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铲雪车结构设计【货车配套除雪铲设计】,雪车,结构设计,货车,配套,设计
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大学 开 题 报 告 题 目 铲雪车结构设计及仿真分析 指 导 教 师 院（系、部） 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期 2018年 4月 29 日 教务处印制 （一）. 目的、意义冰雪灾害，是指因长时间大量降冻雨或降雪造成大范围积雪结冰成灾的自然现象。随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生冰雪灾害的危险性也在增多， 其危害性也越来越大。我国北方大部分地区，每年有35个月的降雪期，道路积雪给交通运输及人民日常生活带来许多不便。尤其冻结在道路上的积雪与薄冰，采用传统除雪机用推刮的办法无法清除，为此不得不耗费大量人力物力进行人工铲除。采用机械方法清除是一项急需解决的难题。本次设计方案旨在通过研究分析设计研发一款功能全面，结构简单的除雪设备。并且采用了避让装置减少对除雪车和路面带来的破坏。在环境不受破坏的前提下，提高了除雪效率。（二）. 研究现状近几十年来，国外除雪车发展非常迅速，种类越来越多，各生产厂商在采用新技术、新材料、新工艺的同时，不断提高产品竞争力。目前，国外除雪车的主要发展趋势如下：（1）开发高性能专用底盘。普通采用液力距器、动力换挡装置和全自动电液控制系统。 （2）研发配置于普通底盘的除雪属具，提高机器的使用效率，拓宽机器的使用范围。研制高效的消除坚硬冰雪装置、拓宽作业装置、滑雪装置、高雪堤处理装置、药剂撤布装置等多种作业装置、并对已有除 雪装置结构、铲板形状、除雪切入角、叶片形状的进化优化设计，使除雪属具结构简单、受力合理、操作方便、提高使用寿面、经济性和安全性（3）研制具有仿形能力的 避让机构，保护路面及除雪工作装置，提高除雪车的路面适应能力，向高速度、智能化、机电液一体化方向发展。（4）国外很重视除雪车的工作对象雪的研究。为了提高设计水平，他们对雪的物理性质进行较深入的研究。他们认为只有掌握了雪的特性，才能在设计上充分利用理论进行指导，摆脱目前主要靠实验校核机械性能的做法。我国除雪技术研究起步较晚，始于20 世纪 80 年代后期，相关研究单位主要集中在东北、西北河华北地区，先后有几十种型号的除雪车研制成功。最近几年，一些厂家参照国外的先进技术，研制出适合我国除雪作业急需的犁板式和转子式除雪车以及拖式撒盐车等车型，但与世界先进国家除雪车发展相比，产品数量及性能差距较大，远不能满足道路除雪要求。随着我国经济的快速发展和高等级公里的不断增加，开发适合我国多雪地区的除雪车，加强对冰雪性质和除雪机理的研究，建立完善的道路气象信息系统十分必要。一、选题的目的、意义和研究现状二、研究方案及预期结果。（一）. 设计方案或论文主要研究内容（1）熟悉和掌握铲雪车的发展现状以及铲雪车的分类。（2）比较几种主要的铲雪车在实际工作的优缺点。（3）确定浮雪铲的基本参数。（4）选择合理的液压控制系统。总之，本设计旨在设计一种结构简单，寿命长，价格合理的铲雪设备，通过查阅数据文献以及实践调查将铲雪车的实际应用进一步进行推广。（二）. 主要解决的问题、理论、方法、技术路线首先，通过查找书籍、论文资料，了解铲雪车的结构分类以及工作原理；其次，综合考虑各种因素确定浮雪铲的基本结构以及外形尺寸，最终依据选择的除雪铲结构以及参数 确定合理的液压控制系统。（1）除雪车的分类与特点 除雪车由清雪工作装置和机动车底盘两个部分组成。分类方法主要有两种：一种是按工作装置的特点分类；另一类是按工作装置与机动车底盘结合的整机结构特点分类。本次设计以犁板式除雪车为基础。（2）除雪铲的设计 确定除雪铲的铲板铲形、铲板宽度、以及雪铲材料等参数。（3）液压控制系统的设计 依据切削参数选择合理的偏转油缸以及升降油缸。技术路线查阅相关资料了解设计对象确定铲雪车的初始参数除雪铲力学模型及参数计算除雪铲结构设计拉伸弹簧的设计计算弹性避障装置设计液压缸的设计计算液压泵的选择除雪铲二维图绘制三维建模及装配除雪铲运动仿真及有限元分析完成设计及书写说明书（三）. 论文框架1绪论1.1 铲雪车的基本概念1.2 铲雪车的分类与特点1.2.1 犁板式铲雪车1.2.2 转子式铲雪车2 铲雪车的总体结构设计2.1 铲雪车的基本结构2.2 选择专用除雪装置2.3 除雪装置的性能2.4 除雪装置布置2.5 专用底盘的选择3 除雪铲铲板空间曲面设计3.1 相关概念及名词解释3.2 除雪铲铲板曲面结构参数选择3.2.1 除雪铲铲板空间形状选择3.2.2 除雪铲铲板切削刃参数选择3.3 除雪铲材料3.4 除雪铲的力学模型及计算3.4.1 除雪阻力计算3.4.2 行驶阻力计算3.5 切线牵引力计算3.6 除雪所需功率的计算3.7 发动机功率校核3.8 本章小节4 除雪车弹性避让装置4.1 弹性避让装置概述4.2 避让装置的选择4.3 圆柱螺旋拉伸弹簧的设计4.4 本章小结5 除雪装置液压系统设计5.1 液压系统概述5.1.1 液压系统组成及作用5.1.2 液压传动的工作原理5.2 液压泵的种类5.2.1 齿轮泵结构和工作原理5.2.2 齿轮泵基本参数的选择5.3 液压缸的设计计算5.4 本章小结6 运动仿真分析6.1 除雪铲零件建模6.2 除雪铲各零部件装配6.3 除雪铲运动仿真6.4 除雪铲切削刃应力分析致谢参考文献附录A附录B（四）. 预期结果绘制工程图纸5张（装配图1张A0，零件图4张A2）编写设计计算说明1份翻译相关外文文献1篇三、研究进度第1周第4周：毕业实习第5周：撰写开题报告，进行开题答辩。第6周第7周：查阅已有资料，确定设计方案。第8周第9周：除雪铲主要性能参数的选择及分析计算。 第10周第11周：液压控制系统性能参数的选择分析计算。 第12周第13周：绘制装配图、零件图等。 第14周：对设计进行修正与优化。第15周：整理设计资料，打印输出，提交设计资料。第16周：准备答辩，论文评阅，毕业设计答辩。四、主要参考文献1汽车工程师手册编委会.汽车工程师手册设计篇Z.北京:人民交通出版社，20012余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社，20063王望予.汽车设计M.北京:机械工业出版社，20044刘惟信.汽车设计M.北京:清华大学出版社，20005龚寒微.汽车现代设计制造M.北京:人民交通出版社，19996过学迅.汽车设计M.北京:人民交通出版社，20067王慧.液压与气传动M.沈阳:东北大学出版社，2011.8张强.工程车辆M.北京:北京理工大学出版社，2015.9卞学良.专用汽车结构与设计M.北京：机械工业出版社，2014.10 Sakai, T. et al.(1993): Evaluation method for road snow removal cost, Journal of the Japan Society of Snow and Ice, Vol. 55, No. 4, pp. 327-334.五、指导教师意见 指导教师签字： 中文题目：铲雪车结构设计及仿真分析外文题目：STRUCTURAL DESIGN AND SIMULATION ANALYSIS OF A SNOWSHOVAL毕业设计（论文）共 78 页（其中：外文文献及译文29页） 图纸共5张 完成日期 2018年6月 答辩日期 2018年6月摘要我国北方大部分地区，每年有4个月左右的的降雪期，道路积雪给百姓出行带来许多不便。尤其是高速公路、机场等需要大面积清除积雪的场合。采用机械方法清除是一项急需解决的难题。本文主要介绍了铲雪车的功用、发展历史以及发展趋势，阐述了铲雪车的几大分类及其各自的优缺点；本着结构简单、实用性强、低成本的宗旨选择合理的除雪铲结构；对除雪铲的外形以及尺寸进行设计，并选择满足其强度的材料。除雪铲具有一定的越障能力，采用双摇杆机构并对对除雪铲拉伸弹簧进行设计。雪铲采用液压系统为驱动元件，经过计算结果设计出满足要求的升降以及偏转液压缸，最后用CAXA绘制装配图零件图并且利用solidworks进行三维建模并进行仿真，对除雪铲进行应力分析。关键词：铲雪车；除雪铲；拉伸弹簧；液压缸I AbstractIn most parts of northern China, there are about 4 months of snowfall every year. Road snow brings many inconvenience to the people. Especially for expressways, airports and so on. Mechanical removal is an urgent problem.This paper mainly introduces the function, development history and development trend of the shovel snowcart, expounds several categories of the snowshovel and its advantages and disadvantages, and chooses the reasonable structure of the snow shovel in the light of simple structure, strong practicality and low cost, and designs the shape and size of the snow shovel and chooses to meet its strength. Material Science.The snowshovel has certain obstacle surmounting ability, adopts the double rocker mechanism and designs the extension spring of the snow removing shovel. The hydraulic system is used as the driving element for the snow shovel. Through the calculation results, the lifting and deflection hydraulic cylinders are designed to meet the requirements. Finally, the two-dimensional drawing is drawn with CAXA and the 3D modeling and simulation are carried out by SolidWorks, and the stress analysis of the snow shovel is carried out.Key words: snow shovel; snow removing shovel; stretching spring; hydraulic cylinder. 目录1绪论11.1 铲雪车的基本概念11.2 铲雪车的分类与特点11.2.1 犁板式铲雪车11.2.2 转子式铲雪车22 铲雪车的总体结构设计32.1 铲雪车的基本结构32.2 选择专用除雪装置32.3 除雪装置的性能32.4 除雪装置布置32.5 专用底盘的选择53 除雪铲铲板空间曲面设计73.1 相关概念及名词解释73.2 除雪铲铲板曲面结构参数选择83.2.1 除雪铲铲板空间形状选择83.2.2 除雪铲铲板切削刃参数选择93.3 除雪铲材料93.4 除雪铲的力学模型及计算103.4.1 除雪阻力计算103.4.2 行驶阻力计算133.5 切线牵引力计算143.6 除雪所需功率的计算143.7 发动机功率校核153.8 本章小节154 除雪车弹性避让装置164.1 弹性避让装置概述164.2 避让装置的选择164.3 圆柱螺旋拉伸弹簧的设计174.4 本章小结205 除雪装置液压系统设计215.1 液压系统概述215.1.1 液压系统组成及作用215.1.2 液压传动的工作原理225.2 液压泵的种类225.2.1 齿轮泵结构和工作原理235.2.2 齿轮泵基本参数的选择245.3 液压缸的设计计算255.4 本章小结316 运动仿真分析326.1 除雪铲零件建模326.2 除雪铲各零部件装配376.3 除雪铲运动仿真376.4 除雪铲切削刃应力分析40结论46技术经济性分析47致谢48参考文献491 绪论1.1 铲雪车的基本概念在我国北方大部分地区，每年有3个月左右的降雪时间，最北部地区每年有将近半年时间被积雪覆盖。如何快速有效的除去积雪是北方地区居民面对的重要问题。对于小面积积雪可采用手动除雪的方式，但对于路面、机场等大面积积雪来说，人工除雪效率低下，必须采用机械设备进行除雪作业，主要是利用铲雪车进行除雪。近年来，国内除雪领域发展迅速，各式各样的铲雪车不断出现。各个机械生产厂家都在积极发展技术，不断提高自己产品的竞争力。铲雪车一般是将除雪装置即除雪铲安装在小型货车底盘上，利用汽车发动机推动除雪铲向前运动。除雪铲的铲板在工作时向右偏转30，不工作时能够将 提高，方便车辆高速移动。除雪铲动作一般依靠液压系统进行控制。为了提高除雪铲的工作效率，在工作时要有一定越障能力。现如今，铲雪车逐渐向高速化、智能化、机电液一体化方向发展。优化除雪装置的结构、降低除雪阻力、提高使用寿命是当前的主要研究目标。1.2 铲雪车的分类与特点铲雪车主要由除雪装置和车辆底盘两部分组成。由于除雪装置工作方式不同，可将铲雪车分为犁板式铲雪车以及转子式铲雪车两种。1.2.1 犁板式铲雪车犁板式铲雪车安装有一个犁板式除雪装置。其特点是除雪铲整体结构简单、工作效率较高、造价低、安装使用方便等一系列特点。犁板式铲雪车在进行除雪作业时，主要沿直线运动为主。犁板式除雪铲按照其结构可分为V型犁式、刮雪板式、侧翼板式以及单向犁式多种。下图1-1为单向犁式铲雪车。图1-1单向犁式铲雪车Fig.1-1 one way plow type snowcart1.2.2 转子式铲雪车旋切式除雪车的清雪装置结构比较复杂。装有抛雪转子的旋切式除雪车可将积雪抛出几十米远,适合厚积雪清除。旋切式除雪车分为压磙式、螺旋转子式、转子式等类型。下图1-2为转子式铲雪车。图1-2转子式铲雪车Fig.1-2 a rotor spade snowcar49 2 铲雪车的总体结构设计2.1 铲雪车的基本结构铲雪车的基本结构包括专用底盘和专用工作装置两部分。（1）专用车底盘 专用车底盘主要由车架、发动机、转向系、行驶系、制动系、液压控制系等组成，专用汽车底盘作用不仅安装汽车发动机及其各部件，重要的是安装专用工作装置，选择适当的专用汽车车底盘，对铲雪车的工作效率有着重要的帮助。（2）专用工作装置铲雪车的专用工作装置就是除雪装置，它包括工作装置、控制装置和执行装置三部分。它是铲雪车的灵魂，除雪装置的好坏决定了除雪车的工作效率和工作效果，因此除雪装置的选取和设计至关重要。2.2 选择专用除雪装置由于单向犁板专用除雪装具有结构简单、造价低、性能可靠、工作平稳等特点。选取合理的犁板曲面，选取合适的犁板行进角，可以获得更高的除雪效率。除雪作业时除雪车以直线运动为主，犁板式除雪车在除雪领域应用广泛，所以本课题也采用置这种专用除雪装置。2.3 除雪装置的性能除雪装置具有除雪和避开障碍物等两个功能，主要有以下几个要求。（1）除雪装置必须能清除厚度为100mm,密度为80kg/的新降雪。（2）除雪铲板必须具备左右摆动的功能，并且沿着除雪行进方向向右偏转30。（3）在进行除雪工作时，除雪铲越障高度应该为100mm左右。（4）铲雪车不工作时，除雪装置可被举升。为了能通过所有障碍，除雪装置被举升高度应在200mm左右。2.4 除雪装置布置铲雪车专用除雪装置布置图如图2-2图2-2除雪车雪铲布置图Fig.2-2 layout of snow shovel1、除雪铲 2、拉伸弹簧 3、除雪铲上连杆 4、前托架摇杆座 5、前托架 6、销轴 7、升降液压缸 8、除雪铲连接架 9、底盘大梁连接架 10、后托架举臂杆 11、后托架 12、转向液压缸 13、除雪铲下连杆 14、铲背摇杆座 图2-2中拉伸弹簧2用于吸收部分冲击载荷，在雪铲完成避让之后，迅速使雪铲复位，并使除雪铲铲刃贴紧地面。升降液压缸7铰接于除雪铲连接架8和举臂杆10上，作用是抬升除雪铲，最大升程可达到200mm。偏转液压缸12铰接于前托架与除雪铲连接架8之间，用于控制除雪铲的左右摆动。工作时，偏转液压缸推动前托架4与除雪铲1一起转过30，行程为100mm。而后用销轴和除雪铲连接架8固定，升降液压缸伸出，使除雪铲铲刃紧贴地面。除雪车的行进使积雪沿除雪铲铲板曲面作螺旋运动，最后积雪被推到道路右侧。2.5 专用底盘的选择铲雪车的工作效率受很多因素影响，不仅与除雪铲的结构有关，而且与所选用的专用地盘有重要关系。选择合适的机动车底盘，不仅能保持除雪稳定性，还能提高除雪效率。并且底盘必须与除雪铲完美配合才能使除雪效率提高。本课题的专用底盘采用东风汽车公司生产的东风天锦DFL1160BX5载货车底盘如图2-1。图2-1东风天锦载货车底盘Fig.2-1 Dongfeng truck chassis东风天锦DFL1160BX5载货车作为一款多功能载货车底盘。具有体积小巧、大功率、成本低等一系列特点。在车身加装区域预装了浮雪铲的安装点。东风天锦DFL1160BX5载货车还可以配备多种取力器和液压系统，方便了各种设计专用的安装和驱动力需要。东风天锦DFL1160BX5载货车的底盘参数见下表2-1。 表2-1是东风天锦DFL1160BX5载货车底盘参数Table.2-1 is the chassis parameters of Dongfeng Tian Jin DFL1160BX5 truck.轴距驱动形式发动机型号排量（ml）最大功率kw（hp）/rpm最大扭矩（Nm）/rpm底盘外形尺寸（mm）4700mm4*2ISDe210 406700155（194）/2200rpm810/1200-1600rpm高抗扭梯形大梁8600*2500*2870离地间隙轮距总质量（kg）整备质量（kg）近/离去角载荷分布（kg）轮胎最高车速前420mm/后423mm1800mm16000980520/186000/10000295/80 R2090km/h，除雪作用为30km/h3 除雪铲铲板空间曲面设计3.1 相关概念及名词解释（1）除雪宽度LB铲雪车在进行除雪作业时，除雪宽度是指在车辆前进方向上除雪铲能够清除的最大积雪宽度，即为除雪铲在除雪车前进方向上的最小投影宽度。不同种类的除雪车使用范围也不相同，对除雪宽度的要求也不尽相同。本次设计的除雪车主要应用于公路除雪，除雪宽度应当小于车道宽度。本次设计除雪宽度LB2500mm（2）切削角c切削角c是指在 车辆前进方向上除雪铲铲体与地面之间的夹角。如图3-1所示。随着铲雪车的前进，除雪铲刃在垂直作用力F的作用下，将积雪从地面剥离，积雪沿铲板曲面向上方运动，最后以一定的速度从除雪铲后端排出。切削角的取值大小影响除雪铲切削阻力。切削角c太小则切削刃厚度变薄，切削刃强度不够；切削角c过大，除雪铲切削阻力会明显变大。图3-1切削角和行进角示意图Fig.3-1 cutting angle and moving angle diagram（3）行进角铲体宽度方向与车辆行进方向所夹锐角为=12（F+R） (3-1)3.2 除雪铲铲板曲面结构参数选择 现如今大部分铲雪车都装配除雪铲进行除雪作业，除雪铲在进行除雪作业时工作效率较高，除雪铲安装在铲雪车底盘上，可通过螺栓进行连接，在使用过程中拆卸方便。除雪铲铲板的形状一般为空间曲面。3.2.1 除雪铲铲板空间形状选择（1）铲板铲形常用的除雪铲铲板形状有圆弧型、抛物线型、I类渐开线型、II类渐开线型（图3-2）四种，其中抛物线型和圆弧型的形状近似，两者的工作性能也很接近。图3-2除雪铲铲板形状Fig.3-2 snow shovel plate shape由于积雪颗粒之间结合力很小，在除雪铲的高速作用下从地面被剥离后会紧紧贴在除雪铲铲板上作旋移运动。铲板类型对切削阻力有很大影响的影响，表3-1。表3-1铲板类型对切削阻力的影响Table.3-1 The effect of the type of shovel plate on the cutting resistance铲板类型圆弧型抛物线型I类渐开线型II类渐开线型切削阻力28.528.52825.4由上表可知，采用II类渐开线型时，切削阻力最小。（2）铲板宽度铲雪车在工作时，除雪铲的行进角保持不变。行进角与除雪车工作时受到的除雪阻力、除雪铲的排雪性能以及总体除雪效率有很大关系。由相关实验数据可知，当除雪铲行进角在5060的范围内时，除雪效率最佳。除雪铲的偏转角为30，可由角度关系求出F=90-30=60，本次设计除雪铲两端尺寸相等，所以为60，行进角=12F+R=60。除雪铲在工作时，其宽度在铲雪车前进方向上的投影宽度应该大于车宽，并且除雪铲两端应比同侧车轮轮胎外边缘宽出约100mm左右。使除雪车在行驶过程中车轮不会碾压到积雪，避免行驶过程中车轮发生打滑。保证除雪车的工作效率。大部分公路车道宽度大约为3000mm左右，部分道路可以达到3750mm。所以铲雪车在设计时，除雪铲的宽度必须小于3750mm，避免对其它车道的车辆产生影响。在除雪时，除雪宽度LB应该满足LB1800+590+200=2590mm（汽车车轮最宽处 +轮缘距）。因此除雪铲板宽度必须大于L=LBsinF=2590sin60=2990mm，选取除雪铲铲板宽度B为3000mm。3.2.2 除雪铲铲板切削刃参数选择除雪铲切削刃以及除雪铲铲板是主要的工作部件。要使除雪铲具有良好的除雪效率，应对切削刃参数以及铲板进行分析。铲雪车除雪铲在工作时主要应对新降雪，新降雪的密度随着降雪结构、外部气候条件不同而发生变化，其密度一般在0.040.1g/cm3之间。对于积雪，一般认为除雪铲切削角C取30时切削刃强度、切削阻力以及切削效率最高。所以铲刃切削角C选择为30。切削刃厚度取20mm左右，除雪深度100mm。3.3 除雪铲材料铲雪车除雪铲在进行除雪作业时，铲板切削刃以及与其联接在一起的铲板是主要的除雪部件。除雪铲的切削刃是直接与积雪接触并切除积雪的部件，并且在工作过程中要与地面相互接触摩擦，所以切削刃必须具有足够强度、刚度以及耐用度。切削刃是除雪铲所有部件中最容易损坏的，在设计时必须考虑方便更换，所以它与铲板之间设计为可拆分段连接。除雪铲铲体的自重可增加作用于路面的压力，因此除雪车的除雪铲质量不宜太小。但考虑除雪阻力以及车辆行驶时车身稳定性，通常除雪铲的总质量范围在500800kg。除雪铲材质选择时不仅应考虑强度问题，同时考虑材料的价格因素，表3-2为常用钢材的力学性能。除连接零件外，除雪铲大部分零件材质选择Q235钢。而除雪铲切削刃由于要求强度较高，所以选取65Mn调质钢。表3-2常用钢材的力学性能和退火硬度Table.3-2 mechanical properties and annealing hardness of common steel钢号bMPabMPa退火硬度HBQ235375460235-4560035519740Cr52098020765Mn7354302293.4 除雪铲的力学模型及计算犁板式铲雪车的除雪阻力包括除雪铲受到的除雪阻力和车辆行驶阻力两部分。除雪铲所受的阻力Fp可由图3-4所示的坐标进行分解。zX前进方向YFa除雪铲FfFc除雪铲图3-4 单向推雪铲的受力坐标Fig.3-4 the force coordinates of a one-way snow shovel3.4.1 除雪阻力计算清雪铲所受到的阻力FP可由下式求得：FP=Ff+Fc+Fa (3-4)式中Ff除雪铲铲刃与路面间的滑动摩擦阻力，N； Fc分离积雪的切雪阻力，N; Fa积雪沿除雪铲铲板抛出时雪对铲板的作用力，N。Fp也可按图3.4行分解：Fp=Fpx+Fpy+Fpz (3-5)式中Fpx前进方向分力，N； Fpy侧向分力，N； Fpz垂直分力，N。按上述坐标对Ff、Fc、Fa进行分解则有：Ff=Ffx (3-6) Fc=Fcx+Fcy+Fcz (3-7) Fa=Fax+Fay (3-8)式中Ffx，Fcx，Fax前进方向分力，N； Fcy，Fay侧向分力，N；Fcz垂直分力，N。可分别计算除雪铲在三个坐标轴方向上所受阻力的代数和。前进方向上的阻力Fpx：Fpx=Ffx+Fcx+Fax Fpx=fMpg+Ssincsin2cos2c2+Sv2（1+0.18sin20.45sin2） (3-9)=0.17509.8+00.259sin30sin60cos2302+0.259808.32(1+0.18sin260-0.45cos260) =735+1460=2195N侧向阻力Fpy：Fpy=Fcy+FayFpy=Ssincsincoscos2c2+0.72Sv2sincos (3-10)=00.259sin60cos60sin30cos2302+0.720.259808.32sin60cos60=445N垂直方向阻力Fpz：Fpz=FczFpz=9.8Mp (3-11)=9.8750=7350.00N式中 f除雪铲铲刃与路面摩擦因数（取0.1）；Mp除雪铲总质量，kg（雪铲总质量为750kg）； S清雪断面积，（S=2.590.1=0.259）； 除雪铲的行进角，（行进角为60）； c除雪铲的切削角，（切削角为30）； 除雪铲的行进速度，m/s（为铲雪车的行进速度8.3m/s）；雪的密度，kg/（松散雪的密度为80kg/）；K铲刀口形状系数（前铲K=1）; 新雪的平均抗断应力，=0MPa.3.4.2 行驶阻力计算行驶阻力Fm由下式求得：Fm=Fa+Fr+Fi+Fj式中 Fa空气阻力, N;Fr滚动阻力, N；Fi上坡阻力，N;Fj加速阻力，N;即Fm=aAv2+rM1cos+M1sing+a(M+M) (3-12)式中 a空气阻力系数（东风天锦DFL1160BX5载货车取值0.6）；A犁板式铲雪车正面投影面积，；犁板式铲雪车与空气的相对速度，km/h；r滚动阻力系数（=0.025）；M铲雪车总质量，kg；M1铲雪车的有效质量，kg，M1=M-Mp；道路坡度角；a加速度，m/；M犁式除雪车旋转部分回转当量，kg。犁板式铲雪车除雪时除雪阻力受到多方面的影响，采取一般汽车的行驶阻力计算方法时，计算过于复杂，所以采用经验公式（3-13）进行估算： Fm=9.8NRS=9.851.740.25980=10506N (3-13)式中：NR除雪阻力比，m（NR=0.0942-2.44+65.5=51.74）； S除雪时积雪的断面面积，（S=0.259）； 雪的密度，kg/（松散雪的密度为80kg/）；铲雪车进除雪作业时，受到的总阻力Fs包括除雪铲所受的阻力Fp和汽车行驶阻力Fm，对Fs进行分解，分解为前进进方向、侧向以及垂直方向三个分力。前进方向分力 Fsx=Fpx+Fm=2195+10506=12701N （3-14)侧向分力 Fsy=Fpy=445N (3-15)垂直方向分力 Fsz=Fpz=7840N (3-16)3.5 切线牵引力计算切线牵引力是指在发动机的牵引作用下，车辆受到来自于地面且方向沿着行驶方向且平行于地面的总推力。积雪路面所能提供的最大附着力可由下式求得：F=Mg-Fpz=0.35167509.8-7350=54880N (3-17)式中附着系数，一般为0.250.35,取0.35。因此，作用于行走机构的最大切线牵引力为Fkmax=F=Mg-Fpz=54880N (3-18)铲雪车在进行除雪作业时，其最大切线牵引力必须大于等于总的除雪阻力，即Fkmax=54880NFsx=12701N (3-19)3.6 除雪所需功率的计算除雪功率P由下式求得：P=FsxV (3-20) =127018.30.9 =117131W117KW式中 P除雪功率，KW； Fsx前进方向的总除雪阻力，12701N; 行走速度，30m/s； 传动效率，取=0.90。3.7 发动机功率校核通过计算可知FkmaxFsx，本除雪车采用的东风天锦载货车底盘发动机的功率为155KW，远大于除雪需要的功率117KW，满足设计需要。3.8 本章小节本铲雪车的除雪铲采用II类渐开线型铲板，除雪铲切削阻力较小。除雪铲铲刃切削角为30，切削刃厚度为10mm；在进行除雪作业时除雪铲行进角为60，除雪铲高度为1100mm，除雪铲铲板宽度为3000 mm，铲雪车进行除雪作业时，选取的汽车底盘牵引力满足除雪要求。除雪车的额定工况为：清除100m厚、密度为80kg/的新降雪以及浮雪，除雪速度为30km/h。4 除雪车弹性避让装置4.1 弹性避让装置概述目前，我国高速公路建设发展以及城市道路建设越来越快，路况也得到了极大的改善。但是部分乡村道路仍然路况较差，路面起伏有破损，这对于铲雪车的工作效率有着非常大的影响。另外，铲雪车在城市路面工作时经常会遇到路面障碍物，比如突出的井盖、减速带、沟槽等。如果不采取越障措施，将会影响铲雪车的除雪效率，在遇到较大障碍时，甚至会导致除雪装备损坏。铲雪车的越障一般有有两种形式：一种是利用回声定位系统探测到障碍物高度以及雪层厚度，并由ECU自动控制除雪铲进行抬升运动，属于主动避障；另一种方式即是采用机械形式进行越障，属于被动避障。本课设计主要采用机械形式被动避障结构。犁板式铲雪车的机械形式被动越障结构大体可分为两种类型:一种是除雪铲铲板整体运动实现越障动作，多数采用双摇杆机构；另一种是除雪铲刀的运动实现越障动作，通过铲刀后方的摆动导杆机构实现。4.2 避让装置的选择目前双摇杆越障机构在国内除雪铲设计方面得到广泛应用，双摇杆越障机构的特点是越障高度大、越障效率高、对工作环境适应能力强，既可以除浮雪，又可以清除压实积雪。另外一种就是摆动导杆越障机构，其摆动导杆机构安装在铲刀后侧，铲刀被切割成几块区域，这样不仅使铲刀强度受到影响，同时影响铲刀的最佳切削角。对于摆动导杆越障机构，其切削角值在6575之间为最佳，适合小型铲采用。本次设计设计采用双摇杆越障机构。图4-1为双摇杆机构在越障时除雪铲的分析图。在该图中，3为除雪铲上连杆，13除雪铲下连杆，5为除雪铲的前托架，2为拉伸弹簧，1为除雪铲板。当除雪过程中遇到障碍物时，下连杆左侧铰接点围绕右侧铰接点进行转动，图中曲线即为除雪铲运动轨迹。图4-1 双摇杆避让机构Fig.4-1 double rocker escape mechanism为了使除雪铲具有良好的弹性越障功能，双摇杆机构设计时应注意以下问题：（1）为顺利越障，除雪铲铲刃在越障过程中进行上抬运动时，当铲刃轨迹为上凸曲线时除雪铲越障能力最好。（2）除雪铲板与托架距离可以视尺寸进行加大，有利于越障。（3）弹簧刚度应合理适中，过大使越障困难，过小导致除雪率降低。（4）除雪铲越障时的极限位置应加以限制，防止产生“死点”，导致除雪铲不能下落。（5）自动越障高度H 取值 100mm 左右。（6）要确保除雪铲铲刃对雪面有足够的下压力，才能尽可能多的剥离地面上积雪；弹簧拉力值太大时，除雪铲越障困难。4.3 圆柱螺旋拉伸弹簧的设计（1）圆柱螺旋拉伸弹簧原始几何参数 当铲雪车工作时，雪铲受到来自地面和雪的作用力。其受力分析如图4-2，G为除雪装置前雪铲的重量，大约为除雪装置总重量的60%，即4410N。Fp1为作用在雪铲上来自地面和雪的总用力之和。Fpx为Fp1的水平分力，根据前面的相关计算 Fpx=2195N。Fp1y为Fp1的垂直分力。F为弹簧对雪铲的拉力，Fx为水平分力，Fy为垂直分力。Fp1y=Fpxtan30 (4-1) =2195tan30 =1267N通过除雪阻力垂直方向的力Fp1y与除雪铲板自重的比较可知Fp1y4200 0000.5d483 00080 000D480 000-40130（3）根据强度条件计算弹簧钢丝的直径取旋绕比C=10,则由式（4-2）得K=4C-14C-4+0.615C=410-1410-4+0.615101.14 (4-2)根据式（4-3）可得d1.6K2KC=1.64001.1410608=4.38 (4-3)取d=5mm，则D2=D+2d=50+25=6060mm所得尺寸与限制相符，故满足要求。（4）根据刚度条件，计算弹簧圈数n由式4-4得弹簧刚度为kF=F2-F12-1=40075=5.33N/M (4-4)由表4-1可知G=80000MPa，则弹簧圈数n由式4-5可得n=Gd48D3kF=800005485035.3.3=9.38 (4-5)取n=10。（5）验算极限工作应力lim，取lim=0.56B，则取lim=0.56B，则lim=0.561520=851.2MPa (4-6)极限工作载荷Flim=d3lim8DK=3.1453851.28501.145=732.67N (4-7)4.4 本章小结 本章介绍了双摇杆避障机构及其工作原理，并对避障机构的回位拉簧进行设计计算。拉簧采用的是圆柱螺旋拉伸弹簧，通过相关计算，最终确定弹簧的外径为60，中径为50，弹簧钢丝标准直径为5，弹簧圈数为10圈。弹簧的材料选用65Mn。5 除雪装置液压系统设计5.1 液压系统概述5.1.1 液压系统组成及作用各种机械设备大体由原动机、传动机构、工作机构以及控制机构四大部分组成。液体传动顾名思义以液体作为工作介质，对输入的能量进行转换和传递。以液压能进行传递和能量转换的液体传动称为液压传动。相对于传统的机械传动。液压传动系统是一个新兴的传动技术,它立足于流体力学、工程力学上逐渐发展而来的。液压传动的主要优缺点以及液压传动系统功能多样化、复杂化，但大体包含以下几个主要工作部分：（1）动力元件液压传动系统的动力元件是指把原动机提供的机械能转变为执行元件工作所需要的液压能的一种能量转换装置。（2）执行元件液压传动系统的执行元件是把液压能转变为机械能的转换装置。由于运动方式不同，可将执行元件分为两种:一种是输出的运动形式为直线往复运动的液压缸,另一种是输出形式为旋转运动的液压马达。液压缸是将液压能转换成往复直线运动机械能的执行元件；液压马达是将液压能转换成连续旋转运动机械能的执行元件。（3）控制元件液压传动系统的控制元件主要功能是控制液压油流动方向，调节液压油压力和控制液压油流量,以此来改变执行元件的运动方向、压力大小以及液压缸运动速度。（4）辅助元件液压传动系统主要它包括液压油箱、输油管、输油管接头、液压油滤清器、储能器以及密封元件等。辅助元件保证液压传动系统长时间稳定可靠的工作，是液压系统中重要的组成部分。（5）工作介质液压传动系统其工作介质采用液体传动，一般采用的为液压油，它是液压传动过程中的能量载体，也是液压传动系统重要的组成部分之一。液压系统没有工作介质就无法完成能量传动。除雪铲的液压系统工作装置由一个外啮合齿轮泵，两个五联手动换向阀，限压阀，一个升降液压缸，一个偏转液压缸，一个粗滤器和一个细滤器等液压元件组成。5.1.2 液压传动的工作原理图5-1为液压机的工作原理简图，在左右两个一小一大的液压缸中分布着两个大小不相同活塞，左右两个缸体密闭且联通，以液压油为工作介质。当较小的活塞上受到来自原动机较小的力F1时,小活塞向下运动, 速度为v1。小液压缸排出的液压油由于压力作用进入较大的液压缸。两个液压缸中的液压油压力一致,所以较大的活塞将以较大的力F2、速度v2上升，推动执行元件运动作功。执行元件只有在对较大的活塞上施加负载时,液压油才会产生工作压力；较小的活塞上才能施加上作用力F1。于是可以得出结论 ，液压传动系统中液压油工作压力取决于外负载。如果从能量转换角度来研究，较小的液压缸是把原动机作用其上的机械能转换成液压油的液压能,而较大的液压缸则把液压油的液压能转变为执行元件的机械能，最终带动工作机构工作。把机械能转变成液压能，再把液压能转变为机械能的过程,就是液压传动的传动原理。图5-1液压传动简图Fig.5-1 hydraulic transmission diagram5.2 液压泵的种类液压泵或者容积式液压泵，是依靠密封的工作容积不断发生变化实现吸压油作用，从而将输入的机械能转换成液压能。通常以电动机或柴油机作为原动机，为液压泵入机械能。液压泵作用是将原动机输入的机械能转换为液压油的液压能，向执行元件提供压力。所以液压泵也是一种能量转换装置。液压泵是液压传动统中的核心驱动元件。液压泵分类方式有很多种。根据液压泵内部构造不同，可其分为齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、柱塞泵等等，不同的结构类型其中又包含多种分类形式。还可根据液压泵是否能正反两个方向转动将其分为单向工作液压泵和双向工作液压泵，单向工作液压泵只能向同一方向转动，双向液压泵则可两个方向进行方向转动。液压泵如果想要正常连续工作，必须满足以下几个条件。（1）液压泵必须存在密封容积，液压泵在工作过程中，密封腔体的容积不断发生变化，使内部压力发生变化，这样才能使液压泵实现吸油和排油的动作。（2）液压泵的密封容积在变化的过程中,必须与吸油腔和排油腔相互沟通。（3）吸油腔与排油腔必须隔开，不可以同时相互联通。（4）液压油箱里面的液压油液体油压力必须大于等于大气压力，才能使液压泵完成吸取油液的动作。本次铲雪汽车除雪铲的液压控制系统液压泵采用外啮合齿轮泵。5.2.1 齿轮泵结构和工作原理齿轮泵是液压传动系统中常用的液压泵,它是通过密闭在一个壳体内，由两个齿轮不断旋转啮合运动而进行工作的。由于啮合方式的不同，可将齿轮泵可分为外啮合式齿轮泵和内啮合式齿轮泵两种。我们常说的齿轮泵通常指外啮合式齿轮泵。本节重点介绍外啮合齿轮系有关内容。外啮合式齿轮泵由于其流量大，所以在工作过程中具有较大震动和噪音。但是泵体结构简单，稳定性强，体积质量小，方便生产加工，自吸性能强在中、低压的液压传动系统中具有较大范围应用。外啮合齿轮泵内部装有两个外啮合齿轮，如图5-2，两个相互啮合的齿轮的齿数和齿轮模数保持一致, 泵体的端盖将两个齿轮的侧面覆盖，二者间隙很小。齿轮的齿顶与泵体内表面之间间隙以及齿轮侧面与泵体端盖之间间隙很小,两个相互啮合的齿轮的接触线就将泵体分隔成左、右两个完全密封的腔体。当齿轮在驱动力的作用下进行如图方向的转动时,在右侧的密封腔体中，相互啮合的轮齿随着转动逐渐脱离开，此时右侧腔体容积逐渐增大,形成部分真空，油箱中的液压油被压力吸进到右侧密封的容积腔体中,并且将两个齿之间的缝隙填满，随着齿轮不断转动,轮齿间的液压油液被带到左侧的密封腔体中。左侧密封腔体因两个轮齿逐渐啮合而体积不断减少,液压油受到压力挤压不断排出。随着两个互相啮合的齿轮连续不断转动,齿轮泵才能完成进行吸油和排油动作。图5-2齿轮泵Fig.5-2 gear pump5.2.2 齿轮泵基本参数的选择（1）压力由于齿轮泵有多种结构和尺寸，每种齿轮泵压力也不相同。齿轮泵的压力是指液压油从齿轮泵排油口排出时的相对压力值。齿轮泵在工作时的实际压力取决于外部负载。但实际工作压力不允许随着外负载无限制的增加，会导致液压泵损坏。（2）流量齿轮泵的流量是指齿轮泵在单位时间内能够排出液压油的体积。包括理论流量、泄漏流量、实际流量三种。（3）转速齿轮泵的转速关乎着齿轮泵的寿命、震动、噪音等。采用合适的转速不仅能延长齿轮泵的使用寿命，还能将震动噪音控制在一个合理的范围内。（4）效率齿轮泵的效率是齿轮泵质量好坏的重要表现形式。压力越高、转速越低的齿轮泵其容积效率越低。齿轮泵的总效率是液压传动系统效率的重要影响因素之一。效率越高的齿轮泵，其工作能力越强，在工作时应尽量使齿轮泵在高效率的工况区域工作。考虑从多方面因素，本次设计选取的外啮合齿轮泵为CBB型14mL排量的外啮合齿轮泵。其参数如表5-1.表5-1 外啮合齿轮泵的参数Table.5-1 parameters of the outer meshing gear pump齿轮泵类别齿轮泵型号齿轮泵排量Q/mL齿轮泵额定P/MPa齿轮泵最高压力/MPa齿轮泵额定转速n/r齿轮泵最高转速n/r齿轮泵容积效率/%外啮合齿轮泵CBB141417.520003000905.3 液压缸的设计计算液压缸是一种能量转换装置，其作用是将压力能转换成机械能，使执行元件在工作时进行直线往复运动。液压缸缸体的内部构造比较简单，生产制造容易，造价低，工作过程可靠，在液压系统中应用广泛。可以根据结构不同将其分为：双作用单活塞式液压缸、双作用双活塞式液压缸、单作用柱塞式液压缸、齿条活塞式液压缸和单叶片式摆动液压缸。根据组合方式又可分为串联式、组合式、增压式等。（1）液压缸设计原始参数升降液压缸的功用是提升除雪铲，使除雪铲悬置于空中。所以升降液压缸负载FL1G（G为除雪铲总体的重量，7509.8=7350N），负载FL1取为8000N。公路障碍物高度大多低于100，为了确保铲雪车在停工时能够快速、安全通过路面，除雪铲的提升高度定为200，即升降液压缸活塞行程。偏转液压缸的功用是使除雪铲向右摆动，使除雪铲在工作时与除雪车在前进方向上有30的夹角。偏转液压缸调整除雪铲角度F时,其最大工作载荷FL2即为总的除雪阻力，从上文可知为12701N，考虑其工作能力上限，必须留有适当备用压力，可适当取更大的负载值，取15000N。液压泵为两个不同功用的分别液压缸提供14MPa的压力。除雪铲的最大偏转角应当30，经计算偏转液压缸的活塞行程约为100。其计算参数如表5-2 。 表5-2 液压缸的计算参数Table.5-2 calculation parameters of hydraulic cylinder液压缸名称液压缸种类液压缸数量液压缸负载/N液压缸运动速度u/cm液压缸行程L/mm液压缸供液压力p/MPa升降液压缸单杆活塞式液压缸18000520014偏转液压缸单杆活塞式液压缸115000510014（2）液压缸基本参数计算液压缸内径D液压缸的内径D与液压缸受到的负载和液压缸供液压力p有关以无杆腔为工作腔，液压缸内径D为D=4FLP (5-1)对于升降液压缸D1=4FL1P=480003.141427mm (5-2)取标准值D1=30mm对于偏转液压缸D2=4FL1P=4150003.141437mm (5-3)取标准值D2=40mm液压缸活塞杆直径d对于单杆双作用液压缸可根据下式确定，即d=D-1 (5-4)式中速比 表5-3 速比推荐值Table.5-3 speed ratio recommendation压力p/MPaP0.0038m，所以满足强度要求。偏转液压缸的活塞杆直径强度校核前文计算可知偏转液压缸的负载为FL=15000N，活塞杆材料选取40Cr合金钢。对偏转液压缸活塞杆直径进行强度校核d4FL=4150003.147108=0.0052m (5-23)经过计算升降液压缸活塞杆直径为0.025m0.0052m，所以满足强度要求。5.4 本章小结本章节主要是介绍液压系统的组成及其工作原理。对偏转液压缸以及升降液压缸的基本尺寸进行设计计算。并且对两个液压缸缸体厚度及外径进行校核，对两个液压缸活塞杆直径进行校核切都满足强度要求。6 运动仿真分析利用solidworks对所设计的除雪铲进行三维建模，并对除雪铲装配体进行运动仿真。由于除雪铲在进行工作时切削刃受力最大，对除雪铲切削刃进行应力分析。6.1 除雪铲零件建模 对除雪铲铲板进行三维建模，如图6-1图6-1除雪铲铲板建模Fig.6-1 snow shovel plate modeling对拉伸弹簧进行三维建模，如图6-2图6-2拉伸弹簧建模Fig.6-2 drawing spring modeling对除雪铲前托架进行三位建模，如图6-3图6-3 除雪铲前托架建模Fig.6-3 bracket modeling in front of a snow shovel对除雪铲后托架进行三维建模，如图6-4图6-4 除雪铲后托架建模Fig.6-4 bracket modeling after a snow shovel对大梁连接架进行三维建模，如图6-5图6-5 大梁连接架建模Fig.6-5 the modeling of the connecting frame of beam对除雪铲下连杆进行三维建模，如图6-6图6-6除雪铲下连杆建模Fig.6-6 modeling of the connecting rod under the snow shovel对除雪铲上连杆进行三维建模，如图6-7图6-7 除雪铲下连杆建模Fig.6-7 modeling of the connecting rod under the snow shovel对销轴进行三维建模，如图6-8图6-8 销轴建模Fig.6-8 Zhou Jianmo对弹性挡圈进行三维建模，如图6-9图6-9 弹性挡圈建模Fig.6-9 modeling of elastic retaining ring对偏转液压缸进行三维建模，如图6-10图6-10 偏转液压缸建模Fig.6-10 modeling of deflecting hydraulic cylinder对升降液压缸进行三维建模，如图6-11图6-11 升降液压缸建模Fig.6-11 modeling of lifting hydraulic cylinder6.2 除雪铲各零部件装配对除雪铲个零部件进行装配，如图6-12图6-12 除雪铲装配图Fig.6-12 assembly drawing of a snow shovel6.3 除雪铲运动仿真对除雪铲进行运动仿真，实现除雪铲整体下降、除雪铲铲板向右转动、除雪铲铲板向左归位、除雪铲整体上升共四个动作如图6-12、6-13、6-14、6-15所示图6-12 除雪铲下降至极限位置Fig.6-12 down to the limit of the snow shove图6-13 除雪铲铲板向右运动到极限位置Fig.6-13 moving to the right of the snow shovel plate to the right图6-14 除雪铲铲板向左归为到极限位置Fig.6-14 to the left of the snow shovel plate to the left图6-15 除雪铲上升到极限位置Fig.6-15 the snow
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