1、本科毕业论文（20 届）无碳小车的整体设计及仿真分析所在学院专业班级 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：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文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：无碳小车的整体设计及仿真分析1设计的主要任务及目标通过本次毕业设计了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序。结合无碳小车的工作要求，不利用有碳能源，根据能量转换原理，利用重力势能驱动具有方向控制功能的小车模型。完成无碳小车的整理设计。借助于三维软件及动力学仿真软件，做出所需零件并完成装配，进行仿真模拟以验证设计的合理性。2
2、设计的基本要求和内容了解无碳小车的设计要求采用偏心轮机构实现前轮的转向分析车身转角与前轮转角之间的关系，完成偏心轮的设计通过三维造型和动力学仿真软件对小车的运动进行仿真分析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 李增刚.ADAMS 入门详解与实例.北京：国防工业出版社,20063 刘庆立.共轭凸轮机构参数化仿真设计技术的研究.包装工程，2012(5)4 张星. 基于 Pro/E 的凸轮参数化设计及 ADAMS 仿真.科技经济市场,2008(2)4进度安排毕业设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅相关的文献资料完成开题报告 2013.2.202014.
3、3.102 完成无碳小车传动系统、转向系统设计 2014.3.152014.4.153 完成无碳小车整车三维模型建立 2014.4.202014.4.284 利用 PRO/E、ADAMS 进行小车轨迹仿真 2014.4.302014.5.205 整理毕业设计相关资料,准备毕业答辩 2014.5.252014.6.10无碳小车的整体设计及仿真分析摘要：本 设 计 来 源 于 “挑 战 杯 ”全 国 大 学 生 课 外 学 术 科 技 作 品 竞 赛 和 中 国 大 学 生 创业 计 划 竞 赛 ， 设 计 一 种 将 重 力 势 能 转 换 为 机 械 能 ， 并 可 用 来 驱 动 小 车 行
4、 走 及 转 向 的 装置 。 本 小 车 着 重 体 现 了 无 碳 的 概 念 ， 小 车 的 动 能 完 全 由 重 力 势 能 提 供 ， 是 对 环 保 的 最高 理 想 。设 计 需 要 借 助 三 维 软 件 及 动 力 学 仿 真 软 件 进 行 可 行 性 分 析 ， 验 证 设 计 的 合 理 性 。使 用 Proe 软 件 辅 助 设 计 并 三 维 造 型 ， 使 用 Adams 软 件 仿 真 分 析 ， 设 计 出 了 合 理 的转 向 机 构 ， 得 到 了 符 合 比 赛 要 求 的 行 驶 轨 迹 。 对 小 车 行 驶 过 程 做 出 分 析 ， 得 到 速
5、 度 曲线 。关 键 词 ： 无 碳 小 车 ， 整 体 设 计 ， 三 维 造 型 ， 模 拟 仿 真Carbon-free cars overall design and simulation analysisAbstract: This design is derived from the “challenge cup“ national university student extracurricular academic science and technology works competition and Chinese college students business pla
6、n competition, design a kind of gravitational potential energy into mechanical energy, and can be used to drive the car to walk and to the device.This car will reflect the concept of free carbon, the kinetic energy of the car completely provided by the gravitational potential energy, is the highest
7、ideal of environmental protection.Design need to use 3 d software and dynamic simulation software of feasibility analysis, validate the rationality of the design.Using Proe software aided design and 3 d modeling, simulation using Adams software, the design of steering mechanism, the movement track o
8、f conform to the requirements of the game.Make analysis to the car drive, speed curve.Keywords:Carbon-free car,integrated design,3D modeling,simulationI目 录1 绪论 .11.1 研究目的及意义 .11.2 无碳小车竞赛 .11.3 小车设计方法 .22 理论基础及方案设计 .42.1 车架设计 .42.2 原动机构设计 .42.3 传动机构设计 .52.4 转向机构设计 .62.5 行走机构设计 .163 三维造型及仿真分析 .173.1 三
9、维造型 .173.1.1 原动机构造型 .183.1.2 传动机构造型 .193.1.3 转向机构造型 .203.1.4 行走机构造型 .213.2 仿真分析 .213.2.1 基于 PROE 的运动学仿真 .213.2.2 基于 ADAMS 的动力学仿真 .244 结果分析 .324.1 小车行驶轨迹分析 .324.2 小车行驶速度分析 .334.3 成果与展望 .35参考文献 .36致谢 .3711 绪论1.1 研究目的及意义毕 业 设 计 是 教 学 过 程 的 最 后 阶 段 采 用 的 一 种 总 结 性 的 实 践 教 学 环 节 。 通 过 毕业 设 计 ， 能 使 学 生 综
10、合 应 用 所 学 的 各 种 理 论 知 识 和 技 能 ， 进 行 全 面 、 系 统 、 严 格的 技 术 及 基 本 能 力 的 练 习 。本 设 计 来 源 于 “挑 战 杯 ”全 国 大 学 生 课 外 学 术 科 技 作 品 竞 赛 和 中 国 大 学 生 创业 计 划 竞 赛 ， 设 计 一 种 将 重 力 势 能 转 换 为 机 械 能 ， 并 可 用 来 驱 动 小 车 行 走 及 转 向的 装 置 。 无 碳 小 车 采 用 三 轮 结 构 ， 前 转 向 轮 最 大 外 径 不 小 于 30mm， 小 车 上 装载 一 外 形 尺 寸 为 60mm20mm 且 质 量
11、不 小 于 400g 的 实 心 圆 柱 型 钢 制 质 量 块 。 该无 碳 小 车 在 前 行 时 能 够 自 动 避 开 赛 道 上 设 置 的 障 碍 物 （ 每 间 隔 1米 ， 放 置 一 个 直径 20mm、 高 200mm 的 弹 性 障 碍 圆 棒 ） 。 本 小 车 着 重 体 现 了 无 碳 的 概 念 ， 小 车 的 动能 完 全 由 重 力 势 能 提 供 ， 是 对 环 保 的 最 高 理 想 。图 1.1 无 碳 小 车 竞 赛1.2 无碳小车竞赛（1）竞赛命题本届竞赛命题主题为“无碳小车” 。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。命题内容体现“创
12、新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。（2）小车功能设计要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能2并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm 的弹性障碍圆棒） 。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。 给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2） ，竞赛时统一用质量为1Kg 的重块（ 5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差5002mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。要求小车前行过程中完成的所有动作所需的
13、能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。 小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮） ，具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为 6020 mm 的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于 750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。转向轮最大外径应不小于30mm。图1.2 无碳小车示意图 图1.3 无碳小车行走示意图1.3 小车设计方法设 计 需 要 借 助 三 维 软 件 及 动 力 学 仿 真 软 件 进 行 可 行 性 分 析 ， 验 证 设 计 的 合 理性 。三 维 软 件 可 以 使 用 CAD 软 件 进 行 计
14、 算 机 辅 助 设 计 ， Pro/Engineer 操 作 软 件是 美 国 参 数 技 术 公 司 （ PTC)旗 下 的 CAD/CAM/CAE 一 体 化 的 三 维 软 件 。Pro/Engineer 软 件 以 参 数 化 著 称 ， 是 参 数 化 技 术 的 最 早 应 用 者 ， 在 目 前 的 三 维造 型 软 件 领 域 中 占 有 着 重 要 地 位 。 鉴 于 此 ， 本 设 计 采 用 Pro/Engineer 操 作 软件 。动 力 学 仿 真 软 件 我 们 使 用 CAE 软 件 ， 主要是指利用数值模拟分析技术对工程和产品进行性能和安全可靠性分析，模拟其未
15、来的工作状态和运行行为，及早发现3设计缺损，验证工程产品功能的可用性与可靠性。设计关键点在于两种软件的结合，三维造型后运用动力学仿真软件进行仿真分析，这样才能真正达到设计和仿真的结合，做出完整的设计。42 理论基础及方案设计小车大体由四个部分构成，分别为：原动机构，传动机构，执行机构和控制部分。所以可以把小车分为：车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构五个模块，进行模块化设计。分别对每一个模块进行多种方案设计，并比较各个方案的优缺点，选择最优方案，进行整体设计。2.1 车架设计由于车架只需承受重块的重力势能及载荷的重量，所以对其强度要求不高，综合考虑加工成本和难易程度，选择铝制车架。车身
16、宽度不能过大，以便于实现绕桩行走，同时也不能过小，防止发生侧翻，综合考虑后决定车身宽度为150mm，造型示意图如图1.4所示。图2.1 车架示意图2.2 原动机构设计驱动行走的动能是根据能量转换原理，由重块的重力势能转换来的，绳子的拉5力作为动力，将物体下落产生的动能尽可能转化成小车的动能，进而克服阻力做功，并且尽可能使小车匀速运动。小车对原动机构还有其他具体要求：（1）驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。（2）到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动
17、能未释放，能量利用率不高。（3）由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。综合考虑以上因素，可以使用滑轮绳索机构作为原动机构，为保证重块平稳下落，可以采用多根绳索牵引来保证。驱动轴使用锥轴，以适应不同场地需要，调整驱动力。同时选择驱动轴作为主动轴，主动轴每旋转一周，小车走过一个周期的距离，有式2.1成立：nd=l （2.1）其中，n 为小车在重物下落过程中能走过的周期数，d 为主动轴直径，l 为绳索长度（500mm） ，综合考虑主动轴的强度和小车走过的周期数，选择主动轴周长为5mm，此时小车走过的周期数为31.8周。2.3 传动机构设计（1）传动方案选定传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需具备传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等条件。 不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。 带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动
