濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PAGE摘要履帶式救援機器人是一款適用于多種救災(zāi)情況的綜合性救援裝備。需要有較好的通過性，環(huán)境適應(yīng)能力強，結(jié)構(gòu)簡單能夠穩(wěn)定工作和質(zhì)量輕便于運輸?shù)忍攸c。本設(shè)計裝置由動力源、底盤裝置、機械臂、轉(zhuǎn)盤以及履帶裝置組成。該裝置的動力源選擇電機，由此提供動力，經(jīng)過同步帶傳給減速器，再由聯(lián)軸器轉(zhuǎn)給行走裝置，驅(qū)動車輛行駛。同時，機械臂由液壓柱和電機控制，進行抓取任務(wù)。機械抓手伺服電機控制，由蝸輪蝸桿裝置工作，帶動機械手工作。轉(zhuǎn)盤由電機提供動力，進行轉(zhuǎn)動。本次的設(shè)計也是一個理論知識和具體實際情況相互融合的過程。本次的履帶式救援機器人的設(shè)計，主要以底盤為主要部分而展開的，結(jié)合各組成部分和功能，與總體設(shè)計方案相結(jié)合來分析，對履帶救援機器人的各部分進行了設(shè)計和對一些結(jié)構(gòu)進行改進。對驅(qū)動電機和傳動系統(tǒng)齒輪進行選型和對機器人的車架進行Ansys校核。關(guān)鍵詞：救援機器人；履帶式；機械臂；救援裝備

ABSTRACTItisacomprehensiverescuedevicesuitableforavarietyofcivildefensesituations.Itmusthavegoodtrafficcapacity,strongadaptabilitytotheenvironment,simplestructure,stablework,lightweight,convenienttransportationandsoon.Thedeviceconsistsofapowersupply,landinggear,mechanicalarm,turntableandtrackdevice.Thepowersupplyofthedeviceselectsamotorthatprovidescurrent,throughwhichthesynchronousbeltflowstothereductiongear,andthenpassesthereductiongeartothetransmissionthroughtheclutchtodrivethevehicle.Atthesametime,theroboticarmiscontrolledbyahydrauliccolumnandamotortoperformthegraspingtask.Themechanicalfixtureiscontrolledbyservomotor,andthewormgearandwormdevicedrivethemanipulatortowork.Theturntableisdrivenbyarotatingmotor.Thedraftisalsoaprocessofcombiningtheoreticalknowledgewithconcretereality.Thedesignofthetrackrescuerobotmainlytakesthechassisasthemainbody,combinesthecomponentsandfunctions,andanalyzestheoveralldesignscheme,designsthevariouscomponentsofthetrackrescuerobot,andimprovessomestructures.SelectthedrivetrainthatdrivesthemotorandgearboxandAnsysinspectstherobotframe.Keywords：Rescuerobots；crawlers；roboticarms；rescueequipment

目錄摘要 IABSTRACT II1前言 11.1目的、意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 12履帶救援機器人總體設(shè)計方案 42.1設(shè)計內(nèi)容研究 42.2總體方案 72.2.1雙電機驅(qū)動的履帶救援機器人黑箱圖[20] 72.2.2履帶式救援機器人功能分解 72.2.3履帶式救援機器人的功能結(jié)構(gòu)圖。 82.2.4履帶式救援機器人分功能求解 82.2.5履帶救援機器人方案綜合 93履帶救援機器人總體設(shè)計 113.1底盤的設(shè)計 113.2傳動系統(tǒng)的設(shè)計 123.3機械臂的設(shè)計 133.4轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的設(shè)計 143.5三角輪的設(shè)計 144相關(guān)結(jié)構(gòu)選型和校核 164.1電機的選型 164.2傳動系統(tǒng)選型 174.2.1按齒面接觸疲勞強度來設(shè)計 184.2.2按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 224.3.3幾何尺寸計算 244.3履帶式機器人車架校核 255結(jié)論 28參考文獻 29致謝 30濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PAGE30-濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計1前言1.1目的、意義我國作為世界上災(zāi)難發(fā)生次數(shù)最為頻繁的國家之一，具有災(zāi)難數(shù)量大，種類多，分布區(qū)域廣，情況復(fù)雜等特點。根據(jù)應(yīng)急管理部發(fā)布的國家自然災(zāi)害情況[1]，2023年我國的自然災(zāi)害發(fā)生的類型多，有洪澇，地震，火災(zāi)，山體滑坡等。另外，像極端天氣高低溫，寒潮，冰雹，大暴雨，大雪災(zāi)等情況也有不同程度的發(fā)生。這對救援裝備提出了巨大的挑戰(zhàn)。因此，像履帶救援機器人這類的綜合性的救援裝備的發(fā)展式迫在眉睫。我國災(zāi)害頻發(fā)，面臨著救援裝備稀缺和功能單一的狀況。履帶式救援機器人相比于通用裝備來說，具有牽引力大，負重作業(yè)優(yōu)勢明顯；通過性和爬坡能力強；適應(yīng)環(huán)境能力強等優(yōu)點，能夠出色的完成應(yīng)急救援的任務(wù)。具有救援能力的機器人的出現(xiàn)，能夠很大程度上緩解救援人員的壓力，提高救援的效率，更大程度上保證了人名群眾的生命財產(chǎn)安全，這對提高救援裝備發(fā)展具有很大價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在美國“911事件”發(fā)生后，各國政府和高校都很重視救援機器人的發(fā)展。近20年，救援機器人等智能的救援裝備熱潮正在席卷全球，機器人類救援的裝備將是大勢所趨。賈碩等在對救援機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展一文中有詳細描述，下面來介紹幾種常見的救援機器人[2]：（1）搜索救援機器人搜索救援機器人是災(zāi)難發(fā)生第一批到達現(xiàn)場的救援裝備，它的主要作用是用來搜索生命氣息和探索可能存在危險的區(qū)域。該機器人（圖1.1）結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕，具有較好的通過性。圖1.1搜索救援機器人圖1.2PackBot搜索救援機器人PackBot搜索救援機器人（如圖1.2所示），該類機器人可以很輕松的翻越障礙物，并且有很好的通過性。源于他能夠?qū)Σ煌牡匦芜M行不同程度的調(diào)整自己的結(jié)構(gòu)。（2）運載救援機器人運載救援機器人是運載救援裝備的一類機器人，是隨搜索救援機器人等帶一批到達現(xiàn)場。所以可以緩解救援人員的救援壓力，提高救援的效率。四足機器人LS3（如圖1.3）的平衡性很強，能夠根據(jù)路面自主的調(diào)整平衡，在跌倒時也能迅速的站起來。（a）（b）圖1.3LS3四足機器人（a）；MPRV多用途救援機器人（b）（3）多任務(wù)救援機器人指的是能完成多種操作，具有多種模式，集成度較高且精度較高的救援機器人。如MPRV多用途救援機器人（圖1.4）。圖1.4三角橡膠履帶輪結(jié)構(gòu)圖１-支重輪２-張緊裝置３-驅(qū)動輪４-基架５-橡膠履帶６-導(dǎo)向輪李娜等對三角橡膠履帶輪的發(fā)展現(xiàn)狀及分析一文中提及到三角橡膠履帶輪（如上圖1.4所示）[3]，該履帶輪由驅(qū)動輪，張緊裝置，機架，導(dǎo)向輪，橡膠履帶和其他部件組成。因為該結(jié)構(gòu)的驅(qū)動輪在整個三角輪的上部，導(dǎo)向輪在下部的三角的設(shè)計和橡膠的履帶，使整個輪子可以對來自地面的沖擊進行緩解和吸收。同時，高置的驅(qū)動輪也減少甚至避免了磨粒磨損。本設(shè)計可以借鑒該結(jié)構(gòu)。

2履帶救援機器人總體設(shè)計方案2.1設(shè)計內(nèi)容研究帶式救援機器人由動力源，底盤，履帶，轉(zhuǎn)盤機構(gòu)，機械臂裝置[13]等組成。本次設(shè)計就是從功能的角度設(shè)計和計算以上裝置，使他們有機組合達到最理想的效果。履帶式救援機器人在實現(xiàn)其功能的前提下應(yīng)該有簡單、緊湊的結(jié)構(gòu)，較好的通過性，較高的性價比，較好工作效率，也能夠適應(yīng)各種的搶險救災(zāi)現(xiàn)場完成搶險作業(yè)。（1）履帶履帶傳動[14]是一種常用的動力傳動方式，廣泛應(yīng)用于工程機械、挖掘機、拖拉機等在外作業(yè)的車輛。它具有承載能力強、抗壓能力高、通過不同的幅度變換可以實現(xiàn)機械的行進等優(yōu)點。本次設(shè)計方案主要包括三角橡膠履帶（圖1.4）,傳送帶式履帶（圖2.1）[4]，和鉸接式履帶（圖2.2）[5]等。圖2.1傳動帶履帶履齒1、邊膠帶2、中間膠帶3、導(dǎo)向塊4和固定螺栓5喬曙光，董存賢等設(shè)計了一種用于機器人地盤的鉸鏈履帶式行走傳動裝置(圖2.2)[5]，該裝置由鉸接式履帶鏈條、驅(qū)動輪、從動輪系、擺臂、張緊裝置及上下托鏈塊組成。該履帶塊背部有橡膠，可以緩沖吸震。鏈條由履帶塊前后鉸接連成的，履帶塊采用的是壓鑄工藝，故其質(zhì)量較輕。背部有橡膠塊，因為結(jié)構(gòu)簡單，降低了制造成本。故，本設(shè)計可以采用。圖2.2鉸接履帶式行走傳動裝置（2）底盤蔣玉杰在汽車底盤選用與養(yǎng)護[11]中提到關(guān)于底盤。本次設(shè)計主要有：前搖臂減震履帶式機器人底盤（圖2.3）[6]，變形式雙履帶機器人底盤（圖2.4）[6]這兩類。圖2.3前搖臂履帶式機器人底盤（a）變形前（b）變形后圖2.4變形式雙履帶機器人底盤分析以上兩類底盤，可以結(jié)合二者的優(yōu)點，確定一種具有兩條履帶的底盤。即綜合型底盤。（3）動力源動力源為整個機器人系統(tǒng)移動，抓取等功能提供動力[15]。LIYu-tan,ZHUHua,LIMeng-gang,LIPeng等人設(shè)計了用于煤礦救援機器人的雙電機驅(qū)動履帶式裝置[8]，該裝置的主要創(chuàng)新點在于采用了雙電機驅(qū)動履帶式單元，具有速度驅(qū)動模式和扭矩驅(qū)動模式。表現(xiàn)出較高的動態(tài)性能。本次設(shè)計可以采用。（4）轉(zhuǎn)盤機構(gòu)轉(zhuǎn)盤機構(gòu)使工作裝置及上部轉(zhuǎn)臺部分發(fā)生轉(zhuǎn)動，方便機械臂進行抓取工作。（5）行走機構(gòu)機器人行走機構(gòu)[16]的根據(jù)驅(qū)動原理不同，可以分為輪式、支撐臂式、履帶式以及復(fù)合式等。本次設(shè)計選擇履帶式。張旭在裝煤機履帶行走機構(gòu)選用分析[9]一文中寫到履帶行走機構(gòu)主要包括：履帶鏈、張緊裝置、導(dǎo)向輪、履帶架、驅(qū)動裝置、支重輪等部分。本設(shè)計可適當(dāng)借鑒該結(jié)構(gòu)。（6）機械臂機械臂主要功能是對障礙物的抓取，以實現(xiàn)救援目的。王嘉凌[10]在救援機器人的機械手和避障系統(tǒng)研究與實驗中對機械手進行了分類，按照其驅(qū)動方式的不同可以分為：液壓氣壓式、電力式和機械驅(qū)動式機械手。周吉設(shè)計了一款機械臂[7]，主要構(gòu)件有：齒輪、螺栓、螺母、螺釘、墊片、連接片、電機等。本次設(shè)計的機械臂（圖2.5）有5個自由度，由渦輪蝸桿傳動帶動連接片，然后出傳遞動力給前部的機械手指，使其進行平行的張開與閉合。圖2.5機械臂 圖2.6機械臂張傳昊等人設(shè)計了一款機械臂[12]（圖2.6），該機械臂有三個自由度。該機構(gòu)由１—提升關(guān)節(jié)；２—擺動關(guān)節(jié)；３—旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；４—末端執(zhí)行器組成。綜上，履帶式救援機器人，需要在各種環(huán)境下進行救援作業(yè)，因此在設(shè)計時應(yīng)該充分考慮。本此設(shè)計的主要內(nèi)容就是對救援機器人的各個組成部分設(shè)計，然后整合，優(yōu)化，使之達到要求。預(yù)期研究結(jié)果：本次設(shè)計的履帶式救援機器人，是在搶險救災(zāi)的第一現(xiàn)場，為維護人名群眾的生命財產(chǎn)安全所使用的。能適應(yīng)各種的地形和環(huán)境，工作效率高等另外還具備以下特點；(1)結(jié)構(gòu)簡單；(2)維修方便；(3)性價比高；(4)性能穩(wěn)定；(5)工作效率高；(6)通過性好；(7)操作方便；2.2總體方案2.2.1雙電機驅(qū)動的履帶救援機器人黑箱圖[20]履帶式救援機器人履帶式救援機器人障礙物電能操作指令噪聲發(fā)熱搬走的障礙物機械能，熱能輪子轉(zhuǎn)動圖2.7履帶式救援機器人的黑箱圖2.2.2履帶式救援機器人功能分解履帶式救援機器人履帶式救援機器人驅(qū)動行駛抓取運輸行走清障機械臂圖2.8履帶式救援機器人的功能分解圖2.2.3履帶式救援機器人的功能結(jié)構(gòu)圖。電動機電動機行走傳動裝置齒輪裝置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動機械臂運動電能噪聲發(fā)熱轉(zhuǎn)盤電機圖2.9履帶式救援機器人的功能結(jié)構(gòu)圖2.2.4履帶式救援機器人分功能求解（1）驅(qū)動功能求解驅(qū)動功能可以由電動機驅(qū)動，內(nèi)燃機驅(qū)動，混合驅(qū)動三種方式[17]。（2）行駛功能求解行駛功能可以用車輪式，復(fù)合式，履帶式，支撐臂式等四種。（3）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動方式功能求解轉(zhuǎn)動方式功能可以用齒輪式，帶傳動式，蝸輪蝸桿式，鏈傳動式等四種方式。（4）機械臂抓取功能求解機械臂抓取功能按照其驅(qū)動方式的不同[9，]可以分為：液壓式氣壓、電力式和機械驅(qū)動式等三類。（5）履帶履帶分為：傳送帶式，三角橡膠式和鉸接履帶式三類。2.2.5履帶救援機器人方案綜合表2.1功能求解功能元功能元解1功能元解2功能元解3功能元解4驅(qū)動電動機內(nèi)燃機混合驅(qū)動行走裝置車輪式履帶式支撐臂復(fù)合式轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動齒輪式帶傳動電機式鏈傳動式抓取液壓氣壓式電力臂式機械驅(qū)動式履帶底盤傳送帶式前搖臂式三角橡膠式變形式鉸接式綜合型式驅(qū)動電動機內(nèi)燃機混合驅(qū)動N=3*4*4*3*3*3=1296種，即救援機器人共有1296種。下面從1296種選擇三種進行對比分析：表2.2方案選型方案驅(qū)動行走轉(zhuǎn)盤抓取履帶底盤方案一電機履帶式電機式液壓氣壓式傳送帶式綜合型式方案二電機履帶式齒輪式液壓氣壓式三角橡膠式變形式方案三混合驅(qū)動履帶式電機式液壓氣壓式三角橡膠式綜合型式方案二和方案一相比，主要在轉(zhuǎn)盤功能和底盤類型不同。方案一的電機式轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動相比于機械式具有質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，控制準(zhǔn)確等優(yōu)點。故電機式的轉(zhuǎn)盤更好。對于底盤的選擇，變形式底盤通過電機和齒輪組來進行變形，直到適合翻越地形的形狀，來實現(xiàn)翻越障礙物的目的。但是該種方案不適合履帶救援機器人的多種地形，因為地形各不相同，所以需要履帶的變形量很準(zhǔn)確。這對變形的電機要求很高，而且電機加齒輪組的組合結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，不適合維修與攜帶，執(zhí)行救援任務(wù)。因為該底盤的變形實質(zhì)上是一個四連桿機構(gòu)，這就導(dǎo)致變形可能不穩(wěn)定，就需要一個固定裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。綜上，變形式不適合履帶救援機器人。而綜合型的底盤是結(jié)合變形式底盤和前搖臂式底盤的優(yōu)點，能夠在翻越障礙物時，前三角輪旋轉(zhuǎn)，達到翻越障礙物的目的。而且綜合型底盤更具有現(xiàn)行走方便、動力強勁，易于操控、翻越障礙、通過性好等諸多特點。故選方案一方案三和方案一相比，主要在于驅(qū)動方式和履帶類型不同。電動機和混合驅(qū)動方式相比，電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，便于維修，成本低，性價比高等優(yōu)點。故電機驅(qū)動更好。對于傳送帶式履帶來說，該履帶由于是通過履帶塊鉸接在一塊，故便于維修和更換。對于三角橡膠式履帶來說，該履帶能緩沖吸震，價格便宜，可以適當(dāng)?shù)睦?。履帶救援機器人工作環(huán)境較為復(fù)雜，如沼澤，雪地，山區(qū)，泥石流等情況。而傳送帶式剛好能適應(yīng)，三角橡膠式履帶在高溫，沼澤，雨雪環(huán)境，可能發(fā)生打滑等情況。因此，傳送帶式履帶能夠滿足履帶救援機器人的需求。故方案一好。綜上，方案一相比于其他兩個方案相比，優(yōu)勢明顯，故選方案一最為最終方案。

3履帶救援機器人總體設(shè)計3.1底盤的設(shè)計本文設(shè)計的底盤為綜合型機器人底盤（如圖3.1）。該底盤由伺服電機將動力通過減速機構(gòu)傳遞給后輪帶輪和三角帶輪，通過履帶驅(qū)動機器人行駛。采用雙電機驅(qū)動，能同時保證三角輪和后輪的動力供給，在遇到障礙物時使三角輪旋轉(zhuǎn)而達到翻越障礙物的目的。這極大的提高了通過性和動力性。圖3.1底盤車架的功能是支撐和連接汽車的各個部件，同時承受內(nèi)外的各種負荷[15]。目前，汽車車架根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為中央梁式、側(cè)梁式和整體式。在本次設(shè)計中，使用了側(cè)梁式車架。側(cè)梁式車架是由多個橫梁和兩個縱梁連接而成的，因為簡單自由的布局和卓越的設(shè)計方案和性能，被各類汽車廣泛應(yīng)用。自主設(shè)計的車架如圖3.2所示。圖3.2車架3.2傳動系統(tǒng)的設(shè)計傳動系統(tǒng)[15]的功能為：將動力裝置所產(chǎn)生的動力通過中間的傳動裝置，傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，最后驅(qū)使車輛前行和后退。該傳動系統(tǒng)由皮帶傳動機構(gòu)，減速器裝置和凸緣聯(lián)軸器構(gòu)成。其動力傳動過程為：電池→皮帶→減速器→凸緣聯(lián)軸器→帶輪。本次自主設(shè)計的傳動系統(tǒng)如圖3.3和圖3.4所示。圖3.3傳動系統(tǒng)圖3.4減速器帶傳動因為有彈性滑動，所以可以緩沖吸震，且結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，價格低廉，便于維護，工作的軸距大，也可以交錯軸船體動力等特點，在近代機械傳動中應(yīng)用十分廣泛。本此設(shè)計的傳動系統(tǒng)的傳送帶選擇的是同步帶，帶的傳動表面的齒形與帶輪嚙合進行傳動。同步帶因為傳動本質(zhì)式嚙合傳動，所以傳動比高，傳動效率好，與其他帶相比，能傳動較大的力和力矩。其次，同步帶的厚度與其他帶相比，厚度較薄，而且是嚙合傳動，所以適合在高速運動的場合。再者，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，耐磨性好。圖3.5同步帶3.3機械臂的設(shè)計機械臂主要由：臂桿，機械抓手，伺服電機和液壓桿組成。主要功能為抓取、移動障礙物，以達到清障救援的目的。其中，機械抓手由伺服電機提供動力，由蝸輪蝸桿裝置和皮帶的設(shè)計來帶動機械抓手的手指張開和閉合（傳動示意圖如下圖所示）。本次設(shè)計的機械臂共有5個自由度。如下圖所示。圖3.6機械臂圖3.7機械抓手3.4轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的設(shè)計轉(zhuǎn)盤機構(gòu)使機械臂和上部轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，以便機械手進行抓取。本文設(shè)計的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)為外齒型的單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承，因能承受綜合力矩且安裝簡便、易于維護、節(jié)省安裝空間，被起重機、挖掘機、回轉(zhuǎn)式輸送機等廣泛運用。主要由外圈，內(nèi)圈和滾動體構(gòu)成。轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的外圈與機械臂的底部圓盤通過螺栓組連接，內(nèi)圈與機器人的車殼連接，轉(zhuǎn)盤電機與外圈齒圈嚙合，通過轉(zhuǎn)盤電機的轉(zhuǎn)動使外圈轉(zhuǎn)動，進而達到機械臂轉(zhuǎn)動的目的。示意圖如圖3.8所示。（a）（b）圖3.8回轉(zhuǎn)支承軸承(a)中間剖開的示意圖;(b)去掉內(nèi)圈圖3.5三角輪的設(shè)計由綜合性的底盤的設(shè)計，自主設(shè)計了此三角輪。該三角輪由兩個引導(dǎo)輪、一個傳動輪、一個帶輪、三角盤和皮帶等構(gòu)成。其動力由傳動系統(tǒng)傳到帶輪，再由皮帶傳給傳動輪，然后傳遞給履帶，驅(qū)動機器人行駛。由于三角的設(shè)計，那么就使該機器人在遇到障礙時可以輕松翻越，以提高通過性能。機構(gòu)如下圖3.9所示。（b）圖3.9三角輪（a）和爆炸示意圖（b）綜上，本文所設(shè)計的履帶救援機器人（如下圖3.10）主要包括減速機構(gòu)，底盤，機械臂和轉(zhuǎn)盤機構(gòu)等。圖3.10履帶式救援機器人的總裝配圖4相關(guān)結(jié)構(gòu)選型和校核4.1電機的選型根據(jù)密度公式ρ=m/v（45鋼的密度為7.85g/cm3），故整車質(zhì)量，如式（1）所示：m總=ρ×V=7.85×15.3≈120kg（4.我們設(shè)定該車的行駛速度v為1.5m/s，根據(jù)轉(zhuǎn)速與線速度的關(guān)系有：n=v×60π×d=1.5×60π×144=0.2r/min根據(jù)F=μ×N，可以知道整車的負載為：F=μ×N=μ×m×g=0.9×120×9.8=1058.4（N）（所以整車的輸出功率：p出=F×v=1587.6（w）電機的輸出功率按pn式中，η總由式η總=ηb?ηr2?ηg?ηc再結(jié)合機械傳動系統(tǒng)中各傳動副的效率（下表4.1），取v帶的傳動效率ηη總=ηb?ηr2表4.1傳動系統(tǒng)效率故，pn=p出η總=由于本車工作環(huán)境較復(fù)雜，故選用高慣量電機。根據(jù)西門子公司SIMOTICS1FL6電機下圖4.1，有2.0kw電機較為符合，即選用1FL6067-1AC61-2型號。圖4.1西門子公司SIMOTICS1FL6電機4.2傳動系統(tǒng)選型已知條件：選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，壓力角取為20°。電機為1FL6067-1AC61-2型號，額定扭矩為9.5N·m，額定速度為2000rpm。齒數(shù)比u=2.3，小齒輪齒數(shù)z1=15。故，大齒輪齒數(shù)z2=15×2.3=34.5，取z2=35。4.2.1按齒面接觸疲勞強度來設(shè)計(1)試算小齒輪分度圓直徑，即d1t≥32KHtT1)確定公式中的各參數(shù)值①試選KHt=1.3。②小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=9.5N·m=9.5×103N·mm。③由表4.2-1選取齒寬系數(shù)?d=1④計算區(qū)城系數(shù)ZH。ZH=22cosαsinα⑤由表4.3，可以查得材料的彈性影響系數(shù)zε=189.8MPa1/2⑥計算接觸疲勞強度用重合度系數(shù)Zε。αa1=cos-1z1cosαa1=cos-1z2cosεα=z1tanαa1-tan==Zε=24-εα3=2⑦計算接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]=500.5MPa。表4.2圓柱齒輪的齒寬系數(shù)?表4.3彈性影響系數(shù)ZE2)試算小齒輪分度圓直徑d1t≥32×1.3×9.5×103(2)調(diào)整小齒輪分度圓直徑1)計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備①圓周速度v。v=πd1tn160×1000=π×27.682×2000②)齒寬b。b=?dd1=1×27.682=27.682（mm2)計算實際載荷系數(shù)KH。①由表4.4有KA=1.75。②由圖4.2有KV=1.05。③求KHaFt1=2T1KAFt1b=查表4.5得：KHa=1.2。④取KHβ=1.358。所以，可以計算到實際載荷系數(shù)如式（4.18）：KH=KAKV表4.4使用系數(shù)KA圖4.2動載荷系數(shù)KV表4.5齒間載荷分配系數(shù)KHa、KFa3)故，可得按實際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑:d1H=3KHKHt及相應(yīng)的齒輪模數(shù)mH=d1HZ14.2.2按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計（1）試算模數(shù)，有mt≥32KFtT1Y1)各參數(shù)確定①取KFt=1.3。②彎曲疲勞強度用重合度系數(shù)為：Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.75③計算Y2)試算模數(shù)：mt≥32KFt(2)調(diào)整齒輪模數(shù)1)計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。①圓周速度v。d1=mtz1=1.289×15=19.335（mmv=πd1n160×1000=②齒寬b。b=?dd1=1×19.335=19.335（mm③寬高比b/hh=2ha*+bh=19.3352.9=6.6672)計算實際載荷系數(shù)KF。①根據(jù)v=2.025m/s，再由表4.2查得KV=1.04。②由Ft1=2T1d1=2×9.5×③取KHβ=1.358,結(jié)合b/h=6.667查圖4.6，得K則載荷系數(shù)為：KF=KAKV3)可得按實際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)：mF=mt3KH及相應(yīng)的小齒輪分度圓直徑d1F=mFz1=1.655×15=24.825圖4.6彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)KFβ對比計算結(jié)果，因為齒輪模數(shù)的大小主要由齒根彎曲疲勞強度決定；齒輪的直徑主要由齒面接觸疲勞強度。故，齒輪模數(shù)可取mF=1.655，圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.0（mm）：取z1=18，則大齒輪齒數(shù)z24.3.3幾何尺寸計算(1)計算分度圓直徑d1=z1m=18×2.0=36d2=z2m=41×2.0=82（2）計算中心距α=d1+d2主要設(shè)計結(jié)論：齒數(shù)z1=18，z2=41，模數(shù)m=2.0mm，壓力角a=20°，中心距a=59mm。4.3履帶式機器人車架校核1.模型材料參數(shù)救援機器人車架材料選用45鋼，安全系數(shù)取1.5。45鋼的材料信息如圖4.3-1所示：表4.645鋼材料參數(shù)直徑dmm抗拉強度Mpa屈服點Mpa斷后伸長率%斷面收縮率%硬度HBWd=25≥600≥355≥16≥40≤2292網(wǎng)格劃分為了保證可靠性，所以去掉非必要的倒角對履帶救援機器人的車架模型進行處理。將網(wǎng)格劃分為四面體網(wǎng)格，單元尺寸2.0mm，示意圖如下圖4.7所示。圖4.7車架網(wǎng)格示意圖3預(yù)應(yīng)力設(shè)置電機和電池總重約40kg，對其車架與電池和電機的接觸面（該車架的上表面）和車架的前部的上表面施加預(yù)應(yīng)力400N，如圖4.8所示。圖4.8車架受力圖4靜力學(xué)求解結(jié)果圖4.9車架應(yīng)力云圖圖4.10變形云圖由圖4.3-5可以看出，在載荷400N下，車架最大應(yīng)力發(fā)生的位置在后車架與中間邊梁交界焊接處，其最大值為116.63MPa。由于該車架選用的是45鋼，且該車工作環(huán)境較為復(fù)雜，所以安全系數(shù)s取1.5。45鋼的許用應(yīng)力為[σ]=355÷1.5=236（Mpa）?116.63（

5結(jié)論本次設(shè)計是關(guān)于履帶救援機器人的整體的設(shè)計，包括轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、機械臂機構(gòu)、底盤、傳動系統(tǒng)等設(shè)計，其中對動力源和傳動系進行了選型和一些主要的零部件的校核。本次的設(shè)計是一個理論知識和具體實際相結(jié)合的過程。本次的履帶式救援機器人的設(shè)計，主要以底盤為主要部分而展開的，結(jié)合各組成部分和功能，與總體設(shè)計方案相結(jié)合來分析。本次設(shè)計的主要完成的工作：（1）簡述了履帶式救援機器人的現(xiàn)狀和發(fā)展前景，介紹了相關(guān)機構(gòu)，明確了研究內(nèi)容，為以下研究做鋪墊。（2）對履帶救援機器人的整體結(jié)構(gòu)進行了分析，確定了各組成部分和相應(yīng)的功能要求，并對這些機構(gòu)進行了分析和選型。對多個方案具體討論，在與實際情況結(jié)合，確定了最終的總體設(shè)計方案。（3）結(jié)合最終的設(shè)計方案，對機器人的底盤、傳動系統(tǒng)、機械臂、轉(zhuǎn)盤機構(gòu)和三角輪等部分進行了建立模型。其中，在建立模型的過程中，對機構(gòu)的各零件組成，工作原理和工作特點有了清晰認(rèn)識，結(jié)合實際環(huán)境，進行相應(yīng)的設(shè)計。（4）對動力源和傳動系統(tǒng)進行了選型和參數(shù)的計算。選擇1FL6067-1AC61-2型號電機，額定扭矩為9.5N·m，額定速度為2000rpm。對機器人的車架進行了有限元分析校核。本次設(shè)計在結(jié)合和借鑒最終選型方案的基礎(chǔ)上，對底盤、機械臂和轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的各個零件進行了自主設(shè)計，在用ansys進行校核，改善和優(yōu)化此結(jié)構(gòu)。從選擇方案到具體設(shè)計，在到最后的校核，使相應(yīng)零件布置更加合理，相應(yīng)設(shè)計更符合要求。參考文獻[1]劉麗萍.國家防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)委員會辦公室應(yīng)急管理部發(fā)布2023年全國自然災(zāi)害基本情況[N].中華人民共和國應(yīng)急管理部，2024.01.20.[2]賈碩,張文昌,吳航等.救援機器人研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2019,40(08):90-95+100.DOI:10.19745/j.1003-8868.2019205.[3]李娜,周進,張華等.三角橡膠履帶輪技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及分析[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2019,40(11):209-219.DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2019.11.34.[4]徐剛,呂愛玲,倪令華等.傳送帶式履帶[P].山東：CN2630082,2004-08-04.[5]喬曙光,董存賢.一種鉸接式履帶行走傳動裝置的設(shè)計[J].機械工程師,2022(09):160-162+165.[6]邢智慧.一種履帶式機器人底盤方案設(shè)計[J].冶金管理,2021(07):53+61.[7]周吉.履帶式多功能救援機器人的設(shè)計與制作[J].職業(yè)教育(下旬刊),2018(22):17-18.[8]LiY,ZhuH,LiM,etal.Anovelexplosion-proofwalkingsystem:Twindual-motordrivetrackedunitsforcoalminerescuerobots[J].JournalofCentralSouthUniversity,2016,23(10):2570-2577.[9]張旭.裝煤機履帶行走機構(gòu)選用分析[J].