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1、-小型履带式行走装置设计(毕设)-第 37 页学 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The Small Crawler Walking Device 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
2、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
3、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ABSTRACT With the development of domestic engineering construction, the reference of crawler walking devices in industrial instruments is becoming more and more extensive. The devices i
4、s used in all kinds of engineering equipment, military tools, small mechanical and industrial robots in factory workshops.The main design of this paper is to design a small crawler walking device that enables it to complete the walking function in a variety of complex terrain.The small crawler walki
5、ng device show the application field of the device and the research status.Meantime,the small crawler walking device consider lots of aspects,for example the energy conservation, environmental protection, saving resources. Besides,the small crawler walking device need carry out the overall design pl
6、an,which includes the functional principle analysis, writing the column plan, the optimization scheme, the evaluation plan, and the overall layout design. The small crawler walking device need analysis the force and check the calculation of the axis of bending moment and torque,Whats more the device
7、 must check the key and bearing life.Finally, the small crawler walking device need achieve industrial analysis and 3D modeling which can check out the rationality of the device. Key words: Crawler chassis structure; 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
8、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.
9、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2
10、53.10.2 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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，
22、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
23、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
24、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
25、；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50.2
26、75一般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
27、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
28、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
29、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
30、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
31、，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ECX SPEED 13M，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
32、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，
33、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
34、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
35、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
36、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
37、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
38、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
39、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
40、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
41、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
42、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