有轨装车机机行走机构设计分析

号()院 与电气工程专 制造及其自动化班级11 自x班姓名指导老师2015 年 3 月 31 日1摘 要，、壕沟、自适应路面。通过加载不同设备和3块化设计拆、维修方便等特点设计完成器人与同类器人相比较从械保证了、沟、路面自适应等方面更加优势。小型面移器人适应力突出等优点,而器人小型化和力矛盾一直成为其实用化制约条件,如何提高器人成为近年来移器人基础研究基于星轮链接式体新型,围绕器人设计分析及其电系统设计展开了研究,体研究工作如:分析了国小型移器人研究设计及其实用化程度现状,针对基于星轮系和链接式载平分别进了深入比较和讨论。针对现传统轮式、腿式和履带式底盘优缺点进了分析,概况了小型移器人未来发展趋势,确定了本文新型器人器人驱模块设计方案,详细推导了其相关参数优化过程。综合现载底盘特点,提出了多种体框架方案,并进了星轮驱模块为,链接式为体框架器人星轮链接式底盘通过各种时受力情况。对分析过程器人相关参数进了详细,对分析进了合理、效假设简化计算过程。分析了器人轮触条件、斜坡驶和攀等约力和阻力相互制约情况,将单级过程细化为多个段进详细受力分析,确定高度和多个体参数之间过程各种参数耦合和矛盾,指出分析过程遇到合在ADAMS虚拟模型仿真实验果,优化得到样体参数,并设计制作了器要求,器人所需要控制系统设计及其体实现方案。设计制作完成新型器人样通过了一系列试验,得到了样达到实际指标,并II和设计指标进行了比较和分析。 试验结果表明新型有轨行走机器人达到了良好的有轨走性能 ,行星轮链接式底盘充分地集成了轮式和履带式底盘的优点并成功避开了其各自的缺陷。试验验证了理论分析及仿真的有效性 ,通过对试验结果进行细致的分析与思考 ,找出了理论分析与设计过程中需要改进的地方 ,为下一步工作指明了方向。关键词有轨行； 改进设计IIIAbstTheportablerobothasgoodperformance,canbeupanddownthestairs,stepintheindoorenvironment,inoutdoorunstructuredterraincanclimboverobstacles,crossingtheditch,adaptiveroad.Byloadingdifferentequipmentandinstruments,therobotcanbewidelyusedforrescue,rescue,protection,scientificresearch,militaryandotherfields,itsapplicationvalueishugeThispaperpresentsa3DOFportablerobotdesign.Theoverallstructureoftherobotisdividedintothreesections,modulardesign,hasthecharacteristicsofconvenientrepair,andsimilarrobotrobotdesigntocompletethecomparison,fromthemechanicalstructuretoensuretheobstacleperformance,crosschannelperformance,theperformanceofpavement adaptive aspects of more advantages.Byloading different equipment andinstruments,therobotcanbewidelyusedforrescue,rescue,protection,scientificresearch,militaryandotherfields,itsapplicationvalueishugeThispaperpresentsa3DOFportablerobotdesign.Theoverallstructureoftherobotisdividedintothreesections,modulardesign,hasthecharacteristicsofconvenientrepair,andsimilarrobotrobotdesigntocompletethecomparison,fromthemechanicalstructuretoensuretheobstacleperformance,crosschannelperformance,theperformanceofpavementadaptiveaspectsofmoreadvantages.Byloadingdifferentequipmentandinstruments,therobotcanbewidelyusedforrescue,rescue,protection,scientificresearch,militaryandotherfields,itsapplicationvalueishugeThispaperpresentsa3DOFportablerobotdesign.Theoverallstructureoftherobotisdividedintothreesections,modulardesign,hasthecharacteristicsofconvenientrepair,andsimilarrobotrobotdesigntocompletethecomparison,fromthemechanicalstructuretoensuretheobstacleperformance,crosschannelperformance,theperformanceofpavementadaptiveaspectsofmoreadvantages.KeyWords:ricethresherthreshing;improveddesign;IV目 录112333有轨行走方案 4有轨行走的整机结构及选择 6有轨行走的工作流程 7394件的整机承载算 轴承的选择 14撑支架强度计算 164.2 销轴的...................................................................1错误！未定义书签。4.2.1 轴的材料.................................................................轴的最小直径20轴的22V23512介 14165.2 机构承载.......................................................................1前处理 网格划20边况设定 20结果 225.3 动力学...........................................................................1致 谢 VI1、轻、操通过柔软好漂亮解决了大中丘陵ft水田越难以难题试验航空公司石油工、械制，箱包手、纤维、食品、医药等可测试各种材料及产品、半品的，弯曲时剥粘着力等剪试验考试轴载荷测量材料特试验法利考试得到数确认材料弹极限弹率比例极限面积减量度、屈服点屈服强度指标温下进所以实验数可以ASTME-8TMD-8D-9D-（芯片材ASTMD2343标准规定玻璃纤维试验D897规格规定粘合剂试验D规格规定硬质库姆试验法点准备试样刻线原始标0卡尺考试件原始标内两端中间两互垂直各测量直径取1且3 的最小计试制 品 的 原 始 22 体方案确定2.1有轨行走工作原理,,,,,。机各种环境中适应能强承载能突出等优小型化和能矛盾了一直实化限制条件如何机性能提高了近年来移机基础研究热问题。本文身构造基星连式新型机为研究对象机构设计优化问题性能分析和那个机电系统设计研究具体研究活如下：分析国内外小型移机化程度现状来说星系基构和链接式构搭载平台各自进了深入较。现对传统式腿式和履带式运底盘优和缺分析概况小型移机未来发展趋势本文有新型机研究背景和设计目标。分析机模块设计案其构推导详细参数优化过程。综现搭载底盘性能特性提出了身构案进了多种框架筛选和综。最决定好星组件机构连式构框架身机机关总体案。推导星连式底盘种种接受情况。22这种设计是一个小稻田根据南丘陵区是小设计可完3致谢过 20221有轨行走机在各种环境中适应能力强，承载能力突出等优点，有轨行走的小型化和有轨行走能力的矛盾了一直实用化的限制条件，如何有轨行走机的性能提高了有轨行走近年来移动有轨行走机的基础研究热点问题。本文车身构造基行星轮连杆式的新型有轨行走有轨行走机为研究对象，有轨行走机的结构设计的优化问题，有轨行走性能的分析和那个机电系统的设计研究，具体的研究活动如下：分析国内外的小型移动的有轨行走机的研究设计和实用化程度的现状来说，行星轮系基结构和链接式结构的搭载的平台的各自进行了深入的比较。现有的对传统轮式，腿式和履带式运动底盘的优点和缺点分析，概况小型移动的有轨行走机的未来发展趋势，本文有轨行走新型有轨行走机的研究背景和设计目标。分析有轨行走机驱动模块的设计方案，其结构推导详细参数的优化过程。综合现有搭载底盘的性能特性，提出了车身结构的方案进行了多种框架，筛选和综合。最终决定好的星轮驱动组件有轨行走机构，连杆式结构框架的车身有轨行走机机关总体方案。推导行星轮连杆式底盘种种接受力情况。有轨行走分析过程中的有轨行走机的参数进行详细的定义和说明，分析的环境合理有效的假设，简化计算过程。分析了有轨行走机的轮尝试条件的斜面，行车和攀越楼梯等的的限制条件。其原动力和抵抗的相互制约的情况下，单级的细分化有轨行走过程详细的分析力阶段，确定有轨行走高度和很多的车身结构参数之间的关系。分析了有轨行走过程中各种参数的结合和矛盾，分析过4参考文献程中遇到的问题和研究方向。结合虚拟的模型的模拟实验结果得到，优化原型的车身结构参数设计制作有轨行走机的机械系统。模拟分析初步验证了上述的分析的理论的正确性。叙述了上述有轨行走性能要求，有轨行走机必须的控制系统的设计及其具体实现方案。设计制作完成的新型有轨行走有轨行走机原型系列性能的试验，得到的实际业绩指标的原型，设计达成指标的比较分析。考试的结果有轨行走，达到了新型有轨行走机良好的有轨行走性能，行星轮连杆式底盘充分的集成轮式和履带式底盘的长处和成功避开了各自的缺陷。试验验证的理论的分析和模拟的有效性，测试结果的详细分析，找出与想法的理论的分析和设计过程中需要改进的地方，下面的工作，指明了方向。整机形式为：悬挂式、全喂入割台形式为：带搅龙输送器式卧式割台有轨行走形式为：轴流式222有轨行走台悬挂在框架悬架，后悬架有轨行走的柴油，配置在左侧有轨行走中间槽的前方，前部和后部端部连接到切割台和有轨行走部。有关资产负债割台，割台被放置5致谢供整体前进的动力。23车轮采用杠杆原理，由于齿轮的啮合点始终位于远离轴线的地方 ,在遇到物后，车轮静止，动力源驱动齿轮转动 ,而此时的动力臂大于阻力臂 ,比普通车轮有更大的力矩 同时后轮给以驱动力 ,车轮将会容易攀升，有轨行走成功。防倒退原理：车体在时，棘轮机构在工作，能有效的防止车轮的回转 ;如果需要车轮的回转，可以解除棘轮机构工作状态。第3 章结构设计.1 原理小型地面移动机器人小，机动性高，体积环境适应能力强，承载能力突出等优点，机器人的小型化和有轨行走能力的矛盾了一直实用化的限制条件， 如何机器人的性能提高了有轨行走近年来移动机器人的基础研究热点问题。 本文车身构造基行星轮连杆式的研究设计和实用化程度的现状来说， 概连杆式底盘种种接受力情况。 明，分析的环境合理有效的假设，简化计算过程。分析了机器人的轮尝试条件的斜面，6有轨行走过程详细的分析力阶段，确定有轨行走高度和很多的车身结构参数之间的关，要下以上各种综合工况下工作， 同时考虑温度、湿度、尘土等对性能的影响 ，将引起部件发热、构件卡死、磨擦磨损、密封失效等问题。分析了有轨行走过程中各种参数的结合和矛盾，分析过程中遇到的问题和研究方向。 结合 虚拟的模型的模拟实验结果得到， 优化原型的车身结构参数设计制机器人的机械系统。模拟分析初步验证了上述的分析的理论的正确性。叙述了上述有轨。 分析和模拟的有效性，测试结果的详细分析，找出与想法的理论的分析和设计过程中需要改进的地方，下面的工作，指明了方向。有轨行走越强，但也越大裂解速率。摩擦有轨行走：由组件和之间，以及和有轨行走有轨行走离去之间的摩擦。有轨行走间隙的大小是至关重要的。梳刷有轨行走：有轨行走由拉力有轨行走部件进行。滚动有轨行走：打有轨行走通过施加压力的元素进行粮食。在这种情况下，力作用在主要沿晶面的法向力。5）振动有轨行走：由有轨行走元件用于施加高频振 动进行有轨行走有轨行走是的几种方法在长期的生产实践过程中总结而来去壳大米储存。如果裸存储，则存储时间短。米粒脆，易折断。因此，本设计采用梳刷有轨行走，主要针对与有轨行走完成补充两者。3.2 型选择1.本车采用了杠杆原理、定轴齿轮啮合传动，显著提高了车辆的有轨行走能力。7致谢.棘轮机构有效的排除了车轮在有轨行走时可能后退的危险。.后轮的驱动力有助于有轨行走。.作用力偏离轴线，延长力臂，增强有轨行走的能力.本车可用于轮椅改造，无人消防车改造，灾害救援车改装，爬楼梯工具改造以及搬运车改造工程。应用前景本车能有效的实现有轨行走功能功能。它在有轨行走方面卓越的性能，使其可用于轮椅改造，无人消防车改造，灾害救援车改装，爬楼梯工具改造以及搬运车改造工程。本车改变以往普通轮系无法有效有轨行走的缺点。在火灾、水灾、地震、矿难等灾害发生时，能高效的抢救人民生命和财产。综上分析，这种产品具有潜力巨大的市场前景和较高的使用价值，适于推广应用。4 件的选择4.1 整机承载计算4.1.1 轴承的选择N： 率一部分用于克服有轨行走阻力而消耗的功率有轨行走的功率消耗为：

N（的 5%-7%），kN（占总功率消耗的 93%-95%），所以tN=N+k

N（kW ） (4)t其中空转功率消耗 :Nk

=A+

38参考文献式中： A——系数

A为克服轴 承及有轨 行走的 摩擦阻 力的功率消 耗，A(0

-03)103——系数，

3

为克服滚筒转动时的空气迎风阻力而消耗的功率，B

0.48-0.68）106.其中有轨行走功率消耗

N:这个过程比较复杂，有轨行走首先是以较低的速度进t入有轨行走入口处，与高速旋转的有轨行走滚筒接触，然后被拖入有轨行走间隙进行有轨行走，既有梳刷也有打击，研究的依据是动量守恒定律：冲量转换为动量：

mv

/

（5)m—单位时间喂入的量；

N vt

/1000

F)F—综合搓擦系数， 0.7-0.8；v—滚筒的切向速度， 15m/。将数据代入 N=Nk

N得：tN=0.52+1.5=20kw）412 度计算有轨行走消耗的功率由下式可求得：

N QN /s s p

(kw)

(6)其中：

Q——单位时间进入有轨行走的脱出物质量（s

kg/s）；N 率 p——选别能力系数， 0.8-0.9。

kw/kg/s），上筛： 0.4-0.5，下筛： 0.25-0.3；9致谢代入数据可得消耗的功率：

N QNs s

/1.75（kw）有轨行走在工作时，有轨行走轴的转速很高，而且传递的扭矩很大，综合考虑，轴择 45为 550-620Mpa，弯曲疲劳极限取Hlim

410480Mpa。FElim定由公式

dC3

P/nmm

(17)其中 P——该轴传递的功率， kw；n——该轴的转速，C——指轴的材料和承载情况确定常数。

r/；知 Pkw

nr/册 ]得 8d18.45mm选d20mm。结构为了便于轴上零件的拆卸， 经常把轴做成阶梯形。 可依次将齿轮和带轮等从轴的上端装拆，为了使轴上的零件便于安装，轴端及各轴的端部应有倒角。轴上磨削的轴段应有砂轮越程槽，车制螺纹轴段应有退刀槽。各段轴的直径，如有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径，安装轴承、齿轮等标10参考文献定时， 应把装零件的轴段长度做的比零件轮毂短有轨行走轴结构初定如图 7所示：校核

2~3mm，以确保螺母等紧靠零件端面。轴上载荷的计算求轴承上的支反力垂直面内：

F

917N

F

314N水平面内：

FNH1

2518N

FNH2

863N画受力简图与弯矩图，如图 8所示：据第四强度理论且忽略键槽影响M/W

70MPa1(M

M2

W3/W9.2106 M/Wca1

1.93105103/9.2106

70MPa 轴安全。

ca2

M/W

2.34105103/0.10.0453

70MPa图 8 受力简图和弯矩图按弯扭合成应力校核轴强度进行校核时，只校核轴承上承受弯矩和扭矩最大的截面强度，取 轴的计算应力为： M21(T)2/W

(99.5103)2(0.6.9103)2

/0.1303

48.8N为 钢 ,理 ,计 表

ca<

故安全。1精确校核轴的疲劳强度抗弯截面系数：

w3=0.1303=2700m抗扭截面系数：

w 0.2d3=0.2303=5400mT截面上弯矩应力

M/WB

99500/270036.8MPa截面上扭矩应力

T/w

26100/540048.3MPa11致谢轴的材料为 45钢，调质处理， 机械设计 [23]表15-1查得 640MPa

155MPa。 B 1截面上由于轴肩而形成理论应力集中系数 及 按机械设计 [23]附表 3-2查取，因:r/d

/30

0.067

D/

40/30

1.33

得 q

0.82

q 0.85故有效应力集中系数为：k

q

1)

082

1591）148k=1+q(-1)=1+0.85(1.33-1)=1.28 由机械设计 [23]附图得尺寸系由附图查得表面质量系数

=0.85,得扭转尺寸系数为 ==0.92

=0。9 轴未经表面强化处理，即 q=1 ，则综合系数值为K k /

1/

1.83又由碳钢的特性系数：

K k /

1/

1.48计算安全系数

=0.1-0.2 =0.05-0.1 取S ：ca

=0.15=0.75S 1

/k

275/18336m

15

4.08S 1

/k

155/162483/m

0.1548.3/

2.71故安全

S S S ca

S2

S2

4.082.71

4.282

2.71

2.26>S=1.512参考文献5介力学介在数学中，有限元法（ FEM，值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的， 并用其去估计更大区域的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 (件 (件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段介动力学分析功能包括:：正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、（噪）将会使解题效率大为降低。机构承载前处理打开 s软件，界面如图所示13致谢点击 Geometry功能选项，将其拖入 界面，如上图所示在击 StaticStructural功能选项，将其拖入到Geometry旋向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。导入模型以后，需要对模型赋予材质。本结构中，零部件材质设定为14参考文献结构钢杨氏模量为 2.1e13pa 泊松比为 0.3如下图所示，分别对每个零部件进行材料设定522 在划分网格前，用户首先需要对模型中将要用到的单元属性进行定义。单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。ANSYS为用户提供了两种网格划分类型：自由和映射开 Tool工具条上的 Free网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或两者混合。对于体，自由网格一般限制为四面体单元。15致谢元尺寸依赖于当前 DSIZE、ESIZE、KESIZE、LESIZE和 ASIZE的设置。Smartsize不能用于映射网格划分。当使用硬点时，不支持映射网格划分。此面必须由 3或4条线围成，在对边上必须有相等的单元划分数。如果此面由 3数。对边网格数之差相等，或者一对对边网格数相等，另一对网格数之差为偶数，也可以进行映射网格划分。如果一个面由多于 4条的线围成， 则它不能直接采用映射网格进行划分，到 （ 连接起来（ concatenated，一种进行网格划分时的操作）。代替进行连接操作（ 3个或 4个角点来进行面映射网格划分，这种简化的映射网格划分方法将两个关键点之间的多条线内部连接起来。为了得到映射网格，必须在面的对边上指定相等的线的划分数（或者定义线的划分数对应于某种传递方式） 。不需要在所有的线上指定划分数，只要是采用映射网格划分，程序会将线的划分数由一条边传递到对边，传递所有相邻的要划分网格的面）足 形 ·在对面和侧边上所定义的单元划分数必须相等如果体是棱柱形或四面体形，在三角形面上的单元划分数必须是偶16参考文献数 ·相对棱边上划分的单元数必须相等导入模型以后如上图所示，打开主界面 ,对模型进行网格划分，点击mesh功能旋向，右击插入 mesh方法，选择 定整体网格大小为 1mm。点击 mesh，软件对模型进行网格划分，划分结果如下图所示：可以看到最终网格划分效果，以及网格数量，如下图：17致谢如图所示，网格总数量为 487658，节点数量为 170523网格质量 100523 网格划分完毕需要对整体装置进行边界条件设定，如下图所示，为模型固定条件，即模型中某些零部件进行固定设定。设定轴承外圈上与小棍接触部分为固定。即 fixed另外设定约束条件，即受力载荷或者位移载荷18参考文献设定与轴承外圈接触的冷碾辊部分以及外部受力打小为 如上图所示524 点solve，软件对模型进行计算，最终计算结果如下图19致谢20参考文献。5.3 动学析在应力分析的基础上继续对模型进行模态分析，分析结果如下图所示分别得到模型的六阶振型一阶振型21致谢二阶振型三阶振型22参考文献四阶振型五阶振型23致谢六阶振型振型是对应于频率而言的，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列，依次称为第一阶振型，第二阶振型等等，指的是在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则振动周期越小。在实验中，我们通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时达到共振，频率即为固有频率。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。第一振型来的时候，在相同的时间里，房子晃的次数少，但幅度大；第二振型来的时候，在相同的时间里，房子晃的较快，幅度略小。 振又表现的晃动快一些。自第一振型到第三振型，其地震周期由大到小。振型有如下特点：结构自振频率数 =结构自由度数量；每一个结构自振频率对应一个结构振型；第一自振频率叫基频，对应第一振型；结构每一振型表示结构各质点的一种运动特性： 持定比值；要使结构按某一振型振动， 条件是： 各质点之间的初位移和初速度的比值应具该振型的比值关系；根据多质点体系自由振动运动微分方程的通解， 在一般初始条件下， 结构的振是由各主振型的简谐振动叠加而成的复合振动；24参考文献因为振型越高， 阻尼作用造成的衰减越快， 所以高振型只在振动初始才比较明显以后则逐渐衰减，因此，工程的抗震设计中仅考虑较低的几个振型。结论一、总结第一部分，文献资料的搜集与整理。通过专利网、文献库和老师给的资料，了解了当前主流的几种机车转向架助推器类型。然后根据文献资料，综合分析每种助推器的优劣，综合比较借鉴，初步确定采用撬棍杠杆式助推方式。第二部分，确定局部和整体方案。进一步分析撬棍式助推器的助推方式，及需要哪些相配合的机构，将助推器分为执行系统、系统和驱动系统三部分。然后先对执行机构， 。 ，从而确定电机选型，至此部分和驱动部分也同时确定下来。第四部分，各部件具体机构设计和校核。根据前面三章的内容，确定执行系统、系统各部件的具体结构尺寸，确定轴上零件的定位和装配方式，最后选择合适的轴承并对各部件进行校核。二、设计的不足之处这次的设计还只是阶段性的，助推器的结构还可以进行局部优化，中间的系统也有很多不同的方案可以选择，比如选择齿轮代替链传，三、个人体会， 最后一步。需要考察自己大学期间