爬楼车毕业设计说明书

前 言近年来随着计算机技术蓬勃发展，计算和数据传送速度大幅度提高。以此硬件为基础，许多智能算法得以在短时间内实现，智能机器人正变得越来越聪明。随着现实生活中对机器人技术应用的发展，使得机器人成为战胜自然和虚拟障碍的必需品。在很多危险场所，如战场、核生化灾害地、恐怖爆炸地等需要愈来愈多的移动机器人搭载机械手等设备代替人去执行任务。众所周知机器人自主爬楼梯是移动机器人完成危险环境探查、侦察、救灾等任务需要具备的基本智能行为之一。 目前，主要有腿式、履带式、轮式爬楼车移动机器人，腿式的如四足和六足机器人，尽管这些机器人能够爬楼梯和穿越障碍，但由于腿部的运动，它们不能在平坦的表面上平滑运动；履带式移动机器人以其强大的地形适应性而倍受青睐，其所受的摩擦力均匀分布在履带上，而轮式小车的摩擦力只是集中在轮胎与地面的接触面上，就抓地力而言它们是一样的，但在小车转弯或者爬坡时，履带式小车所受的摩擦力分布不会像轮式小车那样发生剧变，所以就表现出更好的操控性，但是转弯时，履带的磨损、履带开模难度大等都成为其应用的瓶颈；轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点。一般来说，轮式移动机器人对地形的适应性大小与轮子的数量成正比，但随着轮子数量的增加，又带来了机器人体积庞大、重量重等缺点。爬楼轮式行驶系统均采用各轮独立驱动,自主工作的方式,同时各轮均采用弹性悬挂方式,故工作起来方便灵巧,同心性和转向性均较好。刚性轮具有较高的机械可靠性,较好的转向性和环境适应性,但其行驶稳定性和耐磨损性均较差。充气轮虽然具有较好的行驶稳定性和越障能力,但其环境适应能力差,故不能应用到爬楼车中。金属弹性轮的爬坡性能、耐磨损性、环境适应性以及机械可靠性、越障能力均较好,但其转向性能较差。椭圆轮、半球轮和无毂轮的爬坡和越障性能及耐磨损性能均较好,但其行驶稳定性较差,机械可靠性最低。综合各方面的优缺点，轮式机器人是比较合理的。该爬楼车辆包括：传动系统、行驶系统和转向系统三大系统。本课题着重进行行驶系统的结构设计，课题内容包括行驶系统机构设计、三角轮系参数设计。1 爬楼车设计方案说明本课题拟开发一种采用三角轮系做为行驶系统的爬楼车辆。该车辆在行驶过程中，在遇到台阶和斜坡等特殊路面时，可通过三角轮系的翻转实现爬楼越障功能。该车辆包括：传动系统、行驶系统和转向系统三大系统。该爬楼车辆可实现自动跨越障碍和爬楼梯功能，平整路面最大行驶速15Km/h，可爬楼梯高度为100200mm，楼梯宽度为200300mm，最大爬行坡度为40。传动系统采用电机驱动，可双向行驶，可手动控制和自动控制，要求传动系统运行平稳、噪音小、安全可靠。行驶系统采用三角轮系方式，在平整路面行驶时，每组轮系中有两个轮着地；在爬楼梯上爬行时，通过三角轮系的翻滚实现爬楼功能。转向系统采用电机驱动，要求转变半径尽可能小。2 爬楼车的工作原理与特点该爬楼车辆包括：传动系统、行驶系统和转向系统三大系统。此三大系统共同构成爬楼车的机械装置部分，各个系统都由相应的电机来驱动。 行驶系统是靠电机带动一个一级圆锥齿轮传动和两个一级圆柱齿轮传动来实现减速和增大扭矩，并带动整个主轴转动来实现三角轮系的翻转，三角轮系的翻转也就实现了爬楼功能。具体是三角轮系中的三个轮子通过支架连接在一起，主轴转动时，爬楼车依靠三角轮系中的三个轮子依次与台阶相啮合，从而达到上下楼梯的功能。转向系统，为了实现在较小的空间内实现转弯半径最小的要求，本次设计采用了独立的转向方式，即通过增加副车架，用电机带动整个传动系统和行驶系统以及轮系偏转，以达到转弯的目的。具体方案是通过一根有足够强度的轴实现的，轴的下端与爬楼车的前轴装置的壳体相连，上端与一块转向板通过轴承连接，轴中间安装一大圆锥齿轮，选一合适电机固定在上端板上面，并通过联轴器使一齿轮轴与电机相连，同时齿轮轴与大圆锥齿轮以一定的转动比啮合传动，当需要转弯时，感应系统和控制装置根据实际需要控制转过的角度。传动系统是靠电机带动行星齿轮来实现爬楼车在水平面以及斜坡面环境下行驶的目的，其中前后轴交叉使用动力装置，也就是前轴的左三角轮系和后轴的右三角轮系有动力装置，相反另外两个三角轮系仅为从动轮，对爬楼车起支撑的作用，在行驶时它们是自由的这样既节省了电机数量又减少了爬楼车的重量。该爬楼车有五个特点：1）结构简单，整体尺寸不大且重量较小；2）各个系统分别由各自独立的电机所驱动，控制灵活方便；3）可安装或装载一定重量的仪器或实验装置在危险的地方或者人体到不了的地方进行作业或取样；4）采用三角轮系式系统，使爬楼车能够在多种环境下运动，轻松实现在平地、坡面和台阶面上的运动；5）该爬楼车采用了独立的转向系统，不但使转向系统简化，并且转弯半径减小，有利于实现在狭小空间内的转弯3 设计方案分析关于行驶系统的设计，如图1所示。具体是电机输出轴通过联轴器接一小圆锥齿轮410，该小圆锥齿轮与大圆锥齿轮411啮合传动实现减速，该大圆锥齿轮与三角盘412通过螺钉连接在一起，大圆锥齿轮转动时带动三角圆盘一起转动。三角圆盘上装有三根轴413，小圆柱齿轮414（3个）、415（3个）分别装在这三根轴上，齿轮416与爬楼车壳体固定在一起。三角盘转动时，通过轴413带动小圆柱齿轮414既自转又公转与齿轮416啮合传动，同时也带动小圆柱齿轮415既自转又公转与齿轮417啮合传动进一步实现减速，齿轮417与主轴329通过圆锥销固连在一起，齿轮417转动的同时也带动主轴转动，并通过三角轮系图2的翻转实现爬楼功能。具体是三角轮系中的三个轮子通过支架连接在一起，主轴转动时，爬楼车依靠三角轮系中的三个轮子依次与台阶相啮合，从而达到上下楼梯的功能。小圆柱齿轮414、415的大小相同，但齿数和传动比不同，用以增大主轴所传递的转矩，为三角轮系的翻转提供足够的能量。 图1 翻转机构图2 三角轮系4 设计计算4.1 选择电动机 结合该课题的实际情况，需要用一个电机来驱动主轴上的齿轮传动，带动主轴转动以及三角轮系翻滚从而实现爬楼功能。考虑到爬楼车及载荷的重量(75千克)， 三角轮系翻转所需的最大扭矩值已算出为：T=73.5 Nm则三角轮系翻转爬楼梯时所需消耗的功率为：P=Tn/9.55=73.5269.55=200 W已知爬楼车行驶系统采用一级圆锥齿轮传动和两个一级圆柱齿轮传动，它们的传动效率分别为：=0.96，=0.97，深沟球轴承的效率为：=0.99，联轴器的效率为：=0.98则电动机输出功率为： =P/(0.960.970.970.980.99)=228.2 W那么，该爬楼车的行驶系统所需的电动机功率为：228.2 W，查机械设计手册，可选择的电动机有：型号 输出转矩 输出转速 额定功率 额定电压 减速比 额定转速 (N/mm) (r/min) (W) （V） (r/min) 90SZ53 2977 750 308 110 4 3000110ZYT54 2977 750 308 220 4 3000选取110ZYT54型号的电机为本爬楼车辆的驱动电机。4.2 选择联轴器 根据电动机的输出轴轴径是22mm,以及电机轴和齿轮轴在工作中不能发生相对位移，所以选择凸缘联轴器。YL3凸缘联轴器 GB5843-86主动端：型孔轴，A型键槽，从动端：型轴孔，B型键槽，4.3 关于减速装置（圆锥圆柱齿轮减速）电机的输出转速为750r/min，根据经验爬楼车每爬一阶楼梯需要0.75s，且三角轮系转速为26 r/min，则减速比为：i = 752628.85多级传动中，总传动比应为： i =查机械设计手册，并根据各级传动机构的传动比应尽量在推荐范围内，选择和分配各级传动比：选择锥齿轮传动比=3，一级圆柱齿轮传动比为= 3.2，二级级圆柱齿轮传动比为=3。4.3.1锥齿轮的设计计算（此计算过程中所查的表出自机械设计（邱宣怀）第四版）1.选定齿轮材料直齿锥齿轮加工多为刨齿，且该锥齿轮传动为闭式传动，不宜采用硬齿面。小齿轮选用40Cr，调质处理，硬度为260HBS，大齿轮选用45钢，调质处理，硬度为230HBS。2.齿面接触强度计算齿数z和精度等级： 取=24，=i=324=72估计，由表12.6使用寿命: 由表12.9=1.0动载系数: 由图12.9=1.14齿间载荷分配系数: 由表12.10，估计/b100N/ （表12.19） （式12.6） =0.87 （式12.10） =1.32齿向载荷分配系数: 由表12.20及注3， 取=1.8载荷系数: =11.141.321.8=2.86转矩： =3921.87弹性系数： 由表12.12 节点区域系数： 由图12.16 接触疲劳极限: 由图12.17c =710,=680接触最小安全系数： 由表12.14 接触寿命系数： 由图12.18 许用接触应力： （式12.11） 小齿轮大端分度圆直径： 取= 0.3 （式12.39）3.验算圆周速度及/b （表12.19） （1-0.50.3）32.1627.34 （与估计值接近） （式12.37） /b = 1.0286.9 = 18.571N/100 N/ （与原估计相符）4.确定传动主要尺寸大端模数： = 由表12.3，并考虑到爬楼车行驶系统的结构设计，取=2.5实际大端分度圆直径d： =2.524=60 =2.572=180齿高： 分锥角： 锥距R： （表12.19） 齿宽b： 21.065.齿根弯曲疲劳强度计算齿形系数： 由图12.30 =2.73 =2.15应力修正系数： 由图12.31 =1.64 =2.07重合度系数： （式12.18） 0.68齿间载荷分配系数： 由表12.10 ,/b100N/ 载荷系数： =11.141.471.8 = 3.18弯曲疲劳强极限 ： 由图12.23c =600 =570弯曲最小安全系数 ： 由表12.14 =1.25弯曲寿命系数： 1.0尺寸系数 ： 由图12.25 =1.0尺寸系数： 由图12.25 =1.0许用弯曲应力 ： （式12.19） 6.验算 （式12.40） 由此可知齿轮强度满足要求。=24，=72选8级精度=1.0=1.14=0.87=1.32=1.8=2.86=3921.87=710=680=676=648=0.3=2.5=60=180=94.87=21.06=2.73=2.15=1.64=2.070.68=1.47=3.18=600=570=1.25=1.0=1.04.3.2圆柱齿轮的设计计算（此计算过程中所查的表出自机械设计（濮良贵）第七版）1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）根据爬楼车行驶系统的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动；2）爬楼车运行速度不高，故选用8级精度（GB1009588）；3）材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质处理），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质处理），硬度为240HBS，二者硬度差为40HBS； 4）选小齿轮齿数=21，则大齿轮齿数：=u=3.221=67.2，取=68。2.按齿面接触强度设计由设计计算公式（10-9a）进行试算，即1）确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数=1.3 （2）计算小齿轮传递的转矩 （3）由表10-7，小圆锥齿轮作悬臂布置，选取齿宽系数： = 0.4（4）由表10-6查得材料的弹性影响系数（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限：=600； 大齿轮的接触疲劳强度极限：=520（6）由图10-19查得接触疲劳寿命系数=0.90； =0.92（7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S = 1，由式（10-12）得：= 0.9600=540= 0.92520=478.42）计算（1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值（2）计算圆周速度vv =0.2 （3）计算齿宽bb = 0.448.71=19.48（4）计算齿宽与齿高直之比b/h模数： = 48.71/21=2.32齿高： h = 2.25= 2.252.32=5.22 b/h =19.485.22 =3.73（5）计算载荷系数根据v = 0.2m/s，8级精度，由图108查得动载系数 ：1.12；直齿轮，假设/b100N/。由表103查得： =1.2；由表10-2查得使用系数：= 1；由表10-4查得8级精度、小齿轮悬臂布置时：= 1.15+0.18(1+6.7)+0.23b将数据带入后得：= 1.15+0.18(1+6.7)+0.23 19.48=1.22由b/h = 3.73，= 1.25，查图10-13得：= 1.35；故载荷系数：= 11.121.21.22 =1.63（6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由试（10-10a）得：=66.37（7）计算模数= 66.3721=3.163.按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： 1）确定公式内的各计算数值（1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限：=500；大齿轮的弯曲疲劳强度极限：=380；（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数：=0.85, =0.88（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S =1.4，由式（10-12）得=（4）计算载荷系数= 11.121.21.35 =1.814（5）查取齿形系数由表10-5查得： = 2.65；=2.226（6）查取应力校正系数由表10-5查得： =1.58；=1.764。（7）计算大、小齿轮的并加以比较= 0.01379= 0.01644可知大齿轮的数值大2）设计计算=1.62对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于齿根弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数1.62并就近圆整为：=2，按接触疲劳强度算得的分度圆直径：=66.37，算出：小齿轮齿数：=34大齿轮齿数：= u=3.234=108.8，取=109 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免了浪费。4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径 =342=68=1092=2182）齿顶高 齿根高 齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿厚 顶隙 3）计算中心距a=5.验算513.8，合适对于415和417圆柱齿轮的设计计算如上述计算过程一样，只是模数、齿数和传动比不同，m =2.25 ；=30，= u=330=90，在此不再赘述。=21，=68=1.3= 0.4=600=520=540=478.41.12=1.2= 1=1.22= 1.35=1.63=500=380=1.814= 0.01379= 0.01644=2=34=1094.4轴的设计计算1.三角轮系翻转主轴的设计计算（材料为45钢）按扭转强度条件计算，轴的扭转强度条件为 式中: 扭转切应力，单位为；轴所受的扭矩，单位为；轴的抗扭截面系数，单位为；轴的转速，单位为；轴传递的功率，单位为;计算截面处轴的直径，单位为；许用扭转且应力，单位为，见表15-3。由上式可得轴的直径 式中=， 我们所设计的轴的材料选用45钢，查机械设计手册相表：表1轴的材料Q235A、20Q235、35(1Cr18Ni9Ti)4540 Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr13 ()1525203525453555 14912613511212610311297得45钢：=103126 。对于空心轴，则： 式中，即空心轴的内径与之比，通常取0.50.6，这里我们取0.56。代入数据得，主轴外径：取=25，则主轴内径：2.行星轮系轴的设计计算（材料为45钢）计算方法同上，此轴采用实心轴，则应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%；有两个键槽时，轴径增大10%15%.然后圆整为标准的直径。此行星轮系轴截面上开有两个键槽，设轴径增大12%，则=10.621.12=11.89，圆整为12。行星轮系轴如图3所示：轴上有两个键槽，通过键与圆柱齿轮联接，带动齿轮传动；轴右端带有螺纹，通过圆螺母用以轴向固定右边的圆柱齿轮；左边的轴肩用以固定轴承内圈。图3 行星轮系轴4.5 键联接的校核强度平键联接传递转矩时，对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接（静联接），其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断，因此通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为 可见键联接的挤压强度足够。式中：T传递的转矩，单位为Nm。k键与轮毂键槽的接触高度，k = 0.5h，此处h为键的高度，单位为mm。l键的工作长度，单位为mm，圆头平键l = Lb，这里L为键的公称长度，单位为mm；b为键的宽度，单位为mm。d轴的直径，单位为mm。键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤应力，单位为。 4.6销联接的强度校核此销联接为传动盘与三角轮系翻转主轴的联接。如图4：已知销联接校核公式为：扭转，剪切 图4 销联接示意图已计算出爬楼车主轴传递的扭矩为T=73.5 Nm, =8mm，D=25mm，圆锥销的材料为45钢，许用切应力=80MPa，许用挤压应力查表得60-90MPa故=58.52MPa。所以该销的强度足够。5 爬楼车的总体设计 行驶系统、传动系统和转向系统是爬楼车的三个大系统，三者缺一不可。对爬楼车来说，行驶系统就是它的灵魂，没有行驶系统，它根本就爬不成楼梯、越不了障碍，更谈不上叫爬楼车了；传动系统是它的根本，没有传动系统，它就不能在水平地面上行驶，也就达不到楼梯跟前；转向系统是它的基础，没有了转向系统，就不可能顺利的行进了。装配时，我们考虑了各方面的因素，最后将行驶系统放在中间位置，而传动系统就是轮子的水平转动，必须放在两边；转向系统放在中间上部位置，空余还留有足够的空间放置感应系统和控制系统。以下图5是一张以前轴为例的总装图的格局示意图：图5 总装图的格局示意图 设计总结毕业设计即将结束，回首这几个月的设计过程，其中的滋味难以名状。本次设计我主要做的是爬楼车机器人的行驶系统设计，如何实现爬楼车自动跨统越障碍和爬楼功能这个问题是最关键的。最后经过几种方案的比较，行驶系统采用三角轮系式。具体方案是靠电机带动一个一级圆锥齿轮传动和两个一级圆柱齿轮传动来实现减速和增大扭矩，并带动整个主轴转动来实现三角轮系的翻转，三角轮系的翻转也就实现了爬楼功能。三角轮系中的三个轮子通过支架连接在一起，主轴转动时，爬楼车依靠三角轮系中的三个轮子依次与台阶相啮合，从而达到上下楼梯的功能。这段设计的时间内，我们从方案论证报告、前期的理论学习、到中期的计算与画图，后期的整理、校改，遇到了很多的困难、很多的问题，甚至有些困难是我们没有估计到的。但是我们也学到了很多的东西，所学的这些东西一样也是非常宝贵的，是平时的学习中无法领悟到的。作为四年来的一个总结和体现，毕业设计是大学四年来最为重要、最能体现一个大学生对本专业知识的了解与掌握、对机械的制造与生产的认识、面对新问题的承受心理和解决新问题的能力、搜寻和整理资料的能力以及利用计算机的能力，使我对自己有了一个综合认识。经过这次的毕业设计，从中获益匪浅，但让我反思许多，回想四年里自己所学的知识，在本次设计中完全可以显示出来。经过这次的设计，学到了很多书上没有的知识和经验，也学会了如何将学到的知识应用于实际工作中去。但在设计过程中，我也认识到自己的缺点，在设计时思路不够清晰且思路狭窄，对课题的分析不透彻， 缺乏机械设计中理论知识，而且机械设计的基本设计知识学的不够扎实，以至于在设计机构时出现大量的错误 。此次的设计与以往的课程设计有很大的不同，以往的课程设计所要完成的任务较少，用到的知识也是某一方面的专业知识，且都是理论上的设计，最重要的是，以前的设计都是在有参考图的情况下设计，而且是大家一起作一个设计。本次设计是完全不同，它是依靠自己去独立的设计，去查资料，去思考。而此次设计用到了多个方面的知识，并且根据课题的要求先确定整体的方案，然后是具体如何实现，用什么方法去实现，这就要求我们有设计一个课题的整体思路和解决问题、分析问题的能力。在设计过程中，遇到的问题，多数知道用哪方面的知识来解决，但在具体运用时，不知道怎样用，这就是我所缺乏的能力。而且在思考问题时，想得比较简单，考虑的不够周到，经常过于理论化，而现实中的问题要复杂的多，这需要在工作中慢慢的积累和总结经验。在设计期间，我意识到了自己在过去学习上的缺点。在以往的学习中，比较很重视自己的专业知识，只是学习理论上的知识。然而我却忽视了重要的一点：在学习中，很少去想如何将不同的知识整体联系起来。在设计中，我发觉自己缺少了整体设计概念，在解决问题时不知如何去下手。在计算机绘图方面也是自己的最大缺点。在以后的学习中，我应该吸取教训，再也不能将学到的知识孤立起来，应该多想一想学到的知识可以用到哪里，可以与其他的哪些知识联系起来，完成什么作用，做到融会贯通。致 谢 在这13周的毕业设计中，我们是在老师的指导下进行的。由于这是一个新题目，刚开始我都不知道如何下手，但老师没直接告诉我应该怎么做，而只是给我一些提示，让我有足够的空间去发挥，查资料，按着自己的思路去考虑问题，解决问题，这样的指导使我受益匪浅。毕业设