毕业设计（论文）-履带式移动平台底盘设计.doc

毕业设计履带式移动平台底盘设计112011236杨喜福学生姓名： 学号： 机械工程系系 部： 机械设计制造及其自动化专 业： 许鑫指导教师： 二零一五 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 履带式移动平台底盘设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及自动化 学号： 112011236 学生： 杨喜福 指导教师（含职称）： 许鑫（讲师） 1课题意义及目标学生可以通过这次的毕业设计，运用所学过的一些基础知识，深入了解移动平台中履带的结构形式 、移动机构的运动协调原理，移动机构的运动学及动力学模型等方面的知识 ，并且熟悉移动平台的设计规范、计算方法及设计思想等内容，为学生毕业后从事相关工作打好基础。2主要任务（1）了解机械产品的设计方法。（2）确定移动平台的总体设计方案。（3）移动平台底盘机械结构设计。（4）传动系统设计。（5）动力系统设计。（6）关键零部件的分析与校核。（7）完成相应的工程图。（8）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1潘骏，段福斌，杨文华，吴立军.机械设计基础M.南京大学出版社，2007.05.2仲崇慧，贾喜花.国外地面无人作战机器人发展概况综述J.机器人技术与应用,2010.3乔中莲，张治民.坦克履带的应用及其发展J.装备与技术.2005(6).4 王琦，翟宇毅，谢少荣，罗军等.特种机器人M.北京:化学工业出版社，2006.设计各阶段名称起止日期1查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告2014.12.01至2014.12.312了解移动机器人底盘的结构形式2015.01.01至2015.03.103完成机器人底盘的设计2015.03.11至2015.04.304完成相应的工程图设计说明书等整体设计2015.05.01至2015.05.155撰写毕业设计说明书，准备答辩2015.05.16至2015.06.104进度安排审核人： 年 月 日履带式移动平台底盘设计摘要：世界上有很多的工作环境对于人类来说都是十分危险的，比如高温、高压环境等。这时候履带式机器人就起到了很大的作用，它可以代替人类在危险环境中工作，而且它不需要休息，工作时间长，状态也相对稳定。本次的设计其结构具有一定的创新性，可以实现比较多的非常规动作，比如越障和过坑等，也能很好地适应复杂多变的恶劣环境。要实现不同的功能可以在移动平台上搭载相应的功能模块，本研究可以作为一个基础平台用来开发各种功能的机器人。本次设计我们可以采用履带驱动结构作为平台的移动方案，并且模块化。这样有便于拆卸维修的好处，也可以适应复杂路段。本次设计的移动平台应该适应复杂多变的十分恶劣的环境，具有很好的移动能力和稳定性，本次设计的移动机构大概有三大模块：主动轮减速机构、路面适应执行机构以及履带轮运动和履带机构。关键词：履带式移动平台，底盘，履带移动机构The design of crawler mobile platform chassis Abstract：There are a lot of work environment in the world for humans is very dangerous, such as high temperature and high pressure environment. Crawler robots will play a large role at this time, it can replace human working in a dangerous environment, it do not need to have a rest, it have a long working hours, the condition is relatively stable. The design of structure has a certain innovation, it can realize more unconventional action, such as the disabled and the pit. And it can adapt to complicated and changeable environment. To achieve different functions corresponding function modules can be mounted on a mobile platform, this research can be used as a base platform for the development of various functions of the robot. We can use the track drive design as the mobile solution platform structure, and modular. This will give the benefits of easy removal service, it can adapt to the complex sections. The mobile platform should adapt to complex very harsh environment, with good mobility and stability, the moving mechanism of this design probably has three modules: the driving wheel speed reduction mechanism, the road to adapt to the actuator and track wheels sports and track mechanism.Keywords: Caterpillar mobile platform, Chassis, Tracked mobile mechanismI目 录1 绪论11.1 国内外研究进展11.1.1 国外研究现状11.1.2 国内研究现状21.2 目的及其意义22 主要设计内容52.1 移动平台整体结构示意图52.2 履带式移动平台底盘相关参数设定53 履带的设计及其计算73.1 选择履带73.1.1 确定履带的型号和节距73.1.2 确定履带的宽度83.2 主动轮和从动轮的设计103.2.1 确定主动轮和从动轮的直径103.2.2 形状及主要尺寸的确定123.3 计算节线长度144 履带底盘重要零部件的计算及校核164.1 轴的设计与校核164.1.1 轴的尺寸设计164.1.2 轴的校核164.2 主动轮的校核184.2.1 齿面接触疲劳强度校核184.2.2 齿根弯曲疲劳强度校核195 传动系统与动力系统的设计215.1 传动系统的设计215.1.1 移动平台的减速器相关设计225.1.2 移动平台的减速器的设计计算235.2 动力系统的设计315.2.1 平地速度的驱动电动机功率计算315.2.2 爬坡速度的驱动电动机功率计算325.2.3 直流电动机控制346 结 论36参考文献37致 谢39III太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 国内外研究进展1.1.1 国外研究现状“坦克是20世纪的核心作战武器，无人作战系统是21世纪的核心作战武器，而2000年后大部分的部队都将装备无人作战系统，并且走向战场”,这是20世纪前美国科学家的预言。所以美国的国防部从80年代开始成立专门项目计划，以研究地面无人作战平台，当是一个国家战略计划。因此，世界上很多国家开始全面研究室外移动机器人也取得了一些成果，比如能源部的机器人和智能化系统计划，还有后来的空间机器人计划；日本的在恶劣环境下工作的机器人计划；DARPA的自主地面车辆（ALV）计划；欧洲的机器人计划等，而这些通通都是以移动平台作为基础去研究以及开发的。早期对室外机器人的体系结构以及对信息的处理都是在学术的角度进行，然后通过建立的试验系统去验证。准确的说，在初期人们对于机器人实现智能化的期望值太高，从而导致预期的效果没有达到，但是有关的技术却是得到了大力的发展，同时积累了大量的经验，也算是为人类做出了巨大的贡献。于此同时，其他国家受到启发也走上研究移动机器人的道路。近代，随着科技的进步，移动机器人的研究更加完善，同时在更现实的基础上，走向各个领域以及实现实用化。“丹蒂II”八足行走机器人是一个可以高速移动的行走机器人，它可以进行一些探险运动，是由美国航天航空局资助研究并开发出来的。1994年，它在斯珀火山火山口进行演示即完成指定的探险任务并且取得成功。虽然也有不足的地方就是它在返回的时候失去稳定性从而倒在陡峭泥泞的路上，但是也算取得了巨大的进步。与“丹蒂II”八足行走机器人相比，其他机器人都需要人的参与或支持才能够顺利移动。在月球或其他星球表面都充满了碎片，机器人难以探索而丹蒂计划就为此提供了一个解决方案。1997年美国向全世界全面报道了由美国航天航空局研制出来的索杰那号探测机器人成功登上了火星。Rocky7是新一代的移动机器人，相对于索杰那移动机器人性能更好，它通过了更加严酷的环境测试，可以在火星上进行更多方面的探险任务。1998年，德国也研究出了一种轮椅机器人，并且在汉诺威的博览会展览大厅以及乌尔姆市的车站等人流量大的地方成功进行了实验并且取得的效果十分不错。这种机器人与其他很多的机器人在公共场所拥挤、人流量大的地方表现出来的笨拙不同，它十分的灵活可以很好规避行人进行移动，性能十分稳定以及出色。这种机器人是轮椅机器人上划时代的变化意义重大。国外还有一种机器人，它具有十分出色的动态稳定性，而其他的机器人都是只有静态稳定性；它还有可操作性高，抗干扰能力强，运动阻力低，还有很好的回复运动能力，还可以水陆两用的优点。这也是在机器人运动性上的巨大突破。1.1.2 国内研究现状与美国等发达国家相比较我国的研究大部分是某个单项研究阶段，起步算是比较晚的，主要的成就比较少有：（1）1994年清华研究出的智能机器人通过鉴定。它应用到较多的先进技术：全地图路径的规划技术（在自然地形下、具有障碍物越野环境下、不规则道路下、上下坡以及机构道路网环境下的全局路径规划）；在传感器信息的基础上的局部路径规划（包括两种“动作-感知”行为，一个是是在环境的基础上，一个是传感器信息的基础上，还有对于路径的模糊控制以及导航控制）；通过电脑仿真技术对路径进行全局规划（用仿真系统模拟地图上的全局路段规划、仿真系统模拟室外机器人的运动、仿真系统模拟室内机器人的运动）；在机器人上面融入多种高新技术（卫星定位系统、罗盘定位系统、声控系统、测距系统、规避障碍物系统、视觉处理系统以及其他计算机系统等高新技术）与其他领域相结合；移动机器人实现智能化（可以有效发现外界障碍物并做出规避的自驾系统、数据传输快可以很快做出反应）。(2)香港城市大学研究的自动导航车以及服务机器人技术方面做得不错处于领先地位。(3)中国科学院下阳研究所的防爆机器人和AGV也不错。(4)中国科学院自动化研究所的移动机器人视觉导航系统也是一个不错的研究成果。1.2 目的及其意义高新技术方面的竞争其实也可以当作国家之间的竞争，谁在这上面取得更好的成果，谁就可以处于领先的位置。各国政府都十分重视机器人技术的发展，可以说是当作国家战略在各个方面都给予支持，一切以机器人的发展最为重要。工程院士宋健曾经说过“20世纪机电一体化最有说服力的成就就是机器人的发展以及应用，同时也是这个时代最高意义上的自动化。机器人智能化就是机器人具有感知以及人性化等功能，这是机构学、自动控制和计算机等许多种高新技术综合的成果，它的创新性在于机器人可以自主思考问题并做出行动。机器人智能化对于人类十分重要，它可以取代人在危险的环境中进行作业，可以提高生产和生活水平，在军事上的应用也十分重要，在各个领域也都具有战略性的意义。机器人智能化就是它可以自主很好地完成预先设定的动作或任务，不需要人来参与。可以节省很多人力物力重要性很明显。近十年以来，机器人在各个方面的研究都取得了很大的进步，其最主要的原因如下：其一，移动机器人在各个领域都具有十分重要的作用，包括制造系统、非制造系统、军事及其它社会应用方面。其中最成功的应用是作为自动化生产系统中的物料搬运装置，用来完成机床与机床之间、机床与自动仓库之间的工件传送，以及机床与刀具库之间的刀具传送。星际探索以及海洋开发的环境十分危险恶劣，人往往不能适应这些环境。这就需要机器人了，因为它不惧怕危险，同时运动灵活具备大部分的条件。早在60年代的时候，美国就开始研究开发用于探索的机器人，以便达到登陆火星后在火星上移动收集数据的目的。由于人不能在海洋开发中发挥明显的作用，机器人的作用就十分重要了比如打捞沉船、开采石油、寻找稀有金属矿藏等。现在，在其他方面，机器人的作用都显而易见。如在采矿业中进行隧道的挖掘与矿藏的开采，在医疗中对病人进行护理，在农业中用于化肥和农药的喷洒，在军事上用于侦察敌情，核废料的搬运，拆除爆炸物，有毒化工厂工地作业等其他有危险性的操作或工作，还用于无人作战系统。其二，移动机器人和其他高新技术一样也是人类发展的产物，同时在另一方面移动机器人技术是各个领域互相交叉发展的结果。总之，它在人类发展过程中必定会出现的，只是在于时间早与晚而已。计算机技术的发展更快地促进了机器人的发展。因为计算机在信息处理、储存方面的能力十分适用于机器人，是机器人更快实现智能化的一个重要原因。还有计算机技术中的一些新兴技术的分支学科比如人工智能、专家系统等，可以让机器人分析未知环境并根据分析结果并且提供实时实地的导航。可以说移动机器人作为许许多多的高新技术结合的产物，它的发展速度十分快并且应用的范围会越来越广泛。从种种迹象来看移动机器人都在往智能化发展，它发挥的作用也会越来越重要甚至在更多地方会取代人的作用。从美国的月球车和行星漫游采样车到欧洲国家正在研制的战场巡逻机器人、管道机器人以及智能服务机器人都可以显示出来。移动机器人是一个综合系统与传统的机器人不一样比，它具有十分特殊的结构模型以及应用性，拥有多种功能。移动机器人在很多方面的工程技术仍存在难题以及其发展方向的创新性仍然吸引了大量的专家与技术人员，它值得人们研究。智能机器人对于人类的发展有着巨大的作用，它扩展了人类对地球外的空间的认知，也为人工智能的发展提供了一个非常好的基础平台。智能移动机器人正在实用化，它在接近我们的生活。2 主要设计内容2.1 移动平台整体结构示意图移动平台主要由履带、底盘和电机等组成。其中履带和底盘最重要，移动平台的整体结构简易示意图如图2.1：图2.1 结构示意图2.2 履带式移动平台底盘相关参数设定地面移动机器人底盘系统的任务是承载任务载荷，并将其按照远程控制的命令可靠地运送到指定区域，完成上述任务的主要要求和需要的主要功能如下：（1）具有十分可靠的机动性能还有通过能力，还能适应不同地面环境，包括土壤、沙石乐、草地、废墟、城市、楼梯等；（2）具有一定负载的能力，可以在承载任务载荷情况下达到要求的动力性能指标；同时具有一定防护能力，能保护内部的电源；（3）要求具有一定的刚性及稳定性，能承担运动或者工作时产生的振动；为了达到上述功能移动底盘主要的功能参数大概设定如表2.1：表2.1 履带式行走底盘主要功能参数序号项目参数（单位）1整机重量50kg2行走速度0.5m/s3功率0.081kw3 履带的设计及其计算3.1 选择履带3.1.1 确定履带的型号和节距由已知输出功率：(即）；以及移动速度，根据公式，可得主动轮转速，预先设计履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm，由公式，可得。故可以得到设计的已知条件如下：传递名义功率：，主动轮转速:r/min，从动轮转速:，中心距。根据以及，XH型双面交错梯状齿形同步带可以作为本设计的履带，节距=22.225mm。图3.2中A和B分别为DA、DB型双面齿同步带。比较它们的优缺点以及考虑到本设计的要求，本装置设计履带选择DB型。XH型同步带=2.794mm，=15.49。图3.1 梯形齿同步带，轮选型图图3.2 梯形齿形状图本装置选择的梯形型同步带的具体参数如下表3.1：表3.1 梯形齿标准同步带型号以及齿尺寸槽型MXLXXLXLLHXHXXH齿数10 23231010101419191818节距2.0323.1755.0809.52512.70022.22531.750齿半角2820252520202020齿高0.640.841.402.132.596.8810.29齿顶厚0.610.670.961.273.104.247.5911.61齿顶圆角半径0.300.300.610.861.472.012.69齿根圆角半径0.230.280.610.531.041.421.932.82两倍节根距0.5080.5080.5080.7621.3722.7943.0483.1.2 确定履带的宽度根据公式： （式3.1）式中查表得，。表3.2 七种同步带型号的主要参数带型号节距基准宽拉力质量G带宽MXL2.036.43.0，4.8，6.4XXL3.1756.4310.0103.0，4.8，6.4XL5.0809.550.170.0226.4，7.9，9.5L9.52525.4244.460.09512.7，19.1，25.4H12.7076.22100.850.44825.4，38.1，50.8XH22.225101.64048.901.48450.8，76.2，101.6XXH31.75127.06398.032.47376.2，101.6，127.0代入公式得： （式3.2）（1）计算主动轮啮合齿数小带轮的啮合齿数为: （式3.3）（2）确定实际所需带宽： （式3.4）其中为啮合系数由表3.3查的，=1，表3.3 啮合齿数系数5410.80.6，型带适用于本设计，基准带宽通过表3.4得到。表3.4 周节制梯形齿同步带的宽度型号MXLXXLXLLHXHXXH基准宽度mm6.46.49.525.476.2101.6127许用拉力T273150.17244.462100.854048.906398.03带的质量m0.0070.010.0220.0950.4481.4842.473所以， （式3.5）以上公式算得带宽为，所以以此选取标准带宽，表3.5查的将其取为标准值,表3.5 周节制梯形同步带的宽度与高度型号公称高度标准宽度mminmmin代号H4.30.1750.8220076.23300XH11.20.4476.23300101.64400XXH15.70.62101.644001275500XXL1.52_4.8-4.86.4-6.43.2 主动轮和从动轮的设计3.2.1 确定主动轮和从动轮的直径小带轮的齿数达到要求，梯形同步带才可以正常运转。由表3.6查的：，取：。表3.6 小带轮的最小齿数小带轮转速XLLHXHXHH9001012142222900-120010121624241200-180012141820261800-36001216202230由上面得到 可以代入公式： （式3.6）履带的高度不能过高，否则摩擦力会变小。因此主动轮和从动轮的直径取和最为适合本设计。综合考虑，型主动轮和从动轮可达到本设计要求。查表3.7得，它们的直径为别为、。表3.7 XH型同步轮尺寸表（节距=22.225mm）规格齿数节径d外径dodfdbh22XH22155.64152.841671384.523XH23162.71159.921741454.524XH24169.79166.991811524.525XH25176.86174.071881594.526XH26183.94181.141951664.527XH27191.01188.222021734.528XH28198.08195.292091804.5同步带的速度校核如下： （式3.7）查表3.8得：，。表3.8 梯形齿同步带极限速度型号MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3ML,H,T10，8M,14MXH,XXH,T20，20M模数1,1.5,2,2.53,4，57,1040-5035-4025-303.2.2 形状及主要尺寸的确定图3.3为履带和齿轮的啮合方式，为节距。XH型节距，为同步带轮的节圆直径，主动轮节圆的型号为，从动轮节圆的型号为，。为同步带轮实际外圆直径，主动轮，从动轮。图3.3 同步带轮外径径节示意图同步带可以分为和多种类型，本次设计采用的是WS型同步带轮。因为WS型同步带轮最适合本设计。型主动轮的齿数24，径节=169.79mm，外径=166.99mm，主动轮初选两个双边挡圈的带轮，用于设计中将其组合。3.2.3 轮齿形及齿面宽度的选择根据图3.4可以查得XH型梯形双面齿同步带轮齿形尺寸如下:图3.4 齿形尺寸节距=22.225mm，齿槽=mm，齿深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根据表3.9可以查出以上数据。表3.9 梯形双面齿同步轮齿形尺寸型号节距bwhgMXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048根据前面确定的宽度为76.2，及所选择的无档边带轮查表3.10可得到梯形双面齿同步带轮齿面宽度=83.8。14太原工业学院毕业设计表3.10 同步带轮齿面宽度尺寸参考表型号同步带宽度齿轮面宽度代号带宽双面档边带轮单面档边带轮无档边带轮XH20050.856.662.259.630076.283.889.886.9400101.6110.7116.7113.73.3 计算节线长度中心距不能过大也不能过小。过大过小都有各自利弊，所以适中就好。因此带传动的中心距可以取： （式3.8）由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有： （式3.9）由于工作环境的限制，尺寸不宜过大，选择中心距的尺寸偏小，初选取=380mm。带围绕两带轮的周长大概等于带的节线长度，根据公式求得： （式3.110）根据表3.11就近圆整=1422.40mm型号为，同步带齿数为64。表3.11 XH型同步带节线型号XH型（节距=22.225mm）规格节线长mm齿数463XH1177.9353508XH1289.0558560XH1422.4064570XH1444.6365580XH1466.8566630XH1600.2072700XH1778.0080735XH1866.9084752XH1911.3586770XH1955.8088785XH2008.70904 履带底盘重要零部件的计算及校核4.1 轴的设计与校核4.1.1 轴的尺寸设计轴的设计要求：（1）轴和轴上零件要有准确的工作关系；（2）零件要牢固可靠地相对固定；（3）便于加工，轴上零件要易于拆装；（4）改善受力状况，减小应力集中。设计中驱动轮传动轴大致结构如下图所示：图4.1 驱动轮传动轴图轴总长为240mm，从左至右依次为A-F段。A段：这段轴的直径长度分别为， 用来安装驱动轮以传递电机的动力。左面有个直径为的螺纹孔，键型号为选择依据为驱动轮的大小。B段：安装轴承盖和密封圈，直径d2=63mm，长度为22mm。C段：这段轴的直径长度分别为，和轴承的配合采用过盈配合，基孔制，用来安装相应的套筒。D段：安装套筒，直径d5=44mm，长度为15mm。E段：这段轴的直径长度为，用来安装轴承盖等。F段：这段轴的直径长度为，用来安装主动轮以传递动力。右面有个直径为的螺纹孔，键型号为 。4.1.2 轴的校核对主动轮的动轴进行校核，受力如下图所示：图4.2 传动轴受力图 (式4.1)弯矩图如下:图4.3 传动轴弯矩图由上图可得B点为A到B轴段的最大弯矩，又因为AB段的直径，故抗弯系数： (式4.2)最大弯应力为： (式4.3)所以该段符合设计要求。BC段：可知该段只受一个扭矩，根据公式： (式4.4) (式4.5) (式4.6)该段扭矩图如下:图4.4 传动轴扭矩图由上图可得，这段轴所受到的扭矩均匀，大小为，所以可以计算抗扭截面系数。故该段的抗扭截面系数： (式4.7)故该轴段的最大切应力： (式4.8)所以该轴符合设计要求。4.2 主动轮的校核4.2.1 齿面接触疲劳强度校核由公式 ： (式4.9)计算出主动轮转速，传动比；根据齿轮接触强度计算公式： (式4.10)式中：法向力；曲率半径；传动比；综合弹性模量。一对标准齿轮的齿面接触强度按下面公式计算 (式4.11)主动轮是一个只有6个齿的齿轮，为了方便校核，此处按正常齿进行强度校核，则主动轮的接触强度。其中：载荷系数；传动比：；。显然，主动轮的齿面接触疲劳强度符合要求。4.2.2 齿根弯曲疲劳强度校核根据齿根弯曲疲劳强度的验算公式： (式4.12)式中：为模数；为齿形系数；为应力修正系数。（查表得，1.75，）代入数值计算得： (式4.13)因此，主动轮的齿根弯曲疲劳强度也符合要求。5 传动系统与动力系统的设计5.1 传动系统的设计在本次的传动系统中采用的减速器是行星减速器。这样就可以把电动机往后面放置。行星齿轮变速器，是要通过行星轮才能实现变速的。液力变扭器通常装在它的前面，与之组成液力自动变速器。行星齿轮机构，就好比是地球等其他星球围着太阳转一样。周围的几个行星轮围着中间的太阳轮旋转，外面的行星轮共用一个行星架。行星轮的外面，有一个大齿圈。行星减速器采用2K-H型行星齿轮传动。原理如图5.1：图5.1 2K-H型行星齿轮传动原理图1. 太阳轮 2. 行星轮 3. 内齿圈（1）传动原理就目前的技术来说，齿轮减速机效率最高的组合就是行星轮减速机上的传动机构，它由大齿轮，内齿轮环，行星齿轮以及阶段齿轮四个基本部分所组成。太阳齿轮通过直接连接驱动源的方式启动，太阳齿轮可以带动一起组合在行星架上的行星轮转动。这样整个系统就可以沿着外齿轮环自动运行转动，从而通过出力轴来达到加速目的。如果需要更高的减速比就需要行星齿轮和多组阶段齿轮组合。（2）减速特性传统齿轮由于两个齿轮间的接触面很少，驱动时负荷会相对集中于几个点，这样会加剧齿轮间摩擦形成断裂。行星轮传动机构不同于传统齿轮，接触面会比较多，因而具有高扭力和耐冲性等特点。行星轮传动机构之所以接触面多是因为它具有6个更大面积轮齿与齿轮相接触，各个接触面从360均匀承受载荷，使其更加可以承受高扭矩力，同时其他零件也不会承受过多载荷而磨损破裂。行星轮减速机的体积小还有重力也轻：传统的减速器中都有很多组的大小齿轮，它们偏向交错才实现减速，由两个齿轮数之倍数比才产生减速比，因此所占空间较大，原因是两个齿轮咬合会有间距，高速比的时候则需要多组减速齿箱相互连接，结构强度会减弱，也加长齿箱的长度，从而体积重量都会比行星轮的大。相对来说，行星减速机的机构简单实用，不需要太多的空间，所以行星减速机构有重量轻、外观轻巧、体积小等特点。高效率和低背隙也是行星轮减速机的特点：齿轮减速器传动时接触面低只有单齿面接触，传动一样的扭力齿面应力更大，所以在设计齿轮时，由于模数以及厚度需要更大，所以与此同时齿轮间的偏转公差值变大，然后齿轮间隙也会较变高，最后累计起来的背隙就会变得很大。行星轮减速机则不存在这样的问题，因为它的组合中多点分布均匀，而外齿轮环是圆弧形状，所以外齿轮环和行星轮之间结合十分紧密，可以提高机器效率，设计也可以提高精度还可以定位。5.1.1 移动平台的减速器相关设计（1）减速器方案分析按传动的类型分，减速器可以分为齿轮减速器、行星减速器、蜗杆减速器以及他们互相组合形成的减速器等几种；减速器的类型还可以按照其他方法分类，比如可以按传动级数分，可以按照齿轮形状分，可以按照传动布置形式分；单级、圆锥-圆柱齿轮以及分流式减速器等就是按照以上几种方法分类。虽然展开式齿轮减速器的结构相对来说比较简单，但是由于轴承的位置和齿轮的位置并不对称，所以轴就需要较大的刚度。高速齿轮的位置应该放在远离转矩输入端，这样可以减少由于运转过程中产生的弯曲和变形，以减缓沿齿宽方向的载荷不均匀分布的现象。用于载荷比较平衡的场合。虽然两对齿轮的吃油深度一样，但同轴式齿轮减速器只适用于小型或微型的机械。因为它的轴向和横向尺寸不一样，轴向的尺寸比较大，同时中间轴长度较大、刚度又不够导致不能发挥高速轴的承载能力。反向自锁是涡轮蜗杆减速机不同于其他减速器的一个特点，减速比相对较大。但是输入轴和输出轴处在不同的轴线，不同平面。而且体积比较大，不可以提高精度和传动效率。行星轮减速器虽价格比较贵，但是优点很明显比如结构简单紧凑，精度高，可以达到很大的输出扭矩以及使用寿命长等。平齿以及斜齿两种行星减速器，它们的价格和精度都不一样。利用柔性元件控制弹性变形传递运动和动力就是谐波减速器，谐波减速器的优缺点明显，优点是体积小精度高，缺点是关键零件寿命短，耐冲击性能不好，刚性也很差，而且比其他的减速器贵。根据实际情况，移动平台要满足各项工作要求以及达到一定速度，经过比较多种减速器的优缺点，本次设计我们采用采用二级减速传动，又根据空间的要求采用二级行星齿轮减速器。5.1.2 移动平台的减速器的设计计算（1）减速器的传动方案类型和传动简图双级行星齿轮传动，可以满足本设计的要求。该行星轮减速器可以适应复杂多变的环境，传递的功率较高，传动比大。型号为的减速器适用于多种情况的传动，并且结构并不复杂，便于制造。本设计选用的双级行星齿轮减速器由两个型号为的行星齿轮传动串联，传动比可分为进行传动。传动简图如下：图5.2 传动简图第一级传动内齿，行星齿轮的齿数可以由型号为2K-H型的行星齿轮的传动比ip的值按公式计算得到。选取的第一级中心齿轮和行星齿轮数可以由该行星齿轮传动的外廓尺寸得到，分别分和。根据内齿轮，则。通过计算整理得到的内齿轮齿数，得到实际的和给定的P值相比较是不一样的，但是在允许的误差范围内。实际传动比为： (式5.1)其传动比误差，根据同心条件可得行星轮的齿数为： (式5.2)所求的适用于行星齿轮不需要变位或需要高度变位的传动。又安装条件得： (式5.3)第一级传动比，是第二级的传动比，所以第二级选择的齿轮参数，为。（2）初步计算齿轮的主要参数本次设计中心齿轮、行星齿轮以及中心齿轮、行星齿轮都采用材料才可以满足要求，对材料进行热处理渗碳后淬火，渗碳后的工件硬度为，这样工件才算合格。查行星齿轮传动设计可知，取，中心齿轮加工的精度为6级，材料经过热处理正火和调质，得到足够的硬度和强度等力学性能，才适合作高速级和低速级内齿轮的材料，调质硬度为217-259HRC，取，轮B1和B2的加工精度为7级。 计算高速齿轮的模数m8按弯曲强度的初算公式： (式5.4)现已知道，。可以计算中心齿轮的转矩为： (式5.5)得算式系数，查机械设计使用手册系数，查得；因行星齿轮间载荷分布不均，按接触强度算其系数，由公式可得，查得齿形系数，齿宽系数，则所得的模数m为： (式5.6)取齿轮模数为。 计算低速级的齿轮模数m低速级的齿轮的模数m按照弯曲强度的初算公式计算得到： (式5.7)现已知，中心齿轮的名义转矩，取算式系数，使用系数，综合系数，因行星齿轮间载荷分布不均，按接触强度算其系数，由公式可得，查表得齿形系数，齿宽系数，则所得的模数m为： (式5.8)取齿轮模数为mm。 啮合参数计算高速级：在两个啮合齿轮副中，中，其标准中心距a为： (式5.9) (式5.10)低速级：在两个啮合齿轮副中中，其标准中心距a为 (式5.11) (式5.12)根据计算结果，高速级和低速级的中心距均相等。所以本设计的行星齿轮传动满足条件，在整个减速器机构中，我们应该采取措施比如变位修正法避免跟切现象，减少机构的大小和重量，还可以较少磨损和提高机构承载能力。 几何尺寸的计算高速级：分度圆直径: (式5.13) (式5.14) (式5.15)基圆直径: (式5.16) (式5.17) (式5.18)齿顶圆直径：齿顶高：外啮合： (式5.19)内啮合： (式5.20) (式5.21) (式5.22) (式5.23)齿根圆直径：齿根高： (式5.24) (式5.25) (式5.26) (式5.27)表5.1 高速级几何尺寸高速级太阳轮行星轮内齿圈模数m0.40.40.4齿数z2346115分度圆的直径d9.218.446齿顶圆的直径da10.419.245.28齿根圆的直径df8.617.447低速级分度圆直径： (式5.28) (式5.29) (式5.30)基圆直径： (式5.31) (式5.32) (式5.33)齿顶圆直径：齿顶高：外啮合： (式5.34)内啮合： (式5.35) (式5.36) (式5.37) (式5.38)齿顶高：外啮合： (式5.39)内啮合： (式5.40)齿根圆直径：齿根高： (式5.41) (式5.42) (式5.43) (式5.44)表5.2 低速级几何尺寸低速级太阳轮行星轮内齿圈模数m0.60.60.6齿数z2346115分度圆直径d13.827.669齿顶圆直径da1528.868.28齿根圆直径df12.326.170.5 装配条件的计算对设计的齿轮副应满足以下条件的计算：邻接条件：行星轮减速机中，相邻的两个行星轮它们的顶圆半径和小于它们的中心距，传动过程中保证两齿轮齿顶不相撞，用a表示中心距，表示齿轮的直径，结合公式计算得邻接条件：（高速级：18.4213.80.865=23.8；低速级：27.6220.70.865=35.81故满足邻接条件）。同心条件：高速级中，有，高度变位中有公式，高速级的齿数和低速级的是一样的，符合上公式，所以满足同心条件。安装条件：按公式验算安装条件，即得： (式5.45) (式5.46)即都满足装配条件。 高速级齿轮强度的验算高速级齿轮强度的验算我们应该从齿面接触强度和齿根弯曲强度来计算，因为行星轮减速机外轮廓尺寸较小，而且可以长期不间断地工作。齿面接触疲劳强度的校核由公式可验算： (式5.47)式中-区域系数；-弹性影响系数；-螺旋角系数，直齿轮为1；-重合度系数；-齿宽，齿轮副中的较小齿宽；-小齿轮分度圆直径；-许用应力；U-齿数比；齿轮副中：由机械零件查得；安全系数为；我们可以算出许用接触应力为： (式5.48) (式5.49)又查得：，由于螺旋角，由机械零件得；直齿轮螺旋角系数；重合度系数；齿宽b=9.8；故161MPa，故满足强度要求。齿轮副中：由机械零件查得：而安全系数，可以计算许用接触应力得到： (式5.50) (式5.51)又查得：；螺旋角，由机械零件查得；直齿轮的螺旋角系数；可算出重合度系数；齿宽，故。故满足强度要求。5.2 动力系统的设计5.2.1 平地速度的驱动电动机功率计算假设机器可以达到的最大速度为并且匀速前进，轮子作纯滚动，前进中不考虑其他外力。如图所示：图5.3 轮子受力示意图分析上图参考理论力学的知识，借鉴两个力学公式： (式5.52) (式5.53)则，移动机器人平地直线运动的平衡方程为： (式5.54)且,，所以： (式5.55)通过计算可得，机器人要达到最大速度则电机经过减速器后输出的极限扭矩为 。由电机经过减速器后输出的极限扭矩可以得到电机需要提供的极限转速为： (式5.56)5.2.2 爬坡速度的驱动电动机功率计算爬坡能力也是一个衡量移动平台驱动能力的重要指标，现在大部分机器人的工作环境都需要其有爬坡能力，所以驱动系统的设计必须充分考虑机器人的爬坡能力。为了研究移动机器人的爬坡能力，我们可以假设移动机器人在斜坡上运动，坡度为30，速度为0.1m/s，行驶过程不考虑空气阻力因素。移动机器人爬坡受力情况如下图所示：图5.4 爬坡示意图爬坡的平衡方程为： (式5.57) (式5.58) (式5.59)上式中各参数意义与平地受力相同。联立上式得： (式5.60)通过计算可得到，机器人在最大坡度下爬坡则电机经过减速器后输出的极限扭矩为19.40。要使机器人在爬坡时达到 的速度，则电动机变速后需要达到的转数为。 根据上面的计算结果得到，平地直线运动时机器人需要的是速度即较大的输出转数，而在爬坡时是较大的输出扭矩。所以平地最大运动速度和爬坡所需求的最大扭矩可以作为选择电机型号的依据。通过计算为了达到爬坡速度要求，驱动电机变速后的功率为： (式5.61)则所需电机的输出功率为： (式5.62)5.2.3 直流电动机控制电机是移动平台的动力源泉，我们应该根据移动平台的具体参数、机械结构以及性能特点来选择适用于本设计的电机。通过计算以及对移动平台的参数和性能等的分析，无刷直流电动机适合本设计的移动平台。需要两个功率为的电动机分布在移动平台左右两边，合起来总功率为。由于无刷直流电动机有寿命长，性能高，平稳性高，噪声低等优点，同时它比其他电机功耗更小，所以适合本设计的移动平台。电动机尺寸与参数如图5.5所示：图5.5 电动机尺寸参数图电动机性能参数如下表5.3所示：表5.3 电动机性能参数电压额定电流转速输出功率效率24V6.5A1800r/min150W79%6 结 论对履带式行走底盘进行设计，其主要目的是为了了解机械产品的设计方法。经过设计与计算，其动力系统采用两个功率为的电动机，总功率为。转速1800r/min左右，保证机构工作时有一定的工作动力。主要结论如下：(1)全面了解履带底盘机械结构并且进行分析，计算得到一些参数，比如主动轮和从动轮的直径，分别为和，还有中心距，节线长度；(2)设计了移动平台的基本性能，包括驱动力为0.081kw,运动平均速度在0.5m/s左右；(3)在变速器的设计计算中，第一级传动比，是第二级的传动比，所以第二级选择的齿轮参数，为。本设计移动平台可以应对许多复杂多变且恶劣的工作环境，重量轻，体积小，机构模块化便于拆卸而且价格便宜。对于此次设计同样存在一些问题，如设计计算结果有待生产后，进行实际考核与验证；整体结构需利用计算机绘图等软件来分析比较从而达到优化设计机构的母的，我们还可以利