关 键 词：

遥控 割草机 结构设计 15 CAD

资源描述：

遥控割草机结构设计含15张CAD图.zip,遥控,割草机,结构设计,15,CAD

内容简介：

摘 要林业机械是个机械系列里的一大类别，所属的一个分支就是园林绿化机械，其中比较专业的园林绿化机械目前只有50年左右的发展史，它是在城市的园林化，尤其是草坪方面的发展逐渐壮大的基础上发展起来的。人们的生活必须要有良好的环境，合理的生态系统，这是人类生存和发展的摇篮。现代人们的生活水平越来越高，相应的对生活环境的要求也逐步变高。其中绿篱在城市道路和园林绿化中也占有重要地位。这次设计是对遥控割草机的硬件结构做了详细的可行性分析和设计，设计中选择了直流电机作为驱动，改变了传统的汽油机的结构。之后确认好方案，然后进行相关部件参数的计算和校核，大致流程是：选出驱动轮电机、转向轮电机，设计出驱动电路；设计、计算和校核齿轮及相关部件；设计出前后减震系统、转向机构和车体的一些机械结构等等。 关键词 ：遥控割草机；直流电机；驱动轮；转向轮AbstractOne of the branches of forestry machinery is the garden greening machinery, and the professional garden greening machinery has only 50 years of development history. It is developed on the basis of the development of the garden, especially the development of the lawn. Peoples life must have a good environment and reasonable ecosystem, which is the cradle of human existence and development. The living standard of modern people is more and more high, and the corresponding requirements for living environment are also increasing. The hedge in the city roads and landscaping also occupies an important position.This design is to make the detailed feasibility analysis and design of the hardware structure of the remote control mower. In the design, the DC motor is chosen as the drive, and the structure of the traditional gasoline engine is changed. Then we confirm the scheme, and then carry out the related calculation and check, including the selection of the driving wheel motor and the steering wheel motor, the design of the driving circuit, the design of the gear, the calculation and check, the design of the front and rear vibration damping system, the steering mechanism and the design of some mechanical structures of the car body.Key words: remote control mower, DC motor, driving wheel, steering wheel.不要删除行尾的分节符，此行不会被打印II目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 国内外园林机械的发展现状11.1.1 国外的发展11.1.2 国内的发展11.2 国内外园林机械的差距31.3 小动力园林机械的发展趋势与建议41.4 本课题研究的意义和目的61.5 本课题主要研究内容7第2章 遥控割草机结构设计及方案论证82.1 驱动方案的确认82.1.1 液压驱动82.1.2 气压驱动92.1.3 电动机驱动92.2 遥控割草机运动方式的选择102.3 遥控割草机驱动方案的选择11第3章 遥控割草机本体的设计分析143.1 遥控割草机驱动轮组成143.1.1驱动电机选择143.1.2减速机构的设计与校核193.1.3变速箱体及后减震283.1.4驱动车轮及轮毂283.2遥控割草机转向轮组成313.2.1驱动电机选择313.2.2传动机构及前减震机构343.2.3前车体及电池箱353.2.4转向轮胎和轮毂353.3遥控割草机受力分析及如何保证加速度最优363.4系统可靠性设计373.5锄草刀片的设计38结论40致谢42参考文献43IV第1章 绪论千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第 1 页 共 48 页1.1 国内外园林机械的发展现状1.1.1 国外的发展20世纪初期，国外的一些发达国家就已经投入了园林机械产品，大大减轻了繁重的体力劳动。国外的土地资源比较丰富、人文环境也比较优良、生活水平也比较高，所以在国外的小动力园林机械发展起步是比较早的。人们的生活水平在逐步提升、居住环境也在不断变好，小型的园林机械已经进入到个人家中，变成一种必备的家庭用具。21世纪的初期，那些发达国家里面，不管是家庭还是公共绿地，已经统统开展了机械化操作，还会不停地向更高等级改进。 有些国家的小动力园林机械已经发展了大约百年了，比如说美国、日本、德国、意大利、瑞典这些国家，而且这些年已经开发出很多享誉全球的大品牌，例如美国的百力通B&S、Kohler、MTD等公司；日本的小松、YAMAHA、HONDA等公司；德国的STIHL、SOLO等公司；意大利的Emark、ALPLA等公司；瑞典的HUSQVARNA等公司。上面提到的这些公司，它们的成立时间都是比较久的，对整个林业机械大行业起到了推进的作用。例如瑞典在1689年成立的HUSQVARNA公司，这是也是园林机械生产史最长久的一个公司，算得上是行业的领头养，这个公司生产的产品不管是专业的还是大众用的，各个型号品种一应俱全，全公司一共2200人，有1800人是负责开发新产品、市场营销等方面的，这个品牌的产品能出口到100多个国家，达到了5亿瑞典克郎的年销售金额。 1.1.2 国内的发展20世纪70年代，国内的小动力园林机械生产才开始发展起来，一开始，比较出名的有柳州机械厂、泰州林机厂、西北林机厂等等，这些单位的生产规模都不算大。到了90年代，尤其是最近这些年，国家开始大力发展市政方面的建设包括草坪业，工业方面的需求、城市绿化的需求越来越多，这也把园林机械的生产企业和产品带动着飞速发展起来。 我们现在从企业类型来划分可以分成三类，老牌企业、民营企业和外资企业。其中江苏林海、山东华盛等品牌都代表着老牌企业，他们有着足够的经验优势，从整机或者动力方面来看，占重比例不小；其中隆鑫、宗申、绿友等牌子代表着民营企业的新势力，也为国内的园林机械行业助力；现在进驻我国的外资企业也越来越多，新技术让国产的跟进口的技术差距越来越小，当然整个行业的竞争就变大了。这几年，国际上很多知名企业已经把生产基地转移到中国或者在中国进行投资，借着国内的大量廉价劳动力来赚得更大的企业收益。比如百力通公司，它是全球最大的风冷汽油机制造商，主要在户外动力设备中会 用到，这个牌子的发动机用处很广，比如说草坪机的发动机、发电机的发动机、高压清洗机的发动机、水泵的发动机等等。2005年的时候，百力通决定在中国加大投资，先是创办了重庆百力通发动机有限公司，预估能生产出100万台发动机；接着创办了上海分公司，这边专门用来生产发电机组、水泵等终端设备，预估一年产30万台。现在STIHL、小松等等国外的企业也都在中找市场，例如德国的STIHL公司把国内的辉煌三联并购了，试着把他们的品牌国产化；瑞典的HUSQUARNA公司在我国东北开办了市场推介会；小松也在国内寻找质量靠谱价格又低的配套生产厂家；美国的MTD公司和国内绿友集团合作，准备把园林机械、高尔夫配置、草坪的喷灌等等产品推向中国市场。上面介绍到的一些相对有特色的企业，地址大多是在江苏、山东、重庆、上海等区域，规模相对大一点的是山东华盛、临沂永佳、江苏林海、南通草地机械有限公司以及绿友集团等等。 自从中国加入WTO后，面临着欧美国家园林机械的巨大市场，国产的商品凭借超低价格，出口量得到进一步提升，这也让国内的园林机械制造行业快速地发展起来。 1.2 国内外园林机械的差距 目前为止，国内生产出来的小型汽油机的种类不多，还不能跟美国日本相提并论。美国日本各个公司都有系统生成的产品，它们的生产线大多能达到产品系列化，统一标准的生产条件，产品应用到的地方很多，可以成套的机具也能达到几十种。而国内生产的配套园林机具只有十几种，有很多企业仅仅能出厂单机，技术含量不高，国内市场会产生恶意竞争。 对于草坪业人们发明了草坪养护机械，那么又可以划分成草坪的修剪机械、草坪的通气机、草坪的修整器械、草坪的排水灌溉器械等等。里面草坪的修剪机械又涵盖了滚刀式的或旋刀式的草坪修剪机，剪切式的割草机等等。目前国内有随进/推进旋刀式的草坪修剪机，然而国外已经发展到通用自行/乘座式旋刀草坪修剪机了；对于通气机，美国日本同样出现了各种型号的（步行操纵）自走式和（拖拉机）悬挂式的垂直打孔通气机，国内还没有涉及到这部分；那些草坪的修边机、草坪的梳草机、草坪的滚压机在国外已经很大众化了，而中国仅仅才起步；对于草坪的灌溉装备，那些进口的HUNTER、LEGO等牌子已经大面积地覆盖了中国市场，国货例如林海的SP50喷洒器已逐步退出，华润等品牌产品也没办法跟进口产品来抗衡。 对于庭院和行道树养护机械方面，和进口产品比较起来也有很大差距。 现有的国产小动力园林机械技术普遍只能达到上世纪80年代的水准，产品的性能、功效大多比不上外国的同类产品。我国出品的小型汽油机，它的平均有效压力、升功率等数据指标一直停在中等水平没有改进，跟国外的同类生产指标来比又低了一个档次，压缩比和活塞平均速度等强化指标明也是达不到进口的产品。 同类产品的性能、可靠性比较差：企业的设计能力高低、质量管理、生产工艺过程、原材料质量、生产检验等都影响着产品的性能和可靠性。国内的一些企业生产的产品还没有完全适应国内市场，就开始往国外市场推广，面对发达国家的成熟产品的市场，国货就用低价格来攻占，它的产品性能和可靠性不可能达到标准。同类产品环保安全指标达不到：很多进口产品的排放、噪声、无线电干扰、安全、振动相关数据指标都比较高，国产的园林机械大多都达不到国外产品的指标，还存在很大的距离。拿美国、欧盟出口的产品来看，排除关税问题，排放和安全是现在园林机械需要攻克的技术难关。 国内的产品外表面的质量不达标：中国相当多企业一点都不重视产品的外表，在技术上也就不可能达标。 1.3 小动力园林机械的发展趋势与建议 开发出系列化的园林机械产品，打造出属于中国的行业品牌 一个企业打响自己的品牌很不容易，牌子代表着产品的质量好坏、企业的服务、企业的管理能力以及企业的竞争能力。想要有属于中国的知名品牌，我们就要以互通的基础技术开始，努力研发出自主知识产权的系列化园林机械产品，把产品的质量和技术水平大步提升，让一些企业拥有自主创新能力，取得优势，参与到国际大环境的竞争，这些都是整个行业的将来发展的大趋势和努力的方向。 改善更新相关产品，开发生产出更加人性化和自动化的产品。 国内生产出来的小动力园林机械产品种类目前只有十几种，要大力扶持开发出新型的园林机械，让现有的产品更快地更新，产品必须要更加人性化和自动化，是现在急需解决的。20世纪的70年代我国投产了老型号的油锯，到现在有了30多年，改进过一些部分但它的振动还是算大的，这样经常用这个器械的林区工人会出现不同程度的职业病摆手。而国外的油锯从80年代开始，在振动和噪声方面不停地在改进，同样的产品早就退出市场了。一开始的草坪修剪机走进家庭的产品，是以步行操纵推行式为主的；90年代后，步行自走式就被推进式的代替了；21世纪初期，步行自走式又被乘座式的取代了，发展到现在，草坪修剪机已经发展到无级变速、零转弯半径，让个人操作变得更简单了。 降低对环境的污染、加强循环再利用功能很多国外企业，在很久之前就已经开始重视污染方面的问题，比较出名的是HUSQUARNA公司研发了一套环保措施，这个环保处理从材料的处理、能源的消耗、发动机的排放到最后的产品回收再利用全都渗透到，只要开发出一种新式材料，立刻拿来换掉原来的旧材料，产品甚至有85%的回收率。 目前我国开发园林机械新产品的时候，要注意到下面几个点：尾气的排放要更小更环保，日本很早就发明出了层状扫气二冲程发动机，这种发动机又环保又节约能源，甚至于欧盟以及美国那些最最严格的废气排放标准都能满足；注意把机器的曲轴、机体的刚度提升上去，可以选复合材料来做隔音结构，这样能提升机器的消声能力，把燃烧噪声、机械噪声弱化；提升发动机的密封性能，运用芳族聚酰胺纤维或者金属密封垫片来替代石棉材料；机器的抗静电干扰能力要加强，尽量排除电磁干扰；润滑油一般要用能降解的材料，这样废弃润滑油对环境造成的污染会很小。 从安全的角度去设计小动力园林机械产品 我们可以把安全科学技术巧妙地用到园林机械的设计上面，怎么让设计出来的机具安全又可靠，主要表现在下面三个地方：一是机具要有可靠稳定的安全性能，一旦操作者发生误操作，要能自行判断，保护操作人员的安全、防止机具损坏；二是机具要带保护功能，一旦有意外或者有故障出现了，必须自动断开或分离故障的部位；三是机具操作起来要舒服，适用人机工程学特征。 我们生产油锯的时候，要参照标准林业机械油锯安全要求和试验，从油锯的反弹角度的大小、链制动角的大小、手把空间规定的最小间隙、机具的尺寸大小、高温防护装置、如何设置停火开关等等，全都进行了相关规定。其中化油器要加装加浓的装置，机具排量大的话要加上减压装置，还有操作安全的电子互锁等也要在园林机械上大范围运用。 一种园林机械能有多种用途、还能进行联合作业 我们把同一种机具配上不一样用处的工作装置或者附件，就可以完成各种需要的工作内容，这种方式在家庭、小型企事业单位、住宅小区或经营规模较小的绿地的用户用得比较多，功能又多又方便。比如美国CRAFTSMAN生产的一种园林拖拉机，一共有十多种附件，基本上所有的草坪护养和庭院作业都能覆盖到，在用户群体里特别受欢迎；比如林海集团出品的YJ4油锯，只要变换一些简单的机具就能改装成风力灭火机、切割机、森林泵等等，对外销售也很畅销。联合作业的机械设备就意味着可以同一时间或者按一定的流程来联合工作，常常在大型园林绿化工程或者专业化机械施工中会用到。一机多用和联合作业也是园林机械未来的发展趋势之一。1.4 本课题研究的意义和目的林业机械里面的一个分支就是园林绿化机械，专业的园林绿化机械目前大概是50年的发展史，它是在城市的园林化，尤其是草坪业方面逐渐壮大的基础上发展起来的。人们要有良好的生存环境，合理的生态系统，这是人类发展壮大的前提条件。那么割草皮的工作也变得重要起来。作为一名机械专业的学生，经过这次选题，可以把学到的专业知识拿来解决实际工作中的问题，这是检验掌握知识程度的最好的方式，在毕业设计过程中让学生能够把大学所学的基础课程和专业课程结合起来；把解决实际问题的能力大大提升。1.5 本课题主要研究内容这次课题是要设计出遥控割草机的整体结构。1.其中的机械结构包含了先确定出遥控割草机大体构造的方案、设计出遥控割草机的本体机构、再选出何种驱动电机比较适用；2.我们提出设计的条件，一些规定的数据指标，再结合选的电机，分析说明设计出来的系统是不是安全可靠。 第2章 遥控割草机结构设计及方案论证2.1 驱动方案的确认遥控割草机设备的驱动方式可以划分成三种，液压式、气动式和电动式。下面具体介绍一下这三种不同的驱动方式。2.1.1 液压驱动选液压式驱动系统，优点见下面所列：(1)液压式的可以很容易达到比较高的压力（常用液压是2.56.3MPa），不要看整体体积小，它的推力或转矩还算大；(2)液压系统里面的介质选不太能压缩的，这样工作起来平稳又可靠，确定的位置精度也不会低；(3)液压式传出动力，基本上可以自动控制住力的大小、速度和方向；(4)液压驱动中的介质一般是油液，油液的防锈性和自润滑性能都比较好，这让机械的效率提升了，工作寿命也变长了。液压式传动系统的缺点是：(1) 驱动结构工作起来温度会升高，油液的粘度会产生变化，工作性能也会有所下降，高温还很容易引起燃爆炸等危险；(2)一般液体发生泄漏不容易解决，这就需要液压元件的精度和质量都要上乘，生产成本相对比较高；(3)液压式驱动要有相应的供油系统，特别是电液伺服系统更需要严格的滤油装置，不然会特别容易产生故障。总结上面的优缺点，液压式的输出力和功率相对更大一些，可以形成伺服机构，大型设备的驱动上面会很多见。2.1.2 气压驱动选气动式驱动系统，优点见下面所列的：(1)系统里面压缩空气的粘度不大，能够高速传动；(2)可以借助工厂集中的空气压缩站来给驱动设备供气，不要另外加动力设备了；(3)空气介质完全不会污染环境，使用起来安全可靠，高温环境也能够适用；(4)气动元器件的工作压力相对比较低，所以会小于液压元件的压力指标。气动式驱动系统的缺点是：(1)压缩空气大多压力是0.40.6MPa，如果需要较大的力，整体结构就要对应的变大；(2)空气更容易压缩，这样工作起来不平稳，速度不好把握，位置精度控制不好；(3)想要压缩空气，去湿问题很突出，如果处理不好的话，钢类零件有可能生锈，那么设备就会失灵。除此之外，排气的时候还会产生噪声污染。总结以上，气动式驱动系统大多会用在点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的设备上面。2.1.3 电动机驱动如果选电动式动的驱动系统，电动式的又可以划分成三种：1）普通交、直流电动机，2）交、直流伺服电动机，3）步进电动机。第一种驱动常常用到中型或者重型的设备上面，还得加个减速装置，输出力矩虽然大，不太好控制，惯性也有点大；第二、三种电动机的输出力矩相对来说小点，不过控制起来很容易，能很好的控制速度，精确的确定位置，大多用到中小型设备上面。闭环控制系统一般会选交、直伺服电动机来工作，开环控制系统大多选步进电动机来工作，而且只能用到对速度和位置的精度要求不高的工作场所。如果要考虑能源问题，工厂的电源就可以充足保证，想要降低生产成本，方便操作，工件安全可靠，维修起来便利，我们就尽可能的选电力驱动。如果要考虑到环境因素，电力驱动的方式产生的污染比较小，还是可以选电动机。如果考虑大经济层面，电动机工作需要达到一定程度的功率，功率不可以过大会造成浪费，功率也不可以过小会使得负荷过大，让生产效率达不到要求拖延生产周期。想要满足以上所有要求，我们一般选直流无刷电机是比较合适的。 2.2 遥控割草机运动方式的选择通过遥控割草机的运动方式不同进行划分，可以分成轮子方式、履带方式、腿足方式这三种。把各种方式的特点列出来，再详细分析选出最实用的运动方式，见下表2-1()表2-1运动方式的特点考虑因素运动方式适用的环境驱动方式机构组成轮子方式选这种的比较普遍驱动起来很简单，产生的力矩很小一般还好分成：两个轮子驱动/转向+随动轮；两个轮子进行差动+辅助轮；驱动轮+转向轮结构是简单的，之间连带的条件不多，稳定性相对高，选这个方式有精度标准履带的方式用得地方是最多的，尤其是那些崎岖不平的地点、湿洼地点驱动的方式比较单一，力矩比较大，借助两侧轮之间的差动来驱动/转向，不要加辅助轮了结构比轮子方式的复杂一些，涉及到履带的张紧，支撑面积要够大，工作起来比较稳定腿足的方式用到的地方也较多，腿足的步态如何决定了用到什么地点，崎岖的山路不好用驱动方式复杂，平衡和稳定的条件很高，自由度越多，驱动的控制部分也就变多运动部件和关节太多，加工/安装起来要求比较高，对应的材料特性的条件也比较高我们参照表格里列出的，这次选轮子方式来作遥控割草机的运动方式，因为轮子方式是达到所有设计条件的：可以用到各种环境里面；不要太大的动力；能量耗得也不多；整体结构比较简单，运行起来可靠稳定。2.3 遥控割草机驱动方案的选择轮子方式遥控割草机的机械结构见下面三幅图：图2-1 驱动结构图2-2 前轮驱动兼转向结构图2-3 后轮驱动，前轮转向结构第一幅图2-1，结构是选的两轮单独驱动，两套直流电机分别控制着驱动轮，产生动力；前轮是万向轮可以变换方向前进。这种结构的特点比较简单，好控制，转弯的半径很小运动起来很灵活。它的不足是承载能力不高，要有比较好的地面环境。第二幅图2-2，结构选的前轮用来驱动，后轮是辅助轮，方向不会变，前轮作用是驱动+转向，只要前后轮的驱动速度是一样的，转向速度也会一样。这种的特点是运动起来很平稳，很稳定。它的不足是结构相对复杂，不太好控制。第三幅图2-3，结构选的后轮来驱动，这一种遥控割草机的行走部分是一种典型的不完全约束的轮式遥控割草机模型。后轮是用来驱动的，方向不变化，只会驱动前进，前后轮的速度是一样的；前轮用来转向，又叫舵轮，两轮的转向同时被转向系统控制着，让遥控割草机移动到想去的地方。我们通过这次设计的条件和复杂程度选了第三种后轮驱动。轮式的移动机构又可以有三个轮的、四个轮的。三轮的支撑从理论上来看是很稳定的。只不过实际上这种装置，如有力F加到单独轮的左右两边时，整个机构可能发生侧翻，所以要控制住负载的大小。根据稳定性和承载能力的要求，我们决定选四轮的机构，这时的前轮是用来驱动，后轮用来转向，参看下图。四轮额可以完成路线的规划、定位跟踪等工作，保持稳定可靠，能用到复杂的地形去，承载能力也不弱。图2-4小车整体结构模型图第3章 遥控割草机本体的设计分析3.1 遥控割草机驱动轮组成前轮驱动装置的机械传动结构下图表示： 图3-1 驱动轮的传动效果图 1变速箱底座 2变速箱盖 3轴承 4齿轮 5齿轮6 齿轮 7 电动机 8 中间轴 9 轮毂 10 轮胎通过观察传动方式图，驱动电机、减速装置、车轮和轮毂共同组成了的遥控割草机的前轮驱动装置。3.1.1驱动电机选择现在的遥控割草机的驱动电机里用得比较多的是直流无刷电机、交流电机和步进电机，根据它们的工作特性、使用原理、控制方法来区分，看下面表格的总结。大多数的遥控割草机选用电机的基本要求有下面几点：1. 可以不停地有效地进行打开、停止、反向等操作，响应要好；2. 不管是正转还是反转都要一样，要有稳定的运行；3. 抗干扰能力不能低，想要保证输出，机构的体积要小、重量也要轻；4. 检修的话要简便，尽量不用保养。表3-1不同种的工作特性、使用原理和控制方法电机类型主要特点构造与工作原理控制方式步进形式电机用数字信号直接来控制，计算机接口不复杂，不要用电刷，维修起来很方便，工作寿命也长。不足是能量转换的效率不高容易失步，过载能力太不行根据产生转矩的方式来分：永磁式，反应式和混合式三种。其中混合式可以产生比较大的转矩，用得地方很多永磁式是单方向的励磁，精度高不过容易失步；反应式是双向的励磁，产生的转矩大，转子的过冲小效率不高；混合式就是单+双方向励磁，运转起来平稳直流无刷式电机只要通上直流电就能工作，控制起来很简单；启动的转矩大，容易控制转速和转矩的大小，工作效率不低；要保养换电刷，工作寿命不长，噪音也大永磁体定子、线圈转子、电刷和换向器是构成部件。工作起来电刷和换向器会把电流方向跟着转子去变化，也就是连续转动转动用电压控制； 转矩用电流控制，两种都是成正比的交流伺服式电机不带电刷和换向器，不要维修；驱动电路比较难，价格不低从结构来划分，分成了同步和异步方式。无刷直流电机跟同步电机结构部件一样，是跟支流电机工作特征一样分两种控制法：电压和频率。一般电压控制比较多见的是异步电机因为我们选了两个前轮当作驱动，那么就要易控制而且精度要高，能量消耗不大，转矩输出大，过载能力要达到一定程度，工作起来要稳定可靠。对电机的工作特性、使用原理、控制方法，遥控割草机的移动条件、本身机器的重量、传动方式的特点等等方面比较之后，我们决定选直流式的驱动电机。直流电动机的优点多多，线性调速好、控制起来简单、工作效率高、运动动态不错，在调速控制方面领先。虽然近年交流变频电动机、步进电动机等等发展得比较好，不过看调速效果还是选直流电动机最好，生产生活常常会用到。计算出选择电机的功率：遥控割草机小车的受力分析看下图表示：遥控割草机受到的牵引力： 其中 是遥控割草机移动时要求的牵引力大小 是自身重力产生的阻力 是遥控割草机移动受到的摩擦力大小图3-2 遥控割草机小车的受力情况所以 其中 是摩擦系数 是最大的爬坡角度 按照这次据课题的要求可以取0 求出遥控割草机在水平面上运动的功率是传动装置的总效率是查看中的表2.1-1确定出相关效率：齿轮传动效率；滑动轴承效率把已知数代进去得到：可以求出直流电机最小的功率W根据上面的过程，我们决定选广东德昌生产的SRC-555-3250型号的直流电动机。参看下图： 图3-3 电动机的外观图3-4 SRC-555-3250电机的尺寸大小表3-3 SRC-555-3250电机的技术参数电机型号额定电压空载下最大工作效率下制动转速电流转速电流力矩功率力矩功率r/minAr/minAgcmWgcmWSRC-555-325012vCONSTANT61000.2453001.4922914.216509.203.1.2减速机构的设计与校核直流电机工作起来的转速不低，不要把它直接接到车轮轴的上面，要加上减速机构去减速，这样还能让转矩提高。减速装置加得合不合适对遥控割草机工作性能关系很大。3.1.2.1减速形式的选择驱动轮的机械传动的方式可以划分成：链条传动、皮带传动、蜗杆传动、齿轮传动等。1.链条式传动优点是：一样的工作情况下，传动尺寸不大；不会产生滑动；张紧力也不要太大，轴上的载荷力比较小；工作的效率高；能用到恶劣条件下；缺点是：瞬时速度分布不均，如果高速运转机器就不平稳；不能用到载荷变化大的传动或者有急促反向的传动里面去；工作起来噪声很大。2皮带式传动优点是：可以缓和冲击；工作起来平稳没有噪声；制造和安装精度要求很低；过载会打滑，可以避免其他零件的损坏；缺点是：会出现弹性滑动和打滑，效率比较低，没办法保证精确的传动比；轴上的载荷比较大；工作寿命低。3.蜗杆式传动优点是：机构尺寸不大紧凑；工作起来很平稳；噪声不大；冲击震动也不大；单级传动比会比较大；缺点是：传动比一样的时候工作效率比齿轮方式的低；里面的防磨损的材料要用贵重金属来做，成本太高。4.齿轮式传动优点是：工作起来安全可靠，工作寿命比较长；维护起来很方便；它的瞬时传动比是个常数；传动的效率高效；机构尺寸紧凑；能用到的地方很多；缺点是：机构相对复杂，成本不低；轴间距的传动上面不适合。分析比较上面的传动形式，结合这次设计中遥控割草机的条件，需要输出的转矩大、传动的效率高、噪声小等，我们决定用两级齿轮传动，减速比是15。输入轴就是电机轴来装配主动齿轮，不要用联轴器，这样把精度提高而重量又降低了。轮毂和齿轮3都装在同一根轴上面，两者的是转速一样的。齿轮类型是渐开线直齿齿轮，用联轴器连接，齿轮和车轮装在同一根轴上面，两者的转速是一样的。齿轮参数见下：第一级的减速：， ，第二级的减速：，3.1.2.2齿轮传动的计算与校核第一级的齿轮强度开始进行计算+校验，过程见下：1.先求齿面接触的疲劳强度是多少（1） 初步求解转矩是 齿数接触疲劳极限查中表12.13，得到查中表1.7，得到计算出许用接触应力是 查，得到算出小齿轮的直径是取整数求出齿宽b（2） 校核齿轮强度圆周的速度查中表14.4，可以选6级精度求出齿数和模数初步确定齿数，查表14.1，得到模数这里往大或者往小取都可以，根据验算结果来定所以查中表12.9，取使用系数是查中表12.9，取动载系数是查中表12.10，求出齿间的载荷分配系数先求出所以查中表12.11，求出齿向的载荷分布系数求出载荷系数查中表12.12，得到弹性系数是查中图12.16，得到节点区域系数查表12.14，得到接触最小的安全系数求出总工作时间查中表12.15，得到应力循环次数的范围大约，指数所以原来估计的应力循环次数是符合的。查中图12.18，得到接触寿命系数求出许用的接触应力是根据上面的计算可以知道，接触的疲劳强度是满足要求的，齿轮尺寸不用进行调整。否则尺寸调整之后还的继续进行重新验算。2.验算齿根的弯曲疲劳强度重合度系数查中表12.10，求出齿间的载荷分配系数 所以得到齿向的载荷分布系数查中图12.14，得到求出载荷系数查中图12.21，得到齿形系数查中图12.22，得到应力修正系数查中图12.23c，得到弯曲疲劳极限查中表12.14，得到弯曲最小安全系数查中表12.15，得到应力循环次数的范围大约是，指数是所以原来估计的应力循环次数是符合要求的。查中图12.24，得到弯曲寿命系数查中图12.25，得到尺寸系数求出许用的弯曲应力是进行验算可以知道传动没有严重过载，所以不要校核静强度第二级的啮合齿轮、的计算校核也跟上面的计算步骤雷同，通过计算可以知道：强度都是符合要求的。3.1.3变速箱体及后减震在确保有足够刚度的条件下，变速箱体要尽可能的把车架的重量设计得更轻一些，还要提高有效的承载重量。在确保其它元件安装上机具以后，变速箱体也要达到平衡、对称和同轴。变速箱的材料选ABS，厚度是6mm，轴承盒全都集成在箱体上面，制造难度就可以降低。防止系统结构受到震动的损伤同时还要把跃障能力提上去，可以在变速箱和前车体之间加一个减震弹簧。它作用不但可以缓解震动，而且可以在遥控割草机碰到低于100mm 的障碍物时，或者在高低不平的路面工作时可以跳过阻挡不被架空。 3.1.4驱动车轮及轮毂上面已经知道遥控割草机的运动方式是轮子方式，其中轮子方式又可以有多种方式进行排列，这满足了不同情况的需求，转向很容易，可以精确控制运动，机构组成比较简单。综合分析考虑设计的遥控割草机的工作条件和控制条件，这里我们选四轮的方式。如何选车轮，我们要考虑下面几点：割草机的尺寸大小、重量、地形状况、电机的功率等。车重加负载质量控制在20kg45kg以内，我们选聚苯乙烯作为轮毂，这种材料质地坚硬而且方便加工，选用不要充气的中空橡胶轮胎，这样选择的优点是材质重量轻、橡胶跟地面的附着系数比较大，就确保了足够的驱动能力。轮胎及轮毂的参考图见下图3-5 轮胎+轮翼机构见上图，轮胎直径是，所以车轮转一圈的移动距离是：车轮的最大转速是：(电机转速/传动比)所以遥控割草机最大的线速度是：遥控割草机小车的受力分析如下图遥控割草机需要的牵引力大小是： 其中是遥控割草机移动时需要的牵引力大小 其中是本身重力产生的阻力 其中是遥控割草机移动时受到的摩擦力所以 其中是摩擦系数； 是最大的爬坡角度。所以遥控割草机在水平面上的功率是：最大加速度是：（其中的计算过程在3.1.1已列出）图4-6 遥控割草机小车的受力情况3.2遥控割草机转向轮组成转向轮的作用是支撑和转向，不会产生驱动力矩。转向轮转一定的角度小车也会跟着转向。它的机械组成可以看下图： 图3-7转向装置结构图 1.前减震弹簧 2.转向连杆 3.拉杆 4.拉紧弹簧 5.拨叉 6.步进电机 7.前车体盖 8.转向节 9.前轮轴 10.前轮毂 11.轮胎 12.电池的盒盖 13.后减震弹簧 14.连接轴 15.变速箱 遥控割草机前轮装置主要是下面五部分组成的：1.驱动电机2.蓄电池和充电部分3.转向传动机构和前减震结构4.前车体和电池箱5.轮胎和轮毂。3.2.1驱动电机选择查表4-1，从不同的电机特性、工作原理和控制方式来分析比较转向轮的电机，想要转向系统的转动精度较高，控制性能足够强且控制起来简单容易，用来转向的我们决定用步进驱动电机。步进电机是一种机电元件，可以把电脉冲信号转化成角位移/线位移。加一个电脉冲到上面之后，它的转轴就会转过一个角度，叫做一步；随着脉冲数的增加，角位移(或线位移)也会跟着增加，如果脉冲加的多，频率就会高，电机转的速度也会高，相反就低；如果把脉冲的相序变掉了，步进电机的方向也会跟着变化。步进电机的运动状态跟那些匀速转的电动机不太一样，它是步进来工作运动，所以也叫作步进电动机。列出步进电机的主要参数：相数：N极， S极磁场的激磁线圈的对数。拍数：里面的磁场会有周期变化，一个周期要加的脉冲数量/导电，电机转过一个齿距角要加的脉冲数量也能叫做一个拍。拿四相的电机举例，就是四个拍子的运行，就是八个拍子的运行。步距角：加一个脉冲信号，电机转子转过的角的大小。，常见的是二相的、四相的电机，拿50个转子齿的电机来举例，四拍工作时步距角是，就是整步，八拍工作时步距角是 就是半步。定位转矩：电机如果不通电，转子自身的锁定力矩就叫做定位转矩。这是磁场齿形的谐波和机械误差引起的。静转矩：电机是额定静态电作用的话，电机不会旋转工作，这时电机转轴的锁定力矩就叫静转矩。这个力矩的大小关系到电机体积的大小，跟电压和电源等都没有关系。尽管静转矩跟电磁激磁的匝数是成正比的，跟转子之间的空隙有关，但是一味地用减小气隙的方法是不行的，这样激磁的匝数变多了，不过静力矩会让电机过热、机械噪声过大。 步距角的精度：电机每转过去一个步距角，它的实际数值跟理论数之间都会有个误差。我们可以用百分比来表示。运行的拍数不一样，得到的精度也不一样，四拍工作时大概是5%以内，八拍工作时大概是15%以内。 失步：代表电机转的步数，不是理论上的步数。 失调角：转子跟定子齿轴线之间偏差的角度，电机工作转起来的话肯定会有失调角，这个失调角带来的误差，细分驱动也不好避免的。最大的空载起动频率：电机空载的时候，选好驱动方式，电压，额定电流之后，直接开启机器的最大频率。最大的空载运行频率：电机空载的时候，选好驱动方式，电压，额定电流之后，运行起来的最高转速频率。运行矩频特性：达到规定条件，测出电机工作的输出力矩和频率之间关系再画出曲线就叫做运行矩频的特性，这是电机的动态曲线里最重要的一个，是我们如何来选电机的根本。步进电机有一些优点，总结起来是下面几点：1. 步距大小不会受影响。换一种说法，转子的速度是脉冲信号的频率来定的，转子的总位移量又是总的脉冲数量来定的。2. 位移大小对照着脉冲信号，步距误差不会一直累积下去。就能组成开环式的控制系统了，结构不复杂而且精度也足够，当然如果精度等级更高时就要组成闭环式的了。3. 数字信号能直接控制开环工作，结构不复杂成本也低。4. 用不到电动刷，电动机部件比较少，运行起来很可靠。5. 能轻松地控制。不管选什么运行方式，都不会丢步的。起动、停车、反转或改变其他运行方式，都会在脉冲内完成，在给出的频率范围以内进行。6. 电机停止时会自锁住。7. 选择步距角的范围比较大，从几角分到里面来选。小部分情况，能在超低转速高转矩下的稳定的工作。把各个参数指标按照设计条件来选，我们可以选常州丰源的型号的减速步进电机，减速比是 。参数详见下表表4-3步进电机的相关参数步距角的大小（/相数电压大小/V电流大小/mA电阻大小R/减速比多少空载下运行的频率F/pps空载下启动的频率F/pps起动转距T/g.cm锁定转距T/g.cm7.5/25412255471/2555068075014003.2.2传动机构及前减震机构想要系统结构更加稳定、承载能力够强，我们选用两个前置转向轮，转向轮不当驱动，只要用来支撑和转向。整个结构形式类似于普通机动车结构，步进电机的变速箱输出轴连着拨叉，拨动拨叉左右转节连杆来进行转向。为了避免传动的间隙和电机的反转死区，我们会在机构里加进两个拉紧杆和一条拉紧弹簧，这可以一定程度的控制住误差。为了防止系统结构受到震动的损伤，让遥控割草机在不平的路面上行走的能力变强，可以在每个转向节轴上加上减震弹簧。这个弹簧不仅可以缓冲震动，而且防止遥控割草机在不平的路面被架空。它跟后减震配合起来减震效果会更好，工作原理跟后减震是差不多的。转向传动的受力分析如下图：图3-8 传动机构受力情况3.2.3前车体及电池箱转向机构一些零件的载体就是前车体，车体的结构比较复杂，精度要求相对也比较高。尤其是转向节需要放置孔和电机支撑座等等，要保持同轴，而且和垂直也要好，所以想要装配的精度更高，就得用到卯榫式螺栓孔连接车体盖跟车体，这样可以提高装配的精度要求。制造工序想要不那么复杂，车体之间一定要加强紧凑，各部件也要很牢固，其中的电池盒可以放到前车体的后面，这样电池盒到地面之间的距离就大大减小了，遥控割草机的重心高度就不会过高了。运行时要确保电池在箱体里面的牢固程度，并要求降低噪音，电池盒盖的内侧需要贴一层薄薄的海绵其中电动机和驱动电路很容易影响到控制电路，所以我们要把控制电路板和驱动板并排列起来。3.2.4转向轮胎和轮毂前轮的轮胎和后轮用一样的结构和材料，轮毂的轴孔要和轴进行相对滑动，所以前轮要比后轮的精度高一些。3.3遥控割草机受力分析及如何保证加速度最优这次设计的遥控割草机是四个轮来支撑，也就是两个后轮是驱动轮、两个前轮是转向轮。想要车轮跟地面的滑动摩擦系数变大，需要选橡胶来做每个车轮的轮胎材料。滑动轴承和轮毂则选了塑料，塑料要有自润滑能力，这时摩擦力很小，小到可以忽略不计。选用这些结构的小车，运动性能会很好。遥控割草机小车的受力分析见下图：图3-9 小车受力情况满足以下关系：滑动摩擦力是： 支撑反力是： 水平方向的受力大小是： 推算出加速度是： 从上面运算公式来看，因为小车的质量是固定的，想要加速度变大，就需要增加摩擦系数、减少支撑力。如果遥控割草机的工作场所是在室内，速度需要频繁的变化，只有加速度大一点，才可以让遥控割草机更快速更实时。 当摩擦系数是固定的，就只有尽可能的减少支撑力，这时的加速度才有可能达到最大，这直接影响了小车的重心位置高度如何。小车里面的电池和后加的负载在小车的重量里是比重比较大的，所以我们要尽可能的靠近后轮来放，这样可以减小支撑力，启动时加速度在就会尽可能的大。通过相关计算，遥控割草机被证明最适合的加速度是大约。3.4系统可靠性设计 我们要从技术层面、可靠性能、适用范围性、经济性这四个方面来掌控系统质量的高低，其中最重要的两个是技术层面和运行的可靠性。但我们从开始设计时，大多会一味地追求技术性能指标，把它运行可不可靠给忘记了。可靠性设计的不好，会有突发事件产生，这时系统就没办法正常工作了，甚至有灾难性的后果发生，想要系统运行的安全可靠：要先进行可靠性方面的设计、严格控制部件的生产流程、设备要按具体要求来安装调试、用对的方法来操作使用、进行日常的维护。这次我们设计的运动控制系统全面考虑了可靠性这个指标，主要有下面几点：1选何种屏蔽技术机器运转都会有电磁干扰，一般的噪声源有直流电机、驱动的部件、微控制器用到的振荡器等等。距离离得近的时候，电磁波会经过分布的电容和电感藕合传到信号回路上产生干扰。距离离得远的时候，电磁波会经过辐射产生干扰。总结上面的干扰情况，我们这次把屏蔽体用高导磁的材料来做，这样产生的电磁波经过屏蔽体的四壁之后，低磁阻磁路让电磁衰弱，干扰也就小了。 2地线如何设计 地线也有有噪声，也要想办法减小地线干扰，跟电路一样所有的地线都有阻抗，电流工作会回到原点，那么电流通过地线就有一个电压降，电压降就是产生地线干扰的源头。所以我们要选好接地方式，减弱干扰。在设计过程中可以把接地跟屏蔽结合到一块效果更好。接地就是为了消除各个电路电流经过公共地线时生成的噪声电压，还包括不受电磁场和地位差的干扰。 3自感电动势也有干扰，要进行控制设计整个系统我们选了电动机，这是一种电感量比较大的器件。如果电感回路里的电流阻断，这时就有很大的反电势产生而发出噪音。这种噪音生成的电磁场直接干扰到其它回路了，更严重情况是击坏电路里的晶体管等等。所以我们要在线圈的两头并联上一个二极管，这