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微型 自主 扫雪 机器人 机械 结构设计 全套 cad 图纸

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本科生 毕业论文（设计）中期检查表 学生姓名 学院 班级 指导 教师 论文（设计）题目 微型全自主扫雪机器人机械结构设计 已 完 成 的 任 务 分零件的三维建模。 。 是 否 符合 任 务 书要 求进度 是 尚 须 完 成 的 任 务 能 否 按期 完 成 任务 能 存在的问题和解决办法 存在的问题： 解决方法： X 行 深度学习 。 指导老师请教。 填 表 人 日期 教研室主任签字： 教学副院长（主任）签字： 题 目： 微型全自主扫雪机器人机械结构设计 指导老师： 学生姓名： 所属院系： 专 业： 班 级： 完成日期： 2017 年 5 月 25 日新疆大学毕业论文（设计） 2 声 明 本人郑重声明，毕业设计论文 微型全自主扫雪机器人机械结构设计系本人在相关教师指导下独立完成 ， 没有抄袭、剽窃他人成果，由此造成的 一切后果 由本人负责。 签名： 时间： 年 月 日 新疆大学毕业论文（设计） 3 毕业论文（设计）任务书 班 级： 论文（设计）题目： 微型全自主扫雪机器人机械结构设计 专 题： 要求完成的内容： 1）查阅国外文献，了解国内外现有 微型自主扫雪机器人功能和结构； 2）针对设计要求，设计微型自主扫雪机器人的结构； 3）利用 模并进行运动仿真，工程图（ 张）、零件图（ 2张）； 4）设计计算说明书一份（ 右）； 发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日 实习实训单位： 地点： 论文页数： 页； 图纸张数： 指导教师 ： 教研室主任 ： 院 长 ： 新疆大学毕业论文（设计） 4 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 摘 要 在我国北方大多数地区，冬天下雪量多，下雪时间比较长，尤其是新疆乌鲁木齐，长时间堆积的积雪的清除也成为城市正常运行的基础。大多数地区开始使用除雪机械来代替原始的人工扫雪。与原始的人工扫雪 ,除雪剂除雪相比机械式除雪具有更高的效率，更低的耗能，因此得到了广泛的应用和迅速的发展。 但是已有的大型扫雪机械设备不适用于如校园，小区等较窄的道路，并且目前的除雪机械中自主扫雪功能的实现还未成熟，因此设计出可自主实现导航避障功能的自主扫雪机器人也是非常有意义的，此次设计基于国内外已有的扫雪设备和方法研究出了一种适 合较窄道路的可实时进行清扫工作的微型全自主扫雪机器人。 本论文主要是对其机械结构进行设计和创新，对其设计方案和工作原理进行分析，对其重要部分的零件进行计算和校核。最终用 件建立出扫雪机器人各个部件的三维模型，然后进行装配，行成运动仿真。在此次设计研究中，主要用到了以下几个关键技术：利用 件建立了扫雪机零件的三维实体模型，进行装配后实现运动仿真，导出二维装配图。利用 007 软件对导出的二维装配图进行修改达到国家标准图纸要求。 关键词 扫雪机； 维设计；设计计算 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 ue to is so a of is of to as so on a of of in is so be to is is on a to is to to G to d of of G d of of is 3D 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题的意义 . 2 内外的发展状况与趋向 . 2 内发展状况 . 2 外发展状况 . 3 展趋势 . 4 雪途径及其应用范围 . 5 2 路面积雪性质的研究 . 6 雪的物理性质 . 6 的密度 . 7 雪的湿度 . 8 雪的力学性能 . 8 雪的硬度 . 8 雪的摩擦系数 . 8 章小结 . 9 3 微型全自主扫雪机器人机械结构设计 . 10 体结构设计方案及其比较 . 10 型全自主扫雪机器人的工作原理 . 10 本结构 . 10 作原理 . 10 章小结 . 11 4 行走装置的设计计算和校核 . 12 计方案 . 12 构组成 . 12 作原理及工作过程 . 13 带行走装置动力方式的选择 . 13 带行走装置牵引力的计算 . 13 带行 走装置原动机的选择 . 15 带行走机构关键部件的设计及选择 . 17 带的设计及选择 . 17 动轮的设计及选择 . 18 动轴的设计及计算校核 . 19 向轮，拖带轮，支重轮的设计及选择 . 21 带行走机构螺栓的选择与 校核 . 23 章小结 . 23 5 推雪装置的设计计算和校核 . 24 雪板的设计 . 24 刃的设计 . 26 接装置的设计 . 26 6 扫雪装置的设计计算和校核 . 27 雪装置的设计 . 27 雪装置的计算与校核 . 28 毛的选择 . 30 7 三维建模 与装配及运动仿真 . 31 G 能介绍 . 31 G 模方法介绍 . 32 G 户 . 32 G 配建模 . 35 G 动仿真 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 40 1 1 2 绪论 选题的意义 我们知道一定的积雪对我们来说也有一定的好处，瑞雪兆丰年，对空气也有一定的净化作用，但对于城市化的地区，马路上的积雪则会造成相应问题。时常会造成一系列的麻烦和事故，比如说交通堵塞或者交通事故。因此要实时对道路上的积雪进行清理，然而目前我国的扫雪方式有人工扫雪和机械扫雪，人工扫雪既费时又费 力，机械扫雪一般都是大型的机械设备，对于一些较窄路段的积雪就不能够及时的清扫，大型机械扫雪设备不能够满足城市小道比如说校园，人行道，居民小区里的较窄的街道。因此这些小道中的雪全靠人力清扫，用人工扫雪板，用十字镐，用扫把来进行清扫，用的全是人海战术，这样的方式不仅浪费了大量的精力，清雪的效率也不高。这些积雪和被压实的雪常常会引发各种交通隐患，和造成交通堵塞，因此要设计出一种效率又高，结构又比较简单，又能实现自主扫雪，成本又低的扫雪机器人成为首要任务，所以在小伙伴和李长勇老师以及房爱青师哥的帮助下，设计出了微型 全自主扫雪机器人，用来解决较窄道路的积雪清理，不仅提高了扫雪效率，也为环卫工人带来了保障，降低了道路交通事故的产生。 国内外的发展状况与趋向 内发展状况 在中国，除雪机械的研制相对晚些， 80 年代以后才开始研制与开发，在改革开放的背景下，道路越修越好，车辆越来越多，交通也越来越复杂，接着就研发出了多种型号的除雪机械，用来清理道路上的积雪。清雪设备开始发展起来，与此同时，相关部门也开始关注国外的先进道路保养技术，并向国内发展，最近几年，陆续向国内引进了一些养护道路的机械设备，当中包含一些具有清理 积雪功能的设备，比如奔驰牌的 万能工程车，乌尼莫克道路综合等养护车。19 （ 1）产品级次低，功能单一 中国的扫雪方式多种多样，在北方冬天不是特别的冷，下的雪也不是很多，下雪的天数也不多，因此就不需要太大的专门的清雪车。许多厂家生产出来的设备并非专门用来清除积雪，而是有许多其他的功能，扫雪设备也通常是一个附属 3 品，在设计除雪设备时，可根据汽车的情况，设计出可扫雪的推板机构然后安装在汽车前面或者后面，此机构对汽车的结构状态没有太多的要求，因此对汽车的行走功能也没有太大的影响。然而这种方式并不是很 专业，所以一些厂家也开始致力于除雪设备的研究和开发，引进高端人才，在研究上做技术支持，在拥有好的制造设备和高的研究能力下研发出高效率的机械设备。在融雪技术层面：中国使用的方法是将具有融雪作用的一些化合物洒在道路上进行雪的融化，比如盐巴是最常用的，再就是氯化钠等类似物质。 10但是此方法会产生有害气体，对环境造成污染，所以响应国家的环保政策，要减少氯化钠的使用，那么所用的融雪物质就用进口的多点，国产的造价比较高。此方法在大片面积的路况使用比较合适，比如机场和跑道等。 （ 2） 产品简单，没有标准 每个商家对新产品的设 计都是基于最理想的使用条件，进行研发设计。这种设计研发的方式虽然一定程度上确保了专利形式的多样化，但在产品的实际使用中各方面明显不足，功能单一，在综合使用过程中，产品的用户体验不佳。同时，有些厂商为了增加自己产品销售量，缩短资金流转周期，在产品研发的过程中投机取巧，一味的去模仿国外的产品技术，没有自己的核心技术，在追求性价比的同时降低产品的质量。因为各种各样的原因，现在全球方面并没有一个统一的产品标准，比如“扫雪车”。 外发展状况 目前，国外的扫雪机械发展技术比较先进，其各种附属功能也更加丰富 。在芬兰、德国等欧洲北部的一些国家，扫雪机械的相关研发技术和制造过程已经相当成熟，走在了相关领域的最前列。最初的清雪机械是采用推土机或装载机，利用其推土板和装载斗江积雪集中在一起，后来发展成犁式除雪机。早在 1943年日本就开始把 V 型犁装在载重卡车上用于除雪，经过多年的发展，国外犁式除雪机已具有较高的技术水平。犁式除雪机出现以后，又 出 现了将用合成材料制成的纸箱圆周不同方向排列的棒装在滚筒上作为清雪专用器械，但只对没冻得积雪效果好，直接后来出现了连续快速的大型旋转式清雪机，清理积雪的工作才变得简单。切削， 调集，推移和抛投是旋转式除雪机的功能，旋转式除雪机有结构复杂，功能多的特点。旋转式扫雪机生产的主要国家是俄罗斯和日本，这两个国家的技术成熟。产品的性能一直居在世界领先水平。随着人们物质生活水平的提高，人们对路面的质量要求也有了更高的期待，尤其是冬天路面被冰雪覆盖，这就要求国家在公路护养方面对扫雪机械的投入大大增加。同时，国外较为成熟的技术研发的扫雪产品也几乎可以满足一机多用的使用性能，往往一种产品即可面对各 4 种路面状况，但是，国外的扫雪产品的价格也较为高昂。 展趋势 目前，扫雪产品的发展趋势已经 呈现了较为明显的不同发展方向： （ 1）体型较小、速度较高 在扫雪除冰的过程中，扫雪设备的体积尺寸和设备行走速度在一定程度上对交通状况也会产生很大的影响。设备本身体型太大，就会占用交通要道，影响车辆交通流。同样，如果扫雪速度太慢，也会造成交通拥堵，给冬天本来就不好的路况造成新的困难。因此，新型的扫雪设备应该要有较高的清雪速度和较小的设备体型，以适应拥堵的路面。因此，除雪除冰装置的小型化，高速度应为扫雪设备的发展目标。 19 （ 2）多功能、高效率 为了提高扫雪设备的使用效率，扫雪设备的功能应该向多功能 多用化方向发展。设备应该具有良好的移植互换性，表现为不仅可以在专用设备车型上安装使用，而且也可以植入其他常用工程车辆，具有更加良好的兼用性能。例如，在行 驶的卡车自身地盘上进行相关设备安装和改造，对装载机、挖掘机等工程车辆进行相关研究和设计，不仅可以满足车辆自身的使用性能，还可以兼顾拓宽设备的适用范围。用于未来扫雪除冰的机械装备应采取新的技术研发设计手段，进一步提高除雪除冰工程设备的科技含量。 （ 3）智能化 扫雪设备面临的工作路况和工作条件较为多样化，因此难免会产生路面擦 伤或者扫雪设备发生碰撞产生故障等 行为。为此，新型的扫雪工程设备应该提高对路面和工作环境的适应性，优化设计相关避让机构和设备智能化成为扫雪设备机电一体化的发展新方向。例如，增加设备相关的自控技术的投入，使设备能够自身自动避开碰撞，从而减少设备在使用过程中会出现的各种设备损坏状况。 （ 4）安全、舒适 扫雪机械装置的传动部分在设备运行过程中会对周围人员产生一定的危险，工作环境也比较恶劣，面对着寒冷和噪声的工作环境，因此扫雪设备应该降低操作人员的工作强度，提高除雪设备的使用舒适性和安全性，同时提高驾驶室工作条件，降低噪声，使操作人员在 一个舒适的环境中工作。 （ 5）实时化 扫雪机向实时化除雪的方向发展可以表示为：高速清雪机械可以随时融入道路，随时下的雪，可以随时清理，保证道路上不会出现积雪被往来车辆压成冰层的状况发生。这种要求就要做到不仅对道路上的交通流不会产生太大影响，而且 5 可以及时消除掉可能造成交通事故的冰雪。对实时出现的危险因素所产生的相关影响进行相关处理。 8 扫雪途径及其应用范围 根据积雪路况的特点，扫雪作业工作方式主要分为新雪扫雪，压实雪扫雪和薄冰处理三种路况处理方 7。目前，我国在对路面进行扫雪防滑处理时主要采取的途 径有：人工扫雪，机械扫雪，融雪剂扫雪，微波扫雪，综合式扫雪。这几种途径当中最主要的还是以机械扫雪为主，各种方式最主要的特色如下： (1) 人工扫雪：人工进行扫雪的方式比较适合于小雪天气以及收费站口和人行道及其他难重点路况，这些工作状况不适于机械扫雪的工况要求，在应用过程中往往困难很大且操作不便，而人工扫雪的工作方式较为灵活，各种复杂的工作状况都可通过人工清扫的方式进行完全的清理。但人工扫雪方式的工作效率较低，人工成本也较高，影响路面交通状况且对操作工人的人身安全也有较大的安全患。 (2) 融雪剂扫雪：融 雪剂式扫雪是通过喷洒或抛洒相关化学材料，利用其本身相关的使用性能，从而达到降低融点或融雪的目的。这种工作方式适用于刚入冬时，这时的气候特点是初冬天气气温偏高，雪量有点大，融雪剂扫雪的工作特点对融雪的效果还是比较明显的。这种扫雪方式也有一定的缺点：对环境和道路具有相当危害程度的污染，尤其是对道路两旁的绿化植的影响更为严重，其中，以钠盐的影响最为厉害，不仅对植物而且对路面的腐蚀性也比较大。就将来发展的角度看，融雪剂的利用及其规模将越来越有限，如此下去它的利用将会受到越来越严格的限定。 （ 3）机械扫雪：机械形式 的扫雪全天作业也不会出现太大的问题，可对大，中面积的雪进行机械清洗操作。机械式扫雪装置能比较彻底的清除路面积雪，由于有它有高效率，环保的特点能快速清理积雪不会影响交通行驶。 （ 4） 微波扫雪：目前各国研究的微波扫雪对加热路面的深度较浅，目前的微波加热材料只能对路面 1围的积雪有作用，仅吸收微波发出热量的 5%的部分，存在严重的能量损耗，由于加热，道路表面的温度升高，冰雪扫除的时间长，因此微波扫雪的效率会下降。不能快速的清理高速公路上的积雪与积冰，关于这方面，国内外有很大的发展。 （ 5）综合式扫雪： 一般化学形式的扫雪和机械形式的扫雪一体化的形式叫做混合式扫雪，有些螺旋叶片或推雪板等扫雪配置安装在扫雪设备的前部分，后端部分可以装在撒融雪剂等一些配置。根据实际情况，可以选择混合式扫雪机现有的两种功能里的一个来清除积雪，也可以两个功能一起使用。 13 6 2 路面积雪性质的研究 积雪的物理性质 为了研究，设计，开发更便捷的除雪装置开发高效率的和适合当地的扫雪方法和工作装置，首先要掌握积雪的基本物理性质。再进行设计和计算扫雪设备的扫雪阻力和扫雪功率等有关的问题。由于雪的物理性质会不断发生复杂的转变，比如随着气 候温度的转变，雪落下的时间的长短，再或者是因为空气湿度等的原因。路面积雪如此巨大的转变都是因为车辆的行驶，除雪作业及水份的加入等因素导致的。雪的主要物理性质直接影响除雪设备的除雪阻力和除雪功率等有关的问题的设计计算。 18雪的主要物理性质包括雪的密度，湿度，硬度，摩擦系数等。路面冰雪的分类如下表： 表 2面冰雪的分类 雪的形态 雪的形状 特征 雪粒直径大小 密度 Kg/雪 结晶状 新下的雪 100 尘状雪 粉尘状 车辆运行扬起的新降的雪片分化而成的小颗粒粉末状的雪粒 雪粒的直径 为 互没有毗连 270雪 粒状 不能飘扬起来温度交替变化后机械搅拌或化学处理的积雪 雪粒的直径 毗连的圆粒 280压的雪 板状 被一些行驶的车辆碾压过的雪 直径 互毗连的圆粒 450雪 板状 压实雪熔化又冻结在一起，度在 1下 直径为 有粒为 745以上 结冰 薄膜状 结冰了的水附着在路面或雪上行成膜状，厚度在 1下 雪 结晶冰，含有粒为 7 的密度 雪的密度直接影响了微型全自主扫雪机器人的设计和计算，由于雪是水的固体形态，所以是积雪在熔化后所得的水的质量与其熔化前积雪体积的比值就等于雪密度值，积雪的密度变化是很大的。有的学者认为在普通的平常环境下雪的密度在 间转变。但前苏联学者则认为雪的密度在 的密度由于雪的条件，沉积条件，测量方法等因素的不同有着很大的差异，但是我 国的降雪的雪质大体上与俄罗斯的降雪雪质一样相符，所以我们选择了前苏联的研究数据 22 国外学者通过各种综合的方法对雪进行研究，测量，分析，得到下列结论： （ 1）平常雪的密度会随着下来时间的增大而增大，每个月均匀要增多 10% （ 2）平常雪的密度会随着雪下来沉积厚度的增加而增大。对两个多月的积雪进行测量后得到 20度的积雪密度为 300100度 的积 雪 密 度 为 600 （ 3）新落雪的密度会随着下雪时间的长短不同而变化，测量结果见表 2 （ 4）新落雪的密度与当地温度的关系见表 2 表 2的密度 状态 密度 g/下雪 了 30 天的雪 于 30 天的雪 实的雪 雪混合 2降雪密度与温度的关系 降雪气温 新降雪密度 最小值 最大值 平均值 + 8 雪的湿度 积雪的湿度对雪的工性质有着较大的影响。积雪中的水分有雪体表面的水和薄膜水这两个方面。我们经常把雪的含水情况分为四个等级：水湿雪，湿雪，潮雪，干雪等。水湿雪：略微使劲就能够挤压出水的雪；湿雪：雪层中很明显的看出有液体水存在的雪；潮雪：雪层中不能分离水，但却可以凝结成块的雪；干雪：一点都不含水不能凝结成块的雪。水湿雪是这四个等级里最不稳定的，其它三个雪使用扫 雪装置就能够清除掉。 20最大持水量的各类积雪表 2示。 表 2种状态雪的持水能力 雪的状态 最大持水能力 刚降的雪（没有风） 降的雪（有风） 密实的雪 实的雪 积雪的力学性能 积雪的力学性能包括硬度，摩擦系数等，这些参数在扫雪机分析和设计过程中是很重要的。 雪的硬度 积雪的单位面积上所能承受的压力是指积雪的硬度，雪的硬度也称雪的抗压强度。一般情况下雪的硬度包含：松雪，稍 硬雪，坚雪，坚实雪等四个等级。松雪：指的是除了大拇指以外的其他四个手指伸直不费力就能够插入到这种雪层；稍硬 雪：指的是可轻易插入一个指头，其余手指不易插入；坚雪：需要用铅笔插入；坚固雪：小刀能够插入。抗压强度时设计扫雪车中非常重要的参数是雪硬度，随着环境的不同雪的抗压强度也不同。 雪的摩擦系数 积雪的摩擦系数包括雪的内摩擦系数，外摩擦系数和履带与冰雪路面的行驶阻力系数等。内部磨擦：指雪和雪内部与雪彼此摩擦。外磨擦：指雪和其他物体 9 之间的磨擦；平常雪的状况直接影响到积雪的表里磨擦。凡是路面上积雪以 后，它的利用特征大大下降。对于冬季养护道路的机械设备进行分析和计算时，必须知道行驶阻力系数一般是大于装置在冰雪路面运行的附着系数和外摩擦系数的，应为行驶阻力系数不仅产生摩擦，而且还发生挤压。 动摩擦系数 =压力 /所受的滑动摩擦力所以 :雪的动摩擦系数约为 本章小结 此章节查阅了一定的资料，对路面的性质和路面积雪的性质做了一定的研究和了解，为此后的设计计算打下了坚实的基础。 10 3 微型全自主扫雪机器人机械结构设计 总体结构设计方案及其比较 方案一：前置一块推雪板 将积雪推到路边，板后就连接着滚刷 将积雪 卷起 ，最后被抛到路边。这种扫雪 方式 使用 比较 广泛，但结构有点复杂， 不好做到自动控制，并且 成本比较高。 所以不适合微型扫雪机器人。 方案二： 直接 使用了鼓风机， 利用 鼓风机里吹出来的空气将积雪高速吹到路边。 但这种 吹雪式清雪 方式 ，生产率高， 可是 只适用于新降的雪， 对于碾压 的积雪不能使用，并且只能在机场，高速公路等宽阔的路段使用，不太适合 在小区等较窄的路段使用。 方案三： 车体前置分体式推雪板，分为三个可独立运动的推雪板，在遇到障碍时可单独运动，用三个可收缩的结构分别控制。后置扫雪刷子，可对漏雪和薄雪进行清理，动力都是由 电动机提供，整体结构相对简单，容易制造，成本比较小，使用标准件维护起来比较方便 ， 并且更适合在校园等的较窄街道使用， 所以我们选择了第三个方案。 微型全自主扫雪机器人的工作原理 本结构 此次设计的微型全自主扫雪机器人是由，原动机，传动装置，推雪装置，扫雪装置，行走装置组成，由于是微型全自主扫雪机器人，此次原动机采用电动机，因此需配有移动电源，推雪装置采用三个独立的推雪板，扫雪装置采用螺旋滚刷式，将雪旋到一边，行走装置实现扫雪机器人的运动，采用履带式，用电动机链接实现自动控制，操作装置用单片机实现 自动控制，完成自主扫雪。 作原理 由电动机提供的动力带动车体运动，工作部分依旧由电动机提供动力，在车体的移动下进行扫雪工作，各个部分都是独立工作，因此可不断进行扫雪工作，微型全自主扫雪机器人结构示意图如图： 11 图 3型全自主扫雪机器人结构示意图 本章小结 此章节内容较少，主要是提出了设计方案和方法，以及微型自主机器人的结构和工作原理，相当于一个总体结构的概述。 12 4 行走装置的设计计算和校核 设计方案 此次研究环境是雪地，经过综合考虑采用履带式行走机构，履带式行 走机构对路面的要求较低，履带的防护性能比轮胎好，履带式还可增加车体重量，相应的提高牵引力。 （ 1）控制方式及动力形式：采用控制器控制，采用直流伺服电机提供动力，移动电源提供电力。 （ 2）组成结构方式：履带行走机构的各个部分采用独立的结构，用螺栓进行连接，可实现拆卸和便于调整。 （ 3）传动方式的选择：采用直流电动机直接与减速器相连接，相应的增大扭矩满足设计要求，减速器输出轴直接与驱动轮相连接，以这样的方式实现动力传递。 （ 4）转向设计：采用双侧履带双控方式，一个电动机控制一侧履带实现自主转向功能。 构组成 履带式行走机构由机架、履带、电动机、减速器、控制器、驱动轮、导向轮、支重轮、托带轮和张紧装置等构成。 12履带式行走机构的自重与铲雪装置和扫雪装置的重量所产生的载荷，通过支重轮和与其相啮合的履带传到地面上。产生履带行走机构向前运动的动力。机构如图 4示： 图 4带行走机构结构组成 13 作原理及工作过程 工作原理：通过单片机的远程控制模块发送控制指令到履带式行走机构的接收控制器，再由电动机的驱动控制器控制电动机的运转，电动机的输出扭矩通过减速器放大后传输到驱动轮上， 驱动轮和履带链之间相互啮合，使得履带不断的向前卷动，支重轮连着履带连着地面，因此，履带和地面接触时产生一个向后的摩擦力，根据牛顿第三定律，力都是相互的，因此地面会给履带一个向前的力，大小与向后的摩擦力相等，方向相反，这个反方向的相互作用力就是使得履带向前运动的一个驱动力，当驱动力大于行驶阻力的时候，支重轮在履带内滚动，使得整个机构向前运动。利用左右两个控制器来控制左右两个电动机的工作状态，来实现履带式行走机构的直行，后退以及转向功能，最终更好的实现扫雪功能。 工作过程：扫雪机器人的前置推雪板在履带行走装置的 带动下进行推雪功能，电动机反转时，机器人向后行走，后置的扫雪刷子开始运动，将漏雪清扫干净，在机器人的前进和后退下将雪清理干净。推雪装置，扫雪装置，和蓄电池都可增加机器人的配重，蓄电池的位置调节对机器人的质心调节也有很大的影响。 履带行走装置动力方式的选择 带行走装置牵引力的计算 履带行走装置的牵引力必须要大于或等于各个阻力之和，在不考虑转弯阻力，和空气阻力的情况下，此次扫雪机器人的行走装置的阻力主要有滚动阻力，惯性阻力，坡道阻力，和除雪装置工作阻力。 13因此最大牵引力计算公式如下： （ 4 式中： （ 4 其中： f 为履带行走装置的滚动阻力系数 为最大设计坡度角度 G 取 100表 4 f 取 据城市道路坡度设计原则，城市道路坡度一般为 3%（高程差 /水平距离），即取 入计算得到履带行走装置的滚动阻力为 200N。 14 表 4驶阻力系数 雪的状态 雪的密度 阻力系数 f 轮胎 履带 松软的 软潮湿的 碾压的 压的 雪 （ 4 除雪工作时产生的阻力为工作阻力，主要由推雪板切削雪的切削阻力 与板面的摩擦阻力 雪板前的雪堆移动的阻力 刃与存雪地面之间的摩擦阻力 （ 4 55雪的外摩擦系数，即雪与其他物体之间的摩擦系数，为雪的内摩擦系数，即雪与雪内部之间的摩擦系数， 表 4 4 4为 入计算得等于 277N。 为扫雪刷子的阻力，在少量积雪的 情况下，其阻力为 20N。于是得到除雪装置的工作阻力 97N。 表 4的外摩擦系数 雪的密度（ g/ 雪的温度 (0C) 30 15 表 4的内摩擦系数 雪的密度（ g/ 雪的温度 (0C) 0附近 10度以下 4的切削阻力系数 的状态 雪的密度 雪的温度 4 22以下 松软的 实的 粒冰雪密实的 10 大粒冰雪密实的 （ 4 其中为回转质量的系数，为直线加速度，在扫雪工作过程中，直线加速度为0，因此可以不考虑惯性阻力。 为履带行走装置的坡道阻力 （ 4 取 入计算得到为 30N。 因此得到总的牵引力 T=200+297+30=527N。 带行走装置原动机的选择 履带行走装置总的牵引力为 527N，根据车辆行驶计算公式： P= （ 4 在设计中扫雪机器人的行走速度为 s，考虑到完全能够达到设计要求，需增加一个安全系数，安全系数取 入计算得到履带行走机构所需要的功率为 带式行走机构在工作时需要足够的动力，并且该机构为高载荷下工作，因此要考虑 过载保护这一方面，所以需要配备减速器，在减速器的传递下不仅提高了转矩还可以起到过载保护的功能。 11因此我选择了 57 直流无刷电 16 机 57刷直流电机 24V 210W 1000 转。性能表 4 4 表 4刷直流电机参数表 名称 参数 额定电压（ V） 24V 空载转数（ r/ 1000 输入电流（ A） 定转矩（ kg/ 定电流（ A） 13 级数 4 重量（ 号 57 4电机相线定义 霍尔信号线定义 U V W 黄 红 黑 黄 白 蓝 红 黑 由此根据以下公式： （ 4 （ 4 （ 4 （ 4 其中： 设计计算为 为电机转数 带入计算得 到驱动轮所需要的驱动力矩为 动轮的转速为303r/以需要配备传动比为 1:4 的减速器。因此我选择了 列的行星减速器，减速比为 1:4，可配套于 57 直流无刷电机。此配套减速器动作灵敏，具有较好的调速性能。 配备电池的选择：可配备 24有体积小，安装方便等优点，也能够满足此次设计要求，价格也合理。 17 履带行走机构关键部件的设计及选择 带的设计及选择 履带的工作环境是恶劣的冰雪天气，因此要考虑到履带的打滑，强度和刚度也必须符合此次设计要求，防滑性能要好，耐磨性能 要高，尽量减少金属材料的消耗，可以有效地减少履带在运动过程中的动载荷，并且具有良好的附着力，能输出足够的牵引力，本次设计方案机器人质量估计为 100带总条数为 2 条，履带与地面接触长度为 L ，轨距为 B ，履带板的宽度 b 必须合理的匹配，使得接地比压，附着性能符合设计的要求。另 示接地长度， 示履带的高度， G 表示机器整机质量。 14 履带与地面接触长度为 455距为 460带班的宽度为 5 经公式可得知： 履带的节距 会直接影响到履带的高度，为 了满足设计要求，履带应该尽量选择小的结局，驱动轮的齿数也应该尽量的少。 履带行走机构的节距与其总重量的关系 （ 4 带入计算得到节距为 0此计算得到单侧履带的长度为 L=1617计出来履带的宽度为 70带的适合长度为 1800带链的三维建模如下图： 图 4带链三维建模 履带的前角和后角：水平地面和驱动轮与第一个支重轮外圆相切的延长线相交所产生的夹角为履带的前角，此角度的大小直接影响了行走机构的通过性，角度越大，履 带行走机构的通过性越小，因此履带行走机构的前角不能过大也不能 18 太小，前角过大时运行时遇到障碍会是行走机构受到更大的阻力，前角过小时运行时遇到障碍会产生较大的震动。后角的作用是可通过对后角的调节来改变履带的接地长度，水平地面和导向轮与最后一个支重轮外圆相切的延长线相交所产生的夹角为履带的后角，后角越大接地长度越小。此次设计中履带的前角为 45度履带的后角为 50度。履带板的三维设计如下图： 图 4带板三维建模 履刺的设计可相应参考实验数据和设计经验，为了能够更好的在冰雪路况下工作，设计履刺时可相应增加履刺 的高度，从而增大履刺的剪切力，增加与地面之间的摩擦力，提高负载能力和抗变形能力。履刺的结构如下图： 图 4刺的结构 动轮的设计及选择 此设计的驱动轮将设置在行走机构的后方，这样可以减小驱动阶段的长度，防止动力不足时履带脱落，还能延长履带的使用寿命，提高履带行走机构的效率。驱动轮的高度直接影响履带的接地长度和其中心，所以驱动轮的高度不应该太高，此次设计驱动轮后置，驱动轮的齿数为 20。驱动轮直径为 50动轮的 19 三维建模如图： 图 4动轴的设计及计 算校核 考虑到驱动轮的宽度太宽，减速器的轴不足以长，提供不了较大的扭矩，因此设计了驱动轴，履带行走机构驱动轴的设计要求如下： （ 1）便于加工，轴体上的部件容易拆装； （ 2）轴与轴上的组件能够正确的配合在一起； （ 3）零件的设计应尽量提高可靠性； （ 4）为了避免驱动轴被应力破坏，应合理的设计。 图 4动轮传动轴 1段：为输入轴度轴端，利用联轴器将其与减速器的输出轴相连接，按照强度计算出直径为 10度为 电动机的动力传输到驱动轮上，与其 20 配合的是联轴器。 2段：此段用于安装密封 圈，直径为 12度为 3 3段：此段为驱动轮安装段，按照计算其直径为 10度为 35电动机的动力传输到驱动轮上，与其相匹配的驱动轮配合时因选用键连接，选择键的型号为键 3正常连接。 4段：此段采用螺纹连接来固定驱动轮，螺母右侧安装端盖加强固定。 对驱动轴进行力学分析，如图 4 图 4动轴力学性能分析图 M（ x） 矩如图 4 图 4动轴弯矩图 由此弯矩图可以得知 的最大弯矩在 B 点，所以根据已知的 为 12以这段轴的抗弯系数： （ 4 最大的弯曲应力为 （ 4 经计算此段符合设计要求。 ：因为这段会受到扭矩根据式 可知， （ 4 （ 4 （ 4 21 此段轴的扭矩如图 4 图 4动轴扭矩图 由此可以看出，这段轴所受的扭矩是均匀的，所以 扭矩为 M,这段轴的直径为 10式 得这段轴的抗扭截面系数为 （ 4 可计算出此轴的最大切应力 （ 4 根据计算结果，可知这段轴强度和刚度符合设计的要求。 向轮，拖带轮，支重轮的设计及选择 导向轮，拖带轮和支重轮都选用深沟球轴承来代替，导向轮的作用是引导履