小型路面扫雪机的结构设计.doc
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济南大学泉城学院毕业设计
济南大学泉城学院
毕业设计
题目小型路面扫雪机的结构设计
专业机械设计制造及其自动化
班级机设07Q2
学生马传磊
学号20073006066
指导教师蔡冬梅
二〇一一年五月二十日
27
1前言
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，尤其是我国的北方地区。
我国北方气候寒冷、冬季时间较长，降雪量较大，常会引起塞车、交通事故、行人摔伤等一系列问题，我们的环卫工作人员在大雪后忙于清除主干道等主要路面的积雪，而对于一些非大型机械车辆行驶的路面很难及时的清理，对过往的路人很不方便。
尤其是在一些校园，厂矿企业或居民小区内的小型路面积雪得不到相关部门的及时清除，来往的路人很不方便，甚至出现意外事故，给人们的户外生活带来不便。
目前我国对于较窄路面的清雪方式仍然是依靠人力，用铁锹和扫帚等工具将积雪清理，清雪效率较低，所以，我们准备设计这种针对小型路面除雪的小型机械，提高积雪的清扫效率，为过往的行人带来方便，同时减少了不必要的事故发生，能在大雪后为紧张的环卫部门减轻了一定的压力。
1.2国内外研究现状
扫除冰雪机械在国外已有几十年的历史，其技术先进，现在已经有成型产品在广泛应用。
现在，清雪机械的发展迅速，已经在市场上流通的清雪机主要有铲刮式除雪机系列，抛扬式除雪机系列，刷扫式扫雪机系列，击振式破冰除雪机系列等，但仍以大型车辆带动清雪装置实现清理积雪的任务。
虽然它们整机性能稳定，但是造价都很高，并且不适合学校、单位等住宅小区内路面的清雪工作。
现在市场上的扫雪机按工作方法来分主要有两种类型：
第一种为抛雪式扫雪机。
它利用高速旋转的叶片将雪旋进扫雪机，再沿导管抛运到车上的储雪箱中。
这冲机器最突出的特点是：
宽幅、高效、采用大功率主机，在北欧国家使用较广。
第二种是先将积雪收集，再利用输送带向后传送、装车。
这种机器在俄罗斯较常见。
目前国内有几家单位正在进行扫除冰雪机械和扫雪机的研发，产品已进入市场。
1.3本文主要任务
根据目前已有的清雪设备设计出一种适用于学校、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，并对主要零件进行设计计算校核。
（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，确定其基本尺寸，安装方式。
2扫雪机设计方案分析比较
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，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。
2.2.2工作原理
工作时原动机提供动力，经带传动到行走系统和工作部分。
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内，抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出。
这样在原动机的带动下，清雪车不断的前行，能实现连续的清除积雪。
小型机械清雪机的结构示意图如下：
积雪
集雪装置
抛雪装置
动力机
传动装置
行走装置
图2.1扫雪机的结构示意图
2.3原动机的选择和具体的实施方式
2.3.1原动机的选择
由于本清雪机主要用于室外的小型路面，所以动力机体积不能太大且不适用电动机，我们选用的是微型汽油机。
本课题的设计需求大约是每小时扫雪量为1000,以积雪密度250kg/m,积雪厚度以20cm计算，每小时的扫雪量为：
在抛雪叶轮的作用下，抛雪扬程为3m,那么雪排出的初速度为4m/s,
7.5×10kg×10N/kg×4m/s÷3600=833w
集雪搅龙在积雪的作用下阻力为20N,那么集雪搅龙消耗的功率为:
其中lOr/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lm/s,那么前进
消耗的功率为:
200×10×0.2=400w
整机消耗的功率为:
834w+1320w+400w=2554w
根据以上数据分析以及考虑到功率的磨损等消耗，选用了凯马KM170F柴油机
型号
KM170F
型式
单缸立式风冷四冲程柴油机
排量（ml）
211
发动机转速（r/min）
3600/3000
燃油推荐
0号或10号柴油
机油容量（l）
2.5
启动方式
反冲手拉启动
重量（kg）
26
外形尺寸（mm）
332×348×416
机油型号
SAE10W30（CC级以上）
表2.1 KM170F柴油机参数
2.3.2传动方式的选择
首先是由一个传动带将柴油机的动力传给一动力轴，经过一个锥齿轮和带传动分别将动力传给抛雪叶轮和搅雪轮。
结构简图如下：
图2.2小型清雪机得传动原理图
1.搅雪轮2.聚雪斗3.抛雪筒4.抛雪轮5.动力机6.带传动
7.减速器8.链传动9.变速器10.锥齿轮11.行走轮
2.3.3集雪装置的设计
本设计采用的是带状螺旋集雪轮，这样的设计能对积雪有很好的破碎作用，不至于发生堵塞的情况。
基本机构如下：
以上形式的集雪装置将切雪，碎雪，集雪，运雪几大功能于一身，具有很好的效果。
左右两边的绞龙旋向正好相反，将两边的雪集中到中央，传递到抛雪轮下，在抛雪轮的高速旋转下将雪抛出。
3小型清雪机的设计计算和校核
3.1带传动计算
（1）确定工作的功率
由于清雪机的整体载荷变化不大，所以我们取系数K=1.0则
P=KP=1.0×3.6KW=3.6KW
公式中：
p为计算功率，单位为kw
k为工作情况系数
p为传动的额定功率
（2）选择带型
由于p=3.6kw,小带轮转速为3600r/min,选择A型带。
（3）确定带轮的基准直径d,d
1）初选小带轮的基准直径。
经过查表选取小带轮的基准直径为d=80mm,
2）确定大带轮的基准直径d=80×1.8=144mm
查表选择大带轮的基准直径为140mm
（4）验算带速
V=3.14dn=3.14×0.08×60r/s=15m/s＜35m/s
（5）确定中心距a和带的基准长度L
根据公式0.7（d＋d）＜a＜2（d＋d）得
154mm＜a＜440mm
初步确定中心距300mm,
基准长度L==949.3mm
取基准长度为 L=900mm
实际中心距则为a=a＋=276mm
（6）验算主动轮上的包角
=180××57.3=167.5＞120
所选择的包角符合标准。
（7）计算带的根数z
计算带的根数的公式为
Z=
由d=90mm,转速n=3600r/min查表得p=1.64kw。
根据n=3600r/mini=1.8和A型带查表的=0.5kw
查表的k=0.98,k=0.87.
于是p=（1.64+0.5）×0.98×0.87=1.824
Z===1.972
取z=2
备注：
k考虑包角不同时的影响系数
K考虑带的长度不同的时候的影响系数
P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
（8）确定单根v带的初拉力的最小值f
经查表的单根A型带的单位长度质量为0.1kg/m,所以
（f）=500+ qv=500×＋0.1×15
=122.3N
应使带的实际初拉力F＞（F）
（9）计算压轴力F
压轴力的最小值为
（F）=2z（f）sin=2×2×122.3×sin=486.3N
公式中z带的根数
F单根带的预紧力
主带轮上的包角
3.2链传动的计算
扫雪机上由减速器到变速器之间的传动方式选用的是链传动的方式，故要对其进行设计计算
（1）选择链条齿数
确定链条传动速比i=1.4查表的小链轮的齿数为z=25则
大链轮的齿数z=25×1.4=35＜120符合要求
（2）确定计算功率
因为链传动工作平稳，查表选择传动系数为k=1.1,计算功率为
P=kp=1.1×0.4kw=0.44kw
（3）初定中心距a,取定链节数l
初定中心距a=（30～50）p取a=40p
L=＋＋（）
=＋＋（）
=110.1
L取偶数110节
（4）确定链节距
首先确定系数K,K,K
查表得小链轮的齿轮系数为k=1.34
由图查得k=1.09
选单排链，得k=1.0
所需传递的额定功率为
P===280w
选择滚子链型号为12A，节距p=19.06mm
（5）确定链长和中心距
链长L=lp/1000=2.09m
中心距
a=[（l－）＋]
=[（110－）+]mm
=602.25mm
a＞550mm符合设计要求。
中心距的调整量应该大于2p
＞2p=2×19.06=38.12mm
实际安装中心距为a=a－=602.25－38.12=564.13mm
（6）求作用在轴上的力
链速
V===1.02m/s
工作拉力f=1000p/v=1000×0.4/1.02=392.16N
链传动的工作平稳，取压轴力系数为K=1.2
则轴上的压力为F=FK=392.16×1.2=470.6N
（7）选择润滑的方式
根据链速为1.02m/s,链节距19.06mm选择油浴和飞溅润滑方式。
设计结果：
链条型号12A-1-110GB1243，链轮齿数z=25,z=35;中心距a=563.13mm压轴力F=470.6N。
3.3变速器的齿轮计算
3.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数
（1）根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动
（2）扫雪机的运动速度不高，故选用7级精度（GB10095-98）。
（3）材料选择。
选择小齿轮材料为40cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45（调质）硬度为240HBS,两者材料硬度相差40HB.
（4）选取小齿轮的齿数z=25,大齿轮齿数为z=2×25=50
3.3.2按照齿面接触强度计算
由设计计算公式进行试算
d≥2.32
（1）确定公式内的各个计算数值。
1）试选载荷系数k=1.3
2）计算小齿轮的传动转矩
T==
=9.5×10Nmm
3）选取齿宽系数＝１
4）由表查得材料的弹性影响系数。
5）按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。
6）计算应力循环次数
=60×40×1×（2×8×300×15）
=1.73×10
7）取接触疲劳寿命系数。
8）计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，得
（2）计算
1） 试计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。
2） 计算圆周速度v。
3）计算齿宽b。
4）计算齿宽与齿高之比。
模数
齿高
h=2.25
=2.106mm
5）计算载荷系数。
根据v=0.103m/s,7级精度，由表查得动载系数；
因为是直齿轮传动，；
由表查得使用系数；
由表用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。
由查图得；所以载荷系数
6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得
7）计算模数m。
3.3.3按齿根弯曲强度设计
已知弯曲强度的设计公式为
（1）确定公式内的各计算数值
1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；
2）取弯曲疲劳寿命系数；
3）计算弯曲疲劳许用应力。
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得
4）计算载荷系数K。
5）查取齿形系数。
由表查得。
6）查取应力校正系数。
由表查得。
7）计算大小齿轮的并加以比较。
大齿轮的数值偏大。
（2）设计计算
将数值代入公式，得
对比计算结果，根据齿面接触疲劳强度计算的模数m大于根据齿根弯曲疲劳强度计算的模数，因为齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿径直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度计算所得的模数1.79。
并就近圆整为标准值m=2,按接触强度算得的分度圆直径d=26.7mm
算出小齿轮的齿数
Z===25
大齿轮的齿数z=3×25=75
这样设计的齿轮传动，既满足了吃面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。
3.3.4几何尺寸计算
（1）计算分度圆直径
d=zm=2×25=50mm
d=zm=75×2=150mm
（2）计算中心距
a===62.5mm
（3）计算齿轮的宽度
b=d=1×50=mm
3.4轴的结构设计计算和校核
3.4.1轴的结构设计
（1）求输出轴上的功率，转速和转矩
输入功率为3.0kw,取带传动的传动效率=0.97，则
又因为
于是得到
（2）求作用在皮带轮上的力
因为已知皮带轮的分度圆直径为140mm.
所以圆周力
（3）初步确定轴的最小直径
选取轴的材料为45钢，调质处理。
取=112，于是得
考虑到安装皮带轮的内径，故取输出轴最小直径为25mm，即=25mm。
（4）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
01段要安装一皮带轮，根据皮带轮的直径取其长度为40mm,,03段安装深沟球轴承，取其长度为17mm,,06段安装的是锥齿轮，取其长度为70mm,轴端安装的是皮带轮，根据其厚度，取轴端段长度为35mm。
其余长度则根据分配需要来确定
（5）初步选择滚动轴承。
因轴承只需要承受径向力的作用，也承受到轴向力的作用，故选用深沟球轴承6007，和圆锥滚子轴承30207。
3.4.2轴的校核
因此轴的转速较高所以要对该轴进行校核，以保证扫雪机整体质量
发动机传到轴上的功率为p为3kw,转速为2000r/min
（1）求轴上的功率p和转矩T
P=P=3×0.8=2.4（kw）
T=9.55×10=9.55×10×=11460（N）
（2）求作用在轴端的力
已得轴端的分度圆直径为d=20mm
f===1146N
F=f=1146×=417.75N
F=ftan=1146×tan3.18=63.67N
圆周力F,径向力F和轴向力F的方向如下图
L=50㎜L=750㎜
（3）求轴上的载荷
又因为
从轴所在的位置来看，轴端位子是最危险的截面，计算其M,M,M，列于下表。
载荷
水平面H
垂直面V
支反力
F=1074NF=72N
F=391NF=26N
弯矩M
M=46340N.mm
M=19582N.mm
总弯矩
M==50307N.mm
扭距T
T=11470N
（4）按弯矩合成应力校核轴的强度
取=0.6，轴上的应力计算
===1.4Mpa
轴的材料为45号钢，调质处理，查的[]=60Mpa,因此＜[]，故安全
3.5轴上锥齿轮的设计计算
3.5.1按齿面接触疲劳强度进行计算
设计计算公式是：
（
）
3
2
1
2
1
5
.
0
1
）
]
[
（
92
.
2
u
KT
Z
d
R
R
H
E
t
f
f
s
-
=
（1）确定公式内的各计算数值
1）初选载荷系数：
K=2.0
2）小齿轮传递转矩：
T1=9550×833/2000=3977.6（N·MM）
3）选取齿宽系数：
ΦR=1/3
4）查得材料的弹性影响系数：
ZE=189.8MPa
5）查得齿轮的接触疲劳强度极限：
σHlim1=σHlim2=550MPa.
6）应力循环次数：
N1=60n1jLh=60×2000×1×（8×365×10）=3.5×10 9
N2=N1/2=1.75×109
7）查得接触疲劳寿命系数：
KHN1=0.90，KHN2=0.95
8）计算接触疲劳许用应力,取失效概率1％，安全系数S=1。
[σH]1=
[σH]2=
（2）计算
1）计算小齿轮最小分度圆直径
=
=73.54（mm）
2）计算圆周速度υm
3）计算载荷系数
1×1.15×1×（1.5×1.25）=2.156
4）按实际载荷系数校正所得的分度圆直径
5）计算模数
3.5.2按齿根弯曲强度设计
设计公式：
（1）确定公式内的各计算数值
1）查得弯曲疲劳极限
2）弯曲疲劳寿命系数
3）计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4
4）载荷系数K
5）齿形系数、应力校正系数
，
，
6）计算大小齿轮的并加以比较
（2）计算
1.89mm
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数1.89并就近圆整为标准值m=2，按接触强度算得的分度圆直径d1=73.54mm，算出小齿轮齿数
为使做成独立的齿轮，便于加工，取小齿轮齿数40，大齿轮齿数
2×40=80
既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。
3.5.3几何尺寸计算
（1）计算分度圆直径
（2）计算锥距
（3）计算齿轮宽度等各个数据参数
B≤R/3=24.03（mm）
取B=24mm
分锥角
齿顶高
齿根高
齿顶圆直径
齿根圆直径
齿根角
顶锥角
=26.565+1.39=27.955
=63.4350+1.390=64.5250
根锥角
=26.565－1.39=25.175
=63.435－1.39=62.045
3.6减速器的选择
由原动机传出的转速较高，而扫雪机的行走速度需要接近人正常行走速度，所以需要一减速器来减小其转速，考虑到扫雪机的容积量的大小，需要一小型的减速器，综合市场出售的减速器来看，选取了泰州红旗减速器有限公司生产的AQH25型减速器，此减速器可用于正反两向运转，减速器的最高转速不大于2000r/min，而且减速器可在零下40摄氏度的低温下工作，减速器有九种传动比，和三种低速轴轴端形式（可根据工作需要来选取），同时此减速器外形尺寸为440×230×325mm,符合安装要求。
4结论
由于是第一次完整的设计一个产品，难免会有许多不足之处，比如扫雪机得方向没法自动控制，仍需要人力来完成，同时没有将动力机和减速器集合到箱体内，影响了整车的美观，这仍然需要在以后的设计工作中积累经验完善自己的不足。
但是通过此次独立的完成自己的毕业设计，学到了很多东西，积累了一定的工作经验，并把这几年学到的专业知识又重新拾起，受益匪浅。
参考文献
[1]吴书琴，李乔非，刘春山，城市道路散雪除雪机[J].工程机械，2007,38：
14-17.
[2]李盛林,张宏文，公路快速清雪装置的设计[J].筑路机械和施工机械化，2002,19（96）:
3-4.
[3]凌波，朱志坚，多功能道路清雪机的液机联合传动[J].液压与气动，2003（10）：
43-44.
[4]朱志坚,凌波，多功能道路跺冰清雪机液压系统抗冲击措施[J].液压与气2001（10）:
33-35.
[5]吴书琴，李乔非，刘学斌，刘春山，钢丝排刷式扫雪机的研制[J].机械工程师，2010（3）：
43-44.
[6]李乔非,吴书琴，推扫一体式散雪除雪机制[J].工程机械，2010,41：
4-7.
[7]郭维外，小型扫雪机[J].国外工程机械额集粹，1994
（1）：
48.
[8]朱彩霞，夏智武，QX700庭院式清雪机的研制[J].新疆农机化，2002（5）：
31-32.
[9]杜明清，小型螺杆式清雪车研究[D].南京理工大学，2004
[10]耿志凌，鲍侠，吉尔133除雪车增加救援装置的研究[J].黑龙江交通科技，2006,（7）:
61
[11]王承惠，经济实用的永江牌清雪除冰车[J].商用汽车，2001,（12）:
28-29
[12]荆宝德，赵刚，马文星，殷涌光，多功能路面清雪车电液比例阀系统的模糊-PID控制[J].建筑机械，2005,（11）:
94-97
[13]翁杰，多功能的AN除雪车[J].商用汽车，2001,（12）:
34
[14]Kuroiwa.etal，O
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