微型全自主扫雪机器人机械结构设计

微型全自主扫雪机器人机械结构设计摘要在北方大部分地区，冬季雪量较大，积雪时间相对较长，特别是新疆乌鲁木齐，清理积存已久的积雪也成为城市正常运转的基础。一部分地方已经尝试使用扫雪机械来代替现存的人力扫雪方式。许多地方已经逐渐摒弃掉人工的除雪方式这种耗时、耗力的方法尝试更换为机械除雪。与现有的人工的扫雪方式相比，机械的方式有高效率、低耗能的优点，所以目前大力发展机械除雪以方便人民生活。现有的大型除雪机械和设备不能较好的将住宅区或林荫小路等狭窄道路的积雪清扫彻底，而且扫雪机械还不能达到全自主独立工作，所以此项研究非常有必要，这次研究是在海内外现有的扫雪设备和扫雪方法的基础上设计出了一种可及时进行扫雪作业并且完美适配较窄道路的的微型全自主扫雪机器人。关键词：扫雪机；三维设计；设计计算MechanicalstructuredesignofminiaturefullyautonomoussnowclearingrobotAbstractInmostareasofnorthernChina,thereisalotofsnowinwinter,andthesnowtimeisrelativelylong,especiallyinHarbin,HeilongjiangProvince,theremovalofthelong-termaccumulationofsnowhasbecomethebasisforthenormaloperationofthecity.Insteadofdoingthefirstsnowclearancebyhand,mostplacesstartedusingsnowremovalmachinery.Snowremovalagentsnowremovalhasbeenmorepopularanddevelopedquicklybecauseitismoreefficientanduseslessenergythanmechanicalsnowremovalwhencomparedtotheoriginalmanualsnowclearingmethod.However,communitiesandcampuseswithsmallroadwaysarenotsuitedforthelarge-scalesnowremovalequipmentnowinuse，andtherealizationofautonomoussnowclearingfunctioninthecurrentsnowclearingmachineryisnotmature,soitisalsoverymeaningfultodesignanautonomoussnowclearingrobotthatcanindependentlyachievenavigationandobstacleavoidancefunction.Asmall,completelyautonomoussnowclearingrobotthatisappropriateforanarrowroutemaybecleanedinrealtimeusingtheequipmentandtechniquesthatarenowinusebothdomesticallyandinternationally.Keywords:Snowplows;Three-dimensionaldesign;Designcalculation目录TOC\o"1-3"\h\u5489摘要 I3030Abstract II4650微型全自主扫雪机器人机械结构设计 114679第1章绪论 1120261.1国内外扫雪机械的发展概况 1108741.1.1国内发展现况 1264791.1.2国外发展现状 151561.2发展趋势 211165第2章路面积雪性质的研究 4305662.1积雪的物理性质 4201432.1.1雪的密度 4125022.1.2积雪的湿度 5190892.2积雪的力学性能 551862.2.1积雪的硬度 6113182.2.2积雪的摩擦系数 661942.3本章小结 616359第3章微型全自主扫雪机器人机械结构设计 7123533.1总体结构设计方案及其比较 7270013.2微型全自主扫雪机器人的工作原理 774033.2.1基本结构 7111223.2.2工作原理 7293683.3本章小结 715367第4章行走装置的设计计算和校核 8234604.1设计方案 8162184.1.1结构组成 8279054.1.2工作原理及过程 9144384.2履带行走装置动力方式的选择 9320304.2.1履带行走装置牵引力的计算 936964.2.2履带行走装置原动机的选择 12326354.3履带行走机构关键部件的设计及选择 13130604.3.1履带的设计与选择 13254324.3.2驱动轮的设计及选择 1553114.3.3驱动轴的设计及计算校核 1540514.3.4导向轮，拖带轮，支重轮的设计及选择 18116324.3.5履带行走机构螺栓的选择与校核 20118754.4本章小结 2129826第5章推雪装置的设计计算和校核 2291625.1推雪板的设计 22138125.2铲刃的设计 23288315.3链接装置的设计 23147435.4本章小结 2420089第6章扫雪装置的设计计算与校核 25287716.1扫雪装置的设计 2564416.2扫雪装置的计算与校核 26112916.3刷毛的选择 28186126.4本章小结 291992第7章经济效益分析 3036827.1发展前景 30265627.2成本计算 30107637.3经济社会效益分析 31302417.4本章小结 317799结论 3228509参考文献 334070致谢 34微型全自主扫雪机器人机械结构设计第1章绪论1.1国内外扫雪机械的发展概况1.1.1国内发展现况我国的除雪行业相对来说开始的较晚于其他国家，实际开始起步于80年代后期。随着改革开放的推进与发展，以及对新马路的不断现代化基建，车辆数量增长幅度突飞猛进，促进了除雪机械飞速进步。这些研发组织大部分出现在我国的东北部地区，他们已成功研制出十几种型号不同、功能上有本质区别的原型扫雪机器人，在现实除雪工作中发挥了较大的实际作用。极力推进了我国机械制造发展史在除雪行业相关领域的极速发展，同时，相关部门也对引进和推进国外较为领先的道路养护技术在我国的发展。近几年以来，一定程度的道路综合维护设备不断地被从国外引进到我国，其中大部分被赋予除雪能力REF_Ref12407\r\h[10]。图1-1国内主要除雪方式1.1.2国外发展现状目前，国外的除雪机械技术处于较为先进阶段，具备多样化的附属功能。在芬兰、德国等北欧国家，除雪设备的研发技术和生产工艺相当成熟，处于领先地位。这些发达国家都有着传承已久的的多功能除雪技术的发展史，扫雪技术历经几十年的进步已经趋于完美，可以针对不同的路面情况和气候条件选择不同类型的设备，方便实用，能很好地实现想要达到的高效、及时的目标。REF_Ref12851\r\h[14]。图1-2国外主要除雪方式1.2发展趋势眼下，全球各地对扫雪产品的需求正在上升，扫雪产品的发展方向也显示出明显的多样化趋势。体型小，速度高寒冷的冬季经常会带来许多交通问题，比如路面结冰、积雪等，在各个路段如坡道、弯道、交叉口和机场跑道等地方都可能会造成交通阻塞，当路面覆盖积雪和积冰时，交通情况会更加恶化，而扫雪设备的尺寸和速度则对交通产生阻碍。因此，必须设计尺寸小、速度快的清雪装备，以解决狭小的崎岖路面的清理问题。因此，发展体积小、速度快的扫雪设备已成为未来的目标REF_Ref13017\r\h[8]。多功能，高效率为了增强清雪设备的工作效率，需朝着多功能、通用化的方向进行改进。设备应当可以实现多设备安装，具体表现在设备不止可以在专用设备的车型上安装，也可以在其他常用道路维护车型上安装，以此来提高使用效率。比如，在洒水车上进行安装和改装，不仅可以满足该类车辆原有功能，还能进一步拓展设备适用范围。未来扫雪设备向此方向拓展研究发展，将大幅度提高应用效率REF_Ref15401\r\h[6]。智能化除雪机械要面临许多不同的路面情况和在工作时应有的条件各式各样，难免对路面造成损伤和对道路车辆进行剐蹭。因此，扫雪装置要提升聪明程度，以解决在难以预料的路况和工作环境的作业问题。举例来说，增加设备自动控制技术的应用，设计自动避让和紧急避险功能，以降低设备在操作过程中对其本身造成的损坏REF_Ref13217\r\h[2]。安全，舒适在除雪期间，扫雪设备体积过大行驶过程中会有死角可能会对路人造成影响，操作人员的工作环境也十分恶劣。所以除雪设备需要提高工作过程中的保险性和舒适性，改善操作人员控制室的工作环境，例如降低噪音、提供给工作人员足够的保暖措施等，使作业人员的作业工作环境更加完美、更加舒适。REF_Ref15261\r\h[5]。。第2章路面积雪性质的研究2.1积雪的物理性质为了探索、制造和开发出最人性化、最便捷的扫雪设备，寻找有效和适合我国道路现状的除雪方法和设备，首先要对积雪的必要物理特征有一个清晰的认识。然后计算扫雪设备需要的物理参数，以及估算扫雪机面临的挑战，例如扫雪机的阻力和功率。由于气候的多变和温度的不稳定，下雪时间和空气中水分含量等多种因素，多种不同因素的不同改变会使雪的物理特性变得复杂和多样化。其中车辆行驶、除雪作业和水在内的诸多因素都是造成道路上积雪量急剧变化的罪魁祸首。积雪的主要物理特性将直接影响到冬季除雪设备遭遇的除雪阻力和除雪力度的设计与计算[12]。其中硬度、密度、湿度、摩擦系数等都是雪的显著的物理特性。路面冰雪的分类如下表2-1，表2-1路面冰雪的分类雪的形态雪的形状特征雪粒直径密度kg/m3新雪结晶状新下的雪40-100粒雪粒状在压力或热力作用下，经融化、冻结、归并而成0.5mm以上不毗连的圆粒270-410碾压的雪板状被行驶的车辆碾压过的雪0.045mm-0.03mm相互毗连的圆粒450-745冰雪板状压实的雪融化后又冻结在一起直径为0.05mm-2mm的多结晶冰745以上冰薄膜状结冰了的水附着在路上形成薄膜直径为0.05mm-0.4mm的多结晶冰2.1.1雪的密度由于雪是一种固体水，它的密度直接影响微型机器人完全除雪的组成和计算。积雪的密度每一时刻都在变化，雪融化后得到的水量与雪融化前的体积之比等于雪密度值。根据一些科学家的说法，经典气候下的积雪密度范围为0.007-0.79g/cm3。除此之外，前苏联的科学家认定雪的密度在0.01-0.8g/cm3之间。这就是为什么我选择前苏联的作为参考，因为我国的雪质与俄罗斯的相差不多，尽管雪密度因下雪地区的区域环境、沉积位置、测量方法和其他因素而有很大差异，但总体相差不多[9]。国外研究人员使用一系列彻底的技术对雪进行了观察、测量和检查。得出下表2-2结论。表2-2雪的密度状态密度g/m3新下雪0.1-0.15下了30天的雪0.2-0.3大于30天的雪0.34-0.42密实的雪0.4-0.6冰雪混合0.6-0.75冰积雪的湿度雪的性质很大程度上取决于其含水量。积雪中的水可分为薄膜水和雪体表面的水两大类。雪的含水量通常分为水湿雪、潮雪、干雪等四大类，其中水湿雪、湿雪等水湿雪：能把水里的雪挤出来，力量很小；湿雪：液体的水雪，在雪层中清晰可见；潮雪：水离不开雪层，却凝结成雪片；干雪：完全不含水份的雪，不会结块地凝结在一起。水湿雪四级最不稳定，其他三级可用扫雪器清除REF_Ref12407\r\h[10]。最大蓄水量的积雪表2-3所示。表2-3各种状态雪的持水能力雪的状态最大持水能力刚降的雪(没有风）0.55-0.5刚降的雪（有风）0.55-0.32没密实的雪0.3-0.21 密实的雪 0.2-0.12冰2.2积雪的力学性能积雪的力学性能主要包括硬度、摩擦系数等。2.2.1积雪的硬度雪的硬度也叫雪的抗压强度，积雪的坚硬程度取决于它所处的环境。雪的硬度受到气温、湿度、雪的结构和颗粒大小等多种因素影响。积雪的硬度可以大致分为四级：松雪：容易插入，用力不大；稍硬雪：一个手指就能扎进去；硬雪：铅笔可以插入，坚实雪：刀可以插入REF_Ref15617\r\h[15]。2.2.2积雪的摩擦系数积雪路面的摩擦系数一般低于干沥青路面的摩擦系数。0.03-0.2为刚刚下的雪的摩擦系数。如果雪被压实，摩擦系数可以降低到0.2以下。如果是结冰的路面，摩擦系数可能降至0.1左右，需要注意的是，积雪的摩擦力取决于多种因素，包括积雪的厚度、湿度、压实程度以及是否有其他物质（如冰）混合在内。同时，积雪的厚度对摩擦力有显著影响。如果雪下的不厚，就起到减小摩擦的目的，降低与地面的摩擦因数。但是，如果雪太薄，这种润滑就会减弱，摩擦系数就会增加。相反，如果积雪过厚，它可能会吸收太多的能量，增加与雪面之间的摩擦，同样导致摩擦系数增加。2.3本章小结在本章中，我们收集了许多相关信息，研究和统计了路面的基本状况和路面上的积雪性质，为后面的计算过程奠定了基础。第3章微型全自主扫雪机器人机械结构设计3.1总体结构设计方案及其比较方案一：前面的一块推雪板，把雪往路边推，然后连着滚刷，把雪往上卷，最后扔到路边就可以了。这样的扫雪方式目前运用的范围更广。方案二：车的前部分安装三个可单独移动的分体式推雪板，三部分分别由不同的液压装置控制，可实现单独避障上下移动。车的后部分安装滚筒雪刷，方便及时清理漏下和较薄的雪，所需运行动力主要由电动机给予。3.2微型全自主扫雪机器人的工作原理3.2.1基本结构该系统由电机、扫雪机构、移动电源、推雪机构和传动机构组成。三块分体式推雪板作为前置推雪板；后置扫雪滚刷选用滚筒滚刷，将雪旋转起来的同时将雪扫到旁边；机器人的前进和后退都由行走机构实现，选用履带式，推雪板由电动机提供原动力，扫雪刷自动控制由电动马联机实现，自主扫雪工作通过单片机自动控制操作装置完成。3.2.2工作原理车体部分前进和后退的动力由电动机提供，执行部分由电机进行驱动，使机械能够做到一遍扫雪一边移动，各部分具有互不干涉的工作能力，结构示意图如图：图3-1微型全自主扫雪机器人结构示意图3.3本章小结本章主要是提出了设计方案和方法，以及微型自主机器人的结构和工作原理，相当于一个总体结构的概述。行走装置的设计计算和校核4.1设计方案因为此次研究环境为雪地，对各种行走机构的使用情况进行全面检查及考虑，，对道路情况要求不高的行走方式中履带式是最适合的，在防磨性能的比较上也优于常见的轮胎行走方式，同样，履带的体积大重量高，有效增加牵引力，所以选用履带式行走机构。（1）控制方式及提供动力的方法：有单片机的操控模块进行控制，驱动装置由直流伺服马达驱动，并配有车载电源。（2）结构设计：履带行走机构每部分都有相应的独立接口，并与螺栓相连，。便于未来进行车体拆装、检验零件和改装。(3)传动方式的选择：选用直流伺服电动机直接与减速装置相连接的方法，减速装置中装配的输出轴直接连接驱动轮的方式来传递动力。（4）转向设计：每侧的履带选用的控制方法不同，一侧远程用电动机进行控制另一侧实现自主任务。4.1.1结构组成履带式行走机构由机架、履带、电动机、减速器、控制器、驱动轮、导向轮、支重轮、托带轮和张紧装置等构成REF_Ref13429\r\h[12]。机构如图4-1所示：图4-1履带行走机构结构组成4.1.2工作原理及过程其工作原理是：由单片机的远程控制模块向接收控制器传送命令，并将该命令传送到驱动控制器，使电机运行起来，再由减速器对电动机的输出扭矩进行放大，再将电动机的输出扭矩传输到履带链上，从而完成履带的运动。在履带上设置有支承轮，当履带与地面接触时，支承轮和履带之间的摩擦力会向后移动，这两种作用力是双向的，而地面则会对履带产生前进的作用力。如果阻力比地面提供的推力小，因此地面会给履带一个前进的力，而履带上的支撑轮就会向后滚动，左右控制系统用于控制左右两侧电动机的活跃状态，通过识别履带行进路线和行进方向，达到更好的作业效果。工作过程：通过履带行走机构的驱动，扫雪机器人前端的推雪板，在电动机反向运动的情况下，机器人后退，后滚雪刷启动，清理前、后滚雪刷。铲雪设备，雪铲设备，以及电池，这些都可以给机器人增加重量，而电池位置的改变也将显著影响机器人的中心重心的改变。4.2履带行走装置动力方式的选择4.2.1履带行走装置牵引力的计算总阻力应大于履带装置的牵引力之和，忽略转向阻力和空气阻力的情况下，除雪机器人走路装置的阻力主要包括滚动阻力、惯性阻力、倾斜阻力和除雪装置的作业阻力REF_Ref15741\r\h[7]。因此最大牵引力计算公式如下：(4-1)式中T——总牵引力（）Tf———滚动阻力()(4-2)式中G——机器人的重量（Kg）f——滚动阻力系数∝——通过下表4-1可取f=0.2，G=100KG，∝=1.70。带入公式得到履带走路装置的滚动阻力为200N。表4-1行驶阻力系数雪的状态雪的密度阻力系数f轮胎履带松软的0.15——0.250.2——0.250.2松软潮湿的0.15——轻碾压的0.25——0.350.15——0.20.1碾压的0.4——0.60.08——0.10.05冰雪0.70.06——0.080.07——0.1Tx———除雪装置的工作阻力（4-3）式中Tx1——雪铲受到阻力Tx2——滚刷刷毛受到阻力式中Ne——推雪板切割雪的阻力Nf———雪在板面上产生摩擦阻力Nr———推动雪堆前进的摩擦阻力Nd———将雪铲起时产生的摩擦阻力由这些的工作阻力就是除雪过程中所产生的阻力。Tx1=式中G——推最多雪的重量，取55KGμ1——雪的外部摩擦因μ2——内摩擦系K0———板切割雪的阻力系数由表4-2，表4-3，表4-4，取μ1为0.085，μ2为0.3，K0为0.12。带入计算得TTx2——通常积雪量小、道路雪薄的状况，阻力大小为20N。经过计算后已知除雪装置的工作阻力Tx=297N。表4-2雪的摩擦系数μ雪的密度（g/cm3）雪的温度(0C)-2——-4-30——-850.0970.080.090.40.0550.0650.0750.450.0180.0180.0560.50.0250.0330.010表4-3雪的内摩擦系数μ雪的密度（g/cm3）雪的温度(0C)0附近-1——-6-10度以下90.340.20.300.330.360.30.350.390.460.40.400.440.500.450.420.470.530.50.450.500.57表4-4雪的切削阻力系数K0雪的状态雪的密度雪的温度-1——3-4——22-22以下松软的0.12——0.180.7——1.80.2——0.80.1——1.2密实的0.20——0.282.0——1.01.5——3.02.0——5.0小粒冰雪密实的0.30——0.363.0——6.01.0——7.05.0——10大粒冰雪密实的0.28——0.351.0——7.03.0——6.05.0——9.0Tj———履带行走装置的惯性阻力Tj=σ0——dvdT∝——作业中可忽略惯性阻力，dvdtTα=α取1.7，带入计算得到Tα得总牵引力T=200+297+30=527N。4.2.2履带行走装置原动机的选择履带走路机构的总牵引力F=527N，按车辆运动功率计算的公式得：P=FV（4-7）考虑到除雪机器人的运行速度为0.5米/秒，所以在算出履带机构所需功率P=316.2W时，考虑安全系数为1.2。工作时履带需要大功率进行驱动，同时该机械工作也承受高负荷，因此过载保护是必要的，所以应搭载减速装置，在减速箱的驱动下，不仅扭矩能够得到提升，同时也能够起到过载保护的作用。所以我才会选择57无刷直流马达，57BL115S21-203TF9无刷直流马达，24V210W1000rpm。性能表4-5，表4-6。表4-5无刷直流电机参数表名称参数额定电压（V）24V空载转数（r/min）1000输入电流（A）8.75额定转矩（kg/cm）0.7额定电流（A）13级数4重量（kg）1.22型号57BL115S21-203TF9表4-6电机接线定义电机相线定义霍尔信号线定义UVWHUHVHWH+H-黄红黑黄白蓝红黑由此根据以下公式：Ｔ＝ＭｒＭｒ=9549×n=60×fpp=T×2πn60其中Mr———驱动力矩R——驱动轮轮动半径，计算后得0.025mmN——电机转数P——磁极对数通过计算得出驱动轮速度为306r/min，所需电机扭矩5.6NM，所以应配备1:4的减速机，故选择PX系列行星减速机。可以与57无刷直流电机组合使用。该配套减速机灵敏度高，调速性能优异[12]。装备电池应选择24V电池，优点为重量轻、安装便捷。4.3履带行走机构关键部件的设计及选择4.3.1履带的设计与选择由于履带在冰雪天气下的工作环境恶劣，考虑到履带的打滑性，强度和刚性也符合设计要求，防滑性能好，耐磨性高，金属材料消耗最小，履带在移动过程中的动载荷可以有效降低，附着力高，牵引力可以充分输出，本设计方案中机器人的质量估计为100kg，履带总数为2个，履带与地面的接触长度为L，轨距为B，履带板的宽度b必须合理的匹配，以满足设计要求，此外，L0表示地面长度，h0表示轨道高度，G表示机器的整体质量REF_Ref14239\r\h[11]。经公式可得知：式中T0———节距Z——齿数因此，要尽可能地减小履带的尺寸，并尽可能地减少主动轮的齿数，以满足设计要求。履带行走设备的间距与它的总容积之间的关系：t0=(15~17.5)带入计算得到节距为T0=10mm通过对单边履带的计算，得出了L=1617毫米、70毫米的设计宽度和1800毫米的长度。履带链的三维建模如下图：图4-2履带链三维建模履带的前进和后退角：前进角大小直接影响行走机构的通过性，履带行走机构的通过性越大，此角越小。因此遇到障碍时前角越大，行走机构受到的阻力越大，前角过小，遇到障碍物撞击会使车体大幅度振动。拖曳角的作用是调整拖曳角来改变轨道的地面长度，拖曳角大地面长度短。在这种设计中，履带的倾斜角为45度，履带的后角为50度。履带板的三维设计如下图：图4-3履带板三维建模在借鉴前人研究成果的基础上，结合前人的研究成果，提出了一种新的履刺结构，即通过增大靴齿高度、增大履带受力、增大履带与地面间的摩擦来实现其在冰雪环境中更好的工作。结构如下图：图4-4履刺的结构4.3.2驱动轮的设计及选择此次设计方法的齿数为20的驱动轮位于走路装置后部，可以缩短转向模块的长度，防止动力不足时履带塌陷，延长了履带的续航能力，提高了履带的行驶速度，提高了车辆的行驶效率。由于主动轮的长短与导轨的基长和芯长有直接的关系，因此，主动轮的长度不必过高。主动轮直径50mm。三维建模如图：图4-5驱动轮的三维建模4.3.3驱动轴的设计及计算校核针对驱动轮过宽，减速机轴长不够，不能提供大扭矩，因此对传动轴进行设计，履带传动装置驱动轴的设计有以下几点：（1）制造方便，主轴上各零件易于拆卸拆卸；（2）在轴及轴上安装适当的装配；（3）部件的设计要尽量可靠；履带传动装置驱动轴的设计有以下几点：制造方便，各零件在主轴本体上易于拆卸；适当地组装在轴与轴上的装配；部件的设计要尽量保证其可靠性；不合适的应力会造成驱动轮的破坏所以驱动轮应按照应力进行设计。图4-6驱动轮传动轴1节：进口轴端部通过联轴器与减速机的输出轴相连，外径10毫米，按照强度计算，长度11.5毫米，把电动机的功率传给传动轴，联轴器与之相配合。2节：该节杆上的密封环的直径为12mm，长为3mm。3节：这个部分是用来装驱动轮的，根据对应的公式，它的直径是10毫米，长度是35毫米，在配对时，始终要选用3X3型的钥匙，把电机的功率传送到这个位置，一般是相连的。4节：此节是用来将主动轮固定在螺接上，将端盖装在螺帽的右边，以加强紧固。对驱动轴进行力学分析，如图4-7：图4-7驱动轴力学性能分析图AB段：M（x）＝F1L1=160N.M，弯矩如图4-8：图4-8驱动轴弯矩图在这个弯矩图中，横截面AB的最大弯矩位于B点，由AB横断面可知为12毫米。因此，该截面的弯曲系数如下：WZ=最大的弯曲应力为：σmax经计算此段符合设计要求。BC段：因为这段会受到扭矩根据式可知：T+M=0（4-15）M=9549pkwT=M≈75N/m（4-17）此段轴的扭矩如图4-9：图4-9驱动轴扭矩图这一节轴承受了各个部件的相同力矩，因此M代表了这一节轴的转矩，它的直径为10毫米。从上述公式可得出该截面的扭转横截面系数：Wt=可计算出此轴的最大切应力：τmax=根据计算结果，可知这段轴强度和刚度符合设计的要求。4.3.4导向轮，拖带轮，支重轮的设计及选择导轮、拖轮和支重轮都被深沟球轴承所取代，其中导轮的功能是将履带往正确的方向引导，它通常被安置在行进装置的最前方，其确切的位置和主动轮的位置相关联，行进机构应该是沿着一条直线行进，导轮和主动轮平行地设置，导轮的位置比较高，可以帮助降低重心，并且设计的重心不高。因此导向轮的作用是引导履带所以导向轮与驱动轮要成直线，直径要比驱动轮小一些。DDk=0.8~0.9，取导向轮直径Dk=10mmREF_Ref14431\r\h[13]。拖动轮主要用于支承垂下的履带，避免由于轨道过度下垂而产生的强烈震动，并避免轨道掉落，通常，由于牵引滑轮力较小，所以可以减少其体积，减少所需数量，该设计将拖动轮与导轮合并，并以轴承取代两者，从而实现了两项功能。圆筒的功能是传递压力，将压力分成多个支点和几个支点，这样就要求承受更大的压力，同时对稳定性也有很高的要求，所以要采用多个支点来平均分配压力。4个直径10毫米的滚柱，这样的设计，使得彼此之间的距离更接近，从而能够将压力均匀地分散开来，通过合理的设计，滚柱之间的间隔使得移动行走机构，滚柱始终处于轨道上，避免了滚柱在轨道上奔跑，同时还能防止由于地面不平而引起的轨道震动，这就导致了轨道的下降。为了确保履带装置的稳定，履带数目不宜太多，否则会增大其滚动阻力。由于辊筒与地面接触较多，很容易混入杂物，所以在辊筒的两个侧面都要设置密封环及轴承端盖。三维图如下：图4-10导向轮，拖带轮，支重轮的三维建模齿面接触疲劳强度公式：n=60000vπD经过计算得到驱动轮的转数n=303r/min传动比μ=齿轮接触强度公式为：δH=其中Fn——法相力ρ1——μ——传动比E——综合弹性模量驱动轮Z=20，由此已知驱动轮的接触强度：σH=其中载荷系数K=1.6，μ=3.3，a=70mm，b=10mm，T=6.6N.M研究结果表明，该方法能够满足设计要求。驱动轮齿根弯曲疲劳强度的计算：齿根弯曲强度校核公式：σF=2其中KF———弯曲疲劳强度T1———齿轮传递的转矩YFaYFaYε——∅m——模数Z——齿数带入计算得到。4.3.5履带行走机构螺栓的选择与校核在这种设计中，选用的是螺栓连接轴承和履带板，支重轮通过使用轴承以承受更大的力，所以选择的螺栓须具有高强度、高刚度的物理特性，同样需要校核，选用型号为M10×2的8.8级螺栓，低碳合金钢为螺栓材料，800N/mm2为抗拉强度，根据以下公式进行校核：图4-11螺栓的预紧力分析螺栓杆与孔壁的接触强度条件为σp=螺栓杆的剪切强度条件为τ=Fπ许用切应力及许用挤压应力τ=σsS式中F——螺栓所受的工作剪力（N）；d0——可取为螺栓孔的直径（mm）Lmin——螺栓杆与孔壁接触面的最小长度（mm），Lσp——螺栓的许用接触应力（MPa）τ——以兆帕为单位的螺栓材料许用切应力。经计算，此螺栓满足设计要求，故选用。4.4本章小结在本章中，我们设计并研究了扫雪机器人的行走机构，并通过考察机器人的整体功率和运行方式来使用履带行走机构。阐述了行走机构组成和作业方式。依据设计纲领，对每个部件进行设计和检验，每个重要部分的选择和校核都符合设计纲领。推雪装置的设计计算和校核5.1推雪板的设计为了实现自主避障的功能，它可以自动清理崎岖不平的道路，它将雪铲分成三个单独的雪铲，每一个雪铲都是单独的，通过我的研究，目前还没有一种雪铲是这种结构，虽然它的结构比较复杂，而且成本也比较高，但是它的自主性非常好。因此，研发工作可以继续进行下去。个别的雪铲仍然是按照犁式的。犁式雪铲利用车辆的推进动力，将雪堆在道路上，并沿着一面横向滑行，其上的积雪与高速犁耕下犁面土壤的运动非常相似。但由于积雪滑移的距离比块体的滑行距离要大，所以铲身应该表现出高速犁削的特征。但是，铲雪机和农用犁的生产方法不同，农用犁一般采用铸造法，而雪铲采用数控折板机加工设计的曲面，在调查并列出了数控折板机可以加工的曲面后，与犁体相比，我们选择了渐开线等俯仰螺旋的曲面设计REF_Ref14614\r\h[4]，行成原理如图：渐开线b)等螺距螺旋线图5-1渐开线等螺距螺旋线原理图渐开线等螺距螺旋线的数学模型：x=r0其中常数用φ代表，表示螺旋线在弯曲平面上的不同，同时也代表导程角相同和扭转角不同，θ表示对于不同位置渐开线的基底半径不同。5.2铲刃的设计铲刃应设计为耐磨部件，所以在此次选择了60Si2Mn钢板作为制造时应用的抗磨材料，不过考虑到有些地方需要铲雪，需要用到一些比较小的雪板，比如选择橡胶，60Si2Mn在高温下具有很高的硬度和耐磨性，性价比比较高。因为铲刀属于易损件，装配时容易拆卸和安装，可以在铲刃上开有孔，在铲刃上设有对称的多排孔位置，既能正反两面使用，又能持续使用，直至铲刃不够安装。高度提高用料的使用程度，减少消耗价格。5.3链接装置的设计链接装置选用液压系统，除雪装置的提高和降低和除雪装置的左右位移偏转通过液压系统的收缩以达到目标，除雪装置的升高和降低需要使用5个液压缸，结构如图所示：图5-2推雪装置的链接结构图5-3推雪装置的链接结构前面的液压装置遥控三个推雪板的上下摆动，以达到在不同状况的路面上进行除雪工作，后面液压装置遥控所有推雪板的上下摆动幅度，扩大了推雪板的应用途径、作业面积。液压系统安置在Y形构架上，运用钢与车身焊接连接。5.4本章小结在本章中，我们设计并研究了推雪铲的结构与安装方式，并通过计算铲雪板的整体形状和弯曲基底半径来合理设计推雪板。阐述了推雪装置的材料选择和作业方式。依据设计要求，对推雪板进行设计和检验，每个分雪板的选择和校核都符合设计要求。扫雪装置的设计计算与校核6.1扫雪装置的设计想想要扫的雪是不铲除剩余的雪，或者是躲避障碍物时绕过的雪，选择有弹性的扫雪刷子，，如图所示设计滚筒，如图所示，八把刷子沿滚筒径向轴线均匀排列，如图设计滚筒，如图8把刷子沿着滚筒径均匀地排列到轴线上，筒刷架中间弯曲的带钢板较长，10个直径约20mm的圆孔沿着带钢板长度的方向均匀地放入，沿着直径切割套管3个，这样就可以很好地完成扫雪工作了。切出和钢板一样厚的凹槽，然后在每个圆孔的位置对好带钢板，再把带钢板的凹槽嵌进去焊好就可以了。取一定数量的每圈长度约460mm的钢丝或尼龙丝，经带钢板孔及套管3折1/2对，用螺栓6连接筒刷架2和无缝钢管5，组成除雪辊，并配有锁紧装置。这种吹雪机的结构与常规固定轴向弦刷的方式不同，使复杂的拆换毛刷过程在磨损后得到了很大程度的简化。如下图所示：图6-1扫雪滚局部断面结构图三维建模如下图所示：图6-2扫雪滚的三维建模6.2扫雪装置的计算与校核对于少量的除雪，除雪设备的阻力为20N.M，扫雪滚的速度为4r/s，因此除雪设备所需的功率如下：20N.M×2×π×4rs考虑行星齿轮减速无刷直流电机，最大功率500瓦，最大转速1000转/分，减速比1：4，型号选用：56GP—57BL2440D。对滚筒刷轴进行力学分析，如图6-3：图6-3滚筒刷轴力学分析图得出剪切弯矩方程后，计算最大剪力和最大弯矩，绘制剪切弯矩图，如下图所示。图6-4剪力图此段轴的抗扭截面系数为Wt=0.2可计算出此轴的最大切应力τmax=根据计算结果可以看出，该轴的强度和刚度符合设计要求。图6-5弯矩图从这张弯矩图中我可以看到，最大弯矩在C点，所以根据已知的30mm，这个轴的弯曲系数为：WZ=得到弯矩最大的点为横截面C处，大小为：Mmax=最大的弯曲应力为σmax经计算此段符合设计要求。6.3刷毛的选择根据材料的不同，刷子的毛可以分为竹制的，金属的，尼龙的。最早的扫雪机（滚筒扫雪机）采用的是竹材，但是竹材的刷毛很不耐磨损，极易断裂，工作10个小时后破损率高达20%。要想把雪清除干净，必须在刷毛比较完好的情况下，刷毛可以逐步换成其它材质。因为钢丝刷毛的制作过程比较简单，而且价格也比较便宜，因此能够制造出来的厂家也比较多。然而，钢刷毛却有一个严重的缺陷。在铲雪工作一段时间之后，钢刷毛就会慢慢地掉落下来，而且在工作过程中，因为气温的改变，融化的雪变成了刷毛上的灰尘，从而导致钢刷毛生锈。工作时刷毛反复摩擦地面和挤压，形成形变，将导致刷毛的严重变形和掉落。北方的冬天空气湿度不够大，天气情况恶劣的情况下，钢丝与路面摩擦时轻易产生火花，这样钢丝毛无法工作在加油、加气及机场跑道等易燃易爆场所。在这样的地方工作时，钢丝刷毛的使用受到限制，因为任何时候人的生命和财产安全都处于危险之中。随着机械工业的飞速发展，刷子材料已逐步向尼龙方向发展，与传统的钢丝刷相比，其表现出了许多优良的特性，如尼龙6，它的吸湿性好，遇水膨胀，熔点低，在空气中容易氧化变色，耐磨性好，机械强度高，硬度高。尼龙66是目前尼龙中最耐磨损的一种，它是一种不透明或半透明的乳白色晶体高分子，它具有较高的机械强度、较高的抗拉强度、较好的抗裂性，即使在高温情况下也能保持较好的强度和硬度，同时还具备较好的耐热性。可作为一种自熄性物质，它的自润滑性很好，化学稳定性也很高，仅比四氟乙烯和聚甲醛差，而且还具有很好的耐油性。但是，碳黑能改善抗老化性能和吸收水分，因为极性溶剂如醇、甲酸等，可溶性十咖啡的尺寸稳定性较差。耐磨性和自润滑性都很不错。同时，它具有更高的化学稳定性。本发明的特点是：高强度、高弯曲强度、伸缩屈服强度高，熔体流动性好，易于成型加工，硬度适中，耐磨性好，冲击韧性高，价格便宜。针对北方冬天的寒冷天气，本项目选择尼龙1010为原料，对其进行滚刷。6.4本章小结在本章中，设计并研究了微型全自主扫雪机器人的扫雪机构，通过机器人的扫雪方式和滚轮刷毛的选择来确定扫雪机构的机械结构。阐述了扫雪机构连接方式和作业方式。按照设计任务书，对扫雪滚刷进行设计和检验，材料的选择和力学校核都符合设计要求。经济效益分析7.1发展前景微型全自主扫雪机器人机械结构设计在经济效益上具有重要的作用。首先，合理设计的机械结构可以降低生产成本。通过优化设计，减少材料使用量和制造工艺，可以降低生产成本，并提高生产效率。其次，良好的机械结构设计有助于提高机器人的性能和稳定性，减少故障率和维护成本。稳定可靠的机械结构可以降低维修频率和维修费用，延长机器人的使用寿命，从而降低了总体维护成本。另外，优秀的机械结构设计还能提高机器人的作业效率和扫雪质量，增强市场竞争力，带来更多的商业机会和经济收益。因此，通过经济效益分析，可以证明合理设计的机械结构对于微型全自主扫雪机器人的可持续发展和商业成功具有重要意义。7.2成本计算以下是一个微型全自主扫雪机器人机械结构设计的成本表格示例：表7-1费用总和成本项目金额（单位：元）材料费用50000制造费用30000劳动力成本20000设备租赁费用5000运输费用3000维护和修理费用8000研发成本100000市场推广费用50000其他费用10000总成本276000这个成本表格列出了设计和制造微型全自主扫雪机器人的各种成本，包括材料费用、制造费用、劳动力成本、设备租赁费用、运输费用、维护和修理费用、研发成本、市场推广费用以及其他费用。总成本为276,000人民币。7.3经济社会效益分析微型全自主扫雪机器人的机械结构设计在经济和社会方面都具有重要的效益：1.经济效益：成本节约：通过使用机器人进行扫雪，可以大幅减少人工成本，因为机器人可以自主完成扫雪任务，无需人力操控。这将降低雇佣雪工的成本，并节省雇佣季节性劳动力的费用。效率提高：机器人可以在短时间内完成大量的扫雪任务，比传统的人工扫雪方式更为高效。这将使得清扫雪地的速度大幅提升，从而提高了道路的通行能力，减少了因雪灾造成的交通堵塞和延误。维护成本降低：虽然机器人的制造和维护成本可能较高，但与人工相比，机器人的维护成本相对较低。此外，机器人具有更长的使用寿命，可以持续提供服务，进一步降低了总体维护成本。2.社会效益：安全性提高：使用机器人扫雪可以降低雪灾对人员的伤害风险。人工扫雪往往会使雪工置身于寒冷和恶劣的天气环境中，增加了受伤的可能性。而机器人的使用可以减少人员与恶劣天气的接触，提高了工作的安全性。环保节能：机器人的运行不会产生尾气和废气，从而减少了对环境的污染。与传统的燃油发动机雪车相比，机器人的使用更加环保，有利于减少对空气质量的负面影响，并且减少了对能源的消耗。社会贡献：通过使用机器人扫雪，可以提高城市基础设施的维护水平，改善市民出行环境，提升城市形象。这将提升城市的整体品质，为居民提供更加舒适和安全的生活环境，对城市的可持续发展具有积极作用。7.4本章小结综上所述，微型全自主扫雪机器人的机械结构设计具有显著的经济和社会效益，有助于提高清扫雪地的效率、