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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 學(xué) 號(hào) !! 密 級(jí)___________ 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 小型履帶式行走裝置設(shè)計(jì) 院（系）名 稱：機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名：張 俊 指 導(dǎo) 教 師：!!! 教授 哈爾濱工程大學(xué) 2017年6月 專心---專注---專業(yè) 小型履帶式行走裝置設(shè)計(jì) 張俊

2、哈 爾 濱 工 程 大 學(xué) 學(xué) 號(hào) !! 密 級(jí)___________ 小型履帶式行走裝置設(shè)計(jì) The Small Crawler Walking Device Design 學(xué)生姓名 ：張俊 所在學(xué)院 ：機(jī)電工程學(xué)院 所在專業(yè) ：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 ：!!! 職 稱 ：教授 所在單位 ：哈爾濱工程大學(xué) 論文提交日期 ：2017年6月07日 論文答辯日期 ：2017年6月12日 學(xué)位授予單位 ：哈爾濱工程大學(xué) 摘 要 伴隨著國(guó)內(nèi)工程建設(shè)的不斷發(fā)展，履

3、帶式行走裝置在工業(yè)器械中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。各式各樣的工程器械、軍用工具，乃至工廠車間里的小型機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人等，都采用了這個(gè)裝置。本論文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一種小型履帶式行走裝置，使其能夠在多種復(fù)雜地形完成行走功能。 本論文介紹了小型履帶式行走裝置的研究現(xiàn)狀，展示這種裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，然后考慮到節(jié)能環(huán)保，綠色節(jié)約主題思想，進(jìn)行主參數(shù)設(shè)定、進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，包括功能原理分析，列寫設(shè)計(jì)方案，優(yōu)選并評(píng)估方案，進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)。進(jìn)行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸設(shè)計(jì)；進(jìn)行受力分析，對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)鍵和軸承壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)校核；對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行加工工藝分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)能力，對(duì)關(guān)鍵零部件的尺寸精度，裝配

4、精度，表面粗糙度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。最后對(duì)該裝置進(jìn)行三維建模和動(dòng)態(tài)仿真，檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)是否合理和發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。 關(guān)鍵詞：履帶式底盤結(jié)構(gòu)；鏈輪；履帶 ABSTRACT With the development of domestic engineering construction, the reference of crawler walking devices in industrial instruments is becoming more and more extensive. The devices is used

5、in all kinds of engineering equipment, military tools, small mechanical and industrial robots in factory workshops.The main design of this paper is to design a small crawler walking device that enables it to complete the walking function in a variety of complex terrain. The small crawler walking de

6、vice show the application field of the device and the research status.Meantime,the small crawler walking device consider lots of aspects,for example the energy conservation, environmental protection, saving resources. Besides,the small crawler walking device need carry out the overall design plan,wh

7、ich includes the functional principle analysis, writing the column plan, the optimization scheme, the evaluation plan, and the overall layout design. The small crawler walking device need analysis the force and check the calculation of the axis of bending moment and torque,Whats more the device must

8、 check the key and bearing life.Finally, the small crawler walking device need achieve industrial analysis and 3D modeling which can check out the rationality of the device. Key words: Crawler chassis structure; Sprocket;Caterpillar 目 錄

9、 4 4 5 6 7 8 第1章 緒論 1.1 選題的背景和意義 21世紀(jì)是信息技術(shù)時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人將是工程機(jī)械發(fā)展的潮流，其中，被廣泛應(yīng)用于履帶式移動(dòng)機(jī)器人的小型履帶式行走裝置也成為核心研究方向之一。小型履帶式底盤的研發(fā)及創(chuàng)新將帶動(dòng)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入全新發(fā)展空間。 小型履帶行走機(jī)構(gòu)的行走方式也常稱為無(wú)限軌道方式。它的運(yùn)動(dòng)行進(jìn)的特征是將圓狀的無(wú)限軌道卷在多個(gè)帶輪上,使帶輪不直接與路面接觸?履帶式行走機(jī)構(gòu)一般由導(dǎo)向輪?支架?張緊裝置?驅(qū)動(dòng)裝置?支重輪?托鏈輪和履帶板組成? 圖1.1 排

10、雷機(jī)器人 1.2 國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，高精尖科技的發(fā)展已經(jīng)成為大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的主要陣地，其中工業(yè)機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為21世紀(jì)標(biāo)志性技術(shù)之一，不斷將履帶式行走裝置應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中，并不斷研發(fā)創(chuàng)新成為重中之重。在這種背景下，小型履帶式行走裝置的研發(fā)與創(chuàng)新將引領(lǐng)機(jī)器人時(shí)代的到來(lái)。 小型履帶式行走裝置具備了與輪式傳動(dòng)相比有巨大優(yōu)勢(shì)的的特點(diǎn)： （1）履帶式移動(dòng)方式支撐面積大，接地比壓小，適合于泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過(guò)性能好；越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)器人。 （2）履帶式機(jī)械裝置轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向原理是靠?jī)蓷l履帶之間的速度差即

11、一側(cè)履帶減速或剎死而另一側(cè)履帶保持較高的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 （3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 由此可見，小型履帶式行走裝置獲得極快的發(fā)展，相應(yīng)的技術(shù)也是不斷取得突破式進(jìn)展，幾乎每隔5年，便有新一代新型履帶式底盤進(jìn)入市場(chǎng)之中。 1.2.1 國(guó)外的研究與發(fā)展 國(guó)外在這項(xiàng)研究方向上現(xiàn)在有了比較成熟的技術(shù)，且生產(chǎn)出了多種類型的產(chǎn)品。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家，都積極研究開發(fā)很多種類的履帶式偵察和排爆機(jī)器人。 日本在機(jī)器人研究方面走在世界的前列，其開發(fā)的偵查探測(cè)機(jī)器人不但外觀形狀都非常小巧，而且控制精度相當(dāng)高。日本神戶市一家國(guó)際救援系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu) 200

12、5年 1 月 21 日公開展示了可以在大規(guī)模災(zāi)害中進(jìn)行救援活動(dòng)的履帶式移動(dòng)機(jī)器人。 英國(guó)將小型履帶式行走裝置應(yīng)用于機(jī)器人，早在60年代初就已經(jīng)研制開發(fā)出多種履帶式排爆型機(jī)器人，其履帶式手推車已向50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的軍隊(duì)警察部門售出 800 多余臺(tái)。 1.2.2 國(guó)內(nèi)的研究與發(fā)展 2000年起，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)資金和技術(shù)不斷提高，不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，還有政府大力支持，我國(guó)在履帶式行走裝置領(lǐng)域有了長(zhǎng)足進(jìn)步。雖然跟國(guó)外企業(yè)相比仍有差距，但在一些關(guān)鍵領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)上仍取得了不小的突破和發(fā)展。 （1）關(guān)鍵的核心技術(shù)、研發(fā)方面不斷提高 近十年以來(lái)，我國(guó)的工程機(jī)械取得巨大的進(jìn)步

13、，履帶機(jī)械領(lǐng)域也不斷取得心得研究成果，主要包括幾個(gè)方面，多履帶行走研究不斷深入，履帶輪胎復(fù)合式行走的研究與開發(fā)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研發(fā)的輪履復(fù)合機(jī)器人，在核心技術(shù)上已經(jīng)跟上西方發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步。 （2）產(chǎn)品可靠性進(jìn)—步提高 2000年以來(lái),國(guó)內(nèi)企業(yè)在履帶機(jī)技術(shù)上取得了一系列技術(shù)突破。一些機(jī)器人研究所所研發(fā)的履帶式移動(dòng)機(jī)器人表明履帶式行走技術(shù)已經(jīng)進(jìn)一步完善，北京航空航天大學(xué)所研制出了多履帶組合式偵察樣機(jī)，上海交大機(jī)器人研究所研發(fā)一系列可在復(fù)雜地面實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走的產(chǎn)品，其可靠性進(jìn)一步完善提高?履帶工程機(jī)械技術(shù)日趨成熟起來(lái)。 （3）不斷拓展國(guó)外市場(chǎng) 由于我國(guó)工程機(jī)械領(lǐng)域起步較晚，前

14、期研發(fā)乏力，所以市場(chǎng)萎縮，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)多被外國(guó)壟斷，近十年以來(lái)，伴隨著技術(shù)成熟，研究成果逐漸豐碩，近幾年中國(guó)制造不僅在國(guó)內(nèi)站穩(wěn)腳跟，還逐漸打開國(guó)外市場(chǎng)，履帶機(jī)械進(jìn)軍海外市場(chǎng)，取得良好的認(rèn)可。 圖1.2 小型履帶式行走裝置樣車 1.3課題研究?jī)?nèi)容與意義 本論文是從市場(chǎng)需求和該裝置未來(lái)應(yīng)用前景進(jìn)行選題，可廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域，本設(shè)計(jì)將從多方面入手，首先了解小型履帶式行走裝置，弄清楚該裝置工作原理和普遍使用結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 1.3.1 課題研究主要內(nèi)容 本課題要求在考慮對(duì)環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的情況下，通過(guò)對(duì)小型履帶式行走裝置進(jìn)行原理分析，進(jìn)而詳細(xì)設(shè)計(jì)

15、小型履帶式行走裝置總體結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行受力分析，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和校核，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果使用三維建模軟件進(jìn)行建模、裝配關(guān)系分析以及工作原理運(yùn)動(dòng)仿真，最后對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工工藝分析，完成小型履帶式行走裝置的全部設(shè)計(jì)內(nèi)容。 該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件計(jì)算校核部分，下圖是本設(shè)計(jì)要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)簡(jiǎn)圖。 1.3.2 課題研究目的與意義 由國(guó)內(nèi)外履帶機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀,可以看到履帶機(jī)發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)特點(diǎn): （1）技術(shù)核心化 一個(gè)產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力和它的檔次必然會(huì)由其核心技術(shù)所決定，各大知名企業(yè)肯定都有他們的核心技術(shù)，并以此來(lái)保持其在行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位。 （2）操作控制系統(tǒng)的智能化 履

16、帶機(jī)的智能化控制、遠(yuǎn)程控制以及故障時(shí)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)檢測(cè)，還有電子監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成為履帶機(jī)的一個(gè)新的發(fā)展方向。 （3）模塊化?系列化 采用模塊化的方式，提高零部件的通用化程度，可以大大降低生產(chǎn)成本，且高度模塊化的生產(chǎn)更符合當(dāng)前客戶需求的多樣化的現(xiàn)狀。在更換零配件時(shí)具有跟多選擇性。 圖1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)內(nèi)容 1.4 履帶式行走裝置的前景及趨勢(shì)展望 履帶式行走裝置行動(dòng)比較平穩(wěn)，容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、爬梯、越溝等較為困難的動(dòng)作。此外，履帶式移動(dòng)行走裝置是根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)改裝的，履帶有寬大的支撐面，對(duì)下陷、溝坎、泥符的路面有良好的控制力，起到了為車輪連續(xù)鋪路的作用，有助于提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。

17、 21世紀(jì)將是工業(yè)機(jī)器人時(shí)代，小型履帶式行走裝置也是履帶式行走機(jī)器人重要組成部分，該裝置在技術(shù)上必將不斷更新?lián)Q代。抓住這一環(huán)節(jié)的高科技發(fā)展環(huán)節(jié)，就可以引領(lǐng)新技術(shù)的未來(lái)，走在世界前列，實(shí)現(xiàn)由科技大國(guó)向科技強(qiáng)國(guó)的巨大跨越。所以，在未來(lái)，無(wú)論是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的需要，還是其他工程機(jī)械中應(yīng)用，小型履帶式行走裝置都有極大的應(yīng)用空間，其在機(jī)器人領(lǐng)域重要性不言而喻。 圖1.4 小型履帶式底盤應(yīng)用于偵查機(jī)器人 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 本章將對(duì)課題進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，包括多種方案選擇，方案評(píng)估，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和總體布局設(shè)計(jì)，最終確定小型履帶式行走裝置的總體設(shè)計(jì)布局和主要零部件的結(jié)構(gòu)要素。

18、2.1 小型履帶行走裝置底盤外形選擇 有一些小型偵察機(jī)器人用第 2 種履帶形式，這種行走裝置是輪式機(jī)構(gòu)，這種偵察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，可獲得一定的速度，但這種輪式機(jī)構(gòu)自身有其弱點(diǎn)，其地面適應(yīng)性較履帶式移動(dòng)方式相差很多。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，（通過(guò)淘寶網(wǎng)店及一些機(jī)器人公司）此次選擇設(shè)計(jì)第 4 種構(gòu)型，此種構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，重量輕。對(duì)于偵察用途是相對(duì)理想的結(jié)構(gòu)。 圖2.1 履帶底盤類型的選擇 1--前后支臂式行走機(jī)構(gòu)；2--輪式行走機(jī)構(gòu)；3--單履帶式行走機(jī)構(gòu)； 4--雙履帶式行走機(jī)構(gòu)；5--幾何式履帶機(jī)構(gòu)； 2.2 系統(tǒng)功能與原理分析 小型履帶式行走裝置的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)小型履

19、帶式行走裝置進(jìn)行分析，進(jìn)而詳細(xì)設(shè)計(jì)小型履帶式行走裝置具體結(jié)構(gòu)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果使用三維建模軟件進(jìn)行建模、裝配關(guān)系分析以及工作原理運(yùn)動(dòng)仿真，最后對(duì)機(jī)構(gòu)加工工藝分析，完成小型履帶式行走裝置的全部設(shè)計(jì)內(nèi)容。 2.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 首先列寫出本課題的任務(wù)書，明確需做哪些工作。將各部分要求綜合起來(lái)，找到其中聯(lián)系，明確研究的方向。 表2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 1 功能 主要功能：完成在各種環(huán)境下行走 轉(zhuǎn)彎 急停； 2 適應(yīng)性 適用對(duì)象：工程器械、軍用工具，乃至工廠車間里的小型機(jī)械、 工業(yè)機(jī)器人等 能源：直流電源； 3 工作能力 在沙漠 山地 軟泥 粘重 潮濕 上下坡環(huán)境下正常作業(yè)

20、 4 性能 行走平穩(wěn)，不翻車，不打滑，續(xù)航能力強(qiáng)， 有一定承重能力和自平衡性 5 可靠度 日維護(hù)期間不發(fā)生故障，月檢修期間不發(fā)生失效； 6 使用壽命 主要零部件使用壽命應(yīng)達(dá)到10年； 7 安全性 危險(xiǎn)裝置應(yīng)有保護(hù)裝置隔離； 輔助裝置 開始 結(jié)束 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 變速箱 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 反饋控制 數(shù)據(jù)處理 圖2.2 系統(tǒng)功能原理分析 2.2.2工作原理分析 在平地上，驅(qū)動(dòng)輪與履帶嚙合，帶動(dòng)前導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，前導(dǎo)向輪將履帶不斷的鋪在地面上，可以給鏈輪鋪設(shè)無(wú)限軌道，履帶與地面存在著較大的摩擦力，接觸點(diǎn)與地面相對(duì)靜止，

21、可以使驅(qū)動(dòng)輪不斷帶動(dòng)整機(jī)向前行走。（圖2.2和2.3） 圖2.3 多履帶機(jī)械工作原理簡(jiǎn)圖 圖2.4 平面的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 2.2.3 轉(zhuǎn)向理論簡(jiǎn)述 小型履帶行走裝置能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向式其非常重要的功能之一。圖2.4 是對(duì)轉(zhuǎn)向原理的簡(jiǎn)要分析，O點(diǎn)是小車在平地轉(zhuǎn)向時(shí)的瞬時(shí)圓弧的圓心，由于車寬B導(dǎo)致兩條履帶的瞬時(shí)線速度不同，所以只要滿足兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)向式差速行使，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，當(dāng)轉(zhuǎn)向內(nèi)驅(qū)動(dòng)輪止動(dòng)而外驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。 2.2.4 功能分解 功能表明了系統(tǒng)的屬性，它表明了系統(tǒng)的能力以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)換信息、能量和物料的能力，由于一個(gè)系統(tǒng)的

22、功能可能有很多，我們?yōu)榱吮阌诜治龊脱芯?，往往把系統(tǒng)的功能加以分解，經(jīng)過(guò)逐層分解，直至分解到不能再分解的功能元為止。 圖2.5 功能樹 2.2.5 系統(tǒng)的形態(tài)學(xué)矩陣 由小型履帶式行走裝置的功能原理分析，功能分解和功能樹可進(jìn)行形態(tài)學(xué)矩陣的構(gòu)建，形態(tài)學(xué)矩陣的作用就是將整機(jī)各部分分功能所有可能選用的方案一一列寫出來(lái)，然后將各部分組合起來(lái)，得到所有可能的組合方案，這是一個(gè)從局部到總體的過(guò)程，該過(guò)程對(duì)最終方案確定影響很大，需要多方面考慮方案的選擇。 表2.2 小型履帶式行走裝置 形態(tài)學(xué)矩陣 分功能 解法 1 2 3 4 5 A(驅(qū)動(dòng)功能) 液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 伺服電機(jī)驅(qū)

23、動(dòng) 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) B(傳動(dòng)功能) 鏈傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng) 帶傳動(dòng) 其他機(jī)械傳動(dòng) C(執(zhí)行功能) 鏈輪 不規(guī)則齒輪 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) D(位移功能) 履帶式 同步帶 `` E(能量裝換) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī) F(能量傳遞與分配) 齒輪機(jī)構(gòu) 鏈輪機(jī)構(gòu) 帶輪機(jī)構(gòu) 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠 G(制動(dòng)) 機(jī)械制動(dòng) 電氣制動(dòng) H(變速) 變速箱 調(diào)壓調(diào)速 弱磁調(diào)速 I(緩沖功能) 專用減震裝置 彈簧減震裝置 機(jī)械減震裝置 2.3 總體方案設(shè)計(jì)與評(píng)

24、估 得到系統(tǒng)多種設(shè)計(jì)方案以后，就基本了解整機(jī)各部分職能和基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)在市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的思想，得到整機(jī)總體樣機(jī)總體框架，然后就可進(jìn)行功能求解，進(jìn)而分析多種設(shè)計(jì)方案，并從中選取最優(yōu)方案。 2.3.1功能求解 上文已經(jīng)將履帶式行走裝置的功能樹求出，下一步就是將這些分功能一一求解，然后找出最優(yōu)的組合方式。最常用的方法是形態(tài)學(xué)矩陣，它是一種應(yīng)用系統(tǒng)搜索和程式化分功能組合的一種求解方法。先盡可能多的尋找各分功能的不同形態(tài)解法，然后最先去除一些明顯不合理的組合，在幾個(gè)相對(duì)較好的組合中優(yōu)選出最合適的組合，根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣?yán)锪谐龅亩喾N組合方案，考慮到相容性以及最佳匹配原則，匹配出四種可行方案，分

25、別為： 方案（1）A4+B4+C2+D2+E4+F3+G1+H1+I1； 方案（2）A1+B1+C3+D1+E1+F1+G1+H1+I1； 方案（3）A3+B3+C1+D4+E3+F4+G1+H2+I2； 方案（4）A2+B2+C1+D2+E2+F2+G1+H1+I1 表2.3 方案評(píng)價(jià)結(jié)果 序號(hào) 加權(quán)系數(shù) 評(píng)價(jià)指標(biāo) 單位 方案一 方案二 方案三 方案四 e W Wg e W Wg e W Wg e W Wg 1 0.2 精確度 % 較差 3 0.6 一般 5 1.0 很高 8 1.6 好 7 1.4

26、2 0.1 穩(wěn)定性 % 一般 5 0.5 好 7 0.7 好 7 0.7 一般 5 0.5 3 0.13 可靠性 % 足夠 6 0.78 一般 5 0.65 好 7 0.91 好 7 0.91 4 0.07 壽命 % 一般 5 0.35 足夠 6 0.42 好 7 0.49 足夠 6 0.42 5 0.055 結(jié)構(gòu) % 好 7 0.385 一般 5 0.275 一般 5 0.275 好 7 0.385 6 0.045 安裝 % 一般 5 0.225 好

27、 7 0.315 好 7 0.315 好 7 0.315 7 0.12 功能/性價(jià)比 % 好 7 0.84 足夠 6 0.72 很高 8 0.96 一般 5 0.6 8 0.13 制造成本 % 較差 3 0.39 一般 5 0.65 一般 5 0.65 較差 3 0.39 9 0.1 人機(jī)工程學(xué) % 一般 5 0.5 好 7 0.7 好 7 0.7 好 7 0.7 10 0.05 外觀 % 一般 5 0.25 足夠 6 0.3 好 7 0.35 很好 8

28、 0.4 絕對(duì)總評(píng)價(jià)值（ΣWg） 4.82 5.73 6.95 6.02 表中：e表示特征值，一般做定性評(píng)價(jià)；W表示評(píng)價(jià)值，采用十分制；Wg表示加權(quán)評(píng)價(jià)值。 由以上評(píng)價(jià)結(jié)果可知方案三總評(píng)價(jià)最高，故采用方案三。 2.3.2 總體設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià) 上文找出四種優(yōu)選方案，還需要在這四種方案中評(píng)選出最優(yōu)方案，首先要確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會(huì)指標(biāo)以及技術(shù)指標(biāo)三個(gè)指標(biāo)出發(fā)，評(píng)價(jià)這四種方案的優(yōu)劣，確定加權(quán)系數(shù)從而建立起評(píng)價(jià)目標(biāo)樹，如圖2.6所示。 圖2.6 評(píng)價(jià)目標(biāo)樹 2.4 本章總結(jié) 總體方案設(shè)計(jì)的核心是選出最優(yōu)方案，并確定總體結(jié)構(gòu)方案，包括對(duì)功

29、能原理分析，功能分解，構(gòu)建功能樹，列寫形態(tài)學(xué)矩陣，進(jìn)行功能分解，優(yōu)選方案，進(jìn)行方案評(píng)估，獲取最佳方案。最后做出總體布局方案圖。獲得總體方案布局設(shè)計(jì)后，根據(jù)要求，對(duì)相關(guān)的一些主要的零部件作簡(jiǎn)要了解，獲取基本的零件知識(shí)，為下一步具體的設(shè)計(jì)校核做準(zhǔn)備。 第3章 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 這一部分，將會(huì)對(duì)小型履帶式行走裝置關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和校核，主要包括履帶、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、拖鏈輪、支重輪、驅(qū)動(dòng)軸、傳動(dòng)軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮形狀、尺寸精度、軸承型號(hào)的選擇、受力分析等等。 3.1 主要性能指標(biāo)的分析 在工業(yè)應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合環(huán)境惡劣且危險(xiǎn)，機(jī)器人就是用來(lái)代替這些危險(xiǎn)性作業(yè)，所以設(shè)計(jì)需要足夠

30、強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力，包括速度，加速度，靈活性的底盤，可以適應(yīng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力，續(xù)航能力等等幾個(gè)方面。 在復(fù)雜地形適應(yīng)能力方面，要求底盤所處理的大部分任務(wù)環(huán)境是非結(jié)構(gòu)化地形。比如在下水道、倉(cāng)庫(kù)、廢墟、樓房的樓層內(nèi)、沙漠、沼澤，會(huì)場(chǎng)座椅下、飛機(jī)機(jī)艙等；所以小車能順利爬過(guò)樓梯、垃圾廢墟、狹窄空間、其他崎嶇地形。本人所研究的小型地面?zhèn)刹鞕C(jī)器人的底盤就是要適應(yīng)這些特殊地形場(chǎng)合的要求，能夠在這些復(fù)雜地形上實(shí)現(xiàn)靈活行走與轉(zhuǎn)向，因此小車的越障能力就成為重點(diǎn)考慮的因素。下面列出市場(chǎng)調(diào)研的偵查機(jī)器人履帶式底盤主要參數(shù)和本設(shè)計(jì)所涉基本參數(shù)對(duì)比表： 表3.1 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表 指標(biāo) 市場(chǎng)樣機(jī)指標(biāo) 擬定指標(biāo) 備注

31、 機(jī)車重量 20 Kg 20 Kg 可優(yōu)化 整體尺寸 920320520 960840260 行走速度 1m/s 1.5m/s 越障能力 180mm 200mm 爬坡能力 30臺(tái)階或斜坡 30臺(tái)階或斜坡 續(xù)航時(shí)間 2h 2h 3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 為了確定電機(jī)的功率，首先要確定執(zhí)行端的輸入功率，，其中，工作機(jī)的輸入效率，是指從電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)過(guò)程中的總效率，其值等于各分效率的乘積。想要計(jì)算執(zhí)行端的效率，可以根據(jù)公式P=FV/1000進(jìn)行計(jì)算。 由于該小型履帶式行走裝置適用于小功率工程機(jī)械中，根據(jù)現(xiàn)在大多數(shù)對(duì)該裝置的應(yīng)用自主設(shè)計(jì)參數(shù)，

32、根據(jù)設(shè)計(jì)要求能實(shí)現(xiàn)平路行駛速度1m/s，最大爬坡角≥30o，爬坡速度0.5m/s。根據(jù)電機(jī)負(fù)載力矩公式： (3-1) 其中 Tm——電機(jī)負(fù)載力矩； M——車體質(zhì)量； a——小車加速度； g——重力加速度； f——履帶與地面摩擦系數(shù)； ɑ——爬坡角度； rs——驅(qū)動(dòng)輪分度圓半徑； i——總傳動(dòng)比； η——總的傳動(dòng)效率。 電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

33、 (3-2) 其中： v——履帶車前進(jìn)平均速度； rs——表示驅(qū)動(dòng)輪分度圓半徑； i——表示傳動(dòng)比 根據(jù)上式可得出電機(jī)功率： (3-3) 代入數(shù)據(jù)計(jì)算，上坡時(shí)，取速度，加速度，摩擦系數(shù)，傳動(dòng)比設(shè)為，總傳動(dòng)效率，則驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載力矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N=，電動(dòng)機(jī)功率。 再研究在平地運(yùn)動(dòng)，取參數(shù)速度，加速度，摩擦系數(shù)，傳動(dòng)比，總傳動(dòng)效率，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載力矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速取，取電動(dòng)機(jī)功率。 由以上計(jì)算可知電

34、機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩要大于190r/s,功率要滿足不小于90W，且要求電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。參閱相關(guān)書籍，查閱最新電機(jī)產(chǎn)品，決定選用瑞士MAXON 直流伺服電機(jī)電機(jī)ECX SPEED 13M，由下表參數(shù)可知，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)尺寸小，一般有配套減速器?？紤]到綠色環(huán)保，節(jié)約資源，可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)思想，優(yōu)選這種尺寸小，功率大，噪音低，效率高的直流伺服電機(jī)。 3.3 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)計(jì)算需要考慮多方面的因素，它直接將電機(jī)傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)力傳遞給履帶，使小車實(shí)現(xiàn)行走，所以驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為重要。 3.3.1 驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)及功能論述 驅(qū)動(dòng)輪的作用是將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給履帶，從而實(shí)現(xiàn)行走。所以

35、，履帶和驅(qū)動(dòng)輪間不能有躥動(dòng)。一般將驅(qū)動(dòng)輪放在底盤的后面，這種結(jié)構(gòu)可以縮短履帶驅(qū)動(dòng)部分的長(zhǎng)度，避免動(dòng)力浪費(fèi)，也可以延長(zhǎng)履帶壽命。 驅(qū)動(dòng)輪與履帶的配合有三種，包括整體式配合及組合式配合和橡膠履帶配合。齒輪和輪豰采用鑄造的方法，包括整體鑄造和分段鑄造。連接方式是螺栓連接，這樣方便更換也節(jié)約材料。 3.3.2 驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)選擇 考慮到履帶行走的平緩性，驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)一般選17－23，驅(qū)動(dòng)輪整體尺寸應(yīng)該較小，節(jié)距小些，齒數(shù)多些方能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)傳動(dòng)。若節(jié)距偏大，齒數(shù)減小，傳動(dòng)效率低，且傳動(dòng)不平穩(wěn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)取z=23。 參閱機(jī)械設(shè)計(jì)書籍關(guān)于齒輪的設(shè)計(jì)章節(jié)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，首先選擇材料，熱處理方式

36、，精度等級(jí)和齒數(shù)，齒數(shù)在上面已經(jīng)闡述。查表可知，選擇鏈輪材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241~286HBS，也可以選用ZG35GrMn,調(diào)制處理，硬度190~240HBS；本論文選取前者，z=23，i=68；再查取應(yīng)力循環(huán)系數(shù)安全系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，確定驅(qū)動(dòng)輪的相關(guān)參數(shù)，得到相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成設(shè)計(jì)。 3.3.3 驅(qū)動(dòng)輪齒形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 履帶的節(jié)距公式 (3-4) 取鏈輪重量： ；則； 驅(qū)動(dòng)輪與履帶嚙合類似于齒輪齒條嚙合，其外

37、部齒形與履帶嚙合的齒數(shù)，履帶的節(jié)距和驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑（與履帶配合時(shí)履帶銷所在直徑）： (3-5) 取 ；則 ； 齒頂圓直徑: ； (3-6) 是履帶銷套的直徑： ； (3-7) 則 由公式齒根圓直徑是 其中 （輪槽對(duì)應(yīng)的底圓半徑）； (3-8) 3.3.4驅(qū)動(dòng)輪的強(qiáng)度計(jì)算校核 驅(qū)動(dòng)輪與履帶嚙合，

38、通過(guò)履帶接地，所以可認(rèn)為受到的彎矩來(lái)源于履帶張緊力作用，受力很小可忽略。只需計(jì)算校核接觸應(yīng)力。 齒面的擠壓應(yīng)力： b--節(jié)圓處齒寬，；銷套直徑，； 許用擠壓應(yīng)力 ； 所以強(qiáng)度滿足要求，考慮到耐磨性和提高壽命，采用500Mn，鑄造，淬火處理，硬度52~60HRC。 3.4導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算 導(dǎo)向輪的作用式保持履帶的行走方向，防止履帶脫軌，具有導(dǎo)向作用。導(dǎo)向輪還和張緊裝置結(jié)合起來(lái)，可以張緊履帶，減小底盤行走中由于地面環(huán)境引起的振動(dòng)沖擊，從而減小能量消耗，提高整體性能。導(dǎo)向輪通過(guò)履帶還和托鏈輪結(jié)合一起保持履帶張緊狀態(tài)，提高履帶壽命，減小無(wú)用消耗，降低履帶和驅(qū)動(dòng)輪之間的躥動(dòng)

39、幾率。 3.4.1導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)分析和功能分析 導(dǎo)向輪運(yùn)轉(zhuǎn)是有驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)履帶將動(dòng)力傳遞過(guò)來(lái)，所以一般將導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)的略微比驅(qū)動(dòng)輪大些，其裝配軸向高度比驅(qū)動(dòng)輪略低，從而使得履帶在前端略微下傾。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使傳動(dòng)更省力，其抓地能力提高，底盤重心降低，提高機(jī)車整體穩(wěn)定性，減小翻車，對(duì)不同地面環(huán)境適應(yīng)力更強(qiáng)。 通過(guò)查閱一些資料，導(dǎo)向輪與支重輪之間的距離也影響機(jī)車穩(wěn)定性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般兩者之間的距離是履帶節(jié)距3倍以上，這樣可以減小履帶接地的不均勻性，提高傳動(dòng)性能。 圖3.1 驅(qū)動(dòng)輪裝配圖 3.4.2導(dǎo)向輪的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引導(dǎo)輪一般安裝在小車前方，可以減小履帶在運(yùn)行中

40、的擺動(dòng)和跳動(dòng)，從而減小沖擊載荷大小以及無(wú)用的功率損耗，并防止履帶脫軌引導(dǎo)方向的作用，它的具體位置由驅(qū)動(dòng)輪安裝和履帶長(zhǎng)度決定。 具體的結(jié)構(gòu)布置：理論上，較大的導(dǎo)向輪可以減少履帶不平穩(wěn)性，提高機(jī)車抓地能力，但考慮經(jīng)濟(jì)能力和節(jié)約能源和材料方面，過(guò)于增大導(dǎo)向輪分度圓直徑不科學(xué)，而且還會(huì)受到空間的限制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)向輪齒頂圓上端最高點(diǎn)實(shí)際上應(yīng)比驅(qū)動(dòng)輪低10～60mm，這樣可使上方區(qū)段的履帶略微向前傾，履帶有向前滑動(dòng)的趨勢(shì)。 引導(dǎo)輪的直徑 ； (3-9) 其中是驅(qū)動(dòng)輪的分度圓直徑； 取

41、 ； 擋肩環(huán)寬； 齒輪輪寬；軸孔直徑； 該導(dǎo)向輪尺寸一般，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查閱，該輪做成孔板式，并做出相應(yīng)箱體用于固定軸承和軸，由軸承轉(zhuǎn)速可知，采用脂潤(rùn)滑。箱體采用鑄造方式。 3.5 Ⅳ軸的設(shè)計(jì)校核 Ⅳ軸是傳動(dòng)軸，它的作用式支撐導(dǎo)向輪，同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩給前臂的驅(qū)動(dòng)輪，帶動(dòng)前臂行走，從而實(shí)現(xiàn)越障，完成一系列功能。受力分析可知，既受到彎矩又受到轉(zhuǎn)矩作用，所以需對(duì)該軸進(jìn)行彎扭設(shè)計(jì)和校核。由機(jī)械設(shè)計(jì)可知，對(duì)于階梯軸，軸和其上的零件應(yīng)該有準(zhǔn)確的位置，軸上的零件要方便安裝和拆卸及調(diào)整。 圖3.2 傳動(dòng)軸零件圖 3.5.1 Ⅳ軸結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算 傳動(dòng)軸收到的載荷包括履帶張

42、緊力履帶重力，還有導(dǎo)向輪和前臂驅(qū)動(dòng)輪重力及摩擦力等，查閱相關(guān)公式有 最小軸徑的選擇公式： ； (3-10) 其中 C--由需用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力確定的系數(shù)； n--軸的轉(zhuǎn)速；P--軸傳遞的功率； 該傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較慢，且屬于輔助裝置，功率較小，所以對(duì)于軸的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)所需各軸段位置尺寸。 此外，對(duì)于計(jì)算出的最小軸徑若該截面有鍵槽時(shí)，計(jì)算出的軸頸應(yīng)適當(dāng)增大。當(dāng)有一個(gè)鍵槽時(shí)需要增大5%，兩個(gè)鍵槽需要增大10%，然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)的軸直徑。這里取最小軸頸。 表3.2 軸的常用材料許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 軸的材料

43、 Q235 45 12~20 30~40 40~52 C 158~135 118~106 106~97 注：當(dāng)軸上的彎矩比轉(zhuǎn)矩小時(shí)或只有轉(zhuǎn)矩時(shí)，C取最小值. 3.5.2 Ⅱ軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 圖3.4（a） 前臂轉(zhuǎn)軸尺寸設(shè)計(jì)圖 圖3.4（b）前臂轉(zhuǎn)軸受力分析圖 圖3.4（c） 前臂轉(zhuǎn)軸彎扭分析圖 圖3.4（d） 前臂轉(zhuǎn)軸彎扭合成圖 對(duì)于主要承受轉(zhuǎn)矩的軸，比如傳動(dòng)軸，只需按照扭轉(zhuǎn)條件計(jì)算即可，對(duì)于只受到彎矩條件的軸，比如心軸只需要按照彎曲條件計(jì)算校核即可；但是對(duì)于轉(zhuǎn)軸應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算，特別的有時(shí)需要按疲勞強(qiáng)

44、度條件來(lái)精確校核。 依據(jù)所受的載荷和應(yīng)力情況，對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行分析，按照所受的彎矩計(jì)算： 均布載荷： ； 彎曲強(qiáng)度條件： (3-11) --軸的計(jì)算應(yīng)力； --脈動(dòng)不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力為 ; W--軸的抗彎截面系數(shù)； ； 許用應(yīng)力值用插入法，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到； 折合系數(shù)：； 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 ； 校核對(duì)稱循環(huán)疲勞極限，選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)， 計(jì)算脈動(dòng)疲勞極限 計(jì)算等效系數(shù)： 經(jīng)過(guò)計(jì)

45、算，危險(xiǎn)截面滿足要求，該軸的設(shè)計(jì)合理。整理相應(yīng)數(shù)據(jù)，可知45鋼軸，調(diào)質(zhì)處理，軸段設(shè)計(jì)合理，軸上零部件位置分布科學(xué)，壽命達(dá)到要求。 3.6前驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 前驅(qū)動(dòng)輪是前臂的驅(qū)動(dòng)鏈輪，它通過(guò)前臂履帶帶動(dòng)前導(dǎo)向輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)爬坡，跨越臺(tái)階，跨越障礙，水溝等不利地面條件。前驅(qū)動(dòng)輪在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，基本尺寸上和主驅(qū)動(dòng)輪導(dǎo)向輪大體相似?？紤]到它并非式主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的齒寬取到40mm，對(duì)應(yīng)履帶取到60mm?；窘Y(jié)構(gòu)做成孔板式。此外，由于其動(dòng)力來(lái)源式主導(dǎo)向輪，所以轉(zhuǎn)軸將其裝配在一起。兩輪之間的距離通過(guò)實(shí)際需要基本設(shè)計(jì)為40mm.如果考慮裝配的緊湊性，可適當(dāng)改動(dòng)該段距離。 理論上前驅(qū)動(dòng)輪與主導(dǎo)向輪分

46、度圓直徑尺寸相同，處于同樣的接地能力。實(shí)際上，前驅(qū)動(dòng)輪尺寸往往比主驅(qū)動(dòng)輪尺寸略小，其目的是平地行走時(shí)前主動(dòng)輪略有懸空，這樣可以減小摩擦，降低無(wú)用功的損耗，在爬坡時(shí)，前驅(qū)動(dòng)輪優(yōu)先著地，主驅(qū)動(dòng)輪略微處于懸空狀態(tài)。這種狀態(tài)能夠增大前驅(qū)動(dòng)輪的抓地能力，增強(qiáng)爬坡穩(wěn)定性，同時(shí)節(jié)省功率，提高該裝置整機(jī)性能。 3.7滾動(dòng)軸承的選取和壽命計(jì)算 滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈,外圈，滾動(dòng)體和保持架等四部分組成，它具有負(fù)載能力，速度特性，調(diào)心性，運(yùn)轉(zhuǎn)精度等工作特性。它的失效形式主要包括疲勞點(diǎn)蝕，塑性變形，磨損，及其他外在因素引起的果子碎裂保持架損壞等。滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要針對(duì)失效形式進(jìn)行

47、計(jì)算。一般進(jìn)行壽命計(jì)算，對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承還需要校核極限轉(zhuǎn)速。 此外，決定軸承工作能力的因素還包括軸承布置的合理性，潤(rùn)滑和密封情況，這些因素也對(duì)壽命有著極大的影響。 3.7.1導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)軸選取軸承型號(hào) 本論文選取一對(duì)角接觸球軸承作為轉(zhuǎn)軸的一對(duì)軸承。，代號(hào)7206B.角接觸球軸承可以同時(shí)承受徑向軸向載荷，而且公稱接觸角越大，它的軸向承載能力越強(qiáng)。本論文選取的角接觸球軸承公稱接觸角取到最大B=40也是考慮到該軸的軸向力可能有沖擊振動(dòng)，動(dòng)載荷波動(dòng)較大。軸承用端蓋密封，軸輸出端有密封圈，由于轉(zhuǎn)速不大，采用脂潤(rùn)滑，月檢潤(rùn)滑。 3.7.2 軸承壽命計(jì)算 滾動(dòng)軸承的壽命是衡量軸承選取是否合理

48、的重要參數(shù)，應(yīng)用在裝配中的軸承壽命短，需要經(jīng)常更換軸承，縮短整機(jī)壽命，多次裝配更加麻煩不經(jīng)濟(jì)；軸承選型太好，造成資源浪費(fèi)，無(wú)法凸顯節(jié)約資源的主體思想，所以需對(duì)選定的軸承進(jìn)行壽命計(jì)算。 圖3.6 轉(zhuǎn)軸軸承受力分析 圖3.6是軸承的受力分析，是兩鏈輪軸向力，其實(shí)質(zhì)是履帶張緊力的合力，是合成水平徑向力，通過(guò)上面受力分析可知 （3-12） 其中 --與履帶橫向摩擦力系數(shù)，??； 嚙合受到的壓力 ; 取

49、則 該軸承型號(hào)選為7206B,由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查的基本而定動(dòng)載荷C=35200N。 （1） 計(jì)算內(nèi)部軸向力 由表3-4可知，7206B型軸承: (2) 計(jì)算單個(gè)軸承的軸向載荷并比較與大小， ; 由受力分析圖可知，軸承Ι壓緊，軸承Π放松，則 (3) 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 由公式: ; （3-13） 計(jì)算7206B軸承的壽命，軸承壽命為10年取軸向力大的代入壽命計(jì)算公式： ； 由計(jì)算可知，該軸承壽命合適，達(dá)到工作性能要

50、求和經(jīng)濟(jì)效益條件。 表3.3 角接觸球軸承內(nèi)部軸向力 公式 角接觸球軸承 70000C 70000AC 70000B 3.7.3主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸軸承的選擇 主驅(qū)動(dòng)輪的內(nèi)徑30mm，由于該轉(zhuǎn)軸與諧波減速器相連，所以軸承型號(hào)可以在選取諧波減速器過(guò)程中進(jìn)行選配，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，諧波減速器輸出端選用32008軸承，輸入端根據(jù)所選電機(jī)最小軸徑13mm，通過(guò)聯(lián)軸器接入諧波減速器，選一對(duì)深溝球軸承，可滿足要求。由于諧波減速器的特點(diǎn)可知，潤(rùn)滑方式選用油潤(rùn)滑，在諧波減速器外箱壁上開油孔，定期注油即可。 3.7.4前臂導(dǎo)向輪心軸軸承選配 軸承的選配方法和特點(diǎn)前文已論述，關(guān)于前臂導(dǎo)向

51、輪裝配情況可見圖3.6。軸承的選配根據(jù)最小軸頸的選取來(lái)決定，本輪設(shè)計(jì)中，取一對(duì)深溝球軸承，型號(hào)6405。前臂導(dǎo)向輪基本只受到履帶張緊力作用，該力很小可以忽略。當(dāng)該輪處于爬坡狀態(tài)是，軸承受到一個(gè)徑向的重力的分力，而前臂導(dǎo)向輪質(zhì)量很小，此力也很小，所以無(wú)需進(jìn)行軸承壽命計(jì)算。本論文選取的潤(rùn)滑方式是脂潤(rùn)滑，配套密封圈和墊片由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查取。 3.7.5 拖鏈輪轉(zhuǎn)軸軸承的選配 軸承的選配方法不再贅述，由拖鏈輪基本只承受上段履帶重量，所以無(wú)論軸向還是周向軸承受力都很小，可以忽略。所以選取一對(duì)深溝球軸承，型號(hào)6004，潤(rùn)滑方式是采用脂潤(rùn)滑，配套密封。 3.8支重輪的設(shè)計(jì)及計(jì)算 支

52、重輪的功能就是用來(lái)支撐整個(gè)機(jī)車重量，起到分擔(dān)導(dǎo)向輪和驅(qū)動(dòng)輪承重的作用，支重輪還可以使得履帶與地面充分接觸，增大與地面接觸面積，提高整機(jī)性能，改善傳動(dòng)平穩(wěn)性和負(fù)載能力。支重輪的個(gè)數(shù)應(yīng)當(dāng)適宜，應(yīng)該盡可能使履帶壓強(qiáng)減小，且布置應(yīng)有利于使履帶受力分布均勻。，但是，支重輪的個(gè)數(shù)也不可過(guò)多，否則會(huì)增大整機(jī)質(zhì)量，從而使機(jī)車笨重，負(fù)荷增大，效率降低，傳動(dòng)效果不理想。 支重輪安裝在車架底盤下邊，分擔(dān)整車重量，通過(guò)螺釘連接在車架上，它的裝配包括固定心軸，深溝球軸承，軸承端蓋，密封圈，圓柱銷及螺釘，首先選定支重輪材料為ZG55SiMn,進(jìn)行表面淬火處理，查閱相關(guān)資料，其硬度在48--55HRC之間。其尺寸大小偏

53、小，所以一般采用實(shí)心式輪輻?；诠?jié)省材料和減小機(jī)車重量的思想，也可以去做成孔板式鏈輪。 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合本裝置設(shè)計(jì)尺寸的條件限制，兩支重輪間的距離應(yīng)大于履帶節(jié)距的3倍以上。所以每條履帶設(shè)計(jì)兩個(gè)支重輪，這也是考慮小型履帶式行走裝置功率較小，質(zhì)量不大，兩個(gè)支重輪足夠。留出足夠的空間，兩個(gè)支重輪之間，支重輪與驅(qū)動(dòng)輪之間，支重輪與導(dǎo)向輪之間沒(méi)有干涉，無(wú)機(jī)構(gòu)約束，皆可實(shí)現(xiàn)正常行走。 本設(shè)計(jì)中支重輪軸最小直徑16mm，長(zhǎng)度為90mm,采用50Mn鋼；選用61805的深溝球軸承，圓柱銷直徑6mm。在行走過(guò)程中，支重輪所受到的沖擊載荷，振動(dòng)擺動(dòng)都可忽略不計(jì)，只考慮靜載荷引起的附加彎矩。通過(guò)受力分析及查

54、閱相關(guān)文獻(xiàn)，軸所受的彎矩及各項(xiàng)力很小，基本對(duì)軸不會(huì)造成彎曲與變形。所以校核可以滿足要求。 3.9托鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 顧名思義，拖鏈輪就是用來(lái)拖動(dòng)履帶，將履帶張緊，保持履帶處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。拖鏈輪的設(shè)計(jì)部分包括外形尺寸，基本結(jié)構(gòu)，裝配工藝等內(nèi)容。 托鏈輪安放在車架上方，，將上方履帶托起，防止履帶下垂，同時(shí)具有張緊履帶的作用。托鏈輪在張緊履帶的同時(shí)，還可以防止履帶在顛簸崎嶇，不平穩(wěn)的路面上引起的上下擺動(dòng)造成的損害。整個(gè)托鏈輪通過(guò)軸與軸承的配合裝在車架上，下方通過(guò)螺栓與車架連接在一起，整個(gè)連接機(jī)構(gòu)由彈簧進(jìn)行復(fù)位。彈簧的作用還有可以裝卸履帶。 托鏈輪裝在車架上方，保持整條履帶處于合適的松緊狀態(tài)，

55、防止履帶與驅(qū)動(dòng)輪導(dǎo)向輪之間的躥動(dòng)。由上面分析可知，在履帶通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪的過(guò)程中，由于受到拉力作用，履帶沿長(zhǎng)度方向有一個(gè)輕微伸長(zhǎng)量，如果沒(méi)有托鏈輪張緊，可能會(huì)在成拖鏈或躥動(dòng)。此外，考慮到摩擦帶來(lái)的功率損耗，托鏈輪的數(shù)目最好不要太多，一般一兩個(gè)即可。對(duì)于小型履帶機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一個(gè)托鏈輪足夠。 本論文設(shè)計(jì)的拖鏈輪的尺寸是根據(jù)小車底盤大體尺寸進(jìn)行估計(jì)，考慮總體重量要求，結(jié)合對(duì)支重輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，設(shè)計(jì)的拖鏈輪大體形狀與支重輪相似。根據(jù)實(shí)際需要，拖鏈輪分度圓直徑90mm，內(nèi)孔直徑40mm。考慮節(jié)約資源和減小整機(jī)質(zhì)量，將拖鏈輪做成孔板式，由于拖鏈輪尺寸偏小，不方便打孔，所以最終形狀如上圖所示。 拖鏈輪做的一

56、般比支重輪略大，對(duì)潤(rùn)滑密封要求也很高，基于拖鏈輪線速度與履帶同步，所以運(yùn)轉(zhuǎn)速度不大，采用脂潤(rùn)滑，密封圈密封，定期檢查潤(rùn)滑。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和參閱相關(guān)文獻(xiàn)，拖鏈輪需要較好的耐磨性，表面硬度，綜合考慮市場(chǎng)要求，采用50Mn鋼，表面淬火處理，硬度達(dá)到48~52HRC. 3.10 鍵的選擇和連接強(qiáng)度計(jì)算 鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，它的作用是實(shí)現(xiàn)軸與齒輪之間周向的固定，同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的類型有許多，普遍常用的是普通平鍵。本論文對(duì)鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇。 3.10.1 鍵的選擇 根據(jù)需要選用普通平鍵。鍵的主要尺寸是截面尺寸，鍵寬*鍵高（）長(zhǎng)度L。鍵的截面尺寸是按照軸的直徑查表獲得。鍵的長(zhǎng)度可根據(jù)輪豰

57、的長(zhǎng)度確定，一般鍵的長(zhǎng)度略短于輪豰長(zhǎng)度。本論文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括了多組鏈輪多組軸，軸承，鍵等內(nèi)容。所以具體的各組鍵不再詳細(xì)論述，只選出受轉(zhuǎn)矩最大的一組進(jìn)行計(jì)算及校核。 主驅(qū)動(dòng)輪承受來(lái)自電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而帶動(dòng)整機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以通過(guò)受力分析，主驅(qū)動(dòng)輪輪豰與轉(zhuǎn)軸之間連接的鍵受力較大，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。轉(zhuǎn)軸與主驅(qū)動(dòng)輪輪豰用鍵連接部分直徑是40mm,輪豰長(zhǎng)度80mm。查表可知選取的鍵的主要參數(shù)是；鍵的材料初步選為45鋼，表面淬火處理，硬度達(dá)到45~55HRC. 3.10.2 鍵連接強(qiáng)度計(jì)算 平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，如果受力過(guò)大，選鍵不合理，鍵無(wú)法工作，會(huì)失效，工作面被壓潰，出現(xiàn)機(jī)械故障。。所以一般按照工作面的

58、擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 假定鍵所受到的載荷在鍵的工作平面均勻分布，利用鍵的許用擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，由公式 （3-13） 式中： 傳遞的轉(zhuǎn)矩； 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處h為鍵的高度，mm; 鍵的工作長(zhǎng)度，圓頭平鍵；這里得L是鍵的公稱長(zhǎng)度，mm; 軸的直徑，mm; 軸、鍵、輪轂三者之間最弱材料的許用擠壓應(yīng)力Mpa; 軸、鍵、輪轂三者之間最弱材料的許用壓力Mpa; 表3.5 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力、許用壓力 許用擠壓應(yīng)力 許用壓力

59、 連接工作方式 材料 載荷性質(zhì) 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 靜連接 鋼 120~150 100~120 60~90 鑄鐵 70~80 50~60 30~45 動(dòng)連接 鋼 50 40 30 鍵、輪轂、鍵槽三者材料都是鋼，其計(jì)算強(qiáng)度達(dá)到需要，該鍵的選取滿足條件要求。 3.11 履帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 履帶和驅(qū)動(dòng)輪導(dǎo)向輪嚙合傳動(dòng)，將軌道鋪設(shè)在鏈輪前方，式整機(jī)在履帶上移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參考鏈傳動(dòng)的鏈條的設(shè)計(jì)。履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括材料選擇，尺寸參數(shù)確定等內(nèi)容。 通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，履帶的形狀一般有三種，包括整體式，組合式，橡膠履帶。對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)

60、當(dāng)選取合適的類型。本裝置屬于小功率機(jī)械，所以可以選擇整體式和組合式兩種類型。 履帶支承長(zhǎng)度L、軌距B和履帶板寬b； 令 l—驅(qū)動(dòng)輪和引導(dǎo)輪之間輪距； h—表示高度；G—表示整機(jī)質(zhì)量（kg） 軌距B : ； ； 履帶板寬 取 b=100mm ； 履帶的張緊度h的值一般取為： =（0.03～0.06）200.7=6.02～12.42mm； 履帶節(jié)距： ； 3.12 本章小結(jié) 本章的任務(wù)是對(duì)小車主要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸計(jì)算，強(qiáng)度校核等。

61、一些關(guān)鍵零部件如主驅(qū)動(dòng)輪、主導(dǎo)向輪、前臂驅(qū)動(dòng)輪、前臂導(dǎo)向輪、履帶、轉(zhuǎn)軸，傳動(dòng)軸等進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核。查閱多種文獻(xiàn)資料及相關(guān)網(wǎng)站，對(duì)這些零部件有了更深入的認(rèn)識(shí)，了解這些部件的多種不同形式的結(jié)構(gòu)功能，使用條件。在設(shè)計(jì)校核過(guò)程中，鍵的校核和滾動(dòng)軸承壽命校核運(yùn)用到了大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和運(yùn)用。 鏈輪的設(shè)計(jì)和校核是一塊新內(nèi)容，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸確定中，綜合考慮了各方面因素，查閱大量文獻(xiàn)，同時(shí)參考市場(chǎng)成型產(chǎn)品參數(shù)，并有所創(chuàng)新，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪，導(dǎo)向輪進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 本章對(duì)一些如銷軸、前導(dǎo)向輪等沒(méi)有詳細(xì)論述，只做簡(jiǎn)單的說(shuō)明和選取。主要考慮到與其相似結(jié)構(gòu)在受力功能作用方面比之更重要，且

62、限于篇幅限制，所以只做簡(jiǎn)要概述。 第4章 關(guān)鍵零部件的三維建模 三維建模可以直觀的了解關(guān)鍵零部件的具體形狀和結(jié)構(gòu)，使讀者可以更好的讀懂本設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)對(duì)小型履帶式行走裝置進(jìn)行三維建模，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和現(xiàn)實(shí)可行性，檢驗(yàn)裝配精度是否合理，各部件運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生相互干涉作用。所以本章將對(duì)一些如軸、鏈輪、軸承、端蓋、履帶等進(jìn)行三維建模。 4.1 零部件的三維建模 采用Proe軟件進(jìn)行三維建模，熟練掌握該軟件，對(duì)一些零部件進(jìn)行建模操作。通過(guò)學(xué)習(xí)，直接將在CAD中畫的二維圖導(dǎo)入到Proe軟件中，然后進(jìn)行一系列操作，得到三維圖形。 圖4.1 前臂轉(zhuǎn)軸 上圖是前臂轉(zhuǎn)軸的三維模型簡(jiǎn)圖，將CAD中

63、零件圖導(dǎo)入到Proe軟件中，把圖中虛約束和過(guò)定位刪除，在其中心做一條幾何直線，然后在FRONT平面中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作；另一種方法是在草圖界面中繪制各個(gè)軸段的截面圓，然后進(jìn)行拉伸操作。在上圖中，并沒(méi)有進(jìn)行鍵槽操作和攻螺紋操作。在進(jìn)行鍵槽的創(chuàng)建，創(chuàng)建過(guò)軸中心線的基準(zhǔn)面，在上面建立鍵槽的平面草圖，進(jìn)行拉伸操作，會(huì)的到一個(gè)與軸有交集的實(shí)體，選中布爾運(yùn)算求差，得到所需要的鍵槽；在軸上攻螺紋會(huì)用到掃引軌跡（螺紋掃面），根據(jù)操作提示即可完成螺紋繪制。在軸段上挖鍵槽和攻螺紋操作也并不復(fù)雜，根據(jù)尺寸要求，在軸段上創(chuàng)建基準(zhǔn)面然后草繪鍵的二維主視圖其他軸類建模過(guò)程與該軸類似，只不過(guò)尺寸有所變動(dòng)，所以只在此列出前臂轉(zhuǎn)軸的

64、建模過(guò)程。 圖4.2 復(fù)位彈簧 圖4.3滾動(dòng)軸承 圖4.2和4.3分別是復(fù)位彈簧和滾動(dòng)軸承的三維模型，具體的建模過(guò)程如下：首先獲取彈簧的主要參數(shù)，點(diǎn)擊插入，選取螺旋掃描命令，選伸出項(xiàng)，菜單管理器，屬性，可變的，然后穿過(guò)軸，右手定則，完成。選擇FRONT命令為草繪平面，確定和缺省。單擊中心線繪制旋轉(zhuǎn)軸，單擊直線繪制掃描軌跡線段，標(biāo)注尺寸，確定退出操作面。接下來(lái)確定彈簧的螺距等其他操作，最終獲得彈簧三維視圖。 圖4.4 車盤支撐橫架 圖4.5前臂履帶 圖4.4和圖4.5是底盤桁架和主驅(qū)動(dòng)

65、履帶的三維模型車盤桁架建模過(guò)程比較簡(jiǎn)單，其上一些通孔是螺栓連接。履帶板的三維過(guò)程較為復(fù)雜，其基本結(jié)構(gòu)是由各個(gè)履帶板通過(guò)銷釘連接構(gòu)成。但限于時(shí)間倉(cāng)促，所以做成整體固定件模型，只是簡(jiǎn)單的表述其外觀模型。 圖4.6 套筒 圖4.7 主驅(qū)動(dòng)鏈輪 圖4.4和4.5是套筒和主驅(qū)動(dòng)輪的三維模型，本設(shè)計(jì)套筒共有4個(gè)，設(shè)計(jì)形狀相同，所以只給出一個(gè)套筒三維模型。主驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其齒形與齒輪齒形不同，鏈輪齒形一般是圓弧曲線，但其畫法與齒輪類似，限于時(shí)間倉(cāng)促和本人能力有限，此處畫出的鏈輪知識(shí)大體外觀形狀，并沒(méi)有嚴(yán)格按照鏈輪參數(shù)進(jìn)

66、行設(shè)計(jì)。由鏈輪三維模型可知，該鏈輪屬于腹板式鏈輪，減少零件材料，減輕整機(jī)質(zhì)量。符合資源節(jié)約，環(huán)境友好的設(shè)計(jì)思想。 圖4.8 軸承透蓋 上圖是軸承透蓋的三維模型，本設(shè)計(jì)多處用到軸承端蓋，包括透蓋和悶蓋，此處選取一處較復(fù)雜的透蓋進(jìn)行建模。 圖4.9小型履帶式行走裝置裝配模型 圖4.9是小型履帶式行走裝置三維裝配模型，并且進(jìn)行了三維運(yùn)動(dòng)仿真，沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，可以爬越180mm的臺(tái)階，所以本設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)可行性，結(jié)構(gòu)合理，整體質(zhì)量小于20kg，比預(yù)期設(shè)計(jì)質(zhì)量更輕，符合了課題要求在環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的情況下節(jié)約資源、綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)思想。此外，本模型是對(duì)CAD圖紙所繪制圖形進(jìn)行簡(jiǎn)單的建模，其中履帶進(jìn)行了簡(jiǎn)單繪制，沒(méi)有做出每鏈節(jié)具體結(jié)構(gòu)，限于本人水平有限，齒輪軸承螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件沒(méi)有具體繪制。 4.2 本章小結(jié) 這一章對(duì)小型履帶式行走裝置的關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模，通過(guò)三維模型形象的表達(dá)出本設(shè)計(jì)關(guān)鍵零部件的形狀和結(jié)構(gòu),最后對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配，獲得三維整機(jī)模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢測(cè)本設(shè)計(jì)沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，具有現(xiàn)實(shí)可