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天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)
Tianjin University of Technology and Education
畢 業(yè) 論 文
專 業(yè)： 機(jī)電技術(shù)教育（數(shù)控維修方向）
班級(jí)學(xué)號(hào)： 機(jī)電1502
學(xué)生姓名： 李牧潔
指導(dǎo)教師： 李彬_jx
二〇一九年六月
摘 要
本設(shè)備是一種多功能電動(dòng)載物助力爬樓裝置,旨在解決中層和高樓層的居民(特別是年紀(jì)大活動(dòng)不便的人)帶著東西爬上樓下樓十分困難的,同時(shí),它還可以減少搬運(yùn)貨物的物流人員的負(fù)擔(dān)。電動(dòng)助力推動(dòng)，既可以爬樓梯，也可以在平坦的道路上行走。
本設(shè)計(jì)首先對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)現(xiàn)有的助力爬樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，從中找出這些產(chǎn)品的不足之處。同時(shí)，根據(jù)人體對(duì)各種功能的需求，適用于各種人群使用的多功能提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和控制系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，同時(shí)還對(duì)爬樓車的速度，小車驅(qū)動(dòng)力矩和強(qiáng)度計(jì)算。最后，通過應(yīng)用SolidWorks 2016進(jìn)行了整車運(yùn)動(dòng)仿真，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了應(yīng)力分析。
(1)研究多功能電動(dòng)助力爬樓裝置，對(duì)不同設(shè)計(jì)進(jìn)行分析對(duì)比，確定最后方案。
(2)詳細(xì)設(shè)計(jì)了多功能電動(dòng)助力爬樓裝置的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。
(3)完成通過SolidWorks 2016的平臺(tái)的三維模型裝配，檢查是否存在問題或干涉等，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
(4)基于ANSYS對(duì)主要部件進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否合理。
(5)在滿足上述所有條件的前提下，進(jìn)行整個(gè)設(shè)計(jì)試制作，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的可行性。
結(jié)果表明，在合理的負(fù)載條件下，該裝置無運(yùn)動(dòng)干涉，材料剛度和強(qiáng)度滿足要求。因此，本工作的多功能電力輔助裝置能夠保證安全，有比較快速的行駛能力，足以滿足無電梯公寓樓快速行駛和安全爬坡的需要。
結(jié)果顯示，在合理的負(fù)載條件下，該裝置不受運(yùn)動(dòng)干涉，材料的強(qiáng)度和剛度滿足了要求。因此，本項(xiàng)工作的多功能電力輔助裝置具有安全保障和較快運(yùn)行能力，可以滿足無電梯樓快速運(yùn)行和安全坡攀登的需要。
關(guān)鍵詞：載物裝置；多功能；爬樓；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract
This work is a multifunctional electric climbing device. In order to solve the problem of residents (especially the elderly) carrying heavy things up and down, as well as the logistics personnel carrying problems, I designed an electric booster with both climbing and road functions.
This paper first briefly analyzes the existing weight increasing devices in the domestic and foreign markets, and points out their shortcomings. Then according to the functional requirements, multi-functional electric device design scheme and climbing and road functions for different people, and analysis of the structure of the car and climbing principles according to the design scheme, theoretical analysis and calculation of equipment and equipment speed climbing ability. Finally, the SolidWorks 2016 platform is used to simulate the overall motion and analyze the stress of key components.
(1) study the multi-functional electric climbing device, compare different schemes and determine the final scheme
(2) the mechanical transmission system and program control system of the multi-functional electric climbing device are designed in detail
(3) the assembly 3d model based on SolidWorks 2016 was installed, and interference was tested. Finally, motion simulation was conducted
(4) conduct statistical analysis of major components based on ANSYS to verify whether the designed structural stress is reasonable
(5) In the case of the above the conditions are met, make the overall production and field test of the feasibility of the device
The results show that the stiffness and strength of the material are safe enough under reasonable loading conditions and without motion interference. Therefore, the work of the utility model can meet the power requirements of climbing floors, and has relatively fast road speed capacity, and can fully meet the requirements of non-elevator buildings for multi-functional electrical devices with both climbing function and road function.
Keywords： loading device multifunctional climb architectural design
I
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 選題背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 履帶式 1
1.2.2 步進(jìn)式 2
1.2.4 腿足式 3
1.3 研究意義 3
2 爬樓車設(shè)計(jì)方案說明 4
3 爬樓車的工作原理與特點(diǎn) 8
4 設(shè)計(jì)方案分析 9
5 設(shè)計(jì)計(jì)算 11
5.1 選擇電動(dòng)機(jī) 11
5.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 11
5.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
5.4 鍵聯(lián)接的校核強(qiáng)度 23
5.5 銷聯(lián)接的強(qiáng)度校核 24
5.6 蝸輪軸的軸承的選擇和計(jì)算 24
6 爬樓車的總體設(shè)計(jì) 27
7 三角輪主軸制造工藝 36
7.1 主軸加工要求 36
7.2 工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 36
7.3 工藝方案的比較 37
7.4 本章小結(jié) 39
設(shè)計(jì)總結(jié) 40
參考文獻(xiàn) 43
天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2015屆本科生畢業(yè)論文
1 緒論
1.1 選題背景
我國(guó)城市化發(fā)展越來越快，住房需求也就越來越大。根據(jù)國(guó)務(wù)院的規(guī)定住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳,10層以上，按上述規(guī)定要求需要電梯的安裝，下面10層，雖然有相關(guān)規(guī)定，例如國(guó)家有關(guān)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范和國(guó)家高樓層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范建議。但只有部分的具體要求安裝電梯。也就是說，從中國(guó)目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，受其他因素的限制，10層以下的普通住宅大多沒有電梯，居民上下搬運(yùn)貨物非常不便。人口老齡化逐年加劇，獨(dú)居老人的數(shù)量逐年增加，我們需要重視對(duì)老齡群體的照顧。老年人在日常生活中搬運(yùn)物品是不可避免的，但很多困難都是由身體的約束帶來的。特別是生活在沒有電梯的老小區(qū)的老年人，生活質(zhì)量嚴(yán)重下降。在舊城區(qū)安裝電梯的想法很美好，但現(xiàn)實(shí)是很殘酷的，而且受到很多條件的制約。研制出一種多功能的老年人電動(dòng)登山輔助工具，可大大改善老年人的登山問題。
隨著電子商務(wù)的發(fā)展，現(xiàn)在樓層建的越來越高，爬樓送快遞變得越來越難。一旦貨物很重，他們需要依靠?jī)蓚€(gè)或三個(gè)或更多的送貨人員，以滿足樓上布局的要求。該設(shè)備可以降低物流業(yè)的體力勞動(dòng)和幫助后勤人員的依賴運(yùn)輸貨物到指定的樓層方便快捷。此外，許多大型購(gòu)物中心都擁有上門送貨服務(wù)，尤其是在普通大件電子產(chǎn)品中，如果這個(gè)地區(qū)沒有電梯，工作就會(huì)很辛苦。還有許多家水和煤氣供應(yīng)工廠不能等著這家快遞公司，于是把工件轉(zhuǎn)移到樓上就給居民帶來了很大的不便。本次設(shè)計(jì)的爬樓助力機(jī)器人不僅上樓迅速可轉(zhuǎn)向，而且安全，可以方便高效的實(shí)現(xiàn)快速爬樓運(yùn)輸物品，并且在運(yùn)輸過程中降低人的勞動(dòng)力和工作強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上為了滿足以及響應(yīng)市場(chǎng)的需求，本工作設(shè)計(jì)了一種帶負(fù)載的多功能電動(dòng)攀登裝置，為老年群體和后勤人員提供方便。[1]
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
通過查閱大量的書籍和資料，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的攀爬設(shè)備進(jìn)行分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的方式將其分為，履帶式、步進(jìn)式和腿足式三大類。以下是對(duì)三種運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。
1.2.1 履帶式
履帶爬升裝置原理相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟。利用智能檢測(cè)技術(shù)對(duì)路面環(huán)境進(jìn)行分析，確定下一步的行動(dòng)。[1]這類設(shè)備通常設(shè)置兩種行走模式，一種是平路，在這種情況下可以使用滾輪模式，另一種是樓梯路，然后它會(huì)改變軌道模式爬樓。爬完最后一步后，路面又會(huì)變平，變回滾動(dòng)的道路。[33][34][35][36][37][38]毛毛蟲的適應(yīng)性很強(qiáng)，能在各種復(fù)雜、不規(guī)則的道路上行走。如果應(yīng)用這一原則，它可以變成輪椅，這可以提供很大的方便，老年人或殘疾人的腿和腳不便。
然而，它也有很大的局限性。該設(shè)備的兩種旅行方式完全不同，[2]導(dǎo)致它必須攜帶兩種旅行設(shè)備，占地面積大，而且質(zhì)量也很大，攜帶和擺放都比較困難。此外，履帶式會(huì)導(dǎo)致高磨損，以及設(shè)備的維護(hù)成本非常高，即使是樓梯也同。如圖1-1的(a)、(b)、(c)所示。
(a) (b) (c)
圖1-1 履帶式爬樓裝置
1.2.2 步進(jìn)式
步進(jìn)式樓梯爬升裝置，多步運(yùn)動(dòng)是由復(fù)雜的機(jī)械機(jī)制進(jìn)行的.當(dāng)你爬上樓梯時(shí)，設(shè)備會(huì)把負(fù)荷抬起來，移到下一步，重復(fù)這些步驟來爬上樓梯。樓梯攀爬裝置有幾種不同的機(jī)械結(jié)構(gòu).攀巖裝置性能良好，適用于所有樓梯，但對(duì)控制要求很高。圖1-3 a和(b)顯示。
(a) (b)
圖1-3 步進(jìn)式爬樓裝置
1.2.4 腿足式
腿式的主要特點(diǎn)是步進(jìn)動(dòng)作類似于用腿爬建筑物的過程。早期的攀爬裝置使用這種方法。[6][7][8]下一步，兩套腿和腳裝置中的一套觸碰到它承載整個(gè)裝置重量的地方，另一套把它抬上一段臺(tái)階，改變它的重心，就像一個(gè)人的腿爬上一座大樓一樣。這種攀登裝置運(yùn)動(dòng)范圍小，行走時(shí)運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢，控制和操作比較復(fù)雜。如圖1-4所示。
腿式的主要特征是步進(jìn)運(yùn)動(dòng)類似于用腿攀爬建筑物的過程。早期的攀巖裝置采用了這種想法。[6][7][8]接著，兩條腿和腳裝置中的一種接觸到它承載整個(gè)裝置重量的地方，另一種則抬起一步來改變重心，就像一個(gè)人的腿爬上一座大樓一樣。這種攀登裝置運(yùn)動(dòng)范圍小，行走時(shí)運(yùn)動(dòng)相對(duì)較慢，控制和操作復(fù)雜。如圖14所示。
圖1-4 腿足式爬樓裝置
1.3 研究意義
從上文導(dǎo)言起，我們可以看到關(guān)于國(guó)內(nèi)和國(guó)外爬樓裝置的研究已經(jīng)足夠深入，但現(xiàn)有的問題越來越多。與外國(guó)相比，國(guó)家研究的時(shí)間很晚。由于各種因素的影響，研究無法集中人力、物力和財(cái)力資源。升級(jí)裝置的成本很高，因此很難在日常生活中廣泛使用。為了普及，我們必須首先解決兩大成本和多功能問題。
目前,許多公寓仍然沒有電梯,在大多數(shù)情況下,電梯可能受到損壞,而7或8樓的用戶難以攀登、購(gòu)買蔬菜或運(yùn)送食品。在回答這些問題時(shí),我認(rèn)為,使用梯子的機(jī)器人的應(yīng)用前景不廣。如果取得成功,將取得不可估量的經(jīng)濟(jì)效益,并對(duì)人力資源的替代作出重大貢獻(xiàn)。
目前，許多公寓仍然缺乏電梯，而且在許多情況下，電梯損壞，第八樓的用戶在運(yùn)送物品、購(gòu)買食物或其他東西方面有困難。有鑒于此，我認(rèn)為，樓梯機(jī)器人的前景非常廣泛，成功，將帶來無法估量的經(jīng)濟(jì)利益，并將大大促進(jìn)人力資源的替代。 2 爬樓車設(shè)計(jì)方案說明
爬坡的車輛包括動(dòng)力傳輸系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。該課題集中在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，包括系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、三角行星輪參數(shù)的設(shè)計(jì)。
方案一：
這種方案采用后輪驅(qū)動(dòng)的的方式行進(jìn)，詳解如下：
連桿機(jī)構(gòu)和爬樓梯機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下樓功能。圖2-3是核心部件示意圖，為連桿機(jī)構(gòu)和爬樓梯機(jī)構(gòu)部分。為了使前端保持平衡，兩側(cè)各有1組驅(qū)動(dòng)連桿，以此來補(bǔ)足上下樓時(shí)前后輪的高度差值。連桿機(jī)構(gòu)是由兩根連桿組成，它們由舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以此達(dá)到可繞各自的端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的目的。為了實(shí)現(xiàn)上部和下部樓層平滑動(dòng)態(tài)移動(dòng)，于是安裝四套臺(tái)階整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。爬樓梯機(jī)構(gòu)含有小輪，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。使擺動(dòng)臂1,2形成固定角度，這樣做是為了使爬樓重心更穩(wěn)，顛簸小。爬樓梯時(shí)電機(jī)馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸1、2轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸以相同速度方向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)擺臂機(jī)構(gòu)不斷旋轉(zhuǎn)使它有支撐力，在臺(tái)階上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。[40]
圖2-3 爬樓機(jī)構(gòu)核心部件示意圖
轉(zhuǎn)向齒輪（馬達(dá)）驅(qū)動(dòng)兩套爬樓梯機(jī)制在前面。當(dāng)擺動(dòng)臂1和2在相同的方向以相同的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，小車輪1被提升到開始攀爬，和支撐主體的重量是由前部和車輛的后輪確定。小輪子2擺動(dòng)臂2。當(dāng)小輪1被升壓的旋轉(zhuǎn)下逐漸接觸地面，全身重量由前端小輪和前輪抬起支承。前端輪被抬起并在工序中，和小輪2相同的擺動(dòng)臂2縮回。當(dāng)擺動(dòng)臂1,2到達(dá)初始位置時(shí)，前車輪和后步驟仍處于距離，和后輪需要被向前推動(dòng)，從而使整個(gè)車體前進(jìn)直到前輪撞擊步驟。在前輪上樓梯過程中連桿機(jī)構(gòu)不斷變化調(diào)整角度，使車體保持水平，這時(shí)就完成了第一節(jié)的爬升。然后前輪對(duì)以上過程進(jìn)行重復(fù)，繼續(xù)完成第二臺(tái)階的攀爬，依次循環(huán)。
但由于這種方式應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜，故本次不采用。
方案三：
方案三是一種以三角輪系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬坡車。在行駛過程中，當(dāng)助力車遇到臺(tái)階、斜坡等特殊路面時(shí)，可以通過翻轉(zhuǎn)三角輪系的方式爬上建筑物，跨越障礙物。車輛包括三個(gè)系統(tǒng)：傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
圖3-10為方案三的三維模擬圖
圖3-10 三維模擬圖
該爬樓助力小車可以實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)越障礙”和“樓梯”功能，平滑每小時(shí)15公里的道路速度，將樓梯高度設(shè)置為200-200mm，樓梯的寬度為200-300毫米，“升級(jí)”的最大坡度是40°。驅(qū)動(dòng)管道由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在兩個(gè)方向上進(jìn)行，并且可以自動(dòng)和自動(dòng)地控制。它要求"著陸"的形式是穩(wěn)定而非隨機(jī)性的，噪音較低，并不對(duì)人民造成任何損害。傳輸系統(tǒng)采用車輪的三角傳輸。在一個(gè)平坦的道路上，要么是前輪，要么是地球的齒輪，有兩個(gè)車輪。在樓梯的升級(jí)過程中，可以通過使用三方輪盤系統(tǒng)來創(chuàng)建樓梯。方向系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，并要求最小的傾斜角是最小的。
本次選擇方案三結(jié)構(gòu)。
3 助力爬樓車的工作原理與特點(diǎn)
助力爬樓梯車輛包括：傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和兩個(gè)系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)一起構(gòu)成爬升車的機(jī)械裝置部分，每個(gè)系統(tǒng)由相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
行駛系統(tǒng)是靠電機(jī)上安裝同步帶輪，上面的帶輪與蝸桿同軸連接，在通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)到三角輪主軸，并帶動(dòng)整個(gè)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)三角輪系的翻轉(zhuǎn)，三角輪系的翻轉(zhuǎn)也就實(shí)現(xiàn)了爬樓功能。[41]本車采用行星輪式6輪爬樓車結(jié)構(gòu)，3個(gè)輪子為一個(gè)大輪，3個(gè)小輪依次采用履帶相連繞在輪軸上組成大輪。3個(gè)輪子能夠各自繞著各自的輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也能共同繞著大輪的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，形成行星輪系。這樣在爬樓的過程中，履帶攀爬依次錯(cuò)位上樓，省時(shí)省力。傳動(dòng)系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)， 引入自行車手剎結(jié)構(gòu)，手剎靈活方便，可控性比較強(qiáng)。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了在小空間中最小旋轉(zhuǎn)半徑所需的指導(dǎo)方針。添加第二幀使用單獨(dú)的引導(dǎo)模式來控制整個(gè)傳輸系統(tǒng)和控制盤的纏繞系統(tǒng)。請(qǐng)參見。特定方案連接到描述的抽殼下的軸的前軸組件。描述的軸承連接旋轉(zhuǎn)到板，如描述的頂部和底部所示。需要的話需要測(cè)量系統(tǒng)和控制。選擇合適的電動(dòng)機(jī)夾板并連接齒輪和電動(dòng)機(jī)軸使用齒形和雨傘齒輪連接根據(jù)實(shí)際要求控制管件的旋轉(zhuǎn)角度。
傳動(dòng)系統(tǒng)在水平和邊坡曲面中與使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行星齒輪的動(dòng)力設(shè)備相交。即，左三角形系列的前軸和后輪系統(tǒng)的直角三角形有一個(gè)功率裝置。相反，兩個(gè)三角型車輪只是推桿而已，在駕駛時(shí)起到自由的作用的一個(gè)角色可以減少車的重量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。
該爬樓助力車有五個(gè)特點(diǎn)：1)簡(jiǎn)單，整體尺寸較小，重量輕。2)具有五個(gè)獨(dú)立汽車的特征，可靈活、方便地控制由獨(dú)立馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。(3)在危險(xiǎn)地點(diǎn)或沒有人接觸的地方安裝或裝載有一定重量的儀器或?qū)嶒?yàn)室設(shè)備?？梢圆倏v或取樣，也可以使用三腳架在不同的情況下輕松移動(dòng)無限軌道，使您可以輕松地移動(dòng)平原、斜坡和落差。(5)可獨(dú)立定向的齒輪不僅簡(jiǎn)化了方向轉(zhuǎn)換，還減少了旋轉(zhuǎn)半徑，從而簡(jiǎn)化了在狹窄空間中的旋轉(zhuǎn)。
4 設(shè)計(jì)方案分析
關(guān)于行駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖4-1所示。具體是電機(jī)輸出軸上安裝一個(gè)20齒同步帶輪，同步帶輪與小帶輪連接，小帶輪通過軸與蝸桿連接，通過渦輪蝸桿傳動(dòng)蝸桿與三角輪主軸相連，來實(shí)現(xiàn)三角輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力傳輸，行星輪采用6輪爬樓車結(jié)構(gòu)，3個(gè)輪子為一個(gè)大輪，3個(gè)小輪依次采用履帶相連繞在輪軸上組成大輪。3個(gè)輪子能夠各自繞著各自的輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也能共同繞著大輪的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，形成行星輪系。這樣在爬樓的過程中，履帶攀爬依次錯(cuò)位上樓，省時(shí)省力。 縮放功能取決于“翻轉(zhuǎn)控制能力”和“反轉(zhuǎn)三角形4-2旋轉(zhuǎn)”。特別是，旋轉(zhuǎn)三角形的三個(gè)車輪通過支架[41]進(jìn)行連接，而“縮放”車輛則依賴于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的三個(gè)車輪來插入到踏板上，從而實(shí)現(xiàn)頂部或底部樓梯的功能。蝸輪蝸桿直徑不同，用于增加“主軸”傳遞的轉(zhuǎn)矩，并提供“反轉(zhuǎn)三角形旋轉(zhuǎn)”所需的能量。
圖4-1 三角輪盤
圖4-2 三角輪系 5 設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 選擇電動(dòng)機(jī)
根據(jù)本課題的實(shí)際情況，需要用電機(jī)帶動(dòng)主同步帶輪及蝸輪蝸桿，從而帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)三角齒輪組滾動(dòng)，從而達(dá)到爬升建筑物的功能。
考慮履帶的重量和載荷(75kg)，計(jì)算出三角輪系旋轉(zhuǎn)所需的最大扭矩為：T=73.5 N·m
則三角輪系翻轉(zhuǎn)爬樓梯時(shí)所需消耗的功率為：[9]
P=Tn/9.55=73.5×26÷9.55=200 W[9]
已知爬樓裝置行駛系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿和同步帶輪，它們的傳動(dòng)效率分別為：η=0.96，η=0.97，深溝球軸承的效率為：η=0.99
則電動(dòng)機(jī)輸出功率為：
=P/(0.96×0.97×0.97×0.99)=228.2 W[9]
以此，該裝置所需要的電動(dòng)機(jī)功率為：228.2 W，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可選擇的電動(dòng)機(jī)有：[11]
選取110ZYT54型號(hào)的電機(jī)為本爬樓車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
5.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)
一.選擇蝸輪蝸桿類型、材料、精度
根據(jù)GB/ t10085-2018推薦，使用漸開線蝸桿(ZI)材料為45鋼，整體淬火、表面淬火、齒面硬度45~50HRC。蝸輪齒圈材料選用ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造鑄，銑削后加載跑和，精度等級(jí)8級(jí)[42]，標(biāo)準(zhǔn)保證側(cè)隙c。
二.計(jì)算步驟
1.按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
d4=d2=40
h查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11.4[9]
本設(shè)計(jì)中蝸桿與蝸桿軸做成一體，也叫做蝸桿軸。蝸輪采用與軸通過鍵連接，青銅輪緣與鑄造鐵心采用H7/s6配合，并加臺(tái)肩和螺釘固定，螺釘選6個(gè)
幾何尺寸計(jì)算結(jié)果列于下表：
名 稱
代號(hào)
計(jì)算公式
結(jié) 果
蝸桿
中 心 距
=
a=154.35
傳 動(dòng) 比
i=19.47
蝸桿分度圓
柱的導(dǎo)程角
蝸桿軸向壓力角
標(biāo)準(zhǔn)值
齒 數(shù)
z1=2
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
=47.88
蝸桿螺紋部分長(zhǎng)度
名 稱
代號(hào)
計(jì)算公式
結(jié) 果
蝸輪
中 心 距
=
a=154.35
傳 動(dòng) 比
i=19.47
蝸輪端面
壓力角
標(biāo)準(zhǔn)值
蝸輪分度圓柱螺旋角
o
齒 數(shù)
=
=39
分度圓直徑
齒頂圓直徑
=258.3
齒根圓直徑
蝸輪最大
外圓直徑
——許用扭轉(zhuǎn)且應(yīng)力，單位為，見表15-3。
由上式可得軸的直徑
式中=， 我們所設(shè)計(jì)的軸的材料選用45鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)相表：
軸的材料
Q235—A、20
Q235、35
(1Cr18Ni9Ti)
45
40 Cr、35SiMn
38SiMnMo、3Cr13
()
15—25
20～35
25～45
35～55
149—126
135～112
126～103
112～97
得45鋼：=103～126 。
對(duì)于空心軸，則：
式中，即空心軸的內(nèi)徑與之比，通常取0.5～0.6，這里我們?nèi)?.56。
代入數(shù)據(jù)得，主軸外徑：
取=25，則主軸內(nèi)徑：，如下圖5-3
圖5-3 主軸部件圖
2.行星輪系軸的設(shè)計(jì)計(jì)算（材料為45鋼）
計(jì)算方法同上，此軸采用實(shí)心軸，則
應(yīng)注意的是，當(dāng)鍵槽在軸段設(shè)置時(shí)，應(yīng)增加軸徑，以考慮鍵槽的弱化。軸徑為d 100mm，帶鍵槽，軸徑增加5% ~ 7%;采用雙鍵槽，軸徑增加10% ~ 15%。四舍五入到標(biāo)準(zhǔn)直徑。這個(gè)行星齒輪系的軸段有兩個(gè)鍵槽。如果軸徑增加12%，則=10.62 1.12=11.89，圓度為12。
行星齒輪系傳動(dòng)軸如圖3所示:傳動(dòng)軸上有兩個(gè)鍵槽，通過鍵槽與圓柱齒輪連接，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng);軸的右端為螺紋，右側(cè)的圓柱齒輪通過圓形螺母軸向固定。左肩固定軸承的內(nèi)環(huán)。
圖5-3-1 行星輪系軸
圖5-3-2 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)草圖
5.4 鍵聯(lián)接的校核強(qiáng)度
扭矩通過平鍵連接的時(shí)候，材料的組合是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的通常的平鍵連接(靜態(tài)連接)的主要的失效形式，工作方面被絞破損。因?yàn)槿绻话l(fā)生嚴(yán)重的過載，就不會(huì)發(fā)生鎖頭現(xiàn)象，所以通常高強(qiáng)度的校核計(jì)算是僅通過作業(yè)方面的壓縮力來進(jìn)行的。
假設(shè)載荷均勻分布在鍵的工作面上，則普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為
5.5 銷聯(lián)接的強(qiáng)度校核
銷連接是三角輪系的驅(qū)動(dòng)盤與主軸之間的連接。如圖5-5：
已知銷聯(lián)接校核公式為：扭轉(zhuǎn)，剪切
圖5-5 銷聯(lián)接示意圖
6 爬樓車的總體設(shè)計(jì)
爬樓助力車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是裝置的三大系統(tǒng)。對(duì)于爬樓車來說，行駛系統(tǒng)就是它的核心靈魂，沒有行駛系統(tǒng)，它就不可能爬樓梯，不能越過障礙，更不用說叫爬樓助力車了;傳動(dòng)系統(tǒng)是其基礎(chǔ)，如果缺少了傳動(dòng)系統(tǒng)，它連水平地面上運(yùn)行都無法實(shí)現(xiàn)，更不能實(shí)現(xiàn)樓梯口;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是小車的根本基礎(chǔ)，如果缺少了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，小車就不可能順利進(jìn)行爬樓等運(yùn)動(dòng)了 。
在裝配時(shí)，我們綜合考慮了各個(gè)方面的因素，最后把傳動(dòng)系統(tǒng)放在中間位置，而傳動(dòng)系統(tǒng)就是車輪的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，它必須放在兩邊;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)置于中上位置，為感應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)留出足夠的空間。下圖6-2是總裝圖示意圖，以前軸為例:
圖6-1 總裝圖的格局示意圖
⑦
⑥
⑤
④
③
②
①
圖6-2 三維模擬示意圖
①-車架， ②-前輪系統(tǒng)， ③-行星輪系統(tǒng)， ④-電瓶，
⑤-蝸輪蝸桿系統(tǒng)，⑥-同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)，⑦-開關(guān)組件
圖6-3 前輪系統(tǒng)示意圖
圖6-3 車架示意圖
圖6-4 同步帶輪示意圖
圖6-5 蝸桿示意圖
圖6-6 渦輪示意圖
圖6-7 三角螺母示意圖
圖6-8行星輪支架示意圖
圖6-9 渦輪蝸桿殼體示意圖
42
圖6-10 總裝配圖 圖6-11 前端主軸
圖6-12 三角輪主軸
7 三角輪主軸制造工藝
7.1 主軸加工要求
本次課題選用主軸作為制造工藝的說明，工件的加工尺寸及要求見圖7-1。
圖7-1 主軸零件主視圖
7.2 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
（1）確定毛坯的制造方法
該加工件選用45#作為原材料，是一個(gè)實(shí)心的軸，小批量生產(chǎn)，主軸作為三角輪主要傳動(dòng)部件，承受很大的載荷，所以對(duì)材料的機(jī)械性能要求比較高，此外，考慮到取材及加工方便，我們選用45#型材作為原材料，毛坯外形尺寸為φ30x605，兩端面各留2.5mm加工余量，直徑留2mm加工余量。
圖7-2 主軸毛坯圖
（2） 選擇基面
在加工過程中，選擇基準(zhǔn)是不可或缺的，選擇基準(zhǔn)尤其重要，合理的加工
基準(zhǔn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品質(zhì)量的保證至關(guān)重要。
（3） 工藝路線的確定
同時(shí)還要考慮零件的幾何形狀、位置、精密度等方面的要求。在生產(chǎn)過程中，如果確定大量生產(chǎn)，就可以使用特殊夾子提高生產(chǎn)率。
7.3 工藝方案的比較
方案1是粗車，半精車和精車,其目的在于確保準(zhǔn)確性的基準(zhǔn)文件,除此以外,利用從表面處理高精確度的面積為基數(shù),從而確保更準(zhǔn)確的證據(jù),同時(shí)確保高質(zhì)量的其他文件;
方案2首先加工軸線的表面，并使用工件的中心線定位工件。在這種情況下，很難保證治療的質(zhì)量和可能發(fā)生的治療錯(cuò)誤。此外，轉(zhuǎn)換過程是繁重而低效的，因此采用了計(jì)劃1。表7-3顯示了方案1和方案2之間比較的結(jié)果。
方案1的詳細(xì)工藝流程如下：
1. 熱處理（正火）
2. 劃線
3. 鉆中心孔，車端面
4. 車大外圓至Φ26，進(jìn)給量為1.0，切削深度5mm，工時(shí)為17min
f=1.0 mm/r,v=59 m/min
則n=318x59/70=268r/mm
工時(shí)定額：
由表3.3-1得：裝夾工件時(shí)間為4.2min
由表3.3-2得：松開卸下工件時(shí)間為3.5min
由表3.3-3得：操作機(jī)床時(shí)間為：
4.3+3.5+2.7+1.3+4,1+0.2+0.4+0.1+0.4=17 min
5. 車φ20外圓，進(jìn)給量為1.0，切削深度10mm，工時(shí)為17min
由表5.3-1得：：f=1.0 mm/r
由表5.3-20得：v=59 m/min
則n=318x59/70=268r/mm
工時(shí)定額：
由表3.3-3得：操作機(jī)床時(shí)間為：
2.3+3.4+3,1+1.9+0.7+1.1+0.4=12.9 min
6. 熱處理（調(diào)質(zhì)）
7. 半精端頭至φ20.5，留加工余量0.5mm進(jìn)給量為1.0，切削深度9.75，工時(shí)為18.2min
由表3-1得：：f=0.5 m/r
由表5.3-20得：v=82 m/r
則n=318x82/25=1043 m/r
工時(shí)定額：
由表3.3-3得：操作機(jī)床時(shí)間為：
3.1+1.3+2.1+1.4+1.7+1.5+2.5+1.5+2.5+0.6=18.2min
8. 鉗工
9. 熱處理（淬火）
10. 精車外圓車孔φ26，進(jìn)給量0.3，切削深度0.5，工時(shí)為19.5min
由表3-1得：：f=0.3 m/r
由表5.3-20得：v=107 m/r
則n=318x107/25=1361 m/r
工時(shí)定額：
由表3.3-3得：操作機(jī)床時(shí)間為：
2.1+2.4+1.8+3,1+0.4+0,9+2.8+3.1+2.5+0.4=19.5 min
12. 鉗（去毛刺）
13. 立銑對(duì)稱鍵，進(jìn)給量1.0切削深度4mm，工時(shí)10min
精銑時(shí)：切削用量：ap=4mm
由表6.3-2得：f=1 m/r
由表6.3-21硬質(zhì)合金銑刀銑削灰鑄鐵時(shí)v=150 m/r
則n=318V/D=954m/r
工時(shí)定額：由表6.4-1得：T2= lw+lf/vf=10 min
14. 熱處理（油煮定性）
15. 鉗
16. 鉗（去毛刺）
17. 檢驗(yàn)入庫(kù)
7.4 本章小結(jié)
本章選取軸類零件，編制加工工藝和數(shù)控程序。提出了兩種處理方案并進(jìn)行了比較。通過比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，得出方案I有利于保證工件的精度，保證其他工件的質(zhì)量滿足要求。
設(shè)計(jì)總結(jié)
在這次設(shè)計(jì)中，我主要關(guān)注的是履帶式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是讓它能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)跨過障礙物，自己爬上去。最后，通過幾種方案的比較，采用三角形的輪子系統(tǒng)。具體方案是，利用電動(dòng)機(jī)同時(shí)用帶輪和蝸輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)減速和旋轉(zhuǎn)力矩，并帶動(dòng)整個(gè)軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三角齒輪傳動(dòng)的交換方向，而三角齒輪傳動(dòng)的交換方向也實(shí)現(xiàn)了上升功能。三角形齒輪中的三輪通過支架連接在一起。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，它的履帶是三角齒輪系統(tǒng)的三個(gè)輪子依次與樓梯相銜接，用來上下樓梯。
在這段時(shí)間的設(shè)計(jì)中、最初的理論研究、中期計(jì)算和數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)，我們面臨著許多的困難和挑戰(zhàn)，有些我們沒有考慮到的人會(huì)遇到這些問題。但我們也學(xué)到了很多通常不會(huì)學(xué)到的東西
四年的總結(jié)和反思，畢業(yè)設(shè)計(jì)最重要的，反映了學(xué)生對(duì)理解和學(xué)習(xí)、理解和機(jī)械、制造新的心理和解決新問題的新問題的知識(shí)，利用計(jì)算機(jī)的能力尋找和分類數(shù)據(jù)的能力。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)雖然幫了我很多忙，但對(duì)我這四年所學(xué)知識(shí)的反思和回憶，這些都在這次設(shè)計(jì)中得到了充分體現(xiàn)。通過這次設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了許多書本上沒有學(xué)到的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)了如何把學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。但是在設(shè)計(jì)過程中，我也有自己的缺點(diǎn)，不清楚狹窄的思維是設(shè)計(jì)，而不是完美的主題分析，缺乏理論知識(shí)和機(jī)械設(shè)計(jì)，以及過硬的知識(shí)和機(jī)械設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致許多設(shè)計(jì)失誤。
設(shè)計(jì)完全不同于往日的設(shè)計(jì)過程，完成以前的設(shè)計(jì)任務(wù)，在知識(shí)、理論上的設(shè)計(jì)，最重要的是參考前一款設(shè)計(jì)，然后在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)是完全不同的，它依靠自己獨(dú)立的設(shè)計(jì)，查閱資料，思考資料。這一設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)用多方面的知識(shí)，根據(jù)項(xiàng)目的要求，制定總體方案，具體如何實(shí)現(xiàn)，怎樣實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，要具備整體思路，解決問題和分析能力。
在設(shè)計(jì)過程中，我面臨的大部分問題都靠哪方面的知識(shí)來解決，但我不知道如何把它具體應(yīng)用起來。這是我欠缺的能力。另外，思考問題的時(shí)候，我是用相對(duì)簡(jiǎn)單的方式來思考的，這種方式不僅缺乏思考，而且往往是過于理論性的。但是在現(xiàn)實(shí)中，問題更復(fù)雜得多，需要在工作中積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
在設(shè)計(jì)的過程中，我意識(shí)到自己在過去的學(xué)習(xí)中存在的不足。在過去的學(xué)習(xí)中，我注重專業(yè)知識(shí)，只學(xué)習(xí)理論知識(shí)。然而，我忽略了一個(gè)重要的一點(diǎn):在我的學(xué)習(xí)中，我很少考慮如何把不同的知識(shí)作為一個(gè)整體。在設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)自己缺乏整體的設(shè)計(jì)理念，不知道如何解決這個(gè)問題。我也是我在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方面最大的弱點(diǎn)。在未來的學(xué)習(xí)中，我應(yīng)該吸取教訓(xùn)，永遠(yuǎn)不要孤立我所學(xué)到的。我應(yīng)該更多地思考我所學(xué)到的知識(shí)可以用在什么地方，我可以與什么其他知識(shí)相關(guān)聯(lián)，以及我們可以在哪里使用這些知識(shí)來達(dá)到易用性和掌握性。
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于我們四年的機(jī)械電子工程專業(yè)的課程學(xué)習(xí)與測(cè)試來說，它起著至關(guān)重要的作用。整個(gè)過程持續(xù)了三個(gè)多月。一開始沒有頭緒，慢慢摸索，終于成功的完成了。這其中缺少不了我的導(dǎo)師和同學(xué)們的幫助，在此對(duì)你們表示衷心的感謝。要不是你的幫助，我不可能完成得這么順利。
首先，我要感謝我的母校。正是您在我即將畢業(yè)的時(shí)候給了我這樣一個(gè)難得的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，讓我從中受益匪淺。通過這段時(shí)間的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，我的各個(gè)方面的能力都有了明顯的提高。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，對(duì)我?guī)椭畲蟮氖俏业膶?dǎo)師。我欣賞老師嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、負(fù)責(zé)的態(tài)度。他對(duì)待學(xué)生很好，努力解決學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中遇到的困難，指導(dǎo)我們?nèi)绾吻逦脑O(shè)計(jì)。無論是在學(xué)習(xí)上還是在生活上，他都盡自己最大的能力給我們指導(dǎo)和幫助，給我們很多時(shí)間和精力。在導(dǎo)師的幫助下，結(jié)合實(shí)踐，我解決了很多以前難以解決的問題，使我對(duì)機(jī)械有了更深的了解。同時(shí)，他也讓我通過這個(gè)設(shè)計(jì)了解了一些人生的道理，比如一個(gè)人做事情應(yīng)該注意細(xì)節(jié)，考慮到細(xì)節(jié)、注重細(xì)節(jié)的人，不僅認(rèn)真對(duì)待工作，將小事做細(xì)，而且注重在做事的細(xì)節(jié)中找到機(jī)會(huì)，從而使自己走向成功之路。
同時(shí)，我要感謝我的同學(xué)和朋友，無論我遇到了多少問題，每個(gè)人都不辭勞苦地幫助我，讓我成功地度過了許多困難。我們每天都相處融洽，在解決問題的過程中共同進(jìn)步。正是你讓我在四年的大學(xué)生活中學(xué)習(xí)了這么多的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。謝謝你給我的所有關(guān)心和幫助，曾經(jīng)以為四年很長(zhǎng)，在很短的時(shí)間內(nèi)我們就要畢業(yè)了，謝謝你，謝謝你!
最后，我要感謝我的父母，只要我想起我的父母在我身后，我就永遠(yuǎn)有前進(jìn)的動(dòng)力。我要感謝母校給我這樣一個(gè)環(huán)境和機(jī)會(huì)。謝謝老師，是您把知識(shí)傳授給了我;感謝我的同學(xué)和朋友，你們讓我生活得更加多姿多彩;感謝父母，是您讓我充滿動(dòng)力，謝謝你們!
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