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.doc
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
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机械毕业设计论文
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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,机械毕业设计论文
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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 号 2003373227 指导教师 王潍 二 OO 七 年 六 月 十 日 nts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 2003373227 设计题目 小型清雪车的总体设计和三维建模 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，在有些路段如坡道、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，主要是人工法，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计，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。 完成该部分的三维设计及二维装配图，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 图纸 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。 nts四、毕业设计进程安排 序 号 设计各阶段名称 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 毕业实习、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设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 、 大连铁道学院李晶 的硕士论文 小型旋转式清雪车的总体设计和三维绘图 、 QX700 型庭院清雪机的研制 、 Solid Edge15新增功能教程等。 设计开始日期 2007 年 3 月 17 日 指导教师： 王潍 设计完成日期 2007 年 6 月 10 日 系 主 任： 院 长： 2007 年 1 月 22 日 nts 小型清雪车的总体设计和三维建模 Overall Design and 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 nts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，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 nts ABSTRACT After analyzing the various means of snow-clearings in the world at present, the project of a sort of mini snow-blower fit for China is put forward in this paper. Based on the theory study and applied structural design, the three-dimensional solid model and planar drawing have be completed with Solid Edge engineering software, which can offer an entire technical data and engineering drawings for producing factory. This paper first analyse the physical and mechanical properties of snow compaction on the road, then access to a lot of information about this equipment at home and abroad. Design calculations and institutional innovation is based on the result which has been researched. All this information has provided an important theoretical basis for the design calculations and institutional innovate in this paper. On the basis of analysis structure and design theory of the large rotary Snowremoveing machine, arm to the characteristic of snowremoveing in the national company, Mini Snow-blower is deeply reseached and consummated in this paper. Mini Snow-blower is designed. Overpass the research and analysis of mini Snow-blower nowadays,we realize that the equipment nowadays can carry out the functions of collecting,carrying and throwing snow.But there are some disadvantages,for e example, the manipulation is discommodiousness,the efficiency of snow removing is low. Refering to the foundation of the academic researches nowadays, contraposing the deficiency of mini Snow-blower , we devise a type of mini Snow-blower which with impeller, worm inside and twist collect equipment. Mostly parameters, blue print of drive and modality of structure are ensured.All complications are calculated during design.The shrowing equipment is finite element analysisd which is pivotal part in mini Snow-blower.The principium of ergonomics is applied too,the height of handrail can be accommodated. Manipulations get more comfortable.A complete set of banausic structures are brought forward.The magnitude of this equipment is moderate. Manipulation is convenience. Appearance is beautiful. During the designing and ploting, the three-dimensional solid model, planar drawing and finite element analysis have been completed with Solid Edge engineering software. A complete set of data is provided for the national companies which manufacture this mini Snow-blower. KEY WORDS： Mini snow-blower, Experimental verification, Finite Element Analysis , Ergonomics nts- i - 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 选题的意义 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.3 本文主要任务 . 2 第二章 小型清雪车的总体方案研究比较 .3 2.1 总体方案的几种组合及比较 . 3 2.2 小型清雪车工作原理简 述 . 3 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 .7 3.1 带传动计算 . 7 3.2 蜗杆传动计算 . 8 3.3 轴承寿命计算和润滑方式的选择 . 11 3.3.1 寿命计算 . 11 3.3.2 润滑方式的选择 . 13 3.4 轴的校核 . 13 第四章 三维造型、人机工程学应用和有限元分析 .15 4.1 三维造型 . 15 4.1.1 小型清雪车整体造型 . 15 4.1.2 工作部分造型 . 15 4.1.3 行走部分造型 . 16 4.2 人机工程学的应用 . 16 4.3 有限元分析 . 17 第五章 结论 .20 5.1 设计完成情况 . 20 5.2 结论 . 20 参考文献 .21 致 谢 .22 nts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nts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，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、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)应用人机工程学原理进行优化设计，对主要部件进行有限元分析。 nts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 - 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。 2.2.2 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nts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，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： 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 / 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 7.5 410 kg 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： mgh t 7.5 410 kg 10N/kg 4m 3600s=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： 20Nm 2 3.14 10r/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 kg 10N/kg 0.2 1m/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 mm 70 55 活塞排量 cc 211 原动机 传动装置 车架 行走装置 抛雪 装置 集雪 装置 积雪 nts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 - 5 - 发动机转速 r/min 3600 功率 Kw 3.6 起动方式 手拉起动 /电起动 油箱容量 L 2.5 净重 kg 27 外形尺寸 mm 332 384 416 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. 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： nts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 - 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。 nts济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 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 P=3.6Kw, i=1.8 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 P=1.0 3.6Kw=3.6Kw 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 由caP=3.6Kw,小带轮转速 1n =3600r/min,选择 A 型带。 3确定带轮的基准直径1dd和2dd1 ) 初选小带轮的基准直径1dd=80mm， 则大带轮的基准直径2dd=i1dd=1.8 80=144mm 查表取2dd=140mm 2 ) 验算带速 V=11ndd=3.14 80mm 3600r/min=15.072m/s 35m/s, 4 确定中心距 a 和带的基准长度dL根据 o.7(1dd+2dd)0a 2(1dd+2dd)得 初步确定 a=300mm, 基准长度 =948.4mm 公式（ 3-1） 取dL=900mm 实际中心距 a=0a+ =275.8mm 5 验算主动轮上的包角 1 1 =180 -57.5=167.49 120 包角合适。 6 确定带的数 z a dd dd )( 12 0222210 4)(2)(2addddaL ddddd 2dd LL nts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0P=1.64；0P=0.5；K=0.98；LK=0.87, 则 z=1.82 取 z=2 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型带额定功率的增量。 7 确定带的预紧力0F公式（ 3-3） 带入数据计算得0F=115.33N 8 计算带传动作用在轴上的力pFpF=2z0Fcos 2/ =2z0Fcos( /2 1 /2) =2 2 115.33N sin(167.49 /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 P=1.6Kw ， 寿命hL=10000 小时， 传动比 12i =8， 输入转速 1n =2000r/min。 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 45 55HRC。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 。 20 )15.2(500 qvKzvPF ca LKKPPcaP)( 00 nts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 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K=1，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VK=1.05；则 K=K AK VK=1 1.15 1.05=1.21 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 /a=0.35，取Z=2.9。 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=0.8963 268MaP=240 MaP。 6)计算中心距 223)(HE ZZKT 2262 1055.9 nPT 1216 /1055.9 in P 8m in /2000 9.06.11055.9 6 rKw 72 104.2100008200016060 hLjnN8963.0104.2 10 778HNKnts济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 10 - 取中心距 a=63mm，因 i=8,取模数 m=2，蜗杆分度圆直径 1d =22.4mm， 这时 1d /a=0.355，查得接触系数 Z=2.8Z，因此以上结果可用。 4 蜗杆与蜗轮的主要参数和尺寸计算 1） 蜗杆 轴向齿距ap= m=3.14 2=6.28mm； 直径系数 q=10； 齿根圆直径1fd= )(21 cmhd a =22.4-2(1 2+0.25 2)=17.4mm； 分度圆导程角 =28 10 43； 蜗杆轴向齿厚as= 2) 蜗轮 蜗轮齿数 2z =51；变位系数 2x =+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 2d =m2z =2 51=102mm； 蜗轮喉圆直径2ad= 2d +22ah=102+2 2 (1+0.400)=107.6mm； 蜗轮齿根圆直径2fd= 2d -22fh=102-2 2（ 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 mmmma 77.53)240 9.2160(3 4 3 8 021.1 23mmm 14.321 5.865112 zzi25.68 85.8 mmdar ag 2.96.1 0 7216321 22 FFaF YYmdd KT 221253.1465.74)18.28( c os 51c os 3322 zz vnts济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 11 - 根据 2x =+0.400，2vz=74.465，查得齿形 系数2FaY=2.12。 螺旋角系数 许用弯曲应力 FNFF K 查得 ZCuSn10P1 制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 F =56MPa。 寿命系数 F =56 0.702=39.340MPa 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/T10089 1988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hLh 10000 。所受的径向力 rF 为带轮作用在轴上的力 pF =458.59N。 NnPT 3.166748.1360097.06.31055.91055.9 66 圆周力 Nd TF t 59.231144 3.1667422 2 图 3-1 7987.0140 18.2811401 Y702.0104.2 10 769FNKM P aF 584.237987.012.221024.22 3438021.153.1 nts济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 12 - 图 3-2 1求两轴承受到的径向载荷 1rF 和 2rF 将轴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 vrF1=vrF2=2rF=2458.59=229.3N HrF1 = HrF2 =2tF = 259.231 =115.8N 则 1rF = NFF Hrvr 88.2561212 2rF = NFF Hrvr 8.2562222 轴向上没有受力，所以 021 aa FF2求轴承的当量动载荷 1P 和 2P 因为 011 raFF 1e 022 raFF 2e 式中 1e 、 2e 为判断系数 ，其值大于 0。 则对轴承 1 11 X 1Y =0 对轴承 2 12 X 2Y =0 3验算轴承寿命 由于轻微冲击，取pf=1.1 NFYFXfP arp 88.2 5 6)( 11111 NFYFXfP arp 88.256)( 22222 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 C=19.5kN,则轴承寿命为： hPCnL h 7310616 105.1)88.2 5 61 9 5 0 0(2 0 0 06010)(6010 hLh 10000故满足要求。 nts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 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 16 410 。 对于此对轴承 dn=30mm 2000r/min=6 410 16 410 。 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求蜗杆轴上的功率 2P 和转距 2T 2P =P =3Kw 0.8=2.4Kw N m mnPT 114602000 4.21055.91055.9 6262 2求作用在蜗杆上的力 已知蜗杆的分度圆直径 1d =22.4mm 而 122dTFt = N6.5114.22114 60 NFF ntr 5.18618.3c os 20t a n6.511c ost a n NFF ta 4.2818.3t a n6.511t a n 圆周力tF、径向力 rF 和轴向力aF的方向如下图所示： 图 3-3蜗杆受力示意图 nts济南大学毕业设计 第三章 小型清雪车的设计计算及校核 - 14 - 其中 1L =50mm , 2L =465mm。 3 初步确定轴的最小直径 轴的材料是 45钢，调质处理。取0A=112，于是得 mmnPAd 9.112000 4.2112230m 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、 HM和VM列于下表。 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F 1NHF =462N 2NHF =50N 1NVF =169N 2NVF =18N 弯矩 M HM =23100Nmm 1VM =8450Nmm 2VM =8132Nmm 总弯矩 1M = 22 845023100 =24597Nmm 2M = 22 813223100 =24490 扭矩 T 2T =11460N 表 3-1 5.按弯扭合成应力校核轴的强度 取 =0.6,轴上的计算应力 M p aW TMca 45.7701.0 )114606.0(24597)( 3 222212 轴的材料为 45 钢， 调质处理，查得 1 =60MPa。 因此ca 1 ，故安全。 nts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 4-1 4.1.2 工作部分造型 图 4-2 nts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 - 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nts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 - 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 kPa 2. 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 1 3. 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 Nastran 4. 应力结果 类型 范围 值 X Y Z Von Mises 最小值 1.166e+001 kPa 50.00 mm .00 mm -25.00 mm nts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 - 18 - 应力 最大值 2.028e+005 kPa 4.42 mm 32.42 mm -34.54 mm 图 4-5 5. 位移结果 类型 范围 值 X Y
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