重力驱动小车的结构设计及运动仿真分析Word格式文档下载.docx

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孙衍宁

指导教师

单泉

2016年6月10日

摘要

本文设计的重力驱动小车利用滑轮组将重物块的重力势能转换为小车的动能使之行走，并通过空间曲柄摇杆机构来控制前轮左右周期性转向，以此来避开障碍物。

所设计的传动系统与转向系统结构简单，传动件少，降低了小车的传动损耗，从而让小车行走更远更平稳。

通过MATLAB平台，计算小车的运动轨迹，并得出小车运动轨迹路线图。

通过MATLAB/Simulink中的SimMechanics工具箱建立小车转向机构的机构模型，并在SimMechanics环境下对自行小车的转向机构进行了运动学的动态仿真，同时进行了轨迹跟踪控制。

根据各部分结构方案，通过Inventor2015进行三维建模，并制作三维仿真动画，检验小车各运动部分是否有干涉，小车比例是否协调。

在小车的设计过程中，注重有限势能的优化利用、车体结构的合理性、行走的稳定性和协调性等，应用了诸多数学理论进行验证，通过对小车的结构设计、运动仿真分析，提高了提出问题、分析问题、解决问题的能力，并总结出了从中获得的经验和教训，受益良多。

关键词：

重力驱动小车，MATLAB/Simulink运动仿真，Inventor三维设计

Structuredesignandmotionsimulationanalysisofgravitydrivencar

Author：

SunYanning

Tutor：

ShanQuan

Abstract

Inthispaper,thegravitydrivencarconvertsthegravitationalpotentialenergyoftheheavyblocktothekineticenergyofthecarbypulleys,andcontrolsthedirectionoftheleftandrightperiodicsteeringbythespatialcrankrockermechanismtoavoidobstacles.Thedesignofthetransmissionsystemandsteeringsystem’sstructureshouldbesimple,lesstransmissionparts,andreducingthetransmissionlossofthecar,soastomakethecarfartherandmorestable.

CalculatingthemotiontrackofthetrolleybytheMATLABplatform,andthetrajectoryofthetrolleymotionisdeveloped.ThroughtheSimMechanicstoolboxofMATLAB/Simulinkdevelopedcarsteeringmechanismmodel,andundertheSimMechanicsenvironmentfortheirowncarsteeringmechanismforthedynamicsimulationofthekinematics.Atthesametime,thetrajectorytrackingcontrol.

Utilizingtheadvantagesoftheinventorinthedesign,accordingtotheprogramofthestructure,3Dmodelingisdevelopedbyinventor.Seeing3Danimationsimulationandtestingcarthemovingpartwhetherthereisinterference,theproportionofthecarisharmonious.

Intheprocessofvehicledesign,payingattentiontooptimizationoffiniteenergyutilization,therationalityofthecarbodystructure,walkingthestability,harmonyandapplicationofmanymathematicaltheorywasverified.Throughtheanalysisofthecarstructuredesignandmotionsimulation,improvetheabilitiesoffindingquestions,analyzingproblems,solvingproblem.Theexperiencesandlessonsaresummedup.

Keywords:

Gravitydrivencar,MATLAB/Simulinkmotionsimulation,Inventor3Ddesign

1绪论

1.1本课题的研究背景、目的和意义

在党的第十八届五中全会中，习近平总书记提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，并把创新作为引领“十三五时期”发展的第一动力。

习近平总书记指出，创新是我们中华民族进步的灵魂，是我国繁荣发展的不竭源泉，同时也是中华民族最具特色的民族品质。

全国大学生工程训练综合能力竞赛是由教育部发文组织举办的，以国内高校综合工程实训教学平台为基础，开展的公益性科技创新实践活动，其目的就是为了深化实验教育改革创新，提升大学生在工程实践中的创新意识、实践能力和团队合作的精神，从而促进创新人才的培养。

第二、三、四届全国大学生工程训练综合能力竞赛都是以“重力驱动小车”为命题，只是在竞赛的内涵上进行了调整，从这个主题中我们可以看出很多东西，一方面反映了国家对创新能力培养的重视，另一方面也反映了国家对节能减排的重视，同时也为大学生创新能力的培养提供了良好的契机。

增强祖国新一代青年的创新意识，培养大学生的创新能力，贯彻并落实科技强国战略，使之成为创新型人才，这正是我们国家所需要的，这样的创新型人才必将为社会的发展做出巨大的贡献，他们是实现中华民族伟大复兴的不竭动力；

同时，创新型人才的形成是创新教育的最终目标，创新能力是培养的主体，当然，实践能力也是不可或缺的。

本课题同时注重创新能力和实践能力的培养，命题扩展性极好，生命力强。

另一方面，我国面临的环境污染与能源短缺问题越来越严重，人们开始思考自己的长远发展，对于绿色健康的生活环境的渴望越来越大，节能减排正在逐渐被人们认识，节约能源，保护环境，推动绿色低碳发展，让我们对地球能源的使用能够持续更久的时间；

减少二氧化碳排放，保护我们的环境；

以这两种内容为主题的活动在全球范围内进行着。

在这一国际背景下，各国也纷纷采取措施，全面推进节能减排工作，在一定程度上取得了良好的效果和宝贵的经验。

在国内外大兴节能减排、国内民族工业亟待振兴的大背景下，纯机械传动的机构存在很大市场前景，所以该课题有很大的研究价值，同时对科学技术和工程实际有极其丰富的应用价值和理论意义。

1.2小车的研究情况

全国大学生工程训练综合能力竞赛已举办四次，其中第二、三、四届都是以“重力驱动小车”为大赛主题，并将在即将到来的第五届比赛中继续沿用这一主题。

随着研究的逐步深入，全国大学生对于重力驱动小车的认识也逐步增加，比赛命题要求也进一步升华。

在2011年的第二届竞赛中，命题要求小车完成间距为1m的绕障行走。

在2013年的第三届竞赛有两个竞赛项目，竞赛项目一与第二届竞赛项目基本相同，不同之处是障碍物的间距要求可调整，调整范围是1m±

100mm；

竞赛项目二是一个新命题，要求小车围绕间距为300~500mm的2个障碍物作“8”字形轨迹绕行。

第四届竞赛将小车的重物落差改为400±

2mm，本质上还是沿用了第三届命题要求。

由命题要求可知小车需要完成三大功能：

①将重力势能转换为动能②驱动自身向前行走③自动地避开障碍物。

为了便于设计，根据小车需要完成的这三大功能，将重力驱动小车的整体结构划分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构等六个部分。

其中，转向机构是小车完成绕障功能的关键，根据各届比赛获得优胜的设计方案，能够完美的实现小车绕障功能的机构有：

凸轮摇杆组合机构、曲柄摇杆机构、不完全齿轮机构等。

1.3本文研究的主要内容

不给小车添加任何外在的其他能量，将质量为1kg的物块悬挂在距小车底板500±

2mm的高度上。

若取重力加速度g=10m/s²

，通过计算可知，此时物块所具有的重力势能为5J。

通过重物铅垂下降带动系在它上面的绳子，绳子的另一端连接一个驱动机构，即在物块下降的过程中，物块的重力势能转换成小车的动能，使小车向前行走。

当物块落到底板上，必须能够被小车承载，不允许掉落。

最终物块应该与小车一起运动，绕过前行道路上的圆柱形障碍物，在不与障碍物发生碰撞的前提下让小车跑的尽可能更远。

图1.1为小车示意图，其中60×

20mm的质量块是小车的负载，其质量应该大于等于750g。

小车行走的轨迹应如图1.2所示。

图1.1小车示意图

图1.2小车行走轨迹

小车结构的合理设计是提高小车性能的关键。

在设计方法上充分采用参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计理论方法，对重力驱动小车的六大基本结构进行分析研究，通过方案对比，获得最优的结构，并初步确定小车基本尺寸，为小车的设计、仿真与制作做好理论基础。

建立小车运动的数学模型，通过Matlab软件分析出小车前轮的轨迹曲线，运用Simulink中的SimMechanics模块，对小车转向机构进行运动分析，为小车的设计提供一定的帮助。

将Inventor应用于小车的建模与运动仿真，得出小车的整体装配图，为小车的加工做好准备。

图1.3为设计小车的基本流程。

图1.3小车设计的基本流程

2结构设计

2.1方案设计

2.1.1总体方案

明确小车的任务要求后，对小车进行功能分析。

经分析，小车需要完成三大功能：

将重力势能转换为动能、驱动自身向前行走、自动地避开障碍物。

为了便于设计，如前所述，根据小车需要完成的这三大功能，把重力驱动小车整体划分为六大部分。

为了获得一个最佳方案，本文采用发散性思维的设计方法，根据每一部分的工作要求，寻求多种可行的方案与构思，进而分析各种方案的优缺点，最终得到最佳的设计方案。

图2.1中列举了小车各部分的备选结构，各个结构的原理及优缺点将在下文逐一分析。

与此同时，在结构设计的过程中应该兼顾加工制作的难易，综合考虑小车功能的实现、材料的获得、加工制作成本等因素。

应尽量避免主观直接决策，通过必要的数学推理、逻辑证明来获得最优方案，充分利用计算机辅助数值计算的优越性，通过解析综合法获得小车各机构的最佳参数。

如图2.2所示，对小车的功能实现、加工制作及成本进行发散式思维，综合分析可知，设计该小车需要注意以下几点：

1.尽量简化小车结构

2.减少高副，从而减少摩擦损耗

3.满足强度要求的前提下，转轴、轴承等的直径要小

4.润滑充分，减小摩擦阻力

5.保证零件具有足够的加工精度

6.适当选材

7.减小小车重量

8.增大后轮半径