除雪车的设计说明

目录摘要5关键词5Abstract5Key words5引言51 除雪车的概述61.1 除雪车的技术概况61.2课题背景71.3除雪车的发展历史71.3.1目前除雪工作现状71.3.2除雪车的发展趋势81.4除雪车的研究目的和研究意义81.5除雪车的分类与特点81.6 本章小结92除雪车的结构设计92.1浮雪铲的设计92.1.1 相关概念与名词解释92.1.2 浮雪铲铲板曲面结构参数选择102.1.3 雪铲的铲板空间形状选择102.1.4 雪铲铲板切削刃参数选择112.1.5 雪铲材料112.2 破冰扫雪装置的设计122.2.1 破冰扫雪装置的概述122.2.2 齿轮的设计122.2.3 其他装置的设计132.3本章小结143 除雪车弹性避让装置143.1 概述143.2 避让装置的选择153.3 圆柱螺旋拉伸弹簧的设计153.4 本章小结154 智能控制模块164.1 驱动电机模块的设计164.2 驱动舵机模块的设计174.3 控制舵机的程序184.4辅助装置模块184.5本章小结195结论20参考文献21附录21致221 / 24除雪车的设计机械电子工程专业学生 于涛指导教师 摘要：本设计是以ST89C51单片机控制电机以与舵机来实现快速破冰除雪。先以浮雪铲去除上层浮雪、积雪，利用独有的齿轮切割将冰雪分割成小块，对已破碎和残留的冰雪利用毛刷将小块冰雪清扫出路面工作区。对为了防止融化后的水再次结冰，在清扫完碎冰后，采用大功率多级离心式鼓风机将路面的这些少量冰雪吹到路边。并且使用了避让装置，减少对除雪车和路面造成的损伤，还利用了太阳能电池给除雪车提供动力，减少资源的使用。次设计可减少相对环境危害，减少路面破坏，更能一次性破冰除雪，减小道路安全隐患!关键词：齿轮；除雪车；浮雪铲；毛刷；鼓风机Design Of snow removal vehicleStudent majoring inmechatronicengineeringYu TaoTutor Yang GuilinAbstract:The design is based on ST89C51 single-chip microcomputer to control the motor and actuator to realize fast ice snow. To remove the floating snow shovel snow, snow, use distinctive gear cutting and cut into small pieces of broken, and the residual ice use brush to clean out patches of snow and ice road area. In order to prevent the melted water freezes again, in cleaning the ice, using high-power multistage centrifugal blower will pavement these few snow blown to the roadside. And the use of the avoidance device, reduce the snowplows and pavement damage, also use solar cells to snow removing vehicle provides power, reduce the use of resources. Design can reduce the relative environmental hazards, reduce the pavement damage, can one-time ice-breaking snow, reduce road safety!Key words:Gear wheel；Snow removal vehicle；Snow-shovel；Hairbrush；Blower引言冰雪灾害，是指因长时间大量降冻雨或降雪造成大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与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。就目前国除雪机械来看，大多数功能单一，或只能清除积雪、或只能破除积冰。国外的除雪机功能较全，但结构复杂，造价昂贵，且大多不适合国的道路状况。因此开发研制适合我国道路情况的除雪的设备，具有十分重大的意义。针对上述情况，本设计充分利用ST89C51单片机，驱动电机、舵机模块和除雪装置实现快速有效的破冰除雪。该设计还利用太阳能电池实现无污染节约能源来提供动力，用浮雪铲将路面上的积雪推到非工作区，切割齿轮和毛刷配合除去积雪下的冰，最后用鼓风机吹掉破碎的冰雪。并且采用了避让装置减少对除雪车和路面带来的破坏。将破冰除雪功能整合在一起，形成了功能强大的多功能除雪车，在保证路面不受损伤，环境不受破坏的前提下，提高了除雪效率。1 除雪车的概述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7。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。可在除雪车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，保护路面与除雪工作装置，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与拖式撒盐车等车型，但与世界先进国家除雪车发展相比，产品数量与性能差距较大，远不能满足道路除雪要求。我国北方广区每年都有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课题背景我国北方地区冬季一般为56个月时间，、等省份的个别地区甚至长达8个月之久，每年都有几次较大降雪过程，部分地区还会形成雪灾，给人民生产生活、交通运输与交通安全带来很大影响。据统计2008年1月13日起，罕见的冰雪天气袭击省，黔东南遭受1984年以来最大的冰雪灾害。黔东南州下辖的7个县供电陆续出现中断，累计受灾户数达12.98万多户。在黔东南州市，参与抢修电网的武警用冲锋枪击碎电线上厚厚的覆冰。2011年1月以来中国南方连遭低温雨雪冰冻天气侵袭，并已造成中国南方8省区1791万人受灾。在冰冻天气暂告一段后，16日开始，中国南方低温雨雪冰冻过程将再次加强。冰雪路面交通事故发生率是平时的45倍，每年因此造成的经济损失达几千万元。冰雪对道路交通安全产生直接和严重影响，因此最大程度的降低冰雪对交通安全造成的危害是迫在眉睫的，结合我国国民经济和社会发展，开展道路除雪技术研究，采用有针对性的预防措施和处理方法，已成为一个重要而紧迫的课题，对道路的安全具有非常重要的价值。1.3除雪车的发展历史1.3.1目前除雪工作现状（1）人工除雪 冬季的降雪，初时为浮雪，经行人踩踏、车辆辗压变成坚硬的冰雪路面。在我国北方的中小城市，除雪工作主要靠人力。按有关规定，雪停后就要走向街头除雪，一个中等城市，每年要动用几十万人次进行除雪劳动，主要是使用铁锨、镐头和一些较简单的手工除雪工具，政府组织分片包干，机关、学校、工厂、商店等均需抽调人员参加劳动。人工除雪作业时间长，劳动强度大，工作效率低，耗费人力物力，而且大量人员集中在机动车道上作业很不安全，交通事故时有发生。目前北方大多数城市都不同程度的使用这种原始落后的除雪方式。 （2）机械除雪 目前世界上冰雪清除机械主要有犁板式铲式、抛扬式、高速气流吹扫式、热熔式等。发达国家多以除新雪为主，机械化程度较高，技术比较成熟，如日本、美国、北欧、加拿大等国家的机械化除雪率可达80%90%。在我国，由于传统的除雪理念是雪停后才开始除雪，实际上在降雪过程中路面积雪经行人与车辆辗压已被压实形成冰雪路面，除雪方式实际上市除压实雪。压实雪除雪机械设计技术难度较大，设备制造成本较高，除净率低，工作效率低，功率消耗非常大，使用效果不理想，且绝大多数压实雪除雪机需要大功率车辆作为配套动力，燃油消耗较高，整套设备投入很大，动辄几十万元，难以大量投入应用。还有少部分城市投入巨资从国外引进多功能大型除雪设备，这些设备大多价格昂贵，使用与维护费用高，并不适合我国国情。 （3）融雪剂除雪 融雪剂除雪也是目前广泛使用的一种除雪方式。融雪剂多为钠基，除雪机理是降低冰点，加速积雪的融化，消除起来也比较容易。然而融雪剂的使用会给环境造成污染，腐蚀车辆、路面和桥梁。早在60年代初，美国和加拿大在路面撒氯化钠盐粉，使得原始设计寿命为50年的路面和桥梁结构，在不到10年时间里就遭到了严重的破坏。80年代中期一些发达国家开始使用钙、镁醋酸盐的环保型融雪剂，比普通融雪剂价格高很多。另外，所谓环保型只是相对而言，实际上对环境仍然有一定的影响和破坏，只是程度不同而已。据报道，市2002年12月15日23日不到10天时间就使用融雪剂七千吨，2003年上半年，城区51条道路和绿地37万株绿篱受害枯死，约占全市绿篱5%10%，草地受害三十万平方米，几万株灌木和乔木枯死，直接经济损失近千万元。长期大量使用融雪剂除对植物的损伤外对水源的影响也很大，含有大量融雪剂的残雪最终会通过各种渠道进入江河或地下，造成水体污染，这种污染的持续时间更长，影响围更广。因此，融雪剂的使用量应严格控制，合理使用，用量越少越好。就未来发展趋势看，融雪剂的使用将会受到越来越严格的限制，使用量与使用围将非常有限。1.3.2除雪车的发展趋势北方城市冬季清除积雪是改善环境、发展经济的重要工作之一。总结多年的除雪经验和体会与各种除雪方式的比较，我们认为，人工除雪低效落后早已不适合城市发展建设的需要，融雪剂除雪会损坏道路、桥梁、车辆、污染城市环境等10。而机械化才是比较科学合理的除雪方式。目前欧、美等发达国家基本都采用机械化技术12。机械化技术的应用时城市、机场、高速公路等道路除雪的发展方向，也是城市经济发展水平和文明程度的标志，更是衡量决策者、管理者视野的尺度。机械化技术经发达国家使用已被证实是科学，合理，高效的除雪作业方式，这种技术在中国北方城市的推广应用势在必行。机械化师一项系统工程，真正实现不仅需要转变政府与管理者的观念，还要有相应的资金投入，此外，除雪设备的科学管理、现有资源的整合优化，使用与维护经费的来源等都是需要研究解决的问题。总结，除雪车的发展趋势是：（1）高效化 作业效率高，除雪程度高 （2）低耗化 （3）智能化 尽量适应道路的复杂性 （4）多功能化 可实现一台设备清楚各类冰雪降低设备投入 （5）环保化 清雪设备要保护环境，降低路面破坏1.4除雪车的研究目的和研究意义 本课题研究目的就是本着实事的思想，充分考虑经济需求、环境需求、使用需求、生产需求等，追现除雪车多功能的合理设计。设计涉与电子、机械等多个学科领域，是一个综合性的应用研究课题。设计中以保护环境、路面为前提，通过长时间市场调查，根据现有资料、工艺、设备与发展趋势，从而完除雪车的验证和设计，并将通过试验和修正，使整个系统可靠性较高，比较实用，使其成为易于维护和进一步进行功能扩展，尽笔者所能推动产生一种全新的除雪车设计理念和设计模式，进而推动除雪车的设计进步与革命。1.5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1。 除雪车按工作装置的特点分为犁板式2、旋切式与其他类型。 （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。滑雪作业式以直线运动为主，应用广泛，是除雪车中保有量最大的类型。按犁板结构又可分为单向犁式、V型犁式、刮雪板式、侧翼板式、与犁板式综合除雪车。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。根据压磙装配磙刀的安装角可将其分为斜刃压磙和直刃压磙。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和转子式除雪车，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、抛雪筒与连接装置组成。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、扫雪与吹雪式与运雪车、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。 除雪车整车的分类方法很多，可按整车使用围、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、装雪车与特种除雪车辆（包括融雪车、融雪剂洒布车、扫雪车、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。1.6 本章小结 本设计着眼于市场需求，以除雪车为载体，以保护环境、路面，高效率的破冰除雪为前提14，通过长时间市场调查，结合有经验的车间师傅和市场需求，设计了此款除雪车，其在功能上集成了雪铲除雪、避让装置、齿轮破冰、毛刷扫冰雪、智能等模块。除雪车的设计与制造设计电子、机械等多个学科领域，是一个综合性的以应用研究课题，试验证明整个系统可靠性较高，比较实用，而且易于维护和扩展，具有产品化意义。2除雪车的结构设计2.1浮雪铲的设计2.1.1 相关概念与名词解释（1）除雪宽度LB 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一样。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C 进行方向上铲体与地面间的夹角。如图2-1所示。随着浮雪铲3的前进，具有一定切削角C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浮雪铲后端部排出。切削角的大小直接影响切削阻力的大小。切削角C太小时切削刃变薄，强度不足；但c过大，切削阻力会显著增大。实验表明，切削角c每增加10，抗切强度系数K增加10%20%，切削角C在60左右时抗切强度系数K达到最大值，切削角C60，后抗切强度系统K增加不明显。图2-1 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=1/2（F+R） （2-1）如图2-1所示。行进角与除雪阻力、排雪性能、浮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LB；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。2.1.2 浮雪铲铲板曲面结构参数选择 浮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理路面。浮雪铲导板曲面设计是除雪铲设计的核心容。2.1.3 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理路面。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功规律、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，浮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。图2-2 浮雪铲铲板形状常用的浮雪铲板形状有圆弧型、抛物线型、类渐开线型、类渐开线型，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试验。在其它因素一样的情况下，对比铲板类型对切削阻力的影响，试验数据如表2-1.表2-1铲板类型对切削阻力的影响铲板类型圆弧形抛物线型类渐开线型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。本课题除雪车铲形状采用类渐开线型。浮雪铲的三维设计图如图所示。图2-3浮雪铲的三维设计图(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。根据经验与相关实验，浮雪铲的行进角一般取值为5060，由于浮雪铲的偏转角为30，根据角度关系可知F =90-30=60，然后通过几何计算求得R为46，所以行进角=1/2（F+R）=53。推雪铲的宽度应保证工作时在除雪车的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。 (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雏形，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。2.1.4 雪铲铲板切削刃参数选择切削刃和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浮雪铲，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、气象条件以与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C 通常以55为宜。除雪车雪铲切削对象时新降雪，同时除雪车位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C 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。2.1.5 雪铲材料浮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，切削刃材料除考虑耐磨、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2-2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。而切削刃一般选择65Mn调质钢。表2-2常用钢材的力学性能和退火硬度钢号力学性能退火硬度HBb /MPa/MPa20Mn2785590187Q235375460235-4560035519740Cr52098020765Mn7354302292.2 破冰扫雪装置的设计2.2.1 破冰扫雪装置的概述在冬季，下雪有时是一场接连一场，路面的雪经过车辆行人滚压后，雪粘附在地面，经过的照射雪不能很快的融化和蒸发最后又经过一个天气寒冷结成了冰，随着冰厚度的增加，容易形成冰灾，破冰的任务越来越重要，而且明显增大难度，因此，破冰现在成为了一项重要而艰巨的任务。现有的除雪车还未有利用齿轮切割冰雪的，利用齿轮切割的除雪车完全可有能力切割冰雪，与以往的针式切割相比，减小了断齿断针，以减小机械使用费用。因此，我们在除雪车的中部加了齿轮用于除去路面上结成的冰，将切割齿轮与车轮平行放置，在其上端装上压力弹簧，可以调节至合适的高度，给冰面合适的压力，齿轮如图所示，选用这种齿轮既可以减少对路面造成的损失，也可以有效的完成破雪作业。在车的后面通过使用毛刷对已破碎和残留的冰雪扫出路面工作区。对为了防止融化后的水再次结冰，在清扫完碎冰后，采用大功率多级离心式鼓风机将路面的这些少量冰雪吹到路边，以保证不影响交通，使除雪工作一气呵成，大大提高了效率，节省了除雪时间，节省了人力、物力、财力。将破冰扫雪集于一体，既可以有效的破冰除雪，有减少了对路面造成的损伤。2.2.2 齿轮的设计齿轮材料的选择在性能上要求如下：（1）较高的弯曲疲劳强度，足够的齿心强度和韧性，防止疲劳、冲击和过载断裂；（2）高的接触疲劳强度与高的齿面硬度和耐磨性，防止齿面损伤；（3）良好的切削加工性能和热处理工艺性能与焊接工艺性能。齿轮材料的选择原则：（1）轮材料必须满足工作条件的要求，这是选择齿轮材料首先考虑的因素；（2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法与热处理和制造工艺；（3） 正火碳钢，不论毛坯的制造方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷，调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮；（4） 合金钢常用于制作高速、重载并载冲击载荷下工作的齿轮；齿轮模数的因素很多，其中最重要的是齿轮的强度、质量、传动噪声、工艺要求。减小模数，增加齿宽会使传动噪声降低，反之则能减轻齿轮的质量。主要从工艺要求出发，所有直齿轮的模数均取m=4mm。国家规定齿轮的标准压力角为20，齿数我们选择的是6齿，齿轮宽度通常根据齿轮模数m的大小来选定，即齿宽b=kC*m，kC为齿宽系数。对于直齿轮，kC=4.57.5.齿轮的失效形式主要有齿轮断裂、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形。在保证齿轮和使用寿面的前提下，尽量减少齿轮的质量和转动惯量，使得设备总质量减小与换挡操纵轻便。通常是通过改变齿轮的结构形式，如将齿轮加工成腹板或孔板式，来实现齿轮的削减。对于齿轮的精度等级，根据齿轮具体的使用工况计算出圆周线速度，再依据手册选择精度等级。齿轮的加工工艺要根据具体的加工设备制定经济、可行的加工过程。一般的加工过程：下料锻造预先热处理粗加工最终热处理精加工 预先加热处理的目的是改善锻造组织，得到合适的硬度，便于切削加工。其工艺一般为正火。最终热处理的目的是使零件表面获得高硬度、高耐磨性，心部有足够的硬度、塑性与韧性。其工艺为渗碳、淬火加低温回火。应注意的是重要齿轮的表面淬火，应采用高频或中频感应淬火，模数较大时，应沿齿沟加热和淬火。本设计齿轮的三维图如图2-4所示。图2-4 齿轮三维设计图2.2.3 其他装置的设计对于毛刷选择，要求必须具有很好的耐磨性和抗弯曲性，不损伤路面并且扫雪效果好。本设计使用的毛刷具有螺旋式结构，并且具有升降和双向摆动功能，以此来改变扫雪方向，该毛刷还有浮动功能，使其与地面的压力保持在合适的围；毛刷的材料一般选择尼龙丝、塑料丝、PP丝等材料。为了防止融化后的水再次结冰，在清扫完碎冰后，采用大功率多级离心式鼓风机将路面的这些少量冰雪吹到路边，以保证不影响交通。离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。其工作原理为：压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮(工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体)。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高。经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。离心式鼓风机有以下优点： (1)单机制冷量大，在制冷量一样时它的体积小，占地面积少，重量较活塞式轻58倍。(2)由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低。 (3)工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能。(4)能经济方便的调节制冷量且调节的围较大。(5)对制冷剂的适应性差，一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂。(6)由于适宜采用分子量比较大的制冷剂，故只适用于大制冷量，一般都在2530万大卡/时以上。如制冷量太少，则 要求流量小，流道窄，从而使流动阻力大，效率低。但近年来经过不断改进，用于空调的离心式制冷压缩机，单机制冷量可以小到10万大卡/时左右。2.3本章小结结构设计是除雪车的设计使用主体和功能支撑11，除雪车破冰除雪装置的有效性是除雪车设计与用户选择时关注的首要问题，本设计选择的类渐开线型的浮雪铲可以高效的将雪推到路面一边，加上带弹簧的避让装置减少对除雪车和路面造成的损伤，选择合适的除雪宽度、切削角、行进角对于浮雪铲的工作有至关重要的作用；切割齿轮破冰通过对冰的打碎和毛刷对破碎的冰雪的扫除，完成了破冰除雪作业，最后采用大功率多级离心式鼓风机对冰雪的二次彻底清除，防止二次结冰13。辅助功能模块太阳能电池鼓风机智能控制模块电机舵机避让装置除雪车结构模块浮雪铲切割齿轮毛刷图2-5 除雪车整体方案图3 除雪车弹性避让装置3.1 概述目前，我国公路与城市道路的路况普遍已有很大改善了15，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、窑井盖、道钉、分界线反光块、坑槽等）。如不采用避障措施，则将造成除雪设计或路面设施损坏，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结构9，实现实现被动避障。本设计师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。3.2 避让装置的选择目前国外除雪机械广泛应用的弹性避让装置4为双摇杆机构8，其优势是避让效果明显、越障高度较大、环境实用性强，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围，适合于中铲采用。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”，使推雪铲不能与时回落。 （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）要使机车动力合理有效的传递到推雪铲铲刃。3.3 圆柱螺旋拉伸弹簧的设计当除雪车工作时，雪铲受到来自地面和雪的作用力6。当除雪铲板遇上障碍物时，除雪铲板此时受到雪对其的作用力、地面的摩擦阻力和障碍物对其的作用力，三者在垂直方向的分力必须大于除雪铲板的自重和弹簧的拉力，才可能使除雪铲向上翻转16。因为弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第类弹簧来考虑。现选用碳素弹簧钢丝C级。根据表3-1弹性材料与许用应力可知=0.80.5B =608MPa 3.4 本章小结本章介绍了避让装置的重要性和措施，利用弹簧的弹性起到了避让保护除雪车的作用，弹簧采用的是圆柱螺旋拉伸弹簧5，最终确定弹簧的材料选用65Mn。 表3-1 弹簧材料与其许用应力材料与代号许用切应力/MPa许用弯曲应力b/MPa弹性模量E/MPa切变模量G/MPa推荐试用温度/推荐硬度/HRC类弹簧类弹簧类弹簧类弹簧类弹簧碳素弹簧钢丝B、C、D级0.3B0.4B0.5B0.5B0.625B0.5d4207500205000D42000000.5d48300080000D480000-4013065Mn60Si2Mn60Si2MnA480640800800100020000080000-40200455050CrVA450600750750940-40210不锈钢丝1Cr18Ni91Cr18Ni9Ti33044055055069019700073000-2003004 智能控制模块4.1 驱动电机模块的设计本模块通过ST98C51单片机控制电机，控制车的运行和齿轮、毛刷的工作，给除雪车提供了动力，本设计采用的电机是直流减速电机。单片机的电路图如图4-1所示。直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机是减速机和电机的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。直流减速电机的优点如下：（1）减速电机结合国际技术要求制造，具有很高的科技含量。 （2）节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率可达95KW以上。 （3）能耗低，性能优越，减速机效率高达95%以上。 （4）振动小，噪音低，节能高，选用优质段钢材料，钢性铸铁箱体，齿轮表面经过高频热处理。 （5）经过精密加工，确位精度，这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配置了各类电机，形成了机电一体化，完全保证了产品使用质量特征。 （6）产品才用了系列化、模块化的设计思想，有广泛的适应性，本系列产品有极其多的电机组合、安装位置和结构方案，可按实际需要选择任意转速和各种结构形式。本设计使用L298N驱动电机模块，电路图如图4-2所示。采用的电机的规格为：额定电压为6V，空载转速150转/分钟，空载电流400MA，空载功率为2.4W，轴径4M，轴长15MM，减速箱直径为25MM，材质选择的是金属外壳/全金属齿轮，图4-1单片机电路图4-2驱动电机电路4.2 驱动舵机模块的设计本课题利用单片机控制舵机，若除雪车遇到障碍物，则单片机发出相应的信号给舵机，舵机收到信号后，产使舵机产生相应的转动，带动浮雪铲转动一定的角度，避免浮雪铲与障碍物发生碰撞，并且舵机控制浮雪铲上下移动。舵机的工作原理为：舵机常用的控制信号是一个周期为20毫秒左右，宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号。当舵机收到该信号后，会马上激发出一个与之一样的，宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲。之后二个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲。输入信号脉冲如果宽于负向的标准脉冲，得到的就是正的差值脉冲。如果输入脉冲比标准脉冲窄，相加后得到的肯定是负的脉冲。此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号。舵机电机的转动，通过齿轮组减速后，同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动。直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全一样时，差值脉冲消失时才会停止转动。4.3 控制舵机的程序#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar num;sbit motor=P00;void main()TMOD=0x01;/设置定时器0为工作方式1TH0=(65536-500)/256;TL0=(65536-500)%256;EA=1;/开总中断ET0=1;/开定时器0中断TR0=1; motor=0; / while(1);void time0() interrupt 1TH0=(65536-500)/256;TL0=(65536-500)%256;num+; if (num=38) motor=1; if(num=40) num=0;motor=0; 4.4辅助装置模块 随着社会的进步，经济、科学等方面得到了飞跃式的发展，但是由于自然资源的大量使用，尤其是不可再生资源，导致许多资源面临耗尽的危险，并且由于一些资源的使用给大气环境带来了严重的危害，臭氧层破坏，温室效应等等，以致危机人类自身生存的现实。新能源和可再生资源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术领域之一。太阳能光伏发电的进程没有机械转变部件也不用耗燃料，而且不排放包括温室气体在的任何物质，具有无噪声、无污染的特点，太阳能资源没有地区限制，散布普通且取之不尽，用之不竭，光伏电池是一种重要的可再生能源，既可作为独立能源，亦可实现并网发电。太阳能光伏发电时一种具可继续开展理想特征的可再生能源发电技术，其首要好处有以下几点： （1）太阳能资源取之不尽，用之不竭，照耀到地球上的太阳能要比人类当前耗费的能量大6000倍。并且太阳能在地球上散布普遍，只需有光照的当地就可以运用光伏发电系统，不受地区、海拔等要素的限制。 （2）太阳能资源到处可得，可就近供电。不用长间隔保送，防止了长间隔输电线路所形成的电能损掉，还也节流了输电成本。这还也为家用太阳能发电系统在输电不方便的西部大规划运用供应了前提。 （3）太阳能光伏发电的能量转换进程简略，是直接从光子到电子的转换，没有中心进程(如热能转换为机械能，机械能转换为电磁能等)和机械活动，不存在机械磨损。依据热力学剖析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80%以上，技术开拓潜力宏大。 （4）太阳能光伏发电自身不运用燃料，不排放包括温室气体和其他废气在的任何物质，不污染空气，不发生噪声，对情况友爱，不会蒙受能源危机或燃料市场不不变而形成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。 （5）太阳能光伏发电进程无需冷却水，可以装置在没有水的荒凉沙漠上。光伏发电还可以很便利地与修建物连系，组成光伏修建一体化发电系统，不需求独自占地，可节流珍贵的地盘资源。 （6）太阳能光伏发电无机械传动部件，操作、维护简略，运转不变牢靠。一套光伏发电系统只需有太阳能电池组件就能发电，加之主动节制技术的普遍采用，根本上可完成无人值守，维护成本低。 （7）太阳能光伏发电任务功能不变牢靠，运用寿命(30年以上)。晶体硅太阳能电池寿命可达2035年。在光伏发电系统中，只需设计合理、造型恰当，蓄电池的寿命也可长达1015年。 （8）太阳能电池组件构造简略，体积小，分量轻，便于运输和装置。光伏发电系统建立周期短，而用依据用电负荷容量可大可小，便利灵敏，极易组合、扩容。 因此，本设计添加了太阳能电池作为辅助用于为除雪车提供电源动力。4.5本章小结 本章主要介绍了除雪车的智能控制模块。智能控制模块式除雪车体现智能化、人性化以与破冰除雪的主要模块，包括驱动电机模块、舵机模块和辅助模块。电机模块控制除雪车的运行和齿轮、毛刷工作，舵机模块控制浮雪铲运行和避让作用，辅助模块给除雪车提供电源动力，使其结构简单，破冰除雪效果达到最佳。整个智能控制装置的流程图如4-3所示。单片机电机1电机2前轮后轮电机3电机4齿轮毛刷舵机电源浮雪铲图4-3单片机工作流程图5结论笔者出于对除雪车设计的喜爱，选择此课题作为研究的对象。幸于借鉴前辈学者的科学理论、实践基础，从智能化、人性化两方面来研究除雪车的设计，主要设计背景如同前言介绍，随着时代的发展进步，人民生活水平逐渐提高，新型多功能除雪车越来越多的受到人们的青睐，同时在近年频发的严重的灾害中，冰雪灾害作为一种严重的自然灾害的现实逐渐引起人们的重视，另外如今的传统除雪车设计简单，功能比较单一，不能很好的完成破冰除雪作业，虽近年来多功能除雪车有所发展，但其功能仍需完善，本课题正是在上述环境下通过长时间调查市场，结合工艺师傅和现实的需要，据现有资料设备与发展趋势完成的，并力求为除雪车的更新换代贡献微薄之力。课题研究容涉与到电子、机械等多个学科领域，设计主要容包括：充分利用ST89C51单片机控制电机和舵机给除雪车提供动力，带动浮雪铲推雪、齿轮破冰、毛刷扫雪，以与采用离心式鼓风机进行二次彻底清除，防止二次结冰。还加了避让装置，在遇到障碍物时，可以有效的使浮雪铲向上转动，避免与障碍物发生碰撞，损坏浮雪铲。除此之外，还利用太阳能电池给除雪车提供电源，减少资源的使用。在课题的研究过程中，整理了大量的卧具资料和功能模块设计资料，从中我学到了许多知识，我深深感觉到专业知识的博大精深，自己所学所懂相差其远，研究比较肤浅，有待于深挖掘和提高。本课题虽告一段落，但我仍希望能借此次研究给更多的除雪车设计者或对此感兴趣的朋友起到抛砖引玉的作用，使以后的设计更加完善和独具特色。参考文献1 马文星.除雪车的分类J.特种车辆，：化学工业，2006，（8）195-1972 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