车辆工程毕业设计(论文)除雪汽车设计

编号 毕 业 设 计（论文）题目 除雪汽车设计 二级学院 重庆汽车学院 专 业 车辆工程 班 级 学生姓名 学号 指导教师 职称 时 间 目 录 摘 要 Abstract第1章 绪论 1 1.1 除雪车的技术况1 1.2 除雪车的分类与特点2 1.2.1 按工作装置的特点分类2 1.2.2 按整车特点分类3第2章 除雪车总体结构设计 5 2.1 除雪车的基本结构5 2.2 选择专用除雪装置5 2.3 除雪装置的性能5 2.4 专用除雪装置布置5 2.5 专用底盘的选择7第3章 雪铲铲板空间曲面设计 93.1 概述9 3.1.1 相关概念及名词解释9 3.2 雪铲铲板曲面结构参数选择 10 3.2.1 雪铲的铲板空间形状选择 10 3.2.2 雪铲铲板切削刃参数选择 12 3.3 雪铲材料 12 3.4 除雪力学模型及计算 13 3.4.1 行驶阻力计算 14 3.4.2 除雪阻力计算 15 3.5 切线牵引力计算 17 3.6 除雪功率的计算 17 3.7 发动机功率校核 183.8 本章小节 18第4章 除雪车弹性避让装置19 4.1 概述 19 4.2 避让装置的选择 19 4.3 圆柱螺旋拉伸弹簧的设计 20 4.4 本章小结 23第5章 除雪装置的液压系统的设计24 5.1 液压系统 24 5.1.1 液压系统组成及作用 24 5.1.2 液压传动的工作原理 25 5. 2 油泵的种类 25 5. 2. 1 齿轮泵结构和工作原理 26 5.2.2 齿轮泵基本参数的选择 27 5. 3 液压缸的设计计算 28 5.4 本章小结 33第6章 心得体会34参考文献 35文献综述外文翻译3重庆理工大学 除雪汽车设计摘要 本文以乌莫尼克U4000汽车底盘作为基础，将除雪铲与其底盘大梁连接，并对除雪车的除雪铲板进行结构参数的确定与设计，分析了除雪铲工作阻力，并对所选取的发动机功率进行校核。通过对避障四杆机构、液压系统的研究与设计，确定除雪车的最终方案。本文的主要工作如下：1、研究除雪车的种类与特点，确定除雪车的设计方案；2、考虑除雪作业要求、工艺性、结构性等因素，参照相关试验数据选取合适的雪铲结构参数。对除雪铲板空间曲面进行分析、设计；3、通过除雪车作业计算，分析前雪铲作业时整车的牵引特性及功率匹配特性；4、通过对除雪装置的液压系统和避让机构的回位弹簧进行计算与设计。关键词：除雪车、铲板曲面、除雪装置、四杆机构、液压系统 AbstractThis paper with UNIMOG U4000 automobile chassis as the base, and its chassis beam will be focusing on snow removal shovel to connect, and focusing on snow removal vehicle plate structure focusing on snow removal shovel of parameters and design, analyses the work resistance, and focusing on snow removal shovel on the selection of engine power test. Through the obstacle avoidance four-bar mechanism, hydraulic pressure system of research and design, make sure the final plan. Focusing on snow removal vehicle.This paper main job is as follows:1, research focusing on snow removal vehicle types and characteristics, to determine the design project; focusing on snow removal car2, considering the operation requirement focusing on snow removal, workmanship, structural factors, consult relevant test data of selecting an appropriate snow shovels structure parameters. Focusing on snow removal shovel board space surface of analysis and design;3, through analysis, focusing on snow removal vehicle homework before when the snow shovels homework traction characteristics and vehicle power matching characteristic;4, through focusing on snow removal device for the hydraulic system and avoid institutions calculation and design return spring.Key word： Snow removal vehicle, Shovel plate surface, Snow removal device, Four-bar mechanism, Hydraulic systemII重庆理工大学 除雪汽车设计第1章 绪论1.1 除雪车的技术概况除雪车是用于清除路面冰雪，保障车辆、飞机和行人安全的冬季路场养护专用设备。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，不断提高产品的作业性能和操作性能，以适应冬季除雪提出的更高要求并提高产品竞争力。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。普遍采用液力距器、动力换挡装置和全自动电液控制系统。可在除雪作业时实现自动变速档功能，使作业速度自动适应除雪作业的负荷变化，不仅减轻了司机的负担，还能保证高速除雪的要求。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。研制高效的清除坚硬冰雪装置、拓宽作业装置、滑雪装置、高雪堤处理装置、药剂撒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、叶片形状的进行优化设计，使除雪属具结构简单、受力合理、操作方便、提高使其使用寿命、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、西北和华北地区，先后有十几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梨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。我国北方广大地区每年都有35个月的降雪期，几十万公里的道路存在积雪清除问题。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。1.2 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；另一种是按工作装置与机动车底盘结合的整机结构特点分类。1.2.1 按工作装置的特点分类 除雪车按工作装置的特点分为犁板式、旋切式及其他类型。（1）犁板式除雪车 犁板式除雪车安装有犁板式清雪装置，这种装置最大特点就是结构简单、造价低、性能可靠。清雪作业时以直线运动为主，应用广泛，是除雪车中保有量最大的类型。按犁板体结构又可分为单向犁式、V型犁式、刮雪板式、侧翼板式、及犁板式综合除雪车。图1-1所示为单向犁式除雪车，其除雪装置为单向犁式，一般都配置于除雪车前段，又称前铲，主要用于清除新降积雪，除雪速度较高。通过对推雪犁曲面的优化设计，配合选择合适的行进角，可以获得很好的除雪、排雪性能。 图1-2为V型犁式除雪车，其主要结构及工作原理与单向犁式除雪车基本类似。V型犁结构左右对称，在除雪作业中向两边同时排雪。V型犁受力对称，推力大；但结构相对复杂，排雪性能不好，作业速度较单向犁低，所用牵引力大。 图1-3所示为刮雪板式除雪车，安装有刮雪板清雪装置，作业对象是一定程度的压实雪层。由于作业对象雪质较硬，所以刮雪装置的设计较为坚固，结构尺寸也较小。为合理利用车辆自身重力，刮雪板一般都以固定角度安装与所用底盘车中部靠近整车重心位置，因此又称中铲。图1-4所示为侧翼板式除雪车，在除雪车的侧面装有侧翼板，侧翼板又称侧铲，主要进行加大除雪宽度或阶梯作业等某些特殊除雪作业。犁板式综合除雪车是为增加除雪作业种类，把单向犁或V型犁、刮雪板、侧翼板按使用需求进行组合，安装在同一辆行走车辆上。这种除雪车适应能力强，对行走车辆的功率要求较大。（2）转子式除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。压磙式除雪车配备的压磙装置适用于清除坚硬的冰雪。图（1-5）是一种拖挂式压磙除雪车。根据压磙装配磙刀的安装角可将其分为斜刃压磙（图1-6）和直刃压磙（图1-7）。实验证明，斜刃压磙的切入角能有效地清除冰雪和保护路面。 单螺旋转子式除雪车（图1-8）和转子式除雪车（图1-9），是两种常见的配有抛雪转子的旋切式清雪车，工作装置由集雪装置、抛雪转子、抛雪筒及连接装置组成。集雪装置将雪从两边向中间运送至叶片呈辐射状的抛雪转子，在高速旋转叶片离心力作用下，沿叶片表面运动至转子壳体顶部开口处抛雪，由抛雪筒导入合适区域。（3）其他类型除雪车其他类型的除雪车主要有铲剁式、锤击式、扫雪与吹雪式及运雪车、融雪剂洒布车等。在机场等一些场合还常常把各种形式的除雪装置搭配成综合式除雪车以获得满意的清雪效果。1.2.2 按整车特点分类除雪车整车的分类方法很多，可按整车适用范围、在除雪作业中的功用、所用底盘形式和行走方式等不同分类方法进行分类。按整车适用范围，即除雪车的使用场合，可把除雪车分为泛用型除雪车、人行道除雪车、铁道除雪车和高速公路除雪车等。按除雪车作业中的作用，可把除雪车分为推雪车、抛雪车、装雪车及特种除雪车辆（包括融雪车、融雪剂洒布车、扫雪车、压雪车、吹雪车、综合式除雪车等）。按除雪车所用的底盘的不同可以把除雪车分为专用底盘除雪车和兼用底盘除雪车两种。专用底盘除雪车只能进行除雪作业，而兼用底盘除雪车上的除雪工作属具均可拆卸，在不需要清雪时用于运输等其他作业。 按除雪车行走装置可分为轮胎式除雪车和履带式除雪车两种。第2章 除雪车的总体结构设计2.1 除雪车的基本结构除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、液压控制系等系统构架组成，底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。选择合适的专用车底盘，能有效的提升除雪车的性能。2） 专用工作装置除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。它是除雪车的灵魂，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、性能可靠等特点。当对推雪犁板曲面的进行优化设计，配合选择合适的行进角，可以获得很好的除雪、排雪性能。除雪作业时以直线运动为主，应用广泛，是犁板式除雪车中保有量最大的类型。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最大偏转角为30。3 在除雪工作时，除雪装置必须能越过高度为100mm的障碍物。4 除雪车不工作时，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必须大于220mm。2.4 专用除雪装置布置 除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1、除雪铲 2、拉簧 3、除雪铲上连杆 4、前托架 5、后托架 6、举臂连杆 7、升降液压缸 8、大梁托架 9、举臂架 10、偏转液压缸支架 12、除雪铲下连杆 13、汽车 图2-2中拉簧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，并使铲刃紧贴地面。两个升降液压缸7铰接于大梁托架8和举臂连杆6上，用于控制除雪铲的升降，最大升程可达到220mm。偏转液压缸12铰接于前托架与后托架5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166mm。而后用销子和后托架5固定，升降液压缸降低，除雪铲铲刃紧贴地面。随着除雪车的行进，积雪将被铲刃剥离地面并沿着铲板曲面作螺旋外抛运动，积雪被推到道路右侧。2.5 专用底盘的选择除雪车的工作效果不仅取决于所装配除雪结构的优劣，还取决于机动车底盘的性能以及机动车底盘与工作装置之间的有关参数匹配是否协调。只有正确选择机动车底盘与工作装置的各性能参数并保证它们之间的合理匹配，才能使设备的技术经济指标得到充分发挥，完善整车性能。本课题的专用底盘采用奔驰乌尼莫克U4000车型的底盘如图2-1。乌尼莫克U4000是一种越野性能极强的多功能货车。乌尼莫克U4000采用牙嵌式差速锁四轮驱动系统，这套系统能有效避免车轮在恶劣的冰雪条件下打滑。乌尼莫克U4000的分动箱前后有多个机具功力取力口（PTO）输出位，前部安装板、车桥之间以及车辆后部可以安装多种机具组合，并且可以实现短时间内机具的迅速更换。此外，乌尼莫克U4000在所有附属装置设备和车身加装区域预装了各种可能需要的安装点，包括除雪铲板的安装点。所有机具可以安装在车辆轮廓线之内。另外，乌尼莫克U4000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。乌尼莫克U4000型底盘参数见表2-1。 表2-1是乌尼莫克U4000型底盘参数。轴距3250mm驱动形式4*4 发动机 型号OM924LA直列四缸涡轮增压中冷Telligent智能电控直喷柴油发动机排量（）4801最大功率kw（hp）/rpm160（218）/2200rpm最大扭矩（Nm）/rpm810/1200-1600rpm变速器形式UG100-8型8前进挡，6倒档变速箱带一体式分动箱换挡形式Telligent智能换挡，配备EOR快速前后换挡装置前进挡速比9.57-073额定牵引力39kN取力器N16高速取力口，i=1.0，扭矩650Nm底盘高抗扭梯形大梁，U型纵梁，管装横梁外形尺寸5410*2336*2650mm离地间隙前420mm/后423mm整车允许重量（kg）9500整车自重（kg）4540载荷分布（kg）4400/5300轮胎335/80 R20最高车速100km/h，在除雪作用中把车速限制为30km/h第3章 雪铲铲板空间曲面设计3.1 概述311 相关概念及名词解释1）除雪宽度除雪车工作时在行进方向上一次清除积雪的宽度，也就是除雪铲在除雪车前进方向上的最小投影宽度。根据除雪车使用场合的不同，对除雪宽度的要求也不尽相同。广场等空旷场所需要较大除雪宽度的除雪车，而交通路线上除雪车的除雪宽度一般不宜超过一个车道的宽度，避免除雪作业时阻碍交通。2)切削角行进方向上铲体与地面间的夹角。如图3-1所示。随着除雪铲的前进，具有一定切削角的铲刃在垂直力F的作用下，将积雪剥离其附着面，积雪沿导板曲面向斜上方运动，最后以一定的速度从除雪铲后端部排出。切削角的大小直接影响切削阻力的大小。切削角太小使切削刃变薄、强度不足；但过大，切削阻力会显著增大。实验表明，切削角每增加10，抗切强度系数K增加10%20%，切削角在60左右时抗切强度系数K达到最大值，切削角60后抗切强度系数K增加不明显。图3-1切削角、行进角示意图3）行进角铲体宽度方向与车辆行进方向所夹锐角为，= （3.1）如图3-1所示。行进角与除雪阻力、排雪性能、除雪铲长度都有很大关系。行进角小，则除雪阻力小，且排雪性能好，但须有较长的铲体才能保证必需的除雪宽度；行进角大，铲体长度则可短些，但除雪阻力增大，排雪性能也将变差。3.2雪铲铲板曲面结构参数选择 除雪铲是除雪车广泛配备的一种犁板式清雪工作装置，通过可拆卸固定连接方式安装于除雪车底盘前端。雪铲导板的形状一般呈复杂的空间曲面，可对新雪、粉雪、粒雪、压雪、冰水混合物等采用高速推进方式，利用曲面旋移原理清离路面。除雪铲导板曲面设计是除雪铲设计的核心内容。3.2.1雪铲的铲板空间形状选择（1）铲板铲形犁板式除雪车前铲采用高速推进，利用曲面旋移原理将积雪清离路面。除雪铲板曲面的作用在于旋移和推运积雪。铲板的结构参数对雪屑运动规律、积雪容量、推运阻力都有影响。在除雪过程中，如果推运和旋移积雪的阻力小，在一个旋移运动周期内抛射积雪的距离远，则标志其性能良好。为了便于向道路外侧排雪，除雪铲常被设计成一端大一端小，以固定的行进角工作。被除雪屑的理想运动轨迹是空间螺旋外抛运动。 常用的除雪铲板形状有圆弧型、抛物线型、I类渐开线型、II类渐开线型（图3-2）其中抛物线和圆弧的形状很近似，两者的性能也很接近。由于被除积雪的颗粒间结合力小，在高速铲的作用下被剥离后会紧贴铲板作旋移运动；而在推土铲作业时，当被切下的土屑呈层状沿曲面滚卷前进时，其切削性质和推雪铲工况相似。国外专家利用三种曲面板对中等沙土做了对比实验。在其它因素相同的情况下，对比铲板类型对切削阻力的影响，实验数据如表3-1。表3-1铲板类型对切削阻力的影响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通过对数据的对比分析，结合实际工作情况。本课题除雪车雪铲形状采用II类渐开线型。（2） 铲板宽度除雪车雪铲常以固定的行进角进行除雪作业。行进角与除雪阻力、排雪性能、除雪铲长度都有很大关系。根据经验及相关实验，除雪铲的行进角一般取值为5060，由于除雪铲的偏转角为30，根据角度关系可知60，然后通过几何计算求得为46，所以行进角=53。推雪铲的宽度应保证工作时在除雪车前进方向上的最小投影宽度大于车宽，前端（小端）应比同侧轮胎外缘宽出约200mm，后端（大端）应比同侧轮胎外缘宽出约400mm。这种宽度出量是为了保证在作业过程中除雪车能给自己开辟前进的道路，从而保证其作业质量。通过查阅国内道路标准，可知各种公路车道宽度约3000-3750mm，但普遍采用3750mm的较多。除雪车作业时，铲板的宽度必须小于或等于3750mm，才不会影响其他车辆的通行。而且除雪宽度，即除雪铲在除雪车前进方向上的最小投影宽度，必须大于或等于2936mm（车宽+大小端的轮缘距）。因此除雪铲板宽度必须大于，可初步确定除雪铲板宽度B为3700mm。根据公式（3-2）进行检验：B= （3-2）式中：Fe推雪车额定牵引力(N)，乌尼莫克U4000的额定牵引力为39kN； B推雪宽度，单位mm； 推雪铲的水平比切力，可选20100N/cm，此次选取100N/cm。将数据代入公式（3-2）可得 B=390cm=3900mm，所以雪铲宽度B取3700mm满足要求。（3）雪铲铲板特征雪铲铲板一般呈一端大一端小的空间螺旋锥形，为了保证清雪宽度常采用不对称安装。铲板前端高度一般取1000mm，后端高度取1400mm且要利于排雪。为防止飞雪影响驾驶员视线，雪铲一定要有一定量的固定前伸部分。3.2.3 雪铲铲板切削刃参数选择切削刃和与其连接在一起的铲板是推雪铲的主要工作部分。为了设计性能良好的除雪铲，必须对切削刃和铲板加以分析。除雪车雪铲主要应用于清除新降积雪，新降雪的密度随其结构、气象条件以及降雪气温的不同而变化，其密度值一般在20800kg/m之间。通过比较认为松土和积雪的物理机械性质较为接近，参考较为成熟的推土铲切削刃设计理论可知，对于松土和积雪，一般认为切削角取30时切削刃强度和切削阻力组合最佳。但推土铲的切削角通常以55为宜。除雪车雪铲切削对象是新降雪，同时除雪车为保护路面大多采用轮式行走机构，所能提供的最大牵引力较履带式行走机构小，而且工作速度要求较高，所以应尽量减小工作时的切削阻力。除雪车的工作路面较为平整，适合地形变化需要的后角略小。因此综合考虑，除雪铲铲刃切削角选择为30。切削刃厚度取20mm左右，除雪深度为100mm，切削刃是易损件，由于积雪路面情况复杂多变，为避免铲刃局部受损而更换整个铲刃板，通常把铲刃设计成多块刃板组合而成，可以翻转调换使用，延长使用寿命。3.3 雪铲材料除雪铲的主要工作部分是切削刃和与其联接在一起的铲板。切削刃是直接切雪的零件，应有足够的耐磨性、强度、和刚度。切削刃是易损件，因此它与铲板之间设计为可拆分段联接。适宜的铲体自重利于增大铲体作用于路面的线压力，因此除雪车并不刻意追求降低雪铲的总质量，且今年来铲体质量有增大的趋势。但必须考虑行车稳定性和所用载重车前后轴的承荷能力，通常情况下除雪车雪铲工作装置的总质量限制在500800kg。材质选择时兼顾经济性，切削刃材料时除考虑耐磨性、韧性、经济性等因素外，须考虑工作温度对其物理特性的影响，表3-2为几种常用钢材的力学性能和退火硬度。除连接零件外，除雪工作装置大部分零件材质选择Q235钢。而切削刃一般选取65Mn调质钢。表3-2常用钢材的力学性能和退火硬度钢号力学性能退火硬度HB20Mn2785590187Q235375460235-4560035519740Cr52098020765Mn7354302293.4 除雪铲的力学模型及计算犁板式除雪车的清雪阻力是其在清雪作业时所受到的总阻力，包括雪铲受到的雪阻力和车辆的行走阻力两部分。除雪铲所受的阻力Fp可图3-4所示的坐标进行分解。zX前进方向Y 图3-4 单向推雪铲的受力坐标Fa除雪铲FfFc除雪铲3.4.1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铲刀与路面间的滑动摩擦阻力，N； Fc分离积雪的切雪阻力，N; Fa将积雪沿铲板面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。于是可分别计算铲体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 (3-9) =2326N侧向阻力Fpy：Fpy=Fcy+Fay (3-10)=561N垂直方向阻力Fpz： (3-11)=7840.00N 式中 铲刃和路面的摩擦因数（钢铁与压实雪的摩擦因数为0.1）； Mp推雪铲总质量，kg（雪铲总质量为800kg）； S清雪断面积，（S=2.9360.1=0.294）； 雪铲的行进角，（行进角为53）； 雪铲的切削角，（切削角为30）； 雪铲的行进速度，m/s（为除雪车的行进速度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）; 雪的平均抗断应力，新雪的平均抗切应力=0，Pa.3.4.2 行驶阻力计算行驶阻力Fm由下式求得：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 (3-12)式中 空气阻力系数（乌尼莫克U4000取值0.6）；A犁板式除雪车正面投影面积，；犁板式除雪车与空气的相对速度，km/h；滚动阻力系数（轻碾压雪与轮胎间，=0.025+0.0005v4）；M除雪车总质量，kg；除雪车有效质量，kg，=M-Mp；道路坡度角；a加速度，m/；犁式除雪车旋转部分回转当量，kg。 由于除雪车的行驶阻力与一般汽车的行驶阻力计算方法相同，犁式除雪阻力的影响因素很多，计算复杂，但可用经验公式（3-13）进行估算： =9.851.740.29480=11926N （3-13） 式中：除雪阻力比，m（=0.0942-2.44+65.5=51.74）； S除雪断面面积，（S=0.294）； 雪的密度，kg/（松散雪的密度为80kg/）；除雪作业总阻力Fs由推雪铲所受的阻力Fp和车辆的行驶阻力Fm合成，Fs可分解为行进方向、侧向和垂直方向三个分力。行进方向分力 Fsx=Fpx+Fm =（2326+11926）N=14252N (3-14) 侧向分力 Fsy=Fpy=561N (3-15)垂直方向分力 Fsz=Fpz=7840.00N (3-16)3.5 切线牵引力计算 这里引入切线牵引力Fk的概念。切线牵引力是指在牵引元件作用下，地面产生的作用于行走机构上、平行于地面并沿着行驶方向的总推力。冰雪路面所能提供的最大附着力可由下式求得： =0.35（53409.8-7840）=15572N (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= 15572.2N (3-18) 为使犁板式除雪车能正常作业，其最大切线牵引力必须大于或等于外部阻力之和，即在一般情况下，有发动机转矩所决定的最大牵引力大于附着力，发动机功率应适当的储备。3.6 除雪功率的计算 除雪功率P由下式求得： (3-19) =131435W132kW式中 P除雪功率，kW； 行进方向的除雪阻力，14252N; 行走速度，30m/s； 传动效率，机械传动取 =0.90。3.7 发动机功率校核根据上面的计算可知，而且除雪车初选发动机的功率160kW大于除雪功率132kW，所以除雪车可以正常作业。3.8 本章小节本除雪车的除雪铲采用II类渐开线型铲板，铲刃切削角为30，切削刃厚度为10mm；推雪铲行进角为53，除雪铲前端高度为1000mm，后端高度为1400mm，铲板宽度为3700 mm，有效除雪宽度大于车宽600mm，符合设计及道路通行要求。除雪车雪铲正常工作时，除雪作业时的牵引力与选用底盘类型匹配，能满足设计要求。额定工况为：清除0.1m厚、密度为80kg/的浮雪，额定除雪速度为30km/h。第4章 除雪车弹性避让装置4.1 概述目前，我国公路及城市道路的路况普遍已有很大改善了，但仍有相当里程的路段路况较差，突出表现在路面平整度低和局部损毁（如裂缝、变形、崩解、错台、沉陷、脱皮、麻面等），另外除雪作业时还可能遇到一些路面物（如凸台、窨井盖、道钉、分界线反光块、坑槽等）。如不采取避障措施，则将造成除雪设备或路面设施损坏，甚至会威胁到驾驶人员的人生安全。除雪车的避障措施有两种形式：一种形式是利用声波或磁波探测障碍物与雪层厚度，自动控制推雪铲的升降运动，主动避障；另一种形式是采用机械机构，实现被动避障。本课题主要采用机械被动避障结构。犁板式除雪车机械被动避障结构基本分为两种类型:一种是通过铲体的动作实现缓冲和避让，采用双摇杆机构实现；另一种是依靠铲刀的动作实现缓冲和避让，通过摆动导杆机构实现。上述避让机构的避让动作均可分解为上下伸缩动作和绕某一固定轴的旋转动作。4.2 避让装置的选择目前国内外除雪机械广泛应用的弹性避让装置为双摇杆机构，其优势是避让效果明显、越障高度较大、环境适应性强，可以在硬质雪区作业。而摆动导杆避障机构的导杆机构安装在铲刀后侧，限制铲刀的最佳切削角取值。摆动导杆避障机构铲刀切削角一般取值在6575范围内，适合于中铲采用。所以本课程设计采用的是双摇杆避障机构。图4-1为双摇杆机构发挥弹性避让功能时除雪铲的模拟图。在该模拟图中，1和2分别为上、下连杆，3为前托架， 4为圆柱螺旋拉伸弹簧与前托架的连接点C，D为铲着地点（即铲刃与障碍物的接触点）， 5为除雪铲。如遇障碍物，则A点围绕B点转动一定角度，曲线即为铲运动轨迹，即为自动越障高度值。除雪铲发挥了较好的自动翻越物体的功能。图4-1 双摇杆避让机构为实现优良的弹性避让性能，进行四杆机构设计时应考虑：（1）为顺利避障，双摇杆机构应首先保证铲刃的上抬运动，铲刃的避让轨迹为上凸曲线时为最佳。（2）应适当加大铲板与前托架的间距，有利于提高自动越障高度。（3）拉伸弹簧的整体刚度应适中，过大对越障不利，过小则会导致除净率降低。（4）推雪铲翻摆时的极限位置应予限制，防止产生“死点”，使推雪铲不能及时回落。（5）根据我国道路状况，自动越障高度H 一般控制在 100mm 左右。（6）要保证铲刃对地面有足够的线压力，用于剥离地面上积雪；过大的弹簧拉力对越障不利，过小的弹簧拉力则会导致除雪效果降低。（7）要使机车动力合理有效的传递到推雪铲铲刃。4.3 圆柱螺旋拉伸弹簧的设计（1） 4.3.1 圆柱螺旋拉伸弹簧原始几何参数 当除雪车工作时，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4704N。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=2326N。Fp1y为Fp1的垂直分力。F为弹簧对雪铲的拉力，Fx和Fy为其水平和垂直方向的分力。Fp1y=Fpxtan30 （4-1） =2326tan30N =1343N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 000-4013065Mn60Si2Mn 60Si2MnA4806408008001000200 00080 000-40200455050CrVA450600750750940-40210不锈钢丝1Cr18Ni91Cr18Ni9Ti330440550550690197 00073 000-200300（3） 根据强度条件计算弹簧钢丝直径现选取旋绕比C=15,则由式（4-2）得 (4-2) 根据式（4-3）可得 （4-3） 改取d=5mm，查得不变，故 不变，取D=50mm， ,计算得K=1.145，于是 上值与原估值相近，取弹簧钢丝标准直径d=5mm。此时D=50，为标准值，则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 (4-4)由表4-1取G=80000MPa，则弹簧圈数n由式4-5可得 （4-5）取8圈。此时弹簧的刚度为（5） 验算（1） 极限工作应力取，则 （2） 极限工作载荷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8圈。弹簧的材料选用65Mn。第5章 除雪装置液压系统设计5.1 液压系统5.1.1 液压系统组成及作用由若干液压元件和管理组成以完成一定动作的整体称为液压系统。如果液压系统中含有伺服控制元件（如伺服阀和伺服变量泵），则称液压伺服（控制）系统。如果不使用或明确说明使用了伺服控制元件，则称液压传动系统。本毕业设计主要采用的是液压传动系统。液压系统功能不一、形式各异，但都包含如下部分（见图5-1）： （1）动力元件 动力元件又称液压泵，其作用是利用密封的容积变化，将原动机（如内燃机、电动机）的输入机械能转变为工作液体的压力能（即液压能），是液压系统的能源（动力）装置。 （2）执行元件 将液压能转换为机械能的装置称为执行元件。它是与液压泵作用相反的能量转换装置，是液压缸和液压马达的总称。前者是将液压能转换成往复直线运动的执行元件，它输出力和速度；后者是将液压能转换成连续旋转运动的执行元件，它输出转矩和转速。 图5-1（3） 控制元件 液压系统中控制液体压力、流量和流动方向的元件总称为控制元件，通常称为液压控制阀，简称液压阀、控制阀或阀。 （3）辅助元件 辅助元件包括油箱、管道、管接头、滤油器、蓄能器、加热器、冷却器等。它们虽然为辅助元件，但是在液压系统是必不可少的。它们的功能时多方面的，各不相同。（4） 工作介质 液压系统中工作介质为液体，通常是液压油，它是能量的载体，也是液压传动系统最本质的组成部分。液压系统没有工作介质也就不能构成液压传动系统，其重要性不言而喻。除雪专用装置的液压系统工作装置由一个油泵，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 液压传动工作原理可用如图5-2所示的液压千斤顶工作原理来说明。图中缸体3和柱塞4组成提升液压缸；缸体6、柱塞7和单向阀8、9组成手摇动力缸；2为控制阀；10、11为管道；1为油箱。当手摇动力缸的柱塞7向上运动时，油腔A密封容积变大，形成局部真空，油箱1中的油液在大气压力作用下，顶开吸油单向阀8，经吸油管11进入A腔。当柱塞7向下运动时，A腔油液受挤压，压力升高，迫使吸油单向阀8关闭，排油单向阀9被打开而向B腔输入压力油，推动柱塞4上移，使负载G的位置升高。柱塞7动作快，重物G升高也快。如果杠杆5停止动作，B腔油液压力迫使单向阀9关闭，重物G停止在新的位置上。如果打开控制阀2，则B腔中油液经控制阀2流回油箱1，重物G在重力作用下下降。控制阀2开度越大，重物G下降也快。5.2 油泵的种类依靠密封工作容积变化实现吸压油（液）作用，从而将输入机械能转换成液压能的装置称为液压泵或容积式液压泵，简称泵。提供输入机械能的原动机通常为电动机或柴油机。由液压泵概念可知，它是能量转换装置，其作用是将机械能转换为液压能，向液压系统的执行元件提供动力，又称液压系统动力源，是液压系统的核心元件和重要组成部分之一。液压泵种类很多，通常分为若干类型。根据液压泵结构形式，可分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵，每一类型的液压泵又有多种形式。另一种分类方法是根据几何排量是否可调节（变化）分为变量泵和定量泵。另外根据液压泵是否可以正反方向转动分为单向液压泵和双向液压泵，单向液压泵仅允许按同一方向转动，双向液压泵可正反方向转动。本次除雪汽车除雪装置的液压系统动力源主要采用齿轮泵。5.2.1 齿轮泵结构和工作原理 通过密闭在壳体内的两个或两个以上齿轮啮合而工作的液压泵称齿轮泵；啮合齿轮均为外齿轮泵；由一个内齿轮与一个或一个以上的外齿轮构成的齿轮泵称为内齿轮泵。如不加特别说明的齿轮泵为外齿轮泵，即通常所说的齿轮泵。齿轮泵是一种常用的液压泵，它的主要特点是结构简单、制造方便、价格低廉、体积小、质量轻、自吸性能好，对油液污染不敏感和工作可靠等；其主要缺点是流量和压力脉动大、噪声大、排量不可调节，它被广泛应用于各种低压系统中。但随着齿轮泵在结构上的不断改进完善，它也被用于采矿、冶金、建筑、航空、航海、农林等机械的中压、高压液压系统中。 图5-2为外啮合渐开线齿轮泵的结构简图。它主要由一对几何参数完全相同的主动齿轮和从动齿轮、壳体、吸油箱等主要零件组成。 由图5-2可知，吸油箱由于轮齿脱离啮合时齿间容积变大，出现真空而从油箱吸油。吸入的油液由旋转的齿谷携带进入排油腔，在排油腔由于齿间容积减小而将油压入系统。由于齿轮的齿顶和壳体内孔表面间及齿轮断面和盖板间间隙很小，而且啮合齿的接触面接触紧密、起密封作用并把吸、压油区隔开。因此，齿轮转动时泵便连续性、周期性地排油，这就是齿轮泵的工作原理。5.2.2 齿轮泵基本参数的选择1. 工作压力 不同类型和规格的齿轮泵，其额定工作压力也不同。齿轮泵的输出压力应为执行器所需压力、管路的压力损失、控制阀的压力损失之和，它不得超过样本上的额定压力。强调安全性、可靠性时，还应留有较大的余地：一般在要求工作可靠性较高的系统或行走设备（如车辆与工程机械），其液压系统工作压力可选择为泵额定压力的50%60%。泵体上的最高压力时短期冲击时允许的压力。如果每个循环中都发生冲击压力，泵的寿命会显著缩短，甚至泵会损坏。2. 输出流量 泵的流量与工况有关。齿轮泵的输出流量应包括执行器所需流量、溢流阀的最小溢流量、各元件的泄露量的总和。3. 转速 转速关联着泵的寿命、耐久性、气穴、噪声等。虽然产品技术规格表中写着容许的转速范围，但最好是在与用途相适应的最佳转速下使用，不得超过最高转速。4.效率 泵的效率值是泵质量好坏的体现。压力越高、转速越低则泵的容积效率越低。转速恒定时泵的总效率在某个压力下最高，泵的总效率对液压系统的效率有很大影响，应该选择效率高的泵。并尽量使泵工作在高效率工况区。所以，初步选取排量为14mL的CCB型号外啮合齿轮单级齿轮泵。其参数如表5-1.表5-1 外啮合单级齿轮泵的参数类别型号排量Q/mL压力P/MPa转速n/r容积效率/%额定p最高额定最高外啮合单级齿轮泵CBB