毕业设计（论文）-高速过障超高压巡线除冰机器人设计（全套图纸）.pdf

XX 大学 毕业设计(论文) 超高压巡线除冰机器人 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 诚诚 信信 承承 诺诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文） 超高压巡线除冰机 器人均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和 材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名） ：承诺人（签名） ： 年年 月月 日日 I 摘 要 机械式输电线除冰技术是利用传统的工具通过机构运动方式达到输电线除冰的目 的。由于机械式输电线除冰技术除冰效率高，操作简单，因此受到很多国家的重视，在 国内也引起了极高的重视，尤其是各大院校和科研院所。本文从输电线覆冰原理及其危 害综合说明了输电线覆冰对人们生产生活的影响，提出了一种新的输电线除冰解决方 案。研发一款新式输电线除冰机。 本输电线除冰机主要由 4 部分组成， 行走部分和除冰部分。 行走部分主要通过齿轮 传动机构实现，除冰部分通过对滚刀具实现除冰。 关键词：输电线除冰 机械式 覆冰 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 Abstract Mechanical transmission line de- icing technology is used tools by body movements in traditional means to achieve the purpose of transmission line icing. The mechanical transmission line de- icing deicing technology, high efficiency, easy operation. Therefore, the attention by many countries, high in the country also attracted attention, especially in the major universities and research institutes. The ice on the transmission line theory and the consolidated statement of the transmission line against ice impact on peoples production and life, to provide new transmission line de- icing solutions. Developing a new transmission line de- icing machine. The transmission line de- icing machine mainly consists of 4 parts, Chassis parts and de- icing. Walking through the gear transmission part, achieved by de- icing rolling tool to achieve some de- icing. Key words: Transmission line de- icing; Mechanical; Ice on the line III 目 录 摘 要 . I Abstract. II 目 录 . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究意义 . 1 1.2 除冰机器人研究现状 . 1 1.3 除冰设备发展趋势 . 3 1.4 课题要求 . 4 第 2 章 超高压巡线除冰机器人总体方案设计 . 6 2.1 工作原理 . 6 2.2 驱动方式选择 . 6 2.3 传动方式选择 . 7 2.4 行走方式选择 . 7 2.5 除冰方式选择 . 7 第 3 章 绕线压紧传动机构设计 . 9 3.1 电机的选择 . 9 3.2 蜗杆传动设计计算 . 9 3.2.1 选择蜗杆、蜗轮材料 . 9 3.2.2 确定蜗杆头数 Z1及蜗轮齿数 Z2. 10 3.2.3 确定蜗杆蜗轮中心距 a . 10 3.2.4 蜗杆传动几何参数设计 . 11 3.2.5 环面蜗轮蜗杆校核计算 . 14 3.3 轴的设计 . 15 3.3.1 轴的材料选择 . 15 3.3.2 轴的结构设计 . 16 3.3.3 轴承校核 . 18 第 4 章 机器人行走跨越障碍机构设计 . 20 第 5 章 其它机构设计 . 24 4.1 铣刀机构 . 24 4.2 机架机构 . 24 第 6 章 数控硬件电路设计 . 26 6.1 硬件电路设计 . 27 6.1.1 数控系统的硬件结构 . 27 6.1.2 数控系统硬件电路的功能 . 27 6.2 关于各线路元件之间线路连接 . 28 6.3 关于电路原理图的一些说明 . 29 总结与展望 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究意义 输电线路覆冰会经常造成线路跳闸、断线、倒杆、通信中断等线路事故，严重影响 了电网系统的安全运行，对国家经济造成了巨大损失。因此，为保证电网安全运行，减 少工人因线路除冰而带来的伤亡，设计一除冰机器人来解决这一问题就至关重要了。研 制一种简单，实用的输电线除冰机器人。它是一种用于，在山地，荒野，河流，湖泊等 地理环境的输电线路上清冰。它是适用于各种地貌，不会因为环境的改变而停止工作。 它的前端是一滚刀和压轮，先利用铣刀在覆冰中间铣出一弧形面，而其后的压轮对覆冰 进行挤压达到除冰的目的。本论文主要完成了输电线除冰机的原理设计，方案选择，机 构的实现，各部分零件的设计与整机的装配，并在此基础上采用三维制图软件建立实体 模型并进行虚拟装配和运动仿真。 本课题研究的目的在于根据输电线系统的除冰需要， 研制一种简单， 实用的输电线 除冰机。轮式输电线除冰机是一种用于，在山地，荒野，河流，湖泊等地理环境，不适 合人工除冰的输电线路上清冰。 它是适用于各种地貌， 不会因为环境的改变而停止工作。 它的前端是一对用于除冰的对滚刀具，用于清除在电线结的冰。刀具的对滚通过齿轮传 动机构完成。轮式除冰机主体部分是行走机构。该设计采用压轮推进方式, 机体上的两 个固定压轮骑挂在输电线上保持机体的平衡, 机体的重心位于输电线下方, 这样机体不 会在行进过程中出现倒转。两个动压轮分别与两个固定压轮配合, 当推动动压轮时, 动 压轮向上抬升, 与固定压轮配合从上下夹紧输电线, 依靠压轮与输电线的摩擦获得前进 的动力。该设计的电力驱动分为两个分支: 一部分直接传至除冰机构, 供刀具除冰使用; 另一部分传至动压轮，实现小车的行走。 1.2 除冰机器人研究现状 山东大学针对110KV的线路特点，于2005年成功研制了一种巡线机器人。该机器人 的主体结构主要由垂直伸缩臂，柔性水平臂，驱动制动装置，手掌开合装置，电源箱和 控制箱6部分组成，能够方便的跨越防震锤，悬垂线夹这些较简单的障碍物，但机身重 量很重。如图： 中国科学院沈阳自动化所于2006年成功研制了能在500KV的输电线路上实现巡检 作业的机器人样机，该机器人也采用双臂悬挂机构，为了实现自动跨越障碍，该机器人 还配备了摄像机来识别障碍物，定位机械手的位置。通过手臂的交替移动，能够跨越防 震锤，悬垂线夹等这类比较简单的障碍物，如图 山东电力研究院与加拿大魁北克水电研究院进行合作，对Linerover小车在能源动 力。远程通讯与控制、防水性能等方面做出了技术改进完善了机构的性能，但不具备越 障能力，如图 湖南大学在国家科技支撑计划的资助下，联合国防科技大学、武汉大学、和山东大 学等多家单位研制开发了单体除冰机器人、可跨越障碍除冰的两臂除冰机器人和三臂除 冰机器人。分别如图 3 1988年东京电力公司研制了光纤复合架空地线（OPGW）巡检移动机器人。该机器 人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线爬行，能跨越地线上的防震锤、螺旋减震器等障 碍物。遇到线塔时机器人采用仿人攀爬激励，县展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线 塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人家齿轮 抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。机器人运动控制有粗 略和精准定位两种模式，粗略控制是吧线塔和地线的资料数据预先的编制好程序输入机 器人， 剧此控制机器人的行走和越障； 精确定位控制则根绝传感器反馈的信息进行控制。 机器人携带的损伤探测但愿采用涡流分析的方法探测光纤复合架空地线（OPGW）铠装 层的损伤情况，并将损伤情况记录到磁带上。 美国TRC公司1989年研制了一台悬臂自治巡线机器人原型。 他能沿架空线长距离爬 行、执行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，对探测到的线路故障数 据预处理后传送给地面人员。当机器人遇到杆塔时，利用手臂采用仿人攀援的方法从侧 面越过杆塔，但结构庞大，不方便跨线和下限操作。 1990年日本法政大学的Hideo Nakamura等人开发了电器列车馈电电缆巡检机器人。 机器人采用多关节小车结构和“头部决策，尾部跟随”的放生控制体系，以10cm/秒的 速度沿电缆平稳爬行，并跨越分支线，绝缘子等障碍物。 泰国的S.Peungsungwal等人2001年设计了一台能够自给电的巡线机器人样机，采用 了电流互感器从电力线路上获取感应电流作为机器人的工作电源，并初步实现了根据摄 像机图像判断电力线上的绝缘子等障碍物的视觉导航功能，不过该试验型巡线机器人仅 能在两线塔间电力线上爬行，没有比跨障能力，遇到障碍物便自动停止前进。它能在地 面位置，将获取的数据和图片资料储存在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进 一步确定损伤情况。 1.3 除冰设备发展趋势 目前国内和国外的除冰技术可归纳有3 0 余种，总体可分为： 1.大电流融冰法:主要包括过电流融冰法、短路电流融冰法和直流电流融冰法。此 类方法也是目前工程中普遍采用的方案,在实际运用过程中积累了许多宝贵经验。 2.机械除冰法:滑轮刮铲法是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法,其过程是 由地面工作人员拉动可以在线路上行走的滑轮达到铲除覆冰的目的。但该方法并不适用 于我国西部高海拔、地形复杂地区。 3.被动法:被动法就是依靠风、地球引力、随机散射和温度变化等脱冰的被动方法 无需附加能量。现已经在输电线路上得到应用的有平衡重量、线夹、除冰环、阻雪环、 憎水憎冰涂料、风力锤等来减少输电线路的覆冰,安装防震锤等来减少导线的舞动。被 动法有费用低的优点,但不能阻止覆冰的形成,而且仅适用于特定的地区。 4.其他方法:除上述几种方法外,还有利用电磁脉冲、气动脉冲、电晕放电、电子冻 结、碰撞前颗粒加热和冻结等防冰除冰方法,但很多还处于理想或试验阶段。而最近国 内外比较热门的机械除冰法主要通过除冰机器人来完成，目前国内外设计的除冰机器人 通常包括3部分：1.爬行机构 2.越障机构 3.除冰机构。并且向着小型化，实用化， 可越障，智能化的方向发展。 1.4 课题要求 原始数据及技术要求： 1. 系统功能 巡线出兵机器人具有在架空地线上自动过防震锤，压接管等线路障碍 可携带可见光摄像机 除冰方式：铣削+滚压 适合严寒地带除冰 巡检机器人和地面控制器之间采用无线通讯方式，可接受，储存 及显示机器人发挥 的数据及图像资料 巡检机器人既能由地面遥控，又可自动巡线。 对巡检及其线路实现了计算机管理 并配有后台软件 2. 机构设计要求 不同型号的线路的适应性 不能造成线路损伤行走与越障的能力 质量轻体积小 总机不大于 20KG 环境适应性（电磁屏蔽） 5 动力：油点供给 控制方案 采用远程遥控与局部自主相结合的控制系统设计 工作要求 机器人的总体设计方案，绘制总装图 机器人行走，自动跨障机构设计，行走电机及油电电源系统的选型计算 压紧机构自动张紧，松开 与安全控制设计 传动件的强度计算或验算，整机质量控制 传动系统动态分析计算 机器人的运行模拟仿真 应用 PROE CAD 进行设计 第 2 章 超高压巡线除冰机器人总体方案设计 2.1 工作原理 本设计采用四轮式结构布局，具有小型轻质，除冰效率高，安装方便，适应环境能 力强的特点。工作原理如图21所示，输电线除冰机工作时由行走电机推动机器行走， 通过大齿轮带动轴1转动，现输电线除冰机在电线上行走。工作电机通过轮转动，驱动 工作刀具做回转运动。 能够实现轮式输电线除冰机功能的技术原理很多，但各有利有弊，具体分析如下： 2.2 驱动方式选择 1）小型柴油机驱动 柴油机驱动的优点是马力大，适应环境能力强。但重量和所 占空间过大，驱动时会产生较大振动，容易引起输电线舞动，不适用于在输电上行走使 用，另外对环境会产生污染，不环保。 2）电动机驱动 型号较多，选择范围广。在质量和振动方面有着不可替代的优势。 对环境无污染，可以满足环护要求。 图2-2输电线除冰组成框图及运动传递路线 行 走 电 机 减 速 机 构 行 走 轮 除 冰 电 机 减 速 机 构 除 冰 刀 具 7 2.3 传动方式选择 1）带传动 抗拉强度较大，耐湿性好，廉价，可以传送较大功率。但所需空间比 较大，不适用于受空间限制要求中心距小以及急速反向传动的场合。 2）链传动 链传动的制造与安装精度要求较低，链轮齿受力情况较好，承载能力 较大；有一定的缓冲与减震性能；中心距可大而结构轻便。可以适应恶劣的工作环境。 但是同样， 所需空间较大， 不适用于受空间限制要求中心距小以及急速反向传动的场合。 3）齿轮传动 瞬时传动比恒定；传动比范围大，可用于减速或增速；速度和传递 功率的范围大，可用于高速（v40m/s）、中速和低速（v25m/s）的传动；功率可从小 于1W到105kW；传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上；结构紧 凑，适用于近距离传动。 4）蜗杆传动 蜗杆传动用于交错轴间传递运动及动力。传动比大，工作较平稳， 噪声低，结构紧凑，可以自锁；效率低，易发热，蜗轮制造需要贵重的减摩性有色金属。 链传动和带传动虽然适应环境的能力比较强， 但是所需传动空间比较大， 不适用于 在轮式输电线除冰车上使用。蜗杆传动效率低，易发热，环境适应性差。因此，综合考 虑各方面因素，减速方式选择通过齿轮传动机构来完成。 2.4 行走方式选择 1）履带式 履带式行走机构广泛用于工程机械、拖拉机等野外作业车辆。行走条 件相对恶劣，该行走机构具有足够的强度和刚度；具有良好的行进及转向功能。但是履 带式行走机构特别笨重，不适于作为输电线除冰车的行走机构。 2）轮式 轮式行走机构广泛于汽车、火车、航空等各种交通工具，应用范围极广， 可在大多数路况行走，适应能力较强。质量较轻，便于携带、装配、更换。 3）液压缸式 在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑。液 压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置。液压装置工作比较平稳，由于重 量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压元件实 险了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。但是工作性能易受温度变化的 影响， 因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。 由于流体流动的阻力损失和泄漏较大， 所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 由于履带式系统过于笨重，因此不适合在输电线上行走；液压系统过于复杂，也不 适合用于输电线除冰机上。因此输电线除冰机的行走机构采用轮式行走机构。为了使轮 式行走机构在输电线上行走更加平稳，在行走轮中部开通一个直径为30mm的凹槽。 2.5 除冰方式选择 1)加热除冰 通过电阻加热或喷火加热，使覆冰融化，达到清除覆冰的目的。加热 除冰方法对环境没有任何污染，清除效率高。但是这个方法耗能过多，不节能。 2)化学法除冰 依靠撒布化学药剂固体颗粒或液体使冰雪融化为化学融冰, 其特 点是除净率高, 但这种方法成本高, 且容易对环境造成污染, 尤其是钠盐融雪剂对钢 筋混凝土结构有破坏作用, 易造成混凝土路面的表层脱落, 使电线质量受损而缩短其 使用寿命, 对植被的损害也较严重。 3）振动除冰 振动式除冰法, 通过马达带动一具有一定重量的除冰锤上下往复的 敲击动作,当敲击到覆冰上时，覆冰由于受到震动，与输电线脱离。达到除冰的目的。 此方法除冰效果明显，效率较高，能耗少。但是由于震动会引起电线的舞动，有违除冰 的本意。 4）对滚铣削除冰 对滚铣削式除冰工作装置安装在输电线除冰机前端, 通过滚压 轮上的组合刀片, 依靠较高转速把输电线上的覆冰铣除。此方法工作效率高，清除效果 好。 加热方法耗能过多， 输电线除冰机不能携带过重的能源储存装置， 因此加热除冰法 不适用。化学法对环境污染大，对输电线腐蚀比较大，不宜采用。振动除冰法容易使输 电线产生舞动，违背了清除覆冰的初衷。综合来看，采用对滚铣削除冰法是最佳选择。 5.行走轮同步行走方法与减震方法 行走轮是推动输电线除冰机行走的主要零件,上端行走轮倒挂在电线上,主要目的 是给除冰机提供一个拉力,使除冰机能挂在电线上。下端行走轮通过齿轮与电动机相连， 负责推进除冰机行进。为了使输电线除冰机推进更加平稳，将下端两行走轮通过链传动 连接在一起，实现下端两行走轮同步。具体结构如图2-3所示。此外，通过对滚刀具除 冰机构的电线上可能依然会有小块的覆冰。因此，行走轮还应该具有一定的越障能力。 不会让小块覆冰成为行走轮推进除冰机行走的障碍。我们为此设计了一个减震机构。通 过减震机构，行走轮可以轻易地越过小块覆冰。具体结构如图2-4。 综合考虑：本设计采用电机驱动，齿轮传动机构，轮式行走方式，对滚洗刀除冰方 式。 9 第 3 章 绕线压紧传动机构设计 3.1 电机的选择 由于步进电机具有控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化的优点。根据 设计要求及实际情况我们选择步进电机，选择参数为:额定电压、输出扭矩和电机转速 等。拟采用的 57 系列两相混和式步进电机使用 24V 电压，本系统提供的 24V 直流电源 可以满足步进电机的工作需要。输出扭矩与传送带和支撑板的摩擦力有关，主要由板料 的重量和传送带的摩擦系数来确定，此外，还与传送带与滚轮之间的滑动摩擦力的作用 有关，但由于滑动摩擦系数很小，虽然传送带与滚轮之间的张紧力很大，因此而带来的 滑动摩擦力却很小，故忽略不计。计算过程如下: 则由曲线可得:当 n=30r/min 时，f=100HZ。 根据计算结果我们选择电机型号为：57BYJ250C 3.2 蜗杆传动设计计算 3.2.1 选择蜗杆、蜗轮材料 1.选择蜗杆传动的类型 采用准平行环面蜗杆传动. 2.选择蜗杆、蜗轮材料，确定许用应力 考虑蜗杆传动中，传递的功率不大，速度只是中等，根据机械零件课程设计 表 52，蜗杆选用 40Cr，因希望效率高些，耐磨性好故蜗杆螺旋齿面要求：调质 HB265:285.蜗轮选用铸锡磷青铜 ZQSn10-1，金属模铸造，为了节约贵重有色金属，仅 齿圈用锡磷青铜制造，轮芯用灰铸铁 HT100 制造 由机械零件课程设计表 53 查得蜗轮材料的许用接触应力 H =190 2 /N mm 由机械零件课程设计表 55 查得蜗轮材料的许用弯 曲应力 F =44 2 /N mm 3.2.2 确定蜗杆头数 Z1及蜗轮齿数 Z2 由机械零件课程设计表 56， 选取 Z11 则 Z2Z1i15050 故取 Z250 3.2.3 确定蜗杆蜗轮中心距 a 1.确定蜗杆的计算功率确定蜗杆的计算功率 c1 P 1A C1 PK P K = FMP （K ） 式中 KA使用场合系数，每天工作一小时,轻度震动 由机械工程手册查得：KA0.7； KF制造精度系数，取 7 级精度， 查得：KF0.9； KMP材料配对系数，齿面滑动速度 10 由机械工程手册查得：KMP0.85。 代入数据得 1A C1 PK P K = FMP （K ） 1.47 0.70 1.35 0.90 0.85 = KW 11 以等于或略大于蜗杆计算功率 1C P 所对应的中心距作为合理的选取值根据机械 工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2522a，选取蜗杆的中心距：a100mm. a 100mm 由于准平行二次包络环面蜗杆为新型得蜗杆,它的优点是:接触面大,导程角 , 它的值稳定且一定,则润滑好,接. 触面大应直接根据“原始型”传动蜗杆设计参数。 3.2.4 蜗杆传动几何参数设计 准平行二次包络环面蜗杆的几何参数和尺寸计算表 1.中心距：由机械工程手册/传动设计卷 （第二版） 标准选取 a=100mm 2.齿数比：u 2 1 z z 50 3.蜗轮齿数：由机械工程手册/传动设计卷 （第二版） 选取 2 50z = 4.蜗杆头数：由机械工程手册/传动设计卷 （第二版） 选取 1 1z = 5.蜗杆齿顶圆直径： 机械工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2.516 选取 1ad=45mm 6.蜗轮轮缘宽度： 机械工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2.516 选取 b2=28mm 7.蜗轮齿距角： 2 360 7.2 z = o 8.蜗杆包容蜗轮齿数：K 2 10 z =5 9.蜗轮齿宽包角之半： w 0.5（K0.45）=16.38 10.蜗杆齿宽： 机械工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2.516 选取 1 b =53mm 11.蜗杆螺纹部分长度： 机械工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2.5 16，选取L=59mm 12.蜗杆齿顶圆弧半径： 机械工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2.5 16，选取 R 1a =82mm 13.成形圆半径： 机械工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2.516 选取 b d =65mm 14.蜗杆齿顶圆最大直径： 机械工程手册/传动设计卷 （第二版）表 2.516，选取 1e d =53.8mm 15.蜗轮端面模数：mt * 2 1 2 2 a a hz da = 155 3.18 48.6 =mm 16.径向间隙：0.16 t Cm=0.5104mm 17.齿顶高：ha=0.75 mt=2.233mm 18.齿根高：h f = ha+ C=2.7434mm 19.全齿高：h= ha+ h f =4.9764mm 20.蜗杆分度圆直径： 1 d（0.624 2.02 i ）a 875. 0 40.534mm 21.蜗轮分度圆直径： 2 d2a 1 d159.466mm 22.蜗轮齿根圆直径：d 2f 2 d2 h f =153.9792mm 23.蜗杆齿根圆直径：d 1f 1 d2 h f =35.05， 判断：因为 0.875 1 2 f a d=28.12mm,满足要求 24.蜗轮喉圆直径：d 2a 2 d2 ha=163.932mm 25.蜗轮齿根圆弧半径： 1 1 0.5 ff Rad=82.475mm 26.蜗杆螺纹包角之半： 1 0.5 arctan 0.5 e L ad = = 29.5 arctan 73.1 =21.977 o 27.蜗轮喉母圆半径： 2g = cos cos5 . 0 2a da = 1000 5 163 93 0.9273 0.9273 . 13 =25.88mm 28.蜗轮外缘直径：由作图可得 2e d=164.95mm 29.蜗杆分度圆导程角： m 2 1 arctan() d ud = 2 1 arctan()4.50 d ud = 30.蜗杆平均导程角： w 2 1 arctan()4.09 d K ud = 31.分度圆压力角： 2 sin() b d arc d =24o 32.蜗杆外径处肩带宽度：3.189 t m = 取 3mm 33.蜗杆螺纹两端连接处直径： 11f DTD=35mm 34.蜗轮分度圆齿厚： 2 0.55SP= 2 2 3.14 159.465 10.014 50 d P z = 数据带入公式得 2 S =5.508mm 35.齿侧隙：查表 4-2-6 得0.208 n j = 36.蜗杆分度圆齿厚： 122 SPSj=4.2984 37.蜗杆分度圆法向齿厚： 11cosnm SSr=4.285 38.蜗轮分度圆法向齿厚： 22cosnm SSr=5.49 39.蜗轮齿冠圆弧半径： 2 0.55 af Rd=19.2775 40.蜗杆测量齿顶高： 1 12 2 0.51 cosarcsin aa S hhd d = =2.2035 41.蜗杆测量齿顶高： 2 22 2 0.51 cosarcsin aa S hhd d = =2。185 3.2.5 环面蜗轮蜗杆校核计算 环面蜗杆传动承载能力主要受蜗杆齿面胶合和蜗轮齿根剪切强度的限制。因而若 许用传动功率确定中心距，则然后校核蜗轮齿根剪切强度。 由于轴承变形增加了蜗杆轴向位移，使蜗轮承受的载荷集中在 23 个齿上。 而且，由于蜗轮轮齿的变形，造成卸载，引起载荷沿齿高方向分布不均，使合力作 用点向齿根方向偏移。 因而，蜗轮断齿主要由于齿根剪切强度不足造成的 校核： c fp F z A k = 其中 c F 作用于蜗轮齿面上的及摩擦力影响的载荷; z 蜗轮包容齿数 f A 蜗杆与蜗轮啮合齿间载荷分配系数; p k 蜗轮齿根受剪面积; 公式中各参数的计算 1. c F 的计算 c F = 2 22tan( ) m FFr+ 2 F 作用在蜗轮轮齿上的圆周力， 2 2 2T d m r 蜗杆喉部螺旋升角 ，4.5 p 当量齿厚， 滑动速度 1 1 19100cos s m d n v r = = 40.5 940 191004.498cos o =2.01m/s 根据滑动速度 s v 查机械设计手册 339 得2 58 = o 将数据带入公式得 32 6.18 101(4.52.58 ) c Ftan=+ = 3 6.2275 10N 15 2.计算得 z = 5 3.蜗轮齿根受剪面积 2 2 cos ff m b AS r = 2f S 蜗轮齿根圆齿厚； 2202 cos2tan() 2 x fmf P Srha=+ 由上可知 x P 蜗轮端面周节；10.01 x P = 0 a 蜗轮理论半包角； 24o 2 蜗轮分度圆齿厚所对中心角。 7.2 3.6 22 = 数据带入公式得 2 10.01cos4.5 2 2.7434tan(243.6 ) 2 f S=+ =7.03mm 由上可得 2 28 7.03197.45 cos4.5 f Amm= 3 6.2275 10 12.616 5 0.5 197.45 MPa = 对于锡青铜齿圈 取0.5 b 查手册取铸锡磷青铜，砂模铸造，抗拉强度 b =225MPa 0.5112.5bMPa =， 则 3.3 轴的设计 3.3.1 轴的材料选择 根据轴的常用材料及其主要力学性能， 结合此处的实际的情况， 所受载荷小而且转 速低所以三个轴均选择用45钢（调质）。轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多 数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。 3.3.2 轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素： 轴在机器中的安装位置以及形式； 轴上零件的类型， 尺寸，数量以及和轴联接的方法；载荷的性质，大小，方向以及分布情况；轴的加工工 艺等。由于影响轴的结构因素较多，而且结构形式又要随着具体情况的不同而不同，所 以轴没有标准的结构形式。设计时必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种 具体条件，轴的结构都应该满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零 件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。 轴肩 分为定位轴肩和非定位轴肩两类， 利用轴肩定位是最方便可靠的方法， 但采 用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外，轴 肩过多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。 套筒定位 结构简单，定位可靠，轴上不需开槽钻孔和切制螺纹，因而不影响轴 的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套 筒定位， 以免增大套筒的质量及材料用量。 因套筒与轴的配合较松， 如轴的转速较高时， 也不宜采用套筒定位。 圆螺母 定位可承受大的轴向力， 但轴上螺纹处有较大的应力集中， 会降低轴的疲 劳强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫片两种型式。当轴 上两零件间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。 轴承端盖 用螺钉或榫槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。 在一般情 况下，整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。 轴上零件的周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。 常用的周向定位零 件有键花键、销紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密 封圈等）部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。 为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合 轴段前应采用较小的直径。为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端 应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。 17 确定各轴段长度时， 应尽可能使结构紧凑， 同时还要保证零件所需的装配或调整空 间。 轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙 来确定的。为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般 应比轮毂长度短23mm。 结合以上设计准则设计各个轴的结构尺寸如下： （1） 轴的设计 1） 求作用在轴上齿轮1的力 因为 mm30.d1= mm7200T2=N ，故 NT48030/72002d/2F 22t2 = (3-22) NF 7 . 174tanF t2r2 = （ = 20 ） (3-23) 由此可见，轴所承受的力很小。 NP10859550/602472009550/nT 111 = (3-24) 2） 初步确定轴的最小直径 根据机械设计手册查得，取 0 A =112,于是得 mm7 . 8 6064 . 0 1030 112 n d 3 3 3 2 2 0min = = P A (3-25) 考虑到需要开键槽以及加工工艺，故取 mm10dmin= 。显然，轴的最小直径是安装 车轮处，即 mm10dd 21min = 。 3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足车轮的轴向定位要求，车轮外用M10的螺母定位；内用套筒定位。 初步选择滚动轴承。 因轴承同时承受的径向和轴向力均很小， 故选用深沟球轴承。 参照工作要求并根据 mm10dmin= ，参照国家标准GB/T 276-1994,由轴承产品目录中初 步选取0组基本游隙组、标准精度级的单列深沟球轴承6004，其尺寸为 mm5mm19mm10d=BD ，由于不需要安装挡油环，所以轴承内用套筒定位，套 筒用行走轮定位；外用轴承锥形套筒定位。轴承安装在下车体外壳上，其周向定位是借 助过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。 由于轴上零件比较少。所以不需要轴肩。因此设计成长度为130mm的光轴，需要 在指定位置开键槽。轴的两端分别有10mm的螺纹。 轴上零件的周向定位 齿轮、车轮与轴的周向定位均采用平键联接。按 6-5 d 由手册查得平键截面 mm4mm4hb= （摘自GB/T 1095-2003），键槽用键槽铣刀加工，长为5mm（摘自GB/T 1096-2003）。 同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的 配合为H7/n6；同样车轮与与轴的联接，选用B型平键 mm5mm4mm4 ，车轮与轴的配 合为H7/k6. 由机械设计手册得，M10螺纹倒角为245；M27螺纹倒角为145；各轴肩处 的圆角半径取R1。 3 提高轴强度的措施 (1) 合理布置轴上零件以减小轴的载荷； (2) 改进轴的结构以减小应力集中的影响； 轴通常是在变应力条件下工作的,轴的截面尺寸发生突变处要产生应力集中,轴的 疲劳破坏往往在此发生。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力集中源和降低应力集 中程度。为此轴肩处应采用较大的过渡圆角半径r来降低应力集中。但对定位轴肩，还 必须保证零件得到可靠的定位。当靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时，为了增大轴肩 处的圆角半径，可采用内凹圆角或加装隔离环。 (3)改进轴上零件的结构以减小轴的载荷； (4)改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度； 轴的表