走S路線(xiàn)-無(wú)碳小車(chē)新型設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】
一種無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化分析,無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)提綱,一、無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)背景及研究意義二、無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)三、無(wú)碳小車(chē)?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(wú)碳小車(chē)的展望六、無(wú)碳小車(chē)實(shí)際樣機(jī)展示,一、無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)背景及研究意義,能源枯竭是目前世界各國(guó)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)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(guó)家,交通運(yùn)輸能量消耗占世界能量消耗總額的1/41/3,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(lái)源,是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天,人們通過(guò)反思工業(yè)發(fā)展中給人們生活及地球環(huán)境帶來(lái)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(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),小車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖,小車(chē)行走軌跡圖,2、無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)思路,根據(jù)對(duì)小車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的任務(wù),小車(chē)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(wú)碳小車(chē)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(shì)能轉(zhuǎn)化為小車(chē)的動(dòng)能,驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走,而小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中必須保持平穩(wěn),勻速行駛,因此對(duì)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(chē)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(chē)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(chē)轉(zhuǎn)速減小,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力力矩和整車(chē)的合外阻力平衡后,小車(chē)勻速運(yùn)行。C、當(dāng)重物距離小車(chē)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(chē)行走,此時(shí)小車(chē)減速運(yùn)行,直至落到小車(chē)底板,(2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),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(jiǎn)單。缺點(diǎn):重量大;傳動(dòng)距離較?。?帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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;,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(jiǎn)單的,而且傳動(dòng)效率最高。缺點(diǎn):整個(gè)小車(chē)的布局不好控制,重心容易偏移,經(jīng)過(guò)優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)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(jiǎn)單,摩擦阻力小,而且具有無(wú)急回的運(yùn)動(dòng)特性,確保小車(chē)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(jiǎn)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(jiǎn)單,易于設(shè)計(jì)制造,必須保證機(jī)構(gòu)無(wú)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(zhǎng)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(xiàn)速度不一樣,從而產(chǎn)生差速,小車(chē)通過(guò)兩輪的差速實(shí)現(xiàn)繞障礙物行走的功能。差速轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)理論上是實(shí)現(xiàn)小車(chē)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(guò)兩個(gè)后輪的直徑大小控制小車(chē)正弦軌跡曲線(xiàn)的周期大小,由于小車(chē)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(qián)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(duì)比,選擇:?jiǎn)屋喰凶邫C(jī)構(gòu),(5)微調(diào)機(jī)構(gòu),小車(chē)加工制造過(guò)程不可避免存在加工誤差和裝配誤差,還有小車(chē)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(chē)系統(tǒng)的控制部分,控制小車(chē)的運(yùn)行正弦軌跡的幅值、周期、方向,使小車(chē)走一條最優(yōu)的軌跡路線(xiàn)。,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(wú)碳小車(chē)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(pán)+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(pán)(紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)+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(pán)(紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉(zhuǎn)盤(pán)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(wú)碳小車(chē)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(guò)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(chē)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(chē)運(yùn)動(dòng)的工況不同,可以調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu),通過(guò)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(zhǎng)度。相當(dāng)于一個(gè)系統(tǒng)的控制部分。,三、無(wú)碳小車(chē)?yán)碚撚?jì)算基礎(chǔ),1、理論計(jì)算基礎(chǔ),假設(shè)小車(chē)的行走軌跡為正弦函數(shù):y=0.35sinx(單位m)即小車(chē)的運(yùn)行軌跡幅值為A:0.35m,周期為T(mén)=2m對(duì)軌跡曲線(xiàn)求導(dǎo)得y=0.35cosx,此方程為小車(chē)在各個(gè)軌跡位置轉(zhuǎn)角的正切值大小,通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M可以得到前輪最大轉(zhuǎn)角大約為36,通過(guò)對(duì)該正弦函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)求導(dǎo)可以得到:小車(chē)運(yùn)行一個(gè)周期的軌跡路徑大約為L(zhǎng)=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(wú)碳小車(chē)的參數(shù)確定,經(jīng)過(guò)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(chē)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(wú)碳小車(chē)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(wú)碳小車(chē)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(chē)只受到重力作用和地面的摩擦力。B、小車(chē)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(chē)受到的重力作用,1)無(wú)碳小車(chē)材料賦予并分析整車(chē)的質(zhì)量屬性,重物:碳鋼Steel其他小車(chē)零件的材料:AL2014,分析結(jié)果:整車(chē)的重量大約為2.2Kg,2)阻尼設(shè)計(jì),3)小車(chē)電機(jī)的設(shè)計(jì),根據(jù)之前對(duì)小車(chē)的理論計(jì)算基礎(chǔ),可以估算小車(chē)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(chē)子剛剛啟動(dòng)的瞬間,重物的速度是慢慢增加的,直至車(chē)子勻速行駛,重物才勻速下降,3)小車(chē)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20dec/s,小車(chē)行駛的平均速度為34mm/s,小車(chē)運(yùn)行的軌跡路線(xiàn),近似為正弦曲線(xiàn),,(3)優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)多次調(diào)整工況和微調(diào)機(jī)構(gòu)的尺寸,優(yōu)化得出無(wú)碳小車(chē)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(wú)碳小車(chē)展望,假如把重物做成一個(gè)太陽(yáng)能電池,當(dāng)重物下降后,重物能夠自動(dòng)上升,那小車(chē)將能一直行走下去,無(wú)碳小車(chē)那就真正具有使用價(jià)值的永動(dòng)車(chē)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(kāi)發(fā)另一片天地。因此此次畢設(shè)不僅僅是提倡一種無(wú)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(chē),
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