毕业设计（论文）-AGV车辆转向机构设计

长春工业大学毕业设计目 录1 绪论11.1 自动引导车辆的概念11.2 AGV技术发展11.3 自动引导车辆发展31.4国内外AGV应用现状4 1.5论文研究主要内容 2 AGV转向机构总体方案设计82.1工作原理分析82.2转向总体方案设计92.2.1转向系设计92.2.2 转向系统的分类及组成102.2.2.1转向系统的分类102.2.2.2转向系统的组成123 AGV转向传动结构设计 3.1 转向油泵结构设计 3.2 转向减速器结构设计 3.3 AGV动力转向器结构设计4 关键传动零部件校核分析204.1 齿轮的设计和校核计算214.2 工作轴轴承的相关计算284.3 工作轴疲劳强度的计算314.4动力缸尺寸的计算31 4.5电机的计算 345 电气系统设计335.1控制总体方案设计335.1.1设计的基本依据。335.2.2总体方案的设计。365.2电气控制硬件系统设计375.2.1电气系统的基本组成375.2.2系统的硬件。375.2.3电气系统的设计。415.2.4电气控制软件系统设计41结 论44致 谢45参考文献46摘 要本文设计研究了一种新型AGV车辆的转向机构。该转向机构采用了自动引导小车的引导技术，与普通微型汽车的转向机构相结合。实现了无驾驶员时小车的自动转向，同时兼具一般车辆的转向操控性能。根据设计要求，本转向系统由机械式转向器，转向助力缸，转向齿轮油泵，转向油箱，以及电机减速箱等组成。这些部件根据设计原则，被合理选用以布置在狭小的空间之内。自动转向部分采用了直流伺服电机的控制系统，简单方便，技术成熟，经济性好。单片机的应用使得电控系统简单而功能强大。基于机器视觉引导的新型AGV车辆的转向系统机构设计，应考虑其应用条件，技术特点，加工制造成本，使用维护费用和安全可靠运行等要求进行综合分析后确定，既要兼顾技术与经济相结合的原则。关键词： 转向机构 转向油泵 自动转向 直流伺服 全套图纸加扣 3012250582Abstract This thesis designed the turning mechanism of the new automated iegautomated guided vehicle which was mixed of the turning mechanism on simple tiny vehicle.It achieved the function -automated turning direction ,and this mechanism also contained the manipulation performance on simple vehicle. According to the design demand , the turning mechanism was composed of the mechanical turning module, the auxiliary tub ,the gear oil pump,the oil box,the electric machinery gearbox and so on.These components were fixed up in narrow room according to the design principles.The design of system structure to the new AGV vehicle based on machine vision guidance, should consider its application conditions, technical characteristics, manufacturing cost, maintenance cost and safe and reliable operation of comprehensive analysis to determine the requirements, it is necessary to take into account the combination of technology and economy principle.Keywords：turning mechanism , power steerig pump automated turning , electric machinery control III 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 自动引导车辆的概念11.2国内外AGV的应用现状11.3 论文研究主要内容62 AGV转向机构总体方案设计72.1工作原理分析72.2转向总体方案设计82.2.1 转向系设计要求82.2.2 转向系统的分类93 AGV转向传动结构设计123.1 转向油泵结构设计123.2 转向减速器结构设计153.3 AGV动力转向器结构设计174 关键传动零部件校核分析224.1齿轮的设计和校核计算224.2 工作轴轴承的相关计算284.3工作轴疲劳强度的计算314.4动力缸尺寸的计算324.5电机的计算335 电气系统设计355.1控制总体方案设计355.1.1设计的基本依据355.1.2总体方案的设计375.2电气控制硬件系统设计385.2.1电气系统的基本组成385.2.2系统的硬件395.2.3电气系统的设计425.2.4电气控制软件系统设计43结 论46致 谢47参考文献48 1 绪 论1.1 自动引导车辆的概念研究始于20世纪50年代初美国 Barrett Electronics公司开发出世界上第一台自动引导车辆系统（Automated Guided Vehicle System，AGVS）。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂与SchiinderDigitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。 由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。20世纪80年代，伴随着与机器人技术密切相关的计算机。电子、通信技术的飞速发展，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中各种具有广阔应用前景和军事价值的移动式机器人受到西方各国的普遍关注。它的研究方向包括驾驶员行为分析，极端情况下的自主驾驶，车辆运动控制系统，交通监控、车辆导航及协作，主动安全系统等方面。 自动导向车(AGV)是采用自动或人工方式装载货物，按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车至指定地点，再用自动或人工方式装卸货物的工业车辆。按日本JISD6801的定义：AGV是以电池为动力源的一种自动操纵行驶的工业车辆。自动导向车只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，与自动导向系统、自动装卸系统、通讯系统、安全系统和管理系统等构成自动导向车系统(AGVS)才能真正发挥作用。1.2国内外AGV的应用现状 AGV产品所涉及的关键技术主要包括：引导技术(Navigation Techniques)、控制技术(Control Techniques)和电源技术(Power Techniques)三个方面。1.引导技术现在已被探索研究和开发应用的引导方法主要有：电磁感应法(Inductive Guide-Path)、光学引导法(Optical Guide-Path)、化学引导法(Chemical Guide-Path)、磁感应法(magnetic Guide-Path)、位置推断法(Dead Reckoning)、参考标志法(Beacon System)、惯性导航法(Inertial Navigation)和图像识别法(Direct Imaging)等。表1-1 AGV所应用的引导技术的统计结果引导技术电磁感应惯性导航光学检测位置设定激光检测图像识别应用比例32.827.816.913.87.691.542.控制技术 随着计算机控制技术的应用和多种高精度传感器的实用化，其他各种引导技术也不断成熟和应用。根据对国外十几家生产AGV公司的27个系列产品所应用的主要引导技术的统计结果（如表1.1所示），可以明显看出，电磁感应引导技术所占的应用比例最高，这表明该项技术已经十分成熟，应用也就最多。而图像识别引导技术应用的比例还很少，因此，该项技术还需要深入研究。 计算机硬件技术、并行与分布式处理技术、自动控制技术、传感器技术以及软件开发环境的不断发展，为AGV的研究与应用提供了必要的技术基础。人工智能技术如理解与搜索、任务与路径规划、模糊与神经网络控制技术的发展，使AGV向着智能化和自主化方向发展。AGV的研究与开发集人工智能、信息处理、图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通讯、机械设计和电子技术等多个学科，成为物流自动化研究的热点之一。 3.能源技术 AGV运行消耗的能源一般由蓄电池提供，蓄电池容量的确定是AGV设计中的重要参数之一，他的选择应保证车辆在规定的作业方式和工作时间内提供足够的能量。目前，用于AGV的蓄电池有两种类型：铅-酸蓄电池(Lead Acid)和镍-镉蓄电池(Nickel Cad)。其中，铅酸型蓄电池所占的比例很大，除电池本身特性外，AGV使用过程中的充电技术也是一个很重要的因素。 尽管对AGV的研究已有多年的历史，但仍有多项关键技术还有待提高和突破，以进一步提高AGV的性能，降低制造成本和减少使用费用。本文所述AGV主要用于工厂物流系统，是在已知环境中，根据任务需求并按照一定的导向方式，完成相应的物料运输任务。因此，导向与控制方式是其核心问题。 自动引导车辆系统是以AGV为主要运载工具， 由路径引导系统、自动装卸系统、信息通讯系统、安全保障系统和管理控制系统等构成的物料运输系统。AGV只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，构成AGVS才能充分发挥作用。 20世纪50年代初期，美国Electronics公司研究开发了世界上第一个自动引导车系统(AGVS)。1954年，在South Carolina州Columbia市的 Mercury Motor Freight公司投入运行使用。这个系统的AGV采用埋线式电磁感应路径引导方式和真空电子管元件控制器，是无人驾驶的车辆牵引系统(Dragger System)。这一时期的AGVS主要应用于仓库的物品运输，其目的是为了提高仓库的自动化水平。但此时AGV产品开发中，控制器的体积过大，控制能力有限以及其他因素，制约了AGV产品的技术进步。20世纪60年代和70年代，控制器首先晶体管化，后来又采用集成电路，不但使控制器的体积缩小，而且大大提高了控制器计算能力。但这种车载电子机构(On-board Electronics)控制器的性能很难适应于复杂的工业化物流系统的要求。因此，在美国仅有限的物流系统采用自动牵引车辆系统，AGV产品的技术进步仍然很慢。与此相反，在欧洲AGVS的研究得到迅速发展，应用领域也扩展到了工业生产领域。80年代以来，在国际市场上，许多产品出现了供大于求的局面，产品之间的竞争加剧，同时用户对产品的种类和式样的需求也日益多样化，这些变化促使企业开始寻求高效、快捷、灵活的生产方式以提高效率、降低成本和提高市场应变能力。由于AGVS能自动完成运输作业，可以灵活更改运输线路，因此可以在同一条生产线上装配出不同的产品，并且当产品需要环形或调整产量时，装配线的重组成本低、时间短，适应快捷的现代生产需要，因此许多企业开始采用若干AGVS为运载工具的柔性制造系统FMS(Flexible Manufacture System)，柔性装配系统FAS(Flexible Assemble System), AGVS的应用在发达国家得到迅速发展。目前各种形式的AGV已经在汽车制造业、机械加工、钢铁生产、食品加工、化工等行业得到应用，并在港口码头、仓储中心、图书馆等场所也有了广泛应用。在荷兰鹿特丹港口，“Yard Tractor”完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工作。荷兰政府正考虑在南部沿已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。图1-1为AGV的应用场景图片。 （a） AGVS用于机械、汽车等行业的装配线和生产线 （b） AGVS用于造纸厂的纸张运送 （c） AGVS用于饭店、试验室、医院图1-1 AGVS的应用场景20世纪80年代中期，AGV的75%用于汽车制造业，而西德的比例高达64%。通过表1.2不难看出，90年代汽车制造业仍然是AGV的主要应用领域。表1-2 20002004年AGV在国外各个行业的应用情况 （%）汽车制造 航空国防电子行业服务行业工程机械其它 200027.210.612.120.78.720.7200117.69.912.3218.620.6200228.19.212.521.38.620.3200328.68.512.621.68.620.1200429.17.912.8228.619.6我国对AGV的研究应用与国外相比起步较晚。1975年北京起重运输机械研究所研制成我国第一台电磁引导式AGV。20世纪80年后期，北京机械工业研究所为二汽研制了立体化仓库中使用的AGV；北京邮政科学研究所规划院也研制出AGV。20世纪90年代，清华大学的国家CIMS工程中心将从国外引进的AGV成功的应用于CIMS的实验研究；沈阳自动化研究院为金杯汽车厂生产了9台AGV用于发动机生产线。清华大学计算机应用系也研制了应用于邮政中心的AGV。原吉林工业大学智能车辆课题组织主要从事视觉导航车辆的研究，先后开发出JUIV-I、JUIV-II视觉导航智能车辆实验平台，最近又开发了面向工厂实际应用的JLUIV-III型视觉导航AGV，并在一汽集团JETTA轿车变速器装配线进行了中试。1.3 论文研究主要内容本次新型AGV是基于普通AGV原理加以改造成类似一般微型车辆并具有自动自动引导功能。新型AGV由车体、驱动/转向装置、控制箱等组成。V-AGV的主要功能要求和性能指标同其它的AGV相同，但是引导方式的不同。本次课程设计的自由引导车辆的相关课题内容为：1.根据视觉引导车辆的应用要求在有限的空间内设计一工作可靠、灵活的转向驱动系统；2.设计转向驱动系统的机械结构3设计、选择转向驱动系统的电气元件；4.本次开发的系统应能够装车运行。该视觉导航AGV工作性能参数如下： 工作运行速度：5Km/h 最高行驶速度：11.3Km/h 最小转弯半径：0.75米 有效避障距离：0.5-3米 可识别分支路径：20条 可识别工位数：80个 运行控制方式：自动或遥控 远程调度管理方式：中央计算机集中数传通信控制39 2 AGV转向机构总体方案设计2.1工作原理分析本文设计研究了一种新型AGV车辆的转向机构。该转向机构采用了自动引导小车的引导技术，与普通微型汽车的转向机构相结合。实现了无人驾驶时小车的自动转向，同时兼具一般车辆的转向操控性能。根据设计要求，本转向系统由机械式转向器、转向助力缸、转向齿轮油泵、转向油箱，以及电机减速箱等组成。这些部件根据设计原则，被合理选用以布置在狭小的空间之内。自动转向部分采用了直流伺服电机的控制系统，简单方便，技术成熟，经济性好。单片机的应用使得电控系统简单而功能强大。基于机器视觉引导的新型AGV车辆的转向系统机构设计，应考虑其应用条件，技术特点，加工制造成本，使用维护费用和安全可靠运行等要求进行综合分析后确定，既要兼顾技术与经济相结合的原则。同时，由于把一般AGV的一些功能植入普通车辆并加以改造，重点注意车体的体积要小，减少整车重量，增大承载能力，因此在狭小空间内要合理布置系统的各个部分，并加以优化。而基于这个前提，考虑到在选择转向机构各组成部分或者机械零部件材料时，优先采用重量轻性能好的产品，以更好的适应处于实验阶段的自动引导车辆。此外，区别于工厂柔性生产系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和物流中心(Logistic Center)等领域物料运输的基于视觉引导的自动车辆，本次的新型AGV应充分考虑驾驶员的感受，因此尝试把人体工程学的一些理念加入转向机构的设计之中。 本次设计车辆的主要优点:1. 路径设置简单、灵活、成本低，便于维护与改线，为车辆实现长距离、变路径导航提供了现实可行性。2. 由于路面图像是两维平面图像，且路径识别仅需边缘检测，因此可以实现很高频率的路径识别，从而为车辆实现更高速度的自动引导创造了必要前提。3. 采用图像处理技术可以很方便地识别多停车工位和多分支路径，从而克服了埋线磁导航和激光导航的AGV多工位、多分支路径识别的困难。4. 采用图像识别技术可以方便地获取车辆的多种运动偏差，从而为设计多输入反馈最优导向控制器提供了一种经济且有效的途径。5. 由于视觉导航不受电磁场和遮挡物的影响，所以比埋线磁导航和激光导航AGV有更佳的环境适应性。6. 车辆具有自动避障、自动报警、自动上线和无线通讯等人工智能。2.2转向总体方案设计2.2.1 转向系设计要求汽车在行驶时，经常需要改变行使方向。汽车上用来改变汽车行使方向的机构称为汽车转向系。汽车行驶方向的改变是由驾驶员通过操纵转向系来改变转向轮（一般是前轮）的偏转角度来实现的。转向系不仅可以改变汽车的行驶方向，使其按照驾驶员规定的方向行驶，而且还可以克服由于路面侧向干扰力是车轮自行产生的转向，恢复汽车原来的行驶方向。对转向系提出的要求有：1） 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。2） 汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。3） 汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。4） 转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。5） 保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。6） 操纵轻便。7） 转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。8） 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。9） 在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。10） 进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。2.2.2 转向系统的分类转向系统按照能源的不同，汽车转向系统又分为机械转向系统（人力转向系统）与动力转向系统（助力转向系统）两大类。机械转向系统完全依靠驾驶员的手力操纵，转向系统所有机件都是机械的。动力转向系统实际上是一种助力转向系统，即转向系统兼用驾驶员手力和发动机动力作为操纵能源。在正常情况下，汽车转向系统的操纵能量，只有一小部分由驾驶员提供，大部分能量是由发动机通过转向加力装置提供的。本次设计选用动力转向系统。动力转向系统是由机械转向系统加转向加力装置组成。转向加力装置包括转向油罐，转向油泵，转向控制阀，转向动力缸等机件。转向油泵由发动机动力驱动，以产生助理高压油液。当驾驶员逆时针方向转动转向盘时，转向摇臂将拉动转向转向主拉杆向前运动。主拉杆的拉力作用在转向节臂上，一方面使左侧转向节及左侧转向轮绕主销向左偏转一个角度，另一方面又通过梯形臂和转向横拉杆使另一侧转向节与转向轮也绕该侧转向主销偏转一定角度。这时汽车将向左转向。与此同时，转向主拉杆还带动了转向控制阀1中的滑阀移动，使转向动力缸的左腔接通转向油泵的出油口，右腔通过转向控制阀与转向油罐接通转向动力缸的活塞所受的向右液压作用力便经其推杆也作用在转向横拉杆上。由于液压力较大，便在很大程度上减轻了驾驶员的操纵力。图2-1 动力转向示意图1- 方向盘；2-转向轴；3-转向中间轴；4-转向油管；5-转向油泵；6-转向油罐；7-转向摇臂；8-转向横拉杆；9-转向摇臂；10-整体式转向器；11-转向直拉杆；12-转向减振器。动力转向按其传力工作介质，可分为液压式和气压式两种。液压式动力转向是以油泵产生的高压液体作为动力。齿轮式油泵用得较多，也有采用叶片泵或柱塞泵的；油液多用锭子油。由于液压式的工作压力高和油液的不可压缩性，液压式动力转向缸尺寸小，结构紧凑，重量轻，灵敏度高。同时，因油液黏度产生的阻尼作用和润滑性能，液压式动力转向可以吸收路面冲击，减轻驾驶员的疲劳，而且不需要润滑。因此，液压式动力转向虽然结构复杂，加工精度高，密封要求严，但仍能得到广泛的应用。空气式动力转向以压缩空气为动力。由于工作压力较低，为获得同样大小的力，动力缸尺寸和重量要求比液压式增大。同时，由于气体的可压缩性和低温时空气中水分容易结冰，气压式动力转向的灵敏度和安全，可靠性都较差。因此气压式动力转向现已很少采用。因此本次课程设计的自由引导车辆选用液压式动力转向系统，且此转向系统具有以下优点：1） 工作压力高，一般可达到3924至8000KPa。2） 外廓尺寸较小，容易布置，安装方便，一般不易在不改变原车结构的情况下即可安装使用。3） 转向灵敏度高，操纵轻便，施与方向盘上的力较小，减轻了驾驶员的劳动强度。4） 安全可靠，当液压系统出现故障时，驾驶员仍可靠体力安全转向。5） 使汽车保持直线行驶，松开方向盘保证车轮能自动回正。6） 路感性能好，不会因省力而发飘。7） 能吸收路面对前轮产生的冲击，减轻了方向盘所受到的反冲击力和“打手现象”。8） 能有效地减轻前轮摆振。3 AGV转向传动结构设计3.1 转向油泵结构设计转向油泵是液压式动力转向装置的主要动力，其作用是将发动机输入的机械能转化为液压能向外输出。转向油泵有齿轮式，转子式，和叶片式等数种。 转向泵是汽车动力转向系统的能源，是一个关键部件，她的性能及可靠性，关系到能否准确，轻便地实现转向和行驶安全，所以还必须满足以下几点要求。1） 保证汽车有适当的转向速度。2） 转向应轻便，这就要求油泵有足够的工作压力。3） 高可靠性。转向油泵的使用工况比一般工程用泵的工况要复杂的多，高速高压，高速低压，低速高压，低速低压的工况交替出现，油温变化剧烈且范围较大，所以必须具有高可靠性。本次设计选用啮合齿轮式转向油泵。在国内外汽车动力转向系统中应用最多的是外啮齿轮式转向油泵。转向油泵的使用技术条件是：体积小，质量轻，驱动噪声小，在100摄氏度左右的高温条件下能充分发挥性能，在寒冷季节启动性能好，能耐受高速。转向油泵的流量和压力是通过泵体内的相应阀门进行调整的流量调整的目的是使泵的排量限制在规定的流量范围内，并使剩余的油液回流到油箱内。调压的目的是限制油泵油压，保护油压系统，防止操作机构受力过大。流量调整阀和调压阀为一体式。流量值的大小由调整节流孔的大小来控制，压力值的调整是通过增减压力调整弹簧的弹簧力来实现的。图3-1 齿轮式转向油泵齿轮式转向油泵的顶部的右孔口为进油口，左孔口为出油口。主动齿轮和从动齿轮均与轴制成一体，二者的轴径用轴套支撑在泵体，泵盖上，左侧两轴套的轴向位置是固定的，右侧两轴套则可以沿轴向浮动，称之为浮动轴套。限制齿轮油泵的轴向间隙，以提高油泵的容积效率和工作压力较先进的结构措施之一，即是采用浮动轴套。在转向油泵中，浮动轴套凸缘的背面与泵盖之间留有一个密闭空间，经泵体上的小油孔与泵腔中压力较高的区域相通，其中还装有弹簧片。油泵不工作时，浮动轴套在弹簧片的作用下压靠到齿轮端面。油泵开始运转后，泵腔液压作用力便使浮动轴套外移少许，形成轴向间隙。但此时浮动轴套凸缘背面也受到液压作用力，因为在设计上保证了浮动轴套背面的液压作用力与弹簧力之和略大于其正面液压作用力，所以当油泵压力升高而使轴向间隙增大时，浮动轴套可在液压和弹簧作用下内移，对间隙量加以补偿。油泵压力愈高，这一补偿作用愈强，这就是对齿轮油泵轴向间隙的“液压补偿”方法。零件磨损所致的间隙增量则由弹簧片随时补偿。每个齿轮两轴径的端面处各有一个漏泄油腔，这四个油腔借泵体上的孔道和齿轮中心孔道互相连通，自齿轮端面处的轴向间隙漏泄出来的油液在润滑各摩擦面之后流到这些油腔中。漏泄油腔中的压力受控于由球阀门，弹簧及螺塞所组成的单向阀，单向阀进油口与固定轴套一侧的漏泄油腔相通，出油口则与油泵进油腔连通。当漏泄油腔压力高于一定值时，单向阀即开启，使油泵内部润滑循环油路接通。该转向油泵内安装有流量控制阀和安全阀。差压式的流量控制阀装在油泵进油腔和出油腔之间，与油泵齿轮副并联。安全阀位于流量控制阀内。流量控制阀内的柱塞在弹簧的作用下处于下极限位置，柱塞下方通油泵出油腔，上方通油泵进油腔。在油泵出油腔与进油腔之间有量孔，当油液自出油腔以一定的速度流过量孔时，由于量孔的节流作用，量孔外侧的进油腔压力低于量孔内侧的出油腔压力。油泵流量愈大，量孔内外压力差则愈大。当油泵流量增大到一定值，柱塞两端压力差的作用力足以克服弹簧的预紧力，并进一步压缩弹簧，将柱塞向上推到柱塞下密封环带高于径向油孔的下边缘时，油泵出油腔即与进油腔相通。此时出油腔中的一部分油液便经流量控制阀流到进油腔，因而经量孔输出的流量减小。流量减小到一定值以下时，量孔内外两侧的压力差不足以平衡弹簧的弹力，柱塞被弹簧推下，重新切断进油腔与出油腔之间的通道，流量便又逐渐增大。如此反复，转向油泵的流量便被限制在一定的流量范围内。 安全阀借助螺纹固定在流量控制阀柱塞上端。球阀门及弹簧所处的柱塞内腔与油泵进油腔相通，球阀门上方油腔经泵体内的油道通向量孔外的进油腔。油泵输出压力升高到规定的最高值时，球阀开启，将进油腔与出油腔连通，油泵输出压力即降低。转向油泵结构图如下：图3-2 转向油泵结构主视图图3-3 转向油泵结构侧视图3.2 转向减速器结构设计因为本次设计的新型AGV要包含自动转向的部分，所以要用电机作为驱动，通过减速箱-离合器等带动转向轴模拟驾驶员操纵方向盘实现转向。因此，设计的减速箱应达到传动比要求。而且此减速箱应力图使其尺寸较小以合理布置在狭小的空间内。由于采用直流伺服系统的国内直流电机一般体形较大，重量较重，不满足本次设计的设计原则，所以我选用LS系列低速直流伺服电机。 低速直流伺服电机是一种小体积、低转速、大转矩的特种控制电机，其由多级特种钢制减速器与伺服直流马达组成，尺寸小、重量轻、转速低、结构紧凑而转矩极大，特别适用于空间有限而又要求大转矩工作的特殊场合。 低速直流伺服电机同时还与过载保护离合器和制动器相结合，大批量应用于机器人驱动装置，自动翻转控制机，构电动机械手以及车载自动装置。电机减速器结构图如下：图3-4 电机减速器主视图图3-5 电机减速器侧视图3.3 AGV动力转向器结构设计 转向器的功用是将驾驶员加在转向盘上的力矩放大，并降低速度，然后传给转向传动机构。汽车上采用许多种结构形式的转向器，如齿轮齿条式，循环球-齿条齿扇式，循环球-曲柄指销式和蜗杆指销式转向器。 本次设计选用齿轮齿条式转向器，齿轮齿条式转向器由与转向轴做成一体的齿条组成。与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单，紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部，靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙。这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用的体积小；没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大；制造成本低。图3-6 齿轮齿条式转向器现代汽车的齿轮齿条式转向器有两种类型：一种是手控转向装置；另一种是动力转向装置。配有动力转向齿轮齿条式转向器的车辆，增加了液力泵和液压动力缸，在转向器小齿轮转向轴上装有液压控制阀。为了使齿轮齿条式间始终无间隙啮合，通过弹簧和齿条压块，对齿条有一定的压力。压力过大会造成转向不灵活和齿轮齿条磨损过大，因此装有调整垫圈来调整压力。齿轮齿条式转向器由一套传动副组成，即齿轮齿条传动副。转向器壳体由螺栓固定在车架上。转向齿轮垂直地安装在壳体左部。其上端通过柔性万向节连接板与转向操纵机构中的柔性万向节连接，与转向齿轮啮合的齿条一起呈水平布置。弹簧通过导向座将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合状态。转向齿条的右端装有连接叉与转向传动机构相连。为避免齿条移动使左右防尘套内气压不平衡而产生附加转向阻力，在转向器壳体钻有通气孔，将两端的防尘套内腔接通。 齿轮齿条式转向器的主要缺点是：因逆效率高（60%-70%），汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘，称之为反冲。反冲现象会使驾驶员精神紧张，并难以准确控制汽车行驶方向，转向盘突然转动又会造成打手，对驾驶员造成伤害。 本次的齿轮齿条式转向器采用的是斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条相啮合，这样可以使重合度增加，运转平稳，冲击与工作噪声均下降，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角易于满足总体设计的要求。如果采用直齿圆柱齿轮与直齿齿条啮合，则运转平稳性降低，冲击大，工作噪声增加。此外，齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，为此与总体布置不适应而遭淘汰。 本次设计的液压动力转向装置是将转向控制阀与机械转向器组合成一个部件，将转向动力缸作为独立部件，因此也可以称这次的转向器为半整体式动力转向器。 其中，位于动力转向器上部的转向控制阀组件，主要由阀体，阀芯及扭杆组件等组成。控制阀阀体呈圆桶型，其外圆柱形表面上，制有三道较宽且深的油环槽和三道较窄且浅的密封环槽。油环槽的底部开有与内壁相通的油孔，中间油环槽的四个油孔直径较大，是进油通道，与转向液压泵相通；两侧油环槽各有四个直径较小的油孔，分别与动力缸的左右腔相通。密封环槽用于安装密封圈组件。阀体的内表面制有8条不贯通的纵槽，形成8道槽肩。在阀体下部内表面固定有锁销，次锁销的外端埋在外圆表面以下，内端伸出少许，与扭杆组件下端轴盖外圆上的缺口相配合，是二者都不能相对转动。转向螺杆上端的法兰部分的外圆滑配在阀体的下端止口中，阀体的下边缘开有矩形缺口，此缺口与转向螺杆用锁销相配合，形成阀体和驱动螺杆的传力连接。阀芯也制成圆桶型，其外圆表面与阀体滑动配合，二者可以相对转动。阀芯与阀体配合间隙很小，配合精度很高，二者组成偶件，不可单独更换。阀芯外表面上也制有八条不贯通的纵槽，形成八道槽肩，分别与阀体的槽肩和纵槽配合形成液体流动间隙。在阀芯的不同槽肩上开有四个等间隔的径向通孔，用以流通液压油。阀芯的上端外表面开有环槽，用来安装O型密封圈。阀芯下端的内圆柱开有一个缺口，短轴下端安装的锁销既插入此缺口中，以保证短轴和阀芯的同步转动，而不发生相对角位移。阀芯和短轴留有较大的径向间隙，用以流通回流的油液。在动力转向器上部设有进油口和出油口，通过油管分别与转向液压泵和转向油罐想连接。在进油口处设有进油阀座和止回阀，进油口与阀体的中间油环槽相通。出油口和短轴与阀芯形成的回油腔相通。在转向器壳体上开有两条贯通的油道，一条上端与阀体的下油环槽相通，下端与动力缸上腔相通；另一条上端与阀体的上油环槽相通，下端与动力缸的下腔相通。当汽车需要左转弯时，转动转向盘使短轴逆时针转动，并通过短轴下端锁销带动阀芯同步转动。同时，作用在转向盘上的转矩通过具有弹性的扭杆传给下端轴盖，下端轴盖边缘上的缺口通过固定在阀体上的锁销带动阀体转动，阀体通过其下端缺口和锁销，把转向力矩传给螺杆。由于转向阻力矩的存在，要有足够的转向力矩才能使转向螺杆转动。这个力矩促使扭杆发生弹性扭转，造成阀体的转动角度小于阀芯的转动角度，两者产生相对角位移，通下动力腔的进油缝隙减小（或封闭）回油缝隙增大，油压降低；通上动力腔的进油缝隙增大而回油缝隙减小（或关闭），油压升高。齿条-活塞便在上下腔油压差的作用下移动，产生助力作用。此时来自转向液压泵的压力油通过槽隙流向动力缸上腔动力缸下腔的油则通过阀体径向孔，槽隙，阀芯径向孔和回油口流向储油罐。汽车右转弯时，转阀的工作情况基本上与左转弯时相似。不同的是由于转向方向相反，造成的阀体与阀芯的角位移相反，齿条-活塞下腔压力升高而上腔油压降低，产生向右的转向助力。动力转向器结构图如下：图3-7 动力转向器机构主视图: 图3-8 动力转向器机构侧视图4 关键传动零部件校核分析 关键零部件概述：本次设计主要需要计算与校核的零部件有齿轮、工作轴轴承、动力缸、电机。4.1齿轮的设计和校核计算第一对齿轮：(1)大小齿轮材料用40MnB，表面淬火，齿面硬度4855HRC。 由工作轴转速为15 r/min，电机输出转速220 r/min 得减速箱总传动比为i=220/15=14.67,初选第一对齿轮的传动比，取小齿轮齿数,(2) 齿根弯曲疲劳强度设计闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故现按弯曲强度设计，验算接触强度。 确定式中各数值：因载荷有轻微冲击，有使用系数查得=1，初选载荷系数=1.5；=9.55 Nmm=1.88-3.2（+）=1.88-3.2()=1.65=0.25+=0.70选取=0.7查表得 =60njL =6022010.2830010=3.16 =/3=1.05查表得 Y=0.95，Y=0.98选 S= 1.25 按齿面硬度均值51HRC,查表得 =450MPa =342MPa 同理， =353 MPa =0.0128 同理，=0.0111 所以，取前者设计齿轮。设计齿轮模数：将确定后的各项数值代入设计公式，求得： = =0.55mm修正： =0.12m/s查表得 则: K=KKKK =1.32m=m=0.53mm考虑到磨损，选用m=1.25的标准模数确定齿轮几何参数d=m Z=1.2519=24mmd=m Z=1.2557=66mma=45b=240.7=16mm 取=16，=14校核齿面接触疲劳强度由弹性系数表查得Z=189.8由节点区域系数图查得由接触强度重合度系数表查得 由接触强度的寿命系数图查得=1.15在齿轮的接触疲劳极限系数图中，按齿面硬度均值51HRc，在MQ和ML线之间查出 =由最小安全系数参考值表查得 .25 =933 =975 取前者作为强度条件。将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得 =387 M Pa所以满足齿面接触疲劳强度。第二对齿轮：(1)大小齿轮材料用40MnB，表面淬火，齿面硬度4855HRC。 ，取小齿轮齿数,(2) 齿根弯曲疲劳强度设计闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故现按弯曲强度设计，验算接触强度。 确定式中各数值：因载荷有轻微冲击，有使用系数查得=1，初选载荷系数=1.5；=9.55 Nmm=1.88-3.2（+）=1.88-3.2()=1.67=0.25+=0.70选取=0.8查表得 =60njL =6073.310.2830010=1.05 =/3=2.15查表得 Y=0.98，Y=1.00选 S= 1.25 按齿面硬度均值51HRC,查表得 =450MPa =353MPa 同理， =360 MPa =0.0128 同理，=0.0108 所以，取前者设计齿轮。设计齿轮模数：将确定后的各项数值代入设计公式，求得： = =0.79mm修正： =0.055m/s查表得 则: K=KKKK =1.32m=m=0.76mm考虑到磨损，选用m=1.5的标准模数确定齿轮几何参数d=m Z=1.518=27mmd=m Z=1.588=132mma=79b=270.8=21.6mm 取=23，=21校核齿面接触疲劳强度由弹性系数表查得Z=189.8由节点区域系数图查得由接触强度重合度系数表查得 由接触强度的寿命系数图查得=1.30在齿轮的接触疲劳极限系数图中，按齿面硬度均值51HRc，在MQ和ML线之间查出 =由最小安全系数参考值表查得 .25 =975 =1102 取前者作为强度条件。将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得 =439 M Pa所以满足齿面接触疲劳强度。4.2 工作轴轴承的相关计算 根据工况选用正装的两个圆锥滚子轴承，型号为30207E，已知齿轮受圆周力326N，径向力150N，轴向力100。 图4-1 轴承受力分析（1） 计算轴承承受的径向载荷R1和R2将轴系部件受到的空间力系分解为水平面和铅垂面两个水平力系。由力分析可知：水平支反力： 铅垂支反力：合成支反力：= =140.6N= =241.1N（2） 计算轴承承受的轴向载荷和查设计手册，30207E轴承的C=51.5KN，=37.2N对于此类轴承，查得派生轴向力的计算公式为S=R/（2Y）；由机械设计手册查出Y=1.6，e=0.37。 由于，因为n=3,故A-A截面的疲劳强度是足够的。4.4动力缸尺寸的计算动力缸的主要尺寸有动力缸的内径，活塞杆直径和动力缸壳体壁厚。动力缸应产生的推力F用下式计算