基于MATLAB的雙八無碳小車軌跡仿真及其結構設計
摘 要
本文設計的基于MATLAB的無碳小車來自于全國大學生工程訓練能力競賽，依據綠色環保，設計一種通過重力勢能轉換成動能來驅動小車行走的裝置。通過分析任務要求，本文完成了小車的三維結構設計、軌跡模擬分析和主要零部件的有限元強度分析，制造出了行駛穩定，傳動效率高的雙八無碳小車。
本文主要采用的是MATLAB完成小車的軌跡仿真和參數設計，使用Solidworks完成小車的三維建模，使用Solidworks的motion分析完成小車的實際軌跡模擬。根據設計要求，小車主要分為車架、傳動機構、轉向機構和微調機構四部分組成，并對每個部分進行多種化方案設計，綜合考慮小車的裝配和功能實現等因素進行優化設計。
關鍵詞：無碳小車；MATLAB；Solidworks；軌跡模擬
目錄
1 ?緒論?? ?1
1.1 選題背景及意義?? ?1
1.2 國內外發展現狀?? ?1
1.3 ?本文的設計要求?? ?1
1.4 ?本文的設計方法?? ?2
1.5 ?本章小結?? ?2
2 ?MATLAB的軌跡模擬和凸輪設計?? ?3
2.1 ?MATLAB軟件簡介?? ?3
2.2 ?前輪轉角分析?? ?3
2.3 ?小車軌跡模擬?? ?7
2.4 ?凸輪設計?? ?8
2.5 ?本章小結?? ?11
3 ?雙八無碳小車的結構設計及校核?? ?12
3.1 ?基礎參數?? ?12
3.2 ?小車運動參數計算?? ?12
3.3 ?軸的設計及校核?? ?12
3.3.1 后軸的設計及校核?? ?12
3.3.2 凸輪軸的設計及校核?? ?15
3.4 ?齒輪的設計及校核?? ?17
3.4.1 齒輪1和齒輪2的設計?? ?17
3.4.2 按齒根彎曲疲勞強度設計?? ?17
3.4.3 校核齒面接觸疲勞強度?? ?18
3.5 ?軸承的校核?? ?19
4 ?雙八無碳小車的總體設計?? ?20
4.1 總體設計?? ?20
4.2 車架?? ?20
4.3 傳動機構?? ?21
4.4 轉向機構?? ?22
4.5微調機構?? ?23
4.6本章小結?? ?23
5 ?小車的實際軌跡模擬?? ?24
5.1 ?三維軟件簡介?? ?24
5.2 ?motion分析?? ?24
6 ?總結?? ?27
6.1 小車設計總結?? ?27
6.2 小車設計優缺點?? ?27
7 ?展望?? ?28
致謝?? ?29
參考文獻?? ?30
?緒論
1.1 選題背景及意義
隨著世界能源短缺問題，越來越多的國家提出了節約能源、無碳生活的口號[1][2]。與此同時，隨著科技的發展，人們對環保提出了更高的要求，無碳對于我們來說，顯得越來越重要[3][4]，在日常生活中我們更是要減少污染，建設無碳生活。無碳小車正是在這種背景下應運而生，無碳車是比較環保的短途代步工具[5][6]，例如自行車這種工具，節能、經濟環保。在外國汽車擁有比例很高的國家，都將無碳車的發展作為首要任務，現在很多國家把無碳技術應用于各個領域，例如家店、交通和家具等。這也是我們國家發展的一個趨勢，因此為緩解世界能源短缺問題，節約能源、保護環境，本文提出了了一種基于重力勢能的自轉向無碳小車[7]。
1.2 國內外發展現狀
能源作為汽車的血液，是汽車的主要動力來源，自第一臺汽車誕生而來，汽油和柴油作為主要的能量來源得到了廣泛的應用。汽油和柴油的利用為世界工業發展奠定了深遠的意義，但是隨著工業化的發展，環境問題日益凸顯，隨著人們環保意識的增強，各種能源涌現出來，各種新能源技術得到了發展和應用，例如太陽能、水能、電能等[8][9]。
進入21世紀，隨著石油危機的產生，環保的呼聲愈加高漲，同時汽車尾氣的大量排放，對環境造成惡劣的影響，因此低碳也成為能源評定標準之一。歐洲在替代能源方面，主要是采用天然氣為主，歐美一些發達國家也主要是采用天然氣和電池去替代原有的高排放汽油柴油工具。我國作為一個幅員遼闊，資源相對匱乏的大國，也將能源發展的方向主要聚焦于新能源方向，主要采用電能車來替代原有的石油車，堅持走能源多樣化、技術多樣化的路線[10][11]。隨著人們生活水平的不斷提高，無碳生活對于我們來說越來越重要，低碳能源將會是汽車能源的主要能源[12][13]。
1.3 ?本文的設計要求
自主設計并制作一臺具有方向控制功能的自行走勢能驅動車，該車行走過程中必須在指定競賽場地上與地面接觸運行，以重錘的重力勢能作為無碳小車唯一動力來源。已知條件：場地在半張標準乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上，有3個障礙樁沿中線放置，障礙樁為直徑20mm、長200mm的3個圓棒，兩端的樁至中心樁的距離為（350±50）mm，要求所設計的小車繞中線上的3個障礙樁按雙“8”字軌跡循環運行，并使小車盡可能提高完成雙“8”字的繞行圈數。在勢能驅動車行走過程中，重物不允許從勢能驅動車上掉落。重物的形狀、結構、材料、下降方式及軌跡不限，要求重物方便快捷拆裝，以便現場校核重量[14][15]。
1.4 ?本文的設計方法
首先認真對小車任務要求進行分析，明確小車的總體設計思路，下面簡要分析小車的設計流程。
（1）首先分析比賽場地和模擬運動軌跡，根據以往的設計經驗，選擇合適的傳動方案和小車結構。
（2）初定小車的主要基礎參數，小車前后輪的距離和主動輪的偏距，以及小車的后輪直徑，小車的凸輪偏距、凸輪的厚度。
（3）根據第二步初定的基礎參數進行matlab軌跡仿真，使用matlab模擬出小車的運行軌跡，通過計算軌跡的長度和后輪周長之間的關系，進一步確定小車的傳動比。
（4）進行matlab軌跡仿真，同時模擬出小車前輪的轉角曲線，通過轉角曲線確定凸輪的輪廓曲線，完成凸輪的輪廓設計，本次設計采用凸輪機構完成轉向。
（5）將得到的數據進行校核，校核沒問題后，采用solidworks完成小車三維結構的設計，進行motion分析，確定沒問后出cad工程圖加工[16][17]。
（6）本文設計最核心的是前輪的轉角曲線設計，根據前輪轉角的運動規律得到小車凸輪的輪廓曲線，最后模擬小車的運動軌跡。
1.5 ?本章小結
本章主要概述了無碳小車的研究背景、意義以及國內外的發展現狀，并簡單介紹了無碳小車的整體研究內容和設計方法。
2 ?MATLAB的軌跡模擬和凸輪設計
2.1 ?MATLAB軟件簡介
Matlab是MathWorks 公司于1982年推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件,它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體,構成了一個方便的、界面友好的用戶環境。MATLAB的推出得到了各個領域專家學者的廣泛關注,其強大的擴展功能為各個領域的應用提供了基礎。這些專家學者陸續推出了MATLAB工具箱,其中主要有信號處理、控制系統、神經網絡、圖像處理、魯棒控制、非線性系統控制設計、系統辨識、最優化、模糊邏輯、小波、樣條、通信和統計等工具箱,而且工具箱還在不斷增加，這些工具箱給各個領域的研究和工程應用提供了有力的工具。除此之外，MATLAB還具有如下優點:
(1)語言簡潔,庫函數豐富,壓縮了一切不必要的編程工作。
(2)運算符豐富,語法限制不嚴,程序設計自由度大,且程序可移植好,基本上不做修改就可在各種型號計算機和操作系統上運行。
(3)圖形功能強大,數據的可視化非常簡單。
(4)原程序的開放性。除內部函數以外
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