道路清掃車清掃系統設計
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全日制普通本科生畢業(yè)設計
道路清掃車清掃系統設計
學生姓名：
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學 部
全日制普通本科生
畢業(yè)設計誠信聲明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
畢業(yè)設計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………1
關鍵詞…………………………………………………………………………………1
1 前言……………………………………………………………………………………1
1.1 垃圾清掃現狀分析………………………………………………………………1
1.2 國內外垃圾清掃機械化發(fā)展現狀………………………………………………2
1.3 國內清掃機發(fā)展趨勢……………………………………………………………2
2垃圾清掃總成設計計算……………………………………………………………2
2.1 設計思想…………………………………………………………………………2
2.2 總體結構設計……………………………………………………………………3
2.3 各主要機構參數的設計和驗算…………………………………………………3
2.3.1 垃圾清掃設計……………………………………………………………4
2.3.2 垃圾輸送收集裝置設計…………………………………………………4
2.3.3 推動清掃機所需功率計算………………………………………………6
2.3.4 清掃機掃輥速度驗算……………………………………………………6
2.3.5 行走設計…………………………………………………………………6
2.3.6 垃圾清掃機的動力匹配…………………………………………………7
3 清掃系統的確定及設計算………………………………………………………………7
3.1 傳動方案的確定…………………………………………………………………7
3.2 設定各級傳動比和主要參數……………………………………………………8
3.2.1 傳動比確定………………………………………………………………8
3.2.2 各軸轉速確定……………………………………………………………8
3.2.3 各軸轉矩計算……………………………………………………………9
3.2.4 各軸功率計算……………………………………………………………9
3.3 主要工作零部件的設計計算……………………………………………………9
3.3.1 第一級傳動帶輪設計……………………………………………………9
3.3.2 第二級傳動帶輪設計…………………………………………………11
3.3.3 第三級傳動鏈傳動設計………………………………………………12
3.3.4 齒輪傳動（驅動輸送帶）的設計………………………………………13
4 主要受力零件的強度或壽命校核計算………………………………………………16
4.1 軸的設計計算及校核……………………………………………………………16
4.1.1 第一級從動軸設計計算及校核………………………………………16
4.1.2 第二級從動軸設計計算及校核………………………………………19
4.2 軸承的設計計算及其校核………………………………………………………23
4.2.1 第一級從動軸軸承設計計算及其校核………………………………23
4.2.2 第二級從動軸軸承設計計算及其校核………………………………23
4.2.3 第三級從動軸軸承的設計計算及其校核……………………………24
4.3 鍵的設計計算及校核……………………………………………………………25
4.3.1 第一級從動軸上聯接鍵的校核………………………………………25
4.3.2 第二級從動軸上聯接鍵的校核………………………………………25
4.3.3 第三級從動軸上聯接鍵的校核………………………………………26
4.3.4 上滾輪軸聯接鍵的校核………………………………………………26
5 結論……………………………………………………………………………………26
5.1 主要優(yōu)點…………………………………………………………………………26
5.2 主要缺點…………………………………………………………………………26
5.3 有待改進的地方…………………………………………………………………27
5.4 維護和保養(yǎng)………………………………………………………………………27
6 設計心得………………………………………………………………………………28
參考文獻……………………………………………………………………………………29
致謝…………………………………………………………………………………………30
道路清掃車清掃系統設計
摘 要：本文敘述了道路清掃機械化的現狀，以及未來的發(fā)展趨勢。該清掃機以電動機為動力源，通過帶傳動、鏈傳動以及齒輪傳動帶動清掃輥和傳送帶工作。該清掃機主要用于平坦道路的垃圾清掃，提高了清掃效率，降低了清潔工人的勞動強度。該清掃機成本低，使用性能好，壽命長，非常適合清潔工人使用。
關鍵詞：清掃機；傳動；設計計算
Abstract: The essay describes the current situation of road sweeping mechanization, and its development trendency in future. The sweeping machine use the motor as power source, use the belt transmission, chain drive, gear driven roller and conveyor belt to work. The sweeper is mainly used for the rubbish in the flat road, it also improve the cleaning efficiency and reduce the labor intensity of cleaners. The cleaning machine of low cost, good performance ,long life is remarkably fit for cleaners.
Key Words: Cleaning machine; Sweep roll; Design calculations朗讀
1 前言
1.1 垃圾清掃現狀分析
隨著經濟社會的迅速發(fā)展，城市、工廠生產、公共交通、市政建設、園林綠化、環(huán)境衛(wèi)生等行業(yè)的工作任務越來越重，人們對生活環(huán)境要求的不斷提高。然而環(huán)衛(wèi)行業(yè)設備的發(fā)展現狀與當前經濟社會發(fā)展形勢存在很大差距，道路清掃設備落后的問題較為突出。這就要求養(yǎng)護手段要不斷改進，就路面清掃而言，亟需由以往原始笨拙的低效率的人工清掃改為現代靈活高效率的機械清掃 [1]。因此，很有必要創(chuàng)造條件，實現清掃機械化，以減輕清掃工人的勞動強度，改善勞動條件，不斷提高道路清掃質量和環(huán)境衛(wèi)生水平，本課題的研究有著十分重要的現實意義。
1.2 國內外垃圾清掃機械化發(fā)展現狀
目前，我國的國產掃路車在品種規(guī)格上、使用性能上已能基本滿足國內各種需求。產品規(guī)格從2t到8t，有將近8個規(guī)格 [2]，清掃車的作業(yè)方式主要為濕式吸掃結合,動力為主、副雙發(fā)動機形式,掃刷布置形式為前置和中置兩種,吸嘴形式有中置長吸嘴、后置短吸嘴和側置小吸嘴三種形式,風機形式有通用和專用風機兩種形式。國產產品存在外形單調、功能單一、操作不方便、清掃效率低等問題。國外清掃車由于有幾十年的發(fā)展史,加之基礎零部件可靠性高,因此都有一個共同的特點,可靠性相對國內產品要高；而且早已廣泛應用了先進的電子技術，有些還應用了有線和無線遙控。
1.3 國內清掃機發(fā)展趨勢
隨著許多新興的中小城市正在崛起, 城市化規(guī)模不斷擴大, 路面清潔養(yǎng)護已經越來越重要，清掃機發(fā)展前景會越來越好。在功能多樣性方面，由單一功能向多功能方向發(fā)展；在傳動系統方面，由機械傳動向全液壓傳動的方向發(fā)展；在除塵方面，由干式除塵方式向濕式除塵方式發(fā)展[3]；在清掃方式上，由純吸式、純掃式向吸掃復合式方向發(fā)展；在重量和體積方面，由體積大、自重大的清掃機向體積小和輕便式，綜合利用價值高的方向發(fā)展 [4]。
2. 垃圾清掃機總成設計計算
2.1 設計思想
本垃圾清掃機由清掃部分，傳送部分，行走部分和箱體、箱架等結構組成，其特征在于清掃部分由橫置帶有清掃刷苗的清掃滾筒構成；清掃機將街道上的垃圾通過清掃滾筒清掃并拋擲到傳送部分中的傳送帶上，傳送帶通過齒輪變向實現與清掃機行走方向成反向旋轉，然后垃圾在傳送帶的末端由于重力的作用掉入垃圾桶中；走部分由兩個定向前輪和兩個萬向后輪實現，既方便又經濟；箱體、箱架主要由角鋼焊接而成，部分零件用螺栓連接，垃圾箱用塑料制成[5]。本設計的創(chuàng)新特點首先是利用電動機作為動力來源，清潔環(huán)保，操作方便；其次是清掃滾筒用鏈傳動，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現象，能保持準確的平均傳動比，能在潮濕和油膩的環(huán)境中工作；最后，利用臥式滾刷對路面起清掃及垃圾拋起的雙重作用。以上小小的創(chuàng)新能夠降低清潔員的勞動強度，提高工作效率的目的。
2.2 總體結構設計
總體結構分為以下幾個部分：
（1）垃圾清掃總成：有清掃滾筒、清掃刷苗、清掃滾筒鏈輪。
清掃輥通過軸承座固定在機架中間，軸承座主要通過六角螺栓固定在機架底盤上，清掃刷苗是通過定位銷來實現軸向固定。
（2）垃圾輸送收集裝置：由上料板、垃圾輸送帶、上滾輪總成、下滾輪總成、變向軸以及垃圾桶等部件組成。具有結構簡單、作業(yè)質量好、價格低廉、拆裝轉移方便、操作輕巧省力等特點。
（3）行走機構：有四個萬向輪組成,前兩個不可變向，后兩個可改變方向。
（4）操作系統：手推式扶手，控制電機開關。
（5）動力匹配：由電瓶驅動的直流電動機。
其結構圖如圖1：
圖1 垃圾清掃機主要結構圖
Fig.1 Main structure map of road sweeping machine
2.3 各主要機構參數的設計和驗算
已知條件：清掃機生產率為
2.3.1 垃圾清掃設計
清掃輪消耗功率N主要包括：克服刷苗和地面間摩擦力所需的功率，刷苗變形所消耗的功率，克服空氣阻力所需的功率,克服垃圾與上料板的摩擦阻力所需的功率，提升垃圾所消耗的功率得。
[6]
（1）主要參數
清掃輥半徑：85mm
清掃輪寬幅：600mm
尼龍刷苗與地面間摩擦系數：0.4
刷苗自由長度：120mm
尼龍刷苗直徑：3mm
刷苗變形量：25mm
工作刷苗數量：200
清掃軸鏈輪半徑：81mm
清掃輪轉速：62.5r/min
（2）由相關公式計算清掃部分所需功率 [6]
克服刷苗和面間摩擦力所需功率,
（1）
P-變形刷苗對路面上的壓力（N）；
-尼龍刷苗與地面間摩擦系數為0.4；
-刷苗圓周線速度取m/s；
V-掃路車行走速度為大于0.09m/s，取0.09m/s；
-傳動效率為0.9；
P值可根據以下公式計算；
（2）
d-尼龍刷苗半徑為；
R-滾刷半徑為0.205m；
L-刷苗自由長度為0.12m；
E-刷苗彈性模量??；
J-刷苗斷面慣性矩為；
h-刷苗變形量為0.025m；
Z-工作刷苗數量可由公式計算：
[7] （3）
其中為刷苗和路面接觸點到它的垂直位置的轉角；
（4）
-速度比值為3.5；
B-滾刷清掃寬度為0.6m；
計算得出
根據清掃機實際，以及刷苗數合理分布和安排，取Z=200;
可計算變形刷苗對路面上的壓力為
所以可得
已知滾刷轉速為n=62.5r/min，可計算
（5）
因此，刷苗變形所消耗的功率為
（6）
計算克服空氣阻力所消耗的功率為
克服垃圾與上料板的摩擦阻力所需的功率為
（7）
提升垃圾所消耗的功率太小可忽略不計。
所以清掃部分所消耗的總功率為：
2.3.2 垃圾輸送收集裝置設計
滾輪外經：150mm
滾輪轉速：100r/min
傳送帶寬幅：600mm
小齒輪分度圓直徑：50mm
大齒輪分度圓直徑：250mm
小齒輪齒數：20
大齒輪齒數：100
齒輪模數：2.5mm
齒輪計算過程在寫在后面3.3.4節(jié)。
輸送帶所需功率計算；
假定每一時刻輸送帶載有的垃圾量和皮帶重量為m=5kg，忽略傾斜的角度不計；傳送帶的線速度為
[10] （8）
輸送帶所需功率為
（9）
2.3.3 推動清掃機所需功率計算
假設最惡劣的工作環(huán)境，當整機重，阻力系數，清掃機以前進速度工作計算。則有：
[11] （10）
2.3.4 清掃機掃輥速度驗算
設定清掃輪刷苗與上料板最后接觸的位置與上料板最高點的距離為.設刷苗最遠端的線速度為v，要使質量為m的垃圾上拋到最高點，由參考文獻[19]得知必須滿足下面條件：
[12] （11）
計算
又有
所以清掃車的電機能夠保證垃圾順利地拋送到傳送帶上。
2.3.5 行走設計
清掃機行走速度：由公式 ，取，得
[13] （12）
只要清掃機在不低于0.09m/s的行走速度下運行，就能夠保證生產率的額定值。
2.3.6 垃圾清掃機的動力匹配
（1）電動機的選擇
由以上計算可知清掃機所需要的功率為
[14]
電動機類型和結構型式
電動機類型和結構型式可以根據電源的種類、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸）和載荷特點（性質、大小、啟動性能和過載情況）來選擇。在移動的設備中和蓄電池配套的較常使用的電機有直流電動機和步進電動機。
直流電動機的優(yōu)點：容易購得，型號多，功率大，接口簡單，適合大型機器。
直流電動機的缺點：太快需要齒輪減速器，電流通常較大，較難與車輪裝配，控制復雜
步進電動機的優(yōu)點：精確的速度控制，型號多，適合室內機器人的速度，接口簡單，便宜。
步進電動機的缺點: 功率與自重比小，電流通常較大，體積大，較難與車輪裝配，負載能力低，功率小，控制復雜，運動時產生震動。
清掃機多在室內環(huán)境下工作，要求控制較簡單，運行平穩(wěn)，因此選擇直流電動機[15]。
選定ZYT系列直流永磁電機為動力源（博山電機）[17]。
電機型號：110ZYT105
額定功率：
電壓：
扭矩：
轉速：
（2）電池的選擇
選定兩個12V鉛酸蓄電池為電源，重量大約15斤/個
同時布線時應該注意：根據電機的位置選擇符合規(guī)格的電線，剪取所要的電線長度，將電機聯起來，一端通過開關以后，一端接到24V電源正負極上，開關裝在扶手旁邊容易摸到的地方。
3. 操作系統的確定及主要工作部件的設計計算
3.1 傳動方案的確定
方案一
圖2 垃圾清掃機傳動方案一
Fig.2 The first transmission scheme
方案二
圖3 垃圾清掃機傳動方案二
Fig.3 The second transmission scheme
由以上兩個方案可知，根據清掃機清掃時的實際情況，選用方案二更加合理恰當。因為摩擦式帶傳動有彈性滑動，不能用于分度系統；摩擦易起電，不宜用于易燃易爆場合。軸與軸承受力較大，帶傳動壽命較短 [16]。而鏈傳動平均傳動比為常數，鏈條元件間形成的油膜有吸振能力，對惡劣環(huán)境有較強的適應能力，工作可靠，軸上載荷較小。所以選擇方案二更合理[19]。
3.2 設定各級傳動比和主要參數
3.2.1 傳動比確定
第一級傳動比
第二級傳動比
第三級傳動比
上滾輪軸齒輪傳動比
3.2.2 各軸轉速確定
第一級從動軸
第二級從動軸
第三級從動軸
上滾輪軸
3.2.3 各軸轉矩計算
第一級從動軸
第二級從動軸
第三級從動軸
上滾輪軸
3.2.4 各軸功率計算
第一級從動軸
第二級從動軸
第三級從動軸
上滾輪軸
3.3 主要工作零部件的設計計算
3.3.1 第一級傳動帶輪設計
已知電機額定功率，轉速，第一級傳動比
，設定連續(xù)工作8小時。
（1）確定計算功率
根據《機械設計》（第七版，濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社，以下所用到的相關公式及表格均出自本書） [19]表8-7查得工作情況系數，故計算
（13）
（2）選取V帶帶型
根據，由圖8-11選用Z型
（3）確定帶輪的基準直徑并驗算帶速
由查表8-6，表8-8,取小帶輪基準直徑
從動輪基準直徑
根據表8-8，圓整為315mm
驗算帶的速度
（14）
故帶速合適
(4)確定V帶的基準長度和傳動中心距
根據公式(8-20），初定中心距。
計算帶所需基準長度
（15）
由表8-2選取帶的基準長度
計算實際中心距為
（16）
（5）驗算小帶輪上的包角
（17）
小帶輪上的包角合適
（6）計算V帶的根數z
查表8-4a，表8-4b分別得到，
查表8-5，表8-2分別得到，。計算單根V帶的功率為
（18）
計算V帶根數
，取z=2
（7）計算單根V帶的初始拉力的最小值
由表8-3得Z型V帶單位長度質量，所以計算得
（19）
應使帶的實際初拉力
（8）計算軸上的壓軸力
壓軸力最小值為
（20）
3.3.2 第二級傳動帶輪設計
已知功率，轉速，第二級傳動比4，設定連續(xù)工作8小時。
（1）確定計算功率
根據《機械設計》（第七版，濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社，以下所用到的相關公式及表格均出自本書） [19]表8-7查得工作情況系數，故計算
（2）選取V帶帶型
根據，由圖8-11選用Z型
（3）確定帶輪的基準直徑并驗算帶速
查表8-6，表8-8,取小帶輪基準直徑
從動輪基準直徑
根據表8-8，圓整為315mm
驗算帶的速度
故帶速合適
(4)確定V帶的基準長度和傳動中心距
根據式（8-20），初定中心距。
計算帶所需基準長度
有表8-2選取帶的基準長度
計算實際中心距a
（5）驗算小帶輪上的包角
小帶輪上的包角合適
（6）計算V帶的根數z
查表8-4a，表8-4b分別得到，
查表8-5，表8-2分別得到，。計算單根V帶的功率為
計算V帶根數
，取z=2
（7）計算單根V帶的初始拉力的最小值
由表8-3得Z型V帶單位長度質量，所以計算得
應是帶的實際初拉力
（8）計算軸上的壓軸力
壓軸力最小值為
3.3.3 第三級傳動鏈傳動設計
（1）選擇鏈輪齒數
取小鏈輪齒數，大鏈輪的齒數
（2）確定計算功率
根據《機械設計》（第七版，濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社，以下所用到的相關公式及表格均出自本書） [19]表9-6查得，由圖9-13查得，單排鏈，則計算功率為
（21）
（3）鏈條型號與節(jié)距的選擇
查圖9-11，可選08A鏈條，查表9-1得鏈條節(jié)距為
（4）計算鏈節(jié)數和中心距
初選中心距
取，相應的鏈長節(jié)數為
（22）
取鏈節(jié)數節(jié)
查表9-7得到中心距計算系數，則鏈傳動最大中心距為
（23）
（5）計算鏈速V，確定潤滑方式
（24）
由和鏈號08A，查圖9-14可知應采用定期人工潤滑
（6）計算壓軸力
有效圓周力為
（25）
鏈輪水平布置時壓軸力系數，則壓軸力為
3.3.4 齒輪傳動（驅動輸送帶）的設計
（1）選定齒輪類型、精度等級、材料
由于輸送帶為一般工作構件，速度不高，軸向載荷不大，故選用7級精度（GB10095-88）直齒圓柱齒輪傳動
根據《機械設計》（第七版，濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社，以下所用到的相關公式及表格均出自本書） [19]表10-1選擇大小齒輪材料為45鋼（調質），硬度為217～255HBS,取硬度為240HBS
選擇小齒輪齒數,大齒輪齒數
（2）按齒面接觸強度設計
選定載荷系數
計算小齒輪傳遞的轉矩
（26）
由表10-7選取齒寬系數
由表10-6查得材料的彈性影響系數
由圖10-21d按齒面硬度查得大小齒輪的接觸疲勞強度極限為
由式10-13計算應力循環(huán)次數為
（27）
（28）
由圖10-19取接觸疲勞壽命系數
計算接觸疲勞許用應力，取失效概率為1%，安全系數為S=1，由式10-12得
（29）
計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
（30）
計算圓周速度v
（31）
計算齒寬 （32）
計算模數 （33）
計算齒高 （34）
計算齒寬與齒高之比為
計算載荷系數
由圖10-8查得動載系數，直齒輪，
由表10-2查得使用系數
由表10-4用插值法查得7級精度，小齒輪相對支承非對稱布置時，,查圖10-13得
故載荷系數為
（35）
按實際的載荷系數校正所得分度圓直徑，由式10-10a得
（36）
計算模數
（3）按齒根彎曲強度設計
由圖10-20c查得大小齒輪的彎曲疲勞強度極限為
由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數
計算彎曲疲勞許用應力，取彎曲疲勞安全系數，由式10-12得
（37）
計算載荷系數
（38）
由表10-5查得齒形系數
由表10-5查取應力校正系數
計算大小齒輪的，并加以比較
小齒輪的數值大
計算模數
（39）
綜合齒面接觸疲勞強度計算的模數與齒根彎曲疲勞強度計算的模數，根據模數系列值以及清掃機實際取
（4）幾何尺寸計算
分度圓直徑計算 （40）
中心距計算
計算齒輪寬度,根據清掃機實際取
，
4. 主要受力零件的強度或壽命校核計算；
4.1 軸的設計計算及校核
4.1.1 第一級從動軸設計計算及校核
（1）初步確定軸的最小直徑
先根據《機械設計》（第七版，濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社，以下所用到的相關公式及表格均出自本書） [19]式15-2初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理。根據表15-3，取，于是得
（41）
為了保證系統的強度與運動平穩(wěn)，取軸的最小直徑為28mm
（2）軸的結構設計
圖4 第一級從動軸的結構圖
Fig.4 The sketch map of the first level driven shaft
由圖可知A、D處安裝軸承，C處安裝齒輪，E處安裝大小帶輪。軸承安裝A、D處的直徑為30mm，B處直徑為36mm，C處直徑為30mm，E處直徑為28mm。A處長度為35mm，B處長度為596mm，C處長度為31mm，D處長度為39mm，E處長度為60mm。C處軸與齒輪的周向定位采用平鍵聯接。由《機械設計課程設計手冊》(參考文獻)查得平鍵截面（GB/T1096）,平鍵長度為25mm，周向定位采用擋圈進行定位。E處周向定位采用平鍵聯接，由手冊查的平鍵截面（GB/T1096），平鍵長度為50mm；軸向定位采用擋圈進行定位。軸上倒角圓角均為1mm。
（3）求軸上的載荷
圖5 第一級從動軸的載荷分析圖
Fig.5 The load analysis chart of the first level driven shaft
首先由軸的結構圖做出軸的計算簡圖。作為簡支梁的軸的支承跨距，，，根據軸的簡圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖。
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出L3與L4交界面是軸的危險截面?，F將計算出截面處的得值列入表
表1 第一級從動軸的載荷分析
Table1 The load analysis of the first level driven shaft
載荷 水平面 垂直面
支反力
彎矩
總彎矩
扭矩
（4）按彎扭合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩截面（及危險截面）的強度。根據式（15-5）及上表中的數值，并取a=0.3，軸的計算應力
目前已選擇軸的材料為45鋼，調制處理，由表15-1查得。因此，故安全。
（5）精確校核軸的疲勞強度
判斷危險截面
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，L3與L4段的截面處引起的應力集中最嚴重；從受載的情況來看，L1段得右截面不受扭矩作用，截面L3、L4的應力最大。
校核L3段得右截面
抗彎截面系數 （43）
抗扭截面系數 （44）
L3段右截面的彎矩M為
截面的扭矩為
截面上的彎曲應力
（45）
截面上的扭轉切應力
（46）
軸的材料為45鋼，調制處理。由表15-1查得,
截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及按照附表3-2查取。因,經插值法可查得
,
又由附圖3-1可得軸的材料的敏性系數為
,
故有效集中系數按式（附表3-4）為
（47）
（48）
由附圖3-2的尺寸系數；由附圖3-3的扭轉尺寸系數。
軸按照車加工，由附表3-4得表面質量系數為
軸未經過強化處理，即則按式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數為
（48）
（49）
又由§3-1及§3-2得碳鋼的特性系數為
于是，計算安全系數值，按式（15-6）~（15-8）則得
（50）
（51）
（52）
故可知其安全。
4.1.2 第二級從動軸設計計算及校核
（1）初步確定軸的最小直徑
先根據《機械設計》（第七版，濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社，以下所用到的相關公式及表格均出自本書） [19]式15-2初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理。根據表15-3，取，于是得
為了保證系統的強度與運動平穩(wěn)，取軸的最小直徑為28mm
（2）軸的結構設計
圖6 第二級從動軸的結構示意圖
Fig.6 The sketch map of the second level driven shaft
由圖可知A、D處安裝軸承，C處安裝鏈輪，F處安裝帶輪。軸承安裝A、D處的直徑為30mm，B處直徑為36mm，C處直徑為34mm，E，F處直徑為28mm。A處長度為35mm，B處長度為596mm，C處長度為33mm，D處長度為39mm，E處長度為25mm，F處長度為32mm，槽深2mm。C處軸與齒輪的周向定位采用平鍵聯接。由《機械設計課程設計手冊》 [18]查得平鍵截面（GB/T1096）,平鍵長度為25mm，周向定位采用擋圈進行定位。F處周向定位采用平鍵聯接，由手冊[18]查的平鍵截面（GB/T1096），平鍵長度為25mm；軸向定位采用擋圈進行定位。軸上倒角圓角均為1mm。
（3）求軸上的載荷
首先根據軸的結構圖做出軸的計算簡圖。作為簡支梁的軸的支承跨距，，，根據軸的簡圖做出軸的水平面上的彎矩圖，和垂直面上的彎矩圖和水平面上的扭矩圖，垂直面上的扭矩圖,具體情況見圖7。
圖7 第二級從動軸的載荷分析圖
Fig.7 The load analysis chart of the second level driven shaft
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出L3與L4交界面是軸的危險截面。現將計算出截面處的得值列入表2(參看圖6)。
表2 第二級從動軸的載荷分析
Table2 The load analysis of the second level driven shaft
載荷 水平面 垂直面
支反力
彎矩
總彎矩
扭矩
（4）按彎扭合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩截面（及危險截面）的強度。根據式（15-5）及上表中的數值，并取a=0.3，軸的計算應力
目前已選擇軸的材料為45鋼，調制處理，由表15-1查得。因此，故安全。
（5）精確校核軸的疲勞強度
判斷危險截面
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，L3與L4段的截面處引起的應力集中最嚴重；從受載的情況來看，L1段得右截面不受扭矩作用，截面L3、L4的應力最大。
校核L3段得右截面
抗彎截面系數
抗扭截面系數
L3段右截面的彎矩M為
截面的扭矩為
截面上的彎曲應力
截面上的扭轉切應力
軸的材料為45鋼，調制處理。由表15-1查得,
截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及按照附表3-2查取。因,經插值法可查得
,
又由附圖3-1可得軸的材料的敏性系數為
,
故有效集中系數按式（附表3-4）為
由附圖3-2的尺寸系數；由附圖3-3的扭轉尺寸系數。
軸按照車加工，由附表3-4得表面質量系數為
軸未經過強化處理，即則按式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數為
又由§3-1及§3-2得碳鋼的特性系數為
于是，計算安全系數值，按式（15-6）~（15-8）則得
故可知其安全。
4.2 軸承的設計計算及其校核
4.2.1 第一級從動軸軸承設計計算及其校核
已知清掃軸的徑向載荷和軸向載荷可以忽略不計，又帶輪的壓軸力,軸向力，軸承轉速，裝軸承處的軸徑可在28～40mm范圍內選取，運轉有輕微沖擊看， 表13-3選擇預期使用壽命[20]。根據工作條件選取深溝球軸承。
（1）求比值
（53）
根據參考文獻[20] 13-5，。
（2）初步計算當量動載荷P, 根據《機械設計》（第七版，濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社，以下所用到的相關公式及表格均出自本書）[19]式（13-8a）
按照表13-6， ，按照表13-5，
（54）
（3）根據式13-6，求軸承應有的基本額定動載荷值
（55）
按照手冊選擇的6006軸承[18]。此軸承的基本額定靜載荷，驗算如下
根據式13-5
（56）
即高于預期計算軸承壽命，故滿足要求。軸承內徑,外經。
4.2.2 第二級從動軸軸承設計計算及其校核
已知清掃軸的徑向載荷和軸向載荷可以忽略不計，又鏈輪和帶輪壓軸力,軸向力，軸承轉速，裝軸承處的軸徑可在28~40mm范圍內選取，運轉有輕微沖擊看，預期使用壽命。根據工作條件選取深溝球軸承。
（1）求比值
根據表13-5，。
（2）初步計算當量動載荷P,根據式（13-8a）
按照表13-6， ，按照表13-5，
（3）根據式13-6，求軸承應有的基本額定動載荷值
按照手冊選擇的6006軸承。此軸承的基本額定靜載荷，驗算如下
根據式13-5
即高于預期計算軸承壽命，故滿足要求。軸承內徑,外經。
4.2.3 第三級從動軸軸承的設計計算及其校核
已知清掃軸的徑向載荷和軸向載荷可以忽略不計，又鏈輪的壓軸力,軸向力，軸承轉速，裝軸承處的軸徑可在28~40mm范圍內選取，運轉有輕微沖擊看，預期使用壽命。根據工作條件選取深溝球軸承。
（1）求比值
根據表13-5，。
（2）初步計算當量動載荷P,根據式（13-8a）
按照表13-6， ，按照表13-5，
（3）根據式13-6，求軸承應有的基本額定動載荷值
按照手冊選擇的6006軸承[18]。此軸承的基本額定靜載荷，驗算如下
根據式13-5
即高于預期計算軸承壽命，故滿足要求。軸承內徑,外經。
4.3 鍵的設計計算及校核
4.3.1 第一級從動軸上聯接鍵的校核
鍵、軸的材料都是鋼，由表6-2查得許用應力為[]=100~120MPa，取其平均值為[]=110MPa[20]。
齒輪與軸聯接處得軸徑為，，，由前面軸設計可知選用A型平鍵，鍵的尺寸為，鍵長為L=25mm，鍵的工作長度為，鍵與輪轂鍵槽接觸高度，根據公式參考文獻[20]式6-1可得
<(合適) （57）
帶輪與軸聯接處得軸徑為，，，由前面軸設計可知選用A型平鍵，鍵的尺寸為，鍵長為L=50mm，鍵的工作長度為，鍵與輪轂鍵槽接觸高度，根據公式參考文獻[20]式6-1可得
<(合適)
4.3.2 第二級從動軸上聯接鍵的校核
鍵、軸的材料都是鋼，由表6-2查得許用應力為[]=100~120MPa，取其平均值為[]=110MPa[20]。
鏈輪與軸聯接處得軸徑為，，，由前面軸設計可知選用A型平鍵，鍵的尺寸為，鍵長為L=25mm，鍵的工作長度為，鍵與輪轂鍵槽接觸高度，根據式6-1可得
<(合適)
帶輪與軸聯接處得軸徑為，，，由前面軸設計可知選用A型平鍵，鍵的尺寸為，鍵長為L=25mm，鍵的工作長度為，鍵與輪轂鍵槽接觸高度，根據式6-1可得
<(合適)
4.3.3 第三級從動軸上聯接鍵的校核
鍵、軸的材料都是鋼，由表6-2查得許用應力為[]=100~120MPa，取其平均值為[]=110MPa[20]。
鏈輪與軸聯接處得軸徑為，，，由前面軸設計可知選用A型平鍵，鍵的尺寸為，鍵長為L=25mm，鍵的工作長度為，鍵與輪轂鍵槽接觸高度，根據式6-1可得
<(合適)
4.3.4 上滾輪軸聯接鍵的校核
鍵、軸的材料都是鋼，由表6-2查得許用應力為[]=100~120MPa，取其平均值為[]=110MPa[20]。
齒輪與軸聯接處得軸徑為，，，由前面軸設計可知選用A型平鍵，鍵的尺寸為，鍵長為L=25mm，鍵的工作長度為，鍵與輪轂鍵槽接觸高度，根據公式參考文獻[20]表6-1可得
<(合適)
5 結論
5.1 主要優(yōu)點
（1）本清掃機清掃能力強、效率高，能夠對灰塵、樹葉、紙屑等日常垃圾進行有效地清掃。
（2）本清掃機以電能作為動力能源，環(huán)保，綠色無污染。
（3）本清掃機結構簡單、輕便，操作靈活方便，保養(yǎng)、維修及常見故障排除簡易。
（4）本清掃機清掃輥由鏈輪驅動，所以在下雨天清掃效果不會受到較大影響。
5.2 主要缺點
（1）本清掃機以人力推動前進，這就要求輪子與地面之間存在一定大小的摩擦系數、地面相對比較平坦，所以這種清掃機適應范圍不是很廣，主要適用于一般平坦道路的清掃[21]。
（2）本清掃機需要操作人員具備較好的身體素質。
5.3 有待改進的地方
（1）機械零部件的布置還可以緊湊一些，尺寸可以縮小一些，減少機器本身的重量，降低機器對操作人員的要求。機架連接處可以采用弧形連接，避免方塊尖銳棱角。
（2）清掃機的功能可以設計得較為豐富一點，機器前進可以設計由電動機驅動。當電瓶沒電時，可以設計由人力推動清掃等。
（3）在機架空間空余較大的地方可設計一個工具箱用來放置一些常用清掃工具，以便在清掃機不能有效清掃的情況下使用備用清掃工具進行清掃。
（4）在一些比較清潔的路段，不能有效的控制清掃機使輪子和傳送裝置停止運動[22]。
5.4 維護和保養(yǎng)
（1）要不定期的檢查刷毛的磨損情況，及時調節(jié)刷毛與地面的接觸長度，保證清掃干凈、徹底；
（2）要對鏈條和齒輪定期進行人工潤滑和檢查，防止鏈條和齒輪的磨損失效。
6 設計心得
通過本次畢業(yè)設計使我充分認識到畢業(yè)設計其實就是綜合運用機械設計課程和其它專業(yè)基礎課程的知識，分析和解決機械設計問題，進一步鞏固、加深和拓寬所學知識的過程。通過設計實踐，使我逐步樹立了正確的設計思想，增強了創(chuàng)新意識和競爭意識，熟悉掌握了機械設計的一般規(guī)律，培養(yǎng)了我分析和解決問題的能力。通過設計計算、繪圖以及運用技術標準、規(guī)范、設計手冊等有關資料，使我進行了全面的機械設計基本技能的訓練。另外通過本次設計使我熟悉了機械設計的一般進程為：設計準備、傳動裝置總體設計、傳動零件設計計算、裝配圖設計、零件工作圖設計、編寫設計說明書。如果隨意打亂這些過程，則在設計過程中肯定會多走彎路。我在獨立完成設計的同時，要時刻跟指導老師溝通和請教，要掌握設計進度，認真進行設計。每個階段完成后要認真檢查，有錯誤要認真修改，精益求精。畢業(yè)設計的各個階段是相互聯系的。設計時，零部件的結構尺寸不是完全由計算確定的，還要考慮結構、工藝性、經濟型以及標準化、系列化要求。由于影響零部件尺寸的因素很多，隨著設計的進展，考慮的問題要更全面和合理，故后階段設計要對前階段設計中的不合理結構尺寸進行必要的修改。所以，設計要邊計算邊修改、邊繪圖，反復修改，設計計算和繪圖交替進行。在畢業(yè)設計中應熟悉和正確采用各種有關技術標準與規(guī)格，盡量采用標準件，并應注意一些尺寸需圓整為標準尺寸。同時設計中應減少材料的品種和標準件的規(guī)格。另外，通過本次設計，我更加進一步熟悉了機械繪圖軟件的運用，使我整個設計過程大大簡化了，設計速度也得到了很大的提高。
相信通過本次畢業(yè)設計，我們全體畢業(yè)生都能得到一個很大的提高，鍛煉了我們將來在社會工作中解決問題的能力。
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致 謝
本文從擬定題目到定稿，歷時數月。設計過程中遇到的許多問題，在指導老師和同學的幫助下得到很好的解決。
在本設計完成之際，首先要向我的指導老師XXX教授致以最誠摯的感謝。在論文的寫作過程中，全老師給了我許許多多的幫助和指導。在全老師的悉心指導下，我不僅對以前所學的知識更熟練更扎實，而且更加開闊了視野，更深入，也在怎樣處人處事上受益匪淺；同時全老師對工作的熱情、一絲不茍、實事求是的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，是我以后參加工作學習的榜樣。
在此謹向全老師表示衷心的感謝和深深的敬意。同時，我要感謝資料室的老師，為我畢業(yè)設計提供了必要的資料查詢和幫助；還要感謝學校給我提供了良好的學習環(huán)境和豐富的學習資源，感謝大學期間所有為我授課的各位老師，是他們的傳道、授業(yè)、解惑，讓我學到了知識，培養(yǎng)了能力。也感謝我的同班同學，感謝他們的幫助和支持。
最后向我的家人和朋友表示深深的謝意。
機電一體化技術及其應用研究
1 機電一體化技術發(fā)展
機電一體化是機械、微、控制、機、信息處理等多學科的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關技術的進步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數字化、智能化、模塊化、化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。
1.1 數字化
微控制器及其發(fā)展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發(fā)展的數控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。
1.2 智能化
即要求機電產品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O接口和智能工藝數據庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經網絡、灰色、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。
1.3 模塊化
由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產品開發(fā)設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產品。
1.4 網絡化
由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發(fā)展。
1.5 人性化
機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。
1.6 微型化
微型化是精細加工技術發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理方面取得了很大進展，開發(fā)出各種MEMS器件和系統，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。
1.7 集成化
集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優(yōu)化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，并使各部分協調而又安全地運轉，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。
1.8 帶源化
是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發(fā)展方向之一。
1.9 綠色化
技術的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環(huán)境，回歸，實現可持續(xù)發(fā)展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產品壽命結
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