一種無碳小車的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化分析,,學(xué) 生：,無碳小車設(shè)計(jì)提綱,一、無碳小車設(shè)計(jì)背景及研究意義 二、無碳小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 三、無碳小車?yán)碚撚?jì)算基礎(chǔ) 四、虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真優(yōu)化分析 五、無碳小車的展望 六、無碳小車實(shí)際樣機(jī)展示,一、無碳小車的設(shè)計(jì)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(jì)發(fā)展的首要因素。在發(fā)達(dá)國家，交通運(yùn)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(jī)器的動(dòng)力來源，是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)高度發(fā)達(dá)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(jī)械驅(qū)動(dòng)源，選題具有重要理論意義和工程使用價(jià)值。,重力燈,二、無碳小車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),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(jì)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(jì)，采用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法將小車分成五大模塊：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)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(jì),（1） 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),重物下降的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)小車行走，而小車運(yùn)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(dòng)力矩就有精確的要求，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是實(shí)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(dòng)力矩,驅(qū)動(dòng)原理： A、小車剛剛啟動(dòng)時(shí)，繩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大，啟動(dòng)力矩大，利于啟動(dòng)。 B、啟動(dòng)后，繩輪半徑變小，驅(qū)動(dòng)力矩隨之變小，小車轉(zhuǎn)速減小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力力矩和整車的合外阻力平衡后，小車勻速運(yùn)行。 C、當(dāng)重物距離小車底板很近時(shí)，繩輪半徑最小，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩不足以驅(qū)動(dòng) 小車行走，此時(shí)小車減速運(yùn)行，直至落到小車底板,（2） 傳動(dòng)機(jī)構(gòu),① 直齒輪傳動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)： 傳動(dòng)效率高； 傳動(dòng)比大且 穩(wěn)定 傳動(dòng)扭矩大； 結(jié)構(gòu)簡單。 缺點(diǎn)： 重量大； 傳動(dòng)距離較??；,②帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單； 緩沖吸震； 缺點(diǎn)： 傳動(dòng)精度不高； 傳動(dòng)效率低； 摩擦損耗能量大；,③不用附加傳動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)： 后輪驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源直接由繩輪軸驅(qū)動(dòng)，這是最簡單的，而且傳動(dòng)效率最高。 缺點(diǎn)： 整個(gè)小車的布局不好控制，重心容易偏移,經(jīng)過優(yōu)缺點(diǎn)分析對比后，選擇： 直齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),（3） 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)向機(jī)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(yùn)動(dòng)特性，確保小車的前輪能夠均衡左右擺動(dòng)，即運(yùn)行軌跡上下振幅一樣。,A、凸輪+搖桿 優(yōu)點(diǎn)： 知道從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，很快就可以設(shè)計(jì)出凸輪形狀，而且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)方便 缺點(diǎn)： 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu),B、空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)制造，必須保證機(jī)構(gòu)無急回特性 缺點(diǎn)： 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)：設(shè)計(jì)計(jì)算容易，制造方便可以把曲柄的長度設(shè)置成微調(diào)機(jī)構(gòu) 缺點(diǎn)： 連桿水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)跟“支撐架”存在面摩擦，轉(zhuǎn)速高時(shí)還會(huì)引起震動(dòng)，只適用于低速機(jī)構(gòu)。,D、差速轉(zhuǎn)彎 優(yōu)點(diǎn)：利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，“繩輪”提供原動(dòng)力，兩輪的角速度一樣，轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)繞障礙物行走的功能。差速轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)理論上是實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行軌跡最遠(yuǎn)的方案。 缺點(diǎn)：加工精度要求很高，不容出現(xiàn)任何偏差，而且微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較難。,（3） 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),綜上幾種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案優(yōu)缺點(diǎn)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(jī)構(gòu),黃色部分為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),（4） 行走機(jī)構(gòu),行走機(jī)構(gòu)通過兩個(gè)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(shí)候存在差速，因此需要設(shè)置差速器。,A、差速器行走機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：減少滑動(dòng)摩擦； 缺點(diǎn)：價(jià)錢高，設(shè)計(jì)及組裝難,B、單輪行走機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)制造方便； 缺點(diǎn)：不能精確實(shí)現(xiàn)差速功能,后輪,后輪,綜上優(yōu)缺點(diǎn)對比，選擇： 單輪行走機(jī)構(gòu),（5） 微調(diào)機(jī)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(jī)構(gòu)了。 微調(diào)機(jī)構(gòu)就相當(dāng)于一個(gè)小車系統(tǒng)的控制部分，控制小車的運(yùn)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(jī)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(jī)構(gòu)比較容易。,滑槽式微調(diào)機(jī)構(gòu),4、無碳小車虛擬樣機(jī)模型,（1）根據(jù)最終確定的 錐形繩輪重力驅(qū)動(dòng)—直齒輪變速—正弦轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)—大后輪行走機(jī)構(gòu)—微調(diào)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方案 進(jìn)行草圖的繪制：,（2）根據(jù)繪制的草圖方案建立虛擬樣機(jī),1、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分） 2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：小齒輪+大齒輪 （紅褐色部分） 3、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：曲柄軸+曲柄轉(zhuǎn)盤+連桿+搖桿 （金黃色部分） 4、行走機(jī)構(gòu)：后輪+前輪 （黃色部分） 5、微調(diào)機(jī)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(dòng)）,（2）根據(jù)繪制的草圖方案建立虛擬樣機(jī),1、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分） 2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：小齒輪+大齒輪 （紅褐色部分） 3、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：曲柄軸+曲柄轉(zhuǎn)盤+連桿+搖桿 （金黃色部分） 4、行走機(jī)構(gòu)：后輪+前輪 （黃色部分） 5、微調(diào)機(jī)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(dòng)）,（3）虛擬樣機(jī)傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)后輪行走，控制運(yùn)行軌跡的周期大小。 另一部分扭矩通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將力矩傳到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，間接控制前輪左右擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。即轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制正弦運(yùn)行軌跡的振幅。 根據(jù)小車運(yùn)動(dòng)的工況不同，可以調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過微調(diào)機(jī)構(gòu)改變前輪的擺動(dòng)幅度大小從而改變運(yùn)行軌跡的周期長度。相當(dāng)于一個(gè)系統(tǒng)的控制部分。,三、無碳小車?yán)碚撚?jì)算基礎(chǔ),1、理論計(jì)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(yùn)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(gè)軌跡位置轉(zhuǎn)角的正切值大小，通過實(shí)驗(yàn)?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(gè)周期內(nèi)求導(dǎo)可以得到： 小車運(yùn)行一個(gè)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(dòng)動(dòng)一次，后輪前進(jìn)2433mm。 從而得出后輪直徑d和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i的關(guān)系式：,齒輪傳動(dòng)比i和后輪直徑d之間的函數(shù)關(guān)系式,1、理論計(jì)算基礎(chǔ),2、無碳小車的參數(shù)確定,經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和做功分析計(jì)算和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分析計(jì)算得出小車各個(gè)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(jì),1、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真分析,利用Pro/e工程設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的特性驗(yàn)證，在建立精確的虛擬樣機(jī)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pro/e機(jī)構(gòu)仿真模塊進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。,,設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境,,,動(dòng)態(tài)分析,,獲取分析結(jié)果,,,優(yōu)化設(shè)計(jì),Pro/e中的機(jī)構(gòu)模塊可以模擬實(shí)物樣機(jī)在重力、摩擦力、彈力等外力作用下進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。 無碳小車虛擬樣機(jī)在地面上運(yùn)動(dòng)仿真模擬時(shí)，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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì),3）小車電機(jī)的設(shè)計(jì),根據(jù)之前對小車的理論計(jì)算基礎(chǔ)，可以估算小車主軸驅(qū)動(dòng)扭矩為：100N,重物下降時(shí)，因?yàn)椴荒苣M重物牽引繩子，所以只能用伺服電機(jī)代替。 車子剛剛啟動(dòng)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(jī)的設(shè)計(jì),設(shè)置重物的伺服電機(jī)如下,（2）動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析并獲取結(jié)果,驅(qū)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)速為約為20 dec/s,小車行駛的平均速度為34mm/s,小車運(yùn)行的軌跡路線，近似為正弦曲線，,（3）優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過多次調(diào)整工況和微調(diào)機(jī)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(jì)參數(shù),五、無碳小車展望,假如把重物做成一個(gè)太陽能電池，當(dāng)重物下降后，重物能夠自動(dòng)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(jià)值的永動(dòng)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(dòng)車,,我 們 在 行 動(dòng)。。。,,實(shí)際樣機(jī)展示,,,懇請各位評委提出寶貴意見！,