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机械毕业设计论文
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机械毕业设计409残疾人轮椅设计,机械毕业设计论文
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1 摘 要 轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，但障碍物却使轮椅受到很大限制。现代由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。电动性轮椅设计是采用轮腿式机器人结构，正常行驶时轮式工作，采用四轮驱动；遇到障碍时腿式工作，从而适应大多数地形；车身则采用自动导轨式调平结构，该结构简单，调节方便。本次设计的主要工作包括：确定轮椅的工作方式以及工作结构形式、主体尺寸，并确定各主要零、部件的结构尺寸及其选型。 关键词 ：轮椅 电动轮椅 轮腿式机器人 nts2 Abstract Wheelchairs are frail elderly and the disabled limb indispensable means of transport, but the obstacles while filling the wheelchair is very restricted. As with a traditional modern wheeled structure, can only walk on flat ground, facing steps, stairs, but this is more complex terrain powerless. High-pass design is the use of a wheelchair wheel legged robot structure, normal driving wheel work, the use of four-wheel drive; encounter obstacles leg work to accommodate most of the terrain; body is leveling automatic slide-type structure, the structure is simple, easy to adjust. The design of the main tasks include: determining wheelchair work and the working structure, body size, and identify the major components and parts of the structure size and selection. Keywords: wheelchair high adoption round legged robot nts3 一、引 言 1.1 电动 轮椅国内外发展情况 随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。 随着人口的增长和医疗技术的进步，社会老龄化问题已成为很多国家不得不认真对待的重要问题之一。智能轮椅能够帮助老年人和残障人士独立的生活，节省家庭护理费用，减轻社会负担。许多国家投入较多资金研究智能轮椅，涌现出许多成果，但由于价格和实用性的原因使它们暂 时只能作为实验产品。 智能轮椅作为移动机器人的一种 ,主要用来辅助老年人和残疾人的日常生活和工作 ,是对他们弱化的机体功能的一种补偿 .智能轮椅在作为代步工具的同时又可以使用携带的机器手臂完成简单的日常活动 .使他们重新获得生活能力 ,找回自立、自尊的感觉 ,重新融入社会 .因而 ,智能轮椅的研究得到越来越多的关注 本设计的研究目标：在最经济的条件下，设计出一件最实用、最简易操作的 电动 轮椅，功能齐全、结构简单、适用于伤残人士、且能达到消费者需求水准的一件市场普及化产品。 主要特色：功能齐全、结构简便、使用方 便、价格适当、安全系数强 电动轮椅技术及其产业化 1产品特点 电动轮椅作为一种安装有传感器，具有良好的智能控制功能的电动轮椅，不但具有普通的当前市面上电动轮椅所具有的所有功能，而且可以实现更加友好的人机接口和良好的操作性能。例如，可以实现避碰功能和导航功能，甚至可以实现利用无线方式将使用者的位置和基本状态传送给医护人员和家人实现实时监控。 2 国内外研究现状及发展趋势（含文献综述） ： 自动轮椅作为医疗护理领域的服务机器人，其应用大量使用了移动机器人技术 在自动轮椅的研究中涉 及到的关键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口 但由于整个轮椅系统以人为中心，所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题所谓导航即是指移动机器人按照预先给定的任务命令，根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，自主地作出各种决策，并随时调整自身位姿，引导自身安全行驶到达目标位置 智能轮椅作为医疗护理领域的服务机器人，其应用大量使用了移动机器人技术。在智能轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口，但由于整个nts4 轮椅系 统以人为中心，所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题。所谓导航即是指移动机器人按照预先给定的任务命令，根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，自主地作出各种决策，并随时调整自身位姿，引导自身安全行驶到达目标位置。 随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。因此，对用于帮助残障人行走的机器人轮 椅的研究已逐渐成为热点，如西班牙、意大利等国，中国科学院自动化研究所也成功研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的智能轮椅 。 近几年来我国轮椅车的生产近几年有了较大的发展，据中商情报网监测数据显示，目前全国规模以上轮椅生产企业约有 30多家企业，主要集中在东部及沿海发达地区，外商投资轮椅生产企业在中国轮椅行业占绝对领导地位。近年来随着人口老龄化到来及我国残疾人康复事业的发展，这为轮椅生产企业提供了良好的空间和广阔的市场前景。 。 3同国外产品的综合比较 技术水平方面：与国外相比 国内已经基本上没有差距，在某些方面甚至还具有一定优势。 生产工艺方面：虽然与国外相比还有一定差距，但通过分析解剖国外产品特点，利用自身优势可以在较短时间内缩小这种差距。研发和生产成本方面：与国外相比，国内具有相当大的优势。市场潜力方面：国内电动轮椅市场刚刚启动，尚没有强有力的竞争对手，市场潜力非常大。 4国内现有企业情况介绍 首先，国内尚无具备智能轮椅生产的企业，现有的轮椅生产企业还主要定位在电动轮椅的生产上。且由于国内目前上不具备研制开发高性能电动轮椅控制器的能力，国内的生产企业的电动轮椅产 品基本上都采用了国外的电动轮椅控制器，甚至部分企业的电动驱动总成也采用了外购方式，因此国内现有企业的产品成本居高不下，影响了市场购买能力的形成。同时由于不得不采用价格昂贵的进口控制器，国内电动轮椅产品的市场售价长期以来居高不下，难以为普通用户接受，也直接影响了电动轮椅市场的启动。 5国家产业支持 nts5 国家科技发展部门已经看到智能轮椅产业的发展契机，已经从国家的产业发展角度来对其未来的发展进行支持。 下图是普通轮椅图 图 1-1-1 电动轮椅运动控制系统示意图 nts6 下图为设计的 电动 轮椅产品图 图 1-1-2 电动轮椅运动控制系统示意图 图 1-1-3 电动轮椅运动控制系统示意图 nts7 1.2 设计内容 本设计的是为残疾人士和老年人设计一款 电动 轮椅。 电动 轮椅作为老年人和残疾人的代步工具 ,有着严格的技术要求。轮椅优良的驱动性能和严格的安全性保障是首要的技术要求。 技术要求主要如下 1. 基本驱动功能 轮椅的模拟给定是由操纵杆发出的 , 由速度档位设置按键来设定轮椅最高和最低运行速度。轮椅在起 /制动时必须 平滑稳定和安全。 电动 轮椅对电机的起 /制动快速性没有特殊要求 , 但对机械特性有相对较高的要求。轮椅必须能够至少爬行 5的坡 , 能够在草地等比较糟糕的路况下运行 , 能够在左 /右驱动轮处于不同路面时正常运行。 2.故障检测及保护 控制器应能自动进行故障诊断、定位和报警 ,并对一些常见故障进行显示。当轮椅运行时如果检测出故障 , 系统能够使轮椅安全停止并锁定 ;当轮椅静止时出现故障 , 系统应能够立即锁定轮椅 1.3 设计思路 本品设计的路线是在普通轮椅上增加电路和电动机，用电能来取代手动，从而使伤残人士和老 年人更方便使用轮椅。电机选择的是 Y160M1，连接电路来带动链条连接机构。用单片机输出、输入信号，连接到轮椅扶手上的控制器，当控制器给出命令的时候，单片机驱动电路，再通过电机带动链条，使整个轮椅能运动起来。 本款 电动 轮椅最快速度为 10km/h,具备转向、加速、减速、刹车功能。 nts8 二、系统方案 2.1 机械 系统方案 图 2-1-1 电动 轮椅运动控制系统示意图 上图 1为轮椅运动控制系统组成。可见 , 电动 轮椅运动控制系统主要由操纵杆信号处理部分、电机控制部分和轮椅状态检测分组成。操纵杆输出的信号经过操纵杆信号处理部分后被合成为带起 /制动 S曲线和死区的轮椅的速度和方向给定值。这个给定值就是用户给控制器的控制指令。电机控制部分接收用户的指令和反馈信号来合成电机驱动信号和其他控制信号。这部分是轮椅运动控制系统的核心部分。电机检测部分检测电机和控制器的工作状态。这些检测信号被用作电机的控制信号和其它部分的控制信号。 1.1 操纵杆输出信号速度给定合成由于操纵杆输出是二维的随着位置变化而成比例变化的电压信号 , 故非 常适合用来控制 电动 轮椅。用户前后推动操纵杆可以控制轮椅的运行速度 , 左 /右推动可以控制轮椅的转向方向和转向速度的大小。下面介绍怎样把一个二维的操纵杆 输出信号转换为速度和转向控制指令。如果把操纵杆的信号看作是二维输出信号 ,分别在二维坐标系中用 X轴和 Y轴表示 1 。 图 2-1-2 操纵杆输出信号矢量合成示意图 nts9 可以将 X轴信号看作是轮椅的转向速度给定信号 , 而 Y轴信号则可以看作 是轮椅的前向和后向速度给定信号。因此 , 如果用户想要转向和前进 ,则可将轮椅的运动方向看作是 X和 Y的矢量合成 ,如图 2中所示 F。而左 /右电机的速度给定 Sl 和 Sr可从下式得出 2 : Sl =Cx Fx +Cy Fy Smax(1) Sr =- Cx Fx +Cy Fy Smax(2) 其中 , 设 Smax为速度给定最大值 , Cx代表轮椅的转向速度特性 , 而 Cy 则代表轮椅在前向和反向的速度特性。如果以上公式的计算结果大于了轮椅最大转向 速度 , 则用最大转向速度代替计算结果。 图 3表示以不同角度旋转操纵杆时 , 轮椅的左 /右轮速度给定曲线。如果 Sl 和 Sr 的值都是正的 , 则轮椅向前前进转向 , 否则是后退转向。当轮椅向左转时 , 右轮正向转动 , 左轮反向转动或保持不变 ; 相反 , 当轮椅向右转时 , 左轮正向转动 , 右轮反向转动或保持不变。当一个轮保持不转动而另外一个轮转动时 , 轮椅做原地 360转弯。 图 2-1-3 以不同角度旋转操纵杆时轮椅的左 /右轮的速度曲线 1.2 速度给定的 S曲线设计 (1) 设计思路。 S曲线本身是一个非线性函数 ,其合成和编程都非常复杂。 S曲线的形状如图 4虚线所示。在轮椅起动时应该是一个抛物线形状 , 然后是轮椅的加速过程 , 直至轮椅最大速度后 , 加速度为零 , 轮椅以恒定最大给定速度运行 ; 制动时 ,轮椅先以直线的斜率减速 , 最后在抛物线段舒缓地停止。本文用图 4中的一个折线近似地代替 S曲线 ,用三段折线用来模拟抛物线。这使得编程非常简单 ,实践证明 , 控制效果非常理想。 nts10 图 2-1-4 轮椅速度给定的 S曲线示意图 (2) 实现方法。利用中断时间和人体对加速度变化率的敏感特性来实现。根据人体对加速度和加速度变化率的敏感特性知 , 当加速度或减速度最大值不大于 1.5 m / s2、平均加减速度不低于 0.5 m / s2、加速度变化率小于 1.5 m / s3 时 , 人体的舒适感比较好。设系统的中断周期为 T, 直线的斜率为 K, 规定轮椅在 t时间内加速到速度给定最大值 Smax , 则 : K =Smaxt/T=SmaxtT (3) 图 4中 , 三段线段斜率比值为 : K1 K2 K3 = 1 1.92 2.6。具体程序实现见第四节。在本系统的设计中 , K1、 K2、 K3 都被设置为可编程调节参数 ,用户可以根据自己的舒适性要求来进行相应调整。 2.2 控制方案设计 对调速系统来说 , 用转速负反馈可以获得比较满意的静、动态性能。但是 , 在本文的电动 轮椅运动控制系统的设计中要实现转速负反馈是非常困难的 , 因为无法安装转速检测装置。故在设计中采用电压负反馈和电流补偿的 控制方法 3 。如果忽略电枢压降 , 则直流电动机的转速近似与电枢两端电压成正比 , 所以电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用。采用电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图如图 5所示 nts11 图 2-2-1 电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图 其中 , V +、 V - 分别为电动机两端的电压。它们同时被送入 DSP 的 AD采样通道中 , 在软件中对 V +、 V - 进行差分得到电机两端的电压。这样可以消除由于电源电压波 动等因素引起的电机端电压的误差。 R1、 R2 是采样电阻 , 之所以有两个采样电阻 , 是因为文中所讨论的电动轮椅控制系统采用双极性模式 , 可在四象限运行。由如图 5所示的 H桥可知 , R2、R1可分别检测电机的正反向电流。对应的系统控制方框图如图 6所示。 2.3 总体方案 ： 在多次观察了普通轮椅之后，发现在普通轮椅的座位底部安装双电动机，然后把链条安装在双电动机的连杆上，利用单片机来输出、输入信号，在单片机和双电动机的电路连接下，使整个设计机构有一个完整的回路。从而实现这款 电动 轮椅的运行。 整个设计思路其实比较 是简单的，在安装了设计电路后，通过电动机做功来带动链条传动，来实现 电动 轮椅行走、加速、减速、刹车的各项功能。 nts12 三、机械结构设计 3.1 链条传动设计 双电机组合带动链条，以电动机产生动力，电带动电动机上的杆和锥齿轮，通过链条的连接机构，而带动车轮连杆上的链轮，这样形成一个整体机构过程。 开启电源后，当控制器发出运行命令时，信号通过单片机电路与电动机连接，电动机开始启动，通过链条的传动，带动车轮向前或者向后行驶。 3.2 电动机的选用 本设计用的是双电机组合，所 以在选择电动机时，依照 电动 轮椅运行时最大速度10km/h，来选择电动机。 70320 10)( mDfnvT= 7332 10202)2601 0 0 0 05( = 21037.5 选择的电动机是 Y160M1 电动机转速 720 车轮的转速： m in/54.2620601 0 0 0 0 rn 则： kwp 85.22060100001037.52 20 实际功率： nts13 kwpp 56.38.0 85.20 传动比： 0 3 8.07 2 054.26 ni 3.3 驱动电路设计 在本设计系统中，选用的是 ST公司的 L298N 电机专用驱动芯片。该芯片的主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感 性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。 图 3-3-1 电动轮椅运动控制系统示意图 图中电源和地之间接入了去耦电容，在电机线圈两端分别接入二极管进行过流保护。 nts14 四、控制系统设计 4.1 控制系统软件设计 轮椅运动控制系统总的流程如图 7所示。本文设计的轮椅控制系统是纯数字化控制 。系统软件采用汇编语言编写 , 代码运行效率高 ; 采用模块化的程序设计方法 , 各功能模块之间除接口变量外互相独立。 图 4-1-1 轮椅运动控制系统总程序流程图 nts15 五、总 结 5.1 设计总结 本文以 电动 轮椅运动控制为背景 ,依据系统控制方案编制了相应的控制软件 , 软件模块化并考虑了参数修改和运行状态显示等功能。经调试和试运行 , 技术指标达到了预期要求。从考虑人的舒适性和可靠性出发 , 提出了基于电压检测的功率管故障及主电路故障 判断、定位的实施方案 , 并给出了速度给定 S曲线计算公式和软件编程算法。运行效果良好。操纵杆是轮椅运动速度方向和大小的给定装置。 通过分析其原理导出了计算公式 , 并通过软件实现取得了良好效果。总之 , 本文完成了轮椅运动控制器设计、调试和试运行 , 各项指标均达到了预期目标 , 验证了硬、软件方案正确性及可行性。 本文的项目设计以国家高技术研究发展计划 (863计划 )先进制造技术 领域“服务机器人”重点项目 2006年度课题申请指南中课题 l 智能轮椅关 键技术、单元部件及目标产品的研发的主要考核指 标为参考技术标准，目标是 构建一个为老年人和残疾人服务的 电动 轮椅。 从 电动 轮椅功能的角度对轮椅的硬件系统进行模块化设计，将 电动 轮 椅分为机械结构、驱动、控制三部分。重点介绍了 电动 轮椅控制系统，最主要的是设计了DA转换平台，成功接管了智能轮椅核心控制器。利用控制器，成功实现 电动 控制系统。 在设计电路控制器的工作，让单片机开发板通过程序直接控制轮椅运动。 5.2 展望 如前所述，本课题设计 电动 轮椅控制系统，基本达到了实用性 的要求。但由于多方面的原因，该系统需要进一步的改进与完善，还存在着很 多不足。 在采用轮椅控制器控制电机时没有加入测速环节构成闭环反馈控制系 统。由于每个用户的体重不同，且轮椅行驶的路面情况不同，根据直流电机负 载特性曲线可知，轮椅的实际电机转速将会与设定值不同，这在实际应用中是 不应该出现的，虽然在短时间内实现了低成本的控制，仍然无法达到最智能的效果。 缺乏机器视觉技术的应用。本项目中图像传感器仅应用于路径跟 踪，没有开发复杂的图像处理与识别算法，且此处仅适用于跟踪白色路面上的 黑色路标，使用场合有限。应用先进的机器视觉技术能够大大提高轮椅的自主 性和智能化。 61 nts16 参考文献 1 J. P. Hong, H. MSh im, S. B. J ung, et al. A SteeringA l2go rithm of TheMCU Based Controller For Two2Wheel Drive Vehi2cles. Industrial Electron ics, Proceedings J . IEEE Internation2al Symposium, 2001, 3 (6 ) : 1887 21890. 2 H. M. Sh im, J. P. Hong, S. B. Chung, et al. PoweredWheelchair Cont ro ller Based onMaster2Slave Con tro lArchtecture.Industrial Electronics, Proceedings J . IEEE In ternationalSymposium, 2001 , 3 ( 6) : 155321556. 3 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 (第 2版 ) M . 北京 : 机械 工业出版社 , 4许洪 基 .雷光 .现代机械传动手册 M.北京：机械工业出版社， 2002年 3月 5.唐金松 .简明机械传动手册 M.上海：上海科学技术出版社， 2000年 8月 6.王中发 .实用机械设计 M.北京：北京理工大学出版社， 1998年 2月 7.杨景蕙 .机械设计 M.北京：机械工业出版社， 1996年 7月 8.Koren， Y and Broenstein， j Potential Field Methods and their Limitations for mobile Robot Navigation IEEE Int Conf on Robotics and Automation 1 99 1： 1 398 1404 9.张颖，吴成东，原宝龙机器人路径规划方法综述 J控制工程， 2006(12)： 23-25 10.樊长虹，陈卫东，席裕庚未知环境下移动机器人安全路径规划的一种神经网络方法 自动化学报 2004。 30(6)： 2 8 11.Gang Feng A Compensating Scheme for Robot Tracking Based Oil Neural Networks Robotics and Autonomous Systems 1 995： 1 99-206 12.Yang Simon X， Meng Max An Effcient Neural Network Method for Real-time Motion Planning with Safety Consideration Robot and Autonomous Systems 2000 13.张颖，吴成东，原宝龙机器人路径规划方法综述控制工程 2003， 10(50)： 12 14.李玲，邹 大勇，谢维达基于自适应模糊人工势场法的自动引导小车路径规划长沙电力 学院学报 2005 20(3)： 1-3 。 15.谢宏斌，刘国栋，李春光基于遗传算法的机器人动态路径规划的仿真武汉工业学院学 报 2003， 22(3)： 13 16.刘成良，张凯，付庄神经网络在机器人路径规划中的应用研究机器人 2001，23(7)： 1 4 nts17 外文翻译 GEAR AND SHAFT INTRODUCTION Si Tuzhong Abstract: The important position of the wheel gear and shaft can falter in traditional machine and modern machines.The wheel gear and shafts mainly install the direction that delivers the dint at the principal axis box.The passing to process to make them can is divided into many model numbers, useding for many situations respectively.So we must be the multilayers to the understanding of the wheel gear and shaft in many ways . Key words: Wheel gear;Shaft In the force analysis of spur gears, the forces are assumed to act in a single plane. We shall study gears in which the forces have three dimensions. The reason for this, in the case of helical gears, is that the teeth are not parallel to the axis of rotation. And in the case of bevel gears, the rotational axes are not parallel to each other. There are also other reasons, as we shall learn. Helical gears are used to transmit motion between parallel shafts. The helix angle is the same on each gear, but one gear must have a right-hand helix and the other a left-hand helix. The shape of the tooth is an involute helicoid. If a piece of paper cut in the shape of a parallelogram is wrapped around a cylinder, the angular edge of the paper becomes a helix. If we unwind this paper, each point on the angular edge generates an involute curve. The surface obtained when every point on the edge generates an involute is called an involute helicoid. The initial contact of spur-gear teeth is a line extending all the way across the face of the tooth. The initial contact of helical gear teeth is a point, which changes into a line as the teeth come into more engagement. In spur gears the line of contact is parallel to the axis of the rotation; in helical gears, the line is diagonal across the face of the tooth. It is this gradual of the teeth and the smooth transfer of load from one tooth to another, which give helical gears the ability to transmit heavy loads at high speeds. Helical gears subject the shaft bearings to both radial and thrust loads. When the thrust loads become high or are objectionable for other reasons, it may be nts18 desirable to use double helical gears. A double helical gear (herringbone) is equivalent to two helical gears of opposite hand, mounted side by side on the same shaft. They develop opposite thrust reactions and thus cancel out the thrust load. When two or more single helical gears are mounted on the same shaft, the hand of the gears should be selected so as to produce the minimum thrust load.Crossed-helical, or spiral, gears are those in which the shaft centerlines are neither parallel nor intersecting. The teeth of crossed-helical fears have point contact with each other, which changes to line contact as the gears wear in. For this reason they will carry out very small loads and are mainly for instrumental applications, and are definitely not recommended for use in the transmission of power. There is on difference between a crossed helical gear and a helical gear until they are mounted in mesh with each other. They are manufactured in the same way. A pair of meshed crossed helical gears usually have the same hand; that is ,a right-hand driver goes with a right-hand driven. In the design of crossed-helical gears, the minimum sliding velocity is obtained when the helix angle are equal. However, when the helix angle are not equal, the gear with the larger helix angle should be used as the driver if both gears have the same hand. Worm gears are similar to crossed helical gears. The pinion or worm has a small number of teeth, usually one to four, and since they completely wrap around the pitch cylinder they are called threads. Its mating gear is called a worm gear, which is not a true helical gear. A worm and worm gear are used to provide a high angular-velocity reduction between nonintersecting shafts which are usually at right angle. The worm gear is not a helical gear because its face is made concave to fit the curvature of the worm in order to provide line contact instead of point contact. However, a disadvantage of worm gearing is the high sliding velocities across the teeth, the same as with crossed helical gears. Worm gearing are either single or double enveloping. A single-enveloping gearing is one in which the gear wraps around or partially encloses the worm. A gearing in which each element partially encloses the other is, of course, a double-enveloping worm gearing. The important difference between the two is that area contact exists between the teeth of double-enveloping gears while only line contact between those of single-enveloping gears. The worm and worm gear of a set have the same hand of helix as for crossed helical gears, but the helix angles are usually quite different. The helix angle on the worm is generally quite large, and that on the gear nts19 very small. Because of this, it is usual to specify the lead angle on the worm, which is the complement of the worm helix angle, and the helix angle on the gear; the two angles are equal for a 90-deg. Shaft angle. When gears are to be used to transmit motion between intersecting shaft, some of bevel gear is required. Although bevel gear are usually made for a shaft angle of 90 deg. They may be produced for almost any shaft angle. The teeth may be cast, milled, or generated. Only the generated teeth may be classed as accurate. In a typical bevel gear mounting, one of the gear is often mounted outboard of the bearing. This means that shaft deflection can be more pronounced and have a greater effect on the contact of teeth. Another difficulty, which occurs in predicting the stress in bevel-gear teeth, is the fact the teeth are tapered. Straight bevel gears are easy to design and simple to manufacture and give very good results in service if they are mounted accurately and positively. As in the case of squr gears, however, they become noisy at higher values of the pitch-line velocity. In these cases it is often good design practice to go to the spiral bevel gear, which is the bevel counterpart of the helical gear. As in the case of helical gears, spiral bevel gears give a much smoother tooth action than straight bevel gears, and hence are useful where high speed are encountered. It is frequently desirable, as in the case of automotive differential applications, to have gearing similar to bevel gears but with the shaft offset. Such gears are called hypoid gears because their pitch surfaces are hyperboloids of revolution. The tooth action between such gears is a combination of rolling and sliding along a straight line and has much in common with that of worm gears. A shaft is a rotating or stationary member, usually of circular cross section, having mounted upon it such elementsas gears, pulleys, flywheels, cranks, sprockets, and other power-transmission elements. Shaft may be subjected to bending, tension, compression, or torsional loads, acting singly or in combination with one another. When they are combined, one may expect to find both static and fatigue strength to be important design considerations, since a single shaft may be subjected to static stresses, completely reversed, and repeated stresses, all acting at the same time. The word “shaft” covers numerous variations, such as axles and spindles. Anaxle is a shaft, nts20 wither stationary or rotating, nor subjected to torsion load. A shirt rotating shaft is often called a spindle. When either the lateral or the torsional deflection of a shaft must be held to close limits, the shaft must be sized on the basis of deflection before analyzing the stresses. The reason for this is that, if the shaft is made stiff enough so that the deflection is not too large, it is probable that the resulting stresses will be safe. But by no means should the designer assume that they are safe; it is almost always necessary to calculate them so that he knows they are within acceptable limits. Whenever possible, the power-transmission elements, such as gears or pullets, should be located close to the supporting bearings, This reduces the bending moment, and hence the deflection and bending stress. Although the von Mises-Hencky-Goodman method is difficult to use in design of shaft, it probably comes closest to predicting actual failure. Thus it is a good way of checking a shaft that has already been designed or of discovering why a particular shaft has failed in service. Furthermore, there are a considerable number of
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