基于MATLAB的双八无碳小车轨迹仿真及其结构设计
摘 要
本文设计的基于MATLAB的无碳小车来自于全国大学生工程训练能力竞赛，依据绿色环保，设计一种通过重力势能转换成动能来驱动小车行走的装置。通过分析任务要求，本文完成了小车的三维结构设计、轨迹模拟分析和主要零部件的有限元强度分析，制造出了行驶稳定，传动效率高的双八无碳小车。
本文主要采用的是MATLAB完成小车的轨迹仿真和参数设计，使用Solidworks完成小车的三维建模，使用Solidworks的motion分析完成小车的实际轨迹模拟。根据设计要求，小车主要分为车架、传动机构、转向机构和微调机构四部分组成，并对每个部分进行多种化方案设计，综合考虑小车的装配和功能实现等因素进行优化设计。
关键词：无碳小车；MATLAB；Solidworks；轨迹模拟
目录
1 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 本文的设计要求 1
1.4 本文的设计方法 2
1.5 本章小结 2
2 MATLAB的轨迹模拟和凸轮设计 3
2.1 MATLAB软件简介 3
2.2 前轮转角分析 3
2.3 小车轨迹模拟 7
2.4 凸轮设计 8
2.5 本章小结 11
3 双八无碳小车的结构设计及校核 12
3.1 基础参数 12
3.2 小车运动参数计算 12
3.3 轴的设计及校核 12
3.3.1 后轴的设计及校核 12
3.3.2 凸轮轴的设计及校核 15
3.4 齿轮的设计及校核 17
3.4.1 齿轮1和齿轮2的设计 17
3.4.2 按齿根弯曲疲劳强度设计 17
3.4.3 校核齿面接触疲劳强度 18
3.5 轴承的校核 19
4 双八无碳小车的总体设计 20
4.1 总体设计 20
4.2 车架 20
4.3 传动机构 21
4.4 转向机构 22
4.5微调机构 23
4.6本章小结 23
5 小车的实际轨迹模拟 24
5.1 三维软件简介 24
5.2 motion分析 24
6 总结 27
6.1 小车设计总结 27
6.2 小车设计优缺点 27
7 展望 28
致谢 29
参考文献 30
绪论
1.1 选题背景及意义
随着世界能源短缺问题，越来越多的国家提出了节约能源、无碳生活的口号[1][2]。与此同时，随着科技的发展，人们对环保提出了更高的要求，无碳对于我们来说，显得越来越重要[3][4]，在日常生活中我们更是要减少污染，建设无碳生活。无碳小车正是在这种背景下应运而生，无碳车是比较环保的短途代步工具[5][6]，例如自行车这种工具，节能、经济环保。在外国汽车拥有比例很高的国家，都将无碳车的发展作为首要任务，现在很多国家把无碳技术应用于各个领域，例如家店、交通和家具等。这也是我们国家发展的一个趋势，因此为缓解世界能源短缺问题，节约能源、保护环境，本文提出了了一种基于重力势能的自转向无碳小车[7]。
1.2 国内外发展现状
能源作为汽车的血液，是汽车的主要动力来源，自第一台汽车诞生而来，汽油和柴油作为主要的能量来源得到了广泛的应用。汽油和柴油的利用为世界工业发展奠定了深远的意义，但是随着工业化的发展，环境问题日益凸显，随着人们环保意识的增强，各种能源涌现出来，各种新能源技术得到了发展和应用，例如太阳能、水能、电能等[8][9]。
进入21世纪，随着石油危机的产生，环保的呼声愈加高涨，同时汽车尾气的大量排放，对环境造成恶劣的影响，因此低碳也成为能源评定标准之一。欧洲在替代能源方面，主要是采用天然气为主，欧美一些发达国家也主要是采用天然气和电池去替代原有的高排放汽油柴油工具。我国作为一个幅员辽阔，资源相对匮乏的大国，也将能源发展的方向主要聚焦于新能源方向，主要采用电能车来替代原有的石油车，坚持走能源多样化、技术多样化的路线[10][11]。随着人们生活水平的不断提高，无碳生活对于我们来说越来越重要，低碳能源将会是汽车能源的主要能源[12][13]。
1.3 本文的设计要求
自主设计并制作一台具有方向控制功能的自行走势能驱动车，该车行走过程中必须在指定竞赛场地上与地面接触运行，以重锤的重力势能作为无碳小车唯一动力来源。已知条件：场地在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，有3个障碍桩沿中线放置，障碍桩为直径20mm、长200mm的3个圆棒，两端的桩至中心桩的距离为（350±50）mm，要求所设计的小车绕中线上的3个障碍桩按双“8”字轨迹循环运行，并使小车尽可能提高完成双“8”字的绕行圈数。在势能驱动车行走过程中，重物不允许从势能驱动车上掉落。重物的形状、结构、材料、下降方式及轨迹不限，要求重物方便快捷拆装，以便现场校核重量[14][15]。
1.4 本文的设计方法
首先认真对小车任务要求进行分析，明确小车的总体设计思路，下面简要分析小车的设计流程。
（1）首先分析比赛场地和模拟运动轨迹，根据以往的设计经验，选择合适的传动方案和小车结构。
（2）初定小车的主要基础参数，小车前后轮的距离和主动轮的偏距，以及小车的后轮直径，小车的凸轮偏距、凸轮的厚度。
（3）根据第二步初定的基础参数进行matlab轨迹仿真，使用matlab模拟出小车的运行轨迹，通过计算轨迹的长度和后轮周长之间的关系，进一步确定小车的传动比。
（4）进行matlab轨迹仿真，同时模拟出小车前轮的转角曲线，通过转角曲线确定凸轮的轮廓曲线，完成凸轮的轮廓设计，本次设计采用凸轮机构完成转向。
（5）将得到的数据进行校核，校核没问题后，采用solidworks完成小车三维结构的设计，进行motion分析，确定没问后出cad工程图加工[16][17]。
（6）本文设计最核心的是前轮的转角曲线设计，根据前轮转角的运动规律得到小车凸轮的轮廓曲线，最后模拟小车的运动轨迹。
1.5 本章小结
本章主要概述了无碳小车的研究背景、意义以及国内外的发展现状，并简单介绍了无碳小车的整体研究内容和设计方法。
2 MATLAB的轨迹模拟和凸轮设计
2.1 MATLAB软件简介
Matlab是MathWorks 公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。MATLAB的推出得到了各个领域专家学者的广泛关注,其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。这些专家学者陆续推出了MATLAB工具箱,其中主要有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统辨识、最优化、模糊逻辑、小波、样条、通信和统计等工具箱,而且工具箱还在不断增加，这些工具箱给各个领域的研究和工程应用提供了有力的工具。除此之外，MATLAB还具有如下优点:
(1)语言简洁,库函数丰富,压缩了一切不必要的编程工作。
(2)运算符丰富,语法限制不严,程序设计自由度大,且程序可移植好,基本上不做修改就可在各种型号计算机和操作系统上运行。
(3)图形功能强大,数据的可视化非常简单。
(4)原程序的开放性。除内部函数以外
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