道路除雪破冰機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目
除雪破冰機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 （院）
機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
班 級(jí)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
職 稱(chēng)
二〇一七年六月二十日
獨(dú) 創(chuàng) 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。
本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。
作者簽名:
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明
本人完全了解濱州學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。
本人愿意按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版，同意學(xué)校保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存設(shè)計(jì)（論文）；同意學(xué)校在不以營(yíng)利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務(wù)系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部?jī)?nèi)容，允許他人依法合理使用。
（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）
作者簽名:
年 月 日
除雪破冰機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
我國(guó)北部地區(qū)的冬季寒冷漫長(zhǎng)，冰雪較多，冬天的雪往往堆積不能融化，尤其是最下面的冰層，嚴(yán)重影響北方地區(qū)的人們出行和生活，因此設(shè)計(jì)一款路面除雪破冰機(jī)尤為必要。在研究除雪破冰機(jī)的背景及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，確定了激振式破冰的總體方案。完成了除雪破冰機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及動(dòng)力裝置的選擇；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括減速器、傳動(dòng)軸以及偏心激振錘等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括破冰鏟和除冰鏟等。在此詳細(xì)地?cái)⑹隽寺访娉鶛C(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，選取設(shè)計(jì)合適的零件，完成除雪破冰機(jī)的設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足清除北方道路冰雪的要求。提高機(jī)械效率,同時(shí)使除雪破冰機(jī)的結(jié)構(gòu)更緊湊性能更穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：震碎，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除雪破冰
Design of Snow Removing and Ice Breaking Machine
Abstract
Cold northern winter long in our country, the more snow and ice, the snow in winter often accumulation is not melting, especially at the bottom of the ice, the serious influence people in the northern area of travel and life, so design a pavement snow ice machine is necessary. Based on the study of the background and status quo of the ice breaker, the overall scheme of the exciting icebreaker is determined. The design and calculation of the driving mechanism and actuator of the snow removal machine, and the selection of power plant; The design of the transmission mechanism includes the reducer, the transmission shaft, and the eccentric vibration hammer, etc. The actuator includes the broken ice shovel and the ice shovel. In this paper, the design process of the ice removal machine is described in detail, and the finite element analysis of Solid Works is carried out on the key pieces of the ice shovel and the deice shovel. The design of suitable parts is selected to complete the design of snow breaker.To meet the requirements of removing snow and ice on the northern roads.The mechanical efficiency is improved, and the structure of the snow breaking ice breaker is more compact and more stable.
Key words: shatter，ice breaking snow removal，the structure design
i
目 錄
第一章 緒論 3
1.1研究背景介紹 3
1.2除雪破冰機(jī)的現(xiàn)狀 3
第二章 除雪破冰機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)的任務(wù) 4
2.2機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)原則 4
2.3本設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述 4
第三章 電機(jī)、聯(lián)軸器的選擇 6
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 6
3.1.3電機(jī)類(lèi)型的結(jié)構(gòu)形式 6
3.1.2電動(dòng)機(jī)的容量及轉(zhuǎn)速 6
3.2 聯(lián)軸器的選擇 6
3.2.1計(jì)算公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩 6
3.2.2選擇聯(lián)軸器型號(hào) 6
第四章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 7
4.1軸Ⅰ（輸入軸）的設(shè)計(jì) 7
4.1.1求出主軸上的功率P和轉(zhuǎn)矩T 7
4.1.2初步確定軸的最小直徑 7
4.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
4.1.4按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 8
4.2軸Ⅱ（中間軸）的設(shè)計(jì) 8
4.3高速級(jí)齒輪組的設(shè)計(jì) 9
4.4低速級(jí)齒輪組的設(shè)計(jì) 13
4.5 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.5.1 選擇材料并確定其許用彎曲應(yīng)力 16
4.5.2選擇旋繞比C并計(jì)算曲度系數(shù)K1 16
4.5.3根據(jù)強(qiáng)度條件試算彈簧鋼絲直徑 16
4.5.4計(jì)算彈簧的基本幾何參數(shù) 16
4.5.5計(jì)算彈簧工作圈數(shù) 17
4.5.6計(jì)算彈簧的扭彎剛度 17
4.5.7計(jì)算和 17
4.5.8 計(jì)算自由度的高度H 17
4.5.9 計(jì)算彈簧絲展開(kāi)的長(zhǎng)度L 17
4.6傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 18
4.7 激振錘的設(shè)計(jì) 19
第五章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元分析 21
5.1破冰鏟的設(shè)計(jì) 21
5.2基于Solid works Simulation的有限元分析 22
5.2.1破冰鏟連接固定構(gòu)件的受力校核 23
5.3除冰鏟的設(shè)計(jì) 24
5.4基于SolidWorks Simulation對(duì)除冰鏟的有限元分析 25
第六章 結(jié)論 27
參考文獻(xiàn) 28
謝 辭 29
27
第一章 緒論
1.1研究背景介紹
清除路面冰雪，保證交通的暢通無(wú)阻，是我國(guó)北方地區(qū)城市、農(nóng)村需要解決的嚴(yán)肅問(wèn)題。在我國(guó)北方，除雪破冰機(jī)并沒(méi)有普及，跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比較我國(guó)的機(jī)械化程度不高，冰雪的堆積，阻塞交通，甚至?xí)谧钕旅嫘纬杀鶎?，?dǎo)致交通事故，嚴(yán)重時(shí)甚至影響我們的人身安全，對(duì)此我有深刻的體會(huì)，我的家鄉(xiāng)地處遼西走廊，交通發(fā)達(dá)，是出入關(guān)的必經(jīng)之路。在天氣不是特別還冷的時(shí)候天空落下的不是雪而是雨，當(dāng)夜幕降臨時(shí)，這些雨由于溫度的降低會(huì)在路面形成一層冰，人們一不小就會(huì)受傷，影響車(chē)輛的正常通行。去年家鄉(xiāng)就出現(xiàn)過(guò)很多起這種情況的發(fā)生，導(dǎo)致地方醫(yī)院的當(dāng)天接收的摔傷病患爆滿(mǎn)和國(guó)道、高速路幾十輛汽車(chē)發(fā)生連環(huán)碰撞。目前我國(guó)市面上有很多種路面除雪機(jī)構(gòu)，但并沒(méi)有一款能完美的解決上述的情況。這嚴(yán)重影響了人們對(duì)于特殊路況的緊急處理能力，影響了人們的出行和運(yùn)輸。在此背景下，研究出一種路面除冰雪機(jī)械，既能滿(mǎn)足正常道路的日常清理積雪功能，又能應(yīng)對(duì)特殊天氣的破冰除雪功能,減輕勞動(dòng)力。
1.2除雪破冰機(jī)的現(xiàn)狀
目前市面上有很多種除雪機(jī)械，但只能清除較松軟的積雪，沒(méi)有清除路面底層冰層的能力，不能解決上述中的問(wèn)題。根據(jù)除雪機(jī)械原理的不同，可以把除雪機(jī)械分為推移式、螺旋拋揚(yáng)式、液壓式、鏟剁式和錘擊式5種，實(shí)際使用中人們又習(xí)慣將除雪機(jī)分為犁式和螺旋式兩種。而且市面上的除雪機(jī)械造價(jià)太高，不利于除雪機(jī)械的普及。
犁式除雪機(jī)主要用于除雪而不壓實(shí)。它特別適合于小密度下的新雪。其主要形式包括V犁、U犁和側(cè)向鏟。犁式除雪機(jī)，主要是為了避免改變功能，可以實(shí)現(xiàn)升降操作角度。螺旋除雪機(jī)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能，一般只具有切割、濃縮、傳遞和投擲的功能。單級(jí)和雙極有兩種。
此次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅可以清潔路上的冰和雪,但也可處理特殊天氣清除路上的冰的功能。具有設(shè)計(jì)合理,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,清除冰層時(shí)不破壞道路,耐用,價(jià)格低廉利于普及的道路冰雪清除機(jī)器取代笨重的體力勞動(dòng),有效降低交通事故的發(fā)生。
第二章 除雪破冰機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
2.1機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)的任務(wù)
機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是將原理方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化，設(shè)計(jì)出的除雪破冰機(jī)要能實(shí)現(xiàn)清除冰雪的目的。
結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)包括定型和材料選擇校核裝配圖和主要零部件圖紙的繪制等的設(shè)計(jì)。“定形”設(shè)計(jì)包括機(jī)構(gòu)的整體的定形和零部件的選擇?？傮w設(shè)計(jì)中的零部件材料的選擇，確定尺寸、型號(hào)等。在保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)來(lái)完成總體設(shè)計(jì)。
2.2機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)原則
總體設(shè)計(jì)是產(chǎn)品即本次設(shè)計(jì)關(guān)鍵，為設(shè)計(jì)規(guī)劃確定方向，為實(shí)現(xiàn)功能做出總體規(guī)劃，確定外觀、技術(shù)和經(jīng)費(fèi)等。
簡(jiǎn)單、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、工作原理明確是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)階段必須履行的基本原則。因?yàn)檫@些基本原則的共同目標(biāo)都是為了實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)（產(chǎn)品）的預(yù)期功能，所以，在整個(gè)設(shè)計(jì)階段應(yīng)將這些基本原則完成到最后。
總體設(shè)計(jì)即裝配圖、零件的設(shè)計(jì)及材料選擇要滿(mǎn)足可靠性，保證設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)?？傮w設(shè)計(jì)還要考慮安全性，保證設(shè)計(jì)的機(jī)器安全可靠，不會(huì)對(duì)操作人員造成安全隱患。在實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的功能為前提下，還要盡量使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單明確，數(shù)目少，易于制造和裝配。設(shè)計(jì)的成品易于操作等。
2.3本設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述
電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力依次通過(guò)減速器、萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸傳到激振錘上變?yōu)樯舷抡饎?dòng)的動(dòng)力從而帶動(dòng)破冰鏟上下運(yùn)動(dòng)破碎冰雪，同時(shí)激振錘產(chǎn)生的橫向運(yùn)動(dòng)會(huì)剝離路面上的冰雪，這時(shí)緊挨著破冰鏟之后的除冰鏟會(huì)將剝離的冰雪清除到路的兩側(cè)，同時(shí)設(shè)有可調(diào)節(jié)底盤(pán)的調(diào)節(jié)裝置，可以通過(guò)調(diào)節(jié)傾斜角度來(lái)增強(qiáng)除冰雪效果。
為了達(dá)到清除冰雪的目的，此次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特性如圖1-1：
圖1-1總體裝配圖
1-發(fā)動(dòng)機(jī) 2-減速器 3-萬(wàn)向節(jié) 4-傳動(dòng)軸 5-彈簧拉桿 6-上支撐彈簧7-車(chē)底盤(pán)傾斜角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 8-軸承座 9-固定偏心激震錘 10—活動(dòng)偏心激震錘 11-軸 12-扭力彈簧 13-螺栓 14-固定板15-螺栓 16-下支撐彈簧 17-破冰鏟 18-除冰鏟 19-彈簧 20-支桿 21-震動(dòng)架 22-吊耳 23-支柱24-軸 25-車(chē)軸 26-車(chē)輪 27-車(chē)底盤(pán) 28-聯(lián)軸器 29-掛鉤
第三章 電機(jī)、聯(lián)軸器的選擇
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1.3電機(jī)類(lèi)型的結(jié)構(gòu)形式
電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)要根據(jù)電源（交流或直流）、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸等）和載荷特點(diǎn)（性質(zhì)、大小、啟動(dòng)性能和過(guò)載情況）來(lái)選擇。
沒(méi)有特殊要求時(shí)均應(yīng)選用交流電動(dòng)機(jī)，其中以三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)用的最多。Y系列電動(dòng)機(jī)為我國(guó)推廣采用的新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，適用與不易燃、不易爆、無(wú)腐蝕氣體的場(chǎng)合，以及要求具有較好啟動(dòng)性能的機(jī)械。
3.1.2電動(dòng)機(jī)的容量及轉(zhuǎn)速
參考同類(lèi)機(jī)械產(chǎn)品，選取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速970r/min，功率11KW,查手冊(cè)確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y160L-6，伸出部分軸直徑為40mm。
3.2 聯(lián)軸器的選擇
為了隔離振動(dòng)和沖擊，選用彈性套針耦合，耦合能力具有一定補(bǔ)償兩軸偏移量和相對(duì)阻尼，中小功率驅(qū)動(dòng)軸沖擊載荷，工作溫度為-19至+69°C之間，故選用彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器。
3.2.1計(jì)算公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩
（3-1）
由表查得KA =2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
(3-2)
3.2.2選擇聯(lián)軸器型號(hào)
許用轉(zhuǎn)矩為250，車(chē)軸直徑為35～40 mm之間，允許補(bǔ)償量為0.3mm，選用LT6型彈性套筒銷(xiāo)聯(lián)軸器。
第四章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1軸Ⅰ（輸入軸）的設(shè)計(jì)
軸Ⅰ即輸出軸是連接減速器和其他齒輪的關(guān)鍵軸，是動(dòng)力傳動(dòng)的橋梁，動(dòng)力通過(guò)此軸傳遞到下一級(jí)。
4.1.1求出主軸上的功率P和轉(zhuǎn)矩T
功率從電機(jī)到主軸傳遞效率約為=0.99
(4-1)
(4-2)
4.1.2初步確定軸的最小直徑
先按公式初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表15-3，取A=112，于是得：
d= A=112=25.08mm (4-3)
4.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
擬定裝配方案如圖4-1
圖4-1輸入軸結(jié)構(gòu)示意圖
確定軸的各段直徑長(zhǎng)度
二級(jí)減速器輸入軸的受力大震動(dòng)小，且接有聯(lián)軸器，故d=40mm，L=100mm。
選擇原則為主要受徑向載荷，軸向載荷影響很小，所以選擇深溝球軸承。根據(jù)要求，根據(jù)D = 40mm選擇軸承6009，其尺寸為4510018，則d=45mm，L=46mm。
取安裝齒輪1處的軸段c-d的直徑d=50mm，采用套筒定位，知道齒輪的寬34mm，為了使齒輪壓緊套筒端面軸段應(yīng)略短于輪寬，所以取L=30mm，帶輪的右端采取軸肩定位；
取h=1mm，則軸環(huán)處直徑為d=50mm，軸環(huán)處寬度為b1.3h，取L=12mm，同理得，d=45mm，L=50mm。
至此，已初步確定了軸的各直徑和長(zhǎng)度。
輪與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。鍵槽長(zhǎng)為25mm，同時(shí)為了保證齒輪與軸配合有杰出的對(duì)中性，配合為H7/h6；借過(guò)渡配合保證滾動(dòng)軸承與軸的周向定位，選取軸的直徑尺寸公差為m6。
4.1.4按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，并取=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
==MPa0.99Mpa (4-4)
前面已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)查得[]=60MPa，因此<[]故安全。
4.2軸Ⅱ（中間軸）的設(shè)計(jì)
根據(jù)該除冰機(jī)每小時(shí)要行程10~60km，除冰厚度60mm。所以要求該除冰機(jī)構(gòu)每分鐘震動(dòng)約120次，即該傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速是120r/min。所以該減速器承擔(dān)的傳動(dòng)比為i=970/120=8.08,分配給這個(gè)減速器高速級(jí)的傳動(dòng)比i1=2.5，低速級(jí)傳動(dòng)比i2 =i/ i1 =8.08/2.5=3.23。
該軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4-2所式，計(jì)算的過(guò)程與I軸相同，不再重復(fù)。
圖4-2中間軸結(jié)構(gòu)示意圖
4.3高速級(jí)齒輪組的設(shè)計(jì)
一、按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式得：
d2.32 (4-5)
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
試選載荷系數(shù)=1.3
計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距為：
T=95.5×100000×P/n=95.5×100000×11/970=108298 (4-6)
表4-1 齒寬系數(shù)表
裝置狀況
兩支撐相對(duì)小齒輪作對(duì)稱(chēng)布置
兩只撐相對(duì)小齒輪作不對(duì)稱(chēng)布置
小齒輪作懸臂布置
0.9～1.4（1.2～1.9）
0.7～1.5(1.1～1.65)
0.4～0.6
查得齒寬系數(shù)=1
表4-2 材料彈性影響系數(shù)表
彈性模量E/MPa
配對(duì)齒輪材料
齒輪材料
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
鑄鋼
鍛鋼
夾布材料
11.8*104
17.3*104
20.2*104
20.6*104
0.785*104
鍛鋼
162.0
181.4
188.9
189.8
56.4
鑄鋼
161.4
180.5
188.0
球墨鑄鐵
156.6
173.9
灰鑄鐵
143.7
查得材料的彈性影響系數(shù)為：Z=189.8 MPa
根據(jù)文獻(xiàn)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600 MPa, 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550 MPa.
根據(jù)式N=60njL計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(假設(shè)使用壽命15年)：
N1=60n1jL= 60×970×1×(2×8×300×15) = 4.191×109 (4-7)
N2=4.191×109 /2.5=1.676×109 (4-8)
根據(jù)文獻(xiàn)查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.90; K=0.95
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,
由式［］=得：
［］==0.9×600 MPa=540 Mpa (4-9)
［］==0.95×550 MPa=522.5 Mpa (4-10)
試計(jì)算小齒輪的分度圓直徑d,帶入［］中較小的值：
d2.32=63.17mm (4-11)
計(jì)算圓周速度v：
v==m/s=3.16m/s (4-12)
計(jì)算齒寬b：
b==1×63.17mm=63.17mm (4-13)
計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)： m=d=63.17/24=2.63 (4-14)
齒高： h=2.25 ×m=2.25×2.63=5.92mm (4-15)
b/h=63.17/5.92=10.67
計(jì)算載荷系數(shù)的根據(jù)是v=3.16m/s,7級(jí)精度, 由根據(jù)文獻(xiàn)查得動(dòng)載系數(shù)K=1.1；直齒輪,假設(shè)KF/b＜100N/mm.K=K=1; Ka=1.00得：
K=1.12+0.18(1+0.6 )+0.23×0.001b (4-16)
將數(shù)據(jù)代入后得：
K=1.12+0.18(1+0.6×1)1+0.23×0.001×70.97=1.423 (4-17)
由b/h=10.67, K=1.423, 得K=1.31;故載荷系數(shù)：
K=KK K K=1×1.1×1×1.423=1.565 (4-18)
按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑：
d1=d=63.17×mm=67.2mm (4-19)
計(jì)算模數(shù)m：
m=d1/z1=67.2/24=2.8mm (4-20)
二、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1.按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式計(jì)算：
m (4-21)
查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa；由文獻(xiàn)查得彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.88；計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得：
===307.14MPa (4-22)
===238.86MPa (4-23)
計(jì)算載荷系數(shù)K：
K=KKKK=1×1.1×1×1.31=1.441 （4-24）
查取齒形系數(shù)為=2.67，=2.239；查取應(yīng)力校正系數(shù)為=1.54，=1.715；計(jì)算大、小齒輪的并加以比較
=2.67×1.54/307.14=0.01338 （4-25）
=2.239×1.715=0.016 （4-26）
比較結(jié)果為大齒輪的數(shù)值大。
計(jì)算結(jié)果相比,通過(guò)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度模量計(jì)算,齒輪的承載能力大小模塊m的彎曲強(qiáng)度主要取決于決定,齒面的承載能力和疲勞強(qiáng)度的決定,只與齒輪的直徑有關(guān),彎曲強(qiáng)度算出的模數(shù)2.05取整約為m = 2.5,根據(jù)接觸強(qiáng)度的節(jié)圓直徑d1 = 63.2mm算出小齒輪齒數(shù)為：
z===25.28≈26 （4-27）
大齒輪齒數(shù)為：
z=i· z=2.5×26=65 （4-28）
三、幾何尺寸計(jì)算
算分度圓直徑：
d= zm=26×2.5=65mm （4-29）
d= zm=65×2.5=162.5mm （4-30）
計(jì)算中心距：
a=( d+ d)/2=(65+162.5)/2=113.75mm （4-31）
算齒輪寬度：
b==1×65mm=65mm （4-32）
取B=65mm，B=63mm；驗(yàn)算：
F==N=3332N （4-33）
4.4低速級(jí)齒輪組的設(shè)計(jì)
同理通過(guò)用以上設(shè)計(jì)方案方法設(shè)計(jì)低速級(jí)齒輪組，由上可知低速級(jí)的傳動(dòng)比為i2 =3.23。
一、按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式d2.32
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
試選載荷系數(shù)=1.3
計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距，取傳遞效率為2=0.99
T=95.5×100000×P2/n=2.68×105N·mm （4-34）
從上表4.1選取齒寬系數(shù)=1
由上表4.2查得材料的彈性影響系數(shù)Z=189.8 MPa
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600 MPa, 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550 MPa.
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：
N1=60n1jL= 60×970×1×(2×8×300×15) /2.5= 1.676×109 （4-35） N2=1.676×109 /2.5=5.19×108
根據(jù)文獻(xiàn)查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.90; K=0.95。
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力，失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式［］=得.
［］==0.9×600 MPa=540 Mpa （4-36）
［］==0.95×550 MPa=522.5 Mpa （4-37）
試計(jì)算小齒輪的分度圓直徑d：
d2.32=71.54mm （4-38）
計(jì)算圓周速度v：
v==m/s=1.453m/s （4-39）
計(jì)算齒寬b：
b==1×71.54mm=71.54mm （4-40）
計(jì)算齒寬與齒高之比b/h：
模數(shù)： m=d3t /z3=71.54/22=3.25 （4-41）
齒高： h=2.25 ×m=2.25×3.25=7.31mm
b/h=71.54/7.31=9.79 （4-42）
計(jì)算載荷系數(shù)，根據(jù)v=1.453m/s,7級(jí)精度, 由文獻(xiàn)查得動(dòng)載系數(shù)K=1.12;
直齒輪,假設(shè)KF/b＜100N/mm.查得K=K=1;使用系數(shù)Ka=1.00,小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)：
K=1.12+0.18(1+0.6 )+0.23×0.001b (4-43)
將數(shù)據(jù)代入后K==1.423;
由b/h=9.79, K=1.41, K=1.32;故載荷系數(shù)：
K=KK K K=1×1.12×1×1.41=1.579 (4-44)
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,得：
d1=d=71.54×mm=76.33mm (4-45)
計(jì)算模數(shù)m：
m=d3t/z3=76.33/22=3.47mm (4-46)
二、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式：
m (4-47)
確定公式中的各計(jì)算數(shù)值
小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa；
查得彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.88；
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得:
===307.14Mpa (4-48)
===238.86Mpa (4-49)
計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KKKK=1×1.1×1×.32=1.452 (4-50)
查取齒形系數(shù) =2.67，=2.239；
查取應(yīng)力校正系數(shù)為=1.54，=1.715；
計(jì)算大,小齒輪的并加以比較：
=2.67×1.54/307.14=0.01338 （4-51）
=2.239×1.715/238.86=0.016 （4-52）
大齒輪的數(shù)值大。
⑵設(shè)計(jì)計(jì)算
mmm=2.95mm （4-53）
計(jì)算結(jié)果相比,通過(guò)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度模量計(jì)算,齒輪的承載能力大小模塊m的彎曲強(qiáng)度主要取決于決定,齒面的承載能力和疲勞強(qiáng)度的決定,只與齒輪的直徑有關(guān),彎曲強(qiáng)度算出的模數(shù)取整為m = 3.0,根據(jù)接觸強(qiáng)度的節(jié)圓直徑d1 = 76.33毫米算出小齒輪齒數(shù)為
z===25.44，取整數(shù)位z1=26,
大齒輪齒數(shù)為：
z=i×z1=3.23×26=89.98，取整為z=90。
幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算分度圓直徑
d= zm=26×3.23=90mm
d= zm=90×3.23=290.7mm （4-53）
計(jì)算中心距
a=( d+ d)/2=(90+290.7)/2=190.35mm （4-54）
計(jì)算齒輪寬度
b==1×90mm=90mm （4-55）
取B=90mm，B=85mm；
驗(yàn)算
F==N=5955.6N （4-56）
4.5 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.5.1 選擇材料并確定其許用彎曲應(yīng)力
根據(jù)彈簧的工作情況，得出次設(shè)計(jì)的彈簧屬于Ⅱ類(lèi)。選擇取用B級(jí)碳素彈簧鋼絲制造，得出[b ]=0.5B 故估取彈簧直徑為8mm，B =1320Mpa [b ]=0.5×1320=660Mpa
4.5.2選擇旋繞比C并計(jì)算曲度系數(shù)K1
選取C=6，則：
K1 =（4C-1）/(4C-4)=1.15 (4-57)
4.5.3根據(jù)強(qiáng)度條件試算彈簧鋼絲直徑
d==4.95mm (4-58)
原值d=8mm可用，不需重算。
4.5.4計(jì)算彈簧的基本幾何參數(shù)
D=Cd=6×8mm=48mm
D2 =D+d=48mm+8mm=54mm
D1=D-d=48-8mm=40mm (4-59)
取間距=0.5mm，則：
P=d+=8+0.5=8.5mm
=arctan（p/）=3.7° (4-60)
4.5.5計(jì)算彈簧工作圈數(shù)
從表中查得E=200000MPa
I=64=200.96mm4 (4-61)
n=EI/180TD=27.15(圈) (4-62)
4.5.6計(jì)算彈簧的扭彎剛度
kT =EI/180Dn=98.9 (4-63)
4.5.7計(jì)算和
=/ kT=70.85 (4-64)
=-=20.85 (4-65)
4.5.8 計(jì)算自由度的高度H
H=n（d+）+Hh =11.5×（5+0.5）mm+40mm=103.25 (4-66)
4.5.9 計(jì)算彈簧絲展開(kāi)的長(zhǎng)度L
取Lh=Hh=40mm則：
L=Dn+Lh =3.14×30×11.5mm+40mm=1123.8mm (4-67)
圖4-3壓縮彈簧
4.6傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)軸是將動(dòng)力從減速機(jī)傳遞給震動(dòng)架和激震錘的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要使其能夠滿(mǎn)足彎曲強(qiáng)度的要求。該傳動(dòng)軸在設(shè)計(jì)的時(shí)候設(shè)計(jì)其轉(zhuǎn)速為120r/min。
考慮到該傳動(dòng)軸只是將轉(zhuǎn)速傳遞給激震錘，使其由轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生震動(dòng)，從而迫使震動(dòng)架上下震動(dòng)，從而使破冰機(jī)能夠破冰。所以在彎曲強(qiáng)度不大，一般強(qiáng)度都可以適應(yīng)。
根據(jù)傳動(dòng)軸工作的環(huán)境和受力情況，故選擇45號(hào)鋼正火處理即可滿(mǎn)足使用要求，硬度為170~217HBS，強(qiáng)度極限600B，屈服極限300s，彎曲疲勞極限-1，適用于傳動(dòng)軸這樣較重要的軸。鋼的切變模量G=4×104MPa，軸在全長(zhǎng)上的扭角不得超過(guò)1°，現(xiàn)在估算軸的直徑。
1.按強(qiáng)度要求，應(yīng)使：
(4-68)
(4-69)
所以軸的直徑 (4-70)
2.按扭轉(zhuǎn)的剛度需求，應(yīng)使
軸的全長(zhǎng)為各段相加的總和為361mm，則=1°=。故
(4-71)
故該軸的直徑取決于強(qiáng)度要求，圓整后可取d=50mm。
3.軸上軸承的選擇
根據(jù)本工作情況的要求，選擇深溝球軸承，主要承受徑向載荷，同時(shí)也可承受一定量的軸向載荷。當(dāng)轉(zhuǎn)速很高而軸向載荷不太大時(shí)，可代替推力球軸承承受純軸向載荷。當(dāng)承受純徑向載荷時(shí)，=0°。軸承尺寸系列代號(hào)為5，軸承內(nèi)徑尺寸系列代號(hào)05。
其結(jié)構(gòu)和尺寸大小如圖4-4：
圖4-4傳動(dòng)軸
4.7 激振錘的設(shè)計(jì)
固定偏心激震錘和活動(dòng)偏心激震錘是通過(guò)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)帶動(dòng)擊震錘轉(zhuǎn)動(dòng)，由于它們的重心不在中心位置，所以產(chǎn)生上下跳動(dòng)，通過(guò)彈簧傳遞給震動(dòng)架使其上下有規(guī)律的跳動(dòng)，從而迫使破冰鏟震碎冰層，達(dá)到破冰的目的。其材料選擇灰口鑄鐵即可滿(mǎn)足工作要求，其形狀和結(jié)構(gòu)可以參見(jiàn)4-5圖：
圖4-5激振錘
第五章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元分析
除雪破冰機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括破冰鏟和除雪鏟，設(shè)計(jì)的主要工作是為了實(shí)現(xiàn)功能和使用壽命。
5.1破冰鏟的設(shè)計(jì)
破冰鏟在工作過(guò)程中承載的沖擊壓力較大，所以在選用低合金工具鋼作為制造材料，低合金工具鋼具有良好的耐磨性而且不易生銹，適合制造破冰鏟。并排安裝6個(gè)同樣的破冰板，每2個(gè)呈90度的夾角，然后用一個(gè)固定板固定連接在震動(dòng)架上。
通過(guò)計(jì)算6個(gè)并排的破冰板的橫向?qū)挾扔?.2m。這樣正好滿(mǎn)足要求，如果遇到比較寬的路面可以采用來(lái)回的方式除去路面的冰雪。
其形狀和結(jié)構(gòu)如圖5-1：
圖5-1破冰鏟結(jié)構(gòu)圖
5.2基于Solid works Simulation的有限元分析
Solid Works Simulation是一個(gè)功能強(qiáng)大的有限元分析插件，可以進(jìn)行過(guò)度變形算例和循環(huán)載荷算例。細(xì)化的算例又分為靜應(yīng)力分析、熱力分析、頻率分析、疲勞分析、壓力容器設(shè)計(jì)分析、跌落測(cè)試等，功能十分強(qiáng)大。
分析過(guò)程如下：首先在Solid Works中建立相關(guān)實(shí)體的三維模型，進(jìn)行干涉檢查，目的是保障各部件的設(shè)計(jì)沒(méi)有明顯差錯(cuò)。然后打開(kāi)simulation插件，定義一下零件的材料屬性，在新型算例中添加夾具、接頭定義、載荷和劃分受力網(wǎng)格，最后運(yùn)行算例。有限元分析能幫助設(shè)計(jì)人員更準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足。
5.2.1破冰鏟連接固定構(gòu)件的受力校核
破冰鏟作為除雪破冰機(jī)的核心構(gòu)件，其作用不言而喻，而在除雪破冰機(jī)的持續(xù)工作條件下固定構(gòu)件十分重要，對(duì)此，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，添加材料屬性為鋼板；首先添加夾具，固定幾何體為上端面；然后添加載荷20N，小型除雪破冰車(chē)在前進(jìn)的時(shí)候受到雪向后的壓力；隨后劃分網(wǎng)格，最后運(yùn)行算例，分析結(jié)果如圖5-2，5-3。
圖5-2 破冰鏟固定構(gòu)件靜應(yīng)力分析-應(yīng)力
圖5-3 破冰鏟固定構(gòu)件靜應(yīng)力分析-位移
算例結(jié)果：如表5-1。
表5-1 算例信息
名稱(chēng)
類(lèi)型
最小
最大
應(yīng)力1
VON:von Mises 應(yīng)力
21.3575 N/m^2
節(jié): 11629
6327.18 N/m^2
節(jié): 8360
位移1
URES:合位移
0 mm
節(jié): 230
2.32168e-05 mm
節(jié): 947
通過(guò)對(duì)破冰鏟的有限元分析，在位移圖中，與地面接觸的平面由于受到壓力的作用，導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生一定的位移，但不影響實(shí)際應(yīng)用。因此，在改進(jìn)優(yōu)化中，建議將接觸面部分進(jìn)行強(qiáng)化，保證設(shè)計(jì)的安全性。
5.3除冰鏟的設(shè)計(jì)
除冰鏟是在破冰裝置后，在左右兩側(cè)安裝的移冰移雪裝置，其作用是將破碎的冰雪及時(shí)移動(dòng)到道路的兩側(cè)。材料選擇為Q275牌號(hào)鋼材具有較強(qiáng)的耐磨性，適用于除冰鏟的工作環(huán)境。
分別在除冰鏟的上面安裝一個(gè)彈簧，可以根據(jù)結(jié)冰厚度來(lái)調(diào)節(jié)距離地面的高度，更加適于實(shí)際環(huán)境，其范圍是0~50mm。
其形狀和結(jié)構(gòu)如圖5-4：
圖5-4 除冰鏟結(jié)構(gòu)圖
5.4基于SolidWorks Simulation對(duì)除冰鏟的有限元分析
在上面已經(jīng)對(duì)除雪破冰機(jī)的破冰鏟進(jìn)行了有限元分析，除冰鏟也是除雪破冰機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件，起到關(guān)鍵作用。因此，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，添加夾具及載荷之后，運(yùn)行算例，分析結(jié)果如圖5-5，5-6。
圖5-5 除冰鏟固定構(gòu)件靜應(yīng)力分析-應(yīng)力
圖5-6 除冰鏟固定構(gòu)件靜應(yīng)力分析-位移
表5-2 除冰鏟應(yīng)力信息
名稱(chēng)
類(lèi)型
最小
最大
應(yīng)力1
VON:von Mises 應(yīng)力
16.6483 N/m^2
節(jié): 9846
4672.29N/m^2
節(jié): 6453
位移1
URES:合位移
0 mm
節(jié): 189
1.96842e-05 mm
節(jié): 768
通過(guò)對(duì)除冰鏟的有限元分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中的地方主要是連桿與除冰板的鏈接處，而在位移圖中，鏟面的巨大位移的主要原因也是連接處的應(yīng)力變形，產(chǎn)生的位移很小，不會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生破壞，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)鏈接處的強(qiáng)度，保證構(gòu)件能夠正常工作。
第六章 結(jié)論
通過(guò)總結(jié)借鑒前人的理論經(jīng)驗(yàn)結(jié)合所學(xué)知識(shí)加上自己生活環(huán)境設(shè)計(jì)除雪破冰機(jī)的原因目的，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械的功能通過(guò)腦海中的概念一步一步腳踏實(shí)地的設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)概念先總體的繪制樣品圖，為了實(shí)現(xiàn)功能，分步計(jì)算設(shè)計(jì)繪制主要零件圖，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的選擇、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇計(jì)算，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算和材料的選擇（破冰鏟和除雪鏟），主要的設(shè)計(jì)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
在專(zhuān)業(yè)上，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)踐工作使我我認(rèn)識(shí)了很多的新機(jī)構(gòu)，復(fù)習(xí)了大學(xué)中所學(xué)的知識(shí)。把大學(xué)所學(xué)到的知識(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)運(yùn)用到當(dāng)中，學(xué)會(huì)了用現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)一種功能的方法，培養(yǎng)了我解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
在業(yè)余上，通過(guò)設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我的實(shí)際能力，鍛煉了自我，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)與老師的交流、同學(xué)間的互幫互助，不僅加深了我的專(zhuān)業(yè)能力還培養(yǎng)了我的人際交往，加深了友誼。
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謝 辭
在為期半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，老師從選題到論文的撰寫(xiě)上給個(gè)我很大的幫助，定期的為我們進(jìn)行指導(dǎo)，督促我們。在這里，我要感謝季德生老師再設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的幫助，讓我學(xué)到更多的知識(shí)，充實(shí)了自我，受益匪淺。
在這里我要說(shuō)一聲“老師，謝謝您！”
最后我誠(chéng)摯的感謝在百忙之中對(duì)我的論文進(jìn)行評(píng)定的機(jī)電工程系的各位老師領(lǐng)導(dǎo)以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中給于我?guī)椭耐瑢W(xué)，謝謝你們！
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