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一種鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

2022-09-08 08:12:56喬曙光董存賢
機(jī)械工程師 2022年9期
關(guān)鍵詞:鉸接式節(jié)距動(dòng)輪

喬曙光,董存賢

(沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司,沈陽(yáng) 110168)

0 引言

履帶式移動(dòng)底盤具有眾多優(yōu)點(diǎn)[1-2],而被排爆機(jī)器人廣泛采用。工程機(jī)械用的鉸接式履帶,由于采用金屬制造,強(qiáng)度高、耐磨性好,能夠在復(fù)雜路況中使用,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、質(zhì)量大等,不適合排爆機(jī)器人使用。根據(jù)文獻(xiàn)[2],排爆機(jī)器人用履帶移動(dòng)式底盤多為整體橡膠履帶。但整體式橡膠履帶存在著以下缺點(diǎn):多履帶張緊力調(diào)整一致性差,底盤行走時(shí)易產(chǎn)生不同步;橡膠履帶使用一段時(shí)間后因彈性改變?cè)斐蓮埦o變松,需要進(jìn)一步張緊;履帶損壞后需整條履帶更換。

本文結(jié)合小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn),提出一種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、強(qiáng)度大、質(zhì)量小、剛度高、張緊力調(diào)整一致性好等特點(diǎn)。論述了其結(jié)構(gòu)型式、傳動(dòng)原理、齒形幾何設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算方法,推導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)輪擠壓強(qiáng)度計(jì)算公式,最后以實(shí)例方式論述了鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法,為其推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 鉸接式履帶行走裝置組成及驅(qū)動(dòng)原理

1.1 鉸接式履帶行走裝置組成

如圖1所示,鉸接式履帶行走裝置由鉸接式履帶鏈條、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪系、擺臂、張緊裝置及上下托鏈塊組成。

圖1 鉸接履帶式行走傳動(dòng)裝置組成圖

鉸接式履帶鏈條由履帶塊通過(guò)履帶銷首尾連接成封閉的鏈條,如圖2所示。銷與前履帶塊尾部的連接為間隙配合,與后履帶塊前部的兩個(gè)孔的連接為過(guò)盈配合。當(dāng)前后兩履帶塊相對(duì)撓曲時(shí),前履帶塊可繞履帶銷自由轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)時(shí),履帶塊尾部的銷孔外圓柱面與驅(qū)動(dòng)輪雙排齒的齒槽嚙合。為了減輕履帶塊的質(zhì)量,采用高強(qiáng)度鑄鋁合金壓鑄成型,正面的反履齒在履帶傳動(dòng)過(guò)程中,與插入驅(qū)動(dòng)輪兩排齒中間的環(huán)形槽及上、下托鏈塊的槽中,以防止履帶塊側(cè)向脫出;背部附著有硫化橡膠,這樣使得鉸接式履帶鏈條傳動(dòng)既有金屬履帶的高剛度、大牽引力的優(yōu)點(diǎn),又具有橡膠履帶質(zhì)量輕、與地面接觸減振、緩沖沖擊、噪聲小的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,降低了制造成本。擺臂與驅(qū)動(dòng)輪同軸(圖1中沒(méi)有顯示兩者連接關(guān)系),兩者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。擺臂前端的滑槽與從動(dòng)輪支架形成移動(dòng)副,由其中間的螺桿調(diào)整兩者之間的距離(如圖3),從而完成了對(duì)鉸接式履帶鏈條的張緊。

圖2 履帶的連接

圖3 張緊裝置

與履帶式工程機(jī)械相比,排爆機(jī)器人屬于中小型履帶驅(qū)動(dòng),其履帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)力較小。驅(qū)動(dòng)輪采用短齒形與履帶塊嚙合,既具有較大的傳動(dòng)能力,又可使得履帶塊具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)外形。

從動(dòng)輪系由兩個(gè)支重輪和從動(dòng)輪支架組成,除了承受機(jī)器人重力外,作為張緊裝置的組成部分對(duì)鉸接式履帶鏈條張緊,并對(duì)履帶進(jìn)行導(dǎo)向。從動(dòng)輪對(duì)履帶具有一定夾持作用,在轉(zhuǎn)向時(shí),帶動(dòng)履帶在地面上滑動(dòng)。

上、下托鏈塊安裝在從動(dòng)輪支架上,除托鏈作用外,還對(duì)履帶有夾持作用。

1.2 驅(qū)動(dòng)原理

如圖4所示,在張緊裝置的張緊作用下,驅(qū)動(dòng)輪上制有特殊齒形的齒,依靠驅(qū)動(dòng)輪輪齒與履帶板的凸起銷孔外圓柱表面嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

圖4 驅(qū)動(dòng)輪齒與履帶鏈節(jié)嚙合

2 鉸接式履帶行走驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

鉸接式履帶行走驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算通常是根據(jù)機(jī)器人的行走速度v、履帶行走的驅(qū)動(dòng)阻力、工作條件等,初步確定驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑dK。然后確定鏈節(jié)距p及驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)z等參數(shù)。

2.1 履帶節(jié)距及強(qiáng)度計(jì)算

1)履帶的節(jié)距。

履帶節(jié)距p,通常隨機(jī)重G的增加而線型增大,由于用于移動(dòng)機(jī)器人底盤的履帶還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化,可參照已有相似機(jī)型底盤確定,也可參照標(biāo)準(zhǔn)鏈的節(jié)距確定。

2)履帶強(qiáng)度計(jì)算。

a.履帶的計(jì)算工況。

考慮到整機(jī)在爬坡行走時(shí)單條履帶所能傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力,假定電動(dòng)機(jī)的力矩足夠,則此時(shí)一單條履帶所能傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力,取決于地面的附著條件,即

式中:PKφ為一條履帶所傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力,N;φ為附著系數(shù),取0.7[3];G為整車重力,N;f為滾動(dòng)阻力系數(shù),取0.08[3];α為坡度;n為工作時(shí)的履帶條數(shù),根據(jù)排爆機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)型式,n取2或4。

b.履帶強(qiáng)度計(jì)算。

假定履帶拉力均布在銷子上,并將銷子的每段認(rèn)為是一個(gè)具有兩個(gè)支點(diǎn)的簡(jiǎn)支梁,而分段計(jì)算,如圖5所示,履帶銷單位長(zhǎng)度上的平均壓力q=對(duì)不銹鋼材料,其許用剪切應(yīng)力[τ]=210 MPa[4]。

圖5 履帶受力分析簡(jiǎn)圖

2.2 驅(qū)動(dòng)輪的齒形設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度計(jì)算

2.2.1 驅(qū)動(dòng)輪的主要參數(shù)確定

驅(qū)動(dòng)輪的的主要參數(shù)有節(jié)距p、齒數(shù)z和節(jié)圓直徑dK??砂瓷鲜龅姆椒ù_定節(jié)距p。對(duì)于履帶式驅(qū)動(dòng),排爆機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪與履帶的嚙合是隔一個(gè)齒嚙合的,如圖4所示。這樣可以加大鏈軌的節(jié)距,便于安裝履帶板,同時(shí)自動(dòng)清除泥土的效果會(huì)好一些。這是因?yàn)槿绻捎孟噜弮升X嚙合,在結(jié)構(gòu)尺寸及制造上會(huì)造成履帶塊設(shè)計(jì)制造困難。為了保證驅(qū)動(dòng)輪上各齒輪流與節(jié)銷嚙合,增加使用壽命,驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)通常取為奇數(shù)。在確定了節(jié)距和齒數(shù)的情況下,驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)圓直徑的計(jì)算公式為

2.2.2 驅(qū)動(dòng)輪齒形設(shè)計(jì)

對(duì)驅(qū)動(dòng)輪齒形應(yīng)滿足[5]:1)使履帶銷孔外圓柱順利地進(jìn)入和退出嚙合,減少接觸面的沖擊力;2)齒面接觸應(yīng)力應(yīng)小,以減少磨損;3)當(dāng)履帶節(jié)距因磨損而增大時(shí),履帶銷孔外圓柱與驅(qū)動(dòng)輪齒仍能保持工作,不致脫鏈。為滿足以上3個(gè)條件,排爆機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪采用套筒滾子鏈齒形,如圖6所示。齒形參數(shù)的極限值計(jì)算如表1所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)輪齒形

a.齒谷半徑ρf。齒谷半徑ρf按照表1進(jìn)行計(jì)算取值。

表1 履帶板銷套及驅(qū)動(dòng)輪齒形[6]

b.根圓直徑df的計(jì)算公式為

式中,DR為銷套直徑。

c.頂圓直徑de。

與套筒滾子鏈不同的是,排爆機(jī)器人鉸接式履帶的驅(qū)動(dòng)輪與履帶板嚙合部位是履帶板連接銷孔的外半圓柱面與驅(qū)動(dòng)輪齒槽面嚙合,齒頂位于履帶板上方,為避免傳動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)干涉,齒頂應(yīng)低于履帶板,即齒頂與履帶板間留有0.5~1.0 mm間隙,如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)輪齒頂與履帶板間隙

為了盡可能減輕排爆機(jī)器人的設(shè)計(jì)質(zhì)量,通常驅(qū)動(dòng)輪采用7075 T651的鋁合金制造,為提高驅(qū)動(dòng)輪的使用壽命,驅(qū)動(dòng)輪齒通常設(shè)計(jì)為2排,如圖8所示。具體參數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)及參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

圖8 雙排齒寬參數(shù)

2.2.3 驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度校核

根據(jù)文獻(xiàn)[5],驅(qū)動(dòng)輪的計(jì)算載荷取單履帶所能傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力,并假定轉(zhuǎn)矩只有一個(gè)齒傳遞。由于驅(qū)動(dòng)輪槽采用圓弧底面,且齒高采用短齒高,故彎由強(qiáng)度可不進(jìn)行計(jì)算,只進(jìn)行擠壓強(qiáng)度計(jì)算。

擠壓應(yīng)力計(jì)算公式為[6]

式中:F為接觸正壓力;b為接觸線長(zhǎng)度;μ1、μ2為兩物體材料的泊松比,兩物體材料相同,都為7075 T651,取0.33;E1、E2為兩物體材料的拉壓彈性模量,兩物體材料相同,都為7075 T651,取75 000 MPa;ρ1、ρ2為兩物體接觸處的曲率半徑。參照?qǐng)D6可知,ρ2=ρf,ρ1=dR。

為方便計(jì)算且不失安全性,在表1中,按最大齒槽計(jì)算。由于

在式(10)的計(jì)算中,F(xiàn)為整車均分到一條履帶上的正壓力或單履帶中的最大驅(qū)動(dòng)力,取兩力中的最大值。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某型號(hào)排爆機(jī)器人采用四履帶移動(dòng)式底盤,每條履帶用伺服電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。初步估算,排爆機(jī)器人總質(zhì)量(含負(fù)載質(zhì)量)約為150 kg,設(shè)計(jì)行走速度為1.5 m/s,可爬45°坡。初步設(shè)計(jì)時(shí),假定四履帶均分載荷。

3.1 履帶及驅(qū)動(dòng)輪參數(shù)確定

參照同規(guī)格機(jī)器人,確定履帶寬為60 mm,節(jié)距p=30 mm,根據(jù)排爆機(jī)器人總體布局、設(shè)計(jì)行走速度及參照同規(guī)格機(jī)器人初步選定驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑d約為230 mm。由式(6)可計(jì)算得驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)z=48.03,取奇數(shù)z=49。此時(shí)可計(jì)算得驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑d=234.6 mm。銷套直徑即與驅(qū)動(dòng)輪齒槽嚙合的直徑確定為dR=8 mm。

由式(7)、式(8)計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)輪根圓直徑df=226.6 mm,驅(qū)動(dòng)輪頂圓直徑de=235 mm,齒槽幾何參數(shù)可按表1進(jìn)行計(jì)算選取。

3.2 履帶及驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度計(jì)算

參照?qǐng)D5所示,設(shè)計(jì)確定銷直徑d=3 mm,半徑r=1.5 mm;銷套半徑R=dR/2=4 mm;b1=10.8 mm,b2=21 mm。

由式(1)可計(jì)算單履帶的最大驅(qū)動(dòng)力PKφ=234 N。根據(jù)以上公式計(jì)算履帶及驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 履帶及驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)排爆機(jī)器人用履帶行走傳動(dòng)裝置的研究,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鉸接式履帶,采用輕質(zhì)金屬材料提高了履帶的強(qiáng)度及剛度,簡(jiǎn)化了履帶的結(jié)構(gòu),降低了制造成本,對(duì)排爆機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用具有積極的作用。

通過(guò)對(duì)鉸接式履帶行走傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)原理、驅(qū)動(dòng)輪齒形設(shè)計(jì)方法、強(qiáng)度計(jì)算方法及其設(shè)計(jì)方法實(shí)例的論述,為其推廣應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

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