【文章內容簡介】 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。 詳細 DWG 圖 紙 請 加：三 二 ③ 1 爸 爸 五 四 0 六 第 10 頁 共 64 頁 無碳小車的設計概述 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“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。 無碳小車功能設計要求 圖 11 無碳小車示意圖 第 11 頁 共 64 頁 圖 12 無碳小車運行軌跡圖 如上圖 11小車示意圖： 根據能量守恒定律 ， 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)上的結構只能根據學?，F有材料、機床以及加工 工藝的難度進行設計。 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。 第 12 頁 共 64 頁 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），經過動態(tài)分析結果得出小車軌跡，驗算參數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 23 無碳小車設計流程圖 第 13 頁 共 64 頁 無碳小車結構方案的設計 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 31 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的各種因素： 第 14 頁 共 64 頁 圖 32 影響功能實現的因素 局部方案的技術分析 驅動機構 根據命題要求 ， 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 ： 第 15 頁 共 64 頁 圖 33 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 。 傳動機構 傳動機構實現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； 傳動距離較小； 2. 帶傳動 、 鏈傳動 ： 第 16 頁 共 64 頁 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 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。 第 17 頁 共 64 頁 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)。 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，從而產生差速，小車通過兩輪的差速實現繞障礙物行走的功能。差速轉彎機構理論上是實現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）。 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濟成本分析應該選擇單輪驅動比較合適。 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。 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： 各個部件布局保證整車的重心在重物下降中心線的附近。 保證整車的重心比較低，防止小車行走過程晃動。 第 18 頁 共 64 頁 將重物的位置盡量布置在底板的形心處 。 方案草圖的建立及原理 根據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 34 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。 第 19 頁 共 64 頁 無碳小車材料選擇 根據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。 無碳小車運行理論計算基礎 無碳小車參數的確定 無碳小車運行軌跡理論參數分析 根據無碳小車行走示意圖 2，