基于SolidWorks下无碳小车的设计及模拟仿真概要.docx

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基于SolidWorks下无碳小车的设计及模拟仿真概要

题目类型：

设计

（设计、论文、报告

***理工大学

****UNIVERSITYOFTECHNOLOGY

本科毕业设计（论文）

题目：

基于SolidWorks下无碳小车

的设计及模拟仿真

院:

机械与控制工程学院

专业（方向）:

机械装备设计与制造

级:

机械

生:

指导教师：

***^年*月***日

本文基于SolidWorks三维软件完成无碳小车的虚拟设计,在整体设计方案下对小车的各个零件进行参数设计。

通过SolidWorks对各个零件进行建模，完成虚拟实体

装配。

虚拟无碳小车三维模型在动画运动模拟仿真过程中，检验零件设计参数的准确性，并进行优化。

通过优化结果，分析无碳小车在实体制作的可行性。

通过对课题的研究，首先对无碳小车的整体设计方案进行思路分析，确定小车的

转向机构、传动机构的选择。

以小车运动的模拟轨迹为出发点，计算小车车轮的尺寸。

再根据齿轮传动比的确定，设计齿轮的参数。

完成尺寸确定后，通过SolidWorks逐

一对小车的车架、车轮、齿轮、轴承、车轴进行建模。

在转配体环境下，把零件一个一个的组装成无碳小车模型。

在约束条件下模拟小车按照预定轨迹运动，分析小车的摩擦受力情况。

本文具体介绍：

1、SolidWorks三维软件的在国内外的发展状况及趋势；2、简单

概述CAD/CAM辅助设计的历史，应用领域发展趋势；3、详细简绍无碳小车的整体方

案设计；4、详细介绍SolidWorks建模的方法过程，无碳小车的装配模拟动画。

关键词：

SolidWorks;CAD无碳小车；远动分析；三维建模

Designandsimulationofcarbon-freecar

basedonSolidWorks

Student:

WANGZao-xinTeacher:

LIUYu

Abstract:

Introductionofcarbon-freecarvirtualdesignbasedonSolidWorks3dsoftware,undertheoveralldesignschemeforvariouspartsoftheparameterdesignofthecar.WithSolidWorksmodeling,variouspartsoftheassemblycompletevirtualentity.Virtualcarbon-freecar3dmodelintheprocessofanimationmovementsimulation,checkuptheaccuracyofthepartsdesignparameters,andoptimizeit.Nocarbonthroughtheanalysisoftheoptimizationresults,thefeasibilityofthevehiclesintherealproduction.

Basedontheresearchofthesubject,firstofalltotheoveralldesignschemeofcarbon-freecarthinkinganalysis,determinethecar'ssteeringmechanism,transmissionmechanismofthechoice.Insimulationofcarmovementtrajectoryasastartingpoint,thesizeofthecomputingthecarwheels.Accordingtothedeterminationofgearratio,designtheparametersofthegear.Finishedsizeisdetermined,bySolidWorksonebyonetothecarframe,wheels,gears,bearings,shaftmodeling.InZhuanPeibodyenvironment,theassembledpartsonebyoneintoacarbon-freecarmodel.Inconstraintconditions,thecaraccordingtothedesiredtrajectorymotion,analysisthecarofthefrictionforce.

Thisarticledetailedintroduction;1,theSolidWorks3dsoftwareinthedomesticandforeigndevelopmentstatusandtrends;2,asimpleoverviewofthehistoryofCAD/CAMCAD,areasofapplicationdevelopmenttrends;3,detailedJianShaocarbon-freecar'soverallprojectdesign;4,thedetailedintroductionofSolidWorksmodelingmethodprocess,carbon-freecarassemblysimulationanimation.

Keyword:

SolidWorks;CAD；Carbon-freecar；Remoteanalysis；3Dmodeling

摘要.......

Abstract:

I

II

绪论

1.1本课题的选题背景及意义....

1.1.1本课题的背景

1.1.2本课题的目的

1.1.3本课题的意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1CAD/CAM技术的发展

1.2.2CAD/CAM在我国的应用

1.3本课题研究的主要内容

整体方案设计

2.1

整体设计思路

2.1.1

2.1.2

2.1.3

2.1.4

车架......传动构件转向机构微调机构

无碳小车要达到的要求及关键技术

设计方案的确定

2.2

2.3

零部件的参数设计

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

轨道的设计……车轮尺寸的设计齿轮的确定……转向拨杆的设计凹槽轮的设计..转向轮的设计..轴承的选用……轴的设计

零件的三维建模

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

齿轮的三维建模后车轮的建模.•前轮的三维建模凹槽轮的建模..绳索轮的建模..

轴类零件的建模轴承基台的建模

轴承端盖建模..车架的建模......

4.10固定套的建模....

4.11前轮架的设计建模

1

1

1

1

1

2

2

3

4

6

6

6

6

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34

34

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40

41

5SolidWorks2010下无碳小车的零件装配及模拟仿真.

5.1无碳小车的虚拟装配

5.2无碳小车的模拟仿真及分析

6设计总结致谢参考文献

1绪论

1.1本课题的选题背景及意义

1.1.1本课题的背景

本课题来自第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛赛题。

课题设计旨在提升大学生工程设计制作的实践能力，深化实验教学改革，培养激发大学生的创新设计意识，促进创新人才的发展成长，提高团队合作能力，提高大学生综合能力素质。

通过积极参与无碳小车的设计与制作，增强大学生的实践动手能力，增强大学生的设计、创新、制造意识，让课本理论知识的学习与实际动手操作相结合；同时在制作过程中提高团队合作，能力整体协调能力，解决问题的能力，为以后参与工作中打好基础，从而达到大学生的全面综合发展，做好大学生全面综合素质训练的作用。

1.1.2本课题的目的

随着计算机技术的飞速发展，三维计算机辅助设计软件越来越广泛的运用于产品的设计开发中。

CAD/CAM技术的运用缩短了产品的设计过程，通过模拟分析优化，能使设计的产品更接近于实际境况，满足设计需求。

熟悉并掌握一门三维辅助设计软件对将来的工作、产品设计的非常重要。

通过SolidWorks三维软件建立无碳小车的零

件模型，熟悉掌握SolidWorks三维软件的使用操作，在以后的设计中用来辅助设计研发。

在SolidWorks三维软件的辅助下完成对无碳小车的设计优化，分析无碳小车在重锤的下落过程中，绳索牵引齿轮转动，重力势能转换为机械能，机械能驱动车轮的转动驱动小车行走。

另外通过转向机构执行运作带动转向轮的有规律转动，让小无碳车能按照“S”型路线行走，能够有效避开障碍物，分析无碳小车实际制作的可行性，完成课题要求。

1.1.3本课题的意义

通过本课题的研究，使用三维软件对无碳小车进行运动模拟，可以较快的得出无碳小车的运动参数。

对无碳小车的模型分析，可以看出无碳小车存在的设计缺陷，避免了在无碳小车的实际制作过程中存在的重复拆装、调试、零件制作不合理等问题。

在整个无碳小车的设计过程中加强机械设计、机械原理、计算机铺助设计等知识的实

际运用，为以后在学习工作中积累相关的产品设计经验。

应用SolidWorks三维辅助

设计软件对小车的设计进行模拟仿真中，熟练运用三维模拟软件对产品的设计开发进行铺助，缩短产品设计周期，在模拟优化后设计出满足预期功能的产品。

激发学生的综合分析能力、资料搜索能力、创新精神、独立自主研发能力等。

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1CAD/CAM技术的发展

计算机技术的发展促使着CAD/CAMi术的飞速发展。

20世纪40年代中期世界上

第一台计算机在美国麻省理宫（MIT）研制成功。

它具有的高速运算能力和大容量的信息存储能力，成功的让有限元等数值分析方法等可以在计算机中实现。

直接开始在计算机上工程和产品设计的时期为20世纪50年代中期，进一步促进了计算机辅助工

程技术（CAE的发展。

世界上第一台数控铣床在1952年美国MIT试制成功，复杂零件的加工的自动化开始在计算机上自动编程，数控编程技术慢慢发展。

20世纪50年代中期，MIT研制

开发成功自动编程语言（APT技术，提出了被加工零件的具体描述，计算道具轨迹、后置处理及自动生成数控指令等CAN技术的诞生。

从此后的30多年内，CAD/CA嘛统的硬件和软件技术在经历了如下的几个发展阶段后，相辅相成地发展起来：

（1）单元技术的发展和应用阶段这个时间段跨越于20世纪60-70年代、计算

机图形软件商品化的出现，交互式图形系统越来越复杂，利用计算机辅助简化了图表、图像的处理和生成；曲面模型、三维线框模型开始得到应用，促使实体模型于20世

纪70年代末出现；加工零件编程系统可以在计算机中以图形显示出来；承组技术开始用于工艺规程编制和计算机辅助设计；著名的商品化CAD/CAM^件如CADAMCATIA、

MEDUSAUNITGAPHICSIDEASEUCLID以及女口ANSYSADANNASTRAh等工程分析软件推向市场。

这个阶段的基本形成是CAD/CAE/CAI各功能模块的主要特征。

由于继承性差、数据结构尚不统一，企业尚处于单元技术的应用阶段。

（2）集成CAD/CAM勺阶段CAD/CAM技术迅速发展时期为20世纪80年代是。

在这个时期内，几何实体造型趋于成熟，特征建模技术广泛发展；开始应用于计算机辅

助设计和辅助工艺规程编制面向人工智能和专家系统化；发展了工程数据库；随着超级微型计算机、工程工作站的出现，它们卓越的性能价格比快速占领了CAD/CAMM件

CAD/CAE/CAM

市场。

流行的硬件平台已成为分布式的网络工作站。

这阶段主要特征是以及计算机辅助计划管理各个模块之间信息流实现一体化（CIMS,系统集成性好，

企业应用已从二维计算机绘图向着三维CAD建模、CAD/CAE/CA集成化应用方向发展。

（3）面向产品并行设计制造环境的CAD/CAM阶段到了20世纪90年代，全球化商品市场的形成，市场竞争越来越趋于激烈。

CAM/CAM技术正从传统的面向零件的

CAM/CAMI成阶段向面向产品并行设计、制造限额同工作环境发展方向改变了企业提高市场的响应和应变能力，产品生产周期得到缩短。

并行工程是并行的、集成的产品设计和开发过程，它要求产品开发人员在设计阶段就考虑产品整个生命周期的包括制造、装配、检测和销售等所有因素，要求产品设计一次成功。

在本阶段，面向产品全生命周期的建模技术，基本工程数据库的企业及产品数据管理（PDM）,由工程工作站和

高档微机组成的客户机/服务器（C/S）的网络系统，技术群体小组的协同工作模式，是整个20世纪90年代CAD/CAM技术研究的热点问题。

122CAD/CAM在我国的应用

20世纪70年代，我国的CAD/CAM技术的开发应用起步。

由于当时的计算机软件条件、硬件条件限制，较多的利用计算机在产品设计中进行一些分析计算。

20世纪

80年代，国家在机械方面重点投资了CAD/CAM技术的开发应用方面，支持对国民经济有影响的重点机械产品CAD进行研制和开发，并取得了在国内来说具有开创性的一系列成果，包括用于工作站环境的微机环境等5个CAD支持系统，8个机械产品共性数

据库，24个重点机械行业产品专用于CAD系统，这些成果为我国CAD/CAM技术的发展奠定了不可估量的基础，培养造就了一支强大的CAD/CAM勺科技队伍。

20世纪80年代是我国CAD技术开发与应用系统的推广阶段。

各类CAD系统的研

1995

制开发出现了产业化、商品化的势头。

1991年国家科委组织起草了《关于大力协同开发我国辅助设计应用工程的报告》，国家对这项报告非常重视批准成立了“计算机辅助设计应用工程协调领导小组”。

国家的这项CAD承包工程包括软、硬件技术的开发与产品化主要包括市场开拓、人才培养、推广普及等各方面工作。

机械行业自

年以来相继发展了树立12家“甩图板”的CADS用典型企业的“CAD应用1215工程”和培养50-100家CAD/CAM应用的示范企业，扶持100家，继而带动5000家企业的计划的“cads用1550工程”。

同期，开发了一批如清华大学的高华CAD华中科技大

学的开发CAD等具有自主版权的CAD软件操作系统。

我国CAD/CAM技术的研究和应用对于工业发达国家来相比还有比较大的差距，主

要表现在；

CAD/CAM勺应用集成化程序较低，很多企业的应用仍停留在绘图编程等单项技术的应用上；

CAD/CAM系统的软、硬件均依靠进口提供，缺乏自主研发版权的软件；

缺少人才和技术的力量，有些企业尽管引进了CAM/CA瞅件系统，但没能充分发

挥其完整的功能。

1.3本课题研究的主要内容

本课题围绕主题：

基于SolidWorks下无碳小车的设计及模拟仿真，设计一种无碳小车，根据能量转换原理，驱动小车运动的能量是给定重力的重锤下落的势能转换来的机械能让其行走及转向的。

给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg

的重块（C50X65mm普通碳钢）铅锤下降来获得，落差400±2mm重块落下后，

能和小车一起运动并被小车承载，避免铅垂从小车上掉落。

图1-1为小车示意图。

图1-1无碳小车示意图

要求小车行走过程中不可使用任何其他的能量来源，完成所有动作所需的能量均

由此重力势能转换获得，。

要求小车具有可调节功能的转向控制机构，能适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

要求小车为三轮结构，学生自主完成无碳小车的具体设计、加工制作及材料选用等。

小车运动要求：

小车在前行时能够按照预定路线行走，自动交错绕过赛道上设置的障碍物。

障碍物为直径20mm高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。

综合评定成绩结果根据小

车成功绕障数量和前行的距离和来评定。

见图

1-2。

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图1-2无碳小车自动行走示意图

2整体方案设计

2.1整体设计思路

围绕无碳小车的命题要求，对命题进行了简要的分析：

1无碳小车在整个行驶过程中，都是由重锤下落的重力势能提供能量，在设计中应尽可能利用这势能，减少其它不必要结构消耗能量。

2因为提供的能量有限，要可能减少整个无碳小车的质量，无碳小车越轻越好，因此尽可能使用轻质材料构成。

3无碳小车按照“S”型路线行走，要有一定的转向机构按照一定的规律周期运转，并且稳定可靠能及时响应。

4重锤下落牵动绳子，绳子带动绳轮转动，然后通过齿轮的传动按照一定转动比将转速传递给车轮轴，带动小车行走。

因此要设计好齿轮的参数及传动比，尽量减少齿轮数量减少能量损失。

5无碳小车的车轮与地面的摩擦越小，小车行走的越远。

6小车在不同场合，行走的路线不一定准确，要有一定的微调机构进行调整，使无碳小车路线轨迹正确。

基于上述考虑，得出无碳小车的结构越简单重力势能转换成动能时损失的能量少效率就高；通过设计齿轮的传动比可以改变小车的初始速度，速度越快，小车能走得越远；合理的设计出转向机构能够让小车按近似于“S”型路线行走；微调机构能够

调节小车的转向角度，让无碳小车顺利避过障碍物；合理的选材减轻整车质量，减少摩擦。

因此完整的无碳小车应当包括车架、传动构件、转向机构、微调机构、车轮、重锤架。

下面简要考虑车架、传动构件、转向机构、微调机构的选用。

2.1.1车架

车架承受的力不大，要求重量轻，加工简单，考虑到加工成本等，车架采用无机橡胶加工制作成正方形底板式，尺寸还要进一步确定。

2.1.2传动构件

为了使小车行驶得更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构需要传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。

一般传动机构主要有齿轮传动、带轮传动、链传动。

1.齿轮传动的特点是：

传动平稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。

2.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精度并不高。

不适合本小车设计。

3.链传动平均传动比准确，传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。

带轮传动精确度不高，不适合小车精确传动。

链传动由于制作不便，且制作成本高，故只用齿轮传动。

2.1.3转向机构

转向机构是本无碳小车设计的关键部分，直接决定着小车能否按“S”的路线行

走。

一般能按特定规律运动的机构有：

凸轮机构、曲柄摇杆、齿带槽、凹槽轮等。

凸轮机构：

凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。

优点：

只需设计适当的凸轮轮廓，

便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：

凸轮轮廓设计计算麻烦，加工比较困难。

曲柄摇杆：

优点：

运动副单位面积所受压力小，且面接触方便润滑，故磨损减小,制造方便，能够获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。

缺点：

一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；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，不仅发生自锁的可能性增加，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长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。

齿带槽：

通过在齿带背后建立特定轨迹凹槽，凹槽连接摇杆，带动摇杆左右有规律摆动，驱动转向轮规律转动。

优点：

凹槽轨迹容易获得，制作方便。

缺点：

如果小车运动轨迹长，齿条也要较长，齿轮的增加消耗过多势能。

凹槽轮：

在轮子面部制作凹槽，凹槽连接摇杆，带动摇杆左右有规律摆动，驱动转向轮规律转动。

优点：

凹槽轨迹容易获得，制作方便，在较小的空间在齿轮面可以圆周规律循环，不用考虑长度。

缺点：

体积较大。

参见图2-1

图2-1凹槽轮

在相对简单的机构中：

凸轮计算过程麻烦，摇杆控制计算不易、连杆多，齿条槽和凹槽轮原理相似，凹槽轮能减少齿轮数量，在较小的圆周上可以无限长度有规律的控制连杆摆动，故选用凹槽轮。

2.1.4微调机构

无碳小车在确定使用凹槽轮情况下，对于微调机构的敏感程度，决定了小车能否按预定轨迹运动。

微调机构就相当于控制器，调节修正小车的转向程度。

连杆采用有一段螺纹杆，杆端有一小圆球的拨杆组成，参见图2-2。

图2-2

转向机构

在转向轴固定的情况下，通过调节螺纹长度变化调节，引起转轴转动一定角度，从而起到微转的作用。

这种微调机构与转向机构巧妙的结合为一体，减少了其它构件的使用。

2.2无碳小车要达到的要求及关键技术

要求：

（1）无碳小车小在走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，禁止使用任何其他的能量来源。

（2）无碳小车具有可调节功能的转向控制机构，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

（3）无碳小车必须为三轮结构，具体设计、选用材料及制作加工均由参赛学生自主完成。

关键技术：

（1）小车整体方案设计；

（2）动力系统、齿轮的设计；

（3）转向机构的设计；

（4）SolidWorks的建模仿真

2.3设计方案的确定

基于设计思路的考虑，以及车架、传动机构、转向机构、微调机构的综合考虑。

得出以下方案。

见图2-3:

齿轮3

凹«轮

齿轮3

图2-3方案图

假设绳轮半径为R,齿轮1半径为Ri，齿轮2半径为R^，车轮半径为Rj，重锤下落的

高度为dh,则绳轮转动的角度

dE为：

（2-1）

（2-2）

d8=

£

则车轮走过的路程ds为:

其中齿轮2于齿轮1的传动比由此可知当重锤下落高度一定时，车轮半径越大，无碳小车的行驶路径越远，通过调节齿轮2与齿轮1的传动比，可以使车轮获得较大的转速，在初始速度较大的情况下小车也跑得更快更远。

3零部件的参数设计

3.1轨道的设计

无碳小车按正弦曲线行走，路线近似于“S”型，在行驶轨迹确定的情况下，小

车的行驶路径不变，对路径的研究设计，可以大概确定小车行走路程，初步断定车轮的半径，