1、玻璃清洁机器人的设计本科生毕业设计题 目： 玻璃清洁机器人的设计 目 录中文摘要及关键词 .I英文摘要及关键词 II第一章 绪论 11.1 课题目的、意义 .11.2 相关研究动态 .11.3 课题的主要内容 .2第二章 玻璃清洁机器人总体方案设计 32.1 清洁机器人的总体方案 .32.2 清洁机器人传动系统方案 .32.2 玻璃清洁机器人清洗系统方案 .42.3 玻璃清洁机器人爬行系统方案 .52.4 其它部分方案 .82.4.1 材料选择 82.4.2 轮的润滑问题 82.4.3 轴承的润滑问题 82.5 本章小结 .9第三章 玻璃清洁机器人传动系统设计 .103.1 玻璃清洁机器人电动
2、机的选择 103.2 直齿轮副的设计计算 123.2.1 齿面接触疲劳强度计算 .143.2.2 齿根抗弯疲劳强度验算 .163.2.3 齿面静强度计算 .173.2.4 齿根（抗弯）静强度验算 .18玻璃清洁机器人的设计3.3 锥齿轮副的设计计算 183.3.1 基础尺寸确定 .183.3.2 确定载荷系数 K .203.3.3 齿面接触疲劳强度计算 .203.3.4 齿根抗弯疲劳强度计算 .213.4 中心轴管的受力分析 223.5 中心轴管的强度校核 233.6 键的校核 243.7 轴承的校核 253.3 本章小结 26第四章 玻璃清洁机器人清洗系统设计 .274.1 清洗机器清洗部分
3、设计 294.1.1 盘刷设计 .294.1.2 滚刷设计 .304.1.3 清洗部分所用弹簧的设计 .304.2 内空心轴设计 364.3 清洗机主机滚轮的设计 374.4 主机上传感器及行程开关的选择 374.5 复合缆的结构设计 .384.6 本章小结 38第五章 玻璃清洁机器人吸附系统设计 .395.1 吸附原理 395.2 吸附方式的实现 405.2.1 风机推力 405.2.2 负压的产生 435.3 采用风压吸附的意义 435.5 气动计算的原始数据与技术要求 445.6 风压部分力学计算 .445.7 本章小结 46结论 47参考文献 48玻璃清洁机器人的设计致 谢 50玻璃清
4、洁机器人的设计中文摘要及关键词摘要:本文在简单介绍玻璃清洁机器人的国内外研究现状的基础上，基软件 CAD对四轮式风压吸附玻璃清洁机器人的本体机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是玻璃清洁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用风压吸附方式，利用螺旋桨对空气的压缩所产生的压力将机器人压在物体玻璃，避免了清晰机器人对壁面的局限，降低了控制难度；清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成；采用无人化清洗，自动清洗，自动供水，自动供清洗液，单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作，而且在清洗过程中，清洗机
5、能够自动进行边缘识别，可根据建筑楼层的具体情况选择为纵洗或横洗；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，使用直齿圆柱齿轮传动装置作为减速器；采用楼顶供电；机器人可以在水平面或者垂直玻璃直线行走。本机的清洗效率较高，清洗效果良好。关键词：玻璃清洁机器人；风压吸附；齿轮机构；清洗玻璃清洁机器人的设计I英文摘要及关键词Abstract：This paper introduces the research status of glass cleaning robot, based on the CAD-based software for the four-wheel pre
6、ssure adsorption glass cleaning robot body mechanism is designed, some of the key parts of the design calculations and checking calculation, the focus It is designed to move the structure, adsorption structure and drive system climbing robot calculations. Four-wheel-type car-shaped structure, the st
7、ructure is simple; using adsorption pressure, the pressure of a propeller of air compression generated by the robot pressed glass objects, avoiding the limitations of the robot clear the wall, reducing the difficulty of control; scrubber mainly by the servo suspension system, scrub and host computer
8、 control system; the use of unmanned scrub, scrub automatic, automatic water supply, automatic solution for scrubbing, single-chip system control, the operator simply by manipulating the keyboard to work scrubbing machine, and in the process of scrubbing, scrubbing machines capable of automatic edge
9、 detection can be selected for the vertical or horizontal wash wash according to the specific circumstances of the building floor; rear-wheel drive, a motor driving the rear wheels, rear wheel drive complete robot walking, using a spur gear transmission as the reducer; using powered roof; the robot
10、can walk in a straight line horizontal or vertical glass. High efficiency of the scrubbing machine, scrubbing to good effect.Keywords: Glass cleaning robot; adsorption pressure; gear mechanism; brushing玻璃清洁机器人的设计0第一章 绪论1.1 课题目的、意义随着时代的进步 ,人们住的楼层也越来越高，擦玻璃变成了很难办的事情，在智能机器人如火如荼得发展过程中，目前具有一定的智能性的清洁机器人也成为
11、研究热点之一,智能清洁机器人系统的研究在发达国家受到广泛的关注,许多高科技应用领域,以及实际生产实践中的特殊应用环境的强烈需求更成为它不断发展的强劲动力。近年来,都市中的高层建筑越来越多,目前对高层建筑的玻璃窗的清洗工作主要还是由清洗工人搭乘吊篮完成的,传统的人工清洗方式既危险,效率又低且成本高，但如果自己清洗的话不仅有危险而且费时费力，况且现在更多的人们希望从繁琐的日常事务中解放出来，因此迫切需要一种设备协助甚至替代人来完成玻璃的清洗工作。1.2 相关研究动态国外方面，日本是机器人发展较为发达的国家，其对智能机器人的研究实力雄厚，值得我们学习，下图的多用途壁面机器人是一个日本开发的清洁机器人
12、的范例：该机器人自重 100kg，同时可载 150kg 负重，小车的车轮上具有磁性设计，采用磁吸附方式吸附在墙壁上，可直接越过坑洼不平的墙面以及其他墙上的不明障碍物，多用于桥墩底部、玻璃幕墙等检测和修复作业。图 1.1 多用途壁面机器人 1 图 1.2 双车体机器人 2上图的双车体机器人也是由日本人研制，其采用负压吸盘吸附，在运行过程中吸盘与壁面之间产生有滑动密封效果，强大的大气压能够保证小车不会从墙壁上滑落，由四个高摩擦系数的轮子贴合在墙壁面上，在吸盘保持负压的过程中，机器人通过控制轮子的正反转控制机器人的行走方向，轮子的差速保证了机器人的转弯功能的实现，且由于四个轮子均为独立控制，所以该机
13、器人控制起来显得格外灵活。国内方面，虽然起步较晚，但也已经有了相对成熟的东西，图 1.3 为北京航空航玻璃清洁机器人的设计1天大学机器人研究所研制的用于清洗国家大剧院玻璃幕墙的样机，图上所示为该机器人工作在国家大剧院的场景，其由攀爬机构、俯仰调节机构、移动机构和清洗机构等部分构成，总长约 3m, 高 0.5m，宽 1m, 整个机身主体由铝型材搭建而成，不仅强度高而且相对重量也轻了许多，其在工作过程中把安装在建筑物上的滑动导杆作为中介，成功避免了机器人对建筑物的直接抓取所可能带来的损伤以及其他不安全因素。图 1.3 北航清洁机器人 3通过对上述文献的分析，无论是国外的多用途壁面机器人还是国内的清
14、洗机器人，在体积及重量上都相对较大，多用途壁面机器人本身就重达 100kg，显然这个重量是普通家庭玻璃难以承受的，而北航机器人研究所所研发的清洁机器人样机高度竟然达到了 1.9 米,这对于比较宽阔的玻璃幕墙来说,清洗起来确实方便、迅速，但是对于一些普通的家庭玻璃窗来说,这明显是不合适的。1.3 课题的主要内容本文设计的玻璃清洁机器人主要是用于清洗城市高层建筑的玻璃幕墙，用于替代人来完成玻璃的清洗工作，首先确定玻璃清洁机器人的整体方案以及详细机械结构的设计，然后阐述本课题控制系统的设计，最后介绍机器人实体样机的调试，最后完成玻璃清洁机器人的清洗工作。设计一套完整实用且效率高的玻璃清洁机器人，首先
15、要了解国内外相关玻璃清洁器的发展现状，其次根据现状拟定数种设计方案，比较优劣后得出最佳方案，作为整体方案；进而阐述控制系统，清洗系统，吸附系统，传动系统等各个系统的设计，最后介绍机器人实体样机的调试，完成玻璃清洁机器人的清洗工作。玻璃清洁机器人的设计2第二章 玻璃清洁机器人总体方案设计2.1 清洁机器人的总体方案根据玻璃清洁机器人清洗作业的要求，机器人首先必须具备清洗作业功能和控制功能，此外玻璃清洁机器人还必须在高层建筑物玻璃进行吸附和移动，因此玻璃清洁机器人系统应该包括机器人清洗系统、爬壁系统和控制系统三大部分。主机主要由箱体，支撑架，防护罩，刷子，电机，螺旋桨吸附系统，齿轮传动系统等组成。
16、通过螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上，并使刷子压紧，产生一定的清洗压力，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。主机有一悬吊支撑架，其外侧与悬吊系统相连，可调吸附系统安装在悬吊支撑架背后，吸附系统可通过调节螺旋浆转速控制清洗力，悬吊支撑架通过一圆导轨和箱体（其上安装两盘两滚）相连，所有的清洗装置均安装在该箱体上，清洗系统由固定在悬吊支撑架上的步进电机通过齿轮传动系统执行以 90为单位的转动动作以实现横洗和纵洗的转换。箱体上有两个圆盘形清洗刷，盘刷底部都有十二个清洗液喷射孔，另有两圆柱形滚刷，在其行走前方有清水喷射孔，并安装一软质刮水板，以使清洗过的部位快速风干并避免留下来的清洗液腐蚀玻璃。箱体上
17、还有一电机通过锥形齿轮将转动传到其中一个盘型清洗刷上，再通过齿轮传动系统将转动传递给另一盘刷，所以两盘刷转动方向相反，可以达到更好的清洗效果，圆柱形滚刷是由电机尾部的轴通过V 带驱动的。在悬吊支撑架上有防护罩，防止清洗液四溅。清水，清洗液，电机的供电和控制电缆都是是由复合缆供给的，复合缆连接悬吊系统。在风压支架上有配重块，配重块可以沿光杠丝杠移动。通过调节配重块可以调节系统平衡，以达到减小震动的效果。在清洗机主体的上下部安放超声波传感器，以进行边缘识别。箱体上装有两对滚轮，滚轮通过电机驱动，以实现前后移动，而转向通过箱体的转动实现。2.2 清洁机器人传动系统方案通过电动机带动一对锥齿轮实现换向
18、，然后通过齿轮啮合传递给另外一组毛刷机构，如图 2.1 所示玻璃清洁机器人的设计3图 2.1 机器人传动系统结构图2.3 玻璃清洁机器人清洗系统方案根据以上提出的技术性能及要求，初步确定清洗方案如下：第一种：结构简图如图 2.2：此种方案采用负压履带吸盘式盘滚组合式清洗，由于受到玻璃玻璃材料的影响较大，一般情况下，每两块瓷砖之间都有 45 毫米的缝隙，密封不可靠。图 2.2 结构一 图 2.3 结构二第二种：结构简图如图 2.3：这种方案采用了风压式压紧，盘滚组合式清洗，清洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中间传动的需要，结构不对称,风扇的中心与刷子的中心不重合，清洗压力不均匀，中心不稳定，
19、容易引起震动问题。但可以考虑配重问题。第三种：结构简图如图 2.4：玻璃清洁机器人的设计4图 2.4 结构三这种方案吸取了第二种方案的优点，传动的改变，使振动的问题减小，机体尺寸减小。这种方案为螺旋桨风压式高层建筑外玻璃清洗机，其优点是： 在清洗机外机架背后安装可调吸附系统来提供连续均匀的清洗力，螺旋桨可调节转速来控制清洗压力； 机架内采用一清洗系统旋转装置，方便的实现了纵横两不同清洗方向的调整，减少非作业时间，增加了工作柔性，大大提高了工作效率； 应用两盘两滚相结合的清洗方式，清洗液和清水分别由盘刷和滚刷提供以达到最佳清洗效果。综合比较以上三种方案，根据设计要求，由于对于玻璃的压力要求大，工
20、作稳定，结构容易实现，最后决定用第三种方案。通过螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上，并使盘刷和滚刷压紧，产生一定的清洗压力，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净玻璃。滚刷喷的是清水，将玻璃冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀玻璃，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。2.3 玻璃清洁机器人爬行系统方案目前玻璃清洁机器人吸附方式主要包括磁吸附，负压吸附，螺旋桨推压等，今年来又出来现了胶吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蜗牛的湿吸附，类攀岩抓持吸附，该类吸
21、附方式只适合在导磁面上吸附；低真空度负压吸附采用风机旋转将负压腔内的空气抽出产生负压来吸附，具有一定的壁面适应能力，但存在噪音大，体积大的缺点；螺旋桨推压靠合理布置螺旋桨的角度，利用螺旋桨旋转产生的推力将机器人贴附在壁面上，但也存在噪音大的缺点。由于负压吸附具有适用面广，不受壁面材料限制，而且低负压真空吸附的玻璃清洁机器人具有壁面适应能力强和运动速度快等优点，因此目玻璃清洁机器人的设计5前负压吸附在玻璃清洁机器人中得到广泛的应用。真空泵式要带一个大大的气泵，且设计要求需要清洁水擦玻璃，固采用水射流式抽气吸附。这种方案前面已经提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盘里后，经射流器力射流泵提供的
22、动力，再把水经喷头往外喷，把里面的空气带走，喷完后，吸盘内外形成负压，把吸盘吸住。由于吸盘也是机器人运动时类似于液压缸机构，其结构图如图所示：它是长方形吸盘，工作时最多只有一半用来射流喷水产生吸附，实现机器人的吸附功能。图 2.5 吸盘结构简图机器人的吸附与运动机构都要水的参与，工作过程如图 2.6 所示：1：2YA 通电，工作腔 1 冲水，满后，2YA 断电，与此同时，1 腔里的水经射流发射器喷出，带走里面的空气，形成负压，使得吸盘 A 吸附在玻璃上。2：此时，4YA 通电，3 腔进水，满后，1YA 通电，使 2 腔进水，推动活塞杆 a向前移动，拉动吸盘 B 往前移动，活塞至中间位置后，压下
23、行程开关。3：此时，1YA，4YA 断电，3 腔再次水满，3 腔水经水射流发射器喷水，产生负压，吸住吸盘 B.4：此时，2YA 通电，1 腔进满水后，3YA 通电，使 4 腔进水，推动活塞杆 b前进，使其推动吸盘 A 前进，活塞杆至中间位置后压下行程开关， 2YA，3YA 断电，玻璃清洁机器人的设计6此时 1 再次充满水，再射流，如此循环下去，实现机器人的爬行运动。图 2.6 机器人控制原理图本方案如下图 2.7 所示，通过螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上，并使盘刷和滚刷压紧，产生一定的清洗压力，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净玻璃。滚刷喷的是清水，
24、将玻璃冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀玻璃，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。玻璃清洁机器人的设计7图 2.7 螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上2.4 其它部分方案2.4.1 材料选择根据课题要求，总体重量越轻越好，由于使用清洗液，耐腐蚀性能也要好而且此产品是轻载荷，故材料首先选用铝合金材料及非金属材料。整个及其涉及到齿轮减速器的地方，齿轮的材料经过筛选与比较采用聚甲醛（均聚） 17 。本机的各个传动轴均采用硬质合金 LY11。螺旋桨材料选用尼龙 66 (聚己二酰己二胺)。
25、机架的材料采用铝合金。其他机件的选择根据通常材料在重量最轻原则下进行确定。2.4.2 轮的润滑问题由于齿轮的材料已确定为聚甲醛 14 ，据参考文献 1 ，其工作要求少润滑或无润滑，故不考虑齿轮的润滑问题。2.4.3 轴承的润滑问题大空心轴的转速较低为 400r/min,鼓起润滑方式应为脂润滑，润滑脂为钙机润滑脂。玻璃清洁机器人的设计8注：以上润滑脂的选择见文献 10 。2.5 本章小结本章确定了设计玻璃清洁机器人的总体方案。根据作业环境，对机器人从清洗系统、爬壁系统和控制系统三大方面进行设计，选型和参数的确定。最后请教导师对设计的方案进行校正，以确定设计的可行性和稳定性。玻璃清洁机器人的设计9
26、第三章 玻璃清洁机器人传动系统设计3.1 玻璃清洁机器人电动机的选择为电力拖动系统进行合适的电机选择，才能保证系统可靠工作和经济地运行。下文简要介绍电机选择的一般内容。电机选择的主要包括如下内容。 1.类型的选择选择哪种电机类型,一方面要根据生产机械对电机的机械特性、起动性能、调速性能、制动方法、过载能力等方面的要求;在对起动、阅速等性能没有特殊要求的前提下，优先选用三相异步笼型电机。2.功率的选择 选择电机的翻定功率时，应使所选的电机额定功率等于或稍大于生产机械所需要的功率，既不能过载，也不能长期轻载。可采用类比法、统计法、实验法、计算法等确定。3.电压的选择 交流电机额定电压应选择和供电电
27、网的电压一致.并结合电机顺定功率考虑。直流电机的额定电压也要与电源电压相配合，常用 110 V 或 220 V。大功率直流电机可提高到 600 - 800 V 至 1000V。当采用晶闸管整流装置供电时，可选用专门为其配套设计的直流电机.其电压有功率等级 160 V (Z3 型),180 V,340 V (Z2 型)及 440 V (Z2 ,Z3 型)。 4.转速的选择 根据生产机械的转速和传动方式.通过经济技术比较后确定电机的额定转速。额定功率相同的电动机额定转速越高，则电动机体积、重夏和造价越低，一般飞轮矩GD 也越小，因此选用高速电动机较为经济。但生产机械速度一定.电动机转速越高.则传动
28、机构传动比越大，机构越复杂.传动损耗越大。因此.要综合考虑上面诸因术后才能确定电机的额定转速。 5.外形结构的选择 电机常用的外形结构有开启式、防护式、封闭式、密封式、防爆式。开启式电机定子两侧和端盖上开有很大的通风孔。它散热好、价格便宜，但容易进灰尘、水滴和铁渭等杂物.只能在清洁干燥的环境中使用;防护式电机的机座下面有通风口。它散热好、能防止水滴、沙粒和铁屑等杂物溅人或落人电动机内，但不能防止潮气和灰尘浸人.适用于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境;封闭式电机的机座和端盖完全封闭.它又分自冷式、自扇冷式、他扇冷式、竹道通风式及密封式等。前四可用在潮湿、多腐蚀性灰尘、易受风雨浸蚀等环境中，
29、第五种可浸在液体中使用.如潜水泵等;防爆式电机在封闭式基础上制成隔爆形式，机壳有足够强度.适用于易燃易爆气体的场所.如矿并、油库、煤气站等。选择电机的外形结构时，应选择合适的防玻璃清洁机器人的设计10护形式. 6.安装形式的电机选择 目前生产的电机的安装形式主要有:B3(卧式安装，机座带底脚.端盖上无凸缘)B5(卧式安装，机座不带底脚.端盖上有凸缘)B35(卧式安装.机座带底脚.端盖上有凸缘)V1(立式安装.机座不带底脚，端盖上有凸缘)。 每种又分单轴伸出和双轴伸出两种。应根据电动机在生产机械中的安装方式选择电动机的安装形式。一般情况选用卧式，立式价格较高，只用于简化传动装置又必须垂直运转时，
30、如立式深井泵等。7.工作制的电机选择 根据生产机械要求.选样工作制与实际工作方式相当的电机比较经济。 8.型号的电机选择 根据上述各项的结果，选择电机的型号和生产厂家。考虑到该机构工作所需功率不大，初步采用估算的方法，拟采用 Y90L-4 电动机。查文献 8 得：选择，其铭牌如下表 3.1：表 3.1 Y 系列三相异步电动机电动机型号 额定功率 KW 满载转速 r/min堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩质量 KgY90L-4 1.5同步转速 1500 r/min,4 级 1440 2.2 2.2 27玻璃清洁机器人的设计11图 3.1 三相异步电动机（a）三相异步电动机安装示意图（b）三相
31、异步电动机外形尺寸示意图图 3.2 电动机的安装及外形尺寸示意图表 3.2 电动机的安装技术参数3.2 直齿轮副的设计计算电动机驱动的闭式直齿圆柱齿轮传动，标称功率 P=1.5kW,小齿轮转速n1=1500r/min，传动比 i=4.1 许有 4%的误差,长时工作，预期寿命五年，每年按 200中心高/mm外型尺寸/mmL（AC/2+AD）HD底脚安装尺寸 AB地脚螺栓 孔直径 K轴伸尺寸DE 装键部位尺寸 FGD90 515 345 315 216 178 12 38 80 10 43玻璃清洁机器人的设计12天计。工作有轻微冲击，齿轮对称布置。（1） 选材料确定初步参数 依据参考文献 5 表
32、5-5 选材料小齿轮：40Cr 调质，平均取齿面硬度为 260HBS大齿轮：45 钢调质，平均取齿面硬度为 230HBS（2） 初选齿数 取小齿轮齿数为 =32，则大齿轮齿数为：1z23142.=. i园整，为使 u 为除不尽的数取 =129z（3） 齿数比 03.4219z验算传动比误差， 100%=1.7%允许1.403（4） 选择齿宽系数 d 和传动精度等级 查参考文献 5 表 5-8 得齿宽系数d=0.275初估小齿轮直径 m80估1则齿宽 m280751.db齿轮圆周速度： ,/s.6/s601n估查参考文献5表 5-4 可选择精度等级为 7 级,（5） 计算小齿轮转矩 1T(3.1
33、)16105.9nPmN05936 .定重合度系数 、ZY(3.2)21.38z玻璃清洁机器人的设计13由公式(5.2)定重合度 =1.88-3.2（1/32+1/129）=1.755分别由参考文献 13 中公式得= = =0.865Z3475.1=0.25+Y6.0.20.（6） 确定载荷系数 、HKF(3.3)HVAK =1) 使用系数 由参考文献 13 表 10-2 查表，取 =1.35A A2) 动载系数 由参考文献 13 图 10-8 可查得， =1.14v v3) 齿向载荷分布系数 ,由参考文献 13 图 10-4 可取 =1.29KK4) 齿间载荷分配系数 、 根据条件HF N/
34、m10/6514N/m8025931231 bdT FAtA查参考文献 13 表 10-3 得 3.8.022zKH=1/ Y =1/0.677=1.48F5) 载荷系数 、 由公式(5.3) 可算得HK623419351.=K=HVA24./86./HF3.2.1 齿面接触疲劳强度计算（1） 确定许用应力 H1) 总工作时间： h8052ht玻璃清洁机器人的设计142) 应力循环次数 N 、N 由参考文献 13 公式(10-13)及参考文献 6 表 10-18 可12计算查得： 81 1027815060.nt=h 829.3.47uN3) 寿命系数 、 1NZ2由参考文献 13 图 8.2
35、-17 取 =1 =11NZ24) 接触疲劳极限 ： 2lim1liH，由参考文献 13 图 8.2-13 取 =630MPa， =490MPa1li 2limH5) 安全系数 ： HS参照参考文献 13 照表 8.2-13，取 =1HS6) 许用应力 、 ：1H2由参考文献 13 式(8.2-15) =1HMPa6301limNSZ =2 49liH（2） 弹性系数 ：EZ由参考文献 13 表 8.2-11， 取 =190EZMPa（3） 节点区域系数 ：H由参考文献 13 图 8.2-12，取 =2.5H（4） 求所需小齿轮直径 由参考文献 13 式（8.2-11）1d=321)(2HdE
36、HuZTK玻璃清洁机器人的设计15m5.644903.275.0)85.21)(196.23 2符合初估数值（5） 确定中心距、模数等主要几何参数1) 中心距 a 初算中心距 m9.162)(min10uda园整取中心距 a =200mm2) 模数 m 由中心距 a 及初选齿数 、 得1z248.93021am按标准取 m=2.5mm3) 分度圆直径 、1d2=m z =2.532=80mm1d=m =2.5129=322.5mm 取为 =320mm2z 2d4) 确定齿宽 取大齿轮齿宽 =b=22mm,小齿轮齿宽 =32mm2b1b3.2.2 齿根抗弯疲劳强度验算（1） 求许用弯曲应力 F1
37、) 应力循环次数 由以上计算可得1N2807.F .=NF107922) 寿命系数 、 取 = =1 1NY21NY23) 极限应力 、 limFli由图 9-21 取： =220MPa =170MPa1li 2limF4) 尺寸系数 由参考文献 13 图 8.2-26，取 =1xYxY玻璃清洁机器人的设计165) 安全系数 参照参考文献 13 表 8.2-13，取 =1.5FS FS6) 许用应力 、 由参考文献 13 式(8.2-20)，许用弯曲应力：12=F MPa2935.1021limFxNSY=2F7.2liFx（2） 齿形系数 、 1aY2由参考文献 13 图 9-19，取： =
38、2.51FaY=2.152Fa（3） 应力修正系数 、 1saY2s由参考文献 13 图 9-20，取： =1.631saY=1.822sa（4）校核齿根抗弯曲疲劳强度 由参考文献 13 式（8.2-17），齿根弯曲应力 1311 MPa2.3567.01528094.2 FsaFFYmbdTK 2122 Pa8635FsaFF . 抗弯疲劳强度足够。3.2.3 齿面静强度计算(1) 确定许用接触应力 ：maxH参照参考文献 13 表 8.2-13，取静强度安全系数 1.HS由参考文献 13 图 8.2-17，取寿命系数 621NZ于是由参考文献 13 式(8.2-21)，许用接触应力（大轮较
39、低） MPa714902max SHNH 玻璃清洁机器人的设计17(2) 校核齿面静强度 根据过载条件，由参考文献 13 式(8.2-21)，齿面最大接触应力 max12max MP6.58a14.352490HvAHKT 齿面静强度足够。3.2.4 齿根（抗弯）静强度验算（1）确定许用弯曲应力 参照参考文献 13 表 8.2-13，取静强度安全系数 6.1FS由参考文献 13 图 8.2-25，取寿命系数 521NY于是由参考文献 13 式(8.2-22)，许用弯曲应力 MPa768a.152931max1 .SYFNF 32.72ax2FF（2）求最大弯曲应力并校核强度 由参考文献 13
40、式(8.2-22)，最大弯曲应力 max11max1 MP7.451.32.52 FvAFKTax212ax2 9.3.8. FvAF静强度满足要求。带动两个盘刷的齿轮对称布置3.3 锥齿轮副的设计计算根据参考文献 13 第二版 2-369，材料选择聚甲醛（均聚），参照参考文献 13第 6 卷3.3.1 基础尺寸确定由小锥齿轮所传递转距为 ,根据图 2.4-14 和图 2.4-15 选择小齿轮大MN4106.T玻璃清洁机器人的设计18端分度圆直径为 ，取大端模数 。m601d5.21Zdme则齿数：241Z60.4i15.60d轴交角 09分锥角02118.Zarctg 0122.68外锥距：
41、 sinsi2211/d/R齿宽系数 取 0.3，则齿宽： 取 b=24mmRm3.4b齿顶高： 5.m,475.321aahh齿根高： 0ff齿高： .21大端齿顶圆直径：(3.4)11cos2aahd6.45m3.8s475.326001ad7ccos 02 ah齿根角： 0114.arctnRff 0229.arctnRhff齿顶角： 0121.fa顶锥角： 0217.4fa 0126.9fa玻璃清洁机器人的设计19根锥角： 0114.2ff 0223.65ff冠顶距： 5.738.21sin421002aKhdAm5.282.68sin160022aKhdA确定传动的精度等级初选平均切
42、线速度 /s3.)106/(ndVmt由参考文献 Pg159 表 8.2-5，选择传动等级为 8 级3.3.2 确定载荷系数 K使用系数 ,由已知条件查表 8.2-9，取A 25.1AK动载荷系数 ,由图 8.2-6，取V6.V齿向载荷分布系数 ,按小锥齿轮悬臂考虑取K8.载荷系数 1.2.125VA3.3.3 齿面接触疲劳强度计算1 确定许用应力 H寿命系数 ,由已知条件取NZ121NZ安全系数 ,参照表 8.2-13，取HSHS接触疲劳极限 MPa352lim1li/1li21HNHHSZ2 弹性系数 2MPa4.56EZ3 节点区域系数 H玻璃清洁机器人的设计204 小齿轮所需大端分度圆
43、直径 ,由参考文献式(8.2-44) 1dm375.043 221 HERRZuKT5 验算速度 mtV平均直径： /s456.31.01371Rmd平均线速度： smnVmt /.6/16 确定模数 m: 5.2/1zd3.3.4 齿根抗弯疲劳强度计算（1） 确定许用弯曲应力 1F21) 寿命系数 21NY2) 安全系数 3.FS3) 尺寸系数 X4) 极限应力 , 取1limF2li MPa302lim1liF5) 许用弯曲应力 Pa154.63.1li21 FXNFSY（2） 齿形系数 , 1aY21) 分锥角 8.2.62) 当量齿数: 3cos/11ZV 6.59cos/22ZV3)
44、 由参考文献 13 图 8.2-19，取 ,78.FaY13FaY4) 应力修正系数玻璃清洁机器人的设计21由参考文献 13 图 8.2-20 取 ，56.1SaY8.2Sa5) 校核齿根抗弯疲劳强度由参考文献 13 式 8.2-46(3.5)RSaFtFbmK5.01(3.6)21uz(3.7)RtzmTF5.0三式联立求得 MPa6.3915.01412321 FRSaFFuzYK 7 2232 FRSaFFmT满足要求3.4 中心轴管的受力分析1 在水平平面的支反力，由 ,得0AM2cBzArBxdRlFl N36.705057.21.694.73ABcxrzl为负值说明方向与假设方向相
45、反。由 ,得0Mz 83.149N)36.(47.230BzrARF2 做弯矩和转矩图1）齿轮的作用力在水平平面的弯矩图 m.85.81495lABzD 02176932 dFx齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图 N.0561lRMABvD由于齿轮作用力在 D 截面做出的最大合成玻璃清洁机器人的设计22弯矩17230.4615.23AyBtRFNm875.93N08 DyzDM2) 做转矩图280.Tm图 3.3 转矩图3.5 中心轴管的强度校核1）确定危险截面 根据轴的结构尺寸及弯矩图，转矩图，截面 B 处弯矩较大，且有轴承配合引起的引力集中；截面 D 处弯矩最大，且有齿轮配合引起的应力集中，故
46、属于危险截面。现对 D 截面进行强度校核。2）安全系数校核计算 由于该减速器机轴转动，弯矩引起对称循环的应力，弯矩引起的为脉动循环的切应力。弯曲应力幅为： 52.6Pa637.10985WMDa式中 W抗断面系数，由参考文献 13 中的表 19.3-15 查得 16.375W由于式对称循环弯曲应力，故平均应力 0m玻璃清洁机器人的设计23根据参考文献中的式（19.3-2） 6127011.46.5.098amSK式中 45 钢弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由参考文献 13 中的表 19.1-11 查得 =270MPa;正应力有效应力集中系数，由参考文献 13 中的表 19.3-6，并根据配合查
47、得 =2.62；K表面质量系数，轴经车削加工，按参考文献 13 中的表 19-3-8 查得=0.92；尺寸系数，由参考文献 13 中的表 19.3-11 查得 =0.81. 切应力幅为： 18012.023.75maaaPTMPW式中 W抗断面系数，由参考文献 13 中的表 19.3-15 查得 3.275W由于式对称循环弯曲应力，故平均应力 m61 6104.0.89221.0amSK式中 45 钢扭转疲劳极限，由参考文献 13 中的表 19.1-1 查得1=155MPa;1切应力有效应力集中系数，由参考文献 13 中的表 19.3-6，并根据配合查得 =1.89；K， 同正应力情况；平均应力折算系数，由参考文献 13 中的表 19.3-13 查得 =0.21. 轴 D 截面的安全系数由式（19.3-1）确定221.46701.39.S由参考文献 13 中的表 19.3-5 可知，S=1.31.4，故 SS，该轴 D 截面是安全的。同理可验证输出轴也符合强度要求。3.6 键的校核键和轴的材料都是钢，查参考文献 13 得许用挤压应力 ,取MPa120p玻璃清洁机器人的设计24其中间值， 。键的工作长度 ，键与轮MPa10p m1682bLl榖键槽的
