以重力势能驱动的具有8字型绕障功能的自行小车设计.doc
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1、全套设计(图纸)加扣扣 194535455以重力势能驱动的具有“8”字型绕障功能的自行小车设计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:“8”字型 无碳小车 机构设计 轨迹模拟 运动仿真With gravitatio
2、nal potential energy driven having the 8 shape around the barrier function of the trolleys designAbstract 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-sh
3、aped 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 bloc
4、ks 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, r
5、educing the cost of processing.Key words:8-shaped; carbon car; body design; trajectory simulation; motion simulation.目录摘要I第1章 前言11.1研究背景及意义11.2研究状况21.3技术要求2第2章 系统分析42.1能耗规律分析42.2受力系统分析62.3稳定性分析72.4轨迹分析8第3章 结构设计103.1原动机构103.2传动机构113.3转向机构123.3.1转向部分123.3.2间歇部分133.3.3调节部分133.4驱动机构143.5底板和支撑架153.6整车设计1
6、6第4章 轨迹模拟184.1基于SimMechanics的轨迹模拟184.1.1SimMechanics模块和功能184.1.2仿真机构分析204.1.3建立仿真模型214.1.4仿真参数设置224.1.5仿真结果输出254.2偏差分析26第5章 三维建模及运动仿真275.1三维建模275.1.1机构尺寸确定275.1.2基于Proe的三维建模285.2运动仿真285.2.1齿轮连接的定义295.2.2电机的定义305.2.3测量分析30结论32致谢33参考文献34V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
7、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。早在一九九二年,JR东集团就举办了一系列与保护环境相关的活动,并因此提倡了“两中心组范围内的运输和环境保护工作”的做法。1996年开发行动方针,在2001年制定定性指标。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,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
8、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,今年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。
9、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,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。11.2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
10、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。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
11、,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。
12、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。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
13、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。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
14、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
15、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
16、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。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, (
17、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。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
18、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
19、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
20、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
21、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3-1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。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
22、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
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