一种爬梯机械人的设计
3)齿轮与轴的周向定位采用平键联接。按d2-3=d4-5=10mm查手册(GB/T1096-1990)得平键b?h?L?2mm?2mm?6mm,键槽半径取R=b/2=1mm,键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证磁轮套与轴配合有良好的对中性，故选择磁轮套轮毂与轴的配合为H7/n6；滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选 轴的直径尺寸公差为m6。
5.求轴上的载荷
首先根据轴的结构图（图3.5），做出轴的计算简图（图3.6（a））。在确定轴承的支点位置时，从《机械手册》查得30209单列圆锥滚子轴承a=18.6mm。由图3.5可知简支梁的轴的支承跨距L2?3?L3?4?L4?5?450?5?400?855mm。
1)计算轴上的作用力：
2T2?2??200N锥齿轮： d0.02Fr?Ft?tan20??200?tan20??72.79NFt?2)计算支反力：绕支点2点力矩和?MZ2?0,得
FZ2??Fr?L2?/(L1?L2)?(72.79?425)/(425?425)?36.40N同理：?MZ2?0,得FZ1?(Fr?L1)/(L1?L2)?(72.79?425)/(425?425)?36.40N
同理，绕支点1点力矩和?MY1?0,得
FY1?(Ft?L1)/(L1?L2)?(200?425)/(425?425)?100N同理：?MY2?0,得FY2?Ft(L2)/(L1?L2)?(200?425)/(425?425)?100N3)转矩，绘弯矩图
①水平面弯矩图：如图3.15（c）所示
3处弯矩：M3Y?Fz1?L1?36.40N?425mm?15470N?mm ②垂直平面弯矩图：如图3.15（b）所示 3处弯矩：
M3左?Fy1?L1?100N?425mm?42500N?mmM3右?Fy2??L2??100N?425mm?42500N?mm
③合成弯矩：如图3.15（d）所示
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22M左?M3左?M23Y?42500?15470?45227.988N?mm22
M右?M3右?M23Y?42500?15470?45227.988N?mm22
图3.15 轴的计算简图
5）计算当量弯矩 应力校正系数
aT?0.63?2?1.26N?mm
3处：
M'3右?M右?45227.988N?mmM'4左?M2左?(aT)2?45227.993N?mm
从以上计算结构中可以看出截面3是危险截面。现将截面3的计算结果列于下表
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一种爬梯机械人的设计
载 荷 支反力F 水平面 垂直面 FY1?100NFY2?100NFZ1?36.4NFZ2?36.4N 弯 矩 M M3y?15470N?mm M4左?42500N?mmM4右?42500N?mm 总弯矩MC M左?M2C左?M2C?45227.998N?mmM右?M2C右?M2C?45227.988N?mm 扭 矩 T T?2N?mm 6.按弯矩合成应力校核轴的强度
进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即截面3）。轴的计算应力为：
?ca?M2?(?T)245227.988?MPa?56.5MPa
W0.1?203，因此
,故轴
前面选定轴材料为45钢调质，许用弯曲应力安全可靠。
3.2.3爬楼机器人转向机构设计
经综合分析课题的具体要求和现有的各种向机构，本设计确定采用齿轮齿条式转向系统。如图3.6所示，齿轮齿条式转向系统由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；转向器的质量比较小；传动效率高；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙。这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止系统工作时产生冲击和噪声。
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图3.6 转向系统示意图
齿轮齿条式转向系统的转向原理：小车行驶路况较好时，齿轮在齿条的中间位置；当小车在行驶过程中遇到超过其攀爬范围的障碍时，电机驱动蜗轮蜗杆带动齿轮向上下转动，通过啮合关系齿条上下移动，从而牵引后轮轮组左右摆动完成小车转向壁障动作。 3.2.4机器人小车结构设计
（1）轮组单元的结构设计
轮组的结构尺寸范围根据楼梯的踏步高a和踏步宽b 两个参数来确定。《建筑楼梯模数协调标准》规定楼梯踏步高度不宜大于210mm，并不宜小于140mm；楼梯踏步宽度，应采用220、240、260、280、300、320mm；楼梯踏步高与宽的关系式：2a + b≤600（a-踏步高、b -踏步宽）。
根据以上条件可知：bmin=220，amin=140，amax=190mm ； 如图3.7所示，有以下关系：
R?l/3 （3.1）
l?a2??r?x?Rmax=167.8mm；
2 （3.2）
取b=bmin，a=amin，则r+x≤220，得到Rmin=150.6mm；同理取 b=bmin，a=amax， 有
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图3.7 轮组结构爬楼示意
轮组结构的最大 r 值[23]可通过 a 和 b 得到，如图3.8所示。
rmaxa2?b2? （3.3）
2取b=bmin，a=amin，得到rmax=130.4mm。
根据R以及r的范围,取恰当的值，可得到轮组结构转臂宽2tmax，如图3.9所示。
tmax22amin??2r?amin?2R2?amin （3.4） ?2R
图3.8 轮组结构rmax示意
图3.9轮组结构tmax示意
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