4164立躺姿势可调式自行车设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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青岛滨海学院毕业设计 1 前 言 自行车在我国是很普及的代步和运载工具。 它到今天已经有两百多年的发展历史，同时，自行车也被认为是环保交通工具的代表。传统自行车的结构已基本定型，其市场也趋于饱和。 新型自行车结构的研发设计是自行车生产商提高市场竞争力的关键，但生产厂商主要在制造及管理过程中追求利润，不注重产品的创新 ,在产品的研发设计上与国际水平有着较大的差距。自行车产品设计的发展趋势应该是多品种、小批量、个性化的生产。在新产品的开发与研制中，创新的作用举足轻重且极富挑战性。越来越多的国内外人士已将目光投向产品创新与技术创新这一领域。本文 以自行车结构为设计对象，首先归纳了相关的创新思维和创新设计的理论及方法，分析了现代自行车的主要形式，为自行车创新设计奠定了理论基础。并介绍了新型自行车结构的设计过程，从人机工程学的角度，考虑自行车车架造型的创新设计。并在人机工程学和机械设计的基础上 ,采用了基于坐标尺寸的参数化设计 ,较好地解决了自行车车架设计中结构和形状上的问题。 随着社会的发展，人们生活水平的提高，人们从而可以花费更多的时间和金钱来改善自己的出行。本产品就是着力与娱乐、休闲方面进行设计的。其采用了与以往自行车不同的 车架 结构设计，让人 骑行时 更 加的舒适。本文全面介绍了所用到的材料及所用到的部件，主要包括自行车设计的技术经济指标，使用要求，设计步骤及相关的阻力的计算等。 由于时间紧促、资料不足，以及自己知识和经验有限， 设计和介绍中难免有不足之处，恳请 各位老师批评 指教。 立躺姿势可调式自行车的设计 2 1 自行车的总体设计方案 自行车的发明已经有两百多年的的历史了， 1790年，法国人西夫拉克研制成木制自行车，无车把、脚蹬、链条。车的外形像一匹木马的脚下钉着两个车轮，两个轮子固定在一条线上。由于这辆自行车没有驱动装置和转向装置，座垫低，西夫拉克自己骑在车上，两脚着地 ，向后用力蹬，使车子沿直线前进。 1817年，德国的冯德莱斯男爵发明了一种能自由活动的车把，使他的自行车转变比较方便。 1839年，英国一位工人 K麦克米伦首创了用曲轴机构驱动后轮的脚踏自行车，可使人在骑自行车时双足离开地面。 1861 年的一天，巴黎的马车和婴儿车制造商米肖父子修理德莱斯式自行车，修好后在坡道上试车时，感到这种车放脚很困难，于是对它进行了改进，在车的前轮上安上脚蹬曲轴，从而发明了米肖型自行车，不久这种自行车便开始大量生产。大概在 1870 年前后，法国的马执又制造了一种前面驱动轮大，后面从动轮小的自 行车，这种车的运行效果较好。 1890年后，英国的亨伯公司生产出一种用链条传动的、车为菱型的自行车，这种形式的自行车一直沿用至今。 自行车的形式经过两百多年的发展已经基本固定下来，虽然近几年有许多新式的自行车出现，比如折叠自行车和各种改装车，但应用并不广，一般只适用于某些特殊的场合和某些爱好者的需要，总的来说，传统的自 行车的使用仍非常普遍 。 统自行车的缺点 经过两百多年的发展，传统自行车的结构几经改变已趋近于完美。但是，事物有利总有弊，传统自行车仍然有一些无法避免的缺点 ： 于传统自 行车是直立型的，迎风面大，而且车手常常是弓着身体骑车的，逆风时阻力大，顺风时后背却是流线型的。 于结构原因，传统自行车的坐垫普遍较窄，对胯部压迫大，再加上后背弯曲，很容易造成腰部、颈部疲劳酸痛，另外把手的设计不当也会使手腕疲劳。 手各重要关节朝向地面，骑行摔倒时伤害较大。 别是对于公路车车手，在弓身骑车时，不太容易抬头看前方，同时如果一直抬着头，也会使颈部疲劳。 青岛滨海学院毕业设计 3 这些缺点这要是由于自行车的结构引起的，因此如果要改进的话就只能从结构上想办法，这也是 本课题的初衷。 体设计方案 综合传统自行车的结构和缺点，本课题讨论了各种对自行车的创新设计，主要有两种方案：一、后驱式躺式自行车；二、前驱式躺式自行车 。 计 方案分析 对于方案一，国外和国内的一些自行车爱好者对躺式自行车有一定的研究，也做出过一些实物，对于传统自行车的缺点有一定的改进，但同时也产生了不少问题。本课题的目标是做出设计一种躺式自行车，并作出三维的实体模型，论证躺式自行车的舒适性和使用价值。 方案二中的前驱应用较少，其中存在的有些问题难度较大，在普通自行车上应用前驱并没有太大优势 ，但是如果应用在躺式自行车上 ，因为躺式自行车的主动齿盘在前，离前轮较近，则前去有很大的优势。 总的而言，前驱与后驱动比较，两者各有优缺点： 后轮驱动的优点：操纵性好，转向灵活，能适合任何复杂的道路，和直立自行车一样操纵自如等。 后轮驱动的缺点：链条长，传动系统复杂，有效功率损耗大，重量大些等。 前轮驱动的优点：链条短，传动系统简单，有效功率损耗小，重量轻等。 前轮驱动的缺点：操纵性极差，转向不灵活，不能适合任何复杂的道路，特别是不适合市区的道路等。 从以上分析来看，前驱模式的自行车在广大城市的复杂交通没有优势 ，所以很难在普通使用者中普及。 因此本设计暂定选用后驱式的驱动。 此外躺式自行车与传统自行车比较仍有很多优点： 斜躺车的骑行速度已接近同价格的运动型公路车，能比较轻松的保持 25 30公里 /小时的速度，在人少的道路上可以保持 37 42公里 /小时，曾经瞬间最高速度已经达到 55公里 /小时。 斜躺车在骑行时，如同坐在躺椅上，不仅完全坐着，并且可以放松的靠在其靠背上面，还可以枕着头。这样的骑行姿势使得裆部、手腕不会受到恼人的压迫而引起的不适与疼痛，对于骑公路车 、山地车的朋友来说还立躺姿势可调式自行车的设计 4 同时解决了脖子疼痛的问题（再也不需要仰着头了）。尤其在长途骑行时更能突显其舒适的骑行感觉。 可靠，视野更好 直立式自行车要么顾了前方的，要么顾了眼前的，斜躺车的骑行姿势使得在骑行时的视野更开阔，不自觉的会看到至少 5米以外的东西，可以提前了解前方的路况，近处就不看了。在十字路口停车时，直立式自行车通常只放一个脚在地上，偏一边的 3点接触；这款车可以更快的更轻松的将双脚放在地上， 4点接触，这样更稳定更安全。 4. 摔车时，较直立式自行车摔得轻 直立式自行车摔车时因人体各关节 离地距离相比斜躺车高，所以会摔得重，而且会摔到好多个关节部位，你有手撑的机会，就可能骨折，还会摔到脸，一般要一周到数周时间恢复。斜躺车即便紧急刹车或出现严重的撞击，也不会出现如普通自行车那样向前翻车！最多不过是脚受伤，而不是头部受伤！从而大副度提高了安全的效果。因为臀部离地低了很多 ,所以也不会摔得很重，特别适合骑长途。 车效果更好 斜躺车的座椅较直立式自行车的高度降低了不少，加上舒适的骑行姿势而且还后移了重心，这样使得刹车效果也优于直立式自行车。因为大副提高了舒适度，所以特别适合骑长 途。 斜躺自行车的缺点： 斜躺式自行车的骑行姿势使得车身不会很短，重了些 ,当然档次决定分量，相比直立式自行车灵活性会稍差些 ,当然也和你的控车能力有关 ,平衡不是问题 , 所谓熟能生巧。骑斜躺式自行车的确能得到更多的骑行乐趣。 2 自行车设计的技术经济指标 自行车设计的基本任务是根据使用者的要求结合制造部门的可能性，创造性地运用有关科学技术和知识，设计出受用户欢迎的产品。因此，设计自行车时，首先应该选择合理的结构，同时还应符合有关技术经济指标的要求。社会对自行车使用的要求是多方面的，因此，自行车的技术经济指标包括 的内容也较多，这里就提出下列最常用的若干内容。 自行车属日用消费品，不同类型的自行车均有相应的使用寿命要求，因为自行车的易损零部件，在运转中要磨耗、变形或损坏，不但增加了维修工作量，甚至会失去使用价值。因此，设计自行车时应根据不同的使用要青岛滨海学院毕业设计 5 求，对寿命问题予以重视。 这是自行车设计者必须考虑的内容，随着车辆的增多和车祸的经常发生，国内外对自行车的行驶安全性越来越加重视， 国际自行车标准已有明确的安全标准要求，不符合安全要求的自行车严格禁止行驶。 因此，在产品设计结构上要保证达到安 全标准要求。 这是指自行车产品的系列化，部件通用化和零件标准化。在各企业都在大力开展新品种的新形势下，标准化工作就显得更为重要了， 目前我国自行车标准化主要存在二个问题，首先是国家标准未能完全很好的贯彻， 不少人认为只要达到自行车质量鉴定 40 项就行了，这是一种不全面的观点。 因此，我国自行车首先应当符合国家标准的要求，同时，要使新开发的产品符合标准化要求， 标准要先行，如果各厂由于没有明确标准就自行设计，待社会上形成一定数量后，再统一标准就困难了。因此， 产品设计，首先要查找和依据有关标准 。 自行车设计时要考虑加工工艺的合理性，特别批量生产的品种， 工艺合理性显得更为重要。所设计的自行车在保证使用要求的情况下，应该能用最少的工时，材料和加工费用制造出来。 同时， 自行车的外形应合乎比例、和谐平整、美观大方，以增加使用者对自行车的美观感。贴花、色彩等也是吸引消费者的重要方面。现在消费者购买自行车时，主要依据是牌号、价格、外形和美观程度。在自行车日趋饱和，市场竞争更加剧烈与的新形势下，产品设计工作对外形和美观的考虑与研究就更加重要了。 设计自行车中的每个零部 件时，必须保证足够的强度。任何一个零件在使用时都不应产生断裂损坏和发生的残余变形， 否则将不能正常地使用甚至引起事故。自行车如有过大的允许负荷能力，虽然能扩大其使用范围，但将使自行车零件的尺寸和强度随着增大，是不经济的，因此要合理选择而设计。 自行车制造成本能综合地表示出很多项技术经济指标的结果。例如重量、自行车制造工艺性、新工艺采用情况和标准化通用化程度等。成本的高低，表示了经济上是否合理，所以产品设计要有经济观点，十分重视和努力降低立躺姿势可调式自行车的设计 6 自行车制度成本 。 自行车既要有一定的刚 度，也要有相应的弹性，否则就会影响骑行性能和使骑行者容易产生疲劳，因此对架、前叉和 靠 座等主要部件都要与人的体形结合起来考虑，使之达到骑行舒适的要求。 自行车以人力驱动，所以在产品结构和传动速比，直至轮胎的形状和花纹都要符合轻快的要求，特别是轻便车，轻快的指标就更为重要。 3 设计过程 体初步设计 本设计中的躺式自行车 保持基本自行车的结构不变，增加略微倾斜的“躺式靠座” 以提高其舒适性 ，车轮仍然采用传统的自行车的标准车轮，车架结构需要重新设计，传动方式需要重新设计。 具体如下： 动方式选择 由于躺式自行车车身较低、较长，且为了方便脚蹬车和发力，齿盘和踏板应设计在自行车前端，虽然造成主动齿盘离前轮较近，离后轮较远，从而明显加长链条的长度，这对成本及效率都会有一定的影响。但是也大大简化了其转向传动机构的设计，因此，我们 最终决定 选择后驱式的驱动方式。 动方式设计 由于我们采用后驱方式，这样用于传动的链条会比较长，从主动齿盘传递动力到后轮有两种方式： 级变速结构复杂，需预留空间用于安装变速盘，且会降低传动效率以及使成本增加。而一级变速结构简单，也容易实现，设计合 适的导链轮即可解决链条太长引起的传动问题，同时，在后轮应用山地自行车的变速机构，这样也就使躺式自行车也可多级变速。 综合考虑，本设计采用一级变速传动。 以下是躺式自行车草图 （图 3： 青岛滨海学院毕业设计 7 图 3躺式自行车草图 主要部件的设计 条的设计 链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮（小链轮和大链轮）组成 （如图 3。通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。 链传动在机械制造中应用广泛。 图 3 链传动 与摩擦型的带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需要像带那样张的很紧，所以用于轴上的径向力较小；链条采用金属制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑，同时，链传动能在高温和潮湿的环境中工作。 与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本较低。在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便的多。 链传 动的主要缺点是：只能实现平行轴间的同向传动，运转时不能保持恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿，工作时有噪音，不宜用在载荷变化大、高速立躺姿势可调式自行车的设计 8 和急速反向的传动中。 自行车链条的传动属于链传动中的单排链 ,具有中间挠性件的传动类型 对应的链轮和飞轮齿的受力较好 ,承载能力较大 ,有一定的缓冲和减振功能 ,中心距较大而且结构简单 传动效率高 ,链条对前后轴的拉力较小 ,尺寸更为紧凑 ,能在恶劣的环境下工作 工作时有噪音，摩损后会发生跳齿等 。但总的说来，自行车传动系统中利用链条来传动是利大于弊的 。 由于本设计中的传动链属于低速级，一般的传递的功率在 100下，链速不超过 15km/s，所以决定采用传动链中的短节距精密滚子链（简称滚子链），且根据国家标准 规定的 链传动 的 最大 传动比 40,50， 火、回火 40剧烈震动及冲击载荷 1520碳、淬火、回火 50动载荷及传递较大功率的重要链轮（ 从动轮 链轮的材料：链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多，所受的冲击也较大，故小链轮应采用较好的材料制造。链轮常用的材料和应用范围见表 3因为自行车属于中等转速，所以 我选择 大齿轮选用 小齿轮选用 15 青岛滨海学院毕业设计 13 架的设计 车架是构成自行车 的基体，联接着自行车的其余各个部件并承受骑者的体重及自行车在行驶时经受各种震动和冲击力。因此除了强度以外，还应有足够的刚度，这是为了在各种行驶条件下，使固定在车架上的各机构的相对位置保持不变，充分发挥各部位的功能。 目前，市场上出现的车架主要有钢、铝合金、钛合金、碳纤维。 就我们常见的几种材料的一些特性如表 3 表 3种常见材料的特性 材料 弹性系数（刚性） 强度（降伏点） 重量（ kg/m） 钢材 30 46800合金 1014火后） 2700合金 0500选出符合要求的材料首先应先知道材料的三个主要的技术指标： 假设挂在金属棒另一端的重量，重到足以使金属棒产生永久的变形，也就是说，当移开重物时，金属棒仍然呈现弯曲，无法完全回复原状，即所谓的降伏（ 使材料达到降伏的力量因材料不同而不同，这就是所谓的强度。 假设一根金属棒的一端固定在夹具上，另一端加上一定的重量使得这根金属棒暂时弯曲，当把那个重物移开时，金 属棒立即回复原来的型状。同样的重量加诸于不同材料时，会产生不同的弯曲程度，这就是刚性。刚性影响车架的骑乘品质，因为车架最怕在正常骑乘时发生变型。 除了强度和刚性之外，重量也是一个议题。和刚性一样，重量受到材料合金成份的影响相当轻微。 实际的单车依材料的特性加入计算，选择组成车架的每支管材的管径和壁立躺姿势可调式自行车的设计 14 厚。这时和车架刚性主要相关的为管径，和强度主要相关的则为管材壁厚 (管径也会有相关 )，而管径和壁厚则影响了车架重量。 为节省成本的同 时 考虑到安全性以及躺车的骑乘性能，我们选用的车架采用空 心钢管分段焊接，材料为铬钼钢管。铬钼钢车架还具有以下优点： 1、加工性好 2、冲击的吸收性能好 3、焊接容易 4、价格便宜 除此之外，铬钼钢车架 也 具有 不少 的缺点 像容易生锈、应力集中引起的金属疲劳显著等。 由于存在上述原因，焊接时采用各种方法来加工。如利用低温焊接等方法制造车架。不管是任何优秀的焊接，焊接部位 (1000 C 以上 )和另管道侧 (室温 )之间的温度差，冷却时收缩而发生残留应力。该部位受到应力集中时，可能会产生裂缝。结果自行车骑的时间长时可能会引起金属疲劳，微观的硬化加工也使冲击的吸收性也变得差。 本 课题设计的躺式自行车的车架主体为用一根较粗直径钢管弯曲而成的结构，这个钢管将起主要支撑和受力的作用，其他零部件都将以其为标准定义尺寸，为满足舒适度的要求，它的尺寸应该根据人体生理学结构进行设计。车架还包括前叉、后叉，前叉及后叉的尺寸根据前后轮的大小来定。 图 3车架 由于躺式自行车的结构特点，前面无法安装载物架，为方便搭载各种物品，青岛滨海学院毕业设计 15 需配备车后架，因为在骑行时从后方载物架取 物体 非常不便，为方便使用者特别是长途骑行者的使用，我们 特意 将车后架的位置加高，车后架结构见总装配图 （图3后架的材料依 然采用 铬钼钢 。 各连接部位采用焊接，为体现美观，可进行喷漆处理。车架的总体设计如图3示。 通过测量人体大腿加小腿的人均长度（表 3可大体确定车身的基本 高 度，之 后根据选定的标准车圈尺寸和工作状态的人机工程尺 寸确定准确的工作高 度和静态高度。 表 3人体各主要部分的人均长度 年龄分组 男（ 18 女（ 18 百分位数 10 50 90 95 99 10 50 90 95 99 身高/60 167 175 177 181 150 157 164 165 169 体重/0 59 70 75 83 44 52 63 66 71 上臂长 294 313 333 338 349 267 284 303 312 319 前臂长 220 237 253 258 268 198 213 229 234 242 大腿长 436 465 496 505 523 410 438 467 476 494 小腿长 344 369 396 403 419 319 344 370 375 390 计算平均值：（男人大腿长度加小腿长度的 50%+女人大腿长度加小腿长度的 50%） /2=（ 465+369+438+344） /2=808大腿加小腿的人均长度为 808以车身的整体高度大致定为 808 角度 前叉装在车架管内，能在管内可灵活转动。前叉上端与车把紧固连结在一起，下端与前轴连接，与前轮以前轴为中心自由转动，组成转动机构。 前 叉 有三个作用：第一个作用是支撑前轮所受的重量，第二个作用是将车把转向动作传到前轮，第三个作用是前叉下端压有弯度，能促使自行车有自己向前行驶的性能。减轻骑行者操纵强度，并起缓冲作用。 车头角度决定了车子的操控灵活度及稳 定性。车头角度越小，就必须出更大立躺姿势可调式自行车的设计 16 力转动车把，前轮才会左右转动。直挺的车头角度 (72 )，感觉起来会比较灵敏，而且车把转起来感觉会比较轻，左右转动比较简单省力。但这样也会导致车子高速中，操控几何的反应太快，增加了轮子左右摆动的不稳定性。低一点的车头角度 (70 )，车把转起来比较重，但车把的左右转控比较可预期，高速骑乘比较好操控。 71是最受欢迎的车头角度， 因为这个角度让车子爬坡时，车头旋转的感觉比较轻灵 。 所以我也采用 71 这个角度。 图 3 前车管角度参考图 行车曲柄长度的选择 曲柄长 度的选择并无明确的规定，只需符合要求即可。 考虑到本设计主要是躺着骑行，所以腿可以施加的力度比较大，所以选用较长的曲柄。 表 3腿长与曲柄的关系 腿长 /柄长 /260 75965 8237岛滨海学院毕业设计 17 根据上面计算腿长均值尺寸为 808以根据表 39 81柄长度选取为 165 座的设计 一般来说，座椅面高度与 0000腿加足高” 接近过稍小时，有利于获得合理的一面体力分布。计算平均值：（男小腿加足高的 50%+女小腿加足高的 50%） /2=（ 413+382） /2=座椅面高度为 图 3靠座 靠座底部为一块与车架弧度相适合的弧形钢板，为减轻重量，在钢板上切割使镂空，为保证舒适，在钢板上的坐垫以布类织物制成，同时为了通风排汗，靠垫中间制出沟槽。靠座底部加以支撑 如图 3示 。 把的设计 由于躺式自行车的重心较低，把手的位置可能会遮挡骑者的 视线，因此把手的横梁应该低一些，但是如果太低，又会影响下方空间，这会导致骑车时大腿部位会碰触到横梁，甚至发生干涉，因此我们将车把横梁设计成 M 型 (如图 3 图 3车把 立躺姿势可调式自行车的设计 18 这样既避免了遮挡视线，也使横梁下方有一定的空间。另外，由于错乱的刹车线和变速线也有可能遮挡视野，因此在实际制作中刹车线和变速线需要固定在两边。 后轮的设计 前后轮总称车轮，一个作用是承受自行车本身和骑车者的全部重量，另一个作用是车轮旋转推动自行车前进及转向，因此必须具有足够的强度，以免在行驶中受到震动发生折断。同时要 求车轮必须圆正，可保证在旋转时平稳，此外车轮结构要有适当弹性，以增强避震性，提高骑行者的舒适性。重新设计车轮比较麻烦，同时增加了加工的难度，因此车轮采用普通自行车的标准车轮，如图 3 图 3胎示意图 宽度考量 如果在一个宽车圈上使用了非常窄的轮胎，可能会有漏气以及损坏车圈的风险。如果你在较窄的车圈上使用了宽胎，可能会有侧圈或车圈出现故障的风险 。 轮胎与车圈的安全匹配 所有的直径以毫米为单位 ，如表 3 传统自行车的车圈大多为 间。经安全性和速度方面综合考虑我们选择普通自行车前轮用 车轮尺寸，后轮用 车轮尺寸。所以我们的轮胎尺寸宽度选择也参照传统自行车的尺寸选择。前轮选择 轮胎，后轮选择 轮胎。 青岛滨海学院毕业设计 19 表 3轮胎宽度的选择 轮胎宽度 圈宽度 |18 20 23 25 28 32 35 37 40 44 47 13.|X.X. 15.|.X.X. 17.|.X.X. 19.|.X.X.X. 21.|.X.X.X. 23.|.X.X. 25.|.X.X.锁脚踏 在骑躺式自行车的时候，骑者的腿部是水平的，在小腿部没有很好的受力点，只能依靠鞋子与踏板的摩擦力，这样骑短途没有问题，但如果是长途骑行，就会使小腿疲劳，所以安装自锁脚踏板。 自锁的优点： 1 提速：个人认为骑行的效率可以分成三块 0%左右吧 但是这个 70%应该是差不多的 你就可以充分利用剩余的 30%这个脚往上提的力量了 新上锁之后感受非常明显 以前骑车完全用不到的肌肉群现在开始发挥作用了 . 2 操控：只要你双手还能控住车 不管多大的颠簸仍然可以随心所欲的抽脚蹬踏 锁之后脚下非常踏实 脚底和自锁浑然一体 附：自锁脚踏简介 自锁脚踏是运动骑 行不可缺少的基本配备，可以大幅度提高踩踏效率。普通的自行车踏板只有在车手往下蹬的时候才会带动链条使自行车前进，而自锁脚踏是将踏板与车手的鞋连在一起，这样，在往下蹬之后，抬起的过程也会带动链条运动。一般来说使用自锁脚踏可以省力 25%，可以很容易登上山坡。特别是长时立躺姿势可调式自行车的设计 20 间骑行就会感觉轻松很多，这是因为一只脚踩下去的时候另一只脚还可以往上提。另外，在颠簸路段上不用关心脚与踏板脱开的问题。但是对于初学者应多多练习以免造成下车时的不方便。 后闸 和尾灯的设计 前后闸是保证骑行安全的关键部件，有多种结构和形 式，但不管何种结构，都要切实保证达到制动性能的要求 以提高躺式自行车的安全性 。 由于躺式自行车重心较低，相对来讲，不容易被后方司机发现，特别是晚上骑行时会更加危险，因此尾灯不能是常规自行车的反射式尾灯，需在车后方加装天不需要点亮，与普通自行车尾灯没有区别，若在晚上骑行时，则点亮尾灯。 下面是躺式自行车的 主要部件示意图 3 3躺式自行车 主要部件 示意图 4 链传动的运动分 析 因为 链是由刚性链节通过销轴铰接而成，当链绕在链轮上时，其链节与相应的轮齿啮合后，这一段链条将曲折成多边形的一部分（如图 4示）。 该正多边形的鞭长等一链条的节距 p，变数等于链轮齿数 Z，链轮每转过一圈，链条走过 以链的平均速度 v（单位为 m/s）为： 青岛滨海学院毕业设计 21 100060100060 2211 动轮的齿数 动轮的转速， r/ 图 4链传动的速度分析 链传动的传动比为 ：1221 。 因为链传动为啮合传动，链条和链轮之间的没有相对滑动，所以平均链速和平均传动比都是常数，但是， 仔细观察会发现链传动的瞬时传动比和链速并非常数。在主动链轮上，铰链 在主动链轮上的其他铰链并不直接牵引链条，因此，链条的运动速度完全由铰链 图 4链 A 随同主动链轮运动的线速度为 1向垂直于 链条直线运动方向的夹角为 。因此，铰链 c o x 式中， 因为 是变 化的，所以即使主动链链轮转速恒定，链条的运动速度也是变化的。当 )2,2( 11 即 = 180/链速最低；当 =0时，链速最高。1 是主动链轮上一个链节所对的中心角。链速的变化呈周期性，链轮每转过一个链节，对应的链速变化一个周期。 在水平方向的链速发生变化的同时，铰链 上下运动的链速为 s y 也是呈周期变化的。 在主动链轮牵引链条变速运动的同时，从动链轮上也发生着类似的过 程。从立躺姿势可调式自行车的设计 22 图中可以看到，从动轮上的铰链 C 正在被直线链条拉动，并由此带动从动轮以由图可求出铰链 2此可知从动轮转速为： co s 21122 x 所以 从而求出其瞬时传动比为 co 可见链传动的瞬时传动比是变化的。链传动的传动比与链条绕在链轮上的多边形特性有关，所以这个现象也称为链传动的多变性效应。 5 自行车的安全性要求 自行车最主要的要求是保证骑行安全。达到安全要 求，虽然有材质、制造技术和组装等因素，但首先是从设计上符合安全要求，要求从设计一开始就始终贯彻高质量和安全性。自行车成车和各零部件都有详细的安全要求，现将设计中首先要考虑到的一些安全要求予以简述。 造和组装的要求 自行车设计应有可靠的计算依据，以保证足够的强度，保证骑行安全。一辆完整的自行车在正常骑行、搬运和维修时，凡骑行者的手、腿等可能触及之处，均不应有外露的锐边。自行车组装后的任何突出物，其长度超过 5，原端倒圆 定为 7大端尺寸 (宽度 )定为 15端尺寸 (厚度 )定为 5行车车 架的上管上，在 靠 座和 靠 座前 300之间不应有突出物，钢绳套管和厚度不大于 套管夹则允许附在上管上。螺钉的外露突出部分，在螺母旋紧之后，应短于螺钉的外径尺寸。 传动的主要失效形式 条的主要失效形式 链传动的主要失效形式有： 青岛滨海学院毕业设计 23 链在运动过程中，其上的各个部件都在变应力作用下工作，经过一定的循环次数后，链板将会因为疲劳而断裂；套筒、滚子表面将会因为冲击而出现疲劳点蚀。因此，链条的疲劳强度将成为决定链传动承载能力的主要因素。 链条在工作过程中，铰链中的销轴与套筒间不仅承受较大的压力，而且还有相对转动，导致铰链磨损，其结果使链节距增大，链条总长度增加，从而使链的松边垂度发生变化，同时增大了运动的不均匀性和动载荷，引起跳齿。 节受到的冲击增大，铰链中的销轴和套筒在高压下直接接触，同时两者相对转动产生摩擦热，从而导致胶合，因此，胶合在一定程度上限制了链传动的极限转速度，对于我们的设计来讲，此点不足以影响自行车的性能，不做过多的研究。 链速较低时（ vs），如果链条负载 不增加而变形持续增加，即认为链条正在被破坏。导致链条变形持续增加的最小负载将限制链条能够承受的最大载荷。 轮 的主要失效形式 在传动过程中，链轮的主要失效形式有以下几种： 轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力作用，当链轮重复受载时，齿根就会产生疲劳裂纹，致使轮齿疲劳折断。 在链传动中，齿面随着工作条件的 不同会出现多种不同的磨损方式，它是链轮的主要失效形 式之一。最常见的像链轮啮合面落入沙粒等时，齿面即被逐渐磨损而报废。 点蚀是链轮齿面的疲劳损伤的现象之一。齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件仍为改善，麻点就会逐渐扩大，最后形成了明显的损伤。 塑性变形属于链轮永久变形的一大类失效形式，它是由于在过大的应力作用下，链轮材料处于屈服状态 而引起的材料塑性流动形成的。可以立躺姿势可调式自行车的设计 24 采取提高齿面硬度，采用高粘度或有极压添加剂的润滑油等方法减缓塑性变形。 传动的张紧和润滑 链传动的张紧 链传动张紧的目的，主要是为了避免在链条 的垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象；同时也为了增加链条与链轮的啮合包角。 考虑到本设计的链条比传统自行车长许多，所以链传动张紧装置就显得尤为重要了。为此，我专门在车架上安装了导向轮，一是可以提高链传动的流畅性，二是可以增大链条与链轮啮合的包角。如图 5示。 图 5导向轮示意图 链传动的润滑 链传动中销轴与套筒之间产生磨损，链节就会伸长，这是影响链传动寿命的最主要因素。因而，润滑是延长链传动寿命的最有效的方法。润滑的作用对高速重载的链传动尤为重要。良好的润滑可缓和冲击、减轻磨 损、延长链条的使用寿命。国家标准推荐采用润滑油牌号为： 全损耗系统用油。本设计中的自行车属于开式的链传动，对其进行润滑时可用刷子或者油壶在松边内、外链板间隙处定期注油，从而达到润滑的目的。 青岛滨海学院毕业设计 25 6 结论 本课题的 立躺姿势可调式 自行车结构设计是基于原本自行车结构的基础上，侧重于人机工程学的座椅体位而加以改进的。这种高躺式的自行车，改变了原本的骑行姿势，将原本集中于臀部的力量分散到腰部，由于将人体重心后移，所以骑行时不用弓着后背，也不用挺直腰肩，脊椎倾斜向后，车把 处于自然高度，如同坐在沙发上出行的感觉，大大提高了骑行时的舒适感。 经过这最后一个学期的毕业设计，使我真正 体验了学习的快乐。 本 课题 的题目是 立躺姿势可调式自行车 设计，本设计意在增强 自行车的 娱乐 性、灵活性、安全性等指标 。 设计内容主要包括对 自行车 总体设计方案的 简述， 车架 的设计 及各主要部件如车轮、链条等的设计、和主要部件的校核。 我主要负责自行车上链传动这部分， 整个设计过程 加深了自己对 链传动 这一概念的深入理解，以及 链传动中的一些常见问题 的把握。 本设计主要是对日常生活中的事物的创新，使自己明白了创新无处不在的道理。 通过 整个毕业设计的 系统 设计也暴露出自己的不足之处，自己会加强知识的学习和掌握。 由于设计 时间仓促，资料 不完整 ，整个设计还存在一些问题，一些尺寸的精度不够 ， 结构设计 中 有的 布局 不是很 合理 ， 在实际应用 中 要经过多次调整才能达到预期效果，望各位老师 批评 指正。 立躺姿势可调式自行车的设计 26 致谢 转眼间，我的毕业设计已经进入尾声 。 这是一个短暂、充实并快乐的过程 ，相信它会成为我以后人生中的一笔宝贵财富 。 毕业设计是我走向工作岗位的 试金石 。在此过程中，我在各个方面得到锻炼和提高，特别是实践与动手能力的培养。理论与实际相结合，这是我们应当大力提 倡的学习方法，而这次 毕业 设计为我提供了一个 自由遐想的 舞台， 使我的能力得到充分的施展， 为我快速进入工作状态提供了一次难得的 锻炼 机会。 在毕业设计期间，得到了 黄伟 老师的精心指导。 黄 老师治学严谨，学识渊博，待人和善 ，为我们营造了一种良好的 学术 氛围。授人以鱼不如授人以渔，耳濡目染，潜移默化，使我们不仅接受了全新的思想观念，领会了基本的思考方式，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。 最后，我要向诸位 老师表达深深的谢意。 就是因为有了 你们精心的 培育 ，我才得以顺利 完成了这份设计。滴水之恩当涌泉相报，感谢所有关心和帮助 过我 们的人。 青岛滨海学院毕业设计 27 参考文献 1 王昆，何小柏，任信远 编著 . 机械设计、机械设计基础课程设计 M. 北京 : 高等教育出版社， 2004 2 周开勤主编 京：高等教育出版社， 2006 3 朱正心主编 M. 北京 2008 4 机械设计手册编委会 单行本 )；连接于紧固；第四版；机械工业出版社 ， 2007 5 濮良贵 编著 八版，北京：高等教育出版社， 2005 6 章跃主编 北京 业出版社， 2002 7 张其枢编著 京：机械工业出版社， 1999 8 庞怀宇主编 M机械工业出版社 ， 2005 9 刘鸿文主编 北京：高等教育出版社， 2004 10 徐莉萍自行车与生活新世界出版社， 2009 11 张连桐自行车咏叹调中国自行车 2010 年第 10 期 12 , , . 1994 13 997 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化毕业设计1 管道机器人的发展1.1课题的背景及来源本课题来源于实际运输煤气作业中所遇到的困难，许多城市煤气回收萘不彻底，造成在主管道内结萘，管内萘堵塞管内面积超过50%以上，严重影响煤气的运输，以清除管内结萘为目标，着手研制此管内步伐式机器人。1.2管内机器人发展综述机器人是人类新世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。科学技术是第一生产力，在各国之间综合国力的竞争，很大程度上取决于高技术之间的竞争，作为机电一体化的最高成就机器人技术作为高技术的一个重要分支，普遍受到了各国的重视，随着计算机技术和现代设计制造水平的不断提高，极大的推进了机器人的发展，现代机器人已经成为了一个庞大的家族。1.2.1机器人的定义机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算机技术等一样，属于高新技术。它设计的学科有材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、数学方法、仿生学等等很多学科，所以机器人的定义也是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。目前有几个国际公认的定义： 1979年美国机器人协会将机器人定义为：“可重复编程的多功能操纵器，设计成通过不同的编程动作为执行多种任务移动原料、部件。工具或专门的设备。”1984年12月国际标准化组织中的工业自动化系统委员会所属工业用机器人分会作出的定义：机器人是一种自动控制下通过变成可完成某些操作或移动作业的机器。1988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器人具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1.2.2我国管道机器人的发展、 哈尔滨工业大学邓宗全教授自1987年以来开展管内机器人行走机构，在国家自然科学基金的资助下，较全面的研究了不同类型的管道机器人行走机构模型，取得了很多的成果。在1995年哈工大与大庆油建公司合作研制成功的660野外大孔径管线对接焊缝工业X射线检测系统，于1996年通过黑龙江科委主持的鉴定，在陕京管线上进行了工业应用，获得成功。该机器人采用轮式行走机构，双电机驱动，PWM直流脉宽调速，由工控机和MCS-552单片机共同控制，可自动进行图像识别，在管内移动距离300m，在技术上解决了收放线的控制问题和长距离强弱信号混传干扰问题。该项目以达到国际先进水平。图1.1哈尔滨工业大学660管道机器人 哈尔滨工业大学于1998年研制的水泥砂浆衬里喷涂补口作业机器人样机（如下图），该机器人采用轮履复合式行走方式，解决了穿越管内凹型障碍的技术难题，针对水泥砂浆的流变学特性，所设计的螺旋送料装置及离心喷涂装置解决了水泥砂浆的补口难题。图1.2 清华大学于2001年研制出了一种轮式管道检测机器人Pipesbot-I，如下图所示，该机器人采用全驱动直进式结构，由三个直流电机通过蜗轮蜗杆副，带动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形弹簧压紧机构使驱动轮撑紧管壁，依靠摩擦力运动。设计指标为：行走速度1km/h，探测长度1km/次，使用管径140mm-180mm。图1.32机器人总体设计方案2.1模块化设计理念2.1.1模块化设计理论基础模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，是一种设计方法。而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块的不同组合，可以得到不同产品、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义：由若干具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的这种方法称之为模块化。由此可见模块化应具有四个基本含义：必须具有一定数量的模块；应用系统组合原理；最终要获得能基本满足各种不同功能的需要；模块化的可分性。进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能棉毛裤系统实现产品的总共能。2.1.2管内步伐机器人的模块化设计模块的设计问题是模块化设计的核心问题，因此合理的划分模块并构造模块的结构是模块化设计的关键。我们依据功能划分的模块化设计方法，将管内步伐式行走机器人划分为加紧模块和传动模块两个主要部分，模块之间除标准化的机械与电气连接接口外，其设计相互独立。模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品。根据此思想，我们可以对管内步伐式行走机器人进行各种变异设计，满足不同使用要求和应用环境要求。2.2管内步伐式行走机器人的用途及工作原理2.2.1管内步伐式行走机器人的用途 近年来煤气回收萘不彻底，造成主管道内结萘，管内结萘堵塞管内大部分面积，严重影响煤气输送，以清除管内萘为目标,研制管内步伐机器人，该机器人可以完成自动清除结在煤气管道内壁的萘，可实现在管道内双向行走、自动随管道弯度转向，可在重载条件下使用。、2.2.2管内步伐式机器人的工作原理工作原理：管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式。机器人由镜面对称的两个单元组成, 二单元中间由万向节铰链连接,可以自动适应管道弯度转向，当管道有弯道时,后脚踩住管壁向前推进,机器人的前腿机构自动随管道弯度转向不需要专门控制。机器人的转弯最小曲率半径由机构决定。所以这种机器人是可以双向运动的自动转弯步伐式管内机器人。主要工作过程：图2.1A、初始状态:前脚踩在管壁上,后脚在抬起状态前后腿外摆到最大角度.(见图1.1a)B、第一前进步:前后腿同时内摆到最大角度,在腿内摆过程中,前脚踩住管壁不动,连杆机构拖动身躯和后单元向前移动一步(图1.1a到b)C、第一次交换支撑脚:后脚外伸踩住管壁,同时前脚缩回抬起离开管壁,实现支撑脚转换,在交换支撑脚过程中,机器人没有前后运动。(图1.1b到c)D、第二前进步:前后单元的腿同时外摆到最大角度,在摆腿过程中,后脚踩住管壁不动,连杆机构拖动身躯和前单元向前移动了第二步.(图1.1c到d)E、第二次交换支撑脚:后脚缩回抬起,前脚伸出踩住管壁, 同时前后腿外摆到最大角度恢复到初始位置,机器人没有前后运动。(图1.1d到a)2.3管内步伐式行走机构管内步伐式机器人的机构主要分为3部分，有撑脚机构及其传动、牵引机构及传动、转向机构等。下面分别介绍3种机构，下图为管内步伐式机器人的机构简图。 图2.22.3.1撑脚机构及其传动撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。其机构及传动由电机(16)、小齿轮(15)、齿圈及平面螺纹(14)、滑杆(13)、脚靴(12)组成。当电机(16)带动小齿轮(15)和齿圈(14)旋转时，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆(13)在筒体(10)的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上，电机反向旋转时，滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。脚靴三套在圆周上间隔120布置，三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。为了使机器人在脚靴缩回时, 仍能维持在中心线上,安装4 组辅助支承轮(18),每组三套, 在圆周上间隔120安装,支承轮通过支承柱(19)、弹簧(20)分别与支架(3)和筒体(10)固连。当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。2.3.2牵引机构及其传动牵引机构的作用是拖动机器人前进。 牵引机构(见图2) 由电机( 1)、 螺杆(2)、螺母(5)拨销(4)、拨杆(7)和支承杆(9)组成。当电机(1)带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销(4) 拨动拨杆(7)顺时针方向转动, 由于脚靴(12) 锁死在管壁上, 支承杆(9)不能向后运动,拨杆(7)通过销(6)带动支架(3)及其固连在(3)上的套筒(11)在筒体(10)内向前滑动, 同时通过万向节(21)拖动机器人的后单元，此时后单元的脚靴在抬起状态)向前运动,整个机器人前进。当脚靴( 12)处在抬起位置时, 拨杆( 7)通过支承杆( 9)推动筒体在套筒(11)上向万向节方向滑动改变了腿的姿势。2.3.3转向机构转向机构的作用是使机器人能随管道的弯曲自动转向通过弯曲管道。管道行走机器人由两个镜面对称的单元组成,两个单元的套筒间由万向节( 21)连接, 这是一个十字万向节机构,可使前后两单元在任意方向上转动。 当管道弯曲时万向节可自动转向适应弯曲管道,这样机器人通过弯曲管道时无需专门进行检测和控制。2.4步伐机器人的本体技术要求 机器人设计的目的是靠行走来清除管道内的堵塞物，因此，首要的目标是使机器人能够在较长的管道空间内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术经济性要求。 2.4.1支撑机构的技术要求 根据步伐机器人的运动特点，撑脚机构是主体，所产生的支撑力应能保证机器人在单步运动中一端锁定在管壁中，使机器人在单步工作中保持稳定。在支撑-放松过程中能自如的进行，有一定的机械自锁能力提高安全性。对撑脚机构的要求是：能够产生足够大的支撑力；放松和支撑能够收放自如；结构简单、轻量化。2.4.2传动机构传动机构应能保证一定的驱动力和传送速度，有较高的工作效率，能够有较高的传动稳定性。因此拟采用滚珠丝杆副。实用滚珠丝杆副有很多有点：滚珠丝杆副是一种新型的螺旋传动元件，能够适应高温、低温、无润滑、水中，技术比较成熟。滚珠丝杆副具有高效率和高精度的特点。具有高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性，而且无回程间隙。构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件间利用中间元件（滚珠）来实现。轴向高度高，摩擦阻力小，运动平稳。2.5本章小结 本章主要介绍了机器人的本体结构及技术要求，将机器人模块划分，为下面具体设计提供依据。 3管内步伐式机器人的有关参数选择3.1步伐式机器人移动方式的选择各常用移动方式的优缺点见表1.1移动方式优点缺点轮式移动速度快，控制方便，转弯容易与壁面接触面积小，越障碍能力差，易产生打滑。履带式与壁面接触面积大，承载能力大，移动速度快，对壁面的适应能力强履带磨损大，结构复杂，机动性较差。腿式越障碍能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。结构复杂，移动是间歇的，速度慢，关节和足数多，控制复杂。蠕动式承载能力大，运动平稳，控制简便，对壁面适应能力比较强运动速度慢，越障碍能力差表3.1我们经过多方案比较，设计了一种步伐式行走结构形式，该结构形式有前后两段相互独立的主体，主体上的接触脚可伸缩锁死在管壁上，能承受大载荷，适合在重载中使用。在行走机器人结构中用步伐式行走具有很多优点，可实现在规则形状的任意长的管道内运动。结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，还可以根据使用要求，做各种变形设计，具有较好的经济技术效果。3.2机器人驱动方案的选择目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动、机械驱动等不同的方式。不同的动力系统具有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最合适的动力系统可以达到预定的目标。下表为不同的驱动方式的性能对照表。项目气压驱动液压驱动电气驱动机械驱动技术要求较低较高最高较低动作快慢较快较慢快慢速度稳定性较差良好较好很好驱动力中等最大较大较大环境要求适应性好不怕震动要求高一般控制距离中等短长短经济性便宜较贵较贵一般系统结构简单复杂复杂稍复杂使用维护简单稍高较高简单速度调整容易很容易稍困难困难表3.2 气压驱动使用压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便。气压驱动的缺点是功率质量比少，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本步伐式机器人的工作空间要求，不适合在本系统中使用。液压驱动系统用2-15Mpa的油液驱动，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，液压驱动的缺点是易漏油，这影响工作稳定性和定位精度。由于有漏油的问题，也不适合在本系统中使用。电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号检测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最为普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。所以选择电气驱动与机械驱动相结合的方案。3.3电机类型的选择在上节中介绍到，电机驱动适合本步伐式机器人，在电动执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，他们的特性、工作原理与控制方式如下表。电机类型主要特点构造与工作原理控制方式直流伺服电机接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大、体积小、重量轻、转速和转矩容易控制、效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大由永磁体定子、线圈转子、电刷和转向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。转速控制采用电压控制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控制方式，两者成正比。交流伺服电机没有电刷和换向器，无需维护，驱动电路复杂，价格高按结构分为同步和异步电机。无刷直流电机结构与同步电机相同，特性与直流电机相同。分为电压控制与频率控制两种方式。异步电机通常采用电压控制步进电机直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维护方便，寿命长，缺点是能量转换效率低，易失歩，过载能力弱按产生转矩的方式可分为：永磁式。反映式和混合式永磁式是单向励磁，精度高，但容易失步，反应式是双相励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低，混合式是单双相励磁，分辨率高，运转平稳表3.3步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现失步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转矩的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有累积误差，易于实现开环控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度，实现电机的同步控制。综合考虑控制要求、成本等多方面因素，本系统选用步进电机作为驱动电机。3.4 夹紧机构设计在管内步伐机器人当中，夹紧机构是保证机器人具有良好的爬坡能力和越障能力的关键。夹紧机构分为机械式和液压式两种，机械式夹紧机构采用平面螺旋副。驱动在圆周上均布的三个接触脚压向管壁达到锁紧的目的。平面螺旋盘的驱动靠电机一凸轮副或电机一轮副驱动。液压式夹紧机构采用液性介质弹性夹紧机构。为此我们提出了三种结构方案： 电机一凸轮副结构方案 图3.4 电机-凸轮服结构图 工作原理为：电机经偏心圆弧凸轮，驱动平面螺旋盘在一定的角度内转动，再推动接触脚外伸或回缩从而与管道锁紧与放松。此结构需在平面螺旋盘的背面径向开一个配合凸轮的滑槽。 液压式夹紧机构液压式夹紧机构是利用液性介质将压力传递给薄壁弹性套筒，使薄壁套筒产生均匀的径向变形，与管壁夹紧。如图 所示为液压式夹紧机构。其工作原理为电机经柱塞驱动液性介质，使基体外圆四周的薄壁发生弹性变形，夹紧管道内壁。液性介质一般采用液性塑料或油液。 图3.5 液压式夹紧机构电机一齿轮副结构方案 图3.6 电机-齿轮副结构图 工作原理为：电机经内齿轮副，驱动平面螺旋盘回转。推动接触脚外伸或回缩，与管道内壁夹紧或放松。 总结： 相比较几种夹紧机构，液压夹紧机构可在管壁的一个环形带上获得较大且均布的夹紧力。采用液性塑料介质，单位压力可达而且还有较高的定心精度,一般可保证同轴度在,但是液压夹紧机构夹紧效果但是不易放松.还有一个不可忽视的问题是油漏，这特性不适合爬行机器人的工作空间的要求。电机一凸轮副虽然可以达到夹紧的功能要求，但是只能在一定的角度内回转，性能不优越且对制造的要求较高。齿轮副的传动精度和效率较高，控制方便。可产生较大的动力，适应性能好，所以爬行机器人本体的夹紧机构选用电机一齿轮副夹紧结构。即方案3.5 减速结构设计 常用的机械传动装置有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等图3.7链传动的特点:和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率较高,一般可达0.950.97;链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等.图3.8 带传动(皮带传动)特点(优点和缺点):结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用;不能保证精确的传动比.带轮材料一般是铸铁等. 图3.9 齿轮传动的特点:能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠;传递的功率和速度范围较大;结构紧凑、工作可靠,可实现较大的传动比;传动效率高,使用寿命长;齿轮的制造、安装要求较高.齿轮材料一般是铸铁等. 图3.10 涡轮蜗杆传动最主要的特点就是具有反向自锁的功能，而且相比其它传动具有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面上。自身的缺点，那就是涡轮蜗杆的传动效率不够高，精度也不是很高。3.6本章小结 本章介绍了有关机器人一些参数数据的选择，包括移动方式、驱动方式、及电动机的选择，对整体方案比较选型给出了依据和要求，确定了动力系统的方案，选择步进电机作为驱动元件。4管内步伐式行走机器人的力学分析4.1机器人脚底对管壁的压紧力（见图2.2）机器人结构简图 根据虚位移原理撑脚电机6的有效虚功与脚底虚功相等=31T1= 3F1L1其中:T1电机6 的扭矩 F1单脚在管壁上的压力电机的微小转角电机 6微小转角对应的脚底伸出量传动效率由于 其中，i电机6到脚的传动比；P1平面螺纹的节距。 将机器人参数T1=6kgcm,n1=159,p1=1cm， =0.5代入方程 得F1=8.37kgf 4.2 管内步伐式器人的牵引力 根据虚位移原理牵引电机1的有效虚功与牵引虚功相等： 其中，T2电机1的扭矩； 电机1的微小转角； 电机1微小转角对应的螺母3相对于螺杆的移动量； 传动效率； L1摆杆4上臂长度； L2摆杆4下臂长度F2牵引力由于： 将机器人参数T2=9kgcm,L1=75mm,P2=3mm, =0.8 代入方程 得：F2=209kgf4.3 无防滑机构条件下管壁压力与牵引力的关系及打滑条件 其中，f支撑脚底与管壁的摩擦系数。又有： 将该机器人参数带入不等式右端并取得： T1/T211.1在无防滑机构情况下，撑脚电机扭矩要大于扭矩11.1倍，机器人才能不打滑正常牵引行走，即该机器人产生209kg牵引力，牵引电机扭矩9kgcm,撑脚电机扭矩需100kgcm以上。4.4管内步伐式机器人的防滑机构及力学分析如前分析由加大脚底对管壁的正压力,使脚底与管壁间存在足够的摩擦力,以保证机器人行走时不打滑的条件为：撑脚电机的扭矩大于牵引电机扭矩11.1 倍。这必然导致撑脚传动机构庞大,机器人自重增加,这样机器人可转弯的最小半径将加大,通过弯曲管道的能力减小,而且非主要做功电机远远大于主要做功电机是不合理的,因此设计了撑脚防滑机构。4.4.1撑脚防滑机构的工作原理撑脚防滑机构如图3所示.其中长销(2)靠过盈配合固连在胶靴(3)上，当滑杆(1)与胶靴(3)相对移动时，长销(2)在滑杆(1)的长槽中滑动，在胶靴踩上管壁前，由于弹簧(6)的作用使滑杆(1)相对于胶靴上移，固联在滑杆(1)上的短销(5)迫使两摆杆(4)的夹角增大，使两摆杆(4)的端部缩回到胶靴底面以上。当滑杆外
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