图4-2 Disassembled Joints模块组 图4-3 Massless Connectors模块组运用此模块组中的运动链可以将不同的刚体构件连接起来。（3）约束和驱动模块组（Constraints & Drives ）：如图4-4所示， Distance Driver: 设定两刚体坐标原点之间的距离 Angle Driver: 设定两刚体坐标间的角度 Linear Driver: 确定两刚体坐标间的向量差 Velocity Driver: 确定两刚体坐标间的相对线速度和角速度 Point-Curve Constraint:曲线约束 Parallel Constraint:平行约束 Gear Constrain:齿轮约束图4-4 约束和驱动模块组（4）传感器和作动器模块组（Sensors & Actuators）：主要用于与Simulink模块进行交换。包含模块如图4-5所示，图4-5 传感器和作动器模块组（5）力单元模块组(Force Elements)：模块和功能如下， Body Spring & Damper:两刚体间施加线性阻尼振子 Joint Spring & Damper:在两刚体在单自由度铰或转动铰处施加线性阻尼振荡力或力矩。（6）辅助工具模块组（Utilities）：包含Connection Port、Convert from Rotation Matrix to Virtual Reality Toolbox、Continuous Angle、Mechanical Branching Bar四个模块。(7) 演示模块组（Interface Elements）:包含Prismatic-Translationl Interface和Revolute-Rotational Interface两个模块。4.1.2仿真机构分析这里以机械系统中比较典型的机构平面四杆为研究对象，探讨如何用SimMechanics模块集进行机构运动分析。如图 4-6所示平面四杆机构（曲柄摆杆）的运动简图，图中各构件均为等截面圆钢（直径d=20m)，图示中的位置表示此机构最开始的位置和结构尺寸。图4-6 四杆机构尺寸图因为每个杆都是受到约束的，且二维平面内，每个杆的运动都是唯一的，即自由度为1。运用SimMechanics建立模型大概可按以下三个步骤去实施：由系统构件的相对位置，建立仿真模型；由每个构件的几何性质和物理特性，求出仿真所需的具体参数，并设置模型仿真参数；在Simulink环境中运行模型，动态地显示机构仿真结果。4.1.3建立仿真模型操作步骤包括：（1）新建模型，并保存。（2）从SimMechanics库中拖放需要的模块，并按一定的顺序连接，在Ground模块中设置机械环境。（3）搭建模块框图，建立如图4-7所示的模型图。图4-7 模型图4.1.4仿真参数设置（1）配置Ground模块，设置不同的参数，具体设置如下图4-8所示。（2）配置Jiont模块，并分别设置参数，如图4-9。按顺序打开Revolute参数对话框，Axis of rotationx,y,z都是0 0 1，Reference csys均为WORLD，保留此参数，观察到每个均顺序连接，并设置参数Number of senor。图4-8 Ground1和Ground2模块参数对话框4-9 Revolute1-4的模块参数对话框（3）配置Body模块，并分别设置参数(主要包括质量、长度、方向、重心位置和刚体的坐标系统)，如图4-10-1,4-10-2，4-10-3所示。图4-10-1 Body1质量和坐标数据图4-10-2 Body2质量和坐标数据图4-10-3 Body3质量和坐标数据4.1.5仿真结果输出（1）添加Joint Sensor模块检测运动，建立模型连接，如下图4-11所示。（2）添加Scop模块，设置仿真参数，运行仿真，结果如图4-12所示。图4-11 完整的模型图图4-12 添加Scop模块后运行仿真图4.2偏差分析上述仿真实例是分析的平面四杆机构，而本文小车的曲柄摇杆机构添加了球铰链，实际结构为空间曲柄摇杆，故不完全适用于本设计。但其实原理相似，从中可以知道无论是空间还是平面四杆机构的仿真，均是由最初的位置确定的。位置应该包括连接处的坐标、连杆相对机架的角度等21。然后对机构中的每个构件进行分析，最后确定机构的自由度（这里一般都是1），并在SimMechanics库中选择需要的模块，按一定的顺序将其连接成完整的系统模型图。当然，同时也要对相应的模块设置相应的参数，最后是添加传感器和SCOP模块将其运动仿真的结果以图形的形式显出来。第5章 三维建模及运动仿真通过前面几章的设计和分析，机构和参数已经大致明确，然而工程中，当需要加工出实物时，为了节省时间、降低加工成本，往往需要利用三维软件绘制实体零件图和整体装配图，以确保机构的可行性和装配中可能遇到的问题得以更好地解决，也能确保实物加工的进度和精度。如果涉及到运动的机构，还须做部分机构的运动仿真，保证机构的运动特性22。5.1三维建模本设计时采用的三维软件是Proe,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）。5.1.1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 小车结构尺寸结构名称基本尺寸材料、制造方式不完全齿轮小齿轮模数m=1，压力角=20，宽度=5mm齿数z=33,铝合金线切割大齿轮齿数z=68传动机构小齿轮齿数z=19大齿轮齿数z=99后轮轴直径=6mm,长度=160mm铝合金车削驱动轴直径=6mm,长度=128mm后轮直径=160mm,厚度=5mm支撑杆直径=5mm,长度=500mm连杆直径=4mm,长度=86mm前轮外径=30mm,内径=10mm铝合金、铣削5.1.2基于Proe的三维建模Proe建模的一般步骤：(1)建立并选取基准（基准面、基准轴和基准坐标系等）作为参照；(2)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Proe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，1-底板，2-右后轮，3-传动（大）齿轮，4-导轨，5-滑轮，6-不完全齿轮，7-前轮图5-1 小车装配图5.2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23。基于PROE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24。5.2.1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25。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5.2.2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5.2.3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-SimMechanics 模块实现转向机构的轨迹仿真，模拟出比较接近的8字型轨迹，通过参数的设置，分析和比较，确定最为合适的参数，最后明确各机构尺寸的大小和材料。再使用PROE实体建模，装配机构零件图，实现部分运动仿真，验证前期机构设计的合理性，以保障实物的加工，降低成本。本文最大的难度在于空间四杆机构的轨迹仿真和不完全齿轮的机构运动仿真。MATLAB中的SimMechanics模块的学习和熟悉度还不够，未形成定量的计算，只是定性的分析了仿真的方法，从而更加明晰了小车的转向原理。同时，本文的不足之处包括，机构的设计分析还不够明细和到位。由于时间的紧迫和知识的浅薄，大多都是定性的分析，没有定量的计算，可能存在设计结构的选择不是很好，一些细微的结构设计没过多的阐释理由。轴类没有通过严格的刚度校核，轨迹模拟也存在很大的偏差，只能选择更为接近的理想轨迹确定参数，机构大多通过实现的功能借鉴历届的效果而选择的，也未考虑太多实物加工的难度和精度，导致加工的实物与理想的存在很大的偏差，这可能也是导致轨迹没法实现预期效果的原因之一。但是，通过本次设计和论文的撰写、图纸的绘制和软件的学习，比较系统的熟悉了无碳小车的结构和运动系统，并且更加熟练了二维软件CAD的使用，也基本学习了三维PROE和MATLAB的常用功能，重新温习了以前学习的一些机械知识。整个过程中，也提高了自我思考、发现问题、分析和解决问题的能力。参考文献1Devdas Shetty,Lou Manzione.Survey of Mechatronic Techniques in Modern Machine DesignJ.Hindawi Publishing Corporation，11(2012).2Paul L, Chandler，Dean J. Counting the losses in very high efficiency machine design for renewable energy applicationsJ. Renewable Energy，22(2001) 143150.3吴新良，刘建春.重力驱动的避障小车设计与制造J.机械设计，2014,31（10）：2528.4豆龙江，詹长庚，庞晨露.无碳小车的机械结构设计J. 机械工程与自动化，2014（2）.5朱孝录.机械传动设计手册M.北京：电子工业出版社，20076王建军，朱海龙.无碳小车转向控制机构数学模型的建立J.机电一体化，2014,20 (2).7吴朝春.无碳小车的机构与运动分析J.电子制作刊，2013（13）.8王伟.浅析无碳小车设计的原理与方法J.华人时刊，2012,8（下）.9曹斌等.基于槽轮机构的8字轨迹无碳小车设计J.合肥工业大学报，2014,37（6）.10赵亮，吴军，郑小军.纯机械传动无碳小车创新设计J.科技信息刊，2013 (2).11张克跃.理论力学M.中国铁道出版社，2004（07）:19102.12张磊.一种无碳小车的设计与性能分析J.电子制作，2013（9）.13陈晓东.无碳小车的设计、制作与创新实践J.实验室研究与探索，2013,32（12）.14胡红英，于金普.无碳小车结构设计与分析J.大连民族学院学报，2013,15 (5) .15张宝庆，肖富阳.重力势能小车“轨迹法”创新结构优化设计J.机械传动，2012,36 (3) .16徐岩，佟岳军，陈彦国.自动绕障无碳小车的设计J.现代企业教育，2012 (21) .17伟松，梁倩，王强.一种无碳小车的优化设计J.科技与企业，2014 (5).18杜磊，叶海.无碳小车的能耗规律与稳定性分析J.硅谷，2013,6（10）.19胡越铭.基于凸轮机构的8字形无碳小车创新设计J.北方工业大学报，2014，26 (1).20卞玉帅，陈正强，晁兴旺.无碳小车轨迹建模与参数优化J.科技视界，2013 (33).21付兴建.控制工程数学基础_教学中Matlab仿真的辅助应用J.科技信息，2010 (16).22郗浩杰.无碳小车绕8字的创新设计与仿真J.科技创新与应用，2013（26）.23杨树川.基于SimMechanics的机构运动分析与仿真J.河北工业科技,2011 (4).24张玉航，黄力.8字绕障无碳小车转向系统的设计J.科技创新导报，2014（13）：8789.25王文君，袁新梅.8字形轨迹无碳小车的创新性设计J.中国机械报，2013（17）.致谢首先由衷地感谢唐黔湘老师精心为我拟定本次论文设计命题。而且主要是在唐老师的耐心指导和本专业同学的帮助下完成的。论文进行中，唐老师定期给我们小组安排任务，并分批查收和指正。给与我们适当的指引而又激发我们的主动性，很好的把控了每个阶段的学习和任务，而我们依照他的指示认真的完成作业，整个过程也相对比较轻松，得以顺利而圆满地完成毕业论文。感谢唐老师为我们的精心设计和付出，他严谨的治学态度、追求创新的进取精神是我学习的榜样。此外，也衷心地感谢我们专业的老师，是您们教予我专业的知识，授予我专业的技能，让我在大学期间，学到了一技之长，才有基本的资格参与社会去工作。也感谢所有敬业在教师职位上的老师，是您们教育我们学生做人做事，成长成才，您们辛苦了，老师！ 当然，在这其中，也必须感谢一直陪伴我左右的同学，无论是在这次的毕业设计还是平日的学习中，我们互相探讨、互相学习的乐趣无处不在，不懂的相互询问，一起解答疑难，没解决一个问题都是我们共同努力的成果，我们在学习中成长，在成长中快乐。同时，也感谢我的舍友们，在生活上和学习上给予的帮助，我们朝夕相处，无话不说，失落或高兴都有你们相伴，从此不再孤单，因为分享而更加快乐，因为分担而更加释怀。感谢你们的陪伴，让我的大学生活更加丰富多彩。最后，衷心地感谢为本次毕业设计而付出辛勤劳动的各位老师，您们的意见和批评都是我需要改正的地方，我将虚心接受并校正，谢谢！