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1、毕业设计论文机器人链式(行星)越障轮组机构设计摘 要全方位越障车轮组由动力装置、转向装置和驱动轮系组成。框架上安装了中心轴，中心轴上设有驱动离合器、转向离合器、转臂和中心链轮。每组车轮组的个车轮轴线呈等角分布。当驱动离合器闭合、制动器制动，转向离合器脱开时，且路面对车轮作用力变化的情况下，驱动轮系亦相应转化构成定轴轮系或行星轮系，实现车轮的驱动或越障。而当制动器脱开，转向离合器闭合时，动力通过啮合齿轮副、转向链轮副和锥齿轮副，使框架相对于车体转动。按轮系传动时齿轮的轴线在空间的相对位置是否固定，轮系可分为定轴线齿轮传动和动轴线齿轮传动两大部分。本次设计的项目根据实际设计工作的需要，对机器人链式
2、(行星)越障轮组机构主要的零部件进行设计。对机构各部分的零件进行设计布局,算出齿轮的齿数、模数、齿宽、变位系数和中心距等关键参数，设计轴的结构及尺寸,链轮等.并进行几何尺寸计算、强度计算和安全系数计算。关 键 词：行星车轮; 越障; 机构设计; 机器人 Robot Chain Structure Design Of Climbing Obatacle With Planetary Wheel ABSTRACTFor determination of perpendicular climbing obstacle capability of lunar rover with planetary
3、wheel , 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 obstacl
4、e 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 .O
5、ur 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 sa
6、fety factor.are designed. KEY WORDS：planetary wheel , climbing obstacle, structure design, robot 目 录前 言1第一章越障机器人概述21.1 越障机器人发展状况21.2 本设计的实施方案3第二章越障机构的结构形式及传动方案的确定62.1.机构设计62.2.确定各主要参数62.2.1.传动比分配72.2.2 电动机选择72.3 齿轮设计72.4 齿轮几何尺寸计算102.4.1 小齿轮尺寸计算102.4.2 大齿轮尺寸计算11第三章越障轮组主要构件设计计算123.1 中心轴123.1.1中心轴的参数12
7、3.1.2.轴的结构设计133.1.3 轴的校核15第四章 车轮组局部零件设计计算184.1车轮轴的设计.184.1.1车轮轴的设计图184.2 锥齿轮设计194.2.1锥齿轮装配图.194.2.2锥齿轮设计计算194.2.3齿轮的受力分析204.3 车轮组的结构形式214.4 越障轮组机体结构22第五章 轴承计算235.1轴承参数235.2主传动轴轴承235.2.1角接触球轴承.245.2.2.深沟球轴承24总结25参考文献26致 谢27 前 言 本设计是一种越障车轮组。提供一种集驱动,转向和越障于一体的全方位越障车轮组,由其装备的车辆不仅能够在平坦的路面上实现全方位运动,且具有良好的越障能
8、力。 本设计由动力装置,转向装置和驱动轮系组成。动力装置由电机,啮合齿轮,驱动离合器和转向离合器组成。驱动轮系由转臂,小链轮,中心链轮组成,小链轮分别与每个车轮组上相应的3个车轮固定连接,3个车轮的轴线呈等角分布。框架上安装了中心轴,中心轴上设有驱动离合器,转向离合器,转臂和中心链轮。当驱动离合器闭合,制动器制动,转向离合器脱开时,且路面对车轮作用力变化的情况下,驱动轮系亦相应转化构成定轴轮系或行星轮系。当路面平坦时,两个车轮将同时着地,由转臂,小链轮,中心链轮组成的驱动轮系构成定轴轮系,在电机的驱动下,车轮组以滚动方式运动。而当前进的车轮遇到障碍时,前轮静止不动,定轴轮系自行转化为行星轮系。
9、在电机的驱动下,转臂带动其余两个轮子绕前轮的中心轴回转,实现越障.而当制动器脱开,转向离合器闭合时,由转向链轮,传动链轮和一对相互啮合的转向锥齿轮组成的转向装置开始运动。在电机的驱动下,动力通过啮合齿轮传送到安置在中心轴上的转向链轮,并通过传动链轮,锥齿轮副,使框架相对于车体进行转动。 本设计要求机构工作原理构想,机构各部分空间位置布置;结构参数选择及确定;有关的设计计算;机构结构设计。但由于学生水平有限，本设计说明如有不妥和错误之处，还请各位专家老师给予批评指正。第一章 越障机器人概述1.1越障机器人发展状况 本设计涉及一种越障车轮组,特别是涉及一种全方位越障车轮组. 现有的越障车轮组,如爬
10、楼机器人(JSME Series C, Vol39, No.3,1996), 采用成平面布置的两轮机构,越障时运动起伏量大,且不具备转向功能,无法实现全方位越障。中国专利CN1073636A提出了一种可全方位运动的车辆,采用外滚子式车辆,可实现全方位运动,但其基本上不具备越障功能.且承载能力小，只适合于在平坦的路面上运行。 全方位越障车轮组是一种提供一种集驱动,转向和越障于一体的全方位越障车轮组,由其装备的车辆不仅能够在平坦的路面上实现全方位运动,且具有良好的越障能力。 全方位越障车轮组由动力装置,转向装置和驱动轮系组成。动力装置由电机,啮合齿轮,驱动离合器和转向离合器组成。驱动轮系由转臂,小
11、链轮,中心链轮组成,小链轮分别与每个车轮组上相应的3个车轮固定连接,3个车轮的轴线呈等角分布。框架上安装了中心轴,中心轴上设有驱动离合器,转向离合器,转臂和中心链轮。当驱动离合器闭合,制动器制动,转向离合器脱开时,且路面对车轮作用力变化的情况下,驱动轮系亦相应转化构成定轴轮系或行星轮系。当路面平坦时,两个车轮将同时着地,由转臂,小链轮,中心链轮组成的驱动轮系构成定轴轮系,在电机的驱动下,车轮组以滚动方式运动。而当前进的车轮遇到障碍时,前轮静止不动,定轴轮系自行转化为行星轮系。在电机的驱动下,转臂带动其余两个轮子绕前轮的中心轴回转,实现越障.而当制动器脱开,转向离合器闭合时,由转向链轮,传动链轮
12、和一对相互啮合的转向锥齿轮组成的转向装置开始运动。在电机的驱动下,动力通过啮合齿轮传送到安置在中心轴上的转向链轮,并通过传动链轮,锥齿轮副,使框架相对于车体进行转动。1.2 本设计的实施方案 本设计采用了与传动装置相匹配的一组驱动,转向离合器,可灵活地实现车轮组前进,后退或转向的全方位运动; 采用轴线呈等角分布的3个车轮,具有良好的越障能力;可根据需要装备不同的车辆设施,且结构紧凑。 图1-1是本设计的结构示意图 图1-1图1-2是本设计的越障示意图 图1-2下面,结合图示,详细介绍本设计。 越障机器人的移动机构,由四套全方位越障车轮组组成,包括动力装置,车轮组和驱动轮系。动力装置由额定功率1
13、00的电机1,啮合车轮16,17,驱动离合器15,转向离合器9和转向传动装置组成.驱动轮系由转臂11,小链轮13和中心链轮14组成,小链轮13分别与每个车轮组上相应的3个车轮12固定连接,3个车轮12的轴线呈等角分布。框架2上安装了中心轴10,中心轴10上设有驱动离合器15,转向离合器9,转臂11和中心链轮14.当驱动离合器15闭合,制动器4制动,转向离合器9脱开时,且路面对车论作用力变化的情况下,驱动轮系亦相应转化成定轴轮系或行星轮系。如：当路面平坦时,有两个车轮12同时着地,由转臂11,小链轮13和中心链轮14组成的驱动轮系构成定轴轮系.在电机1的驱动下,车轮组以滚动方式前进或后退,最大的
14、移动速度为11,而当前进的车轮遇到障碍时,前轮静止不动,此时,定轴轮系将自行转化为行星轮系.在电机1的驱动下,转臂11带动其余两个轮子12绕前轮的中心轴回转,跨越的障高可达70。为保证越障时,前轮和路面之间具有足够的摩擦力,应适当增大中心链轮14与小链轮13的齿数比,也可以在车轮12的轮缘上包裹橡胶。而当要作转动时,驱动离合器15脱开,制动器4脱开,转向离合器9闭合,电机1的驱动力通过啮合齿轮16,17传送到安置在中心轴10上的转向链轮8,并通过链条和传动链轮7驱动转向锥齿轮6,使框架2相对于车体3进行转动,.转动90的时间约为6秒。 第二章 越障车轮组的结构形式及传动方案的确定2.1.机构设
15、计全方位越障轮组具有独立的驱动及自由转向能力;装备的机器人行驶装置不仅能在平坦的路面上运动,而且具有一定的越障功能。已知设计要求 机构简图如图2-1所示 图2-1 机构简图2.2.确定各主要参数2.2.1.传动比分配 齿轮级 链轮级 2.2.2 电动机选择 SN系列印制绕组直流伺服电动机可广泛应用于机器人,精控机床,轻工食品包装机械,自动焊接机等高精度变速驱动装置和快速频繁作业的系统中作驱动控制器件。具有转动惯量低,电感量极小,响应快速,输出转矩高度均匀等特点。选择230SN10伺服电动机。主要参数如表2.1所示： 表2.1型号额定电压额定电流额定功率额定转矩峰值转矩额定转速最高转速230SN
16、10 90 14.6 1000 3203240 3000 5000工作转矩 使用系数参照 GB3480 取2.3齿轮设计 取1. 选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数选用直齿圆柱齿轮传动.速度不高,故选用7级精度(GB10095-88)材料选择.选择小齿轮材料为40Gr(调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质),硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.选小齿轮齿数Z=20,大齿轮齿数Z=3.520=70.2.按齿面接触强度设计查得材料的弹性影响系数查得小齿轮的接触疲劳强度极限, 大齿轮的接触疲劳强度极限.计算接触疲劳许用应力.取失效概率为1%,安全系数 S=1试算小齿轮分度
17、圆直径, 代入中较小的值。9.746mm计算圆周速度V计算齿宽b。计算齿宽与齿高之比模数 计算载荷系数根据 v=0.08m/s, 7级精度, 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径计算模数m.按齿根弯曲强度设计 计算弯曲疲劳许用应力.取弯曲疲劳安全系数S=1.4 计算载荷系数K 设计计算 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于模数m的大小取决于弯曲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,由于结构等的因素,取得模数m=2mm.小齿轮齿数z=20, 大齿轮齿数z=702.4 齿轮几何尺寸计算分度圆
18、齿顶圆 齿根圆 齿顶高系数 顶隙系数 代入上组公式计算2.4.1小齿轮几何尺寸的计算 结构如图2-2所示 图2-22.4.2大齿轮几何尺寸的计算 结构如图2-3所示(大齿轮) 图2-3第三章 越障轮组主要构件的设计计算3.1.中心轴3.1.1中心轴的功率P,转速n,转矩T 初步确定轴的最小直径参考文献机械设计手册式中查表得（表15-3）P轴传递的功率，单位为KWn轴的转速，单位为取d=353.1.2轴的结构设计拟订轴的装配方案如图3-1所示 图3-1 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度初步选择角接触球轴承,因轴承同时承受轴向和径向力作用,故选用角接触球轴承.选用7006C,故=30mm
19、安装齿轮段,由于轴肩定位的需要, 选用的线圈静止牙嵌电磁离合器, 此段.链论的设计如图3-2所示 图3-2轮组腹板部分与轴连接采用双列深沟球轴承,考虑到整体结构和定位等的要求,车体与轴连接,由于采用的角接触球轴承,以及考虑到部件的空间分布,取末段上面安装的有滑环多片电磁离合器,采用弹性挡圈定位,链轮与轴连接的轴承选用深沟球轴承6005.此段还考虑到间隙,轴承端盖等因素。链轮设计如图3-3所示 图3-33.1.3 轴的较核由上述几节计算可知：， ，； 根据弯矩图和扭矩图如图3-4可得: 其中为计算出的疲劳应力,为材料的许用疲劳应力,三根轴的材料均为45钢,查得机械设计手册可得:M为轴所受的总弯矩
20、，T是轴所受的总扭矩，是应力循环系数，一般取0.6则有： ；计算得, 所以此轴安全。图3-4根据弯矩图和扭矩图可得: 其中为计算出的疲劳应力,为材料的许用疲劳应力,三根轴的材料均为45钢,查参考文献机械设计手册可得:M为轴所受的总弯矩，T是轴所受的总扭矩，是应力循环系数，一般取0.6则有： ；计算得, 所以此轴安全。轴的结构如图3-5所示 图3-5 第四章 越障轮组局部零件的设计计算4.1车轮轴的设计 4.1.1车轮轴的设计如图4-1所示 图4-14.2锥齿轮设计 4.2.1锥齿轮装配图如图4-2所示 图4-2 4.2.2锥齿轮设计计算 由 4.2.3轮齿的受力分析 齿根弯曲疲劳强度计算 由
21、齿面接触疲劳强度计算 大锥齿轮结构如图4-3所示 图4-34.3 车轮组的结构形式如图4-4所示 图4-44.4 越障轮组机体结构机体结构要根据制造工艺，安装工艺和使用维护的方便与否以及经济性等条件来决定。越障轮组属于小量生产，且车体部分还需安装各个部件等,要求便于加工.本设计机体所用材料为45钢。越障轮组机体结构具体如图4-5所示 图4-5 机体 第五章 轴承计算5.1轴承参数参照资料（机械设计）按基本额定动载荷选型号和尺寸预期计算寿命N转速寿命指数对于滚子轴承=10/3对于球轴承=35.2主传动轴上轴承5.2.1角接触球轴承 在车体与主传动轴的连接,轴承要承担来自车体的径向力,还要承受轴向
22、力，且负载较大，故选用7006c角接触球轴承。计算动载荷 其中（小时）年5.2.2深沟球轴承主传动轴承受力和弯矩的作用，轴可能发生倾斜和弯曲，因此对轴承具有调心性能要求，故选用6000系列深沟球轴承。计算轮组腹板与主传动轴连接处的深沟球轴承。总结紧张有序的设计任务即将结束之时，对以往的工作和学习，特别对本次设计作了一个详尽实际总结是十分必要的。对找出不足，吸取经验教训有很好的作用。本次设计历时近三个月，全方位越障车轮组进行了设计，对全方位越障车轮的整体结构和工作原理进行了深入的理解。 整个设计过程有紧张有喜悦，按照任务书上的步骤进行。在老师的认真指导和督导下，认真细致地作了这次设计，但也暴露出
23、了很多问题，主要体现在对液压专业知识的认识和掌握上，理论知识的应用上，设计能力、动手能力及自我处理问题的能力比较差，对老师的依赖性较大。接下来一定要以此次设计为戒，好好的考虑一下自己的得与失，总结教训经验。问题是存在的，同时收获也是欣喜的，通过这次设计，我把以往所学的知识有机的结合了起来，并加以应用，而且还解除了许多性质时，有些还是科技的最前沿， 并且还包括了许多书本上无法接触到的经验，增强了自己查阅资料的能力。通过这次的设计，使我更加清楚地了解了自己，在即将毕业走上社会前，毕业设计的作用是难以用言语形容的，虽然在设计中，由于自身的能力问题，设计中有失误之处，但我相信经历是最好的学习方式，随着
24、时间和经历的增多我会更加成熟起来的。参考文献1 徐灏主编机械设计手册M.北京:机械工业出版社,19982 成大先主编.机械设计图册M.北京:化学工业出版社,20003 冯涓, 王介民主编.工业产品艺术造型设计M第2版.北京： 清华大学出版社,20044 孙 桓， 陈作模主编.机械原理M第6版.北京：高等教育出版社,20015 王 昆，何小柏，汪信远主编.机械设计课程设计M第1版.北京：高等教育出版社，19956 渐开线齿轮行星传动的设计与制造编委会著，渐开线齿轮行星传动的设计与制造M.机械工业出版社，7 甘永立主编.几何量公差与检测M第5版.上海:上海科学技术出版社，20018 濮良贵，纪名刚
25、主编.机械设计M第7版.北京:高等教育出版社，2001 9 朱冬梅，胥北澜主编.画法几何及机械制图M第5版.北 京：高等教育出版社，200010 哈尔滨工业大学理论力学教研室编，理论力学M第6版. 高等教育出版社，200211 杨黎明，黄凯，李恩至，陈仕贤编机械零件设计手册M.北京：国防工业出版社,198612 范垂本编著齿轮的强度和试验M.北京:机械工业出版社,1979 13徐灏主编.机械设计手册M第2版.北京:机械工业出版社,199814龚桂义主编. 渐开线圆柱齿轮强度计算与结构设计M.北京:机械工业出版社，198615 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理第七版M.北京:高等教育出版社,200
26、6.16 濮良贵，纪名刚.机械设计第八版M.北京: 高等教育出版社,2006.17 何永熹，武充沛.几何精度规范学第二版M.北京:北京理工大学出版社,2006.18 王兰美.机械制图M.北京: 高等教育出版,2004.19 王昆，何小柏，汪信远.机械设计课程设计M.北京:高等教育出版社,1995.20 陈立德.机械制造装备设计M.北京:高等教育出版社,2006.21 左健民.液压与气压传动第三版M.北京:机械工业出版社,1999.22 余锡存.单片机原理及接口技术M.西安: 西安电子科技大学出版社,2007.23 张春林，张美麟.机械创新设计第七版M. 机械工业出版社,2007. 致 谢 本毕业设计在选题、设计研究及设计说明书的完成过程中得到了葛述卿老师的指导，期间他给予我很大的帮助。并且给我提供了一个非常好的学习环境。毕业设计中时常给我提出一些图纸和机构的改进建议与方法，始终给予我信心；并在设计说明书撰写中给予指导。老师学识的渊博，治学的严谨，辅导的细致都给我留下了深刻的印象。在我的整个设计过程中，正是由于老师严谨求实的工作作风和对学生认真负责工作度，使我在大学里最后一次设计中，也是最综合的一次设计中得到了实践性的锻炼，为我以后步入工作岗位打下了坚实的基础。对此，学生对您表示衷心的感谢和真诚的敬意。最后学生向在百忙之中评阅本论文的各位老师表示衷心的感谢。
