陳凱旋，鄧傳奇，張　敏，伍　廣

(安徽理工大學　機械工程學院，安徽 淮南 232001)

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行星輪越障運貨車設計與分析

陳凱旋，鄧傳奇，張敏，伍廣

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

針對崎嶇地況上的運輸問題，設計出一種行星輪越障運貨車，由蓄電池、電機、行星輪、車廂、減速器、傳動軸、調平機構等部件組成，選取爬樓工況對行星輪進行越障能力計算，通過計算結果確定電機選型，由電機輸出功率計算出傳動軸、減速器等主要零部件尺寸，整車后方安裝調平機構實現(xiàn)轉向和調節(jié)重心，在結構設計完成后，借助SolidWorks對整體結構進行三維建模，用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對主要零部件進行線性結構分析，結果表明車廂、傳動軸符合強度和剛度要求。

行星輪；越障運貨車；結構設計；三維建模；有限元分析

目前，多數(shù)的運貨小車只能適用于平坦道路，不具備翻越障礙物的功能，在低層居民樓、建筑工地和其他一些路況惡劣的野外山區(qū)進行貨物運輸時勢必會造成大量的人力、物力的浪費。為此,本文設計出一種能夠適用于平地和山地兩種路況的行星輪越障運貨車。

1　結構設計

1.1總體結構概述

行星輪越障運貨車采用電機驅動，供電裝置為5塊12 V的蓄電池。如圖1所示，行進機構采用行星輪，行星架形狀呈“Y”型，三支叉角度均為120°。車廂的厚度為2 mm，長寬高為1 200 mm×850 mm×500 mm。選用普通圓柱齒輪減速器，電機帶動齒輪轉動，齒輪通過傳動軸帶動行星輪繞輪系中心轉動，3個輪子輪番著地，實現(xiàn)越障功能。在運貨車后方安裝調平機構，調平機構由萬向輪和螺桿組成，萬向輪能夠自由地轉向，在行星輪翻越大障礙物的過程中，車廂前部會翹起，為了保證整個車體和車內物品的平衡，需要利用車廂后方螺桿的升降調整車體的重心，圖2為運貨車的結構簡圖。

圖1　行星輪結構

1—電池；2—電機；3—齒輪；4—傳動軸；5—行星輪；6—車廂；7—調平機構圖2 　運貨車結構

1.2輪子受力計算

車體的凈重為30 kg，運貨車的額定載重量為170 kg，G=(30+170)×9.8=1 960N，如圖3所示，A處為萬向輪受力FA，B處為行星輪系中心受力FB。

圖3　運貨車受力(mm)

在車體的后方只有一個萬向輪受力，在前方有兩個行星輪系承重，所以，在豎直方向上,有

FA+2FB=1 960N.

對點A由MA=0可得：

G×(600+150)=2×FB×(1 200+100+150).

計算得：

FA=946N,FB=507N.

1.3行星輪驅動力計算

取爬樓工況進行越障力計算，如圖4所示，已知a=507N，對點B列力矩平衡方程 T=G·a·cosθ，當θ<90°時，驅動轉矩主要克服重力阻力矩，當θ=0°時 ，T=507×0.2=101.4N·m。根據(jù)市面上爬樓輪椅的行進速度，取行星輪轉速n2=20 r/min，在某電機生產廠家找到一款額定功率為0.55 kW，輸出轉速為n1=23 r/min，輸出扭矩為218 N·m，傳動比為61.62的減速電機能夠滿足使用要求。

圖4　行星輪越障示意圖

1.4傳動軸的設計

查文獻[4]得圓柱齒輪傳動的效率為0.97，已知電動機輸出扭矩為218 N·m，齒輪傳動比：i=n1/n2=1.15。

傳動軸輸入轉矩：

T=218×1.15×0.97=243.2N·m.

傳動軸所傳遞的最大功率：

根據(jù)文獻[1]取C=110,所以傳動軸最小直徑：

對于d≤100 mm的軸有兩個鍵槽時，軸徑應增大10%～15%，因此，d=32.4×1.1=35.6 mm。

經過圓整取得：dmin=36 mm。

傳動軸各段軸徑如圖5所示。

1.5減速器設計

由于運貨車行駛速度不高，選用8級精度的齒輪，小齒輪材料選用40Cr，調質處理，硬度為250HBS，屈服極限為500 MPa;大齒輪材料選用45號鋼，調制后表面淬火，屈服極限為360 MPa，硬度220HBS，大小齒輪硬度差為30HBS。選小齒輪齒數(shù)Z1=21，則大齒輪齒數(shù)：Z2=1.15×21=24.2，取Z2=25，按齒面接觸疲勞強度設計，直齒圓柱齒輪減速器設計尺寸如表1所示。

圖5　傳動軸結構

mm

2　結構建模

利用三維建模軟件SolidWorks對行星輪越障運貨車各零部件進行建模并裝配，所建裝配體模型如圖6所示。

圖6　越障運貨車三維圖

3　車廂與傳動軸有限元分析

將SolidWorks所建的車廂模型通過無縫接口導入到ANSYS workbench平臺當中，對其進行靜力學分析，采用solid187單元，設置車廂材料為結構鋼，設置車廂底部網格尺寸為10 mm，設置其余部分網格尺寸為20 mm，然后采用Automatic method生成網格，最終網格模型節(jié)點數(shù)為235 976，單元數(shù)為118 935，對車廂底部施加1 700 N的靜載，方向垂直底面向下，設置車廂四周的加強筋為固定約束，進行求解，求解結果如圖7、圖8所示。

圖7　車廂整體變形云圖(mm)

圖8　車廂等效應力云圖(MPa)

將傳動軸模型導入到ANSYS Workbench中并建立靜力學分析模塊，設置材料為結構鋼，設置網格尺寸為3 mm，在齒輪連接處添加243 000 N·mm 力矩載荷，在軸承連接處設置固定約束，分別在軸的兩個末端半圓面設置力載荷，方向豎直向下，大小均為507 N。軸的材料選用的是45號鋼，由于軸承受的載荷不大，轉動速度較小，許用應力能夠滿足使用要求，因此，只對剛度和撓度進行校核，分析結果如圖9、圖10所示。

圖9　傳動軸整體變形云圖(mm)

圖10　軸端在Y軸方向變形云圖(mm)

4　結果分析

1)由圖7可以看出，滿載時最大變形為1 mm，最大變形出現(xiàn)在廂底中心處，區(qū)域呈“∞”形，約占廂底面積的1/5，廂底由四周向內變形緩慢增大，變形為0.6 mm的區(qū)域約占總面積的1/2，變形量較為微小，車廂結構滿足剛度要求。

2)由圖8可以看出車廂最大等效應力出現(xiàn)在底部加強筋的末端，應力值為75 MPa，低于材料的許用應力235 MPa，故車廂的材料強度符合要求。

3)由圖9、圖10可知，來自減速器的扭矩對傳動軸中部產生了0.04 mm的變形量，所產生的變形量比較微小。傳動軸末端承受了來自車廂的壓力，在豎直方向(Y軸方向)產生的變形量約為0.003 6 mm，大齒輪的法面模數(shù)mn=2 mm，傳動軸允許撓度y=(0.01～0.03)mn=(0.02～0.06) mm>0.003 6 mm，故傳動軸剛度符合要求。

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[責任編輯：郝麗英]

Design and analysis of handbarrow for climbing obstacles

CHEN Kaixuan,DING Chuanqi,ZHANG Min,WU Guang

(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001, China)

Aiming at the transport problems on the rugged ground, a kind of handbarrow for climbing obstacles has been devised,which consists of battery,motor, planetary gear, compartments reducer, drive shafts,leveling mechanism and other components. The obstacle capacity is calculated according to the case of climbing stairs. The moto is selected by rated load, and the size of the drive shaft,the gear unit and other major components are calculated by the output power of the motor. The leveling mechanism is installed in the rear of the vehicle to achieve the steering and adjust the focus. After the design is complete,SolidWorks is used to create a three-dimensional model and make linear structural analysis for main components with finite element analysis software called ANSYS Workbench. The results show that compartment and drive shaft can meet the requirment of the strength and stiffness.

planetary gear;handbarrow for climbing obstacles;structural design;three-dimensional modeling; finite element analysis

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.010

2016-03-01

陳凱旋(1992-),男，碩士研究生，研究方向：礦山機械.

TH122

A

1671-4679(2016)04-0047-04