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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 摘 要 煤礦災害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后,礦井環(huán)境十分復雜,井下因災受傷人員面臨極其危險的狀況,需盡快地轉移與救護；而救援工作異常困難和危險,往往在救援工作中造成救護人員的傷亡。研發(fā)代替或部分代替救護人員及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作的救災機器人具有極其重要的意義。 本論文研究工作的目的是設計結構新穎、具有獨創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動機器人，以能夠適應在惡劣環(huán)境和復雜路況下工作。通過在移動系統(tǒng)上加載不同的模塊，能夠實現(xiàn)搜救機器人不同的使用功能，本研究意義在于為后續(xù)設計的搜救機器人提供一個基礎的動力平臺，以便于能夠開發(fā)出更多使用功能的搜救機器人。 本研究所設計的搜救機器人移動方案是履帶式驅動結構。該方案采用模塊化設計，便于拆卸維修，可以分段自適應復雜路面，并可主動控制兩側翼板模塊的轉動來調節(jié)機器人姿態(tài)變化，輔助爬坡、越障和跨溝；機器人經過合理的結構布局和設計后具有良好的環(huán)境適應能力、機動能力并能抵抗一定高度的掉落沖擊。所設計的機器人移動機構主要由四部分組成：主動輪減速驅動機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構，本論文對上述各部分方案分別進行論證、結構設計計算、3D建模，并設計了搜救機器人虛擬樣機。 關鍵字：搜救機器人；復合移動機構；模塊化設計； Abstract Coal mine disasters,especially gas and coal dust explosion, mine environment is very complex and wounded tolls mine face extremely dangerous conditions,be transferred as soon as possible and rescue.and rescue work extremely difficult and dangerous, often resulting in the rescue work in the ambulance casualties.R & D to replace or partially replace the ambulance personnel in a timely manner, quick in-depth environmental exploration and mine disaster relief robot search and rescue work is extremely important The purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shock intelligently tracked mobile robot, in order to be able to adapt to the harsh environment and the complicated road to work.Mobile systems loaded by different modules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this study is important because other people's search and rescue robot designed to provide a basis for the dynamic platform to facilitate greater use of features can developsearch and rescue robots. This resoarch is moving search and rescue robot crawler.The program is modular in design, easy disassembly maintenance, can be complex adaptive sub-surface, active control can turn on both sides of flange module to adjust the robot pose changes, supporting climbing,obstacle and cross-channel.The design of the robot moving mechanism mainly consists of four components. Active wheel reducer drive mechanism, flange rotation institutions, adaptive road implementing agencies, sports organizations track and track wheels, part of the paper on the above programs were carried out feasibility studies, structural designcalculation, 3D modeling , and design a rescue robot prototype. Key words: search and rescue robots; composite mobile body; modular design iii 目 錄 前 言 1 1 緒 論 3 1.1 課題研究背景及意義 3 1.1.1 課題研究背景 3 1.1.2 課題研究意義 3 1.2 國內外的研究概況 5 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 5 2.2國內研究現(xiàn)狀 10 1.2.3 發(fā)展趨勢 11 2 搜救機器人的總體結構方案設計 12 2.1 井下復雜環(huán)境對救災機器人的要求 12 2.2 典型移動機構方案論證分析 13 2.2.1 輪式移動機構特點 13 2.2.2 腿式移動機構特點 14 2.2.3 履帶式移動機構特點 15 2.2.4 履、腿式移動機構特點 16 2.2.5 輪、履、腿式移動機構性能比較 17 2.3 本研究采用的行走機構 17 2.4 救災機器人性能指標與設計 18 2.5 本章小結 19 3礦用搜救機器人運動參數(shù)設計計算 20 3.1機器人越障分析 20 3.1.1機器人跨越臺階 20 3.1.2跨越溝槽 21 3.2斜坡運動分析 22 3.3 本章小結 23 4機器人移動平臺機械設計 24 4.1驅動電機的選則 24 4.1.1基于平地的最大速度的電機功率計算 24 4.1.2爬坡最大坡度的驅動電機功率計算 25 4.2 本章小結 26 5 驅動輪減速器設計 27 5.1減速器方案分析 27 5.1.1減速器應滿足的要求 27 5.1.2 減速器方案分析 27 5.2 減速器的設計計算 29 5.2.1減速器的傳動方案分析 29 5.2.2配齒計算 29 5.2.3初步計算齒輪的主要參數(shù) 30 5.2.4裝配條件的計算 34 5.2.5高速級齒輪強度的驗算 35 5.2.6 軸的設計及校核 44 5.3 本章小結 46 6移動機構履帶及翼板部分設計 47 6.1履帶的選擇 47 6.1.1 確定帶的型號和節(jié)距 48 6.1.2確定主從動輪直徑 48 6.1.3確定節(jié)線長度和帶寬 49 6.2 翼板部分設計 51 6.3 本章小結 51 7機器人搖臂的設計 52 7.1 搖臂作用概述 52 7.2搖臂傳動減速器設計 53 7.3本章小結 55 8 總結與展望 56 致 謝 58 參考文獻 59 前 言 我國的煤炭資源十分豐富，是世界上最大的煤炭生產國和消費國。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產和消費結構中的70%左右，預計到2050年還將占50%以上，因此，在未來相當長的時間內，煤炭仍然是我國的主要能源，由于我國礦井自然條件差，加上技術和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。據統(tǒng)計，2006年我國礦難死亡1517人，百萬噸死亡率為2.00；2007年全國礦難死亡1600人，百萬噸死亡率為2.1；2008年全國煤礦發(fā)生傷亡事故1341 起，死亡1389人，百萬噸死亡率約為1.84，其中一次死亡3～9人的重大事故110起，死亡886人。2009年全國安全生產數(shù)據顯示2009全國共發(fā)生一次死亡10 人以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤礦企業(yè)特大事故共發(fā)生18起,死亡330 人，死亡人數(shù)仍高居各類安全事故之首。2010年全國煤礦安全生產形勢依然嚴峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠遠超過世界其他產煤國家煤礦死亡人數(shù)的總和，約占世界礦難人數(shù)的80%，百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30 倍。每年上百次的事故發(fā)生，成千人的礦工死亡，煤礦安全形勢已經十分嚴峻。 礦井瓦斯爆炸一旦發(fā)生，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災害的可能，救護人員無法知道能否進入或無法直接進入災害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務，上述事故中的傷亡人員有相當一部分是救護人員，如陜西黃陵礦業(yè)公司一號煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2名救護隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機鼻夾摔脫落，導致一氧化碳中毒死亡；2005年澠池縣趙溝八礦井下突然起火，三門峽市礦山救護隊接報后立即趕到現(xiàn)場救災，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護隊員殉職； 2006 年六枝工礦集團公司救護大隊的救護隊員在井下實施封閉火區(qū)措施時，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成8名救護隊員死亡。 由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災機器人及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護人員進入災區(qū)，進行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應包括生命和圖像等信息，為救災決策提供重要參考。 1 緒 論 1.1 課題研究背景及意義 1.1.1 課題研究背景 我國是世界上災害、事故發(fā)生次數(shù)最多的國家之一，地震、火災、塌方、以及各類人為事故，給人民生命財產安全造成極大的危害。災害發(fā)生后，如何及時有效的發(fā)現(xiàn)被困幸存者并實施快速的救援是災后應急救援的頭等大事。 然而復雜危險的災后環(huán)境常常會給救援工作帶來困難。危險物質、大火、易燃易爆氣體、不穩(wěn)定的結構等等危險因素的存在，時常威脅到救援隊員的生命安全，阻礙救援工作的快速展開。如何能夠在最少人員傷亡前提下快速高效地開展搜索救援工作一直是我們重點研究的問題。 本文提出的便攜式礦用救災機器人是一種質量輕，易于單個救援人員背負，具有多種運動姿態(tài)和抗摔能力，采用履帶方式行進的微小型機器人系統(tǒng)。能夠適應礦井惡劣的災后環(huán)境，對非結構的地形環(huán)境具有良好的自適應能力，具備較好的越障能力和一定高度的抗摔能力。機器人可通過無線電信號進行遠程控制，并能夠加載各種偵測設備對未知環(huán)境進行先期探測并回傳井巷環(huán)境信息，為及時有效的救災提供決策參考。 1.1.2 課題研究意義 我國煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產國和消費國。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產和消費結構中的一半以上，在未來相當長的時間內，煤炭仍然是我國的主要能源，由于我國礦井自然條件差，加上技術和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。據統(tǒng)計，2006年我國礦難死亡1517人，百萬噸死亡率為2.00；2007年全國礦難死亡1600人，百萬噸死亡率為2.1；2008年全國煤礦發(fā)生傷亡事故1341 起，死亡1389人，百萬噸死亡率約為1.84，其中一次死亡3～9人的重大事故110起，死亡886人。2009年全國安全生產數(shù)據顯示2009全國共發(fā)生一次死亡10 人以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤礦企業(yè)特大事故共發(fā)生18起,死亡330 人，死亡人數(shù)仍高居各類安全事故之首。2010年全國煤礦安全生產形勢依然嚴峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠遠超過世界其他產煤國家煤礦死亡人數(shù)的總和，約占世界礦難人數(shù)的80%，百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30 倍。每年上百次的事故發(fā)生，成千人的礦工死亡，煤礦安全形勢已經十分嚴峻。 煤礦作為最復雜、最危險的工作環(huán)境之一，在發(fā)生安全事故之后，常常會因為井下復雜危險的環(huán)境而阻礙救援人員深入井下開展工作。但煤礦安全形式十分嚴峻，瓦斯爆炸等煤礦事故頻發(fā)，造成了重大的人員傷亡，產生了不良的社會影響。煤礦災害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災害的可能，礦井環(huán)境十分復雜。救護人員無法知道能否進入或無法直接進入災害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務，上述事故中的傷亡人員有相當一部分是救護人員，如陜西黃陵礦業(yè)公司一號煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2名救護隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機鼻夾摔脫落，導致一氧化碳中毒死亡；2005年澠池縣趙溝八礦井下突然起火，三門峽市礦山救護隊接報后立即趕到現(xiàn)場搜救，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護隊員殉職； 2006 年六枝工礦集團公司救護大隊的救護隊員在井下實施封閉火區(qū)措施時，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成8名救護隊員死亡。井下因災受傷人員面臨極其危險的狀況，需盡快地轉移與救護；而救援工作異常困難和危險，往往在救援工作中造成救護人員的傷亡。 由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災機器人及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護人員進入災區(qū)，進行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應包括生命和圖像等信息，為救災決策提供重要參考。 1.2 國內外的研究概況 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 目前，在救災機器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機器人(TMR)計劃中的便攜式機器人系統(tǒng)(MPRS)．該類機器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機器人用于災難后的現(xiàn)場偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等裝備。無線遙控距離約76 米。美國南佛羅里達大學研制的Simbot礦井搜索機器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個鉆出的小洞鉆進礦井，越過碎石和爛泥，并使用其攜帶的傳感器發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。 下圖為美國及其它國家在研的各種履帶式可變形機器人： 如圖1-1,1-2所示，這是美國iRobot的一種較小型“PackBot”機器人，現(xiàn)服役于美國軍隊，這個“PackBot”搭配了一個爆炸物感應系統(tǒng)，有效地探測炸彈。目前這種測試系統(tǒng)還處于實驗階段?！癙ackBot”機器人還以進行挖掘和拆彈工作。配備了稱為“explosive ordnance disposal”(eod)和工程師的全套工具，可以對土壤進行挖掘，然后舉起相當于自身重量2倍的炸彈。 圖1-2這種iRobot SUGV的機器人是一種小型地面探測車，重量僅為30磅。它帶有一個稱為“tactical head”的頭部，還有一個相機、一個紅外感應器和一個可即時傳送影像的攝像頭。 圖1-1 RackBot準備展開 圖1-2 SUGV機器人 Foster-miller公司研制了Talon機器人，該機器人采用履帶方式行進，內部裝備有兩臺普通直流電機，電機通過兩根鏈條帶動履帶輪轉動，實現(xiàn)機器人運動；另外機器人前后履帶輪中間安裝有一小型承重輪，該輪不僅能承載一部分負荷同時也能在機器人轉向時起到支撐作用，減少履帶與地面之間的摩擦，提高機器人轉向能力。Talon機器人可以完成各種偵察、巡邏工作。機器人外形參數(shù)尺寸為86.4cm×57.2cm×27.9 cm，重約39Kg，能潛水30.5m，爬45度斜坡。 圖1-3 Talon機器人 2003年，澳大利亞SIMTARS煤礦研究人員與美國機器人輔助救援中心(CRASAR)合作，開發(fā)了一個煤礦災害搜救機器人，并在澳大利亞昆士蘭州的15米地下訓練場進行了試驗。這個機器人專門是為礦山災害而研制。它的尺寸大小像一個蜂蜜罐子，它可以通過地面的鉆孔進入煤礦井下然后爬過障礙物和泥漿，利用傳感器搜尋被困礦工，探測有毒或者可燃性氣體，還可以將地面供氣供水軟管拖到被困礦工身邊，給他們新鮮的空氣和水。這種機器人在通過鉆孔時像一條蛇一樣將自己擠過巖石，一旦到達井下地面，就會像一個小型坦克一樣行動，搜尋被困礦工。CRASAR希望能夠進一步為該機器人添加新型的醫(yī)學傳感器，讓救援義務人員能夠通過觀看、交談、診斷的方式來了解被困礦工的健康狀況。 Inuktun公司推出的UGTV機器人具有獨特履帶可變形功能(如圖1-4所示)，可以輔助攀爬和擴大機器人視野，曾在“911”事件的搜救任務中大顯身手；加拿大Sherbrook大學研制的AZIMUT機器人(如圖1-5所示)，該機器人采用輪、履、腿復合移動機構，具有四個履腿模塊，每個履腿模塊與本體相連接時有3個自由度，機器人運動功能多樣，越障能力強，上下臺階方便；但結構極為復雜，僅電機就有12個，運動控制困難，該機器入主要用于室內環(huán)境執(zhí)行反恐、排爆任務。 圖1-4 UGTV機器人 圖1-5 AZIMUT機器人 僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機器人，現(xiàn)在2006年的新一代機器人已經上市了，其結構比以前的更加輕便，體積更小。這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能。 這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)從而有了一些與大型機器人類似的功能，所以它小得以至于可以在地鐵車廂或者飛行工具里操作，同時又足夠大得可以直接處理一些在所有現(xiàn)行飛機的頭頂貯藏室里的可疑項目處理。 圖1-6 telemax 這款產品具有很大的創(chuàng)新價值，經過數(shù)十年經驗的累計取得了變結構設計領域的重大發(fā)展。 圖1-7 telemax行走姿勢 它的機械結構由4個獨立履帶齒輪驅動技術提供了非凡的移動力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多類似機器人都好，它的可伸展的上臂加上一個高度可調的地盤，給予了這款機器人一個可達到的非凡的垂直高度2350mm。它的鉗子可以吊起重達5Kg的貨物，這就意味著它可以裝配彈道系統(tǒng)和其它工具。 圖1-8 telemax防爆機器人 2.2國內研究現(xiàn)狀 我國的搜救機器人技術起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關注并取得了一定的成果，沈陽自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學、上海交通大學、廣東富衛(wèi)公司等機構都設計了自己的搜救機器人系統(tǒng)。2005年中科院沈陽自動化研究所與日本國際救援系統(tǒng)研究院聯(lián)合成立的中日救援與安全機器人技術研究中心，在沈陽揭牌成立，這標志著我國的搜救機器人研究進入了一個更加快速發(fā)展的時期。 2006年6月22日，由中國礦業(yè)大學可靠性與救災機器人研究所研制的國內首臺煤礦搜救機器人(樣機)在徐州誕生（如圖1-9所示）。這臺煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控引導相結合的行走控制方式，能在煤礦災害發(fā)生后深入事故現(xiàn)場，探測火災溫度、瓦斯?jié)舛?、災害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災指揮人員提供重要的災害信息。同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被困人員實施自救和逃生。 圖1-9CUMT-1型礦井搜救機器人 1.2.3 發(fā)展趨勢 救災機器人是智能化機器人在煤礦領域的全新應用，盡管某些關鍵技術仍需要進一步研究，但救災機器人具有高度的實用價值和廣泛的應用前景。隨著計算機技術、傳感技術、控制技術、材料技術的發(fā)展，特別是網絡技術和圖像信息處理技術的迅猛發(fā)展，智能機器人的研究已取得了豐碩的研究成果。但是，由于礦井救災機器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷提高，礦井救災機器人技術方面還需要有所突破： (1) 機械性能方面， 能夠適應礦井惡劣的災后環(huán)境，對非結構的地形環(huán)境具有良好的自適應能力，具備較好的越障能力。 (2) 新技術和新材料的研發(fā)，礦井災后惡劣的環(huán)境要求用高強度、抗拉抗壓、抗高溫阻燃、不產生電火花的材料。 (3) 優(yōu)良的導航性能、信息采集能力仍是今后礦井救災機器人導航技術的主要發(fā)展方向。 (4) 由于礦井中救災機器人單一的傳感器無法滿足高精度定位需要，因此需要融合多個傳感器測量信息，多傳感器信息融合技術也就自然成為發(fā)展趨勢。 (5) 多機器人系統(tǒng)是礦井救災機器人技術發(fā)展的主要方向。 (6) 采用標準化、網絡化、模塊化技術。 機器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進行數(shù)據信息交換時，采用標準化接口技術，網絡技術可使機器人更具備操控性，同時機器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護性、兼容性也更好。 2 搜救機器人的總體結構方案設計 2.1 井下復雜環(huán)境對救災機器人的要求 井下環(huán)境和氣候與地面不同，井下環(huán)境惡劣，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。搜救機器人需要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，具備快速搜尋并且準確定位井下失蹤人員的功能，還要有簡單的急救功能。 （1） 井下地形礦山井下地形復雜，環(huán)境惡劣。巷道路面多積水，有礦車鐵軌、水溝、風管、線纜等障礙物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面處的路面坡度大，有碎煤、支撐、滑道等障礙。災害發(fā)生后，脫落的頂板、巖石、煤塊等形成新的障礙物。復雜的路況要求井下機器人要有較強的越障、避障能力和行駛功能恢復能力。 （2） 井下氣候災害后，井下通風系統(tǒng)常受到破壞，使井下氣候發(fā)生明顯的變化，常見瓦斯和粉塵濃度增大，災變區(qū)域的溫度、濕度增加，風量減少。所以二次瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護隊員及時下井救護的一個主要因素。為了在高瓦斯下安全工作，搜救機器人需要進行礦用隔爆兼本安型設計；元件在井下溫度變化范圍內應能可靠地工作；為了防止煤塵和積水進入車體內部和運動副，廂體要進行密封、防水設計。 （3） 光照與煙霧井下無自然光，機器人只有自帶光源。事故后，往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對照明產生一定影響。 （4） 能源使用井下專用蓄電池供電。 因此，井下的特殊環(huán)境要求所設計的搜救機器人形體較小，載荷較大，運動靈活，具有通過狹小空間、碎煤和巖石區(qū)的能力，能夠實現(xiàn)較大弧度的轉動，較強的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。 2.2 典型移動機構方案論證分析 便攜式機器人按移動方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。 2.2.1 輪式移動機構特點 輪式移動機構在救災機器人中是最為普通的運動方式，輪式機器人移動機構普遍具有結構簡單、運動速度快、能源利用率高的、機動性好強的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和工作效率高等優(yōu)勢?？刂频慕嵌瓤矗幊毯唵尾⒂休^高的可靠性，每個輪子都可以獨立驅動。與履帶式移動機器人相比，當跨越不平坦地形時，輪式機器人有著固有的不足，限制了其運動能力，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復雜的環(huán)境完成既定任務存在嚴重的困難。輪式移動機構按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結構存在著一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面(如沼澤、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根據具體地面環(huán)境采用一些預防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車輛、山地車輛等，其各種結構如圖2-1所示。 圖2-1 輪式移動裝置示意圖 2.2.2 腿式移動機構特點 腿足式移動機構分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動機構優(yōu)點有： (1)腿式機器人的地形適應能力強。腿式機器人運動軌跡由一系列離散點組成，崎嶇地形可以給這些離散點提供支撐，使機器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機器人的運動是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運動軌跡，進而限制了該類機器人活動范圍。 (2)腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高； (3)腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結構優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動機器人如圖2-2所示，特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。 腿式移動機構缺點有： (1) 該類機器人的移動速度慢，機動性較差．因此機器人的負載不能太重； (2) 腿式機器入對地面適應性和運動靈活性需要進一步提高； (3) 腿式機器人控制系統(tǒng)較為復雜，控制方法還有待完善； (4) 該機構未進入實用化階段。 圖2-2八腿機器人 2.2.3 履帶式移動機構特點 履帶式移動機構分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶，6條履帶，履帶式移動機構與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內分布機器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機器人具有較好的驅動牽引力，機動性能好、越野性能強，缺點是結構復雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產生一定的破壞。履帶式移動機構比較輪式移動機構有以下幾個特點： (1)撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好； (2)越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結構； (3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； (4)結構較復雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。 圖2-3為一部分履帶式移動機構的簡圖 圖2-3 履帶式移動裝置示意圖 2.2.4 履、腿式移動機構特點 履腿復合移動機構綜合了履帶式和腿式兩種移動機構的優(yōu)勢，在地面適應性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構地面適應性能好，在復雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應能力(此時機器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能)，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關節(jié)履帶機構，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉動，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應能力，但履、腿復合機構本身存在著一定的不足如結構復雜、運動控制困難等。 2.2.5 輪、履、腿式移動機構性能比較 車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表2-1所示。 表2-1典型移動機構的性能對比 移動方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 復雜程度 簡單 一般 復雜 能耗量 小 較小 大 控制難易 易 一般 復雜 2.3 本研究采用的行走機構 本文提出來的便攜式履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履、腿(輪)復合結構，該結構最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機構的基礎上增加了轉動關節(jié)，加強了機器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應能力。 機器人能根據地形條件的復雜程度，通過主動調節(jié)兩側履帶與車身約束關系來選擇自適應環(huán)境或者是主動適應環(huán)境。自適應環(huán)境可以提高機器人運動穩(wěn)定性能、平順性能；主動適應環(huán)境可以提高機器人通過性能，機器人設計方案如下圖2-4所示。 圖 2-4 便攜式履帶機器人結構組成 1. 后輪驅動電機及組件 2.擺臂電機及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪 2.4 救災機器人性能指標與設計 由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復雜性煤礦井下搜救機器人的總體設計須滿足適合井下復雜地形、防爆、防碰撞等要求，同時所載的子系統(tǒng)安裝、使用要方便。 在地面移動機器人家族中，履帶機器人具有很強的地形適應性，能夠適應惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應用。但普通的履帶移動移動機構結構復雜，重量大，運動慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動機構的缺點，給煤礦井下搜救機器人履帶式移動機構加裝前擺。機器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機器人重心將前移，實現(xiàn)機器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機器人傾翻后自復位。為提高其地形適應性，前擺臂兩個擺臂關節(jié)單獨控制和單獨驅動。 總體設計方案如圖2-4所示。采用后輪驅動，差速轉向，可實現(xiàn)原地360°轉向。擺臂電動機驅動擺臂可在360°范圍內旋轉，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉后自復位的功能。 根據井下環(huán)境對機器人的要求，主要設計性能參數(shù)如下：L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(車體寬度)=500mm。車體質量為50kg,擺臂質量不超過5kg,機器人做直線運動最大速度等于1m/s,自備電源運行時間大于等于4小時。最大越障高度H=300mm，跨越最大溝壑寬度C=500mm。如2-5圖： 圖2-5 2.5 本章小結 本章重點介紹了國內外履帶機器人的移動方式，對三種常見的移動方式(輪式、履帶式、腿式)在越野性能、移動速度、機構復雜程度、控制難易程度等幾方面進行了比較和分析，就研制的礦用履帶搜救機器人應達到的性能指標提出了具體要求。 3礦用搜救機器人運動參數(shù)設計計算 3.1機器人越障分析 3.1.1機器人跨越臺階 （1）越障機理分析 當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨過了臺階完成爬越動作。 （2）越障過程分析 煤礦井下搜救機器人爬越臺階的過程如圖3-1所示，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構的驅使下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅動擺臂逆時針擺動，當機器人重心越過臺階邊緣時，旋轉擺臂關節(jié)，機器人在自身重力影響下，車體下移，機器人成功地爬越臺階。 圖3-1機器人爬越臺階過程 由運動過程可以看出，機器人在越障第三階段圖3-1（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。 圖3-2機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖3-2所示幾何關系可得： （1） 變換式（1）可得： （2） （3） 利用式（3）求出，代入式（2）可算出機器人跨越障礙的最大高度。 3.1.2跨越溝槽 （1）越障機理分析 對于小于機器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機器人重心在機器人車體內，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽，完成了跨越動作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人可以看做爬越凸臺障礙。 （2）越障分析 履帶式移動機器人跨越溝槽時，機器人重心不斷向前移動，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質心變化規(guī)律可知機器人重心在以r為半徑的圓內，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應處于展開狀態(tài)。 圖3-3跨越溝槽示意圖 機器人在平地圖3-3（a）跨越溝槽的寬度： （4） 在角度為的斜坡圖3-3(b)上跨越溝槽的寬度： （5） 3.2斜坡運動分析 機器人在斜坡上運動時，起受力情況如圖3-4所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅動力： （6） 圖3-4機器人上坡受力示意圖 最大靜摩擦力系數(shù)為，最大靜摩擦力為：（7） 當時，機器人能平穩(wěn)行駛。 當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。 已知煤礦井下機器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù)，則機器人爬越的最大坡度為: （8） 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： （9） 通過上述分析，可以根據機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。 3.3 本章小結 本章重點圍繞礦用履帶搜救機器人的爬坡性能、越障性能、跨溝性能三方面，對機器人移動原理進行理論分析，運動過程進行數(shù)值計算，驗證了該機器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機動能力。 機器人的爬坡角度最大為；垂直越障高度最大為300mm：最大跨溝寬度為500mm。 4機器人移動平臺機械設計 4.1驅動電機的選則 4.1.1基于平地的最大速度的電機功率計算 假設機器人以最大速度勻速前進，輪子作瞬時純滾動，前進時不考慮空氣阻力的影響。如下圖所示： 平地直線運動受力圖 根據理論力學平面交匯力系平衡條件和合力矩定理： 則，移動機器人平地直線運動的平衡方程為： 則， 可以得出，機器人兩側電機經減速器后在最大速度下需要提供的極限扭矩為11.76Nm。 在最大的行駛速度下，驅動電機經過減速箱減速后需要提供的極限轉速為： 4.1.2爬坡最大坡度的驅動電機功率計算 相對于平地行駛過程，爬坡能力對于機器人的驅動能力是一個重要的衡量標準，所以在進行驅動系統(tǒng)設計時，爬坡指標的計算也應作為選擇電機的必須依據。 假設移動機器人在最大指標上勻速行駛，速度為0.1。在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響。機器人爬坡受力情況如圖： 機器人爬坡受力圖 爬坡的平衡方程為： 解之得：M=43.12Nm,可以得出機器人兩側電機經減速器減速后在最大坡度下爬坡需要提供的極限扭矩為21.56Nm. 在0.1的速度爬坡時，驅動電機經過減速器后所需提供的轉速為：n==11.94 4.2 本章小結 由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅動電機輸出轉速較大，而爬坡時的要求的驅動電機輸出扭矩較大。因此在選電機型時，應根據平地直線運動要求轉速和爬坡要求扭矩進行選擇。 根據最大爬坡要求，初步確定驅動電機經減速器后的功率為：=53.8W 則所需電機的輸出功率為：=88.19W 則可選擇如下表4-1電機： 表4-1電動機性能參數(shù) 產品型號 電壓 額定電流 轉速 輸出功率 效率 Maxon--Ec45 24V 6.5A 1800r/min 150W 79% 5 驅動輪減速器設計 移動減速傳動機構是完成機器人前進、后退、轉向等各種運動的關鍵部件，利用齒輪的速度轉換，將動力機的轉速減低到所需的轉速，同時扭矩達增大到所需的扭矩。本機構采用二級減速器，電動機通過減速器的實現(xiàn)減速、增大轉矩。電動機安裝在減速器前端，通過錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅動輪轉矩，為復雜狀況下救災機器人提供主要動力。 5.1減速器方案分析 5.1.1減速器應滿足的要求 （1）目前大部分的煤礦都處于深井開采，深度大都為數(shù)百米，甚至上千米，遠遠深于恒溫帶的深度，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，造成地下溫度很高。減速器必須滿足在高溫下工作要求； （2）我國開采的礦井，大部分都為高瓦斯礦井，井內充滿了濃厚的瓦斯。減速器應有隔爆防爆的作用； （3）搜救機器人的行駛路況復雜，在行駛過程的啟動、停止、前進與后退換向頻繁。其載重較大，要有較大的啟動轉矩，啟動平穩(wěn)，換向靈敏； （4）搜救機器人遙控操作，電動機用蓄電池提供能源。體積要小，重量要輕。 5.1.2 減速器方案分析 減速器的種類很多，按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器以及它們互相組合起來的減速器；按照傳動級數(shù)可分為單級和多級減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐---圓柱齒輪減速器；按照傳動的布置形式由可以分為展開式、分流式和同軸式減速器。 （1） 展開式齒輪減速器結構簡單，但齒輪相對于軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大的剛度。高速級齒輪布置在遠離轉矩輸入端，這樣，軸在轉矩的作用下產生的扭矩變形和在載荷作用下軸產生的彎曲變形可部分的互相抵消，以減緩沿齒寬載荷分布不均勻的現(xiàn)象。用于載荷比較平衡的場合。 （2） 同軸式齒輪減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪侵入油中深度大致相同。但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長、剛度差，沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難以充分利用，適合小型、微型機械適用。 （3） 蝸輪蝸桿減速機的主要特點是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動效率不高，精度不高。 （4） 行星減速器其優(yōu)點是結構比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大，但價格略貴。另外行星減速箱，有平齒和斜齒2種，精度和價格都有不同。 （5） 諧波減速器的諧波傳動是利用柔性元件可控的彈性變形來傳遞運動和動力的，體積不大、精度很高，但缺點是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差，輸入轉速不能太高，價格較高。 根據復雜路況下搜救機器人的行駛速度及各項工作要求，綜合各種減速器的特點，本設計采用二級減速傳動，依傳遞運動和轉矩，又根據減速箱空間的限制采用二級行星齒輪減速器。 5.2 減速器的設計計算 5.2.1減速器的傳動方案分析 根據上述設計要求可知，該行星輪減速器傳遞功率高，傳動比較大，工作環(huán)境惡劣等特點。故采用雙級行星齒輪傳動。2K-H型結構簡單，制造方便，適用于任何情況下的大小功率的傳動。選用由兩個2X-A型行星齒輪傳動串聯(lián)而成的雙級行星齒輪減速器較為合理，名義傳動比可分為進行傳動。 5.2.2配齒計算 根據2K-H型行星齒輪傳動比的值和按其配齒計算公式，可按第一級傳動的內齒，行星齒輪的齒數(shù)。先考慮到該行星齒輪傳動的外廓尺寸，故選取第一級中心齒輪數(shù)為23和行星齒輪數(shù)為。根據內齒輪，則。 對內齒輪齒數(shù)進行圓整后，此時實際的P值與給定的P值稍有變化，但是必須控制在其傳動比誤差范圍內。實際傳動比為: 6 其傳動比誤差 根據同心條件可得行星輪的齒數(shù)為 所求的適用于非變位或高度變位的行星齒輪傳動。再考慮到安裝條件為： （整數(shù)） 第二級傳動比為6，選擇中心齒數(shù)和行星齒輪數(shù)目與第一級相同，則。 5.2.3初步計算齒輪的主要參數(shù) 齒輪材料和熱處理的選擇：中心齒輪和中心齒輪，以及行星齒輪和均采用20CrMnTi,滲碳后淬火，淬透性不錯，耐低溫沖擊，能夠滿足要求。齒面硬度為58-62HRC,查《行星齒輪傳動設計》可知，取，，中心齒輪加工精度為6級，高速級與低速級的內齒輪均采用42CrMo,這種材料經過正火和調質處理，以獲得相當?shù)膹姸群陀捕鹊攘W性能，調質硬度為217-259HRC，取，，輪和的加工精度為7級。 高速齒輪的模數(shù)m 按彎曲強度的初算公式，為 現(xiàn)已知。中心齒輪的名義轉矩為Nm,取算式系數(shù)，查《機械設計使用手冊》系數(shù)，查得；取接觸強度計算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得,查得齒形系數(shù),齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為： 取齒輪模數(shù)為=0.4mm 低速級得齒輪模數(shù)m 取彎曲強度的初算公式，計算低速級的齒輪的模數(shù)m為，現(xiàn)已知，，中心齒輪的名義轉矩，取算式系數(shù)，使用系數(shù)，綜合系數(shù)，取接觸強度計算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得，查表得齒形系數(shù)，齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為： mm 取齒輪模數(shù)為mm 嚙合參數(shù)計算: 高速級 在兩個嚙合齒輪副中-，中，其標準中心距a為 13.8mm mm 低速級：在兩個嚙合齒輪副中中，其標準中心距a為 mm mm 由此可見，高速級和低速級得標準中心距均相等。因此次行星齒輪傳動滿足非變位的同心條件，但是在行星輪傳動中，采用高度可以避免跟切，減少機構的尺寸和質量，還可以改善齒輪副的磨損情況以及提高承載能力。 幾何尺寸的計算 高速級：分度圓直徑d 基圓直徑 齒頂圓直徑 齒頂高：外嚙合 內嚙合 齒根圓直徑 齒根高 高速級 太陽輪 行星輪 內齒圈 模數(shù)m 0.4 0.4 0.4 齒數(shù)z 23 46 115 分度圓直徑d 9.2 18.4 46 齒頂圓直徑 10.4 19.2 45.28 齒根圓直徑 8.6 17.4 47 低速級：分度圓直徑d 基圓直徑 齒頂圓直徑 齒頂高：外嚙合 內嚙合 齒根圓直徑 齒根高 低速級 太陽輪 行星輪 內齒圈 模數(shù)m 0.6 0.6 0.6 齒數(shù)z 23 46 115 分度圓直徑d 13.8 27.6 69 齒頂圓直徑 15 28.8 68.28 齒根圓直徑 12.3 26.1 70.5 5.2.4裝配條件的計算 對設計的齒輪副應滿足以下條件的計算： 1. 鄰接條件 在行星輪傳動中，為保證兩相鄰行星輪的齒頂不致相碰，相鄰兩行星輪的中心距應大于兩齒頂圓半徑之和，由公式驗算其鄰接條件 （為行星輪的直徑，a為中心距）高速級：18.4＜2×13.8×0.865=23.87 低速級：27.6＜2×20.7×0.865=35.81故滿足鄰接條件。 2.同心條件 按公式對于高度變位有，已知高速級，滿足公式則滿足同心條件。低速級與高速級齒數(shù)相同，故滿足條件。 3.安裝條件 按公式驗算安裝條件，即得 (C為整數(shù)) 即都滿足裝配條件。 5.2.5高速級齒輪強度的驗算 由于該行星輪傳動具有長期有效間斷工作的特點，具有結構緊湊，外輪廓尺寸較小的特點，因此應按齒面接觸強度和齒根彎曲強度驗算。 齒面接觸疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 —區(qū)域系數(shù)； __彈性影響系數(shù)； —螺旋角系數(shù)，直齒輪為1； —重合度系數(shù)； -齒寬，齒輪副中的較小齒寬； —小齒輪分度圓直徑； —許用應力； U—齒數(shù)比； 齒輪副中： 許用接觸應力的計算： 由機械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；；齒寬b=3; 故161MPa<。 故滿足強度要求。 齒輪副中： 許用接觸應力的計算： 由機械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；5；齒寬b=4; 故310MPa<。 故滿足強度要求。 齒根彎曲疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 齒根危險截面的彎曲應力； 載荷系數(shù)； 齒形系數(shù)； 應力校正系數(shù)。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 式中 K-載荷系數(shù)； -使用系數(shù)； -動載系數(shù)； -齒間載荷分配系數(shù)； -齒間載荷分布系數(shù)。 由《機械零件》可查得取=1; 根據V=1.2，可得; 查《機械零件》可得,，故。 由《機械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)； 許用應力的計算： 由《機械零件》得，,安全系數(shù)s=1.25,故。 因此彎曲疲勞強度： 109M, 132Mpa< 故彎曲疲勞強度足夠。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 由《機械零件》查得,根據v=0.58，對稱支撐； 由《機械零件》取得,故。查得齒形系數(shù); 應力系數(shù)； 許用應力的計算： 由《機械零件》得； 由《機械零件》得 由《機械零件》取彎曲疲勞強度安全系數(shù)S=1.25； ； 因此彎曲疲勞強度 129Mpa< 所以彎曲疲勞強度足夠。 低速級齒輪強度的驗算 由于該行星輪傳動具有長期有效間斷工作的特點，具有結構緊湊，外輪廓尺寸較小的特點，因此應按齒面接觸強度和齒根彎曲強度驗算。 齒面接觸疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 —區(qū)域系數(shù)； __彈性影響系數(shù)； —螺旋角系數(shù)，直齒輪為1； —重合度系數(shù)； -齒寬，齒輪副中的較小齒寬； —小齒輪分度圓直徑； —許用應力； U—齒數(shù)比； 齒輪副中： 許用接觸應力的計算： 由機械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；；齒寬b=4.3; 故183MPa<。 故滿足強度要求。 齒輪副中： 許用接觸應力的計算： 由機械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；5；齒寬b=5.5; 故352MPa<。 故滿足強度要求。 齒根彎曲疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 齒根危險截面的彎曲應力； 載荷系數(shù)； 齒形系數(shù)； 應力校正系數(shù)。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 式中 K-載荷系數(shù)； -使用系數(shù)； -動載系數(shù)； -齒間載荷分配系數(shù)； -齒間載荷分布系數(shù)。 由《機械零件》可查得取=1; 根據V=1.2，可得; 查《機械零件》可得,，故。 由《機械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)； 許用應力的計算： 由《機械零件》得，,安全系數(shù)s=1.25,故。 因此彎曲疲勞強度： 127M, 143Mpa< 故彎曲疲勞強度足夠。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 由《機