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1、题 目: 小型清雪车的优化设计 课 程: 机械优化设计 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 机制106班 姓 名: 赵强 学 号: 103731627 指导教师: 张学军 2013年12月15号中文摘要本文在分析了目前国内外的主要除雪方法的基础上，提出一种适合中国国情的小型机械旋转式清雪车的设计方案，并对其进行了理论分析和实用结构设计分析，同时用Solid Edge软件绘制了三维实体造型效果图和二维工程图，为国内生产该种清雪车提供了完整技术资料。本文首先对道路上的压实积雪的物理机械性能进行分析研究，并查阅参考了目前的国内外有关该设备的大量资料，在已有成果的基础上，进行设计计算和机构创新
2、，这些资料为本文设计计算提供了重要的理论依据。在分析大型旋转式除雪机结构和设计理论的基础上，针对国内单位清雪分块承担的特点，本文对小型螺旋旋转式清雪车进行了深入分析，并进行了完善，设计了此种清雪设备。通过对已有小型清雪设备的分析研究，表明现有设备能实现基本的集雪、运雪和抛雪功能。但尚存在操作不方便，清雪效率不高等缺点。根据已有的理论研究基础，针对目前已有机械的不足，本文设计了带有抛雪叶轮、加有内置蜗杆传动和螺旋状集雪搅龙装置的清雪车，确定了其主要参数，传动方案和结构形式。设计时充分考虑了各种因素，对其中的关键部件抛雪轮进行了有限元分析，并应用人机工程学原理，可对扶手高度进行调节，使操作更加舒适
3、方便。提出了一整套实用结构，使得该机型大小适中，操作方便，外表美观。本文在设计和绘图中，采用先进的工程软件Solid Edge进行三维实体造型设计、二维工程图的绘制和有限元分析，为国内生产该种清雪车提供了一整套技术资料。关键词： 小型清雪车 三维造型及工程图 有限元分析 人机工程第一章 绪论1.1 选题的意义中国有句古话叫做“瑞雪兆丰年”，冬季一场大雪能带来明年的好收成。但是积雪给城市交通带来巨大的麻烦，尤其是在我国的东北，内蒙古和新疆一带冬季道路积雪给车辆和行人带来极大不便，甚至造成车祸，严重地影响了人们正常的生产和生活秩序，这已成为北方各个城市急需解决的问题。目前我国清雪方法比较原始，主要
4、是依靠人力，用铁锹和扫把清理积雪，这种方式不但浪费了较大的人力和物力，而且清雪的效率低，往往不能及时清除积雪，而积雪被车辆压实后更加难以清除。因此，寻找一种既有较高效率，成本又比较低的清雪方法就成为当务之急。目前，各国普遍采用的除雪方法是机械除雪法和融雪法两种基本方法。机械除雪法是通过机械对冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一种方法。积雪按状态可分成三种类型：(1)松散雪，即降雪不久且未经人员和车辆碾压的雪，质地松散；，体积大，流动性好；(2)压实雪，即降雪后经人踩和车压而形成的冰雪混合物，有不同程度的硬层，不易清除；(3)冰层，是积雪因阳光暴晒或车辆碾压融化成水后又冻结成冰，冰层中除水分外还有大
5、量尘土和泥沙，质地坚硬，和地面粘接牢固3。所以除雪机械包括除雪机和除冰机两种。根据工作原理的不同，除雪机可分为推移式、抛雪式和吹雪式三种。推移式除雪机是将推雪铲刀，除雪犁等装置安装在推土机或其它车辆上，将雪推走，开出通道，然后用卡车将积雪运走。这种方法只能将积雪推到路边，不具备集雪能力，且只适用于新鲜雪或破碎后的压实雪，效率较低，容易划伤地面。抛雪式除雪机配有抛雪泵，将收集到的积雪抛到路边或送入运输车辆。其中以螺旋式最为常见。吹雪式除雪机一般配备航空发动机，产生强大的高压空气流由喷口吹除地面积雪。吹雪式除雪机运行速度较高，有很高的生产率，但它只适用于新鲜雪，只能在机场、桥梁和高速路上应用，成本
6、很高，不适合开发小型产品 4。由以上两种主要除雪方法的对比与分析，我们得出结论，除雪应以机械除雪为主。1.2 国内外研究现状及发展趋势利用机械清雪是把人从繁重的扫雪工作中解放出来的一种最好的途径，并大大提高了清雪效率和速度。因此，科学工作者一直在探索如何研制出安全、可靠和实用的清雪机械。在国外，最初的清雪机械是采用推土机或装载机，利用其推土板和装载斗将积雪集中在一起，这后来发展成犁式除雪机。早在1943年日本就开始把V型犁装在载重卡车上用于除雪，经过多年的发展，国外犁式除雪机已具有较高的技术水平。犁式除雪机出现以后，又出现了将用合成材料制成的指向圆周不同方向排列的棒装在滚筒上作为清雪专用器械，
7、但只对没冻的积雪效果好，直到后来出现了连续快速的大型旋转式清雪机后，清理积雪的工作才变得简单。旋转式除雪机一般具有切削、集中、推移和抛投的功能，具有结构复杂、功能多的特点。俄罗斯和日本是生产旋转式除雪机的主要国家，技术成熟。其产品性能居世界领先水平。除雪机在国外已经发展了几十年，特别是在瑞典、芬兰等北欧国家已经相当成熟。根据我国国情，国内应加强雪的力学性质研究，建立道路气象系统，除雪机械应向小型化、高速度的方向发展，向多功能、机电液一体化的方向发展，同时注意提高安全性和舒适性5。简言之，与其它类型的除雪机械相比，抛雪式除雪机一般具有对积雪的切削、集中、推移和抛投功能，其应用较广，是一种现代化、
8、高效率的除雪机械。国内有关这方面的研究很少，据了解目前国内没有厂家在生产小型抛投式清雪机。所以对这种小型的清雪机的研究、设计和开发必然有很大的现实意义。1.3 本文主要任务根据目前已有的小型清雪设备设计一种新型适用于学校、社区、工厂的小型清雪装置，能实现集雪、运雪抛雪功能。要进行合理的方案论证和结构设计，对主要零件进行设计，并进行校核。对整机应用Solid Edge软件进行三维建模和二维工程的绘制。设计完成应包含以下工作：(1)根据国内外资料进行方案设计，进行比较优化，从中选出最优方案。(2)具体进行各个工作部分的设计，确定基本尺寸，安装方式，应用Solid Edge建模。(3)应用人机工程学
9、原理进行优化设计，对主要部件进行有限元分析。第二章 小型清雪车的总体方案研究比较2.1总体方案的几种组合及比较方案一：利用吹风的方式，从鼓风机里吹出的高速气流将积雪吹到路边，吹雪式清雪车运行速度较高，有很高的生产率，但它只适用于新鲜雪，对于压实的积雪或冰层无能为力，只能在机场、桥梁和高速路上应用，成本很高，不适合开发小型产品。方案二：利用一个置于清雪车前部的铲子，随着清雪车的不断前进，将积雪推至路的一边。推移式清雪车只能将积雪推到路边，不具备集雪能力，且只适用于新鲜雪或破碎后的压实雪，效率较低，容易划伤地面。方案三：利用机械传动的方式，由集雪器先将积雪搅碎，并输送至一个高速旋转的叶轮，将其抛到
10、路边。螺旋转子式清雪车适用范围广，无论是松散雪、压实雪清雪效果和效率要比前两方案好，而且这种方案设计，设计出的产品体积小、成本低、操作方便灵活，适用于道路窄的地方。因此选用第三种方案。2.2 小型清雪车工作原理简述2.2.1基本结构目前小型机械式清雪车主要由原动机、传动装置、集雪装置、抛雪装置、行走系统和操作系统组成。原动机可以采用电机或发动机，目前大多采用汽油机或柴油机；集雪装置用来收集积雪，主要采用推雪铲或螺旋状搅龙；抛雪装置是将收集的积雪抛到路的一侧或收集装置中。主要的方式有抛雪叶轮和鼓风机两种；行走装置是来实现机器的前进，有手推式和自走式两种；操作装置主要控制设备的运转和行进方向。 2
11、.2.2工作原理工作时由原动机提供动力，经由蜗轮蜗杆传动或带传动将动力传递到工作部分和行走系统。积雪由集雪装置收集到一个腔体内，再由抛雪装置清除出机体，抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出；鼓风机利用气流将积雪吹出。这样在人力推动(手推式)或原动机带动(自走式)下，清雪车不断前进，就能实现连续的清除积雪。小型机械式清雪车结构示意图如下：原动机传动装置车架行走装置抛雪装置集雪装置积雪图2-1小型旋转式清雪车结构示意图2.3具体方案的确定2.3.1原动机的选择动力采用微型发动机，本课题的设计需求大约是每小时扫雪量为1000，以积雪平均密度为250/,积雪厚度以30cm计算，那么每小时扫雪量为：
12、1.00.3m250/7.5kg在抛雪轮的作用下，设计最大抛雪高度为4m，那么排雪消耗的功率为：mght7.5 kg10N/kg4m3600s=833w集雪搅龙在积雪的作用下阻力矩m=20Nm,那么集雪搅龙消耗的功率为：20Nm23.1410r/s=1256w,其中10r/s是搅龙转速。估计整机重量为200kg，与路面的摩擦系数取0.2,前进速度约为1m/s, 那么前进消耗的功率为：200 kg10N/kg0.21m/s=400w整机消耗的功率为：833w+1256w+400w=2.49Kw在这一设计要求下，对动力源选型，考虑到清雪车在工作时可能遇到踏实的积雪，故选用功率稍大的发动机，以满足不
13、同工作状况下需要。选用无锡凯马动力有限公司生产的KM170F汽油机，详细参数如下：型号KM170F型式单缸立式四冲程风冷直喷式柴油机缸径*行程mm7055活塞排量cc211发动机转速r/min3600功率Kw3.6起动方式手拉起动/电起动油箱容量L2.5 净重kg27外形尺寸mm332384416表2-1 KM170F汽油机参数2.3.2传动方式的选择首先由一个带传动将动力由汽油机传出，向前通过一个蜗轮蜗杆传到工作装置，向后通过一个蜗轮蜗杆传到行走系统。结构简图如下： 图2-2小型清雪车结构简图1. 搅龙 2. 清雪铲3. 抛雪筒 4. 传动系统 5. 发动机6. 操作装置 7. 车轮 8.
14、车架9. 抛雪轮2.3.3集雪装置设计本设计采用带状螺旋集雪轮，这样的设计能对集雪有很好的破碎作用，同时又不容易发生堵塞。基本结构如下：图2-3带状螺旋集雪轮简图以上形式的集雪装置把切雪、集雪、运雪三大功能于一身，具有很好的效果。其中左边搅龙左旋，右边搅龙右旋，这样积雪所受的力指向两个搅龙的中间部位，使积雪较容易的进入后面比清雪铲要窄的抛雪室内。第三章 小型清雪车的设计计算及校核3.1带传动计算发动机输出功率 P=3.6Kw, i=1.81 确定计算功率由于载荷变动微小，因此取=1.0 则=P=1.03.6Kw=3.6Kw式中计算功率，单位为Kw；工作情况系数；P传递的额定功率。2选择带型由=
15、3.6Kw,小带轮转速=3600r/min,选择A型带。3确定带轮的基准直径和1 ) 初选小带轮的基准直径=80mm，则大带轮的基准直径=i=1.880=144mm 查表取=140mm2 ) 验算带速V=3.1480mm3600r/min=15.072m/s35m/s,4 确定中心距a和带的基准长度根据o.7(+)2(+)得初步确定a=300mm,基准长度 =948.4mm 公式（3-1） 取=900mm实际中心距a=+ =275.8mm5 验算主动轮上的包角=180-57.5=167.49120 包角合适。6 确定带的数z Z= 公式（3-2）取=1.64；=0.5；=0.98；=0.87,
16、 则 z=1.82取z=2式中考虑包角不同时的影响系数；考虑带的长度不同时的影响系数；单根A带的基本额定功率；计入传动比的影响时，单根A型带额定功率的增量。7 确定带的预紧力 公式（3-3） 带入数据计算得=115.33N8 计算带传动作用在轴上的力=2zcos=2zcos(/2/2)=22115.33Nsin(167.49/2)=458.59N式中z带的根数；单根带是预紧力；主带轮上的包角。3.2蜗杆传动计算本设计中工作部分和行走部分都用到蜗杆传动，现以工作部分为例，展示蜗杆传动的计算过程计算参数：分配的输入功率P=1.6Kw ， 寿命=10000小时，传动比=8， 输入转速=2000r/m
17、in。1根据GB/T10085-1988的推荐，采用阿基米德蜗杆(ZA)。2选择材料考虑到蜗杆传递的功率不大，速度中等，故蜗杆采用45钢；但希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了降低成本，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用HT200 。3 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距a 公式（3-4） 1) 确定作用在蜗轮上的转矩按=6，估取效率=0.9,则 =34380Nmm2)确定载荷系数K因工作载荷稳定，故取载荷分布不均匀系数=1，选取使
18、用系数=1.15,由于转速不高，冲击不大，可动载荷系数=1.05；则K=11.151.05=1.213)确定弹性影响系数因为选择铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=160M。4)确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值/a=0.35，取=2.9。5)确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。蜗杆螺旋齿面硬度大于45HBC，查得蜗轮的基本许用应力=268M。应力循环次数寿命系数 则 =0.8963268M=240 M。6)计算中心距取中心距a=63mm，因i=8,取模数m=2，蜗杆分度圆直径=22.4mm，这时/a=0.355，查得接触系数=2.8，因此以上
19、结果可用。4 蜗杆与蜗轮的主要参数和尺寸计算1） 蜗杆轴向齿距=m=3.142=6.28mm；直径系数q=10；齿根圆直径=22.4-2(12+0.252)=17.4mm；分度圆导程角=281043；蜗杆轴向齿厚= 2) 蜗轮蜗轮齿数=51；变位系数=+0.400；验算传动比这时传动比误差为是允许的。蜗轮分度圆直径=m=251=102mm；蜗轮喉圆直径=+2=102+22(1+0.400)=107.6mm；蜗轮齿根圆直径=-2=102-22（1-0.400+0.25）=98.6mm；蜗轮咽喉母圆半径5.校核齿根弯曲疲劳强度公式（3-5）当量齿数 根据=+0.400，=74.465，查得齿形系数
20、=2.12。螺旋角系数许用弯曲应力 查得ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力=56MPa。寿命系数 =560.702=39.340MPa弯曲强度是满足的。6.精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆是动力传动，从GB/T100891988圆柱蜗杆、蜗轮精度等级中选择7级精度，表面粗糙度取1.6。3.3 轴承寿命计算和润滑方式的选择3.3.1寿命计算输入功率P=3.6Kw，带传动效率=0.97,传动比i=1.8由于轴1上的一对深沟球轴承转速最高，故要对其进行寿命计算,设计寿命。所受的径向力为带轮作用在轴上的力=458.59N。圆周力图3-1图3-21求两轴承受到的径向载荷和将轴
21、系部件受到的空间力系分解为铅垂面（图3-1）和水平面（图3-2）两个平面力系，带轮安装于两轴承的中心位置。其中=229.3N=115.8N则=轴向上没有受力，所以2求轴承的当量动载荷和因为 式中、为判断系数，其值大于0。则对轴承1 =0 对轴承2 =03验算轴承寿命由于轻微冲击，取=1.1由于=，所以两个轴承的寿命一样。只需计算其中一个，深沟球轴承=，查得深沟球轴承的基本额定动载荷C=19.5kN,则轴承寿命为：故满足要求。3.3.2润滑方式的选择在本设计所应用的轴承中，蜗杆传动箱体内的圆锥滚子轴承30203和圆锥滚子轴承30206采用油润滑。对于其它轴承由于转速不高，故采用脂润滑。其中传动轴
22、轴1（见小型清雪车装配图）上的两个深沟球轴承60206的转速最高，因此只计算此对轴承的dn值。一般用滚动轴承的dn值（d为滚动轴承的内径，单位为mm；n为轴承转速，单位为r/min）来选择轴承的润滑方式。查得深沟球轴承60206的内径 d=30mm，轴1的转速n=2000r/min，适用于深沟球轴承脂润滑的dn值界限是16。对于此对轴承dn=30mm2000r/min=616。故可以采用脂润滑。3.4轴的校核由于工作装置中蜗杆轴（见小型清雪车装配图）直径最小，而且跨度最大，因此要进行必要的校核计算。由发动机传向工作部分的功率P=3Kw,效率=0.8，转速n=2000r/min。1求蜗杆轴上的功
23、率和转距=P=3Kw0.8=2.4Kw2求作用在蜗杆上的力已知蜗杆的分度圆直径=22.4mm而 =圆周力、径向力和轴向力的方向如下图所示：图3-3蜗杆受力示意图其中=50mm , =465mm。3 初步确定轴的最小直径轴的材料是45钢，调质处理。取=112，于是得轴上直径最小的地方是左端安装轴承处，其直径为17mm。4 求轴上载荷从轴的结构图上可以看出蜗杆部分中间位置是最危险的截面，计算其M、和列于下表。载荷水平面H垂直面V支反力F=462N =50N=169N =18N弯矩M=23100Nmm=8450Nmm =8132Nmm总弯矩=24597Nmm=24490扭矩T=11460N表3-15
24、.按弯扭合成应力校核轴的强度取=0.6,轴上的计算应力轴的材料为45钢，调质处理，查得=60MPa。因此，故安全。第四章 三维造型、人机工程学应用和有限元分析4.1三维造型4.1.1小型清雪车整体造型图4-14.1.2工作部分造型图4-24.1.3行走部分造型图4-34.2人机工程学的应用根据人机学原理，人要在各种环境中，使用工具、操作机器。人和机器及周围的环境句构成了一个系统，人机学就是从系统论的观点来研究人（操作者和使用者）机器（包括人操作和使用的机器工具，设备几工程系统）环境（人操作和机器工作的环境）所组成的系统，组成三要素及其相互关系。它研究的重点是人，从人的生理和心理特征来考虑，使系
25、统中的三要素相协调，以便促进人的身心健康，提高人的工作效率。图4-4 在本设计中，由于人的身高不同，所以在操作本清雪车时，对扶手的高度要求也不一样，因此要考虑扶手要能调节，而且结构不能太复杂。本设计中采用一种简单易行的办法对扶手进行调节。如上图所示。通过扶手末端和车架相连，调节高度时，先松开螺栓，进行调节到合适的高度，再拧紧螺栓，这种方法简洁方便，而且成本低。成年人的身高大约从1.5m到2m不等。可调节的最大高度从1.2m到0.8m，方便一般人的操作。4.3有限元分析Solid Edge是十分实用的三维设计软件，应用此软件可以对零件进行有限元分析，并导出分析报告。方便设计人员对设计的零件进行校
26、核检验。本设计中对抛雪轮进行了有限元分析，并导出分析报告，结果如下：1. 材料属性材料名称钢质量密度7833.000 kg/m3杨氏模量199947953.000 kPa泊松比.290热膨胀系数.0000 /C导热率.032 kW/m-C屈服强度262000.766 kPa极限强度358527.364 kPa2. 载荷和约束信息载荷集名称载荷 1载荷类型力载荷元素数量8载荷值250000.000 mN受约束面的数量13. 研究属性网格类型Tetrahedral 单元网格元素数量8,747节点数量18,013求解器类型Nastran4. 应力结果类型范围值XYZVon Mises 应力最小值1.
27、166e+001 kPa50.00 mm.00 mm-25.00 mm最大值2.028e+005 kPa4.42 mm32.42 mm-34.54 mm图4-55. 位移结果类型范围值XYZ所得位移最小值0.00e+000 mm-8.96 mm1.50 mm103.68 mm最大值3.72e+000 mm-16.67 mm8.54 mm39.08 mm图4-66. 安全系数安全系数值1.292图4-7 第五章 结论通过此次小型清雪车的设计过程中的理论分析和设计得出以下结论：1通过研究目前国内外该种设备的发展情况提出了一种小型清雪设备的工作原理。2设计出了该种清雪设备，并进行了三维建模和工程图的
28、绘制，确定了其基本参数。3针对现有清雪车的不足进行改进，完善了其中的一些细节，使设计出的产品更新颖、美观、适用。4通过对小型清雪车的进一步研究和完善，为以后生产出适合中国情的小型清雪设备奠定了基础。参考文献1 吾布利，小型清雪机研制J，新疆农机化，2000,(6)：242 朱彩霞， 夏智武，QX700型庭院清雪机的研制J，新疆农机化，2002,(5)：31-323 刘清，张宏光，陈玉清，DQX1.2型道路积雪清除机的实验研究J，农机化研究，1995,(5)：23-254 杜明清，小型螺杆式清雪车研究D，南京理工大学，2004 5 李晶，小型旋转式清雪车的总体设计和三维绘图D，大连铁道学院，20
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