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無碳小車設計與仿真
目錄
摘要： 3
Abstract： 4
第1章 設計背景和研究意義 6
1.1 設計背景 6
1.2 研究意義 6
1.3 太陽能的應用實例 6
1.3 重力勢能的應用實例 7
第2章 無碳小車的設計概述 10
2.1畢業(yè)設計的命名主題 10
2.2 無碳小車功能設計要求 10
2.3 無碳小車的整體設計要求 11
2.4 無碳小車的設計方法 11
第3章 無碳小車結構方案的設計 13
3.1 整體方案分析 13
3.2 局部方案的技術分析 14
3.2.1 驅動機構 14
3.2.2 傳動機構 15
3.2.3 轉向機構 16
3.2.4 行走機構 17
3.2.5 微調機構 17
3.2.6 無碳小車車體分析 17
3.3 方案草圖的建立及原理 18
3.4 無碳小車材料選擇 19
第4章 無碳小車運行理論計算基礎 19
4.1無碳小車參數(shù)的確定 19
4.1.1無碳小車運行軌跡理論參數(shù)分析 19
4.1.2動態(tài)力分析 19
4.1.3傳動機構及行走機構參數(shù)確定 21
4.1.4 轉向機構參數(shù)的確定 22
第5章 建立小車的虛擬樣機模型 25
5.1 無碳小車的整體虛擬樣機模型 25
5.2 無碳小車主要結構3D模型 27
第6章 無碳小車Pro/e動態(tài)運動仿真與優(yōu)化 30
6.1 Pro/e機構運動分析模塊功能 30
6.2 無碳小車動態(tài)運動仿真的流程圖： 32
6.3 無碳小車動態(tài)運動仿真 33
6.3.1無碳小車理想狀態(tài)動態(tài)仿真 33
6.4 無碳小車的優(yōu)化設計 43
6.5 無碳小車仿真優(yōu)化設計后數(shù)據(jù)結果 45
第7章 設計總結 47
7.1 分析設計仿真過程的失誤 47
7.2 實際樣機的展望 47
7.3 無碳小車的應用意義 48
參考文獻 49
致謝 50
摘要：
本次畢業(yè)設計課題要求是設計一個節(jié)約型能源的綠色無碳小車，無碳小車的設計與制作，重在倡導無碳的行為。根據(jù)能量轉換原理，給一定重力勢能，利用重力勢能轉化為機械能，驅動具有方向自動控制功能的小車行走。畢業(yè)設計目的主要是完成無碳小車的結構設計，仿真優(yōu)化設計，在兩米寬的跑道上，小車前進的總距離和繞過的間隔一米障礙物的個數(shù)作為衡量的設計成功與否的重要的標準。作品的設計力求做到系統(tǒng)性、規(guī)范性和創(chuàng)新性，充分體現(xiàn)工程意識。本次設計主要采用機械系統(tǒng)設計方法進行形體分析和設計，在對設計任務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。通過對小車的功能分析得出清晰開闊的方案設計思路。
為了便于對無碳小車整體結構的設計，我把小車的整個系統(tǒng)分為六大模塊：驅動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構、車體。然后進行模塊化設計，利用Triz理論發(fā)散性思維方式對各個模塊進行分析，并提出多種方案，經(jīng)過綜合分析對比各種方案的優(yōu)缺點選擇出最優(yōu)的方案組合。整體的方案如下：
驅動機構：錐形軸
傳動機構：單級圓柱直齒輪
轉向機構：正弦機構+搖桿
行走機構：單輪驅動
微調機構：滑槽式
車體：三角形
為了使小車在行駛過程中更穩(wěn)，前進距離更遠，采用仿真優(yōu)化設計的方法對小車的外形尺寸進行優(yōu)化，利用Pro/e仿真軟件模擬無碳小車在自然重力作用和合外力（地面滾動摩擦阻力、內部連接摩擦力）作用下，小車在地面上能夠運行的最遠軌跡，并分析影響小車運動性能的關鍵因素，進而優(yōu)化出更好的結構方案，然后加以改進，使小車的運行軌跡更加穩(wěn)定，直線性更好。
關鍵詞：無碳小車；綠色能量；參數(shù)化設計；仿真優(yōu)化技術
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 設計背景和研究意義
1.1 設計背景
能源枯竭是目前世界各國面臨的嚴峻問題之一，這也成為制約部分地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的首要因素。在發(fā)達國家，交通運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)，而我國雖說地大物博，可是可以利用的資源日益急缺，交通運輸業(yè)已經(jīng)成為我國能源消耗增長最快的行業(yè)之一，這些導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)展社會的基本要求。
根據(jù)資料報道：我國各類交通運輸工具，輕型汽車、重型柴油車、摩托車乃至游艇、飛機相對發(fā)達國家的排放標準相差甚遠，大部分屬于高能耗，高排放的機器。針對這一嚴峻形勢，我國探索新能源交通工具刻不容緩。同時，由于我國人口眾多，能源人均量相對匱乏，針對目前形勢的需要，我國正努力往資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會主義道路前進。堅持可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。
1.2 研究意義
無碳小車的設計最主要的目的在于樹立人們的低碳理念，把低污染、低能耗、低排放作為現(xiàn)實生活的標準。無碳小車的設計與制作，重在把無碳的行為深入人心，真正做到節(jié)能減排的目的只有在我們的科技創(chuàng)新達到一定的應用水平，并在綠色能源不斷突破，這樣我們才會走向可持續(xù)發(fā)展的軌道上。此次無碳小車的設計制造意義在把綠色能源的應用層面推向更深一層。而能夠實現(xiàn)綠色無碳有多種方式可實現(xiàn)，比如：太陽能應用、重力勢能的應用、彈力勢能的應用、風能的應用、海洋勢能的應用等等。
1.3 太陽能的應用實例
鑒于世界范圍內的能源問題和環(huán)境問題，現(xiàn)在全球世界各國都在實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想，太陽能是一種無污染、取之不盡,用之不竭的清潔能源,太陽能的開發(fā)與利用毫無置疑將被推上一個新的高度。
太陽能源技術的成熟,太陽能的開發(fā)和利用逐步融入人們的生產(chǎn)和生活中。討論太陽能利用技術及其發(fā)展趨勢,對太陽能利用的理論研究和實踐研究的太陽能利用率具有重要的意義。太陽能的廣泛應用可以解決我國資源緊缺的情況，從深層角度去看，太陽能開發(fā)利用使我國逐步向社會主義生態(tài)文明新時代靠攏，加快中國能源可持續(xù)發(fā)展道路步伐。下面大致列舉太陽能應用層面上比較成熟的技術：
1. 太陽能熱水器的應用
太陽能光熱轉換是太陽能利用中最常見的基本形式之一，將太陽輻射能轉化為熱能是太陽能熱利用的本質。光—熱轉換的原理就是通過太陽加熱水箱中的水，然后利用儲熱水箱把熱水儲存以備使用。太陽能熱水器也稱為太陽能熱水系統(tǒng)，實現(xiàn)熱水器功能的兩個關鍵技術在于“集熱器”和“儲熱水箱”。太陽能集熱器主要包括“聚光集熱器”和“平板集熱器”，“平板集熱器”是一種不聚合太陽光線的集熱器，它采集太陽輻射的面積和吸收太陽輻射的面積相等，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，針對這一現(xiàn)象，要使太陽能提供更高的溫度條件，我們又新開發(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能熱水器，即使在陽光不充足的情況下也能集熱，這就解決天氣方面的問題。
2. 太陽能空調制冷技術的應用
太陽能空調制冷系統(tǒng)主要由三大系統(tǒng)組成：太陽能集熱器、熱驅動制冷裝置、輔助熱源。它的工作方式主要有兩種形式：首先實現(xiàn)光電轉換的功能，再利用電力驅動制冷系統(tǒng)工作，這種工作方式原理比較簡單、易于實現(xiàn)，而且成本高。其次直接利用集熱器采集到熱能進行驅動制冷，雖然中間的電力驅動流程，但是這種制冷技術要求高，不過利大于弊，此技術成為低，無噪音和污染。
3. 太陽能電池的應用
隨著光伏技術的發(fā)展，近期將以高吸收效率的硅電池為主，然后逐漸過渡到薄膜太陽能電池的發(fā)展。相對之前的太陽能電池，薄膜太陽能電池具有材料獲取資源豐富，且成本低等特點，隨著研發(fā)力量加大投入，薄膜電池將會有重大的突破，從而促使光電池得到極大的改善。
1.3 重力勢能的應用實例
對于勢能的利用，從古代一直延至今日。在中國淵源流傳的文化中，有許多關于“勢能”的言論，這些與現(xiàn)代咱們所認知的“位能”在一定程度上是相同的。而且“勢能”的概念在中國文化領域中已經(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水平的局限性，勢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，對于勢能的研究也取到了很大的成果，使得勢能的應用逐漸走入我們的日常生活，給我們生活提供方便的同時也凈化了環(huán)境。下面就來大致介紹勢能的應用實例：
1. 重力電燈的發(fā)明
英國人克雷-毛爾頓發(fā)明制造重力電燈，重力燈是利用重力勢能作為能源的環(huán)保燈。它的工作原理是通過懸掛著重物儲蓄重力勢能并產(chǎn)生動力源。重力燈下端配備有一個繩子，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能轉化為電能。這種重力電燈只有在有星球萬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山區(qū)貧困村莊。
2. 非自然重力勢能發(fā)電
咱們中國的三峽水利發(fā)電站便是利用大壩將水蓄起來，然后在大壩處飛瀉而下，帶動發(fā)電機。雖然經(jīng)過一系列的復雜轉換，但是其電能的根本來源是水的重力勢能。
3. 利用重力勢能為自動扶梯節(jié)約電能
自動扶梯的上行和下行是獨立運行的，這樣在下行的過程中重力勢能就完全浪費了，而且還要能量來控制下行的勢能。這樣就更加大了用電量。為了節(jié)約電，將原來提供下行的電機去掉，通過聯(lián)軸器和換向器將上行和下行扶梯連接在一起，變成有同一電機驅動的系統(tǒng)。這樣就大大減少了電機的輸出功率，從而達到了省電的目的，同時還可以減少電機的維護費用。自動扶梯的安全性能也沒用發(fā)生變化。利用重力勢能使自動扶梯節(jié)電的方式，既節(jié)約了能源，緩解能源不足的壓力，而且?guī)砹撕芎玫慕?jīng)濟效益。
4. 重力勢能在水循環(huán)系統(tǒng)的使用
如下圖為重力勢能在水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理圖：
圖1-1 水循環(huán)系統(tǒng)原理圖
設計循環(huán)水系統(tǒng)的大概流程:根據(jù)用水設備全部開啟時，即滿負荷狀態(tài)的用水量，管道阻力，水的流量及揚程等實際條件來選擇水泵?？墒菍嶋H工作的環(huán)境中，大多數(shù)用水設備在同一時間開啟的可能性比較小，即使同時開啟，也不是滿負荷的狀態(tài)，因此就會造成電動機輸出更多無用功，能源利用率低，即能源的浪費。針對這類能源浪費的現(xiàn)象，我們采取巧妙的措施，在循環(huán)水系統(tǒng)中引入“重力勢能轉換節(jié)約電能裝置”，減少了不必要能源浪費。重力勢能轉換節(jié)約能源裝置實現(xiàn)的功能是:將循環(huán)水系統(tǒng)由房頂?shù)睦鋮s塔到水泵進口的高度形成的重力勢能轉化為水的動能，從而達到節(jié)約電能的目的。
無碳小車的創(chuàng)新性設計主要意義在于推動綠色能源的應用進入更高的層次，目的在于將低碳理念傳播到每個人的心靈深處。
第2章 無碳小車的設計概述
2.1畢業(yè)設計的命名主題
本次畢業(yè)設計命名主題為“一種無碳小車的創(chuàng)新設計與仿真優(yōu)化分析”，命題能促進學生工程意識的提高，命題內容體現(xiàn)“創(chuàng)新設計能力，機械加工工藝，仿真優(yōu)化分析”三個方面的要求。
2.2 無碳小車功能設計要求
圖1-1 無碳小車示意圖
圖1-2 無碳小車運行軌跡圖
如上圖1-1小車示意圖：根據(jù)能量守恒定律，給一定重力勢能（用普通碳鋼的重塊，質量為1kg，鉛垂下落差為400mm來獲得），設計一種“以重力勢能驅動具有方向控制功能的無碳小車”，該小車能夠在行駛的過程中有規(guī)律避開水平的平面上每隔1米設置一個彈性圓棒障礙物（如上圖2小車運行軌跡圖） 。保證小車行走的過程重物隨車平穩(wěn)的行走而不掉落，要求小車行走的過程中所有的動能均由重物的重力勢能獲得，不得借用其他形式的能量。
小車底板結構設計采用三輪結構，即2個驅動輪，1個轉向輪。細節(jié)上的結構只能根據(jù)學校現(xiàn)有材料、機床以及加工工藝的難度進行設計。
2.3 無碳小車的整體設計要求
小車設計過程中需要完成的任務分解：機械結構設計，數(shù)學建模，實體建模，機構的動態(tài)仿真和優(yōu)化分析，工藝方案設計，經(jīng)濟成本的分析和工程管理方案的設計。工程管理要求綜合材料、加工工藝可行性、成本等各個方面的因素做出合理的規(guī)劃。
整體設計要求：
1) 小車結構設計簡單，轉向精確，能量轉換充分，能量損耗少；
2) 選材合理，經(jīng)濟性好，達到了設計預期目標；
3) 小車運行軌跡穩(wěn)定，行程遠，直線性好。
無碳小車的結構設計要堅持的原則:
1) 總重量要輕，整車的重心要低；
2) 結構上要簡單，便于加工；
3) 要有足夠的剛度，振動??；
4) 微調機構的設計保證操作調整方便靈活。
2.4 無碳小車的設計方法
首先要明確命題的要求，其次對命題做出詳細的分析得出清晰的設計思路。本次設計主要采用機械系統(tǒng)設計方法進行總體分析和設計，利用機械系統(tǒng)設計的方法，站在全局的角度上進行靜態(tài)設計和動態(tài)設計，整體把握加工工藝合理性和經(jīng)濟節(jié)約，在設計任務和目的總體把握的情況下，進行小車車體、傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、方向微調系統(tǒng)、重力勢能轉化系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的設計。
為了使小車在行駛的過程中更加穩(wěn)定，前進的距離更遠，采用參數(shù)設計、優(yōu)化設計的方法對小車零部件尺寸進行優(yōu)化。得出比較合理尺寸后，運用三維設計軟件Pro/e進行實體建模，將小車的所有零件進行裝配以完成無碳小車的整體結構設計，然后運用pro/e機構中動態(tài)分析功能進行運動仿真，通過設置各種環(huán)境因素（材料賦予、執(zhí)行電機、重力、連接處阻尼，輪子與地面的摩擦阻力），經(jīng)過動態(tài)分析結果得出小車軌跡，驗算參數(shù)設計的軌跡是否跟仿真軌跡一樣，如果有偏差，通過四桿機構的微調機構，適當修改曲柄的尺寸，直至仿真的軌跡符合設計要求的運動軌跡。
如下圖3是設計小車整體思路及流程：
圖2-3 無碳小車設計流程圖
第3章 無碳小車結構方案的設計
3.1 整體方案分析
通過對畢業(yè)設計任務要求及目的的剖析，利用發(fā)散性思維方式，把實現(xiàn)小車功能的各種可能方案一一列出，為了方便設計，可以將能實現(xiàn)小車功能細分為：驅動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構五個模塊。下圖4為無碳小車設計的思維導圖：
圖3-1 無碳小車結構方案設計思路
在選擇各個模塊方案時，要從實際情況出發(fā)，充分考慮實際學校的機床設備，材料的獲取，制造成本以及實際加工工藝的可行性等等。同時，在選擇方案時，要盡量避免主觀因素，多向同學、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現(xiàn)的各種因素：
圖3-2 影響功能實現(xiàn)的因素
3.2 局部方案的技術分析
3.2.1 驅動機構
根據(jù)命題要求，重物下降的重力勢能轉化為小車的動能，驅動小車行走，驅動機構就是實現(xiàn)這一功能的。小車要平穩(wěn)的行走，對于驅動力矩有一定的要求，在剛剛啟動瞬間，由于受到內部和外部靜摩擦力的作用，所需要的啟動力矩比較大，車子平穩(wěn)運行后車子受到總的動摩擦力不變，這時就需要控制驅動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行，摩擦阻力不一樣，勻速運行時需要的驅動力矩也是不一樣的。綜上所述實現(xiàn)小車驅動功能可以采用：
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
驅動力矩
1. 小車剛剛啟動時，繩輪的轉動半徑大，啟動力矩大，有利于啟動
2. 啟動后，繩輪半徑變小，驅動力矩隨之變小，小車轉速增大，當驅動力矩和小車和外力平衡后，小車勻速運行。
3. 當重物距離小車底板很近時，繩輪半徑再次變小，驅動力矩小于總合外力，這時小車減速運行，直至重物落到小車的底板。
3.2.2 傳動機構
傳動機構實現(xiàn)的功能是把能量傳送到后輪和轉向機構，若要使小車運行軌跡更長，并按預先設計的軌跡行走，那么傳動機構的傳動效率必須很高，而且結構簡單。分析上述所提出的傳動機構的幾種方案：
1. 直齒輪傳動：
優(yōu)點：傳動效率高；
傳動比大且穩(wěn)定；
傳遞扭矩大；
結構簡單。
缺點：重量大；
傳動距離較??；
2. 帶傳動、鏈傳動：
優(yōu)點：傳動平穩(wěn)；
結構簡單；
緩沖吸震；
缺點：傳動精度不高；
傳遞效率低；（摩擦力大）
3. 不用附加傳動：
優(yōu)點：后輪驅動力矩和轉向機構的動力來源直接由繩輪軸生成，結構是
最簡單的，而且傳動效率最高。
缺點：整車的布局上不好控制，中心容易偏移。
綜上論述：從實際情況出發(fā)，立足于加工工藝的可行性，選擇齒輪傳動最合適
3.2.3 轉向機構
轉向機構的功能是控制小車自動繞障礙物行走，是無碳小車的兩大模塊之一，控制的是正弦運行軌跡的振幅大小。同樣地，轉向機構也要保證結構簡單，摩擦阻力少。重要的是具有特定的運動特性，確保小車的前輪能夠均衡左右擺動，即運行軌跡上下振幅一樣。對上述提出的幾種轉向機構的方案分析：
1. 凸輪+搖桿：凸輪從動機構是通過具有一定凹槽和曲線輪廓的凸輪運轉控制從動桿件按一定的規(guī)律往復運動。
優(yōu)點：知道從動件的運動規(guī)律后，很快就可以設計出凸輪形狀，而且結構簡單，設計方便，制造容易（線切割加工很快）。
缺點：微調機構設計上不容；重量比較大；由于存在高副，能量損失大。
2. 空間曲柄搖桿機構：
優(yōu)點：機構簡單，易于設計制造，必須保證機構無急回特性。
缺點：微調機構方面比較難以把握，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：設計計算容易，制造方便，可以把曲柄的長度設置成微調機構，從而控制運行軌跡的幅值。
缺點：連桿水平往復運動跟“支撐架”存在面摩擦，轉速高時還會引起較大動載荷和振動，因此機構適用于速度低的系統(tǒng)。
4、差速轉彎
原理：利用兩個偏心輪作為驅動輪，“繩輪”提供原動力，兩輪的角速度一樣，轉動半徑不一樣，使得兩輪子的線速度不一樣，從而產(chǎn)生差速，小車通過兩輪的差速實現(xiàn)繞障礙物行走的功能。差速轉彎機構理論上是實現(xiàn)小車運行軌跡最遠的方案，但是加工精度要求很高，不容出現(xiàn)任何偏差，而且微調機構的設計比較難。
綜上幾種轉向機構方案的優(yōu)缺點分析可以選擇出最優(yōu)的方案:
曲柄連桿+搖桿（曲柄的回轉中心必須和搖桿在同一水平面上）。
3.2.4 行走機構
行走機構控制小車運行正弦軌跡的周期，是通過兩個后輪是驅動實現(xiàn)的。由于小車是沿著正弦曲線軌跡行走的，拐彎的時候必定存在差速，針對這種情況可以選擇“雙輪差速”驅動，單輪驅動。若是曲線斜率比較小可采用雙輪同步驅動。從加工的難易程度以及經(jīng)濟成本分析應該選擇單輪驅動比較合適。
3.2.5 微調機構
小車加工制造過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，就不得不設置微調機構了。微調機構就相當于一個小車系統(tǒng)的控制部分，控制小車的運行正弦軌跡的幅值、周期、方向，使小車走一條最優(yōu)的軌跡路線。
微調機構可采用：微調螺母方式、滑塊式。鑒于轉向機構采用曲柄連桿+搖桿方式，所以在曲柄處設置微調機構比較容易方便。下面論述會有相關圖片展示。
3.2.6 無碳小車車體分析
小車的底板和軸的支撐座就好比于一個完整機器的外殼，它們既是其他局部構件的支撐件，同時也是各局部構件的相互聯(lián)系、相互制約的樞紐，車體設計的好壞以及加工制造精度會間接影響小車整體的功能，嚴重的會導致小車傾覆不能行走。因此，其結構必須設計合理巧妙：
1、各個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，防止小車行走過程晃動。
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，把選擇出局部機構方案進行組裝，然后利用機械系統(tǒng)設計方法把整體結構方案草圖畫出：
圖3-4 無碳小車整體結構草圖
驅動機構→重物+棉繩+繩輪
傳動機構→小齒輪+大齒輪
轉向機構→曲柄轉盤+T型連桿+搖桿（控制方向和正弦軌跡振幅）
行走機構→兩個后輪+前輪（控制正弦軌跡周期長度）
微調機構→曲柄+曲柄轉盤
原理是：驅動機構提供原動力，一部分傳給行走機構驅動小車往前行走，一部分傳給齒輪傳動機構把扭矩傳遞到轉向機構（曲柄連桿+搖桿）控制小車周期性轉換方向，當小車行走的運行軌跡振幅偏小或者偏大時，這時微調機構就起作用了，通過調節(jié)曲柄的長度，直至小車的運行軌跡最優(yōu)化為止。
3.4 無碳小車材料選擇
根據(jù)上述對小車的功能分析知：小車的總體重量要輕，要有足夠的剛度，振動要小。從學校的現(xiàn)有的機床和材料出發(fā)，選擇材料類型為：鋁合金。既保證整車重量輕，也能達到一定強度和剛度要求。
第4章 無碳小車運行理論計算基礎
4.1無碳小車參數(shù)的確定
4.1.1無碳小車運行軌跡理論參數(shù)分析
根據(jù)無碳小車行走示意圖2，假設小車的行走軌跡為正弦函數(shù)：
y=0.35sinπx (單位m），
小車運行的軌跡幅值A：0.35m，周期T：2m
對軌跡曲線求導得：y＇=0.35πcosπx
此方程即為小車在各個軌跡位置轉角的正切值大小。通過實驗模擬可以得到前輪的最大轉角大約為36°,此正弦函數(shù)一個周期的軌跡長度可用積分求得
一個周期的軌跡路徑為L=2433mm,也就是曲柄軸（輔軸）回轉一周，搖桿前后往復擺動一次，后輪前進2433mm,用數(shù)學公式可以表達為：
其中為曲柄上的齒輪到驅動軸上的齒輪的傳動比、d為后輪直徑。
和d之間的函數(shù)關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動態(tài)力分析
1. 力分析
為了全面的理解小車的各個參數(shù)變化對小車繞樁個數(shù)的變化的影響，下面針對：
（1）輪子的半徑；
（2）小車與地面的滾動摩擦系數(shù)；
（3）小車的重量；
（4）小車的能量轉換效率；
四方面進行動態(tài)運動學分析，從而初步確定驅動機構和曲柄搖桿機構的參數(shù)。
假設后輪受力示意圖如下：
P0：小車的總重量
N0：地面對小車的支撐力
F0：小車的驅動力
M：小車的驅動扭力
D：小車后輪直徑
d：小車繩輪直徑（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和滾動摩擦阻力。
滾動摩擦阻力：物體在另一物體上滾動時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，用滾動摩擦力矩來度量受到的阻力大小。滾動摩擦力矩的大小M和支承力N成正比關系。即M＝KN（K為滾動摩擦系數(shù)）。滾動摩擦系數(shù)具有長度的量綱，它的實際意義相當一個力臂，滾動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 (假設傳遞過程不計能量損耗)
2. 力約束
小車能夠平穩(wěn)勻速行駛，就要克服運行組里的最小值和不打滑的最大值。
1) 運行阻力：①（小車的啟動加速度）
②靜阻力（包括基本阻力、彎道阻力）
基本阻力=(w為運行阻力系數(shù)，約為0.01)
2) 地面對無碳小車的滾動摩擦阻力：
(f為滾動摩擦阻力系數(shù)，f與輪子材料和地面的材料有關，一般材料的滾動摩擦阻力系數(shù)為0.1～0.8)
無碳小車不打滑的條件：
3. 做功分析：
假設：
S：小車運行軌跡路程（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，驅動力F0越小越好，且后輪直徑越大越好。
4.1.3傳動機構及行走機構參數(shù)確定
經(jīng)4.1.2動態(tài)運動學分析，表1中的齒輪傳動比i和后輪直徑d之間的關系可以選擇：
這樣滿足一級變速傳動，傳動比較小，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，這樣可以提高傳動精度，彌補齒輪制造精度的誤差。（齒輪是用線切割加工）
經(jīng)過分析，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 轉向機構參數(shù)的確定
轉向機構要實現(xiàn)前輪左右周期性擺動，采用對心曲柄連桿+搖桿機構，通過曲柄的勻速轉動控制搖桿前后等幅度擺動。對心曲柄滑塊機構具有無急回的運動特性。此次轉向機構設計采用對心曲柄滑塊的演變機構形式：正弦機構（具有兩個移動副）。
原理圖如下表示：
正弦機構
圖4-2 轉向機構運動示意圖
從動件T型連桿的前進位移和曲柄長度R以及轉角關系為
根據(jù)假設的正弦運行軌跡實驗模擬可以估摸出前輪的轉角大約擺動360，即搖桿的相對于平衡位置的擺動大小大約為180。曲柄在勻速轉動的過程中，T型連桿有兩個極限位置B、C。
當連桿在左極限位置B和右極限位置C時，連桿的滑動距離S等于曲柄半徑的長度R,即 S=R
為了給后期的虛擬樣機建立和仿真優(yōu)化設計做準備，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，可以預先假設：
搖桿c的長度為：c=58mm
連桿d的長度為：d=132mm
由小車運動分析示意圖知：
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，在曲柄轉盤處設置了滑塊式微調機構，通過調節(jié)曲柄的長度控制小車的運行方向及正弦軌跡的幅值大小。
綜上轉向機構參數(shù)的論述分析，初步估算出轉向機構的尺寸：
搖桿c=58mm
連桿d=132mm
曲柄R=20mm
第5章 建立小車的虛擬樣機模型
5.1 無碳小車的整體虛擬樣機模型
據(jù)上述提出的整體方案設計并且做出大致結構示意圖，小車關鍵局部機構的數(shù)學建模得出估算的尺寸，然后進行小車Pro/e三維模型的建立。建模的思路：
①首先對無碳小車的各個零部件進行結構設計和三維模型的建立；
②然后將各個零件裝配成構件、組件；
③再最后將構件、組件組裝成一個整體的無碳小車系統(tǒng)。組裝的過程中再對部分零件的結構尺寸進行優(yōu)化，使小車視覺上看起來更加美觀，加工工藝更便于設計。
下圖為根據(jù)結構草圖建立起來的無碳小車虛擬樣機模型：
圖5-1 無碳小車總裝配圖
5.2 無碳小車主要結構3D模型
重物
棉繩
后輪
曲柄軸
曲柄轉盤
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
曲柄轉盤
連桿
搖桿
大齒輪
前輪
曲柄轉盤
曲柄
連桿
搖桿
曲柄圓盤
曲柄
無碳小車的整體結構設計主要分為五大模塊：
1. 驅動機構：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分）
2. 傳動機構：小齒輪+大齒輪（紅褐色部分）
3. 轉向機構：曲柄軸+曲柄轉盤+連桿+搖桿（金黃色部分）
4. 行走機構：后輪+前輪（黃色部分）
5. 微調機構：曲柄+曲柄轉盤（紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉盤的滑槽內滑動）
第6章 無碳小車Pro/e動態(tài)運動仿真與優(yōu)化
6.1 Pro/e機構運動分析模塊功能
（1）模擬現(xiàn)實中作用力：
利用機構動力學模塊，可以確定設計的虛擬樣機在重力和合外力作用下所做的反應。由于不用做出實物樣機就可以進行分析優(yōu)化并預言整個機械系統(tǒng)的性能和運行狀態(tài)，在設計階段及早洞察出產(chǎn)品的性能，并經(jīng)過細致優(yōu)化設計預言機械性能。因此設計員可以制造出更優(yōu)質的產(chǎn)品，同時節(jié)省時間和金錢，因為當設計師真正建立實物樣機時，由于已經(jīng)通過虛擬方式完成了一系列嚴格的測試，實物樣機的質量更加高了。
（2）設計和分析同步進行：
Pro/e機構動力學模塊利用了Pro/e的整套集成工具，這意味著設計和分析之間將不存在由于數(shù)據(jù)轉化而產(chǎn)生的錯誤。此外，由于圖形用戶界面與在Pro/e設計產(chǎn)品時所用的界面相同，因此，使用Pro/e MDO的工程師已對界面很熟悉。而且Pro/e MDO 能夠“識別”Pro/e 的模型，因此，設計員無須浪費時間來準備要分析的模型，實施工程變更后，設計員只需要重新運行分析，從而能以更快的速度生成更高質量的模型。
（3）探索真實世界的運動規(guī)律：
Pro/e中的機構模塊可以模擬實物樣機在重力、摩擦力、彈力等外力作用下的動力學分析，從而輕而易舉測量計算出執(zhí)行電機的位置、速度以及整個機構的所有零件的運動學關系式，如此一來既可以減少很多數(shù)學模型的計算，還可以很直觀的觀察到機構的動態(tài)情況。
將電機的運動學關系以表格數(shù)據(jù)形式輸出到電子表格，用來作為下步分析優(yōu)化，將優(yōu)化出的圖形軌跡結果跟實際進行比較驗證。
（4）利用高級運動分析更加靈活地研究復雜的實際情況：
這個模塊可以使用靜態(tài)分析來確定靜態(tài)平衡負載,然后反向靜荷載用于確定機構所需的力(力平衡),然后通過使用彈簧和阻尼器連接到緊張和壓力,很容易創(chuàng)建機構所選組件的復雜運動部分的信封,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寫各種各樣的復雜的行為,如齒輪系統(tǒng)基于力、彈性皮帶輪傳動皮帶,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動概述圖,繪制自定義函數(shù)的位置或速度,情報的比例-積分-微分(PID)控制器和非線性彈簧和阻尼器模型。
（5）集成的設計和模擬：
該模塊功能將反作用力、重力和慣性載荷直接傳入到Pro/e機構模塊中；為運動學和動力學性能設定設計可行性和優(yōu)化研究目標；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 無碳小車動態(tài)運動仿真的流程圖：
①建立連接
②連接軸設置
③運動副
④伺服電機
①重力
②執(zhí)行電動機
③阻尼
④力/扭矩
⑤初始條件
①位置
②運動學
③動態(tài)
④力平衡
①測量
②速度
③加速度
④自由度
⑤回放
⑥運動干涉檢測
⑦運動包絡
⑧創(chuàng)建軌跡曲線
創(chuàng)建小車模型
建立運動仿真
設置運動環(huán)境
分析運動機構
獲取分析結果
圖6-1 機構仿真流程
1. 創(chuàng)建小車模型：創(chuàng)建用于裝配的零件模型。
2. 運動模型建立：創(chuàng)建連接，設置連接軸參數(shù)，生成所需要的連接關系，拖動裝配關系，驗正所設置的連接關系是否能產(chǎn)生所希望的運動形式。然后設置機構系統(tǒng)運動的虛擬環(huán)境：設置重力大小、執(zhí)行電動機的參數(shù)、阻尼力大小、摩擦力和接觸力等外力，模擬仿真實際樣機的運動情況。
3. 分析運動機構：定義快照及其初始位置，然后定義運動分析參數(shù)，運行。
4. 獲取分析下結果： 創(chuàng)建測量，查看測量結果，運動仿真回放，干涉檢查。
小車機構仿真界面如下圖：
圖6-2 無碳小車動態(tài)仿真仿真界面圖
6.3 無碳小車動態(tài)運動仿真
6.3.1無碳小車理想狀態(tài)動態(tài)仿真
Pro/e中進行小車在地面上運動模擬仿真時，可以設置幾種工況。
（1）小車只受到地面的滾動摩擦阻力
（2）小車既受到地面的驅動力，也受到內部連接處（如：軸承跟軸連接，曲柄連桿連接等等）摩擦阻力。
（3）改變小車的曲柄長度，從而改變小車的運行軌跡。
1、小車運動的所有連接和重力加速度方向如下圖：
圖6-3
上圖中左側為設置小車運動的所有連接，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pro/e分析模塊的質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建立的坐標系為分析基準
A. 當重物恰好剛剛從最高處自由滑落時，分析質量屬性結果如下圖
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. 當重物滑落到與底板接觸時，分析質量屬性結果如下圖：
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極限位置，重物下降過程中，重心始終在重物豎直方向的形心附近，因此，小車運行過程中不會傾倒。
3、阻尼設計
小車的三個輪子利用機構連接中3D接觸與地面連接，靜摩擦系數(shù)設置為,摩擦系數(shù)設置為,其他接觸參數(shù)選用鋁材料的默認值，如下圖設置：
紅色線框即為設置的摩擦系數(shù)和接觸連接標識。
4、設置伺服電機
由于在pro/e機構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換成在繩輪軸上的執(zhí)行電動機，如此一來，既能實現(xiàn)相同的功能，又可以減少工作量。根據(jù)之前對小車理論計算基礎，估算小車的驅動扭矩為：100N·mm，執(zhí)行電機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，因為沒有棉繩的牽引，所以要控制重要重物緩慢下降，就得在重物下降設置一個伺服電機控制其勻速下降。
車子剛剛啟動幾秒鐘，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設置如下
5、動態(tài)分析
當設置完小車運動環(huán)境后，就可以進行動態(tài)仿真分析了。
“首選項”圖形顯示，設置分析時間100s,幀頻50；
“電動機”選項給“繩輪軸”添加執(zhí)行電機和重物伺服電機；
“外部載荷”選項勾選“啟用重力”和“啟動所有摩擦”；
如下圖示：
分析過程圖：
6、獲取動態(tài)分析結果
動畫回放如下圖示：
通過三個動畫回放界面可以看出，小車能夠在預定的運動軌跡行駛，說明前部分對小車的理論計算數(shù)據(jù)是對的。
下面對小車重要點位置、速度、加速度進行測量結果的展示：
（1）主軸分析測量結果：
測量點
（2）搖桿分析測量結果:
（3）曲柄分析測量結果：
（4）整車的運行軌跡圖
小車運行前
小車運行后
經(jīng)過對小車運行前后的對比，小車運行的軌跡如上圖示。不過這只是在最理想的狀態(tài)下模擬仿真，小車內部傳動鏈驅動機構和轉向機構沒有添加阻尼，因此還需要進行優(yōu)化設計。
6.4 無碳小車的優(yōu)化設計
1、添加所有連接阻尼
在前期動態(tài)仿真結果的基礎上，進行優(yōu)化設計，使模擬仿真的軌跡更加合理，符合實際加工制造組裝后應該實現(xiàn)的功能。
轉向機構添加摩擦系數(shù) ,
由于之前模擬仿真時，材料“機構阻尼”選用了默認值，能量損失比較快，必須適當修改機構阻尼系數(shù)，減少阻尼摩擦，使小車運行環(huán)境更接近實際。機構阻尼系數(shù)設置如下圖：
第一步：打開重新編輯3D接觸
第二步：選擇紅色線框內的選擇材料，材料定義為Al,然后設置機構阻尼為0.0005，如下圖示：
2、曲柄長度優(yōu)化：
經(jīng)過多次仿真模擬軌跡，選出最佳的軌跡并記下此時微調機構：
曲柄半徑R=30mm
按照動態(tài)仿真步驟進行分析，得出最佳的運行軌跡路線如下圖
上圖中的近似余弦曲線即為小車運行大約一個周期內的軌跡圖。
6.5 無碳小車仿真優(yōu)化設計后數(shù)據(jù)結果
從最初的方案提出到方案確定，再到建立虛擬樣機，其次進行模擬仿真進行驗證計算數(shù)據(jù)可行性，最后仿真優(yōu)化得出小車的運行的最佳軌跡路線，重新確認了部分數(shù)據(jù)。即從粗算數(shù)據(jù)到精算數(shù)據(jù)的過程。
具體的參數(shù)如下：
（1）傳動機構和行走機構
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）轉向機構
搖桿c=58mm
連桿d=132mm
曲柄R=30mm
（3）驅動機構（錐形繩輪的尺寸）
即繩子纏繞在的錐形繩輪時牽引力矩最大，當纏繞到，時牽引力矩最小，此時能夠控制小車勻速行走。
(4)無碳小車在一個周期內的行駛軌跡路徑如下圖：
第7章 設計總結
7.1 分析設計仿真過程的失誤
設計方案階段及虛擬樣機建立階段沒存在多大阻力，主要在仿真這一塊困難重重，也許是動態(tài)仿真缺少實戰(zhàn)練習，所以總是在一些細節(jié)上出現(xiàn)錯誤，導致動態(tài)仿真時分析失敗。不過經(jīng)過不懈的努力，將所發(fā)現(xiàn)問題及時跟老師探討，仔細分析原因后，最終找到了解決辦法。
動態(tài)仿真遇到的問題：
A. 沒有給小車零件模型選材料，導致仿真的時候，小車無法運行。
B. 小車后輪沒有進行完全連接，導致小車運行時左右側滑。
C. 小車輪子與地面的滾動摩擦系數(shù)設置太小，導致小車在原地打滑，不能前進
D. 小車材料設置中沒有重新修改默認的機構阻尼系數(shù)，導致小車前進時能量損失過大。
小車動態(tài)仿真，一些關鍵的參數(shù)必須細致修改，這樣才能真正做到模擬小車實際運動的環(huán)境，分析出來的運行軌跡才有可能在小車制造出來后實現(xiàn)虛擬軌跡跟實際軌跡匹配。
7.2 實際樣機的展望
無碳小車虛擬樣機測試完全無誤，小車能夠按照命題的軌跡路線行走；在實際樣機制造過程中，如果加工工藝誤差不是太大，經(jīng)過實驗比較、調試、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太陽能電池，那無碳小車就是真正具有實際價值的永動車了，只要有微弱的陽光，這個小車便能一直行走下去。若果把這樣的技術用在探索外星球那將是新能源開發(fā)的另一片天地。因此此次畢業(yè)設計不僅僅是倡導一種低碳的行為，更重要的是在綠色能源上應用層面上不斷革新。
7.3 無碳小車的應用意義
無碳小車的創(chuàng)作是倡導綠色新能源的開發(fā)與利用，尤其是在勢能方便開出了另一片新的天地。對于勢能的利用，從古代一直延至今日。在中國淵源流傳的的文化中，有許多關于“勢能”的言論，這些與現(xiàn)代咱們所認知的“位能”在一定程度上是相同的。而且“勢能”的概念在中國文化領域中已經(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水平的局限性，勢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，對于勢能的研究也取到了很大的成果，使得勢能的應用逐漸走入我們的日常生活，給我們生活提供方便的同時也凈化了環(huán)境。
參考文獻
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致謝
附錄 無碳小車工程圖
第 49 頁 共 64頁