電動小型掃雪機掃雪系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

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This paper analyzes the development of many kinds of snowplows at home and abroad.The main application is the surface of the road that the large scale removal equipment cannot reach.Combined with the width of the road and the thickness of the snow, a small road snowplow was designed.This design on the basis of the analysis of the working principle of the snowplow, through the calceolation to determine the mechanical transmission mechanism and power device and then designed the control system to combine the control and machanism in a organic way.This design using the 3 d drawing software to create a snowplow parts 3 d model, the whole 3 d assembly, show the modelling of its overall effect, the drawing part 2 d part drawing and assembly drawing, completed based on single chip microcomputer control electric schematic diagram.keywords: snow sweepers; Mechanical design; Control system design; Dc servo motor Single chip microcomputer目 錄1 緒論11.1 選題的目的與意義11.2 目前主要的除雪方法11.3 目前掃雪機種類及存在問題21.4 掃雪機國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀21.5 課題主要內(nèi)容32 總體方案設(shè)計52.1 雪的物理性質(zhì)52.2 掃雪機總體方案及比較52.3 工作原理概述62.3.1 基本結(jié)構(gòu)62.3.2 工作原理72.4 方案的實施73 掃雪機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計93.1 動力裝置的選擇93.2 傳動裝置的設(shè)計計算103.2.1 減速器的設(shè)計計算103.2.2鏈輪的設(shè)計計算133.2.3 動力軸的設(shè)計計算153.3 掃雪機構(gòu)的設(shè)計計算183.3.1 工作電機的設(shè)計計算183.3.2 掃雪輥的設(shè)計計算183.3.3 同步帶傳動的設(shè)計計算203.3.4 同步帶的主要參數(shù)233.3.5同步帶的設(shè)計244 掃雪機的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計264.1 控制系統(tǒng)的選擇及整體設(shè)計264.1.1 控制器264.1.2伺服電機控制274.1.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計274.1.4伺服系統(tǒng)接口設(shè)計284.2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計28總結(jié)與展望31參考文獻(xiàn)32致謝33III1 緒論1.1 選題的目的與意義冬天，北方的人都是天天盼這下雪，如果整個冬天沒有下幾次大雪，就好像這不是一個完整的冬天。早晨人們一覺醒來，出門看見一片白茫茫的景象，就有種“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”的感覺，這是人間最美不過的畫面了。也是人們期盼已久的時候，人們通常都喜歡出門玩耍，在雪地里滑雪玩耍。然而這種美景，也會給人們帶來很多麻煩。一場大雪過后，路面濕滑，并且摩擦阻力變小，車輛通行時往往會發(fā)生交通事故，行人也是會時?；梗斐缮眢w損傷。然而城市道路的清掃，大多數(shù)是環(huán)衛(wèi)工人和大型除雪機械。他們在雪停后，就全體出動，拿著掃帚趕到公路上開始工作，辛苦一天卻效率不高。因此，雪會堆積在路面，道路越來越難行走，是導(dǎo)致事故頻繁發(fā)生的原因。為了解放勞動力,提高勞動效率,機械化是勞動的必然選擇，因此，為了更加方便快捷的清掃路面積雪，提高工作效率與質(zhì)量，設(shè)計出一種小型路面掃雪機是很有必要的。機器代替體力勞動,不僅效率高,而且能長時間工作，這樣路面清掃速度加快，事故發(fā)生也會必然減少。1.2 目前主要的除雪方法現(xiàn)在的除雪采用的方法主要是：人工的傳統(tǒng)除雪；利用融雪劑來清除路面積雪；利用各類除雪設(shè)備來除雪。人工除雪浪費人力、工作效率很低、作業(yè)成本也高、占用的路面時間很長，而且只能在白天進(jìn)行作業(yè)，這樣就會有很多的安全隱患，更容易發(fā)生交通安全事故，會對來往的車輛和行人帶來不便。融雪劑除雪是依靠熱的作用或化學(xué)藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使積雪慢慢融化的方法。主要用于廣場、停車場、城市大路等，起著除雪和防凍的作用。但是，同時也會對周圍環(huán)境造成一定的危害。并且融雪劑的費用高，容易對道路和城市環(huán)境造成一定污染，對人的身體健康有一定損害。而且，當(dāng)溫度過低時，會失去其原有的作用，同時不利于保護(hù)車輛的輪胎。所以，這種除雪方法的使用范圍有一定的局限性。機械除雪是通過機械設(shè)備直接對雪進(jìn)行鏟除與清掃，主要有犁式掃雪機和螺旋轉(zhuǎn)子掃雪機兩大類?，F(xiàn)今，傳統(tǒng)人工清雪法和融雪劑清雪法已經(jīng)不能滿足生活需要，所以需要性能好、自動化程度高的機械除雪設(shè)備來替代。但現(xiàn)在掃雪機種類并不多，且設(shè)備還不是很完善，存在著很多不足1。1.3 目前掃雪機種類及存在問題目前市場上的掃雪機有很多種，按其工作原理主要分為以下幾種：一種是推移式掃雪機：主要是將推雪鏟刀安裝在大型車輛上，如推土機等等。在經(jīng)過掃雪犁等裝置，將雪推走，對路面進(jìn)行清掃，然后再利用其它車輛將雪拉走。這類形式的掃雪機，清理效率低，容易劃傷地面，且耗費時間。由于借助大型車輛，所以在路面進(jìn)行作業(yè)有一定的局限性其除雪裝置如右圖。第二類是拋雪式掃雪機：拋雪式掃雪機在市面上最為常見，它先利用攪龍先收集積雪，再利用拋雪泵裝置將雪拋出。這種掃雪機清掃效率比較高，速度也很快，是使用最廣泛的一種掃雪機，其除雪裝置如圖1.2。第三類是吹雪式掃雪機：它是利用航空發(fā)動機來產(chǎn)生強大空氣流，氣流由噴口吹出，從而達(dá)到清除地面積雪的目的。但是這種掃雪機運行速度很高，能量消耗大，成本高，只能使用于機場、高速路等寬曠地區(qū)的使用，不適合小型產(chǎn)品的生產(chǎn)。 這幾類大型的除雪設(shè)備，基本都使用于較寬或者空曠的路面，不適合在城市交通道路上作業(yè)，而且這幾種掃雪機都是采用鏟刀或者攪龍裝置，更容易把路面劃傷，并且對于高低不平的地面起不到很好地處理效果。1.4 掃雪機國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀資料顯示國外掃雪機發(fā)展歷史已有很長的時間，尤其是近幾年來，發(fā)展迅速，種類繁多，各生產(chǎn)廠家在不斷地采取新技術(shù)的同時，不斷地更新產(chǎn)品的作業(yè)性能和操作性能，以便適應(yīng)各種掃雪條件的要求。早年的掃雪裝置是利用推土機推行，后來漸漸變?yōu)槔缡綊哐C。1943年的時候，日本就已經(jīng)在卡車上開始裝配V型犁式掃雪器，用來掃出路面積雪。我國在經(jīng)過了很多年的發(fā)展，犁式掃雪機已有有了相當(dāng)高的技術(shù)水平。在除雪機的研究在我國還比較少，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)的實際研究和發(fā)展是在上世紀(jì)80年代后，隨著改革開放的發(fā)展，開始了新的道路，在機動車層出不窮。掃雪機也出現(xiàn)了與時代發(fā)展的需求，主要的研究工作是在東北，下雪的地方在大數(shù)量、高需求。通過深入研究，國內(nèi)多臺機器生產(chǎn)，除雪作業(yè)外，發(fā)揮一定作用，但效率低，成本高，接地能力差。90年代初，中國的沈陽大連高速公路引進(jìn)德國“烏尼莫克道路綜合養(yǎng)護(hù)車、犁式除雪等裝置作為輔助設(shè)備。國內(nèi)的犁式除雪機的研究在近幾年也取得了一定的成績，有了一些成功的產(chǎn)品，如l9280式掃雪機和CL-3.6，CL-3.5型系列掃雪機，分別是由西安公路研究院和吉林交通科學(xué)研究院研究開發(fā)的。還有哈爾濱林業(yè)機械研究所開發(fā)的集成cbx-216制冰機等2。但犁式除雪機對剛下的積雪處理效果好，并不能解決積雪很久的路。旋轉(zhuǎn)式掃雪機的出現(xiàn)，清理道路上的積雪變得簡單。旋轉(zhuǎn)式掃雪機一般具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、功能多樣等的特點。德國和日本是主要生產(chǎn)國，這樣的技術(shù)是成熟的，在世界上處于領(lǐng)先水平的產(chǎn)品性能。在雪地里，掃雪機的車身尺寸和速度是影響交通的重要因素，車身過大，會造成路面占道；低速會影響交通，造成交通堵塞。小型掃雪機適用于企業(yè)單位、城市道路和環(huán)衛(wèi)工人，幾乎不常見，而且發(fā)展緩慢。所以小型掃雪機的設(shè)計對于國內(nèi)機械行業(yè)的發(fā)展起著一定的作用。1.5 課題主要內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)有的除雪設(shè)備本文預(yù)設(shè)計一個適用于較窄的道路，如工廠道路，學(xué)校馬路，或住宅小區(qū)內(nèi)的道路積雪清掃機。該掃雪機的工作原理是掃雪機在工作人 的推行操作下，沿著積雪路面做掃雪作業(yè)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)刷子一次性把雪向前拋到行走的前方，集成一堆后在清掃裝車運走，一次完成清掃任務(wù)。該設(shè)備不用集雪裝置，能實現(xiàn)一次性集雪功能，這設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，提高積雪的清掃效率。在完成預(yù)想設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的設(shè)計方案，并對其主要零件進(jìn)行計算和分析。主要完成的內(nèi)容如下：（1)通過研究國內(nèi)外掃雪裝備的發(fā)展情況，提出本文計劃設(shè)計的一種小型掃雪機設(shè)備的工作原理。 (2)進(jìn)行小型掃雪機方案設(shè)計。（3)各零部件的具體設(shè)計，確定掃雪機的基本尺寸，連接問題。（4）查閱相關(guān)資料，了解掃雪機行走的速度，進(jìn)行動力系統(tǒng)設(shè)計。（5）根據(jù)實際情況確定要使用的控制系統(tǒng)硬件。272 總體方案設(shè)計2.1 雪的物理性質(zhì)由于溫度的改變，下雪時間的長短，雪的密度、硬度均不同，且由于路面有車輛行駛，導(dǎo)致積雪的摩擦系數(shù)發(fā)生改變，所以在設(shè)計掃雪機之前，要先對道路上的積雪進(jìn)行研究了解。經(jīng)過多次調(diào)查取樣，雪的密度在0.2-0.25g/cm3。道路不一樣，雪的性質(zhì)也有所不同，故雪的密度、厚度是設(shè)計計算的重要參數(shù)。2.2 掃雪機總體方案及比較滾刷式除雪機是依靠的是滾刷的高速旋轉(zhuǎn)來對路面積雪進(jìn)行清掃，掃雪刷的材料是由實際工作情況而定。滾刷式掃雪機的滾刷屬于柔性結(jié)構(gòu)，滾動或者旋轉(zhuǎn)作業(yè)時相對其他大型掃雪設(shè)備對路面造成的損害較小，除雪后路面基本不會產(chǎn)生明顯的刮傷痕跡。同時滾刷式掃雪機還具有噪音低、自適應(yīng)性強、清掃干凈等優(yōu)點。滾刷式除雪機作業(yè)范圍相對其他掃雪設(shè)備清雪較廣，清掃道路時可以應(yīng)付各種復(fù)雜路面情況。這些年，為了解決冰雪災(zāi)害對人們生活的不利影響，各研究部門積極對冰雪的處理進(jìn)行研究，滾刷式除雪機頗受人們重視，隨著技術(shù)的不斷更新，冰雪對人們生活的影響逐漸減小。滾刷式掃雪機的機械部分主要分為盤式轉(zhuǎn)掃、碾壓磙以及臥式滾掃三種類型。我分別對三類清雪機械進(jìn)行了分析如下。（1）盤式轉(zhuǎn)掃型掃雪機是指其刷掃裝置的轉(zhuǎn)軸垂直于地面或與地面保持一定傾角(一般在80左右)的清雪裝備。盤刷好像一個盤狀物在向下倒扣，整個形狀呈圓臺狀。盤刷多安置于掃雪機的兩邊，這樣不僅僅可以更大范圍的攏掃積雪，同時還可以避免在轉(zhuǎn)彎角度過大時工作的主機車輪和路巖掛碰。為防止刷盤與車輛、行人或路旁障礙物碰撞，側(cè)刷上一般都要安裝避障裝置。依據(jù)以往作業(yè)效果，設(shè)置轉(zhuǎn)軸與地面的傾斜夾角可以有效的將積雪向一個位置聚集，不發(fā)生到處飛濺的情況，對清掃質(zhì)量有明顯的提升。（2）碾壓磙結(jié)構(gòu)是一種對硬化積雪清除的裝置，專門為清除壓實的積雪而設(shè)計的。這種除雪裝置適合對堅硬的冰雪進(jìn)行清除，在設(shè)計壓磙式除雪裝置時應(yīng)該要充分的考慮對路面的保護(hù)問題，保證路面不被破壞。這種結(jié)構(gòu)是在圓筒形的滾筒上安裝上刀片或齒刀，構(gòu)成碾壓磙。根據(jù)壓磙磙刀的安裝角度，分為斜刃式壓磙和直刃式壓磙。相關(guān)文獻(xiàn)表明，斜刃式壓磙的銑削效果及其對路面的保護(hù)性明顯優(yōu)于直刃式壓磙。（3）臥式滾掃型掃雪機是將滾刷直接與地面相接觸，滾刷軸與地面平行，即與掃雪機的行駛面平行，在動力裝置的驅(qū)動作用下滾刷高速旋轉(zhuǎn)，對路面進(jìn)行掃除。直列排布滾掃式掃雪機是指滾筒上各排刷毛均沿滾筒軸線方向平行排布，滾刷刷毛密集，清掃路面時不會有漏掃的地方，目前國內(nèi)多數(shù)滾掃型掃雪機的掃雪滾均采用這種排布形式3。發(fā)動機發(fā)動后發(fā)動機輸出的運動經(jīng)過減速箱降低轉(zhuǎn)速增加扭矩后通過鏈輪，鏈條輸出運動，驅(qū)動行走輪向前行走。在通過掃雪電機輸出運動經(jīng)過皮帶輪降低轉(zhuǎn)速后驅(qū)動掃雪刷旋轉(zhuǎn)，清掃路面積雪。清雪效果好，而且結(jié)構(gòu)簡單，運動方式多樣，制造方便，傳動效果和使用維護(hù)方便。同時，因為使用的是直流伺服電機，所以使用時沒有噪聲污染，減少了對居民的騷擾。與此同時，使用電機也符合了國家的關(guān)于使用清潔能源戰(zhàn)略的政策。綜上，我們選擇第三個方案。除雪裝置的設(shè)置依據(jù)動力來源可以分以下幾種類型：（1）獨立動力型用分離的發(fā)動機作為除雪單元的動力源,發(fā)動機和除雪機構(gòu)組成一個整體。本實用新型的優(yōu)點是主機可以完成一臺機器的使用。（2）獨立動力分置型有單獨的發(fā)動機作為除雪裝置的主要驅(qū)動力，但發(fā)動機和除雪裝置可以單獨放置在主機的適當(dāng)位置。（3）共用動力型即由主機發(fā)動機采用液壓等方式將主機動力分配使用，在保證正常行駛的同時，為除雪工作裝置提供動力。一般發(fā)達(dá)國家的專業(yè)掃雪機通常是共用動力型的，其優(yōu)勢在于可以根據(jù)負(fù)載情況將通用主要動力流分配的更合理，既能提高功效又能節(jié)省能源。考慮到本次的掃雪機方案設(shè)計，會有控制掃雪機的速度設(shè)計，按照不同程度的降雪，會有相應(yīng)的兩檔速度調(diào)節(jié)。所以，我們選擇了方案（2）獨立動力分置型。2.3 工作原理概述2.3.1 基本結(jié)構(gòu)小型掃雪機一般由機架、原動機、傳動裝置、工作裝置、行走裝置組成?？紤]到設(shè)計需要，本設(shè)計中原動機選取的是電動機。傳動方案采用了皮帶傳動，蝸桿傳動,鏈傳動。行走裝置用于實現(xiàn)機械的行走。它有兩種手推和自走式。本次設(shè)計中采用的是手推式。掃雪工作裝置采用的是滾刷式滾筒掃雪機構(gòu)。滾刷主要由滾筒，方頭刷，動力軸（掃雪輥），軸承等組成。其通過可拆卸固定鏈接方式安裝于掃雪機的前端。方頭刷的刷絲為尼龍絲或鋼絲（本次設(shè)計選用鋼絲與尼龍絲混用的方式）。滾筒固定在滾刷的上方，用于防止殘雪飛濺4。2.3.2 工作原理操作時,直流伺服電機通過傳動箱驅(qū)動輸出功率,鏈接主動鏈輪,這樣,鏈輪帶動鏈條傳動,實現(xiàn)行走輪的向前運動。2.4 方案的實施由于除雪機主要用于校園、人行道、單位、工廠和居民區(qū),所以機器體積不算太大。我們使用的電機按電源的分類:可分為直流電機和交流電機,其中交流電機又分為單相電機和三相電動機。這種掃雪機需要靈活的運動,工作適應(yīng)度高,用于戶外的積雪清掃工作。所以一般采用蓄電池供電,因此多采用直流電動機。 直流伺服電機主要有以下幾個特點: (1)機械特性在當(dāng)輸入電樞電壓UA保持不變時,電機轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩m變化,這稱為直流電機的機械特性。 (2)監(jiān)管特點當(dāng)直流電機處于一定的電磁轉(zhuǎn)矩M(或負(fù)載轉(zhuǎn)矩)時,電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速N隨電樞電壓控制電壓的變化而變化,這稱為直流電機的調(diào)節(jié)特性。（3)動態(tài)特性從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài),存在一個過渡過程,這就是直流電機的動態(tài)特性。本次設(shè)計的是手推式掃雪機，機架上有扶手，支撐電動機，變速箱，主動鏈輪，帶輪等裝置。扶手的基本作用是手推，其上按裝有起停，調(diào)速，掃雪工作開關(guān)。起停開關(guān)的作用是用于控制電源。調(diào)速開關(guān)則是用于選擇掃雪機的速度，其中速度主要為兩個檔，一檔V1=1m/s，二檔V2=0.5m/s。掃雪開關(guān)的作用是控制掃雪直流伺服電機的起停，從而控制滾刷的轉(zhuǎn)動。帶傳動依照傳遞方式分為摩擦傳動和齒輪傳動兩類。摩擦傳動帶包含平帶，V 帶，多楔帶，同步帶。在這里咱們選用的是同步帶，與發(fā)動機輸出軸相連；帶傳動的傳動比是3。變速箱用的是蝸輪蝸桿傳動，它的傳動比是32。電動機的輸出軸通過聯(lián)軸器與變速箱相連。行走輪子主要是用于支撐和行走，于機架的兩側(cè)呈對稱分布。掃雪裝置包括原動機，帶輪，皮帶，滾刷，滾筒，掃雪輥。圖2-3是掃雪機簡單三維結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2-3 掃雪機簡單三維結(jié)構(gòu)示意圖1.變速箱 2.聯(lián)軸器 3.行走驅(qū)動電機 4.動力軸 5.支架 6.滾筒 7.滾刷 8.大帶輪 9.皮帶 10.行走輪 11.鏈條 12.掃雪電動機 13.小帶輪 14.鏈輪3 掃雪機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 動力裝置的選擇掃雪機在路面運動時需要克服來自地面的滾動摩擦力Ff，空氣阻力Fw，加速行駛時的加速阻力Fj。因此小車行駛時的總阻力為F=Ff+Fw+Fj (3-1) Ff=mg （3-2） 小型掃雪機在戶外路面行走工作，易受到環(huán)境，雪量大小，路面狀況的影響。設(shè)計中，掃雪機的自重約為：100Kg，橡膠輪與地面的摩擦系數(shù)：f=0.1，輪半徑：R=150mm。代入公式中Ff=98N設(shè)計中，小車的最高速度為 V=1m/s。所以空氣阻力暫不考慮。小車加速運動時需要克服質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，設(shè)定小車經(jīng)過位移 S=1m時，Vt=1m/s，則小車的加速度為a=Vt2-V022S=0.5m/S2 (3-3)加速阻力 Fj=ma=50N總阻力 F根據(jù)公式得F=148N本次設(shè)計中的小車采用一個電動機驅(qū)動，車輪的半徑 R=0.15m。所以總車的驅(qū)動力矩：M=22Nm因此鏈接輸出軸的輸出扭矩 T22Nm。根據(jù)上述的條件，驅(qū)動電機采用淄博博山樸林電機廠生產(chǎn)的180ws250-150無刷直流電動機。表3-1 電動機參數(shù)額定功率額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩極數(shù)2.5kW48V62A1500r/min22Nm8小車行駛的最高速度 Vmax=1m/s，車輪半徑 R=150mm，輸出軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)為：nw=Vtd=96r/min (3-4)電機的額定轉(zhuǎn)速 n=1500r/min。所以減速比為：i=nnw=16 (3-5)小車行駛的最低速度 Vmin=0.5m/s,輸出軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為nmin=48r/min則最大減速比 i=32。3.2 傳動裝置的設(shè)計計算3.2.1 減速器的設(shè)計計算在很多情況下，這類掃雪裝置的速率按照工作過程當(dāng)中的不同請求隨時可以轉(zhuǎn)變。變速器平常很少作為零單獨的傳動裝置，它是一臺機械全部傳動系統(tǒng)的一部分，所以通常被稱為變速制造。根據(jù)最大傳動比32，本次設(shè)計中選擇的是蝸輪蝸桿減速器。相比于其他傳動機構(gòu)，蝸輪蝸桿有以下幾個優(yōu)勢：（1）傳動比大，一般傳動比 i=5-80。（2）沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)。（3）具有自鎖性。設(shè)計總傳動比 i32，i=i蝸i齒=32。 (3-6)分配傳動比 i蝸=16，i齒=2。各軸的參數(shù)計算:將傳動裝置各軸從高速到低速一次定義為1軸，2軸。各軸的轉(zhuǎn)速：n=1500r/min,n1=93.75r/min,n2=46.875r/min蝸輪蝸桿的選擇：功率P=2.5Kw。根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿Z1，材料一般選用：蝸桿為45號鋼，齒面要求淬火，硬度為4555HBS。蝸輪采用ZCuSn10P1，金屬模制造。按Z1=2計算，估取效率=0.8。則作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2T2=9.55106Pn=4.07105Nmm (3-7)確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取K=1，使用系數(shù)KA=1.05，動載系數(shù)KV=1.05,則K=KAKKV=1.01 (3-8)確定彈性影響系數(shù)ZE因選用的ZCuSn10P1蝸輪與蝸桿相配合，故取ZE=160MPaPa12確定蝸輪齒數(shù)Z2Z2=Z1i=64 (3-9)確定許用接觸應(yīng)力【H】根據(jù)蝸輪的材料、金屬模制造、蝸桿螺旋齒面硬度45HRC.確定蝸輪的基本許用應(yīng)力為268MPa。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=60j=3.375107 (3-10)式中 j為電機是否單雙向轉(zhuǎn)動(單向為1，雙位2)；為渦桿的傳動比；為工作的總時間。壽命系數(shù)： KHN= (3-11) =81073.375107=0.8521 則許用接觸應(yīng)力 【H】=KHN【H】 (3-12)=228.3628MPa則m2d1KT2（480Z2【H】）2 (3-13)532.850式中 m2d1為渦輪齒面接觸疲勞強度； K為載荷系數(shù)。因=2，故從機械原理表10-9（如圖3-1）中，取模數(shù)m=4。蝸桿的分度圓直徑d1=40mm。蝸輪蝸桿的主要參數(shù)與幾何設(shè)計中心距 a=148mm圖 3-1蝸桿表3-2 蝸桿參數(shù)軸向齒距直徑系數(shù)齒頂圓直徑齒根圓直徑分度圓導(dǎo)程角蝸桿軸向齒厚蝸桿法向齒厚12.566mm1048mm30.41118366.2832mm12.5mm蝸輪表3-3 蝸輪參數(shù)蝸輪分度圓直徑蝸輪喉圓直徑蝸輪齒根圓直徑蝸輪咽喉母圓半徑254mm262mm244.4mm19mm校核齒根彎曲疲勞強度 F=1.53KT2d1d2mYFa2=F （3-14）式中 YFa2-為齒形系數(shù)； K-為載荷系數(shù)；當(dāng)量齒數(shù) Zv2=Z2cosr3=67.872 (3-15)根據(jù) Zv2，從文獻(xiàn)11圖11-17（如圖3-2）中查齒形系數(shù) YFa2=2.28圖 3-2螺旋角系數(shù) Y=1-r140=0.9192 (3-16)許用彎曲應(yīng)力 【F】=【F】KFN (3-17)蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力【F】=56MPa壽命系數(shù) KFN=0.6814【F】=38.1584F=32.4338彎曲強度滿足驗算效率=（0.950.96）tanrtan（r+） (3-18)已知r=111836，=tan-1fv;fv與相對滑動速度Vs有關(guān)， Vs=d1n160*1000cos=3.204m/s （3-19）從文獻(xiàn)中，表11-18（如圖3-3），用插值法查得fv=0.0272。=1.332代入公式中得0.81大于估計值，因此不用重算。圖3-3進(jìn)度等級和表面粗糙度的確定：從GB/T10089-1988圓柱蝸桿蝸輪精度造8級精度。側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f，GB/T10089-1988，查有關(guān)手冊得公差項目及表面粗糙度。 3.2.2鏈輪的設(shè)計計算鏈傳動由鏈條和鏈輪（大，小鏈輪）組成，動力經(jīng)過進(jìn)程鏈條鏈節(jié)和鏈輪的輪齒之間的嚙合來傳輸。機械制造中鏈傳動有著普遍的利用。鏈傳動與摩擦型的帶傳動對比，鏈傳動是集體打滑和無彈性滑動現(xiàn)象，因而能保持精確的平均傳動比，傳動效率高；由于鏈條不需要像帶那樣緊，鏈條作用軸上的徑向壓力小；制造鏈條采取的是金屬材料，平常在不異的利用條件下， 鏈傳動的整體的尺寸比較小，布局有點緊湊；同時，鏈傳動可以在溫度高的情況下和潮濕的情況下工作。選擇鏈的齒數(shù)取小鏈輪的齒數(shù)為Z1=17，傳動比為i=1，則大鏈輪的齒數(shù)Z2=17。確定計算功率 從機械設(shè)計（第九版）表9-6（如圖3-4）查得: KA=1.0,由該書的圖9-13（如圖3-5）查得：KZ=1.55，圖3-4 圖3-5則當(dāng)量的單排鏈計算功率 ： Pca= KAKZKPP=3.875Kw (3-20)式中：為工況系數(shù)；為主動連輪齒數(shù)系數(shù)；為多排鏈系數(shù)。選擇鏈條的型號和節(jié)矩根據(jù)Pca=3.875Kw，nA=96r/min.從機械設(shè)計圖9-11（如圖3-6），選取節(jié)矩P=19.05mm，滾子直徑d=11.91mm，內(nèi)鏈接內(nèi)寬b=12.57mm，銷軸直徑d2=5.96mm的12A型。圖3-6計算中心距初選中心距 a0=(3050)Pa0=571.05952.5取a0=600mm，計算鏈節(jié)數(shù) Lp0=2a0P+Z1+Z22+(Z2-Z12) (Z2-Z12)pa0=80 (3-21)鏈節(jié)數(shù)取80因為傳動比為1，鏈輪齒數(shù)相同，所以計算鏈傳動的最大中間距為amax=PLp-Z2=600.075mm (3-22)取中間距為600mm計算鏈速VV=n1Z1P601000=0.51816 (3-23)計算壓軸力Fp有效的圓周力： Fe=1000pv=4824.76N (3-24)鏈輪壓軸力系數(shù)KFP=1.15Fp=KFPFe=5548.474N (3-25)選擇潤滑方式按照鏈速為0.51816m/s，鏈節(jié)距19.05mm，選擇定期人工潤滑的方式。 3.2.3 動力軸的設(shè)計計算動力軸是連接減速箱與車輪之間扭矩的轉(zhuǎn)動裝置。本次設(shè)計中的傳動軸主要是承受較大的扭矩和承受較小的彎矩。按扭轉(zhuǎn)強度計算t=TWT9550000Pn0.2d3t (3-26)得dA03Pn (3-27)其中：P為傳遞的功率； d為軸的直徑； N為軸的轉(zhuǎn)速； t 為材料的許用剪應(yīng)力；中間軸材料采用45號鋼，調(diào)值，硬度為217-255HBS。經(jīng)過減速器完成變速后，P=2.024Kw,n=48r/min。取A0=105，則 dA03Pn=36.5525mm (3-28)考慮到有鍵槽，軸徑增大5%，d=36.5525（1+5%）=38.380140mm因此選dmin=40mm圖3-7 軸的載荷分布圖由第三強度理論：ca=M2+(T)2W-1 (3-29)查表可知45號鋼的-1=60MPa，軸的截面存在鍵，因此W=d332-bt(d-t)22d (3-30)取0.6，則ca=35.23MPa許用彎曲應(yīng)力ca-1，所以軸安全。 軸的剛度校核軸上存在鏈輪，兩端存在鍵，因此視為階梯軸。加工計算中對計算精度要求不高，所以將其作為當(dāng)量直徑為dv的光軸。按材料力學(xué)中的公式計算：dv=4Li=1Zlidi4 (3-31)設(shè)計中，載荷作用于軸的兩端，L=l+k。軸的彎曲剛度條件 撓度 yy偏轉(zhuǎn)角 軸的扭轉(zhuǎn)剛度計算扭轉(zhuǎn)角表示軸的扭轉(zhuǎn)變形階梯軸 =5.371041LGi=1ZliTI (3-32)扭轉(zhuǎn)剛度條件 的取值0.51，計算=0.93241。因此，軸的設(shè)計合格。3.3 掃雪機構(gòu)的設(shè)計計算3.3.1 工作電機的設(shè)計計算 原動機2主要是用于為滾刷提供動力，是作為工作電動機使用的。在滾刷工作過程中，滾刷所消耗的功率主要包括：克服路面摩擦所消耗的功率，掃雪功率，克服空氣阻力的功率等。（本次設(shè)計忽略空氣阻力） 本次設(shè)計以每小時掃雪面積900m2,雪的平均密度0.25g/m3,積累的厚度為10cm。 則每小時完成掃雪量：22.5Kg，向前推進(jìn)3600m，則所消耗的功率P1=mght=225W (3-33)滾筒克服阻力矩 M=1.6Nm，轉(zhuǎn)速以n=150r/min,那么刷子消耗的功率P2=M2n=2.0724Kw (3-34)則執(zhí)行部分所消耗的功率P總=P1+P2=2.2974Kw (3-35)選用直流伺服電動機，控制轉(zhuǎn)速在150r/min。選用的電機與原動機1是一樣的型號：180WS250-150 3.3.2 掃雪輥的設(shè)計計算掃雪輥主要是支撐滾刷，帶動滾刷的轉(zhuǎn)動，通過鍵與大帶輪相相連接。它的設(shè)計計算與動力軸的設(shè)計計算相同，在校核時，應(yīng)為只有一端存在扭矩，所以校核不同。計算公式：按扭轉(zhuǎn)強度計算t=TWT9550000Pn0.2d3t （3-36）得dA03Pn (3-37)采用45號鋼，調(diào)值，硬度為217-255HBS經(jīng)過帶輪傳動后，它的功率P=2.1972Kw，轉(zhuǎn)速n=150r/min。取A0=110dA03Pn26.5837有鍵槽，軸徑增大5%，所以d取28mm。軸的校核圖3-8 掃雪輥的載荷分布圖由第三強度理論：ca=M2+(T)2W-1 (3-38)查表可知45號鋼的-1=60MPa，軸的截面存在鍵，因此W=d332-bt(d-t)22d (3-39)取0.6，則ca=26.53MPa許用彎曲應(yīng)力ca-1，所以軸安全。軸不涉及到彎曲強度的校核。軸的扭轉(zhuǎn)剛度計算扭轉(zhuǎn)角表示軸的扭轉(zhuǎn)變形階梯軸 =5.371041LGi=1ZliTI (3-40)扭轉(zhuǎn)剛度條件 的取值0.51，計算=0.93241。因此，軸的設(shè)計合格。3.3.3 同步帶傳動的設(shè)計計算1、確定計算功率電動機每天約使用8-10小時左右，查表3-4得到工作情況系數(shù)=1.4。則計算功率為:Pca=KAP=1.42.2974=3.2164Kw （3-41）2、小帶輪轉(zhuǎn)速計算初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑 dd1=224mm驗算帶速:V=dd1n6010005.2752m/s (3-42)由于5m/sV30m/s,故帶速合適。3、選定同步帶帶型和節(jié)距由同步帶選型圖3-9可以看出，由于在這次設(shè)計中功率轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號可以任意選取，現(xiàn)在選取H型帶，節(jié)距表3-4 工作情況系數(shù)圖3-9 同步帶選型圖4、選取主動輪齒數(shù)查表3-5知道小帶輪最小齒數(shù)為14，現(xiàn)在選取小帶輪齒數(shù)為41。小帶輪節(jié)圓直徑確定=（3-43）表3-5 小帶輪最小齒數(shù)表5、大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定由于系統(tǒng)傳動比為，所以大帶輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。齒數(shù)，節(jié)距6、帶速v的確定 （3-44）7、初定軸間間距根據(jù)公式 （3-45）得現(xiàn)在選取軸間間距為600mm。8、同步帶帶長及其齒數(shù)確定=()（3-46）=1720.67mm9、帶輪嚙合齒數(shù)計算有在本次設(shè)計中傳動比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=20。10、基本額定功率的計算（3-47）查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表3-6可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為=0.21KW （3-48）表3-6 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量11、計算作用在軸上力=71.6N（3-49）3.3.4 同步帶的主要參數(shù)1、同步帶的節(jié)線長度在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對梯形齒同步帶的各種哨線長度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長度應(yīng)在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見表3-7）。表3-7 帶節(jié)線長度表2、帶的節(jié)距Pb如圖3-10所示,對沿節(jié)線同步帶相鄰兩齒測量的長度稱為同步帶的節(jié)距。節(jié)距大小決定皮帶的尺寸和皮帶的每一部分。間距越大,皮帶的每個部分的尺寸越大,承載能力越高。因此,皮帶距是同步帶最重要的參數(shù)。梯形齒同步帶齒尺寸見表3-8。3、帶的齒根寬度一個帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強，相應(yīng)就能傳送較大的裁荷。圖3-10 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸表3-8 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸3.3.5同步帶的設(shè)計在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表3-9。帶的圖形如圖3-11。表3-9 同步帶尺寸型號節(jié)距齒形角齒根厚齒高齒根圓角半徑齒頂圓半徑H12.740。6.124.31.021.02圖3-11 同步帶 同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖3-12 圖3-12 同步帶輪結(jié)構(gòu)4 掃雪機的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)的選擇及整體設(shè)計4.1.1 控制器常用的工業(yè)控制系統(tǒng)中的主機芯片大多是PLC或者單片機，對于許多的控制要求和任務(wù)無論采用單片機方案還是PLC方案都能夠完成。本次設(shè)計中，由于程序簡單，需要處理的信息少。而由于PLC大多用于工業(yè)生成，它的穩(wěn)定性和抗干擾性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于民用級的單片機芯片，也正是因為這些功能和有點，所以價格昂貴。這樣顯然會增加控制系統(tǒng)的成本，所以在本次設(shè)計中運用到了單片機。單片機有許多顯著的優(yōu)點，如以下幾個方面： 1、具有優(yōu)異的性能價格比單片機的高性能、低價格是它最顯著的一個特點。單片機盡可能把應(yīng)用所需的存儲器、各種功能的陽口都集成在一塊芯片內(nèi),使之成為名副其實的單片機。2、集成度高、體積小、可靠性好單片機內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu),減少了各芯片之間的連線,大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。 3、控制功能強單片機體積雖小,但“五臟俱全”,它非常適用于專門的控制用途。一般單片機的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、口的邏輯操作以及位處理功能,單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微型機算計。 4、低電壓、低功耗許多單片機可在低電壓下工作,功耗非常低。圖4-1 H型式PWM晶體管功率放大器圖4-2 PWM占空比為0圖4-3 PWM占空比為50%4.1.2伺服電機控制設(shè)計中直流伺服電機轉(zhuǎn)速控制采用PWM控制系統(tǒng)。圖4-1是PWM工作原理圖。PWM主要是控制脈沖寬度，來控制輸出電壓。當(dāng)脈沖寬度不變時，輸出的是額定電壓。如圖4-2所示。當(dāng)脈沖變化相同時，占空比為50%.如圖4-3所示。4.1.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計1、CPU與存儲器的接口電設(shè)計圖4-4 CPU接口電路圖圖4-4表示的是CPU與譯碼器、存儲器的接口電路圖。整體設(shè)計中，接線圖是主要的設(shè)計之一。從圖中可以看到，單片機接的是譯碼器，隨機存儲器和只讀存儲器。通過計算機寫完程序輸入到W27C512中存儲，控制開關(guān)打開后，單片機開始讀程序，輸出控制信號。4.1.4伺服系統(tǒng)接口設(shè)計圖4-5 電機接口圖電機與控制系統(tǒng)的接線圖。線路中有開關(guān)控制按鈕，發(fā)光二極管顯示哪個開關(guān)按下，行走電動機和工作電動機與控制電機轉(zhuǎn)速的PWM功率放大器相連，在于光電耦合器連接。整體與拓展接口8155相連。形成閉合控制系統(tǒng)。4.2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(1) 主機芯片：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。圖4-6 AT89S52外觀圖標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。（2）程序存儲器:W27C512是Winbond出的高速低功耗EEPROM，容量為512Kbits，也就是64KB*8bits/B。（3）數(shù)據(jù)存儲器:6264的容量為8KB，是28引腳雙列直插式芯片，采用CMOS工藝制造。6264的操作方式是由CE和CS共同決定的。a:寫入的時候CE 為低電平，且CS為高電平時，數(shù)據(jù)輸入緩沖器打開，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線D7D0寫入被選中的存儲單。b:讀出的時候CE 為低電平，且CS為高電平時，數(shù)據(jù)輸出緩沖器選通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線D7D0上。c:保持的時候CE 為高電平，CS任意時，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，圖4-7 6264接口圖 數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。(4) 譯碼器：74LS138是當(dāng)一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（(/E2)和(/E3)）為低電平時，可將地址端（A0、A1、A2）的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時，則Y6輸出端輸出低電平信號。(5) 拓展接口：8155是2048位靜態(tài)內(nèi)存與I/O端口和定時器，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，8155是按外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的，為16位地址，其高8位由片選線提供，CE=0，選中該片。當(dāng) CE=0，IO/M =0時，選中8155片內(nèi)RAM，這時8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位編址為00HFFH；當(dāng) CE=0，IO/M =1時，選中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7AD0確定。這時，A、B、C口的口地址低8位分別為01H、02H、03H（設(shè)地址無關(guān)位為0）。(6) 光電耦合器：光電耦合器是把發(fā)光二極管和光敏晶體管或光敏晶閘管封裝在一起，通過光信號，突現(xiàn)電信號傳遞的器件。由于光電耦合器之間沒有直接俄的電氣連接，電信號是通過光信號傳遞的，所以又稱光電隔離器。TLP521是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器，影印機，自動售票，家用電器，如風(fēng)扇，加熱器等電路之間的信號傳輸，使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計。圖4-8是TLP521內(nèi)部原理圖圖4-8 TLP521內(nèi)部原理圖32總結(jié)與展望本次設(shè)計在查閱了相關(guān)文獻(xiàn)和了解相關(guān)機械設(shè)備的發(fā)展，結(jié)合我國部分地區(qū)積雪的各種性質(zhì)和道路條件，設(shè)計的電動掃雪機。除雪作業(yè)時，能夠結(jié)合當(dāng)前的工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)速。工作完成后，可以將前端滾刷部抬起，減少毛刷的變形量。主要設(shè)計內(nèi)容是根據(jù)目前已存在的滾刷式掃雪機，提出了本文的電動掃雪機的機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計方案。根據(jù)實際工作環(huán)境的需要，采用直流無刷伺服電機作為驅(qū)動動力?；谠O(shè)計方案與掃雪所需要的各項參數(shù)，選擇電動機的型號。結(jié)合設(shè)計方案與實際情況，采用單片機作為本次設(shè)計控制系統(tǒng)的控制器。隨著掃雪機器技術(shù)的不斷發(fā)展，從效能、多功能化、使用壽命等方面掃雪機器還有很大改善。由于時間和資料的關(guān)系，還有很多問題需要進(jìn)一步解決：在雪物理機械性能參數(shù)都是參考文獻(xiàn)中得到的，我們還沒有實際的實驗器材所以無法進(jìn)行實際試驗。對整體外觀及相關(guān)布局、零部件需要進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。參考文獻(xiàn)1 杜鳴青.小型螺桿式清雪車研究D.南京：南京理工大學(xué).20042 阿依提拉.伊力哈木.掃雪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與動力穩(wěn)定性分析D.：大學(xué).20143 楊陽.除雪機組合除雪裝置的設(shè)計D.黑龍江：東北石油大學(xué).20124 王濤.國內(nèi)外路面養(yǎng)護(hù)機械的技術(shù)水平及發(fā)展趨勢J.建筑機械技術(shù)與管理.19975 CUI xinjiang.Application of Throw Fly-Typen Snow RemoverJ.ProductTechnology,20076 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