一種無碳小車的創(chuàng)新性設計與仿真優(yōu)化分析,,學 生：,無碳小車設計提綱,一、無碳小車設計背景及研究意義 二、無碳小車結構方案設計 三、無碳小車理論計算基礎 四、虛擬樣機動態(tài)仿真優(yōu)化分析 五、無碳小車的展望 六、無碳小車實際樣機展示,一、無碳小車的設計背景及研究意義,能源枯竭是目前世界各國面臨的嚴峻問題之一，這也成為制約部分地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的首要因素。在發(fā)達國家，交通運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，可再生能源作為機器的動力來源，是現(xiàn)代工業(yè)技術高度發(fā)達的今天，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械驅動源，選題具有重要理論意義和工程使用價值。,重力燈,二、無碳小車結構方案設計,小車結構示意圖,小車行走軌跡圖,2、無碳小車結構方案設計思路,根據(jù)對小車的功能分析，在Triz理論的引導下，利用發(fā)散性思維的方法，提出能夠實現(xiàn)小車具體功能的幾種方案，并選擇出最優(yōu)方案。為了方便設計，采用機械系統(tǒng)設計的方法將小車分成五大模塊：驅動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、調(diào)整機構,,明確小車的任務,,,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、無碳小車結構方案設計,（1） 驅動機構,重物下降的重力勢能轉化為小車的動能，驅動小車行走，而小車運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動力矩就有精確的要求，驅動機構就是實現(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,驅動力矩,驅動原理： A、小車剛剛啟動時，繩輪的轉動半徑大，啟動力矩大，利于啟動。 B、啟動后，繩輪半徑變小，驅動力矩隨之變小，小車轉速減小，當驅動力力矩和整車的合外阻力平衡后，小車勻速運行。 C、當重物距離小車底板很近時，繩輪半徑最小，此時驅動力矩不足以驅動 小車行走，此時小車減速運行，直至落到小車底板,（2） 傳動機構,① 直齒輪傳動 優(yōu)點： 傳動效率高； 傳動比大且 穩(wěn)定 傳動扭矩大； 結構簡單。 缺點： 重量大； 傳動距離較??；,②帶傳動、鏈傳動 優(yōu)點： 結構簡單； 緩沖吸震； 缺點： 傳動精度不高； 傳動效率低； 摩擦損耗能量大；,③不用附加傳動 優(yōu)點： 后輪驅動力矩和轉向機構的動力源直接由繩輪軸驅動，這是最簡單的，而且傳動效率最高。 缺點： 整個小車的布局不好控制，重心容易偏移,經(jīng)過優(yōu)缺點分析對比后，選擇： 直齒輪傳動機構,（3） 轉向機構,轉向機構要保證結構簡單，摩擦阻力小，而且具有無急回的運動特性，確保小車的前輪能夠均衡左右擺動，即運行軌跡上下振幅一樣。,A、凸輪+搖桿 優(yōu)點： 知道從動件的運動規(guī)律后，很快就可以設計出凸輪形狀，而且結構簡單，設計方便 缺點： 微調(diào)機構設計不容易控制； 重量比較大； 由于存在高副，能量損失較大；,（3） 轉向機構,B、空間曲柄搖桿機構 優(yōu)點：機構簡單，易于設計制造，必須保證機構無急回特性 缺點： 微調(diào)機構設計制造難以把握，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：設計計算容易，制造方便可以把曲柄的長度設置成微調(diào)機構 缺點： 連桿水平往復運動跟“支撐架”存在面摩擦，轉速高時還會引起震動，只適用于低速機構。,D、差速轉彎 優(yōu)點：利用兩個偏心輪作為驅動輪，“繩輪”提供原動力，兩輪的角速度一樣，轉動半徑不一樣，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現(xiàn)繞障礙物行走的功能。差速轉彎機構理論上是實現(xiàn)小車運行軌跡最遠的方案。 缺點：加工精度要求很高，不容出現(xiàn)任何偏差，而且微調(diào)機構的設計比較難。,（3） 轉向機構,綜上幾種轉向機構方案優(yōu)缺點分析，再結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： 正弦機構,黃色部分為轉向機構,（4） 行走機構,行走機構通過兩個后輪的直徑大小控制小車正弦軌跡曲線的周期大小，由于小車在轉彎的時候存在差速，因此需要設置差速器。,A、差速器行走機構 優(yōu)點：減少滑動摩擦； 缺點：價錢高，設計及組裝難,B、單輪行走機構 優(yōu)點：設計制造方便； 缺點：不能精確實現(xiàn)差速功能,后輪,后輪,綜上優(yōu)缺點對比，選擇： 單輪行走機構,（5） 微調(diào)機構,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，就不得不設置微調(diào)機構了。 微調(diào)機構就相當于一個小車系統(tǒng)的控制部分，控制小車的運行正弦軌跡的幅值、周期、方向，使小車走一條最優(yōu)的軌跡路線。,鑒于轉向機構采用曲柄連桿+搖桿方式，所以在曲柄處設置滑槽式微調(diào)機構比較容易。,滑槽式微調(diào)機構,4、無碳小車虛擬樣機模型,（1）根據(jù)最終確定的 錐形繩輪重力驅動—直齒輪變速—正弦轉向機構—大后輪行走機構—微調(diào)機構運動傳動方案 進行草圖的繪制：,（2）根據(jù)繪制的草圖方案建立虛擬樣機,1、驅動機構：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分） 2、傳動機構：小齒輪+大齒輪 （紅褐色部分） 3、轉向機構：曲柄軸+曲柄轉盤+連桿+搖桿 （金黃色部分） 4、行走機構：后輪+前輪 （黃色部分） 5、微調(diào)機構：曲柄+曲柄轉盤（紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉盤的滑槽內(nèi)滑動）,（2）根據(jù)繪制的草圖方案建立虛擬樣機,1、驅動機構：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分） 2、傳動機構：小齒輪+大齒輪 （紅褐色部分） 3、轉向機構：曲柄軸+曲柄轉盤+連桿+搖桿 （金黃色部分） 4、行走機構：后輪+前輪 （黃色部分） 5、微調(diào)機構：曲柄+曲柄轉盤（紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉盤的滑槽內(nèi)滑動）,（3）虛擬樣機傳動鏈圖,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、無碳小車運動原理,隨著重塊的下落，重物牽引棉繩給繩輪軸提供扭矩，一部分直接驅動后輪行走，控制運行軌跡的周期大小。 另一部分扭矩通過傳動機構將力矩傳到轉向機構，間接控制前輪左右擺動，從而實現(xiàn)小車自動轉向功能。即轉向機構控制正弦運行軌跡的振幅。 根據(jù)小車運動的工況不同，可以調(diào)整微調(diào)機構，通過微調(diào)機構改變前輪的擺動幅度大小從而改變運行軌跡的周期長度。相當于一個系統(tǒng)的控制部分。,三、無碳小車理論計算基礎,1、理論計算基礎,假設小車的行走軌跡為正弦函數(shù)： y=0.35sinπx (單位m） 即小車的運行軌跡幅值為A：0.35m，周期為T=2m 對軌跡曲線求導得y‘=0.35πcosπx，此方程為小車在各個軌跡位置轉角的正切值大小，通過實驗模擬可以得到前輪最大轉角大約為36°，通過對該正弦函數(shù)在一個周期內(nèi)求導可以得到： 小車運行一個周期的軌跡路徑大約為L=2443mm, 也就是輔軸回轉一圈搖桿前后往復擺動動一次，后輪前進2433mm。 從而得出后輪直徑d和傳動機構傳動比i的關系式：,齒輪傳動比i和后輪直徑d之間的函數(shù)關系式,1、理論計算基礎,2、無碳小車的參數(shù)確定,經(jīng)過運動學分析和做功分析計算和曲柄滑塊機構的分析計算得出小車各個重要模塊的參數(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)化設計,1、動態(tài)運動仿真分析,利用Pro/e工程設計軟件進行設計方案的特性驗證，在建立精確的虛擬樣機模型的基礎上，運用Pro/e機構仿真模塊進行仿真優(yōu)化設計。,,設置運動環(huán)境,,,動態(tài)分析,,獲取分析結果,,,優(yōu)化設計,Pro/e中的機構模塊可以模擬實物樣機在重力、摩擦力、彈力等外力作用下進行動態(tài)仿真分析。 無碳小車虛擬樣機在地面上運動仿真模擬時，可以設置幾種工況： 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摩擦阻力外還受到內(nèi)部連接處的摩擦力作用。,（1）設置運動環(huán)境,設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量屬性,重物：碳鋼Steel 其他小車零件的材料：AL2014,分析結果： 整車的重量大約為2.2Kg,2）阻尼設計,3）小車電機的設計,根據(jù)之前對小車的理論計算基礎，可以估算小車主軸驅動扭矩為：100N,重物下降時，因為不能模擬重物牽引繩子，所以只能用伺服電機代替。 車子剛剛啟動的瞬間，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）小車電機的設計,設置重物的伺服電機如下,（2）動態(tài)運動分析并獲取結果,驅動主軸的轉速為約為20 dec/s,小車行駛的平均速度為34mm/s,小車運行的軌跡路線，近似為正弦曲線，,（3）優(yōu)化設計,經(jīng)過多次調(diào)整工況和微調(diào)機構的尺寸，優(yōu)化得出無碳小車的準確參數(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,繩輪的設計參數(shù),五、無碳小車展望,假如把重物做成一個太陽能電池，當重物下降后，重物能夠自動上升，那小車將能一直行走下去，無碳小車那就真正具有使用價值的永動車了。如果把這樣的技術應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用層面上不斷革新,1、永動車,,我 們 在 行 動。。。,,實際樣機展示,,,懇請各位評委提出寶貴意見！,