1、*理工大學本科畢業設計·論文學 號： 題目類型： 設 計 (設計、論文、報告)*理工大學* UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科畢業設計(論文)題目：基于SolidWorks下無碳小車 的設計及模擬仿真 學 院： 機械與控制工程學院 專業(方向)： 機械裝備設計與制造 班 級： 機械 班 學 生： 指導教師： *年*月*日II摘 要本文基于SolidWorks三維軟件完成無碳小車的虛擬設計,在整體設計方案下對小車的各個零件進行參數設計。通過SolidWorks對各個零件進行建模，完成虛擬實體裝配。虛擬無碳小車三維模型在動畫運動模擬仿真過程中，檢驗零件設計參數的準確性，

2、并進行優化。通過優化結果，分析無碳小車在實體制作的可行性。通過對課題的研究,首先對無碳小車的整體設計方案進行思路分析,確定小車的轉向機構、傳動機構的選擇。以小車運動的模擬軌跡為出發點，計算小車車輪的尺寸。再根據齒輪傳動比的確定，設計齒輪的參數。完成尺寸確定后，通過SolidWorks逐一對小車的車架、車輪、齒輪、軸承、車軸進行建模。在轉配體環境下，把零件一個一個的組裝成無碳小車模型。在約束條件下模擬小車按照預定軌跡運動，分析小車的摩擦受力情況。本文具體介紹:1、SolidWorks三維軟件的在國內外的發展狀況及趨勢；2、簡單概述CAD/CAM輔助設計的歷史，應用領域發展趨勢；3、詳細簡紹無碳小

3、車的整體方案設計；4、詳細介紹SolidWorks建模的方法過程，無碳小車的裝配模擬動畫。關鍵詞：SolidWorks；CAD；無碳小車；遠動分析；三維建模Design and simulation of carbon-free carbased on SolidWorksStudent:WANG Zao-xin Teacher:LIU YuAbstract: Introduction of carbon-free car virtual design based on SolidWorks 3 d software, under the overall design scheme for v

4、arious parts of the parameter design of the car. With SolidWorks modeling, various parts of the assembly complete virtual entity. Virtual carbon-free car 3 d model in the process of animation movement simulation, check up the accuracy of the parts design parameters, and optimize it. No carbon throug

5、h the analysis of the optimization results, the feasibility of the vehicles in the real production.Based on the research of the subject, first of all to the overall design scheme of carbon-free car thinking analysis, determine the car's steering mechanism, transmission mechanism of the choice. I

6、n simulation of car movement trajectory as a starting point, the size of the computing the car wheels. According to the determination of gear ratio, design the parameters of the gear. Finished size is determined, by SolidWorks one by one to the car frame, wheels, gears, bearings, shaft modeling. In

7、ZhuanPei body environment, the assembled parts one by one into a carbon-free car model. In constraint conditions, the car according to the desired trajectory motion, analysis the car of the friction force.This article detailed introduction; 1, the SolidWorks 3 d software in the domestic and foreign

8、development status and trends; 2, a simple overview of the history of CAD/CAM CAD, areas of application development trends; 3, detailed JianShao carbon-free car's overall project design; 4, the detailed introduction of SolidWorks modeling method process, carbon-free car assembly simulation anima

9、tion.Keyword: SolidWorks; CAD；Carbon-free car；Remote analysis；3D modeling目 次摘要IAbstract:II1 緒論11.1本課題的選題背景及意義11.1.1本課題的背景11.1.2本課題的目的11.1.3本課題的意義11.2國內外研究現狀及發展趨勢21.2.1 CAD/CAM技術的發展21.2.2 CAD/CAM在我國的應用31.3 本課題研究的主要內容42 整體方案設計62.1整體設計思路62.1.1 車架62.1.2 傳動構件62.1.3 轉向機構72.1.4 微調機構82.2無碳小車要達到的要求及關鍵技術92.3

10、設計方案的確定103 零部件的參數設計113.1 軌道的設計113.2 車輪尺寸的設計123.3 齒輪的確定123.4 轉向撥桿的設計143.5 凹槽輪的設計143.6 轉向輪的設計153.7 軸承的選用153.8 軸的設計164 零件的三維建模184.1 齒輪的三維建模184.2 后車輪的建模224.3 前輪的三維建模234.4 凹槽輪的建模244.5繩索輪的建模264.6 軸類零件的建模274.7軸承基臺的建模284.8 軸承端蓋建模304.9 車架的建模304.10 固定套的建模314.11前輪架的設計建模335 SolidWorks2010下無碳小車的零件裝配及模擬仿真345.1 無碳

11、小車的虛擬裝配345.2 無碳小車的模擬仿真及分析386 設計總結39致謝40參考文獻41*理工大學本科畢業設計·論文1 緒論1.1本課題的選題背景及意義1.1.1本課題的背景本課題來自第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽賽題。課題設計旨在提升大學生工程設計制作的實踐能力，深化實驗教學改革，培養激發大學生的創新設計意識，促進創新人才的發展成長，提高團隊合作能力，提高大學生綜合能力素質。通過積極參與無碳小車的設計與制作，增強大學生的實踐動手能力，增強大學生的設計、創新、制造意識，讓課本理論知識的學習與實際動手操作相結合；同時在制作過程中提高團隊合作，能力整體協調能力，解決問題的能力，為

12、以后參與工作中打好基礎，從而達到大學生的全面綜合發展，做好大學生全面綜合素質訓練的作用。1.1.2本課題的目的隨著計算機技術的飛速發展，三維計算機輔助設計軟件越來越廣泛的運用于產品的設計開發中。CAD/CAM技術的運用縮短了產品的設計過程，通過模擬分析優化，能使設計的產品更接近于實際境況，滿足設計需求。熟悉并掌握一門三維輔助設計軟件對將來的工作、產品設計的非常重要。通過SolidWorks三維軟件建立無碳小車的零件模型，熟悉掌握SolidWorks三維軟件的使用操作，在以后的設計中用來輔助設計研發。在SolidWorks三維軟件的輔助下完成對無碳小車的設計優化，分析無碳小車在重錘的下落過程中，

13、繩索牽引齒輪轉動，重力勢能轉換為機械能，機械能驅動車輪的轉動驅動小車行走。另外通過轉向機構執行運作帶動轉向輪的有規律轉動，讓小無碳車能按照“S”型路線行走，能夠有效避開障礙物，分析無碳小車實際制作的可行性，完成課題要求。1.1.3本課題的意義通過本課題的研究，使用三維軟件對無碳小車進行運動模擬，可以較快的得出無碳小車的運動參數。對無碳小車的模型分析，可以看出無碳小車存在的設計缺陷，避免了在無碳小車的實際制作過程中存在的重復拆裝、調試、零件制作不合理等問題。在整個無碳小車的設計過程中加強機械設計、機械原理、計算機鋪助設計等知識的實際運用，為以后在學習工作中積累相關的產品設計經驗。應用SolidW

14、orks三維輔助設計軟件對小車的設計進行模擬仿真中，熟練運用三維模擬軟件對產品的設計開發進行鋪助，縮短產品設計周期，在模擬優化后設計出滿足預期功能的產品。激發學生的綜合分析能力、資料搜索能力、創新精神、獨立自主研發能力等。1.2國內外研究現狀及發展趨勢1.2.1 CAD/CAM技術的發展計算機技術的發展促使著CAD/CAM技術的飛速發展。20世紀40年代中期世界上第一臺計算機在美國麻省理宮（MIT）研制成功。它具有的高速運算能力和大容量的信息存儲能力,成功的讓有限元等數值分析方法等可以在計算機中實現。直接開始在計算機上工程和產品設計的時期為20世紀50年代中期，進一步促進了計算機輔助工程技術（

15、CAE）的發展。 世界上第一臺數控銑床在1952年美國MIT試制成功，復雜零件的加工的自動化開始在計算機上自動編程，數控編程技術慢慢發展。20世紀50年代中期，MIT研制開發成功自動編程語言（APT）技術，提出了被加工零件的具體描述，計算道具軌跡、后置處理及自動生成數控指令等CAN技術的誕生。 從此后的30多年內，CAD/CAM系統的硬件和軟件技術在經歷了如下的幾個發展階段后, 相輔相成地發展起來: （1）單元技術的發展和應用階段 這個時間段跨越于20世紀60-70年代、計算機圖形軟件商品化的出現，交互式圖形系統越來越復雜，利用計算機輔助簡化了圖表、圖像的處理和生成；曲面模型、三維線框模型開始

16、得到應用，促使實體模型于20世紀70年代末出現；加工零件編程系統可以在計算機中以圖形顯示出來；承組技術開始用于工藝規程編制和計算機輔助設計；著名的商品化CAD/CAM軟件如CADAM、CATIA、MEDUSA、UNITGAPHICS、IDEAS、EUCLID、以及如ANSYS、ADAN、NASTRAN等工程分析軟件推向市場。這個階段的基本形成是CAD/CAE/CAM各功能模塊的主要特征。由于繼承性差、數據結構尚不統一，企業尚處于單元技術的應用階段。 （2）集成CAD/CAM的階段 CAD/CAM技術迅速發展時期為20世紀80年代是。在這個時期內，幾何實體造型趨于成熟，特征建模技術廣泛發展；開始

17、應用于計算機輔助設計和輔助工藝規程編制面向人工智能和專家系統化；發展了工程數據庫；隨著超級微型計算機、工程工作站的出現，它們卓越的性能價格比快速占領了CAD/CAM硬件市場。流行的硬件平臺已成為分布式的網絡工作站。這階段主要特征是CAD/CAE/CAM以及計算機輔助計劃管理各個模塊之間信息流實現一體化（CIMS），系統集成性好，企業應用已從二維計算機繪圖向著三維CAD建模、CAD/CAE/CAM集成化應用方向發展。 （3）面向產品并行設計制造環境的CAD/CAM階段 到了20世紀90年代，全球化商品市場的形成，市場競爭越來越趨于激烈。CAM/CAM技術正從傳統的面向零件的CAM/CAM集成階段

18、向面向產品并行設計、制造限額同工作環境發展方向改變了企業提高市場的響應和應變能力，產品生產周期得到縮短。并行工程是并行的、集成的產品設計和開發過程，它要求產品開發人員在設計階段就考慮產品整個生命周期的包括制造、裝配、檢測和銷售等所有因素，要求產品設計一次成功。在本階段，面向產品全生命周期的建模技術，基本工程數據庫的企業及產品數據管理(PDM),由工程工作站和高檔微機組成的客戶機/服務器（C/S)的網絡系統，技術群體小組的協同工作模式，是整個20世紀90年代 CAD/CAM技術研究的熱點問題。1.2.2 CAD/CAM在我國的應用 20世紀70年代，我國的CAD/CAM技術的開發應用起步。由于當

19、時的計算機軟件條件、硬件條件限制，較多的利用計算機在產品設計中進行一些分析計算。20世紀80年代，國家在機械方面重點投資了CAD/CAM技術的開發應用方面，支持對國民經濟有影響的重點機械產品CAD進行研制和開發，并取得了在國內來說具有開創性的一系列成果，包括用于工作站環境的微機環境等5個CAD支持系統，8個機械產品共性數據庫，24個重點機械行業產品專用于CAD系統，這些成果為我國CAD/CAM技術的發展奠定了不可估量的基礎，培養造就了一支強大的CAD/CAM的科技隊伍。20世紀80年代是我國CAD技術開發與應用系統的推廣階段。各類CAD系統的研制開發出現了產業化、商品化的勢頭。1991年國家科

20、委組織起草了關于大力協同開發我國輔助設計應用工程的報告，國家對這項報告非常重視批準成立了“計算機輔助設計應用工程協調領導小組”。國家的這項CAD承包工程包括軟、硬件技術的開發與產品化主要包括市場開拓、人才培養、推廣普及等各方面工作。機械行業自1995年以來相繼發展了樹立12家“甩圖板”的CAD應用典型企業的“CAD應用1215工程”和培養50-100家CAD/CAM應用的示范企業，扶持100家，繼而帶動5000家企業的計劃的“CAD應用1550工程”。同期，開發了一批如清華大學的高華CAD、華中科技大學的開發CAD等具有自主版權的CAD軟件操作系統。我國CAD/CAM技術的研究和應用對于工業發

21、達國家來相比還有比較大的差距，主要表現在； CAD/CAM的應用集成化程序較低，很多企業的應用仍停留在繪圖編程等單項技術的應用上； CAD/CAM系統的軟、硬件均依靠進口提供，缺乏自主研發版權的軟件； 缺少人才和技術的力量，有些企業盡管引進了CAM/CAM軟件系統，但沒能充分發揮其完整的功能。1.3 本課題研究的主要內容本課題圍繞主題：基于SolidWorks下無碳小車的設計及模擬仿真，設計一種無碳小車，根據能量轉換原理,驅動小車運動的能量是給定重力的重錘下落的勢能轉換來的機械能讓其行走及轉向的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），用質量為1Kg的重塊（50×65 mm，普通

22、碳鋼）鉛錘下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，能和小車一起運動并被小車承載，避免鉛垂從小車上掉落。圖1-1為小車示意圖。圖1-1 無碳小車示意圖要求小車行走過程中不可使用任何其他的能量來源,完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，。要求小車具有可調節功能的轉向控制機構，能適應放有不同間距障礙物的競賽場地。要求小車為三輪結構，學生自主完成無碳小車的具體設計、加工制作及材料選用等。小車運動要求：小車在前行時能夠按照預定路線行走，自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個圓棒，沿直線等距離擺放。綜合評定成績結果根據小車成功繞障數量和前行的距離和來

23、評定。見圖1-2。圖1-2 無碳小車自動行走示意圖2 整體方案設計2.1整體設計思路圍繞無碳小車的命題要求，對命題進行了簡要的分析：無碳小車在整個行駛過程中，都是由重錘下落的重力勢能提供能量，在設計中應盡可能利用這勢能，減少其它不必要結構消耗能量。因為提供的能量有限，要可能減少整個無碳小車的質量，無碳小車越輕越好，因此盡可能使用輕質材料構成。無碳小車按照“s”型路線行走，要有一定的轉向機構按照一定的規律周期運轉，并且穩定可靠能及時響應。重錘下落牽動繩子,繩子帶動繩輪轉動,然后通過齒輪的傳動按照一定轉動比將轉速傳遞給車輪軸,帶動小車行走。因此要設計好齒輪的參數及傳動比,盡量減少齒輪數量減少能量損

24、失。無碳小車的車輪與地面的摩擦越小，小車行走的越遠。小車在不同場合，行走的路線不一定準確，要有一定的微調機構進行調整，使無碳小車路線軌跡正確?；谏鲜隹紤]，得出無碳小車的結構越簡單重力勢能轉換成動能時損失的能量少效率就高；通過設計齒輪的傳動比可以改變小車的初始速度，速度越快，小車能走得越遠；合理的設計出轉向機構能夠讓小車按近似于“S”型路線行走；微調機構能夠調節小車的轉向角度，讓無碳小車順利避過障礙物；合理的選材減輕整車質量，減少摩擦。因此完整的無碳小車應當包括車架、傳動構件、轉向機構、微調機構、車輪、重錘架。下面簡要考慮車架、傳動構件、轉向機構、微調機構的選用。2.1.1 車架車架承受的力不

25、大，要求重量輕，加工簡單，考慮到加工成本等，車架采用無機橡膠加工制作成正方形底板式，尺寸還要進一步確定。2.1.2 傳動構件為了使小車行駛得更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構需要傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等。一般傳動機構主要有齒輪傳動、帶輪傳動、鏈傳動。1.齒輪傳動的特點是：傳動平穩、傳動比精確、工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。2.帶輪具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。3. 鏈傳動平均傳動比準確,傳動效率高，軸間距離適應范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環境中使用；但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，

26、且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。帶輪傳動精確度不高，不適合小車精確傳動。鏈傳動由于制作不便，且制作成本高，故只用齒輪傳動。2.1.3 轉向機構轉向機構是本無碳小車設計的關鍵部分，直接決定著小車能否按“S”的路線行走。一般能按特定規律運動的機構有：凸輪機構、曲柄搖桿、齒帶槽、凹槽輪等。凸輪機構：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續或不連續的任意預期往復運動。優點：只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓設計計算麻煩，加工比較困難。曲柄搖桿：優點：運動副單位面積所受壓力小，且面接觸方便潤滑，故磨

27、損減小，制造方便，能夠獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點：一般情況下只能近似實現給定的運動規律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數和運動副數往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低，不僅發生自鎖的可能性增加，而且機構運動規律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構常用于速度較低的場合。齒帶槽：通過在齒帶背后建立特定軌跡凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規律擺動，驅動轉向輪規律轉動。優

28、點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便。缺點：如果小車運動軌跡長，齒條也要較長，齒輪的增加消耗過多勢能。凹槽輪：在輪子面部制作凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規律擺動，驅動轉向輪規律轉動。優點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便，在較小的空間在齒輪面可以圓周規律循環，不用考慮長度。缺點：體積較大。參見圖2-1圖2-1凹槽輪在相對簡單的機構中：凸輪計算過程麻煩，搖桿控制計算不易、連桿多，齒條槽和凹槽輪原理相似，凹槽輪能減少齒輪數量，在較小的圓周上可以無限長度有規律的控制連桿擺動，故選用凹槽輪。2.1.4 微調機構無碳小車在確定使用凹槽輪情況下，對于微調機構的敏感程度，決定了小車能否按預定軌跡運動。微調機構就相

29、當于控制器，調節修正小車的轉向程度。連桿采用有一段螺紋桿,桿端有一小圓球的撥桿組成,參見圖2-2。圖2-2 轉向機構在轉向軸固定的情況下，通過調節螺紋長度變化調節，引起轉軸轉動一定角度，從而起到微轉的作用。這種微調機構與轉向機構巧妙的結合為一體，減少了其它構件的使用。2.2無碳小車要達到的要求及關鍵技術要求：（1）無碳小車小在走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，禁止使用任何其他的能量來源。（2）無碳小車具有可調節功能的轉向控制機構，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。（3）無碳小車必須為三輪結構，具體設計、選用材料及制作加工均由參賽學生自主完成。關鍵技術：（1）小車整體方案設

30、計；（2）動力系統、齒輪的設計；（3）轉向機構的設計；（4）SolidWorks的建模仿真2.3 設計方案的確定基于設計思路的考慮，以及車架、傳動機構、轉向機構、微調機構的綜合考慮。得出以下方案。見圖2-3： 圖2-3 方案圖假設繩輪半徑為R，齒輪1半徑為R1,齒輪2半徑為R2，車輪半徑為R3，重錘下落的高度為dh，則繩輪轉動的角度d1為： d1=dh2R (2-1)齒輪2與繩輪轉過的角度相同，齒輪1轉過的角度d2為：d2= R2d1R1 (2-2)則車輪走過的路程ds為：ds=R3 *d2=R2R3dh2RR1 (2-3)其中齒輪2于齒輪1的傳動比i=R2R1由此可知當重錘下落高度一定時，車

31、輪半徑越大，無碳小車的行駛路徑越遠，通過調節齒輪2與齒輪1的傳動比，可以使車輪獲得較大的轉速，在初始速度較大的情況下小車也跑得更快更遠。3 零部件的參數設計3.1 軌道的設計無碳小車按正弦曲線行走，路線近似于“S”型，在行駛軌跡確定的情況下，小車的行駛路徑不變，對路徑的研究設計，可以大概確定小車行走路程，初步斷定車輪的半徑，轉向輪的最大角度。無碳小車在寬度為2000mm的賽道上行駛，中間的障礙物相隔100mm，為了不讓無碳小車越出賽道，避免無碳小車與障礙物碰撞，擬定出一下路線圖參見圖3-1：圖3-1小車行走路線示意圖把此路線近似于余弦曲線，振幅為300mm，波長2000mm，軌跡方程近似為：y

32、=300cos（1000x） (3-1)路線長度ds： ds=（dy）2+（dx）2 (3-2)s=02000（dy）2+（dx）2 (3-3)s=020001+y2dx (3-4) s=020001+92100sin2（1000x）dx (3-5)用Mathematica數學軟件求解得s=2388.97mm可知無碳小車行駛一個周期走過的路徑為2388.97mm，無碳小車的車輪也近似走了2388.97mm。3.2 車輪尺寸的設計由小車行走路線的軌跡及方案的初步計算可知，車輪半徑越大，小車走得越遠，無碳小車行走一個半徑時，車輪轉過的圈速越小越好。這里設定車輪轉過3圈，則可以計算出無碳小車的車輪半

33、徑為R3=S3*2126.8mm，為了方便制作取半徑為R3=125mm3.3 齒輪的確定確定了無碳小車的車輪半徑后，根據ds=R3 *d2=R2R3dh2RR1 (3-5)其中齒輪2于齒輪1的傳動比i=R2R1可知齒輪1和齒輪2的傳動比決定了無碳小車初始速度的大小，適當的調節齒輪的轉動比，確定齒數大小的比例，從而可以得出齒輪半徑的大小。由機械原理第七版180頁齒輪標準模數系列表確定齒輪1、齒輪2、齒輪3的模數為2。無碳小車的齒輪轉動精度要求高齒數越多越好，傳動比在10以內比較合適，在這里選用齒輪2和齒輪1的轉動比為4。根據機械制造裝備設計第3版100頁各種常用傳動比的適用齒數,參見表3-1：表

34、3-1 各種常用傳動比的適用齒數表 Sz u969798991001011021031043.5522232222233.7621222121223.982021202021214.221920192020選用齒輪1和齒輪2的總齒數為100。齒輪1齒數為20，齒輪2齒數為80。根據機械設計課程設計齒輪結構設計可計算出齒輪1、齒輪2的參數如下：m=2齒輪1：z1=20，直徑D1=mz1=40mm齒頂圓直徑 =44mm；齒根圓直徑=35mm；齒頂高 =2mm；齒根高 =2.5mm；齒輪2：z2=80，直徑D2=mz2=160mm齒頂圓直徑 =164mm ；齒根圓直徑=155mm；齒頂高 =2mm；

35、齒根高 =2.5mm齒寬的確定：由公式得：齒輪1齒寬：=5×2=10mm對于一般的嚙合齒輪，為了防止大小齒輪因裝配誤差產生軸向錯位時從而導致嚙合齒寬的減小而增大輪齒的載荷，在設計上應該讓主動輪比從動輪齒寬大（510mm）。所以齒輪2的齒寬為b2=15。因為無碳小車的設計要求對于齒輪輪廓的載荷精度要求低，所以不對齒輪面輪廓結構設計，只采用簡單的圓面。齒輪3的確定：齒輪2傳遞動力給齒輪3，齒輪3通過軸與轉向凹槽輪連接并帶動凹槽輪轉動。凹槽輪與轉向連桿的在特定時間的轉動，決定轉向輪的準確偏轉，才會使小車按規定路線行走。在擬定的運動軌跡路線中，可以看出小車行駛半個周期時，轉向輪偏轉最大角度。

36、半個周期中無碳小車后車輪行駛的路程近乎是不變的，轉過的圈數也不變。設定后車輪走一個周期轉動3圈，則半個周期轉動1.5圈。凹槽輪在轉動半個周期時也剛好要使撥桿轉換角度。因為齒輪2提供動力，齒輪1又與齒輪2相連，當齒輪1轉動1.5圈時，齒輪3剛好轉動0.5圈，才能使后車輪與轉向輪形成特有的轉向關系。設齒輪2與齒輪3的傳動比為i23，則有1.5i21=0.5i23，已知i21=4，則i23=431.33由機械制造裝備設計第3版100頁表2-8各種常用傳動比的適用齒數，確定齒輪3的齒數為60，模數2.則齒輪3：z3=60，直徑D3=mz3=120mm齒頂圓直徑 =124mm ；齒根圓直徑=115mm；

37、齒頂高 =2mm；齒根高 =2.5mm；齒輪3齒寬：=5×2=10mm3.4 轉向撥桿的設計轉向撥桿的端面小球直徑10mm，桿長60mm，桿直徑3mm，桿面有螺紋便于調節球面與凹槽輪的長度，引起轉向軸的輕微偏轉。這種設計把轉向機構與微調機構整合在一起，設計簡單、機構輕巧、靈活方便。3.5 凹槽輪的設計凹槽輪的寬度由撥桿小球的球面直徑和前輪轉向的最大角度決定。在實際的運動中無碳小車的轉向角度,參見圖3-2圖3-2 前輪最大轉動角度為了便于設計與實際制作，凹槽輪的直徑與齒輪3的直徑相同為120mm。在轉動最大角度及撥桿小球的直徑確定情況下，凹輪槽的寬度尺寸由轉向軸心與凹槽輪軸心的距離確定

38、，為了能更好的調節轉向角度，設計轉向最大轉向角度為32°。轉向軸心與凹槽輪軸心的距離不宜過長，太長會影響整體小車的車身變長，設定兩軸心距離為85mm。在SolidWorks草繪圖型界面下，可以容易看出兩凹槽的中心距離，參見圖3-3。圖3-3 凹槽中心距示意圖3.6 轉向輪的設計轉向輪隨著軸向軸的偏轉而偏轉，轉向輪起到調整小車轉彎的作用，轉向輪不應過大，一般小于后輪的尺寸，設定轉向輪的半徑為30mm。3.7 軸承的選用 考慮到軸承不易制作，在實際中可以通過選用購買標準件用于小車的制作。軸承的選用標準參考機械設計課程設計機械工業出版社第133頁滾動軸承的國家標準。選用最小的深溝球軸承C6

39、201，最小直徑為12mm，最大外徑為32mm。3.8 軸的設計在整個無碳小車的設計方案中，包括后車輪軸、繩輪軸、槽輪軸、轉向軸4跟軸(參見圖3-4至3-7)。根據無碳小車的選用的C6201軸承，這4根最大直徑應該為12mm，便于裝配。因為無碳小車的動力較小，軸承產生的扭矩較小，不再對軸的強度進行校核。車輪軸的尺寸見圖3-4圖3-4 車輪軸尺寸繩輪軸的尺寸見圖3-5圖3-5 繩輪軸的尺寸槽輪軸尺寸見圖3-6 圖3-6 槽輪軸尺寸轉向軸尺寸見圖3-7圖3-7 轉向軸尺寸4 零件的三維建模當無碳小車的主要部件尺寸確定后,開始用SolidWorks三維軟件進行無碳小車的三維建模,無碳小車由多個零件組

40、成,先建立各個零件的三維模型,然后再將零部件進行整體裝配,完成整個無碳小車的三維模擬圖,在進行動畫模擬仿真,檢查分析小車實體制作的可行性。4.1 齒輪的三維建模SolodWorks2010有著強大的標準件設計庫，在齒輪、軸承、螺釘、墊圈、釘銷等標準件尺寸參數確定的情況下，利用SolodWorks2010的標準件設計庫可以很快的完成標準零件的建模，只用在相應的標準件之間輸入尺寸參數，SolodWorks2010就會生成相應的標準零件。 首先啟動SolidWorks2010界面，單擊菜單選項【新建】（見圖4-1）圖4-1 新建零件界面圖然后單擊【零件】，確定。再打開標準齒輪生成插件齒輪設計Gear

41、Trax2012 for SW,參見圖4-2。圖4-2 GearTrax2012 for SW界面在模數節距中輸入2，大齒輪齒數中輸入80，小齒輪齒數中輸入20，齒面寬度中輸入15mm，然后單擊創建，系統就會自動生成如下，見圖4-3：圖4-3 齒輪2初步建模圖在單擊齒輪的一個面，單擊右鍵選擇【正視于】，再在功能菜單欄中選擇【草圖】，在齒輪面中心繪制一個直徑12mm的圓，用于軸承的配合孔。在該圓周圍繪制3個直徑5mm的圓，作為定位孔，參見圖4-4。圖4-4 齒輪面上草繪的配合孔然后【確定】，單擊退出【草圖】，在【特征】欄下選擇【拉伸切除】，在選擇剛才草繪的圖型，進行拉伸。通過改變顏色外觀得到齒輪

42、2的三維建模，見圖4-5。圖4-5 齒輪2的三維建模通過相同的方式可以得到齒輪1（參見圖4-6）、齒輪3的模型（參見圖4-7）圖4-6 齒輪1的建模 圖4-7 齒輪3的三維建模4.2 后車輪的建模后車輪通過【拉伸凸臺/基體】可以得到，【新建】一個零件，在前視基準面上草繪如下圖形，見圖4-8。圖4-8 車輪建模草繪圖完成繪制后，【確定】，再單擊【退出草圖】，然后在特征欄下選擇【拉伸凸臺/基體】，選擇剛才創建的草圖，進行拉伸，拉伸厚度為10mm。得到后車輪的三維建模，見圖4-9。圖4-9 后車輪三維建模4.3 前輪的三維建模前輪的建模也比較簡單，通過【拉伸基體/凸臺】可以很方便的得到，然后用【倒角

43、】創建輪子輪廓見圖4-10。圖4-10 前輪建模4.4 凹槽輪的建模凹槽輪可以看成是由兩條首尾相連的兩條凹槽在輪面上圍成，凹槽在帶動撥桿轉向時，不是突然轉向的，在轉向時有一定的緩沖時間。兩條凹槽的連接用一成45度角的凹槽連接，便于減少撥桿球面的壓力，也起到在障礙物件緩慢繞行轉彎的作用。建立凹輪槽的模型可以先通過【拉伸】創建一個圓柱環，然后利用【拉伸切除】來完成凹槽的形狀。首先進入【新建】零件界面，在前視基準面上草繪一個直徑120mm和80mm的同心圓，然后通過特征拉伸圓柱的厚度為45mm，見圖4-11：圖4-11 拉伸后得到的圓環然后在右使基準面上正視于該圓柱，進入【草繪界面】，畫出如圖4-1

44、2的草圖：圖4-12 在圓環面上繪制的圖形完成繪制后單擊【退出草圖】通過特征欄選擇【拉伸切除】，選擇剛繪制的圖作為拉伸切除基面。完成后的凹槽見圖4-13。圖4-13 凹槽建模圖再通過【拉伸基體/凸臺】補全凹槽的圓柱面，改變外觀，最終得到的凹槽輪建模見圖4-14。圖4-14 凹槽輪建模4.5繩索輪的建模繩索輪是主要的原動力構件，見圖4-15，繩索輪由繩子牽引在起始時原動輪的轉動半徑較大，起動轉矩大就大有利于起動。但過大的話在重錘重力一定的時，無法牽動繩輪轉動。圖4-15 繩索輪示意圖繩輪的建模方法如下:在新建【零件】界面下，草繪如下圖所示（參見圖4-16）：圖4-16 草繪的圖形通過【旋轉凸臺/

45、基體】選擇繪制的草圖作為旋轉體，中心軸線作為旋轉中心，旋轉得到繩索的建模，再通過導入【異型孔向到】導入三個直徑5mm的定位孔，作為定位。改變顏色外觀，最終得到的建模參見圖4-17。圖4-17 繩索輪建模圖4.6 軸類零件的建模所選用的后車輪軸（參見圖4-18）、繩輪軸（參見圖4-19）、槽輪軸（參見圖4-20）、轉向軸（參見圖4-21）參照設計的尺寸，分別進行【拉伸】建模，得到的建模圖形如下：圖4-18后車輪軸建模圖4-19 繩輪軸建模圖4-20 槽輪軸建模圖4-21 轉向軸建模4.7軸承基臺的建模軸承基臺起到固定軸承，支撐車架的作用。確定了車輪尺寸、軸的長度及軸承標準之后，基臺的尺寸高低對無

46、碳小車的運動不影響，為了方便建模實體制作方便，啟到支撐作用的6個基臺規格尺寸要一致，基臺厚度為10mm。基臺的草繪圖見圖4-22及圖4-23。圖4-22 基臺尺寸圖4-23 基臺的建模4.8 軸承端蓋建模軸承端蓋起到固定車軸、防止軸承脫向的作用。端蓋厚度為1mm。參見圖4-24 。圖4-24 端蓋尺寸及建模圖4.9 車架的建模根據方案圖，在齒輪1、齒輪2、齒輪3、撥桿軸確定的情況下,車架的長度應當大于325mm,以便很好的支撐整個凸臺基體、繩輪的作用。由于車輪軸的確定車架寬度定為220mm。車架尺寸參見圖4-25。車架整體建模參見圖4-26。圖4-25 車架尺寸圖圖4-26 車架的三維建模4.

47、10 固定套的建模為了讓齒輪與軸能很好的固定連接，采用固定套作為連接件齒輪1、齒輪2、齒輪3、繩索輪、凹槽輪的固定套具有一樣的尺寸見圖4-27。按照這樣的尺寸進行建模，見圖4-28。圖4-27 固定套尺寸參數圖圖4-28 固定套的三維建模后車輪的固定套起到固定車輪與軸，防止車輪偏移的作用，車輪固定套尺寸見圖4-29。后車輪固定套建模見圖4-30。圖4-29后車輪與軸的固定套圖4-30后車輪與軸的固定套建模4.11前輪架的設計建模前輪架的作用是起到固定前輪，讓前輪隨著前輪架上的軸轉動的作用。前輪架連接轉向軸，隨轉向軸一起轉動，控制前輪的轉向。前車輪架尺寸參數見圖4-31，前車輪架的建模見圖4-3

48、2。圖4-31 前輪架尺寸圖4-32 前輪架建模5 SolidWorks2010下無碳小車的零件裝配及模擬仿真5.1 無碳小車的虛擬裝配在SolidWorks2010的界面下，裝配體具有很良好的操作性，具有操作簡單、易學、易用，方便靈活的特點。在完成約束下，構件能按照用戶的要求模擬運動在裝配過程中防止配合過定度、配合不到位等避免在動畫模擬時不能模擬出無碳小車的運動。在建立了無碳小車的主要零部件模型后，開始進入裝配環節。打開SolidWorks界面，單擊新建【裝配體】，首先打開車架零件，按照由下到上，先左后右的原則進行零件的逐個轉配。然后在特征欄下單擊【插入】零件，依次添加6個軸承基臺，調節基臺

49、的放置位置，以便能很好的操作基臺與車架的配合。然后單擊基臺定位孔的邊緣線再單擊車架上基臺定位孔的圓周邊緣線，按住鼠標右鍵彈出【配合】菜單，選擇同【軸心配合】，此時基臺自動與車架上的孔對齊。按照同樣的方法讓6個軸承基臺與車架上的基臺定位孔完全定位。見圖5-1圖5-1 完成基臺配合的裝配體再單擊【插入】零件依次打開6個軸承C6201，軸承放置好后，點擊一個軸承的圓周面按住Ctrl不放再單擊軸承基臺上的軸承放置面，按鼠標右鍵彈出【配合】菜單，選用同軸配合。然后按住軸承一個面讓它與基臺的一個面進行面與面重合配合。通過這兩個約束配合，軸承與基臺能完好的配合。依次用同樣方法，配合好其它6個軸承。把軸承、基

50、臺配合好后，先從后輪依次裝配。插入后車輪軸承零件，通過同軸心與基臺軸承配合好。然后再用插入齒輪1、齒輪固定套零件，選用合理的配合，讓齒輪1、齒輪固定套與后車軸配合好。再插入后車輪、車輪固定套軸承與通過面面重合、同軸心配合定位好車輪的位置。參見圖5-2圖5-2 裝配后車輪的建模圖裝配繩索輪、齒輪2、繩索軸零件。單擊【插入】零件，把繩索輪、齒輪2、軸承、齒輪固定套導入裝配體中，選用合理的配合固定好各個零件。見圖5-3。圖5-3 裝配繩索軸后的裝配體進行凹槽輪、齒輪3、齒輪固定套、槽輪軸的裝配。依次插入要裝配的零件，選擇槽輪軸，通過軸的圓周面與基臺上的軸承進行同軸心配合，再用軸的端面與軸承面進行面面

51、配合，把軸固定好。然后用同軸心配合裝配凹槽輪、齒輪3、齒輪固定套。依次用凹槽輪上的定位孔與固定套上的孔配合好，用面面配合和孔上的同軸心配合，定位好齒輪3與固定套的配合。裝配前輪與撥桿。依次導入轉向軸、前輪車架、前輪、撥桿，利用面面配合、同軸心配合、面平行配合等把前輪支架裝配好。見圖 5-4。圖 5-4 完成凹槽輪、車輪架后的裝配圖在主要零部件配合好后，就需要把輔助定位的其它小零件裝配好。在各個軸承上基臺上裝配上端蓋、螺釘，在齒輪與固定套件裝配上螺釘、螺帽。裝配上重錘架。完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖，見圖5-5。圖5-5無碳小車的完整裝配圖建模5.2 無碳小車的模擬仿真及分析在完成整體裝配圖的環境下，單擊左下角的運動算例，把動畫模擬時間軸拉到