无碳小车的转向机构设计及其仿真分析.docx
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无碳小车的转向机构设计及其仿真分析
无碳小车的转向机构设计及其仿真分析
任务书
1.课题意义及目标
通过本次的毕业设计,使学生了解了无碳小车的运动状况,学习SolidWorks、ADAMS等软件,增强对软件的应用能力。
同时对机械原理、工程力学、机械设计等理论课程进行系统全面的复习,并将这些理论知识应用到实践中,做到学以致用。
此次毕业设计期望解决无碳小车运行过程中前轮转角与车身的关系,为国内无碳小车的设计提供参考。
2.主要任务
通过查阅资料了解国内外无碳小车研究的进展,通过对比各设计方案的优势与不足,确定无碳小车转向机构的方案。
并借助SolidWorks软件完成转向机构各部分组件的建模与分析,完成无碳小车转向机构设计。
利用SolidWorks软件完成小车的虚拟仿真分析并进行改进。
3.主要参考资料
[1]张磊.一种无碳小车的设计与性能分析[J].电子制作,2013(9):
47.
[2]白雪,唐鹏达.机械传动无碳小车的设计构想[J].工业设计,20ll(8):
145.
[3]徐岩,佟岳军,陈彦国.自动绕障无碳小车的设计[J].现代企业教育,2012(11)
[4]谢进.机械原理[M].2版.北京:
高等教育出版社,2010.
4.进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献,完成开题报告
2014.12.10至2014.12.30
2
完成无碳小车转向机构设计方案的确定
2014.12.31至2015.04.20
3
完成无碳小车转向机构结构的建模与仿真
2015.04.21至2015.05.10
4
完成分析修改并撰写设计说明书
2015.05.11至2015.05.31
5
完成毕业论文及答辩工作
2015.06.01至2015.06.18
审核人:
年月日
无碳小车的转向机构设计及其仿真分析
摘要:
本设计满足第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题要求。
在设计过程中加强了SolidWorks、ADAMS软件的应用学习,完成了无碳小车的转向机构设计,顺应了未来机械无碳、绿色的发展方向。
本次毕业设计结合竞赛规则要求,通过查阅相关资料,观看往年比赛视频借鉴往年参赛选手经验,完成了本次的毕业设计任务。
通过运用SolidWorks软件完成无碳小车的转向系统的设计、整车装配与运动仿真。
为无碳小车“S”型轨迹的转向机构设计提供参考。
关键词:
无碳小车,双滑槽转向结构,SolidWorks
Carbon-FreeCarSteeringMechanism
DesignandSimulationAnalysis
Abstract:
ThedesignmeettherequirementsoftheFourthNationalUniversityengineeringtrainingcomprehensiveabilitypropositioncompetition.StrengtheningthesudyofSolidWorks,ADAMSsoftwareapplications,achievingthedesignofcarbon-freecarsteeringsystemandtendingtothemechanicalnon-carbonandgreendevelopment.
Thisdesigncombineswithcompetitionrequire,throughsearchingforrelevantinformation,watchingthepreviouscompetitonvideosandlearnexperiencefromtheseresorces.IttakesadvantageofSolidWorkssoftwaretocompletethedesignofcarbon-freecarsteeringsystem,theassemblyofvehicleandsimulateofaction.Itprovidesthereferenceforthecarbon-freecar"S"typeoftrackthesteeringmechanism.
Keywords:
Carbon-freecar,Doublechutesteeringstructure,SolidWorks
1绪论
1.1设计目的及意义
设计目的:
本次的毕业设计结合第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求,旨在了解无碳小车的设计要求,熟悉无碳小车各部件的运行情况[1];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;通过分析小车前后轮传动比关系以及转角和前轮转角之间的关系,确定小车的转向机构以及整车的相关参数;借助建模软件、动力学仿真软件,对无碳小车的转向机构的运动进行仿真分析,进而验证设计的方案是否合理。
设计意义:
通过本次的毕业设计,不仅了解了无碳小车的运动状况,学习了Proe、ADAMS等软件,增强了对软件的应用能力。
同时对机械原理、工程力学、机械设计等课程进行了系统全面的复习,并将这些理论知识应用到实践中,做到了学以致用,并通过本次设计为现在无碳小车设计中转向机构的设计提供参考。
1.2国内外研究进展
通过查阅资料知道,目前在国内每两年会举办一届“全国大学生工程训练综合能力竞赛”,至今已成功举办了3届。
目前对无碳小车转向机构的设计有这样几种方案,包括:
曲柄摇杆机构、正弦机构、RSSR空间四杆机构方案,这三种机构在结构和功能上有各自的特点,其中正弦机构可以实现正反转角的完全对称,曲柄摇杆机构和RSSR空间四杆机构通过优化设计,可以使机构的对称性得到提高。
在国内各大高校尤其是工科类高校对无碳小车的研究比较深入,其中哈尔滨工程大学工程训练中心提出一种采用摩擦轮与摩擦盘相结合的结构来实现小车的转向功能,这样的结构易加工,调试简单。
在第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛中,来自东南大学机械工程学院的队伍提出曲柄摇杆机构的转向机构,并应用微调装置精确调节小车运动轨迹。
辽宁工业大学专门针对无碳小车S形运动轨迹进行改进研究,采用连杆机构实现前轮的自动转向[2]。
1.3全国大学生工程训练综合能力竞赛简介
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。
大学生工程训练综合能力竞赛的意义是为了促进各高校大学生提高工程实践、工程训练教学改革以及教学水平,进而培养大学生的创新设计意识、综合工程应用能力以及团队的协同合作精神,促进高效大学生理论知识与综合应用能力的培养、理论与实践的有机结合,养成良好的学风,为培养国家优秀创新性、应用性人才创造条件。
第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的命题主题为“无碳小车越障竞赛”。
竞赛命题位:
以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车
设计一种自行运动的小车,带动其行走以及实现转向功能的能量是根据能量转换原理,由给定的重物的重力势能转换而形成的。
给定重物的重力势能为4焦耳(取g=10m/s2),竞赛时统一使用质量为1Kg的重块(¢50×65mm,普通碳钢)铅垂自由落体运动来获得,落差为400±2mm,重块落下后,必须被小车承载并能够随同小车一起运动,在运行途中不允许从小车上掉落。
图1.1为小车示意图。
图1.1无碳小车示意图
要求无碳小车运行过程中完成所有动作所需要的能量均必须仅由重块的重力势能转换获得,不可使用其他任何形式的能量来源。
要求小车具有转向控制机构,且此转向控制机构需要具有可调节功能,以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。
要求小车整车车身为三轮结构,具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。
竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。
障碍物统一为直径20mm、高200mm的多个沿直线等距离摆放的圆棒[3]。
见图1.2。
图1.2无碳小车行走示意图
1.4设计准备工作
本次的毕业设计课题为无碳小车的转向机构设计及其仿真分析,通过分析课题以及参考第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛知道,本次的毕业设计需要先通过查阅资料了解满足“S”型轨迹的转向机构,了解小车的运行方式,并熟悉小车的各部件运行,对小车的整车有一个整体的了解。
在对小车有一定的了解之后,需要对小车进行参数化设计,有一个整体的思路,重点确定小车的转向机构部分,设计出合适的转向机构。
通过Proe软件进行小车的行走轨迹设计,并需要学习SolidWorks软件完成小车三维建模并进行运动学仿真检查机构之间是否存在干涉,机构设计是否合理。
最后通过学习adams软件,将完成好的SolidWorks软件模型导入到adams中,进行动力学仿真,完成本次的毕业设计。
2无碳小车方案理论设计
通过对小车的功能分析了解到,为了保证小车的行进距离够远,小车整车质量应尽可能较轻,同时小车也应该保持较低的行进速度。
主要有以下两点原因:
(1)小车行进速度越快,行进过程中消耗的能量就越多。
假设系统中阻尼为线性阻尼,由瑞利阻尼函数
D=1/2cv2(2.1)
可知,在阻尼系数c一定的情况下,速度v的数值越大,D的值越大,故系统所消耗的能量也就越多。
(2)由于无碳小车的运行是通过重块下落的重力势能带动运行的,故小车行进速度越快,重块下落的也就越快。
由于重块最终会落到小车板上,这就意味着重锤与小车车身之间存在着撞击。
撞击过程中所产生的动能就会被白白地浪费掉,并且重块下降的速度越快,其浪费掉的能量越多。
考虑到当小车保持在较低的运行速度状态下时,惯性力的作用以及车体自身的角速度都可以忽略不计。
在无碳小车的后轮采用一轮为驱动轮,另一轮为随动轮的情况下,小车近似满足下列假设条件:
(1)小车在前进运行过程中,小车的前轮在地面上为纯滚动运动状态。
(2)小车在转向过程中,车身的旋转支点为后轮与地面的接触点。
通过实践证明,小车前进运行的速度越低,;两假设与小车的实际运行情况越吻合[4]。
2.1行走轨迹设计
2.1.1行走轨迹确定
由图1.2所示的小车行走示意图可知,障碍物为等距离放置,间距为1米,所以要使小车顺利绕过障碍物,应使小车的行走轨迹为正余弦曲线。
因而可以看出决定小车能否顺利绕过障碍物主要取决与下面两个因素。
(1):
正余弦曲线的周期T
(2):
正余弦曲线的振幅A
综合考虑障碍物的放置情况,拟采用式2.1的正弦曲线作为小车的理论行走轨迹。
y=A*sin(360*t)(A为小车质点到中线距离)(2.2)
2.1.2行走轨迹绘制
由于小车行走轨迹曲线的长度决定着小车传动系统与转向系统的设计,所以必须要知道小车行走轨迹曲线的长度。
由于三维制图软件pro/e有强大的绘图功能与测量功能,且在后期的仿真过程中仍要利用该轨迹曲线所以本设计用pro/e进行轨迹曲线的绘制与测量。
(1)pro/e曲线绘制
在pro/e中新建一个.prt,在操作面板中点击创建曲线按钮,使用通过方程建立曲线在方程输入框中输入表达式2.3生成式2.2的正弦曲线如图2.1所示
X=2000*t
y=500*sin(360*t)
z=0(2.3)
(2)pro/e曲线测量
在pro/e工具栏中使用分析中的测量工具可以侧得曲线半个周期之间的距离为1000mm,与赛事要求的两个桩之间的距离吻合,振幅A=250mm,曲线长度S=2927.39mm,如图2.1所示
图2.1轨迹及曲线测量
2.2无碳小车整车参数以及传动机构设计
如上图2.1所示为小车一个周期内的理论行走长度,我们设其为S。
小车想要完成“S”型轨迹,后轮和前轮的传应该成一定的比例关系。
i=S/(π*D)(2.4)
分析比赛要求,我们结合实际需要直接给定小车后轮直径D为170mm,则根据上式可以求得小车后轮与前轮的传动比为5.5:
1,故小车前轮直径为31mm。
依据上数据,我们需要据此设计小车的传动机构。
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,传动机构必需具有传递效率高、传动稳定、结构简单、重量轻等特点。
通常有以下几种传动机构。
(1)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。
(2)带轮传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。
不适合本小车设计。
(3)齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。
因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。
基于以上原因考虑如不使用额外的传动装置将使得后轮直径过大,重心过高,不利于小车行走,带轮由于是靠摩擦传动效率较低,同时由于带轮传动存在弹性滑动现象使得传动比不稳定,而齿轮传动可以克服这些缺点所以该设计选用齿轮传动。
依据上述前后轮传动比,我们设计传动机构中齿轮的传动关系。
拟采用小模数齿轮,增加齿数,增大齿轮啮合重合度,可提高传动精度,弥补齿轮制造精度差。
因此选择齿轮模数为1给定在小车后轮轴上固定的小齿轮的齿数为14,大齿轮的齿数为77,转向齿轮的传动比定位1。
两个转向齿轮齿数均为29.据此设定好了小车的传动机构部分。
依据上述参数我们在SolidWorks中创建齿轮三维模型。
打开SolidWorks2013软件,新建一个3D模型创建,单击设计库
,找到ToolBox
,在下拉菜单中选定Gb,在动力传动中选定齿轮,创建一个标准齿轮并完成参数设计。
如下图2.2所示。
创建的齿轮为标准齿轮,我们需要为其添加方形凹槽,使其与小齿轮固定固定在一起。
图2.2齿轮创建
依据小车的传动比关系确定了小车的后轮轴与绕线轴的高度差以及绕线轴与滑槽轴的距离关系。
通过比赛命题规则可知,用于提供小车重力势能的重物需同小车一起运动,重物直径为50mm,所以小车的车身宽度应大于50mm,而我们知道小车的外形尺寸越小,小车越容易实现绕桩行走,所以小车的车身宽度D应尽可能小(D>50mm),同时考虑小车的行走的平稳性,不应使车身宽度过小,综上所述拟定小车两后轮间距为140mm。
根据小车的后轮间距,给定小车的底盘宽度为120mm,考虑小车整体的稳定性,以及考虑传动部分尺寸占比,给定底盘长为200mm。
如下图2.3所示为创建好的底盘。
图2.3底盘
2.3转向机构设计
2.3.1转向机构介绍与选择
转向机构的设计是本次毕业设计的核心部分,无碳小车的转向机构直接决定着该小车的运行轨迹。
对于转向机构的设计需要尽可能地减少摩擦力对能量的损耗,,同时还要满足机构的设计合理性,结构设计简单,零部件易于加工容易获得,精度设计合理合规等条件。
另外转向机构还需要具有特殊的运动特性,能够将旋转运动转化为满足要求的近似正余弦摆动运动,带动无碳小车实现自动避障前行一定距离的功能[6]。
通过查阅相关资料与学习知道,当前能够实现该功能的机构主要有如下图2.4所示的机构:
图2.4转向机构
凸轮机构:
凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的机械构件,当它运动时,通过高副的接触就可以使从动件获得连续或者不连续的任意的预期往复运动。
该机构的优点是:
只需要设计出适当的凸轮轮廓,便可使从动件获得任意的预期运动,而且此类结构简单、紧凑、设计方便;缺点:
凸轮轮廓的加工比较困难。
在本此无碳小车设计中由于凸轮的轮廓在加工中比较困难、尺寸不能够进行可逆的改变、精度也很难得到保证、重量又较大、效率低能量损失过大(滑动摩擦)因此不予采用。
曲柄连杆+摇杆
优点:
这类转向机构的运动副在单位面积上所受的压力不大,并且由于是面接触因而便于润滑,磨损就会减小,并且制造方便,容易获得较高的制造精度;两构件之间的接触是靠机构本身的几何封闭来维系的,它不像凸轮机构有的时候需要利用弹簧等外力封闭来保持接触。
缺点:
通常情况下只能够近地似实现给定的运动规律或运动轨迹,并且此类机构设计复杂,当给定的运动要求较多或较复杂时,需要的构件数和运动副数往往比较多,这样就使机构结构复杂,工作效率降低,会大大增加自锁的可能性,而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加;机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡,在高速运行时将引起较大的振动和动载荷,因而曲柄连杆+摇杆机构常用于速度较低的场合。
曲柄摇杆
特点:
结构较为简单,但是和凸轮机构一样有一个滑动的摩擦副效率低,此机构最显著的急回特性导致难以设计出较好的机构。
差速转弯中的差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮,但是由于两个轮子的角速度一样但是转动半径的不一样,从而使两个轮子的运行速度不一样,进而产生差速,无碳小车通过差速来实现拐弯避障功能。
差速转弯,是理论上小车能走的最远的设计方案。
和凸轮机构相同,此机构对轮子的加工精度要求很高,加工出来后也无法根据需要来调整车轮的尺寸。
(由于加工和装配的误差是不可避免的)
上述所列转向机构为往年部分参赛队伍所设计转向机构的汇总,本次的毕业设计参考以上转向机构,吸收其中的优点进行创新性设计,采用类曲柄双滑槽机构,此机构相对于以上所述机构结构简单,定位精度高,便于拆装和调试,可调性好。
2.3.2转向机构分析
选定好转向机构后,对转向机构在CAD中进行转向机构简图绘制,如下图2.5所示,依据简图分析小车转向机构的运行。
如图所示,当传动机构部分齿轮转动时会带动转向齿轮的转动。
进而可使偏心槽完成360º的旋转,偏心槽的转动带动竖滑槽以及横滑槽的偏移,而横滑槽的偏移就会使衡调节盒产生偏转,进而使小轮实现自动绕障功能。
图2.5转向机构简图
2.3.3类曲柄双滑槽转向机构
整体设计思路
本次的毕业设计采用双滑槽转向机构,通过偏心槽的旋转运动带动竖滑槽以及横滑槽的平移从而造成横调节盒的偏转进而带动小车前轮实现自动绕障前进。
如图2.6所示为本次毕业设计的类曲柄双滑槽转向机构三维模型。
图2.6双滑槽转向机构
偏心槽结构设计
分析比赛命题可知只要使小车的前叉转角可以从00连续变化到最大角度,小车就可实现类似正弦曲线的运动规律。
我们给定小车前轴与横滑槽轴承的中心距为39mm。
对式2.2求导可求得小车在前轮摆角达到最大值时小车前轴与滑块中心的偏角。
(2.5)
由上式可求得此时偏角为72º,故我们可以知道小车前轮可以实现单向的最大偏角为18º。
如图2.7所示简图
图2.7前轮最大偏角简图
根据上图我们可求得此时横滑槽轴承与车身垂直点与小车前轴的直线距离为:
(2.6)
根据正余弦轨迹曲线我们知道,当小车达到另一侧最大偏角时,如下图2.8所示,此时横滑槽轴承与车身垂直点与小车前轴的直线距离为:
(2.7)
图2.8前轮最大偏角简图
综上可知小车在运行过程中,一个周期内横滑槽轴承的最大推程为12.7+12.7=25.4mm,根据分析小车的运行情况可知,最大推程即为偏心槽的偏心距,即为下图2.9所示的偏心槽中心与偏心槽轴承的距离。
同时为了满足小车可以适应不同的桩距变化,因而偏心槽结构的偏心槽设置为3个。
图2.9偏心槽结构
横调节盒结构设计
图2.10横调节盒
上图2.10所示为转向机构中的横调节盒,此结构与前叉通过螺钉连接,能够在横滑槽的带动下实现正余弦的偏转从而带动前轮实现自动绕障功能。
相比较于偏心轮结构,此结构不仅节约材料,而且质量较轻,结构简单,能够减少车身的整体质量,使小车能够行走的更远。
2.4原动方案选择
原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车前行的驱动力。
能实现这一功能的传动方案有许多种。
就效率和简洁性来讲定滑轮绳索结构最是最佳选择方案。
同时小车对原动机构还有其它的具体要求。
(1)驱动力适中,避免小车拐弯时由于速度过大导致小车倾翻或重块下落晃动严重影响小车前行的稳定性。
(2)到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小,避免对小车车身产生过大的冲击。
同时应使重块的动能尽可能地转化为小车前进的动力,如当重块竖直方向的速度较大,而重块本身还有较多动能尚未释放,就会导致能量被白白损耗掉,使势能转化为动能的利用率降低。
(3)由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样,在不同的场地小车所需要的动力也不一样。
在调试时也不知道多大的驱动力能够恰到好处。
因此原动机构所提供的驱动力应该具有可调性。
(4)原动机构同样需要满足机构简单,效率高。
2.5行走机构设计
由于小车两后轮存在速度差,在行进过程中存在滚动摩擦和滑动摩擦,为了克服这些缺点,我们采用单,一边为定轮,另一边为有普通轴承的自由论,另外驱动车轮与地板的接触面积因越小越好,所以后轮外轮廓采用圆形截面,同时为了减少重量后轮采用轮辐式车轮(图2.11),由于前轮较小(31mm)故采用整体式车轮(图2.12)前轮外轮廓也采用圆形截面。
图2.12前轮
图2.11后轮
主动轴设计
由于比赛规定的重物下落高度只有400mm,也就说绕在绕线轴上的绳子的周长只有400mm,假设驱动绳索绕在后轮轴上则有式2.8
(2.8)
式中n为小车整个行走过程中所走过的总的周期数(一个周期内小车可绕过两个桩),
为传动比i=5.5,
为绕在主动轴上绳子周长,
为后轮轴的直径。
则将
、
代如式2-1可得
与
的关系如表2.1所示。
表2.1:
n与d的关系
n
32
16
11
8
6
5
d
1
2
3
4
5
6
由表可知要想使小车绕过多的障碍物势必会使后轮轴过细从而削弱轴的强度,同时也减小了启动力矩,这样不利于小车启动,故不能选择后轮轴作为主动轴,而只能选绕线轴作为主动轴,因为选绕线轴做主动轴时有式2.9成立。
(2.9)
由式2.6可知在轴径相同的情况下如果选择绕线轴作为主动轴的话小车的前进距离可以增加5倍,故选择绕线轴作为主动轴(轴径5mm)。
如图2.13所示
图2.13绕线轴
2.6整体方案确定
通过前文论述所确定的参数设计,我们对无碳小车的整体进行方案确定,各零部件的具体参数如下表2.2所示
表2.2无碳小车设计方案及参数
无
碳
小
车
方
案
确
定
底盘
底盘采用镂空凸台限位设计,如图2.3的形式,车身宽度为140mm
传动机构
选择齿轮传动,传动比
为1:
5.5,齿轮模数
为1mm,大齿轮齿数为77,小齿轮齿数为14
转向机构
转向机构采用双滑槽转向机构,如图2.6所示,通过螺旋调节头可适应桩距变化
行走机构
后轮采用轮辐式车轮如图2.11所示,其中后轮直径为170mm,前轮采用整体式车轮如图2.12所示,其中前轮直径为31mm。
3基于SolidWorks软件的运动仿真
3.1SolidWorks软件介绍
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows系统开发的三维CAD系统,从发展至今,其所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明,可以大大缩减设计时间,从而使设计产品可以快速、高效的投向市场。
Solidworks软件功能强大,组件繁多。
Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点,这使得运用SolidWorks软件解决设计建模成为世界上领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks软件能够提供各种不同的设计方案,进而减少设计过程中出现的错误,这样能够提高
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- 小车 转向 机构 设计 及其 仿真 分析