四履带搜救机器人机械结构设计—行星减速器设计

1、摘要自然灾害，尤其是煤矿瓦斯煤尘爆炸事故发牛后，矿井环境十 分复杂，井下人员面临极其危险的状况，需尽快地转移与救护；而 搜救工作异常困难和危险，往往在救援工作中造成救护人员的伤 亡。研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行 环境探测和搜救工作的救灾机器人具有极其重要的意义。由于这 里不能上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相 关图纸cad/proe、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了 一部分内容（目录及某些关键内容）如需要其他资料的朋友，请 加叩扣:2215891151本论文研究工作的0的是设计结构新颖、具有独立可操作性 的、抗击一定冲击和越障能力的履带式移动机器

2、人，以适应在复 杂环境和崎岖路况下工作。本研究意义在于为后续设计的搜救机 器人提供一个基础的动力平台，以便于能够开发出更多使用功能 的搜救机器人，特别是提供一个坚实的移动平台，搭载一些搜救 设备，为井上人员提供救援信息，设计合理救援方案，缩短救援 时间，减少伤亡。本设计的搜救机器人移动方案是履带式驱动结构。该方案釆 用模块化设计，便于拆卸维修，可以分段自适应复杂路面，并可 主动控制两侧翼板模块的转动來调节机器人姿态变化，辅助爬坡、 越障和跨沟；机器人经过合理的结构布局和设计后具有良好的环 境适应能力、机动能力并能抵抗一定高度的掉落冲击。所设计的 机器人移动机构主要由四部分组成：主动轮减速驱动机

3、构、翼板 转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构。对此 设计作部件的设计，以及强度校核，最后形成设计理念。关键字：搜救机器人；复合移动机构；模块化设计;abstractnatural disasters, particularly coal gas coal-dust explosion accident happens, the mine environment is very complex, miners face extremely dangerous situation, it is necessary to transfer and ambulance as soon

4、as possible; and search and rescue work more difficult and dangerous, often in the relief work by ambulance staff casualties. research and development instead of or part of the rescue personnel to replace mine disaster area, rapidly environmental detection and search and rescue work of the rescue ro

5、bot has very important significance.this paper studies the purpose of the work is the design of novel structure, has an independent class of operation, resistance to certain impact and the obstacles of the ability to track mobile robot, and to adapt to the complex environment and rugged work conditi

6、ons. this research significance lies in the design for the follow-up of the search and rescue robot provide a fundamental dynamic platform, in order to be able to develop more function of search and rescue robot, especially to provide a solid mobile platform, playing in some search and rescue equipm

7、ent, to provide relief information inoue, reasonable design rescue plan, shorten the rescue time, reduce casualties.we design the mobile search and rescue robot scheme is crawler drive structure. the scheme adopts the modular design, easy to remove the maintenance, can block the adaptive complex pav

8、ement, and to control the rotation of the two flanks board module to adjust the robot attitude change, auxiliary climbing, the disabled and across the channel; robot after reasonable structure layout and design with good ability to adapt to the environment, mobility and resistant to a certain degree

9、 drop impact. the mobile mechanism of the robot design mainly consists of four parts: active pinwheel reducer drive mechanism, wing turn institutions, adaptive pavement actuators, caterpillar and track the movement institutions. we are for parts design of design, and intensity, the final shape desig

10、n theory.key words: search and rescue robots; composite mobilebody; modular design目录前 言61绪论81.1课题研究背景及意义81. 1. 1课题研究背景81.1.2课题研究意义91.2国内外的研究概况111.2.1国外研究现状111.2.2国内研究现状141-2.3发展趋势152搜救机器人的总体结构方案设计182井下复杂环境对救灾机器人的要求182.2典型移动机构方案论证分析错误!未定义书签。2. 2. 1轮式移动机构特点错误!未定义书签。2. 2. 2腿式移动机构特点错误!未定义书签。2. 2. 3履带式移动

11、机构特点错误!未定义书签。2. 2.4履、腿式移动机构特点错误!未定义书签。2. 2.5轮、履、腿式移动机构性能比较错误!未定义书签。2.3研究设计采用的行走机构错误!未定义书签。2.4救灾机器人性能指标与设计错误!未定义书签。2. 5本章小结错误!未定义书签。3搜救机器人运动参数设计计算错误!未定义书签。3. 1搜救机器人越障分析错误!未定义书签。3.1.1搜救机器人跨越台阶错误!未定义书签。3.1.2搜救机器人跨越沟槽错误!未定义书签。3. 2搜救机器人斜坡运动分析错误!未定义书签。3. 3本章小结错误!未定义书签。4驱动电机的选则错误!未定义书签。4. 1基于平地的最大速度的电机功率计算

12、错误！未定义书 签。4. 2爬坡最大坡度的驱动电机功率计算错误!未定义书签。4. 3本章小结错误!未定义书签。5驱动轮减速器设计错误!未定义书签。5. 1减速器方案分析错误!未定义书签。5.1.1减速器应满足的要求错误!未定义书签。5. 1.2减速器方案分析错误!未定义书签。5. 2减速器的设计计算错误!未定义书签。5. 2. 1减速器的传动方案分析错误!未定义书签。5. 2. 2配齿计算错误!未定义书签。5. 2. 3初步计算齿轮的主要参数错误!未定义书签。5.2.4装配条件的计算245. 2.5高速级齿轮强度的验算255.2.6轴的设计及校核345.3木章小结376移动机构履带及翼板部分设

13、计386.1.1确定带的型号和节距396. 1.2确定主从动轮直径406.2翼板部分设计406.3摆臂作用概述41致 谢45-xx. 1冃ij 5在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源牛产和消费结构 中的70%左右，预计到2050年述将占50%以上，因此，在未来相当 长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条 件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤 炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生, 人员伤亡十分惨重。据统计，2006年我国矿难死亡1517人，百万 吨死亡率为2.00； 2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为 2.1； 2008

14、年全国煤矿发生伤亡事故1341起，死亡1389人，百万吨 死亡率约为1.84,其中一次死亡39人的重大事故110起，死亡886 人。2009年全国安全生产数据显示2009全国共发生一次死亡10人 以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤矿企业特大事故共发生 18起，死亡330人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2010年全国 煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超 过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的 80%,百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。每年上百次的 事故发生，成t人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。矿井瓦斯爆炸一旦发牛，因受高温、烟

15、雾、有害气体和缺氧 等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救护人员无法知道能否 进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故屮的伤亡 人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发 生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻 夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年滉池县赵沟八矿井下 突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救 火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职；2006年六枝工矿集 团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发 生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡。由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、 快速深入矿井灾区

16、进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意 义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进 行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信 息主要包括瓦斯、co、氧气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况 以及灾区的通风状况的参数，还应包括牛命和图像等信息，为救 灾决策提供重要参考。1绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究背景地震、火灾、矿难等灾难发生后，在废墟中搜寻幸存者，给予 必要的医疗救助，并尽快救被困者是救援人员面临的紧迫任务。实 际经验表明，超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变 得越来越低。由于灾难现场情况复杂,在救援人员自身安全得不到 保证的情况下是很难

17、进入现场开展救援工作的，此外，废墟中形成 的狭小空间使搜救人员甚至搜救犬也无法进入。灾难搜救机器人 可以很好地解决上述问题。机器人可以在灾难发生后第一时间进 入灾难现场寻找幸存者，对被困人员提供基本的医疗救助服务，进 入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心 等。近年来，为了满足救援工作的需要，国内外很多研究机构开展 了大量的研究工作，可在灾难现场废墟中狭小空间内搜寻的各类 机器人如可变形多态机器人、蛇形机器人等相继被开发出來。本 文在介绍国内外灾难搜救机器人最新研究成果及近年来灾难现场 的实际使用情况的基础上，根据现场使用的经验教训提岀了灾难 救援机器人需要解决的一些关键技术

18、问题，指出了灾难救援机器 人的发展趋势。本文提出的便携式救灾机器人是一种质量轻，易于单个救援 人员背负，具有多种运动姿态和抗摔能力，采用履带方式行进的 微小型机器人系统。能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的 地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力和一定高 度的抗摔能力。机器人可通过无线电信号进行远程控制，并能够 加载各种侦测设备对未知环境进行先期探测并冋传井巷环境信 息，为及时有效的救灾提供决策参考。1.1.2课题研究意义我国煤炭资源丰富，是卅:界上最大的煤炭生产国和消费国。 在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的 一半以上，在未來相当长的时间内，煤炭仍然是我国的

19、主要能源, 由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位， 以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿 井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计，2006年我国 矿难死亡1517人，百万吨死亡率为2.00； 2007年全国矿难死亡1600 人，百万吨死亡率为2.1； 2008年全国煤矿发生伤亡事故1341起， 死亡1389人，百万吨死亡率约为1.84,其中一次死亡39人的重大 事故110起，死亡886人。2009年全国安全牛产数据显示2009全国共 发生一次死亡10人以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤矿 企业特大事故共发生18起，死亡330人，死亡人数仍高居

20、各类安全 事故z首。2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，口前我国煤 矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总 和，约占世界矿难人数的80%,百万吨死亡率是美国的100倍、南 非的30倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安 全形势已经十分严峻。煤矿作为最复杂、最危险的工作环境之一，在发牛安全事故 之后，常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下 开展工作。但煤矿安全形式十分严峻，瓦斯爆炸等煤矿事故频发, 造成了重大的人员伤亡，产生了不良的社会影响。煤矿灾害尤其 是瓦斯煤尘爆炸事故发生后，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧 等影响，以及存在发生二次灾害的可能，矿井

21、环境十分复杂。救 护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任 务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄 陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下 不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005 年滝池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立 即赶到现场搜救，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉 职；2006年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施 封闭火区措施吋，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡。井 下因灾受伤人员面临极其危险的状况，需尽快地转移与救护；而 救援工作异常困难和危险，往往在救援工作中造成救护人

22、员的伤 亡。由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、 快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意 义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进 行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信 息主要包括瓦斯、co、氧气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况 以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救 灾决策提供重要参考。1.2国内外的研究概况1.2.1国外研究现状目前，在救灾机器人研究方面，美国走在了世界的前列，美 国在微小型机器人研制方而投入了大量的人力和物力，特别是新 型、高机动、高可靠性移动载体研究方面。如美国移动机器人(tmr) 计

23、划中的便携式机器人系统(mprs) 该类机器人主要用于城市战 斗与搜救。如美国智能系统和机器人中心开发的ratler矿井探索 机器人用于灾难后的现场侦查工作，采用电传遥控方式，有主动 红外摄像机、无线射频信号收发器、陀螺仪和危险气体传感器等 装备。无线遥控距离约76米。美国南佛罗里达大学研制的simbot 矿井搜索机器人，小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监 视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥， 并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量, 生成矿井地图。近十年来,美国、本等西方发达国家在地震、火灾等救援机 器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用

24、于灾难现场 救援的机器人。(1)履带式机搜救机器人履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需 要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起來的。图1给出了 目前国际上儿家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满 足军事需要而开发的，体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物 废墟屮狭小空间内搜寻幸存者。(a) foster-miller 公司的 minitrac 机器人(b) inuktun 公司的 urbot 机器人(c) spawar 的 solem 机器人图1-1机器人公司给出的典型产品(2)形状可变履带机器人所谓形状可变履带机器人，是指该机器人所用履带的构形可以 根据地形条件和作业要

25、求进行适当变化。图2所示为一种形状可变履 带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履 带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时，机器人 实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向 运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实 现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境履带行星轮曲柄电视摄豫机主臂杆导向轮机体履带架驱动轮图1-2形状可变履带机器人外形示意图为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽 可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这已矛盾, 近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图3为美国irobot公司生 产的pa

26、ckbot系列机器人，packbot机器人有一对鳍形前肢，这对 鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便 更好地观察。图1-3为加拿大inuktun公司microvgtv多态搜救 机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调 整形状和尺寸。(a)正常状态(b)直立状态图1-3美国irobot公司packbot多态搜救机器人1.2.2国内研究现状我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越 多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业 大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构都设 计了自己的搜救机器人系统。2005年中科院沈阳自动化研究

27、所与 日本国际救援系统研究院联合成立的中日救援与安全机器人技术 研究中心，在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进 入了一个更加快速发展的时期。2006年6月22h,由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所 研制的国内首台煤矿搜救机器人(样机)在徐州诞生(如图1-9所 示)。这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走 控制方式，能在煤矿灾害发牛后深入事故现场，探测火灾温度、 瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传采集到的信 息和图像，为救灾指挥人员提供重要的灾害信息。同时，机器人 还能携带急救药品、生命维持液、食品和千斤顶、撬棍等自救工 具以协助被困人员实施自救和逃生。图

28、1-9cumt-1型矿井搜救机器人1.2.3发展趋势机辭人主要有机械机构，动力装置，驱动装置，传感装置， 分析处理装置，以及视频搜集信息等装置组成。而如今其发展的搜救机器人，主要是为了适应复杂的地理环 境，高危险的环境，机器人参与救援的力度加大，主要是考虑到 人员的安全，但是机器人自理能力还是有待提高，特别是自动移 动系统，能够自主处理前进路上的障碍，而且适应能力还必须很 强。现在发展的机器人，有四足式的，有轮式的，有履带式的， 四足的运动及适应能力好，但是面临的问题是重心问题，就是对 自动调节重心要求高，随之就带来相应的设计问题，要安装许多 的传感装置，增加了自身的设计重量和体积，对救援来说

29、是一种 负担，但是卡伊考虑用在火灾救援现场，他 对地面状况要求不高, 所以比较好，能很好地适应环境。轮式的只能适应较平坦的救援，即在障碍物较少的巷道或者 露天的有毒气体弥漫的场合，搜救效果好，而且保障人员的安全, 关键是轮式的对泥泞的路面适应能力不强是一种缺憾，导致他不 能广泛用在火灾现场，哪里有复杂状况。履带式的是一种比较好的设计思路，他兼备了前边两种的优 点，还有自身的优点，特别是越障能力是比较占优势，对复杂的 矿下环境能够快速找到搜救的人员，但是他自身也有一定的发展 问题。首先，越障时候容易诱发意外。由于机器人需要人来操控，当遇到特别复杂的路况的时候， 认得判断来解决，而实际上，机器人可

30、能做不到理想的效果，甚 至可能救援失败，甚至影响救援。因此这就要求在传感方而，精度设计要求高，同时，对携带 的视频设备要求较高，这样才能提供出来较准确的判断，为下一 步指导做准备。另外，两条履带之间间距的设计要合理，机身与地面高度的 设计，都事关机器人在搜救过程能否顺利进行的关键问题，是否 能够按理想中完成任务，以及其越障的机动性，这才是关键的问 题，救援也有时间的要求。其次，机器人的智能化。智能机器人是具有思维、感知和行动功智能机器人是具有思 维、感知和行动功学、人工智能，微电子学，光学，传感技术、 材料科学仿生学等学科的综合成果。智能机器人可获取、处理和 识别多种信息，建立并实时修正环境模

31、型，自主地完成较为复杂 的操作任务，因此，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机 动性和更广泛的应用领域。20世纪电子计算机的发明，使人类的 脑力劳动自动化成为可能，60年代智能机器人的出现开辟了智能 生产自动化的新纪元。机器和生产系统的智能化，用机器人代替 人完成各种任务，这是人类智慧发展和机器进化的飞跃。智能机 器人作为新一代的生产工具，在制造领域中应用，能排腺人为的 不可控因素，实现高节奏、高效和高质量生产，并是未来智能生 产系统(如cims)的重要组成部分。在非制造领域，如核工业、水 下、空间、建筑、采掘、教灾、排险和作战等方面，可代替人完 成人所不适或力所不及的各种工作，在原予能、水

32、下和外层空间 可开辟新的产业。目前，我国和许多国家都把智能机器人列为迎接未来挑战的 高技术课题，并制订发展规划，拨出巨款给予支持。因此，21世 纪智能机器人技术将会有突破性的进展。救灾机器人是智能化机器人在煤矿领域的全新应用，尽管某 些关键技术仍需要进一步研究，但救灾机器人具有高度的实用价 值和广泛的应用前景。随着计算机技术、传感技术、控制技术、 材料技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发 展，智能机器人的研究已取得了丰硕的研究成果。但是，由于矿 井救灾机器人特殊的工作环境和工作要求的不断提高，矿井救灾 机器人技术方面还需要有所突破：(1) 机械性能方面，能够适应矿井恶劣的灾后环

33、境，对非结构 的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力。(2) 新技术和新材料的研发，矿井灾后恶劣的环境要求用高强 度、抗拉抗压、抗高温阻燃、不产生电火花的材料。(3) 优良的导航性能、信息采集能力仍是今后矿井救灾机器人 导航技术的主要发展方向。(4) 由于矿井中救灾机器人单一的传感器无法满足高精度定位需要，因此需要融合多个传感器测量信息，多传感器信息融合 技术也就自然成为发展趋势。(5) 多机器人系统是矿井救灾机器人技术发展的主要方向。(6) 采用标准化、网络化、模块化技术。机器人装备有通信系统，在与外界进行数据信息交换时，采 用标准化接口技术，网络技术可使机器人更具备操控性，同时

34、机 器人通信系统的稳定性、可维护性、兼容性也更好。2搜救机器人的总体结构方案设计2.1井下复杂环境对救灾机器人的要求在矿井下，周围环境跟地面明显不同，对机器人的要求也就 十分高，因此机器人设计方案要适应环境的变化。井下环境和气候与地面不同，井下环境恶劣，特别是事故刚 刚发生后的井下条件更为恶劣。搜救机器人需要满足井下工作环 境的特殊要求，具备快速搜寻并且准确定位井下失踪人员的功能, 还要有简单的急救功能。(1) 井下地形矿山井下地形复杂，环境恶劣。巷道路而多积 水，有矿车铁轨、水沟、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而 不平，多有坡度；工作面处的路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道 等障碍。灾害发生后

35、，脱落的顶板、岩石、煤块等形成新的障碍 物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。（2）井下气候灾害后，井下通风系统常受到破坏，使井下气 候发生明显的变化，常见瓦斯和粉尘浓度增人，灾变区域的温度、 湿度增加，风量减少。所以二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救 护队员及时下井救护的一个主要因素。为了在高瓦斯下安全工作, 搜救机器人需要进行矿用隔爆兼本安型设计；元件在井下温度变 化范围内应能可靠地工作；为了防止煤尘和积水进入车体内部和 运动副，厢体要进行密封、防水设计。（3）光照与烟雾井下无自然光，机器人只有自带光源。事故 后，往往烟雾充斥巷道和工作面，能见度低，对照明产

36、牛一定影 响。（4）能源使用井下专用蓄电池供电。因此xxxxxxxxxx此处删除无数+n个字,完整设计请加扣扣:2215891151齿轮材料和热处理的选择：中心齿轮4和中心齿轮4，以及 行星齿轮c|和c2均采用20crmnti,渗碳后淬火，淬透性不错，耐 低温冲击，能够满足要求。齿而硬度为58-62hrc,查行星齿轮传 动设计可知，取（yhvim = 5oqmpa9 6如=340恢加，中心齿轮 加工精度为6级，高速级与低速级的内齿轮均采用42crmo,这种材料经过止火和调质处理，以获得相当的强度和硬度等力学性能;调质硬度为217-259hrc,取b讪严51m%, b讪= 360%朋，轮

37、7;和坊的加工精度为7级。高速齿轮的模数加按弯曲强度的初算公式，为现已知乙广17,叽产340%朋中心齿轮®的名义转矩为9 5氓“549船=0.275。取算式系数心=12.1,查机械设计使用手册系数k/1,查得k应=1.8； 取接触强度计算的行星齿轮间载荷分布不均匀系数khp =1.2 ,由 公式可得kfp = 1 +1(1.2-1) = 1.2,查得齿形系数耳人=2.97,齿宽系数 % =0.8,则所得的模数m为：, ©27xlxl.8xl.32x2.97 八北m, = 1 zu= 0.35 mmv 0.8x23x23x340取齿轮模数为m = 0.4mm 低速级得齿轮模数

38、m取弯曲强度的初算公式，计算低速级的齿轮的模数m为皿=3tqka kfpkfl yfui * k h i0/ z1 ovlim中心齿轮a2的名义转矩现 己知 z,2=177>67；=6x0.27 = 1.62nw,取算式系数心=12.1，使用系数ka=l,综合系数k氏= 1.8,取接触强度计算的行星齿轮间载荷分布不均匀系数k妙=1.2,由公式可得陷八2,查表得齿形系数岭八=297,齿宽系数0产0.8,则所得的模数m为：0.6x1x1.8x1.32x2.970-8x23x23x410=0.59 mm取齿轮模数为 = 0.6mm啮合参数计算：高速级：在两个啮合齿轮副中67,-c, b-c.中

39、，其标准中心距哲为% =fn(zai+zci) = 3.snvn伽=”2(za_zj 二 13.8mm低速级:在两个啮合齿轮副中久g厶-c?中，其标准中心距4为% 加込 + z°, ） = 20.7/71/712 - -% = + 加（z® _ 乙2） = 20.7mm由此可见，高速级和低速级得标准中心距均相等。因此次行 星齿轮传动满足非变位的同心条件，但是在行星轮传动中，采用 高度可以避免跟切，减少机构的尺寸和质量，还可以改善齿轮副 的磨损情况以及提高承载能力。几何尺寸的计算高速级：分度圆直径dg = m f =0.4x23 = 9.2mmdq =mzc =0.4x46=

40、 1&4 加加d忧=in*=0.4x115=46/?/?/基圆直径db"（绚）=d cosa = 9.02mm "（q）=心、cosa = 11.29mm z?（q）= % cosa = 43.23m加齿顶圆直径d“齿顶高力/外啮合扎八=pia * m = oamm内啮合入2 =阮-a片卜m = 0.36mmda（a = da2h（n=wamm 龙（犷d“ +2人广19.2加加 咖=厶-2仕2 = 452&呦齿根圆直径dr齿根咼pif = （: + c）* m = 0.5mm如）二乙一2他= 8.6呦加严儿-2%广174加tdf萤 db + 2hf = 4=

41、mm高速级太阳轮行星轮内齿圈模数m0.40.40.4齿数z2346115分度圆直径9.21&446齿顶圆直径10.419.245.28齿根圆直径8.617.447低速级：分度圆直径dda?= m *£fl2 = 0.6x23=13.8mm心=加 * zwi x 46 二 21.6mm仇2= m * z2 = 06 x 115 = 69mm 基圆直径么，d 论2）=乙2*cosq = 12.97mmd（c2）= d（2*cosq = 259呦d 姙 2）= d/cos" = 64.8"w 齿顶圆直径d“ 齿顶高力“:外啮合仏=力：* m - 06加加内啮合人

42、2 = %-"）* 加"36 如da(a2)= da2 + 2ha=5mmd雄2）=乙2+ 2仕广28.8加加da = d 庞-2 九 2 = 682伽1齿根圆直径齿根高血=(： + ")*加=。75加加 df(a2)=da2-2hf = l23nm dg严 dc2 2hf = 26mm 心2)=厶+ 2力/ = 70.5呦低速级太阳轮行星轮内齿圈模数m0.60.60.6齿数z2346115分度圆直径d13.827.669齿顶圆直径1528.868.28齿根圆直径12.326.170.55. 2. 4装配条件的计算对设计的齿轮副应满足以下条件的计算:（1）邻接条件

43、在行星轮传动中，为保证两相邻行星轮的齿顶不致相 碰，相邻两行星轮的中心距应大于两齿顶圆半径之和，由公 式验算其邻接条件da(.<2asin(佥为行星轮的直径，a为中心距)高速级:18.4<2x13.8<0.865 = 23.87低速级：27.6x2x2.07x0.865 <35.81故满足邻接条件。(2)同心条件按公式对于高度变位有z“ +2z°已知高速级乙=23,乙=9zz严115,满足公式则满足同心条件。低速级与高速级齿数相同，故满足条件。安装条件按公式验算安装条件，即得zj+z“ =c,z“2+zq2 =c (c 为整数) “ np2即都满足装配条件。z

44、z + zm _ z尼 + zz? _ 46 np %5. 2. 5高速级齿轮强度的验算由于该行星轮传动具有长期有效间断工作的特点，具有结构 紧凑，外轮廓尺寸较小的特点，因此应按齿面接触强度和齿根弯 曲强度验算。齿面接触疲劳强度的校核由公式可验算：(th ze zh zc z"产仇±1) 彳 hdxu式屮z区域系数;ze_弹性影响系数;zp螺旋角系数，直齿轮为1；z& 重合度系数；b齿宽,齿轮副中的较小齿宽；么一小齿轮分度圆直径；许用应力；u 齿数比；q-q齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械零件查得 crwliml = 6怙=150wpa； zn = zn2 =

45、1； 选取安全系数sh = 1;4 丁"【6j=zm五丑“50啦九s h乂查得 ze = 189.9mp刁；由于螺旋角0 = 0,由机械零件得zh = 2.5 ;直齿轮螺旋角系数z厂；重合度系数乙= 0.56；u = 4 ；齿宽 b=3;zi故6=16诟詔6。故满足强度要求。b、 c、齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械零件查得6叭=6iim = 5lowpa； zn = zn2 =】； 选取安全系数sh = 1;故510wpds hb4肿皿经=51时。sh又查得 ze = 189.9mpn ；由于螺旋角0 = 0,由机械零件得zh = 2.5 ;直齿轮螺旋角系数z卩八重合度系数z

46、= =0.56； w= = 5；齿宽b=4;'v £az1故 ct/=310mpa<crjo故满足强度要求。齿根弯曲疲劳强度的校核由公式可验算：2kt、6=总丫巾人式中cf/-齿根危险截面的弯曲应力；k-载荷系数；y,.a -齿形系数；ys(i -应力校正系数。- c齿轮副:计算载荷系数k：k k，a kv kp ka式中 k-载荷系数;上厂使用系数;上-动载系数;上厂齿间载荷分配系数;-齿间载荷分布系数。由机械零件可查得取岛二1；根据兀益儿2听'可得"097；查机械零件可得0=1.224, ka=,故k = 2.1。由机械零件得齿形系数：yfa =

47、2.97, £2=2.62,得齿形修正系数蔦严1.52,蔦2=159; ym=yn2=许用应力的计算：由机械零件得tflimi=crfiini2=92qwp«, =yv2=l,安 全系数s = 1.25,故刀广 d =人=736mpa。因此弯曲疲劳强度：6产驚*几=1°删丹胡6 = 6孑 = 1 32mp67<<tf2jl fa 1( sa故弯曲疲劳强度足够。b、 c齿轮副:计算载荷系数k： k = kakvkpka由机械零件查得心=1,根据v=0.58听，对称支撑k“ = 1.22；由机械零件取得ka=lf故k = 1.6xl.02xl.22xl =

48、 2。查 得齿形系数yfax = 2.62, yfa2 = 2.25;应力系数$=1.59,片$2 = 159;许用应力的计算：由机械零件得6虻92际0，6吹=36(«/九；由机械零件得=2 = 1由机械零件取弯曲疲劳强度安全系数 = 1.25；品=&刊订乙1 = 73(ywp« ；sd = 288mp6z因此弯曲疲劳强度升=签yr.yr.a =叭< 2订6 = 6告屯j 2祸 < 昭jl fa jl sa所以弯曲疲劳强度足够。低速级齿轮强度的验算由于该行星轮传动具有长期有效间断工作的特点，具有结构 紧凑，外轮廓尺寸较小的特点，因此应按齿面接触强度和齿根

49、弯 曲强度验算。齿面接触疲劳强度的校核由公式可验算：(th ze zh zs zp产仇±1)y bdu式中z”区域系数;ze_j单性影响系数；z一螺旋角系数，直齿轮为1；乙一重合度系数；b-齿宽，齿轮副中的较小齿宽；弘一小齿轮分度圆直径；b”许用应力；一齿数比；- c?齿轮副中:许用接触应力的计算：由机械零件查得 o-wliml = crhlim = 150cmpa； zn产 zn2 = 1；选取安全系数=shsh_又查得 ze = 189.9mpn ；由于螺旋角0 = 0,由机械零件得zh = 2.直齿轮螺旋角系数重合度系数乙二氏= 0.56； = 2=4 "v 

50、3;az1故(jh = 183mpa <(jflo故满足强度要求。b2-c2齿轮副屮：许用接触应力的计算：由机械零件查得=rrv =50mpa;/liml v /lim选取安全系数c =1；ghazm 皿层= 51wpdshi又查得 z£ = 189.9mpc/2；由于螺旋角0 = 0,由机械零件得zh =直齿轮螺旋角系数z“=l；重合度系数乙= 0.56； w = = 5；zn zn2齿宽b=5. 5;z1故 ch = 352 mpa < j o故满足强度要求。齿根弯曲疲劳强度的校核由公式可验算:式中 b/-齿根危险截面的弯曲应力;k-载荷系数；几,厂齿形系数；蔦-应力

51、校正系数。2 c2齿轮副：计算载荷系数k：kakv kpka式中k-载荷系数;层-使用系数;化-动载系数;齿间载荷分配系数;e 厂齿间载荷分布系数。由机械零件可查得取k4二1;根据v二tcdll60x1000= 1.2%,可得仏=1.07;查机械零件可得©=1.224,心=1,故k = 2.1。由机械零件得齿形系数：嗚=2.972 =2.62,得齿形修正系数=1.52"159;许用应力的计算：由机械零件得cffliml=o-flim2 = 92(n/p冷=诊2=1，安全 系数5 = 1.25,故0二。6丄y"=736wpa。s因此弯曲疲劳强度：2k=y faiy

52、sai = 14?mpa < af 2ctf2 of y vl fa i sa故弯曲疲劳强度足够。b2 - c2齿轮副：计算载荷系数k： k =kakvkk由机械零件查得心=1,根据v=0.58听，对称支撑kq.22；由机械零件取得心=1,故k = 1.6xl.02xl.22xl = 2。查得齿形系数 yfal = 2.62 , yf(l2 = 2.25;应力系数心"59,心2 = l74；360mpa许用应力的计算：由机械零件得6呱= 92qwp仏皿2由机械零件得yn=yn2 = 1由机械零件取弯曲疲劳强度安全系数s二1.25；°=丘叭人=3pa ；s因此弯曲疲劳强

53、度一 2kf_43mpa<rr6一如*几一6山6产6 = 13酚丹<62± fa i &/1所以弯曲疲劳强度足够。5. 2. 6轴的设计及校核1. 选择轴的材料，确定许用应力根据工作条件选择轴的材料为400钢，调质处理，由教材表15-3查得观=112。2. 按扭转强度估算轴径根据机械零件取4）二112,故得血二a）二4.892mm。输 出轴的最小肓径是安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联 轴器的孔相适应，故需同时选取联轴器型号。按照计算转矩乙应 小于联轴器的公称转矩的条件，为了隔离震动与冲击，应选用微 型弹性联轴器，选用德国ktr公司品牌的rotex-gs系列

54、的微型 无齿隙弹性联轴器；轴套材质为铝式，加紧式轴套，无键槽，传 递扭矩取决于轴径，轴径范围为5-8 mm ,联轴器长度l = 22mm,外径r = 14mm o半联轴器的孔d = 6 m m ,故取du = 6mm,联轴器与轴配合的毂孔长度厶=7加加。3 轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案，用下图所示的装配方案，可取l2 =8mm,l2_3 = 7mz3_4 =2 加吧厶 _5 =8 加吧 6 =1。力 加，因为轴承同吋受有径向力和轴向力的作用，故选择单列圆锥滚子 轴承。参照工作要求可选择c136079j,其尺寸为: dxdxb = 9mm x 22mm x 3nvn。轴承采用反装形式，用轴

55、肩定位, 轴肩高度1加加。4.确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角2x45°,各轴间圆角半径见图。5 轴上载荷以及轴的校核径向力：fr = ft tan20° = 108x tan20° =39. 3n法向力:f”二耳/cosa 二44.2/ cos20° =114. 9n水平支反力为：fnhl =18.34n, fnh242.56n垂直反力：fnvx =23n,fnv2=3n当量弯矩为：垂直面内mvi=320nmm, a/v2=15nmm水平面内 mh = mh? = 243nmm总弯矩为：m 二 jm： +m：二401nnmb m?二=243nmm轴受转

56、矩为：t二9549 片/n二9549x0. 15/1800=796nmm最后按弯矩合成应力校核轴的强度：进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的 强度，根据以上数据及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应 力，故取a=0.6,轴的计算应力丿硏+伯尸 j40+（0.6x796）2込.=、_!_、-= 28.87mpg“w0.1 x63所以满足b,0_“=7ompa的条件，故设计的轴有足够的强 度，并有一定裕量。5.3本章小结本章通过对几种主要的减速器进行对比，结合矿用履带搜救 机器人的工作环境，外型尺寸，确定所选用减速器的形式。同时 设计计算了驱动轮减速锥齿轮，通过校核满足机器人的性能要求。6移动机构履带及翼板部分设计6.1履带的选择由于在考虑履带装置设计时，基于标准化的思考，我们选择 了梯形双面齿同步带作为设计履带，梯形双面齿同步带传动具有 带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是 靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确