小型履带式行走装置设计毕设

学 号20130715!密 级_哈尔滨工程大学学士学位论文小型履带式行走装置设计院（系）名 称：机电工程学院 专 业 名 称：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名：张俊 指 导 教 师：! 教授 哈尔滨工程大学2017年6月小型履带式行走装置设计张俊哈尔滨工程大学学 号20130715!密 级_小型履带式行走装置设计TheSmallCrawlerWalkingDevice Design学生姓名：张俊所在学院：机电工程学院所在专业：机械设计制造及其自动化指导教师：!职 称：教授所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2017年6月07日论文答辩日期：2017年6月12日学位授予单位：哈尔滨工程大学摘 要伴随着国内工程建设的不断发展，履带式行走装置在工业器械中的应用越来越广泛。各式各样的工程器械、军用工具，乃至工厂车间里的小型机械、工业机器人等，都采用了这个装置。本论文的主要设计内容就是设计一种小型履带式行走装置，使其能够在多种复杂地形完成行走功能。本论文介绍了小型履带式行走装置的研究现状，展示这种装置的应用领域，然后考虑到节能环保，绿色节约主题思想，进行主参数设定、进行总体方案设计，包括功能原理分析，列写设计方案，优选并评估方案，进行总体布局设计。进行关键零部件的结构设计和尺寸设计；进行受力分析，对转轴进行校核计算，对键和轴承寿命进行设计校核；对关键零部件进行加工工艺分析，结合实际生产能力，对关键零部件的尺寸精度，装配精度，表面粗糙度数据进行修正。最后对该装置进行三维建模和动态仿真，检验该设计是否合理和发生运动干涉。关键词：履带式底盘结构；链轮；履带ABSTRACTWiththedevelopmentofdomesticengineeringconstruction, thereferenceofcrawlerwalkingdevicesinindustrialinstrumentsisbecomingmoreandmoreextensive. Thedevicesisusedinallkindsofengineeringequipment, militarytools, smallmechanicalandindustrialrobotsinfactoryworkshops.Themaindesignofthispaperistodesignasmallcrawlerwalkingdevicethatenablesittocompletethewalkingfunctioninavarietyofcomplexterrain.Thesmallcrawlerwalkingdeviceshowtheapplicationfieldofthedeviceandtheresearchstatus.Meantime,thesmallcrawlerwalkingdeviceconsiderlotsofaspects,forexampletheenergyconservation,environmentalprotection, savingresources.Besides,thesmallcrawlerwalkingdeviceneedcarryouttheoveralldesignplan,whichincludesthefunctionalprincipleanalysis, writingthecolumnplan, theoptimizationscheme,theevaluationplan, andtheoveralllayoutdesign.Thesmallcrawlerwalkingdeviceneedanalysistheforceandcheckthecalculationoftheaxisofbendingmomentandtorque,Whatsmorethedevicemustcheckthekeyandbearinglife.Finally,thesmallcrawlerwalkingdeviceneedachieveindustrial analysisand3Dmodelingwhichcancheckouttherationalityofthedevice.Keywords:Crawlerchassisstructure; Sprocket;Caterpillar目录第1章 绪论11.1选题的背景和意义11.2国内外研究与发展11.2.1国外的研究与发展21.2.2国内的研究与发展21.3课题研究内容与意义31.3.1课题研究主要内容31.3.2课题研究目的与意义41.4履带式行走装置的前景及趋势展望5第2章总体方案设计62.1小型履带行走装置底盘外形选择62.2系统功能与原理分析62.2.1设计任务书72.2.2工作原理分析82.2.3功能分解92.2.4系统的形态学矩阵92.3总体方案设计与评估102.3.1功能求解102.3.2总体设计方案评价112.4本章总结12第3章关键零部件结构设计计算与校核133.1主要性能指标的分析133.2电动机的选择133.3驱动轮的设计计算153.3.1驱动轮的结构及功能论述153.3.2驱动轮齿数选择153.3.3驱动轮齿形设计和结构尺寸设计153.3.4驱动轮的强度计算校核163.4导向轮结构设计及尺寸计算163.5轴的设计校核183.5.1轴结构及尺寸设计计算183.5.2轴的强度校核计算193.6前驱动轮的结构设计和计算213.7滚动轴承的选取和寿命计算213.7.1导向轮的转轴选取轴承型号213.7.2轴承寿命计算213.7.3主驱动轮转轴轴承的选择233.7.4前臂导向轮心轴轴承选配243.7.5拖链轮转轴轴承的选配243.8支重轮的设计及计算243.9托链轮的结构设计253.10键的选择和连接强度计算253.10.1键的选择253.10.2键连接强度计算263.11履带的结构设计计算263.12 本章小结27第4章 关键零部件的三维建模284.1 零部件的三维建模284.2 本章小结33第5章 加工工艺分析345.1前臂转轴加工工艺分析345.2主驱动轮加工工艺分析355.3本章总结36结论37参考文献38致 谢41第1章 绪论1.1选题的背景和意义21世纪是信息技术时代，工业机器人将是工程机械发展的潮流，其中，被广泛应用于履带式移动机器人的小型履带式行走装置也成为核心研究方向之一。小型履带式底盘的研发及创新将带动工业机器人进入全新发展空间。小型履带行走机构的行走方式也常称为无限轨道方式。它的运动行进的特征是将圆状的无限轨道卷在多个带轮上,使带轮不直接与路面接触履带式行走机构一般由导向轮支架张紧装置驱动装置支重轮托链轮和履带板组成图1.1 排雷机器人1.2国内外研究与发展进入21世纪以来，高精尖科技的发展已经成为大国竞争的主要阵地，其中工业机器人技术被认为21世纪标志性技术之一，不断将履带式行走装置应用于工业机器人领域中，并不断研发创新成为重中之重。在这种背景下，小型履带式行走装置的研发与创新将引领机器人时代的到来。小型履带式行走装置具备了与轮式传动相比有巨大优势的的特点：（1）履带式移动方式支撑面积大，接地比压小，适合于泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能好；越野机动性能好，爬坡，越沟等性能均优于轮式移动机器人。（2）履带式机械装置转向半径极小，可以实现原地转向，其转向原理是靠两条履带之间的速度差即一侧履带减速或刹死而另一侧履带保持较高的速度来实现转向。（3）履带支撑面上有履齿，不易打滑牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。由此可见，小型履带式行走装置获得极快的发展，相应的技术也是不断取得突破式进展，几乎每隔5年，便有新一代新型履带式底盘进入市场之中。1.2.1国外的研究与发展国外在这项研究方向上现在有了比较成熟的技术，且生产出了多种类型的产品。美国、英国、法国和日本等国家，都积极研究开发很多种类的履带式侦察和排爆机器人。日本在机器人研究方面走在世界的前列，其开发的侦查探测机器人不但外观形状都非常小巧，而且控制精度相当高。日本神户市一家国际救援系统研究机构 2005年 1 月 21 日公开展示了可以在大规模灾害中进行救援活动的履带式移动机器人。英国将小型履带式行走装置应用于机器人，早在60年代初就已经研制开发出多种履带式排爆型机器人，其履带式手推车已向50多个国家和地区的军队警察部门售出 800 多余台。1.2.2国内的研究与发展2000年起，伴随着我国经济的飞速发展，国内企业资金和技术不断提高，不断引进国外先进技术，还有政府大力支持，我国在履带式行走装置领域有了长足进步。虽然跟国外企业相比仍有差距，但在一些关键领域和关键技术上仍取得了不小的突破和发展。（1）关键的核心技术、研发方面不断提高近十年以来，我国的工程机械取得巨大的进步，履带机械领域也不断取得心得研究成果，主要包括几个方面，多履带行走研究不断深入，履带轮胎复合式行走的研究与开发，如哈尔滨工业大学机器人研究所研发的轮履复合机器人，在核心技术上已经跟上西方发达国家的脚步。（2）产品可靠性进步提高2000年以来,国内企业在履带机技术上取得了一系列技术突破。一些机器人研究所所研发的履带式移动机器人表明履带式行走技术已经进一步完善，北京航空航天大学所研制出了多履带组合式侦察样机，上海交大机器人研究所研发一系列可在复杂地面实现平稳行走的产品，其可靠性进一步完善提高履带工程机械技术日趋成熟起来。（3）不断拓展国外市场由于我国工程机械领域起步较晚，前期研发乏力，所以市场萎缩，国内市场多被外国垄断，近十年以来，伴随着技术成熟，研究成果逐渐丰硕，近几年中国制造不仅在国内站稳脚跟，还逐渐打开国外市场，履带机械进军海外市场，取得良好的认可。图1.2 小型履带式行走装置样车1.3课题研究内容与意义本论文是从市场需求和该装置未来应用前景进行选题，可广泛应用于工程机械领域，本设计将从多方面入手，首先了解小型履带式行走装置，弄清楚该装置工作原理和普遍使用结构，在此基础上进行一系列创新设计。1.3.1课题研究主要内容本课题要求在考虑对环境和社会可持续发展的情况下，通过对小型履带式行走装置进行原理分析，进而详细设计小型履带式行走装置总体结构，然后进行受力分析，对关键零部件进行结构设计计算和校核，并对设计结果使用三维建模软件进行建模、装配关系分析以及工作原理运动仿真，最后对机构进行加工工艺分析，完成小型履带式行走装置的全部设计内容。该设计的重点在于对结构的设计和关键零部件计算校核部分，下图是本设计要完成的设计任务简图。1.3.2课题研究目的与意义由国内外履带机的发展现状,可以看到履带机发展趋势有以下几个特点:（1）技术核心化一个产品的核心竞争力和它的档次必然会由其核心技术所决定，各大知名企业肯定都有他们的核心技术，并以此来保持其在行业内的领先地位。（2）操作控制系统的智能化履带机的智能化控制、远程控制以及故障时计算机的自动检测，还有电子监控等先进技术已经成为履带机的一个新的发展方向。（3）模块化系列化采用模块化的方式，提高零部件的通用化程度，可以大大降低生产成本，且高度模块化的生产更符合当前客户需求的多样化的现状。在更换零配件时具有跟多选择性。图1.3 设计任务内容1.4履带式行走装置的前景及趋势展望履带式行走装置行动比较平稳，容易实现转弯、爬梯、越沟等较为困难的动作。此外，履带式移动行走装置是根据轮式移动机器人设计改装的，履带有宽大的支撑面，对下陷、沟坎、泥符的路面有良好的控制力，起到了为车轮连续铺路的作用，有助于提供强大的驱动力。21世纪将是工业机器人时代，小型履带式行走装置也是履带式行走机器人重要组成部分，该装置在技术上必将不断更新换代。抓住这一环节的高科技发展环节，就可以引领新技术的未来，走在世界前列，实现由科技大国向科技强国的巨大跨越。所以，在未来，无论是工业机器人技术发展的需要，还是其他工程机械中应用，小型履带式行走装置都有极大的应用空间，其在机器人领域重要性不言而喻。图1.4 小型履带式底盘应用于侦查机器人第2章总体方案设计本章将对课题进行总体方案设计，包括多种方案选择，方案评估，传动系统设计和总体布局设计，最终确定小型履带式行走装置的总体设计布局和主要零部件的结构要素。2.1小型履带行走装置底盘外形选择有一些小型侦察机器人用第 2种履带形式，这种行走装置是轮式机构，这种侦察机器人运动灵活，可获得一定的速度，但这种轮式机构自身有其弱点，其地面适应性较履带式移动方式相差很多。经过市场调研，（通过淘宝网店及一些机器人公司）此次选择设计第4种构型，此种构型的优势是结构简单，结构强度高，重量轻。对于侦察用途是相对理想的结构。图2.1 履带底盘类型的选择1-前后支臂式行走机构；2-轮式行走机构；3-单履带式行走机构；4-双履带式行走机构；5-几何式履带机构；2.2系统功能与原理分析小型履带式行走装置的主要任务是通过对小型履带式行走装置进行分析，进而详细设计小型履带式行走装置具体结构，并对设计结果使用三维建模软件进行建模、装配关系分析以及工作原理运动仿真，最后对机构加工工艺分析，完成小型履带式行走装置的全部设计内容。2.2.1设计任务书首先列写出本课题的任务书，明确需做哪些工作。将各部分要求综合起来，找到其中联系，明确研究的方向。表2.1 设计任务书1功能主要功能：完成在各种环境下行走 转弯 急停；2适应性适用对象：工程器械、军用工具，乃至工厂车间里的小型机械、工业机器人等能源：直流电源；3工作能力在沙漠 山地 软泥 粘重 潮湿 上下坡环境下正常作业4性能 行走平稳，不翻车，不打滑，续航能力强， 有一定承重能力和自平衡性5可靠度日维护期间不发生故障，月检修期间不发生失效；6使用寿命主要零部件使用寿命应达到10年；7安全性危险装置应有保护装置隔离；辅助装置开始结束执行机构变速箱电机驱动反馈控制数据处理图2.2 系统功能原理分析2.2.2工作原理分析在平地上，驱动轮与履带啮合，带动前导向轮转动，前导向轮将履带不断的铺在地面上，可以给链轮铺设无限轨道，履带与地面存在着较大的摩擦力，接触点与地面相对静止，可以使驱动轮不断带动整机向前行走。（图2.2和2.3）图2.3 多履带机械工作原理简图图2.4 平面的转向运动简图2.2.3转向理论简述 小型履带行走装置能够实现原地转向式其非常重要的功能之一。图2.4 是对转向原理的简要分析，O点是小车在平地转向时的瞬时圆弧的圆心，由于车宽B导致两条履带的瞬时线速度不同，所以只要满足两个驱动轮在转向式差速行使，即可实现转向，当转向内驱动轮止动而外驱动轮转动，可以实现原地转向。2.2.4 功能分解功能表明了系统的属性，它表明了系统的能力以及系统转换信息、能量和物料的能力，由于一个系统的功能可能有很多，我们为了便于分析和研究，往往把系统的功能加以分解，经过逐层分解，直至分解到不能再分解的功能元为止。图2.5 功能树2.2.5系统的形态学矩阵由小型履带式行走装置的功能原理分析，功能分解和功能树可进行形态学矩阵的构建，形态学矩阵的作用就是将整机各部分分功能所有可能选用的方案一一列写出来，然后将各部分组合起来，得到所有可能的组合方案，这是一个从局部到总体的过程，该过程对最终方案确定影响很大，需要多方面考虑方案的选择。表2.2小型履带式行走装置 形态学矩阵分功能解法12345A(驱动功能)液压驱动气压驱动伺服电机驱动交流电机驱动直流电机驱动B(传动功能)链传动齿轮传动带传动其他机械传动C(执行功能)链轮不规则齿轮曲柄摇杆机构曲柄滑块机构D(位移功能)履带式同步带E(能量装换)电机驱动液压驱动气压驱动步进电机F(能量传递与分配)齿轮机构链轮机构带轮机构蜗轮蜗杆机构滚珠丝杠G(制动)机械制动电气制动H(变速)变速箱调压调速弱磁调速I(缓冲功能)专用减震装置弹簧减震装置机械减震装置2.3总体方案设计与评估得到系统多种设计方案以后，就基本了解整机各部分职能和基本结构，通过在市场调研，结合可持续发展的思想，得到整机总体样机总体框架，然后就可进行功能求解，进而分析多种设计方案，并从中选取最优方案。2.3.1功能求解上文已经将履带式行走装置的功能树求出，下一步就是将这些分功能一一求解，然后找出最优的组合方式。最常用的方法是形态学矩阵，它是一种应用系统搜索和程式化分功能组合的一种求解方法。先尽可能多的寻找各分功能的不同形态解法，然后最先去除一些明显不合理的组合，在几个相对较好的组合中优选出最合适的组合，根据形态学矩阵里列出的多种组合方案，考虑到相容性以及最佳匹配原则，匹配出四种可行方案，分别为：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方案评价结果序号加权系数评价指标单位方案一方案二方案三方案四eWWgeWWgeWWgeWWg10.2精确度%较差30.6一般51.0很高81.6好71.420.1稳定性%一般50.5好70.7好70.7一般50.530.13可靠性%足够60.78一般50.65好70.91好70.9140.07寿命%一般50.35足够60.42好70.49足够60.4250.055结构%好70.385一般50.275一般50.275好70.38560.045安装%一般50.225好70.315好70.315好70.31570.12功能/性价比%好70.84足够60.72很高80.96一般50.680.13制造成本%较差30.39一般50.65一般50.65较差30.3990.1人机工程学%一般50.5好70.7好70.7好70.7100.05外观%一般50.25足够60.3好70.35很好80.4绝对总评价值（Wg）4.825.736.956.02表中：e表示特征值，一般做定性评价；W表示评价值，采用十分制；Wg表示加权评价值。由以上评价结果可知方案三总评价最高，故采用方案三。2.3.2总体设计方案评价上文找出四种优选方案，还需要在这四种方案中评选出最优方案，首先要确定评价指标，主要从经济指标、社会指标以及技术指标三个指标出发，评价这四种方案的优劣，确定加权系数从而建立起评价目标树，如图2.6所示。图2.6评价目标树2.4本章总结总体方案设计的核心是选出最优方案，并确定总体结构方案，包括对功能原理分析，功能分解，构建功能树，列写形态学矩阵，进行功能分解，优选方案，进行方案评估，获取最佳方案。最后做出总体布局方案图。获得总体方案布局设计后，根据要求，对相关的一些主要的零部件作简要了解，获取基本的零件知识，为下一步具体的设计校核做准备。第3章关键零部件结构设计计算与校核这一部分，将会对小型履带式行走装置关键零件结构进行设计计算和校核，主要包括履带、驱动轮、导向轮、拖链轮、支重轮、驱动轴、传动轴；结构设计考虑形状、尺寸精度、轴承型号的选择、受力分析等等。3.1主要性能指标的分析在工业应用中，有许多场合环境恶劣且危险，机器人就是用来代替这些危险性作业，所以设计需要足够强的运动能力，包括速度，加速度，灵活性的底盘，可以适应对不同环境的适应能力，续航能力等等几个方面。 在复杂地形适应能力方面，要求底盘所处理的大部分任务环境是非结构化地形。比如在下水道、仓库、废墟、楼房的楼层内、沙漠、沼泽，会场座椅下、飞机机舱等；所以小车能顺利爬过楼梯、垃圾废墟、狭窄空间、其他崎岖地形。本人所研究的小型地面侦察机器人的底盘就是要适应这些特殊地形场合的要求，能够在这些复杂地形上实现灵活行走与转向，因此小车的越障能力就成为重点考虑的因素。下面列出市场调研的侦查机器人履带式底盘主要参数和本设计所涉基本参数对比表：表3.1 技术指标对比表指标市场样机指标拟定指标备注机车重量20 Kg20 Kg可优化整体尺寸920320520960840260行走速度1m/s1.5m/s越障能力180mm200mm爬坡能力30台阶或斜坡30台阶或斜坡续航时间2h2h3.2电动机的选择为了确定电机的功率，首先要确定执行端的输入功率，其中，工作机的输入效率，是指从电动机至工作机过程中的总效率，其值等于各分效率的乘积。想要计算执行端的效率，可以根据公式P=FV/1000进行计算。由于该小型履带式行走装置适用于小功率工程机械中，根据现在大多数对该装置的应用自主设计参数，根据设计要求能实现平路行驶速度1m/s，最大爬坡角30o，爬坡速度0.5m/s。根据电机负载力矩公式：(3-1)其中 Tm电机负载力矩；M车体质量；a小车加速度；g重力加速度；f履带与地面摩擦系数；爬坡角度；rs驱动轮分度圆半径；i总传动比；总的传动效率。电机转速公式为：(3-2)其中： v履带车前进平均速度；rs表示驱动轮分度圆半径；i表示传动比根据上式可得出电机功率：(3-3)代入数据计算，上坡时，取速度，加速度，摩擦系数，传动比设为，总传动效率，则驱动电动机负载力矩，电动机转速N=，电动机功率。再研究在平地运动，取参数速度，加速度，摩擦系数，传动比，总传动效率，则驱动电机负载力矩，电动机转速取，取电动机功率。由以上计算可知电机的最小转矩要大于190r/s,功率要满足不小于90W，且要求电机可以实现正反转。参阅相关书籍，查阅最新电机产品，决定选用瑞士MAXON 直流伺服电机电机ECXSPEED13M，由下表参数可知，这种电机的转矩大，结构尺寸小，一般有配套减速器。考虑到绿色环保，节约资源，可持续发展的设计思想，优选这种尺寸小，功率大，噪音低，效率高的直流伺服电机。3.3 驱动轮的设计计算驱动轮的设计计算需要考虑多方面的因素，它直接将电机传来的转矩动力传递给履带，使小车实现行走，所以驱动轮的结构设计极为重要。3.3.1驱动轮的结构及功能论述驱动轮的作用是将电机的动力传递给履带，从而实现行走。所以，履带和驱动轮间不能有蹿动。一般将驱动轮放在底盘的后面，这种结构可以缩短履带驱动部分的长度，避免动力浪费，也可以延长履带寿命。驱动轮与履带的配合有三种，包括整体式配合及组合式配合和橡胶履带配合。齿轮和轮豰采用铸造的方法，包括整体铸造和分段铸造。连接方式是螺栓连接，这样方便更换也节约材料。3.3.2驱动轮齿数选择考虑到履带行走的平缓性，驱动轮的齿数一般选1723，驱动轮整体尺寸应该较小，节距小些，齿数多些方能实现平稳传动。若节距偏大，齿数减小，传动效率低，且传动不平稳。根据经验，本次设计取z=23。参阅机械设计书籍关于齿轮的设计章节进行相关参数的设计，首先选择材料，热处理方式，精度等级和齿数，齿数在上面已经阐述。查表可知，选择链轮材料40Cr，调质处理，硬度241286HBS，也可以选用ZG35GrMn,调制处理，硬度190240HBS；本论文选取前者，z=23，i=68；再查取应力循环系数安全系数等相关参数，确定驱动轮的相关参数，得到相关结构参数，完成设计。3.3.3驱动轮齿形设计和结构尺寸设计履带的节距公式(3-4)取链轮重量： ；则；驱动轮与履带啮合类似于齿轮齿条啮合，其外部齿形与履带啮合的齿数，履带的节距和驱动轮节圆直径（与履带配合时履带销所在直径）：(3-5)取；则 ；齿顶圆直径: ；(3-6)是履带销套的直径：；(3-7)则 由公式齿根圆直径是其中（轮槽对应的底圆半径）；(3-8)3.3.4驱动轮的强度计算校核驱动轮与履带啮合，通过履带接地，所以可认为受到的弯矩来源于履带张紧力作用，受力很小可忽略。只需计算校核接触应力。齿面的挤压应力：b-节圆处齿宽，；销套直径，；许用挤压应力；所以强度满足要求，考虑到耐磨性和提高寿命，采用500Mn，铸造，淬火处理，硬度5260HRC。3.4导向轮结构设计及尺寸计算导向轮的作用式保持履带的行走方向，防止履带脱轨，具有导向作用。导向轮还和张紧装置结合起来，可以张紧履带，减小底盘行走中由于地面环境引起的振动冲击，从而减小能量消耗，提高整体性能。导向轮通过履带还和托链轮结合一起保持履带张紧状态，提高履带寿命，减小无用消耗，降低履带和驱动轮之间的蹿动几率。3.4.1导向轮结构分析和功能分析导向轮运转是有驱动轮通过履带将动力传递过来，所以一般将导向轮设计的略微比驱动轮大些，其装配轴向高度比驱动轮略低，从而使得履带在前端略微下倾。这种结构设计可以使传动更省力，其抓地能力提高，底盘重心降低，提高机车整体稳定性，减小翻车，对不同地面环境适应力更强。通过查阅一些资料，导向轮与支重轮之间的距离也影响机车稳定性。根据经验，一般两者之间的距离是履带节距3倍以上，这样可以减小履带接地的不均匀性，提高传动性能。图3.1驱动轮装配图3.4.2导向轮的具体结构设计引导轮一般安装在小车前方，可以减小履带在运行中的摆动和跳动，从而减小冲击载荷大小以及无用的功率损耗，并防止履带脱轨引导方向的作用，它的具体位置由驱动轮安装和履带长度决定。具体的结构布置：理论上，较大的导向轮可以减少履带不平稳性，提高机车抓地能力，但考虑经济能力和节约能源和材料方面，过于增大导向轮分度圆直径不科学，而且还会受到空间的限制。根据经验，导向轮齿顶圆上端最高点实际上应比驱动轮低1060mm，这样可使上方区段的履带略微向前倾，履带有向前滑动的趋势。引导轮的直径 ；(3-9)其中是驱动轮的分度圆直径；取；挡肩环宽；齿轮轮宽；轴孔直径；该导向轮尺寸一般，由机械设计手册查阅，该轮做成孔板式，并做出相应箱体用于固定轴承和轴，由轴承转速可知，采用脂润滑。箱体采用铸造方式。3.5轴的设计校核轴是传动轴，它的作用式支撑导向轮，同时传递转矩给前臂的驱动轮，带动前臂行走，从而实现越障，完成一系列功能。受力分析可知，既受到弯矩又受到转矩作用，所以需对该轴进行弯扭设计和校核。由机械设计可知，对于阶梯轴，轴和其上的零件应该有准确的位置，轴上的零件要方便安装和拆卸及调整。图3.2 传动轴零件图3.5.1轴结构及尺寸设计计算传动轴收到的载荷包括履带张紧力履带重力，还有导向轮和前臂驱动轮重力及摩擦力等，查阅相关公式有最小轴径的选择公式： ；(3-10)其中C-由需用扭转剪切应力确定的系数；n-轴的转速；P-轴传递的功率；该传动轴转速较慢，且属于辅助装置，功率较小，所以对于轴的设计主要是根据经验和设计所需各轴段位置尺寸。此外，对于计算出的最小轴径若该截面有键槽时，计算出的轴颈应适当增大。当有一个键槽时需要增大5%，两个键槽需要增大10%，然后圆整为标准的轴直径。这里取最小轴颈。表3.2 轴的常用材料许用扭转剪应力轴的材料Q23545 122030404052C15813511810610697注：当轴上的弯矩比转矩小时或只有转矩时，C取最小值.3.5.2轴的强度校核计算图3.4（a） 前臂转轴尺寸设计图图3.4（b）前臂转轴受力分析图图3.4（c） 前臂转轴弯扭分析图图3.4（d） 前臂转轴弯扭合成图对于主要承受转矩的轴，比如传动轴，只需按照扭转条件计算即可，对于只受到弯矩条件的轴，比如心轴只需要按照弯曲条件计算校核即可；但是对于转轴应按弯扭合成强度计算，特别的有时需要按疲劳强度条件来精确校核。依据所受的载荷和应力情况，对强度进行分析，按照所受的弯矩计算：均布载荷： ；弯曲强度条件： (3-11)-轴的计算应力；-脉动不对称循环应力许用弯曲应力为;W-轴的抗弯截面系数；许用应力值用插入法，查阅机械设计手册得到；折合系数：；当量转矩 ；校核对称循环疲劳极限，选用45钢，调质处理，查阅机械设计手册，计算脉动疲劳极限计算等效系数：经过计算，危险截面满足要求，该轴的设计合理。整理相应数据，可知45钢轴，调质处理，轴段设计合理，轴上零部件位置分布科学，寿命达到要求。3.6前驱动轮的结构设计和计算前驱动轮是前臂的驱动链轮，它通过前臂履带带动前导向轮运转，从而实现爬坡，跨越台阶，跨越障碍，水沟等不利地面条件。前驱动轮在结构设计上，基本尺寸上和主驱动轮导向轮大体相似。考虑到它并非式主驱动机构，它的齿宽取到40mm，对应履带取到60mm。基本结构做成孔板式。此外，由于其动力来源式主导向轮，所以转轴将其装配在一起。两轮之间的距离通过实际需要基本设计为40mm.如果考虑装配的紧凑性，可适当改动该段距离。理论上前驱动轮与主导向轮分度圆直径尺寸相同，处于同样的接地能力。实际上，前驱动轮尺寸往往比主驱动轮尺寸略小，其目的是平地行走时前主动轮略有悬空，这样可以减小摩擦，降低无用功的损耗，在爬坡时，前驱动轮优先着地，主驱动轮略微处于悬空状态。这种状态能够增大前驱动轮的抓地能力，增强爬坡稳定性，同时节省功率，提高该装置整机性能。3.7滚动轴承的选取和寿命计算滚动轴承一般由内圈,外圈，滚动体和保持架等四部分组成，它具有负载能力，速度特性，调心性，运转精度等工作特性。它的失效形式主要包括疲劳点蚀，塑性变形，磨损，及其他外在因素引起的果子碎裂保持架损坏等。滚动轴承的设计准则主要针对失效形式进行计算。一般进行寿命计算，对于高速运转的轴承还需要校核极限转速。此外，决定轴承工作能力的因素还包括轴承布置的合理性，润滑和密封情况，这些因素也对寿命有着极大的影响。3.7.1导向轮的转轴选取轴承型号本论文选取一对角接触球轴承作为转轴的一对轴承。，代号7206B.角接触球轴承可以同时承受径向轴向载荷，而且公称接触角越大，它的轴向承载能力越强。本论文选取的角接触球轴承公称接触角取到最大B=40也是考虑到该轴的轴向力可能有冲击振动，动载荷波动较大。轴承用端盖密封，轴输出端有密封圈，由于转速不大，采用脂润滑，月检润滑。3.7.2轴承寿命计算滚动轴承的寿命是衡量轴承选取是否合理的重要参数，应用在装配中的轴承寿命短，需要经常更换轴承，缩短整机寿命，多次装配更加麻烦不经济；轴承选型太好，造成资源浪费，无法凸显节约资源的主体思想，所以需对选定的轴承进行寿命计算。图3.6 转轴轴承受力分析图3.6是轴承的受力分析，是两链轮轴向力，其实质是履带张紧力的合力，是合成水平径向力，通过上面受力分析可知（3-12）其中-与履带横向摩擦力系数，取；啮合受到的压力;取 则 该轴承型号选为7206B,由机械设计手册查的基本而定动载荷C=35200N。（1） 计算内部轴向力由表3-4可知，7206B型轴承:(2) 计算单个轴承的轴向载荷并比较与大小，;由受力分析图可知，轴承压紧，轴承放松，则(3) 计算当量动载荷由公式: ;（3-13）计算7206B轴承的寿命，轴承寿命为10年取轴向力大的代入寿命计算公式：；由计算可知，该轴承寿命合适，达到工作性能要求和经济效益条件。表3.3 角接触球轴承内部轴向力公式角接触球轴承70000C70000AC70000B3.7.3主驱动轮转轴轴承的选择主驱动轮的内径30mm，由于该转轴与谐波减速器相连，所以轴承型号可以在选取谐波减速器过程中进行选配，根据市场调研，谐波减速器输出端选用32008轴承，输入端根据所选电机最小轴径13mm，通过联轴器接入谐波减速器，选一对深沟球轴承，可满足要求。由于谐波减速器的特点可知，润滑方式选用油润滑，在谐波减速器外箱壁上开油孔，定期注油即可。3.7.4前臂导向轮心轴轴承选配轴承的选配方法和特点前文已论述，关于前臂导向轮装配情况可见图3.6。轴承的选配根据最小轴颈的选取来决定，本轮设计中，取一对深沟球轴承，型号6405。前臂导向轮基本只受到履带张紧力作用，该力很小可以忽略。当该轮处于爬坡状态是，轴承受到一个径向的重力的分力，而前臂导向轮质量很小，此力也很小，所以无需进行轴承寿命计算。本论文选取的润滑方式是脂润滑，配套密封圈和垫片由机械设计手册查取。3.7.5拖链轮转轴轴承的选配轴承的选配方法不再赘述，由拖链轮基本只承受上段履带重量，所以无论轴向还是周向轴承受力都很小，可以忽略。所以选取一对深沟球轴承，型号6004，润滑方式是采用脂润滑，配套密封。3.8支重轮的设计及计算支重轮的功能就是用来支撑整个机车重量，起到分担导向轮和驱动轮承重的作用，支重轮还可以使得履带与地面充分接触，增大与地面接触面积，提高整机性能，改善传动平稳性和负载能力。支重轮的个数应当适宜，应该尽可能使履带压强减小，且布置应有利于使履带受力分布均匀。，但是，支重轮的个数也不可过多，否则会增大整机质量，从而使机车笨重，负荷增大，效率降低，传动效果不理想。支重轮安装在车架底盘下边，分担整车重量，通过螺钉连接在车架上，它的装配包括固定心轴，深沟球轴承，轴承端盖，密封圈，圆柱销及螺钉，首先选定支重轮材料为ZG55SiMn,进行表面淬火处理，查阅相关资料，其硬度在48-55HRC之间。其尺寸大小偏小，所以一般采用实心式轮辐。基于节省材料和减小机车重量的思想，也可以去做成孔板式链轮。查阅相关文献，并结合本装置设计尺寸的条件限制，两支重轮间的距离应大于履带节距的3倍以上。所以每条履带设计两个支重轮，这也是考虑小型履带式行走装置功率较小，质量不大，两个支重轮足够。留出足够的空间，两个支重轮之间，支重轮与驱动轮之间，支重轮与导向轮之间没有干涉，无机构约束，皆可实现正常行走。本设计中支重轮轴最小直径16mm，长度为90mm,采用50Mn钢；选用61805的深沟球轴承，圆柱销直径6mm。在行走过程中，支重轮所受到的冲击载荷，振动摆动都可忽略不计，只考虑静载荷引起的附加弯矩。通过受力分析及查阅相关文献，轴所受的弯矩及各项力很小，基本对轴不会造成弯曲与变形。所以校核可以满足要求。3.9托链轮的结构设计顾名思义，拖链轮就是用来拖动履带，将履带张紧，保持履带处于正常运转状态。拖链轮的设计部分包括外形尺寸，基本结构，装配工艺等内容。托链轮安放在车架上方，将上方履带托起，防止履带下垂，同时具有张紧履带的作用。托链轮在张紧履带的同时，还可以防止履带在颠簸崎岖，不平稳的路面上引起的上下摆动造成的损害。整个托链轮通过轴与轴承的配合装在车架上，下方通过螺栓与车架连接在一起，整个连接机构由弹簧进行复位。弹簧的作用还有可以装卸履带。托链轮装在车架上方，保持整条履带处于合适的松紧状态，防止履带与驱动轮导向轮之间的蹿动。由上面分析可知，在履带通过驱动轮的过程中，由于受到拉力作用，履带沿长度方向有一个轻微伸长量，如果没有托链轮张紧，可能会在成拖链或蹿动。此外，考虑到摩擦带来的功率损耗，托链轮的数目最好不要太多，一般一两个即可。对于小型履带机构来说，一个托链轮足够。本论文设计的拖链轮的尺寸是根据小车底盘大体尺寸进行估计，考虑总体重量要求，结合对支重轮的结构设计的思路，设计的拖链轮大体形状与支重轮相似。根据实际需要，拖链轮分度圆直径90mm，内孔直径40mm。考虑节约资源和减小整机质量，将拖链轮做成孔板式，由于拖链轮尺寸偏小，不方便打孔，所以最终形状如上图所示。拖链轮做的一般比支重轮略大，对润滑密封要求也很高，基于拖链轮线速度与履带同步，所以运转速度不大，采用脂润滑，密封圈密封，定期检查润滑。根据市场调研和参阅相关文献，拖链轮需要较好的耐磨性，表面硬度，综合考虑市场要求，采用50Mn钢，表面淬火处理，硬度达到4852HRC.3.10键的选择和连接强度计算键是一种标准零件，它的作用是实现轴与齿轮之间周向的固定，同时传递转矩。键的类型有许多，普遍常用的是普通平键。本论文对键的选择包括类型选择和尺寸选择。3.10.1键的选择根据需要选用普通平键。键的主要尺寸是截面尺寸，键宽*键高（）长度L。键的截面尺寸是按照轴的直径查表获得。键的长度可根据轮豰的长度确定，一般键的长度略短于轮豰长度。本论文的结构设计包括了多组链轮多组轴，轴承，键等内容。所以具体的各组键不再详细论述，只选出受转矩最大的一组进行计算及校核。主驱动轮承受来自电机转矩，从而带动整机实现运转。所以通过受力分析，主驱动轮轮豰与转轴之间连接的键受力较大，需要进行强度校核。转轴与主驱动轮轮豰用键连接部分直径是40mm,轮豰长度80mm。查表可知选取的键的主要参数是；键的材料初步选为45钢，表面淬火处理，硬度达到4555HRC.3.10.2键连接强度计算平键连接传递转矩时，如果受力过大，选键不合理，键无法工作，会失效，工作面被压溃，出现机械故障。所以一般按照工作面的挤压应力进行强度校核计算。假定键所受到的载荷在键的工作平面均匀分布，利用键的许用挤压应力进行强度设计，由公式（3-13）式中：传递的转矩；键与轮毂键槽的接触高度，此处h为键的高度，mm;键的工作长度，圆头平键；这里得L是键的公称长度，mm;轴的直径，mm;轴、键、轮毂三者之间最弱材料的许用挤压应力Mpa;轴、键、轮毂三者之间最弱材料的许用压力Mpa;表3.5 键连接的许用挤压应力、许用压力许用挤压应力许用压力连接工作方式材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击 静连接钢1201501001206090铸铁708050603045动连接钢504030键、轮毂、键槽三者材料都是钢，其计算强度达到需要，该键的选取满足条件要求。3.11履带的结构设计计算履带和驱动轮导向轮啮合传动，将轨道铺设在链轮前方，式整机在履带上移动，其结构设计可参考链传动的链条的设计。履带结构设计包括材料选择，尺寸参数确定等内容。通过市场调研，履带的形状一般有三种，包括整体式，组合式，橡胶履带。对于不同应用场合，应当选取合适的类型。本装置属于小功率机械，所以可以选择整体式和组合式两种类型。履带支承长度L、轨距B和履带板宽b；令 l驱动轮和引导轮之间轮距；h表示高度；G表示整机质量（kg）轨距B : ；履带板宽取 b=100mm ；履带的张紧度h的值一般取为：=（0.030.06）200.7=6.0212.42mm；履带节距：；3.12 本章小结本章的任务是对小车主要零部件进行结构设计，尺寸计算，强度校核等。一些关键零部件如主驱动轮、主导向轮、前臂驱动轮、前臂导向轮、履带、转轴，传动轴等进行了详细的结构设计校核。查阅多种文献资料及相关网站，对这些零部件有了更深入的认识，了解这些部件的多种不同形式的结构功能，使用条件。在设计校核过程中，键的校核和滚动轴承寿命校核运用到了大学期间所学的知识，加深对所学知识的理解和运用。链轮的设计和校核是一块新内容，在进行结构设计和尺寸确定中，综合考虑了各方面因素，查阅大量文献，同时参考市场成型产品参数，并有所创新，对驱动轮，导向轮进行创新设计。本章对一些如销轴、前导向轮等没有详细论述，只做简单的说明和选取。主要考虑到与其相似结构在受力功能作用方面比之更重要，且限于篇幅限制，所以只做简要概述。第4章 关键零部件的三维建模三维建模可以直观的了解关键零部件的具体形状和结构，使读者可以更好的读懂本设计。本设计对小型履带式行走装置进行三维建模，可以验证设计的合理性和现实可行性，检验装配精度是否合理，各部件运动是否发生相互干涉作用。所以本章将对一些如轴、链轮、轴承、端盖、履带等进行三维建模。4.1 零部件的三维建模采用Proe软件进行三维建模，熟练掌握该软件，对一些零部件进行建模操作。通过学习，直接将在CAD中画的二维图导入到Proe软件中，然后进行一系列操作，得到三维图形。图4.1 前臂转轴上图是前臂转轴的三维模型简图，将CAD中零件图导入到Proe软件中，把图中虚约束和过定位删除，在其中心做一条几何直线，然后在FRONT平面中进行旋转操作；另一种方法是在草图界面中绘制各个轴段的截面圆，然后进行拉伸操作。在上图中，并没有进行键槽操作和攻螺纹操作。在进行键槽的创建，创建过轴中心线的基准面，在上面建立键槽的平面草图，进行拉伸操作，会的到一个与轴有交集的实体，选中布尔运算求差，得到所需要的键槽；在轴上攻螺纹会用到扫引轨迹（螺纹扫面），根据操作提示即可完成螺纹绘制。在轴段上挖键槽和攻螺纹操作也并不复杂，根据尺寸要求，在轴段上创建基准面然后草绘键的二维主视图其他轴类建模过程与该轴类似，只不过尺寸有所变动，所以只在此列出前臂转轴的建模过程。图4.2复位弹簧图4.3滚动轴承图4.2和4.3分别是复位弹簧和滚动轴承的三维模型，具体的建模过程如下：首先获取弹簧的主要参数，点击插入，选取螺旋扫描命令，选伸出项，菜单管理器，属性，可变的，然后穿过轴，右手定则，完成。选择FRONT命令为草绘平面，确定和缺省。单击中心线绘制旋转轴，单击直线绘制扫描轨迹线段，标注尺寸，确定退出操作面。接下来确定弹簧的螺距等其他操作，最终获得弹簧三维视图。图4.4车盘支撑横架图4.5前臂履带图4.4和图4.5是底盘桁架和主驱动履带的三维模型车盘桁架建模过程比较简单，其上一些通孔是螺栓连接。履带板的三维过程较为复杂，其基本结构是由各个履带板通过销钉连接构成。但限于时间仓促，所以做成整体固定件模型，只是简单的表述其外观模型。图4.6 套筒图4.7 主驱动链轮图4.4和4.5是套筒和主驱动轮的三维模型，本设计套筒共有4个，设计形状相同，所以只给出一个套筒三维模型。主驱动链轮结构较为复杂，其齿形与齿轮齿形不同，链轮齿形一般是圆弧曲线，但其画法与齿轮类似，限于时间仓促和本人能力有限，此处画出的链轮知识大体外观形状，并没有严格按照链轮参数进行设计。由链轮三维模型可知，该链轮属于腹板式链轮，减少零件材料，减轻整机质量。符合资源节约，环境友好的设计思想。图4.8 轴承透盖上图是轴承透盖的三维模型，本设计多处用到轴承端盖，包括透盖和闷盖，此处选取一处较复杂的透盖进行建模。图4.9小型履带式行走装置装配模型图4.9是小型履带式行走装置三维装配模型，并且进行了三维运动仿真，没有发生运动干涉，可以爬越180mm的台阶，所以本设计具有现实可行性，结构合理，整体质量小于20kg，比预期设计质量更轻，符合了课题要求在环境和社会可持续发展的情况下节约资源、绿色环保的设计思想。此外，本模型是对CAD图纸所绘制图形进行简单的建模，其中履带进行了简单绘制，没有做出每链节具体结构，限于本人水平有限，齿轮轴承螺栓等标准件没有具体绘制。4.2 本章小结这一章对小型履带式行走装置的关键零部件进行建模，通过三维模型形象的表达出本设计关键零部件的形状和结构,最后对该机构进行装配，获得三维整机模型，并进行运动仿真，检测本设计没有发生运动干涉，该设计结构合理，具有现实可行性。第5章 加工工艺分析机械加工工艺规程就是制定生产制造零部件的方法和步骤。查阅相关书籍机械制造工艺学，了解关于加工工艺相关内容，然后对本论文关键零部件进行工艺分析，得到两类主要零件分析方法。5.1前臂转轴加工工艺分析 图5.1 前臂转轴上图是前臂转轴基本工艺尺寸及精度要求，分析该阶梯轴，该轴为没有中心通孔，两端有螺纹的多阶梯轴。根据该零件工作图，其右端第二段轴颈，外圆及轴肩的有较高的尺寸精度和形状位置精度严格要求。并有较小的表面粗糙度值配合要求，该轴有调质热处理要求。传动轴的零件图没有对毛坯类型提出具体要求，所以可以由工艺人员按照具体要求情况自行决定。根据传动轴的结构特点，选用圆棒料毛坯比较合适。本论文决定选取45#钢直径60mm的圆棒料进行加工工艺分析。取直径60mm棒料，进行预备热处理，（最好进行硬度检验）热处理硬度达到130187HBW；平端面车外圆，在卧式车床C6140 以毛坯外圆为粗基准平端面车外皮至尺寸56mm；工件掉头车另一端面和外圆去皮至尺寸；打中心孔，在中心孔钻床上钻孔；精车两端面；在c6140上精车端面，以56mm为精基准；粗车40mm外圆至尺寸，留出加工余量0.5mm；粗车另一端38mm外圆至尺寸，留出加工余量0.5mm；调质热处理，表面硬度达到要求；传动轴的零件图没有对毛坯类型提出具体要求，所以可以由工艺人员按照具体要求情况自行决定。根据传动轴的结构特点，选用圆棒料毛坯比较合适。本论文决定选取45#钢直径60mm的圆棒料进行加工工艺分析。取直径60mm棒料，进行预备热处理，（最好进行硬度检验）热处理硬度达到130187HB