1、本科毕业论文（20 届）无碳小车的机构设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目：无碳小车机构设计1设计的主要任务及目标通过本次毕业设计使学生了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，根据无碳小车的工作要求设计小车的转向机构，通过仿真分析，说明设计的合理性。2设计的基本要求和内容了解无碳小车的设计要求结合机械设计和机械原理的相关知识，设计小车的转向机构通过分析车身转角和前轮转角是之间的关系，确定小车的转向机构的相
2、关参数借助于有关仿真软件，对转向机构的运动进行分析，验证设计的合理性3主要参考文献1 孙桓,陈作模.机械原理.7 版.北京：高等教育出版社,20102 陆凤仪，钟守炎.机械设计.2 版.北京：机械工业出版社,20113张德丰，丁雄伟，雷晓平.Matlab 程序设计和综合应用M .1 版.北京：清华大学出版社，20124进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅相关的文献资料完成开题报告 2014-03-02 至 2013-03-142 了解无碳小车的性能要求 2014-03-15 至 2013-03-28 3 完成无碳小车转向系统设计 2014-03-29 至 2013-04-294 利用
3、 Matlab 进行小车轨迹数值仿真 2014-04-30 至 2013-05-20 5 整理毕业设计相关资料,准备毕业答辩 2014-05-25 至 2013-06-10 无碳小车的机构设计摘要:无碳小车越来越受到重视。本设计为了能够对无碳小车的设计奠定基础性理论,合理使用 CAD 和 Matlab 软件进行了本设计。本设计的主要内容是无碳小车的转向机构的设计，前轮转角和车身转角关系的分析和小车轨迹的仿真。本次设计结合设计要求,通过查阅资料,综合运用所学知识,完成本次设计。在设计过程中，借助 CAD 完成了小车的转向机构的设计。运用数学建模的方法分析了前轮转角和车身转角之间的关系。通过数学建
4、模的方法，借助 Matlab 的 ode45 函数得到了符合要求的轨迹曲线。关键词:CAD,Matlab,数学建模， ode45 函数Carbon-free car mechanism designAbstract:Carbon-free car is more and more taken seriously. In order to be able to lay the fundamental theory of carbon-free car of design, this design makes good use of CAD and the Matlab software in t
5、his design. The main content of this design is the design of steering mechanism,the relation analysis between the front wheel and body of the angle of rotation and the simulation of the car trajectory.This design combined with the design requirements is by accessing to information and making good us
6、e of knowledge synthetically to complete the design. In the design process, with the aid of CAD i completed the design of the cars steering mechanism.I analyzed the relation between the front wheel and body of the angle of rotation by using the mathematical modeling.Through the way of mathematical m
7、odeling and the method of using Matlab ode45 function the requirements of trajectory curves are obtained. Keywords:CAD,Matlab,Mathematical modeling,ode45 function目 录1 绪论 .11.1 背景 .11.2 意义 .11.3 准备怎么做 .22 理论基础 .32.1 无碳小车 .32.2 转向机构 .42.3 数学建模 .112.4 MATLAB.132.4.1MATLAB 简介 .132.4.2MATLAB 优势特点 .142.4.
8、3 MATLAB 中的 ode45 函数 .143 通过数学建模分析和求解 .163.1 数学建模 .163.1.1 小车的整体结构方案 .163.1.2 小车行进轨迹的数学建模 1.163.1.3 小车行进轨迹的数学建模 2.183.2 求 K.213.3 求 G.223.4MATLAB求解 .254 成果和展望 .304.1 设计成果 .304.2 前景展望 .30参考文献 .31致谢 .3211 绪论1.1 背景随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。无碳小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小
9、车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，是基于国内各高校综合性工程训练教学平台，为深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动。开展大学生工程训练综合能力竞赛旨在促进各高校提高工程实践和工程训练教学改革和教学水平，培养大学生的创新设计意识、综合工程应用能力与团队协作精神，促进学生基础知识与综合能力的培养、理论与实践的有机结合，养成良好的学风，为优秀人才脱颖而出创造条件。竞赛的宗旨是“竞
10、赛为人才培养服务，竞赛为教育质量助力，竞赛为创业就业引路”竞赛的方针是“基于理论、注重创新、突出能力、强化实践”。第二，三届全国大学生工程训练综合能力竞赛的命题都为无碳小车，说明了无碳小车的 推广前景：能满足初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解，实现商品化激发青少年对机械构造的热情，并可放于科技馆让大众了解机械构造的精妙与渊博。1.2 意义本设计中重点分析了无碳小车前轮转角和车身转角之间的关系，通过数学模型的建立解决一些无碳小车设计中的实际问题，可以根据该模型的仿真结果设计小车的关键参数, 如前后轮距, 后轮间距, 整车传动比, 转向机构中各杆的长度等等，为小车的设计提供了最基础的 理论
11、依据。通过设计了解到很多。2(1)无碳小车的优点:无碳小车是以5焦耳重力势能为唯一能量的、具有连续避障功能的三轮小车，实现了真正意义上的无碳。小车采用的摆杆机构由传统的刚性杆改为柔性绳索，小车控制转弯更省力，躲避障碍物的周期更容易实现与控制，同时降低了整车重量。利用有机玻璃作为轮子，易于实现差速，且降低了轮子与地面之间的摩擦系数。整体构造简单，摩擦损耗小，效率高，较容易制造安装。(2)了解数学建模数学建模是一种数学的思考方法，是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并“解决“实际问题的一种强有力的数学手段。数学建模就是用数学语言描述实际现象的过程。这里的实际现象既包涵具体的自然现象
12、比如自由落体现象，也包涵抽象的现象比如顾客对某种商品所取的价值倾向。这里的描述不但包括外在形态，内在机制的描述，也包括预测，试验和解释实际现象等内容。(3)MATLAB 的 ode45 函数MATLAB 内置的 ode45 函数使用称为 Runge-Kutta-Fehlberg 法的自适应步长算法。Runge-Kutta-Fehlberg 在大小为 h 的区间内仔细选择子步集合，并在每一步都同时得到两个有不同离散误差的解。在每一步计算两个解可以监测解的精度，并且可以依照用户自定义容差来调整 h 的大小。程序 ode45 同时使用 4 阶和 5 阶公式，不仅提供了监测精度的机制，而且两个公式之间
13、还可以共享某些中间斜率值，使斜率求解可以简单地实现。1.3 准备怎么做(1)了解无碳小车的性能要求(2)完成无碳小车转向系统设计(3)通过数学建模分析车身转角和车轮转角的关系(4)利用 Matlab 进行小车轨迹数值仿真32 理论基础2.1 无碳小车如图2.1所示为无碳小车设计示意图图 2.1 小车示意图 1-车底板 2-圆盘 3-滑轮轴 4-滑轮 5-滚筒 6-滚筒轴 7-轴套 8-大齿轮 9-后轮轴支架1 10-轴承 11-轴套1 12-小齿轮 13-后轮轴 14-轴套2 15-滚筒轴支架 16-可调曲柄 17-连杆1 418-正反扣螺栓 19-连杆2 20 -连杆3 21-连杆4 22-
14、摇杆 23-螺栓 采用如下余弦曲线为最优方案：Y=0.35sinx 。周期 T=2m。确定后轮直径为155mm 前轮直径36mm。求导得到在每个位置的转角的正切大小：Y=0.35cosx 。齿轮大小:大齿轮定为 m=1 ，Z=100 ，小齿轮为 m=1 ，Z=20 ，中心距为50mm。根据车身尺寸确定摇杆长度为32mm整车尺寸：长为 L=280mm 宽为 W=140mm。2.2 转向机构转向机构是小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转
15、动从而实现拐弯避障的功能。（1）凸轮机构 凸轮机构是一种三构件的高副机构(图2.3)，由凸轮1、从动件2和机架3组成，通常将连续转动转换为往复运动。凸轮机构的类型很多，一般按凸轮和从动件的几何形状及其运动形式来区分。常用凸轮有盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮3种，其中盘形凸轮是最基本的形式。从动件有平底、尖顶和滚子3种形式。平底从动件可与外凸盘形凸轮接触，凸轮对从动件作用力的方向不变，传动效率较高，凸轮轮廓与从动件平底之间容易形成楔形油膜而减少磨损，可用于高速凸轮机构中。尖顶从动件以其尖顶的一点与凸轮轮廓相接触，结构简单，能与各种曲线的轮廓各点接触，以保证实现所需的运动;但其尖顶处易磨损，可用于低
16、速、轻载的场合。在从动件端部装上一转动的滚了或滚珠轴承即为滚子从动件，滚子和凸轮轮廓之问为滚动摩擦，磨损较轻，可传递较大的动力，使用较广。移动从动件的导路中心线若是通过盘形凸轮的轴心则称为对心，否则称为偏置。以凸轮轴心0为圆心，以凸轮轮廓最小的向径 r0为半径所作的圆称为凸轮的基圆 r0为基圆半径，它直接影响整个凸轮形状的大5小。在图2.3中凸轮公法线对从动件的法向作用力与从动件的速度方向的夹角是在该位置时从动件与凸轮间的压力角 ，受力分析表明，当 达到一定角度时，将使机构的机械效率趋于零，即发生自锁现象。而压力角的改变对于凸轮机构效率和基圆半径的影响是互相矛盾的，即减小认凸轮的尺寸将 加大。
17、根据分析和实践证明，对于移动从动件所推荐的许用压力角，在升程时不大于30 0，回程时不大于70 0 ， 凸轮结构的最大优点是只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以是推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快，机构简单紧凑。同时由于凸轮机构的轮廓曲线与推杆之间为点、线、接触，易磨损，最重要的一点是凸轮制造比较困难。图 2.3 凸轮结构（2） 偏心轮机构偏心轮机构是一种演化机构，其中可以将四杆机构中的连架杆演化成为偏心轮，与四杆机构作用一样，而凸轮式偏心轮机构则是凸轮机构的一种特殊情况，在实现简单往复运动时有很多好处。由机械原理知识可知，凸轮的从动件形式有三种分别为尖顶、滚子，平底三种形式，其中由于平底从动件的压力角始终为零，传动性能最好，所以下文只对平底偏心轮结构进行分析。如图2.4所示为对心平底从动件偏心轮结构，其中偏心轮半径为 R,偏心距为 e，转角 =*t， 为偏心轮角速度，t 为时间，由图2.4 可知偏心轮从起始位置 A 运动到 B 时有：(2.1)eRS0(2.2)cosH即从动件位移
