小型路面扫雪机的结构设计

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学生马传磊学号指导教师蔡冬梅O一一年五月二十日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。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。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：抛雪装置集雪装置积雪抛雪装置集雪装置积雪图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1000m2，以积雪密度250kg/m3，积雪厚度以20cm计算，每小时的扫雪量为：1.0x103m2x0.3mx250kg/m3=7.5x104kg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,7.5X104kgX10N/kgX4m/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：20Nx0.3x3.14x7x10r/s=1320W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:200X10X0.2=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（1）2.5启动方式反冲手拉启动重量（kg）26外形尺寸（mm）332X348X416机油型号SAE10W30（CC级以上）表2.1KM170F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：MyLt.MyMy1<1>MyLt.MyMy1<1>1<1>a.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KA=1.0则P=KP=1.0X3.6KW=3.6KW公式中：p为计算功率，单位为kwk°为工作情况系数p为传动的额定功率选择带型由于p=3.6kw,小带轮转速为3600r/min,选择A型带。确定带轮的基准直径七yd,2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ddi=80mm,确定大带轮的基准直径dd2=80X1.8=144mm查表选择大带轮的基准直径为140mm验算带速V=3.14d,in=3.14X0.08X60r/s=15m/sV35m/s确定中心距a和带的基准长度L0根据公式0.7(d+d)VaV2(d+d)得154mmVaV440mm初步确定中心距300mm,n()(dd基准长度L,=2a+圣+d。2di=949.3mm2124a取基准长度为Ld=900mm实际中心距则为a=a0+Ld_Ld=276mm验算主动轮上的包角a1a=180oXdd2-ddiX57.3=167.5o>12001a所选择的包角符合标准。计算带的根数z计算带的根数的公式为Z=Pa(p+▽p7kk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ka=0.98,k广0.87.于是p=(1.64+0.5)X0.98X0.87=1.824rZ=La=3.6=1.97点p1.824取z=2备注：ka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P0单根A带的基本额定功率▽P0计入传动比的影响时，单根A型带额定功率的增量确定单根v带的初拉力的最小值f0min经查表的单根A型带的单位长度质量为0.1kg/m,所以/q、P(2.5_k)3.6(2.50.87),nr(f)二5001+qv2=500X—:~~_七+0.1X1520minzvk2x15x0.98=122.3N应使带的实际初拉力F0>(F0)min(9)计算压轴力Fp压轴力的最小值为岛167.5(Fp)mln=2z(fo)mlnsln2=2X2X122.3Xsin2=486.3N公式中z带的根数Fo单根带的预紧力a1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选择链条齿数确定链条传动速比1=1.4查表的小链轮的齿数为zi=25则大链轮的齿数Z2=25X1.4=35V120符合要求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Pc=kap=1.1X0.4kw=0.44kw初定中心距a°,取定链节数lp初定中心距a°=(30〜50)p取a°=40p

2a—0Lp=pz2a—0Lp=p—12—21+2+(2n)2a02x4°p25+3535_25_P_=p++(乙^)240p=110.1Lp取偶数110节确定链节距首先确定系数Kz,Kl,Kp查表得小链轮的齿轮系数为k乙=1.34由图查得ki=1.09选单排链，得kp=1.0所需传递的额定功率为Pc0.4kwP0=kz.k!kp=1.34x1.09x1.0=280w选择滚子链型号为12A,节距p=19.06mm确定链长和中心距链长L=lpp/1000=2.09m中心距pz+zz+zz-zxa=4[(1pL)+t(lpr)2_8F\19.°625+35'(110_25+35)2_8(35~25)2=4[(110一2)+'22冗]mm=602.25mma>550mm符合设计要求。中心距的调整量应该大于2pM>2p=2X19.06=38.12mm实际安装中心距为a、=a—&=602.25—38.12=564.13mm求作用在轴上的力链速nzp2x25x19.06V=60000=1000=1.02m/s工作拉力f=1000p/v=1000X0.4/1.02=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Fq=FK(=392.16X1.2=470.6N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Z1=25,Z2=35;中心距a，=563.13mm压轴力Fq=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，材料和齿数根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动扫雪机的运动速度不高，故选用7级精度(GB10095-98)。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.选取小齿轮的齿数zi=25，大齿轮齿数为Z2=2X25=503.3.2按照齿面接触强度计算由设计计算公式进行试算3：务丝(9)2difN2.32、气U脂(1)确定公式内的各个计算数值。试选载荷系数kt=1.3计算小齿轮的传动转矩95.5x105x乙0.4x95.5x105T1=n1=40=9.5X104Nmm选取齿宽系数(pd=1由表查得材料的弹性影响系数Ze=189.8mP；。按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限％lim1=600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限°Hllm2=550MPa。6）计算应力循环次数N1=60n1jLh=60X40X1XC2X8X300X15)=1.73X108=8.65x107z1.73x108=8.65x107N=227）取接触疲劳寿命系数K=0.90;K=0.95。HN1HN28）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=1,得[°]="hn1。1血1H1s=0.9x600=540(MP)[°]=―HN2°1im2H2s=0.95x550=522.5（MPa）⑵计算1）试计算小齿轮分度圆直径d1t，代入[%]中较小的值。

吭〉2.32311、KTu+1.Z、1•——(—E-)2

Ou[吭〉2.32311「."g3*=23.顾312522.52）计算圆周速度耻ndnV=60x1000nx23.4x84==0.1028m/s60x10003）计算齿宽b。b=O•d=1x23.4mm=23.4mm4）计算齿宽与齿高之比h。模数d—1t~z123一4mm一一一==0.936mm25齿高h=2.25mt

b23.4—==11.1h2.1065）计算载荷系数。根据v=0.103m/s,7级精度，由表查得动载系数Kv=1.08;因为是直齿轮传动，%=气=1;由表查得使用系数K^=1.25；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，％=1.423。由h颈・667,%=L423,查图得七孔35；所以载荷系数AvHAvHaHP6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得：1.92一=23.4乂3,古=26.7(mm)7）计算模数m。dm=—z126.7==1.1(mm)253.3.2｝按齿根弯曲强度设计已知弯曲强度的设计公式为

■2匹(4)z2[a]Z1F（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aFEi=500MPa;大齿轮的弯曲疲劳强度极限aFE2=380MP；2）取弯曲疲劳寿命系数Kni=0.85,Kn2=0.88；3）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得[O]=KFN1°FE1F1S=0-85x500=303.57(MP)1.4[o]=KFN2OFE2F2S=0.88x380=238.86(MP)1.44）计算载荷系数K。AvFaFP=1.25AvFaFP5）查取齿形系数。由表查得七］=2.65,丫凤2=2.14。6）查取应力校正系数。由表查得YSa1=1.58,Y^2=1.83。7）计算大小齿轮的^^并加以比较。［。］FYf^=265^=0.01379[。f]1303.57YaY2=2.14妇.83=0.01640[of]2238.86大齿轮的数值偏大。（2）设计计算将数值代入公式mN,得、2x1.8225x3.166x104将数值代入公式mN,得m>rx0.01640=1.79(mm)\1x252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d_26.71—251m1.1大齿轮的齿数z2=3X25=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几何尺寸计算计算分度圆直径d=zm=2X25=50mmd=zm=75X2=150mm计算中心距a=di+d2=50+75=62.5mm22计算齿轮的宽度b=%d=1X50=mm3.4轴的结构设计计算和校核3.4.1轴的结构设计⑴求输出轴上的功率p2，转速n之和转矩七输入功率为3.0kw,取带传动的传动效率n=0.97，则

p=pn3.0x0.97=2.91kW又因为1n=n-=3600x上=2000(r/min)1.8于是得到PT=9550000—2n22.91=9550000x—=13895(Nmm)2000(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2T——2d2x13895140=198.5(2x13895140=198.5(N)初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。取A0=112，于是得,,Pd=A3，—min。3n丫2=112x3：29!=13.69(mm)T2000考虑到安装皮带轮的内径，故取输出轴最小直径为25mm，即d「25mm。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p2为3kw,转速为2000r/min求轴上的功率p2和转矩T2P2=Pn=3X0.8=2.4(kw)一一P一一24T2=9.55X106n=9.55X106X^000=11460(N)求作用在轴端的力已得轴端的分度圆直径为d1=20mmf=奚=址60=1146Ntd120F=f^^^=1146Xtan200=417.75NRtcosrcos3.180

F=ftanY=1146Xtan3.180=63.67N圆周力F七,径向力F^和轴向力F心的方向如下图L=50mmL^=750™(3)求轴上的载荷FNV1+FNV2=FrMh=匕1L1=1074x50=46340(N•mm)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,Mv，Mh，列于下表。载荷水平面H垂直面V支反力Fnh1=1074NFnh2=72NFnv1=391NFnv2=26N弯矩MMh=46340N.mmM=19582N.mm总弯矩M=J463402+195822=50307N.mm扭距TT2=11470N(4)按弯矩合成应力校核轴的强度取a=0.6，轴上的应力计算。=.双jar)=(503072+(0.6x11470)2=14

caW0.1X703.轴的材料为45号钢，调质处理，查的[。』=60Mpa，因此o<[O「，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：d=2.92：(~^)2竺k*g]©a-0凤)u

HRR确定公式内的各计算数值1)初选载荷系数：K=2.0小齿轮传递转矩：11=9550x833/2000=3977.6(N・MM)选取齿宽系数：OR=1/31查得材料的弹性影响系数：ZE=189.8MPa2查得齿轮的接触疲劳强度极限：oHlim1=oHlim2=550MPa.应力循环次数：N1=60n1jLh=60x2000x1x(8x365x10)=3.5x109N2=N1/2=1.75x109查得接触疲劳寿命系数：KHNi=0.90，KHN2=0.95计算接触疲劳许用应力，取失效概率1%，安全系数S=1。[oH]1="hn1i谕i=0.9x550=495M尸a

=0.95X550=522.5MPa（2）计算1）=0.95X550=522.5MPa（2）计算1）计算小齿轮最小分度圆直径d=2.92：（l）2，叫、13［。h］虬1-0%»u=2.92(2x337921/3(10.5x3)22=73.54（mm）2）计算圆周速度umo=^L^=nx73.54x2000=7.6(m/s)m60x100060x1000计算载荷系数K=K人匕*^%=1x1.15x1x（1.5x1.25）=2.1564）按实际载荷系数校正所得的分度圆直径d=d=73.54xr'^i^=76.35(mm)11t3k32计算模数76.3545=1.69(mm)3.5.2按齿根弯曲强度设计设计公式：:4KTYYm>3（1）确定公式内的各计算数值1）查得弯曲疲劳极限bFE1=。FE2=38°MPa2）弯曲疲劳寿命系数。广％广您3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4t]=t]=%膈=您x38。=23o.7i（Mpa）F1F2S1.44）载荷系数KK=KAKKfK邓=1x1.15x1xG.5x1.25）=2.1565）齿形系数、应力校正系数Yf1=2.91，Ys1=1.53Yf2=2.45，Ys2=1.65YY6）计算大小齿轮的g1并加以比较F*=2.91xL53=0.01930tf230.71YY2.45x1.65Ea2S2==0.01752y]230.71F2（2）计算mJ―《—=L89mm3虬（1—0.58/Z：」u2+1气」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Z=J箜心1m2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Z=2x40=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几何尺寸计算计算分度圆直径d=zm=40x2=80(mm)d=zm=80x2=160(mm)计算锥距R=m<z：+z22/2=1.5x*02+802/2=72.9(mm)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8=arctan(z/z)=arctan(50/100)=26.565。5=90。一8=63.435。21齿顶高h=hm=m=2(mm)齿根高h=(h+c)m=1.2x2=3.6(mm)齿顶圆直径d1=《+2hcos8]=80+2x2xcos26.565。=83.6(mm)d2=d2+2hcos82=160+2x2xcos63.435。=162.81(mm)齿根圆直径d=d2hcos8=802x1.8xcos26.565。=76.8(mm)d=d2hcos8=1602x1.8xcos63.435。=158.37(mm)齿根角0=arctan(h/R)=arctan(1.8/72.9)=1.39。顶锥角5]=5/七=26.5650+1.390=27.955。52=52+七=63.4350+1.390=64.5250根锥角6广81—七=26.5650-1.390=25.17506f2=62-七=63.4350-1.390=62.04503.6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