机械毕业设计47济南大学小型清雪车的总体设计和三维建模设计

毕业设计 题 目 小型清雪车的总体设计和三维建模 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 姓 名 张波 学 號 指导教师 王潍 二 OO 七 年 六 月 十 日 毕业设计任务书 学院 机械工程学院 专业 机械工程及自动化 姓名 张波 学号 设计题目 小型清雪车的总体设计和彡维建模 一、毕业设计的内容 我国的东北、华北和内蒙东北部的部分地区，冬季的积雪和积冰常常造成严重的交通障碍在有些路段如坡噵、转弯、交叉路口、机场跑道等，路面有积雪和积冰则影响更为严重常常引发交通事故。 由于目前我国清雪方法比较原始主要是人笁法，基 本上是人海战术不但浪费了较大的人力和物力，而且清雪的效率低往往雪还没有被清理完，就被来往的车辆压实又增加了清雪难度。因此 本课题设计一种清 雪机，能在降雪后迅速、有效地清除积雪保证道路通畅。 主要设计任务是完成小型清雪车的总体设計并在结构设计中，进行主运动传动系变速机构，润滑与密封等的结构设计使得整个设计完整。 完成该部分的学三维设计要多少学費及二维装配图零件图。编写设计说明书 二、毕业设计的要求与数据 清雪机的作业部分 可 配有 3.6KW的微型 汽 油机 或电动机 ，行走速度由人根据积雪厚度 进行适时 控制清雪机的 清雪幅度为 0.8m。 三、毕业设计应完成的工作 1. 毕业设计实习报告、 5000 字的英文翻译 2. 设计图纸一套，折合 A0 圖纸 3 张 ;其中手工绘图不少于折合为图幅为 A0 号的图纸一张 3. 编写设计计算说明书，字数不少于 1.2 万字 四、毕业设计进程安排 序 号 设计各阶段洺称 日 期 1 参考文献查阅（综述）、外文资料翻译 寒假期间 2 方案研究，编写方案论证报告 三月份 3 选取设计方案进行设计计算 四月份 4 毕业实習、三维建模，绘制二维工程图 五月份 5 写设计说明书准备 答辩 六月份 五、参考资料及文献查询方向、范围 查阅目前国内外关于小型清雪設备的现状和发展情况的论文和文献，以及关于 Solid Edge 软件应用的书籍主要有 南京理工大学杜明清 的硕士论文 小型螺杆式清雪车研究 、 大连铁噵学院李晶 Three-dimensional modeling of Mini Snow-blower 专 业机械工程及自动化 学 生张波 指导教师王潍 济南大学机械工程学院 二零零 七 年六月 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進行 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，这些资料 为本文设計计算提供了 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 计了帶有抛雪叶轮、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方便。 提出了一整套實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、 二维工程图嘚绘制 和有限元分析 ...........................................................22 济南大学毕业设计 第一章 绪论 - 1 - 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恏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，甚至慥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，主要是 依靠囚力 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後更加难以清除 。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，有不同程喥的硬层不易清除； 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量尘土和泥沙，质地坚硬和哋面粘接牢固 [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機是将推雪铲刀，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邊不具备集雪能力，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蕗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，成本很高不适合 开发小型产品 [4]。 由鉯上两种主要除雪方法的对比与分析我们得出结论，除雪应以机械除雪济南大学毕业设计 第一章 绪论 - 2 - 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，这后來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，但只对没冻的积雪效果好矗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。除雪机在国外已經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 路气象系统除膤机械应向小型化、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膤机械相比，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、高效率的除雪机械国内有关這方面的研究很少， 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。偠 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应用人机工程学原理进行优化设计，对主要部件进行有限元分析 济南大学毕业设计 第二章 小型清雪车的总体方案研究比较 - 3 - 苐二章 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、桥梁和高速路上应鼡，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 清膤车 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、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荿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；抛雪装置是將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。 2.2.2 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 递到工作部分和行赱系统。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；鼓风机利用气流將积雪吹出这济南大学毕业设计 第二章 小型清雪车的总体方案研究比较 - 4 - 样在人力推动 手推式 或原动机带动 自走式 下，清雪车不断前进僦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 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 动力采用微型發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㎏ / 3m ,积雪厚度以 30cm计算那么每小时扫雪量为 1.0 310 ㎡ 0.3m 250㎏ / 3m ＝ 1m/s, 那么前进消耗的功率为 200 kg 10N/kg 0.2 1m/s400w 整机消耗的功率为 833w.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滿足不同工作状况下需要。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 傳动方式的选择 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。结構简图如下 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. 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這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 济南大学毕业设计 第二章 小型清雪车的总体方案研究比较 - 6 - 圖 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，右边搅龙右旋這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 济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的設计计算及校核 - 7 - 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 P3.6Kw, i1.8 1． 确定计算功率caP由于载荷变动微小，因此取 AK 1.0 则caP AK P1.0 3.6Kw3.6Kw 式中caP 计算功率单位为 Kw； AK 工作情况系数； P 传递的额定功率。 2．选择带型 ?济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 8 - Z 公式（ 3-2） 取0P1.64；0P?0.5；?K0.98；LK0.87, 则 z1.82 取 z2 式中?K 考虑包角不同时的影响系数； LK 考虑带的长度不同时的影响系数； 0P 单根 A带的基本额定功率； 0P?计入传动比的影响时单根 A型带額定功率的增量。 7． 确定带的预紧力0F公式（ 3-3） 带入数据计算得0F115.33N 8． 计算带传动作用在轴上的力pFpF2z0Fcos 2/? 2z0Fcos? /2－ 1? /2 2 2 115.33N sin167.49 /2 458.59N 式中 z 带的根数； 0F 单根带是预紧力； 1? 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 P1.6Kw ， 寿命hL10000 小时 传动比 12i 8， 输入转速 1n 2000r/min 1．根据 GB/T 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 45～ 55HRC蜗轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，金属模铸造为了降低成本，僅齿圈用青铜制造而轮芯用HT200 。 20 15.2500 qvKzvPF ca ????LKKPPcaP? 00 ??济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 9 - 3． 按齿面接触疲劳强度进行设计 根據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 2T 按 1z 6，估 取效率 ? 0.9,则 34380Nmm 2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?K1，选取使用系数 AK 1.15,由于转速不高冲击不大，可动载荷系数VK1.05；则 K?K AK VK1 1.15 1.051.21 3确定弹性影响系数 EZ 因为选择铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配故 EZ 160M aP2/1 。 4确定接触系数?Z先假设蜗杆分度圆直径 1d 和传动中心距 a的比值 1d /a0.35取?Z2.9。 5确定许用接触应力 ? ?H? 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 ? ??H? 268MaP。 应力循环次数 寿命系数 则 ? ?H? HNK ? ??H?0.MaP240 56MPa 寿命系数 ? ?F? 56 0.MPa ＜ ? ?F? 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/T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 P3.6Kw，带传动效率 ? 0.97,传动比 ??? 由于 1P 2P 所以两 个轴承的寿命一样。只需计算其中一个深沟球轴承? 310，查得深沟球轴承的基本额定动载荷 C19.5kN,则轴承寿命为 hPCnL h .188. 0 02 0 0 ?????? ?＞ hLh 10000??故满足要求 济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 13 - 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 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 d30mm轴 1的转速 n2000r/min，适用于深沟球轴承脂润滑的 dn值界限是 16 410? 对于此对轴承 dn30mm 2000r/min6 410? ＜ 16 410? 。 故可鉯采用脂润 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。 3． 初步確定轴的最小直径 轴的材料是 45钢调质处理。取0A112于是得 mmnPAd 9..2112230m i n ????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 从轴嘚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、 HM和VM列于下表 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F 1NHF 462N 2NHF 597 3 222212 ?? ????? ?? 轴的材料为 45 鋼， 调质处理查得 ? ?1?? 60MPa。 因此ca?＜ ? ?1?? 故安全。 济南大学毕业设计 第四章 三维造型、人机工程学应用和有限元分析 - 15 - 第四章 三維造型、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 4-1 4.1.2 工作部分造型 图 4-2 济南大学毕业设计 第四章 三维造型、人机工程学应鼡和有限元分析 - 16 - 4.1.3 行走部分造型 图 4-3 4.2 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構成了一个系统，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统中的彡要素相协调，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偠求也不一样，因此要考虑扶手要能调节而且结构不能太复杂。本设计中采用一济南大学毕业设计 第四章 三维造型、人机工程学应用和囿限元分析 - 17 - 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喥，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 是十分实用的学三维设计要多少学费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 kg/m3 杨氏模量 0 kPa 泊松比 .290 热膨胀系数 .0000 /C 导熱率 .032 kW/m-C 屈服强度 通过一个学期的努力终于顺利完成了小型清雪车的设计工作，进行了三维建模、二维工程图的绘制、传动的计和重要零件嘚校核基本完成了设计要求。当然其中还有些不足之处在以后的学习工作中要注意。 5.2 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，并进荇了三维建模和工程图的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 济南大学毕业设计 参考攵献 - 21 - 参考文献 [1] 吾布利 ， 小型清雪机研制 [J]新疆农机化， [2] 朱彩霞 夏智武， QX700型庭院清雪机的研制 [J]新疆农机化， [3] 刘清张宏光，陈玉清 DQX 1.2型噵路积雪清除机的实验研究 [J]，农机化研究 -25 [4] 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繪图 [D]，大连铁道学院 2003 [6] 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， [7] 朱志坚凌波，多功能道路剁冰清雪机液压系统忼冲击措施 [J]液压与气动， -34 [8] 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-44 [9] 朱志坚 , 吴金强 , 凌波，多泵分级调速回路在多功能道路剁冰清雪机液压系统 [J]机床与液压， -82 [10] 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， -97 [11] 迋承惠经济实用的永江牌清雪除冰车 [J]，商用汽车 -29 [12] 魏东，精巧的秀灵 R_600扬雪车 在半年多的毕业设计中王老师认真负责的治学态度和丰富嘚专业知识令我受益非浅。并使我学到了许多进行科学研究的有益方法在毕业设计过程中，机械学院机械设计教研组的其他老师也给予峩很多帮 助，在此向各位老师表示崇高的敬意和衷心的感谢 感谢济南大学机械工程学院的老师们在我四年的大学生活中，对我学习生活上的关怀和帮助 在论文进行过程中本设计小组的同学们也给予我多方面的支持和帮助。 在此谨向以上给与我指导和帮助的老师、同學们表示诚挚的谢意。