自动转向清洁车的设计本科毕业论文

湖南工业大学本科生毕业设计（论文） 摘要本次设计的自动转向清洁车用于室内环境的清洁，清洁车可自动行走，无需人工操作。根据室内环境，当机器碰到障碍物时，可以实现自动转向，从而避开障碍物，是机器在特定的区域内按不规则路线工作，配合清洁系统实现自动清洁。此次设计的自动转向清洁车主要考虑三个方面的设计：自动转向机构的设计，车身机架的设计，清洁系统的设计。自动转向机构由电磁离合器与行星轮组成，碰到障碍物时使两轮的实现差动，从而实现自动转向功能；车身机架做成圆形，在四周装上壁轮，壁轮相对机架转动，实现整台机器的转向；清洁系统由电动机、毛刷、垃圾过渡板和可抽取垃圾箱组成，清洁系统装在小车的前端，工作室电动机转动，带动毛刷滚动，垃圾通过过渡板被卷入垃圾箱内，可对较大的垃圾进行清扫、收集1 。关键词: 自动转向，壁轮，清洁ABSTRACTThe design of the automatic steering clean cars for cleaning indoor environment, clean car can automatically walk, without manual operation. According to the indoor environment, when the machine hits an obstacle, you can achieve automatic steering, thereby avoiding obstacles, the machine works as an irregular route within a specific area, with automatic cleaning system for cleaning. The design of the automatic steering clean cars mainly consider three aspects of the design: Design automatic steering mechanism, the design of the body frame, cleaning system. Electromagnetic clutch automatic steering mechanism consisting of planetary wheel, so when confronted obstacles to achieve differential rounds, enabling automatic steering function; body frame made of round, fitted wall around the wheel, the wheel relative to the frame wall rotation, to achieve the whole machine steering; cleaning system consists of motor, brush, garbage bins transition board composition and extraction cleaning system is installed in front of the car, studio motor rotates, driven brush roll in, garbage through the transition board is the involvement of the trash can to a large garbage cleaning, collecting.2Keywords: automatic steering, wall wheels, clean目录摘要 I第1章 绪论11.1课题设计背景11.2 国内外相关研究11.3 课题设计任务21.4 设计重难点3第2章 自动转向清洁车的系统设计42.1 机械结构组成42.2工作原理52.3 自动转向清洁车的机构设计72.3.1外形设计72.3.2行走机构设计82.3.3 清扫机构的设计8第3章 运动参数计算103.1电动机的选择103.2 传动装置的各级传动比113.3 计算各传动装置的运动参数11第4章 行星轮的设计134.1配齿计算134.2主要参数计算154.2.1齿轮模数计算154.2.2 计算几何尺寸154.3传动强度计算及校核164.3.1 弯曲强度计算与校核164.3.2齿轮齿面强度的计算及校核174.3.3 有关系数和接触疲劳极限18第5章 直齿锥齿轮的设计205.1 齿轮材料、热处理方法、精度和齿数205.2 确定材料许用接触应力205.3 在标准设计的准则中，根据齿面接触疲劳强度设计205.4 确定实际载荷系数与修正分度圆215.5 齿根弯曲强度计算22第6章 轴的设计246.1电机轴的设计246.2动力轴的设计256.3传动轴的设计256.4轴的校核26第7章 电磁离合器的选择28第8章 展望298.1 多功能化298.2 超智能化298.3 高性价比化30总结31参考文献 32致谢3333第1章 绪论1.1课题设计背景随着生活节奏的不断提高，人们工作后疲惫归来希望能在一个舒适的家庭环境中好好休息，拖把已经成为人们生活中的负担。在此背景下，自动转向清洁车逐渐走进了家家户户，成为人们生活中不可缺少的一个清洁工具。但现有的自动清洁机器价格过于昂贵，还不能得到普及。因此，本设计利用机械机构代替传感器，巧妙地利用行星轮机构与电磁离合器的组合来实现清洁车的自动转向功能。自动转向清洁车能将人们从以前传统沉重的人工清洁工作中解放，实现室内地面的自动清洁功能。在商品化的角度上看，自动转向清洁车将大幅降低劳动强度、提高生活质量，人们只需拿着遥控器按着按钮就能摆脱清洁工作的烦恼。于是，在具有创新、挑战性的研究中自动转向清洁车的发展，具有重大的市场价值意义。本次设计的目的是开发一个性价比高，全区域覆盖，可以满足需要和方便的自动转向清洁车，使家庭生活简洁化、智能化、轻松化3。1.2 国内外相关研究自动进行房间地面清洁的自主式清洁服务机器，集人机学、传感技术、控制技术、人工智能等诸多学科为一体。自动清洁机的研究始于20世纪80年代，经过30年的发展，已经生产出了许多自动清洁产品，并已商品化、实用化，在实际生活中为人们分忧解难。世界上第一台自动转向清洁机器RC3000，它由传感器和单片机控制，当感应到障碍物时，能自动改变前进方向，避免碰撞，然后继续行走完成清洁工作。该机器矮小扁平式的设计使其能够适应家庭多变的室内环境，在沙发、衣柜、桌几下行动自如。2002年松下电器公司推出了家用清洁机器人，它利用超声波测距以此完成对室内环境的了解，根据地面的脏乱程度的规划合理的清洁路径。该机器人内置回转体传感器及落差传感器用来避开障碍物，控制行走姿势和方向。对于自动清洁车技术（机器感知导航和定位、动力驱动、电源技术）的研究，国内的一些大学也取得了不小的成果，这些都为自动清洁机器在国内的推广和发展奠定了坚实的基础。哈尔滨工业大学致力于清洁车技术的研究长达二十多年，曾联合香港中文大学研制出了一种全方位的移动清扫机器。该机器具有如下特点：以全方位的移动技术，在一个狭窄的区域机器可自动行走转向执行清扫工作；具有开放性，可通过编程软件实现程序控制机器，使机器作为一个服务载体执行所要实现的功能；多种可变工作模式，根据室内地面干净程度，合理选择切换工作模式，节约能源，提高清洁效率。在2014年3月21号上海家博会上，iRobot推出了Braava系列中的最高端型号产品Braava380t。iRobotBraava380t具有更多智能系统，包括Pro-Clean系统其作用实在整个清洁过程中可以持续喷洒清洁剂，使清洁工作更彻底；配有急速充电器，比以往充电时间缩短一半，仅需两小时就能完成充电。此款清洁机器人操作简单，只需按下启动按钮就能开始工作，它有两种清洁模式采用干燥清洁布的干式清洁及湿润清洁布的湿擦模式，两者相辅相成；此外还拥有轻触式缓冲器及静音马达，在不打扰人们日常休息的情况下完成清洁任务，完成清洁工作后，能自动回到起点并关机，节约能源。2014年4月14日，Nanophea运用来自荷叶的灵感，采用类似“纳米莲花效应”推出了纳米清洁机器人。此自动清洁车搭配智能扫描装置，在清洁过程中能感应到工作周围环境的灰尘及污染物。工作时将水添加到清洁车的吸尘器中，清洁时机器通过加湿器将水滴变成水雾扩散到地面，周围的灰尘与水雾结合在一起，最后机器通过吸尘器把灰尘与水的混合物吸附回来，之后再将水滴进行循环过滤，使水能够重复使用。此方法，在吸尘的同时还能达到擦洗的效果，并且还能防止清洁时因灰尘飞扬带来的二次污染。1.3 课题设计任务本次设计的课题任务是设计一台自动转向清洁车，要求清洁车能在室内碰到障碍物后实现自动转向功能，完成室内的清洁工作。具体设计的内容为：（1） 了解自动转向清洁车的组成结构及工作原理；（2） 进行自动转向清洁车的总体方案设计与零部件设计；（3） 设计原始数据：高度：宽度：运行速度：约1.4 设计重难点根据自动转向清洁车的工作模式和设计要求，在宽高的形体下合理设计和布置行走机构、自动转向机构、车身机架以及清扫机构是本次设计的难点。首先，当清洁车碰到障碍物时要求其车身机架能随着自动转向机构一起旋转，所以其外形设计也应该仔细考虑。其次，对于室内多变的地面环境采用何种清扫方式才能安全有效地完成自动清洁工作，保证室内的清洁与干净度。最后，在清洁时产生的垃圾如何方便快捷的收集，以及优化布置清洁系统的内部结构也是本次设计中必须认真思考的问题。第2章 自动转向清洁车的系统设计2.1 机械结构组成本课题设计的自动转向清洁车主要包括以下几个部分：（1）自动转向机构。自动转向机构的关键技术在于如何使机构碰到障碍物的情况下，自动改变前进方向，转换适当的角度，避开障碍物，实现自动转向。（2）控制电路。控制电路主要由电磁离合器和KT通电延时继电器组成，由于选用的微动触发开关是点动的，所以需要一个延时控制电路，以实现电磁离合器分离后等到机构开关转向完毕再使离合器回到接合状态，最后，通过电磁离合器的机制来实现一定的转向角。（3）车身机架。当机器碰到障碍物而转向时，机架能从障碍物表面滑过，使机器顺利转向。机架的主要功能是降低车身与障碍物表面的摩擦力，使机器转向更顺畅。（4）清洁系统。清洁系统由电动机、毛刷、垃圾过渡板和可抽取垃圾箱组成，把他转载小车前端，工作时电动机转动，带动毛刷滚动，垃圾通过过渡板被卷入垃圾箱内。按结构分类移动机构有三种，分别是：行走、履带式和轮式。自动转向清洁车的工作环境在室内，地面大多是瓷片，无凹凸不平的环境。根据三种移动机构选用的原则，本次设计选择轮式移动机构最合适。轮式移动机构一般有三、四轮和六轮，三轮的使用有一个相对简单灵活的结构，但能够满足的需求和应用很广泛；四轮的稳定性好，由于重力平均分配到每个轮，因此四轮的承载能力较大，但结构较复杂；类似与四轮，六轮相比之下具有更大的承载能力和稳定性。本次设计的自动转向清洁车要求结构紧凑、配合紧密、移动能力好，能在室内穿梭于各种家具之间完成清洁工作。三轮移动机构正好能适应这种多遍环境，灵活地自动转向避开障碍物，所以采用三轮结构就能满足要求。常用的三轮转向装置一般有以下方式:(1) 铰轴转向式: 安装在转向轴的转向轮的铰链，铰链轴电机控制通过转向器单元和机械联动控制转向轮的转向。(2) 差速转向式: 用于清洁汽车装有电磁离合器驱动轴，由两个轮差引起的电磁离合器的接合和分离，这时由于只有一个轮驱动，转向轮机构受到偏心力，以此来控制转向机构的直走和转向。铰轴转向装置控制简单方便，但精度低，可能无法正常转向；差动转向式控制方式复杂，但精度高。鉴于自动清洁车的转向装置是此次设计的重要部分，对其要求需达到一个较高的标准，所以采用差动转向式比较好，并且其运动和转向的精度也高一些，为以后的避障和轨迹规划打下一个良好的基础。因此本次移动机构采用三轮差速转向式。2.2工作原理本次设计的自动转向清洁车由多个功能模块包括自动转向机构、车身机架、清洁系统等，这些模块之间相互协调，共同协作，保证清洁车顺利完成清洁工作。具体工作原理如下：自动转向机构由转向机构与行星轮机构组成。转向轮机构简图如图2.1所示。当电磁离合器处于接合状态时，动力由动力轴通过转角器传递到传动轴，转动轴带动两个轮一起同方向运动，这是转向轮机构直走；当电磁离合器处于离合状态时，动力由动力轴通过转角器传递到传动轴，传动轴带动左轮运动，而右轮与传动轴脱开，处于自由运动状态，形成两轮差动，这是由于只有一个轮驱动，转向轮机构受到偏心力，转向轮机构转向6。图2.1转向轮机构行星轮机构简图如图2.2所示。当中心轮转动、行星轮的中心O固定时，内齿轮绕O点转动，如图2.2a所示；当中心轮转动。内齿轮固定时，行星轮的中心O绕O点转动，如图2.2b所示。图2.2行星齿轮（a） 图2.2行星齿轮（b）将以上两个原理综合应用，设计出如图2.3所示的机构。在直走状态下，电磁离合器处于接合状态，由弹簧的弹力固定行星轮机构的内齿轮，行星轮运动，通过锥齿轮、传动轴带动两轮向前运动。当机器碰到障碍物时，由于两轮与地面的摩擦力，两个轮子跟地面卡死，行星轮不再作行星运动，这时候内齿轮克服弹簧的弹力开始运动，通过连杆触发电动开关，再通过控制电路控制电磁离合器，使电磁离合器变成分离状态，从而形成两轮差动，实现自动转向机构的转向。图2.3自动转向机构根据自动转向机构工作的情况，机构需要通过电磁离合器来实现某个特定角度的转向，需要利用电路控制转向机构。控制电路如图2.4所示。图2.4控制电路由于选用的微调触发开关是点动的，所以需要一个延时控制电路，以实现电磁离合器分离后等到机构转向完毕再使离合器回到接合状态。4合上开关K，KT延时闭合，电磁离合器通电，处于接合状态，这是自动转向机构直走。当前面有障碍物时，由于行星轮机构的作用SB被按下，KT失电而被断开，电磁离合器失电，处于分离状态，自动转向轮机构开始转向。SB被松开，KT通电，开始计时，电磁离合器仍然处于接合状态，自动转向机构继续转向。当KT延时时间到闭合时，电磁离合器通电，转换到接合状态，自动转向轮机构恢复直走8。可以通过调节KT的延时时间，让自动转向轮机构转不同的角度，实现不同轨迹的行走。当碰到障碍物时，为了便于车身机架连同自动转向轮一起转向，因此把机架做成圆形，在四周装上壁轮与自动转向轮机构连在一起，实现整台机器的转向。此外，作为整个系统的关键部分，自动转向清洁车的清洁系统是必不可少的。清洁系统由电动机、毛刷、垃圾过渡板和可抽取式垃圾箱组成，设计的目的就是对较大的垃圾进行清扫、收集。清洁系统装在小车的前端，工作室电动机转动，带动毛刷滚动，垃圾通过过渡板被卷入垃圾箱内。2.3 自动转向清洁车的机构设计2.3.1外形设计根据室内清洁车的设计要求，本课题设计的清洁车包括行走机构、自动转向机构、车身机架、清扫机构、垃圾收集机构等，其中自动转向机构与清扫机构尤为重要，但车身机架座位整个机器的载体也不容忽视。接合生活实际与商场实体产品信息的采集，把清洁车的外形设计为长宽均为，高为的长方体，但后来发现按此方法设计的清洁车有菱角碰到障碍物时无法随自动转向轮一起旋转避开障碍物，因此把外形改成圆形，再在四周装上壁轮，这样就能轻松地实现整台机器的转向5。其车架轮廓如下图所示：图2.5车身机架2.3.2行走机构设计为了实现机器碰到障碍物的时能自动改变前进方向，转换适当的角度后再行走，避开障碍物，实现自动转向。在机器的行走机构中采用电磁离合器的接合与分离来控制机构的直走与转向，机器直走是电磁离合器处于接合状态，动力通过动力轴传递到传动轴，传动轴带动两轮前进；电磁离合器断开时，动力只传动到左轮，而右轮与传动轴脱开，处于自由状态，此时，两轮形成差动，实现转向功能。2.3.3 清扫机构的设计清扫机构有以下三种方案：(1) 第一种方案由电机与三个斜齿轮组成。电机输出动力，通过三个斜齿轮传动到滚刷，由滚刷实现清扫功能；图2.6清扫机构一 (2) 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮的轴上分别接刷子，实现清洁工作；图2.7清扫机构二(3) 电机带动锥齿轮1，锥齿轮1带动锥齿轮2，由锥齿轮2上的轴连接滚刷，进而实现清扫；图2.8清扫机构三方案一虽然传动平稳，效率高，寿命长，但是斜齿轮所占的面积大，制造成本高，选用方案一会超出设计所要求的尺寸，因而放弃此方案；方案二中蜗杆传动比大，具有自锁性，缺点是传动效率低，成本高，安装时对中心距的尺寸精度要求较高，这种方案也不合理；方案三采用两锥齿轮传动，由锥齿轮2上的轴连接滚刷实现清扫。由于锥齿轮设计、制造、安装均较方便，而且传动平稳，承载能力强，占用的体积也不大，而清扫机构又是本次设计的重要部分，因此此次采用方案三中的设计。第3章 运动参数计算3.1电动机的选择（1）为了避免自动转向清洁车由于行进速度太快而撞坏及由于行进速度太慢而工作效率低下，初选行进速度，车轮转速，根据公式，得；（2）初步估计自动转向清洁车的总质量为，取，地面动摩擦系数，圆柱齿轮的效率，锥齿轮的效率，轴承的效率；（3）自动转向清洁车前进时受到的转矩机器的有效效率从电动机到轮子的总效率所以电动机所需的工作效率所以，选择电动机的额定功率为4KW。（4）电机转速选择通常选择电机的同步转速为1500r/min和1000r/min。（5）电机型号的选择表3.1电机参数电动机型号额定功率满载转速电流额定转矩Y112M-44.0kw1440 r/min8.772.2Y132M1-64.0kw960 r/min9.402.0电动机Y132M1-6相对于Y112M-4，转矩小，转速适中且能够满足性能要求，因此选用Y132M1-6比较合适。3.2 传动装置的各级传动比（1）行星轮机构的传动比（2）锥齿轮的传动比（3）从电机到车轮的总传动比3.3 计算各传动装置的运动参数（1）各轴的转速（2）计算输入功率 I轴上行星轮的输入功率:II轴上锥齿轮的输入功率：车轮的输入功率：（3）转矩的计算表3.2运动参数如下表轴号转速n/(r/min)输入功率P（kW）转矩T（）电动机轴9602.4628.43轴1922.17108.13轴1922.0099.47车轮1921.8893.51第4章 行星轮的设计当遇到障碍物时为使清洁车能自动转向，特利用行星轮机构的特点来实现这一功能，从而避开障碍物，使清洁车在特定的区域按不规则路线工作，配合清洁系统实现自动清洁功能。此次设计的单级行星轮要求输入转速，输入功率，传动比，允许传动比偏差，且要求给行星轮机构简单，体积小，传动效率高，因此采用2K-H型，机构运动示意简图如下。图4.1行星齿轮4.1配齿计算以下计算所用公式、图表由行星齿轮传动设计6查得。根据2K-H型行星轮的传动比值及其配齿计算公式，可得内齿轮齿数和行星轮齿数。由于设计要求的行星轮体积小，所以选取中心轮齿数，可得内齿轮齿数：则行星轮的齿数为：根据行星轮传动的特点，在设计齿轮行星传动时，除了齿数必须满足所要求的传动比条件外，为使行星齿轮装配后能正常运转，各轮齿数应满足以下四个条件：（1）传动比条件根据行星轮传动比条件 （4-1）可得 所以中心轮和内齿轮设计使用的齿数可以满足传动比的要求。（2）同心条件为保证行星轮与中心轮、内齿轮同时正确啮合，各轮齿数应满足的同心条件为： （4-2）各轮齿数满足同心条件。（3）装配条件邻近两个行星轮所夹的中心角=2/中心轮相应转过角，角必须等于中心轮转过个（整数）齿所对的中心角，即 （4-3）式中为中心轮转过一个齿（周节）所对的中心角。 （4-4）将和代入上式，有 （4-5）经整理后满足两中心轮的齿数和应为行星轮数目的整数倍的装配条件。（4）邻接条件相邻条件可根据为保证相邻的行星轮齿顶圆不相交且留有大于0.5mm的间隙推导得出： （4-6）满足邻接条件。4.2主要参数计算4.2.1齿轮模数计算按齿根弯曲强度初算齿轮模数，公式为 （4-7）对于直齿轮传动取算式系数；：中心轮的名义转矩，；：使用系数，根据表6-7得；：综合系数，查表6-5得；：计算行星轮间载荷分布不均匀系数，根据公式6-5查得；：中心齿轮齿形系数，图6-22可得；齿宽系数：齿轮副中中心轮齿数，； ：试验齿轮弯曲疲劳极限，根据图6-266-30取取4.2.2 计算几何尺寸（1）分度圆直径d（2) 齿顶圆直径（3) 齿根圆直径 （4）齿宽b（5) 中心距A 外啮合齿轮副内啮合齿轮副4.3传动强度计算及校核4.3.1 弯曲强度计算与校核（1）选择齿轮材料及精度等级由于中心轮要求的强度、速度及精度都不高，因此选用40Cr，调质处理，硬度，精度选用8级，要求齿面粗糙度1.6；行星轮、内齿轮参加的啮合次数少，齿面硬度应比小齿轮低30至50，取，材料选用45号钢，正火处理，选8级精度，要求齿面粗糙度3.2。（2）齿形系数，（3）应力修正系数，（4）许用弯曲应力，查行星齿轮传动设计得：， =1； 齿根弯曲疲劳强度校核合格。4.3.2齿轮齿面强度的计算及校核（1）齿面接触应力 （4-8） （4-9） （4-10）（2）许用接触应力为许用接触应力可按下式计算，即 （4-11）（3）强度条件校核齿面接触应力的强度条件：大小齿轮的计算接触应力中的较大值均应不大于其相应的许用接触应力为，即；或者校核齿轮的安全系数：大、小齿轮接触安全系数值应分别大于其对应的最小安全系数，即；查表6-11可得，所以。4.3.3 有关系数和接触疲劳极限（1）使用系数根据表6-7 选取 ；（2）动载荷系数根据图6-6可得；（3）齿向载荷分布系数对于接触情况良好的齿轮副可取；（4）齿间载荷分配系数、根据表6-9得：，（5）行星轮间载荷分配不均匀系数根据公式7-13 可得： （4-12）根据图7-19 可得：仿上 ；（6）节点区域系数根据图6-9查得；（7）弹性系数根据表6-10查得；（8）重合度系数根据图6-10查得；（9）螺旋角系数（10）试验齿的接触疲劳极限根据图6-11图6-15查得；（11）最小安全系数、根据表6-11可得、；（12）接触强度计算的寿命系数根据图6-11查得；（13）润滑油膜影响系数、根据图6-17、图6-18、图6-19查得、；（14）齿面工作硬化系数根据图6-20查得；（15）接触强度计算的尺寸系数根据图6-21查得，得 所以，齿面接触校核合格。第5章 直齿锥齿轮的设计在自动转向机构中采用齿数比的锥齿轮作为转角器，按无限寿命计算，动力由动力轴通过锥齿轮传递到传动轴，传动轴带动两个轮一起同方向运动。以下计算所用公式、图标由机械设计7查得。5.1 齿轮材料、热处理方法、精度和齿数（1）选择齿轮材料与热处理。根据工作条件，此次设计的清洁车采用闭式软齿面传动。查表7-1，取齿轮材料为45号钢，正火处理，硬度。（2）选择齿轮的精度。此次设计的清洁车为室内一般工作机器，速度不高，参阅表7-7，初定为8级精度。（3）初选齿数。再设计中，小锥齿轮齿数一般为，因为该齿轮为开式齿轮传动取最小值，所以取，。5.2 确定材料许用接触应力（1）确定解除疲劳极限，由图7-18（a）查MQ线得（2）确定寿命系数，由已知条件，取。（3）确定尺寸系数，由图7-20查的（4）确定安全系数，由表7-8取。（5）计算许用接触应力5.3 在标准设计的准则中，根据齿面接触疲劳强度设计计算接触强度，其公式为 （5-1）确定上式中的各计算数值如下。（1）试选载荷系数。（2）选取齿宽系数。（3）由表7-5得材料的弹性影响系数。（4）由图7-14确定节点区域系数 。（5）试算所需齿轮的直径5.4 确定实际载荷系数与修正分度圆（1）确定使用系数，按电动机驱动，载荷平稳，查表7-2取。（2）确定动载荷系数计算平均圆周速度查表7-7，初定的8级精度足够，由齿轮的速度与精度查图7-8得。（3）确定齿间载荷分配系数锥距齿宽初定圆周力计算单位载荷计算由表7-11查得（4）确定齿向载荷分布系数由表7-12取，有效工作齿宽，按式（7-34）计算得（5）计算载荷系数（6）按实际载荷系数修正所算的分度圆直径，由式（7-12）计算得（7）试算模数5.5 齿根弯曲强度计算按式（7-38）计算弯曲强度，其公式为 （5-2）确定上式中的各计算数值如下。（1）由图7-21（a）确定弯曲极限应力值，取（2）由已知条件取弯曲疲劳寿命系数（3）由表7-8确定弯曲疲劳安全系数，查得（4）由图7-23确定尺寸系数，得（5）按式（7-22）计算弯曲强度需用应力得（6）确定齿形系数、计算分度圆锥角计算当量齿数、查图7-16取（7）确定应力校正系数，根据、由图7-17查得。（8）将以上各值代入公式计算得由于齿轮的模数的大小主要取决于弯曲强度，所以将计算的结果3.1按照表7-9锥齿轮标准模数圆整为。再根据接触疲劳强度计算出的分度圆直径，协调相关参数与尺寸为：，锥齿轮分度圆直径这样设计出来的锥齿轮能在保证满足弯曲强度的前提下，取较多的齿数，做到结构紧凑，减少浪费，且重合度增加，传动平稳。第6章 轴的设计本次设计主要涉及以下三根轴：电机传动到齿轮的电机轴，动力由行星轮传递到锥齿轮的动力轴以及锥齿轮带动车轮转动的传动轴，以下分别对三根轴进行设计计算。6.1电机轴的设计以下计算所用公式由机械设计7查得。（1）选择轴的材料，确定许用应力电机输出的动力由电机轴传递到太阳轮，此时对轴的性能要求较高，因此材料用45号钢,调质处理,由表12-1查得强度极限,许用弯曲应力。（2）估算轴的最小直径按初步估算轴的最小直径，根据表12-3取，得：（3）确定各轴段的直径与长度由于电机轴作为传动轴一端连接电机一端连接与齿轮，因此取轴段直径，为减少轴的变形同时受机器高度的影响取总厂；轴另一端连中心轮，该齿轮的齿顶圆直径（是轴的直径），应将齿轮与轴制成一体，称为齿轮轴。此时可选轴的直径比第一段稍大，齿轮与轴用键连接，电机轴的直径在到之间，选用的键的尺寸为。设计结果画出轴的结构草图：图6.1电机轴6.2动力轴的设计（1）选择轴的材料，确定许用应力动力经行星轮后传递到转角器，此时对轴比较重要，对轴要求的性能较高，因此材料用45号钢,正火处理,由表12-1查得强度极限,许用弯曲应力。（2）估算轴的最小直径按初步估算轴的最小直径，根据表12-3取，得：（3）确定各轴段的直径与长度动力轴分别在两端连接行星轮与锥齿轮，连接行星轮一段用键固定行星轮，另一端用推力轴承固定锥齿轮，这样可以消除因锥齿轮产生的轴向推力。因此取轴段直径，轴长为行星轮的齿宽取；轴另一端连接锥齿轮，用推力轴承固定轴与锥齿轮，根据锥齿轮的受力情况选用单向推力球轴承5 1106，其尺寸为，因此，。中间轴段长。设计出的草图如下：图6.2动力轴6.3传动轴的设计（1）选择轴的材料，确定许用应力传动轴由左右两小段通过电磁离合器连接成一个整体，左右分别装一个车轮，车轮用圆锥滚子轴承连接轴，中间通过锥齿轮传导来自电机的动力。此时轴比较重要，对轴要求的性能较高，因此材料选用20Cr,渗碳回火处理,由表12-1查得强度极限,许用弯曲应力。（2）估算轴的最小直径按初步估算轴的最小直径，根据表12-3取，得：（3）确定各轴段的直径与长度清洁车的总体宽度小于400mm，取传动轴总长。根据轴的最小直径，选定圆锥滚子轴承30325，其尺寸为，可知轴段，由动力轴上的锥齿轮可知第二段轴的直径为，电磁离合器的轴径也为，可将从电磁离合器处分成左右两段，接有电磁离合器的一段长为，锥齿轮与离合器之间留有一定的间隙，因此取。剩余的长度按机构的比例2:1对分，则，。按结构设计出的草图图6.3传动轴6.4轴的校核通过对轴的各个尺寸的确定，轴上零件的位置及外载荷和支反力的作用位置也已确定，轴上的载荷可以通过计算求得，因此可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核。对以上三根不同的轴，此处选取电机轴来进行校核。（1）齿轮受力计算（2）作用在轴上的反支力垂直面内反支力：水平面内反支力：（3）做出弯矩图分别计算水平面与垂直面内的力产生的弯矩总弯矩 （4）作扭矩图图6.4扭矩图（5）校核轴的强度因，所以，轴是安全的。第7章 电磁离合器的选择电磁离合器是主、从动件在同轴线上传递动力时，具有结合与分离功能的设备。电磁离合器的选择是为了控制自动转向机构的直走与转向，电磁离合器接合时，清洁车直走；断开时，清洁车左右两轮形成差动从而转向，避开障碍物。电磁离合器可分为：干式电磁离合器，湿式电磁离合器，磁粉离合器，转差式电磁离合器。湿式电磁离合器工作时必须有油液或其他泠却液冷却和润滑，相对较麻烦；磁粉离合器有较大滑差时温升较大且相对价格高，不符合本次设计的目的；转差式电磁离合器可调整励磁电流来改变转速，作无极变速，但工作时转子中的涡流会产生热量，尤其是低转速时工作效率低。本次设计的自动清洁车转速不高，转差式电磁离合器也不合适。而干式电磁离合器的传达的散热好、扭力快、耐久性强、组装维护容易。因此选用干式电磁离合器。再根据轴传递的扭矩及其规格标准选定干式单板电磁离合器CG1010AA。12第8章 展望虽然我们对自动清洁车的研发已经取得了一定的成果,并且走进了千家万户，实用化、商品化。很多机构能实现的功能已被传感器代替，清洁车的体型也越来越小，但其工作效率、清扫程度还不够理想,因此在传感器规划定位和环境认知建模等问题上还需我们继续努力。在这种情况下,自动转向清洁车将向着多功能化、超智能化、高性价比的方向发展。138.1 多功能化自动转向清洁车作为一个智能移动清洁平台,除了具有清洁地面，收集垃圾的功能之外还需集其他多功能与一身。据世界火灾中心的调查报告，我国每年约发生火灾三万起，造成的总损失占国家GDP的1%，鉴于此情况，如果室内清洁车能有自动防火报警系统将是一件多么完美的事。除此之外，家庭防盗的设计，室内环境温度的控制，家电开关的设计等，都能给人们的生活带来质的改变。试想下，每天下班回到家就能有一个舒适干净的生活环境，是不是一件很美妙的事。如此集多功能与一体的清洁车才是人类未来所急需的产品，也将是人类终将实现的一个梦想。8.2 超智能化现在的自动转向清洁车在清扫过程中对室内环境的的路径规划还不够完善，对室内环境的感知能力也有限。因此，在家具众多和房间数量增加的环境下,工作效率急剧下降。因此,自动转向清洁车未来发展的一个重要方向是拥有一个超智能化的系统。近距离感应系统负责感知周围的环境，根据周围环境规划出清扫路径。定位和视觉系统的多传感器融合环境建模，了解室内环境肮脏程度，清理肮脏的地方集中，真正的人工智能。自动充电系统根据清洁车自身电量的多少，配合其他感应系统设计合理清洁时间，并在低电量下自动寻找插座，利用无线感应为自身提供充足的电量。多种系统相互配合、协调，优化成一个超智能化的平台。8.3 高性价比化自动清洁车是一个高度智能的平台,应用了许多高性能的传感器和先进的制造技术,因此在制造成本上偏高。试想哪个普通家庭仅仅会为了方便，而花费近万元去买一台清洁车，因此为了平明百姓都可以享受科技进步带来的成果,降低成本是每个商家必须考虑的问题，是一条必由之路。在不偷工减料的情况下，为了降低其成本,我们必须开发出自动清洁车专用的路径规划及控制系统。另外,蓝牙、NFC技术在家电行业的应用,是值得我们借鉴的好例子。通过近距离感应技术代替高价格的传感器，此方法有望在短时间内将智能清洁车的价格控制在千元之内。随着自动清洁车专用技术的研究、静距离感应技术的应用以及性价比的不高提高，加上人们生活质量的提升，根据现有的软硬件条件,相信未来几年内自动清洁车能像普通电子产品一样走进寻常百姓家,使科技更好地为人类服务。总结本次毕业设计的课题是自动转向清洁车的设计，设计的目的是为了减轻人们的清洁负担，让人们回到家后，不必为脏乱的地面而烦扰，为人们营造一个干净舒适的生活环境。自动转向清洁车主要有三个部分组成：车身机架，自动转向机构，清洁系统。由于时间有限，此次设计只完成了前面两个部分的设计，有什么不足的地方还望老师见谅。车身机架的设计采用圆盘形，为了能使清洁车碰到障碍物时能轻松转向，在机架上装有壁轮。自动转向机构由转向轮机构与双自由度行星轮机构组成，通过两者原理的叠加，形成了自动转向机构，这是本次设计的重难点。此次自动转向清洁车涉及圆柱直齿轮、锥齿轮、轴的结构设计，连接件如平键、轴承、电磁离合器的选用。通过对这些机械零件的学习，我更加了解了机械产品的设计过程及各种零件间的配合关系。懂得了齿轮只有在模数、压力角都相同的情况下才能相互正确啮合；齿轮的根切现象：用展成法加工齿轮，有时会出现刀刃的顶部切入齿轮的根部，把齿根切去一部分，破坏渐开线齿廓；合理选择材料、加工方法，这样既能节约能源又能降低制造成本。虽然我们即将离开神圣的殿堂，但此次设计并不是我们学习的终点，相反，工作中学习之路才刚刚开始。在以后的工作中我们要灵活运用所学知识，在实际生产中发挥它们的价值，学有所用，用知识的力量改变世界。参考文献1 刘刚，赵伟. 自动清扫车P.中国专利：200720158779，2012-04-11.2 JohnJ.Dazzo. Linear Control System Analysis and DesignM.北京：清华大学出版社，2000.3 唐爱平. 机器人帮您做家务N.湖南日报，2013-12-8（8）.4 张万奎. 机床电气控制M.北京：中国林业出版社，2007.5 胡仁喜，刘昌丽. SolidWorks2013教程M.北京：机械工业出版社，2013.6 饶振纲. 行星齿轮传动设计M.北京：国防工业出版社，1980.7 银金光，刘扬. 机械设计M.北京：清华大学出版社， 2012.8 徐学林. 互换性与测量技术基础M.长沙：湖南大学出版社，2009.9 赵大兴. 工程图学装配图M.北京：机械工业出版社，2001.10 朱理. 机械原理M.北京：高等教育出版社，2010.11 黄星梅，尚建忠. 计算机绘图基础M.长沙：湖南大学出版社，2008.12 周明衡. 离合器制动器选用手册M.北京：化学工业出版社， 2003.13 范飞. 今日财富J.清洁机器人的研究，2005.04，（6）：167-173.致谢四年的大学时光如白驹过隙，随着毕业设计的完成，我们也即将走入社会，为国家的建设献出自己微薄的一份力。此次我设计的是自动转向清洁车，在设计的过程中遇到不很多苦难与麻烦，但通过汤老师的指导、与同学之间的交流，经历重重磨难，并最终完成了本次设计。从最初选择的论文标题，对题目的了解到设计、绘图直至最后完成设计，都花费了不少心血。设计过程中，由于基础知识不牢固、跨度大，我的毕业设计显得很欠缺，所以遇到了不小的困难。其间，通过图书馆查阅资料，汤老师的悉心指导，与同学交流，反复修改，在此真诚地感谢指导老师和同学的悉心帮助。通过此次毕业设计的锻炼，我复习了以前学过的各科专业知识，加深了对专业知识的认知，或许这就是古人常说的“温故而知新”。首先，自己对于键、离合器的选择，齿轮、轴等的设计在实践中又一次得到了锻炼，培养了独立思考的能力，提高了设计的思维；其次，通过这次毕业设计，我也发现了自己对专业知识的认知还很薄弱、不能灵活应用；最后，此次毕业设计做出的自动转向清洁车是在我走向工作岗位前的一次磨练和检验，也是对大学所学知识一次全面性的复习。虽然即将离开知识的殿堂，但学习之路还很漫长。今后更应该在生活中学习，在学习中生活，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。 学生签名： 日 期： 年 月 日