手推式户外场地清扫机设计

催化裂化富气压缩机设计及理论计算摘要各种大面积公共场所的地面清洁问题是各城市街道、广场清洁的重点和难点， 而大型的清扫设备，在某些特定的环境下很难运作。本论文就是针对这些问题，设计了一款使用方便、省时省力、无任何污染、清洁能力强的地面清扫设备。此清扫机是以手推为动力，通过齿轮，带轮，以及皮带之间的相互作用与传动，使得毛刷， 传送带转动，让垃圾完成从地面毛刷传送板传送带垃圾箱的整个过程。设计上采用的先进的设计方法，在最终的设计方案制定后，使用软件Pro/E绘制出了三维实体的零件图，并进行了整体的装配，从中对清扫机的结构进行了分析，最终确定的相应的尺寸。本文设计基本合理，有较好的实用性，使用户可以在提高工作效率的同时降低了一定的劳动强度与支出经费，是一种实用的手推式户外场地清扫机。关键词：手推 清扫 机器IIAbstractEvery large public places clean on the ground is difficult for city streets and squares.But the large sweeper equipment in certain circumstances is very difficult to operation. This paper is solution of these issues, designed a convenient, save the time, no pollution, clean enough and strong ground cleaning equipment. This is hand - cleaning machine as driving by pushing, through the gears, pulley, and the interaction between the belt and transmission, making the brushes and the belt rotating, let the rubbish from the ground - brush - send board - belt rubbish box for the whole process. Designed by the advanced design methods, after the final design of programmed development, and use the software of Pro/E to map out a 3D map of parts, and the overall assembly, and analysis the structure of the cleaning machine, final use the corresponding size. In this paper, with the rational design and a better practicality, so that users can increase the efficiency while reduce labor intensity and the expenditure, this hand-cleaning machine is very helpful.Key words：hand sweeper machines目录IV第一章 绪论11.1 国外道路清扫机的现状与发展11.2 国内道路清扫机的现状与发展51.2.1 国内路面清扫车行业现状及发展趋势51.2.2 可清洗路牙的小型清扫车81.3 本论文的主要工作11第二章 手推式户外场地清扫机的设计122.1 设计前的感想122.2 设计构思122.3 设计草图122.4 设计方案最终确定13第三章 手推式户外场地清扫机的计算183.1 键的强度计算183.2 焊接材料与注意事项183.3 带与带轮193.4 齿轮的相关设计203.4.1 齿轮的传动比与啮合条件203.4.2 齿轮传动的失效形式223.4.3 齿轮的材料选择233.5 轴的强度计算与校核233.5.1 按扭转强度条件计算233.5.2 按弯扭合成强度条件计算24第四章 绘制清扫机的相关图284.1 绘制清扫机的 Pro/E 图284.2 绘制清扫机的 AutoCAD 图29第五章 专题讨论30第六章 结论32参考文献33致谢34附录35声明36手推式户外场地清扫机第一章绪论1.1 国外道路清扫机的现状与发展近年来, 随着我国城市现代化建设进程不断加快, 对市政环卫作业机械化程度的要求越来越高,道路清扫车等环卫车辆的需求量也在日益增加。意大利Dulevo 公司创立于1976年, 是世界几家知名清洁机械制造商之一。主要产品有干燥除尘器设备、道路清扫机, 道路清扫车和压缩式垃圾车等。Dulevo公司能够为用户提供各种满意的解决方案, 清扫系列产品集高效能、优质量、操作舒适可靠、环保于一身。下面介绍由此公司制造出的6款清扫车。（1）850mini易于操作, 可清洁极为狭窄的空间, 如人行道、柱廊、非机动车道、站台、小巷、停车位、公园等, 确保准确及深度清洁城市的每一个角落, 是清洁城市中心及大型清扫车不能到达区域的理想工具。图1-1 850mini33（2）Commando是一款性能卓越的小型清扫车采用意大利VM四缸涡沦增压式柴油发动机, 符合欧洲M尾气排放标准。革命性的前180度摇摆臂+后摆动式双刷设计, 操作者能够通过控制摇杆操控摇摆臂, 摇摆角度达到180度，可调节升降及清扫角度特别适合中国路面状况, 对道路死角和路边行人道进行有效清洁, 后摆动式双刷与吸尘系统紧密连接, 能够左右摆动300mm，完全清理道路边缘, 所有刷子均配备洒水系统, 能够有效的防止灰尘扬起。全液压式设计, 采用四轮助力转向, 比一般前轮转向系统提供更加灵活的操控和转向性能, 从而大幅度提高清扫效果。图1-2 Commando（3）200 Quattro是一种中等尺寸的清扫车，可工作于恶劣的条件及环境下。可用于大面积清扫重作业区域及公共场所。具有独特的机械真空组合收集系统。图1-3 200 Quattro（4）5000EVOLUTION是Dulevo的大型和动力强劲的清扫车，可用于每天的道路及公共区域清扫。图1-4 5000EVOLUTION1图1-5 5000EVOLUTION2（5）5000HYDRO可用于街道清洗及消毒要求的城市区域，四轮转向系统合紧凑的尺寸，确保良好的机动性。图1-6 5000HYDRO（6）5000VELOCE具有双重清扫能力，加强的性能可能满足绝大多数城市的要求。清扫工作不受季节影响，夏天可清扫道路灰尘，沙土，垃圾；秋天可清扫落叶；即使在寒冷的冬季条件下也可以运作。可用于长距离运输清扫，如高速公路维护，市政工程等。图1-7 5000VELOCE1.2 国内道路清扫机的现状与发展1.2.1 国内路面清扫车行业现状及发展趋势路面清扫车作为环卫设备之一, 是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备。可广泛应用于干线公路、市政以及机场路面、城市住宅区、公园等道路清扫。路面清扫车不但可以清扫垃圾, 而且还可对道路上的空气介质进行除尘净化, 既保证了道路的美观, 维护了环境的卫生, 维持了路面的良好工作状况, 又减少和预防了交通事故的发生以及进一步延长了路面的使用寿命。目前在国内利用路面清扫车进行路面养护已经成为一种潮流。（1） 产业雏形已显, 规模档次有待提高城市环卫水平的高低, 是一个国家工业化程度和综合实力强弱的重要标志之一。从20世纪60年代我国研制生产路面清扫车开始, 已有40年的生产历史。但相对于国外发达国家, 我国路面清扫车不管从销量规模、技术水平、清扫效果等方面都存在一定的差距。目前我国生产路面清扫车的企业大概有30余家，从产销量和技术实力上看, 中联重科中标事业部（原长沙中标实业有限公司），天津扫地王专用汽车有限公司, 扬州盛达特种车有限公司和北京爱清清扫车制造有限公司等厂家处于领先位置。2000年之后, 国内路面清扫车市场开始呈现快速发展的态势。长沙中标公司、天津扫地王公司等专业生产厂家, 均获得了较好的发展势头。随之而来, 常林股份有限公司、三一重工股份有限公司等其它企业也开始进人路面清扫车的研发和生产, 并取得了较好的发展。但与国外相比, 国内还停留在市场的初级发展阶段。国外发达国家从20世纪40年代就开始批量生产路面清扫车, 象英国的JOHNSTON，美国的ELGIN，日本的KATO，德国的KAUN-KUKA等公司目前不管在销量规模、技术档次都处于世界的前列。目前, 国产路面清扫车在品种规格、使用性能上已能基本满足国内的需求, 产品规格从2立方米到8立方米近个规格。与国外相比, 大型产品所占比例不大, 产品品种较少, 产量也较低。2003年国产路面清扫车总销量估计在1000台左右, 仅相当于国外一个企业的销量。同时, 国产产品同质化现象比较严重, 存在外形单调、功能单一、操作不方便、清扫效率低等问题。国外路面清扫车早已广泛应用了先进的电子技术, 如带有微电脑的清扫及回收装置等, 而且实现了有线与无线遥控, 目前国内产品仅停留在路面清洁度等最原始的技术研究方面。（2） 提高整体技术水平, 适应国内用户需求国内路面清扫车的技术主要来源于三个方面一是借鉴国外同类产品的先进技术, 并结合我国国情自行开发的产品二是直接引进国外技术的产品三是从国家科研院所转让技术后, 再在生产中进行改进的产品。总体而言, 目前国内路面清扫车还没有专门的技术研发中心, 研发资金投入也较少, 使得产品整体技术水平不高, 尤其在控制系统和清扫效率等方面与国外产品有相当大的差距。国内企业已经认识到, 随着外资企业的不断进人, 国内市场的竞争将越来越激烈, 产品的技术水平将成为重中之重。目前, 大多数国内企业都在与国外公司开展合作并积极引进技术, 以期提高自己产品的技术含量。像长沙中标公司、天津扫地王专用汽车有限公司等企业制定了以技术创新支撑企业快速做大做强的发展思路, 把提高产品的技术水平作为企业的头等大事来抓, 投人资金、人力, 在消化吸收国外先进技术的基础上, 开发新型路面清扫车, 以期形成产品系列化、多功能化, 并进一步提高产品的清扫效率。目前主导企业正加快新产品的开发步伐, 完善产品型谱, 尽快完成原有产品的统型改造, 实现产品的制造切换和市场切换, 提升市场形象, 提高市场份额。同时, 加快技术改造, 以形成制造的核心能力, 实现产品质量和制造能力的双提升。（3） 发展方向：高可靠、多功能、全天候、环保型随着社会的不断发展, 单纯意义上的清扫作业已不能满足现行路面的需求, 高可靠、多功能、全天候和环保型等方面的要求越来越多, 市场呼唤能够满足各种需求的路面清扫车的出现。高可靠：国内的产品可靠性不如国外产品原因有多种, 但主要有三个方面的原因：一是国产基础件质量不稳定；二是制造工艺问题；三是技术不善造成先天不足。因此要想提高可靠性首先需解决上述三个问题, 也只有在可靠性与进口产品可以相比美时才能在市场竞争中立于不败之地。多功能：目前国产路面清扫车基本上是单纯意义上的扫路车即只能扫路、不能它用。而从全国许多环保部门的需求信息来看, 有的需要能清洗道路护栏, 有的要求能铲雪等等。因此, 清扫车的多功能化将是其一个发展的方向。全天候：目前的清扫车需要喷水压尘、除尘, 在缺水地区和北方的冬季无法使用, 要解决这一问题, 必须要开发干式吸扫和湿式吸扫两用车或称全天候清扫车, 该车的开发成功不但可以解决上述难题, 同时可节约用水, 降低使用成本。环保型：目前的扫路车尾气污染和噪音污染相对来说都较大。随着国家对环保要求越来越高, 人们的环保意识普遍增强, 现有清扫车就将很难适应需要。因此开发环保型路面清扫车势在必行。可见, 国内路面清扫车生产企业只有调整好产品的研发方向, 顺应市场的需求和国家的政策, 才能在未来的市场竞争中占据一席之地。（4） 市场前景：路面清扫机械化的时代已经到来随着城市道路里程的不断增加、人流车流的增大, 道路垃圾越来越多、出现的频率越来越快。每天都用人力清扫、转移已很难完成。随着国内道路的不断扩展, 机械化养护已经成为一种必然, 而这一切将使得路面清扫车的需求呈现一个快速的增长态势, 而这必将给国内路面清扫车企业带来无限的广阔商机。从近期的资料分析来看, 路面清扫车的市场发展潜力巨大, 这从近几年的产品销量就可以看出,2000年行业总量为500台，2001年为600台，2002年为750台，而到2003年就达到的1000台，这其中还不包含相当数量的进口产品。在东部沿海经济发达地区, 路面清扫车市场发展很快, 已率先进人路面清扫机械化时期。有资料显示, 在北京、上海、广州和深圳等大中城市, 路面清扫车的保有量已超过300台。总之, 随着国家不断加大城市化的进程, 许多新兴的中小城市正在崛起, 城市化规模不断扩大,同时随着我国公路里程的不断增加, 路面清洁养护已经越来越重要。随着我国综合经济实力的不断发展以及劳动成本的不断提高, 路面清扫车的市场前景日渐看好, 路面保洁采用路面清扫车作业已经成为一种趋势。路面清扫车在我国经济发达的东部沿海地区已被广泛使用, 目前在正向中西部地区扩展, 可以这样说, 路面保洁工作从人力向机械化转变的时代已经到来。图1-81.2.2 可清洗路牙的小型清扫车我国所生产和使用的城市环卫清扫车, 多用于路面比较平坦的城市主干道, 一般车型偏大, 而在城市住宅小区、厂矿、小街小巷等比较狭窄及有台阶道路的清扫工作, 大多仍由环卫工人手工完成。由于手工作业劳动强度大, 速度慢, 特别是路边垂直面的清扫更成为环境卫生的“死角”。因此迫切需要一种能代替手工作业的清扫机械, 以适应社会的发展。为此, 我们设计了一种小型自走式道路清扫车。这种清扫车不仅能清扫路面, 而且能同时清洗有台阶路面的垂直面(也称“路牙”)。具有操作简单灵活、刷洗效率高、耗油量少、易维护及成本低等特点。清扫车的技术参数：根据这些道路的特点及环卫作业的实际情况,确定清扫车的主要技术参数为: 工作车速: 13 Km / h最大爬坡度: 30%水箱容积: 300500 L刷头转速: 200 r / min路牙清扫高度: 200 mm路面清扫宽度: 300 mm作业方式: 一次加水可连续工作2040 min（1）传动方式的确定一般清扫车采用汽油发动机,然后利用液压传动来实现负荷的传递,实现无级变速,多用于20PS(1417kW )以上的传递,且成本较高。而本机为自走式,速度低, 体积小, 其传递功率在16PS(11177kW)以下,故不宜采用液压传动。因此,我们确定本机采用以汽油发动机为动力,以机电传动来传递负荷的传动方式,本机利用机械传动来实现行走,同时利用发电机带动洗刷机构实现清扫功能,其水泵、清扫机及电磁离合器的开闭,均不受机械负载的干扰,具有独立性,这样的传动方式也使得本机调节更方便, 体积更小。（2）清扫车的系统设计发动机功率的选取发动机的最大功率Pe max = PP / 0.85Pe = (P1 + P2 + P3 ) / G（1-1）（1-2）式中:P e清扫机总功率;P 1行走系统所需功率; P 2水泵机构所需功率; P 3洗刷机构所需功率; G 传动总效率。通过计算,选取发动机功率为10PS(7135KW)。（3） 发动机转速的选取根据发动机外特性中的功率与转速曲线,我们知道随着发动机转速N 的增加,其功率Pe和转矩Ttq都在增加,当达到最大转矩Ttqmax后,再增加发动机转速,转矩有所下降,但功率继续增加,直到达到最大功率,此时增加转速,功率下降。三者之间的关系式为:P e=TtqN /9549。由于本机速度较低,转矩较大,其转速的选取应为功率与转矩的最佳匹配点。根据发动机曲线图,当发动机转速N =3000 r/m in时,功率与转矩得到最佳匹配,其值为:Ttq= 20N m、Pe=7.5PS。（4） 发动机的选取发动机是整车的心脏, 要求其性能好、振动小、噪声低, 根据以上得到的发动机功率及转速, 我们选取雅马哈M Z/R 300 型汽油发动机。其技术参数为:排气量301 CC、耗油量200g/P Sh、功率10 PS、转速3 000 r / min 。由于发动机本身带有一级减速,发动机输出轴转速为1 500 r / min 。（5） 减速系统的设计由于本机行走速度很低, 发动机输出轴转速为1 500 r / min , 其减速比较大(118178), 设计时考虑到整体结构的紧凑性, 同时尽量利用成熟技术, 选用国内外已成型产品的设计原则, 确定其传动流程为:发动机 皮带传动 离合器 减速器变速器链轮设计时采用皮带传动的目的主要是为了减小动力和负载的波动, 起过载保护作用。在皮带转动后,加上电磁离合器, 使得行走系统与发动机脱开, 以便于换档。因为减速比较大, 故选用美国园林机械中的变速器, 它有五个档位, 最大减速比为9161, 在运行中可实现四个进档、一个退档。进档速度分别为: 1 Km / h 、1.49 Km / h 、1.9 Km / h 、3 Km / h 、退档速度216 Km / h ,满足设计要求。（6） 行走系统设计行走系统主要是承担整车重量, 传递和承受路面作用于车轮的各种力及力矩, 并吸收振动和冲击。本车行走系统主要由驱动桥、前轮、后轮和制动器组成。其中前轮为驱动轮, 由于它承担整车的主要重量,因此将前轮设计为大轮；而后轮为导向轮,故设计为小轮。在驱动桥中设计有差速器及大小半轴。制动系统采用液压盘式制动。（7） 清扫系统的设计清扫系统包括喷水系统、路牙洗刷系统、路面清扫系统。（8） 喷水系统在选用水泵时, 考虑到水泵的开闭不应受机械传动的控制, 而应具有独立性, 故选用24V低压直流泵, 其开闭由电钮开关控制, 方便合理。喷嘴采用双喷头, 其流量由节流阀控制, 以满足不同路面的清扫需要。（9） 路牙洗刷系统路牙洗刷系统布置在车的侧面, 通过小电机和链轮传动来带动洗刷轴的转动。其不锈钢制芯轴通过平键联结在尼龙轴套上, 尼龙毛刷钉在尼龙轴套中的柳木棒上, 尼龙直径为0.5 mm 。由于本车行驶时刷子必须抬起, 故设计为固定轴套, 活动芯轴。（10） 路面清扫系统路面清扫系统布置在车的前面, 由另一小电机直接带动洗刷圆盘轴的转动来 实现水平路面的清扫。圆刷直径为300 mm , 由高强尼龙丝制作, 其断面呈椭圆形。小型自走式道路清扫车适用于城市住宅小区、小街小巷等比较狭窄、有台阶及复杂路面的清扫, 能减轻环卫工人的劳动强度, 提高清扫效率, 满足了社会对城市环境卫生日益提高的要求。1.3 本论文的主要工作通过与导师和同学交流，查阅相关资料，对要进行设计的手推式户外场地清扫机有个大概的思路。在定下了所有零件的尺寸与材料后，用Pro/E软件画出零件， 并进行模拟装配，并画出相应的AutoCAD图，对于不合理的地方，在进一步的分析与研究，最终完成整个设计。第二章手推式户外场地清扫机的设计2.1 设计前的感想刚刚拿到任务书的时候，总觉得无从下手，回到家后先与身边的父母和长辈讨论了一下，大家给了我很多的意见。大体上都是让我去看看实际的道路清扫车，由于父亲在首钢绿化公司工作，因此我有机会看到了实物。其实这些清扫车在路上是经常见到的，但是从未仔细的看过，看后我有了很多的想法，现在单一功能的道路清扫车是很少的，一般的都是一车多“角色”，原理也不难，通过毛刷将垃圾扫到车的中间，然后用吸力将车底的垃圾吸入车内的垃圾箱，通过初步的了解，对道路清扫车有了一个大体的认识。之后，我开始在网上查一些相关的资料，对国内外的大概情况有了初步了解。虽然有了一定的了解，但是对于我要设计的手推式户外场地清扫机还不是很清楚， 带着一系列的问题，我找到了我的导师，导师拿出了一些资料，并很有耐心的给我讲解，通过文字，图片和录像。从这些的资料中，我对那些大型的道路清扫车的内部结构。回到宿舍后，我又将导师的话回想了一遍，大概的模式已经在我的脑海中， 当时我立即跑到了学校的图书馆，进入数据库查了更多的资料，拿着这些资料，开始了下一步的工作了。2.2 设计构思我的题目是手推式户外场地清扫机，主旨是绿色与环境。我的设计既然是手推式的，就肯定没有电和油的参与，机构间的力的传递只能是一些简单的机械传递， 比如齿轮，带，链等，通过这些简单的传递，能够达到环保绿色的要求。除了这一点之外，它应该有自己独特的优点，不能像大型的道路清扫机那样的笨重，且在清扫的地域不应受到很大的限制，而这些就是手推式户外场地清扫机的优点。各种大面积公共场所的地面清洁问题是各个城市，街道，广场的重点和难点，北京即将迎来2008年奥运会，设计制作一款使用方便，省时省力，无任何污染，清洁能力强的地面清扫设备，使用户可以在提高工作效率的同时大大降低了劳动强度，具有广泛的市场前景。2.3 设计草图大量的资料在我的脑海中回荡，在这种情况下，我开始画设计草图了，用了几天的时间，我的草图出来了。图2-1 最初草图我信心十足地拿着草图找到了导师，原以为能够得到导师的表扬与鼓励，结果导师向我泼了一盆冷水，当然这盆冷水也冲走了我的幼稚。我们是在设计一个实用的工具，而不是在设计科幻电影中的道具。导师全盘否定了我的最初设计，之后很认真的和我分析草图中的种种问题，比如结构复杂，尺寸不合理，受力不均匀，原理不符合规则带着这些问题，导师又给我看了录像和往届毕业生的Pro/E图，看了之后，我渐渐的明白了导师之前对我说过的话，结构不必复杂，通过简单的机构能达到预期的目标就可以了，简单明了！之后，导师又和我讲了一些思路，又重新给我定了一个起点。2.4 设计方案最终确定根据导师的提示，加上自己的一点点的创造力，我对系统结构做了整体的改变， 重新换了一条路，争取将机构设计的简单，至少当别人拿着草图的时候，能看得懂机构运行的原理，以及能达到的目标是什么。我将原草图的修饰部件全部删除后，仅仅用了齿轮与带的传递，将整个机构联系在了一起。我带着修改后的草图又找到了导师，导师看后，觉得原理上还说得过去，但又给我提出了很多的意见。例如，清扫车的外形应设计类似流水型，尽量减少尖角的出现；轮子，毛刷的直径，与传送件齿轮，皮带轮之间的比例不太好，而导致了整体的形状不够美观；后皮带轮直径与前皮带轮的传动比应稍稍的大一些，从而使扫毂的转动速度加大，与地面的相对速度加大，使垃圾易被扫入；将垃圾箱设计为活动的，就好像抽屉那样，诸如此类的问题与我谈了很久，让我对自己的这个毕业设计项目有了更深的了解。我将图进行了修改与完善，并利用几天的时间将整体的大概尺寸定了下来，图如下：图2-2 草图主视图图2-3 草图俯视图在画完外壳后，发现了一个重大的问题，就是外壳画成了一体，尽管外形上没有什么问题，但是在制作上是除了铸造以外是不可能实现的，为此，我将清扫机的外壳进行了拆分，最后又重新组装在了一起，解决了无法制作的难题。壳体间的固定主要选用角铁。图 2-4 外壳Pro/E 图在对外壳进行了装配后，其余的零件应选用什么，是我目前的任务。主动轮将力传给谁，是齿轮传递好，还是皮带传递好，或者是链传递好？最终我选择与前毛刷之间的传递使用皮带，而与清扫机内部的传送带的传递使用齿轮。理由如下：1. 皮带毛刷清扫机的主要动力是手推力，在速度上相对来说较慢，简单的平带可以实现这个运动，如果使用了齿轮，两齿轮的中心距较大，齿轮会接触到地面，这个是最不合理的地方，因此不选用齿轮。对于链而言，结构过于复杂，在此可以不考虑，传动比选为 2：1，可使毛刷以后轮转速的一倍转动，与地面有一定的相对速度，可使垃圾正常扫入。2. 齿轮传送带此处是通过推力，通过力的传递，传给内部传送带的轴，从而带动传送带传动， 使得垃圾顺利进入垃圾箱。在此处为了让垃圾能够正常的被扫进，因此传送带的转动方向一定要与清扫车主动轴的转动方向相反，使用皮带和链都无法达到这个要 求，为此，选用了齿轮传动。图 2-5 清扫机内部结构对于垃圾箱的构形与选用，通过导师的建议，我也经过了一番考虑。我开始设计的是使用清扫机的后部壳体作为垃圾箱，后来发现被扫入的垃圾根本无法从垃圾箱中取出，于是我将清扫机的后面壳体设计成了活动的，但是问题又出现了，需要清理车内垃圾的时候，打开后面壳体，眼前的垃圾可以从车内取出，但是深处的却很难扫出，除非将车体放倒。为此，我设计了抽屉式的垃圾箱，当需要清理清扫车内部的垃圾箱时，只需将垃圾箱从车内抽出即可，方便实用。而清扫车的整体外形大体上是根据零件的大小与零件间的相对距离而定，车体前部以及后部，都是以轮子，齿轮，皮带轮的相对位置而定。基于这些整体的框架， 再对其他部分进行修正。出于美观，前轮与上齿轮间的过渡选用平滑曲线，毛刷部分的壳体截去了 1/4 圆，使得毛刷露出了 1/4。图 2-6 清扫机壳体形状第三章手推式户外场地清扫机的计算3.1 键的强度计算键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，联接的类型有平键联接，半圆键联接,楔键联接和切向键联接。平键按构造分，有圆头，平头和单圆头，我选用的是平头键。键的头部侧面与轮毂上的键槽接触，因而键的平头部分可以充分的利用上，而且避免了键槽端部的应力集中的问题，但对于尺寸大的键，宜用紧定螺钉固定在轴上的键槽中，以防松动。对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为：3o= 2T *10pkld s p （3-1）o= 2 * 0.8 * 9.8 *10 *103p0.5 * 6 * 20 * 20= 130.667MPa3.2 焊接材料与注意事项由于壳体和角铁的厚度略薄，因此之间的连接用焊接完成。焊接的方法很多， 此设计选用电焊，焊接的金属结构常用 Q235，Q215，Q255；焊接的零件常用 Q275， 15-50 碳钢，以及 50Mn，50Mn2，50SiMn2 等合金钢。在焊接中，广泛的使用各种型材，板材及管材。为了保证焊接的质量，避免未焊透或者缺焊现象，焊缝应按被焊件的厚度制成相应的坡口形式，或者进行一般的倒棱修边工艺。熔化的金属冷却时要收缩，因此使得焊缝内部产生残余应力，导致构件翘曲。这不仅使焊接件难以获得精确的尺寸，且将影响到焊缝的强度。所以在满足强度的条件下，焊缝的长度应按实际结构的情况尽可能取得短些或分段进行焊接，并应避免焊缝交叉；还应在焊接工艺上采取措施，使构件在冷却时候能有微小自由移动的可能；焊后应经热处理（如退火），以消除残余应力。此外，在焊接厚度不同的对接板件沿对接部位平滑辗薄或者削薄到较薄板的厚度，以利焊接金属匀称熔化和承载时的力流得以平滑过渡。在设计焊接件时，应注意恰当选择母体材料及焊条；根据被焊件厚度选择接头及坡口形式；合理布置焊缝及焊缝长度；正确安排焊接工艺，以避免施工不便及残余应力源。对于那些有强度要求的重要焊缝，必须按照有关行业的强度规范进行焊缝尺寸的校核，同时还应规定一定技术水平的焊工进行焊接，并在焊后仔细的进行质量检验。3.3 带与带轮带传动是由固联于主动轴上的带轮，固联于从动轴上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦，便拖动从动轮转动，并传递一定的动力。带传动具有结构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振等特点。由于此机构的为手推式户外清扫机，在速度上有一定的限制，为此我选用平带。平带传动结构最简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用比较多。常用的平带有帆布芯平带，编织平带，锦纶片复合平带等数种，我的皮带材料选取帆布芯平带。图 3-1 不工作时图 3-2 工作时3.4 齿轮的相关设计3.4.1 齿轮的传动比与啮合条件齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，与其他传动机构相比，齿轮机构的优点是：结构紧凑，工作可靠，效率高，寿命长，能保证恒定的传动比， 而且其传递的功率和适用的速度范围大。但是其制造安装的费用较高，低精度齿轮传动的振动噪声较大。齿轮机构是通过一对对齿面的一次啮合来传递两轴之间的运动和动力的，根据一对齿轮实现传动比的情况，它可以分为定传动比和变传动比齿轮机构。定传动比的圆形齿轮机构的类型很多，根据两传动轴线的相对位置，可以分为三类：平行轴齿轮机构，相交轴齿轮机构，交错轴齿轮机构。在本设计中，我选用的是平行轴齿轮机构，齿轮分布在圆柱体外部且与其轴线平行，啮合的两外轮转向相反。适用的位置是后轮与皮带轮，实现的是推动清扫车， 后轮轴转动，通过键带动下齿轮转动，下齿轮将传动传递给上齿轮，上齿轮得到反向的转动，通过键使得皮带轴转动，最终内皮带转动。按三心定理：w1 O1C = w2 O2 C（3-2）由此得瞬时传动比i12 ：i12= w1w2= O2CO1C（3-3）由计算得到传送比：wi= w1= O2C = 160 0.7122O1C230对于上齿轮：齿轮的齿数为 z1=23，分度圆直径为 d1=230 mm ，由公式d = p1 z（3-4）1p1可以得出：1p = d1 *pz1= 230 * 3.14 31.4mm231m = d1z1= 230 1023对于下齿轮：齿轮的齿数为 z2=16，分度圆的直径为 d2=160 mm ，由公式d 2 =p2 zp2（3-5）可以得出：p2 =d *pz2= 160 * 3.1416 31.4mm2m = d 2z2= 160 1016一对渐开线齿轮的正确啮合条件为：m1=m2=m（3-6）a1=a2=a（3-7）由上面计算可知：分度圆压力角相等，且：m1 = m2 = 10（3-8）因此两齿轮可以正确啮合。中心距 a 为：a = 1 m(z + z ) = 1 *10 *(23 + 16) = 195mm（3-9）22123.4.2 齿轮传动的失效形式（1） 齿轮折断齿轮折断有多种形式，在正常工况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在齿轮受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当齿轮重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使齿轮疲劳折断。（2） 齿轮磨损在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现多种不同的磨损形式。例如当啮合齿面间落入磨料性物质时，齿面被逐渐磨损而致报废。（3） 齿面点蚀点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。在润滑良好的闭式齿轮传动中，常见的齿面失效形式多为点蚀。点蚀就是齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改变，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。（4） 齿面胶合对于高速重载的齿轮传动，齿面间的压力大，瞬时温度高，润滑效果差，当瞬时温度过高时，相啮合的两齿面就会发生粘在一起的现象，由于此时两齿面又在作相对的滑动，相粘结的部位被撕破，于是在齿面上沿着相对滑动的方向形成伤痕， 称为胶合。传动时的齿面瞬时温度越高，相对滑动速度越大的地方，越易发生胶合。有些低速重载的重型齿轮传动，由于齿面间的油膜遭到破坏，也会产生胶合失效。此时，齿面的瞬时温度并无明显增高，故称为冷胶合。加强润滑措施，采用抗胶合能力强的润滑油，在润滑油中加入极压添加剂等， 均可以防止或者减轻齿面胶合。（5） 塑性变形塑性变形属于齿轮的永久变形，它是由于在过大的应力作用下，齿轮材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。塑性变形一般发生在硬度低的齿轮上；但在重载的作用下，硬度高的齿轮也会出现。3.4.3 齿轮的材料选择（1） 钢锻钢：除了尺寸大或者结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在 0.15%-0.6%的碳钢或合金钢。铸钢：铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及常化处理，必要的时也可以进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。（2） 铸铁灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及点蚀的能力比较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳，速度较低，功率不大的场合。（3） 非金属材料对于高速，轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪音，常用的非金属材料（如夹布塑料，尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为 250-350HBS。通过上面的比较，我的齿轮选用的材料是钢。3.5 轴的强度计算与校核3.5.1 按扭转强度条件计算按照轴所受到的扭矩来计算强度。如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不太重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：T9550000 PWt T =Tn0.2d 3（3-10）P = Fv = 0.8 * 9.8 * v（3-11）=60np * dv（3-12）9550000 P95500000.8 * 9.8 * v *10360p * 0.05t= nT0.2d 3= v= 7799527.36MPa 0.2 * 0.053Tt / MPa = 7799527.36 /106 7.80表3-1 轴常用几种材料的t T 及 A0 值轴的材料Q235A，20Q275，35（1Cr18Ni9Ti）4540Cr，35SiMn38SiMnMo，3Cr13t T / MPa15-2520-2525-4535-55A0149-126135-112126-103112-97t T = 7.8 15我的轴选用的材料是Q235，满足扭转强度条件，为此，轴合格。3.5.2 按弯扭合成强度条件计算通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。图3-2 轴的载荷分析图已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面（即弯矩和扭矩大而轴径可能不足的截面）作弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力：o 2 + 4t 2o ca =（3-13）通常由弯矩所产生的弯曲应力s 是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力 则常常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数a ，则计算应力为：o 2 + 4(at )2o ca =（3-14）式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时候，取a 0.3 ； 当扭转切应力为脉动循环变应力时候，则取a = 1 。对于直径为d 的圆轴，弯曲应力：o = MW（3-15）扭转切应力：t = W = T（3-16）WT2W将s 和代入，则轴的弯扭合成强度条件为：( M )2 + 4( aT )2W2WM 2 + (aT )2Wo ca =（3-17）由于a 在此处为0，且：pd 3W =（3-18）32公式可以简化为：o=M 2由于：o ca =M 2pd 332capd 332(3.92 * 0.65 / 2)2=p * 0.05332 103814.86MPa（3-19）s -1 = 40o ca s106-1所以，此轴满足弯扭合成强度条件，轴合格。第四章绘制清扫机的相关图4.1 绘制清扫机的Pro/E图当皮带，皮带轮，齿轮的确定，使得整个构件大体尺寸定了下来，接下来的就是开始对其画实体造型。由于长时间的不用Pro/E了，突然不知道怎么画了，而导师正好带过Pro/E的课，他立即不厌其烦的又给我讲了一遍，如何创建草图，如何拉伸，如何阵列，如何约束，如何装配，通过导师的认真的讲解，我对如何使用此工具有了新的了解。由于导师，以及身边同学的帮助，我的Pro/E零件图渐渐地画完了。我对画完的零件实物图检查了一遍，将外壳，扫毂，前轮，后轮，前皮带轮，后皮带轮，皮带，齿轮及相应的轴，垫圈，键，垃圾传送带，垃圾箱进行了装配，最终完成了整个机构的装配图。图4-1 清扫机Pro/E装配图4.2 绘制清扫机的AutoCAD图画完了Pro/E图后，该开始画工程图了，我用Pro/E生成了工程图，并保存成了AutoCAD的格式。之后，在CAD中对所有图进行了标注，并添加了标题栏，对于装配图中添加了明细栏。图4-2 清扫机AutoCAD三视图第五章专题讨论在手推式户外场地清扫机的整个设计过程中，遇到了种种问题，针对这些问题， 都有了相应的解决，具体如下：1. 整个机构的传送件应该选取什么，是链，皮带，还是齿轮，针对这个问题， 具体解释在2-4节，与前毛刷之前选用皮带传送，而与清扫机内的传送带之间，选用齿轮传递。2. 对于垃圾箱的选取与设计也费了一些功夫，开始选取壳体的后部作为垃圾箱的箱体，后发现垃圾无法取出，之后将壳体后面制作成可以活动的，后发现车壳体深部的垃圾无法扫出，最后将垃圾箱设计为抽屉式，可以随意的放入与取出，解决了之前的所有的问题。3. 清扫机的外壳在开始设计的时候，我将它画成了一体，之后在这个外壳上添加各种零件，导师说此外壳是根本无法制作出来的，应该将其全部拆分，我听取了导师的意见，将壳体拆分成了6个部分，之间的连接用10个角铁进行焊接，最终完成外壳的装配，从而进行下一步。4. 设计初期的清扫机的外形棱角稍多，直观上比较死板，出于美观，外壳的外形设计是基于零件的形状，以及零件间的相互位置而定下来的，对于壳体的上部， 选用了流线形。5. 此手推式户外场地清扫机的尺寸并不是很大，除去了个零件的尺寸外，垃圾箱的尺寸已经越来越小，如何才能十分有效的利用仅有的空间，这个问题我考虑了一下，决定后轴不贯穿整个壳体，在外壳外部，与原后轴的同心地方，焊接上一个圆形柱体，而后轮子就安装在此处，之后在此轮子的短轴上设好键，与齿轮和皮带轮配合，从而避免了车体内的轴占用了垃圾箱的空间，达到了一举两用。6. 在扶手的端部，出于对使用者的舒适，金属的扶手外，添加了一套用海绵制作的副手套。7. 毛刷的直径也做过一定的分析，当毛刷的端部与传送板间刚好重合的时候， 清扫略大的垃圾是没有问题的，但是对于较小的可能在传送带上有一定的滑落或者遗漏，为此毛刷的直径的设计比计划的稍微大了几毫米，与传送板之间产生过盈配合，避免了上述的问题。8. 为了使得齿轮，以及皮带的传动更为的稳定，我在清扫机的两侧都有设计，达到对称，稳定了传动。9. 清扫机后面的两齿轮的大小以及比例在设计初始也产生了很大的问题。由于下面的齿轮与后轮同轴，为了防止下齿轮接触地面，因此直径必须要小于后轮子的直径，上齿轮的大小设计是相对随意一点的，但是他的选型确决定了这个手推式户外场地清扫机的外形，过大过小都不美观，最终下齿轮的直径选用了轮子直径的2/3，而上齿轮的直径与轮子的相同。10. 扶手的外观与尺寸也经过了多次的修改，在初期的设计中，扶手是和外壳一体的，后来发现了这个问题，进行了拆分，并用螺钉与壳体进行了装配，扶手的上端选用了自然的弧线过渡，使得过渡后的扶手端部与地面平行，当给导师看了后， 导师一眼就看出了问题，扶手端部太短了，当使用者手扶扶手端推车的时候，脚步很容易踢到垃圾箱，为此，我改了整体的扶手形状后，特意将扶手的端部加长了很多，避免了脚踢垃圾箱的问题。11. 清扫车后部的下齿轮外部与后轮的内部刚好配合，因此不会有偏移，但是上齿轮在壳体外，很容易脱落，为了避免这一现象，我选用了一种垫圈来约束它， 这样可以解决这个问题。第六章结论我所设计的手推式户外场地清扫机，达到了环保的要求，而且在特定的场合也可以正常的使用，不受地域的限制，基本上符合设计的相关要求。相应的操作与原理如下，手推扶手，带动清扫机向前运动，轮子的转动带动轴的转动。后轮上的皮带轮通过皮带，带动前皮带轮，从而带动毛刷的轴，使其可以转动，将垃圾扫入车内的前部；后轮上的齿轮与上齿轮啮合，带动车内传送带的轴转动，从而使得内皮带转动，将车内的垃圾传送到车后部的垃圾箱中，完成清扫任务。优点是环保，结构简单，有一定的创新性，使用上也是十分的简单，不受地域的限制。但同时也存在着一些问题，比如整个机构的材料以钢为主，实际重量是个不容忽视的问题；由于大部分的传动零件都是置于壳体的外部，因此在安全问题上也存在着一定的隐患。希望在以后的发展中，找一种材料在达到钢的强度情况下， 大大的减少重量，在价格上也不要太贵；在安全问题上，对清扫机的外壳进行相应的改装，最好将危险的地方添加上一些隔板。我所设计的手推式户外场地清扫机还只是个雏形，在结构，功能，以及性能上还未完全的满足要求，望在今后有更好的改进。参 考 文 献1 焦永和 机械制图 北京理工大学出版社 2001年7月出版2 濮良贵, 纪名刚. 机械设计M. 北京: 高等教育出版社,2001:90- 3703 王知行,刘廷荣 机械原理 高等教育出版社 哈尔滨工业大学机械原理教研室编4 马文星, 邓超.筑路与养护路机械原理、结构与设计.北京: 化学工业出版社, 2005: 1541715 罗朝东. BAQ5120GXS 型和BAQ5130GXS 型清扫车. 筑路机械与施工机械化, 1996: 19-206 罗善瞀.我国扫路车的发展和研究方向.建设机械技术与管理, 2005( 5) : 46-487 公路养护技术规范（JTJ073-96）S. 北京：人民交通出版社，1996.8 宋森编. 汽车修理工必读M. 吉林：吉林科学技术出版社，1987.9 哈尔滨电机制造学校主编. 金属工艺学M. 北京：机械工业出版社，1979.10 路秀林王者相.塔设备.化学工业出版社，2001.899111 李金山, 李琳, 谭定忠. 清洁机器人概述M. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学机电学院,2005:15- 4512 李家宝. 结构力学M. 北京:高等教育出版社,1999:120- 36513 谭定忠, 王启明, 孔凡凯. 自主移动清洁机器人运动学性能研究M. 哈尔滨:哈尔滨工程大学机电工程学院,2004:10- 2514 于光瑜, 秦惠民. 材料力学M. 北京: 高等教育出版社,1999:170- 38015 Pratt, T., and Yule, J., 1997, A Brief History of the Road Sweeper, J & G Plant Ltd.16 Stango, R. J., Heinrich, S. M., and Shia, C. Y., 1989, Analysis of Constrained Filament Deformation and Stiffness Properties of Brushes, ASME J. Eng.Ind., 111, pp. 238243.17 Stango, R. J., Cariapa, V., Prasad, A., and Liang, S.-K., 1991, Measurement and Analysis of Brushing Tool Performance Characteristics, Part 1: Stiffness Response, ASME J. Eng. Ind., 113, pp. 283289.18 Meriam, J. L., and Kraige, L. G., 1993, Engineering Mechanics, John Wiley and Sons Inc., New York.附录1. 英文翻译2. 开题报告3. Pro/E图4. AutoCAD图35