小型履帶式行走裝置設計畢設(共63頁)

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 學 號 !! 密 級___________ 哈爾濱工程大學學士學位論文 小型履帶式行走裝置設計 院（系）名 稱：機電工程學院 專 業(yè) 名 稱：機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名：張 俊 指 導 教 師：!!! 教授 哈爾濱工程大學 2017年6月 專心---專注---專業(yè) 小型履帶式行走裝置設計 張俊

2、哈 爾 濱 工 程 大 學 學 號 !! 密 級___________ 小型履帶式行走裝置設計 The Small Crawler Walking Device Design 學生姓名 ：張俊 所在學院 ：機電工程學院 所在專業(yè) ：機械設計制造及其自動化 指導教師 ：!!! 職 稱 ：教授 所在單位 ：哈爾濱工程大學 論文提交日期 ：2017年6月07日 論文答辯日期 ：2017年6月12日 學位授予單位 ：哈爾濱工程大學 摘 要 伴隨著國內工程建設的不斷發(fā)展，履

3、帶式行走裝置在工業(yè)器械中的應用越來越廣泛。各式各樣的工程器械、軍用工具，乃至工廠車間里的小型機械、工業(yè)機器人等，都采用了這個裝置。本論文的主要設計內容就是設計一種小型履帶式行走裝置，使其能夠在多種復雜地形完成行走功能。 本論文介紹了小型履帶式行走裝置的研究現狀，展示這種裝置的應用領域，然后考慮到節(jié)能環(huán)保，綠色節(jié)約主題思想，進行主參數設定、進行總體方案設計，包括功能原理分析，列寫設計方案，優(yōu)選并評估方案，進行總體布局設計。進行關鍵零部件的結構設計和尺寸設計；進行受力分析，對轉軸進行校核計算，對鍵和軸承壽命進行設計校核；對關鍵零部件進行加工工藝分析，結合實際生產能力，對關鍵零部件的尺寸精度，裝配

4、精度，表面粗糙度數據進行修正。最后對該裝置進行三維建模和動態(tài)仿真，檢驗該設計是否合理和發(fā)生運動干涉。 關鍵詞：履帶式底盤結構；鏈輪；履帶 ABSTRACT With the development of domestic engineering construction, the reference of crawler walking devices in industrial instruments is becoming more and more extensive. The devices is used

5、in all kinds of engineering equipment, military tools, small mechanical and industrial robots in factory workshops.The main design of this paper is to design a small crawler walking device that enables it to complete the walking function in a variety of complex terrain. The small crawler walking de

6、vice show the application field of the device and the research status.Meantime,the small crawler walking device consider lots of aspects,for example the energy conservation, environmental protection, saving resources. Besides,the small crawler walking device need carry out the overall design plan,wh

7、ich includes the functional principle analysis, writing the column plan, the optimization scheme, the evaluation plan, and the overall layout design. The small crawler walking device need analysis the force and check the calculation of the axis of bending moment and torque,Whats more the device must

8、 check the key and bearing life.Finally, the small crawler walking device need achieve industrial analysis and 3D modeling which can check out the rationality of the device. Key words: Crawler chassis structure; Sprocket;Caterpillar 目 錄

9、 4 4 5 6 7 8 第1章 緒論 1.1 選題的背景和意義 21世紀是信息技術時代，工業(yè)機器人將是工程機械發(fā)展的潮流，其中，被廣泛應用于履帶式移動機器人的小型履帶式行走裝置也成為核心研究方向之一。小型履帶式底盤的研發(fā)及創(chuàng)新將帶動工業(yè)機器人進入全新發(fā)展空間。 小型履帶行走機構的行走方式也常稱為無限軌道方式。它的運動行進的特征是將圓狀的無限軌道卷在多個帶輪上,使帶輪不直接與路面接觸?履帶式行走機構一般由導向輪?支架?張緊裝置?驅動裝置?支重輪?托鏈輪和履帶板組成? 圖1.1 排

10、雷機器人 1.2 國內外研究與發(fā)展 進入21世紀以來，高精尖科技的發(fā)展已經成為大國競爭的主要陣地，其中工業(yè)機器人技術被認為21世紀標志性技術之一，不斷將履帶式行走裝置應用于工業(yè)機器人領域中，并不斷研發(fā)創(chuàng)新成為重中之重。在這種背景下，小型履帶式行走裝置的研發(fā)與創(chuàng)新將引領機器人時代的到來。 小型履帶式行走裝置具備了與輪式傳動相比有巨大優(yōu)勢的的特點： （1）履帶式移動方式支撐面積大，接地比壓小，適合于泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能好；越野機動性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機器人。 （2）履帶式機械裝置轉向半徑極小，可以實現原地轉向，其轉向原理是靠兩條履帶之間的速度差即

11、一側履帶減速或剎死而另一側履帶保持較高的速度來實現轉向。 （3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 由此可見，小型履帶式行走裝置獲得極快的發(fā)展，相應的技術也是不斷取得突破式進展，幾乎每隔5年，便有新一代新型履帶式底盤進入市場之中。 1.2.1 國外的研究與發(fā)展 國外在這項研究方向上現在有了比較成熟的技術，且生產出了多種類型的產品。美國、英國、法國和日本等國家，都積極研究開發(fā)很多種類的履帶式偵察和排爆機器人。 日本在機器人研究方面走在世界的前列，其開發(fā)的偵查探測機器人不但外觀形狀都非常小巧，而且控制精度相當高。日本神戶市一家國際救援系統(tǒng)研究機構 200

12、5年 1 月 21 日公開展示了可以在大規(guī)模災害中進行救援活動的履帶式移動機器人。 英國將小型履帶式行走裝置應用于機器人，早在60年代初就已經研制開發(fā)出多種履帶式排爆型機器人，其履帶式手推車已向50多個國家和地區(qū)的軍隊警察部門售出 800 多余臺。 1.2.2 國內的研究與發(fā)展 2000年起，伴隨著我國經濟的飛速發(fā)展，國內企業(yè)資金和技術不斷提高，不斷引進國外先進技術，還有政府大力支持，我國在履帶式行走裝置領域有了長足進步。雖然跟國外企業(yè)相比仍有差距，但在一些關鍵領域和關鍵技術上仍取得了不小的突破和發(fā)展。 （1）關鍵的核心技術、研發(fā)方面不斷提高 近十年以來，我國的工程機械取得巨大的進步

13、，履帶機械領域也不斷取得心得研究成果，主要包括幾個方面，多履帶行走研究不斷深入，履帶輪胎復合式行走的研究與開發(fā)，如哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研發(fā)的輪履復合機器人，在核心技術上已經跟上西方發(fā)達國家的腳步。 （2）產品可靠性進—步提高 2000年以來,國內企業(yè)在履帶機技術上取得了一系列技術突破。一些機器人研究所所研發(fā)的履帶式移動機器人表明履帶式行走技術已經進一步完善，北京航空航天大學所研制出了多履帶組合式偵察樣機，上海交大機器人研究所研發(fā)一系列可在復雜地面實現平穩(wěn)行走的產品，其可靠性進一步完善提高?履帶工程機械技術日趨成熟起來。 （3）不斷拓展國外市場 由于我國工程機械領域起步較晚，前

14、期研發(fā)乏力，所以市場萎縮，國內市場多被外國壟斷，近十年以來，伴隨著技術成熟，研究成果逐漸豐碩，近幾年中國制造不僅在國內站穩(wěn)腳跟，還逐漸打開國外市場，履帶機械進軍海外市場，取得良好的認可。 圖1.2 小型履帶式行走裝置樣車 1.3課題研究內容與意義 本論文是從市場需求和該裝置未來應用前景進行選題，可廣泛應用于工程機械領域，本設計將從多方面入手，首先了解小型履帶式行走裝置，弄清楚該裝置工作原理和普遍使用結構，在此基礎上進行一系列創(chuàng)新設計。 1.3.1 課題研究主要內容 本課題要求在考慮對環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的情況下，通過對小型履帶式行走裝置進行原理分析，進而詳細設計

15、小型履帶式行走裝置總體結構，然后進行受力分析，對關鍵零部件進行結構設計計算和校核，并對設計結果使用三維建模軟件進行建模、裝配關系分析以及工作原理運動仿真，最后對機構進行加工工藝分析，完成小型履帶式行走裝置的全部設計內容。 該設計的重點在于對結構的設計和關鍵零部件計算校核部分，下圖是本設計要完成的設計任務簡圖。 1.3.2 課題研究目的與意義 由國內外履帶機的發(fā)展現狀,可以看到履帶機發(fā)展趨勢有以下幾個特點: （1）技術核心化 一個產品的核心競爭力和它的檔次必然會由其核心技術所決定，各大知名企業(yè)肯定都有他們的核心技術，并以此來保持其在行業(yè)內的領先地位。 （2）操作控制系統(tǒng)的智能化 履

16、帶機的智能化控制、遠程控制以及故障時計算機的自動檢測，還有電子監(jiān)控等先進技術已經成為履帶機的一個新的發(fā)展方向。 （3）模塊化?系列化 采用模塊化的方式，提高零部件的通用化程度，可以大大降低生產成本，且高度模塊化的生產更符合當前客戶需求的多樣化的現狀。在更換零配件時具有跟多選擇性。 圖1.3 設計任務內容 1.4 履帶式行走裝置的前景及趨勢展望 履帶式行走裝置行動比較平穩(wěn)，容易實現轉彎、爬梯、越溝等較為困難的動作。此外，履帶式移動行走裝置是根據輪式移動機器人設計改裝的，履帶有寬大的支撐面，對下陷、溝坎、泥符的路面有良好的控制力，起到了為車輪連續(xù)鋪路的作用，有助于提供強大的驅動力。

17、 21世紀將是工業(yè)機器人時代，小型履帶式行走裝置也是履帶式行走機器人重要組成部分，該裝置在技術上必將不斷更新?lián)Q代。抓住這一環(huán)節(jié)的高科技發(fā)展環(huán)節(jié)，就可以引領新技術的未來，走在世界前列，實現由科技大國向科技強國的巨大跨越。所以，在未來，無論是工業(yè)機器人技術發(fā)展的需要，還是其他工程機械中應用，小型履帶式行走裝置都有極大的應用空間，其在機器人領域重要性不言而喻。 圖1.4 小型履帶式底盤應用于偵查機器人 第2章 總體方案設計 本章將對課題進行總體方案設計，包括多種方案選擇，方案評估，傳動系統(tǒng)設計和總體布局設計，最終確定小型履帶式行走裝置的總體設計布局和主要零部件的結構要素。

18、2.1 小型履帶行走裝置底盤外形選擇 有一些小型偵察機器人用第 2 種履帶形式，這種行走裝置是輪式機構，這種偵察機器人運動靈活，可獲得一定的速度，但這種輪式機構自身有其弱點，其地面適應性較履帶式移動方式相差很多。經過市場調研，（通過淘寶網店及一些機器人公司）此次選擇設計第 4 種構型，此種構型的優(yōu)勢是結構簡單，結構強度高，重量輕。對于偵察用途是相對理想的結構。 圖2.1 履帶底盤類型的選擇 1--前后支臂式行走機構；2--輪式行走機構；3--單履帶式行走機構； 4--雙履帶式行走機構；5--幾何式履帶機構； 2.2 系統(tǒng)功能與原理分析 小型履帶式行走裝置的主要任務是通過對小型履

19、帶式行走裝置進行分析，進而詳細設計小型履帶式行走裝置具體結構，并對設計結果使用三維建模軟件進行建模、裝配關系分析以及工作原理運動仿真，最后對機構加工工藝分析，完成小型履帶式行走裝置的全部設計內容。 2.2.1 設計任務書 首先列寫出本課題的任務書，明確需做哪些工作。將各部分要求綜合起來，找到其中聯(lián)系，明確研究的方向。 表2.1 設計任務書 1 功能 主要功能：完成在各種環(huán)境下行走 轉彎 急停； 2 適應性 適用對象：工程器械、軍用工具，乃至工廠車間里的小型機械、 工業(yè)機器人等 能源：直流電源； 3 工作能力 在沙漠 山地 軟泥 粘重 潮濕 上下坡環(huán)境下正常作業(yè)

20、 4 性能 行走平穩(wěn)，不翻車，不打滑，續(xù)航能力強， 有一定承重能力和自平衡性 5 可靠度 日維護期間不發(fā)生故障，月檢修期間不發(fā)生失效； 6 使用壽命 主要零部件使用壽命應達到10年； 7 安全性 危險裝置應有保護裝置隔離； 輔助裝置 開始 結束 執(zhí)行機構 變速箱 電機驅動 反饋控制 數據處理 圖2.2 系統(tǒng)功能原理分析 2.2.2工作原理分析 在平地上，驅動輪與履帶嚙合，帶動前導向輪轉動，前導向輪將履帶不斷的鋪在地面上，可以給鏈輪鋪設無限軌道，履帶與地面存在著較大的摩擦力，接觸點與地面相對靜止，

21、可以使驅動輪不斷帶動整機向前行走。（圖2.2和2.3） 圖2.3 多履帶機械工作原理簡圖 圖2.4 平面的轉向運動簡圖 2.2.3 轉向理論簡述 小型履帶行走裝置能夠實現原地轉向式其非常重要的功能之一。圖2.4 是對轉向原理的簡要分析，O點是小車在平地轉向時的瞬時圓弧的圓心，由于車寬B導致兩條履帶的瞬時線速度不同，所以只要滿足兩個驅動輪在轉向式差速行使，即可實現轉向，當轉向內驅動輪止動而外驅動輪轉動，可以實現原地轉向。 2.2.4 功能分解 功能表明了系統(tǒng)的屬性，它表明了系統(tǒng)的能力以及系統(tǒng)轉換信息、能量和物料的能力，由于一個系統(tǒng)的

22、功能可能有很多，我們?yōu)榱吮阌诜治龊脱芯?，往往把系統(tǒng)的功能加以分解，經過逐層分解，直至分解到不能再分解的功能元為止。 圖2.5 功能樹 2.2.5 系統(tǒng)的形態(tài)學矩陣 由小型履帶式行走裝置的功能原理分析，功能分解和功能樹可進行形態(tài)學矩陣的構建，形態(tài)學矩陣的作用就是將整機各部分分功能所有可能選用的方案一一列寫出來，然后將各部分組合起來，得到所有可能的組合方案，這是一個從局部到總體的過程，該過程對最終方案確定影響很大，需要多方面考慮方案的選擇。 表2.2 小型履帶式行走裝置 形態(tài)學矩陣 分功能 解法 1 2 3 4 5 A(驅動功能) 液壓驅動 氣壓驅動 伺服電機驅

23、動 交流電機驅動 直流電機驅動 B(傳動功能) 鏈傳動 齒輪傳動 帶傳動 其他機械傳動 C(執(zhí)行功能) 鏈輪 不規(guī)則齒輪 曲柄搖桿機構 曲柄滑塊機構 D(位移功能) 履帶式 同步帶 `` E(能量裝換) 電機驅動 液壓驅動 氣壓驅動 步進電機 F(能量傳遞與分配) 齒輪機構 鏈輪機構 帶輪機構 蝸輪蝸桿機構 滾珠絲杠 G(制動) 機械制動 電氣制動 H(變速) 變速箱 調壓調速 弱磁調速 I(緩沖功能) 專用減震裝置 彈簧減震裝置 機械減震裝置 2.3 總體方案設計與評

24、估 得到系統(tǒng)多種設計方案以后，就基本了解整機各部分職能和基本結構，通過在市場調研，結合可持續(xù)發(fā)展的思想，得到整機總體樣機總體框架，然后就可進行功能求解，進而分析多種設計方案，并從中選取最優(yōu)方案。 2.3.1功能求解 上文已經將履帶式行走裝置的功能樹求出，下一步就是將這些分功能一一求解，然后找出最優(yōu)的組合方式。最常用的方法是形態(tài)學矩陣，它是一種應用系統(tǒng)搜索和程式化分功能組合的一種求解方法。先盡可能多的尋找各分功能的不同形態(tài)解法，然后最先去除一些明顯不合理的組合，在幾個相對較好的組合中優(yōu)選出最合適的組合，根據形態(tài)學矩陣里列出的多種組合方案，考慮到相容性以及最佳匹配原則，匹配出四種可行方案，分

25、別為： 方案（1）A4+B4+C2+D2+E4+F3+G1+H1+I1； 方案（2）A1+B1+C3+D1+E1+F1+G1+H1+I1； 方案（3）A3+B3+C1+D4+E3+F4+G1+H2+I2； 方案（4）A2+B2+C1+D2+E2+F2+G1+H1+I1 表2.3 方案評價結果 序號 加權系數 評價指標 單位 方案一 方案二 方案三 方案四 e W Wg e W Wg e W Wg e W Wg 1 0.2 精確度 % 較差 3 0.6 一般 5 1.0 很高 8 1.6 好 7 1.4

26、2 0.1 穩(wěn)定性 % 一般 5 0.5 好 7 0.7 好 7 0.7 一般 5 0.5 3 0.13 可靠性 % 足夠 6 0.78 一般 5 0.65 好 7 0.91 好 7 0.91 4 0.07 壽命 % 一般 5 0.35 足夠 6 0.42 好 7 0.49 足夠 6 0.42 5 0.055 結構 % 好 7 0.385 一般 5 0.275 一般 5 0.275 好 7 0.385 6 0.045 安裝 % 一般 5 0.225 好

27、 7 0.315 好 7 0.315 好 7 0.315 7 0.12 功能/性價比 % 好 7 0.84 足夠 6 0.72 很高 8 0.96 一般 5 0.6 8 0.13 制造成本 % 較差 3 0.39 一般 5 0.65 一般 5 0.65 較差 3 0.39 9 0.1 人機工程學 % 一般 5 0.5 好 7 0.7 好 7 0.7 好 7 0.7 10 0.05 外觀 % 一般 5 0.25 足夠 6 0.3 好 7 0.35 很好 8

28、 0.4 絕對總評價值（ΣWg） 4.82 5.73 6.95 6.02 表中：e表示特征值，一般做定性評價；W表示評價值，采用十分制；Wg表示加權評價值。 由以上評價結果可知方案三總評價最高，故采用方案三。 2.3.2 總體設計方案評價 上文找出四種優(yōu)選方案，還需要在這四種方案中評選出最優(yōu)方案，首先要確定評價指標，主要從經濟指標、社會指標以及技術指標三個指標出發(fā)，評價這四種方案的優(yōu)劣，確定加權系數從而建立起評價目標樹，如圖2.6所示。 圖2.6 評價目標樹 2.4 本章總結 總體方案設計的核心是選出最優(yōu)方案，并確定總體結構方案，包括對功

29、能原理分析，功能分解，構建功能樹，列寫形態(tài)學矩陣，進行功能分解，優(yōu)選方案，進行方案評估，獲取最佳方案。最后做出總體布局方案圖。獲得總體方案布局設計后，根據要求，對相關的一些主要的零部件作簡要了解，獲取基本的零件知識，為下一步具體的設計校核做準備。 第3章 關鍵零部件結構設計計算與校核 這一部分，將會對小型履帶式行走裝置關鍵零件結構進行設計計算和校核，主要包括履帶、驅動輪、導向輪、拖鏈輪、支重輪、驅動軸、傳動軸；結構設計考慮形狀、尺寸精度、軸承型號的選擇、受力分析等等。 3.1 主要性能指標的分析 在工業(yè)應用中，有許多場合環(huán)境惡劣且危險，機器人就是用來代替這些危險性作業(yè)，所以設計需要足夠

30、強的運動能力，包括速度，加速度，靈活性的底盤，可以適應對不同環(huán)境的適應能力，續(xù)航能力等等幾個方面。 在復雜地形適應能力方面，要求底盤所處理的大部分任務環(huán)境是非結構化地形。比如在下水道、倉庫、廢墟、樓房的樓層內、沙漠、沼澤，會場座椅下、飛機機艙等；所以小車能順利爬過樓梯、垃圾廢墟、狹窄空間、其他崎嶇地形。本人所研究的小型地面?zhèn)刹鞕C器人的底盤就是要適應這些特殊地形場合的要求，能夠在這些復雜地形上實現靈活行走與轉向，因此小車的越障能力就成為重點考慮的因素。下面列出市場調研的偵查機器人履帶式底盤主要參數和本設計所涉基本參數對比表： 表3.1 技術指標對比表 指標 市場樣機指標 擬定指標 備注

31、 機車重量 20 Kg 20 Kg 可優(yōu)化 整體尺寸 920320520 960840260 行走速度 1m/s 1.5m/s 越障能力 180mm 200mm 爬坡能力 30臺階或斜坡 30臺階或斜坡 續(xù)航時間 2h 2h 3.2 電動機的選擇 為了確定電機的功率，首先要確定執(zhí)行端的輸入功率，，其中，工作機的輸入效率，是指從電動機至工作機過程中的總效率，其值等于各分效率的乘積。想要計算執(zhí)行端的效率，可以根據公式P=FV/1000進行計算。 由于該小型履帶式行走裝置適用于小功率工程機械中，根據現在大多數對該裝置的應用自主設計參數，

32、根據設計要求能實現平路行駛速度1m/s，最大爬坡角≥30o，爬坡速度0.5m/s。根據電機負載力矩公式： (3-1) 其中 Tm——電機負載力矩； M——車體質量； a——小車加速度； g——重力加速度； f——履帶與地面摩擦系數； ɑ——爬坡角度； rs——驅動輪分度圓半徑； i——總傳動比； η——總的傳動效率。 電機轉速公式為：

33、 (3-2) 其中： v——履帶車前進平均速度； rs——表示驅動輪分度圓半徑； i——表示傳動比 根據上式可得出電機功率： (3-3) 代入數據計算，上坡時，取速度，加速度，摩擦系數，傳動比設為，總傳動效率，則驅動電動機負載力矩，電動機轉速N=，電動機功率。 再研究在平地運動，取參數速度，加速度，摩擦系數，傳動比，總傳動效率，則驅動電機負載力矩，電動機轉速取，取電動機功率。 由以上計算可知電

34、機的最小轉矩要大于190r/s,功率要滿足不小于90W，且要求電機可以實現正反轉。參閱相關書籍，查閱最新電機產品，決定選用瑞士MAXON 直流伺服電機電機ECX SPEED 13M，由下表參數可知，這種電機的轉矩大，結構尺寸小，一般有配套減速器。考慮到綠色環(huán)保，節(jié)約資源，可持續(xù)發(fā)展的設計思想，優(yōu)選這種尺寸小，功率大，噪音低，效率高的直流伺服電機。 3.3 驅動輪的設計計算 驅動輪的設計計算需要考慮多方面的因素，它直接將電機傳來的轉矩動力傳遞給履帶，使小車實現行走，所以驅動輪的結構設計極為重要。 3.3.1 驅動輪的結構及功能論述 驅動輪的作用是將電機的動力傳遞給履帶，從而實現行走。所以

35、，履帶和驅動輪間不能有躥動。一般將驅動輪放在底盤的后面，這種結構可以縮短履帶驅動部分的長度，避免動力浪費，也可以延長履帶壽命。 驅動輪與履帶的配合有三種，包括整體式配合及組合式配合和橡膠履帶配合。齒輪和輪豰采用鑄造的方法，包括整體鑄造和分段鑄造。連接方式是螺栓連接，這樣方便更換也節(jié)約材料。 3.3.2 驅動輪齒數選擇 考慮到履帶行走的平緩性，驅動輪的齒數一般選17－23，驅動輪整體尺寸應該較小，節(jié)距小些，齒數多些方能實現平穩(wěn)傳動。若節(jié)距偏大，齒數減小，傳動效率低，且傳動不平穩(wěn)。根據經驗，本次設計取z=23。 參閱機械設計書籍關于齒輪的設計章節(jié)進行相關參數的設計，首先選擇材料，熱處理方式

36、，精度等級和齒數，齒數在上面已經闡述。查表可知，選擇鏈輪材料40Cr，調質處理，硬度241~286HBS，也可以選用ZG35GrMn,調制處理，硬度190~240HBS；本論文選取前者，z=23，i=68；再查取應力循環(huán)系數安全系數等相關參數，確定驅動輪的相關參數，得到相關結構參數，完成設計。 3.3.3 驅動輪齒形設計和結構尺寸設計 履帶的節(jié)距公式 (3-4) 取鏈輪重量： ；則； 驅動輪與履帶嚙合類似于齒輪齒條嚙合，其外

37、部齒形與履帶嚙合的齒數，履帶的節(jié)距和驅動輪節(jié)圓直徑（與履帶配合時履帶銷所在直徑）： (3-5) 取 ；則 ； 齒頂圓直徑: ； (3-6) 是履帶銷套的直徑： ； (3-7) 則 由公式齒根圓直徑是 其中 （輪槽對應的底圓半徑）； (3-8) 3.3.4驅動輪的強度計算校核 驅動輪與履帶嚙合，

38、通過履帶接地，所以可認為受到的彎矩來源于履帶張緊力作用，受力很小可忽略。只需計算校核接觸應力。 齒面的擠壓應力： b--節(jié)圓處齒寬，；銷套直徑，； 許用擠壓應力 ； 所以強度滿足要求，考慮到耐磨性和提高壽命，采用500Mn，鑄造，淬火處理，硬度52~60HRC。 3.4導向輪結構設計及尺寸計算 導向輪的作用式保持履帶的行走方向，防止履帶脫軌，具有導向作用。導向輪還和張緊裝置結合起來，可以張緊履帶，減小底盤行走中由于地面環(huán)境引起的振動沖擊，從而減小能量消耗，提高整體性能。導向輪通過履帶還和托鏈輪結合一起保持履帶張緊狀態(tài)，提高履帶壽命，減小無用消耗，降低履帶和驅動輪之間的躥動

39、幾率。 3.4.1導向輪結構分析和功能分析 導向輪運轉是有驅動輪通過履帶將動力傳遞過來，所以一般將導向輪設計的略微比驅動輪大些，其裝配軸向高度比驅動輪略低，從而使得履帶在前端略微下傾。這種結構設計可以使傳動更省力，其抓地能力提高，底盤重心降低，提高機車整體穩(wěn)定性，減小翻車，對不同地面環(huán)境適應力更強。 通過查閱一些資料，導向輪與支重輪之間的距離也影響機車穩(wěn)定性。根據經驗，一般兩者之間的距離是履帶節(jié)距3倍以上，這樣可以減小履帶接地的不均勻性，提高傳動性能。 圖3.1 驅動輪裝配圖 3.4.2導向輪的具體結構設計 引導輪一般安裝在小車前方，可以減小履帶在運行中

40、的擺動和跳動，從而減小沖擊載荷大小以及無用的功率損耗，并防止履帶脫軌引導方向的作用，它的具體位置由驅動輪安裝和履帶長度決定。 具體的結構布置：理論上，較大的導向輪可以減少履帶不平穩(wěn)性，提高機車抓地能力，但考慮經濟能力和節(jié)約能源和材料方面，過于增大導向輪分度圓直徑不科學，而且還會受到空間的限制。根據經驗，導向輪齒頂圓上端最高點實際上應比驅動輪低10～60mm，這樣可使上方區(qū)段的履帶略微向前傾，履帶有向前滑動的趨勢。 引導輪的直徑 ； (3-9) 其中是驅動輪的分度圓直徑； 取

41、 ； 擋肩環(huán)寬； 齒輪輪寬；軸孔直徑； 該導向輪尺寸一般，由機械設計手冊查閱，該輪做成孔板式，并做出相應箱體用于固定軸承和軸，由軸承轉速可知，采用脂潤滑。箱體采用鑄造方式。 3.5 Ⅳ軸的設計校核 Ⅳ軸是傳動軸，它的作用式支撐導向輪，同時傳遞轉矩給前臂的驅動輪，帶動前臂行走，從而實現越障，完成一系列功能。受力分析可知，既受到彎矩又受到轉矩作用，所以需對該軸進行彎扭設計和校核。由機械設計可知，對于階梯軸，軸和其上的零件應該有準確的位置，軸上的零件要方便安裝和拆卸及調整。 圖3.2 傳動軸零件圖 3.5.1 Ⅳ軸結構及尺寸設計計算 傳動軸收到的載荷包括履帶張

42、緊力履帶重力，還有導向輪和前臂驅動輪重力及摩擦力等，查閱相關公式有 最小軸徑的選擇公式： ； (3-10) 其中 C--由需用扭轉剪切應力確定的系數； n--軸的轉速；P--軸傳遞的功率； 該傳動軸轉速較慢，且屬于輔助裝置，功率較小，所以對于軸的設計主要是根據經驗和設計所需各軸段位置尺寸。 此外，對于計算出的最小軸徑若該截面有鍵槽時，計算出的軸頸應適當增大。當有一個鍵槽時需要增大5%，兩個鍵槽需要增大10%，然后圓整為標準的軸直徑。這里取最小軸頸。 表3.2 軸的常用材料許用扭轉剪應力 軸的材料

43、 Q235 45 12~20 30~40 40~52 C 158~135 118~106 106~97 注：當軸上的彎矩比轉矩小時或只有轉矩時，C取最小值. 3.5.2 Ⅱ軸的強度校核計算 圖3.4（a） 前臂轉軸尺寸設計圖 圖3.4（b）前臂轉軸受力分析圖 圖3.4（c） 前臂轉軸彎扭分析圖 圖3.4（d） 前臂轉軸彎扭合成圖 對于主要承受轉矩的軸，比如傳動軸，只需按照扭轉條件計算即可，對于只受到彎矩條件的軸，比如心軸只需要按照彎曲條件計算校核即可；但是對于轉軸應按彎扭合成強度計算，特別的有時需要按疲勞強

44、度條件來精確校核。 依據所受的載荷和應力情況，對強度進行分析，按照所受的彎矩計算： 均布載荷： ； 彎曲強度條件： (3-11) --軸的計算應力； --脈動不對稱循環(huán)應力許用彎曲應力為 ; W--軸的抗彎截面系數； ； 許用應力值用插入法，查閱機械設計手冊得到； 折合系數：； 當量轉矩 ； 校核對稱循環(huán)疲勞極限，選用45鋼，調質處理，查閱機械設計手冊， 計算脈動疲勞極限 計算等效系數： 經過計

45、算，危險截面滿足要求，該軸的設計合理。整理相應數據，可知45鋼軸，調質處理，軸段設計合理，軸上零部件位置分布科學，壽命達到要求。 3.6前驅動輪的結構設計和計算 前驅動輪是前臂的驅動鏈輪，它通過前臂履帶帶動前導向輪運轉，從而實現爬坡，跨越臺階，跨越障礙，水溝等不利地面條件。前驅動輪在結構設計上，基本尺寸上和主驅動輪導向輪大體相似?？紤]到它并非式主驅動機構，它的齒寬取到40mm，對應履帶取到60mm?；窘Y構做成孔板式。此外，由于其動力來源式主導向輪，所以轉軸將其裝配在一起。兩輪之間的距離通過實際需要基本設計為40mm.如果考慮裝配的緊湊性，可適當改動該段距離。 理論上前驅動輪與主導向輪分

46、度圓直徑尺寸相同，處于同樣的接地能力。實際上，前驅動輪尺寸往往比主驅動輪尺寸略小，其目的是平地行走時前主動輪略有懸空，這樣可以減小摩擦，降低無用功的損耗，在爬坡時，前驅動輪優(yōu)先著地，主驅動輪略微處于懸空狀態(tài)。這種狀態(tài)能夠增大前驅動輪的抓地能力，增強爬坡穩(wěn)定性，同時節(jié)省功率，提高該裝置整機性能。 3.7滾動軸承的選取和壽命計算 滾動軸承一般由內圈,外圈，滾動體和保持架等四部分組成，它具有負載能力，速度特性，調心性，運轉精度等工作特性。它的失效形式主要包括疲勞點蝕，塑性變形，磨損，及其他外在因素引起的果子碎裂保持架損壞等。滾動軸承的設計準則主要針對失效形式進行

47、計算。一般進行壽命計算，對于高速運轉的軸承還需要校核極限轉速。 此外，決定軸承工作能力的因素還包括軸承布置的合理性，潤滑和密封情況，這些因素也對壽命有著極大的影響。 3.7.1導向輪的轉軸選取軸承型號 本論文選取一對角接觸球軸承作為轉軸的一對軸承。，代號7206B.角接觸球軸承可以同時承受徑向軸向載荷，而且公稱接觸角越大，它的軸向承載能力越強。本論文選取的角接觸球軸承公稱接觸角取到最大B=40也是考慮到該軸的軸向力可能有沖擊振動，動載荷波動較大。軸承用端蓋密封，軸輸出端有密封圈，由于轉速不大，采用脂潤滑，月檢潤滑。 3.7.2 軸承壽命計算 滾動軸承的壽命是衡量軸承選取是否合理

48、的重要參數，應用在裝配中的軸承壽命短，需要經常更換軸承，縮短整機壽命，多次裝配更加麻煩不經濟；軸承選型太好，造成資源浪費，無法凸顯節(jié)約資源的主體思想，所以需對選定的軸承進行壽命計算。 圖3.6 轉軸軸承受力分析 圖3.6是軸承的受力分析，是兩鏈輪軸向力，其實質是履帶張緊力的合力，是合成水平徑向力，通過上面受力分析可知 （3-12） 其中 --與履帶橫向摩擦力系數，??； 嚙合受到的壓力 ; 取

49、則 該軸承型號選為7206B,由機械設計手冊查的基本而定動載荷C=35200N。 （1） 計算內部軸向力 由表3-4可知，7206B型軸承: (2) 計算單個軸承的軸向載荷并比較與大小， ; 由受力分析圖可知，軸承Ι壓緊，軸承Π放松，則 (3) 計算當量動載荷 由公式: ; （3-13） 計算7206B軸承的壽命，軸承壽命為10年取軸向力大的代入壽命計算公式： ； 由計算可知，該軸承壽命合適，達到工作性能要

50、求和經濟效益條件。 表3.3 角接觸球軸承內部軸向力 公式 角接觸球軸承 70000C 70000AC 70000B 3.7.3主驅動輪轉軸軸承的選擇 主驅動輪的內徑30mm，由于該轉軸與諧波減速器相連，所以軸承型號可以在選取諧波減速器過程中進行選配，根據市場調研，諧波減速器輸出端選用32008軸承，輸入端根據所選電機最小軸徑13mm，通過聯(lián)軸器接入諧波減速器，選一對深溝球軸承，可滿足要求。由于諧波減速器的特點可知，潤滑方式選用油潤滑，在諧波減速器外箱壁上開油孔，定期注油即可。 3.7.4前臂導向輪心軸軸承選配 軸承的選配方法和特點前文已論述，關于前臂導向

51、輪裝配情況可見圖3.6。軸承的選配根據最小軸頸的選取來決定，本輪設計中，取一對深溝球軸承，型號6405。前臂導向輪基本只受到履帶張緊力作用，該力很小可以忽略。當該輪處于爬坡狀態(tài)是，軸承受到一個徑向的重力的分力，而前臂導向輪質量很小，此力也很小，所以無需進行軸承壽命計算。本論文選取的潤滑方式是脂潤滑，配套密封圈和墊片由機械設計手冊查取。 3.7.5 拖鏈輪轉軸軸承的選配 軸承的選配方法不再贅述，由拖鏈輪基本只承受上段履帶重量，所以無論軸向還是周向軸承受力都很小，可以忽略。所以選取一對深溝球軸承，型號6004，潤滑方式是采用脂潤滑，配套密封。 3.8支重輪的設計及計算 支

52、重輪的功能就是用來支撐整個機車重量，起到分擔導向輪和驅動輪承重的作用，支重輪還可以使得履帶與地面充分接觸，增大與地面接觸面積，提高整機性能，改善傳動平穩(wěn)性和負載能力。支重輪的個數應當適宜，應該盡可能使履帶壓強減小，且布置應有利于使履帶受力分布均勻。，但是，支重輪的個數也不可過多，否則會增大整機質量，從而使機車笨重，負荷增大，效率降低，傳動效果不理想。 支重輪安裝在車架底盤下邊，分擔整車重量，通過螺釘連接在車架上，它的裝配包括固定心軸，深溝球軸承，軸承端蓋，密封圈，圓柱銷及螺釘，首先選定支重輪材料為ZG55SiMn,進行表面淬火處理，查閱相關資料，其硬度在48--55HRC之間。其尺寸大小偏

53、小，所以一般采用實心式輪輻。基于節(jié)省材料和減小機車重量的思想，也可以去做成孔板式鏈輪。 查閱相關文獻，并結合本裝置設計尺寸的條件限制，兩支重輪間的距離應大于履帶節(jié)距的3倍以上。所以每條履帶設計兩個支重輪，這也是考慮小型履帶式行走裝置功率較小，質量不大，兩個支重輪足夠。留出足夠的空間，兩個支重輪之間，支重輪與驅動輪之間，支重輪與導向輪之間沒有干涉，無機構約束，皆可實現正常行走。 本設計中支重輪軸最小直徑16mm，長度為90mm,采用50Mn鋼；選用61805的深溝球軸承，圓柱銷直徑6mm。在行走過程中，支重輪所受到的沖擊載荷，振動擺動都可忽略不計，只考慮靜載荷引起的附加彎矩。通過受力分析及查

54、閱相關文獻，軸所受的彎矩及各項力很小，基本對軸不會造成彎曲與變形。所以校核可以滿足要求。 3.9托鏈輪的結構設計 顧名思義，拖鏈輪就是用來拖動履帶，將履帶張緊，保持履帶處于正常運轉狀態(tài)。拖鏈輪的設計部分包括外形尺寸，基本結構，裝配工藝等內容。 托鏈輪安放在車架上方，，將上方履帶托起，防止履帶下垂，同時具有張緊履帶的作用。托鏈輪在張緊履帶的同時，還可以防止履帶在顛簸崎嶇，不平穩(wěn)的路面上引起的上下擺動造成的損害。整個托鏈輪通過軸與軸承的配合裝在車架上，下方通過螺栓與車架連接在一起，整個連接機構由彈簧進行復位。彈簧的作用還有可以裝卸履帶。 托鏈輪裝在車架上方，保持整條履帶處于合適的松緊狀態(tài)，

55、防止履帶與驅動輪導向輪之間的躥動。由上面分析可知，在履帶通過驅動輪的過程中，由于受到拉力作用，履帶沿長度方向有一個輕微伸長量，如果沒有托鏈輪張緊，可能會在成拖鏈或躥動。此外，考慮到摩擦帶來的功率損耗，托鏈輪的數目最好不要太多，一般一兩個即可。對于小型履帶機構來說，一個托鏈輪足夠。 本論文設計的拖鏈輪的尺寸是根據小車底盤大體尺寸進行估計，考慮總體重量要求，結合對支重輪的結構設計的思路，設計的拖鏈輪大體形狀與支重輪相似。根據實際需要，拖鏈輪分度圓直徑90mm，內孔直徑40mm?？紤]節(jié)約資源和減小整機質量，將拖鏈輪做成孔板式，由于拖鏈輪尺寸偏小，不方便打孔，所以最終形狀如上圖所示。 拖鏈輪做的一

56、般比支重輪略大，對潤滑密封要求也很高，基于拖鏈輪線速度與履帶同步，所以運轉速度不大，采用脂潤滑，密封圈密封，定期檢查潤滑。根據市場調研和參閱相關文獻，拖鏈輪需要較好的耐磨性，表面硬度，綜合考慮市場要求，采用50Mn鋼，表面淬火處理，硬度達到48~52HRC. 3.10 鍵的選擇和連接強度計算 鍵是一種標準零件，它的作用是實現軸與齒輪之間周向的固定，同時傳遞轉矩。鍵的類型有許多，普遍常用的是普通平鍵。本論文對鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇。 3.10.1 鍵的選擇 根據需要選用普通平鍵。鍵的主要尺寸是截面尺寸，鍵寬*鍵高（）長度L。鍵的截面尺寸是按照軸的直徑查表獲得。鍵的長度可根據輪豰

57、的長度確定，一般鍵的長度略短于輪豰長度。本論文的結構設計包括了多組鏈輪多組軸，軸承，鍵等內容。所以具體的各組鍵不再詳細論述，只選出受轉矩最大的一組進行計算及校核。 主驅動輪承受來自電機轉矩，從而帶動整機實現運轉。所以通過受力分析，主驅動輪輪豰與轉軸之間連接的鍵受力較大，需要進行強度校核。轉軸與主驅動輪輪豰用鍵連接部分直徑是40mm,輪豰長度80mm。查表可知選取的鍵的主要參數是；鍵的材料初步選為45鋼，表面淬火處理，硬度達到45~55HRC. 3.10.2 鍵連接強度計算 平鍵連接傳遞轉矩時，如果受力過大，選鍵不合理，鍵無法工作，會失效，工作面被壓潰，出現機械故障。。所以一般按照工作面的

58、擠壓應力進行強度校核計算。 假定鍵所受到的載荷在鍵的工作平面均勻分布，利用鍵的許用擠壓應力進行強度設計，由公式 （3-13） 式中： 傳遞的轉矩； 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處h為鍵的高度，mm; 鍵的工作長度，圓頭平鍵；這里得L是鍵的公稱長度，mm; 軸的直徑，mm; 軸、鍵、輪轂三者之間最弱材料的許用擠壓應力Mpa; 軸、鍵、輪轂三者之間最弱材料的許用壓力Mpa; 表3.5 鍵連接的許用擠壓應力、許用壓力 許用擠壓應力 許用壓力

59、 連接工作方式 材料 載荷性質 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 靜連接 鋼 120~150 100~120 60~90 鑄鐵 70~80 50~60 30~45 動連接 鋼 50 40 30 鍵、輪轂、鍵槽三者材料都是鋼，其計算強度達到需要，該鍵的選取滿足條件要求。 3.11 履帶的結構設計計算 履帶和驅動輪導向輪嚙合傳動，將軌道鋪設在鏈輪前方，式整機在履帶上移動，其結構設計可參考鏈傳動的鏈條的設計。履帶結構設計包括材料選擇，尺寸參數確定等內容。 通過市場調研，履帶的形狀一般有三種，包括整體式，組合式，橡膠履帶。對于不同應用場合，應

60、當選取合適的類型。本裝置屬于小功率機械，所以可以選擇整體式和組合式兩種類型。 履帶支承長度L、軌距B和履帶板寬b； 令 l—驅動輪和引導輪之間輪距； h—表示高度；G—表示整機質量（kg） 軌距B : ； ； 履帶板寬 取 b=100mm ； 履帶的張緊度h的值一般取為： =（0.03～0.06）200.7=6.02～12.42mm； 履帶節(jié)距： ； 3.12 本章小結 本章的任務是對小車主要零部件進行結構設計，尺寸計算，強度校核等。

61、一些關鍵零部件如主驅動輪、主導向輪、前臂驅動輪、前臂導向輪、履帶、轉軸，傳動軸等進行了詳細的結構設計校核。查閱多種文獻資料及相關網站，對這些零部件有了更深入的認識，了解這些部件的多種不同形式的結構功能，使用條件。在設計校核過程中，鍵的校核和滾動軸承壽命校核運用到了大學期間所學的知識，加深對所學知識的理解和運用。 鏈輪的設計和校核是一塊新內容，在進行結構設計和尺寸確定中，綜合考慮了各方面因素，查閱大量文獻，同時參考市場成型產品參數，并有所創(chuàng)新，對驅動輪，導向輪進行創(chuàng)新設計。 本章對一些如銷軸、前導向輪等沒有詳細論述，只做簡單的說明和選取。主要考慮到與其相似結構在受力功能作用方面比之更重要，且

62、限于篇幅限制，所以只做簡要概述。 第4章 關鍵零部件的三維建模 三維建?？梢灾庇^的了解關鍵零部件的具體形狀和結構，使讀者可以更好的讀懂本設計。本設計對小型履帶式行走裝置進行三維建模，可以驗證設計的合理性和現實可行性，檢驗裝配精度是否合理，各部件運動是否發(fā)生相互干涉作用。所以本章將對一些如軸、鏈輪、軸承、端蓋、履帶等進行三維建模。 4.1 零部件的三維建模 采用Proe軟件進行三維建模，熟練掌握該軟件，對一些零部件進行建模操作。通過學習，直接將在CAD中畫的二維圖導入到Proe軟件中，然后進行一系列操作，得到三維圖形。 圖4.1 前臂轉軸 上圖是前臂轉軸的三維模型簡圖，將CAD中

63、零件圖導入到Proe軟件中，把圖中虛約束和過定位刪除，在其中心做一條幾何直線，然后在FRONT平面中進行旋轉操作；另一種方法是在草圖界面中繪制各個軸段的截面圓，然后進行拉伸操作。在上圖中，并沒有進行鍵槽操作和攻螺紋操作。在進行鍵槽的創(chuàng)建，創(chuàng)建過軸中心線的基準面，在上面建立鍵槽的平面草圖，進行拉伸操作，會的到一個與軸有交集的實體，選中布爾運算求差，得到所需要的鍵槽；在軸上攻螺紋會用到掃引軌跡（螺紋掃面），根據操作提示即可完成螺紋繪制。在軸段上挖鍵槽和攻螺紋操作也并不復雜，根據尺寸要求，在軸段上創(chuàng)建基準面然后草繪鍵的二維主視圖其他軸類建模過程與該軸類似，只不過尺寸有所變動，所以只在此列出前臂轉軸的

64、建模過程。 圖4.2 復位彈簧 圖4.3滾動軸承 圖4.2和4.3分別是復位彈簧和滾動軸承的三維模型，具體的建模過程如下：首先獲取彈簧的主要參數，點擊插入，選取螺旋掃描命令，選伸出項，菜單管理器，屬性，可變的，然后穿過軸，右手定則，完成。選擇FRONT命令為草繪平面，確定和缺省。單擊中心線繪制旋轉軸，單擊直線繪制掃描軌跡線段，標注尺寸，確定退出操作面。接下來確定彈簧的螺距等其他操作，最終獲得彈簧三維視圖。 圖4.4 車盤支撐橫架 圖4.5前臂履帶 圖4.4和圖4.5是底盤桁架和主驅動

65、履帶的三維模型車盤桁架建模過程比較簡單，其上一些通孔是螺栓連接。履帶板的三維過程較為復雜，其基本結構是由各個履帶板通過銷釘連接構成。但限于時間倉促，所以做成整體固定件模型，只是簡單的表述其外觀模型。 圖4.6 套筒 圖4.7 主驅動鏈輪 圖4.4和4.5是套筒和主驅動輪的三維模型，本設計套筒共有4個，設計形狀相同，所以只給出一個套筒三維模型。主驅動鏈輪結構較為復雜，其齒形與齒輪齒形不同，鏈輪齒形一般是圓弧曲線，但其畫法與齒輪類似，限于時間倉促和本人能力有限，此處畫出的鏈輪知識大體外觀形狀，并沒有嚴格按照鏈輪參數進

66、行設計。由鏈輪三維模型可知，該鏈輪屬于腹板式鏈輪，減少零件材料，減輕整機質量。符合資源節(jié)約，環(huán)境友好的設計思想。 圖4.8 軸承透蓋 上圖是軸承透蓋的三維模型，本設計多處用到軸承端蓋，包括透蓋和悶蓋，此處選取一處較復雜的透蓋進行建模。 圖4.9小型履帶式行走裝置裝配模型 圖4.9是小型履帶式行走裝置三維裝配模型，并且進行了三維運動仿真，沒有發(fā)生運動干涉，可以爬越180mm的臺階，所以本設計具有現實可行性，結構合理，整體質量小于20kg，比預期設計質量更輕，符合了課題要求在環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的情況下節(jié)約資源、綠色環(huán)保的設計思想。此外，本模型是對CAD圖紙所繪制圖形進行簡單的建模，其中履帶進行了簡單繪制，沒有做出每鏈節(jié)具體結構，限于本人水平有限，齒輪軸承螺栓等標準件沒有具體繪制。 4.2 本章小結 這一章對小型履帶式行走裝置的關鍵零部件進行建模，通過三維模型形象的表達出本設計關鍵零部件的形狀和結構,最后對該機構進行裝配，獲得三維整機模型，并進行運動仿真，檢測本設計沒有發(fā)生運動干涉，該設計結構合理，具有現實可