玻璃清洁机器人的研发擦洗机构设计

北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计玻璃清洁机器人的研发-擦洗机构设计玻璃清洁机器人的研发-擦洗机构设计摘 要本课题设计任务是设计玻璃清洁机器人的擦洗机构和移动机构。通过对市面上各种擦洗机构对比和分析，本课题提出采用滚筒擦洗擦洗机构的方案。对玻璃清洁机器人擦洗机构的减速装置分析，确定擦洗机构为滚筒，并确定叶轮驱动电机型号。设计擦洗机构，画出它的结构简图，并确定擦洗机构的工作流程，对低速轴进行有限元分析，选取合适的轴承和联轴器，对擦洗机构的减速装置的高速轴和低速轴进行力学分析，设计合适的轴。最后用三维软件Solidwork绘制零件图和装配图，用AutoCAD修改装配图和零件图的细节。关键词：擦洗机构；力学分析；有限元 Research and development of glass cleaning robot design of scrubbing mechanismSummaryThe task of this project is to design the scrubbing mechanism and the moving mechanism of the glass cleaning robot. Through the comparison and analysis of various scrubbing mechanisms on the market， in this paper, the scheme of drum scrubbing mechanism is proposed. Through the analysis of the deceleration device of the scrubbing mechanism of the glass cleaning robot, it is determined that the scrubbing mechanism is a roller and the model of the impeller driven motor is determined. Design the scrubbing mechanism, draw its structure diagram, determine the working process of the scrubbing mechanism, carry out the finite element analysis on the low-speed shaft, select the appropriate bearing and coupling, carry out the mechanical analysis on the high-speed shaft and low-speed shaft of the reduction device of the scrubbing mechanism, and design the appropriate shaft. At last, the 3D software SOLIDWORK is used to draw part drawing and assembly drawing, and AutoCAD is used to modify the details of assembly drawing and part drawing.Keywords: scrubbing mechanism; mechanical analysis; finite element analysis 目 录1前言11.1玻璃清洁机器人的现状11.1.1国内现状11.1.2国外现状21.2玻璃清洁机器人的分类51.2.1按吸附方式分类51.2.2按行走方式分类51.3研究目的与意义61.4功能要求61.5研究内容72 清洁机器人分析82.1机器人设计82.2总体设计方案82.2.1吸附功能92.2.2清洁功能103 清洁机器人擦洗机构113.1清洁机器人擦洗机构113.2 电机选择133.2.1工作总效率133.2.2工作机所需输入功率133.2.3确定电动机型号134清洁机器人传动154.1 高速轴计算154.1.1 选择材料，确定许用应力154.1.2按齿面接触疲劳强度设计154.2 低速轴计算204.2.1 选择材料，确定许用应力204.2.2按齿面接触疲劳强度设计204.3 输出轴两端齿轮264.4 轴的设计计算264.5箱体334.6减速装置建模355.有限元分析365.1建模365.2材质选择365.3固定375.4施加载荷375.5网格设置385.6算例结果395.6.1应力分析395.6.2位移分析405.6.3应变分析416总结42参考文献43谢 辞44北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计1前言1.1玻璃清洁机器人的现状我国国内和国外科技发展相对有一定差距，国外的玻璃清洁机器人技术发展较快，但随着我国科学技术的不断发展，我国的玻璃清洁机器人技术正在追赶国外的技术。1.1.1国内现状我国的清洁机器人的研究相较于国外起步要慢一些，国内的玻璃清洁机器人不仅价格昂贵，而且性能相较于国外要差一些，其主要的核心技术大多引自国外，但近几年国内对玻璃清洁机器人的研发也取得一定成果。最近几年中国的一些理工工业大学也在致力研究设计新一代的玻璃清洁机器人。这几年国内的玻璃清洁机器人发展得较快，对技术的创新也是国内外有目共睹的，但依旧是缺乏核心技术，国内的清洁机器人对一些较难清洗的环境部位就显得很吃力，我国现在主要致力于以利用静态图像的分析评估以及终端特殊机构的设计为主，因此国内玻璃清洁机器人在功能和使用上还有很大的发展空间 1。国内有较为出名的玻璃清洁机器人制作企业科沃斯在玻璃清洁机器人方面具有显著成就。如图1.1为W836擦窗8系机器人，该机器由于采用高质量材料制作，所以其电机磨损大幅降低，工作寿命更长，清洁效果好，可以实现智能灵敏感应，智能断电。如图1.2为W83S机器人，该机器成本低价格低，适用于绝大多数家庭，该机器人拥有四重循环擦洗功能，擦洗表面灰尘，刮走污水和顽固污渍，再次走污水和顽固斑点，最后擦干水渍。图1.1 W836玻璃清洁机器人图1.2 W83S玻璃清洁机器人1.1.2国外现状清洁机器人最早是在国外发展，在上个世纪时的日本开始研究玻璃壁面清洁机器人，然后欧美国家才开始进行玻璃壁面清洁机器人的研究。国外对玻璃清洁机器人的研发的进展相对国内较快，并且已经研究出了相对成熟技术。早在上个世纪80年代，Walker壁面移动机器人被日本公司化工机械技术服务株式会社成功研发。如图1.3所示，其中1为机器人外壳，2为该机器人的4个吸盘，11为机器人侧面外壳，12为机器人底座。为这种机器人的工作原理是通过利用真空泵排出空气形成真空状态，真空形成负压吸附来实现吸附，行走机构滚轮和行走皮带彼此配合的驱动方式。滚子和皮带彼此接触隔离了空气从而形成了一个真空腔体。行走机构滚轮加上行走皮带的驱动方式让它平稳的吸附移动。滚子及轮带将构成完真空的腔体。但是其存在一个颇严重的缺陷，每当玻璃平面存在小小的间隙的时候，它的真空吸附便难以维系。图1.3 吸附式玻璃清洁机器人1982年日本缆车公司BISOH公司开始研发纵向升降幕墙清洗机器人，到了1987年研发了横向移动玻璃清洁机器人，1996年成功把全自动玻璃清洁机器人进行了商品化 2。1986年名为SKYWASHER玻璃清洁机器人被美国的国际机器人公司研发成功了，字母L型的整体框架结构是其特殊的外型，并且该机器人通过安装了多个位于框架上的真空吸盘吸附玻璃，机器人可以实现左右移动，并且该机器人可以通过垂直运动跨越具有一定高度的障碍物，与此同时它也可以配置清洁液和清洁布。之后在1990年，俄罗斯的机械科学研究院也开发了拥有独立吸盘壁面移动功能的机器人。2003年日本研发出来面向家用的小型玻璃清洁机器人。之后随着日本瞄准国内市场，专门设计了一款玻璃清洁机器人，如图1.4所示。这种小型玻璃清洁机器人的吸附方式是运用真空吸附原理来实现，它包含真空泵和吸盘两个结构，驱动方式是利用小型减速器带动滚轮来实现行走，这种机器人新增了转向机构，可以在玻璃边角90度换向，玻璃清洁机器人的效率比以往提高了许多。该机器人造型上保持了日本的一贯作风，及其简单。由于日本的高智能机器人技术的应用，这款机器人可以实现擦窗完成，回到起点的功能。图1.4 日本玻璃清洁机器人同样位于韩国的ILSHIM GLOBAL公司与浦项智慧机器人研究所也共同研发了 名为Windoro的自动玻璃清洁机器人。并且随着科技的发展，韩国也开始瞄准国内市场设计一款机器人，如图1.5所示。图1.5 韩国自动玻璃清洁机器人1.2玻璃清洁机器人的分类市面上多种多样玻璃清洁机器都有着相同的特点，通过这些特点可以把玻璃清洁机器人分成不同的类型。1.2.1按吸附方式分类现在市面上的绝大部分常用的吸附可大致分为这几种，负压吸附、磁铁吸附和推力吸附，另外还有胶吸附，壁虎吸附等等。磁吸附又分为电磁铁和永久磁铁。永磁吸附的优点是不用外加能量就能吸附，小小的体型就可以吸住大块的磁性物体，使用和安装都很方便，但缺点也显而易见，其不能改变磁力强度，一般需要进行多次严格的测试才能运用到实际生活中；电磁吸附的优点在于易实现机器人主体与壁面的离合，吸附力强且移动快，缺点则是需外部施加能量，电磁铁重量大，因此机器人笨重。真空吸附优点是突破了对玻璃厚度的限制，使它不用像磁铁吸附那么繁重，但是它的吸附原理也在某程度限制了它的研发，其机构较其它机器人复杂很多，设计所花费的时间金钱成本也很高。真空吸附按吸盘个数又分为单吸盘和多吸盘两种，其中单吸盘的优点是允许有一定的泄露量，允许壁面有凹凸，缺点吸盘的泄露量如果超过极限，本体将会失去吸附能力；多吸盘的优点是吸盘尺寸小，易于实现轻量化，机器人更加灵活。推力吸附由于履带轮的材质为柔软硅胶材质的，可以有效防止打滑，因而对壁面要求低，不存在泄露问题，但履带轮前进机构的缺点在于转弯速度慢和灵活性差，影响工作效率，并且风机噪声很大，机器人重量大，体积笨重，效率低。磁吸附有几个突出的优点，其一是磁吸附对壁面的平整程度要求不高，而且磁吸附清洁机器人的有效载荷远超推力吸附机器人和真空吸附机器人，而且不会出现在作业过程中真空漏气的问题 3。1.2.2按行走方式分类按清洁机器人的行走方式分类，主要包括分为这4种，分别是轮式移动方式、履带式移动方式、框架式移动方式、脚步式移动方式。最常用的就是轮胎行走的方式，现在市面上绝大部分都是采用负压加上轮子驱动的结构，楼顶安全保护装置的移动方式则是它们当中最安全的。4种行走方式各有优点缺点。轮式移动的优点在于控制简单，移动速度快且转弯灵活 ，机动性要求较为低，缺点在于轮子与壁面为线接触，因此摩擦阻力偏小。履带式移动的优点在于其与壁面接触面积较大，可以适应各种的复杂行走面，缺点在于履带结构尺寸大且转弯缓慢，其机动性差。框架式移动和脚步式移动移动的优点一样在于越障能力较好，缺点都是在于速度缓慢且控制复杂 4。 通过四种行走方式的对比，考虑多方面的影响，如：设计研发的时间和经费，机器人能否保证安全进行清洗工作，机器人是否会发生断电情况，并且发生断电时是否会造成机器人本身的完全损坏，是否会造成机器人高空坠落的情况。所以本课题决定采用安全保护系统的移动方式。1.3研究目的与意义随着国家的不断发展，人们对于生活水平要求也开始不断提高，不少商家从欧美市场引入那些销售良好的玻璃清洁机器人，并且随着国内高楼大厦的修建被不断的应用于高楼玻璃清洁，玻璃清洁机器人将随着科技的不断发展成为智能家居的一种，像其他智能家居一样在每个家庭日常生活必不可少。随着4G网发展及5G网的来临，玻璃清洁机器人逐渐由普通的清洁机器人过度为智能家用电器的一种。和其他智能家居一样，玻璃清洁机器人以简洁现代风格的造型，外型精致而且以实用为主。面对越来越高的建筑高度，玻璃清洁机器人将逐步取代人工清洁。但是我国现有建筑中的幕墙大多以分隔结构为主，在机器人移动过程中，难以翻越楼层中间的分隔带，因此往往需要人工调整，增加了操作人员的负担，并且在调整过程中纯真较大的安全隐患。当前由于科学技术的限制，市场上的玻璃清洁机器人尽管能够对玻璃幕墙进行自动清洗的，但其本身存在较多缺陷，如生产销售成本高，同人工相比实用性较差和清洗效果差，玻璃清洁机器人并没有得到人们的广泛推广及应用 5。面对着我国国内的巨大玻璃清洁机器人的市场，我们决定设计一款简洁的玻璃清洁机器人，并通过运用我们四年来所学的知识来进行合理的实践。1.4功能要求玻璃清洁机器人在设计中需要采用大量先进技术，如高度的智能程序以及不受天气影响的控制技术，清洁轨迹完善的电脑规划，可以在接触门窗边缘后自动改变轨迹的新型科技技术。在真空吸附系统设计中采用大功率电机，并且通过强力磁铁内外对吸，从而实现自由行走在玻璃门窗上的目的。我国的玻璃清洁机器人具有独有的液晶显示技术，可以实时监测机器人工作状态，并且假如在使用过程中面临突发问题，可以及时查找原因并解决。通过我国全面的4G无线分布可以让遥控突破传统距离限制，实现远程操作;玻璃清洁机器人本身具有充电电池作为应急电源，即使突然断电也不用怕高空坠落;此外通过延长电源传输线和安全绳配合使用，大大提高了玻璃清洁机器人的安全可靠性。玻璃清洁机器人主要可以分为三大部分:充电电源：正常情况下擦窗机器人工作需要链接电源线，同时机器人内部设有充电电池，停电时玻璃清洁机器人可以使用内置充电电池，方便玻璃清洁机器人回收，避免机器人高空坠落。安全组件：虽然玻璃清洁机器人不会高空坠落，但是为了避免发生危险事件，大多数生产商都会配备一个安全装置，方便用户在清洁玻璃时遇到突发情况可以避免各种安全隐患。清洁装置：一般玻璃清洁机器人的清洁装置都可以拆装，可重复利用，可以更换，可以清洁。清洁装置并非越大越好，关键在于清洁装置是否和玻璃紧凑贴合，通过提高贴合度可以提高清洁效率。 1.5研究内容 本次毕业设计，我们将设计一款玻璃清洁机器人。本次设计要求运用大学所学机械工程知识，所以我选择以减速器为主要内容。在本次设计过程中最大的问题在于减速器传动比大小确定，所以我经过计算尽可能的使齿轮尺寸紧凑。2 清洁机器人分析2.1机器人设计当代工业机器人是可以自行实施职责、取代或者帮助全人类作业仿人力机械。一般而言它多运用在机电设备还有计算机程序或者电子线路操控等领域。机器人范畴之广，自主的亦或是半自主的都可称为机器人。现在市面上绝大多数为仿生机器人，日本对于人形机器人的研发投入了大量的资金，它的发展也是较快的，而纳米机器人的研究也在不断进行，21世纪将会是机器人发展的快速时期，气动清洁机器人的构造包括机械设计、运动规划、传感器系统、驱动系统、控制系统等几部分。机器人又因为在不同的工作场因而会产生不同的设计方法，本文的设计理念为高效率、简单易操作、较高的安全性，还有机器人本体轻质量的特点，从而避免对玻璃产生过大的力。2.2总体设计方案玻璃清洁机器人的基本功能包括：吸附功能、移动功能和清洁功能，本课题设计的玻璃清洁机器人总体结构如图2.1所示。它由3部分组成，分别是安装在楼顶的安全保护系统、玻璃清洁机器人本体、控制器。其中玻璃清洁机器人利用负压吸附紧贴在玻璃面上，于自身重力的作用下滑并且清洁玻璃，而安全保护系统中的卷扬机则通过钢绳与玻璃清洁机器人主体互相连接着，这样如果机器人发生故障时，安全保护系统就可以拉着它。从而防止发生意外事故。针对现有玻璃清洁机器人产品的尺寸和特征，单吸盘玻璃清洁机器人的设计参数如下： (1) 机器人外观尺寸：300x300x150mm(2) 机器人本体质量：50kg (3) 安全系统质量：180kg 2.2.1吸附功能 图 2.1 机器人总体系统结构图 单吸附玻璃清洁机器人主要运用于高层写字楼、居民住宅楼、高层花园楼和大型购物商楼，因而本课题考虑到其在工作环境和工作效率及安全性这几个问题，需具备以下几个功能：(1)吸附功能。吸附机构必须要保证玻璃清洁机器人能正常的贴在玻璃上面，并且在机器人移动过程中不能过多的影响速度，所以对吸附机构的控制要合适到位。(2)移动功能。玻璃清洁机器人的移动应该具有平稳、持续的良好运行能力。(3)对玻璃厚度的适应能力。当今的建筑用的玻璃种类型号繁多，本课题设计的玻璃清洁机器人应具有较为强的适应能力，去适应不同的玻璃壁面，使其尽量的运用在不同的高楼建筑。(4)清洁能力。玻璃清洁机器人应该具备良好的清洗玻璃功能，清洁装置要求自动化快速高效地清洗玻璃。(5)安全保护功能。玻璃清洁机器人必须要有防止坠落的功能，这种功能可以保护机器人本身，还可以防止因机器人坠楼发生伤人的意外，安全保护这一功能是当代清洁机器人所必备的。2.2.2清洁功能常用的玻璃清洁机器人采用的清洁方法有:(1) 高压喷气清洁。通过气泵对空气压缩，同时与清洁液一同通过预留空喷出，从而实现清洁目的(2) 扫盘清洁。机器人摆臂上设立扫盘，通过摆臂摆动以及扫盘旋转，从而实现清洁目的。(3) 滚筒清洁。在机器人上安装滚筒，通过滚筒滚动以及机器人移动，从而实现清洁目的。(4) 滑块清洁。在机器人上安装滑块，通过涡轮，蜗杆以及绳索实现移动，再用压紧轮压紧，从而实现清洁目的。(5) 清洁带清洁。在机器人上安装传动带传动，在传动带上设置清洁材质，通过移动传动带以及传动带本身传动，从而实现清洁目的。经过思考，本次设计采用滚筒清洁的方式来清洁。图2.2玻璃清洁机器人简图如图2.2所示，该设计简图采用减速器和滚筒相结合的方案。清洁机器人受力F=250 N,滚筒转速V=0.25 m/s，滚筒直径为D=100 mm，选用电机为100W。清洁抹布的材料选用超细纤维。3 清洁机器人擦洗机构3.1清洁机器人擦洗机构（1）擦洗滚筒根据本次设计方案，采取滚筒结构来清洁，如图3.1：图3.1滚筒在滚筒上增加挂钩结构和粘贴结构，如图3.2：图3.2挂钩结构和粘贴结构为了使滚筒运动，在滚筒两边增加齿轮，使滚筒受力转动。（2）擦洗选择常用的清洁物有海绵，橡胶，超细纤维等。经过选择后选用超细纤维作为擦洗材料。 橡胶橡胶是通过加工橡胶树胶乳制成，主要成分为异戊二烯。橡胶具有良好的耐磨性、很高的弹性、扯断强度及伸长率。橡胶的优点在于弹性好，耐酸碱。橡胶的缺点则是在空气中易老化，遇热变粘，在矿物油或汽油中易膨胀和溶解，耐碱但不耐强酸不耐热。橡胶可以用于制作胶带、胶管、胶鞋，并可以用于制作减震零件、汽车刹车油、乙醇等液体。橡胶最大的缺点在于橡胶会出现老化的现象。橡胶老化的表现为龟裂、发粘、硬化、软化、粉化、变色、长霉等现象。 超细纤维超细纤维表面性状为均匀、紧凑、柔软、高弹的细微绒团，其主要性能有极强的去污、吸水性能。超细纤维的优点在于不会损伤被擦拭表面，不会产生棉织物常见的纤毛脱落，而且易洗，耐用。与传统的纯棉材料比较，超细纤维材料主要有六大特点。超细纤维由于其本身的特殊结构，导致其对水分的吸收和排放速度极快。超细纤维的特殊的横断面结构能更有效地捕获非常细小的尘埃颗粒。因此使用超细纤维去除污垢，去除油渍的效果十分明显。超细纤维的合纤长丝强度较高，使用时不易断裂。同时，在编织超细纤维时采用独特的精细编织法，通过这种编织法后超细纤维极其牢固，不易抽丝，不易从制品表面脱落。而且由于超细纤维本身具备的强大韧性，极高的强度，导致它的不易损坏，因此超细纤维制品的使用寿命远远超过普通纺织品使用寿命。超细纤维制品的特殊结构使得其制品可以多次水洗，不用担心制品性质改变。同时，超细纤维具有的高分子聚合纤维不会发生蛋白质水解，因此它不像棉纤维那样使用后不晾晒，会出现发霉，腐烂的情况，故而其使用寿命超高。普通毛巾使用时，由于其本身的结构缺陷会将被擦物表面的灰尘、油脂、污垢等直接吸收到纤维内部，使得毛巾使用后残留于纤维之中，即使多次清洁依然会有残余，并且使用时间较长后纤维结构变形导致失去弹性变硬。3.2 电机选择根据设计可得清洁机器人受力F=250 N,滚筒转速V=0.25 m/s，滚筒直径为D=100 mm，选用电机为100W。本章节通过参考机械设计，机械设计教程等书的计算方法，并查取数据进行计算。3.2.1工作总效率由所选方案有：联轴器2个，传动效率一般为0.99，取0.99轴承3对，传动效率范围为0.980.99，取0.99齿轮啮合对，选用级精度，直齿圆柱齿轮单级传动效率=0.960.98，取0.97。则计算总效率：=1 223 33=0.8773.2.2工作机所需输入功率电机输入功率为：，其中式中：Pd-工作机实际需要的电动机输出功率，KW； Pw-工作机所需输入功率，KW； -电动机至工作机之间传动装置的总效率。所以71.26 考虑到安全问题，使电动机的额定功率Ped（11.3）P ，由查表得电动机的额定功率P （11.3）Pd=92.628 W。 3.2.3确定电动机型号计算滚筒工作转速 47.75r/min 三级圆柱齿轮减速器的传动比的范围必须符合规定，经过查表可得：27216。故电机的可选转速为：128910314 r/min故选用电机5730AIOH电机，如表3.1和图3.3表3.1电机参数型号参数5730AIOH电源电压2436VDC电流4.4A电机参数扭矩0.48NM额定转速2500RPM最大转速3000RPM功率100W图3.3电机简图4清洁机器人传动本章节通过参考机械设计，机械设计教程，机械设计课程设计，机械课程设计简明手册等书的计算方法，并查取数据进行计算。4.1 高速轴计算通过从材料选择，齿数估算，确定传动比后计算齿轮分度圆直径，齿轮模数，实际的齿轮齿数，最终得出高速轴参数。4.1.1 选择材料，确定许用应力（1）选用直齿圆柱齿轮传动，压力角为20。（2）减速器为一般工作机器，查表10-6可得选用7级精度。（3）查表10-1，选择小齿轮材料45钢（调质），齿面硬度240HBS；大齿轮材料45钢（调质），齿面硬度240HBS。（4）选小齿轮齿数z1=23，大齿轮z2=uz1=51，取51，齿数互质。4.1.2按齿面接触疲劳强度设计（1） 由式（10-11）试算小齿轮分度圆直径，即1） 确定公式中的各参数值试选计算小齿轮传动的转矩P1=P01=99Wn1=n0=2500 r/minT1=9.55106 P/n1 =3.78104 N由表10-7选取齿宽系数。由图10-20查得区域系数。由表10-5查得材料的弹性影响系数。由式（10-9）计算解除疲劳强度用重合度系数。30.172 20.28 1.675 0.88计算接触疲劳许用应力。由图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为 =550MPa、=550MPa。由式（10-15）计算应力循环次数： 1.0810104.78109由图（10-23）查取接触疲劳寿命系数KHN1=0.95 KHN2=0.95。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-14）得H1=KHN1Hlim1S=523MPaH2=KHN2Hlim2S=523MPa取两者中的较小者作为该齿轮副的解除疲劳许用应力，即2） 试计算小齿轮分度圆直径=44.964mm（2） 调整小齿轮分度圆直径1）计算数据准备。圆周速度v5.98M/S齿宽b44.964mm2） 计算实际载荷系数由表10-2查得使用系数。根据V=5.98m/s、7精度级，由图10-8查得动载荷系数。齿轮的圆周力。1681N37.4N/mm100N/mm查表10-3得齿间载荷分配系数。由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，得齿向载荷分布系数KH=1.417。由此，得实际载荷系数1.873） 由式（10-12），可得按实际载荷系数算得的分度圆直径50.757mm及相应的齿轮模数2.207mm（3）按齿根弯曲疲劳强度设计按式10-7试算模数：1）确定参数。选KFt=1.3。按式计算弯曲疲劳强度用重合度系数。Y=0.25+0.75=0.698计算YFaYsaF查图10-17得齿形系数YFa1=2.33、YFa2=2.33。查图10-18得应力修正系数Ysa1=1.76、Ysa2=1.76。查图10-24c得大小齿轮的齿根弯曲疲劳极限为：Flim1=380MPa、Flim2=380MPa查图10-22得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.88、KFN2=0.88N1=1.081010 N2=4.78109取弯曲疲劳安全系数S=1，由式10-14得：F1=KFN1Flim1S=334.4MPaF2=KFN2Flim2S=334.4MPaYFaYsaF1=0.0117YFaYsaF2=0.0117取：YFaYsaF=0.1172）试算模数=1.517（2）调整齿轮模数1）数据准备 圆周速度vd1=mtZ1=34.891V=d1n1601000=4.57m/s 齿宽b=dd1=4.891mm宽高比b/hh=2ha*+c*mt=3.413mmbh=10.222）计算实际载荷系数KF根据v=2.07m/s，7级精度，由图10-8查得动载荷系数Kv=1.12由Ft1=2T1d1=2.167103N,KAFt1b=62Nmm100N/mm查表10-3得齿间载荷分配系数KF=1由表10-4查得 KH=1.417 ，结合 b/h=10.67查图10-13得KF=1.34载荷系数为：KF=KAKvKFKF=1.5013)由式10-13，可得按实际载荷系数算得的齿轮模数m=mt3KFKFt=1.591mm取整为标准值m=2mm，可由接触疲劳强度计算得出的分度圆直径d1=50.757mm，算出小齿轮齿数Z1=d1m=25.22取z1=26，则大齿轮齿数z2=uz1=57.642，取 z2=59，z1与z2互质。4.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径1=1m=262=522=2m=592=108（2）计算中心距a =（12）/2=85(3)计算齿轮宽度 b=d1=175=75为了保证设计齿宽 b和节省材料，一般将小齿轮略为加宽（510）mm，即取取b2=57，b1=525. 圆整中心距后的强度校核（1）齿面接触强度校核 =517MPaH齿面接触疲劳强度满足要求。（2）齿根弯曲疲劳强度校核 =87MPaF1 =87MPaF2齿根弯曲疲劳强度满足要求。4.2 低速轴计算通过从材料选择，齿数估算，确定传动比后计算齿轮分度圆直径，齿轮模数，实际的齿轮齿数，最终得出低速速轴参数。4.2.1 选择材料，确定许用应力（1）选用直齿圆柱齿轮传动，压力角为20。（2）减速器为一般工作机器，查表10-6可得选用7级精度。（3）查表10-1，选择小齿轮材料45钢（调质），齿面硬度240HBS；大齿轮材料45钢（调质），齿面硬度240HBS。（4）选小齿轮齿数z1=25（2040），大齿轮z2=uz1=57，取57，齿数互质。4.2.2按齿面接触疲劳强度设计（1）由式（10-11）试算小齿轮分度圆直径，即1）确定公式中的各参数值试选计算小齿轮传动的转矩P2=P123=97Wn2=n1i1=1096 r/minT2=9.55106P2n2=8.452104Nmm由表10-7选取齿宽系数。由图10-20查得区域系数。由表10-5查得材料的弹性影响系数。由式（10-9）计算解除疲劳强度用重合度系数。29.531 24.791 1.693 0.877计算接触疲劳许用应力。由图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为 =550MPa=550MPa由式（10-15）计算应力循环次数： 4.71092.07109由图（10-23）查取接触疲劳寿命系数KHN1=0.95 KHN2=0.95。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-14）得523MPa523MPa取两者中的较小者作为该齿轮副的解除疲劳许用应力，即（2）试计算小齿轮分度圆直径=27.15mm（3） 调整小齿轮分度圆直径1）计算实际载荷系数前的数据准备。圆周速度v1.56M/S齿宽b27.15mm4） 计算实际载荷系数由表10-2查得使用系数。根据V=5.98m/s、7精度级，由图10-8查得动载荷系数KV=1.05。齿轮的圆周力。622.6N229.3N/mm100N/mm查表10-3得齿间载荷分配系数KF=1由表10-4用插值法查得 KH=1.417 ，结合 b/h=10.67查图10-13得KF=1.34载荷系数为：KF=KAKvKFKF=1.5(3)由式10-13，可得按实际载荷系数算得的齿轮模数m=mt3KFKFt=1.826取整为标准值m=2mm，可由接触疲劳强度计算得出的分度圆直径d1=35.448mm，算出小齿轮齿数Z1=d1m=17.724取z1=25，则大齿轮齿数z2=uz1=57，取 z2=57，z1与z2互质。(4).几何尺寸计算1）计算分度圆直径1=1m=252=502=2m=572=1142）计算中心距a =（12）/2=823）计算齿轮宽度 b=d1=150=50考虑安装误差，为了保证设计齿宽 b和节省材料，一般将小齿轮略为加宽（510）mm，即取取b2=55，b1=50（5）.圆整中心距后的强度校核1）齿面接触强度校核 =114.5MPaH齿面接触疲劳强度满足要求2）齿根弯曲疲劳强度校核 =107MPaF1 =107MPaF2齿根弯曲疲劳强度满足要求4.3 输出轴两端齿轮为了降低输出轴的输出，两个齿轮选用比输出轴上的齿轮略大。2=572=2m=572=130b=36mm4.4 轴的设计计算(1) 轴的结构设计如图4.1图4.1轴1）初步确定轴的最小直径查表15-1初步估算轴的最小直径,选取轴的材料为45钢,调质处理硬度217-255HBS，查表15-3取A=110d1A3P1n1=37.49mm d1=50mm d2A3P2n2=49.02mm d2=50mmd3A3P3n3=63.31mm d3=65mm2）初选轴承高速轴选轴承为 6028中间轴选轴承为6206低速轴选轴承为 6206各轴承参数见下表4.1表4.1轴承表轴承代号基本尺寸/mmdDB动载荷Cr静载荷Cor602814021033116108620630621619.511.33）初选轴承高速轴：采用直齿齿轮传动，使用深沟球轴承承载，一轴端连接电动机，采用弹性柱销联轴器HL3型。中间轴：高速级采用直齿齿轮传动，采用上端用套筒固定，下端用轴肩固定，使用深沟球轴承承载。低速轴：采用直齿齿轮传动，齿轮上端用轴肩固定，下端用套筒固定，使用深沟球轴承承载。4）联轴器输出轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径,为了使所选的轴与联轴器彼此吻合,故需选取合适联轴器。查课本表14-1 选取Tca=KAT1=491.4Nmm按照计算转矩小于联轴器公称转矩的条件，查机械设计手册99页选取LX4型弹性柱销联轴器其公称转矩为630Nmm,半联轴器的孔径 d1=38mm，故取，半联轴器的长度L=62mm。 5）轴尺寸计算输入轴dmin=26mmh=(0.070.1)dmin d1=dmin+2h=27mmd2=28mmd3=d2+(23)=35mmh=(0.070.1)d3 d4=d3+2h=56mmd5=35mmd5=27mmL=1.52dmin l1=L-23=55mml2=36mml3=L轴承宽度+23+10+23=30mmLh=1.21.5d3 l4=Lh-23=38mmh=(0.070.1)d l5=1.4h=35mml6=10+23-l5=7mml7=L轴承宽度=20mml总=191mm中间轴 d1=dmin+2h=30mmd2=d轴承+(23)=35mmh=(0.070.1)d2 d3=d2+2h=45mmd4=d2=35mmd5=30mml1=30mmLh=1.21.5d3 l2=Lh-23=35mmh=(0.070.1)d l3=1.4h=7mml4=l2=35mml5=l1=30mml总=137mm输出轴dmin=28mmh=(0.070.1)dmin d1=dmin+2h=39mmd2=30mmd3=d2+(23)=35mmh=(0.070.1)d3 d4=d3+2h=45mmd5=38mmd5=30mml1=36mml2=L轴承宽度+23+10+23=30mmLh=1.21.5d3 l3=Lh-23=35mmh=(0.070.1)d l4=1.4h=5mml5=10+23-l4=35mml6=L轴承宽度=25mm为了不影响齿轮传动故在输出轴右端安放输出轴大齿轮，并取半径dmin=64mm，两齿轮齿厚b=dd1=36mm，取长度l=42mm。l总=208mm(2)轴的校核计算取高速轴和低速轴方向相同。1)输入轴由教材表15-1得=60Mpa求作用在轴上的作用力：由于选择的是直齿轮和深沟球轴承，所以只有径向力。且已知高速级齿轮的分度圆直径为 d=52mm齿轮作用在轴上的水平力即周向力： 145.3N齿轮作用在轴上的铅垂力即径向力： 52.9N在垂直面上：左侧： FNH2=Ftl2l1+l2=35.3N右侧：110N弯矩: MH1=FNH260=21.18Nm水平面上：左侧： FNH2=Frl2l1+l2=12.9N右侧：40N弯矩: MH2=FNH260=7.74Nm总弯矩：22.55Nm 如图4.2：图4.2进行校核时候，通常只是校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度根据式及上面的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为静应力，取0.3，轴的计算应力。由教材表15-4得：W=其中T为轴输出扭矩。2)输出轴由教材表15-1得=60Mpa求作用在轴上的作用力：由于选择的是直齿轮和深沟球轴承，所以只有径向力。且已知低速级大齿轮的分度圆直径为 d=114mm齿轮作用在轴上的水平力即周向力： Ft=2T3d=323.86N齿轮作用在轴上的铅垂力即径向力： 117.88N在垂直面上：左侧： FNH2=Ftl2l1+l2=45.7N右侧：278.16N弯矩: MH1=FNH277=35.19Nm水平面上：左侧： FNH2=Frl2l1+l2=16.6N N右侧：101.28N弯矩: MH2=FNH277=12.78Nm 总弯矩：37.44Nm如图4.3：图4.3进行校核时候，通常只是校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度根据式及上面的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为静应力，取0.3，轴的计算应力。 由教材表15-4得：W=其中T轴输出扭矩。P3=P223=93Wn3=n2i2=481r/minT3=9.55106P3n3=1846NmT=T3所以是安全的。4.5箱体箱体是减速器中保证所有零件可以传动的基座，是减速器上的重要零件。为了贴合本次设计，在减速器低速轴原先安装联轴器部分改为安装齿轮，使输出轴侧齿轮带动清洁滚筒，设计减速器的具体结构尺寸如下表6.1：表6.1 箱体的结构设计名称符号结果箱体壁厚5箱盖凸缘厚度8箱座凸缘厚度8箱座底凸缘厚度13地脚螺钉直径14地脚螺钉数目4轴承旁联接螺栓直径11机盖与机座联接螺栓直径7轴承端盖螺钉直径7，至外机壁距离26、22、16，至凸缘边距24、20、14大齿轮顶圆与内机壁距离6齿轮端面与内机壁距离5外机壁至轴承座端面距离524.6减速装置建模参考机械制图对擦洗机构中的减速装置进行建模，如图4.4，4.5。图4.4减速装置图4.5减速装置5.有限元分析对低速轴进行有限元分析。5.1建模有限元分析第一步对低速轴进行建模，如图5.1低速轴。5.1低速轴5.2材质选择有限元分析第二步选择低速轴的材质，由于材质库中无45号钢，所以选用近似的普通碳素钢。材质属性参数如表5.1所示，图5.2为低速轴。表5.1材质模型参考属性图5.2 低速轴名称普通碳素钢中抗剪模量7.9e+010N/m2质量密度7800N/m3张力强度399826000N/m2压缩强度2.1e+11 N/m2屈服强度220594000N/m2热膨胀系数1.3e-005/K热导率43W/(mK)比热440J/(kgK)5.3固定有限元分析第三步选择低速轴的固定，所以选择轴承固定，轴承共两个。固定参数如表5.2所示，图5.3为固定图。表5.2 夹具固定夹具名称夹具图像夹具细节轴承固定图5.3轴承固定图实体：2面类型：固定几何体5.4施加载荷有限元分析第四步对低速轴施加载荷，需确定低速轴受到扭矩，参数如表5.3所示，图5.4为施力图。表5.3载荷载荷名称加载图像负载细节扭矩图5.4施力图实体:2 面参考:齿轮面，联轴器面类型:扭矩值:30N.m5.5网格设置有限元分析第五步对低速轴生成网格，网格参数如表5.4和表5.5所示，图5.5为低速轴网格图。表5.4网格参数网格类型实体网格所用网格器:标准网格自动过渡: 关闭包括网格自动环: 关闭雅可比点4 点单元大小4.8817mm公差0.244085mm网格品质图解高表5.5 低速轴网格参数图5.5低速轴网格图节点总数16660单元总数10658最大高宽比例18.301单元 (%),其高宽比例 100.403扭曲单元（雅可比）的 %0完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:035.6算例结果有限元分析第六步对低速轴的算例结果，可求得三种分析，应力分析，位移分析和应变分析。5.6.1应力分析应力分析结果如表5.6所示，图5.6为低速轴应力图。表5.6应力分析名称类型最小最大应力VON: von Mises 应力1.528e+03N/m22.927e+07 N/m2图5.6 低速轴应力图从分析结果来看，低速轴受到最大的应力为29MPa，需用最大应力为220MPa，在安全范围内。5.6.2位移分析位移分析结果，如表5.7所示，图5.6为低速轴位移图。表5.7位移分析名称类型最小最大位移URES: 位移3.789e+04 mm3.179e+08 mm图5.6 低速轴位移图从分析结果来看，槽钢受到最大的位移量为3.179e+08 mm，在安全范围内。5.6.3应变分析应变分析结果，如表5.8所示，图5.7为低速轴应变图。表5.8应变分析名称类型最小最大应变ESTRN : 对等应变6.591e-059.570e-05 图5.7 低速轴应变图从分析结果来看，低速轴最大的应变为9.570e-05，在安全范围内。低速轴在电机作用下承受的最大应力、位移和应变均在安全范围内，本课题选取45号钢，其综合力学性能优秀，还具有良好的机械性能，常常被用于各种机械设备和建筑业上，选用45号钢作为低速轴是再合适不过了。6总结本次毕业设计开始于2019年10月，在最初我们构思了设计主题玻璃清洁机器人。由于准备考研，所以耽误了相当长的一段时间。因此本次毕业设计的真正开始时间应该在12月份的考研结束之后。正在考研结束后仅仅来得及和组员一起划分任务结果又遇上了疫情。受限于疫情的严重影响，今年取消了上学计划，因此我们不得不在家准备毕业设计。所以本次毕业设计受到了非常严重的影响，毕业设计进度缓慢。大约在3月份时我受到了汽车的影响，于是选择减速器和滚筒相搭配组成了玻璃清洁机器人的清洁机构。经过将近一个月的资料查询，我最终构思了汽车变速装置，减速器和滚筒三者合一的清洁机构。在不停的查找资料后，我构思了多种变速装置，可惜最终由于难度大的原因，我放弃了设计变速装置，仅仅选择了减速器和滚筒相结合的清洁机构，这是我的一个遗憾。在设计清洁机构的过程中，我选择了二级减速器作为清洁机构的减速装置。在此过程中我复习了一遍减速器知识，因为减速器需要应用在玻璃清洁机器人上，所以最困难的在于减速器的大小方面，即齿轮大小方面。最终经过多次选择计算，我得到了了最终结果，设计了一个相对合适的减速装置，得到了一个大小合适的清洁机构。经过这次毕业设计我深刻的感受到了本专业机械工程的魅力所在，当一个机械装置在自己手中完成时，我深深的感受到了一种成就感，这就是机械的魅力所在。参考文献1 王硕. 智能家居中玻璃窗自动清洗装置的研制D. 大连：大连工业大学，2012 2 潘佩霖，韩秀琴，赵言正，等. 日本磁吸附爬壁机器人的研究现状J