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摘 要
我國北方地區(qū)年降雪量比較大，并且周期長，導致高速公路及鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路積雪量過大，導致交通事故屢見不鮮，同時，在很大程度上給人們帶來了不便。除此之外，在生活領域中也造成了很大的困擾。在我國對大型鏟雪車的研究日趨成熟，但是大型鏟雪車也有許多不便，諸如大型鏟雪車對于邊角的積雪的處理不是很好，同時也不能很好的鏟除已結冰的積雪，因此研究設計手推式鏟雪車具有很好的實用價值。
本文先通過研究積雪的物理性質(zhì)，分析其機械性能和分析對比國內(nèi)外對于鏟雪車的研究現(xiàn)狀，設計出以汽油機帶動，蛟龍機構破冰除雪的機構，很好的實現(xiàn)了破冰和初雪這兩大問題。
本文的主要內(nèi)容是對手推式鏟雪車進行結構設計和運動分析，其結構設計和運動分析是通過UG和SolidWorks三維繪圖軟件及AUTOCAD二維繪圖軟件結合設計的。同時，本次設計的材料將為國內(nèi)生產(chǎn)此類鏟雪車提供必要的技術支持。
關鍵詞：鏟雪；手推式；結構設計；
Abstract
In northern China ,the annual snowfall is relatively large, and the period is very long, resulting in excessive snow on the expressway and township roads, leading to traffic acdients, at the same time, it brings great inconvenience to people. In our country, the large snow blower’s technology has achieved higher result. But it also have many drawback. For example, it can’t cleaning completely in the corner. In addition, it also prove the function about break the ice and so on. So, the research on the design of hand push type plow has practical value.
In this paper. Through the research on mechanical properties of snow, comparative analysis of domestic and foreign research status for the snowplow. This design is provided by the gasoline engine and this project use the curved hit the ice. Therefore, clear goals and the best results is cleaning snow is achieved.
This paper analyzes the structure design and motion of the plow, the structure design and the movement through the drawing software UG and Solidworks 3D graphics software and AUTOCAD combined with two-dimensional design, and this design will provide the necessary reference for the domestic production of such a plow.
Key words：Hit the ice; Hand-push; Structure design;
III
目錄
Abstract II
目錄 I
1 緒論 1
1.1 選題意義 1
1.2 國內(nèi)外鏟雪車的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 除雪工具的分類 5
1.4 設計的任務 5
2 路面積雪特性的研究 6
3 小型手推式鏟雪車設計方案 8
3.1 總體方案及其比較 8
3.2 小型手推式鏟雪車的工作原理 8
3.3 小型手推式鏟雪車基本結構的確定 10
4 小型鏟雪車的設計計算和校核 12
4.1 鏈傳動的計算 12
4.2 傳動軸的結構設計和校核 16
4.3 蝸輪蝸桿減速裝置設計 20
4.4 攪龍軸的設計 25
4.5 攪龍葉片的設計 26
4.6 拋雪葉輪簡述 27
4.7 二維CAD裝配圖 27
5 小型手推式鏟雪車的三維造型 29
5.1 主要部件的裝配圖 29
5.2 小型手推式鏟雪車的總體造型 31
6 環(huán)保評估 32
結論 33
參考文獻 34
附錄A 外文翻譯 35
附錄B 英文原文 48
致謝 62
1 緒論
1.1 選題意義
我國北方的許多地方，一般有3~5月的降雪期，在此期間，積雪和冰經(jīng)常會造成很嚴重的事故，尤其在一些比較特殊的路段，路面上的積雪和積冰的影響甚為嚴重，經(jīng)常會引發(fā)許多的交通事故。因此，設計制造一種新型的鏟雪機械很是必要。
國內(nèi)一些研究所和道路養(yǎng)護部門在這方面也做過一些工作 ,如吉林交通科學研究所曾成功研制SY -20型撒鹽機，使用效果良好。但使用融解法除雪，除所需費用較高外,還容易對環(huán)境造成污染，故這種方法的使用范圍受到了一定限制[1]。
機械法的主要原理是通過機械對冰雪的直接作用導致其分解來解決冰雪的危害,這種方法是人類最原始的一種除雪方法 ,同時也是迄今為止使用最廣的除雪方法之一。當下，對于改造和研制性能比原始機械優(yōu)越的鏟雪設備已成為各降雪周期長的國家的一個重要議題。
目前，在我國，較窄的路面和日常生活中所用的除雪方式主要是人力通過傳統(tǒng)工具，如鐵鍬、掃帚來進行的，此種方法效率低下，很浪費時間。所以，這次的畢業(yè)設計主要是設計針對較窄的路面和日常生活所需要的鏟雪設備，以便提高較窄路面的清掃效率，以便有效降低交通事故的發(fā)生概率，同時，也為人們的生活提供諸多便利，除此之外，也能為鏟雪的環(huán)衛(wèi)部門減輕一定的壓力。
1.2 國內(nèi)外鏟雪車的發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國外鏟雪車的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，俄羅斯、日本是生產(chǎn)旋切式除雪機的主要國家，且技術較成熟，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也是出于世界領先水平行列。日本生產(chǎn)的高速行走旋切式除雪機，作業(yè)速度為70KM/h，該除雪機采用四輪驅(qū)動方式，利用盤式制動，全長為7 790 mm,機寬2 490 mm,最大除雪寬度2 490mm,發(fā)動機功率220 kW ,最大除雪速度70 km /h,最大除雪量3000t/h，其性能均優(yōu)于同型機械。而俄羅斯現(xiàn)在的3Д403 型清雪車（如圖3）居于世界領先地位，其功能多樣化，具有除雪、清除垃圾、沙石等多種功能，能夠廣應用[2]。
3Д403 型清雪車具有以下特點：
1)機動性強, 適應范圍大。該清雪車可對機場、高速公路、城市公路及人行道進行清雪及拋撒物料。行駛速度一般為50～60 km/ h,作業(yè)速度為25～30 km/h,拋撒寬度為4.0～10.6 m。
2)工作效率高, 特別適用于平坦的高速公路、寬廣的機場新雪的清除,更顯出其高效的優(yōu)越性。
3)結構簡單, 制造方便, 成本低
此外，還有德國施密特（SCHMIDT）、瑞士波雄（BOSCHUNG）、美國豪士卡（OSHKOSH）和雪挪拉（Snoway）以及丹麥依波克（Epoke）等廠商制作的多功能鏟雪車均處于世界領先地位[3]。上述廠商都擁有完整的產(chǎn)品體系，因發(fā)展過程、市場及研發(fā)重點的不同，各廠商的除雪機械產(chǎn)品又各有優(yōu)勢和特色。
1. 犁裝置 2. 底盤 3. 電氣裝置4. 液壓系統(tǒng) 5. 刷子裝置 6. 撒砂裝置
圖1.1 3Д403 型清雪車構造
當今，國外發(fā)展趨勢主要有以下幾方面[4]：
(1) 綜合的除排雪系統(tǒng)
要將除雪與排雪結合起來,除下的積雪堆在路側會占道并影響視野。所以一方面要在道路結構上充分確保堆雪帶的空間;另一方面要有效地利用(排)雪溝。此外建立道路立體交叉特殊部的除排雪系統(tǒng)也是很必要的。
(2) 安全性
在對于人行道除雪這樣的作業(yè)時,行人的安全至關重要,因此除雪機械的安全性非常重要。
(3) 信息化
只有根據(jù)氣象及路面狀況,才能靈活高效地使用除雪機械,確保24小時除雪體制。因此,有必要建立一個能將氣象信息、道路管理者、鏟雪車有機結合的信息網(wǎng)絡化的冬季道路管理保障體系。為了便于行車,該網(wǎng)絡還能為一般道路使用者提供除雪狀況和氣象信息。
1.2.2 國內(nèi)除雪機的發(fā)展現(xiàn)狀
我國鏟雪機械發(fā)展較晚,在80年代以后，改革開放的不斷發(fā)展下，道路的改造和新建，一些研究單位也開始研制相關的鏟雪車。隨著這幾年我國的一系列經(jīng)濟政策，我國在除雪機的發(fā)展上已經(jīng)卓有成效?，F(xiàn)在主要制造的企業(yè)主要有中聯(lián)重科，吉林公路機械，恒潤高科，沈陽山河，常林股份等。其代表的機器主要有中聯(lián)重科（ZLJ5250TCXZE3/ZLJ5251 TCXZE4）多功能鏟雪車（如圖1）、沈陽山河PX2000旋轉(zhuǎn)拋雪式除雪機、常林股份956除雪機（如圖2）、恒潤高科HHR5160TCX3EQ除雪撒布車[4]。
圖1.2.1 中聯(lián)重科 圖1.2.2 常林股份956
中聯(lián)重科ZLJ5250TCXZE3/ZLJ5251 TCXZE4多功能鏟雪車是一款集推雪、高速掃雪、固體撒布、預濕撒布、刮冰等多種功能于一體的綜合鏟雪車。 該車功率大、效率高， 在2011年初湖南和貴州等地山區(qū)公路抗擊冰雪災害的工作中發(fā)揮了巨大作用[4]。
沈陽山河PX2000旋轉(zhuǎn)拋雪式除雪機是為擁有各種裝載機的用戶研制的，主要用于清除自然積雪、路邊堆積雪以及積雪的裝車作業(yè)，該機采用獨立動力系統(tǒng)，采用電氣控制，安裝簡單、操縱方便，可以安裝在裝載機、拖拉機、拖車等車輛的底盤上[4]。
常林股份956除雪機的鏟刃板采用高炭耐磨合金鋼，經(jīng)過中頻淬火處理， 具有超強的耐磨特性；推雪板工作裝置可左右偏轉(zhuǎn)±35° ，可越過最小50mm高的障礙物（自動越障），輕松實現(xiàn)堆雪作業(yè)，具有操作簡單、機構可靠的特點[4]。
恒潤高科HHR5160TCX3EQ除雪撒布車是專門針對交通、高速公路、市政、環(huán)衛(wèi)等部門相關作業(yè)的需求而研發(fā)設計的，主要用于清除路面冰雪，保障車輛、 飛機和行人安全，能夠迅速有效地清除道路上的積雪和冰，可以布置在各類載貨底盤和自卸車底盤上，規(guī)格齊全、融雪撒布方便、可靠精確，操作簡單、 靈活、高效；裝拆便捷，無需清雪作業(yè)時可以便捷地拆掉專用裝置而從事運輸作業(yè)；清除作業(yè)范圍廣、效率高、效果好[4]。
但是與國外發(fā)達國家相比，除雪機械仍存在著一些不足[5]：
作業(yè)速度低
目前國外犁式除雪機最大除雪速度可 50 km /h,旋切式除雪機最大速度達 70 km /h。吉林省交通科學研究所研制的 CBX-1600型除雪機，是國內(nèi)技術水平較高的除雪機械，但其最大除雪速度僅為2.15km/h,與國外同級別的除雪機械相比，作業(yè)速度較低。
整機利用率低，成本高
盡管中國的北方地區(qū)冬季降雪期可達 3～ 5個月 ,但據(jù)統(tǒng)計冬季降雪次數(shù)并不太多 ,最多也只是十幾次而已 ,如果除雪機功能單一 ,只能用來除雪 ,那么機器一年里大部分時間處于閑置狀態(tài) ,這就大大提高了除雪作業(yè)的成本 ,增加了公路養(yǎng)護部門的負擔。
避讓功能不理想
在除雪過程中 ,常常因遇路障而使主機或者除雪裝置損壞 ,國內(nèi)已有的犁式除雪機械 ,大部分回避路障的能力較差。吉林省交通科學研究所與磐石縣公路管理段聯(lián)合開發(fā)的 CL-2.4型公路除雪器 ,安裝了避讓裝置和防止過度避讓鎖鏈 ,可以保證在除雪作業(yè)過程中避讓路障 ,防止主機或除雪器的損壞 ,還可同時防止過度避讓鎖鏈 ,因過度避讓使避讓回位彈簧損壞。
對路面保護能力差。
當路面凹凸不平時，除雪機作業(yè)時會對路面造成破壞，雖然除雪機對路面的損壞程度目前還沒有一個衡量標準，但國內(nèi)的除雪機械在路面仿形能力、對路面保護等方面，與國外相比還存在一定差距。
現(xiàn)在我國除雪機械總的發(fā)展方向是[16]：
加強雪的力學性質(zhì)研究，建立道路氣象系統(tǒng)
為設計出更好的除雪機，需要對雪的力學性質(zhì)做一個全面的分析，同時也應該建立道路氣象信息系統(tǒng)，對道路氣象系統(tǒng)做出更好的預測和判斷，以便靈活的、高效的使用除雪機械。
向小型化、高速度的方向發(fā)展
在除雪作業(yè)中，除雪機機身的大小及除雪速度是影響交通的兩個重要因素，機身過大，除雪機占道影響交通；速度過低，影響車流通暢，同時狹窄路面的除雪也要求機身體積不宜過大。為了不妨礙交通，今后中國的除雪機械要向小型化、高速度的方向發(fā)展。
向多功能、機 - 電 -液一體化的方向發(fā)展
為了提高機器的使用率 ,除雪機械應向一機多用的方向發(fā)展。中國的除雪機械應該向兼用型的方向發(fā)展 ,可在冬季降雪時進行除雪作業(yè) ,其余時間可進行灑水、清掃等多種路面養(yǎng)護作業(yè)及其它作業(yè)。除雪機械應盡量采用機 - 電 -液新技術 ,實現(xiàn)自動控制 ,提高除雪機械的科技含量。
要注意提高安全性、舒適性
部分除雪設備的駕駛室內(nèi)沒有增溫系統(tǒng)，駕駛員在工作狀態(tài)時處于寒冷的狀態(tài)，而且有些除雪設備在使用過程中需要不斷的調(diào)試，可靠性不高。因此，提高除雪機械的自動化功能，加強除雪設備的安全性是今后發(fā)展的趨勢。
打破專利封鎖，加強技術合作
集中人力、物力優(yōu)勢 ,聯(lián)合開發(fā)除雪機械 ,盡早研制出高速度、高性能的除雪設備 ,減少人力除雪 ,實現(xiàn)除雪自動化。這樣既可以大大降低勞動強度 ,把人們從惡劣勞動環(huán)境中解脫出來 ,又可以提高國內(nèi)城市建設機械化水平。
1.3 除雪工具的分類
目前，各國采用的除雪的基本方法主要有兩種，分別是機械法和化學法。其中機械法是直接利用機械設備來除雪，它有兩種形式，一種是除雪機，一種是除冰機
就鏟雪車的工作原理來說，可將鏟雪車分為推移式鏟雪車、拋雪式鏟雪車和吹雪式鏟雪車；就工作方法的不同，也可將鏟雪車分為拋雪式鏟雪車和傳送式鏟雪車；
1.4 設計的任務
本次設計主要是設計一臺手推式鏟雪車，其工作原理是鏟雪車在工人的推動下，由發(fā)動機提供動力，將路面上的雪收集到儲雪桶中，再有螺旋拋雪葉輪將其拋向道路兩側，完成鏟雪任務。這次設計的要求主要有以下四點：
(1) 查閱相關資料，完成對積雪的機械性能的認知；
(2) 查閱相關的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，設計并確定可行的方案；
(3) 詳細設計各個工作機構，并確定其相關尺寸及圖紙；
（4）繪制鏟雪車的零件圖和裝配圖，編寫設計說明書；
74
2 路面積雪特性的研究
只有充分的掌握積雪的物理性質(zhì)和機械性質(zhì)才能更好的設計該設備，這些性質(zhì)主要有：機械設備在除雪過程所受阻力、所用功率等。其物理性質(zhì)主要包含、、。
2.1.1 積雪的密度
在鏟雪車的設計過程中和使用工程中，雪的密度有至關重要的影響，其變化幅度為：0.019~0.89g/cm3。在眾多學者的研究下得出結論：
(1) 降雪時間變長，雪的密度將變得越大，其兩者關系如下表2.1所示；
表2.1 學的密度與時間的關系表
(2)隨降落過程的時間延長而增大的，同上表2.1所示；
(3)隨降落時環(huán)境溫度的不同而不同，其關系如下表2.2所示；
降雪時的氣溫／ o C
新降下的雪的密度／g．cm-3
最小值
最大值
平均值
表2.2 雪的密度與環(huán)境溫度的關系
2.1.2 積雪的硬度
積雪的硬度也是抗壓強度，其表示方法是在單位面積上的阻力大小。其抗壓強度有如下特征：
(1) 與雪的密度呈正比。
(2) 與溫度呈反比。
2.1.3 積雪的摩擦系數(shù)
本設備在鏟雪工作中所受的摩擦系數(shù)主要有內(nèi)摩擦系數(shù)、外摩擦系數(shù)、輪胎的附著系數(shù)。在本次設計中主要考慮輪胎與冰雪路面的附著系數(shù)。
3 小型手推式鏟雪車設計方案
3.1 總體方案及其比較
方案一:利用類似于吹雪式鏟雪車的原理，即使用高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片將積雪吹像路的兩邊，但只適用于剛下的雪，對踩實的雪不能有效的清理，且生產(chǎn)成本較高。
方案二:利用推土機的前部的鏟子將雪推向一邊，但這種方法對于窄路不適用，且對路面有一定的損傷，違背設計初衷。
方案三:采用新型機械設備除雪。其除雪設備鏟雪步驟如下：
第一步，利用特定設備將踩實的積雪變得松弛；第二步，松弛的雪被螺旋機構輸送到儲雪桶中；第三步，將雪拋向路的側邊。此種方案，可以對松弛的雪或踩實的雪做到很好的鏟雪效果。而且也能適用于較窄路面，符合設計初衷。
綜上，選用第三種方案。
3.2 小型手推式鏟雪車的工作原理
3.2.1 基本結構
小型手推式鏟雪車主要包括六大主體結構，中心主體結構是傳動結構和集雪結構。其他結構有原動機、拋雪裝置、操作裝置、行走裝置；其中原動機采用的是汽油機；螺旋狀的攪龍葉片是集雪裝置的主要結構；拋雪裝置主要是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的葉輪將雪拋出；行走裝置為人工手推式；操作裝置主要指扶手。
3.2.2 工作原理
工作原理如圖3.1所示，為：在人工的推動下車體向前進，鏟雪機構主要由原動機提供動力，經(jīng)過鏈傳動或帶傳動將其動力輸送給傳動軸，通過傳動軸帶動各個工作機構的工作，最后將其輸送到攪龍軸上，帶動蛟龍葉片的運轉(zhuǎn)，完成鏟雪的任務。其動力傳遞過程為：發(fā)動機→傳動軸→渦輪蝸桿減速器→驅(qū)動軸→攪龍。
圖3.1 小型機械鏟雪車的結構示意圖
1. 攪龍 2. 清雪鏟3. 拋雪筒 4. 傳動系統(tǒng) 5. 發(fā)動機
6. 操作裝置 7. 車輪 8. 車架9. 拋雪輪
圖3.2 鏟雪車結構圖
3.3 小型手推式鏟雪車基本結構的確定
3.3.1 原動機的選擇
因為鏟雪車主要在較窄路面工作，所以宜選用體積較為小的汽油機作為動力輸入。
本次設計的參數(shù)為：單位時間掃雪量，積雪密度和厚度分別是 、，因此單位時間的掃雪量為： kg (3.1)
本裝置的設計要求為揚程，排雪的初始速度為，則計算得在排雪工作過程：
(3.2)
集雪裝置為攪龍葉片，在運行過程中將受到雪的阻力，用表示，則為，，故集雪過程中攪龍所消耗的功率為：
(3.3)
鏟雪車工作時的自重，路面摩擦系數(shù)，移動速度，故移動時消耗功率為： (3.4)
由上算得鏟雪車消耗的總功率為：
(3.5)
通過上述設計，且按照設計要求需清理踩實的積雪，故所需的汽油機：
3.3.2 傳動方式的選擇
鏟雪車的動力由汽油機提供，經(jīng)由鏈或帶傳動將動力輸出給傳動軸，但由于鏟雪車在工作時處于潮濕環(huán)境，如果選用帶傳動將會出現(xiàn)彈性打滑和整體打滑，所以選用鏈傳動較為合理。再把傳動軸與渦輪蝸桿減速器相連接，將動力傳達到渦輪蝸桿減速器上，緊接著傳達到攪龍軸上。
3.3.3 集雪裝置的設計
因積雪是從集雪桶的中心經(jīng)由彎管排向道路的側邊，故需先設計攪龍葉片將雪匯集到儲雪桶中部，所以將轉(zhuǎn)子設計成由聯(lián)軸器鏈接的兩個旋向相反的螺旋軸。其中攪龍機構將設計為帶狀螺旋葉片，這樣設計的好處在于有效的緩解儲雪桶的壓力，減輕發(fā)生堵塞的情況。攪龍軸和葉片的示意圖如下所示：
3.3 攪龍軸和攪龍葉片的基本結構
上述集雪裝置有很好的破、集、拋這三大功用。其中，攪龍機構的旋向設計為左邊，，這樣將有效的將兩邊的積雪運送到中心，然后將雪拋出。
4 小型鏟雪車的設計計算和校核
4.1 鏈傳動的計算
4.1.1 傳動鏈的設計步驟
鏈傳動叫帶傳動來說有很明顯的優(yōu)勢，即它受到的壓軸力較小，過載能力較強，無彈性打滑及整體打滑，具有良好的傳動效率，對于封閉鏈傳動一般在，適應極端的環(huán)境等。參照本次設計機構所處的環(huán)境選擇鏈傳動較為合適。現(xiàn)對鏈傳動進行設計，如下：
1、選擇鏈輪的齒數(shù) 和確定傳動比i
根據(jù)《機械設計》所學，當小鏈輪齒數(shù)少，可減小外廓的尺寸，但齒數(shù)過少，會增加運動的不均勻性和動載荷；鏈條在進入和退出嚙合時，鏈節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角會增大；鏈傳動的圓周力增大，從整體上加速鉸鏈和鏈輪的磨損[5]。故鏈輪的齒數(shù)不應該過少，一般選取大于。同時，若其承受較大的沖擊載荷且處于高速傳動中，則應將齒數(shù)選擇大于，初次之外，還應對鏈輪輪齒進行淬硬處理。但也不能選擇過大的齒數(shù)，一般要選擇小于114一下的系列。
對于傳動比的選擇，應保證，若，鏈條與鏈輪之間的嚙合數(shù)將減少，使得嚙合輪齒加速磨損，同時也會發(fā)生跳齒、脫鏈。
綜上所述，現(xiàn)選擇,則大鏈輪齒數(shù)為：
(4.1)
符合設計要求
2、計算當量的單排鏈的計算功率
因為鏈傳動屬于平穩(wěn)運轉(zhuǎn)且屬于中等沖擊，由《機械設計》知，由表9-13知，，則計算功率為：
(4.2)
式中：——工況系數(shù)；
——主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)；
——多排鏈系數(shù)；
P——傳遞的功率，。
3、確定鏈條的型號和節(jié)距p
結合上述計算綜上查得
4、 計算鏈的節(jié)數(shù)和中心距 ：
初選中心距：
=35p (一般選取應在（30—50)p之間) (4.3)
則鏈節(jié)數(shù)Lp0為：
(4.4)
為防止使用過渡鏈節(jié)，先將其圓整為LP0=100
故最大中心距為： (4.5)
得：㎜
其中，由《機械設計》表9-7查得f1=0.24974。但考慮到實際尺寸，選取鏈節(jié)數(shù)為L p =94節(jié)。則中心距為：
=233.38mm (4.6) 得 ≈234㎜
考慮，，。
5、計算鏈速v,并確定其潤滑方式
鏈的平均速度為：
(4.7)
由《機械設計手冊》知v<12~15m/s，所以符合設計要求
由上述所選參數(shù)及查得《機械設計》圖9-14和結合實際設計情況現(xiàn)采用定期人工潤滑的潤滑方式。
6、計算壓軸力Fp
有效圓周力為 N (4.8)
鏈輪選擇，其查表知
則壓軸力為：
N （4.9）
其中：：有效圓周力；
：壓軸力系數(shù)；
4.1.2 鏈輪基本數(shù)據(jù)計算
由上述設計并結合《機械設計手冊》查得滾子鏈的重要參數(shù)如下表：
1、小鏈輪的主要尺寸
分度圓的直徑為：
（4.10）
齒頂圓直徑分別為：
（4.11）
（4.12）
齒根圓的直徑為df1為：
（4.13）
材料選取：15，對其進行滲碳、淬火、回火，使。
2、大鏈輪的主要尺寸
分度圓的直徑為：
（4.14）
齒頂圓直徑分別為：
（4.15）
（4.16）
齒根圓的直徑為df2為：
（4.17）
材料選取：。
4.1.3 鏈輪基本運動的分析
本次設計中采用SolidWorks motion做運動分析，主要分析大鏈輪和小鏈輪之間的運動，具體數(shù)據(jù)展現(xiàn)在角位移圖中，有角位移圖知從動鏈輪是隨著主動鏈輪的線性運動。
大鏈輪與小鏈輪之間的角位移曲線如下：
圖6.1 大鏈輪與小鏈輪之間的數(shù)據(jù)分析
圖6.2 大鏈輪與小鏈輪之間的角位移圖
4.2 傳動軸的結構設計和校核
地位，它的存在為其他作回轉(zhuǎn)運動零件提供了支撐位置。除此之外，它還可以傳動運動和動力。
本次設計中軸是主要的傳動部件，汽油機的動力是通過鏈傳動傳動到傳動軸上的，以此帶動傳動軸上其他零件的運轉(zhuǎn)，并將動力傳動到攪龍軸上。
本次設計主要包括外形結構設計和工作能力計算。
現(xiàn)設計過程如下：
由上設計知，汽油機軸的轉(zhuǎn)速為2500r/min
其輸入功率P1=P=2.2kW （4.18）
轉(zhuǎn)矩： （4.19） 材料選擇：由《機械設計》表15-1查得選用45，對其進行正火、回火熱處理。
4.2.1 軸的結構設計
1、求輸出軸上的功率，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
由前述原動機的設計知，選用，則：
（4.20）
又知： （4.21） 所以 （4.22）
2、求作用在鏈輪上的力：
由于鏈輪分度圓直徑，則圓周力為：
（4.23）
3、初步確定出軸的最小直徑
由《機械設計》表15-3知，現(xiàn)取=112，則 （4.24）
圓整后取軸直徑=12mm。
4、根據(jù)軸向的定位要求以確定各段直徑及長度
各軸段的直徑和長度見下圖4.1
圖4.1軸的各段直徑和長度
5、軸承的選擇
根據(jù)《機械設計手冊》，選擇，對于和軸承選擇。
4.2.2 軸的校核
傳動軸的，故對其校核。由之前設計知，從動鏈的效率，轉(zhuǎn)速為。
1、求軸上的功率p和轉(zhuǎn)矩T
由前述計算得，
2、求作用在軸端的力
已得軸端分度圓直徑為d=30mm 故： 圓周力 ==1.082kN （4.25）
徑向力Fr=f=1082.2×= 3.9449kN （4.26）
軸向力F=ftan=1082.2×tan3.18=0.0601kN （4.27）
且L =50mm，L=75mm；
3、求軸上的載荷
由《機械設計》知：
（4.28）
（4.29）
（4.30） （4.31） 又知：
（4.32）
由上述計算可知，危險截面在軸端，故需對其進行校核計算，如下：
載荷
水平面（H）
垂直面（V）
F
F
表4.1 M，M，M的值
4、使用彎矩應力校核軸的強度
取=0.6，軸上的應力計算
===14.8034Mpa （4.33）
查《機械設計手冊》，選取45號鋼作為軸的材料，正火、回火處理，同時查的，由上知 ＜，故合格。
4.3 蝸輪蝸桿減速裝置設計
在前述設計中選用的動力輸出是汽油機，所以通過減速器降低轉(zhuǎn)速，以便配合攪龍軸的運轉(zhuǎn)，且攪龍軸和傳動軸的安放方式為相互垂直，故綜合選取渦輪蝸桿減速器。
4.3.1 選擇材料
本次設計中，蝸桿傳動的功率較小且速度一般，由《機械設計手冊》查得蝸桿應采用45鋼制造；并對齒面進行淬火處理。選取作為渦輪的材料。
4.3.2 按齒面接觸疲勞強度計算
由《機械設計》知，蝸桿副一般會發(fā)生齒面膠合或點蝕，并對蝸輪副齒根進行彎曲疲勞強度校核[5]。
1、確定作用在渦輪上轉(zhuǎn)矩
（4.34）
2、確定載荷系數(shù)K
已知載荷分數(shù)（因為工作載荷較穩(wěn)定），由《機械設計》查得， 。
所以
3、確定彈性系數(shù)：
對于輪和鋼蝸桿相配對時，取
4、 確定接觸系數(shù)
由《機械設計》圖11-18知
5、確定許用接觸應力
由《機械設計手冊》知許用應力。設蝸輪蝸桿的壽命=120000 h，則：
應力循環(huán)次數(shù) （4.35）
壽命系數(shù) （4.44）
則 （4.36）
其接觸強度安全系數(shù)
6、初步確定中心距、模數(shù)及倒程角
由前述數(shù)據(jù)知：
（4.37）
計算得=89.6
現(xiàn)根據(jù)《機械設計》表11-2及圖11-8選取如下參數(shù)：
由上述數(shù)據(jù)知：，因此以上參數(shù)合理。
4.3.3 按齒面接觸強度驗算
公式為： （4.38）
（4.39）
=30.26<35mm 故以上設計合理
4.3.4 計算傳動的主要尺寸
中心距 （4.40）
1、 蝸桿主要參數(shù)
蝸桿的分度圓直徑
本次設計中蝸桿三維圖如下：
圖4.2 蝸桿三維圖
蝸桿各項尺寸如下表：
蝸輪的分度圓直徑
項目
公式
數(shù)值
，圓整取20mm
2、渦輪主要尺寸
圖4.3蝸輪三維圖
蝸輪各項尺寸如下表：
項目
公式
數(shù)值
4.3.5 校核齒根彎曲疲勞強度
為判斷蝸桿副的彎曲斷裂的可能性及運動的平穩(wěn)性精度，現(xiàn)近似將其當作校核，由下式知：
（4.41）
當量齒數(shù)
根據(jù)，，從《機械設計》圖11-19知齒形系數(shù)
螺旋角系數(shù)
齒形系數(shù)，螺旋角系數(shù)
極限彎曲應力為
許用彎曲應力 (4.42)
從《機械設計》表知
壽命系數(shù)
彎曲應力為：
彎曲強度滿足設計要求
4.3.6 驗算效率
由《機械設計》知：
（4.43）
由前述設計知：；；則：
（4.44）
由《機械設計》表11-18知、；將其代入公式得，故合適。
4.4 攪龍軸的設計
鏟雪機構的中心運轉(zhuǎn)部件是攪龍軸，它的中部與渦輪相連接，兩邊都是使用軸承端蓋固定的，這樣有利于整個機構的運轉(zhuǎn)。
現(xiàn)將攪龍軸的設計過程陳述于下：
根據(jù)上述要求軸的材料選擇45鋼制造。
熱處理方式、即可完成所需要求。
軸的轉(zhuǎn)速： （4.45) 軸的輸入功率為： （4.46)
軸的轉(zhuǎn)矩為：
（4.47）
軸端分布圖如下所示：
圖4.4攪龍軸各段分布
4.5 攪龍葉片的設計
攪龍葉片是本次設計中的核心裝置，它的設計將影響整體產(chǎn)品的成效。
本次設計中，為更好的實現(xiàn)將雪輸送到中間部分的功能，將其設計為攪龍葉片在右邊的右旋，在，且才采用耐腐性材料。
是攪龍葉片的主要設計參數(shù)，現(xiàn)初步設計攪龍葉片的參數(shù)如下：
葉片外徑 （4.48）
葉片內(nèi)徑 （4.49）
節(jié)距 （4.50）
外螺旋線實長 （4.51）
內(nèi)螺旋線實長 （4.52）
葉片高 （4.53）
葉片展開里口徑 （4.54）
切口角度 （4.55）
切口弦長 （4.56）
4.6 拋雪葉輪簡述
本次設計中離心葉輪將作為拋雪葉輪，在工業(yè)設計中常采用平板型葉片，因為它制造容易，工況點的效率與機翼型葉片相接近，所本次設計中采取平板型葉片就能保證所需的功能。同時，選擇葉輪此料為鑄鐵，并對其表面做防腐蝕涂鍍。
4.7 二維CAD裝配圖
二維裝配圖如下圖所示：
圖4.6 二維總裝圖
5 小型手推式鏟雪車的三維造型
本次設計全面使用建模，現(xiàn)將建模配圖列于下：
5.1 主要部件的裝配圖
5.1.1 傳動軸的裝配
傳動軸裝配如下：
圖5.1傳動軸的零部件裝配
5.1.2 執(zhí)行軸和支架的部分裝配
執(zhí)行軸與支架的部分裝配圖如下圖所示：
5.2 傳動軸零部件裝配
圖5.3 支架部分零件的組裝
5.2 小型手推式鏟雪車的總體造型
總體裝配見圖5.5
圖5.5小型手推式鏟雪車
6 環(huán)保評估
目前，世界公眾對環(huán)境保護的要求越來越高，各國也在制定嚴格的保護法和標準。環(huán)境保護直接約束企業(yè)的經(jīng)營行為，有無良好的環(huán)境保護性已成為國際市場上產(chǎn)品競爭的一項重要指標。
本次設計的手推式鏟雪車中沒有采用任何具有對環(huán)境有污染的零部件，齒輪主要采用人工潤滑方式，不會造成很大的環(huán)境污染，同時設計采用的是EM100的汽油機作為動力源，其外殼加護橡膠材料，減少了汽油機的震動污染和噪音污染。
此次設計中所選用的材料均為標準件和可回收資源，當鏟雪車不能使用時可將其零件回收重復利用，加大了材料的再利用率。
結論
本次設計在一個學期的努力下終于完成設計、繪圖、校核。在這一過程中，學到了很多，比如在SolidWorks中如何進行運動分析，如何去設計校核產(chǎn)品的零部件，如何對比分析方案的優(yōu)劣，進而確定出合適的方案。實踐出真理，只有通過長期的做設計才能真正意義上的掌握理論知識。以前對渦輪蝸桿的認知過少，過于感性，通過這次的設計，讓我從理性的思維上認識了它。
本次所設計的手推式鏟雪車主要包含以下幾方面：
（1） 對比分析國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出有效合理的方案及工作原理；
（2） 完成對各工作機構的尺寸、結構；
（3） 繪制出各個結構的二維、三維圖。
（4） 做出相應的運動分析。
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附錄A 外文翻譯
在寒冷下雪地區(qū)的道路除雪成本管理方法的發(fā)展
摘 要
在日本，政府減少除雪的支出是一個緊迫的需要。而減少除雪支出需要國家政府從不同角度分析：1)成本結構的分析，2)地區(qū)之間開發(fā)方法的成本比較，3)開成本降低標準的發(fā)展。我們研究的方法客觀地確定除雪的成本效益是通過跨區(qū)域比較，這樣做相對比較困難。為此，我們開發(fā)了一個模型：使用一個線性回歸的“除雪的單位成本”(UCSR)，這是基于除雪成本和累積降雪之間的關系。本研究建立模型并討論了如何使用實際適用性除雪記錄。我們還檢查其適用性。
關 鍵 詞: 除雪；減少支出;預算；UCSR；降低成本的標準
B.1 介紹
在日本的許多下雪大城市的地區(qū)里,除雪扮演重要的角色，確保在冬季道路交通圖B1在日本和海外主要城市的降雪量
的順利(圖B1)。道路除雪的研究已經(jīng)深入各個方面。作為關于日本道路除雪的經(jīng)濟效益的第一個研究，Igarashi等人評估了它的效益。他們進一步建議部署的方法是除雪總成本最小化。酒井法子等人通過劃分由除雪所減少的經(jīng)濟損失
來評估其效益。
最近通過關注受益者對除雪的服務水平的意識的研究，來尋求降低成本的解決方案。從這個角度看，問題包括：對除雪的需求,居民的支付意愿和居民對除雪的滿意度水平的討論。
大多數(shù)的這些研究解決經(jīng)濟利益的方法是使用問卷調(diào)查、公共參與或客戶滿意度調(diào)查。很少有人深入研究解決日本政府除雪方法的成本結構。
對于降低成本的基礎設施管理，包括美國和其他國家提出的衡量績效服務，水平使用預算和資源分配。Lindsey和R.K.等人專注于工作條件的研究，包括地理和氣候，實現(xiàn)高效資源分配來除雪。除了除雪本身以外，也需要努力創(chuàng)建合理的管理系統(tǒng)來降低除雪成本。在國家層面上需要以下幾個方面：1)分析除雪架構的成本，2)開發(fā)一種在地區(qū)間比較除雪成本的方法，3)降低成本的標準。隨著發(fā)展的程度和對雪的控制要求的增加，包括道路使用者的除雪習慣，地區(qū)間的比較除雪成本被認為是非常復雜的，因為成本隨降雪、氣溫、雪紋理和其他自然現(xiàn)象的發(fā)展而變化。本文通過找到除雪成本和累計降雪之間的關系來客觀評價除雪方法和估計除雪成本，這兩個相對容易獲得，跨區(qū)域除雪成本的比較是有可能的。
2005 -2006年的冬天日本下了一次43年間罕見的大雪。日本氣象廳稱它為“2006年強降雪”?？h、市除雪預算都遠遠透支，土地、基礎設施和運輸對地方政府請求提高除雪補貼。當時，除雪成本使用的數(shù)據(jù)如降雪和道路長度被指定為除雪客觀估計。然而，這種估算方法還沒有建立。自2005年財政年度預算以來，MLIT采用了該方法，除雪的(UCSR)線模型的單位成本在這個研究中進行了介紹 (以下簡稱:UCSR-line模型)，用以研究對公共除雪分配。
B.2 日本除雪的預算系統(tǒng)
日本的道路總長度1200萬公里(744英里)，市政道路占約84%。國家道路的長度在國家政府的直接控制之下僅占總數(shù)的1.9%。道路在寒冷、下雪的地區(qū)約占日本60%的土地面積。國家政府對國家高速公路除雪進行完全財政支出。包括高速公路，部分補貼的國家高速公路除雪控制縣和縣級公路地區(qū)等，指定特別法律措施確保大雪和寒冷
圖B2 日本的道路和道路預算
地區(qū)道路交通(SCA)(圖B2)。全國國民政府包括：管理國家高速公路的除雪成本，管理國家政府補貼的除雪成本，指定SCA為控制國家高速公路和全州公路地區(qū)大雪和寒冷的法律。法律規(guī)定，國家政府為三分之二的縣進行除雪成本補貼，蓋率排第三。
目前，國家政府在寒冷有雪的道路區(qū)域的補貼相當于約700億日圓。國家對于這個補貼是從包括國家天然氣稅，汽車噸位稅和汽車收購的稅收收入中支出，僅限于道路關聯(lián)系統(tǒng)項目，金額約5.6萬億日圓。每個縣的除雪成本從全州一般賬戶和全州特別帳戶中支出。全州專門賬戶的收入來源包括輕油批發(fā)稅收的支出等。
B.3 累積降雪和除雪成本之間的關系導出的UCSR-LINE模型
這里介紹UCSR-line模型是怎么被開發(fā)出來的。
一般來說，道路除雪成本(以下簡稱:除雪成本)包括：1)道路除雪成本，2)人行道除雪，3)防凍劑應用程序，4)雪的運輸和其他方面。不同的變量可以被認為是對這些成本的解釋。這些變量包括道路長度、道路寬度、降雪路面條件、除雪頻率。然而，獲得所有這些數(shù)據(jù)很困難，因此，明確所有變量和除雪成本之間的關系是不切實際的。
因此，我們試圖利用一些相對容易獲得的數(shù)據(jù)，比如累積降雪和指定長度的道路除雪數(shù)據(jù)來計算除雪成本。兩種類型的數(shù)據(jù)表示降雪的數(shù)量：每一天降雪和年度降雪，除雪部署啟動應對每一天的降雪。當我們檢查除雪成本，適當使用累積的降雪。除雪成本的結構是復雜的，如上所示。成本變化與降雪累積，如下列方程所示：
p = f(x)(1)
其中：p是除雪成本，x是累積的降雪。
這個函數(shù)的圖形為向上傾斜的線，因為除雪成本隨著累積降雪的增加而增加。然而，除雪總成本包括獨立的降雪成本，防凍的成本，代理應用程序和固定運營成本。方程表示變化關系不會隨著累計降雪的變化而變化。
如果我們假設一個線性回歸模型來描述除雪成本和累計降雪之間的關系：
除雪成本可以表達的方程2。
p = f(x)= ax + b(2)
圖B3累積降雪的除雪成本和運輸成本
其中，p為除雪成本，x是累積的降雪，a是一個表達了每厘米積雪量的除雪成本的系數(shù)和b是一個成本并不取決于區(qū)域的累積降雪的系數(shù)。上面的方程表達的除雪成本隨著累積降雪的增加，運輸量和成本也增加增加(圖B3(2))。
雖然直線表示除雪成本和累積降雪之間的關系并不是一