毕业设计（论文）-小型路面除冰除雪扫雪车装置设计

路面除冰装置的设计摘要每年入冬或者初春，路面经常受到薄冰的困扰，影响市民出行，清雪除冰机有着高效、经济、环保等重大优势，手扶式除冰机具有体积小，使用方便、应用广泛，自身适应性强，耐用，使用寿命长等诸多优点，提高了清雪除冰效率，保证了出行安全，随着经济日益增强、社会不断进步，清雪除冰设备也在国内外逐步推广使用。本文设计以路面除冰装置为基础，设计成本更低、性能更好的新产品，通过查找资料，首先针对国内外技术发展情况进行综述，参考现有的自动除冰设备，完成了内部结构的详细设计，包括驱动组件、传动组件、机身组件及前置工作组件等，并通过Solidworks三维软件建立路面除冰装置的三维模型，按照机械制图国家标准绘制主要部件、零件的图纸，对相关机构进行进行计算、强度校核，从而优化结构。路面除冰装置的结构设计不仅关乎工作性能和效率，更与家庭环境保护、资源利用以及智能化发展密切相关。通过优化设计，不仅能够满足日益增长的生活需求，还能在推动技术进步和提高作业安全性方面发挥重要作用，深入研究路面除冰装置的结构设计，不仅具有重要的理论意义，更具备广泛的应用价值和社会意义。关键词：路面；除冰装置；碎冰刀具；结构设计；Solidworsk

AbstractEverywinterorearlyspring,theroadsurfaceisoftentroubledbythinice,affectingcitizens'travel.Snowandiceremovalmachineshavesignificantadvantagessuchashighefficiency,economy,andenvironmentalprotection.Handheldiceremovalmachineshavemanyadvantagessuchassmallsize,easyuse,wideapplication,strongadaptability,durability,andlongservicelife,whichimprovetheefficiencyofsnowandiceremovalandensuretravelsafety.Withtheincreasingeconomicstrengthandsocialprogress,snowandiceremovalequipmentisgraduallybeingpromotedandusedbothdomesticallyandinternationally.Thisarticledesignsanewproductwithlowercostandbetterperformancebasedontheroaddeicingdevice.Bysearchingforinformation,itfirstsummarizesthedevelopmentoftechnologyathomeandabroad,andreferstoexistingautomaticdeicingequipmenttocompletethedetaileddesignoftheinternalstructure,includingdrivecomponents,transmissioncomponents,bodycomponents,andpreworkingcomponents.The3DmodeloftheroaddeicingdeviceisestablishedusingSolidworks3Dsoftware,andthedrawingsofthemaincomponentsandpartsaredrawnaccordingtothenationalstandardformechanicaldrawing.Therelevantmechanismsarecalculatedandstrengthcheckedtooptimizethestructure.Thestructuraldesignofroaddeicingdevicesisnotonlyrelatedtoworkperformanceandefficiency,butalsocloselyrelatedtohouseholdenvironmentalprotection,resourceutilization,andintelligentdevelopment.Byoptimizingdesign,notonlycanitmeetthegrowingdemandsofdailylife,butitcanalsoplayanimportantroleinpromotingtechnologicalprogressandimprovingoperationalsafety.Indepthresearchonthestructuraldesignofroaddeicingdevicesnotonlyhasimportanttheoreticalsignificance,butalsohasbroadapplicationvalueandsocialsignificance.Keywords:roadsurface;Deicingdevice;Icebreakingknives;Structuraldesign;Solidworsk

目录TOC\o"1-3"\h\u26533第1章绪论 ②计算主动齿轮传递的转矩：而齿轮的传递功率为：则齿轮轴传递的扭矩经计算为：(4-12)由《机械设计》查表选取齿宽系数；区域系数；材料的弹性影响系数（大小齿轮均采用锻造）为ZE=189.8MPa1/2⑥重合度系数的确定：主、从齿轮齿顶圆的压力角如下：（4-13）则齿轮啮合的重合度为：（4-14）则重合度系数为：（4-15）⑦计算接触疲劳许用应力[H]：假设工作寿命为10年，每年工作300天，每班制为8时，每天为2班制，计算主动齿轮应力循环次数：（4-16）则从动齿轮应力循环次数：查取接触疲劳寿命系数:齿轮的硬度应较大，因此选择采用20CrMnTi材质，并经渗碳淬火的热加工，查阅机械设计手册，取接触疲劳极限Hlim1=1200MPa、Hlim2=1150MPa。取失效概率为1%，安全系数S=1，可得:（4-17）取和中的较小者作为接触疲劳许用应力，即1080Mpa。试算主动齿轮分度圆直径：（4-8）计算圆周速度，（4-19）计算齿宽：（4-20）模数为：（4-21）初取齿高：（4-22）则，由v=0.8m/s，7级精度，由《机械设计》图14-1得动载荷系数1.05；可得齿轮的圆周力为：（4-23）查表得齿间载荷分配系数；齿向载荷分布系数。由此，得到实际载荷系数：（4-24）3）可得按实际负载系数算得分度圆直径（4-25）则相应的最小齿轮模数应满足如下条件：4.2.2弯曲强度的校核弯曲强度设计公式为：（4-26）（1）查得《机械设计》其弯曲疲劳强度极限：500MPa;380MPa（2）查得《机械设计》图10－18得疲劳系数：=0.91,=0.93；（3）计算弯曲疲劳许用应力由《机械设计》查得齿形系数；应力修正系数；齿轮的齿根弯曲疲劳极限为齿形弯曲疲劳寿命系数取弯曲疲劳安全系数，由《机械设计》式（10-14）得（4-27），（4-28）因为大齿轮的大于小齿轮，所以弯曲疲劳强度按主动齿轮进行计算，取。（4）计算载荷系数K：（4-29）试选载荷系数再由表14-1-81得使用系数；查《机械设计》书中图10-13得=1.125；所以载荷系数=1×1.05×1.13×1.125＝1.35代入数值得出：结合齿面接触疲劳强度计算所得数据，取齿轮的模数为2.5。4.3本章小结本章对路面除冰装置行走轮组的传动结构进行了设计与校核，完成了同步带传动、齿轮传动的设计，针对传动系统中涉及到的零部件进行理论计算校核，结果比较理想。

5除冰装置的结构设计5.1基于Solidworks的建模Solidworks作为第一个以Windows为基础开发的三维CAD系统，因为该项技术符合CAD新时代下的发展，以简单、稳定、创新为基准不断的改进创新为设计师设计提供了便利，可以动态的查看装配部件的运动情况，并可以对零件进行动态干涉分析，还可以进行仿真分析。在进行设计建模时一定要注意整体布局，确定好的布局有利于路面除冰装置零部件的配合和位置关系的确定。先通过建立各零件图，然后对同步带组件、齿轮组件、轮轴组件、机身组件及相应机构等建立分别的零件与组件Solidworks三维模型，然后通过相应的配合关系及装配图特征，如镜像、线性阵列等，再配以相应的配合关系，得到除冰装置的三维模型如图4-2所示：图5-1路面除冰装置的总装配图5.2工作组件的设计5.2.1前置罩板组件罩板是除冰装置的基础，罩板的尺寸设计会影响除冰机的设计，设计的合理性会直接影响机器的强度，罩板组件设计在机体前侧，通过后法兰组进行连接，罩板的设计应考虑本身的重力、传动系统的分力和零件的影响，罩板受力直接传递到机体上，提高结构的强度和稳定性。若计算其强度，目前没有理论方法，但可通过有限元方法进行模拟受力变形判断是否能符合强度要求。罩板组件的设计如图5-2所示，由前罩、侧板及底板、出冰口及后法兰组组成，侧板用于安装除冰刀具，板材采用304不锈钢钣金加工，法兰组与机身连接，内装有二次除冰刀具；出冰口用于安装排冰装置。图5-2前置罩板组件图中，1——后置法兰组；2——出冰口；3——前罩；4——侧板；5——底板5.2.2除冰组件的设计除冰组件的设计如图5-3所示，由发动机将扭矩传递给蜗杆轴，蜗杆轴经过与蜗轮的配合将扭矩传递给除冰主轴5，除冰主轴上均布分布除冰刀具模组1，而后置创新设计，采用二级除冰刀具3，从而完成除冰的作业过程。图5-3除冰组件的结构模型1——刀具模组；2——蜗杆传动；3——二级除冰组件；4——蜗杆主轴；5——除冰主轴；6——两侧轴承座上文已完成蜗杆蜗轮的传动计算，下述简述蜗杆轴的设计与计算：在路面除冰装置的传动系统设计中，最重要的部分是轴的设计，轴具有扭矩传递功能，以主轴计算结构为例，其余各轴计算方法相同，不再重复阐述。轴的结构设计就是设计安装各个配件的位置，轴结构设计的几个基本要点：1）方便加工，轴上零件便于安装拆卸；2）通过结构设计能够将轴和轴上的零件准确的定位；3）通过结构设计使轴和轴上的各零件都能够固定在相应的位置上。由于轴工作的条件基本是交变应力，所以对于材料的要求是：强度高，有好的刚性，有好的加工性能，抗疲劳性能好，对于应力集中的敏感度小，而且表面粗糙度也要好一些，转轴安装后要进行动平衡调节，平衡精度高，噪音低。轴的材料种类很多，主要是根据铀的强度、刚度、耐磨性等要求，以及热处理方法来确定的，同时考虑选择经济合理的生产工艺。轴的常用材料为35、45和50#碳素钢，由于该轴无其他特殊要求，本文的轴采用45#，经调质处理，通过查阅机械设计手册得抗拉强度600MPa，屈服极限350MPa，钢需用拉应力为177.5MPa，其中n为安全系数，通常塑性材料取1.5~2之间，性能参数见下表5-1所示：表5-145#的材质性能热处理毛坯直径(mm)硬度(HB)拉伸强度极限拉伸屈服极限()弯曲疲劳极限()剪切疲劳极限()许用弯曲应力正火2524161036026015055正火100170~217600300275140回火>100~300162~217580290270135调质200217~25565036030015560根据前文可知主轴转速为：n=1407.4r/min，工作功率为：按公式来确定轴的最小直径；根据轴的材料查《机械设计手册》取A0=95，于是得：（5-1）考虑到轴端键槽和结构要求，同时由于蜗杆轴上要传动带轮、蜗杆的扭矩，取，满足所需强度的要求。具体结构如下图5-4所示：图5-4蜗杆轴的结构设计I段的长度为10mm，为轴头部分，为了减小结构尺寸，降低材料用量，取直径为12mm；II段为蜗杆段，用于与蜗轮啮合，轴肩高度（因该轴直径较小，为增加轴的强度，需使轴径稍大），取直径为20mm；轴段III用于安装滚动轴承，根据GB╱T296-2015，要使轴承便于安装又符合轴承内径系列，根据轴径选用深沟球轴承61904，两端分别由轴肩和端盖进行定位固定。IV段为主支承段，不仅起到支承的作用，还用于安装带轮，连接选用方型平键（GB/T1096-1979），尺寸为B×h×L=8×6×28mm，与轴间的配合为H7/K6；取轴端倒角为245°，至此，已初步确定轴段的直径和长度，设计轴段的总长为353.5mm。在经过除冰绞龙刀组完成初步的清冰除雪后，在冰雪沿机身向后运动的过程中，经由除冰口排出，但若有冰块的存在，如果造成机器阻塞，导致零部件损坏，因此增加二级刀具模组，如图5-5所示，均布分布三组钢板、挡罩及轴套拼焊组成，用于捣碎冰块。为了标准化、零件的互换性，出冰口进行模块化的设计，如图5-6所示，由底部安装法兰面、钣金钢板及连接件组成，可直接安装在图5-1所示的工作组件上。图5-5二级除冰组件图5-6出冰罩口图中，1——钢板；2——轴套；3——挡板5.2.3传动组件的设计以传动系统为例，阐述利用Solidworks软件进行建模及装配、配合、运动等条件的设置，通过对机构的分析比较，建模步骤如下：（以下部分介绍、详见最终附图）：蜗杆轴：首先根据前文设计的蜗杆参数，通过草图建立其轴段和齿廓形状，通过凸台拉伸命令生成蜗杆轴段，然后沿与其垂直的视图建立轴段的截面草图轮廓，选择旋转命令得到轴的实体模型；然后在两侧面，通过异型孔指令，在轴心处增加螺纹孔的特征；在指令轴向位置建立圆形草图，选择沿两侧拉伸切除后得到轴体的实体模型。（2）带轮：在前视基准面绘制草图，建立带轮基体的二维草图后进行凸台拉伸命令，继续创建草图，绘制带轮槽型轮廓的二维图进行拉伸切除命令，后在在前视基准面拉伸切除完成孔的建立，得到带轮的实体模型。图5-7蜗杆轴的实体模型图5-8带轮的实体模型在传动组件的设计中，由发动机传递扭矩时，同时传递给除冰组件与行走组件，而且为了提高带传动的稳定性，降低弹性滑动的影响，避免发生打滑失效、疲劳破坏等，增设一组张紧轮组件，如图5-9所示。图5-9张紧轮组件图中，1——顶柱；2——张紧板；3——张紧轮；4——连接件5.3本章小结本章在分析传动方式的基础上，采用了三维建模软件Solidwoks对路面除冰装置完成了三维建模，从而验证了零部件设计的正确性等。总结与展望总结路面除冰装置的结构设计涉及多个学科的交叉，包括机械工程、电子工程、材料科学等领域，通过不同学科之间的协同创新，可以推动相关技术的发展，这种多学科的交叉不仅丰富了除冰装置的设计思路，也为相关技术的创新提供了广阔的空间。通过对现有众多除冰装置的研究，国内外虽然取得了一些成果，但成本过高，设计制造出了一种结构简单、易于控制的除冰装置，整台除冰装置由机械设备和控制系统两部分组成，其中机械部件包括驱动组件、传动组件、机身组件等。通过整合所学知识，完成了包括机构及传动系统的尺寸、运动分析和强度，利用机械原理和机械设计等大学课程的知识完成系统的结构设计，并通用Solidworks软件完成了建模。路面除冰装置只要在生产成本上兼顾产量大的特点和成本低的特点，除冰装置就有商业前景，未来还有很大的增长空间。展望目前还有许多重要问题尚待解决或改进，主要有以下几点：（1）目前价格偏高、性能方面是影响除冰装置进入市场的主要因素，因此应降低其成本，在动力系统设计方面，可以优化电机、电池和控制器等关键部件，从而提升除冰装置的整体性能。（2）本文通过对其结构进行设计，但缺乏具体应用工况，未考虑实际工作环境及末端负载等，未来可针对具体工况进行结构设计，比如粉尘等恶劣环境需考虑结构的安全系数；如环境需要考虑零部件的腐蚀性；比如工作强度较大的场所，需考虑结构的强度等。

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