简易起草皮机的设计【含14张CAD图带开题报告-独家】.zip
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简易起草皮机的设计摘要园林绿化机械作为林业机械的一个分支,它的发展只有50年左右的历史,它是随着城市园林化,特别是草坪业的发展,而逐步发展壮大起来。良好的环境,合理的生态系统,是人类赖以生存和发展的不可缺少的摇篮。随着生活水平的提高,人们对生活环境的要求也越来越高。绿篱在城市道路和园林绿化中也占有重要地位。文章对简易起草皮机硬件结构做了详细的可行性分析及设计,本次设计的起草皮机,采用直流电机作为驱动,改变了传统的汽油机的结构。本文收线确认方案,然后做了相应的计算、校核,主要包括:驱动轮电机和转向轮电机的选择及其驱动电路的设计;齿轮的设计计算和校核;前后减震系统以及转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。 关键词 : 简易起草皮机、车体、转向机构AbstractGardening machinery as a branch of forestry machinery, its development is only 50 years of history, it is as the garden city, especially the development of grass industry, and gradually grow up.Good environment, reasonable ecological system, is indispensable to human survival and development of the cradle.With the improvement of living standards, people living environment is becoming more and more high.Hedge in the urban roads and landscaping also occupies an important position.Article to the summary drafting machine hardware structure to do a detailed feasibility analysis and design, the design of drafting machine, adopts dc motor as drive, changing the structure of a conventional gasoline engine.The line in this article confirm solutions, and then do the corresponding calculation, check, mainly includes: the choice of driving wheel motor and steering wheel motor and its drive circuit design;Design calculation and checking of gear;Before and after the suspension system and steering mechanism design and car body of some of the mechanical structure design, etc.Keywords: simple drafting machine, car body, steering mechanism不要删除行尾的分节符,此行不会被打印 - II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 国内外园林机械的发展现状11.1.1 国外的发展11.1.2 国内的发展11.2 国内外园林机械的差距21.3 小动力园林机械的发展趋势与建议31.4 本课题研究的意义和目的51.5 本课题主要研究内容6第2章 简易起草皮机结构设计及方案论证72.1 驱动方案的确认72.1.1 液压驱动72.1.2 气压驱动82.1.3 电动机驱动82.2 简易起草皮机运动方式的选择92.3 简易起草皮机驱动方案的选择10第3章 简易起草皮机本体的设计分析133.1 简易起草皮机驱动轮组成133.1.1驱动电机选择133.1.2减速机构的设计与校核183.1.3变速箱体及后减震273.1.4驱动车轮及轮毂273.2简易起草皮机转向轮组成293.2.1驱动电机选择303.2.2传动机构及前减震机构333.2.3前车体及电池箱343.2.4转向轮胎和轮毂343.3简易起草皮机受力分析及如何保证加速度最优353.4系统可靠性设计36结论38致谢40参考文献41- III -第1章 绪论千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行-1-1.1 国内外园林机械的发展现状1.1.1 国外的发展由于土地资源、人文环境、生活水平等因素影响,国外小动力园林机械发展较早,20世纪初,国外发达国家就已使用园林机械代替繁重的体力劳动。随着人民生活水平的提高和居住环境的改善,小型园林机械已进入百姓家庭,成为家庭必备机具。21世纪初,发达国家从家庭到公共绿地全部实现机械化作业,并向更高层次发展。 经过近百年的发展,美国、日本、德国、意大利、瑞典等国家小动力园林机械得到了长足的发展,培养出许多国际知名品牌,如美国的B&S(百力通)、Kohler、MTD、Tecumsen,日本的小松、ECHO、YAMAHA、HONDA,意大利的Emark、ALPLA,德国的STIHL、SOLO,瑞典的HUSQVARNA,等等。这些企业历史较长,在行业中有较大的影响。如瑞典的HUSQVARNA公司成立于1689年,是世界上生产园林机械历史最悠久的公司之一,在行业中一直处于领先地位。HUSQVARNA公司能够生产从专业机器到大众用途的各种产品,现有员工2200人,其中1800人从事研究开发、市场促销等,其产品出口至100多个国家,年销售额达到5亿瑞典克郎。 1.1.2 国内的发展我国小动力园林机械生产起始于20世纪70年代,当初规模较小,主要企业有泰州林机厂、西北林机厂、柳州机械厂等。90年代以来,特别是最近几年,随着市政建设、工业用途和城市园林绿化需求规模的迅速扩大及草坪业的持续发展,带动了园林机械生产企业和产品的迅猛发展。 从企业类型来看,分成老牌企业、民营企业和外资企业三种。山东华盛、江苏林海等企业是老牌企业的代表,他们发挥了各自优势,在整机或动力产品上占有重要位置。隆鑫、宗申、绿友、永佳等民营企业的参与,大大推动了我国园林机械行业的发展。外资企业的加盟缩小了我国园林机械产品与国外的差距,也使竞争日趋激烈。近年来,国际上许多企业积极在华投资或转移生产基地,利用我国廉价劳动力赚取更大利润。如百力通,是全球最大的供应户外动力设备使用的风冷汽油机制造商,其发动机用在草坪机、发电机、高压清洗机、水泵等产品中。2005年3月,百力通增加投资,在重庆成立百力通(重庆)发动机有限公司,设计生产能力100万台;又在上海成立百力通(上海)发动机有限公司,生产发电机组和水泵等终端产品,年产量为30万台。目前STIHL、HUSQUARNA、小松等国外生产厂家也在中国积极活动,如STIHL寻求产品的国产化、并购辉煌三联;HUSQUARNA在东北举行中国市场推介会;小松寻找质优价廉配套厂家;美国MTD公司和绿友集团结盟,销售园林机械、高尔夫设备、草坪喷灌设备等。以上生产企业集中在江苏、山东、浙江、重庆、上海等地区,规模较大的有山东华盛、临沂永佳、江苏林海、南通草地机械有限公司、绿友集团等。 加入WTO后,面对欧美园林机械的巨大市场,中国商品以其低价格等优势,出口量得以大幅度提高,促进了国内园林机械制造业的迅速发展。 1.2 国内外园林机械的差距 我国小型汽油机产品品种较少,与美国和日本相比差距较大。美国和日本的产品已实现了系列化、统一化、标准化,各公司均有自成体系的系列产品,产品覆盖很大的功率范围,配套几十种机具。目前,我国配套的园林机具仅有十几种,许多企业为单机出厂,由于技术含量低,形成恶性竞争。 在草坪机械方面,草坪养护机械有草坪修剪机械、草坪通气机、草坪修整设备、草坪排水灌溉设备等,其中,草坪修剪机械包括滚刀式、旋刀式草坪修剪机和往复运动剪切式割草机等。就草坪修剪机而言,目前我国主要生产随进或推进旋刀式草坪机,而自行(乘座式)旋刀修剪机在国外已非常普遍;美国和日本能生产各种规格的步行操纵自走式和拖拉机悬挂式垂直打孔通气机,我国未有这方面的报道;草坪修边机、草坪梳草机、草坪滚压机在国外使用较普遍,国内才刚刚开始关注;草坪灌溉设备上,国外产品如雨鸟、HUNTER、LEGO等垄断国内市场,国产如林海的SP50喷洒器已淡出市场,华润等品牌也尚无法抗衡国外产品。 在庭院和行道树养护机械方面,与国外也有较大差距。 我国生产的小动力园林机械技术上大多相当于上世纪80年代的水平,产品性能普遍低于国外同类产品。我国小型汽油机的平均有效压力、升功率等指标处于中等水平,与国外先进水平相比低一个档次,压缩比和活塞平均速度等强化指标低于国外。 产品的性能和可靠性较差;这主要与企业的设计能力、质量管理、生产工艺、原材料、检验等因素有关。国内一些企业在国内市场未锻炼成熟就涌向国外市场,迎接发达国家的挑战,以低廉的价格来占领市场,产品的性能和可靠性得不到保障。达不到环保安全指标;目前,我国生产的园林机械多数不能达到国外很多国家的排放、噪声、无线电干扰、安全、振动指标的要求,与国外产品相比还有较大的差距。从我国向美国、欧盟出口的产品看,排放和安全已成为园林机械面临的非关税技术壁垒。 外观表面质量较差:很多企业对产品外观重视不够,技术上不能做到认真细致,精益求精。 1.3 小动力园林机械的发展趋势与建议 大力发展系列园林机械产品,努力塑造中国小动力园林机械品牌。 品牌是产品的质量、产品的服务、企业的管理和核心竞争力的综合体现。努力塑造中国园林机械产品品牌,积极开展共性基础技术的研究,大力发展具有自主知识产权的系列园林机械产品,迅速提升园林机械产品质量和技术水平,培养造就一批具有国际竞争力特别是具有自主创新能力的优势规模企业,应当成为当前和今后小动力园林机械行业的发展方向和奋斗目标。 加快产品更新换代,开发更具人性化和自动化的新产品。 目前,国内小动力园林机械产品的数量仅有十几种,大力发展园林机械新产品,加速老产品的更新换代,使产品向人性化和自动化方向发展已成当务之急。国产老型号油锯于20世纪70年代投产,30多年来虽有一些改进, 但其较大的振动,使得一些林区工人不同程度有“摆手”的职业病。而国外油锯从20世纪80年代起,不断降低振动和噪声,类似产品早已不复存在。当初草坪修剪机进入家庭时,以步行操纵推行式为主导产品;进入90年代,步行自走式代替推进式;21世纪初,乘座式又取代步行自走式,而现在已出现无级变速、零转弯半径,操纵非常简单的草坪修剪机。 降低污染和循利用。 国外许多企业很早就重视这些问题,如HUSQUARNA公司研发了贯穿于生产方法、材料处理、能源消耗、发动机尾气排放、产品的最终回收利用全过程的环保措施,新材料研发成功后立即替代原来使用的旧材料,产品最终回收率达到85%。 目前,国内园林机械产品在研发时,必须重视如下问题:加强降低尾气排放的研究,例如,日本小松最早拥有世界上最先进的层状扫气二冲程发动机,该发动机有很好的环保特性、节能性,能满足欧盟和美国最严格的废气排放要求;提高曲轴、机体刚度,降低燃烧噪声及机械噪声,利用复合材料作隔音结构,提高*的消声能力; 取代石棉制品,使用芳族聚酰胺纤维及金属密封垫片,提高发动机密封性;降低电磁干扰,提高抗静电干扰能力;采用可降解的润滑油,克服废弃润滑油对环境的污染。 小动力园林机械的安全化设计。 综合运用现代科学技术,特别是安全科学技术的成就,对园林机械进行科学可靠的设计,使机具具有可靠和安全特性,其标志主要有三个:一是机具应有可靠和稳定的安全特征,在操作者发生误操作时,也能自动保护操作者的人身安全和机具的本身安全;二是机具应具有安全的保护功能,当出现意外和故障时,应能自动切断或脱离故障部分;三是机具应具有安全舒适的操作环境和良好的人机工程学特性。 以油锯为例,在油锯标准林业机械 油锯 安全要求和试验中,对油锯设计的安全要求,如对油锯反弹角度和链制动角、手把的空间最小间隙和尺寸、高温部分的防护和停火开关的功能都有明确的规定。化油器安装加浓装置,稍大排量的机具设计减压装置,操作安全的电子互锁等应广泛应用在园林机械上。 发展园林机械的一机多用和联合作业。 一机多用是指一种机具能配备多种工作装置和附件,更换不同的装置就能完成各种不同的工作,这对家庭、小型企事业单位、住宅小区和经营规模较小的绿地的用户是非常适用的。如美国CRAFTSMAN推出的一种带有10多种附件的园林拖拉机,几乎能进行全部的草坪护养和庭院作业,很受用户的欢迎。林海集团的YJ4油锯,更换一些简单的机具可改装成风力灭火机、切割机、森林泵等,在市场上很有销路。一种联合作业的机械设备,能同时或按一定的程序进行联合作业,使用于大型园林绿化工程或专业化机械施工等。一机多用和联合作业是园林机械未来的发展趋势。1.4 本课题研究的意义和目的园林绿化机械作为林业机械的一个分支,它的发展只有50年左右的历史,它是随着城市园林化,特别是草坪业的发展,而逐步发展壮大起来。良好的环境,合理的生态系统,是人类赖以生存和发展的不可缺少的摇篮。随着生活水平的提高,人们对生活环境的要求也越来越高。因此对起草皮的工作非常重要。通过本课题,让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程,培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力;进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。1.5 本课题主要研究内容课题主要完成简易起草皮机结构设计。1.机械结构部分包括简易起草皮机构成方案选择、简易起草皮机本体机构设计和驱动电机的选择。2.针对设计要求结合所选用的电机,并讨论系统设计的可靠性问题。 第2章 简易起草皮机结构设计及方案论证2.1 驱动方案的确认设备的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。2.1.1 液压驱动设备的驱动系统采用液压驱动,有以下几个优点:(1)液压容易达到较高的压力(常用液压为2.56.3MPa),体积较小,可以获得较大的推力或转矩;(2)液压系统介质的可压缩性小,工作平稳可靠,并可得到较高的位置精度;(3)液压传动中,力、速度和方向比较容易实现自动控制;(4)液压系统采用油液作介质,具有防锈性和自润滑性能,可以提高机械效率,使用寿命长。液压传动系统的不足之处是:(1)油液的粘度随温度变化而变化,影响工作性能,高温容易引起燃爆炸等危险;(2)液体的泄漏难于克服,要求液压元件有较高的精度和质量,故造价较高;(3)需要相应的供油系统,尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置,否则引起故障。液压驱动方式的输出力和功率更大,能构成伺服机构,常用于大型设备的驱动。2.1.2 气压驱动与液压驱动相比,气压驱动的特点是:(1)压缩空气粘度小,容易达到高速;(2)利用工厂集中的空气压缩站供气,不必添加动力设备;(3)空气介质对环境无污染,使用安全,可直接应用于高温作业;(4)气动元件工作压力低,故制造要求也比液压元件低。它的不足之处是:(1)压缩空气常用压力为0.40.6MPa,若要获得较大的力,其结构就要相对增大;(2)空气压缩性大,工作平稳性差,速度控制困难,要达到准确的位置控制很困难;(3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题,处理不当会使钢类零件生锈,导致设备失灵。此外,排气还会造成噪声污染。气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的设备。2.1.3 电动机驱动电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动,交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置,输出力矩大,但控制性能差,惯性大,适用于中型或重型设备。伺服电动机和步进输出力矩相对小,控制性能好,可实现速度和位置的精确控制,适用于中小型设备。交、直伺服电动机一般用于闭环控制系统,而步进电动机则主要用于开环控制系统,一般用于速度和位置精度要求不高的场合。从能源方面看,工厂的电源能有效地保证并充足,且有降低生产成本,便于操作,工件可靠,维修方便,应尽量选用电力驱动。从对环境影响来看,电力驱动方式所产生的污染较小,可选择电动机。从经济方面来看,电动机应满足一定的功率,防止功率过大造成浪费,过小负荷过大,使生产率达不到要求致使浪费时间。所以为了满足上诉要求,选择直流无刷电机最为合适。 2.2 简易起草皮机运动方式的选择 简易起草皮机运动方式归纳起来基本有三种:轮子方式、履带方式和腿足方式。为了得到我们设计需要最合适的方式,我们对以上三种方式做了简单的比较如下表2-1()表2-1运动方式的比较考虑因素驱动方式适应的环境驱动方面的考虑机构方面的考虑轮子方式适于范围广泛。驱动方式简单多样,力矩相对较小主要有:两轮驱动兼转向加随动轮;两轮差动加辅助轮;驱动轮加转向轮。机构实现相对简单,相互约束条件少,稳定性较好,轮子安装需要一定精度要求。履带方式适应环境最广泛,特别是崎岖不平地和湿洼地形。驱动方式单一,力矩较大,使用两侧轮差动,实现驱动和转向,不需要辅助轮。机构实现较轮子复杂,需要履带的张紧设计,支撑面积大,稳定性好。腿足方式适应范围较广,适应地形受其步态影响,不适合崎岖山路。驱动复杂,对平衡和稳定要求极高,自由度越多,驱动控制部分越多。有较多的 运动部件和关节,要求较高的加工和装配等级,对材料性能要求较高。通过对以上方式的比较,我们选用轮子方式做为简易起草皮机运动方式,它符合我们的设计要求:适应各种环境;需要动力较小;能量消耗少;结构实现简单可靠。2.3 简易起草皮机驱动方案的选择轮式简易起草皮机的机械结构()如图2-1,图2-2,图2-3。图2-1 驱动结构图2-2 前轮驱动兼转向结构图2-3 后轮驱动,前轮转向结构如图2-1,采用两轮独立驱动的结构,驱动轮分别由两套直流电机驱动,提供需要的转速或者力矩;前轮为万向轮,可任意移动。这种结构优点:简单轻便,控制性好,运动灵活转弯半径小。缺点:承载能力低,对地面环境的要求高。图2-2中的简易起草皮机,称为前轮驱动简易起草皮机,后轮为辅助轮,方向不变,前轮为驱动轮兼转向轮,两轮驱动速度相同,转向速度一致。这种结构优点:运动平稳,稳定性好。缺点:结构复杂,控制难度高。我们根据设计需要和实现的难易程度选择了图2-3中的简易起草皮机行走部分模型,我们称之为后轮驱动机构,它是一种典型的非完整约束的轮式简易起草皮机模型。后轮为驱动论方向不变,提供前进驱动力,两轮驱动速度相同;前轮为转向轮,称为舵轮,通过转向系统同步控制两轮转向,使简易起草皮机按照要求的方向移动。轮式移动机构又主要分三个轮、四个轮,三轮支撑理论上是稳定的。然而,这种装置很容易在施加到单独轮的左右两侧力F作用下翻倒,因此对负载有一定限制。我们为提高稳定性和承载能力,决定选用四轮机构,前轮为两驱动轮,两个转向轮为后轮,具体结构模型见图2-4。这种结构能实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务,可适应复杂的地形,承载能力强。图2-4小车整体结构模型图第3章 简易起草皮机本体的设计分析3.1 简易起草皮机驱动轮组成前轮驱动装置机械传动结构如图4-1所示: 1 变速箱底座; 2 变速箱盖; 3 轴承; 4 齿轮; 5 齿轮;6 齿轮; 7 电动机; 8 中间轴; 9 轮毂; 10 轮胎图4-1 驱动轮机械传动示意图根据上面所确定的方案,简易起草皮机前轮驱动装置由驱动电机,减速装置,车轮及轮毂组成。3.1.1驱动电机选择目前在简易起草皮机的驱动中较为常用的电机有直流无刷电机、交流电机和步进电机,对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍,下面总结如表3-1所示:一般简易起草皮机用电机的基本性能要求;1. 启动、停止和反向均能连续有效的进行,具有良好的响应特性;2. 正转反转时的特性相同,且运行特性稳定;3. 良好的抗干扰能力,对输出来说,体积小、重量轻;4. 维修容易,不用保养。驱动轮为两前轮,要求控制性好且精度高,能耗要低,输出转矩大,有一定过载能力,而且稳定性好。通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式以及简易起草皮机的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素,所以我们决定选用直流电机作为驱动电机。直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性,一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受表3-1不同电机的特性、工作原理与控制方式电机类型主要特点构造与工作原理控制方式步进电机直接用数字信号控制,与计算机接口简单,没有电刷,维修方便,寿命长。缺点是能量转换效率低,易失步,过载能力弱。按产生转矩的方式可分为:永磁式,反应式和混合式。混合式能产生较大转矩,应用广泛。永磁式是单向励磁,精度高,但易失步,反应式是双向励磁,输出转矩大,转子过冲小,但效率低;混合式是单-双向励磁,分辨率高,运转平稳。直流无刷电机接通直流电即可工作,控制简单;启动转矩大,转速和转矩容易控制,效率高;需要定时维护和更换电刷,使用寿命短,噪声大。由永磁体定子,线圈转子,电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化,实现连续转动。转动控制采用电压控制方式,两者成正比。转矩控制采用电流控制方式,两者也成正比。交流伺服电机没有电刷和换向器,无须维修;驱动电路复杂,价格高。按结构分为同步和异步。无刷直流电机结构与同步电机相同,特性与支流电机相同。分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机常采用电压控制。到其他电动机(如交流变频电动机、步进电动机等)的挑战,但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择,在生产、生活中有着广泛的应用。所需电机的功率计算:简易起草皮机小车的受力简图如图3-2所示:简易起草皮机所需的牵引力: 式中 简易起草皮机移动需要的牵引力 式中 自身重力而产生的阻力 式中 简易起草皮机移动所受摩擦力图3-2 简易起草皮机小车的受力简图则有: 式中 摩擦系数 式中 最大爬坡角度(据课题要求可以按0计算)则简易起草皮机在水平面上运动的功率为:传动装置的总效率:按照中表2.1-1确定的个部分效率有:齿轮传动效率:;滑动轴承效率:代入得到:所需直流电机的最小功率:通过以上的比较和计算,我们决定选用广东德昌微电机公司生产的SRC-555-3250型直流电动机其外观如图3-3所示,尺寸如图3-4所示,技术参数如表4-2所示: 图3-3 电动机其外观如图图3-4 直流电机尺寸图 表3-3直流电机技术参数表型号额定电压空载最大效率下制动转速电流转速电流力矩功率力矩功率r/minAr/minAg.cmWg.cmWSRC-555-325012vCONSTANT61000.2453001.4922914.216509.203.1.2减速机构的设计与校核直流电机输出转速较高,一般不能直接接到车轮轴上,需要减速机构来降速,同时也提高了转距。减速装置的形式多种多样,选择一种合适的减速装置对简易起草皮机的性能有着相当重要的作用。3.1.2.1减速形式的选择驱动轮机械传动形式有多种,主要分为:链条传动;皮带传动;蜗杆传动和齿轮传动等。1.链条传动优点是:工况相同时,传动尺寸紧凑;没有滑动;不需要很大的张紧力,作用在轴上的载荷小;效率高;能在恶劣的环境中使用。缺点:瞬时速度不均匀,高速运转是传动不平稳;不易在载荷变化大和急促反向的传动中使用;工作噪音大。2皮带传动优点是:能缓和冲击;运行平稳无噪音;制造和安装精度要求低;过载时能打滑,防止其他零件的损坏。缺点:有弹性滑动和打滑,效率低不能保证准确的传动比;轴上载荷大;寿命低。3.蜗杆传动:优点:结构紧凑;工作平稳;无噪声;冲击震动小;能得到很大的单级传动比。缺点是:传动比相同下效率比齿轮低;需要用贵重的减磨材料制造。4.齿轮传动:工作可靠,使用寿命长;易于维护;瞬时传动比为常数;传动效率高;结构紧凑;功率和速度使用范围很广。缺点是:制造复杂成本高;不宜用于轴间距的传动。比较以上传动形式,结合本设计中简易起草皮机的要求:输出转矩大传动效率高噪音小等条件,我们采用两级齿轮传动,减速比为15。电机轴直接作为输入轴安装主动齿轮,不是用联轴器,既提高了精度又减轻了重量。轮毂和齿轮3安装在同一根轴上,他们转速相同。齿轮类型为渐开线直齿齿轮,联轴器相联,齿轮与车轮装在同一个轴上,它们的转速相同。齿轮参数如下:第一级减速:, m=3,mm, ,mm,第二级减速:, m=3,mm, ,mm,3.1.2.2齿轮传动的计算与校核设计中第一级齿轮传动的齿轮强度计算与校核,如下:1.齿面接触疲劳强度计算(1) 初步计算转矩齿数接触疲劳极限由表12.13,取由表1.7初步计算的许用接触应力 值由,取初步计算小齿轮直径取=25初步齿宽b(2) 校核计算圆周速度精度等级由表14.4选6级精度齿数z和模数m初取齿数;由表14.1,取(这里往大或往小取均可,视验算结果而定。)则使用系数由表12.9动载系数由表12.9齿间载荷分配系数由表12.10,先求由此得齿向载荷分布系数由表12.11载荷系数弹性系数由表12.12节点区域系数由图12.16接触最小安全系数由表12.14总工作时间应力循环次数由表12.15,估计,则指数原估计应力循环次数正确。接触寿命系数由图12.18许用接触应力计算结果表明,接触疲劳强度教为合适,齿轮尺寸无需调整。否则,尺寸调整后还应在进行验算。2.齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分配系数由表12.10, 齿向载荷分布系数由图12.14载荷系数齿形系数由图12.21应力修正系数由图12.22弯曲疲劳极限由图12.23c弯曲最小安全系数由表12.14应力循环次数由表12.15,估计,则指数原估计应力循环次数正确弯曲寿命系数由图12.24尺寸系数由图12.25许用弯曲应力验算传动无严重过载,故不做静强度校核第二级啮合齿轮、的计算校核也采用以上步骤,通过计算知:强度均符合要求。3.1.3变速箱体及后减震变速箱体要求在保证足够刚度的条件下,应尽量减轻车架的重量,以提高有效承载重量。其次,变速箱体应保证其它元件安装上以后,能达到平衡、对称和同轴。材料为ABS,厚度为6mm,轴承盒集成在箱体上,降低了制造难度。为保护系统结构免受震动的损伤,和提高跃障能力,在变速箱与前车体间加一减震弹簧。它不但能缓冲震动,而且当简易起草皮机遇到低于100mm 的幛碍物,或者高低不平的路面时不至于被架空。 3.1.4驱动车轮及轮毂本设计中可选用简易起草皮机的运动方式为轮子方式,轮子方式可以提供多种排列方式,从而满足不同情况需要,而且转向容易,可以实现运动的精确控制,机构实现简单。所以我们考虑到所设计简易起草皮机的工作环境和控制要求,我们选用了四轮方式。选择车轮需要考虑多种因素:有简易起草皮机的尺寸、重量、地形状况、电机功率等。车重加负载重量为20kg45kg,所以用质地坚硬且易于加工的聚苯乙烯作轮毂,采用不充气的中空橡胶轮胎,其优点在于不仅重量小而且橡胶与地面的附着系数大,保证了足够的驱动能力,轮胎及轮毂参考图图如图3-5图3-5 轮胎和轮翼其机构如图3-5,其中轮胎直径d=300mm,则车轮转一圈移动的为:车轮最大转速为:(电机转速/传动比)则简易起草皮机的最大线速度为:简易起草皮机小车的受力简图如图4-6简易起草皮机所需的牵引力: 式中 简易起草皮机移动需要的牵引力 式中 自身重力而产生的阻力 式中 简易起草皮机移动所受摩擦力则有: 式中 摩擦系数; 式中 最大爬坡角度。则简易起草皮机在水平面上的功率为:其最大加速度为:(其中的计算在3.1.1中作了介绍)图4-6 简易起草皮机小车的受力简图3.2简易起草皮机转向轮组成转向轮起支撑和转向作用,不产生驱动力矩。在小车转向时它可以以一定角度转动。主要机械组成结构如图3-7: 1 前减震弹簧; 2 转向连杆; 3 拉杆; 4 拉紧弹簧; 5拨叉; 6步进电机;7 前车体盖; 8 转向节; 9 前轮轴; 10 前轮毂; 11轮胎; 12 电池盒盖; 13 后减震弹簧; 14连接轴; 15 变速箱图3-7转向装置结构图 简易起草皮机前轮装置由以下几部分构成:驱动电机,蓄电池和充电部分,转向传动机构和前减震机构,前车体和电池箱及轮胎和轮毂五部分。3.2.1驱动电机选择转向轮的电机通过对表4-1不同电机的特性、工作原理与控制方式的分析比较,为了满足转向系统转动精度高,控制性能强,并且控制简单容易实现的特点,我们决定选用步进电机作为转向机构驱动电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)的机电元件。对这种电机施加一个电脉冲后,其转轴就转过一个角度,称为一步;脉冲数增加,角位移(或线位移)就随之增加,脉冲频率高,则步进电机旋转速度就高,反之就低;分配脉冲的相序改变后,步进电机的转向则随之而变。步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别,它是步进形式的运动,故也称其为步进电动机。步进电机的主要指标有:相数:产生不同对极N, S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数:以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用表示。=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360/(504)=1.8(俗称整步),八拍运行时步距角为=360/(508)=0.9(俗称半步)。定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。 步距角精度:步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:(误差/步距角)100%。不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。 失步:电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。称之为失步。 失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。最大空载起动频率:电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。最大空载的运行频率:电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性:电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。步进电机有其独特的优点,归纳起来主要有:1. 步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之,转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率,而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。2. 位移与输入脉冲信号相对应,步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统,也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。3. 可以用数字信号直接进行开环控制,整个结构简单廉价。4. 无刷,电动机本体部件少,可靠性高。5. 控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变,都在脉冲内完成,在一定的频率范围内运行时,任何运行方式都不会丢步。6. 停止时有自锁能力。7. 步距角选择范围大,可在几角分至大范围内选择。在小范围情况下,通常可以在超低速下高转距稳定的运行通过比较各种指标和参数后,我们决定选用常州丰源公司生产的35BYHJ03减速步进电机步进电机,自带25:1的减速器。参数如表4-3所示:表4-3步进电机参数步距角(,相数电压U,V电流I,mA电阻R,减速比空载运行频率F,pps空载启动频率F,pps起动转距T,(g.cm)锁定转距T,(g.cm)7.5/25412255471/2555068075014003.2.2传动机构及前减震机构在本课题中我们为了得到稳定和承载能力强的系统结构,我们采用了两前置转向轮,转向轮不作为驱动轮,只提供支撑和转向作用。结构形式模仿普通机动车的一些结构,步进电机变速箱输出轴连接拨叉,拨叉拨动左右转向节连杆来实现转向。为了消除传动间隙和电机反转死区,我们在机构中加装了两个拉紧杆和一条拉紧弹簧,很大程度上消除了误差。转向传动机构受力简图如图3-8为保护系统结构免受震动的损伤,提高简易起草皮机在不平地面上的行走能力,在每个转向节轴上加装减震弹簧。它不但能缓冲震动,而且防止在特殊情况下简易起草皮机被架空。它与后减震配合工作效果更加明显,工作原理与后减震类似。图3-8 传动机构受力简图3.2.3前车体及电池箱前车体是转向机构零件的载体,其结构复杂,要求精度也高(实物模型图如图。特别是转向节安放孔和电机支撑座等,要求同轴度和垂直度高,因此为了提高装配精度,车体盖和车体配合的螺栓孔采用了卯榫式设计(其结构见图纸装配图1),保证了装配的精度。为简化制造工序,提高车体的紧凑程度和牢固程度,将电池盒设计到前车体后部,并且尽量降低电池盒与地面间距,以降低简易起草皮机的重心高度。为了保证运行时电池在和内的牢靠程度和降低噪声,电池盒盖内侧附贴一薄层海绵(结构见图纸装配图)控制电路容易受到电动机和驱动电路的影响,因此我们将控制电路板与驱动板并列排列。3.2.4转向轮胎和轮毂前轮轮胎采用和后轮相同的结构和材料,轮毂的轴孔与轴相对滑动,所以要求较后轮精度高机。3.3简易起草皮机受力分析及如何保证加速度最优本设计中简易起草皮机采用四轮支撑,即两后轮(驱动轮)和两前轮(转向轮)。为了增加车轮和地面的滑动摩擦系数,每个车轮的轮胎材料均为橡胶。滑动轴承和轮毂采用了具有自润滑能力的塑料,摩擦力很小,可以忽略不计。采用这些结构,使小车具有一很好的运动性能。简易起草皮机小车受力如图3-9所示:有如下关系:滑动摩擦力: 支撑反力: 水平方向受力: 以上关系可推出加速度: 从上式可以看出,由于小车质量m一定,若想增加加速度只有增加摩擦系数和减少支撑力N。由于简易起草皮机活动场所在室内需要频繁的更换速图3-9 小车受力图度,只有加速度大一些时,才能满足足球简易起草皮机快速性、实时性要求。 在摩擦系数一定时,只有尽量减少支撑力N,加速度才能达到最大,这直接关系到小车重心的位置。小车的电池和后加负载是小车中比重较大者,在放置是应该尽量靠近后轮,这样支撑力N就会减小,加速度在启动时就能保持尽量大。通过计算简易起草皮机通过实验验证最优加速度为3.92m/s左右。3.4系统可靠性设计 控制系统质量的高低主要表现在技术性能、可靠性、适应性和经济性四个方面,其中技术性和可靠性是最重要的方面。但在系统的具体设计工作中,往往特别强调其技术性能指标而忽视了它的可靠性。而由于可靠性设计的不周密,在偶然囚素或意外事件的作用下,系统便不能正常工作,从而可能造成灾难性的后果,系统的可靠性保证有赖十完善的可靠性设计、严格的部件制作、规范的设备安装调试、正确的操作使用和经常性的维护。本运动控制系统的设计充分考虑了可靠性这一指标,主要体现在以下儿个方面1屏蔽技术本系统中,直流电机、驱动部件、甚至是微控制器使用的振荡器,都是电磁干扰的噪声源。当距离较近时,电磁波会通过分布电容和电感藕合到信号回路而形成电磁干扰;当距离较远时,电磁波则以辐射形式构成干扰。针对上几述情况,主要要通选用高导磁材料做成屏蔽体,使电磁波经屏蔽体壁的低磁阻磁路快速衰减,以降低干扰。 2地线的处理 理解产生地线噪声的机制对于减小地线干扰至关重要,所有地线都有阻抗,和所有电路一样,电流必须流回其源点,电流通过地线卜的有效阴_抗将产生一个电压降,这些电压降就是地线干扰的原因。正确接地是控制系统抑制干扰所必须注意的重要问题,在设计中若能把接地和屏蔽正确的结合,可很好地消除外界丁扰的影响。接地设计的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压,以及免受电磁场和地位差的影响,即使其不能形成地环路。 3抑制自感电动势干扰在本系统中,使用了电动机这种具有较大电感量的器件。当电感回路的电流被切断时,会产生很大的反电势而形成噪声干扰。这种噪声不但能产生电磁场干扰其它回路,甚至还有可能击穿电路中的晶体管之类的器件。对此在线圈两端并联了二极管来抑制反向自感电势的干扰。结论本次设计内容是:简易起草皮机硬件设计与驱动设计。第二章的内容是对简易起草皮机进行了选型,分别对简易起草皮机的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较,最终确定了非完整约束轮驱四轮式移动结构模型。后轮同轴驱动,前轮转向的简易起草皮机。并分别详细介绍了简易起草皮机的驱动部分和转向部分的组成硬件。首先,选定驱动电机为直流电机,转向电机为步进电机,然后对前后各部分的机械结构进行了设计,经校核,各零部件的强度和刚度都符合要求。最后结合所有设计内容对系统可靠性设计问题进行了研究讨论。按照设计要求认真投入的完成了设计内容,整个设计过程使我对已经学过的知识更加系统,拓宽了我的知识面,进一步提高了我的自学能力,经过努力最终达到了预期目标。同时根据设计要求对简易起草皮机的整体方案进行了分析,包括结构设计,驱动电机选择。文章对简易起草皮机硬件结构做了详细的可行性分析及设计,并进行了相应的计算、校核,主要有驱动轮电机和转向轮电机的选择及其驱动电路的设计;齿轮的设计计算和校核;前后减震系统以及转向机构设计和车体的一些机械结构设计等,并针对本设计所研究的简易起草皮机做了系统设计的可靠性设计。毕业设计收获很多,比如学会了查找相关资料相关标准,分析数据,提高了自己的绘图能力,懂得了许多经验公式的获得,是不懈努力的结果。同时,仍有很多课题需要在以后的工作中去努力去完善。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力,对材料的不了解等等。这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅,使我明白自己知识还很浅薄,虽然马上要毕业了,但是自己的求学之路还很长,以后更应该在工作中不断努力学习,努力使自己成为一个对社会有所贡献的人,为中国机械行业添上自己的微薄之力。致谢这次毕业设计可以圆满的完成,离不开导师XXX的悉心指导。从课题的提出和论证到论文完成,X导师渊博的学识、先进的学术思想、对待研究的严谨态度和无私的奉献精神都是学生的楷模,使我受益匪浅,在论文完成之际,谨向尊敬的X导师致以崇高的敬意和由衷的感谢。经过这段时间的毕业设计,我感觉到掌握扎实的基础知识和学会使用必要工具的重要性,深刻体会到网络资源的巨大作用,在遇到难以解决的问题时,可以在网络中寻找所需的资料,到相关的论坛上去求得帮助;学会灵活运用电脑网络这个现代工具是我们必备的素质。同时毕业设计对我的英语水平也提出了较高的要求,通过阅读英文资料、翻译英文材料切实提高了我使用英语的水平,使我在今后的学习中不至落后现代技术发展的潮流。在进行毕业设计的过程中 ,我的感激之情无以言表,仅以此文献给他们,感谢我的朋友们,大家这四年来无论深处何地,距离多远,我始终感受的到与你们大家在一起;感谢我的老师,四年来对我的关心帮助让我在学校的生活和学习中都能有亲人般的感觉;感谢我的同学们,大家虽然来自不同的地方,但是大家始终相亲相爱,团结一致。我很庆幸能有了你们大家陪我一路走过艰难的历程。回首大学四年,往事历历在目,心绪难以平复,如此多的关心和帮助让我感到莫大的幸运,感觉充满力量,无论是身边的同学老师还是远方的亲人朋友们,他们的支持是我可以努力和坚持的最大动力,有了他们才真正让我感受到这个世界是无与伦比的美丽,这些都将支持我走向新的岗位,为社会为他人贡献我的绵薄之力。参考文献1 机械设计手册编委会编,机械设计手册,机械工业出版社出版.2005.9:6-896-93,9-1009-1062 邱宣怀,机械设计(第四版),高等教育出版社.2006.10:204256,2963083 张海根,机电传动控制,高等教育出版社.2002.8:901174 张 霞 蔡宗寿 我国草坪机械使用现状及发展对策 农机化研究 第六期 5 黄文敏 草坪割草机动力产品试验规程的制订及应用 林业机械与木工设备6 王振东 涂洪森 草坪割草机高度调节机构对作业质量影响分析及其优化设计 林业机械与木工设备7 李凯捷 王琦 草坪割草机抛射物试验及设计开发试验台的研究 林业机械与木工设备8 陈忠 司庆功 王秋生等 堤坡平地两用型手扶式割草机的研制 人民黄河第30卷第3期9 姚昊萍 张建润 割草机电机隔振垫的优化设计 噪声与震动控制2010年第三期10 吕 琳 黄维亚 割草机电机罩的冲压成形工艺 微特电机 2008年第4期11 梅敦 张瑞英 割草机动刀片磨损机理探讨 内蒙古工业大学学报12 单春 贤方攀 邵霞 割草机机具参数对碎草抛撒性能的影响 农业机械13 李琦 马祥 基于工控机的割草机变速箱测试控制系统 计算机应用14 周忠旺 基于空气动力学原理的气垫式割草机叶轮设计 制造业自动化15 陈智君 姚建华 楼程华等 激光表面合金化工艺在割草机刀片中的应用研究 激光与光电手母进展16 李 敏 王金青 邓建霞等 浅谈割草机在堤防工程草本植被养护中的应用前景 中 国 水 运17 王东清 实用型多功能割草机的研制 林业机械与木工设备18 戴福国 李英杰 手推式静音草坪割草机介绍 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