深海行星轮行走机构设计

深海行星轮行走机构设计摘要：本文设计的行星轮式行走机构由4 组行星轮系组成，相当于88 轮驱动。随着车轮对地面作用力的不同，驱动轮系可相应地演变成定轴轮系或行星轮系。静力学分析表明，行星轮系的越障高度与轮距和轮胎直径成正比关系。本文按行走速度0.1m/s，车体重量4t，机构尺寸421.5m为参考条件。在Pro/ENGINEER三维制图软件中对行星轮架，传动轴等主要机构进行建模，应用ANSYS软件对所建模型进行应力和变形分析，得出最大受力点和最大变形点，最大应力满足所选材料的强度要求。结果表明所设计行星轮系具有合理性和可行性。最后绘制出CAD二维零件图及装配图。关键词： 行星轮系 传动机构设计 Design of the Planetary Wheel Mining vehiclein the deep sea bedAbstract：The running mechanism of the planetary wheel is composed of 4 groups of planetary gear train, which is equal to the propulsion of the round of 88. Along with the difference of the acting force of the wheel to the ground, the propulsion train may evolve into the dead axle trains or the planetary gear train correspondingly. The analysis of the statics and kinematics indicate that the more the structure size of the planetary gear train the gauge and the tire diameter, and the structure size of the chassis the center of mass to the front axles distance.In this paper, the walking speed of 0.1 m / s, body weight of 4 t, body size 4 2 1.5m of these conditions on the planet round of the transmission mechanism size specific design. Pro / ENGINEER 3-D graphics software make the planetary gear planes, drive shaft, and other major modeling agencies, ANSYS software applications built on the model of stress and deformation analysis , The largest force that point and the most deformation, the maximum stress the selected material to meet the strength requirements. The results show that the planets round of the reasonable and feasible. Finally drawn 2D CAD parts and assembly plans.Key Words： planetary gear train transmission design1.行星轮越障机构构想我国的结壳资源调查研究工作起步较晚，目前正在做海底采矿系统车辆的研究工作，海底结合表面为典型的山地地形，结构复杂，地形起伏从几厘米到几米，其中还有直径较大的卵石，还有崎岖不平的熔岩流地带。因此这对采矿车的行走性能提出了很严峻的考验，海底车辆的行走机构必须能够克服不规则的的崎岖复杂的海底路面，具有良好的越障，爬坡还有防翻滚的能力。另外海地车辆携带采掘头、破碎机、分选装置、动力站、电子设备和软管及电缆行走于地形恶劣的海山上，对其行走机构的强度和承载能力的要求也是十分苛刻。本文参考借鉴上述几种针对复杂路面的行走方式，针对海底复杂地形和采矿要求，通过理论分析，设计计算行星轮式海底越障机构。为提升我国在海底采矿车辆研究方面提供技术参考。行星车轮不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动与越障运动之间的转换，因此作业时具有很高的可靠性，特别适合用在人类难以到达环境下作业的作业器上。所以，采用行星车轮的月球车能够适应凹凸不平，表层土壤松软的月球地表环境。图1.1 行星车轮原理示意图深海地形复杂底质多变，对行走机构的通过性能要求较高，行星轮式行走机构由4组行星轮系组成，相当于88驱动，行星轮系由3 个驱动轮组成，行走时2 个轮着地，整车相当于88 驱动。遇到障碍，当轮系中前行驶轮无法越障时，由定轴轮系系转变为行星轮系，行星轮架转动空转轮变为前行驶轮，原前行驶轮变为后行驶轮，后行驶轮变为空转轮，通过驱动轮在定轴轮系和行星轮系的的转换提高越障能力（图1.2）。图1.2 行星轮机构越障示意图图（1.3）为行星越障轮简图. 具体工作原理为:由直流电机8驱动中心齿轮5 转动,来带动过渡齿轮4 和驱动齿轮2进行转动,而驱动齿轮2 和车轮1 是固接在一起的,从而带动车轮1 绕驱动轮轴3转动。1.车轮 2.驱动齿轮 3.驱动轮轴 4.过渡齿轮 5.中心齿轮出 6.中心轴 7.系杆 8.动力输入图1.3行星越障轮简图行星越障轮在行驶时任意两个车轮接地,对于采用四个行星越障轮的海底车来说,实际上相当于八轮驱动。 行星越障轮式月球车在平坦地面行驶时,利用车轮快速驱动,其效率与普通轮式车辆相同。由于行星越障轮中的三个车轮都是驱动轮,因而有效地利用了行星越障轮的附着重量,而且较多的驱动车轮增加了车轮与地面的接触面积,降低了接地比压,从而提高了行星越障轮在松软地面的通过能力。驱动轮系随着地面对车轮1 作用力的不同,相应地演变成定轴轮系或行星轮系。当行星越障轮在平坦的路面上行驶时,受两个车轮同时着地的约束限制,系杆7不能转动只能随车沿路面平动,此时驱动轮系演变成定轴轮系,实现在平坦路面的快速行驶;当前进的车轮碰到障碍物而停止不前时,根据差动轮系传动比关系式,驱动轮系就演变成行星轮系,系杆7 带着另外两个车轮绕行星越障轮中心轴6 转动,实现翻越障碍的目的。行星轮系越障轮不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动与越障运动之间转换，因此作业时具有很高的可靠性。2.行星轮行走机构主要零件三维建模及强度分析21主要零件三维建模 图2.1 行星轮架（半边）图2.2 行星轮架（半边）图2.3 中心传动轴图2.4 过渡轴图2.5 驱动齿轮轴2.2 主要零件强度分析（1）中心传动轴分析中心传动轴作为整个轮系的动力输入，要求需要具有很强的抗扭转能力，通过计算中心轴输入的扭矩为5000N,在轴上加载扭矩后，分析结果见图2.6。图2.6 中心轴应力分析云图由图2.6，其受应力最大处在一侧与行星轮架安装的轴承位置，最大应力为87Mpa，材料扭转疲劳极限为200MPa，高于计算所得最大应力，故所设计的轴满足强度要求。（2）驱动齿轮轴分析驱动齿轮轴做你为安装轮胎并承载载荷，主要受到很大的径向力，轮系在越障是承受载荷最大，考虑到所受到冲击力，此时承受载荷按12000N输入，加入点在轴上安装轴承处，加载的力分别为6000N。由图2.7可知此轴所受应力最大处在内侧轴承处，约为136MPa，材料许用应力为355MPa，远远高于材料所受应力，故满足强度要求。图2.7 驱动齿轮轴应力分析（3）行星轮架分析以行星轮架越障瞬间进行分析，假设行星轮架匀速运动，在最下孔处加以3000N由轮胎传递回来的转矩和反5000N支撑反作用力，结果见图:图2.8 行星轮架应力分析云图由图2.8可知行星轮架所受最大应力为连接越障轮轴所在的行星轮架孔处，所受最大应力为22MPa，轮架选用铸造铝合金，许用应力为355MPa，远远高于材料所受应力，故行星轮架满足强度要求。结 论本文参考海底履带式，四驱式，复合机构业障机器人等几种针对复杂路面的行走方式，针对海底复杂地形和采矿要求，通过理论分析，设计计算行星轮式海底越障机构的行星轮系传动系统，得到如下结论：（1）行星轮式行走机构由4组行星轮系组成，相当于88 轮驱动。当车辆在较为平坦的路面上行走时，行走机构为定轴轮系，当遇到比较大的障碍时，驱动轮系可相应地演变成行星轮系进行越障。(2）通过在PRO/E中建模和ANSYS软件中进行分析表明所设计的机构满足强度要求。参考文献1 冯雅丽，李浩然编著. 深海矿产资源开发与利用. 北京：海洋出版社，2004.2 王俊杰，李力，陈金涛. 新型海山钴结壳作业车设计与仿真研究. 机械工程与自动 化.2007.23(4):13.3 王俊杰，李力.