機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-無碳小車的整體設(shè)計(jì)及仿真分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　無碳小車的整體設(shè)計(jì)及仿真分析</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)

2、立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：無碳小車的整體設(shè)計(jì)及仿真分析</p><p>　　1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)</p

3、><p>　　通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)了解和掌握到畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的步驟和程序。</p><p>　　結(jié)合無碳小車的工作要求，不利用有碳能源，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，利用重力勢能驅(qū)動(dòng)具有方向控制功能的小車模型。完成無碳小車的整理設(shè)計(jì)。</p><p>　　借助于三維軟件及動(dòng)力學(xué)仿真軟件，做出所需零件并完成裝配，進(jìn)行仿真模擬以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。</p><p>　

4、　2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容</p><p>　　了解無碳小車的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　采用偏心輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向</p><p>　　分析車身轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，完成偏心輪的設(shè)計(jì)</p><p>　　通過三維造型和動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析</p><p><b>　　3．主要參考文

5、獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 孫桓,陳作模.機(jī)械原理.7版.北京：高等教育出版社,2010</p><p>　　[2] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例.北京：國防工業(yè)出版社,2006</p><p>　　[3] 劉慶立.共軛凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)技術(shù)的研究.包裝工程，2012(5)</p><p>　　[4] 張星.基

6、于Pro/E的凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)及ADAMS仿真.科技經(jīng)濟(jì)市場,2008(2)</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　無碳小車的整體設(shè)計(jì)及仿真分析</p><p>　　摘要：本設(shè)計(jì)來源于“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽和中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽，設(shè)計(jì)一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并可用來驅(qū)動(dòng)小車行走及轉(zhuǎn)向的裝置。

7、本小車著重體現(xiàn)了無碳的概念，小車的動(dòng)能完全由重力勢能提供，是對(duì)環(huán)保的最高理想。</p><p>　　設(shè)計(jì)需要借助三維軟件及動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行可行性分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。使用Proe軟件輔助設(shè)計(jì)并三維造型，使用Adams軟件仿真分析，設(shè)計(jì)出了合理的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，得到了符合比賽要求的行駛軌跡。對(duì)小車行駛過程做出分析，得到速度曲線。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無碳小車，整體設(shè)計(jì)，三維造型，模擬仿

8、真</p><p>　　Carbon-free car's overall design and simulation analysis</p><p>　　Abstract: This design is derived from the "challenge cup" national university student extracurricular a

9、cademic science and technology works competition and Chinese college students business plan competition, design a kind of gravitational potential energy into mechanical energy, and can be used to drive the car to walk an

10、d 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 ideal o</p><p>　　Design need to use 3

11、 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 mecha

12、nism, the movement track of conform to the requirements of the game.Make analysis to the car drive, speed curve.</p><p>　　Keywords:Carbon-free car,integrated design,3D modeling,simulation</p><p>

13、;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究目的及意義1</p><p>　　1.2 無碳小車競賽1</p><p>　　1.3 小車設(shè)計(jì)方法2</p><p>　　2 理論基礎(chǔ)及方案設(shè)計(jì)4<

14、/p><p>　　2.1 車架設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16</p><p>　　3 三維造型及仿真分析17</p>&

15、lt;p>　　3.1 三維造型17</p><p>　　3.1.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)造型18</p><p>　　3.1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造型19</p><p>　　3.1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)造型20</p><p>　　3.1.4 行走機(jī)構(gòu)造型21</p><p>　　3.2 仿真分析21</p>&

16、lt;p>　　3.2.1 基于proe的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真21</p><p>　　3.2.2 基于Adams的動(dòng)力學(xué)仿真24</p><p><b>　　4 結(jié)果分析32</b></p><p>　　4.1 小車行駛軌跡分析32</p><p>　　4.2 小車行駛速度分析33</p><p

17、>　　4.3 成果與展望35</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究目的及意義</b></p>&

18、lt;p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)過程的最后階段采用的一種總結(jié)性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，能使學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的各種理論知識(shí)和技能，進(jìn)行全面、系統(tǒng)、嚴(yán)格的技術(shù)及基本能力的練習(xí)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)來源于“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽和中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽，設(shè)計(jì)一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并可用來驅(qū)動(dòng)小車行走及轉(zhuǎn)向的裝置。無碳小車采用三輪結(jié)構(gòu)，前轉(zhuǎn)向輪最大外徑不小于Φ30mm，小車上裝載一外

19、形尺寸為Φ60mm×20mm且質(zhì)量不小于400g的實(shí)心圓柱型鋼制質(zhì)量塊。該無碳小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔1米，放置一個(gè)直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。本小車著重體現(xiàn)了無碳的概念，小車的動(dòng)能完全由重力勢能提供，是對(duì)環(huán)保的最高理想。</p><p>　　圖1.1 無碳小車競賽</p><p><b>　　無碳小車競賽</b>&

20、lt;/p><p><b>　?。?）競賽命題</b></p><p>　　本屆競賽命題主題為“無碳小車”。命題與高校工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際操作能力和工程管理能力”四個(gè)方面的要求。</p><p>　?。?）小車功能設(shè)計(jì)要求</p><p>　　給定一重力勢

21、能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該自行小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔1米，放置一個(gè)直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開障礙的多少來綜合評(píng)定成績。 給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），競賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（?50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，重

22、塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。 要求小車前行過程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。 小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計(jì)完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為?60×20 mm的實(shí)心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最

23、大外徑應(yīng)不小于30mm。</p><p>　　圖1.2 無碳小車示意圖 圖1.3 無碳小車行走示意圖</p><p><b>　　小車設(shè)計(jì)方法</b></p><p>　　設(shè)計(jì)需要借助三維軟件及動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行可行性分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。</p><p>　　三維軟件可以使用CAD軟

24、件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。鑒于此，本設(shè)計(jì)采用Pro/Engineer操作軟件。</p><p>　　動(dòng)力學(xué)仿真軟件我們使用CAE軟件，主要是指利用數(shù)值模擬分析技術(shù)對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能和安全可靠性分析，模擬

25、其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺損，驗(yàn)證工程產(chǎn)品功能的可用性與可靠性。</p><p>　　設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于兩種軟件的結(jié)合，三維造型后運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真分析，這樣才能真正達(dá)到設(shè)計(jì)和仿真的結(jié)合，做出完整的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　理論基礎(chǔ)及方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　小車大體由四個(gè)部分構(gòu)成，分別為：原動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳

26、動(dòng)機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制部分。所以可以把小車分為：車架，原動(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)五個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分別對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行多種方案設(shè)計(jì)，并比較各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最優(yōu)方案，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　車架設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由于車架只需承受重塊的重力勢能及載荷的重量，所以對(duì)其強(qiáng)度要求不高，綜合考慮加工成本和難易程度，選擇

27、鋁制車架。車身寬度不能過大，以便于實(shí)現(xiàn)繞樁行走，同時(shí)也不能過小，防止發(fā)生側(cè)翻，綜合考慮后決定車身寬度為150mm，造型示意圖如圖1.4所示。</p><p>　　圖2.1 車架示意圖</p><p><b>　　原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)行走的動(dòng)能是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由重塊的重力勢能轉(zhuǎn)換來的，繩子的拉力作為動(dòng)力，將物體下落產(chǎn)

28、生的動(dòng)能盡可能轉(zhuǎn)化成小車的動(dòng)能，進(jìn)而克服阻力做功，并且盡可能使小車勻速運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其他具體要求：</p><p>　?。?）驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過大傾翻，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。</p><p>　?。?）到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對(duì)小車過大的沖擊。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊

29、豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。</p><p>　?。?）由于不同的場地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。</p><p>　　綜合考慮以上因素，可以使用滑輪繩索機(jī)構(gòu)作為原動(dòng)機(jī)構(gòu)，為保證重塊平穩(wěn)下落，可以采用多根繩索牽引來保證。驅(qū)動(dòng)軸使用錐

30、軸，以適應(yīng)不同場地需要，調(diào)整驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)選擇驅(qū)動(dòng)軸作為主動(dòng)軸，主動(dòng)軸每旋轉(zhuǎn)一周，小車走過一個(gè)周期的距離，有式2.1成立：</p><p>　　n×π×d=l （2.1）</p><p>　　其中，n為小車在重物下落過程中能走過的周期數(shù)，d為主動(dòng)軸直徑，l為繩索長度（

31、500mm），綜合考慮主動(dòng)軸的強(qiáng)度和小車走過的周期數(shù)，選擇主動(dòng)軸周長為5mm，此時(shí)小車走過的周期數(shù)為31.8周。</p><p><b>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?）傳動(dòng)方案選定</b></p><p>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌

32、道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需具備傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等條件。 </p><p>　?、俨挥闷渌~外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。 </p><p>　?、趲л喚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。 </p>

33、;<p>　?、埤X輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。</p><p>　　原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中已經(jīng)提到，主動(dòng)軸為錐軸，如果采用傳動(dòng)方式即不用其他額外的傳動(dòng)裝置，直接由錐軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，那么錐軸每轉(zhuǎn)一周，后輪必須走過一個(gè)周期的路程，s=π×d,s可以求得為2279.64mm，此時(shí)后輪直徑d=726mm，后輪過

34、大，所以第一種方式不可取。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)，正如上文所述，齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　?。?）具體參數(shù)確定</b></p><p>　　首先確定齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。</p><p>　　由于s=π×d×i，式中s（2279.6

35、4mm）為一個(gè)周期內(nèi)小車行走距離，d為后輪直徑，i為齒輪傳動(dòng)比。</p><p>　　為保證行駛穩(wěn)定，小車中心不能過高，后輪直徑不能過大。采用一級(jí)變速，傳動(dòng)比不宜過大。綜上考慮，選擇傳動(dòng)比i=5，此時(shí)后輪直徑d=145.2mm。</p><p>　　齒輪參數(shù)采用小模數(shù)齒輪，增加齒數(shù)，增大齒輪嚙合重合度，可提高傳動(dòng)精度，彌補(bǔ)齒輪制造精度差。因此選擇齒輪模數(shù)為1，大齒輪Z1=100，小齒輪Z2

36、=20,中心距為50mm。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是無碳小車整體設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，對(duì)于小車能否跑出均勻的“s”形軌跡具有決定性作用。要使小車運(yùn)行出均勻的 “ s ”型軌跡，則需要使小車軌跡的中心線保持為一條直線。</p><p>　　目前 ，能夠?qū)崿F(xiàn)無碳小車車輪轉(zhuǎn)向控制的機(jī)構(gòu)主要有曲柄搖

37、桿機(jī)構(gòu) 、正弦機(jī)構(gòu) ( 曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) )和R SSR 空間四桿機(jī)構(gòu)。</p><p>　?。?）以曲柄搖桿為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)</p><p>　　通過設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各桿長參數(shù)可以使其形成擺轉(zhuǎn)副，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)無碳小車前輪轉(zhuǎn)向的控制。但一般曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在急回特性，易導(dǎo)致前輪左右擺角不相同，所以將其作為無碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，最好設(shè)計(jì)為無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其模型如圖2.2所示。</p>

38、;<p>　　圖2.2 無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模型</p><p>　　設(shè)上圖所示無急回特性的曲柄搖桿模型中曲柄AO2=R，從圖右側(cè)可以看出，</p><p>　　EG =2R，下式便是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)無急回的充要條件，</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　將式2.2化簡 ，可

39、得 ：</p><p>　　L12+R2=L22+L32 （2.3）</p><p>　　如要將此機(jī)構(gòu)應(yīng)用于無碳小車，則還需要滿足如下條件：當(dāng)曲柄處于B，D位置時(shí)，搖桿要處于F位置。顯然，當(dāng)BF位置滿足要求時(shí)，DF位置便無法滿足要求。因此，無急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)理論上不滿足無碳小車的應(yīng)用

40、條件 。</p><p>　　其次其運(yùn)動(dòng)副元素為面接觸，壓力較小，潤滑好，磨損小，加工制造容易，且連桿機(jī)構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對(duì)保證工作的可靠性有利，在連桿機(jī)構(gòu)中，在原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變的條件下，可改變各構(gòu)件的相對(duì)長度來使從動(dòng)件得到不同的規(guī)律。但是由于連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)必須經(jīng)過中間構(gòu)件進(jìn)行傳遞，因而傳動(dòng)路線較長，易產(chǎn)生較大的誤差累積同時(shí)也使機(jī)械效率降低，在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，連桿及滑塊所產(chǎn)生的附加慣性力難以用一般的平衡

41、方法平衡，因而連桿機(jī)構(gòu)不適于高速運(yùn)功，雖然可以利用連桿機(jī)構(gòu)來滿足一些運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求，但其設(shè)計(jì)十分繁瑣，且一般只是近似得以滿足。</p><p>　?。?）以正弦機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)</p><p>　　正弦機(jī)構(gòu)是目前無碳小車設(shè)計(jì)過程中常選用的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之一，圖2.3為其機(jī)構(gòu)簡圖，其曲柄可在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，同樣可控制無碳小車的前輪擺角。</p><p>　　圖2.

42、3 正弦機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　正弦機(jī)構(gòu)前輪擺角與后輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下：推桿移動(dòng)距離為D=R×sinα，其中α為曲柄轉(zhuǎn)角,R為曲柄長度；前輪擺角為tanθ=D/L，其中L為推桿距前輪軸心的距離；前輪擺角與后輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系為：</p><p>　　tanθ=(R×sinα)/L

43、（2.4）</p><p>　　將式2.4改寫，得到正弦機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)角和前輪擺角問有如下關(guān)系式：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　據(jù)式2.5可得出：正弦機(jī)構(gòu)正反方向的轉(zhuǎn)角變化完全對(duì)稱，可使無碳小車前輪左右擺角相同。</p><p>　　上式中的R有一般性，改變R的大小不會(huì)改變前輪擺角的表

44、達(dá)式，因此調(diào)節(jié)曲柄長度即可調(diào)整前輪擺角的幅度，而且調(diào)整后的擺角規(guī)律依然對(duì)稱?？捎脕碚{(diào)整小車一個(gè)周期內(nèi)的縱向位移與最大橫向位移。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于制造誤差和安裝誤差的存在，即使前輪擺角規(guī)律對(duì)稱，小車也可能走不出直線度較好的軌跡，典型問題是小車軌跡向一側(cè)彎曲。此時(shí)，可以調(diào)整推桿的長度來調(diào)節(jié)前輪左右擺動(dòng)的幅度。以正弦機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，搖桿向前和向后的兩極限位置如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 搖桿極限

45、位置簡圖</p><p>　?。?）以RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)</p><p>　　RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)也是目前應(yīng)用較多的無碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之一。它利用空間連桿 的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)無碳小車前輪的左右擺動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到控制其運(yùn)動(dòng)軌跡的目的。具有結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活、傳動(dòng)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。</p><p><b>　　結(jié)論：</b></p><

46、;p>　?。?）無急回曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是平面機(jī)構(gòu)，要求曲柄處于前輪支架軸線的垂直面，要多一級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)對(duì)于搖桿與前輪角度的精度要求較高，裝配難度較大，而且曲柄長度不具備調(diào)節(jié)功能，會(huì)導(dǎo)致?lián)u桿擺角不對(duì)稱。</p><p>　?。?） 正弦機(jī)構(gòu)有2個(gè)銷槽副、一個(gè)移動(dòng)副，曲柄具備調(diào)節(jié)功能，可以在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)小車的軌跡，調(diào)節(jié)性能較好。</p><p>　?。?） RSSR 空間四桿機(jī)構(gòu)有2個(gè)

47、球副，機(jī)構(gòu)簡單，傳動(dòng)效率較高，但搖桿與前輪的角度難以控制，同樣具有安裝精度高的特點(diǎn)。</p><p>　　根據(jù)以上分析可知：正弦機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)角的完全對(duì)稱，從功能上分析是作為無碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最佳方案；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性得到提高，也可作為無碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。</p><p>　　綜合上述分析，本設(shè)計(jì)擬采用正弦機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。同時(shí)為保證機(jī)

48、構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，對(duì)稱性良好，可以使用演化機(jī)構(gòu)：偏心輪機(jī)構(gòu)。下面對(duì)偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析。</p><p>　　如圖2.5所示為偏心輪結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2.5 偏心輪結(jié)構(gòu)</p><p>　　其中偏心輪半徑為R,偏心距為e，轉(zhuǎn)角φ=ω×t，ω為偏心輪角速度，t為時(shí)間，由圖2.5可知偏心輪從起始位置A運(yùn)動(dòng)到B時(shí)有：</p><p

49、>　　S0=R-e （2.6）</p><p>　　SH=R-e×cosφ （2.7）</p><p><b>　　即從動(dòng)件位移：</b></p><p>

50、　　S=SB-S0=e(1-cosω×t) （2.8）</p><p>　　將式2.8對(duì)t求導(dǎo)得速度V：</p><p>　　V=eωsinω×t （2.9）</p><p>　　將式2

51、.9對(duì)t求導(dǎo)得加速度a</p><p>　　a=eω2cosω×t （2.10）</p><p>　　圖2.6(a),(b),(c)分別表示了、、圖。因其加速度變化為余弦曲線，故稱其為余弦曲線變化加速度運(yùn)動(dòng)或稱簡諧運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　(a)

52、 (b) (c)</p><p>　　圖2.6 偏心輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性圖</p><p>　　當(dāng)或時(shí)，加速度的絕對(duì)值達(dá)最大值。從圖可以明顯看出平底從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)起始位置時(shí)加速度有有限突變，可能有柔性沖擊產(chǎn)生，但在其余中間位置時(shí)，加速度變化平滑，均處于良好狀態(tài)。此外，由于平底從動(dòng)件和凸輪間壓力角恒等于零，在不考慮摩擦力的情況下，其相互問作用力始終垂直于

53、底面，因而受力均勻。</p><p>　　通過以上對(duì)對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件偏心輪凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析可以看到，偏心輪實(shí)際上是以S為節(jié)圓半徑的升回程曲線對(duì)稱且連續(xù)無空程的凸輪。因其加工簡單，因而易于達(dá)到很高的精度。對(duì)心從動(dòng)的偏心輪凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)特性，可用于只只要求從動(dòng)件具有一定行程的場合。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)采用偏心輪控制的正弦機(jī)構(gòu)作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。</p>&

54、lt;p><b>　　偏心輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　(1) 整體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由機(jī)械原理知識(shí)可知凸輪結(jié)構(gòu)的封閉形式有兩種，一種為力封閉式，這種凸輪結(jié)構(gòu)主要通過彈簧彈力或者是重力來保持推桿與凸輪接觸，另一種是形封閉凸輪，這種凸輪結(jié)構(gòu)主要利用特殊的凸輪結(jié)構(gòu)或推桿結(jié)構(gòu)來保持推桿與凸輪接觸，這兩種中形式中由

55、于力封閉凸輪工作不可靠同時(shí)效率比較低，故本設(shè)計(jì)擬采用形封閉偏心輪式凸輪結(jié)構(gòu)，采用共軛凸輪的結(jié)構(gòu)利用兩個(gè)凸輪來控制小車前叉的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖2.7中兩偏心輪為相差180度布置，其中為前輪轉(zhuǎn)角，D為推桿中心距，H為推程，當(dāng)左面凸輪在推程階段的時(shí)候，右面凸輪則正好處于回程階段，從而實(shí)現(xiàn)小車前叉的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖2.7 偏心輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)</p>&l

56、t;p><b>　　(2)偏心輪設(shè)計(jì)</b></p><p>　　分析比賽命題可知只要使小車的前叉轉(zhuǎn)角可以從00連續(xù)變化到最大角度，小車就可實(shí)現(xiàn)類似正弦曲線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而經(jīng)過對(duì)偏心輪結(jié)構(gòu)的分析，只要找到最大轉(zhuǎn)角就可以設(shè)計(jì)偏心輪了。</p><p>　　對(duì)行走軌跡進(jìn)行分析，測量出車身最大轉(zhuǎn)角為38o，但偏心輪決定的是前輪轉(zhuǎn)角大小，這兩個(gè)角度存在差異，下面分析這兩個(gè)

57、角度間的差異。</p><p>　　設(shè)小車的前后輪距為L,兩后輪間距為W。設(shè)任意軌跡點(diǎn)上小車車身與X軸夾角為α,小車前輪與車身中心線間的夾角為φ,如圖2.8所示，以小車前輪為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn), 設(shè)小車前輪走過微小距離ds，則ds會(huì)同時(shí)引起車身的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，其中ds對(duì)車身前進(jìn)的貢獻(xiàn)量為 f = ds cos φ , 對(duì)轉(zhuǎn)向的貢獻(xiàn)量為 r= ds sin φ 。下面分別討論這兩個(gè)分量的作用。</p><

58、p>　　圖2.8 任意軌跡點(diǎn)上小車的轉(zhuǎn)向過程</p><p>　　前進(jìn)貢獻(xiàn)量 f = ds cos φ會(huì)引起車身整體的平移?？紤]到車身的平移是由后輪驅(qū)動(dòng)的, 設(shè)小車后輪半徑為Rh，則后輪轉(zhuǎn)過的角度為 ds cos φ / Rh , 該轉(zhuǎn)動(dòng)角度會(huì)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給前輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用的是共軛偏心輪機(jī)構(gòu)，后輪轉(zhuǎn)過的角度與前輪前叉轉(zhuǎn)過的角度間存在一定的比例關(guān)系，</p><p>&l

59、t;b>　?。?.11）</b></p><p>　　i=5為齒輪傳動(dòng)比，Rh=72.5mm，&為前叉最大轉(zhuǎn)角</p><p><b>　　可推得：</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　設(shè)前輪與車身中心線的初始夾角為 φ0 則任意軌

60、跡點(diǎn)上, 前輪與車身中心線的夾角可描述為：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　下面討論轉(zhuǎn)向貢獻(xiàn)量 r= ds sinφ的作用。轉(zhuǎn)向貢獻(xiàn)量 r= ds sinφ會(huì)引起車身與 X 軸夾角的變化, 其變化量可表達(dá)為</p><p><b>　?。?.14）</b></p><

61、;p>　　設(shè)車身與 X 軸的初始夾角為α0 則任意軌跡點(diǎn)上,車身與 X 軸的夾角</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　式中，L=176.83mm W=168mm （上文提供計(jì)算參數(shù)）</p><p><b>　　可推出：</b></p><p><

62、b>　?。?.16）</b></p><p>　　下面討論任意軌跡點(diǎn)上小車前輪的位置描述。</p><p>　　設(shè)小車前輪的初始位置為( x 0 , y 0 ), 則任意軌跡點(diǎn)上, 小車前輪的位置坐標(biāo)可描述為</p><p><b>　?。?.17）</b></p><p>　　通過( x, y)和α不

63、難推導(dǎo)任意軌跡點(diǎn)上, 小車車身上任意一點(diǎn)的位置坐標(biāo)。不妨以小車中心為例, 其在車身坐標(biāo)系中(小車中心線為 X 軸, 前輪位置為原點(diǎn), 向前為 X 軸正向), 小車中心的位置坐標(biāo)為( - L/ 2, 0), 則其在地面坐標(biāo)系下的位置可描述為</p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　用MATLAB中的ODE45函數(shù)求解上述方程。</p&

64、gt;<p>　　經(jīng)多次比較，當(dāng)&=27o時(shí)，圖線較符合比賽要求，把&=27o，Rh=72.5代入式2.12，得到式2.12的系數(shù)為0.0004，依據(jù)上述方程建立m文件。</p><p>　　建立的m文件如圖2.9</p><p><b>　　圖2.9 m文件</b></p><p>　　在Matlab窗口輸入命令

65、：</p><p>　　[t,y]=ode45(@li6_44fun,[0 9000],[0 38 138 108 ])</p><p>　　plot(t,y(:,3),'-',t,y(:,4),'.')</p><p>　　得到圖線如圖2.10</p><p>　　圖2.10 模擬坐標(biāo)值</p>

66、<p>　　由圖2.7可知偏心輪推程滿足關(guān)系式2.19</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　由式可知推程H與推桿距D成比，也就是說推桿距D越小越有利于減小偏心輪結(jié)構(gòu)，同時(shí)D也不能太小因?yàn)殡S著D的減小施加在前叉上的力矩就會(huì)減小使得轉(zhuǎn)向困難，綜合以上原因，選擇推桿中心距D=35mm。則根據(jù)式可得推程H=35.66mm。最后確定

67、偏心輪基圓半徑r0=5mm，偏心距e=H/2=17.83mm，再依據(jù)推桿長得出外輪廓直徑d=45.66mm。造型出偏心輪如圖2.11所示。</p><p>　　圖2.11 偏心輪造型</p><p><b>　　行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。 <

68、/p><p>　　由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 </p><p>　　M=N×μ （2.20）</p><p>　　對(duì)于相同的材料μ為一定值。 </p><p>　　而滾動(dòng)摩擦阻力f=M/R=Nμ/

69、R，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。 </p><p>　　由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過多的約束，無法確定其軌跡

70、，不能夠有效避免碰到障礙。 </p><p>　　雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實(shí)現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，但影響有多大會(huì)不會(huì)影響小車的

71、功能還需進(jìn)一步分析。 </p><p>　　單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動(dòng)精度比利用單向軸承高。 </p><p>　　從簡單易行及大賽要求考慮，本設(shè)計(jì)采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)。</p><

72、p>　　為減輕重量，后輪采用輪輻式車輪，由于前輪較小，前輪采用整體式車輪。</p><p><b>　　三維造型及仿真分析</b></p><p><b>　　三維造型</b></p><p>　　Pro/Engineer是一款操作軟件，該軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重

73、要地位，是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/ENGINEER（簡稱Pro/e）是由美國PTC公司推出的一套博大精深的三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖

74、輸出，到生產(chǎn)加工成品的全過程，其中還包含了大量的電纜及管道布線、模具設(shè)計(jì)與分析等實(shí)用模塊，應(yīng)用范圍涉及航空、汽車、機(jī)械、數(shù)控（NC）加工、電子等諸多領(lǐng)域。由于Pro/ENGINEER具有強(qiáng)大而完美的功能，因此幾乎成為三維CAD/CAM領(lǐng)域的一面旗幟和標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇

75、，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上?！?圖3.1 proe軟件界面</p><p>　　Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 （1）參數(shù)化設(shè)計(jì)　　相

76、對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 （2）基于特征建模　　Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡易和靈活。 （3） 單一數(shù)據(jù)庫（全

77、相關(guān)）　　Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，</p><p>

78、　　基于上文所述，采用proe軟件進(jìn)行三維造型。</p><p><b>　　原動(dòng)機(jī)構(gòu)造型</b></p><p>　　原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滑輪繩索機(jī)構(gòu)，具體包括重物、滑輪、繩索、錐軸。</p><p>　　由于零件尺寸要求不嚴(yán)格，因此這里不再說明零件具體尺寸，只將裝配時(shí)添加的運(yùn)動(dòng)副加以說明。</p><p>　　滑輪和錐軸通過

79、轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，重物通過移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)與車身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。造型如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)造型</p><p><b>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造型</b></p><p>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括錐軸、后軸以及一對(duì)齒輪。兩齒輪固定在兩軸上，兩軸與車身用轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p><b>　　齒

80、輪副定義：</b></p><p>　　打開齒輪副定義對(duì)話框</p><p>　　齒輪副定義對(duì)話框運(yùn)動(dòng)軸一選擇上文定義好的后輪軸，節(jié)圓直徑輸入20，運(yùn)動(dòng)軸二選擇上文定義好的轉(zhuǎn)向軸，節(jié)圓直徑輸入100，單擊確定完成齒輪副的定義如圖3.4</p><p>　　圖3.3 齒輪副定義 圖3.4 齒輪造型<

81、/p><p><b>　　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)造型</b></p><p>　　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括共軛凸輪機(jī)構(gòu)、推桿和前叉。其中，凸輪和推桿間通過凸輪副實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，推桿可通過滑動(dòng)桿連接來實(shí)現(xiàn)相對(duì)于車身的往復(fù)移動(dòng)，通過銷釘副與滑動(dòng)桿連接來實(shí)現(xiàn)推桿相對(duì)于前叉的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　圖3.5 齒輪機(jī)構(gòu)造型</p><p><b&

82、gt;　　行走機(jī)構(gòu)造型</b></p><p>　　行走機(jī)構(gòu)即三個(gè)輪子，將前輪軸固定在前叉上，并在前輪和輪軸間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，將后輪與后輪軸固定連接，小車行走機(jī)構(gòu)裝配完成。</p><p><b>　　至此整車裝配完成。</b></p><p><b>　　仿真分析</b></p><p>

83、　　基于proe的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真</p><p>　　需要在proe中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真來驗(yàn)證裝配模型有沒有過約束，能否完成要求的運(yùn)動(dòng)。由于proe中不能添加力，所以將錐軸上添加伺服電機(jī)，以模擬重塊下落帶來的驅(qū)動(dòng)力。</p><p>　　這里在錐軸上添加伺服電機(jī)，定義如圖3.6</p><p>　　圖3.6 伺服電動(dòng)機(jī)定義</p><p>　　最后對(duì)

84、推桿的位移、速度、加速度進(jìn)行測量，點(diǎn)擊測量按鈕，創(chuàng)建新測量，分別添加位置、速度和加速度的測量。測量結(jié)果如圖3.7</p><p>　　t-s曲線： t-v曲線：</p><p>　　(a) (b)</p><p><b>

85、;　　t-a曲線：</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖3.7 推桿測量結(jié)果</p><p>　　分析上述三條曲線，符合設(shè)計(jì)要求，可以導(dǎo)入Admas中進(jìn)行仿真。</p><p>　　基于Adams的動(dòng)力學(xué)仿真</p><p>　　(1)Adams軟

86、件簡介</p><p>　　ADAMS,即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件.目前,ADAMS己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用.根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計(jì)資料,ADAMS軟件銷售總額近八千萬

87、美元,占據(jù)了51%的份額.。</p><p>　　ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫,約束庫,力庫,創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型,其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法,建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué),運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,輸出位移,速度,加速度和反作用力曲線.ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能,運(yùn)動(dòng)范圍,碰撞檢測,峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等?！　DAMS

88、一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件,用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué),運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析.另一方面,又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具,其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口,可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái).ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本:UNIX版和Windows NT/2000版.本書將以Windows 2000版的ADAMS l2.0為藍(lán)本進(jìn)行介紹?！　DAMS軟件由基本模塊,擴(kuò)展模塊,接口模塊

89、,專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成,如表3-1所示.用戶不僅可以采用通用模塊對(duì)一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真,而且可以采用專用模塊針對(duì)特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。</p><p>　　ADAMS/View是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一,采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境,將圖標(biāo)操作,菜單操作,鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作與交互式圖形建模,仿真計(jì)算,動(dòng)畫顯示,優(yōu)化設(shè)計(jì),X-Y曲線圖處理,結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集

90、成在一起?！　DAMS/View采用簡單的分層方式完成建模工作.采用Parasolid內(nèi)核進(jìn)行實(shí)體建模,并提供了豐富的零件幾何圖形庫,約束庫和力/力矩庫,并且支持布爾運(yùn)算,支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函數(shù).除此之外,還提供了豐富的位移函數(shù),速度函數(shù),加速度函數(shù),接觸函數(shù),樣條函數(shù),力/力矩函數(shù),合力/力矩函數(shù),數(shù)據(jù)元函數(shù),若干用戶子程序函數(shù)以及常量和變量等。本設(shè)計(jì)使用Admas/View進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。<

91、/p><p><b>　　(2)前期準(zhǔn)備</b></p><p>　　仿真之前可以對(duì)跑道在proe中造型，將小車放在第一個(gè)樁前0.5m，小車與中線成27o放置。</p><p>　　proe模型可以導(dǎo)入Adams，在proe中將模型保存副本，保存為Para solid格式，可以實(shí)現(xiàn)模型對(duì)接。</p><p>　　在Adams

92、軟件中import .x_t文件，</p><p>　　圖3.8 import to Adams</p><p>　　打開Adams軟件，將小車所有零件設(shè)置成鋁制，將跑道設(shè)置成木質(zhì)。</p><p><b>　　圖3.9 設(shè)置材料</b></p><p>　　由于pro/e中的模型在導(dǎo)入到Adams中已定義的運(yùn)動(dòng)副與驅(qū)

93、動(dòng)會(huì)丟失，故需在Adams中重新定義運(yùn)動(dòng)副與接觸力。</p><p><b>　　(3)接觸力定義</b></p><p>　　利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS可以較方便地求解剛性體的碰撞問題，但計(jì)算參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，成為人們應(yīng)用ADAMS準(zhǔn)確、快速解決碰撞問題的難點(diǎn)和重點(diǎn)，計(jì)算參數(shù)如果設(shè)置的不夠準(zhǔn)確，在進(jìn)行碰撞仿真時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，甚至?xí)褂?jì)算

94、終止。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，人們只是對(duì)剛度、碰撞力指數(shù)及阻尼的定義進(jìn)行了一些分析研究，大量計(jì)算表明，僅僅注重這幾個(gè)參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文以ADAMS的碰撞力定義方法為依據(jù)，對(duì)碰撞參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了比較全面的分析研究，通過具體碰撞仿真實(shí)例，得出了一些如何合理進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的結(jié)論。 </p><p>　?、貯dams碰撞力定義分析</p><p>　　在Adams中有兩種定義碰撞力的方法:一種

95、是補(bǔ)償法(Restitution);另一種是沖擊函數(shù)法(Impact)。相對(duì)而言，前者的參數(shù)更難準(zhǔn)確設(shè)置，所以更多是選用后者來計(jì)算碰撞力。沖擊函數(shù)法是根據(jù)impact函數(shù)來計(jì)算兩個(gè)構(gòu)件之問的碰撞力，碰撞力由兩個(gè)部分組成:一個(gè)是由于兩個(gè)構(gòu)件之問的相互切入而產(chǎn)生的彈性力;另一個(gè)是由于相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力。</p><p>　　impact函數(shù)的一般表達(dá)式為:</p><p><b>

96、　?。?.1）</b></p><p>　　式中:q0為兩個(gè)要碰撞物體的初始距離;q為兩物體碰撞過程中的實(shí)際距離;dq/dt為兩個(gè)物體間距離隨時(shí)問的變化率，即速度;k為剛度系數(shù);e為碰撞指數(shù);為最大阻尼系數(shù);d為切入深度，它決定了何時(shí)阻尼力達(dá)到最大;為了防止碰撞過程中阻尼力的不連續(xù)，式中采用了step函數(shù)，其形式為</p><p><b>　?。?.2）</b&

97、gt;</p><p><b>　　式中：。 </b></p><p><b>　　碰撞參數(shù)設(shè)置分析：</b></p><p>　　a.剛度系數(shù)(Stiffness)。對(duì)旋轉(zhuǎn)物體的碰撞，其剛度系數(shù)可近似地根據(jù)式3.3來確定：</p><p><b>　?。?.3）</b>&l

98、t;/p><p>　　式中R1、R2分別為兩碰撞物體碰撞處的半徑（1/R=1/R1+1/R2）；</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　υ1、υ2分別是兩物體的泊松比，E1、E2分別是兩物體的彈性模量。 </p><p>　　對(duì)于非旋轉(zhuǎn)體的碰撞，剛度系數(shù)可采用ADAMS 的官

99、方推薦值，即默認(rèn)值進(jìn)行計(jì)算。 </p><p>　　b.碰撞指數(shù)(Force Exponent)。碰撞指數(shù)e反映了材料的非線性程度。其推薦值：金屬與金屬材料為1.5；橡膠材料為2。 </p><p>　　c.最大阻尼系數(shù)(Damping)。最大阻尼系數(shù)maxc表征碰撞能量的損失。其值通常設(shè)為剛度系數(shù)的0.1～1％。 </p><p

100、>　　d.切入深度(Penetration Depth)。切入深度表征最大阻尼時(shí)的侵入深度。剛碰撞時(shí)，沒有阻尼力，隨著侵入深度增大，阻尼力加大，直到最大阻尼力。其適合值為0.1mm。 </p><p>　　②Adams摩擦力分析</p><p>　　Adams接觸力中的摩擦是非線性摩擦模型，是動(dòng)摩擦與靜摩擦之間按照兩接觸物體的相對(duì)滑移速度的相互轉(zhuǎn)換，</p&

101、gt;<p>　　圖3.10 摩擦力關(guān)系圖</p><p>　　圖中vs為靜摩擦轉(zhuǎn)變速度，Vd為動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變速度，μs為最大靜摩擦系數(shù)，μd為動(dòng)摩擦系數(shù)，vs<vd,μs>μd。</p><p>　　當(dāng)相對(duì)滑移速度的絕對(duì)值由0逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)関s，物體所受的是靜摩擦，靜摩擦系數(shù)的絕對(duì)值由0逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣蘳；當(dāng)相對(duì)滑移速度的絕對(duì)值由vs逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)関d時(shí)，物體處于由靜摩擦向動(dòng)摩

102、擦的轉(zhuǎn)換過程中，摩擦系數(shù)的絕對(duì)值由μs逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣蘢,當(dāng)相對(duì)滑移速度的絕對(duì)值大于時(shí)vd,物體所受的是動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)不變，為μd。對(duì)于大部分相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件（如車輪和軌道），在實(shí)際中，兩者之間的摩擦在絕大多數(shù)情況下都是動(dòng)摩擦，所以一定要保證動(dòng)摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確性（靜摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確性相對(duì)來說就不是太重要了）。靜摩擦轉(zhuǎn)變速度和動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變速度的單位為mm /s，數(shù)值一般都很?。ㄏ鄬?duì)于起重機(jī)大小車的運(yùn)行速度），具體值的準(zhǔn)確性也不是太重要。</p

103、><p>　　通過以上分析可以使用contact函數(shù)來很好的模擬小車車輪與地面的接觸情況。本設(shè)計(jì)選用沖擊函數(shù)法(Impact)來定義碰撞，圖中Stiffness代表接觸剛度，F(xiàn)orce Exponent代表碰撞指數(shù)，Damping代表最大阻尼系數(shù)，Penetration Depth代表切入深度，static coefficient代表靜摩擦系數(shù)，Dynamic coefficient代表動(dòng)摩擦系數(shù)。定義好的接觸力如圖

104、3.11，圖3.12所示（三個(gè)車輪與地面間接觸力相同）</p><p>　　圖3.11 車輪與地面間接觸力 圖3.12 偏心輪與推桿與前叉間接觸力</p><p><b>　　(4)運(yùn)動(dòng)副添加</b></p><p>　　①固定鏈接：將車架與四個(gè)軸承座布爾運(yùn)算成為一個(gè)整體。另外，將車架與滑輪軸、前輪軸，剛性連接；將錐軸與

105、兩偏心輪、大齒輪，剛性連接；將后輪軸與兩后輪、小齒輪，剛性連接；將載荷與車架剛性連接；由于此次仿真使用在錐軸上添加驅(qū)動(dòng)力矩的方式模擬驅(qū)動(dòng)力，所以將重塊與車架剛性連接。</p><p>　　圖3.13 剛性連接</p><p>　?、谵D(zhuǎn)動(dòng)副：Adams中轉(zhuǎn)動(dòng)副的建立有三種方法，這里選擇“2Bod-1Loc”（選擇兩零件，一位置）位置即旋轉(zhuǎn)中心在哪一點(diǎn)上，然后選擇“Pick Feature”（

106、選擇轉(zhuǎn)動(dòng)方向）。在滑輪與滑輪軸間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，旋轉(zhuǎn)中心位于滑輪中心，向量方向?yàn)榛嗇S中心線方向；同理，在前輪與前輪軸間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副；在后軸與車架間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，旋轉(zhuǎn)中心為后軸中心，向量方向?yàn)楹筝S中心線方向；同理，在前軸與車架間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副；最后在前叉與前軸承座間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，旋轉(zhuǎn)中心為前叉中心，向量方向?yàn)榍安嬷行木€方向。</p><p>　　圖3.14 旋轉(zhuǎn)副添加</p><p>　?、垡苿?dòng)副：Ad

107、ams中移動(dòng)副的建立與旋轉(zhuǎn)副相同，也有三種方法，這里不再贅述。在推桿與車架間添加移動(dòng)副，位置選擇在推桿中心，方向?yàn)橥茥U中心線方向。</p><p>　　圖3.15 移動(dòng)副添加</p><p>　?、荦X輪副：Adams中提供了齒輪副的建立方法，要求選擇兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸和一個(gè)等速點(diǎn)，由于Adams是一個(gè)坐標(biāo)控制的軟件，pro/e導(dǎo)入Adams中原有坐標(biāo)消失使得齒輪傳動(dòng)的等速點(diǎn)建立比較困難。由于小車上

108、的一對(duì)齒輪是直齒圓柱齒輪，只要已知兩齒輪傳動(dòng)比，就可以使用關(guān)聯(lián)副將兩齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)聯(lián)連接，將關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)置為一正一負(fù)即可模擬齒輪間的傳動(dòng)關(guān)系，因此這里使用關(guān)聯(lián)副代替齒輪副進(jìn)行連接。連接效果如圖。</p><p>　　圖3.16 關(guān)聯(lián)副添加定義</p><p><b>　　(5)驅(qū)動(dòng)力定義</b></p><p>　　有與本設(shè)計(jì)的原動(dòng)軸采用了錐軸

109、，其啟動(dòng)力矩是先減后勻速的，在Adams中可以使用step函數(shù)來定義這種情況從而可以比較真實(shí)的模擬啟動(dòng)情況，在Adams中單擊來定義力矩（需確定力矩作用點(diǎn)和力矩）在力矩函數(shù)（functions）中輸入step(time,0,0.08,20,0.025)+step(time,250,0.025,260,0)可定義這一變換的力矩。</p><p>　　圖3.17 驅(qū)動(dòng)力矩定義</p><p>

110、　　(6)基于Admas的小車仿真</p><p>　　在仿真前需要添加重力以制造車輪與地面間的壓力。設(shè)置endtime50，step500，開始仿真。對(duì)仿真結(jié)果在PostProcessor模塊中進(jìn)行后續(xù)處理，并錄制視頻。</p><p>　　圖3.18 仿真定義</p><p><b>　　結(jié)果分析</b></p><p&

111、gt;<b>　　小車行駛軌跡分析</b></p><p>　　仿真結(jié)束后，在Adams中畫出車架中心行駛軌跡線，如圖4.1所示</p><p>　　圖4.1 車架中心軌跡線</p><p>　　將仿真結(jié)果導(dǎo)入PostProcessor模塊中進(jìn)行進(jìn)一步分析，導(dǎo)入后的圖像如下。</p><p><b>　　圖4.

112、2 仿真路線</b></p><p>　　圖4.3 t-s曲線（前輪、兩后輪）</p><p>　　由圖4.2可以看出，行駛軌跡已基本符合比賽要求，沒有與圓柱發(fā)生干涉且軌跡平緩均勻。最后將該軌跡線導(dǎo)入Proe進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖4.4</p><p>　　圖4.4 軌跡線測量結(jié)果</p><p>　　分析圖線，半周期距離約為10

113、00mm，振幅約為250mm，符合設(shè)計(jì)要求與比賽要求。</p><p><b>　　小車行駛速度分析</b></p><p>　　將仿真結(jié)果導(dǎo)入PostProcessor模塊中進(jìn)行速度分析。首先得到小車前輪和兩后輪速度曲線如圖4.5</p><p>　　圖4.5 t-v曲線（前輪、兩后輪）</p><p>　　分析圖線可

114、知小車剛剛啟動(dòng)速度不穩(wěn)，經(jīng)過大約20s后，速度開始呈現(xiàn)周期性變化。當(dāng)小車處于中部時(shí)，行駛速度最大，小車狀態(tài)如圖4.6</p><p>　　圖4.6 速度最大狀態(tài)</p><p>　　當(dāng)小車處于上下兩極限位置時(shí)，行駛速度最小，小車狀態(tài)如圖4.7</p><p>　　圖4.7 速度最小狀態(tài)</p><p><b>　　成果與展望<

115、/b></p><p><b>　?。?）設(shè)計(jì)成果</b></p><p>　　了解了設(shè)計(jì)無碳小車的意義：提倡使用清潔能源，提升節(jié)能環(huán)保意識(shí)和無碳理念。通過對(duì)小車構(gòu)成分析，將小車分為：車架，原動(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)五個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出偏心輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，找到了最佳前輪最大偏角，完成整車設(shè)計(jì)。使用Proe軟件對(duì)整車完成三維造型與裝配，使用Adams軟