畢業論文機器人鏈式行星越障輪組機構設計說明

1、畢業設計論文機器人鏈式(行星)越障輪組機構設計摘 要全方位越障車輪組由動力裝置、轉向裝置和驅動輪系組成。框架上安裝了中心軸，中心軸上設有驅動離合器、轉向離合器、轉臂和中心鏈輪。每組車輪組的個車輪軸線呈等角分布。當驅動離合器閉合、制動器制動，轉向離合器脫開時，且路面對車輪作用力變化的情況下，驅動輪系亦相應轉化構成定軸輪系或行星輪系，實現車輪的驅動或越障。而當制動器脫開，轉向離合器閉合時，動力通過嚙合齒輪副、轉向鏈輪副和錐齒輪副，使框架相對于車體轉動。按輪系傳動時齒輪的軸線在空間的相對位置是否固定，輪系可分為定軸線齒輪傳動和動軸線齒輪傳動兩大部分。本次設計的項目根據實際設計工作的需要，對機器人鏈式

2、(行星)越障輪組機構主要的零部件進行設計。對機構各部分的零件進行設計布局,算出齒輪的齒數、模數、齒寬、變位系數和中心距等關鍵參數，設計軸的結構與尺寸,鏈輪等.并進行幾何尺寸計算、強度計算和安全系數計算。關 鍵 詞：行星車輪; 越障; 機構設計; 機器人 Robot Chain Structure Design OfClimbing Obatacle With Planetary WheelABSTRACTFor determination of perpendicular climbing obstacle capability of lunar rover with planetary wh

3、eel , based on simplified mechanics mobel of rover the paper gives the relations between rover parameters and perpendicular climbing obstacleheight under three conditions: simultaneously climbing obstacle by two front wheels, simultaneously climbing obstacle by two rear wheels and climbing obstacle

4、by single wheel. Then maximum perpendicular climbing obstacle height of this rover is calculated. Simulation analysis to above three conditions is done. The simulation analysis gives conclusion that theoy inference result is reliable. The design is made on the basis of the demand of the progect .Our

5、 task is the designing of crucial part of the planetary reducer ,calculating the value of special parameters .Especially , the parameters of sun gear,planetary gear and ring gear,such as gear ratio, module, facewidth, modification coefficient,center distance,and physical dimension, strength and safe

6、ty factor.are designed.KEY WORDS：planetary wheel,climbing obstacle, structure design, robot目 錄前言1第一章越障機器人概述2§1.1越障機器人發展狀況2§1.2本設計的實施方案3第二章越障機構的結構形式與傳動方案的確定6§2.1.機構設計6§2.2.確定各主要參數6§2.2.1.傳動比分配7§2.2.2 電動機選擇7§2.3齒輪設計7§2.4齒輪幾何尺寸計算10§2.4.1 小齒輪尺寸計算10§2.4.2

7、 大齒輪尺寸計算11第三章越障輪組主要構件設計計算12§3.1中心軸12§3.1.1中心軸的參數12§3.1.2.軸的結構設計13§3.1.3 軸的校核15第四章車輪組局部零件設計計算18§4.1車輪軸的設計.18§4.1.1車輪軸的設計圖18§4.2 錐齒輪設計19§4.2.1錐齒輪裝配圖.19§4.2.2錐齒輪設計計算19§4.2.3齒輪的受力分析20§4.3 車輪組的結構形式21§4.4 越障輪組機體結構22第五章軸承計算23§5.1軸承參數23§5

8、.2主傳動軸軸承23§5.2.1角接觸球軸承.24§5.2.2.深溝球軸承24總結25參考文獻26致27 前 言 本設計是一種越障車輪組。提供一種集驅動,轉向和越障于一體的全方位越障車輪組,由其裝備的車輛不僅能夠在平坦的路面上實現全方位運動,且具有良好的越障能力。 本設計由動力裝置,轉向裝置和驅動輪系組成。動力裝置由電機,嚙合齒輪,驅動離合器和轉向離合器組成。驅動輪系由轉臂,小鏈輪,中心鏈輪組成,小鏈輪分別與每個車輪組上相應的3個車輪固定連接,3個車輪的軸線呈等角分布。框架上安裝了中心軸,中心軸上設有驅動離合器,轉向離合器,轉臂和中心鏈輪。當驅動離合器閉合,制動器制動,轉向

9、離合器脫開時,且路面對車輪作用力變化的情況下,驅動輪系亦相應轉化構成定軸輪系或行星輪系。當路面平坦時,兩個車輪將同時著地,由轉臂,小鏈輪,中心鏈輪組成的驅動輪系構成定軸輪系,在電機的驅動下,車輪組以滾動方式運動。而當前進的車輪遇到障礙時,前輪靜止不動,定軸輪系自行轉化為行星輪系。在電機的驅動下,轉臂帶動其余兩個輪子繞前輪的中心軸回轉,實現越障.而當制動器脫開,轉向離合器閉合時,由轉向鏈輪,傳動鏈輪和一對相互嚙合的轉向錐齒輪組成的轉向裝置開始運動。在電機的驅動下,動力通過嚙合齒輪傳送到安置在中心軸上的轉向鏈輪,并通過傳動鏈輪,錐齒輪副,使框架相對于車體進行轉動。 本設計要求機構工作原理構想,機構

10、各部分空間位置布置;結構參數選擇與確定;有關的設計計算;機構結構設計。但由于學生水平有限，本設計說明如有不妥和錯誤之處，還請各位專家老師給予批評指正。第一章 越障機器人概述§1.1越障機器人發展狀況 本設計涉與一種越障車輪組,特別是涉與一種全方位越障車輪組. 現有的越障車輪組,如爬樓機器人(JSME Series C, Vol39, No.3,1996), 采用成平面布置的兩輪機構,越障時運動起伏量大,且不具備轉向功能,無法實現全方位越障。中國專利CN1073636A提出了一種可全方位運動的車輛,采用外滾子式車輛,可實現全方位運動,但其基本上不具備越障功能.且承載能力小，只適合于在平

11、坦的路面上運行。 全方位越障車輪組是一種提供一種集驅動,轉向和越障于一體的全方位越障車輪組,由其裝備的車輛不僅能夠在平坦的路面上實現全方位運動,且具有良好的越障能力。 全方位越障車輪組由動力裝置,轉向裝置和驅動輪系組成。動力裝置由電機,嚙合齒輪,驅動離合器和轉向離合器組成。驅動輪系由轉臂,小鏈輪,中心鏈輪組成,小鏈輪分別與每個車輪組上相應的3個車輪固定連接,3個車輪的軸線呈等角分布。框架上安裝了中心軸,中心軸上設有驅動離合器,轉向離合器,轉臂和中心鏈輪。當驅動離合器閉合,制動器制動,轉向離合器脫開時,且路面對車輪作用力變化的情況下,驅動輪系亦相應轉化構成定軸輪系或行星輪系。當路面平坦時,兩個車

12、輪將同時著地,由轉臂,小鏈輪,中心鏈輪組成的驅動輪系構成定軸輪系,在電機的驅動下,車輪組以滾動方式運動。而當前進的車輪遇到障礙時,前輪靜止不動,定軸輪系自行轉化為行星輪系。在電機的驅動下,轉臂帶動其余兩個輪子繞前輪的中心軸回轉,實現越障.而當制動器脫開,轉向離合器閉合時,由轉向鏈輪,傳動鏈輪和一對相互嚙合的轉向錐齒輪組成的轉向裝置開始運動。在電機的驅動下,動力通過嚙合齒輪傳送到安置在中心軸上的轉向鏈輪,并通過傳動鏈輪,錐齒輪副,使框架相對于車體進行轉動。§1.2本設計的實施方案 本設計采用了與傳動裝置相匹配的一組驅動,轉向離合器,可靈活地實現車輪組前進,后退或轉向的全方位運動; 采用

13、軸線呈等角分布的3個車輪,具有良好的越障能力;可根據需要裝備不同的車輛設施,且結構緊湊。 圖1-1是本設計的結構示意圖 圖1-1圖1-2是本設計的越障示意圖 圖1-2下面,結合圖示,詳細介紹本設計。 越障機器人的移動機構,由四套全方位越障車輪組組成,包括動力裝置,車輪組和驅動輪系。動力裝置由額定功率100的電機1,嚙合車輪16,17,驅動離合器15,轉向離合器9和轉向傳動裝置組成.驅動輪系由轉臂11,小鏈輪13和中心鏈輪14組成,小鏈輪13分別與每個車輪組上相應的3個車輪12固定連接,3個車輪12的軸線呈等角分布。框架2上安裝了中心軸10,中心軸10上設有驅動離合器15,轉向離合器9,轉臂11

14、和中心鏈輪14.當驅動離合器15閉合,制動器4制動,轉向離合器9脫開時,且路面對車論作用力變化的情況下,驅動輪系亦相應轉化成定軸輪系或行星輪系。如：當路面平坦時,有兩個車輪12同時著地,由轉臂11,小鏈輪13和中心鏈輪14組成的驅動輪系構成定軸輪系.在電機1的驅動下,車輪組以滾動方式前進或后退,最大的移動速度為11,而當前進的車輪遇到障礙時,前輪靜止不動,此時,定軸輪系將自行轉化為行星輪系.在電機1的驅動下,轉臂11帶動其余兩個輪子12繞前輪的中心軸回轉,跨越的障高可達70。為保證越障時,前輪和路面之間具有足夠的摩擦力,應適當增大中心鏈輪14與小鏈輪13的齒數比,也可以在車輪12的輪緣上包裹橡

15、膠。而當要作轉動時,驅動離合器15脫開,制動器4脫開,轉向離合器9閉合,電機1的驅動力通過嚙合齒輪16,17傳送到安置在中心軸10上的轉向鏈輪8,并通過鏈條和傳動鏈輪7驅動轉向錐齒輪6,使框架2相對于車體3進行轉動,.轉動90的時間約為6秒。 第二章 越障車輪組的結構形式與傳動方案的確定§2.1.機構設計全方位越障輪組具有獨立的驅動與自由轉向能力;裝備的機器人行駛裝置不僅能在平坦的路面上運動,而且具有一定的越障功能。已知設計要求機構簡圖如圖2-1所示圖2-1 機構簡圖§2.2.確定各主要參數§2.2.1.傳動比分配 齒輪級 鏈輪級§2.2.2 電動機選擇

16、 SN系列印制繞組直流伺服電動機可廣泛應用于機器人,精控機床,輕工食品包裝機械,自動焊接機等高精度變速驅動裝置和快速頻繁作業的系統中作驅動控制器件。具有轉動慣量低,電感量極小,響應快速,輸出轉矩高度均勻等特點。選擇230SN10伺服電動機。主要參數如表2.1所示： 表2.1型號額定電壓額定電流額定功率額定轉矩峰值轉矩額定轉速最高轉速230SN10 90 14.6 1000 3203240 3000 5000工作轉矩使用系數參照 GB3480 取§2.3齒輪設計取1. 選定齒輪類型,精度等級,材料與齒數選用直齒圓柱齒輪傳動.速度不高,故選用7級精度(GB10095-88)材料選擇.選擇

17、小齒輪材料為40Gr(調質),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調質),硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS.選小齒輪齒數Z=20,大齒輪齒數Z=3.520=70.2.按齒面接觸強度設計查得材料的彈性影響系數查得小齒輪的接觸疲勞強度極限, 大齒輪的接觸疲勞強度極限.計算接觸疲勞許用應力.取失效概率為1%,安全系數 S=1試算小齒輪分度圓直徑, 代入中較小的值。9.746mm計算圓周速度V計算齒寬b。計算齒寬與齒高之比模數 計算載荷系數根據 v=0.08m/s, 7級精度, 按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑計算模數m.按齒根彎曲強度設計計算彎曲疲勞許用應力.取彎曲疲勞安全系數

18、S=1.4計算載荷系數K設計計算 對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數,由于模數m的大小取決于彎曲強度所決定的承載能力,而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑(即模數與齒數的乘積)有關,由于結構等的因素,取得模數m=2mm.小齒輪齒數z=20, 大齒輪齒數z=70§2.4 齒輪幾何尺寸計算分度圓 齒頂圓 齒根圓 齒頂高系數頂隙系數代入上組公式計算§2.4.1小齒輪幾何尺寸的計算 結構如圖2-2所示圖2-2§2.4.2大齒輪幾何尺寸的計算結構如圖2-3所示(大齒輪) 圖2-3第三章 越障輪組主要構件的設計計算

19、7;3.1.中心軸§3.1.1中心軸的功率P,轉速n,轉矩T初步確定軸的最小直徑參考文獻機械設計手冊式中查表得（表15-3）P軸傳遞的功率，單位為KWn軸的轉速，單位為取d=35§3.1.2軸的結構設計擬訂軸的裝配方案如圖3-1所示 圖3-1根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度初步選擇角接觸球軸承,因軸承同時承受軸向和徑向力作用,故選用角接觸球軸承.選用7006C,故=30mm 安裝齒輪段,由于軸肩定位的需要, 選用的線圈靜止牙嵌電磁離合器, 此段.鏈論的設計如圖3-2所示 圖3-2輪組腹板部分與軸連接采用雙列深溝球軸承,考慮到整體結構和定位等的要求,車體與軸連接,由于

20、采用的角接觸球軸承,以與考慮到部件的空間分布,取末段上面安裝的有滑環多片電磁離合器,采用彈性擋圈定位,鏈輪與軸連接的軸承選用深溝球軸承6005.此段還考慮到間隙,軸承端蓋等因素。鏈輪設計如圖3-3所示 圖3-3§3.1.3軸的較核由上述幾節計算可知：， ，；根據彎矩圖和扭矩圖如圖3-4可得: 其中為計算出的疲勞應力,為材料的許用疲勞應力,三根軸的材料均為45鋼,查得機械設計手冊可得:M為軸所受的總彎矩，T是軸所受的總扭矩，是應力循環系數，一般取0.6則有：；計算得, 所以此軸安全。圖3-4根據彎矩圖和扭矩圖可得: 其中為計算出的疲勞應力,為材料的許用疲勞應力,三根軸的材料均為45鋼,

21、查參考文獻機械設計手冊可得:M為軸所受的總彎矩，T是軸所受的總扭矩，是應力循環系數，一般取0.6則有：；計算得, 所以此軸安全。軸的結構如圖3-5所示 圖3-5 第四章 越障輪組局部零件的設計計算§4.1車輪軸的設計§4.1.1車輪軸的設計如圖4-1所示 圖4-1§4.2錐齒輪設計§4.2.1錐齒輪裝配圖如圖4-2所示圖4-2 §4.2.2錐齒輪設計計算 由 §4.2.3輪齒的受力分析齒根彎曲疲勞強度計算 由 齒面接觸疲勞強度計算大錐齒輪結構如圖4-3所示 圖4-3§4.3 車輪組的結構形式如圖4-4所示圖4-4§

22、4.4 越障輪組機體結構機體結構要根據制造工藝，安裝工藝和使用維護的方便與否以與經濟性等條件來決定。越障輪組屬于小量生產，且車體部分還需安裝各個部件等,要求便于加工.本設計機體所用材料為45鋼。越障輪組機體結構具體如圖4-5所示 圖4-5 機體 第五章 軸承計算§5.1軸承參數參照資料（機械設計）按基本額定動載荷選型號和尺寸預期計算壽命N轉速壽命指數對于滾子軸承=10/3對于球軸承=3§5.2主傳動軸上軸承§5.2.1角接觸球軸承 在車體與主傳動軸的連接,軸承要承擔來自車體的徑向力,還要承受軸向力，且負載較大，故選用7006c角接觸球軸承。計算動載荷 其中（小時）

23、年§5.2.2深溝球軸承主傳動軸承受力和彎矩的作用，軸可能發生傾斜和彎曲，因此對軸承具有調心性能要求，故選用6000系列深溝球軸承。計算輪組腹板與主傳動軸連接處的深溝球軸承。總結緊有序的設計任務即將結束之時，對以往的工作和學習，特別對本次設計作了一個詳盡實際總結是十分必要的。對找出不足，吸取經驗教訓有很好的作用。本次設計歷時近三個月，全方位越障車輪組進行了設計，對全方位越障車輪的整體結構和工作原理進行了深入的理解。 整個設計過程有緊有喜悅，按照任務書上的步驟進行。在老師的認真指導和督導下，認真細致地作了這次設計，但也暴露出了很多問題，主要體現在對液壓專業知識的認識和掌握上，理論知識的

24、應用上，設計能力、動手能力與自我處理問題的能力比較差，對老師的依賴性較大。接下來一定要以此次設計為戒，好好的考慮一下自己的得與失，總結教訓經驗。問題是存在的，同時收獲也是欣喜的，通過這次設計，我把以往所學的知識有機的結合了起來，并加以應用，而且還解除了許多性質時，有些還是科技的最前沿， 并且還包括了許多書本上無法接觸到的經驗，增強了自己查閱資料的能力。通過這次的設計，使我更加清楚地了解了自己，在即將畢業走上社會前，畢業設計的作用是難以用言語形容的，雖然在設計中，由于自身的能力問題，設計中有失誤之處，但我相信經歷是最好的學習方式，隨著時間和經歷的增多我會更加成熟起來的。參考文獻1徐灝主編機械設計手冊M.:機械工業,19982 成大先主編.機械設計圖冊M.:化學工業,20003 涓, 王介編.工業產品藝術造型設計M第2版.： 清華大學,20044 桓， 作模主編.機械原理M第6版.：高等教育,20015 王昆，何小柏，汪信遠主編.機械設計課程設計M第1版.：高等教育，19956 漸開線齒輪行星傳動的設計與制造編委會著，漸開線齒輪行星傳動的設計與制造M.機械工業，7 甘永立主編.幾何量公差與檢