2-5 2009级毕业设计说明书（论文）正文、结论、参考文献等标准格式（理工科专业学生用）

1 引言

消防车是汽车工业的一个分支，由近代消防发展进程来看，消防器具越来越趋向于巨型化，轻巧化，智能化，多用途化发展，因此机器人在消防车上的应用越来越得到现代社会的认可，并在消防领域发挥越来越重要的作用。

机器人已经不是一个新鲜的事物，但是早在上个世纪中期自动化产品兴起，电子计算机技术走向实用化，如何定义机器人这个概念成为一个棘手的问题。1979年，国际社会以对机器人有了基本一致的定义，联合国标准化组织采用美国机器人协会（RIA: Robot Institute of America）的建议，机器人因此有了专门的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同任务而具有可改变和可编程动作的专门系统”[1]。

自从机器人问世以来，由于其高度自动化，智能化，能代替人类从事高强度体力劳动、危险劳动、枯燥重复劳动等，且机器人可以自动测量控制以达到高于人工劳动质量的产品，因此越来越得到现代社会的欢迎。人们认为：“机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志[2] 。”

机器人消防车是以任意地盘的消防炮为载体，加装无线遥控执行系统构成的。它具有智能化的特点，采用轮式行走机构，点火、行走、转向、驻车。水泵以及消防炮的转动、俯仰、喷射灭火剂等一系列过程采用无线遥控方式。机器人消防车还具有侦查和自救功能，将灾害现场通过摄像机无线传输给指挥员[3]。

1.1 选题背景与研究优势

现代社会火情复杂，消防设备使用有很多的问题，面对这一问题各高校都有研究，例如武汉科技大学的气动遥控消防车就较好的完成了灭火任务。

针对现代国内外火灾现场地形复杂，消防炮使用中的安全隐患，提出了气动履带式消防车的课题。本课题基于武汉科技大学参加的第四届全国大学生机械创新设计大赛课题：气动遥控消防小车。

气动遥控消防车是武汉科技大学参赛参加的第四届全国大学生机械创新设计大赛课题。该小车结合现代机器人技术发展的特点，设计具有在复杂地形行走、原地转向、可自动瞄准定位灭火，自动防护降温等功能的气动履带式消防车。车辆行走采用履带式，利用气动装置为动力源，双气动马达，温控自动洒水控温，远程遥控等思想来实现。

1.1.1 履带的优势

履带是人类社会发展的重大发明，履带式车辆不仅加强了离开道路的越野能力，同时也增大了负重能力。车轮行走由车轮的四个点接触，在平坦的道路上可以快速平稳的行走，却不适合山地等复杂地形。越野车采用宽大的车轮，实际上是为了增加与地面的接触面积，而履带比越野车车轮的接地面积更大，能更好的贴合地面，适合复杂的软地面、不平整地面。

由于火灾现场地形复杂，杂物堆积屡见不鲜。履带式行走装置支撑机器的履带面积足够大，以满足复杂地面，尤其是软地面承受的平均接地比压的要求[4]。且在火灾现场常见各种坡地不平整地形，履带式行走可以与之相对应，尤其是坡地上行走抓地能力较强，可以平稳通过上述地形[5]。另外，使用消防炮需要支撑体结构稳定，履带式车辆正好可以满足这一需要。

1.1.2 气动系统的采用

面对需求多变的市场，机器人产品已经相对较为成熟，尤其是日本走在了家用的家庭机器人前沿，美国、俄罗斯、欧洲等地区对机器人的开发也较为完善。但是机器人多采用舵机、内燃机、电子器件等提供动力，传动也很复杂，因此价格一直高居不下，这不利于机器人进入民用市场。且高精密的电子器件不适应高温、粉尘等恶劣环境。

由于小车属于非载人车辆，仅需满足承载水泵和消防炮等设备，气动马达完全可以符合这一要求。且气动马达可以无极调速，瞬间反向快速无负面影响，不会因为过载发生故障，功率范围极大，工作升温小，在易燃易爆、高温震动、潮湿。粉尘等不利因素下均能正常工作[8]；另外使用空气，贴合环保的主流思想，利用气动源提供小车动力，水炮控制系统转向和俯仰，动力源清洁、环保、可循环。

2 总体设计

总体设计是机械设计的基础，本课题总体设计包括以下几个部分：结构设计、机构设计，气动系统设计，控制系统设计，各模块硬件选型等。以上这些设计是相互关联，由于传动链的增加会加大连接误差，增加控制难度，因此简洁有效的传动链是高质量产品保障的前提之一。

另外，部件之间的选配直接关系到传动配合的有效传送能量比，配合的不准确还会影响传送机构的精度，传动结构过大增加自生体积和质量，传动机构过小则会影响机构的强度、刚度，从而减少寿命。因此合理安排部件尺寸，如何选型也是本课题中必须注意的。

2.1 功能分析

一般来讲，市场需要决定产品功能，功能决定机械结构和控制模式，所有系统的设计都是要建立在功能需求上的。因此在设计开始就要完成需求与功能分析，然后确定方案。

现代社会火灾多发，消防炮是消防队及广大人民的主要灭火工具。由于其造价低廉，迅速有效等特点已较为广泛的运用。但是消防炮较为沉重，火灾现场多为易爆、粉尘、高温、有毒、高辐射等危险环境，人员进入复杂的火灾现场容易遭受不幸，大大限制了消防炮运用的质量，危害人身安全。

面对这一安全隐患提出并设计了一种采用远程遥控的气动消防履带车，该小车使用气动马达，环保无污染。小车采用水源灭火，取材容易。对于人工不便进入的高温、有毒、易爆的环境，小车通过遥控实现代替人员灭火，极大的提高了消防安全系数。

2.2 设计要求

气动消防履带车的设计参数基于倪文彬老师给的审题表，按照要求需要实现小车的行走、转弯功能，水炮炮台的旋转、水炮俯仰，小车自动降温防护的功能。小车属于遥控式控制，按照激励信号完成相应命令。

详细要求如下：

（1）履带式结构，气动源驱动前进、后退，原地转弯；

（2）遥控控制信号激励；

（3）气动式水炮俯仰及旋转；

（4）自动冷却系统降温；

（5）电磁阀响应控制；

除了上述基本功能外，小车需要配备供水、气口等。按原模型尺寸，数据如表2.1所示：

表2.1技术参数

2.3 总体布局与系统构成

2.3.1 系统组成、设计原理及思想

自动化机器人设计思路可以分为机械结构部分设计和控制系统设计。小车行走必须使用机械结构，因此机械结构是消防车的基础。另外，机器人的定义要求指出，机器人是根据用户需要产生的指令而实现自动化作业的机械结构，可以说控制系统对机器人小车的性能产生重要作用。

机械部分可分为行走部分和消防炮部分；控制部分可分为气动控制部分、自动降温部分，控制源需要有信号遥控和激励部分两个部分。

小车的有三个流路：能量流、信号流和物质流，三个系统相互干涉。行走系统需要电机提供动力，采用气动马达为能量源，通过传动机构传递扭矩。水炮系统需要物质流水来灭火，需要独立的水源，同时需要相应的驱动系统和能量源。此外，小车的冷却也需要独立的系统支持。

根据上述分析，可以将气动履带式消防车系统分为行走系统，消防炮驱动系统，控制系统，水幕冷却系统。

结构如图2.3所示：

图2.3 气动系统组成

2.3.2 总体布局

小车的动力确定为气动马达，且为行走和水炮分别配备主副两个马达以方便传动。救灾现场环境恶劣，前面已经论述过采用履带式的小车的驱动方案，通过离合器和制动碟片组配合实现小车的原地转向。

为实现小车高效灭火，在已有消防炮基础上分别增设了实现消防炮旋转及俯仰的驱动系统。由于小车为履带式结构，需要原地转向。按照这个思路，需要固定一边履带不动，另一边履带行走，使小车整体转向。因此在动力驱动部分用离合器连接，以实现动力源的选择性传递，用制动碟片部分来限制不需要运动的部分。

其它的部分来自于小车各系统的驱动方案，车辆的平衡和操作互不干涉来完成整车总体布局也是本次设计要注意的。本次设计采用履带车辆的设计基本外形，其外形类似于坦克或者装甲车等兵器。在车体内安排传动机构、各种气门电磁阀、电磁信号接收系统，控制模块等等。如有需要增加其他辅助装备，以保证气动消防履带车的性能。小车车体较小，是消防设备的微型化产品，将来有可能还要带上气源和水箱，将模型放大，因此设计之初，我应当将合理布局作为设计的重点之一。

该小车主要由行走系统、消防炮驱动系统和气动控制系统等组成。消防车随车携带的高压气瓶或空压机通过高压气管连接小车气源接头为小车提供动力；水源来自于现场的水管消防设备。信号控制电磁阀组开关，电磁阀组通断实现左右离合器和制动碟片的配合，实现小车行走：当小车需要前进或者后退，气动马达直接通过二级传动链轮和离合器前进后退；当小车需要左转时，小车左边离合器断开转动且制动碟片刹紧，左轮不动，右轮正常工作，实现左转，右转也类似。辅助气动马达通过联轴器、小齿轮轴和大齿轮啮合传动转矩，使炮台左右摆动。通过炮台顶部铰链伸缩实现俯仰。小车的需求根据大量阅读和对履带车辆的模仿，设计出下列其结构布置。详细如图2.1、图2.2所示。

图2.1 整体布局 主视图

图2.2 整体布局图 俯视图

3 行走机械系统设计

3.1 主气动马达的选择

3.1.1 驱动功率

消防车的额定功率直接关系到小车运行的牵引力，小车实际用于运行的功率可根据公式（3.1）计算：

（3.1）

按照选题要求分析数据（见2.1节），小车正常行驶速度，牵引力。将数据代入（3.1）得出小车运行所需功率为。

然而，有关研究表明：履带车辆转向能耗是直接行驶能耗的1.63——3.24倍[6]。履带式车辆在转向时的驱动力大于正常行走时的驱动力，其转向功率也大于直线行驶时的驱动功率[6]。

根据这个研究，履带的接地长度和履带轨距有关，小车的转弯功率随转弯半径的减小而明显增大。可用小车的驱动功率计算转向时的驱动功率，其式为：

（3.2）

式中：；

F-车辆直行驱动力；

v-小车正常工作速度。

按照上面表达式，小车在高速转弯时阻力最大，能耗最大。取, , , , ,。

由式（3.2）可计算出驱动功率为。

综上所述，驱动功率应该大于。

3.1.2 实际消耗功率

（1）总效率。

由小车整体布局图俯视图部分得出，气动马达通过联轴器带动一组链轮的主动轮，这组链轮的从动链轮带动离合器、左右轴，通过左右链轮组又分别传动给左右驱动轮。

能量在此传动链中经过5对轴承，3对链轮，1个联轴器，2个离合器，如图3.1所示：

图3.1 气动履带式消防小车传动示意图

总效率值可以按照效率叠加计算

（3.3）

：球轴承的传动效率值为0.99[7]；

：链轮的传动效率值为0.97[7]；

：联轴器的传动效率值为0.99[7]；

：离合器的转动效率值。离合器效率和传送功率有关，在不超过的需用范围的情况下，效率值为0.97。

由上述值代入公式（3.3）得到总效率值。

（2）输出功率。

气动马达的选择仅仅依据最大驱动所需功率是远远不够的，阻力是影响输出功率的重要因素之一。输出功率：

（3.4）

：小车输出最小输出功率；

：小车驱动功率；

：总体效率比。

转弯时候，。代入（3.4）得到：。

直行时候，。代入（3.4）得到：。

3.1.3 气动马达的确定

选择气动马达的根本依据是负载情况。在变负载场合主要考虑的因素是转速的范围，以及满足工作情况的力矩。对于均衡负载情况下，工作速度是主要因素。叶片式马达经常使用于变速、小转矩的场合，而活塞式马达常用于低速、大转矩的场合，它在低速运转时，具有较好的速度控制及较小的空气耗量[8]。

由算出的技术数据，可以初步选用KPT70R800M020气动马达为小车提供动力。该马达功率，额定转速，净重。

3.2 传动部分设计

3.2.1 传动比

根据总体设计尺寸，确定驱动轮分度圆直径。已知小车的设计速度，转速公式如下：

（3.5）

由（3.5）代入数据算出。

总传动比的计算公式如下：

（3.6）

输入转速即选用的气动马达的转速，代入（3.6）得总传动比。

3.2.2 传动方案的确定

机械传动按照形式不同来分可分为：齿轮传动、涡轮蜗杆传动、带传送和链传动。皮带传动是一种挠性传动，其利用带轮和传动带间的摩擦或者啮合作用传动力矩，其结构简单，传动平稳，价格低廉，能缓冲吸震，在近代机械中应用广泛[12]。齿轮传动是通过齿轮之间的啮合来传递扭矩，是机械传动的主要方式之一，因为其效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定等受到大家的青睐[12]。蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递动力的一种传动机构，两轴之间的角度可以为任意角度，适合精密传动，非平行轴传动[12]。

气动履带式消防车所处环境相对恶劣，小车行驶速度不大，因为小车所需要的传动比不大，且属于重载低速的运用范围。链传动能准确的保持平均传动，传动效率较高，工作时径向压力小，能在高温和潮湿的环境中稳定工作。很好的适应了气动履带式消防车的需要。

3.2.3 传动比分配

链传动的传动比过大，会造成链条在小链轮上的包角过小，因此参与的啮合的齿数减少而造成单个轮齿载荷增大[12]。加剧轮齿磨损，且易造成跳齿和脱链现象。一般链传动的传动比，常取之间，链条上包角不小于120°[12] 。

设高速到低速的两级传动的传动比分别为：。根据总体方案，小车采用二级传动。二级传动两个传动比之间的关系应满足。取：

（3.7）

且：

（3.8）

由（3.7）、（3.8）算出，。

3.2.4 传动部分的参数计算

将传动机构的轴由高速到低速依次命名为Ⅰ轴、Ⅱ轴、Ⅲ轴、Ⅳ轴、Ⅴ轴；依次为气动马达与轴Ⅰ，轴Ⅰ与轴Ⅱ，轴Ⅱ与轴Ⅲ，轴Ⅲ与轴Ⅳ，轴Ⅳ与轴Ⅴ间的传动效率。

(1) 各个轴的转速：

(2) 各个轴最大输入功率：

(3) 各个轴的输入最大转距：

3.2.5 传动链轮设计

小车内部箱体需要安放很多电气装置，传动机构不宜过大；然而机构过小又容易造成机构强度不够，易变形磨损而损坏。因此合理分布是链轮设计的核心思想。

(1) 一级传动链轮传动参数设计

（a）选择链轮齿数、

小链轮齿数少可以减少外轮廓尺寸，但若减少链轮的齿数则会增加运动的不均匀性和动载荷；链轮条在进入和退出啮合的时，链节间相对转角增大；链传动的圆周力增大，从整体上加速铰链和链轮的磨损[12]。因此，链轮的尺寸和齿数又不宜过小。一般链轮的轮齿数在17~114之间，且对于高速传动或承受冲击载荷的链传动，不少于25，且链轮齿应淬硬[12]。

根据上面分析，采用最小临界值，既节约了空间又符合条件约束。另一齿轮齿数可由下面计算公式得出：

（3.9）

根据3.2.4计算得一级传动的传动比代入（3.9）得，取整。校正传动比，计算公式如下：

（3.10）

代入数据求出，代入（3.8）校正得到。

（b）计算当量的单排链的计算功率

根据来链传动的工作情况、主动链轮齿数和链条排数，将链传动所传递的功率修正为当量的单排链的计算功率

（3.11）

式中：

——工况系数；

——主动链轮齿数系数；

——多排链系数；

——传递的功率（单位：kW）。

因为采用单排传动链轮传动，所以其传动功率即为其单排链额定功率。

（c）确定链条型号和节距

链条型号根据当量的单排链的计算功率和主动链轮转速

前面已经计算出，主动链轮转速为，由图表[12]查出链条配合ISO链号为08A，。

（d）计算链节数和中心距

中心距，由节距选定按照下式计算链节数

（3.12）

将数据代入（3.12）得出。为了避免使用过渡性链节，应将计算出的链节数圆整取为偶数。

链传动的最大中心距为：

（3.13）

式中，为中心距计算系数，查表[12]得。将数据代入（3.13）得。

（e）计算链速，确定润滑方式

计算公式如下：

（3.14）

将数据代入（3.14）算出速度。对照表[12]查得，使用滴油润滑。

（f）计算链传动作用在轴上的轴压力

轴压力可近似取值为：

（3.15）

式中：——有效圆周力，N

——轴压力系数，对于水平传动；对于垂直传动

将数据代入（3.15）得。

（2）二级传动链轮传动参数设计

二级传动和一级传动过程相同，以下只记录各部分计算结果：

（a）选择链轮齿数、

（b）计算当量的单排链的计算功率。

（c）确定链条型号和节距。取ISO标准08A链条，节距。

（d）计算出链节数和中心距：，圆整取为偶数算出。查表[12]得。将数据代入（3.13）得。

（e）计算链速，确定润滑方式为人工润滑。

（f）计算链传动作用在轴上的轴压力

（3）链轮的结构设计、选材

滚子链与链轮的啮合属于非共轭啮合，其链轮齿形的设计比较灵活，在国标GB/T1243—1997中没有规定具体的链轮齿形，仅仅规定了最小和最大齿槽形状及其极限参数，实际的齿槽形状取决于加工齿轮的刀具和加工方法[12]。本段文字说明仅仅对结构和基本参数进行设计，对主要尺寸和轮廓尺寸做出说明。

（a）链轮的主要尺寸

图3-2 链轮主要尺寸示意图

分度圆直径（d）计算公式如下：

（3.16）

将数据依次代入（3-16）算出：一级传动链小齿轮、大齿轮，二级小齿轮、大齿轮的分度圆直径分别为。

齿顶圆直径（da）计算公式如下：

（3.17）

08A的滚子直径。由于需要较小尺寸，所以乙最小尺寸计算，代入数据算并取整：一级小齿轮、大齿轮，二级小齿轮、大齿轮齿顶圆直径分别为：

齿根圆直径（df）计算公式如下：

（3.18）

代入数据算出：一级小齿轮、大齿轮，二级小齿轮、大齿轮齿顶圆直径分别为：

确定的最大圆凸缘直径（dg）,计算公式如下：

（3.19）

h2为内链板高度，查表[12]08A的内链板高度为，将数据代入（3.19）取整得到：。

（b）链轮的轴向轮廓尺寸

图3-3 链轮轴向示意图

齿宽（bf1）：取值，对照08A链条查得内链条内宽，求出。

尺侧倒角（ba公称）：取值，求得。

尺侧半径（rx公称）：取值。

由于两级传动均采用08A链条，因此以上参数均统一。

设计凸缘宽度B为10mm。

（c）齿轮材料

链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。由于相同传动轮廓，小齿轮直径小，转速快，小链轮齿轮的啮合次数自然比大链轮多很多，所小齿轮的受的冲击力也比较大，故小链轮应该采用较好的材料。

小车处于恶劣环境，冲击载荷均比较大，使用40Cr，经过淬火、回火，表面硬度可以达到40~50HRC，能较好的适应此类情况。

3.2.6 轴系的设计

轴的结构主要取决于一下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的期间的类型、尺寸、数量以及轴连接方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等、由于影响轴的结构的因素较多，其结构形式又要随着具体情况不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体分析。但是不论何种具体条件，轴的结构都应该满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应该便于装拆和调整；轴应具有良好的工艺制作性等[12]。

(1)轴的设计任务

轴Ⅰ即为气动马达轴，无需设计，只需要选配合适的联轴器。轴Ⅱ为一级传动的小链轮轴，要计算最小轴径、选配合适的键，以及确定链轮固定方式。轴Ⅲ为一级传动大链轮轴，需要计算最小轴径、选配合适的键、确定链轮固定方式、选配合适的离合器。轴Ⅳ作为二级传动小链轮轴，需要计算最小轴径、选配合适的键、确定链轮固定方式。轴Ⅴ是二级传动大链轮轴，需要确定最小轴径、选配合适的键、确定链轮固定方式，确定驱动轮固定方式。轴Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ均需要选配合适轴承。

(2) 轴的最小直径

轴的选材为45钢，因为轴主要承载扭转，因此按照州的扭转强度条件进行计算，以此来估算直径。轴的扭转强度条件为：

（3.20）

由（3.20）可以得到直轴径

（3.21）

查表[12]得。依次代入轴Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的数据：

对于直径小于100mm的轴，有一个键槽时，轴径增加5%~7%，有两个键槽直径增加10%~15%。

轴Ⅱ为一级传动的小链轮轴，需要使用联轴器，安装齿轮，有两个键槽，增加10%~15%。轴Ⅲ为一级传动大链轮轴，有链轮键槽和离合器键槽，增大10%~15%。轴Ⅳ为二级传动小链轮轴，有离合器键槽和链轮槽，增大10%~15%。轴Ⅴ为二级传动大链轮轴，且为驱动轮，有链轮槽和驱动轮槽，增大10%~15%。。需要因此其最小直径。

（3）各个轴的设计

（a）轴Ⅱ

轴Ⅱ为气动马达的同心轴，采用联轴器连接。同时其还为一级传动的小链轮装配轴，需要选配合适的键，确定固定方法。考虑到最小直径为13.095mm，且其扭矩为19.62N·m。

选配联轴器：由于机器启动的动载荷可能出现过载，故应使用最大扭矩作为计算扭矩。计算转矩按照下列计算式计算

（3.22）

T为公称转矩，KA为工作情况系数，查表得，代入（3.22）算出。选配要求（[T]为联轴器许用转矩）。

选配联轴器GYS2系列凸缘联轴器，轴孔直径20mm。

联轴器键的选配：根据选配的联轴器确定轴直径20mm，查表 [7]选用圆头A普通平键6*6*16。

轴外形设计、轴承选配和链轮键选择：轴承结构简单，阶梯较少，装配链轮部分采用22mm的直径，中间用直径25mm的轴肩隔开，选用6008常用滚动轴承。根据选配的联轴器确定轴直径22mm，查表[7]选用圆头A普通平键6*6*16。

图3.4 轴Ⅱ结构

（b）轴Ⅲ

轴Ⅲ为一级传动的大链轮，担负着传递离合器扭矩的作用，

，传递最大扭矩为。

离合器的选配：选用简易传动用奇瑞QQ0.8离合器，连接轴直径为40mm。配套的制动碟片组为建设125摩托车的碟片式后刹总成。

离合器传动键的选择：根据选配的联轴器确定轴直径40mm，查表4-1[7]选用圆头A普通平键12*8*20。

轴外形设计、轴承选配和链轮键的选择：装配链轮部分采用50mm的直径，联轴器用直径40mm的轴径，选用6009常用滚动轴承。根据选配的链轮装备轴直径22mm，查表[7]选用圆头A普通平键14*9*20。

图3.5 轴Ⅲ结构

（c）轴Ⅳ

轴Ⅳ是二级传动小链轮，仅仅连接离合器和小链轮。计算的出此轴最小直径为，最大扭矩为：。

离合器连接键选配：轴Ⅳ和轴Ⅲ为离合器连接，所以连接处的直径相同40mm。选用圆头A普通平键6*6*16。

轴外形设计、轴承选配和链轮键的选择：链轮部分选用44mm的轴径，选用6008常用滚动轴承。根据选配的链轮装备轴直径22mm，查表 [7]选用圆头A普通平键12*8*20。

图3.6 轴Ⅳ结构

(d）轴Ⅴ

轴Ⅴ是驱动轮轴，承担着小车动力输出的任务，此轴上有二级传动的小链轮和驱动轮。轴上最大扭力为，最小轴径为。

链轮装配键：设计小链轮装配轴的直径为40mm，查表[7]选用圆头A普通平键12*8*20

轴外形设计、轴承选配和链轮键的选择：设计链轮装配轴直径40mm，配合轴承小径为35mm，选用普通6007号轴承。由箱体向外伸出30mm，向外延伸4mm轴肩以固定驱动轮，驱动轮装配部分的轴径为30mm，驱动轮配8*7*16键传递扭力，侧面有一个螺丝孔用来安装侧板，以限制驱动轮的径向活动

图3.7 轴Ⅴ结构

3.3 履带式部件设计

3.3.1 行走轮系布局设计

履带式车辆行走系统作为支撑车体的基础机构，需要将气动马达及传动机构将旋转运动转化为车辆在地面爬行的推力。履带式车辆的组成多样，一般有履带、承重轮、驱动轮、悬架、压带轮和机架等部分组成。履带式行走系按台车架与支撑轮之间不同的联结方式可分为整体台车行走系、非整体台车行走系和混合式行走系[9]。

履带式行走系统结构的设计不是一成不变的，需要按照特定的要求配对相适应的形式和组成。由于消防小车的车载负载少，车速可调节快慢，对运送能力要求不高，选用最简单的履带结构，图3.8为该车辆行走的结构简图。

1-驱动轮；2-支重轮；3-履带；4拖带轮；5张紧轮

图3.8 行走结构简图

3.3.2 行走装置参数规划

(1)行驶速度：根据设计要求，小车行驶速度为0.5m/s。

(2)爬坡角度：由于小车自重小，水炮后挫力大，为保持车体稳定，最大爬坡角度不宜大于30°。

(3)由3.1.1小节计算出最大驱动功率为：

(4)支撑轮布局：履带内侧有齿与驱动轮啮合，两齿间距即为节距。承重轮的排列关系到车体平稳性，若安排不恰当，承重轮滚到两个铁齿之间的橡胶压落胶面，在齿的刚性作用下支重轮压下的量很小，这样子使小车行驶高度有落差，使机器行走起伏不稳定。且承重轮压落胶面阻力大，影响效率，因此支重轮必须考虑平稳性。

(5)履带的前角：小车的前角和履带则接地长有关，据有计算，长度越长的履带接地压较小，然而此类车体必然前角减小，如此造成驱动轮的啮合频率增加，齿数减少而增加扭力，使驱动轮更易磨损、折断、疲劳等，所以履带前角应该小于45°。

3.3.3 行走部件设计

(1)驱动轮

（a）驱动轮配置

驱动轮是履带系的动力来源，驱动轮可以分为前置和后置。因为气动式消防车需要良好的行走性能，选择前驱动的小车机构简单，结构紧凑，有利于减轻自身质量，节约车体布局空间。

（b）驱动轮的设计和校核

动力传输是驱动轮的主要作用，完整的驱动轮的设计需要有齿圈部分、轮毂本分、轮盘本分等组成。驱动轮参数包括：齿数、分度圆直径、齿根圆直径齿顶圆直径、齿厚等。驱动轮行走力矩由气动马达经过离合器、链轮输出提供，其值为：

（3.23）

上式： -牵引力； -驱动轮的半径。

由上可知驱动力矩是随着驱动轮半径增大而增大的。因此减小驱动轮半径可以减小传动系统的负担，有利于缩小传动件的尺寸并增加其强度。但驱动轮又不可过小，因为随着其尺寸减小，势必会增大履带的弯曲度，造成应力过大。一般来说，驱动轮的齿数不少于7个。根据总体结构尺寸，已选定驱动轮分度圆直径，履带节距确认。驱动轮的齿数可以由以下公式计算[10]：

（3.24）

由（3.6）计算，齿数，四舍五入。将其代入（3.24）验算，齿顶圆的直径计算按照如下公式[11]计算：

（3.25）

式中：—驱动轮节距，—驱动轮齿数。将数据代入（3.25）得到齿顶圆直径，取，履带板销轴直径为,齿根圆直径为：

（3.26）

由（3.26）可知齿根圆直径，根据总体设计尺寸初步设定驱动轮齿宽。驱动轮如图3.9：

图3.9 驱动轮结构示意图

初步选用45号钢作为驱动轮的材料，经过调制处理表面硬度到HRC45-50. 按照动力系统满负荷运行时校核输出扭矩强度，可参照挤压强度校核公式：

（3.27）

：输出最大扭矩时驱动轮齿上当量负载；：驱动轮齿厚；：齿的圆周宽度；：许用挤压应力。参照弯曲强度校核公式：

（3.28）

为齿轮高度，为许用弯曲应力，为齿根抗弯截面系数。计算得出结论：驱动轮轮齿挤压强度和弯曲强度都满足要求。所设计的驱动轮数据如表3.1。

表3.1 驱动轮参数

(2)负重轮

负重轮作为履带式车辆行走系统主要部件之一，有着对履带张紧和导向及支持车体的重要作用。完整的负重轮需要安排负重轮大小、个数、装配方式、轮内轴承的类型和怎么安排防水等内容。由3.3.2行走参数规划得出结论，在满足结构设计要求的前提下减小负重轮的直径增加其个数，且均匀分布。

因为小车行走负载不大，因此选择小车负重轮与轴直接刚性连接，消防车有两对负重轮，轮子内部装配普通轴承，用一根轴贯穿小车整体。

图3.10 负重轮结构图

消防车在水体附近 ，容易接触湿润环境，承重轮为铁制品，需做防水渗透，在负重轮外增加密封以保证其不生锈。负重轮取材45号钢，需淬火处理，表面硬度应达到HRC40-45。为了防止氧化，在表面喷塑。两对负重轮相隔距离600mm，一对负重轮相距880mm。

表3.2 负重轮参数

(3)张紧轮

在较为完善的张紧装置有张紧和放松履带的作用，本设计中小车较小，履带系统张紧力较小且无冲击，故小车暂时不使用可调节式结构，单独采用张紧轮结构，且配置压带轮辅助张紧。张紧轮和驱动轮所处位置相同，因此张紧轮使用驱动轮的外形。

(4)履带

履带可以降低车辆的行驶阻力，增大接地面积从而稳定车辆。履带支撑负重轮，承重轮可以在履带上连续滚动，保证了车辆在起伏路面上的通过性；履带和地面接触，产生摩擦，提供最终的牵引力、附着力。

一般履带有铁片通过铰链连接，考虑到设计车的车体较小，车辆无需使用笨重的铁板作为履带，故而使用硬橡胶整体履带。

履带的齿距必须与驱动轮齿相配，根据履带接地长度L和履带轨距B的比值

（3.29）

式中：履带式车辆的附着系数；滚动阻力系数；—转向阻力系数。

有关研究表明履带接地长度和履带轨距的比值最佳配比为1.3-1.8，而履带接地长度会影响履带式车辆转向驱动力。根据履带轨距和转向驱动力可确定履带长，由履带式车辆的接地压P计算履带宽度b：

（3.8）

考虑上述因素，并且计算，确定履带部分参数，见表3.3

表3.3 履带部分参数

4 消防炮驱动系统设计

4.1 消防炮原型

消防炮是消防部门最常见的工具之一，消防炮有携带方便，喷射距离远，灭火有效，响应速度快等特点。但是携带消防炮往往需要人工对准灭火，消耗人员体力，增加人员成本。我国已有安装在消防水车上的消防炮，能自动转向灭火。但是，这类消防炮体积庞大，机构复杂，造价昂贵，限制了其应用的范围。

针对课题提出了小型水炮的自动定向的要求，设计采用通用国产消防炮，本章节将对消防炮进行驱动系统机械部分进行设计。如图4.1。

图4.1 消防炮原型

4.2 消防炮设计思想

如何让小车的水炮很好的定位，是本课题的一个难点。水炮需要定位就需要分析其运动，消防炮的应该可以抬头，且可以左右摆动，因此消防炮的运动可以分为旋转运动和俯仰运动。

4.2.1 旋转运动的实现

小车左右摆动是靠旋转整体的方法实现的，底座的旋转采用齿轮传动，辅气动马达驱动齿轮轴，齿轮轴与大齿轮啮合，消防炮安装在大齿轮上，而大齿轮通过螺栓与底座连接，从而实现消防炮的旋转。

4.2.2 俯仰运动的实现

考虑到设计实际要求，马达是竖直方向上实现旋转，而俯仰则需要水平方向上旋转，传动复杂不易实现，因此选用直线运动。在底座和消防炮的摇杆之间安装气缸，通过气缸活塞杆的伸缩来实现炮筒的俯仰运动。

4.2.3 整体结构

结构原理如图4.2所示。

图4.2 消防炮驱动系统结构原理图

1—轴承及轴承座；2—齿轮轴；3—联轴器；4—连接架；5—紧固架；6—辅气动马达；7—轴承；8—定位轴；9—底座； 10—止推轴承；11—大齿轮；12—转台；13—消防炮；14—摇杆；15—俯仰气缸。

4.3 消防炮系统计算及选型

4.3.1 辅助气动马达选用

消防炮净重28.75Kg,需要设定额定转速为20rpm，参照以上数据选择通用的气动马达KPT40RM080为辅助马达，额定功率为150W、工作转速125rpm、最大扭矩21.9N m、质量0.88Kg。

4.3.2 传动比

需要转速10rpm，根据传动比公式（3.6），。

4.3.3 齿轮设计

因为旋转承受惯性力和摩擦力等较小，且旋转加速度无要求，齿轮强度远大于使用极限，因此本次设计不使用齿面接触强度和齿根弯曲强度两个准则进行计算。

齿轮采用普通标准齿轮，压力角，齿轮齿数不宜多小，初步设定小齿轮齿数，则大齿轮齿数。设定齿轮模数。则按照公式

（4.1）

代入数据，两个齿轮的分度圆直径。

选取齿宽系数，齿轮宽度，则小齿轮齿宽，大齿轮齿宽。

中心距。

齿顶高，齿顶圆直径。两齿轮的齿顶圆直径分别为。

齿根高，齿根圆直径。两齿轮的齿根圆直径分别为。

4.3.4 大齿轮止推轴承

大齿轮上面装配消防水炮，齿轮径向需要承载交大的力量，因此大齿轮采用止推轴承承受轴向载荷，因为旋转时会因为颠簸产生偏移，所以特地在中间添加定位轴来限制大齿轮径向窜动。 大齿轮加消防泵消防炮，以及通水之后的承载量不超过。

因为大齿轮分度圆，若推力轴承过小则会不稳定，按照推力轴承动载荷选型载荷极限远小于应用极限，因此按照尺寸需要选用推力轴承51213。

4.3.5 小齿轮轴及轴承、联轴器选配

齿轮轴上的齿轮准备选用齿轮轴结构形式，齿轮轴形式在机械传动中常常会用到，其适用于分度圆较小的时候，轮齿因过小，若装配则会导致齿轮强度下降，容易损坏。而使用齿轮轴，其不仅仅很好地适应这种情况，而且简化机构和装配。

齿轮轴两端采用直径30mm，宽为5mm的轴肩，上段加直径20mm的轴以装配轴承。上段加16mm长的轴以装配轴承，下端同样加50mm的轴以连接辅助气动马达。

小齿轮轴担负着传递扭矩的作用，采用45号钢作为材料，齿轮部分需要做正火、局部淬火、回火等热处理以达到较好的硬度要求。

由于轴承需要承担较小的径向载荷，因此选用圆锥滚子轴承30204。联轴器连接辅助气动马达，直径为20mm，选配凸缘联轴器GYS2。另外需要选配配6*6*20普通平键传递辅助气动马达的扭矩。

设计的齿轮轴外形如图4.3：

图4.3 小齿轮轴

4.3.6 俯仰气缸选型

气缸的选择应考虑到行程、定位精度和稳定性。本设计采用铰链连接气缸首尾，一端固定在水炮延伸的铰链杆上，另一端固定在支架上，如此实现水炮俯仰。

经过平面几何计算，需要在消防炮桶根部焊接以吊耳，以连接气缸。吊耳高度为100mm，在吊耳上短根部有一铰链，与气缸相连。气缸采用QGSJ系列锁紧气缸，其可实现任意位置锁紧定位、重复度高且稳定。

5 自动冷却系统设计

5.1 冷却系统的必要性

小车常常处于危险的高温地带，由于其有胶质气管、水管、履带和各种复杂的电子元器件，不适合在特别恶劣的情况下使用。针对这一缺陷，提出了小车自动降温的要求。

小车本身携带水源，水雾形成的保护可以使小车安全的、长期的在高温的环境中生存，极大的提高了小车性能。

本章节将描述如何使用水源实现水雾保护。

5.2 冷却系统的组成

从简单的消防设备出发，屋内自动消防器具中有一种针对烟雾自动喷水的设备，可以考虑使用喷水嘴和电磁控制阀实现。根据小车情况设计出下列简单的回路，实现这一要求。

5.2.1 液压回路

水源通过三通阀流到二位二通阀、溢流节流阀流到喷水口，见图5.1。

图5.1 自动冷却系统液压回路

5.2.2 控制电路

二位二通阀采用电磁阀，电磁阀常态为关，二位二通阀处于关闭状态，当外界温度达到60摄氏度，连接电磁阀电路的温控开关便会打开，电磁阀工作，液压回路打开，喷嘴开始喷水。

另外在温控开关上并联一个电磁继电器开关，用来实现遥控喷水。详细布置见图5.2。

图5.2 开关原理图

5.3 冷却系统的安置和要求

冷却喷嘴位于车身正中，喷射半径为650mm，水嘴高度400mm，水管为20mm普通水管，压力为2.5MPa。

冷却系统选配器件为消防常用的通用配件，在此不做叙述。

6 气动控制系统回路设计

在机械结构部分已经详细计算出器件的尺寸，本章将重点叙述小车气动回路的原理和布置。

6.1 控制原理

根据课题要求，小车需要实现车体前进、后退，水炮的旋转、俯仰四个动作。

小车前进、后退是通过主气动马达的正转和反转实现的，小车的转向是通过刹车控制气缸和离合器实现；水炮定位部分的旋转是通过辅助马达的正转反转实现，俯仰通过气缸的伸缩实现。

该小车采用远程遥控方式进行控制，为实现这一目的，随车携带的直流电源为电磁阀阀组和信号接收及控制模块供电。操作人员手持遥控器发出指令，车载信号接收器接收指令并传递给电子控制模块处理，电子控制模块将处理后的信号传递给阀组，控制其各电磁阀阀口的开闭以完成相应动作。示意图如图6-1。

图6.1 模块控制示意图

6.2 气压回路设计

根据设计元器件需要的执行动作，只需要实现气路的通断和正向流动和反向流动。气动控制原理图如图6.2。

图6.2 气动控制原理图

6.2.1 前进、后退的实现

气源打开时，根据指令控制电磁阀工作。如图所示阀3此时工作位置为马达正转，小车前进；当处在另一位置，马达反转，小车后退。

6.2.2 转弯的实现

阀1、2用于控制左右刹车：处于如图所示位置时，控制气缸无力矩，不制动。处于另一位置，气缸有力矩，刹车工作实现制动。

刹车和离合器是配合工作的，当需要左转时，需要左边车轮不动，即左离合器松开，左车轮无传输力矩，且阀1阀芯处于另一工作位置即左刹车制动；而右边离合器传输转矩，阀2阀芯工作位置不变即右刹车松开，小车实现左转。小车需要右转按照相似原理工作。离合器气缸有复位弹簧实现刹车松开。

6.2.3 炮塔旋转和俯仰的实现

阀4阀芯处于如图所示位置，辅助马达正转，炮台左转，在另一位置辅助马达反转，炮台右转。如阀5阀芯的工作位置，活塞前伸，反之缩进，即为炮台俯和仰

6.2.4 其它元器件控制

气缸的运动速度通过增设了4个节流阀调节，小车的气管采用耐高压、防火、耐高温的气动软管，一端接到总气门接入口，另一端连接至高压瓶。

结束语

气动履带式消防车的设计是根据武汉科技大学的参赛题目提炼的，课题需要综合运用大学四年所学大多数课程。毕业设计很好的体现了机械工程及自动化毕业生的研究水平。完成课题需要有坚忍不拔的毅力、持之以恒的求知愿望和严谨细心的工作态度……很好的锻炼了机械学科毕业生的实践能力，实现了理论和实践的结合，为将来从事机械行业打下坚实基础。

课题需要认真分析产品需求，查阅、自学大量相关资料。这是一个新题目，一开始毕业设计的确很难起步。但是在倪文彬老师耐心的指导和鼓励下，我开始搜索资料、随时和老师探讨。功夫不负有心人，我终于得到了宝贵的设计灵感。首先，根据网上资料分析消防车市场，参考已有型号车型和武汉科技大学参赛题目完成开题报告和外文翻译。开题报告是设计基础，在开题报告中我确定了气动履带式消防车的基本框架，明确了设计任务，并做出初步规划，为毕业设计打下良好的基础。接下来我又参照武汉科技大学的设计图片，利用Pro/E画出气动履带式小车模型，验证开题报告中提出的设计模型，更加坚定的相信自己可以完成这个挑战。

由于做了大量的准备工作，开始的引言和总体设计还是很好完成的，可是到了后来机械部分设计和气压控制部分发现的问题越来越多，总有设计了下一部分才发现还有些东西在前面没有设计好。于是我又耐心的回到原点不断完善和修改。另外，我在设计中遇到了很多知识空白，如履带车的设计、气动控制的实现等。但我没有被困难吓住，不断的查阅网上资料，参考相关的硕士论文，及时请教老师……学习才能出真知，在不断的努力下，我终于完成了毕业设计。

由于个人能力有限，加上设计经验不足，我的毕业设计一定还存在大量的不足。并且气动履带式消防车的课题是个探索性很强的课题，小车的很多设计都可以作为一个单独的研究课题拿出来研究。我只是主要对小车的传动部分，行走部分，水炮的传动部分，气压回路部分做出了设计，并且有部分设计结构还没有做出充分的校核和检验，希望以后可以有人帮我完善。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。虽然毕业设计完成了，但这只是我在机械行业探索的开始。学无止境，我会在将来的工作中继续发扬这次毕业设计的优点：严谨、踏实、知不足学不止，为机械行业做出我应有的贡献。

致 谢

光阴如梭，转眼间大学四年生活就到了尾声，怀念也好留恋也罢，就算我们再难以割舍，再不想结束，时间也不会纵容。

大学四年不会因为毕业设计的完成而结束，以后每当看到这份大学四年的答卷时，我总会情不自禁地感谢很多帮助我的人。梦是老师们给我的，并且让我坚信下去的。大学四年首先应该感谢所有教过我的老师们，如果没有你们，我将会一无所知。

感谢倪文彬老师！这篇论文是倪老师花费了很多心血挑选出来的，又花了很多时间指导我学习、了解和设计。倪老师的工作已经非常辛苦，时间宝贵，但是每次都有问必答、有求必应；并且老师平易近人，让我们非常想和老师交流……这一切都为我顺利的完成毕业设计，提供了得天独厚的环境。在做毕业设计的开始，我对这个题目非常陌生，很多地方都没有头绪，老师耐心地帮我分析课题的需要，提供思路，一起探讨小车的各部分设计，让我有足够的知识储备和灵感完成毕业设计。倪老师是我的好朋友，是我在学习路上的引路人，在此论文即将完成之际，向倪老师表示最衷心的感谢！

感谢王荣林老师！王老师不是我的毕业设计的导师，却对我的问题闻无不答，知无不授。王老师在我大学生涯中犹如一位长辈，授课幽默风趣、通俗易懂，赢得了所有学生的爱戴。由于听过王老师的控制工程和虚拟仪表技术，这些课至今都让都我受益匪浅。感谢王老师！

感谢孙松丽老师！孙老师是我们班的班主任，也像我们班级的母亲一般给我们关爱。孙老师的耐心和细心值得我们所有人的尊敬！谢谢孙老师。

还有很多很多的老师，虽然没有特别写出来，却也一样的提供了很多的帮助，比如胡晓秋教授，邱明教授，范欢迎老师，刘艳老师，等等，在此我就不一一列出了，为师者的奉献是无私的，所有的老师都是同样的值得我们感谢！

最后还要感谢我的舍友和朋友们，大学四年中，给我生活上和学习上很多的帮助，你们将是我最难忘的记忆。谢谢你们！

参 考 文 献

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…………

附录

装配左视图

装配主视图

装配俯视图

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/f4d072bc27284b73f34250bf.html