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无碳小车结构设计与分析

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  • 发布时间:2014-08-09
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Structure Design and Analysis of Carbon-free CarsHU Hong-ying,YU Jin-pu,BAO Er(College of Electromechanieal and Information Engineering,Dalian NationalitiesUniversity,Dalian Liaoning 1 16605,China)Abstract:Based on the 2nd national college students engineering and comprehensive trainingability competition named Carbon-free Car”.the paper designs three kinds of cars com-bined with the knowledge of the mechanical theory and design.The three cars have appro-priate steering structure SO that they can automatically turn around to avoid the obstacles。

Their paths are calculated and simulated by the computer-aided design engineering softwareMatlab SO as to determine the parameters which affect the paths.Finally,the whole cars aremodelled by 3 D modelling software Pro/E. Combining structure design and CAE togetherflexibly,these designs provide a useful reference for innovative design of mechanical struc-turc。

Key words:Carbon-free Car;strueture design;path analysis本设计源于2010年第二届全国大学生工程能力综合训练竞赛无碳小车”,该竞赛要求设计- 个以指定重力势能为唯-驱动能量的具有方向控制功能的自行三轮小车(1个转向轮,2个驱动轮)。该自行三轮小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物(每间隔 1 m,放置-个直径 20mm、高200 mm的弹性圆棒障碍物)。以小车前行距离的远近以及避开障碍物的多少来综合评定运行成绩。

竞赛的难点在于设计小车的结构是否能顺利绕过障碍,而不偏离赛道,因此小车的运动轨迹应为如图 1的 S形(小车在出发线上的出发点位置及方向可自定,但必须在赛道宽度内)。S形轨迹的周期为2 m,S形轨迹幅值的大小视车的宽度而定,车越宽,则幅值应设置的越大,以免车拐弯时碰到障碍∩见,小车的转向机构设计是小车顺利绕过障碍的关键。同时,为了减少势能损耗,硬件小车宽降低幅值。

收稿日期:2013-04-14;最后修回日期:2013-06-28基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DCl10320,DC120101012,DC120101014)。

作者简介:胡红英(1973-),女,山东武城人,副教授,博士,主要从事计算机辅助设计 CAD故障诊断研究。

第5期 胡红英,等:无碳小车结构设计与分析 501行驶轨迹小车 / - 、( / 、 rCj / 障碍物1O0H0 1xx looO 1000图 l 小车运动轨迹示意图--s形轨迹传统的设计方法只能大略地计算出转向轮的转角范围,估计行驶轨迹。而实际的行驶轨迹则需制作出具体机构后再根据实际行走的情况来确定。其缺点是:如果实际行驶轨迹无法达到要求,已经制作出的机构只能废弃,不但浪费了材料也浪费了时间。在 CAD、CAE技术迅速发展的今天,机构设计可以通过 CAE软件的辅助来完成,复杂的数学运动方程可轻松的转化为图形模拟仿真的效果来展现 J,所以将机构设计分析与 CAE软件有机结合将是机械设计师应具备的基本能力 。

本论文对无碳小车进行了简化,设计了后轮驱动,前轮转向的避障小车。使用 CAE软件 Mat。

1ab来精确计算转向机构确定后的小车行驶轨迹,以确定轨迹的合理性。用 Pro/E对小车进行三维造型,以确定小车的结构。

2 无碳小车结构设计无碳小车借鉴三轮车转向原理 ,1个前轮为转向轮,2个同轴后轮,其中-个后轮(在以下三个方案中均用 r 表示其半径)与轴固定作为驱动轮,即重锤下落驱动此后轮;另-后轮空套在轴上,以实现拐弯时的差速效果,并支撑整个车架的平衡。整个小车的运动形式为后轮驱动,后轮的旋转运动通过传动机构将运动传给前轮转向机构,从而驱动前轮在运动过程中转向。转向机构可通过曲柄滑块机构、凸轮机构等来实现,下面介绍3种可走 S形轨迹的无碳小车设计方案。

2.1 方案---曲柄导杆机构设计如图2的三轮小车结构,锥齿轮z.固定在后驱动轮上,半径为 r 。经锥齿轮对 Z /Z 减速传动到-根竖直轴上,此竖直轴上装着-个曲柄,曲柄上连着-个导杆,导杆与前轮竖直轴上的滑道滑动连接,形成转向机构,机构示意图如图2,Pro/E三维造型如图3。

图 2 方案-小车整车结构示意图图 3 锥齿轮啮合和转向杆构件三维造型图(左),小车整体造型图(右)由图2可知,前轮转角 为 jOtarctan(esin(0)/(L-eoos( )) (1)其中,e为曲柄长度,L为前轮中心到齿轮 z 中心的水平距离, 为曲柄转角;则前轮速度 l/2为v2e , (2)其中, 为前轮线速度。

前轮位移 S为Sf V2dtv2e dt 1ecadtrIWIe dt轴rlW,t。e i( 。 ( dt。 (3)其中, 为后轮线速度, 为后轮(齿轮z1)转速,r。为后轮半径,i为两齿轮的传动比( 22/2l / );由公式(1)可知,调整曲柄长度及前轮中-C,N齿轮中心的水平距离可调整前轮摆角,从而可以改变小车轨迹曲线的幅值;由公式(3)可知,调整后轮半径 r 、两齿轮的传动比i可调整小车轨迹周期长度。

用Matlab编写计算(3)式位移,调整各参数为 rl150,e55,L93, 2.4,计算得到的小车502 大 连 民 族 学 院 学 报 第15卷行驶轨迹 曲线如 图 4。轨迹 曲线的幅值为 212mm,周期长度为2 040 mm,即2.04 in。

该方案是通过-对锥齿轮啮合传动,通过 e和 L来直接改变前轮摆角 ot的大小;整个车的结构对称平衡,保证了车行驶过程中的稳定性。但同时限制了小车两后轮之间的距离必需大于2e,后轮间距增大会加大车宽,因此要求轨迹曲线的幅值应足够大,以免小车绕障碍时撞到障碍物上。

此处幅值为212 mm,考虑到车与障碍物之间应有- 定的空隙,因此,此设计能顺利地绕过障碍。

八-/-/./-/-、:/、:/ / /、距 离 /ram图4 计算轨迹2.2 方案二--曲柄滑块转向机构设计如图5(左)的三轮小车结构,后轮驱动,经圆柱齿轮对 Z /Z 减速传动到前轴,前轴配有曲柄 E,连杆 L与滑块铰接,滑块与前轮的竖直轴通过-个连接杆 h连接在-起,形成转向机构,如图5(右),整车 Pro/E三维造型图如图6。

后轮- 中 L l-前轮L J lh- 图5 方案二小车整车结构示意图(a)及转向机构示意图(b)图 6 方案二小车整体造型图如图5(右),当曲柄 E逆时针旋转到某角度时,滑块与前轮轴心距离最短,设此时 B点位置为原点(0,0),且以BO 为 坐标的正方向,则滑块移动轨迹 Z为fE(1-COS(0))E sin(0) /(2%L)E(1-COS(W2t))Esin(W2) /(2%L), (4)其中,E为曲柄长度, 为连杆长度,0为曲柄逆时针转角,且 W。t,W:为齿轮 z:转速,t为时间。

前轮转角 O/为Otarctan(1/h), (5)其中,h为连接滑块与前轮竖直轴的连接杆的长度,也是前轮轮心到滑块的水平距离 (如 图 5(右))。

前轮位移 S为Sf l,3dtf v3e dt:f lecqdtrlWIe dtr1W1eeqdt, (7)其中, 。为后轮线速度 ,W 为后轮(齿轮 z。)转速,r.为后轮半径 ,i为两齿轮的传动比。

由公式(5)可知,调整曲柄长度 E、前轮到滑块的水平距离 h可调整前轮摆角,从而影响轨迹曲线的幅值。由公式 (7)可知,调整后轮半径 r 、两齿轮的传动比i调整轨迹周期。

用 Matlab编写计算位移程序,调整各参数为r,150,E60,L200,h70,,:2.5,计算得到的小车行驶轨迹曲线如图7。轨迹曲线的幅值为297 mm,周期为2.09 m。

第 5期 胡红英,等:无碳小车结构设计与分析 503g趔 --。

IV - -图7 方案二小车行驶轨迹方案嗅:该方案的设计通过曲柄滑块机构,曲柄的连续转动转化为滑块的往复运动,使前轮做周期性的左右摆动;但由于滑块在前轮轮轴轴心到滑块的最短距离 h位置处不是左右的往复运动对称点,致使前轮左右摆动不是在如图5(右)所示的初始位置处对称摆动,生成的轨迹曲线是- 呈-定斜角的 S形。若调整该方案小车行驶出发点的初始状态,也是可行的。

2.3 方案三--凸轮滑块转向机构设计-个凸轮滑块机构,设计凸轮廓线为:s(0)Re sin( ),其中,R,e为常数,(且尺只与凸轮大小有关,与小车运动轨迹无关,可任意选龋),凸轮廓线及推杆位移曲线如图8,凸轮滑块转向机构如图 9。传动依然采用两圆柱齿轮对Z,/Z 。整车 Pro/E三维造型见图 10。

。 、 7回转中 /. .·/图8 凸轮廓线(左)及推杆位移 曲线(右)图9 凸轮滑块转向机构示意图块图 10 方案三小车整车造型图若滑块初始位置如图9,则滑块移动轨迹为Ze sin( )esin(W2t), (8)其中,0为转角,且 0W:t,W 为凸轮转速,t为时间。

前轮转角为Otarctan(1/h), (9)其中,h为前轮轴心到滑块的距离(如图5)。

前轮位移 .s为S dt13e dt le dtrlWIe dtrl lie dt, (11)其中, .为后轮线速度,W。为后轮(齿轮z。)转速,r。为后轮半径,i为两齿轮的传动比。

由公式(8)和(9)可知,调整 e和前轮到滑块的距离 h可调整前轮摆角,从而影响轨迹曲线的幅值;由公式(I1)可知,调整后轮半径 r。、两齿轮的传动比i可调整轨迹周期。

用 Matlab编写计算位移程序,调整各参数为rl:150,e28,R40,h30,i2.5,计算得到的小车行驶轨迹曲线如图 1l。轨迹曲线的幅值为281.5 mm,周期为2 1"1。

l画罂-距 离/mm图11 方案-dx车行驶轨迹方案嗅:该方案弥bT方案 2的缺陷,使滑块在如图9的位置处做左右对称的往复运动,使504 大 连 民 族 学 院 学 报 第15卷得小车的计算轨迹为-理想的S形曲线。

3 基于 Pr0/E的小车整车设计3.1 方案-小车三维建模由2.1节可知,方案-中各个参数分别为:e: 55,L93, 1150, ∞l/∞2Z2/Z12.448/20,前轮 r:30;通过 Pro/E参数化设计的功能,用参数化创建两锥齿轮 - ],其传动比为2.4(Z 48,z :20);为了调整曲柄长度,在曲柄上做出槽;导杆处考虑到摩擦耗能,采用两滚轮变滑动为滚动,以减少摩擦,具体结构如图 3(左)。图3(右)为小车整车造型图。

3.2 方案二小车三维建模由2.2节可知,方案二中各个参数分别为:r 150,E :60,L200,h70, 2.5 :Z2/Z150/20,齿轮模数 m1。通过齿轮参数化设计的方法创建齿轮 Z 20和 Z :50。图6即为小车整车造型图。

3.3 方案三小车三维建模由2.3节可知,方案三中各个参数分别为:r 150,e28,R40,h30,i2.5Z2/Z150/20,齿轮模数 ,n:1。运动通过凸轮机构传递到滑块上,由于驱动轴与凸轮轴距离较大,所以中间添加-个惰轮,从而保证总的传动比不变的情况下,将运动传递到凸轮轴上。在推杆上装有滚轮以减小推杆与凸轮的摩擦,为了让推杆不脱离凸轮,在推杆末端设有压缩弹簧。此方案小车整车造型图如图 1O。

4 结 语本文针对无碳小车的设计要求,提出了三种结构设计及传动方案,对各方案进行了详细的分析、计算、建模和仿真,并总结出其优缺点,最后在Pro/E中进行了3种小车的参数化造型,以便能方便的修改结构参数 ,实现不同5形轨迹的需要。

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