一種無碳小車的設(shè)計與仿真優(yōu)化分析,無碳小車設(shè)計提綱,一、無碳小車設(shè)計背景及研究意義二、無碳小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計三、無碳小車?yán)碚撚嬎慊A(chǔ)四、虛擬樣機動態(tài)仿真優(yōu)化分析五、無碳小車的展望六、無碳小車實際樣機展示,一、無碳小車的設(shè)計背景及研究意義,能源枯竭是目前世界各國面臨的嚴(yán)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)。因此利用清潔，環(huán)保，可再生能源作為機器的動力來源，是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)高度發(fā)達的今天，人們通過反思工業(yè)發(fā)展中給人們生活及地球環(huán)境帶來的種種弊端，重新思考和致力追求的挑戰(zhàn)性課題。本此論文研究以重力這一地球引力作為機械驅(qū)動源，選題具有重要理論意義和工程使用價值。,重力燈,二、無碳小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計,小車結(jié)構(gòu)示意圖,小車行走軌跡圖,2、無碳小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計思路,根據(jù)對小車的功能分析，在Triz理論的引導(dǎo)下，利用發(fā)散性思維的方法，提出能夠?qū)崿F(xiàn)小車具體功能的幾種方案，并選擇出最優(yōu)方案。為了方便設(shè)計，采用機械系統(tǒng)設(shè)計的方法將小車分成五大模塊：驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、調(diào)整機構(gòu),,明確小車的任務(wù),,,小車功能分析,,,可行方案,,,組合幾種可行方案,,,確定最優(yōu)方案,分析比較,3、無碳小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計,（1）驅(qū)動機構(gòu),重物下降的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能，驅(qū)動小車行走，而小車運行過程中必須保持平穩(wěn)，勻速行駛，因此對于重物提供的驅(qū)動力矩就有精確的要求，驅(qū)動機構(gòu)就是實現(xiàn)小車緩慢行走。提出的兩種方案只能選擇：重物+棉繩+錐形繩輪,驅(qū)動力矩,驅(qū)動原理：A、小車剛剛啟動時，繩輪的轉(zhuǎn)動半徑大，啟動力矩大，利于啟動。B、啟動后，繩輪半徑變小，驅(qū)動力矩隨之變小，小車轉(zhuǎn)速減小，當(dāng)驅(qū)動力力矩和整車的合外阻力平衡后，小車勻速運行。C、當(dāng)重物距離小車底板很近時，繩輪半徑最小，此時驅(qū)動力矩不足以驅(qū)動小車行走，此時小車減速運行，直至落到小車底板,（2）傳動機構(gòu),①直齒輪傳動優(yōu)點：傳動效率高；傳動比大且穩(wěn)定傳動扭矩大；結(jié)構(gòu)簡單。缺點：重量大；傳動距離較??；,②帶傳動、鏈傳動優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；緩沖吸震；缺點：傳動精度不高；傳動效率低；摩擦損耗能量大；,③不用附加傳動優(yōu)點：后輪驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動力源直接由繩輪軸驅(qū)動，這是最簡單的，而且傳動效率最高。缺點：整個小車的布局不好控制，重心容易偏移,經(jīng)過優(yōu)缺點分析對比后，選擇：直齒輪傳動機構(gòu),（3）轉(zhuǎn)向機構(gòu),轉(zhuǎn)向機構(gòu)要保證結(jié)構(gòu)簡單，摩擦阻力小，而且具有無急回的運動特性，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。,A、凸輪+搖桿優(yōu)點：知道從動件的運動規(guī)律后，很快就可以設(shè)計出凸輪形狀，而且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方便缺點：微調(diào)機構(gòu)設(shè)計不容易控制；重量比較大；由于存在高副，能量損失較大；,（3）轉(zhuǎn)向機構(gòu),B、空間曲柄搖桿機構(gòu)優(yōu)點：機構(gòu)簡單，易于設(shè)計制造，必須保證機構(gòu)無急回特性缺點：微調(diào)機構(gòu)設(shè)計制造難以把握，而且桿件連接處存在較大的摩擦阻力,C、曲柄連桿+搖桿優(yōu)點：設(shè)計計算容易，制造方便可以把曲柄的長度設(shè)置成微調(diào)機構(gòu)缺點：連桿水平往復(fù)運動跟“支撐架”存在面摩擦，轉(zhuǎn)速高時還會引起震動，只適用于低速機構(gòu)。,D、差速轉(zhuǎn)彎優(yōu)點：利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，“繩輪”提供原動力，兩輪的角速度一樣，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎機構(gòu)理論上是實現(xiàn)小車運行軌跡最遠的方案。缺點：加工精度要求很高，不容出現(xiàn)任何偏差，而且微調(diào)機構(gòu)的設(shè)計比較難。,（3）轉(zhuǎn)向機構(gòu),綜上幾種轉(zhuǎn)向機構(gòu)方案優(yōu)缺點分析，再結(jié)合零件加工工藝難易程度，選擇：C、曲柄連桿+搖桿,其中曲柄連桿采用其特殊形式：正弦機構(gòu),黃色部分為轉(zhuǎn)向機構(gòu),（4）行走機構(gòu),行走機構(gòu)通過兩個后輪的直徑大小控制小車正弦軌跡曲線的周期大小，由于小車在轉(zhuǎn)彎的時候存在差速，因此需要設(shè)置差速器。,A、差速器行走機構(gòu)優(yōu)點：減少滑動摩擦；缺點：價錢高，設(shè)計及組裝難,B、單輪行走機構(gòu)優(yōu)點：設(shè)計制造方便；缺點：不能精確實現(xiàn)差速功能,后輪,后輪,綜上優(yōu)缺點對比，選擇：單輪行走機構(gòu),（5）微調(diào)機構(gòu),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(shè)置微調(diào)機構(gòu)了。微調(diào)機構(gòu)就相當(dāng)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。,鑒于轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄連桿+搖桿方式，所以在曲柄處設(shè)置滑槽式微調(diào)機構(gòu)比較容易。,滑槽式微調(diào)機構(gòu),4、無碳小車虛擬樣機模型,（1）根據(jù)最終確定的錐形繩輪重力驅(qū)動—直齒輪變速—正弦轉(zhuǎn)向機構(gòu)—大后輪行走機構(gòu)—微調(diào)機構(gòu)運動傳動方案進行草圖的繪制：,（2）根據(jù)繪制的草圖方案建立虛擬樣機,1、驅(qū)動機構(gòu)：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分）2、傳動機構(gòu)：小齒輪+大齒輪（紅褐色部分）3、轉(zhuǎn)向機構(gòu)：曲柄軸+曲柄轉(zhuǎn)盤+連桿+搖桿（金黃色部分）4、行走機構(gòu)：后輪+前輪（黃色部分）5、微調(diào)機構(gòu)：曲柄+曲柄轉(zhuǎn)盤（紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉(zhuǎn)盤的滑槽內(nèi)滑動）,（2）根據(jù)繪制的草圖方案建立虛擬樣機,1、驅(qū)動機構(gòu)：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分）2、傳動機構(gòu)：小齒輪+大齒輪（紅褐色部分）3、轉(zhuǎn)向機構(gòu)：曲柄軸+曲柄轉(zhuǎn)盤+連桿+搖桿（金黃色部分）4、行走機構(gòu)：后輪+前輪（黃色部分）5、微調(diào)機構(gòu)：曲柄+曲柄轉(zhuǎn)盤（紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉(zhuǎn)盤的滑槽內(nèi)滑動）,（3）虛擬樣機傳動鏈圖,后輪,小齒輪,繩輪軸,后輪,T型連桿,曲柄軸,搖桿,大齒輪,輔軸,前輪,5、無碳小車運動原理,隨著重塊的下落，重物牽引棉繩給繩輪軸提供扭矩，一部分直接驅(qū)動后輪行走，控制運行軌跡的周期大小。另一部分扭矩通過傳動機構(gòu)將力矩傳到轉(zhuǎn)向機構(gòu)，間接控制前輪左右擺動，從而實現(xiàn)小車自動轉(zhuǎn)向功能。即轉(zhuǎn)向機構(gòu)控制正弦運行軌跡的振幅。根據(jù)小車運動的工況不同，可以調(diào)整微調(diào)機構(gòu)，通過微調(diào)機構(gòu)改變前輪的擺動幅度大小從而改變運行軌跡的周期長度。相當(dāng)于一個系統(tǒng)的控制部分。,三、無碳小車?yán)碚撚嬎慊A(chǔ),1、理論計算基礎(chǔ),假設(shè)小車的行走軌跡為正弦函數(shù)：y=0.35sinπx(單位m）即小車的運行軌跡幅值為A：0.35m，周期為T=2m對軌跡曲線求導(dǎo)得y‘=0.35πcosπx，此方程為小車在各個軌跡位置轉(zhuǎn)角的正切值大小，通過實驗?zāi)M可以得到前輪最大轉(zhuǎn)角大約為36°，通過對該正弦函數(shù)在一個周期內(nèi)求導(dǎo)可以得到：小車運行一個周期的軌跡路徑大約為L=2443mm,也就是輔軸回轉(zhuǎn)一圈搖桿前后往復(fù)擺動動一次，后輪前進2433mm。從而得出后輪直徑d和傳動機構(gòu)傳動比i的關(guān)系式：,齒輪傳動比i和后輪直徑d之間的函數(shù)關(guān)系式,1、理論計算基礎(chǔ),2、無碳小車的參數(shù)確定,經(jīng)過運動學(xué)分析和做功分析計算和曲柄滑塊機構(gòu)的分析計算得出小車各個重要模塊的參數(shù)：,模數(shù)為m=1小齒輪Z1=20,大齒輪Z2=100中心距=60mm后輪直徑d=155mm前輪直徑d1=35mm搖桿c=58mm曲柄R=20mm,四、無碳小車仿真優(yōu)化設(shè)計,1、動態(tài)運動仿真分析,利用Pro/e工程設(shè)計軟件進行設(shè)計方案的特性驗證，在建立精確的虛擬樣機模型的基礎(chǔ)上，運用Pro/e機構(gòu)仿真模塊進行仿真優(yōu)化設(shè)計。,,設(shè)置運動環(huán)境,,,動態(tài)分析,,獲取分析結(jié)果,,,優(yōu)化設(shè)計,Pro/e中的機構(gòu)模塊可以模擬實物樣機在重力、摩擦力、彈力等外力作用下進行動態(tài)仿真分析。無碳小車虛擬樣機在地面上運動仿真模擬時，可以設(shè)置幾種工況：A、小車只受到重力作用和地面的摩擦力。B、小車除了受到重力作用和地面的滾動摩擦阻力外還受到內(nèi)部連接處的摩擦力作用。,（1）設(shè)置運動環(huán)境,設(shè)置小車受到的重力作用,1）無碳小車材料賦予并分析整車的質(zhì)量屬性,重物：碳鋼Steel其他小車零件的材料：AL2014,分析結(jié)果：整車的重量大約為2.2Kg,2）阻尼設(shè)計,3）小車電機的設(shè)計,根據(jù)之前對小車的理論計算基礎(chǔ)，可以估算小車主軸驅(qū)動扭矩為：100N,重物下降時，因為不能模擬重物牽引繩子，所以只能用伺服電機代替。車子剛剛啟動的瞬間，重物的速度是慢慢增加的，直至車子勻速行駛，重物才勻速下降,3）小車電機的設(shè)計,設(shè)置重物的伺服電機如下,（2）動態(tài)運動分析并獲取結(jié)果,驅(qū)動主軸的轉(zhuǎn)速為約為20dec/s,小車行駛的平均速度為34mm/s,小車運行的軌跡路線，近似為正弦曲線，,（3）優(yōu)化設(shè)計,經(jīng)過多次調(diào)整工況和微調(diào)機構(gòu)的尺寸，優(yōu)化得出無碳小車的準(zhǔn)確參數(shù)：模數(shù)為m=1小齒輪Z1=20,大齒輪Z2=100中心距=60mm后輪直徑d=155mm前輪直徑d1=35mm搖桿c=58mm曲柄R=30mm,繩輪的設(shè)計參數(shù),五、無碳小車展望,假如把重物做成一個太陽能電池，當(dāng)重物下降后，重物能夠自動上升，那小車將能一直行走下去，無碳小車那就真正具有使用價值的永動車了。如果把這樣的技術(shù)應(yīng)用在探索外星球那將為新能源開發(fā)另一片天地。因此此次畢設(shè)不僅僅是提倡一種無碳的行為，更重要的是在綠色能源的應(yīng)用層面上不斷革新,1、永動車,