自動轉向清潔車的設計本科畢業(yè)論文

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1、湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 摘要 本次設計的自動轉向清潔車用于室內環(huán)境的清潔，清潔車可自動行走，無需人工操作。根據室內環(huán)境，當機器碰到障礙物時，可以實現(xiàn)自動轉向，從而避開障礙物，是機器在特定的區(qū)域內按不規(guī)則路線工作，配合清潔系統(tǒng)實現(xiàn)自動清潔。 此次設計的自動轉向清潔車主要考慮三個方面的設計：自動轉向機構的設計，車身機架的設計，清潔系統(tǒng)的設計。自動轉向機構由電磁離合器與行星輪組成，碰到障礙物時使兩輪的實現(xiàn)差動，從而實現(xiàn)自動轉向功能；車身機架做成圓形，在四周裝上壁輪，壁輪相對機架轉動，實現(xiàn)整臺機器的轉向；清潔系統(tǒng)由電動機、毛刷、垃圾過渡板和可抽取垃圾箱組成，清潔系統(tǒng)裝在小車的前

2、端，工作室電動機轉動，帶動毛刷滾動，垃圾通過過渡板被卷入垃圾箱內，可對較大的垃圾進行清掃、收集[1] 。 關鍵詞: 自動轉向，壁輪，清潔 ABSTRACT The design of the automatic steering clean cars for cleaning indoor environment, clean car can automatically walk, without manual operation. According to the indoor environment, when the machine

3、hits an obstacle, you can achieve automatic steering, thereby avoiding obstacles, the machine works as an irregular route within a specific area, with automatic cleaning system for cleaning. The design of the automatic steering clean cars mainly consider three aspects of the design: Design automat

4、ic steering mechanism, the design of the body frame, cleaning system. Electromagnetic clutch automatic steering mechanism consisting of planetary wheel, so when confronted obstacles to achieve differential rounds, enabling automatic steering function; body frame made ??of round, fitted wall around t

5、he wheel, the wheel relative to the frame wall rotation, to achieve the whole machine steering; cleaning system consists of motor, brush, garbage bins transition board composition and extraction cleaning system is installed in front of the car, studio motor rotates, driven brush roll in, garbage thr

6、ough the transition board is the involvement of the trash can to a large garbage cleaning, collecting.[2] Keywords: automatic steering, wall wheels, clean 目錄 摘要 I 第1章 緒論 1 1.1課題設計背景 1 1.2 國內外相關研究 1 1.3 課題設計任務 2 1.4 設計重難點 3 第2章 自動轉向清潔車的系統(tǒng)設計 4 2.1 機械結構組成 4 2.2工作原理 5 2.3 自動

7、轉向清潔車的機構設計 7 2.3.1外形設計 7 2.3.2行走機構設計 8 2.3.3 清掃機構的設計 8 第3章 運動參數計算 10 3.1電動機的選擇 10 3.2 傳動裝置的各級傳動比 11 3.3 計算各傳動裝置的運動參數 11 第4章 行星輪的設計 13 4.1配齒計算 13 4.2主要參數計算 15 4.2.1齒輪模數計算 15 4.2.2 計算幾何尺寸 15 4.3傳動強度計算及校核 16 4.3.1 彎曲強度計算與校核 16 4.3.2齒輪齒面強度的計算及校核 17 4.3.3 有關系數和接觸疲勞極限 18 第5章 直齒錐齒輪的設計 20

8、5.1 齒輪材料、熱處理方法、精度和齒數 20 5.2 確定材料許用接觸應力 20 5.3 在標準設計的準則中，根據齒面接觸疲勞強度設計 20 5.4 確定實際載荷系數與修正分度圓 21 5.5 齒根彎曲強度計算 22 第6章 軸的設計 24 6.1電機軸的設計 24 6.2動力軸的設計 25 6.3傳動軸的設計 25 6.4軸的校核 26 第7章 電磁離合器的選擇 28 第8章 展望 29 8.1 多功能化 29 8.2 超智能化 29 8.3 高性價比化 30 總結 31 參考文獻 32 致謝 33 34 第1章 緒論 1.1

9、課題設計背景 隨著生活節(jié)奏的不斷提高，人們工作后疲憊歸來希望能在一個舒適的家庭環(huán)境中好好休息，拖把已經成為人們生活中的負擔。在此背景下，自動轉向清潔車逐漸走進了家家戶戶，成為人們生活中不可缺少的一個清潔工具。但現(xiàn)有的自動清潔機器價格過于昂貴，還不能得到普及。因此，本設計利用機械機構代替?zhèn)鞲衅?，巧妙地利用行星輪機構與電磁離合器的組合來實現(xiàn)清潔車的自動轉向功能。 自動轉向清潔車能將人們從以前傳統(tǒng)沉重的人工清潔工作中解放，實現(xiàn)室內地面的自動清潔功能。在商品化的角度上看，自動轉向清潔車將大幅降低勞動強度、提高生活質量，人們只需拿著遙控器按著按鈕就能擺脫清潔工作的煩惱。于是，在具有創(chuàng)新、挑戰(zhàn)性的研究

10、中自動轉向清潔車的發(fā)展，具有重大的市場價值意義。本次設計的目的是開發(fā)一個性價比高，全區(qū)域覆蓋，可以滿足需要和方便的自動轉向清潔車，使家庭生活簡潔化、智能化、輕松化[3]。 1.2 國內外相關研究 自動進行房間地面清潔的自主式清潔服務機器，集人機學、傳感技術、控制技術、人工智能等諸多學科為一體。自動清潔機的研究始于20世紀80年代，經過30年的發(fā)展，已經生產出了許多自動清潔產品，并已商品化、實用化，在實際生活中為人們分憂解難。 世界上第一臺自動轉向清潔機器RC3000，它由傳感器和單片機控制，當感應到障礙物時，能自動改變前進方向，避免碰撞，然后繼續(xù)行走完成清潔工作。該機器矮小扁平式的設計使

11、其能夠適應家庭多變的室內環(huán)境，在沙發(fā)、衣柜、桌幾下行動自如。2002年松下電器公司推出了家用清潔機器人，它利用超聲波測距以此完成對室內環(huán)境的了解，根據地面的臟亂程度的規(guī)劃合理的清潔路徑。該機器人內置回轉體傳感器及落差傳感器用來避開障礙物，控制行走姿勢和方向。 對于自動清潔車技術（機器感知導航和定位、動力驅動、電源技術）的研究，國內的一些大學也取得了不小的成果，這些都為自動清潔機器在國內的推廣和發(fā)展奠定了堅實的基礎。 哈爾濱工業(yè)大學致力于清潔車技術的研究長達二十多年，曾聯(lián)合香港中文大學研制出了一種全方位的移動清掃機器。該機器具有如下特點：以全方位的移動技術，在一個狹窄的區(qū)域機器可自動行走轉向

12、執(zhí)行清掃工作；具有開放性，可通過編程軟件實現(xiàn)程序控制機器，使機器作為一個服務載體執(zhí)行所要實現(xiàn)的功能；多種可變工作模式，根據室內地面干凈程度，合理選擇切換工作模式，節(jié)約能源，提高清潔效率。 在2014年3月21號上海家博會上，iRobot推出了Braava系列中的最高端型號產品Braava380t。iRobotBraava380t具有更多智能系統(tǒng)，包括Pro-Clean系統(tǒng)其作用實在整個清潔過程中可以持續(xù)噴灑清潔劑，使清潔工作更徹底；配有急速充電器，比以往充電時間縮短一半，僅需兩小時就能完成充電。此款清潔機器人操作簡單，只需按下啟動按鈕就能開始工作，它有兩種清潔模式—采用干燥清潔布的干式清潔及

13、濕潤清潔布的濕擦模式，兩者相輔相成；此外還擁有輕觸式緩沖器及靜音馬達，在不打擾人們日常休息的情況下完成清潔任務，完成清潔工作后，能自動回到起點并關機，節(jié)約能源。 2014年4月14日，Nanophea運用來自荷葉的靈感，采用類似“納米蓮花效應”推出了納米清潔機器人。此自動清潔車搭配智能掃描裝置，在清潔過程中能感應到工作周圍環(huán)境的灰塵及污染物。工作時將水添加到清潔車的吸塵器中，清潔時機器通過加濕器將水滴變成水霧擴散到地面，周圍的灰塵與水霧結合在一起，最后機器通過吸塵器把灰塵與水的混合物吸附回來，之后再將水滴進行循環(huán)過濾，使水能夠重復使用。此方法，在吸塵的同時還能達到擦洗的效果，并且還能防止清潔

14、時因灰塵飛揚帶來的二次污染。 1.3 課題設計任務 本次設計的課題任務是設計一臺自動轉向清潔車，要求清潔車能在室內碰到障礙物后實現(xiàn)自動轉向功能，完成室內的清潔工作。具體設計的內容為： （1） 了解自動轉向清潔車的組成結構及工作原理； （2） 進行自動轉向清潔車的總體方案設計與零部件設計； （3） 設計原始數據： 高度： 寬度： 運行速度：約 1.4 設計重難點 根據自動轉向清潔車的工作模式和設計要求，在寬高的形體下合理設計和布置行走機構、自動轉向機構、車身機架以及清掃機構是本次設計的難點。首先，當清潔車碰到障礙物時要求其車身機架能隨著自動轉向機構一起旋轉，所以其外形設計也應

15、該仔細考慮。其次，對于室內多變的地面環(huán)境采用何種清掃方式才能安全有效地完成自動清潔工作，保證室內的清潔與干凈度。最后，在清潔時產生的垃圾如何方便快捷的收集，以及優(yōu)化布置清潔系統(tǒng)的內部結構也是本次設計中必須認真思考的問題。 第2章 自動轉向清潔車的系統(tǒng)設計 2.1 機械結構組成 本課題設計的自動轉向清潔車主要包括以下幾個部分： （1）自動轉向機構。自動轉向機構的關鍵技術在于如何使機構碰到障礙物的情況下，自動改變前進方向，轉換適當的角度，避開障礙物，實現(xiàn)自動轉向。 （2）控制電路。控制電路主要由電磁離合器和KT通電延時繼電器

16、組成，由于選用的微動觸發(fā)開關是點動的，所以需要一個延時控制電路，以實現(xiàn)電磁離合器分離后等到機構開關轉向完畢再使離合器回到接合狀態(tài)，最后，通過電磁離合器的機制來實現(xiàn)一定的轉向角。 （3）車身機架。當機器碰到障礙物而轉向時，機架能從障礙物表面滑過，使機器順利轉向。機架的主要功能是降低車身與障礙物表面的摩擦力，使機器轉向更順暢。 （4）清潔系統(tǒng)。清潔系統(tǒng)由電動機、毛刷、垃圾過渡板和可抽取垃圾箱組成，把他轉載小車前端，工作時電動機轉動，帶動毛刷滾動，垃圾通過過渡板被卷入垃圾箱內。 按結構分類移動機構有三種，分別是：行走、履帶式和輪式。自動轉向清潔車的工作環(huán)境在室內，地面大多是瓷片，無凹凸不平的環(huán)

17、境。根據三種移動機構選用的原則，本次設計選擇輪式移動機構最合適。 輪式移動機構一般有三、四輪和六輪，三輪的使用有一個相對簡單靈活的結構，但能夠滿足的需求和應用很廣泛；四輪的穩(wěn)定性好，由于重力平均分配到每個輪，因此四輪的承載能力較大，但結構較復雜；類似與四輪，六輪相比之下具有更大的承載能力和穩(wěn)定性。本次設計的自動轉向清潔車要求結構緊湊、配合緊密、移動能力好，能在室內穿梭于各種家具之間完成清潔工作。三輪移動機構正好能適應這種多遍環(huán)境，靈活地自動轉向避開障礙物，所以采用三輪結構就能滿足要求。 常用的三輪轉向裝置一般有以下方式: (1) 鉸軸轉向式: 安裝在轉向軸的轉向輪的鉸鏈，鉸鏈軸電機控制通

18、過轉向器單元和機械聯(lián)動控制轉向輪的轉向。 (2) 差速轉向式: 用于清潔汽車裝有電磁離合器驅動軸，由兩個輪差引起的電磁離合器的接合和分離，這時由于只有一個輪驅動，轉向輪機構受到偏心力，以此來控制轉向機構的直走和轉向。 鉸軸轉向裝置控制簡單方便，但精度低，可能無法正常轉向；差動轉向式控制方式復雜，但精度高。鑒于自動清潔車的轉向裝置是此次設計的重要部分，對其要求需達到一個較高的標準，所以采用差動轉向式比較好，并且其運動和轉向的精度也高一些，為以后的避障和軌跡規(guī)劃打下一個良好的基礎。因此本次移動機構采用三輪差速轉向式。 2.2工作原理 本次設計的自動轉向清潔車由多個功能模塊包括自動轉向機構、

19、車身機架、清潔系統(tǒng)等，這些模塊之間相互協(xié)調，共同協(xié)作，保證清潔車順利完成清潔工作。具體工作原理如下： 自動轉向機構由轉向機構與行星輪機構組成。 轉向輪機構簡圖如圖2.1所示。當電磁離合器處于接合狀態(tài)時，動力由動力軸通過轉角器傳遞到傳動軸，轉動軸帶動兩個輪一起同方向運動，這是轉向輪機構直走；當電磁離合器處于離合狀態(tài)時，動力由動力軸通過轉角器傳遞到傳動軸，傳動軸帶動左輪運動，而右輪與傳動軸脫開，處于自由運動狀態(tài)，形成兩輪差動，這是由于只有一個輪驅動，轉向輪機構受到偏心力，轉向輪機構轉向[6]。 圖2.1轉向輪機構 行星輪機構簡圖如圖2.2所示。當中心輪轉動、行星輪的中心O'固定時，

20、內齒輪繞O點轉動，如圖2.2a所示；當中心輪轉動。內齒輪固定時，行星輪的中心O'繞O點轉動，如圖2.2b所示。 圖2.2行星齒輪（a） 圖2.2行星齒輪（b） 將以上兩個原理綜合應用，設計出如圖2.3所示的機構。在直走狀態(tài)下，電磁離合器處于接合狀態(tài)，由彈簧的彈力固定行星輪機構的內齒輪，行星輪運動，通過錐齒輪、傳動軸帶動兩輪向前運動。當機器碰到障礙物時，由于兩輪與地面的摩擦力，兩個輪子跟地面卡死，行星輪不再作行星運動，這時候內齒輪克服彈簧的彈力開始運動，通過連桿觸發(fā)電動開關，再通過控制電路控制電磁離合器，使電磁離合器變成分離狀態(tài)，從而形成兩輪差動，實現(xiàn)自

21、動轉向機構的轉向。 圖2.3自動轉向機構 根據自動轉向機構工作的情況，機構需要通過電磁離合器來實現(xiàn)某個特定角度的轉向，需要利用電路控制轉向機構。控制電路如圖2.4所示。 圖2.4控制電路 由于選用的微調觸發(fā)開關是點動的，所以需要一個延時控制電路，以實現(xiàn)電磁離合器分離后等到機構轉向完畢再使離合器回到接合狀態(tài)。[4] 合上開關K，KT延時閉合，電磁離合器通電，處于接合狀態(tài)，這是自動轉向機構直走。 當前面有障礙物時，由于行星輪機構的作用SB被按下，KT失電而被斷開，電磁離合器失電，處于分離狀態(tài)，自動轉向輪機構開始轉向。SB被松開，KT通電，開始計時，電磁離合器仍然處于接合狀態(tài)，自

22、動轉向機構繼續(xù)轉向。當KT延時時間到閉合時，電磁離合器通電，轉換到接合狀態(tài)，自動轉向輪機構恢復直走[8]?？梢酝ㄟ^調節(jié)KT的延時時間，讓自動轉向輪機構轉不同的角度，實現(xiàn)不同軌跡的行走。 當碰到障礙物時，為了便于車身機架連同自動轉向輪一起轉向，因此把機架做成圓形，在四周裝上壁輪與自動轉向輪機構連在一起，實現(xiàn)整臺機器的轉向。 此外，作為整個系統(tǒng)的關鍵部分，自動轉向清潔車的清潔系統(tǒng)是必不可少的。清潔系統(tǒng)由電動機、毛刷、垃圾過渡板和可抽取式垃圾箱組成，設計的目的就是對較大的垃圾進行清掃、收集。清潔系統(tǒng)裝在小車的前端，工作室電動機轉動，帶動毛刷滾動，垃圾通過過渡板被卷入垃圾箱內。 2.3 自動轉向

23、清潔車的機構設計 2.3.1外形設計 根據室內清潔車的設計要求，本課題設計的清潔車包括行走機構、自動轉向機構、車身機架、清掃機構、垃圾收集機構等，其中自動轉向機構與清掃機構尤為重要，但車身機架座位整個機器的載體也不容忽視。接合生活實際與商場實體產品信息的采集，把清潔車的外形設計為長寬均為，高為的長方體，但后來發(fā)現(xiàn)按此方法設計的清潔車有菱角碰到障礙物時無法隨自動轉向輪一起旋轉避開障礙物，因此把外形改成圓形，再在四周裝上壁輪，這樣就能輕松地實現(xiàn)整臺機器的轉向[5]。其車架輪廓如下圖所示： 圖2.5車身機架 2.3.2行走機構設計 為了實現(xiàn)機器碰到障礙物的時能自動改變前進方向，轉換適當

24、的角度后再行走，避開障礙物，實現(xiàn)自動轉向。在機器的行走機構中采用電磁離合器的接合與分離來控制機構的直走與轉向，機器直走是電磁離合器處于接合狀態(tài)，動力通過動力軸傳遞到傳動軸，傳動軸帶動兩輪前進；電磁離合器斷開時，動力只傳動到左輪，而右輪與傳動軸脫開，處于自由狀態(tài)，此時，兩輪形成差動，實現(xiàn)轉向功能。 2.3.3 清掃機構的設計 清掃機構有以下三種方案： (1) 第一種方案由電機與三個斜齒輪組成。電機輸出動力，通過三個斜齒輪傳動到滾刷，由滾刷實現(xiàn)清掃功能； 圖2.6清掃機構一 (2) 電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪的軸上分別接刷子，實現(xiàn)清潔工作； 圖2.7清掃機構二

25、(3) 電機帶動錐齒輪1，錐齒輪1帶動錐齒輪2，由錐齒輪2上的軸連接滾刷，進而實現(xiàn)清掃； 圖2.8清掃機構三 方案一雖然傳動平穩(wěn)，效率高，壽命長，但是斜齒輪所占的面積大，制造成本高，選用方案一會超出設計所要求的尺寸，因而放棄此方案；方案二中蝸桿傳動比大，具有自鎖性，缺點是傳動效率低，成本高，安裝時對中心距的尺寸精度要求較高，這種方案也不合理；方案三采用兩錐齒輪傳動，由錐齒輪2上的軸連接滾刷實現(xiàn)清掃。由于錐齒輪設計、制造、安裝均較方便，而且傳動平穩(wěn)，承載能力強，占用的體積也不大，而清掃機構又是本次設計的重要部分，因此此次采用方案三中的設計。 第3章 運動參數計算 3.1電動機的選

26、擇 （1）為了避免自動轉向清潔車由于行進速度太快而撞壞及由于行進速度太慢而工作效率低下，初選行進速度，車輪轉速，根據公式，得； （2）初步估計自動轉向清潔車的總質量為，取，地面動摩擦系數，圓柱齒輪的效率，錐齒輪的效率，軸承的效率； （3）自動轉向清潔車前進時受到的轉矩 機器的有效效率 從電動機到輪子的總效率 所以電動機所需的工作效率 所以，選擇電動機的額定功率為4KW。 （4）電機轉速選擇 通常選擇電機的同步轉速為1500r/min和1000r/min。 （5）電機型號的選擇 表3.1電機參數 電動機型號 額定功率 滿載轉速 電流 額定轉矩 Y

27、112M-4 4.0kw 1440 r/min 8.77 2.2 Y132M1-6 4.0kw 960 r/min 9.40 2.0 電動機Y132M1-6相對于Y112M-4，轉矩小，轉速適中且能夠滿足性能要求，因此選用Y132M1-6比較合適。 3.2 傳動裝置的各級傳動比 （1）行星輪機構的傳動比 （2）錐齒輪的傳動比 （3）從電機到車輪的總傳動比 3.3 計算各傳動裝置的運動參數 （1）各軸的轉速 （2）計算輸入功率 I軸上行星輪的輸入功率: II軸上錐齒輪的輸入功率： 車輪的輸入功率： （3）轉矩的計算

28、 表3.2運動參數如下表 軸號 轉速n/(r/min) 輸入功率P（kW） 轉矩T（） 電動機軸 960 2.46 28.43 Ⅰ軸 192 2.17 108.13 Ⅱ軸 192 2.00 99.47 車輪 192 1.88 93.51 第4章 行星輪的設計 當遇到障礙物時為使清潔車能自動轉向，特利用行星輪機構的特點來實現(xiàn)這一功能，從而避開障礙物，使清潔車在特定的區(qū)域按不規(guī)則路線工作，配合清潔系統(tǒng)實現(xiàn)自動清潔功能。 此次設計的單級行星輪要求輸入轉速，輸入功率，傳動比，允許傳

29、動比偏差，且要求給行星輪機構簡單，體積小，傳動效率高，因此采用2K-H型，機構運動示意簡圖如下。 圖4.1行星齒輪 4.1配齒計算 以下計算所用公式、圖表由《行星齒輪傳動設計》[6]查得。 根據2K-H型行星輪的傳動比值及其配齒計算公式，可得內齒輪齒數和行星輪齒數。由于設計要求的行星輪體積小，所以選取中心輪齒數，可得內齒輪齒數： 則行星輪的齒數為： 根據行星輪傳動的特點，在設計齒輪行星傳動時，除了齒數必須滿足所要求的傳動比條件外，為使行星齒輪裝配后能正常運轉，各輪齒數應滿足以下四個條件： （1）傳動比條件 根據行星輪傳動比條件

30、 （4-1） 可得 所以中心輪和內齒輪設計使用的齒數可以滿足傳動比的要求。 （2）同心條件 為保證行星輪與中心輪、內齒輪同時正確嚙合，各輪齒數應滿足的同心條件為： （4-2） 各輪齒數滿足同心條件。 （3）裝配條件 鄰近兩個行星輪所夾的中心角=2π/ 中心輪相應轉過角，角必須等于中心輪轉過個（整數）齒所對的中心角，即 （4-3） 式中為中心輪轉過一個齒（周節(jié)）所對的中心角。

31、 （4-4） 將和代入上式，有 （4-5） 經整理后 滿足兩中心輪的齒數和應為行星輪數目的整數倍的裝配條件。 （4）鄰接條件 相鄰條件可根據為保證相鄰的行星輪齒頂圓不相交且留有大于0.5mm的間隙推導得出： （4-6） 滿足鄰接條件。 4.2主要參數計算 4.2.1齒輪模數計算 按齒根彎曲強度初算齒輪模數，公式為

32、 （4-7） 對于直齒輪傳動取算式系數； ：中心輪的名義轉矩， ； ：使用系數，根據表6-7得； ：綜合系數，查表6-5得； ：計算行星輪間載荷分布不均勻系數，根據公式6-5查得； ：中心齒輪齒形系數，圖6-22可得； 齒寬系數 ：齒輪副中中心輪齒數，； ：試驗齒輪彎曲疲勞極限，根據圖6-26～6-30取 取 4.2.2 計算幾何尺寸 （1）分度圓直徑d （2) 齒頂圓直徑 （3) 齒根圓直徑 （4）齒寬b （5) 中心距A 外嚙合齒輪副 內嚙合齒輪副 4.3傳動強度計

33、算及校核 4.3.1 彎曲強度計算與校核 （1）選擇齒輪材料及精度等級 由于中心輪要求的強度、速度及精度都不高，因此選用40Cr，調質處理，硬度，精度選用8級，要求齒面粗糙度1.6；行星輪、內齒輪參加的嚙合次數少，齒面硬度應比小齒輪低30至50，取，材料選用45號鋼，正火處理，選8級精度，要求齒面粗糙度3.2。 （2）齒形系數 ，， （3）應力修正系數 ，， （4）許用彎曲應力 ， 查《行星齒輪傳動設計》得：，， ==1； 齒根彎曲疲勞強度校核合格。 4.3.2齒輪齒面強度的計算及校核 （1）齒面接觸應力

34、 （4-8） （4-9） （4-10） （2）許用接觸應力為 許用接觸應力可按下式計算，即 （4-11） （3）強度條件 校核齒面接觸應力的強度條件：大小齒輪的計算接觸應力中的較大值均應不大于其相應的許用接觸應力為，即； 或者校核齒輪的安全系數：大、小齒輪接觸安全系數值應分別大于其對應的最小安全系數，即； 查表6-11可得，所以。 4.3.3 有關系數和接觸疲勞極限 （1）使用系數 根據表6-7 選

35、取 ； （2）動載荷系數 根據圖6-6可得； （3）齒向載荷分布系數 對于接觸情況良好的齒輪副可??； （4）齒間載荷分配系數、 根據表6-9得： ， （5）行星輪間載荷分配不均勻系數 根據公式7-13 可得： （4-12） 根據圖7-19 可得： 仿上 ； （6）節(jié)點區(qū)域系數 根據圖6-9查得； （7）彈性系數 根據表6-10查得； （8）重合度系數 根據圖6-10查得； （9）螺旋角系數 （10）試驗齒的接觸疲勞極限 根據圖6-11～圖6-15查得； （11）最小

36、安全系數、 根據表6-11可得、； （12）接觸強度計算的壽命系數 根據圖6-11查得； （13）潤滑油膜影響系數、、 根據圖6-17、圖6-18、圖6-19查得、、； （14）齒面工作硬化系數 根據圖6-20查得； （15）接觸強度計算的尺寸系數 根據圖6-21查得，得 所以，齒面接觸校核合格。 第5章 直齒錐齒輪的設計 在自動轉向機構中采用齒數比的錐齒輪作為轉角器，按無限壽命計算，動力由動力軸通過錐齒輪傳遞到傳動軸，傳動軸帶動兩個輪一起同方向運動。 以下計算所用公式、圖標由《機械設計》[7]查得。 5.1 齒輪材料、熱處理方法

37、、精度和齒數 （1）選擇齒輪材料與熱處理。根據工作條件，此次設計的清潔車采用閉式軟齒面?zhèn)鲃印２楸?-1，取齒輪材料為45號鋼，正火處理，硬度。 （2）選擇齒輪的精度。此次設計的清潔車為室內一般工作機器，速度不高，參閱表7-7，初定為8級精度。 （3）初選齒數。再設計中，小錐齒輪齒數一般為，因為該齒輪為開式齒輪傳動取最小值，所以取，。 5.2 確定材料許用接觸應力 （1）確定解除疲勞極限，由圖7-18（a）查MQ線得 （2）確定壽命系數，由已知條件，取。 （3）確定尺寸系數，由圖7-20查的 （4）確定安全系數，由表7-8取。 （5）計算許用接觸應力 5.3 在標

38、準設計的準則中，根據齒面接觸疲勞強度設計 計算接觸強度，其公式為 （5-1） 確定上式中的各計算數值如下。 （1）試選載荷系數。 （2）選取齒寬系數。 （3）由表7-5得材料的彈性影響系數。 （4）由圖7-14確定節(jié)點區(qū)域系數 。 （5）試算所需齒輪的直徑 5.4 確定實際載荷系數與修正分度圓 （1）確定使用系數，按電動機驅動，載荷平穩(wěn)，查表7-2取。 （2）確定動載荷系數 計算平均圓周速度 查表7-7，初定的8級精度足夠，由齒輪的速度與精度查圖7-8得。 （3）確定齒間載荷分配系數 錐距 齒寬初

39、定 圓周力計算 單位載荷計算 由表7-11查得 （4）確定齒向載荷分布系數 由表7-12取，有效工作齒寬，按式（7-34）計算得 （5）計算載荷系數 （6）按實際載荷系數修正所算的分度圓直徑，由式（7-12）計算得 （7）試算模數 5.5 齒根彎曲強度計算 按式（7-38）計算彎曲強度，其公式為 （5-2） 確定上式中的各計算數值如下。 （1）由圖7-21（a）確定彎曲極限應力值，取 （2）由已知條件取彎曲疲勞壽命系數 （3）由表7-8確定彎曲疲勞安全系數，查得 （4）由圖7-23確定尺寸系數，得 （

40、5）按式（7-22）計算彎曲強度需用應力得 （6）確定齒形系數、 計算分度圓錐角 計算當量齒數、 查圖7-16取 （7）確定應力校正系數，根據、由圖7-17查得。 （8）將以上各值代入公式計算得 由于齒輪的模數的大小主要取決于彎曲強度，所以將計算的結果3.1按照表7-9錐齒輪標準模數圓整為。再根據接觸疲勞強度計算出的分度圓直徑，協(xié)調相關參數與尺寸為： ， 錐齒輪分度圓直徑 這樣設計出來的錐齒輪能在保證滿足彎曲強度的前提下，取較多的齒數，做到結構緊湊，減少浪費，且重合度增加，傳動平穩(wěn)。 第6章 軸的設計

41、本次設計主要涉及以下三根軸：電機傳動到齒輪的電機軸，動力由行星輪傳遞到錐齒輪的動力軸以及錐齒輪帶動車輪轉動的傳動軸，以下分別對三根軸進行設計計算。 6.1電機軸的設計 以下計算所用公式由《機械設計》[7]查得。 （1）選擇軸的材料，確定許用應力 電機輸出的動力由電機軸傳遞到太陽輪，此時對軸的性能要求較高，因此材料用45號鋼,調質處理,由表12-1查得強度極限,許用彎曲應力。 （2）估算軸的最小直徑 按初步估算軸的最小直徑，根據表12-3取，得： （3）確定各軸段的直徑與長度 由于電機軸作為傳動軸一端連接電機一端連接與齒輪，因此取軸段直徑，為減少軸的變形同時受機器高度的影響取

42、總廠；軸另一端連中心輪，該齒輪的齒頂圓直徑（是軸的直徑），應將齒輪與軸制成一體，稱為齒輪軸。此時可選軸的直徑比第一段稍大，齒輪與軸用鍵連接，電機軸的直徑在到之間，選用的鍵的尺寸為。 設計結果畫出軸的結構草圖： 圖6.1電機軸 6.2動力軸的設計 （1）選擇軸的材料，確定許用應力 動力經行星輪后傳遞到轉角器，此時對軸比較重要，對軸要求的性能較高，因此材料用45號鋼,正火處理,由表12-1查得強度極限,許用彎曲應力。 （2）估算軸的最小直徑 按初步估算軸的最小直徑，根據表12-3取，得： （3）確定各軸段的直徑與長度 動力軸分別在兩端連接行星輪與錐齒輪，連接行星輪一段用鍵

43、固定行星輪，另一端用推力軸承固定錐齒輪，這樣可以消除因錐齒輪產生的軸向推力。因此取軸段直徑，軸長為行星輪的齒寬??；軸另一端連接錐齒輪，用推力軸承固定軸與錐齒輪，根據錐齒輪的受力情況選用單向推力球軸承5 1106，其尺寸為，因此，。中間軸段長。 設計出的草圖如下： 圖6.2動力軸 6.3傳動軸的設計 （1）選擇軸的材料，確定許用應力 傳動軸由左右兩小段通過電磁離合器連接成一個整體，左右分別裝一個車輪，車輪用圓錐滾子軸承連接軸，中間通過錐齒輪傳導來自電機的動力。此時軸比較重要，對軸要求的性能較高，因此材料選用20Cr,滲碳回火處理,由表12-1查得強度極限,許用彎曲應力。 （2）估

44、算軸的最小直徑 按初步估算軸的最小直徑，根據表12-3取，得： （3）確定各軸段的直徑與長度 清潔車的總體寬度小于400mm，取傳動軸總長。根據軸的最小直徑，選定圓錐滾子軸承30325，其尺寸為，可知軸段，由動力軸上的錐齒輪可知第二段軸的直徑為，電磁離合器的軸徑也為，可將從電磁離合器處分成左右兩段，接有電磁離合器的一段長為，錐齒輪與離合器之間留有一定的間隙，因此取。剩余的長度按機構的比例2:1對分，則，。 按結構設計出的草圖 圖6.3傳動軸 6.4軸的校核 通過對軸的各個尺寸的確定，軸上零件的位置及外載荷和支反力的作用位置也已確定，軸上的載荷可以通過計算求得，因此可按彎扭合成

45、強度條件對軸進行強度校核。對以上三根不同的軸，此處選取電機軸來進行校核。 （1）齒輪受力計算 （2）作用在軸上的反支力 垂直面內反支力： 水平面內反支力： （3）做出彎矩圖 分別計算水平面與垂直面內的力產生的彎矩 總彎矩 （4）作扭矩圖 圖6.4扭矩圖 （5）校核軸的強度 因，所以，軸是安全的。 第7章 電磁離合器的選擇 電磁離合器是主、從動件在同軸線上傳遞動力時，具有結合與分離功能的設備。電磁離合器的選擇是為了控制自動轉向機構的直走與轉向，電磁離合器接合時，清潔車直走；斷開時，清潔車左右兩輪形成差動從而轉向，避開

46、障礙物。 電磁離合器可分為：干式電磁離合器，濕式電磁離合器，磁粉離合器，轉差式電磁離合器。濕式電磁離合器工作時必須有油液或其他泠卻液冷卻和潤滑，相對較麻煩；磁粉離合器有較大滑差時溫升較大且相對價格高，不符合本次設計的目的；轉差式電磁離合器可調整勵磁電流來改變轉速，作無極變速，但工作時轉子中的渦流會產生熱量，尤其是低轉速時工作效率低。本次設計的自動清潔車轉速不高，轉差式電磁離合器也不合適。而干式電磁離合器的傳達的散熱好、扭力快、耐久性強、組裝維護容易。因此選用干式電磁離合器。再根據軸傳遞的扭矩及其規(guī)格標準選定干式單板電磁離合器CG1010AA。[12]

47、 第8章 展望 雖然我們對自動清潔車的研發(fā)已經取得了一定的成果,并且走進了千家萬戶，實用化、商品化。很多機構能實現(xiàn)的功能已被傳感器代替，清潔車的體型也越來越小，但其工作效率、清掃程度還不夠理想,因此在傳感器規(guī)劃定位和環(huán)境認知建模等問題上還需我們繼續(xù)努力。在這種情況下,自動轉向清潔車將向著多功能化、超智能化、高性價比的方向發(fā)展。[13] 8.1 多功能化 自動轉向清潔車作為一個智能移動清潔平臺,除了具有清潔地面，收集垃圾的功能之外還需集其他多功能與一身。據世界火災中心的調查報告，我國每年約發(fā)生火災三萬起，造成的總損失占國家GDP的1%，鑒于此情況，如果

48、室內清潔車能有自動防火報警系統(tǒng)將是一件多么完美的事。除此之外，家庭防盜的設計，室內環(huán)境溫度的控制，家電開關的設計等，都能給人們的生活帶來質的改變。試想下，每天下班回到家就能有一個舒適干凈的生活環(huán)境，是不是一件很美妙的事。如此集多功能與一體的清潔車才是人類未來所急需的產品，也將是人類終將實現(xiàn)的一個夢想。 8.2 超智能化 現(xiàn)在的自動轉向清潔車在清掃過程中對室內環(huán)境的的路徑規(guī)劃還不夠完善，對室內環(huán)境的感知能力也有限。因此，在家具眾多和房間數量增加的環(huán)境下,工作效率急劇下降。因此,自動轉向清潔車未來發(fā)展的一個重要方向是擁有一個超智能化的系統(tǒng)。近距離感應系統(tǒng)負責感知周圍的環(huán)境，根據周圍環(huán)境規(guī)劃出

49、清掃路徑。定位和視覺系統(tǒng)的多傳感器融合環(huán)境建模，了解室內環(huán)境骯臟程度，清理骯臟的地方集中，真正的人工智能。自動充電系統(tǒng)根據清潔車自身電量的多少，配合其他感應系統(tǒng)設計合理清潔時間，并在低電量下自動尋找插座，利用無線感應為自身提供充足的電量。多種系統(tǒng)相互配合、協(xié)調，優(yōu)化成一個超智能化的平臺。 8.3 高性價比化 自動清潔車是一個高度智能的平臺,應用了許多高性能的傳感器和先進的制造技術,因此在制造成本上偏高。試想哪個普通家庭僅僅會為了方便，而花費近萬元去買一臺清潔車，因此為了平明百姓都可以享受科技進步帶來的成果,降低成本是每個商家必須考慮的問題，是一條必由之路。在不偷工減料的情況下，為了降低其

50、成本,我們必須開發(fā)出自動清潔車專用的路徑規(guī)劃及控制系統(tǒng)。另外,藍牙、NFC技術在家電行業(yè)的應用,是值得我們借鑒的好例子。通過近距離感應技術代替高價格的傳感器，此方法有望在短時間內將智能清潔車的價格控制在千元之內。 隨著自動清潔車專用技術的研究、靜距離感應技術的應用以及性價比的不高提高，加上人們生活質量的提升，根據現(xiàn)有的軟硬件條件,相信未來幾年內自動清潔車能像普通電子產品一樣走進尋常百姓家,使科技更好地為人類服務。 總結 本次畢業(yè)設計的課題是自動轉向清潔車的設計，設計的目的是為了減輕人們的清潔負擔，讓人們回到家后，不必為臟亂的地面而煩擾，

51、為人們營造一個干凈舒適的生活環(huán)境。 自動轉向清潔車主要有三個部分組成：車身機架，自動轉向機構，清潔系統(tǒng)。由于時間有限，此次設計只完成了前面兩個部分的設計，有什么不足的地方還望老師見諒。車身機架的設計采用圓盤形，為了能使清潔車碰到障礙物時能輕松轉向，在機架上裝有壁輪。自動轉向機構由轉向輪機構與雙自由度行星輪機構組成，通過兩者原理的疊加，形成了自動轉向機構，這是本次設計的重難點。 此次自動轉向清潔車涉及圓柱直齒輪、錐齒輪、軸的結構設計，連接件如平鍵、軸承、電磁離合器的選用。通過對這些機械零件的學習，我更加了解了機械產品的設計過程及各種零件間的配合關系。懂得了齒輪只有在模數、壓力角都相同的情況下

52、才能相互正確嚙合；齒輪的根切現(xiàn)象：用展成法加工齒輪，有時會出現(xiàn)刀刃的頂部切入齒輪的根部，把齒根切去一部分，破壞漸開線齒廓；合理選擇材料、加工方法，這樣既能節(jié)約能源又能降低制造成本。 雖然我們即將離開神圣的殿堂，但此次設計并不是我們學習的終點，相反，工作中學習之路才剛剛開始。在以后的工作中我們要靈活運用所學知識，在實際生產中發(fā)揮它們的價值，學有所用，用知識的力量改變世界。 參考文獻 [1] 劉剛，趙偉. 自動清掃車[P].中國專利：200720158779，2012-04-11. [2] JohnJ.D'azzo. Linear C

53、ontrol System Analysis and Design[M].北京：清華大學出版社，2000. [3] 唐愛平. 機器人幫您做家務[N].湖南日報，2013-12-8（8）. [4] 張萬奎. 機床電氣控制[M].北京：中國林業(yè)出版社，2007. [5] 胡仁喜，劉昌麗. SolidWorks2013教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013. [6] 饒振綱. 行星齒輪傳動設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980. [7] 銀金光，劉揚. 機械設計[M].北京：清華大學出版社， 2012. [8] 徐學林. 互換性與測量技術基礎[M].長沙：湖南大學出版社，2009

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55、力。此次我設計的是自動轉向清潔車，在設計的過程中遇到不很多苦難與麻煩，但通過湯老師的指導、與同學之間的交流，經歷重重磨難，并最終完成了本次設計。 從最初選擇的論文標題，對題目的了解到設計、繪圖直至最后完成設計，都花費了不少心血。設計過程中，由于基礎知識不牢固、跨度大，我的畢業(yè)設計顯得很欠缺，所以遇到了不小的困難。其間，通過圖書館查閱資料，湯老師的悉心指導，與同學交流，反復修改，在此真誠地感謝指導老師和同學的悉心幫助。 通過此次畢業(yè)設計的鍛煉，我復習了以前學過的各科專業(yè)知識，加深了對專業(yè)知識的認知，或許這就是古人常說的“溫故而知新”。首先，自己對于鍵、離合器的選擇，齒輪、軸等的設計在實踐中又一次得到了鍛煉，培養(yǎng)了獨立思考的能力，提高了設計的思維；其次，通過這次畢業(yè)設計，我也發(fā)現(xiàn)了自己對專業(yè)知識的認知還很薄弱、不能靈活應用；最后，此次畢業(yè)設計做出的自動轉向清潔車是在我走向工作崗位前的一次磨練和檢驗，也是對大學所學知識一次全面性的復習。雖然即將離開知識的殿堂，但學習之路還很漫長。今后更應該在生活中學習，在學習中生活，路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。 學生簽名： 日 期： 年 月 日