畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書題 目： 多功能小型掃雪除冰車除冰及 其他部分的設(shè)計 院 （系）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名：學 號：指導(dǎo)教師單位：姓 名：職 稱：題 目 類 型 ： ?理 論 研 究 ?實 驗 研 究 ?工 程 設(shè) 計 ?工 程 技 術(shù) 研 究 ?軟 件 開發(fā)年 12 月 26 日一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容在我國北方冬季普遍降雪特別是一些高寒地區(qū)降雪期長，積雪給道路、機場及人們出行帶來極大的不便，甚至造成交通中斷，屢屢發(fā)生事故。目前，除雪的常用方式有：機械除雪、融雪除雪、綜合式除雪等。機械除雪是通過機械設(shè)備清除積雪的方法；融雪除雪是利用熱能或撒布化學藥劑而使積雪融化的一種方法；綜合式除雪是機械除雪與融雪除雪相結(jié)合的一種除雪方法。機械除雪應(yīng)用最為廣泛。其除雪效率高、成本低、無污染、但對結(jié)冰路面及低等級路面除雪效果差。除雪車在國外已有很多廠家生產(chǎn)。縱觀除雪破冰機械的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有設(shè)備絕大部分功能單一、外形大、價格高。因此，需要根據(jù)我國具體情況，設(shè)計一套適合于小型公路和街道的使用且同時具有掃雪除冰功能的設(shè)備，該設(shè)備要求小巧輕便，操作簡單，價格低廉。本課題主要包括以下內(nèi)容和應(yīng)該完成的任務(wù)：1、了解多功能小型掃雪除冰車的功能及原理，以及機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。2、根據(jù)掃雪除冰車的總體功能，設(shè)計其除冰機構(gòu)、升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)。3、設(shè)計其主要的零部件，并進行強度及剛度設(shè)計。二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù)設(shè)計多功能小型掃雪除冰車的除冰機構(gòu)、升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：1、掃雪長度： 600 mm2、掃雪高度： 250 mm3、除冰厚度： 50 mm4、掃冰厚度： 100 mm5、掃冰長度： 600 mm三、畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的工作1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） ；在畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中必須包括詳細的 300-500 個單詞的英文摘要；2、獨立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文） ；3、完成掃雪除冰車的除冰機構(gòu)、升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)。對關(guān)鍵零部件的強度、剛度等方面進行校核。4、繪圖工作量折合 A0 圖紙 3 張，其中必須包含兩張 A3 以上的計算機繪圖圖紙。四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1. 濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計，第 8 版［M］ ．北京：高等教育出版社， 20062. 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It has several functions such as the front spiral snow sweeping, the middle ice-breaking and the rear ice sweeping and collecting. The design is a design of three parts of a small deicing/snow sweeper with multi-function. They are the deicing bodies, the lifting mechanism and the steering systems. The paper firstly analyzes the functions of agencies, the basic composition, the requirements and the overall performance. Ice-breaking bodies adopt the breaking-ice tube of wheel vibration. The exciting force is produced by the rotation of Pulley driving eccentric block. The lifting mechanism is composed by the spiral drive mechanism and some pole pieces. The combined effect of the spiral screw and the slider-crank mechanism achieve the function of the breaking-ice tube of wheel self-locking and lifting. It controls the rise and fall of the breaking-ice tube of wheel. According to the ice thickness, hardness, the role of ice-breaking force will be given. In order to achieve the ice one-time shattered. The steering system adopt a rack and pinion steering gear and the steering trapezoid. At the same time ，it arranged the spatial location of every bodies. It then detailedly design every detail. The specific content involves the pulley driving, the screw drive, the gear driving, as well as the main parts' strength and stiffness checking. At the same time, it use CAXA software to draw assembly drawing and parts diagrams.Key words：deicing; lifting; driving; steering目 錄0 引言 .10.1 總體概述 .10.2 掃雪除冰車發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題 .20.3 本課題所研究的方向 .21 破冰筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計 51.1 偏心塊的設(shè)計 .61.2 軸承的選擇 61.3 帶傳動的設(shè)計 .81.4 鍵的選擇與校核 .101.5 軸的強度與剛度校核 .112 升降機構(gòu)的設(shè)計 .142.1 螺旋傳動的設(shè)計 .152.2 拉桿強度校核 .172.3 軌道的設(shè)計 .183 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 的設(shè)計 .203.1 齒輪齒條設(shè)計 .213.2 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的總體結(jié)構(gòu) .293.3 梯形臂的設(shè)計 .30結(jié)論 30謝辭 31參考文獻 32- 0 - 引言0.1 總體概述在我國東北、西北的大部分地區(qū)，冬季持續(xù)低溫，積雪數(shù)月不化和路面濕滑成為堵塞交通甚至引發(fā)惡性事故的重要因素。因此，在寒冷地區(qū)如何快速清除公路、城市道路冰雪已成為保證公路安全和暢通的重要任務(wù)。目前，世界各國采用的除雪(冰)方法，應(yīng)用最普遍的有兩種，即融解法和機械法。融解法是依靠熱作用或撒布化學藥劑使冰雪融化， 其優(yōu)點是除凈率高，但這種方法成本高，且容易造成環(huán)境污染。雖然環(huán)保型融雪劑已經(jīng)問世，對環(huán)境和植被的影響減少了，但并未徹底根除，因此使用范圍受到一定的限制。機械法是通過機械直接作用解除冰雪的危害，雖然除凈率較低，但是對環(huán)境及植被無污染，能實現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移，應(yīng)用范圍比較廣。因此，一般認為清除冰雪必須以機械法為主，以融解法為輔，才能達到快速和環(huán)保的效果。0.2 掃雪除冰車發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題我國通過近幾年的設(shè)備和技術(shù)引進，在除雪機械方面取得了迅速發(fā)展。而除冰機械的開發(fā)和生產(chǎn)比除雪機械的時間還要短。除冰機械按其工作原理可分為以下幾種類型。①振動式主機液壓系統(tǒng)驅(qū)動振動馬達， 帶動偏心塊的旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，使得振動輪沿圓周徑向運動。對路面冰層來說，既有上、下方向的振動作用力，又有水平方向的揉搓作用力，使得振動輪表面的凸塊切入并擠壓冰層， 致使冰層斷裂破碎與地面剝離，達到除冰的目的。如徐州裝載機廠的專利產(chǎn)品—公路養(yǎng)護用滾輪式振動除冰設(shè)備，該設(shè)備置于裝載機前端，當動臂置于浮動位置時，裝置可隨路面高低而變化。根據(jù)冰層的厚度不同，可以選擇大小不同的激振力，拓寬了設(shè)備的使用范圍。振動輪后安裝一刮鏟，形狀類似除雪犁，使碎冰脫離路面后沿刮鏟流向兩側(cè)。②靜碾壓裂式工作裝置懸掛于裝載機前端，通過滾壓輪上的組合刀片，依靠滾壓輪自身的重量和來自裝載機動臂和搖臂的協(xié)調(diào)壓力， 在主機的推動下將冰層壓碎。主要產(chǎn)品有：哈爾濱清朗除雪保潔設(shè)備廠生產(chǎn)的“雪狼一號”、吉林工業(yè)大學等單位聯(lián)合開發(fā)的CB型碾壓式除冰雪裝置。③柔性鏈條擊打式采用特制鏈條，前端安裝吊環(huán)，在主機的驅(qū)動下，鏈條作高速旋轉(zhuǎn)，對路面進行柔性抽打，從而獲得破冰效果。- 1 - ④ 鏟剁式由多刃刀組成的工作鏟在曲軸的帶動下上下運動，對路面冰層進行剁擊，該機構(gòu)采用柔型連接，實現(xiàn)了對路面高低不平的自動補償。附帶的斜鏟機構(gòu)具有收集冰雪的功能。我國的除雪(冰)機械雖然有了很大的發(fā)展，但其總體水平與發(fā)達國家相比，產(chǎn)品品種及性能還有很大的差距，適應(yīng)不了我國公路高速發(fā)展的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①技術(shù)水平低。除雪(冰)機械在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、零部件供應(yīng)和使用管理等方面都存在技術(shù)水平低的問題，致使除雪(冰)機械可靠性差、故障多、壽命短。②功能單一。清冰除雪具有典型的季節(jié)性，如果功能單一，只是用作除雪(冰)專用，那么機器一年中大部分時間將處于閑置狀態(tài)，大大增加了除雪作業(yè)的成本，加重公路養(yǎng)護部門的負擔。③品種類型不全。與國外相比，現(xiàn)在有不少種類除雪(冰)機械在我國還是一片空白，現(xiàn)有的除雪(冰)機械，無法滿足高速公路和機場的作業(yè)要求。0.3 本課題所研究的方向現(xiàn)縱觀除雪破冰機械的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有設(shè)備絕大部分功能單一、外形大、價格高。所以研制具有：小巧輕便，操作簡單，價格低廉，適合于小型公路和街道的使用且同時具有掃雪除冰功能的設(shè)備具有廣闊的發(fā)展前景。 設(shè)計總體方案：①在保證安全性、經(jīng)濟性的前提下，掃雪和除冰功能可同時實現(xiàn)或交替使用。即有雪無冰時，只執(zhí)行掃雪的功能，而有冰無雪時，便執(zhí)行除冰和掃冰的功能。當環(huán)境中出現(xiàn)冰雪混合的情況則掃雪和除冰功能同時啟動。②破冰采用除冰滾筒來實現(xiàn)，破冰力的大小可以根據(jù)冰層的厚度給以調(diào)節(jié)。③整車的速度可根據(jù)冰雪的厚度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，即在冰雪比較厚的時候能使車的速度放慢以便將冰雪一次性除盡，而在冰雪比較薄的時候能使小車速度加快以提高掃雪除冰的效率根據(jù)總體方案的設(shè)計要求，得到系統(tǒng)的主要組成部分：轉(zhuǎn)向、掃雪、掃冰、除冰和升降機構(gòu)、后輪驅(qū)動機構(gòu)等,如圖0-1所示：- 2 - 圖 0-1 掃雪除冰車總體圖1-前輪轉(zhuǎn)向系 2-破冰筒 3-升降桿系 4-螺旋傳動機構(gòu) 5-方向盤本次設(shè)計主要涉及破冰機構(gòu)，升降機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計。其主要技術(shù)參數(shù)如下：1、除冰厚度： 50 mm2、掃冰厚度： 100 mm3、掃冰長度： 600 mm現(xiàn)對各機構(gòu)進行初步設(shè)計分析：①除冰裝置為了保證冰層路面不被損壞且掃雪除冰車在行駛過程中能把冰層一次性破除，通過實驗設(shè)計出破冰滾筒的結(jié)構(gòu)。滾筒隨小車一起前行時，通過在滾筒內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸上對稱安裝一對偏心輪使其產(chǎn)生平穩(wěn)的振動，再將振動力通過連在滾筒兩側(cè)的端蓋傳至滾筒外圍一圈圈且交錯排列的三角形尖角上，從而達到快速破冰的效果，如圖0-2所示。- 3 - 圖0-2 破冰筒②升降機構(gòu)該機構(gòu)采用了類似于飛機起落架的工作原理，同破冰裝置結(jié)合使用。利用螺旋絲杠和曲柄滑塊機構(gòu)的共同作用實現(xiàn)除冰滾筒自鎖和升降的功能，達到控制除冰滾筒的升降和根據(jù)冰層的厚度、硬度給以施加破冰力的作用，從而實現(xiàn)將冰一次性震碎。此外，該機構(gòu)還可以實現(xiàn)在有雪無冰時將滾筒抬離地面，有效的避免了滾筒沿地面滾動時壓壞路面，且能減少掃雪除冰車行駛過程中能量的消耗，如圖0-3所示。圖 0-3 升降機構(gòu)③轉(zhuǎn)向機構(gòu)該機構(gòu)選用了齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向時內(nèi)外車輪間的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理設(shè)計轉(zhuǎn)向梯形來保證的。轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的協(xié)調(diào)關(guān)系是通過合理選擇小齒輪與齒條的參數(shù)、合理布置小齒輪與齒條的相對位置來實現(xiàn)的。如圖 0-4 所示。- 4 - 圖 0-4 前輪轉(zhuǎn)向系1 破冰筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計破冰筒的原理是振動，類似于振動輸類振動機的結(jié)構(gòu)中的單軸慣性激振，通過比較研究發(fā)現(xiàn)兩偏心塊的擺放位置有所不同，本次設(shè)計只要求偏心塊能提供較大的上下激振力，而物料輸送機則是整個空間都需要振動，本次設(shè)計的偏心塊的偏心質(zhì)量要在平行于軸的一條直線上，通過觀察單軸慣性激振器的結(jié)構(gòu)可以確定的是，偏心輪是對稱安裝在偏心軸的兩端的。由于單靠振動的力并不能保證冰層一定被破壞，為了增強破冰效果，在滾筒的面上設(shè)計尖角，使得接觸面為點面接觸，大大增加了接觸點的壓強。從而使得破冰更加徹底。還需要提出的是，滾筒外圈是跟隨車輪一起運動的，其速度是由車的速度決定的。如果偏心塊的轉(zhuǎn)動速度也是如此，就使得激振力非常小，或者使得偏心塊變得很大，這些都不符合破冰要求。所以偏心塊的轉(zhuǎn)速是單獨提供的。使得破冰筒外圈，內(nèi)軸各自轉(zhuǎn)動。設(shè)計思路：機構(gòu)的動作是由偏心振動實現(xiàn)的，所以首先可對偏心塊進行設(shè)計，并初步確定軸的直徑，然后選擇軸承，再進行動力傳遞方式進行選擇，機械傳動形式主要有螺旋傳動、帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動，由于屬于較遠距離動力傳遞，并且振動較大，所以選用帶輪傳動，并對帶傳動進行設(shè)計。再綜合對剩余部分進行尺寸設(shè)計。由此初步確定了工作機構(gòu)和傳動機構(gòu)。圖 1-1 破冰筒的整體結(jié)構(gòu)1-偏心塊 2-端蓋 3-帶輪 4-過渡帶輪 5-拉桿 6-固定軸 7-滾筒- 5 - 該機構(gòu)總體如圖 1-1 所示，工作原理是轉(zhuǎn)速由過渡帶輪 4 傳送給帶輪 3，然后帶動偏心塊 1 轉(zhuǎn)動，其所產(chǎn)生的徑向離心力通過連接連接軸傳遞給端蓋 2，再由端蓋 2 傳遞給滾筒 7，滾筒 7 的各尖角對冰層進行擠壓，對路面冰層來說，既有上、下方向的振動作用力，又有水平方向的揉搓作用力，使得振動輪表面的尖角切入、擠壓冰層后吧冰層斷裂破壞，使之與地面剝離，從而達到除冰的目的。根據(jù)冰層的厚度不同，可選擇高低不同的位置，拓寬了設(shè)備的使用范圍。1.1 偏心塊的設(shè)計由于該機構(gòu)的振動類似于振動壓路機的鋼輪，通過查閱大量的資料，對比大型、小型壓路機的技術(shù)參數(shù)，同時查閱現(xiàn)有的滾輪式振動破冰裝置的各參數(shù)，決定選用激振頻率 f=33HZ ，激振力 F=4KN。又因為偏心塊可以選用現(xiàn)有振動壓路機的偏心塊材料，選擇使用偏心塊的材料為 QT40-17， 密度 ，又根據(jù)總長尺寸的3/720mkg??限制，定偏心塊的厚度為 。m68??圖 1-2 偏心塊計算：面積 ??221rRA????偏心距 320r偏心塊的質(zhì)量 ??Amr轉(zhuǎn)速 n=2000r/min 即 30??n?激振力 ??3212024RrF?????????將已知條件代入公式得 098.321?R令 r=16.5mm, =33mm,計算得 =56mm。2面積 A=5604.115m- 6 - 偏心距 =16.6mm0r偏心塊的質(zhì)量 2.74Kg。?rm1.2 軸承的選擇根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動摩擦軸承和滾動軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且它已標準化，選用、潤滑、維護都很方便，因此在一般機器中應(yīng)用較廣。但由于滑動軸承本身具有一些獨特優(yōu)點，使得它在某些不能、不便或使用滾動軸承沒有優(yōu)勢的場合，如在工作轉(zhuǎn)速特高、特大沖擊與振動、徑向空間尺寸受到限制或必須剖分安裝、以及需在水或腐蝕性介質(zhì)中工作等場合，仍占有重要地位。通過上述可得支承偏心軸的選用滾動軸承，而使?jié)L筒外圈自由轉(zhuǎn)動的選用滑動軸承，因為受到其空間的限制，若使用滾動軸承，滾筒端部尺寸將大于中間執(zhí)行工作面的尺寸，完全不符合要求?，F(xiàn)對偏心軸的支承軸承進行選擇，上述已確定使用滾動軸承。如果僅按軸承用于承受的外載荷不同來分類時，滾動軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類，主要承受徑向載荷的軸承叫做向心軸承，其中有幾種類型可同時承受不大的軸向載荷；只能承受軸向載荷的軸承叫做推力軸承，推力軸承與軸頸配合在一起的元件叫軸圈，與機座孔配合的元件叫座圈；能同時承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承。而此次設(shè)計的軸承主要承受徑向的激振力，承受很小的軸向力，所以屬于向心軸承。其中深溝球軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦角系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時，可用來承受純軸向載荷。其大量生產(chǎn)，價格最低?？紤]以上諸多因素都特別符合要求，所以決定選用深溝球軸承。由于軸承都是成對支承，所以軸承徑向載荷 =2KN, 軸承轉(zhuǎn)速 n=2000r/min,又由于該機構(gòu)類型屬于短期或間斷使用的rF機械，中斷使用不致引起嚴重后果，所以預(yù)期計算壽命 =5000h,直徑可在25~33mm范'hL圍內(nèi)選擇 ，機構(gòu)運轉(zhuǎn)時有強大沖擊。（1）計算當量動載荷 rPFf?式中：P——軸承的當量動載荷，KN——載荷系數(shù)，按照表 13-6，由于受到強大沖擊，所以 =1.8~3.0，取f Pf=3.0，Pf——徑向載荷，KN， =2KNrFrF- 7 - 則有 P=6KN（2）計算基本額定動載荷 ?6'10hnLPC?式中：C——基本額定動載荷 KNP——軸承的載荷，KN, 此時 P=6KN——指數(shù)。對于球軸承 ，?3??——預(yù)期計算壽命，h， =5000h'L'hLn ——軸承的轉(zhuǎn)速，r/min，n=2000r/min解得 C=50.61KN.（3）按照設(shè)計手冊其范圍內(nèi)沒有適合的軸承，所以改選為四個軸承支承，則由于C=25.305KN。查表選取 的 6306 軸承21kNCr27?1.3 帶傳動的設(shè)計帶傳動是一種撓性傳動。帶傳動的基本組成零件為帶輪（主動帶輪和從動帶輪）和傳動帶。當主動帶輪轉(zhuǎn)動時，利用帶輪和傳動帶間的摩擦或嚙合作用，將運動和動力通過傳動帶傳遞給從動帶輪。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，在近代機械中應(yīng)用廣泛。按照工作原理的不同，帶傳動可分為摩擦型帶傳動和嚙合型帶傳動。本設(shè)計中，由于傳動的速度屬于中等，不必用嚙合型帶傳動，所以選用的是摩擦型帶傳動。在摩擦型帶傳動中，根據(jù)傳動帶的橫截面形狀的不同，又可以分為皮帶傳動個，圓帶傳動、V帶傳動和多楔帶傳動。其中V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。傳動時，V帶的兩個側(cè)面和輪槽接觸。槽面摩擦可以提供更大的摩擦力。另外，V帶傳動允許的傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，大多數(shù)V帶已標準化。V帶傳動的上述特點使它獲得了廣泛的應(yīng)用?；谏鲜鎏攸c及優(yōu)點，本次選用V帶傳動。由于減速器輸出的轉(zhuǎn)速已經(jīng)是 2000r/min。所以有主動帶輪轉(zhuǎn)速 =2000r/min,從1n動帶輪轉(zhuǎn)速 =2000r/min，傳動比 i=1。2n（1）確定計算功率 caPV 帶傳遞的功率為 =0.294KW。fgF4??- 8 - 式中： ——最終所需的功率， KWP?g ——重力加速度，g=9.8N/KgF——激振力，KN,F=4KNf ——振動頻率，HZ,f=33HZ由于 V 帶的傳動效率 =85%-95% ,取 =85%??所以輸入功率 346.0??P又由表 8-7 查得工作情況系數(shù) =1.3，故AK= =0.45KWcaPAK（2）選擇 V 帶的帶型根據(jù) 、 由圖 8-10 選用 Z 型。ca1n（3）確定帶輪的基準直徑 并驗算帶速d?①初選小帶輪的基準直徑 。由表 8-6 和表 8-8，取小帶輪的基準直徑1=90mm。1d②驗算帶速 。?帶的速度 =9.42m/s106??nd?因為 5m/s ,所以該軸符合強度校核式中： ——軸端允許最小直徑，0mmT——軸所傳遞的扭矩，N·mmNnP·4.1209.590???——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa,查p?表 5-1-19 ，取Ma~。Pap30??（2）扭轉(zhuǎn)剛度校核由于該軸為實心軸，所以 mTdP143.0.93.440 ????因為實際軸直徑 d =24mm ,所0式中： ——軸端允許最小直徑，0dmmT——軸所傳遞的扭矩，N·m, N·4.1?- 12 - 以該軸符合剛度校核 ——許用扭轉(zhuǎn)角， ，查表P???m/?5-1-20 取P/3.0??（3）疲勞強度安全系數(shù)校核疲勞強度安全系數(shù)校核的目的是校核軸對疲勞破壞的抵抗能力，它是在經(jīng)過軸的初步計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計后，根據(jù)其實際尺寸，承受彎矩，轉(zhuǎn)矩圖，考慮應(yīng)力集中，表面狀態(tài)，尺寸影響等因素及軸材料的疲勞極限，計算軸的危險截面處的安全系數(shù)值是否滿足許用安全系數(shù)值。 PSS?????741292??由于查表 5-1-26 有 ，所以符合要求8.~5P公式 92034.1.0871??????maKS????? 124021.689.0751??????maKS?????說——只考慮彎矩作用時的安全系數(shù)?S——只考慮扭矩作用時的安全系數(shù)?——對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限，MPa，查表 5-11 有1?=270 MPa?——對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，MPa ，查表 5-11 有1??=155 MPa、 ——彎曲和扭轉(zhuǎn)式的有效應(yīng)力集中系數(shù)，查表 5-1-30~表 5-?K?1-32 有 =1.89， =1.71?——表面質(zhì)量系數(shù)，查表 5-1-36 有 =0.92??- 13 - 明、 ——彎曲和扭轉(zhuǎn)式的尺寸影響系數(shù)，查表 5-1-34 有???=0.91， =0.89、 ——材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)，查表 5-1-33 有???=0.34， =0.21、 ——彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，MPa，查表 5-1-25 有amMPa， =0，M 、T 是軸危險截面上的彎矩和扭矩，3.109.4?ZM?m?N.m。Z 、 是軸危險截面的抗彎和抗扭截面系數(shù)， ，查表 5-1-P 3cm28，Z=1.09， =2.45、 ——扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，MPa，查表 5-1-25 有a?m0.6MPa, =0?45.21PZTm?（4）靜強度安全系數(shù)校核本方法的目的是校核軸對塑性變形的抵抗能力，即校核危險截面的靜強度安全系數(shù)。軸的靜強度是根據(jù)軸上作用力最大瞬時載荷來計算的。一般，對于沒有特殊要求安全保護裝置的傳動，最大瞬時載荷可按電機最大載荷能力確定。危險截面應(yīng)是受力較大。截面較小即靜應(yīng)力較大的若干截面。所以符合要求SPSS???7.212??公式809.1436maxZMS 5.346.2198max??PSZT?說——只考慮彎曲時的安全系數(shù)?S——只考慮扭轉(zhuǎn)時的安全系數(shù)?、 ——軸危險面的抗彎和抗扭截面模數(shù)，查表 5-1-27 到表 5-1-ZP29， , Z=1.09， =2.45 3cmPZ- 14 - 明——靜強度的許用安全系數(shù)，查表 5-1-40，如軸的損壞會引起嚴重SP事故，該值應(yīng)適當加大， =1.8SP——材料的拉伸屈服點，查表 5-1-1 有 =360 MPaS?S?——材料的扭轉(zhuǎn)屈服點，一般取 ,取? ??SS?62.0~5.?MPaSS1985.0??、 ——軸危險截面上的最大彎矩和最大扭矩，N·mmaxaT2 升降機構(gòu)的設(shè)計升降機構(gòu)的螺桿部分類似于千斤頂，只是該螺桿是橫放的，螺桿的固定類似于螺母絲杠，該機構(gòu)的設(shè)計主要是螺桿螺母的設(shè)計，還有各桿件的定位，以及強度校核。夠機構(gòu)如圖2-1所示。桿2一端固定在機架上，通過旋轉(zhuǎn)螺桿使得螺母左右移動，從而帶動桿3上下運動。圖 2-1 升降機構(gòu)1-固定座 2-拉桿 a 3-拉桿 b 4-拉桿 c 5-滑動螺母 6-螺桿2.1 螺旋傳動的設(shè)計螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動的要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。螺旋傳動按其用途的不同，可分為傳力螺旋，傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋。本結(jié)構(gòu)屬于傳力螺旋，它以傳遞動力為主，要求以較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向推力，用以克服升降機的起重阻力。主要承受很大的軸向力，屬于間歇性工作，每次的工作時間較短，- 15 - 工作速度也不高，需要自鎖能力。螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質(zhì)不同，分為滑動螺旋，滾動螺旋和靜壓螺旋。由于滑動螺旋結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低廉，且當螺紋上升角小于摩擦角時能自鎖，所以本結(jié)構(gòu)選用滑動螺旋傳動?；瑒勇菪捎玫穆菁y類型有矩形、梯形和鋸齒形。其中以梯形螺紋應(yīng)用最廣，所以本結(jié)構(gòu)選用梯形螺紋。螺桿常采用右旋螺紋。傳力螺旋和調(diào)整螺旋要求自鎖時，應(yīng)采用單線螺紋。所以本結(jié)構(gòu)采用單線螺紋。綜上所述選擇滑動螺旋傳動，并采用梯形螺紋，查機械設(shè)計手冊，選螺桿的材料為 45 號鋼，螺母的材料為鑄造鋁青銅（ZCuAl10Fe3）,選螺紋螺距 P=5mm,所需軸向力=5000N。F?因為滑動螺旋的效率 僅在 0.3~0.7 之間，自鎖時低于 0.5，常在 0.3~0.5 之間，?所以取 =0.3，則實際軸向力為 =16667N。?F??（1）耐磨性計算因為對于整體螺母， =1.2~2.5，取 =2，查表 5-12 得 =11~18MPa,取????p=11MPa??p=22.02mm??pFd?8.02?又要求螺距 P=5mm，取 =23.5mm,按國家標準選取其公稱直徑為 d=26mm, 螺距為2dP=5mm。表 2-1 梯形螺紋基本尺寸螺母高度 H= =47mm,螺紋工作圈數(shù) =9.4, 由于螺紋工作圈數(shù)不超過 10 圈，2d?PHu?所以取 u=10，則 H=50mm, 校核自鎖性螺紋升角 ??9.3arctn2dS??- 16 - 當量摩擦角 ???3.5cosartnv??f所以滿足 ，符合自鎖條件。v??由于該螺紋的線數(shù) n=1,螺距 P=5mm,所以導(dǎo)程 =5mm；查表 5-12 得，摩察系nPS?數(shù) f=0.08~0.10,取 f=0.09；牙型角 ，牙側(cè)角 。??30??152??（2）螺桿的強度計算螺桿所受的扭矩 ??mNFdTv???179tan5.02??危險截面的計算應(yīng)力 59.74MPa?????????????2323.04dTca??查機械手冊得 ，查表 5-13 得許用應(yīng)力 ，取 =88.75 MPs35???5~3s???4s?MPa。滿足 ，符合強度校核。????ca（3）螺母螺紋牙的強度計算螺紋牙危險截面的剪切強度 =6.16MPa≤ ，符合要求。buDF4??????螺紋牙危險截面的彎曲強度 =17.07MPa≤ ，符合要求。l246?b?式中：b——螺紋牙根部的厚度，mm,對于梯形螺紋，b=0.65P=3.25mm,P 為螺距。l——彎曲力臂，mm, =1.5mm;24l??——螺母材料的許用切應(yīng)力，Mpa，見表 5-13 得 =30~40MPa;??? ???——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，MPa,見表 5-13 得 =40~60 MPa;b? b?（4）螺桿的穩(wěn)定性計算臨界載荷公式 =109996N??2lEIFcr???式中：E——螺桿材料的拉壓彈性模量，MPa, ;MPaE5106.2??I——螺桿危險截面的慣性矩， 4438mdI?- 17 - ——螺桿的長度系數(shù)，由于端部支承為一端固定一端自由，所以查表 5-14?得 =2.l——工作長度，l=200mm螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數(shù) ,符合要求scrsSFS??6.式中， ——螺桿穩(wěn)定性的安全系數(shù)，對于傳力螺旋， =3.5~5.0。sS sS2.2 拉桿強度校核根據(jù)空間位置關(guān)系可以確定各桿件的具體位置和尺寸，從而設(shè)計出桿系。圖 2-2 桿系側(cè)視圖圖 2-3 桿系俯視圖- 18 - 現(xiàn)選擇與滑動螺母相連的拉桿 3 進行校核，該桿件受到的最大拉力 F=5.1KN,選擇材料為 45 鋼，查機械設(shè)計手冊有 45 鋼的抗拉強度 ??MPa540??圖 2-4 桿 3 的具體尺寸面積 261096mbhA??????????MPaF.531.6所以此桿滿足強度要求。2.3 軌道的設(shè)計（1）導(dǎo)軌的組成種類及應(yīng)滿足的要求導(dǎo)軌副主要由承導(dǎo)件和運動件兩大部分組成。運動方向為直線的被稱為直線運動導(dǎo)軌副、為回轉(zhuǎn)的被稱為回轉(zhuǎn)運動導(dǎo)軌副。常用的導(dǎo)軌副的種類很多，按其接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌副、滾動導(dǎo)軌副、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。按其結(jié)構(gòu)特點可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。機電一體化系統(tǒng)對導(dǎo)軌的基本要求是導(dǎo)向精度高、剛性高、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好。對精度要求高的直線運動導(dǎo)軌還要求導(dǎo)軌的承載面與導(dǎo)向面嚴格分開；當運動件較重時，必須設(shè)有卸荷裝置，運動件的支承必須符合三點定位原理[3]。①導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌按給定方向作直線運動的準確程度。導(dǎo)向精度的高低，主要取決于導(dǎo)軌的類型；導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度；導(dǎo)軌的配合間隙；油膜厚度和油膜剛度；導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的剛度和熱變形等。直線運動導(dǎo)軌的幾何精度，一般有下列幾項規(guī)定：導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度（即導(dǎo)軌縱向直線度） 導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度（即導(dǎo)軌橫向直線度）兩導(dǎo)軌面間的平行度，也稱扭曲②剛度 導(dǎo)軌的剛度就是抵抗載荷的能力。抵抗恒定載荷的能力成為靜剛度；抵抗交變載荷的能力成為動剛度。為了保證導(dǎo)軌副的剛度，導(dǎo)軌副應(yīng)有一定的接觸精度。- 19 - ③運動的靈活性于平穩(wěn)性 一般專用設(shè)備和計算機等的精度和運動速度都比較高，因此，其導(dǎo)軌應(yīng)具有較好的靈活性和平穩(wěn)性，工作時應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；高速運動時應(yīng)無振動。影響導(dǎo)軌運動靈活性和平穩(wěn)性的主要因素是：導(dǎo)軌的配合間隙，配合表面幾何形狀誤差，動、靜摩擦系數(shù)的差值，驅(qū)動導(dǎo)軌運動的傳動系統(tǒng)的剛度和精度，導(dǎo)軌的表面粗糙度和潤滑等。耐磨性 導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，應(yīng)能保證一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的耐磨性主要取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、摩擦性質(zhì)、表面粗糙度、表面潤滑及受力情況等。對溫度變化的敏感性 導(dǎo)軌在環(huán)境溫度變化的情況下，應(yīng)能正常工作，既不“卡死” ，亦不影響設(shè)備的運動精度。導(dǎo)軌對溫度變化的敏感性，主要取決于導(dǎo)軌材料和導(dǎo)軌配合間隙的選擇。結(jié)構(gòu)工藝性 導(dǎo)軌在保證設(shè)配正常工作的條件下，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，裝拆、調(diào)整、維修及檢驗方便，從而最大限度的降低成本。（2）導(dǎo)軌材料的選擇與熱處理①導(dǎo)軌材料的選擇導(dǎo)軌常用的材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。常使用鑄鐵——鑄鐵、鑄鐵——鋼的導(dǎo)軌。鑄鐵：鑄鐵具有耐磨性和減震性好、熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工，成本低等特點，因此在滑動導(dǎo)軌中被廣泛應(yīng)用。常用的鑄鐵有：灰鑄鐵，常用的是 HT200（一級鑄鐵） ，硬度以 180—200HB 較為合適。適當增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可以提高導(dǎo)軌的耐磨性。高磷鑄鐵：它是指含磷量為 0.3%~0.65%的灰口鑄鐵，其硬度為 180—220HB，耐磨性比 HT200 約高一倍。低合金鑄鐵：這類鑄鐵具有較好的耐磨性，且鑄造性能優(yōu)于高磷系鑄鐵。稀土鑄鐵：它具有強度高、韌性好的特點，耐磨性與高磷鑄鐵相似，但鑄造性能和減震性較差，成本也較高鋼。為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，可以采用淬硬的鋼導(dǎo)軌。淬火的鋼導(dǎo)軌都是焊接或鑲裝上去的，淬硬的鋼導(dǎo)軌的耐磨性比不淬硬的鑄鐵導(dǎo)軌高5~10 倍。常用的鋼有 45 鋼=40Cr，T8A、T10A、GCr15 等。有色金屬。常用的有色金屬有黃銅 HPb59—1，鋁青銅 ZQA19—2，超硬鋁 LC4，鑄鋁 Z16 等，其中以鋁青銅較好。塑料。鑲裝塑料導(dǎo)軌具有較好的耐磨性，抗震性能好，工作適應(yīng)范圍廣，抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學穩(wěn)定性好，工藝簡單，成本低等特點。通過以上的比較分析，本設(shè)計采用 HT200。- 20 - 3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計車輛在行駛過程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂汽車轉(zhuǎn)向。就輪式汽車而言，實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是，駕駛員通過一套專設(shè)的機構(gòu)，是汽車轉(zhuǎn)向橋上的車輪相對汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。在車輛直線行駛時，往往轉(zhuǎn)向輪也會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時，駕駛員也可以利用這套機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而使汽車恢復(fù)原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機構(gòu)，即稱汽車轉(zhuǎn)向系。因此，汽車轉(zhuǎn)向系的作用是保證汽車能按駕駛員的意志而進行轉(zhuǎn)向行駛。汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系兩大類。而本次設(shè)計使用的是機械轉(zhuǎn)向系。機械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向源，其中所有傳力件都是機械的。機械轉(zhuǎn)向系由操作機構(gòu)。轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。其中傳動機構(gòu)中的轉(zhuǎn)向軸間是用萬向節(jié)連接的。汽車上任何一對軸線相交且對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的 動力傳遞，均須通過萬向傳動裝置。圖 3-1 前輪轉(zhuǎn)向系1-車輪 2-轉(zhuǎn)向器 3-十字軸式萬向節(jié) 4-球叉式萬向節(jié) 5-傳動軸 6-方向盤轉(zhuǎn)向器有 EPS 與非 EPS 兩種狀態(tài)，兩種狀態(tài)都有相應(yīng)的轉(zhuǎn)向器與之匹配。要求兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)不變，轉(zhuǎn)向器使用相同的殼體，齒條行程相同（均為 60mm）,小齒輪花鍵規(guī)格相同，齒條直徑以及齒條螺紋部分相同，唯一不同的是齒輪與齒條的參- 21 - 數(shù)。本次設(shè)計只考慮非 EPS 狀態(tài)轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條參數(shù)。圖 3-2 前輪整體圖1-前輪 2-前輪軸 3-梯形臂 4-橫拉桿 5-齒條 6-轉(zhuǎn)向器3.1 齒輪齒條設(shè)計（1）原地轉(zhuǎn)向阻力矩精確計算這些力是困難的，為此采用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 ，即 ，式中，f 為輪胎和??mNMR? pGR31?路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取 0.7； 為轉(zhuǎn)向軸負載荷（N） ；p 為輪胎氣壓（MPa） 。1G??gmGe 6.2938.5019%51 ??????mpfMR ?4.2.637.0311. f=0.72. 按《汽車設(shè)計》 ，取滿載質(zhì)量 m 的 55%1G3. p=0.22MPa4. 車輛備質(zhì)量kge90?（2）轉(zhuǎn)向盤手力- 22 - 圖 3-3 方向盤轉(zhuǎn)向盤如圖 3-3 所示，作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為： 。式中 為轉(zhuǎn)向????iDLMFSWRh211L搖臂長； 為轉(zhuǎn)向節(jié)壁長； 為轉(zhuǎn)向盤直徑； 為轉(zhuǎn)向器角轉(zhuǎn)動比； 為轉(zhuǎn)向器正2LSWDwi效率。由《汽車設(shè)計》 ， 在 0.85~1.1 之間，可近似是 1。12LNiDLMFSWRh 21.0%9804.3521 ????????mTh ?.2.1. 轉(zhuǎn)向盤直徑 在SWD250~550mm 之間，選mDSW280?2. 齒輪齒條最大正傳動效率 =90%??3. 轉(zhuǎn)向器角傳動比 在wi17~19 之間，選 =18i（3）齒輪齒條設(shè)計齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪數(shù)采用斜齒輪。齒輪模數(shù)多在 2~3mm 之間，主動小齒輪齒數(shù)多在 5~7 個齒范圍變化，壓力角取 ，齒輪螺旋角的取值范圍多為 。齒條?20 ?15~9齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪的最大偏轉(zhuǎn)角時，相應(yīng)的齒條移動行程達到的值來確定。變速比的齒輪壓力角，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在 范圍內(nèi)變化。此外，設(shè)計時應(yīng)驗算齒輪的抗彎強35~1度和接觸強度。齒條選用 45 鋼制造，而主動小齒輪選用 20CrMo 材料制造，為減輕質(zhì)量殼體用鋁合金壓鑄。正確嚙合條件： ； ；m?21 ??2121??- 23 - 根據(jù)設(shè)計的要求，齒輪齒條的主要參數(shù)見下表表 3-1 齒輪齒條的主要參數(shù)名稱 齒輪 齒條齒數(shù) Z 6 22模數(shù) Mn 2.5 2.5壓力角 n??20?20螺旋角 ??1???12?變位系數(shù) Xn 0 0齒輪： 3.5cos/11?zmdn齒頂高 ah齒輪 ： ??.2*1??nx齒條： 5.2?am齒根高 fh齒輪： ??125.3*1*21???naf xc齒條： ?f m齒全高ｈ齒輪： 625.11?fah齒條： 2?f齒頂圓 ad齒輪： 3.011?ah齒根圓 f齒輪 5.9211??ffd基圓直徑 h由 41.20cos/tntg????得齒輪： 3*1?tbd- 24 - 表 3-2 齒輪齒條的結(jié)構(gòu)尺寸名稱 齒輪 齒條分度圓直徑 1d15.3齒頂高 ah2.5 2.5齒根高 f 3.125 3.125齒全高ｈ 5.625 5.625齒頂圓 ad20.3齒根圓 f 9.05基圓直徑 b14.34齒寬ｂ 40 20（4）齒條的強度計算圖 3-4 齒輪齒條的嚙合1-齒輪，2-齒條在本設(shè)計中，選取轉(zhuǎn)向器輸入端施加的扭矩 T=2Nm,齒輪傳動一般均加以潤滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計算齒輪手力時，可不予考慮。齒輪齒條的受力狀況類似于斜齒輪，齒條的受力分析如圖 3-5 所示。- 25 - 圖 3-5 齒條的受力分析作用于齒條齒面上的法向力 Fn，垂直于齒面，將 Fn 分解成沿齒條徑向的分力（徑向力）Fr，沿齒輪周向的分力（切向力）Ft，沿齒輪軸向的分力（軸向力）Fx。各力的大小為： dTFt/2?1cos*??ntrgtx??1cs/ntnF?——齒輪軸分度圓螺旋角 （由表一查得）??——法面壓力角 （由表 1 查得）n?齒輪軸受到的切向力： NdTFt 4.261/?T——作用在輸入軸上的扭矩，T 取 2Nm。d ——齒輪軸分度圓的直徑齒條齒面的法向力：??NFntn 20.759cos*/1????