玻璃清潔機器人的研發(fā)擦洗機構設計

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1、 北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設計 玻璃清潔機器人的研發(fā) -擦洗機構設計 玻璃清潔機器人的研發(fā)-擦洗機構設計 摘 要 本課題設計任務是設計玻璃清潔機器人的擦洗機構和移動機構。通過對市面上各種擦洗機構對比和分析，本課題提出采用滾筒擦洗擦洗機構的方案。對玻璃清潔機器人擦洗機構的減速裝置分析，確定擦洗機構為滾筒，并確定葉輪驅動電機型號。設計擦洗機構，畫出它的結構簡圖，并確定擦洗機構的工作流程，對低速軸進行有限元分析，選取合適的軸承和聯軸器，對擦洗機構的減速裝置的高速軸和低速軸進行力學分析，設計合適的軸。最后用三維軟件Solidwork繪制零件圖和裝配

2、圖，用AutoCAD修改裝配圖和零件圖的細節(jié)。 關鍵詞：擦洗機構；力學分析；有限元 Research and development of glass cleaning robot design of scrubbing mechanism Summary The task of this project is to design the scrubbing mechanism and the moving mechanism of the glass cleaning robot. Through

3、 the comparison and analysis of various scrubbing mechanisms on the market， in this paper, the scheme of drum scrubbing mechanism is proposed. Through the analysis of the deceleration device of the scrubbing mechanism of the glass cleaning robot, it is determined that the scrubbing mechanism is a ro

4、ller and the model of the impeller driven motor is determined. Design the scrubbing mechanism, draw its structure diagram, determine the working process of the scrubbing mechanism, carry out the finite element analysis on the low-speed shaft, select the appropriate bearing and coupling, carry out th

5、e mechanical analysis on the high-speed shaft and low-speed shaft of the reduction device of the scrubbing mechanism, and design the appropriate shaft. At last, the 3D software SOLIDWORK is used to draw part drawing and assembly drawing, and AutoCAD is used to modify the details of assembly drawing

6、and part drawing. Keywords: scrubbing mechanism; mechanical analysis; finite element analysis 目 錄 1前言 1 1.1玻璃清潔機器人的現狀 1 1.1.1國內現狀 1 1.1.2國外現狀 2 1.2玻璃清潔機器人的分類 5 1.2.1按吸附方式分類 5 1.2.2按行走方式分類 5 1.3研究目的與意義 6 1.4功能要求 6 1.5研究內容 7 2 清潔機器人分析 8 2

7、.1機器人設計 8 2.2總體設計方案 8 2.2.1吸附功能 9 2.2.2清潔功能 10 3 清潔機器人擦洗機構 11 3.1清潔機器人擦洗機構 11 3.2 電機選擇 13 3.2.1工作總效率 13 3.2.2工作機所需輸入功率 13 3.2.3確定電動機型號 13 4清潔機器人傳動 15 4.1 高速軸計算 15 4.1.1 選擇材料，確定許用應力 15 4.1.2按齒面接觸疲勞強度設計 15 4.2 低速軸計算 20 4.2.1 選擇材料，確定許用應力 20 4.2.2按齒面接觸疲勞強度設計 20 4.3 輸出軸兩端齒輪 26 4.4 軸的設計計

8、算 26 4.5箱體 33 4.6減速裝置建模 35 5.有限元分析 36 5.1建模 36 5.2材質選擇 36 5.3固定 37 5.4施加載荷 37 5.5網格設置 38 5.6算例結果 39 5.6.1應力分析 39 5.6.2位移分析 40 5.6.3應變分析 41 6總結 42 參考文獻 43 謝 辭 44 北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設計 1前言 1.1玻璃清潔機器人的現狀 我國國內和國外科技發(fā)展相對有一定差距，國外的玻璃清潔機器人技術發(fā)展較快，但隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，我國的玻璃清潔機器人技術正

9、在追趕國外的技術。 1.1.1國內現狀 我國的清潔機器人的研究相較于國外起步要慢一些，國內的玻璃清潔機器人不僅價格昂貴，而且性能相較于國外要差一些，其主要的核心技術大多引自國外，但近幾年國內對玻璃清潔機器人的研發(fā)也取得一定成果。最近幾年中國的一些理工工業(yè)大學也在致力研究設計新一代的玻璃清潔機器人。這幾年國內的玻璃清潔機器人發(fā)展得較快，對技術的創(chuàng)新也是國內外有目共睹的，但依舊是缺乏核心技術，國內的清潔機器人對一些較難清洗的環(huán)境部位就顯得很吃力，我國現在主要致力于以利用靜態(tài)圖像的分析評估以及終端特殊機構的設計為主，因此國內玻璃清潔機器人在功能和使用上還有很大的發(fā)展空間 [1]。 國內有較為出

10、名的玻璃清潔機器人制作企業(yè)科沃斯在玻璃清潔機器人方面具有顯著成就。如圖1.1為W836擦窗8系機器人，該機器由于采用高質量材料制作，所以其電機磨損大幅降低，工作壽命更長，清潔效果好，可以實現智能靈敏感應，智能斷電。如圖1.2為W83S機器人，該機器成本低價格低，適用于絕大多數家庭，該機器人擁有四重循環(huán)擦洗功能，擦洗表面灰塵，刮走污水和頑固污漬，再次走污水和頑固斑點，最后擦干水漬。 圖1.1 W836玻璃清潔機器人 圖1.2 W83S玻璃清潔機器人 1.1.2國外現狀 清潔機器人最早是在國外發(fā)展，在上個世紀時的日本開始研究玻璃壁面清潔機器人，然后歐美國家才開始進行玻璃壁面清潔

11、機器人的研究。國外對玻璃清潔機器人的研發(fā)的進展相對國內較快，并且已經研究出了相對成熟技術。 早在上個世紀80年代，Walker壁面移動機器人被日本公司化工機械技術服務株式會社成功研發(fā)。如圖1.3所示，其中1為機器人外殼，2為該機器人的4個吸盤，11為機器人側面外殼，12為機器人底座。 為這種機器人的工作原理是通過利用真空泵排出空氣形成真空狀態(tài)，真空形成負壓吸附來實現吸附，行走機構滾輪和行走皮帶彼此配合的驅動方式。滾子和皮帶彼此接觸隔離了空氣從而形成了一個真空腔體。行走機構滾輪加上行走皮帶的驅動方式讓它平穩(wěn)的吸附移動。滾子及輪帶將構成完真空的腔體。但是其存在一個頗嚴重的缺陷，每當玻璃平面存在

12、小小的間隙的時候，它的真空吸附便難以維系。 圖1.3 吸附式玻璃清潔機器人 1982年日本纜車公司BISOH公司開始研發(fā)縱向升降幕墻清洗機器人，到了1987年研發(fā)了橫向移動玻璃清潔機器人，1996年成功把全自動玻璃清潔機器人進行了商品化 [2]。 1986年名為SKYWASHER玻璃清潔機器人被美國的國際機器人公司研發(fā)成功了，字母L型的整體框架結構是其特殊的外型，并且該機器人通過安裝了多個位于框架上的真空吸盤吸附玻璃，機器人可以實現左右移動，并且該機器人可以通過垂直運動跨越具有一定高度的障礙物，與此同時它也可以配置清潔液和清潔布。之后在1990年，俄羅斯的機械科學研究院也開發(fā)了擁有獨

13、立吸盤壁面移動功能的機器人。 2003年日本研發(fā)出來面向家用的小型玻璃清潔機器人。之后隨著日本瞄準國內市場，專門設計了一款玻璃清潔機器人，如圖1.4所示。這種小型玻璃清潔機器人的吸附方式是運用真空吸附原理來實現，它包含真空泵和吸盤兩個結構，驅動方式是利用小型減速器帶動滾輪來實現行走，這種機器人新增了轉向機構，可以在玻璃邊角90度換向，玻璃清潔機器人的效率比以往提高了許多。該機器人造型上保持了日本的一貫作風，及其簡單。由于日本的高智能機器人技術的應用，這款機器人可以實現擦窗完成，回到起點的功能。 圖1.4 日本玻璃清潔機器人 同樣位于韓國的ILSHIM GLOBAL公司與浦項智慧機器人

14、研究所也共同研發(fā)了 名為Windoro的自動玻璃清潔機器人。并且隨著科技的發(fā)展，韓國也開始瞄準國內市場設計一款機器人，如圖1.5所示。 圖1.5 韓國自動玻璃清潔機器人 1.2玻璃清潔機器人的分類 市面上多種多樣玻璃清潔機器都有著相同的特點，通過這些特點可以把玻璃清潔機器人分成不同的類型。 1.2.1按吸附方式分類 現在市面上的絕大部分常用的吸附可大致分為這幾種，負壓吸附、磁鐵吸附和推力吸附，另外還有膠吸附，壁虎吸附等等。磁吸附又分為電磁鐵和永久磁鐵。永磁吸附的優(yōu)點是不用外加能量就能吸附，小小的體型就可以吸住大塊的磁性物體，使用和安裝都很方便，但缺點也顯而易見，其不能改變

15、磁力強度，一般需要進行多次嚴格的測試才能運用到實際生活中；電磁吸附的優(yōu)點在于易實現機器人主體與壁面的離合，吸附力強且移動快，缺點則是需外部施加能量，電磁鐵重量大，因此機器人笨重。真空吸附優(yōu)點是突破了對玻璃厚度的限制，使它不用像磁鐵吸附那么繁重，但是它的吸附原理也在某程度限制了它的研發(fā)，其機構較其它機器人復雜很多，設計所花費的時間金錢成本也很高。真空吸附按吸盤個數又分為單吸盤和多吸盤兩種，其中單吸盤的優(yōu)點是允許有一定的泄露量，允許壁面有凹凸，缺點吸盤的泄露量如果超過極限，本體將會失去吸附能力；多吸盤的優(yōu)點是吸盤尺寸小，易于實現輕量化，機器人更加靈活。推力吸附由于履帶輪的材質為柔軟硅膠材質的，可以

16、有效防止打滑，因而對壁面要求低，不存在泄露問題，但履帶輪前進機構的缺點在于轉彎速度慢和靈活性差，影響工作效率，并且風機噪聲很大，機器人重量大，體積笨重，效率低。 磁吸附有幾個突出的優(yōu)點，其一是磁吸附對壁面的平整程度要求不高，而且磁吸附清潔機器人的有效載荷遠超推力吸附機器人和真空吸附機器人，而且不會出現在作業(yè)過程中真空漏氣的問題 [3]。 1.2.2按行走方式分類 按清潔機器人的行走方式分類，主要包括分為這4種，分別是輪式移動方式、履帶式移動方式、框架式移動方式、腳步式移動方式。最常用的就是輪胎行走的方式，現在市面上絕大部分都是采用負壓加上輪子驅動的結構，樓頂安全保護裝置的移動方式則是它們

17、當中最安全的。 4種行走方式各有優(yōu)點缺點。輪式移動的優(yōu)點在于控制簡單，移動速度快且轉彎靈活 ，機動性要求較為低，缺點在于輪子與壁面為線接觸，因此摩擦阻力偏小。履帶式移動的優(yōu)點在于其與壁面接觸面積較大，可以適應各種的復雜行走面，缺點在于履帶結構尺寸大且轉彎緩慢，其機動性差?？蚣苁揭苿雍湍_步式移動移動的優(yōu)點一樣在于越障能力較好，缺點都是在于速度緩慢且控制復雜 [4]。 通過四種行走方式的對比，考慮多方面的影響，如：設計研發(fā)的時間和經費，機器人能否保證安全進行清洗工作，機器人是否會發(fā)生斷電情況，并且發(fā)生斷電時是否會造成機器人本身的完全損壞，是否會造成機器人高空墜落的情況。所以本課題決定采

18、用安全保護系統(tǒng)的移動方式。 1.3研究目的與意義 隨著國家的不斷發(fā)展，人們對于生活水平要求也開始不斷提高，不少商家從歐美市場引入那些銷售良好的玻璃清潔機器人，并且隨著國內高樓大廈的修建被不斷的應用于高樓玻璃清潔，玻璃清潔機器人將隨著科技的不斷發(fā)展成為智能家居的一種，像其他智能家居一樣在每個家庭日常生活必不可少。 隨著4G網發(fā)展及5G網的來臨，玻璃清潔機器人逐漸由普通的清潔機器人過度為智能家用電器的一種。和其他智能家居一樣，玻璃清潔機器人以簡潔現代風格的造型，外型精致而且以實用為主。面對越來越高的建筑高度，玻璃清潔機器人將逐步取代人工清潔。但是我國現有建筑中的幕墻大多以分隔結構為主，在機器

19、人移動過程中，難以翻越樓層中間的分隔帶，因此往往需要人工調整，增加了操作人員的負擔，并且在調整過程中純真較大的安全隱患。當前由于科學技術的限制，市場上的玻璃清潔機器人盡管能夠對玻璃幕墻進行自動清洗的，但其本身存在較多缺陷，如生產銷售成本高，同人工相比實用性較差和清洗效果差，玻璃清潔機器人并沒有得到人們的廣泛推廣及應用 [5]。 面對著我國國內的巨大玻璃清潔機器人的市場，我們決定設計一款簡潔的玻璃清潔機器人，并通過運用我們四年來所學的知識來進行合理的實踐。 1.4功能要求 玻璃清潔機器人在設計中需要采用大量先進技術，如高度的智能程序以及不受天氣影響的控制技術，清潔軌跡完善的電腦規(guī)劃，可以在

20、接觸門窗邊緣后自動改變軌跡的新型科技技術。在真空吸附系統(tǒng)設計中采用大功率電機，并且通過強力磁鐵內外對吸，從而實現自由行走在玻璃門窗上的目的。 我國的玻璃清潔機器人具有獨有的液晶顯示技術，可以實時監(jiān)測機器人工作狀態(tài)，并且假如在使用過程中面臨突發(fā)問題，可以及時查找原因并解決。通過我國全面的4G無線分布可以讓遙控突破傳統(tǒng)距離限制，實現遠程操作;玻璃清潔機器人本身具有充電電池作為應急電源，即使突然斷電也不用怕高空墜落;此外通過延長電源傳輸線和安全繩配合使用，大大提高了玻璃清潔機器人的安全可靠性。 玻璃清潔機器人主要可以分為三大部分: 充電電源：正常情況下擦窗機器人工作需要鏈接電源線，同時機器人內

21、部設有充電電池，停電時玻璃清潔機器人可以使用內置充電電池，方便玻璃清潔機器人回收，避免機器人高空墜落。 安全組件：雖然玻璃清潔機器人不會高空墜落，但是為了避免發(fā)生危險事件，大多數生產商都會配備一個安全裝置，方便用戶在清潔玻璃時遇到突發(fā)情況可以避免各種安全隱患。 清潔裝置：一般玻璃清潔機器人的清潔裝置都可以拆裝，可重復利用，可以更換，可以清潔。清潔裝置并非越大越好，關鍵在于清潔裝置是否和玻璃緊湊貼合，通過提高貼合度可以提高清潔效率。 1.5研究內容 本次畢業(yè)設計，我們將設計一款玻璃清潔機器人。本次設計要求運用大學所學機械工程知識，所以我選擇以減速器為主要內容。在本次設計過程中最

22、大的問題在于減速器傳動比大小確定，所以我經過計算盡可能的使齒輪尺寸緊湊。 2 清潔機器人分析 2.1機器人設計 當代工業(yè)機器人是可以自行實施職責、取代或者幫助全人類作業(yè)仿人力機械。一般而言它多運用在機電設備還有計算機程序或者電子線路操控等領域。機器人范疇之廣，自主的亦或是半自主的都可稱為機器人。現在市面上絕大多數為仿生機器人，日本對于人形機器人的研發(fā)投入了大量的資金，它的發(fā)展也是較快的，而納米機器人的研究也在不斷進行，21世紀將會是機器人發(fā)展的快速時期，氣動清潔機器人的

23、構造包括機械設計、運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。 機器人又因為在不同的工作場因而會產生不同的設計方法，本文的設計理念為高效率、簡單易操作、較高的安全性，還有機器人本體輕質量的特點，從而避免對玻璃產生過大的力。 2.2總體設計方案 玻璃清潔機器人的基本功能包括：吸附功能、移動功能和清潔功能，本課題設計的玻璃清潔機器人總體結構如圖2.1所示。它由3部分組成，分別是安裝在樓頂的安全保護系統(tǒng)、玻璃清潔機器人本體、控制器。其中玻璃清潔機器人利用負壓吸附緊貼在玻璃面上，于自身重力的作用下滑并且清潔玻璃，而安全保護系統(tǒng)中的卷揚機則通過鋼繩與玻璃清潔機器人主體互相連接著，這樣如果機器

24、人發(fā)生故障時，安全保護系統(tǒng)就可以拉著它。從而防止發(fā)生意外事故。針對現有玻璃清潔機器人產品的尺寸和特征，單吸盤玻璃清潔機器人的設計參數如下： (1) 機器人外觀尺寸：300x300x150mm (2) 機器人本體質量：50kg (3) 安全系統(tǒng)質量：180kg 2.2.1吸附功能 圖 2.1 機器人總體系統(tǒng)結構圖 單吸附玻璃清潔機器人主要運用于高層寫字樓、居民住宅樓、高層花園樓和大型購物商樓，因而本課題考慮到其在工作環(huán)境和工作效率及安全性這幾個問題，需具備以下幾個功能： (1)吸附功能。吸附機構必須要保證玻

25、璃清潔機器人能正常的貼在玻璃上面，并且在機器人移動過程中不能過多的影響速度，所以對吸附機構的控制要合適到位。 (2)移動功能。玻璃清潔機器人的移動應該具有平穩(wěn)、持續(xù)的良好運行能力。 (3)對玻璃厚度的適應能力。當今的建筑用的玻璃種類型號繁多，本課題設計的玻璃清潔機器人應具有較為強的適應能力，去適應不同的玻璃壁面，使其盡量的運用在不同的高樓建筑。 (4)清潔能力。玻璃清潔機器人應該具備良好的清洗玻璃功能，清潔裝置要求自動化快速高效地清洗玻璃。 (5)安全保護功能。玻璃清潔機器人必須要有防止墜落的功能，這種功能可以保護機器人本身，還可以防止因機器人墜樓發(fā)生傷人的意外，安全保護這一功能是當代

26、清潔機器人所必備的。 2.2.2清潔功能 常用的玻璃清潔機器人采用的清潔方法有: (1) 高壓噴氣清潔。通過氣泵對空氣壓縮，同時與清潔液一同通過預留空噴出，從而實現清潔目的 (2) 掃盤清潔。機器人擺臂上設立掃盤，通過擺臂擺動以及掃盤旋轉，從而實現清潔目的。 (3) 滾筒清潔。在機器人上安裝滾筒，通過滾筒滾動以及機器人移動，從而實現清潔目的。 (4) 滑塊清潔。在機器人上安裝滑塊，通過渦輪，蝸桿以及繩索實現移動，再用壓緊輪壓緊，從而實現清潔目的。 (5) 清潔帶清潔。在機器人上安裝傳動帶傳動，在傳動帶上設置清潔材質，通過移動傳動帶以及傳動帶本身傳動，從而實現清潔目的。 經過

27、思考，本次設計采用滾筒清潔的方式來清潔。 圖2.2玻璃清潔機器人簡圖 如圖2.2所示，該設計簡圖采用減速器和滾筒相結合的方案。 清潔機器人受力F=250 N,滾筒轉速V=0.25 m/s，滾筒直徑為D=100 mm，選用電機為100W。 清潔抹布的材料選用超細纖維。 3 清潔機器人擦洗機構 3.1清潔機器人擦洗機構 （1）擦洗滾筒 根據本次設計方案，采取滾筒結構來清潔，如圖3.1： 圖3.1滾筒 在滾筒上增加掛鉤結構和粘貼結構，如圖3.2： 圖3.2掛鉤結構和粘貼結構 為了使?jié)L筒運動，在滾筒兩邊增加齒輪，使?jié)L筒受力轉動。

28、（2）擦洗選擇 常用的清潔物有海綿，橡膠，超細纖維等。經過選擇后選用超細纖維作為擦洗材料。 ① 橡膠 橡膠是通過加工橡膠樹膠乳制成，主要成分為異戊二烯。橡膠具有良好的耐磨性、很高的彈性、扯斷強度及伸長率。橡膠的優(yōu)點在于彈性好，耐酸堿。。橡膠的缺點則是在空氣中易老化，遇熱變粘，在礦物油或汽油中易膨脹和溶解，耐堿但不耐強酸不耐熱。橡膠可以用于制作膠帶、膠管、膠鞋，并可以用于制作減震零件、汽車剎車油、乙醇等液體。 橡膠最大的缺點在于橡膠會出現老化的現象。橡膠老化的表現為龜裂、發(fā)粘、硬化、軟化、粉化、變色、長霉等現象。 ② 超細纖維 超細纖維表面性狀為均勻、緊湊、柔軟、高彈的細微絨團，其主

29、要性能有極強的去污、吸水性能。超細纖維的優(yōu)點在于不會損傷被擦拭表面，不會產生棉織物常見的纖毛脫落，而且易洗，耐用。與傳統(tǒng)的純棉材料比較，超細纖維材料主要有六大特點。 超細纖維由于其本身的特殊結構，導致其對水分的吸收和排放速度極快。超細纖維的特殊的橫斷面結構能更有效地捕獲非常細小的塵埃顆粒。因此使用超細纖維去除污垢，去除油漬的效果十分明顯。超細纖維的合纖長絲強度較高，使用時不易斷裂。同時，在編織超細纖維時采用獨特的精細編織法，通過這種編織法后超細纖維極其牢固，不易抽絲，不易從制品表面脫落。 而且由于超細纖維本身具備的強大韌性，極高的強度，導致它的不易損壞，因此超細纖維制品的使用壽命遠遠超過普

30、通紡織品使用壽命。超細纖維制品的特殊結構使得其制品可以多次水洗，不用擔心制品性質改變。同時，超細纖維具有的高分子聚合纖維不會發(fā)生蛋白質水解，因此它不像棉纖維那樣使用后不晾曬，會出現發(fā)霉，腐爛的情況，故而其使用壽命超高。 普通毛巾使用時，由于其本身的結構缺陷會將被擦物表面的灰塵、油脂、污垢等直接吸收到纖維內部，使得毛巾使用后殘留于纖維之中，即使多次清潔依然會有殘余，并且使用時間較長后纖維結構變形導致失去彈性變硬。 3.2 電機選擇 根據設計可得清潔機器人受力F=250 N,滾筒轉速V=0.25 m/s，滾筒直徑為D=100 mm，選用電機為100W。本章節(jié)通過參考《

31、機械設計》，《機械設計教程》等書的計算方法，并查取數據進行計算。 3.2.1工作總效率 由所選方案有： 聯軸器2個，傳動效率一般為0.99，取0.99 軸承3對，傳動效率范圍為0.98～0.99，取0.99 齒輪嚙合３對，選用８級精度，直齒圓柱齒輪單級傳動效率=0.96～0.98，取0.97。 則計算總效率： η=η1 2η23 η33=0.877 3.2.2工作機所需輸入功率 電機輸入功率為：，其中 式中：Pd----工作機實際需要的電動機輸出功率，KW； Pw----工作機所需輸入功率，KW； η-----電動機至工作機之間傳動裝置的總效率

32、。 所以71.26ｗ 考慮到安全問題，使電動機的額定功率Ped＝（1～1.3）P ，由查表得電動機的額定功率P ＝（1～1.3）Pd=92.628 W　。 3.2.3確定電動機型號 計算滾筒工作轉速 47.75r/min 三級圓柱齒輪減速器的傳動比的范圍必須符合規(guī)定，經過查表可得：27～216。故電機的可選轉速為： 1289～10314 r/min 故選用電機5730AIOH電機，如表3.1和圖3.3 表3.1電機參數 型號參數 5730AIOH 電源 電壓 24~36VDC 電流 4.4A 電機參數 扭矩 0.48NM 額定轉速

33、 2500RPM 最大轉速 3000RPM 功率 100W 圖3.3電機簡圖 4清潔機器人傳動 本章節(jié)通過參考《機械設計》，《機械設計教程》，《機械設計課程設計》，《機械課程設計簡明手冊》等書的計算方法，并查取數據進行計算。 4.1 高速軸計算 通過從材料選擇，齒數估算，確定傳動比后計算齒輪分度圓直徑，齒輪模數，實際的齒輪齒數，最終得出高速軸參數。 4.1.1 選擇材料，確定許用應力 （1）選用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角為20。 （2）減速器為一般工作機器，查表10-6可得選用7級精度。 （3）查表10-1，選擇小齒輪材

34、料45鋼（調質），齒面硬度240HBS；大齒輪材料45鋼（調質），齒面硬度240HBS。 （4）選小齒輪齒數z1=23，大齒輪z2=uz1=51，取51，齒數互質。 4.1.2按齒面接觸疲勞強度設計 （1） 由式（10-11）試算小齒輪分度圓直徑，即 1） 確定公式中的各參數值 ①試選 ②計算小齒輪傳動的轉矩 P1=P0η1=99W n1=n0=2500 r/min T1=9.55106 P/n1 ㎜=3.78104 N?㎜ ③由表10-7選取齒寬系數。 ④由圖10-20查得區(qū)域系數。 ⑤由表10-5查得材料的彈性影響系數。 ⑥由式（10-9）計算解除疲勞

35、強度用重合度系數。 30.172 20.28 1.675 0.88 ⑦計算接觸疲勞許用應力。 由圖10-25d查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為 =550MPa、=550MPa。 由式（10-15）計算應力循環(huán)次數： 1.081010 4.78109 由圖（10-23）查取接觸疲勞壽命系數KHN1=0.95 KHN2=0.95。 取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-14）得 [σH]1=KHN1σHlim1S=523MPa [σH]2=KHN2σHlim2S=523MPa 取兩者中的較小者作為該齒輪副的解除疲勞許用應力，即 2） 試計算

36、小齒輪分度圓直徑 =44.964mm （2） 調整小齒輪分度圓直徑 1）計算數據準備。 ①圓周速度v 5.98M/S ②齒寬b 44.964mm 2） 計算實際載荷系數 ①由表10-2查得使用系數。 ②根據V=5.98m/s、7精度級，由圖10-8查得動載荷系數。 ③齒輪的圓周力。 1681N 37.4N/mm<100N/mm 查表10-3得齒間載荷分配系數。 ④由表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，得齒向載荷分布系數KHβ=1.417。 由此，得實際載荷系數1.87 3） 由式（10-12），可得按實際載荷系數算得的分度圓直徑

37、50.757mm 及相應的齒輪模數 2.207mm （3）按齒根彎曲疲勞強度設計 按式10-7試算模數： 1）確定參數。 ①選KFt=1.3。 ②按式計算彎曲疲勞強度用重合度系數。 Yε=0.25+0.75εα=0.698 ③計算YFaYsa[σF] 查圖10-17得齒形系數YFa1=2.33、YFa2=2.33。 查圖10-18得應力修正系數Ysa1=1.76、Ysa2=1.76。 查圖10-24c得大小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為： σFlim1=380MPa、σFlim2=380MPa 查圖10-22得彎曲疲勞壽命系數KFN1=0.88、KFN2=0.88

38、 N1=1.081010 N2=4.78109 取彎曲疲勞安全系數S=1，由式10-14得： [σF]1=KFN1σFlim1S=334.4MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=334.4MPa YFaYsa[σF]1=0.0117 YFaYsa[σF]2=0.0117 ?。篩FaYsa[σF]=0.117 2）試算模數 =1.517 （2）調整齒輪模數 1）數據準備 ① 圓周速度v d1=mtZ1=34.891 V=πd1n1601000=4.57m/s ② 齒寬 b=?dd1=4.891mm ③寬高比b/h h=2ha*+c*mt=3

39、.413mm bh=10.22 2）計算實際載荷系數KF ①根據v=2.07m/s，7級精度，由圖10-8查得動載荷系數Kv=1.12 ②由Ft1=2T1d1=2.167103N,KAFt1b=62Nmm<100N/mm查表10-3得齒間載荷分配系數KFα=1 ③由表10-4查得 KHβ=1.417 ，結合 b/h=10.67查圖10-13得KFβ=1.34 載荷系數為：KF=KAKvKFαKFβ=1.501 3)由式10-13，可得按實際載荷系數算得的齒輪模數 m=mt3KFKFt=1.591mm 取整為標準值m=2mm，可由接觸疲勞強度計算得出的分度圓直徑d1=50.75

40、7mm，算出小齒輪齒數Z1=d1m=25.22取z1=26，則大齒輪齒數z2=uz1=57.642，取 z2=59，z1與z2互質。 4.幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 ｄ1=ｚ1m=262㎜=52㎜ ｄ2=ｚ2m=592㎜=108㎜ （2）計算中心距 a =（ｄ1＋ｄ2）/2=85㎜ (3)計算齒輪寬度 b=Φdｄ1=175=75㎜ 為了保證設計齒寬 b和節(jié)省材料，一般將小齒輪略為加寬（5~10）mm，即取 取b2=57㎜，b1=52㎜ 5. 圓整中心距后的強度校核 （1）齒面接觸強度校核

41、 =517MPa<[σH] 齒面接觸疲勞強度滿足要求。 （2）齒根彎曲疲勞強度校核 =87MPa<[σF]1 =87MPa<[σF]2 齒根彎曲疲勞強度滿足要求。 4.2 低速軸計算 通過從材料選擇，齒數估算，確定傳動比后計算齒輪分度圓直徑，齒輪模數，實際的齒輪齒數，最終得出低速速軸參數。 4.2.1 選擇材料，確定許用應力 （1）選用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角為20。 （2）減速器為一般工作機器，查表10-6可得選用7級精度。 （3）查表10-1，選擇小齒輪材料45鋼（

42、調質），齒面硬度240HBS；大齒輪材料45鋼（調質），齒面硬度240HBS。 （4）選小齒輪齒數z1=25（20~40），大齒輪z2=uz1=57，取57，齒數互質。 4.2.2按齒面接觸疲勞強度設計 （1）由式（10-11）試算小齒輪分度圓直徑，即 1）確定公式中的各參數值 ①試選 ②計算小齒輪傳動的轉矩 P2=P1η2η3=97W n2=n1i1=1096 r/min T2=9.55106P2n2=8.452104N?mm ③由表10-7選取齒寬系數。 ④由圖10-20查得區(qū)域系數。 ⑤由表10-5查得材料的彈性影響系數。 ⑥由式（10-9）計算解除疲勞強度

43、用重合度系數。 29.531 24.791 1.693 0.877 ⑦計算接觸疲勞許用應力。 由圖10-25d查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為 =550MPa =550MPa 由式（10-15）計算應力循環(huán)次數： 4.7109 2.07109 由圖（10-23）查取接觸疲勞壽命系數KHN1=0.95 KHN2=0.95。 取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-14）得 523MPa 523MPa 取兩者中的較小者作為該齒輪副的解除疲勞許用應力，即 （2）試計算小齒輪分度圓直徑 =27.15mm （3） 調整小齒輪分度圓直徑

44、 1）計算實際載荷系數前的數據準備。 ①圓周速度v 1.56M/S ②齒寬b 27.15mm 4） 計算實際載荷系數 ①由表10-2查得使用系數。 ②根據V=5.98m/s、7精度級，由圖10-8查得動載荷系數KV=1.05。 ③齒輪的圓周力。 622.6N 229.3N/mm<100N/mm 查表10-3得齒間載荷分配系數。 ④由表10-4查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，得齒向載荷分布系數KHβ=1.417。 由此，得實際載荷系數1.488。 5） 由式（10-12），可得按實際載荷系數算得的分度圓直徑 28.399mm 及相應的齒輪模數 1.1

45、36mm （3）按齒根彎曲疲勞強度設計 按式10-7試算模數： 1）確定公式中的各參數。 ①試選KFt=1.3。 ②按式10-5計算彎曲疲勞強度用重合度系數。 Yε=0.25+0.75εα=0.693 ③計算YFaYsa[σF] 查圖10-17得齒形系數YFa1=2.33、YFa2=2.33。 查圖10-18得應力修正系數Ysa1=1.76、Ysa2=1.76。 查圖10-24c得大小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為： σFlim1=380MPa、σFlim2=380MPa 查圖10-22得彎曲疲勞壽命系數KFN1=0.88、KFN2=0.88 N1=4.7109 N

46、2=2.07109 取彎曲疲勞安全系數S=1，由式10-14得： [σF]1=KFN1σFlim1S=334.4MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=334.4MPa YFaYsa[σF]1=0.0117 YFaYsa[σF]2=0.0117 取：YFaYsa[σF]=0.117 2）試算模數 =1.418 （2）調整齒輪模數 1）數據準備 ① 圓周速度v d1=mtZ1=35.448 V=πd1n1601000=2.03m/s ② 齒寬 b=?dd1=35.448mm ③寬高比b/h h=(2h

47、a*+c*) mt=3.191mm bh=11.11 2）計算實際載荷系數KF ①根據v=2.03m/s，7級精度，由圖10-8查得動載荷系數Kv=1.12 ②由Ft1=2T1d1=476.9N,KAFt1b=134.5N/mm>100N/mm查表10-3得齒間載荷分配系數KFα=1 ③由表10-4用插值法查得 KHβ=1.417 ，結合 b/h=10.67查圖10-13得KFβ=1.34 載荷系數為：KF=KAKvKFαKFβ=1.5 (3)由式10-13，可得按實際載荷系數算得的齒輪模數 m=mt3KFKFt=1.826 取整為標準值m=2mm，可由接觸疲勞強度計算得出的

48、分度圓直徑d1=35.448mm，算出小齒輪齒數Z1=d1m=17.724取z1=25，則大齒輪齒數z2=uz1=57，取 z2=57，z1與z2互質。 (4).幾何尺寸計算 1）計算分度圓直徑 ｄ1=ｚ1m=252㎜=50㎜ ｄ2=ｚ2m=572㎜=114㎜ 2）計算中心距 a =（ｄ1＋ｄ2）/2=82㎜ 3）計算齒輪寬度 b=Φdｄ1=150=50㎜ 考慮安裝誤差，為了保證設計齒寬 b和節(jié)省材料，一般將小齒輪略為加寬（5~10）mm，即取 取b2=55㎜，b1=50㎜ （5）.圓整中心距后的強度校核 1）齒面接觸強度校核

49、=114.5MPa<[σH] 齒面接觸疲勞強度滿足要求 2）齒根彎曲疲勞強度校核 =107MPa<[σF]1 =107MPa<[σF]2 齒根彎曲疲勞強度滿足要求 4.3 輸出軸兩端齒輪 為了降低輸出軸的輸出，兩個齒輪選用比輸出軸上的齒輪略大。 ｚ2=57 ｄ2=ｚ2m=572㎜=130㎜ b=36mm 4.4 軸的設計計算 (1) 軸的結構設計如圖4.1 圖4.1軸 1）初步確定軸的最小直徑 查表15-1初步估算軸的最小直徑,選取軸的材料為45鋼,調質處理硬度217-255HBS，查表15-3取A=110 d1≥A3P1n1=

50、37.49mm d1=50mm d2≥A3P2n2=49.02mm d2=50mm d3≥A3P3n3=63.31mm d3=65mm 2）初選軸承 高速軸選軸承為 6028 中間軸選軸承為6206 低速軸選軸承為 6206 各軸承參數見下表4.1 表4.1軸承表 軸承代號 基本尺寸/mm d D B 動載荷Cr 靜載荷Cor 6028 140 210 33 116 108 6206 30 62 16 19.5 11.3 3）初選軸承 高速軸：采用直齒齒輪傳動，使用深溝球軸承承載，一軸端連接電動機，采

51、用彈性柱銷聯軸器HL3型。 中間軸：高速級采用直齒齒輪傳動，采用上端用套筒固定，下端用軸肩固定，使用深溝球軸承承載。 低速軸：采用直齒齒輪傳動，齒輪上端用軸肩固定，下端用套筒固定，使用深溝球軸承承載。 4）聯軸器 輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯軸器處的直徑,為了使所選的軸與聯軸器彼此吻合,故需選取合適聯軸器。查課本表14-1 選取 Tca=KAT1=491.4N?mm 按照計算轉矩小于聯軸器公稱轉矩的條件，查《機械設計手冊》99頁選取LX4型彈性柱銷聯軸器其公稱轉矩為630Nmm,半聯軸器的孔徑 d1=38mm，故取，半聯軸器的長度L=62mm。 5）軸尺寸計算 ①輸入軸 d

52、min=26mm h=(0.07～0.1)dmin d1=dmin+2h=27mm d2=28mm d3=d2+(2～3)=35mm h=(0.07～0.1)d3 d4=d3+2h=56mm d5=35mm d5=27mm L=1.5～2dmin l1=L-2～3=55mm l2=36mm l3=L軸承寬度+2～3+10+2～3=30mm Lh=1.2～1.5d3 l4=Lh-2～3=38mm h=(0.07～0.1)d l5=1.4h=35mm l6=10+2～3-l5=7mm l7=L軸承寬度=20mm l總=191mm ②中間軸 d1=d

53、min+2h=30mm d2=d軸承+(2～3)=35mm h=(0.07～0.1)d2 d3=d2+2h=45mm d4=d2=35mm d5=30mm l1=30mm Lh=1.2～1.5d3 l2=Lh-2～3=35mm h=(0.07～0.1)d l3=1.4h=7mm l4=l2=35mm l5=l1=30mm l總=137mm ③輸出軸 dmin=28mm h=(0.07～0.1)dmin d1=dmin+2h=39mm d2=30mm d3=d2+(2～3)=35mm h=(0.07～0.1)d3 d4=d3+2h=45mm d5=

54、38mm d5=30mm l1=36mm l2=L軸承寬度+2～3+10+2～3=30mm Lh=1.2～1.5d3 l3=Lh-2～3=35mm h=(0.07～0.1)d l4=1.4h=5mm l5=10+2～3-l4=35mm l6=L軸承寬度=25mm 為了不影響齒輪傳動故在輸出軸右端安放輸出軸大齒輪，并取半徑dmin=64mm，兩齒輪齒厚b=?dd1=36mm，取長度l=42mm。 l總=208mm (2)軸的校核計算 取高速軸和低速軸方向相同。 1)輸入軸 ?由教材表15-1得=60Mpa ?求作用在軸上的作用力： 由于選擇的是直齒輪和深溝球軸

55、承，所以只有徑向力。 且已知高速級齒輪的分度圓直徑為 d=52mm 齒輪作用在軸上的水平力即周向力： 145.3N 齒輪作用在軸上的鉛垂力即徑向力： 52.9N ?在垂直面上： 左側： FNH2=Ftl2l1+l2=35.3N 右側：110N 彎矩: MH1=FNH260=21.18N?m ④水平面上： 左側： FNH2=Frl2l1+l2=12.9N 右側：40N 彎矩: MH2=FNH260=7.74N?m ⑤總彎矩：22.55N?m 如圖4.2： 圖4.2 ⑥進行校核時候，通常只是校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度根據式及上面的數據

56、，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為靜應力，取0.3，軸的計算應力。 由教材表15-4得：W= ⑦ 其中T為軸輸出扭矩。 2)輸出軸 ?由教材表15-1得=60Mpa ?求作用在軸上的作用力： 由于選擇的是直齒輪和深溝球軸承，所以只有徑向力。 且已知低速級大齒輪的分度圓直徑為 d=114mm 齒輪作用在軸上的水平力即周向力： Ft=2T3d=323.86N 齒輪作用在軸上的鉛垂力即徑向力： 117.88N ?在垂直面上： 左側： FNH2=Ftl2l1+l2=45.7N 右側：278.16N 彎矩: MH1=FNH277=35.19N?m ④水平面上： 左

57、側： FNH2=Frl2l1+l2=16.6N N 右側：101.28N 彎矩: MH2=FNH277=12.78N?m ⑤ 總彎矩：37.44N?m 如圖4.3： 圖4.3 ⑥進行校核時候，通常只是校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度根據式及上面的數據，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為靜應力，取0.3，軸的計算應力。 由教材表15-4得：W= ⑥ 其中T軸輸出扭矩。 P3=P2η2η3=93W n3=n2i2=481r/min T3=9.55106P3n3=1846N?m T=T3 所以是安全的。 4.5箱體 箱體是減速器中保證所有零件

58、可以傳動的基座，是減速器上的重要零件。為了貼合本次設計，在減速器低速軸原先安裝聯軸器部分改為安裝齒輪，使輸出軸側齒輪帶動清潔滾筒，設計減速器的具體結構尺寸如下表6.1： 表6.1 箱體的結構設計 名稱 符號 結果 箱體壁厚 5 箱蓋凸緣厚度 8 箱座凸緣厚度 8 箱座底凸緣厚度 13 地腳螺釘直徑 14 地腳螺釘數目 4 軸承旁聯接螺栓直徑 11 機蓋與機座聯接螺栓直徑 7 軸承端蓋螺釘直徑 7 ，，至外機壁距離 26、22

59、、16 ，，至凸緣邊距 24、20、14 大齒輪頂圓與內機壁距離 6 齒輪端面與內機壁距離 5 外機壁至軸承座端面距離 52 4.6減速裝置建模 參考《機械制圖》對擦洗機構中的減速裝置進行建模，如圖4.4，4.5。 圖4.4減速裝置 圖4.5減速裝置 5.有限元分析 對低速軸進行有限元分析。 5.1建模 有限元分析第一步對低速軸進行建模，如圖5.1低速軸。 5.1低速軸 5.2材質選擇 有限元分析第二步選擇低速軸的材質，由于材質庫中無45號鋼，所以選用近似的普通碳素鋼。材質屬性參數如表5.1所示，圖5.2為低

60、速軸。 表5.1材質 模型參考 屬性 圖5.2 低速軸 名稱 普通碳素鋼 中抗剪模量 7.9e+010N/m^2 質量密度 7800N/m^3 張力強度 399826000N/m^2 壓縮強度 2.1e+11 N/m^2 屈服強度 220594000N/m^2 熱膨脹系數 1.3e-005/K 熱導率 43W/(mK) 比熱 440 J/(kgK) 5.3固定 有限元分析第三步選擇低速軸的固定，所以選擇軸承固定，軸承共兩個。 固定參數如表5.2所示，圖5.3為固定圖。 表5.2 夾具固定 夾具名稱 夾具圖像 夾具細節(jié) 軸承固定

61、 圖5.3軸承固定圖 實體：2面 類型：固定幾何體 5.4施加載荷 有限元分析第四步對低速軸施加載荷，需確定低速軸受到扭矩，參數如表5.3所示，圖5.4為施力圖。 表5.3載荷 載荷名稱 加載圖像 負載細節(jié) 扭矩 圖5.4施力圖 實體:2 面 參考:齒輪面，聯軸器面 類型:扭矩 值: 30N.m 5.5網格設置 有限元分析第五步對低速軸生成網格，網格參數如表5.4和表5.5所示，圖5.5為低速軸網格圖。 表5.4網格參數 網格類型 實體網格 所用網格器: 標準網格 自動過渡: 關閉 包括網格自動環(huán)

62、: 關閉 雅可比點 4 點 單元大小 4.8817mm 公差 0.244085mm 網格品質圖解 高 表5.5 低速軸網格參數 圖5.5低速軸網格圖 節(jié)點總數 16660 單元總數 10658 最大高寬比例 18.301 單元 (%),其高寬比例 < 3 98.2 單元 (%),其高寬比例 > 10 0.403 扭曲單元（雅可比）的 % 0 完成網格的時間(時;分;秒): 00:00:03 5.6算例結果 有限元分析第六步對低速軸的算例結果，可求得三種分析，應力分析，位移分析和應變分析。 5.6.1應力分析 應力分析結果如表

63、5.6所示，圖5.6為低速軸應力圖。 表5.6應力分析 名稱 類型 最小 最大 應力 VON: von Mises 應力 1.528e+03N/m^2 2.927e+07 N/m^2 圖5.6 低速軸應力圖 從分析結果來看，低速軸受到最大的應力為29MPa，需用最大應力為220MPa，在安全范圍內。 5.6.2位移分析 位移分析結果，如表5.7所示，圖5.6為低速軸位移圖。 表5.7位移分析 名稱 類型 最小 最大 位移 URES: 位移 3.789e+04 mm 3.179e+08 mm

64、 圖5.6 低速軸位移圖 從分析結果來看，槽鋼受到最大的位移量為3.179e+08 mm，在安全范圍內。 5.6.3應變分析 應變分析結果，如表5.8所示，圖5.7為低速軸應變圖。 表5.8應變分析 名稱 類型 最小 最大 應變 ESTRN : 對等應變 6.591e-05 9.570e-05 圖5.7 低速軸應變圖 從分析結果來看，低速軸最大的應變?yōu)?.570e-05，在安全范圍內。 低速軸在電機作用下承受的最大應力、位移和應變均在安全范圍內，本課題選取45號鋼，其綜合力學

65、性能優(yōu)秀，還具有良好的機械性能，常常被用于各種機械設備和建筑業(yè)上，選用45號鋼作為低速軸是再合適不過了。 6總結 本次畢業(yè)設計開始于2019年10月，在最初我們構思了設計主題玻璃清潔機器人。由于準備考研，所以耽誤了相當長的一段時間。因此本次畢業(yè)設計的真正開始時間應該在12月份的考研結束之后。正在考研結束后僅僅來得及和組員一起劃分任務結果又遇上了疫情。受限于疫情的嚴重影響，今年取消了上學計劃，因此我們不得不在家準備畢業(yè)設計。所以本次畢業(yè)設計受到了非常嚴重的影響，畢業(yè)設計進度緩慢。 大約在3月份時我受到了汽車的影響，于是選擇減速器和滾筒相搭配組成了玻璃清潔機器

66、人的清潔機構。經過將近一個月的資料查詢，我最終構思了汽車變速裝置，減速器和滾筒三者合一的清潔機構。在不停的查找資料后，我構思了多種變速裝置，可惜最終由于難度大的原因，我放棄了設計變速裝置，僅僅選擇了減速器和滾筒相結合的清潔機構，這是我的一個遺憾。 在設計清潔機構的過程中，我選擇了二級減速器作為清潔機構的減速裝置。在此過程中我復習了一遍減速器知識，因為減速器需要應用在玻璃清潔機器人上，所以最困難的在于減速器的大小方面，即齒輪大小方面。最終經過多次選擇計算，我得到了了最終結果，設計了一個相對合適的減速裝置，得到了一個大小合適的清潔機構。 經過這次畢業(yè)設計我深刻的感受到了本專業(yè)機械工程的魅力所在，當一個機械裝置在自己手中完成時，我深深的感受到了一種成就感，這就是機械的魅力所在。 參考文獻 ［1］ 王碩. 智能家居中玻璃窗自動清洗裝置的研制[D]. 大連：大連工業(yè)大學，2012 ［2］ 潘佩霖，韓秀琴，趙言正，等. 日本磁吸附爬壁機器人的研究現狀[J]