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大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))
題 目： 微型全自主掃雪機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師： 李長(zhǎng)勇
學(xué)生姓名： 趙營(yíng)營(yíng)
所屬院系： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械工程（礦山機(jī)電）
班 級(jí)： 機(jī)械13-11
完成日期： 2017年5月25日
41
大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
聲 明
本人鄭重聲明，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文——《微型全自主掃雪機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》系本人在相關(guān)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲、剽竊他人成果，由此造成的一切后果由本人負(fù)責(zé)。
簽名：
時(shí)間： 年 月 日
新 疆 大 學(xué)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
班 級(jí)： 機(jī)械13-11 姓 名： 趙營(yíng)營(yíng)
論文（設(shè)計(jì)）題目： 微型全自主掃雪機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 題：
要求完成的內(nèi)容： 1）查閱國(guó)外文獻(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有微型自主掃雪機(jī)器人功能和結(jié)構(gòu)；
2）針對(duì)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)微型自主掃雪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；
3）利用UG建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，工程圖（A0圖1張）、零件圖（A3 圖2張）；
4）設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)一份（1.5萬(wàn)字左右）；
發(fā)題日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日
實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)單位： 地點(diǎn)：
論文頁(yè)數(shù)： 頁(yè)； 圖紙張數(shù)：
指導(dǎo)教師：
教研室主任：
院 長(zhǎng)：
摘 要
在我國(guó)北方大多數(shù)地區(qū)，冬天下雪量多，下雪時(shí)間比較長(zhǎng)，尤其是烏魯木齊，長(zhǎng)時(shí)間堆積的積雪的清除也成為城市正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。大多數(shù)地區(qū)開(kāi)始使用除雪機(jī)械來(lái)代替原始的人工掃雪。與原始的人工掃雪,除雪劑除雪相比機(jī)械式除雪具有更高的效率，更低的耗能，因此得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。
但是已有的大型掃雪機(jī)械設(shè)備不適用于如校園，小區(qū)等較窄的道路，并且目前的除雪機(jī)械中自主掃雪功能的實(shí)現(xiàn)還未成熟，因此設(shè)計(jì)出可自主實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航避障功能的自主掃雪機(jī)器人也是非常有意義的，此次設(shè)計(jì)基于國(guó)內(nèi)外已有的掃雪設(shè)備和方法研究出了一種適合較窄道路的可實(shí)時(shí)進(jìn)行清掃工作的微型全自主掃雪機(jī)器人。
本論文主要是對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，對(duì)其設(shè)計(jì)方案和工作原理進(jìn)行分析，對(duì)其重要部分的零件進(jìn)行計(jì)算和校核。最終用UG NX10.0 軟件建立出掃雪機(jī)器人各個(gè)部件的三維模型，然后進(jìn)行裝配，行成運(yùn)動(dòng)仿真。在此次設(shè)計(jì)研究中，主要用到了以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：利用 UG NX10.0 軟件建立了掃雪機(jī)零件的三維實(shí)體模型，進(jìn)行裝配后實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，導(dǎo)出二維裝配圖。利用Auto CAD 2007 軟件對(duì)導(dǎo)出的二維裝配圖進(jìn)行修改達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖紙要求。
關(guān)鍵詞 掃雪機(jī)；UG NX10.0；三維設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)計(jì)算
Abstract
Due to the xinjiang region special climate, winter time is longer, the more snow, so looking for a kind of high efficiency, structure is simple, low cost way of snow become the top priority.With the current artificial snow, snow removal agent snow removal than mechanical snow removal has higher efficiency, lower energy consumption, therefore has been widely used and rapidly developing.
But the existing large snow machinery equipment does not apply to such as campus, community and so on a narrow path, and the realization of the function of autonomic snow in the snow removal machine is not yet mature, so design can be independent autonomous navigation and obstacle avoidance and functions to sweep robot is also very meaningful,
This design is based on the domestic and foreign existing snow device and method developed a suitable for narrow roads may real-time full autonomy to sweep microrobots for cleaning work.This paper is mainly to its mechanical structure design and innovation, the design scheme and working principle were analyzed, and the important part to calculate and check the parts.Use UG NX10.0 software to create 3d modeling of all parts of the robot, create the physical model, and carry out motion simulation.In this project study, mainly adopts the following key technologies: using UG NX10.0 software 3 d entity modeling technology and assembly technology, created the snowplow components of the three-dimensional entity model, and completed the whole machine of the three-dimensional entity unit model, design for assembly is realized.
keywords The Snowplow machine; UG NX10.0; 3D design; Design calculation
V
大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒論 1
1.1 選題的意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r與趨向 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 1
1.2.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 2
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3 掃雪途徑及其應(yīng)用范圍 4
2 路面積雪性質(zhì)的研究 5
2.1 積雪的物理性質(zhì) 5
2.1.1 雪的密度 6
2.1.2 積雪的濕度 7
2.2 積雪的力學(xué)性能 7
2.2.1 積雪的硬度 7
2.2.2 積雪的摩擦系數(shù) 7
2.3 本章小結(jié) 8
3 微型全自主掃雪機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及其比較 9
3.2 微型全自主掃雪機(jī)器人的工作原理 9
3.2.1 基本結(jié)構(gòu) 9
3.2.2 工作原理 9
3.3 本章小結(jié) 10
4 行走裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核 11
4.1 設(shè)計(jì)方案 11
4.1.1 結(jié)構(gòu)組成 11
4.1.2 工作原理及工作過(guò)程 12
4.2 履帶行走裝置動(dòng)力方式的選擇 12
4.2.1 履帶行走裝置牽引力的計(jì)算 12
4.2.2 履帶行走裝置原動(dòng)機(jī)的選擇 14
4.3 履帶行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選擇 16
4.3.1 履帶的設(shè)計(jì)及選擇 16
4.3.2 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)及選擇 17
4.3.3 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及計(jì)算校核 18
4.3.4 導(dǎo)向輪，拖帶輪，支重輪的設(shè)計(jì)及選擇 20
4.3.5 履帶行走機(jī)構(gòu)螺栓的選擇與校核 22
4.4 本章小結(jié) 23
5 推雪裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核 24
5.1 推雪板的設(shè)計(jì) 24
5.2 鏟刃的設(shè)計(jì) 25
5.3 鏈接裝置的設(shè)計(jì) 25
6 掃雪裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核 27
6.1 掃雪裝置的設(shè)計(jì) 27
6.2 掃雪裝置的計(jì)算與校核 28
6.3 刷毛的選擇 30
7 三維建模與裝配及運(yùn)動(dòng)仿真 31
7.1 UG NX 10.0 功能介紹 31
7.2 UG NX 10.0 建模方法介紹 31
7.3 UG NX 10.0 用戶 32
7.4 UG NX 10.0 裝配建模 35
7.5 UG NX 10.0 運(yùn)動(dòng)仿真 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 40
VII
大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
1 緒論
1.1 選題的意義
我們知道一定的積雪對(duì)我們來(lái)說(shuō)也有一定的好處，瑞雪兆豐年，對(duì)空氣也有一定的凈化作用，但對(duì)于城市化的地區(qū)，馬路上的積雪則會(huì)造成相應(yīng)問(wèn)題。時(shí)常會(huì)造成一系列的麻煩和事故，比如說(shuō)交通堵塞或者交通事故。因此要實(shí)時(shí)對(duì)道路上的積雪進(jìn)行清理，然而目前我國(guó)的掃雪方式有人工掃雪和機(jī)械掃雪，人工掃雪既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，機(jī)械掃雪一般都是大型的機(jī)械設(shè)備，對(duì)于一些較窄路段的積雪就不能夠及時(shí)的清掃，大型機(jī)械掃雪設(shè)備不能夠滿足城市小道比如說(shuō)校園，人行道，居民小區(qū)里的較窄的街道。因此這些小道中的雪全靠人力清掃，用人工掃雪板，用十字鎬，用掃把來(lái)進(jìn)行清掃，用的全是人海戰(zhàn)術(shù)，這樣的方式不僅浪費(fèi)了大量的精力，清雪的效率也不高。這些積雪和被壓實(shí)的雪常常會(huì)引發(fā)各種交通隱患，和造成交通堵塞，因此要設(shè)計(jì)出一種效率又高，結(jié)構(gòu)又比較簡(jiǎn)單，又能實(shí)現(xiàn)自主掃雪，成本又低的掃雪機(jī)器人成為首要任務(wù)，所以在小伙伴和李長(zhǎng)勇老師以及房愛(ài)青師哥的幫助下，設(shè)計(jì)出了微型全自主掃雪機(jī)器人，用來(lái)解決較窄道路的積雪清理，不僅提高了掃雪效率，也為環(huán)衛(wèi)工人帶來(lái)了保障，降低了道路交通事故的產(chǎn)生。
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r與趨向
1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
在中國(guó)，除雪機(jī)械的研制相對(duì)晚些，80年代以后才開(kāi)始研制與開(kāi)發(fā)，在改革開(kāi)放的背景下，道路越修越好，車輛越來(lái)越多，交通也越來(lái)越復(fù)雜，接著就研發(fā)出了多種型號(hào)的除雪機(jī)械，用來(lái)清理道路上的積雪。清雪設(shè)備開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，與此同時(shí)，相關(guān)部門也開(kāi)始關(guān)注國(guó)外的先進(jìn)道路保養(yǎng)技術(shù)，并向國(guó)內(nèi)發(fā)展，最近幾年，陸續(xù)向國(guó)內(nèi)引進(jìn)了一些養(yǎng)護(hù)道路的機(jī)械設(shè)備，當(dāng)中包含一些具有清理積雪功能的設(shè)備，比如奔馳牌的 U1650 型萬(wàn)能工程車，烏尼莫克道路綜合等養(yǎng)護(hù)車。[19]
（1）產(chǎn)品級(jí)次低，功能單一
中國(guó)的掃雪方式多種多樣，在北方冬天不是特別的冷，下的雪也不是很多，下雪的天數(shù)也不多，因此就不需要太大的專門的清雪車。許多廠家生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備并非專門用來(lái)清除積雪，而是有許多其他的功能，掃雪設(shè)備也通常是一個(gè)附屬品，在設(shè)計(jì)除雪設(shè)備時(shí)，可根據(jù)汽車的情況，設(shè)計(jì)出可掃雪的推板機(jī)構(gòu)然后安裝在汽車前面或者后面，此機(jī)構(gòu)對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)狀態(tài)沒(méi)有太多的要求，因此對(duì)汽車的行走功能也沒(méi)有太大的影響。然而這種方式并不是很專業(yè)，所以一些廠家也開(kāi)始致力于除雪設(shè)備的研究和開(kāi)發(fā)，引進(jìn)高端人才，在研究上做技術(shù)支持，在擁有好的制造設(shè)備和高的研究能力下研發(fā)出高效率的機(jī)械設(shè)備。在融雪技術(shù)層面：中國(guó)使用的方法是將具有融雪作用的一些化合物灑在道路上進(jìn)行雪的融化，比如鹽巴是最常用的，再就是氯化鈉等類似物質(zhì)。[10]但是此方法會(huì)產(chǎn)生有害氣體，對(duì)環(huán)境造成污染，所以響應(yīng)國(guó)家的環(huán)保政策，要減少氯化鈉的使用，那么所用的融雪物質(zhì)就用進(jìn)口的多點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)的造價(jià)比較高。此方法在大片面積的路況使用比較合適，比如機(jī)場(chǎng)和跑道等。
（2） 產(chǎn)品簡(jiǎn)單，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)
每個(gè)商家對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都是基于最理想的使用條件，進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)研發(fā)的方式雖然一定程度上確保了專利形式的多樣化，但在產(chǎn)品的實(shí)際使用中各方面明顯不足，功能單一，在綜合使用過(guò)程中，產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)不佳。同時(shí)，有些廠商為了增加自己產(chǎn)品銷售量，縮短資金流轉(zhuǎn)周期，在產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程中投機(jī)取巧，一味的去模仿國(guó)外的產(chǎn)品技術(shù)，沒(méi)有自己的核心技術(shù)，在追求性價(jià)比的同時(shí)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。因?yàn)楦鞣N各樣的原因，現(xiàn)在全球方面并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，比如“掃雪車”。
1.2.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r
目前，國(guó)外的掃雪機(jī)械發(fā)展技術(shù)比較先進(jìn)，其各種附屬功能也更加豐富。在芬蘭、德國(guó)等歐洲北部的一些國(guó)家，掃雪機(jī)械的相關(guān)研發(fā)技術(shù)和制造過(guò)程已經(jīng)相當(dāng)成熟，走在了相關(guān)領(lǐng)域的最前列。最初的清雪機(jī)械是采用推土機(jī)或裝載機(jī)，利用其推土板和裝載斗江積雪集中在一起，后來(lái)發(fā)展成犁式除雪機(jī)。早在 1943年日本就開(kāi)始把 V 型犁裝在載重卡車上用于除雪，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外犁式除雪機(jī)已具有較高的技術(shù)水平。犁式除雪機(jī)出現(xiàn)以后，又出現(xiàn)了將用合成材料制成的紙箱圓周不同方向排列的棒裝在滾筒上作為清雪專用器械，但只對(duì)沒(méi)凍得積雪效果好，直接后來(lái)出現(xiàn)了連續(xù)快速的大型旋轉(zhuǎn)式清雪機(jī)，清理積雪的工作才變得簡(jiǎn)單。切削，調(diào)集，推移和拋投是旋轉(zhuǎn)式除雪機(jī)的功能，旋轉(zhuǎn)式除雪機(jī)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多的特點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)式掃雪機(jī)生產(chǎn)的主要國(guó)家是俄羅斯和日本，這兩個(gè)國(guó)家的技術(shù)成熟。產(chǎn)品的性能一直居在世界領(lǐng)先水平。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)路面的質(zhì)量要求也有了更高的期待，尤其是冬天路面被冰雪覆蓋，這就要求國(guó)家在公路護(hù)養(yǎng)方面對(duì)掃雪機(jī)械的投入大大增加。同時(shí)，國(guó)外較為成熟的技術(shù)研發(fā)的掃雪產(chǎn)品也幾乎可以滿足一機(jī)多用的使用性能，往往一種產(chǎn)品即可面對(duì)各種路面狀況，但是，國(guó)外的掃雪產(chǎn)品的價(jià)格也較為高昂。
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)
目前，掃雪產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)呈現(xiàn)了較為明顯的不同發(fā)展方向：
（1）體型較小、速度較高
在掃雪除冰的過(guò)程中，掃雪設(shè)備的體積尺寸和設(shè)備行走速度在一定程度上對(duì)交通狀況也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。設(shè)備本身體型太大，就會(huì)占用交通要道，影響車輛交通流。同樣，如果掃雪速度太慢，也會(huì)造成交通擁堵，給冬天本來(lái)就不好的路況造成新的困難。因此，新型的掃雪設(shè)備應(yīng)該要有較高的清雪速度和較小的設(shè)備體型，以適應(yīng)擁堵的路面。因此，除雪除冰裝置的小型化，高速度應(yīng)為掃雪設(shè)備的發(fā)展目標(biāo)。[19]
（2）多功能、高效率
為了提高掃雪設(shè)備的使用效率，掃雪設(shè)備的功能應(yīng)該向多功能多用化方向發(fā)展。設(shè)備應(yīng)該具有良好的移植互換性，表現(xiàn)為不僅可以在專用設(shè)備車型上安裝使用，而且也可以植入其他常用工程車輛，具有更加良好的兼用性能。例如，在行 駛的卡車自身地盤上進(jìn)行相關(guān)設(shè)備安裝和改造，對(duì)裝載機(jī)、挖掘機(jī)等工程車輛進(jìn)行相關(guān)研究和設(shè)計(jì)，不僅可以滿足車輛自身的使用性能，還可以兼顧拓寬設(shè)備的適用范圍。用于未來(lái)掃雪除冰的機(jī)械裝備應(yīng)采取新的技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)手段，進(jìn)一步提高除雪除冰工程設(shè)備的科技含量。
（3）智能化
掃雪設(shè)備面臨的工作路況和工作條件較為多樣化，因此難免會(huì)產(chǎn)生路面擦傷或者掃雪設(shè)備發(fā)生碰撞產(chǎn)生故障等行為。為此，新型的掃雪工程設(shè)備應(yīng)該提高對(duì)路面和工作環(huán)境的適應(yīng)性，優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)避讓機(jī)構(gòu)和設(shè)備智能化成為掃雪設(shè)備機(jī)電一體化的發(fā)展新方向。例如，增加設(shè)備相關(guān)的自控技術(shù)的投入，使設(shè)備能夠自身自動(dòng)避開(kāi)碰撞，從而減少設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的各種設(shè)備損壞狀況。
（4）安全、舒適
掃雪機(jī)械裝置的傳動(dòng)部分在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍人員產(chǎn)生一定的危險(xiǎn)，工作環(huán)境也比較惡劣，面對(duì)著寒冷和噪聲的工作環(huán)境，因此掃雪設(shè)備應(yīng)該降低操作人員的工作強(qiáng)度，提高除雪設(shè)備的使用舒適性和安全性，同時(shí)提高駕駛室工作條件，降低噪聲，使操作人員在一個(gè)舒適的環(huán)境中工作。
（5）實(shí)時(shí)化
掃雪機(jī)向?qū)崟r(shí)化除雪的方向發(fā)展可以表示為：高速清雪機(jī)械可以隨時(shí)融入道路，隨時(shí)下的雪，可以隨時(shí)清理，保證道路上不會(huì)出現(xiàn)積雪被往來(lái)車輛壓成冰層的狀況發(fā)生。這種要求就要做到不僅對(duì)道路上的交通流不會(huì)產(chǎn)生太大影響，而且可以及時(shí)消除掉可能造成交通事故的冰雪。對(duì)實(shí)時(shí)出現(xiàn)的危險(xiǎn)因素所產(chǎn)生的相關(guān)影響進(jìn)行相關(guān)處理。[8]
1.3 掃雪途徑及其應(yīng)用范圍
根據(jù)積雪路況的特點(diǎn)，掃雪作業(yè)工作方式主要分為新雪掃雪，壓實(shí)雪掃雪和薄冰處理三種路況處理方[7]。目前，我國(guó)在對(duì)路面進(jìn)行掃雪防滑處理時(shí)主要采取的途徑有：人工掃雪，機(jī)械掃雪，融雪劑掃雪，微波掃雪，綜合式掃雪。這幾種途徑當(dāng)中最主要的還是以機(jī)械掃雪為主，各種方式最主要的特色如下：
(1) 人工掃雪：人工進(jìn)行掃雪的方式比較適合于小雪天氣以及收費(fèi)站口和人行道及其他難重點(diǎn)路況，這些工作狀況不適于機(jī)械掃雪的工況要求，在應(yīng)用過(guò)程中往往困難很大且操作不便，而人工掃雪的工作方式較為靈活，各種復(fù)雜的工作狀況都可通過(guò)人工清掃的方式進(jìn)行完全的清理。但人工掃雪方式的工作效率較低，人工成本也較高，影響路面交通狀況且對(duì)操作工人的人身安全也有較大的安全患。
(2) 融雪劑掃雪：融雪劑式掃雪是通過(guò)噴灑或拋灑相關(guān)化學(xué)材料，利用其本身相關(guān)的使用性能，從而達(dá)到降低融點(diǎn)或融雪的目的。這種工作方式適用于剛?cè)攵瑫r(shí)，這時(shí)的氣候特點(diǎn)是初冬天氣氣溫偏高，雪量有點(diǎn)大，融雪劑掃雪的工作特點(diǎn)對(duì)融雪的效果還是比較明顯的。這種掃雪方式也有一定的缺點(diǎn)：對(duì)環(huán)境和道路具有相當(dāng)危害程度的污染，尤其是對(duì)道路兩旁的綠化植的影響更為嚴(yán)重，其中，以鈉鹽的影響最為厲害，不僅對(duì)植物而且對(duì)路面的腐蝕性也比較大。就將來(lái)發(fā)展的角度看，融雪劑的利用及其規(guī)模將越來(lái)越有限，如此下去它的利用將會(huì)受到越來(lái)越嚴(yán)格的限定。
（3）機(jī)械掃雪：機(jī)械形式的掃雪全天作業(yè)也不會(huì)出現(xiàn)太大的問(wèn)題，可對(duì)大，中面積的雪進(jìn)行機(jī)械清洗操作。機(jī)械式掃雪裝置能比較徹底的清除路面積雪，由于有它有高效率，環(huán)保的特點(diǎn)能快速清理積雪不會(huì)影響交通行駛。
（4）微波掃雪：目前各國(guó)研究的微波掃雪對(duì)加熱路面的深度較淺，目前的微波加熱材料只能對(duì)路面 1cm 范圍的積雪有作用，僅吸收微波發(fā)出熱量的 5%的部分，存在嚴(yán)重的能量損耗，由于加熱，道路表面的溫度升高，冰雪掃除的時(shí)間長(zhǎng)，因此微波掃雪的效率會(huì)下降。不能快速的清理高速公路上的積雪與積冰，關(guān)于這方面，國(guó)內(nèi)外有很大的發(fā)展。
（5）綜合式掃雪：一般化學(xué)形式的掃雪和機(jī)械形式的掃雪一體化的形式叫做混合式掃雪，有些螺旋葉片或推雪板等掃雪配置安裝在掃雪設(shè)備的前部分，后端部分可以裝在撒融雪劑等一些配置。根據(jù)實(shí)際情況，可以選擇混合式掃雪機(jī)現(xiàn)有的兩種功能里的一個(gè)來(lái)清除積雪，也可以兩個(gè)功能一起使用。[13]
42
2 路面積雪性質(zhì)的研究
2.1 積雪的物理性質(zhì)
為了研究，設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)更便捷的除雪裝置開(kāi)發(fā)高效率的和適合當(dāng)?shù)氐膾哐┓椒ê凸ぷ餮b置，首先要掌握積雪的基本物理性質(zhì)。再進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算掃雪設(shè)備的掃雪阻力和掃雪功率等有關(guān)的問(wèn)題。由于雪的物理性質(zhì)會(huì)不斷發(fā)生復(fù)雜的轉(zhuǎn)變，比如隨著氣候溫度的轉(zhuǎn)變，雪落下的時(shí)間的長(zhǎng)短，再或者是因?yàn)榭諝鉂穸鹊鹊脑颉Ｂ访娣e雪如此巨大的轉(zhuǎn)變都是因?yàn)檐囕v的行駛，除雪作業(yè)及水份的加入等因素導(dǎo)致的。雪的主要物理性質(zhì)直接影響除雪設(shè)備的除雪阻力和除雪功率等有關(guān)的問(wèn)題的設(shè)計(jì)計(jì)算。[18]雪的主要物理性質(zhì)包括雪的密度，濕度，硬度，摩擦系數(shù)等。路面冰雪的分類如下表：
表2-1 路面冰雪的分類
雪的形態(tài)
雪的形狀
特征
雪粒直徑大小
密度
Kg/m3
新雪
結(jié)晶狀
新下的雪
————
100
塵狀雪
粉塵狀
車輛運(yùn)行揚(yáng)起的新降的雪片分化而成的小顆粒粉末狀的雪粒
雪粒的直徑為
0.045mm-0.3mm
相互沒(méi)有毗連
270-410
粒雪
粒狀
不能飄揚(yáng)起來(lái)溫度交替變化后機(jī)械攪拌或化學(xué)處理的積雪
雪粒的直徑0.3mm以上，不毗連的圓粒
280-500
碾壓的雪
板狀
被一些行駛的車輛碾壓過(guò)的雪
直徑0.045mm-0.3mm，相互毗連的圓粒
450-745
冰雪
板狀
壓實(shí)雪熔化又凍結(jié)在一起，度在1mm 以下
直徑為0.05mm-2mm的多結(jié)晶冰，含有粒為
0.01-0.1m的氣泡
745以上
結(jié)冰
薄膜狀
結(jié)冰了的水附著在路面或雪上行成膜狀，厚度在 1mm 如下
雪顆粒的直徑為0.05mm-0.4mm 多結(jié)晶冰，含有粒為
0.01-0.1m的氣泡
————
2.1.1 雪的密度
雪的密度直接影響了微型全自主掃雪機(jī)器人的設(shè)計(jì)和計(jì)算，由于雪是水的固體形態(tài)，所以是積雪在熔化后所得的水的質(zhì)量與其熔化前積雪體積的比值就等于雪密度值，積雪的密度變化是很大的。有的學(xué)者認(rèn)為在普通的平常環(huán)境下雪的密度在 0.007-0.79g/cm3之間轉(zhuǎn)變。但前蘇聯(lián)學(xué)者則認(rèn)為雪的密度在 0.01-0.8g/cm3之間變化。雪的密度由于雪的條件，沉積條件，測(cè)量方法等因素的不同有著很大的差異，但是我國(guó)的降雪的雪質(zhì)大體上與俄羅斯的降雪雪質(zhì)一樣相符，所以我們選擇了前蘇聯(lián)的研究數(shù)據(jù)[22]
國(guó)外學(xué)者通過(guò)各種綜合的方法對(duì)雪進(jìn)行研究，測(cè)量，分析，得到下列結(jié)論：
（1）平常雪的密度會(huì)隨著下來(lái)時(shí)間的增大而增大，每個(gè)月均勻要增多 10%-20%。
（2）平常雪的密度會(huì)隨著雪下來(lái)沉積厚度的增加而增大。對(duì)兩個(gè)多月的積雪進(jìn)行測(cè)量后得到20cm 厚度的積雪密度為300-320Kg/m3，100-200cm 厚度 的積 雪 密 度 為600-649Kg/m3。
（3）新落雪的密度會(huì)隨著下雪時(shí)間的長(zhǎng)短不同而變化，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 2-2。
（4）新落雪的密度與當(dāng)?shù)販囟鹊年P(guān)系見(jiàn)表 2-3。
表2-2 雪的密度
狀態(tài)
密度g/cm3
新下雪
0.1—0.15
下了30天的雪
0.2—0.3
大于30天的雪
0.34—0.42
密實(shí)的雪
0.4—0.6
冰雪混合
0.6—0.75
冰
0.9
表2-3 新降雪密度與溫度的關(guān)系
降雪氣溫
新降雪密度
最小值
最大值
平均值
-10—-5.1
0.011
0.295
0.087
-5.1—-2.1
0.035
0.258
0.104
-2.1—-0.1
0.043
0.455
0.128
0—+2.0
0.069
0.529
0.183
+2.0以上
0.158
0.588
0.196
2.1.2 積雪的濕度
積雪的濕度對(duì)雪的工性質(zhì)有著較大的影響。積雪中的水分有雪體表面的水和薄膜水這兩個(gè)方面。我們經(jīng)常把雪的含水情況分為四個(gè)等級(jí)：水濕雪，濕雪，潮雪，干雪等。水濕雪：略微使勁就能夠擠壓出水的雪；濕雪：雪層中很明顯的看出有液體水存在的雪；潮雪：雪層中不能分離水，但卻可以凝結(jié)成塊的雪；干雪：一點(diǎn)都不含水不能凝結(jié)成塊的雪。水濕雪是這四個(gè)等級(jí)里最不穩(wěn)定的，其它三個(gè)雪使用掃雪裝置就能夠清除掉。[20]最大持水量的各類積雪表 2-4 所示。
表2-4 各種狀態(tài)雪的持水能力
雪的狀態(tài)
最大持水能力
剛降的雪（沒(méi)有風(fēng)）
0.55——0.5
剛降的雪（有風(fēng)）
0.55——0.32
沒(méi)密實(shí)的雪
0.3——0.21
密實(shí)的雪
0.2——0.12
冰
2.2 積雪的力學(xué)性能
積雪的力學(xué)性能包括硬度，摩擦系數(shù)等，這些參數(shù)在掃雪機(jī)分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中是很重要的。
2.2.1 積雪的硬度
積雪的單位面積上所能承受的壓力是指積雪的硬度，雪的硬度也稱雪的抗壓強(qiáng)度。一般情況下雪的硬度包含：松雪，稍硬雪，堅(jiān)雪，堅(jiān)實(shí)雪等四個(gè)等級(jí)。松雪：指的是除了大拇指以外的其他四個(gè)手指伸直不費(fèi)力就能夠插入到這種雪層；稍硬 雪：指的是可輕易插入一個(gè)指頭，其余手指不易插入；堅(jiān)雪：需要用鉛筆插入；堅(jiān)固雪：小刀能夠插入?？箟簭?qiáng)度時(shí)設(shè)計(jì)掃雪車中非常重要的參數(shù)是雪硬度，隨著環(huán)境的不同雪的抗壓強(qiáng)度也不同。
2.2.2 積雪的摩擦系數(shù)
積雪的摩擦系數(shù)包括雪的內(nèi)摩擦系數(shù)μ2，外摩擦系數(shù)μ1和履帶與冰雪路面的行駛阻力系數(shù)等。內(nèi)部磨擦：指雪和雪內(nèi)部與雪彼此摩擦。外磨擦：指雪和其他物體之間的磨擦；平常雪的狀況直接影響到積雪的表里磨擦。凡是路面上積雪以后，它的利用特征大大下降。對(duì)于冬季養(yǎng)護(hù)道路的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行分析和計(jì)算時(shí)，必須知道行駛阻力系數(shù)一般是大于裝置在冰雪路面運(yùn)行的附著系數(shù)和外摩擦系數(shù)的，應(yīng)為行駛阻力系數(shù)不僅產(chǎn)生摩擦，而且還發(fā)生擠壓。動(dòng)摩擦系數(shù)=壓力/所受的滑動(dòng)摩擦力所以:雪的動(dòng)摩擦系數(shù)約為0.03-0.2。
2.3 本章小結(jié)
此章節(jié)查閱了一定的資料，對(duì)路面的性質(zhì)和路面積雪的性質(zhì)做了一定的研究和了解，為此后的設(shè)計(jì)計(jì)算打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
3 微型全自主掃雪機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及其比較
方案一：前置一塊推雪板將積雪推到路邊，板后就連接著滾刷將積雪卷起，最后被拋到路邊。這種掃雪方式使用比較廣泛，但結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜，不好做到自動(dòng)控制，并且成本比較高。所以不適合微型掃雪機(jī)器人。
方案二：直接使用了鼓風(fēng)機(jī)，利用鼓風(fēng)機(jī)里吹出來(lái)的空氣將積雪高速吹到路邊。但這種吹雪式清雪方式，生產(chǎn)率高，可是只適用于新降的雪，對(duì)于碾壓的積雪不能使用，并且只能在機(jī)場(chǎng)，高速公路等寬闊的路段使用，不太適合在小區(qū)等較窄的路段使用。
方案三：車體前置分體式推雪板，分為三個(gè)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的推雪板，在遇到障礙時(shí)可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，用三個(gè)可收縮的結(jié)構(gòu)分別控制。后置掃雪刷子，可對(duì)漏雪和薄雪進(jìn)行清理，動(dòng)力都是由電動(dòng)機(jī)提供，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，容易制造，成本比較小，使用標(biāo)準(zhǔn)件維護(hù)起來(lái)比較方便，并且更適合在校園等的較窄街道使用，所以我們選擇了第三個(gè)方案。
3.2 微型全自主掃雪機(jī)器人的工作原理
3.2.1 基本結(jié)構(gòu)
此次設(shè)計(jì)的微型全自主掃雪機(jī)器人是由，原動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)裝置，推雪裝置，掃雪裝置，行走裝置組成，由于是微型全自主掃雪機(jī)器人，此次原動(dòng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)，因此需配有移動(dòng)電源，推雪裝置采用三個(gè)獨(dú)立的推雪板，掃雪裝置采用螺旋滾刷式，將雪旋到一邊，行走裝置實(shí)現(xiàn)掃雪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，采用履帶式，用電動(dòng)機(jī)鏈接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作裝置用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，完成自主掃雪。
3.2.2 工作原理
由電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力帶動(dòng)車體運(yùn)動(dòng)，工作部分依舊由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，在車體的移動(dòng)下進(jìn)行掃雪工作，各個(gè)部分都是獨(dú)立工作，因此可不斷進(jìn)行掃雪工作，微型全自主掃雪機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖：
圖3-1 微型全自主掃雪機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 本章小結(jié)
此章節(jié)內(nèi)容較少，主要是提出了設(shè)計(jì)方案和方法，以及微型自主機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理，相當(dāng)于一個(gè)總體結(jié)構(gòu)的概述。
4 行走裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核
4.1 設(shè)計(jì)方案
此次研究環(huán)境是雪地，經(jīng)過(guò)綜合考慮采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)對(duì)路面的要求較低，履帶的防護(hù)性能比輪胎好，履帶式還可增加車體重量，相應(yīng)的提高牽引力。
（1）控制方式及動(dòng)力形式：采用控制器控制，采用直流伺服電機(jī)提供動(dòng)力，移動(dòng)電源提供電力。
（2）組成結(jié)構(gòu)方式：履帶行走機(jī)構(gòu)的各個(gè)部分采用獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，用螺栓進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)拆卸和便于調(diào)整。
（3）傳動(dòng)方式的選擇：采用直流電動(dòng)機(jī)直接與減速器相連接，相應(yīng)的增大扭矩滿足設(shè)計(jì)要求，減速器輸出軸直接與驅(qū)動(dòng)輪相連接，以這樣的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。
（4）轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)：采用雙側(cè)履帶雙控方式，一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制一側(cè)履帶實(shí)現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向功能。
4.1.1 結(jié)構(gòu)組成
履帶式行走機(jī)構(gòu)由機(jī)架、履帶、電動(dòng)機(jī)、減速器、控制器、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托帶輪和張緊裝置等構(gòu)成。[12]履帶式行走機(jī)構(gòu)的自重與鏟雪裝置和掃雪裝置的重量所產(chǎn)生的載荷，通過(guò)支重輪和與其相嚙合的履帶傳到地面上。產(chǎn)生履帶行走機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。機(jī)構(gòu)如圖 4-1 所示：
圖4-1 履帶行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成
4.1.2 工作原理及工作過(guò)程
工作原理：通過(guò)單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制模塊發(fā)送控制指令到履帶式行走機(jī)構(gòu)的接收控制器，再由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩通過(guò)減速器放大后傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輪上，驅(qū)動(dòng)輪和履帶鏈之間相互嚙合，使得履帶不斷的向前卷動(dòng)，支重輪連著履帶連著地面，因此，履帶和地面接觸時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向后的摩擦力，根據(jù)牛頓第三定律，力都是相互的，因此地面會(huì)給履帶一個(gè)向前的力，大小與向后的摩擦力相等，方向相反，這個(gè)反方向的相互作用力就是使得履帶向前運(yùn)動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力的時(shí)候，支重輪在履帶內(nèi)滾動(dòng)，使得整個(gè)機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)。利用左右兩個(gè)控制器來(lái)控制左右兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶式行走機(jī)構(gòu)的直行，后退以及轉(zhuǎn)向功能，最終更好的實(shí)現(xiàn)掃雪功能。
工作過(guò)程：掃雪機(jī)器人的前置推雪板在履帶行走裝置的帶動(dòng)下進(jìn)行推雪功能，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人向后行走，后置的掃雪刷子開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，將漏雪清掃干凈，在機(jī)器人的前進(jìn)和后退下將雪清理干凈。推雪裝置，掃雪裝置，和蓄電池都可增加機(jī)器人的配重，蓄電池的位置調(diào)節(jié)對(duì)機(jī)器人的質(zhì)心調(diào)節(jié)也有很大的影響。
4.2 履帶行走裝置動(dòng)力方式的選擇
4.2.1 履帶行走裝置牽引力的計(jì)算
履帶行走裝置的牽引力必須要大于或等于各個(gè)阻力之和，在不考慮轉(zhuǎn)彎阻力，和空氣阻力的情況下，此次掃雪機(jī)器人的行走裝置的阻力主要有滾動(dòng)阻力，慣性阻力，坡道阻力，和除雪裝置工作阻力。[13]因此最大牽引力計(jì)算公式如下：
T=Tf+Tx+Tj+T∝ （4-1）
式中：T為所需總的牽引力
Tf為履帶行走裝置的滾動(dòng)阻力
Tf=G×f×cos∝ （4-2）
其中：G為整個(gè)機(jī)器人的重量
f 為履帶行走裝置的滾動(dòng)阻力系數(shù)
∝ 為最大設(shè)計(jì)坡度角度
G取100KG，由表4-1得f 取0.2，根據(jù)城市道路坡度設(shè)計(jì)原則，城市道路坡度一般為3%（高程差/水平距離），即∝取1.70。帶入計(jì)算得到履帶行走裝置的滾動(dòng)阻力為200N。
表4-1 行駛阻力系數(shù)
雪的狀態(tài)
雪的密度
阻力系數(shù)f
輪胎
履帶
松軟的
0.15——0.25
0.2——0.25
0.2
松軟潮濕的
0.15——0.25
0.3
0.2
輕碾壓的
0.25——0.35
0.15——0.2
0.1
碾壓的
0.4——0.6
0.08——0.1
0.05
冰雪
0.7
0.06——0.08
0.07——0.1
Tx為除雪裝置的工作阻力
Tx=Tx1+Tx2 （4-3）
Tx1為鏟雪裝置的阻力，Tx2為掃雪裝置的阻力。
除雪工作時(shí)產(chǎn)生的阻力為工作阻力，主要由推雪板切削雪的切削阻力Ne，雪與板面的摩擦阻力Nf，推雪板前的雪堆移動(dòng)的阻力Nr，板刃與存雪地面之間的摩擦阻力Nd組成。
Tx1=Ne+Nf+Nr+Nd=G×K0+G×μ1+G×μ2+G×μ1 （4-4）
G為所推最多雪的重量，取55KG，μ1為雪的外摩擦系數(shù)，即雪與其他物體之間的摩擦系數(shù)，μ2為雪的內(nèi)摩擦系數(shù)，即雪與雪內(nèi)部之間的摩擦系數(shù)，K0為雪的切削阻力系數(shù)。由表4-2，表4-3，表4-4，取μ1為0.085，μ2為0.3，K0為0.12。帶入計(jì)算得Tx1等于277N。
Tx2為掃雪刷子的阻力，在少量積雪的情況下，其阻力為20N。于是得到除雪裝置的工作阻力Tx為297N。
表4-2 雪的外摩擦系數(shù)μ1
雪的密度（g/cm3）
雪的溫度(0C)
-2——-4
-30——-16
0.1
0.10
0.14
0.18
0.2
0.085
0.097
0.11
0.3
0.07
0.08
0.09
0.4
0.055
0.065
0.075
0.45
0.018
0.018
0.056
0.5
0.025
0.033
0.010
表4-3 雪的內(nèi)摩擦系數(shù)μ2
雪的密度（g/cm3）
雪的溫度(0C)
0附近
-1——-6
-10度以下
0.1
0.24
0.29
0.34
0.2
0.30
0.33
0.36
0.3
0.35
0.39
0.46
0.4
0.40
0.44
0.50
0.45
0.42
0.47
0.53
0.5
0.45
0.50
0.57
表4-4 雪的切削阻力系數(shù)K0
雪的狀態(tài)
雪的密度
雪的溫度
-1——-3
-4——-22
-22以下
松軟的
0.12——0.18
0.7——1.8
0.2——0.8
0.1——1.2
密實(shí)的
0.20——0.28
2.0——1.0
1.5——3.0
2.0——5.0
小粒冰雪密實(shí)的
0.30——0.36
3.0——6.0
1.0——7.0
5.0——10
大粒冰雪密實(shí)的
0.28——0.35
1.0——7.0
3.0——6.0
5.0——9.0
Tj為履帶行走裝置的慣性阻力
Tj=σ0×Gg×dvdt （4-5）
其中σ0為回轉(zhuǎn)質(zhì)量的系數(shù)，dvdt為直線加速度，在掃雪工作過(guò)程中，直線加速度為0，因此可以不考慮慣性阻力。
T∝為履帶行走裝置的坡道阻力
Tα=G×sinα （4-6）
α取1.7，帶入計(jì)算得到Tα為30N。
因此得到總的牽引力T=200+297+30=527N。
4.2.2 履帶行走裝置原動(dòng)機(jī)的選擇
履帶行走裝置總的牽引力為527N，根據(jù)車輛行駛計(jì)算公式：
P=FV （4-7）
在設(shè)計(jì)中掃雪機(jī)器人的行走速度為0.5m/s，考慮到完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需增加一個(gè)安全系數(shù)，安全系數(shù)取1.2，帶入計(jì)算得到履帶行走機(jī)構(gòu)所需要的功率為316.2W。履帶式行走機(jī)構(gòu)在工作時(shí)需要足夠的動(dòng)力，并且該機(jī)構(gòu)為高載荷下工作，因此要考慮過(guò)載保護(hù)這一方面，所以需要配備減速器，在減速器的傳遞下不僅提高了轉(zhuǎn)矩還可以起到過(guò)載保護(hù)的功能。[11]因此我選擇了57直流無(wú)刷電機(jī)57BL115S21-203TF9無(wú)刷直流電機(jī)24V 210W 1000轉(zhuǎn)。性能表4-5，表4-6：
表4-5 無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)表
名稱
參數(shù)
額定電壓（V）
24V
空載轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）
1000
輸入電流（A）
8.75
額定轉(zhuǎn)矩（kg/cm）
0.7
額定電流（A）
13
級(jí)數(shù)
4
重量（kg）
1.22
型號(hào)
57BL115S21-203TF9
表4-6電機(jī)接線定義
電機(jī)相線定義
霍爾信號(hào)線定義
U
V
W
HU
ＨＶ
ＨＷ
Ｈ＋
Ｈ－
黃
紅
黑
黃
白
藍(lán)
紅
黑
由此根據(jù)以下公式：
Ｔ＝Ｍｒｒ （4-8）
Ｍｒ=9549×Pn （4-9）
n=60×fp （4-10）
p=T×2πn60×r=Tn/9.55 （4-11）
其中：Mr為驅(qū)動(dòng)力矩
R為驅(qū)動(dòng)輪輪動(dòng)半徑，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算為0.025MM
N為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)
P為磁極對(duì)數(shù)
帶入計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)輪所需要的驅(qū)動(dòng)力矩為6.6N.M，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為303r/min，所以需要配備傳動(dòng)比為1:4的減速器。因此我選擇了PX系列的行星減速器，減速比為1:4，可配套于57直流無(wú)刷電機(jī)。此配套減速器動(dòng)作靈敏，具有較好的調(diào)速性能。
配備電池的選擇：可配備24V的蓄電池，具有體積小，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，也能夠滿足此次設(shè)計(jì)要求，價(jià)格也合理。
4.3 履帶行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選擇
4.3.1 履帶的設(shè)計(jì)及選擇
履帶的工作環(huán)境是惡劣的冰雪天氣，因此要考慮到履帶的打滑，強(qiáng)度和剛度也必須符合此次設(shè)計(jì)要求，防滑性能要好，耐磨性能要高，盡量減少金屬材料的消耗，可以有效地減少履帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)載荷，并且具有良好的附著力，能輸出足夠的牽引力，本次設(shè)計(jì)方案機(jī)器人質(zhì)量估計(jì)為 100kg，履帶總條數(shù)為 2 條，履帶與地面接觸長(zhǎng)度為 L ，軌距為 B ，履帶板的寬度 b 必須合理的匹配，使得接地比壓，附著性能符合設(shè)計(jì)的要求。另L0 標(biāo)示接地長(zhǎng)度，h0 表示履帶的高度，G 表示機(jī)器整機(jī)質(zhì)量。[14]
履帶與地面接觸長(zhǎng)度為455mm，軌距為460mm，履帶班的寬度為5mm。
經(jīng)公式可得知：
履帶的節(jié)距T0和驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)Z會(huì)直接影響到履帶的高度，為了滿足設(shè)計(jì)要求，履帶應(yīng)該盡量選擇小的結(jié)局，驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)也應(yīng)該盡量的少。
履帶行走機(jī)構(gòu)的節(jié)距與其總重量的關(guān)系
t0=(15~17.5)4G （4-12）
帶入計(jì)算得到節(jié)距為T0=10mm
因此計(jì)算得到單側(cè)履帶的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1617mm，設(shè)計(jì)出來(lái)履帶的寬度為70mm，履帶的適合長(zhǎng)度為1800mm。履帶鏈的三維建模如下圖：
圖4-2 履帶鏈三維建模
履帶的前角和后角：水平地面和驅(qū)動(dòng)輪與第一個(gè)支重輪外圓相切的延長(zhǎng)線相交所產(chǎn)生的夾角為履帶的前角，此角度的大小直接影響了行走機(jī)構(gòu)的通過(guò)性，角度越大，履帶行走機(jī)構(gòu)的通過(guò)性越小，因此履帶行走機(jī)構(gòu)的前角不能過(guò)大也不能太小，前角過(guò)大時(shí)運(yùn)行時(shí)遇到障礙會(huì)是行走機(jī)構(gòu)受到更大的阻力，前角過(guò)小時(shí)運(yùn)行時(shí)遇到障礙會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)。后角的作用是可通過(guò)對(duì)后角的調(diào)節(jié)來(lái)改變履帶的接地長(zhǎng)度，水平地面和導(dǎo)向輪與最后一個(gè)支重輪外圓相切的延長(zhǎng)線相交所產(chǎn)生的夾角為履帶的后角，后角越大接地長(zhǎng)度越小。此次設(shè)計(jì)中履帶的前角為45度履帶的后角為50度。履帶板的三維設(shè)計(jì)如下圖：
圖4-3 履帶板三維建模
履刺的設(shè)計(jì)可相應(yīng)參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為了能夠更好的在冰雪路況下工作，設(shè)計(jì)履刺時(shí)可相應(yīng)增加履刺的高度，從而增大履刺的剪切力，增加與地面之間的摩擦力，提高負(fù)載能力和抗變形能力。履刺的結(jié)構(gòu)如下圖：
圖4-4 履刺的結(jié)構(gòu)
4.3.2 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)及選擇
此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪將設(shè)置在行走機(jī)構(gòu)的后方，這樣可以減小驅(qū)動(dòng)階段的長(zhǎng)度，防止動(dòng)力不足時(shí)履帶脫落，還能延長(zhǎng)履帶的使用壽命，提高履帶行走機(jī)構(gòu)的效率。驅(qū)動(dòng)輪的高度直接影響履帶的接地長(zhǎng)度和其中心，所以驅(qū)動(dòng)輪的高度不應(yīng)該太高，此次設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪后置，驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)為20。驅(qū)動(dòng)輪直徑為50MM。驅(qū)動(dòng)輪的三維建模如圖：
圖4-5驅(qū)動(dòng)輪的三維建模
4.3.3 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及計(jì)算校核
考慮到驅(qū)動(dòng)輪的寬度太寬，減速器的軸不足以長(zhǎng)，提供不了較大的扭矩，因此設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)軸，履帶行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)要求如下：
（1）便于加工，軸體上的部件容易拆裝；
（2）軸與軸上的組件能夠正確的配合在一起；
（3）零件的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量提高可靠性；
（4）為了避免驅(qū)動(dòng)軸被應(yīng)力破壞，應(yīng)合理的設(shè)計(jì)。
圖4-6 驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)軸
1段：為輸入軸度軸端，利用聯(lián)軸器將其與減速器的輸出軸相連接，按照強(qiáng)度計(jì)算出直徑為10MM，長(zhǎng)度為11.5MM，將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輪上，與其配合的是聯(lián)軸器。
2段：此段用于安裝密封圈，直徑為12MM，長(zhǎng)度為3MM。
3段：此段為驅(qū)動(dòng)輪安裝段，按照計(jì)算其直徑為10MM，長(zhǎng)度為35MM，將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輪上，與其相匹配的驅(qū)動(dòng)輪配合時(shí)因選用鍵連接，選擇鍵的型號(hào)為鍵3X3，為正常連接。
4段：此段采用螺紋連接來(lái)固定驅(qū)動(dòng)輪，螺母右側(cè)安裝端蓋加強(qiáng)固定。
對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行力學(xué)分析，如圖4-7：
圖4-7 驅(qū)動(dòng)軸力學(xué)性能分析圖
AB段：M（x）＝F1L1=160N.M，彎矩如圖4-8：
圖4-8 驅(qū)動(dòng)軸彎矩圖
由此彎矩圖可以得知 AB 段的最大彎矩在 B 點(diǎn)，所以根據(jù)已知的 AB 段為 12mm，所以這段軸的抗彎系數(shù)：
WZ=πd332≈7.8mm （4-13）
最大的彎曲應(yīng)力為
σmax=M BWZ=2.1MPa<σ （4-14）
經(jīng)計(jì)算此段符合設(shè)計(jì)要求。
BC 段：因?yàn)檫@段會(huì)受到扭矩根據(jù)式 可知，
T+M=0 （4-15） M=9549pkwnr.min （4-16）
T=M≈75N/m （4-17）
此段軸的扭矩如圖4-9：
圖4-9 驅(qū)動(dòng)軸扭矩圖
由此可以看出，這段軸所受的扭矩是均勻的，所以扭矩為 M,這段軸的直徑為 10mm。由式
得這段軸的抗扭截面系數(shù)為
Wt=IpR=πD316≈5×10-7mm3 （4-18）
可計(jì)算出此軸的最大切應(yīng)力
τmax=TWt=4.2MPa<τ=6MPa （4-19）
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可知這段軸強(qiáng)度和剛度符合設(shè)計(jì)的要求。
4.3.4 導(dǎo)向輪，拖帶輪，支重輪的設(shè)計(jì)及選擇
導(dǎo)向輪，拖帶輪和支重輪都選用深溝球軸承來(lái)代替，導(dǎo)向輪的作用是引導(dǎo)履帶在正確的方向上運(yùn)轉(zhuǎn)，一般放在行走裝置的前端，具體位置與驅(qū)動(dòng)輪的位置有關(guān)，行走機(jī)構(gòu)要直線行走導(dǎo)向輪和驅(qū)動(dòng)輪要置于平行的位置，導(dǎo)向輪的位置高一些有利于降低重心，此次設(shè)計(jì)重心本來(lái)就不高因此導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)輪位于同一直線上，直徑要小于驅(qū)動(dòng)輪。DDk=0.8~0.9 ，取導(dǎo)向輪直徑Dk=10mm。[12]
拖帶輪的作用是支撐起下垂的履帶，起到防止履帶應(yīng)為下垂的太多而引起的劇烈的震動(dòng)，同時(shí)也防止了履帶的脫落，一般拖帶輪受到的力也不會(huì)很大因此可以減小其尺寸和所用的個(gè)數(shù)，在此次設(shè)計(jì)中將拖帶輪與導(dǎo)向輪合二為一，用一個(gè)軸承來(lái)代替，完成這兩個(gè)作用。
支重輪的作用是用來(lái)傳遞壓力，壓力的不同分為多支點(diǎn)和少支點(diǎn)，在此次設(shè)計(jì)中需要傳遞的壓力比較大，也需要較好的穩(wěn)定性能，因此選擇了多支點(diǎn)用來(lái)均勻的分配壓力。此次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了四個(gè)支重輪，直徑為10MM，間隔比較近可以均勻的分配壓力，在合理設(shè)計(jì)支重輪間隔后使得行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，每一個(gè)時(shí)刻都有支重輪處于履帶上，防止了支重輪在履帶上的擺動(dòng)，也避免了路面不平時(shí)履帶產(chǎn)生的震動(dòng)使得履帶脫落，保證了履帶行走機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，其數(shù)量也不應(yīng)太多，太多會(huì)增加滾動(dòng)阻力。支重輪與地面離得比較近因此會(huì)容易進(jìn)入雜質(zhì)，所以在支重輪的兩邊應(yīng)該設(shè)計(jì)密封圈和軸承端蓋。導(dǎo)向輪，拖帶輪和支重輪的三維圖如下：
圖4-10 導(dǎo)向輪，拖帶輪，支重輪的三維建模
驅(qū)動(dòng)輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度公式：
n=60000vπD （4-20）
經(jīng)過(guò)計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)數(shù)n=303r/min
傳動(dòng)比μ=1000303=3.3
齒輪接觸強(qiáng)度公式為：
δH=Fnπb×1ρ1×1ρ21-μ12E1+1-μ22E2 （4-21）
其中：Fn為法相力，ρ1為曲率半徑，μ為傳動(dòng)比，E為綜合彈性模量。
驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)為20個(gè)齒，可得到驅(qū)動(dòng)輪的接觸強(qiáng)度：
σH=1230MPa<σH<1370MPa （4-22）
其中載荷系數(shù)K=1.6，μ=3.3，a=70mm，b=10mm，T=6.6N.M
解得齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
驅(qū)動(dòng)輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算：
齒根彎曲強(qiáng)度校核公式：
σF=2KFT1YFaYSaYε?dm3Z12≤σF （4-23）
其中KF為彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算得載荷系數(shù)，
T1為齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，YFa為齒形系數(shù)，YFa為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)，Yε為直齒圓柱齒輪的重合度，?d=b/d1，m為模數(shù)，Z為齒數(shù)，帶入計(jì)算得到
4.3.5 履帶行走機(jī)構(gòu)螺栓的選擇與校核
此設(shè)計(jì)中用到了許多的螺栓進(jìn)行連接，列如用螺栓將軸承與履帶板連接起來(lái)，用來(lái)做支重輪的軸承上會(huì)承受較大的力，因此所選螺栓需要有較高的強(qiáng)度和剛度，也必須對(duì)其進(jìn)行校核，選擇等級(jí)為8.8級(jí)的螺栓，螺栓型號(hào)為M10×2，材料為低碳合金鋼，抗拉強(qiáng)度為800N/mm2，[3]根據(jù)以下公式進(jìn)行校核：
圖4-11 螺栓的預(yù)緊力分析
螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為
σp=Fd0Lmin≤σp （4-24）
螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為
τ=Fπ4d02≤τ （4-25）
許用切應(yīng)力及許用擠壓應(yīng)力
τ=σsSτ σp=σsSp （4-26）
式中：F——螺栓所受的工作剪力，N；
d0——螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑），mm；
Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm，設(shè)計(jì)時(shí)Lmin≥1.25d0；
σp——螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa；
τ——螺栓材料的許用切應(yīng)力，MPa。
帶入計(jì)算得到該螺栓的選擇符合設(shè)計(jì)的要求。
4.4 本章小結(jié)
本章節(jié)是此論文的重點(diǎn)章節(jié)，對(duì)掃雪機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，通過(guò)對(duì)整體機(jī)器人的動(dòng)力及運(yùn)行方式的研究采用履帶行走式機(jī)構(gòu)。介紹了履帶行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)其各個(gè)零部件進(jìn)行計(jì)算校核，得出各個(gè)關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)與選型符合設(shè)計(jì)要求。
5 推雪裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核
5.1 推雪板的設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)自主避障功能，實(shí)現(xiàn)可自主清掃凹凸不平的路況，此次設(shè)計(jì)中將推雪鏟分為三個(gè)獨(dú)立的小塊雪鏟，分別對(duì)其進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)還沒(méi)有這種方式的雪鏟，雖然其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高，但是其自主性能更好了，總體來(lái)說(shuō)還是可以繼續(xù)進(jìn)行研究和發(fā)展。單個(gè)的雪鏟還是根據(jù)犁形的雪鏟來(lái)設(shè)計(jì)。
犁形的雪鏟是依靠車體前進(jìn)的動(dòng)力將路面的積雪堆積到一起，并且使積雪沿著一側(cè)滑到一邊，積雪在雪鏟上的運(yùn)動(dòng)類似于高速犁翻土?xí)r土塊在犁體表面的運(yùn)動(dòng)。但是雪的滑移距離要大于土塊的，因此鏟體曲面應(yīng)具有高速犁的特點(diǎn)。但是雪鏟和農(nóng)用犁制造的方法不同，農(nóng)用犁一般用鑄造的方法而雪鏟采用數(shù)控卷板機(jī)來(lái)加工出設(shè)計(jì)的曲面，經(jīng)過(guò)調(diào)查列出