爬樓梯電動助力拉車（多功能電動載物助力爬樓裝置）（含三維SW及CAD圖紙）
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爬樓梯電動助力拉車
目錄
摘要 1
Abstract 3
1 緒論 5
1.1 選題背景 5
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5
1.3 研究意義 7
2 爬樓車設(shè)計方案說明 8
3 爬樓車的工作原理與特點 8
4 設(shè)計方案分析 9
5 設(shè)計計算 11
5.1 選擇電動機 11
5.2 蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng) 11
5.3軸的設(shè)計計算 19
5.4 鍵聯(lián)接的校核強度 22
5.5銷聯(lián)接的強度校核 23
5.6 蝸輪軸的軸承的選擇和計算 24
6 爬樓車的總體設(shè)計 25
7 傳動機構(gòu)主軸制造工藝 26
7.1主軸加工要求 26
7.2工藝規(guī)程設(shè)計 27
7.3工藝方案的比較 27
7.4 本章小結(jié) 29
設(shè)計總結(jié) 30
致 謝 32
參考資料 33
摘要
本設(shè)備是一種多功能電動載物助力爬樓裝置,旨在解決中層和高樓層的居民(特別是年紀大活動不便的人)帶著東西爬上樓下樓十分困難的,同時,它還可以減少搬運貨物的物流人員的負擔。電動助力推動，既可以爬樓梯，也可以在平坦的道路上行走。
本設(shè)計首先對國內(nèi)外市場上現(xiàn)有的助力爬樓裝置進行簡要分析，從中找出這些產(chǎn)品的不足。然后根據(jù)人們的功能需求,提出了一種適用于各種人群使用的多功能助力爬樓裝置設(shè)計方案,并根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案和控制系統(tǒng)的應(yīng)用進行了分析,同時還對爬樓車的速度,小車驅(qū)動力矩和強度計算。最后，通過應(yīng)用Creo3.0進行了整車運動仿真，并對關(guān)鍵部件進行了應(yīng)力分析。
(1)研究多功能電動助力爬樓裝置，對不同設(shè)計進行分析對比，確定最后方案。
(2)詳細設(shè)計了多功能電動助力爬樓裝置的機械傳動系統(tǒng)。
(3)完成通過Creo的平臺的三維模型裝配，檢查是否存在問題或干涉等，最后進行運動仿真。
(4)基于ANSYS對主要部件進行靜力分析，驗證設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否合理。
(5)在滿足上述所有條件的前提下，進行整個設(shè)計試制作，現(xiàn)場測試設(shè)備的可行性。
結(jié)果表明，在合理的負載條件下，該裝置無運動干涉，材料剛度和強度滿足要求。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。
關(guān)鍵詞 載物裝置；多功能；爬樓；結(jié)構(gòu)設(shè)計
Abstract
This work is a multi-functional electric climbing device. In order to solve the problem of residents (especially the elderly) carrying heavy objects upstairs or downstairs, as well as the logistics personnel's carrying problems, I designed an electric booster with both climbing and road functions.
First of all, this paper briefly analyzes the existing weight increasing devices in domestic and foreign markets, and points out their shortcomings. Then according to the functional requirements, a design scheme of the multi-functional electric device and climbing and road functions for a variety of people to use, and analysis of the structure of the car and climbing principles according to the design scheme, theoretical analysis and calculation of the speed of the equipment and equipment climbing ability. Finally, the overall motion simulation and stress analysis of key components are carried out based on the Creo3.0 platform.
(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 Creo 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
III
1 緒論
1.1 選題背景
隨著我國城市化進程的不斷推進，住宅建筑也在快速發(fā)展。根據(jù)國務(wù)院的規(guī)定住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳,10層以上要求安裝電梯,和10層以下雖然也在“建筑設(shè)計防火代碼”和“高層民用建筑設(shè)計防火代碼”做出了規(guī)定,但只有部分的具體要求安裝電梯。也就是說，從中國目前的發(fā)展狀況來看，受其他因素的限制，10層以下的普通住宅大多沒有電梯，居民上下搬運貨物非常不便。隨著我國老齡化的日益嚴重，我們對老年人日常生活的照顧變得越來越重要。獨居老人的數(shù)量逐年增加。老年人在日常生活中搬運物品是不可避免的，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)量嚴重下降。在舊城區(qū)安裝電梯的想法很美好，但現(xiàn)實是很殘酷的，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登山輔助工具，可大大改善老年人的登山問題。
電子商務(wù)業(yè)務(wù)的發(fā)展速度日新月異。但目前，物流行業(yè)在配送中，方法一直是人力的主要來源。一旦貨物較重，他們需要依靠兩三個或更多的送貨人員才能達到樓上配送的要求。該裝置可以減輕物流業(yè)對體力勞動的依賴，幫助物流人員方便快捷地將貨物運送到指定的樓層。此外，許多大型商場(尤其是家電領(lǐng)域)都配備了送貨上門的服務(wù)，如果該地區(qū)沒有電梯，上樓的工作量會非常大。還有一些水、氣的配送業(yè)務(wù)，對于這些等不起的業(yè)務(wù)，樓上的工作運輸給居民帶來了極大的不便。而本工作所設(shè)計的攜帶物品爬樓助推器裝置速度快、安全，可以非常方便地實現(xiàn)文明裝卸、運送各類物品，而且在運輸過程中可以顯著降低物流人員的勞動強度。在此基礎(chǔ)上，針對市場需求，本工作設(shè)計了一種帶負載的多功能電動攀登裝置，為老年群體和后勤人員提供方便。[1]
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
通過查閱大量的書籍和資料，對市場上現(xiàn)有的攀爬設(shè)備進行分析，并根據(jù)其實現(xiàn)運動的方式將其分為四類:履帶式、輪式、臺階式和腿足式。以下是對四種旅行方式的簡要介紹，并分析了它們的優(yōu)缺點。
1.2.1 履帶式
履帶爬升裝置原理相對簡單，技術(shù)成熟。利用智能檢測技術(shù)對路面環(huán)境進行分析，確定下一步的行動。[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，然后它會改變軌道模式爬樓。爬完最后一步后，路面又會變平，變回滾動的道路。[33][34][35][36][37][38]毛毛蟲的適應(yīng)性很強，能在各種復雜、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，不規(guī)則的路面會對軌道造成很高的磨損破壞，而且該設(shè)備的維護成本非常高，甚至對樓梯[2]也是如此。
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 步進式
步進式樓梯爬升裝置，[3][4][5]多步動作由復雜的機械傳動機構(gòu)完成。當你走上臺階時，該設(shè)備會抬起負載，然后將其向前移動到下一個步驟，重復這些步驟來爬樓梯。樓梯爬升裝置采用多種不同的機械結(jié)構(gòu)。該爬升裝置運動平穩(wěn)，適用于各種樓梯，但對控制要求很高。如圖1-3的(a)和(b)所示。
(a) (b)
圖1-3 步進式爬樓裝置
1.2.4 腿足式
腿式的主要特點是步進動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裝置重量的地方，另一套把它抬上一段臺階，改變它的重心，就像一個人的腿爬上一座大樓一樣。這種攀登裝置運動范圍小，行走時運動相對緩慢，控制和操作比較復雜。如圖1-4所示。
圖1-4 腿足式爬樓裝置
1.3 研究意義
從以上介紹中可以看出，國內(nèi)外對爬樓裝置的研究已經(jīng)相當深入，但都或多或少存在一些問題。與國外相比，國內(nèi)研究起步較晚。由于各種因素的影響，其研究不能集中人力、物力和財力。目前，攀爬裝置的使用成本較高，難以在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。要想推廣它，首先要解決成本和多功能這兩個關(guān)鍵問題。
就目前的情況來看,仍有許多不配備電梯公寓,即使有電梯,一旦遇到停電不能使用電梯,樓層稍高甚至攜帶雜貨或買菜會有很大的困難,可以爬建筑借助電動滑動功率器件,結(jié)合上述的優(yōu)點,我認為爬樓多功能電動設(shè)備市場前景廣闊,如果成功的話,將產(chǎn)生更大的效益。
爬坡車包括傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。本課題主要研究驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括驅(qū)動系統(tǒng)機構(gòu)的設(shè)計，三角輪列車參數(shù)的設(shè)計。
2 爬樓車設(shè)計方案說明
方案1：
在電機和減速機的作用下，驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，再驅(qū)動搖桿旋轉(zhuǎn)，搖桿與連桿用相對的螺絲固定。滑桿在軸承內(nèi)來回滑動，帶動連桿。當連桿前部的小踏輪到要上的樓梯的臺階時，用落點作為支撐物將其后方的主輪抬起，然后上升到臺階上。在步進電機的控制下，重復前面的動作，達到爬升的效果。傳輸結(jié)構(gòu)如圖3-7所示[21~23]
圖3-7 階躍傳動機構(gòu)
然后將傳動結(jié)構(gòu)通過軸固定在車架上，小輪固定在連桿前端。如圖3-8所示。
圖3-8 傳動結(jié)構(gòu)裝配
方案二：
方案二是一種以三角輪系統(tǒng)為驅(qū)動系統(tǒng)的爬坡車。小車在行駛過程中，當遇到臺階、斜坡等特殊路面時，通過翻轉(zhuǎn)三角輪系，可以爬升建筑物，跨越障礙物。車輛包括:傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三大系統(tǒng)。
該爬樓助力車可實現(xiàn)樓梯的自動障礙物和功能，平整路面時速15公里，可爬升樓梯高度為100 ~ 200mm，樓梯寬度為200 ~ 300mm，最大爬升坡度為40°。驅(qū)動系統(tǒng)由電機驅(qū)動，可雙向驅(qū)動，可手動和自動控制。它要求驅(qū)動系統(tǒng)運行平穩(wěn)，噪音小，安全可靠。傳動系統(tǒng)采用三角輪傳動。在平坦的道路上行駛時，每組有兩個輪子著地。爬樓梯時，可通過三角輪系統(tǒng)的翻滾來實現(xiàn)爬樓梯的功能。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電機驅(qū)動，要求轉(zhuǎn)向半徑盡量小一些。
本次選擇方案二結(jié)構(gòu)。
3 爬樓車的工作原理與特點
該爬樓車輛包括：傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和兩大系統(tǒng)。此三大系統(tǒng)共同構(gòu)成爬樓車的機械裝置部分，各個系統(tǒng)都由相應(yīng)的電機來驅(qū)動。
行駛系統(tǒng)是靠電機上安裝同步帶輪，上面的帶輪與蝸桿同軸連接，在通過蝸輪蝸桿傳動到三角輪主軸，并帶動整個主軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)三角輪系的翻轉(zhuǎn)，三角輪系的翻轉(zhuǎn)也就實現(xiàn)了爬樓功能。本車采用行星輪式6輪爬樓車結(jié)構(gòu)，3個輪子為一個大輪，3個小輪依次采用履帶相連繞在輪軸上組成大輪。3個輪子能夠各自繞著各自的輪軸轉(zhuǎn)動，也能共同繞著大輪的主軸轉(zhuǎn)動，形成行星輪系。這樣在爬樓的過程中，履帶攀爬依次錯位上樓，省時省力。傳動系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)， 引入自行車手剎結(jié)構(gòu)，手剎靈活方便，可控性比較強。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑在一個小空間的最低要求,本設(shè)計采用一個獨立的指導方法,也就是說,通過添加輔助框架,用電機帶動整個傳輸系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)與車輪的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),為了達到轉(zhuǎn)向的目的。具體方案是通過軸有足夠的強度,軸的下端爬樓車的前軸設(shè)備連接到外殼,頂部和操舵板通過軸承連接,中間的軸安裝了一個大的錐形齒輪,選擇合適的電機固定板上,并通過耦合齒輪連接到電機軸、齒輪軸、大傘齒輪旋轉(zhuǎn)在一定比例的嚙合傳動,當需要把,感應(yīng)系統(tǒng)和控制裝置根據(jù)實際需要控制轉(zhuǎn)彎角度。
傳動系統(tǒng)是通過電動機驅(qū)動行星輪爬樓車在水平面和邊坡表面環(huán)境中,前軸的目的交叉使用動力動力裝置,也就是左三角形輪系的前軸和后軸輪系直角三角形有一個動力裝置,相反其他兩個三角形輪系只是從動輪,一個支持的角色爬樓車,在駕駛時，當他們是自由的，這節(jié)省了電機數(shù)量又減少爬樓車的重量。
該爬樓助力車有五個特點：1）結(jié)構(gòu)簡單，總體尺寸小，重量輕; 2)各系統(tǒng)由獨立電機驅(qū)動，控制靈活方便; 3)在危險場所或者人體接觸不到的地方，可以安裝或者裝載一定重量的儀器、實驗裝置，進行操作或者采樣;4)采用三角輪系統(tǒng)，使履帶能在多種環(huán)境下移動，容易實現(xiàn)在平地、坡度、臺階面上的移動;5)該爬樓車采用獨立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不僅簡化了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，還減小了轉(zhuǎn)彎半徑，有利于在較窄的空間內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎
4 設(shè)計方案分析
關(guān)于行駛系統(tǒng)的設(shè)計，如圖1所示。具體是電機輸出軸上安裝一個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，通過渦輪蝸桿傳動蝸桿與三角輪主軸相連，來實現(xiàn)三角輪轉(zhuǎn)動的動力傳輸，行星輪采用6輪爬樓車結(jié)構(gòu)，3個輪子為一個大輪，3個小輪依次采用履帶相連繞在輪軸上組成大輪。3個輪子能夠各自繞著各自的輪軸轉(zhuǎn)動，也能共同繞著大輪的主軸轉(zhuǎn)動，形成行星輪系。這樣在爬樓的過程中，履帶攀爬依次錯位上樓，省時省力。可控性比較強并通過三角輪系圖2的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)爬樓功能。具體是三角輪系中的三個輪子通過支架連接在一起，主軸轉(zhuǎn)動時，爬樓車依靠三角輪系中的三個輪子依次與臺階相嚙合，從而達到上下樓梯的功能。蝸輪蝸桿的直徑不同，用以增大主軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，為三角輪系的翻轉(zhuǎn)提供足夠的能量。
圖1 三角輪盤
圖2 三角輪系
5 設(shè)計計算
5.1 選擇電動機
根據(jù)本課題的實際情況，需要用電機帶動主同步帶輪及蝸輪蝸桿，從而帶動主軸旋轉(zhuǎn)，帶動三角齒輪組滾動，從而達到爬升建筑物的功能。
考慮履帶的重量和載荷(75kg)，計算出三角輪系旋轉(zhuǎn)所需的最大扭矩為：T=73.5 N·m
則三角輪系翻轉(zhuǎn)爬樓梯時所需消耗的功率為：
[9]P=Tn/9.55=73.5×26÷9.55=200 W
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
則電動機輸出功率為：
[9] =P/(0.96×0.97×0.97×0.99)=228.2 W
以此，該裝置所需要的電動機功率為：228.2 W，查機械設(shè)計手冊，可選擇的電動機有：[11]
型號 輸出轉(zhuǎn)矩 輸出轉(zhuǎn)速 額定功率 額定電壓 減速比 額定轉(zhuǎn)速
(N/mm) (r/min) (W) （V） (r/min)
90SZ53 2977 750 308 110 4 3000
110ZYT54 2977 750 308 220 4 3000
選取110ZYT54型號的電機為本爬樓車輛的驅(qū)動電機。
5.2 蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)
5.2.1 蝸輪蝸桿傳動設(shè)計
一.選擇蝸輪蝸桿類型、材料、精度
根據(jù)GB/ t10085-1988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8級，標準保證側(cè)隙c。
二.計算步驟
1.按接觸疲勞強度設(shè)計
設(shè)計公式≥mm[9]
（1） 選z1，z2：
查表7.2取z1=2，[9]
z2= z1×n1／n2=2×1440／73.96=38.94≈39.
z2在30～64之間，所以符合要求。
初估=0.82
（2）蝸輪轉(zhuǎn)矩T2計算：
T2=T1×i×=9.55×106×5.8×19.47×0.82／1440=614113.55 Nmm[11]
（3）載荷系數(shù)K：
因載荷平穩(wěn)，查表7.8取K=1.1
（4）材料系數(shù)ZE
查表7.9，ZE=156 [9]
（5）許用接觸應(yīng)力[0H]
查表7.10，[0H]=220 Mpa
N=60×jn2×Lh=60×73.96×1×12000=5.325×107
ZN===0.81135338[11]
[H]=ZN[0H]= 0.81135338×220=178.5 Mpa
（6）md1：
md1≥ =1.1×614113.55×=2358.75mm[12]
（7）初選m，d1的值：
查表7.1取m=6.3 ，d1=63[9]
md1=2500.47〉2358.75
（8）導程角
tan= =0.2[11]
=arctan0.2=11.3°
（9）滑動速度Vs
Vs= =4.84m/s[9]
（10）嚙合效率
由Vs=4.84 m/s查表得 ν=1°16′[9]
1 ==0.2/0.223=0.896
（11）傳動效率
取軸承效率 2=0.99 ，攪油效率3=0.98
=1×2×3=0.896×0.99×0.98=0.87
T2=T1×i×=9.55×106×5.8×19.47×0.87／1440=651559.494Nmm
（12）檢驗md1的值
md1≥=0.×651559.494×=1820＜2500.47[9]
以此確認參數(shù)滿足齒面接觸疲勞強度要求
2.確定傳動的主要尺寸
m=6.3mm，=43mm，z1=2，z2=39[10]
（1） 中心距a
a==144.35mm
(2)蝸桿尺寸
分度圓直徑d1 d1=43mm
齒頂圓直徑da1 da1=d1+2ha1=(63+2×6.3)=72.6mm
齒根圓直徑df1 df1=d1﹣2hf=63﹣2×6.3
(1+0.2)=47.88mm
導程角 tan=11.30993247° 右旋
軸向齒距 Px1=πm=3.14×6.3=19.78mm
齒輪部分長度b1 b1≥m(11+0.06×z2)=6.3×(11+0.06×39)=84.04mm
取b1=90mm
(2)蝸輪尺寸
分度圓直徑d2 d2=m×z2=6.3×39=244.7mm
齒頂高 ha2=ha*×m=6.3×1=6.3mm
齒根高 hf2= (ha*+c*)×m=(1+0.2)×6.3=7.56mm
齒頂圓直徑da2 da2=d2+2ha2=245.7+2×6.3×1.2=230.58mm
齒根圓直徑df2 df2=d2﹣2m(ha*+c*)=384﹣19.2=364.8mm
導程角 tan=11.30993247° 右旋
軸向齒距 Px2=Px1=π m=3.14×6.3=19.78mm
蝸輪齒寬b2 b2=0.75da1=0.75×75.6=56.7mm
齒寬角 sin(α/2)=b2/d1=56.7／63=0.9
蝸輪咽喉母圓半徑 rg2=a—da2／2=154.35﹣129.15=25.2mm
(3)熱平衡計算
①估算散熱面積A
A=[9]
②驗算油的工作溫度ti
室溫：通常取。
散熱系數(shù)：Ks=20 W/(㎡·℃)。
73.45℃＜80℃[9]
油溫未超過限度
（4） 潤滑方式
根據(jù)Vs=4.84m/s，查表7.14，采用浸油潤滑，油的運動粘度V40℃=350×10-6㎡/s
(5)蝸桿、蝸輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(單位：mm)
①蝸輪軸的設(shè)計
最小直徑估算
dmin≥c×
c查《機械設(shè)計》表11.3得 c=120 dmin≥=120× =47.34
根據(jù)《機械設(shè)計》表11.5，選dmin=48
d1= dmin+2a =56 a≥(0.07～0.1) dmin=4.08≈4
d2=d1+ (1～5)mm=56+4=60
d3=d2+ (1～5)mm=60+5=65
d4=d3+2a=65+2×6=77 a≥(0.07～0.1) d3=5.525≈6
h由《機械設(shè)計》表11.4查得 h=5.5[12]
b=1.4h=1.4×5.5=7.7≈8
d5=d4﹣2h=77﹣2×5.5=66
d6=d2=60
l1=70+2=72
②蝸桿軸的設(shè)計
最小直徑估算
dmin≥c× = 120×=19.09 取dmin=30
d1=dmin+2a=20+2×2.5=35 a=(0.07～0.1)dmin
d2=d1+(1～5)=35+5=40
d3=d2+2a=40+2×2=44 a=(0.07～0.1)d2
d4=d2=40
h查《機械設(shè)計》表11.4[9]
本設(shè)計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，并加臺肩和螺釘固定，螺釘選6個
幾何尺寸計算結(jié)果列于下表：
名 稱
代號
計算公式
結(jié) 果
蝸桿
中 心 距
=
a=154.35
傳 動 比
i=19.47
蝸桿分度圓
柱的導程角
蝸桿軸向壓力角
標準值
齒 數(shù)
z1=2
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
=47.88
蝸桿螺紋部分長度
名 稱
代號
計算公式
結(jié) 果
蝸輪
中 心 距
=
a=154.35
傳 動 比
i=19.47
蝸輪端面
壓力角
標準值
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
5.3軸的設(shè)計計算
1.三角輪主軸整體設(shè)計分析材料選擇（材料為45鋼）
按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為
式中: ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為；
——軸所受的扭矩，單位為；
——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為；
——軸的轉(zhuǎn)速，單位為；
——軸傳遞的功率，單位為;
——計算截面處軸的直徑，單位為；
——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)計的軸的材料選用45鋼，查機械設(shè)計手冊相表：
表1
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：
2.行星輪系軸的設(shè)計計算（材料為45鋼）
計算方法同上，此軸采用實心軸，則
應(yīng)注意的是，當鍵槽在軸段設(shè)置時，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%。四舍五入到標準直徑。這個行星齒輪系的軸段有兩個鍵槽。如果軸徑增加12%，則=10.62 1.12=11.89，圓度為12。
行星齒輪系傳動軸如圖3所示:傳動軸上有兩個鍵槽，通過鍵槽與圓柱齒輪連接，帶動齒輪傳動;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3 行星輪系軸
3 蝸桿軸的設(shè)計
（1）選擇軸的材料
選用45種鋼進行調(diào)質(zhì)。硬度HBS=230，強度極限=650 Mpa，屈服極限=360 Mpa，彎曲疲勞極限=300 Mpa，剪切疲勞極限=155 Mpa，對稱循環(huán)變應(yīng)力情況下的許用應(yīng)力=60 Mpa
(2) 初步估算軸的最小直徑
最小直徑估算
dmin≥cx= 120x=19.09 取dmin=20 [12]
（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
按軸的結(jié)構(gòu)和強度要求選取軸承處的軸徑d=25mm，采用蝸桿軸結(jié)構(gòu)，其中，齒根圓直徑mm，分度圓直徑mm，齒頂圓直徑mm，長度尺寸根據(jù)中間軸的結(jié)構(gòu)進行具體的設(shè)計，校核的方法與蝸輪軸相類似，經(jīng)過具體的設(shè)計和校核，得該蝸桿軸結(jié)構(gòu)是符合要求的，是安全的，軸的結(jié)構(gòu)見圖3.4所示：
圖3.4 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)草圖
5.4 鍵聯(lián)接的校核強度
當扭矩通過平鍵連接傳遞時，常用材料組合與標準尺寸的普通平鍵連接(靜態(tài)連接)的主要失效形式為工作面被擠壓破損。除非發(fā)生嚴重過載，否則不會發(fā)生鍵的剪斷現(xiàn)象，因此強度校核計算通常只根據(jù)工作面上的擠壓應(yīng)力進行。
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度條件為
可見鍵聯(lián)接的擠壓強度足夠。
式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。
k——鍵和輪轂鍵槽的接觸高度，k = 0.5h，此處h為鍵的高度，單位為mm。
l——鍵的工作長度，單位為mm，圓頭平鍵l = L－b，這里L為鍵的公稱長度，單位為mm；b為鍵的寬度，單位為mm。
d——軸的直徑，單位為mm。
——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠應(yīng)力，單位為。
5.5銷聯(lián)接的強度校核
銷連接是三角輪系的驅(qū)動盤與主軸之間的連接。如圖4：
已知銷聯(lián)接校核公式為：扭轉(zhuǎn)，剪切
圖4 銷聯(lián)接示意圖
已計算出爬樓車主軸傳遞的扭矩為T=73.5 Nm, =8mm，D=25mm，圓錐銷的材料為45鋼，許用切應(yīng)力=80MPa，許用擠壓應(yīng)力查表得60-90MPa
故==58.52MPa≤。
所以該銷的強度足夠。
5.6 蝸輪軸的軸承的選擇和計算
按軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，初步選用30204（GB/T297—94）圓錐滾子軸承，內(nèi)徑d=20mm,外徑D=47mm,B=14mm.
（1）計算軸承載荷
① 軸承的徑向載荷
軸承A：
軸承B：
② 軸承的軸向載荷
軸承的派生軸向力
查表得：30204軸承15°38′32″
所以，=17.173N
=23.89N
無外部軸向力。
因為＜，軸承A被“壓緊”，所以，兩軸承的軸向力為
③ 計算當量動載荷
由表查得圓錐滾子軸承30204的
取載荷系數(shù)，
軸承A：＜e
取X=1，Y=0，則
軸承B：＜e
取X=1，Y=0，則
6 爬樓車的總體設(shè)計
爬樓助力車的驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是裝置的三大系統(tǒng)。對于爬樓車來說，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;傳動系統(tǒng)是其基礎(chǔ)，如果缺少了傳動系統(tǒng)，它連水平地面上運行都無法實現(xiàn)，更不能實現(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行爬樓等運動了 。
在裝配時，我們綜合考慮了各個方面的因素，最后把傳動系統(tǒng)放在中間位置，而傳動系統(tǒng)就是車輪的水平轉(zhuǎn)動，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5是總裝圖示意圖，以前軸為例:
圖5 總裝圖的格局示意圖
⑦
⑥
⑤
④
③
②
①
圖6 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-同步帶傳動系統(tǒng)，⑦-開關(guān)組件
圖7 前輪系統(tǒng)示意圖
圖8 車架示意圖
圖9 同步帶輪示意圖
圖10 蝸桿示意圖
圖11 渦輪示意圖
圖12 三角螺母示意圖
圖13 行星輪支架示意圖
圖14 渦輪蝸桿殼體示意圖
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4-1。
圖4-1 主軸零件主視圖
7.2工藝規(guī)程設(shè)計
（1）確定毛坯的制造方法
該工件的材料選用45#，為實心階梯傳動軸，小批量生產(chǎn)，主軸作為三角輪主要傳動部件，承受很大的載荷，所以對材料的機械性能要求比較高，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4-2 主軸毛坯圖
（2） 選擇基面
基準面作為加工工藝不可或缺的基準，選取基準尤為重要，選取合理的加工基準面對于提升企業(yè)生產(chǎn)效率及保證產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。
（3）工藝路線的確定
要考慮的是零件的幾何形狀、位置、精度要求等要素，在生產(chǎn)過程中確定是批量生產(chǎn)的情況下，可以考慮使用特殊夾具，從而提高生產(chǎn)效率。
7.3工藝方案的比較
方案1是粗車，半精車，精車，這個的目的是保證工件的精度要求,此外,利用表面的加工精度高的表面作為基準,有利于保證工件精度較高,同時確保其他工件的質(zhì)量滿足要求;
方案2是先加工軸的表面，用工件中心線定位工件進行加工。這種情況下，很難保證加工質(zhì)量，容易發(fā)生加工誤差。此外，加工過程繁瑣，效率低下，所以采用方案1。表4-1給出了方案1和方案2的比較結(jié)果。
表4-1 工藝路線方案比較
工藝方案1
工藝方案2
1）正火
1）預先熱處理（正火）
2）劃線
2）劃線、車端面打中孔
3）鉆中心孔
3）粗車各外圓
4）粗車
4）熱處理（調(diào)質(zhì)）
5）
5）半精車
6）熱處理（調(diào)質(zhì)）
6）鉆中心孔
7）半精車
7）熱處理（淬火）
8）鉗工
8）鉗工（去毛刺）
9）熱處理（淬火）
9）精車
10）精車
10）立銑對稱鍵槽
11）鉗（去毛刺）
11）熱處理
12）立銑（對稱鍵槽）
12）鉗工（去毛刺）
13）熱處理
13）檢驗入庫
14）鉗工
15）鉗工（去毛刺）
16）檢驗入庫
方案1的詳細工藝流程如下：
1. 熱處理（正火）
2. 劃線
3. 鉆中心孔，車端面
4. 車大外圓至Φ26，進給量為1.0，切削深度5mm，工時為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
工時定額：
由表3.3-1得：裝夾工件時間為4.2min
由表3.3-2得：松開卸下工件時間為3.5min
由表3.3-3得：操作機床時間為：
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，進給量為1.0，切削深度10mm，工時為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
工時定額：
由表3.3-3得：操作機床時間為：
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進給量為1.0，切削深度9.75，工時為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
工時定額：
由表3.3-3得：操作機床時間為：
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，進給量0.3，切削深度0.5，工時為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
工時定額：
由表3.3-3得：操作機床時間為：
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. 立銑對稱鍵，進給量1.0切削深度4mm，工時10min
精銑時：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v=150 m/r
則n=318V/D=954m/r
工時定額：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. 檢驗入庫
7.4 本章小結(jié)
本章選取軸類零件，編制加工工藝和數(shù)控程序的編制。提出并比較了兩種處理方案。通過比較兩種方案的優(yōu)缺點，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)計總結(jié)
畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了。回顧這幾個月的設(shè)計過程，很難描述出它的味道。在本次設(shè)計中，我主要關(guān)注履帶式機器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，關(guān)鍵問題是如何實現(xiàn)履帶式機器人的自動跨越障礙物和爬升功能。最后，通過對幾種方案的比較，采用三角輪系統(tǒng)。具體方案是利用電機帶動同步帶輪和蝸輪傳動實現(xiàn)減速和增加扭矩，并帶動整個主軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)三角齒輪傳動的換向，三角齒輪傳動的換向也實現(xiàn)了爬升功能。三角齒輪系中的三個輪子通過支架連接在一起。當主軸轉(zhuǎn)動時，履帶依靠三角齒輪系中的三個輪子依次與臺階嚙合，實現(xiàn)上下樓梯的功能。
在這段設(shè)計過程中，我們遇到了很多困難和問題，甚至有些是我們沒有預料到的，從方案論證報告，前期的理論研究，中期的計算和繪制，后期的整理和修正。但是我們也學到了很多東西，這些東西也是很有價值的，通常是無法在學習中掌握的。
四年的總結(jié)和反思,畢業(yè)設(shè)計是最重要的和最大學四年反映了大學生對我們專業(yè)知識的了解和掌握,了解機械制造和生產(chǎn),下面對新問題的心理和解決新問題的能力,搜索和排序數(shù)據(jù)的能力,使用計算機的能力,我對自己有一個全面的了解。
這次畢業(yè)設(shè)計讓我受益匪淺，但也讓我反思和回憶了四年來所學到的知識，這些都可以在這次設(shè)計中得到充分的體現(xiàn)。通過這次設(shè)計，我學到了很多書本上沒有的知識和經(jīng)驗，也學會了如何將所學到的知識運用到實際工作中。然而,在設(shè)計過程中,我也意識到我的缺點,如不清楚和狹窄的思維在設(shè)計,而不是徹底的分析主題,缺乏理論知識在機械設(shè)計中,和缺乏堅實的知識機械設(shè)計的基本設(shè)計,導致大量錯誤的設(shè)計機構(gòu)。
設(shè)計是完全不同于以前的設(shè)計課程,以前的課程設(shè)計完成任務(wù),少使用知識的專業(yè)知識、理論設(shè)計,最重要的是,之前設(shè)計的參考設(shè)計,和在一起的設(shè)計。這個設(shè)計是完全不同的，它是依靠自己獨立的設(shè)計，去查閱資料，去思考。而本次設(shè)計運用了多方面的知識，并根據(jù)項目的要求來確定總體方案，然后再具體如何實現(xiàn)，用什么方法來實現(xiàn)，這就要求我們設(shè)計一個項目時要具備整體的思維和解決問題、分析問題的能力。
在設(shè)計的過程中，我遇到的大部分問題都是通過哪些方面的知識來解決的，但是我不知道如何在具體的應(yīng)用中使用它們，這是我所缺乏的能力。另外，當我思考問題的時候，我傾向于用一種相對簡單的方式來思考，這種方式不夠深思熟慮，而且往往過于理論化。但是在現(xiàn)實中，問題要復雜得多，這就需要我在工作中積累和總結(jié)經(jīng)驗。
在設(shè)計的過程中，我意識到自己在過去的學習中存在的不足。在過去的學習中，我注重專業(yè)知識，只學習理論知識。然而，我忽略了一個重要的一點:在學習中，我很少考慮如何把不同的知識作為一個整體。在設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)自己缺乏整體的設(shè)計理念，不知道如何解決這個問題。我也是我在計算機圖形學方面最大的弱點。在未來的學習中，我應(yīng)該吸取教訓，永遠不要孤立我所學到的知識。我應(yīng)該更多地思考我所學到的知識可以用在什么地方，我可以與什么其他知識相關(guān)聯(lián)，以及我們把知識用在什么地方，做到運用自如，融匯貫通。
致 謝
時光飛逝，大學的四面學習生活就要結(jié)束了。畢業(yè)設(shè)計對于我們四年的機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)課程學習測試來說，它在我們的學習中起著重要的作用。整個過程持續(xù)了三個多月。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師和同學們的幫助，在此對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)的時候給了我這樣一個難得的學習機會，讓我從中受益匪淺。通過這段時間的學習和設(shè)計，我的各個方面的能力都有了明顯的提高。
在這次畢業(yè)設(shè)計中，對我?guī)椭畲蟮氖俏业膶煛１敬萎厴I(yè)設(shè)計主要是在導師的指導下完成的。我欣賞老師嚴謹、認真、負責的態(tài)度。他對待學生很好，努力解決學生在設(shè)計過程中遇到的困難，指導我們?nèi)绾吻逦脑O(shè)計。無論是在學習上還是在生活上，他都盡自己最大的能力給我們指導和幫助，給我們很多時間和精力。在導師的幫助下，結(jié)合實踐，我解決了很多以前難以解決的問題，使我對機械有了更深的了解。同時，他也讓我通過這個設(shè)計了解了一些人生的道理，比如一個人做事情應(yīng)該注意細節(jié)，細節(jié)決定成敗，遇到問題不能慌張，冷靜思考等等，讓我受益匪淺。在此，我謹向他表示誠摯的敬意和感謝。感謝您無微不至的關(guān)懷，感謝您對我的嚴格鼓勵和諄諄教誨，是您的批評鞭策我前進得更快，謝謝!
同時，我要感謝我的同學和朋友，無論我遇到了多少問題，每個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步。正是你讓我在四年的大學生活中學習了這么多的知識和經(jīng)驗。謝謝你給我的所有關(guān)心和幫助，曾經(jīng)以為四年很長，在很短的時間內(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，無論他們遇到挫折或委屈，他們永遠是我的港灣。只要我想起我的父母在我身后，我就永遠有前進的動力。
現(xiàn)在，我即將完成我的學業(yè)，離開我已經(jīng)生活了四年的校園。我要再次感謝母校給我這樣一個環(huán)境和機會。謝謝老師，是您把知識傳授給了我;感謝我的同學和朋友，你們讓我生活得更加多姿多彩;感謝父母，是您讓我充滿動力，謝謝你們!
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