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1、 毕业设计（论文） 重力驱动小车的结构设计及运动仿真分析 院 别 控制工程学院 专业名称 机械工程及自动化 班级学号 3122218 学生姓名 孙衍宁 指导教师 单泉 2016 年 6 月 10 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 重力驱动小车的结构设计及运动仿真分析 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
2、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：
3、重力驱动小车，MATLAB/Simulink 运动仿真，Inventor 三维设计 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 Structure design and motion simulation analysis of gravity driven car Author：Sun Yanning Tutor：ShanQuan Abstract In this paper, the gravity driven car converts the gravitational potential energy of the heavy block to the kinetic ener
4、gy of the car by pulleys, and controls the direction of the left and right periodic steering by the spatial crank rocker mechanism to avoid obstacles. The design of the transmission system and steering systems structure should be simple, less transmission parts, and reducing the transmission loss of
5、 the car, so as to make the car farther and more stable. Calculating the motion track of the trolley by the MATLAB platform, and the trajectory of the trolley motion is developed. Through the SimMechanics toolbox of MATLAB / Simulink developed car steering mechanism model, and under the SimMechanics
6、 environment for their own car steering mechanism for the dynamic simulation of the kinematics. At the same time, the trajectory tracking control. Utilizing the advantages of the inventor in the design, according to the program of the structure, 3D modeling is developed by inventor.Seeing 3D animati
7、on simulation and testing car the moving part whether there is interference, the proportion of the car is harmonious. In the process of vehicle design, paying attention to optimization of finite energy utilization, the rationality of the car body structure, walking the stability,harmony and applicat
8、ion of many mathematical theory was verified. Through the analysis of the car structure design and motion simulation, improve the abilities of finding questions, analyzing problems, solving problem. The experiences and lessons are summed up. Key words: Gravity driven car, MATLAB/Simulink motion simu
9、lation, Inventor 3D design 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 目 录 1 绪论 1 1.1 本课题的研究背景、目的和意义 1 1.2 小车的研究情况 2 1.3 本文研究的主要内容 2 2 结构设计 5 2.1 方案设计 5 2.1.1 总体方案 5 2.1.2 车架 8 2.1.3 原动机构 9 2.1.4 传动机构 10 2.1.5 转向机构 11 2.1.6 行走机构 12 2.1.7 微调机构 13 2.2 技术设计 14 2.2.1 小车最终方案与工作原理 14 2.2.2 转弯弧长的近似计算 15 2.2.3 速比的合理分配 17 2.2
10、.4 齿轮副参数的确定 17 2.2.5 空间曲柄摇杆机构参数的确定 18 3 基于 MATLAB/SIMULINK 的机构运动分析 22 3.1 基于 MATLAB 的小车轨迹分析 . 22 3.1.1 驱动系统建模分析 22 3.1.2 转向系统建模分析 23 3.1.3 小车行走轨迹分析 23 3.2 SIMULINK转向机构建模与分析 24 3.2.1 空间连杆机构的数学描述 . 25 3.2.2 小车转向机构建模 28 3.2.3 转向机构运动仿真 35 4 基于 INVENTOR 的三维设计和运动仿真 39 4.1 CAD 技术和INVENTOR软件 . 39 东北大学秦皇岛分校毕
11、业设计（论文） 第 IV 页 4.1.1 产品设计制造的信息化和数字化 . 39 4.1.2 CAD 技术的发展历程及发展趋势 . 39 4.1.3 Inventor 软件概述 . 40 4.2 重力驱动小车的INVENTOR建模与装配 41 4.2.1 创建草图 . 42 4.2.2 基于草图创建特征 . 43 4.2.3inventor 装配与干涉检查 . 46 4.3 重力驱动小车运动仿真 48 4.3.1 运动仿真环境设置 48 4.3.2 添加运动约束 49 4.3.3 驱动 50 4.3.4 仿真分析 51 结论 52 致 谢 . 53 参考文献 . 54 附 录 . 56 附录
12、A 56 附录 B. 68 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 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
13、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
14、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
15、程实际有极其丰东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 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 1m100mm；竞赛项目二是一个新命题，要求小车围绕间距为 3
16、00500mm 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 4002mm，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：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，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 5002mm的高度上。若取重力加速度 g=10m/s ，通过计算可知，此时物块所具有的重力势能为
