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小型掃雪機掃雪機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計.docx

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小型掃雪機掃雪機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

摘  要

掃雪機的問世，讓人們在生活中減少了很多麻煩。本文在分析了國內(nèi)外多種掃雪機的發(fā)展現(xiàn)狀之后提出，主要運用范圍是大型除雪設(shè)備所不能觸及到的路面。結(jié)合路面的寬窄，積雪的厚度等因素，設(shè)計了一種小型的路面掃雪機。本設(shè)計在對掃雪機的工作原理進行分析的基礎(chǔ)上，通過計算確定機械傳動機構(gòu)及動力裝置，然后進行控制系統(tǒng)設(shè)計，把控制和機械有機結(jié)合。

本設(shè)計運用三維繪圖軟件創(chuàng)建了掃雪機各零部件三維模型，進行整體的三維裝配，展現(xiàn)其整體的造型效果，繪制部分二維零件圖及裝配圖，完成了基于單片機的微機控制電氣原理圖。

關(guān)鍵詞:  掃雪機；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；控制系統(tǒng)設(shè)計；直流伺服電機；單片機 

ABSTRACT

The advent of snowplows has reduced people's troubles in their lives. 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 1

1.1 選題的目的與意義 1

1.2 目前主要的除雪方法 1

1.3 目前掃雪機種類及存在問題 2

1.4 掃雪機國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 2

1.5 課題主要內(nèi)容 3

2 總體方案設(shè)計 5

2.1 雪的物理性質(zhì) 5

2.2 掃雪機總體方案及比較 5

2.3 工作原理概述 6

2.3.1 基本結(jié)構(gòu) 6

2.3.2 工作原理 7

2.4 方案的實施 7

3 掃雪機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 9

3.1 動力裝置的選擇 9

3.2 傳動裝置的設(shè)計計算 10

3.2.1 減速器的設(shè)計計算 10

3.2.2鏈輪的設(shè)計計算 13

3.2.3 動力軸的設(shè)計計算 15

3.3 掃雪機構(gòu)的設(shè)計計算 18

3.3.1 工作電機的設(shè)計計算 18

3.3.2 掃雪輥的設(shè)計計算 18

3.3.3 同步帶傳動的設(shè)計計算 20

3.3.4  同步帶的主要參數(shù) 23

3.3.5同步帶的設(shè)計 24

4 掃雪機的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 26

4.1 控制系統(tǒng)的選擇及整體設(shè)計 26

4.1.1 控制器 26

4.1.2伺服電機控制 27

4.1.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計 27

4.1.4伺服系統(tǒng)接口設(shè)計 28

4.2 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 32

致謝 33

大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計 ） I 摘 要 掃雪機的 問世 ， 讓人們在生活中減少了很多麻煩 。 本文在 分析了國內(nèi)外 多種掃雪機的發(fā)展現(xiàn)狀 之 后提出 ， 主要運用范圍是大型 除雪設(shè)備 所不能觸及 到 的 路面 。 結(jié)合 路面的寬窄， 積雪 的厚度 等 因素，設(shè)計 了 一種小型的路面掃雪機 。 本 設(shè)計 在對掃雪機的工作原理進行 分析的基礎(chǔ)上，通過計算確定機械傳動機構(gòu)及動力裝置 ， 然后進行控制系統(tǒng)設(shè)計，把 控制 和 機械有 機 結(jié)合。 本 設(shè)計 運用 三維繪圖 軟件 創(chuàng)建 了掃雪機 各零部件 三維 模型，進行 整體的三維裝配 ， 展現(xiàn)其整體的造型效果 ， 繪制 部分 二維 零件圖及 裝配圖，完成了基于單片機的微機控制電氣原理圖。 關(guān)鍵詞 : 掃雪機 ； 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ； 控制系統(tǒng)設(shè)計 ； 直流伺服電機 ； 單片機 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計 ） he of s in of of at is of of of a on of of of to to in a d to a d d of d on Dc 疆大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 錄 1 緒論 ...................................................................... 1 題的目的與意義 ..................................................... 1 前主要的除雪方法 ................................................... 1 前掃雪機種類及存在問題 ............................................. 2 雪機國內(nèi)外的 發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................... 2 題主要內(nèi)容 ......................................................... 3 2 總體方案設(shè)計 ............................................................... 5 的物理性質(zhì) ......................................................... 5 雪機總體方案及比較 ................................................. 5 作原理概述 ......................................................... 6 本結(jié)構(gòu) ....................................................... 6 作原理 ....................................................... 7 案的實施 ........................................................... 7 3 掃雪機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....................................................... 9 力裝置的選擇 ....................................................... 9 動裝置的設(shè)計計算 .................................................. 10 速器的設(shè)計計算 .............................................. 10 ................................................ 13 力軸的設(shè)計計算 .............................................. 15 雪機構(gòu)的設(shè)計計算 .................................................. 18 作 電機的設(shè)計計算 ............................................ 18 雪輥的設(shè)計計算 .............................................. 18 步 帶傳動的設(shè)計計算 .......................................... 20 同步帶的主要參數(shù) ............................................. 23 .................................................. 24 4 掃雪機的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................................... 26 制系統(tǒng)的選擇及整體設(shè)計 ............................................ 26 制器 ........................................................ 26 .................................................. 27 .............................................. 27 .............................................. 28 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 .................................................................... 32 致謝 ....................................................................... 33 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 1 緒論 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 時常滑倒，造成 身體損傷 。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。 前主要的除雪方法 現(xiàn)在的 除雪采用的方法主要 是 ：①人工 的 傳統(tǒng)除雪；②利用融雪劑來清除 路面積雪 ；③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]。 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 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 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。 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，大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 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 為犁式掃雪機。 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德國“ 烏尼莫克道路綜合養(yǎng)護車 、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 掃雪機 和 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 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。 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)上進行合理的設(shè)計方案，并對其主要零件進行計算和分析 。 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)進行小型掃雪機方案設(shè)計。 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 （ 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。 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 2 總體方案設(shè)計 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行研究了解。經(jīng)過多次調(diào)查取樣，雪的密度在 ???3。 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)。 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)文獻表明，斜刃式壓磙的銑削效果及其對路面的保護性明顯優(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)， 對路面進行大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 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。 作原理概述 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 。考慮到設(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。大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 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}。 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。 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 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 m/s，二檔 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 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 圖 2雪機簡單三維結(jié)構(gòu)示意圖 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 3 掃雪機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 氣阻力 速行駛時的加速阻力 此小車行駛時的總阻力為 ∑ F=w+ (3 Ff= （ 3 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： 100膠輪與地面的摩擦系數(shù)： f=半徑：R=150入公式中 8N 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=1t=1m/s，則小車的加速度為 a = ????2???022?? = ??2 (3加速阻力 Fj=0N 總阻力 ∑ 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=以總車的驅(qū)動力矩： ∑ M=22N?m 因此鏈接輸出軸的輸出扭矩 T≥ 22 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 180 表 3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) 8V 62A 1500r/2 小車行駛的最高速度 ????????=1m/s，車輪半徑 R=150 輸出軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)為： ????=???? ????? =96r/ (3電機的額定轉(zhuǎn)速 n=1500r/以減速比為： i=?? ????? =16 (3大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 小車行駛的最低速度 ????????=s,輸出軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為 ????????=48r/最大減速比 i=32。 動裝置的設(shè)計計算 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（ 2）沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)。 （ 3）具有自鎖性。 設(shè)計總傳動比 i≥ 32， i=??蝸 × ??齒 =32。 (3分配傳動比 ??蝸 =16， ??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/輪蝸桿的選擇：功率 P= 根據(jù) 10085推薦，采用漸開線蝸桿 料一般選用：蝸桿為 45號鋼，齒面要求淬火，硬度為 45~55輪采用 屬模制造。 按 計算，估取效率η =作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 ??2 ??2=106 ????=105 (3確定載荷系數(shù) K 因工作載荷較穩(wěn)定，故取 ????=1， 使用系數(shù) ????=動載系數(shù) ????=K=????????????= (3確定彈性影響系數(shù) ???? 因選用的 輪與蝸桿相配合，故取 ????=160??12 確定蝸輪齒數(shù) 2=i=64 (3確定許用接觸應(yīng)力【 ????】 根據(jù)蝸輪的材料 、 金屬模制造 、 蝸桿螺旋齒面硬度 輪的基本許用應(yīng)力為 268 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 應(yīng)力循 環(huán)次數(shù) ： N=60j 2n 107 (3式 中 j— 為 電機是否單雙向轉(zhuǎn)動 (單向為 1，雙位 2)； 2n — 為渦桿的傳動比 ； 為工作的總時間 。 壽命系數(shù)： ??????=8 710N(3=√ 078 = 則 許用接觸應(yīng)力 【 ????】 =??????×【 ????】′ (3= ??2480 ??2×? 【 ????】 ） 2 (3≈ 中 ??2為渦輪齒面接觸疲勞強度； K— 為載荷系數(shù)。 因 1Z =2，故從 《 機械原理 》 表 10圖 3中，取模數(shù) m=4。蝸桿的分度圓直徑 0 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)與幾何設(shè)計中心距 a=148 3疆大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 蝸桿 表 3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 0 481?18′36′′ 輪 表 3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 254629核齒根彎曲疲勞強度 ????=??2 ??1??2??? × ??????2=≤ [????] （ 3 式中 ??????2 當(dāng)量齒數(shù) ????2=??2 3? = (3根據(jù) ????2， 從文獻 錯誤 !未定義書簽。 圖 11如圖 3中查齒形系數(shù) ??????2= 3疆大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 螺旋角系數(shù) ????=1- ??140= (3許用彎曲應(yīng)力 【 ????】 =【 ????】′× ?????? (3蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力【 ????】′ =56命系數(shù) ??????= ????】 =???=彎曲強度滿足 驗算效率 η =（ ?? +??）? (3已知 r=11?18′ 36′′， φ=????;相對滑動速度 ????有關(guān)， ????=????1??1 60 ?1000? =s （ 3 從文獻中，表 11如圖 3，用插值法查得 φ=入公式中得 η≈ 于估計值，因此不用重算。 圖 3度等級和表面粗糙度的確定： 從 10089柱蝸桿蝸輪精度造 8 級精度。側(cè)隙種類為 f，標(biāo)注為8f， 10089有關(guān)手冊得公差項目及表面粗糙度。 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??；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) 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 取小鏈輪的齒數(shù)為 7，傳動比為 i=1，則大鏈輪的齒數(shù) 7。 確定 計算功率 從《機械設(shè)計》（第九版）表 9如圖 3查得 : ????=該書的圖9如圖 3查得： ????= 圖 3 圖 3當(dāng)量的單排鏈計算功率 ： ??????= ???????? ????? × P= (3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) ??????=????=96r/械設(shè)計》圖 9如圖 3，選取節(jié)矩 P=子直徑 d=鏈接內(nèi)寬 b=軸直徑2 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 圖 3算中心距 初選中心距 ??0=(30?50)P ??0= ??0=600 計算鏈節(jié)數(shù) ????0=2??0??+??1+??22 +(??2???12?? ) (??2???12?? )????0=80 (3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 ????????=P[???????2 ]= (3取中間距為 600算鏈速 V V= ??1??1??60×1000= (3計算壓軸力 ???? 有效的圓周力： ????=1000????= (3鏈輪壓軸力系數(shù) ??????=???=??????× ????= (3選擇潤滑方式 按照鏈速為 s，鏈節(jié)距 擇定期人工潤滑的方式。 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 ????=?? ????? ≈ 9550000???? 3? ≤ [????] (3得 d≥ ??0√????3 (3其中： P— 為傳遞的功率； d— 為軸的直徑； 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 N— 為軸的轉(zhuǎn)速； [????] — 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 經(jīng)過減速器完成變速后， P=n=48r/ 取 ??0=105， 則 d≥ ??0√????3 = (3考慮到有鍵槽，軸徑增大 5%， d= 1+5%） =40此選 ????????=40 3的載荷分布圖 由第三強度理論： ??????=√αT)2?? ≤ [???1] (3大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 查表可知 45號鋼的 [???1]=60 軸的截面存在鍵，因此 W=????332 -????(?????)22?? (3取 α≈ ??????=用彎曲應(yīng)力 ?????? < [???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 ????的光軸。按材料力學(xué)中的公式計算： ????=√?? ∑ ????????4????=1?4 (3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 y≤ [y] 偏轉(zhuǎn)角 θ≤ [θ] 軸的扭轉(zhuǎn)剛度計算 扭轉(zhuǎn)角 φ表示軸的扭轉(zhuǎn)變形 階梯軸 φ=104 1 ????? ∑ ????????????=1 (3扭轉(zhuǎn)剛度條件 φ ≤ [φ] [φ]的取值 ，計算 φ= 因此，軸的設(shè)計合格。 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 18 雪機構(gòu)的設(shè)計計算 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 900??2,雪的平均密度 ?3,積累的厚度為 10 則每小時完成掃雪量： 前推進 3600m，則所消耗的功率 ????? ??? =225W (3滾筒克服阻力矩 M=速以 n=150r/么刷子消耗的功率 2πn= (3則執(zhí)行部分所消耗的功率 ??總 =2= (3選用直流伺服電動機，控制轉(zhuǎn)速在 150r/用的電機與原動機 1 是一樣的型號： 180 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 ????=?? ????? ≈ 9550000???? 3? ≤ [????] （ 3 得 d≥ ??0√????3 (3采用 45號鋼，調(diào)值，硬度為 217過帶輪傳動后，它的功率 P=速 n=150r/ 取 ??0=110 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 19 d≥ ??0√????3 ≈ 鍵槽，軸徑增大 5%， 所以 8 軸的校核 圖 3雪輥的載荷分布圖 由第三強度理論： ??????=√??2+(????)2?? ≤ [???1] (3查表可知 45號鋼的 [???1]=60 軸的截面存在鍵，因此 W=????332 -????(?????)22?? (3取 α ≈ ??????=用彎曲應(yīng)力 ?????? < [???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 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 20 扭轉(zhuǎn)角 φ 表示軸的扭轉(zhuǎn)變形 階梯軸 φ =104 1 ????? ∑ ????????????=1 (3扭轉(zhuǎn)剛度條件 φ ≤ [φ ] [φ ]的取值 ，計算 φ = 因此，軸的設(shè)計合格。 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表 3K =計算功率為 : ??????=????× P= （ 3 2、 小帶輪轉(zhuǎn)速計算 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑 ????1=224算帶速 : V=??????1?? 60×1000? ≈ s (3由于 5m/s≤ V≤ 30m/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 距 3作情況系數(shù) 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 21 圖 3同步帶選型圖 4、選取主動輪齒數(shù) 1z 查表 34，現(xiàn)在選取小帶輪齒數(shù)為 41。 小帶輪節(jié)圓直徑確定 ?? ? 1 （ 3 表 3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 1:1 ，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)292 ?z ，節(jié)距 6、帶速 ? ????? ? （ 3疆大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 22 7、初定 軸 間間距 根據(jù)公式 )(2)(1021 ??? （ 3 得 63232 0 ?? 現(xiàn)在選取軸間間距為 600 8、同步帶帶長及其齒數(shù)確定 0L =22 0 ??a( 21 ) （ 3 0L= 2/)??? =、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0。 10、 基本額定功率01000 )(20a ?? （ 3 查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表 3m=m。 所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為 0P = 1 0 0 0 0 0( 2?? = （ 3 表 3準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 23 11、 計算作用在軸上力 3 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 表 3節(jié)線長度表 2、 帶的節(jié)距 圖 3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 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。 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 24 圖 3帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸 表 3形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸 步帶的設(shè)計 在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表 3的圖形如圖 3 表 3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 H 0。 疆大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 25 圖 3步帶 同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖 3圖 3同步帶輪結(jié)構(gòu) 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 26 4 掃雪機的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 制系統(tǒng)的選擇及整體設(shè)計 制器 常用的工業(yè)控制系統(tǒng)中的主機芯片大多是 于許多的控制要求和任務(wù)無論采用單片機方案還是 本次設(shè)計中，由于程序簡單，需要處理的信息少。而由于 的穩(wěn)定性和抗干擾性要遠遠優(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 [13][14]： 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 [15]。 圖 4型式 大學(xué)機械工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 27 服電機控制 設(shè)計中直流伺服電機轉(zhuǎn)速控制采用 4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脈沖變化相同時，占空比為 50%示。 制系統(tǒng)總體設(shè)計 1、 圖 4