小型扫雪机扫雪系统设计说明书

摘 要

扫雪机的问世，让人们在生活中减少了很多麻烦。本文在分析了国内外多种扫雪机的发展现状之后提出，主要运用范围是大型除雪设备所不能触及到的路面。结合路面的宽窄，积雪的厚度等因素，设计了一种小型的路面扫雪机。本设计在对扫雪机的工作原理进行分析的基础上，通过计算确定机械传动机构及动力装置，然后进行控制系统设计，把控制和机械有机结合。

本设计运用三维绘图软件创建了扫雪机各零部件三维模型，进行整体的三维装配，展现其整体的造型效果，绘制部分二维零件图及装配图，完成了基于单片机的微机控制电气原理图。

关键词: 扫雪机;机械结构设计;控制系统设计;直流伺服电机;单片机 I ABSTRACT

The advent of snowplows has reduced people's troubles in their lives. This paper analyzes the development of many kinds of snowplows at home and abroad.The main application is the surface of the road that the large scale removal equipment cannot reach.Combined with the width of the road and the thickness of the snow, a small road snowplow was designed.This design on the basis of the analysis of the working principle of the snowplow, through the calceolation to determine the mechanical transmission mechanism and power device and then designed the control system to combine the control and machanism in a organic way.

This design using the 3 d drawing software to create a snowplow parts 3 d model, the whole 3 d assembly, show the modelling of its overall effect, the drawing part 2 d part drawing and assembly drawing, completed based on single chip microcomputer control electric schematic diagram.

keywords: snow sweepers; Mechanical design; Control system design; Dc servo motor Single chip microcomputer

II 目 录 1 绪

论 ....................................................................... 1

1.1 选题的目的与意

义 ..................................................... 1

1.2 目前主要的除雪方

法 ................................................... 1

1.3 目前扫雪机种类及存在问

题 ............................................. 2

1.4 扫雪机国内外的发展现

状 ............................................... 2

1.5 课题主要内

容 ......................................................... 3 2 总体方案设计 ............................................................... 5

2.1 雪的物理性

质 ......................................................... 5

2.2 扫雪机总体方案及比

较 ................................................. 5

2.3 工作原理概

述 ......................................................... 6

2.3.1 基本结

构 ....................................................... 6

2.3.2 工作原

理 ....................................................... 7

2.4 方案的实

施 ........................................................... 7 3 扫雪机的机械结构设计 ....................................................... 9

3.1 动力装置的选

择 ....................................................... 9

3.2 传动装置的设计计

算 .................................................. 10

10 3.2.1 减速器的设计计

算 ..............................................

3.2.2链轮的设计计算 ................................................. 14

3.2.3 动力轴的设计计算 .............................................. 16

3.3 扫雪机构的设计计

算 .................................................. 19

3.3.1 工作电机的设计计算 ............................................ 19

3.3.2 扫雪辊的设计计算 .............................................. 19

3.3.3 同步带传动的设计计算 .......................................... 21

3.3.4 同步带的主要参数 ............................................. 24

3.3.5同步带的设计 ................................................... 25 4 扫雪机的控制结构设

计 ...................................................... 27

4.1 控制系统的选择及整体设

计 ............................................ 27

4.1.1 控制器 ........................................................ 27

4.1.2伺服电机控制 ................................................... 28

4.1.3控制系统总体设计 ............................................... 28

4.1.4伺服系统接口设计 ............................................... 29

29 4.2 控制系统的硬件结构设

计 ..............................................总结与展

望 .................................................................. 32 参考文

献 .................................................................... 33 致

谢 ........................................................................ 34

III 1 绪论

1.1 选题的目的与意义

冬天，北方的人都是天天盼这下雪，如果整个冬天没有下几次大雪，就好像这不是一个完整的冬天。早晨人们一觉醒来，出门看见一片白茫茫的景象，就有种“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”的感觉，这是人间最美不过的画面了。也是人们期盼已久的时候，人们通常都喜欢出门玩耍，在雪地里滑雪玩耍。然而这种美景，也会给人们带来很多麻烦。

一场大雪过后，路面湿滑，并且摩擦阻力变小，车辆通行时往往会发生交通事故，行人也是会时常滑倒，造成身体损伤。然而城市道路的清扫，大多数是环卫工人和大型除雪机械。他们在雪停后，就全体出动，拿着扫帚赶到公路上开始工作，辛苦一天却效率不高。因此，雪会堆积在路面，道路越来越难行走，是导致事故频繁发生的原因。

为了劳动力,提高劳动效率,机械化是劳动的必然选择，因此，为了更加方便快捷的清扫路面积雪，提高工作效率与质量，设计出一种小型路面扫雪机是很有

必要的。机器代替体力劳动,不仅效率高,而且能长时间工作，这样路面清扫速度加快，事故发生也会必然减少。

1.2 目前主要的除雪方法

现在的除雪采用的方法主要是:?人工的传统除雪;?利用融雪剂来清除路面积雪;?利用各类除雪设备来除雪。

人工除雪浪费人力、工作效率很低、作业成本也高、占用的路面时间很长，而且只能在白天进行作业，这样就会有很多的安全隐患，更容易发生交通安全事故，会对来往的车辆和行人带来不便。

融雪剂除雪是依靠热的作用或化学药剂发生化学反应，使积雪慢慢融化的方法。主要用于广场、停车场、城市大路等，起着除雪和防冻的作用。但是，同时也会对周围环境造成一定的危害。并且融雪剂的费用高，容易对道路和城市环境造成一定污染，对人的身体健康有一定损害。而且，当温度过低时，会失去其原有的作用，同时不利于保护车辆的轮胎。所以，这种除雪方法的使用范围有一定的局限性。

机械除雪是通过机械设备直接对雪进行铲除与清扫，主要有犁式扫雪机和螺旋转子扫雪机两大类。现今，传统人工清雪法和融雪剂清雪法已经不能满足生活需要，所以需要性能好、自动化程度高的机械除雪设备来替代。但现在扫雪机种

[1]类并不多，且设备还不是很完善，存在着很多不足。 1

1.3 目前扫雪机种类及存在问题

目前市场上的扫雪机有很多种，按其工作原理主要 分为以下几种:

一种是推移式扫雪机:主要是将推雪铲刀安装在大 型车辆上，如推土机等等。在经过扫雪犁等装置，将雪 推走，对路面进行清扫，然后再利用其它车辆将雪拉走。 这类形式的扫雪机，清理效率低，容易划伤地面，且耗 费时间。由于借助大型车辆，所以在路面进行作业有一 定的局限性其除雪装置如右图。

第二类是抛雪式扫雪机:抛雪式扫雪机在市面上最 为常见，它先利用搅龙先收集积雪，再利用抛雪泵装置 将雪抛出。这种扫雪机清扫效率比较高，速度也很快， 是使用最广泛的一种扫雪机，其除雪装置如图1.2。

第三类是吹雪式扫雪机:它是利用航空发动机来产生强大空气流，气流由喷口吹出，从而达到清除地面积雪的目的。但是这种扫雪机运行速度很高，能量消耗

大，成本高，只能使用于机场、高速路等宽旷地区的使用，不适合小型产品的生产。

这几类大型的除雪设备，基本都使用于较宽或者空旷的路面，不适合在城市交通道路上作业，而且这几种扫雪机都是采用铲刀或者搅龙装置，更容易把路面划伤，并且对于高低不平的地面起不到很好地处理效果。

1.4 扫雪机国内外的发展现状

资料显示国外扫雪机发展历史已有很长的时间，尤其是近几年来，发展迅速， 2

种类繁多，各生产厂家在不断地采取新技术的同时，不断地更新产品的作业性能和操作性能，以便适应各种扫雪条件的要求。早年的扫雪装置是利用推土机推行，后来渐渐变为犁式扫雪机。1943年的时候，日本就已经在卡车上开始装配V型犁式扫雪器，用来扫出路面积雪。我国在经过了很多年的发展，犁式扫雪机已有有了相当高的技术水平。

在除雪机的研究在我国还比较少，据统计，国内的实际研究和发展是在上世纪80年代后，随着改革开放的发展，开始了新的道路，在机动车层出不穷。扫雪机也出现了与时代发展的需求，主要的研究工作是在东北，下雪的地方在大数量、高需求。通过深入研究，国内多台机器生产，除雪作业外，发挥一定作用，但效率低，成本高，接地能力差。

90年代初，中国的沈阳大连高速公路引进德国“乌尼莫克道路综合养护车、犁式除雪等装置作为辅助设备。国内的犁式除雪机的研究在近几年也取得了一定的成绩，有了一些成功的产品，如l9280式扫雪机和CL-3.6，CL-3.5型系列扫雪机，分别是由西安公路研究院和吉林交通科学研究院研究开发的。还有哈尔滨

[2]林业机械研究所开发的集成cbx-216机等。但犁式除雪机对刚下的积雪处理效果好，并不能解决积雪很久的路。

旋转式扫雪机的出现，清理道路上的积雪变得简单。旋转式扫雪机一般具有复杂的结构、功能多样等的特点。德国和日本是主要生产国，这样的技术是成熟的，在世界上处于领先水平的产品性能。

在雪地里，扫雪机的车身尺寸和速度是影响交通的重要因素，车身过大，会造成路面占道;低速会影响交通，造成交通堵塞。小型扫雪机适用于企业单位、城市

道路和环卫工人，几乎不常见，而且发展缓慢。所以小型扫雪机的设计对于国内机械行业的发展起着一定的作用。

1.5 课题主要内容

根据现有的除雪设备本文预设计一个适用于较窄的道路，如工厂道路，学校马路，或住宅小区内的道路积雪清扫机。该扫雪机的工作原理是扫雪机在工作人

的推行操作下，沿着积雪路面做扫雪作业，高速旋转的转刷子一次性把雪向前抛到行走的前方，集成一堆后在清扫装车运走，一次完成清扫任务。该设备不用集雪装置，能实现一次性集雪功能，这设备结构简单，成本低，提高积雪的清扫效率。在完成预想设备的基础上进行合理的设计方案，并对其主要零件进行计算和分析。主要完成的内容如下:

(1)通过研究国内外扫雪装备的发展情况，提出本文计划设计的一种小型扫雪机设备的工作原理。

(2)进行小型扫雪机方案设计。 3

(3)各零部件的具体设计，确定扫雪机的基本尺寸，连接问题。 (4)查阅相关资料，了解扫雪机行走的速度，进行动力系统设计。 (5)根据实际情况确定要使用的控制系统硬件。 4

2 总体方案设计 2.1 雪的物理性质

由于温度的改变，下雪时间的长短，雪的密度、硬度均不同，且由于路面有车辆行驶，导致积雪的摩擦系数发生改变，所以在设计扫雪机之前，要先对道路上的积雪进行研究了解。经过多次调查取样，雪的密度在0.2-0.25g/。道路不一样，

雪的性质也有所不同，故雪的密度、厚度是设计计算的重要参数。 2.2 扫雪机总体方案及比较

滚刷式除雪机是依靠的是滚刷的高速旋转来对路面积雪进行清扫，扫雪刷的材料是由实际工作情况而定。滚刷式扫雪机的滚刷属于柔性结构，滚动或者旋转作业时相对其他大型扫雪设备对路面造成的损害较小，除雪后路面基本不会产生明显的刮伤痕迹。同时滚刷式扫雪机还具有噪音低、自适应性强、清扫干净等优点。滚刷式除雪机作业范围相对其他扫雪设备清雪较广，清扫道路时可以应付各种复杂路面情况。这些年，为了解决冰雪灾害对人们生活的不利影响，各研究部门积极对冰雪的处理进行研究，滚刷式除雪机颇受人们重视，随着技术的不断更新，冰雪对人们生活的影响逐渐减小。

滚刷式扫雪机的机械部分主要分为盘式转扫、碾压磙以及卧式滚扫三种类型。我分别对三类清雪机械进行了分析如下。

(1)盘式转扫型扫雪机是指其刷扫装置的转轴垂直于地面或与地面保持一定倾角(一般在80?左右)的清雪装备。

盘刷好像一个盘状物在向下倒扣，整个形状呈圆台状。盘刷多安置于扫雪机的两边，这样不仅仅可以更大范围的拢扫积雪，同时还可以避免在转弯角度过大时工作的主机车轮和路岩挂碰。为防止刷盘与车辆、行人或路旁障碍物碰撞，侧刷上一般都要安装避障装置。依据以往作业效果，设置转轴与地面的倾斜夹角可以有效的将积雪向一个位置聚集，不发生到处飞溅的情况，对清扫质量有明显的提升。

(2)碾压磙结构是一种对硬化积雪清除的装置，专门为清除压实的积雪而设计的。这种除雪装置适合对坚硬的冰雪进行清除，在设计压磙式除雪装置时应该要充分的考虑对路面的保护问题，保证路面不被破坏。这种结构是在圆筒形的滚筒上安装上刀片或齿刀，构成碾压磙。根据压磙磙刀的安装角度，分为斜刃式压磙和直刃

式压磙。相关文献表明，斜刃式压磙的铣削效果及其对路面的保护性明显优于直刃式压磙。

(3)卧式滚扫型扫雪机是将滚刷直接与地面相接触，滚刷轴与地面平行，即与扫雪机的行驶面平行，在动力装置的驱动作用下滚刷高速旋转，对路面进行

5 扫除。

直列排布滚扫式扫雪机是指滚筒上各排刷毛均沿滚筒轴线方向平行排布，滚刷刷毛密集，清扫路面时不会有漏扫的地方，目前国内多数滚扫型扫雪机的扫雪

[3]滚均采用这种排布形式。

发动机发动后发动机输出的运动经过减速箱降低转速增加扭矩后通过链轮，链条输出运动，驱动行走轮向前行走。在通过扫雪电机输出运动经过皮带轮降低转速后驱动扫雪刷旋转，清扫路面积雪。清雪效果好，而且结构简单，运动方式多样，制造方便，传动效果和使用维护方便。同时，因为使用的是直流伺服电机，所以使用时没有噪声污染，减少了对居民的骚扰。与此同时，使用电机也符合了国家的关于使用清洁能源战略的。

综上，我们选择第三个方案。

除雪装置的设置依据动力来源可以分以下几种类型: (1)动力型

用分离的发动机作为除雪单元的动力源,发动机和除雪机构组成一个整体。本实用新型的优点是主机可以完成一台机器的使用。

2)动力分置型 (

有单独的发动机作为除雪装置的主要驱动力，但发动机和除雪装置可以单独放置在主机的适当位置。

(3)共用动力型

即由主机发动机采用液压等方式将主机动力分配使用，在保证正常行驶的同时，为除雪工作装置提供动力。一般发达国家的专业扫雪机通常是共用动力型的，其优势在于可以根据负载情况将通用主要动力流分配的更合理，既能提高功效又能节省能源。

考虑到本次的扫雪机方案设计，会有控制扫雪机的速度设计，按照不同程度的降雪，会有相应的两档速度调节。所以，我们选择了方案(2)动力分置型。

2.3 工作原理概述 2.3.1 基本结构

小型扫雪机一般由机架、原动机、传动装置、工作装置、行走装置组成。考虑到设计需要，本设计中原动机选取的是电动机。传动方案采用了皮带传动，蜗杆传动,链传动。行走装置用于实现机械的行走。它有两种手推和自走式。本次设计中采用的是手推式。

扫雪工作装置采用的是滚刷式滚筒扫雪机构。滚刷主要由滚筒，方头刷，动力轴(扫雪辊)，轴承等组成。其通过可拆卸固定链接方式安装于扫雪机的前端。

6

方头刷的刷丝为尼龙丝或钢丝(本次设计选用钢丝与尼龙丝混用的方式)。滚筒 [4}固定在滚刷的上方，用于防止残雪飞溅。 2.3.2 工作原理

操作时,直流伺服电机通过传动箱驱动输出功率,链接主动链轮,这样,链轮带动链条传动,实现行走轮的向前运动。

2.4 方案的实施

由于除雪机主要用于校园、人行道、单位、工厂和居民区,所以机器体积不算太大。我们使用的电机按电源的分类:可分为直流电机和交流电机,其中交流电机又

分为单相电机和三相电动机。这种扫雪机需要灵活的运动,工作适应度高,用于户外的积雪清扫工作。所以一般采用蓄电池供电,因此多采用直流电动机。

直流伺服电机主要有以下几个特点: (1)机械特性

在当输入电枢电压UA保持不变时,电机转速n随电磁转矩m变化,这称为直流电机的机械特性。

(2)监管特点

当直流电机处于一定的电磁转矩M(或负载转矩)时,电机的稳态转速N随电枢电压控制电压的变化而变化,这称为直流电机的调节特性。

(3)动态特性

从原来的稳定状态到新的稳定状态,存在一个过渡过程,这就是直流电机的 动态特性。

本次设计的是手推式扫雪机，机架上有扶手，支撑电动机，变速箱，主动链轮，带轮等装置。

扶手的基本作用是手推，其上按装有起停，调速，扫雪工作开关。起停开关的作用是用于控制电源。调速开关则是用于选择扫雪机的速度，其中速度主要为两个档，一档V1=1m/s，二档V2=0.5m/s。扫雪开关的作用是控制扫雪直流伺服电机的起停，从而控制滚刷的转动。

带传动依照传递方式分为摩擦传动和齿轮传动两类。摩擦传动带包含平带，V 带，多楔带，同步带。在这里咱们选用的是同步带，与发动机输出轴相连;带传动的传动比是3。

变速箱用的是蜗轮蜗杆传动，它的传动比是32。电动机的输出轴通过联轴器与变速箱相连。

行走轮子主要是用于支撑和行走，于机架的两侧呈对称分布。

扫雪装置包括原动机，带轮，皮带，滚刷，滚筒，扫雪辊。 图2-3是扫雪机简单三维结构示意图 7

图 2-3 扫雪机简单三维结构示意图

1.变速箱 2.联轴器 3.行走驱动电机 4.动力轴 5.支架 6.滚筒 7.滚刷 8.大带轮 9.皮带 10.行走轮 11.链条 12.扫雪电动机 13.小带轮 14.链轮

8

3 扫雪机的机械结构设计 3.1 动力装置的选择

扫雪机在路面运动时需要克服来自地面的滚动摩擦力Ff，空气阻力Fw，加速行驶时的加速阻力Fj。因此小车行驶时的总阻力为

?F=Ff+Fw+Fj (3-1) Ff=mgμ (3-2)

小型扫雪机在户外路面行走工作，易受到环境，雪量大小，路面状况的影响。设计中，扫雪机的自重约为:100Kg，橡胶轮与地面的摩擦系数:f=0.1，轮半径:R=150mm。代入公式中

Ff=98N

设计中，小车的最高速度为 V=1m/s。所以空气阻力暂不考虑。

小车加速运动时需要克服质量产生的惯性力，设定小车经过位移 S=1m时，Vt=1m/s，则小车的加速度为

(3-3)

加速阻力 Fj=ma=50N 总阻力 F根据公式得 ?F=148N

本次设计中的小车采用一个电动机驱动，车轮的半径 R=0.15m。所以总车的驱动力矩:

?M=22N?m

因此链接输出轴的输出扭矩 T?22Nm。

根据上述的条件，驱动电机采用淄博博山朴林电机厂生产的180ws250-150无刷直流电动机。

表3-1 电动机参数

额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 额定转矩 极数 2.5kW 48V 62A 1500r/min 22Nm 8

小车行驶的最高速度 =1m/s，车轮半径 R=150mm， 输出轴的转速应为:

==96r/min (3-4)

电机的额定转速 n=1500r/min。所以减速比为: 9

i==16 (3-5)

小车行驶的最低速度 =0.5m/s,输出轴转速应为 =48r/min

则最大减速比 i=32。 3.2 传动装置的设计计算 3.2.1 减速器的设计计算

在很多情况下，这类扫雪装置的速率按照工作过程当中的不同请求随时可以转变。变速器平常很少作为零单独的传动装置，它是一台机械全部传动系统的一部分，所以通常被称为变速制造。

根据最大传动比32，本次设计中选择的是蜗轮蜗杆减速器。相比于其他传动机构，蜗轮蜗杆有以下几个优势:(1)传动比大，一般传动比 i=5-80。(2)冲击载荷小，传动平稳。(3)具有自锁性。

设计总传动比 i?32，i=×=32。

(3-6)

分配传动比 =16，=2。 各轴的参数计算:

将传动装置各轴从高速到低速一次定义为1轴，2轴。各轴的转速: n=1500r/min, n1=93.75r/min, n2=46.875r/min

蜗轮蜗杆的选择:功率P=2.5Kw。

1988的推荐，采用渐开线蜗杆Z1，材料一般选用:蜗杆根据GB/T10085-

为45号钢，齿面要求淬火，硬度为4555HBS。蜗轮采用ZCuSn10P1，金属模制造。

按Z1=2计算，估取效率η=0.8。则作用在蜗轮上的转矩 =9.55×=4.07×Nmm (3-7)

确定载荷系数K

因工作载荷较稳定，故取=1，使用系数=1.05，动载系数

=1.05,则K==1.01 (3-8)

确定弹性影响系数

因选用的ZCuSn10P1蜗轮与蜗杆相配合，故取=160MPa 确定蜗轮齿数Z2

Z2=Z1×i= (3-9) 确定许用接触应力【】 10

根据蜗轮的材料、金属模制造、蜗杆螺旋齿面硬度45HRC.确定蜗轮的基本许用应力为268MPa。

应力循环次数:

N=60j=3.375× (3-10) nL2h

式中 j—为电机是否单双向转动(单向为1，双位2); —为涡杆的传动比; n2

—为工作的总时间。 Lh 7108寿命系数: = N

(3-11) ==0.8521

则许用接触应力 【】=×【】′ (3-12) =228.3628MPa

则

d1?KT2()2 (3-13)

?532.850

式中 d1—为涡轮齿面接触疲劳强度; K—为载荷系数。

因=2，故从《机械原理》表10-9(如图3-1)中，取模数m=4。蜗杆的分Z1 度圆直径d1=40mm。

蜗轮蜗杆的主要参数与几何设计中心距 a=148mm

图 3-1 11 蜗杆

表3-2 蜗杆参数

轴向齿距 直径系数 齿顶圆直齿根圆直分度圆导蜗杆轴向蜗杆法向 径 径 程角 齿厚 齿厚

11?18′12.566mm 10 48mm 30.4 6.2832mm 12.5mm 36′′ 蜗轮

表3-3 蜗轮参数

蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮咽喉母圆半

径

2mm 262mm 244.4mm 19mm 校核齿根弯曲疲劳强度

=×=?[] (3-14)

式中 -为齿形系数;

K-为载荷系数; ==67.872 当量齿数 (3-15)

根据 ，从文献错误～未定义书签。图11-17(如图3-2)中查齿形系数 =2.28 12

图 3-2

螺旋角系数 =1-=0.9192 (3-16)

许用弯曲应力 【】=【】′× (3-17)

蜗轮的基本许用弯曲应力【】′=56MPa

寿命系数 =0.6814

【】=38.1584 =32.4338 ?弯曲强度满足 验算效率

η=(0.950.96) (3-18)

′36′′，=;fv与相对滑动速度有已知r=11?18

关， ==3.204m/s (3-19)

从文献中，表11-18(如图3-3)，用插值法查得fv=0.0272。=1.332? 代入公式中得η?0.81大于估计值，因此不用重算。

13 图3-3

进度等级和表面粗糙度的确定:

从GB/T100-1988圆柱蜗杆蜗轮精度造8级精度。侧隙种类为f，标注为8f，GB/T100-1988，查有关手册得公差项目及表面粗糙度。

3.2.2链轮的设计计算

链传动由链条和链轮(大，小链轮)组成，动力经过进程链条链节和链轮的轮齿之间的啮合来传输。机械制造中链传动有着普遍的利用。

链传动与摩擦型的带传动对比，链传动是集体打滑和无弹性滑动现象，因而能保持精确的平均传动比，传动效率高;由于链条不需要像带那样紧，链条作用轴上的径向压力小;制造链条采取的是金属材料，平常在不异的利用条件下， 链传动的整体的尺寸比较小，布局有点紧凑;同时，链传动可以在温度高的情况下和潮湿的情况下工作。

选择链的齿数

取小链轮的齿数为Z1=17，传动比为i=1，则大链轮的齿数Z2=17。

确定计算功率

从《机械设计》(第九版)表9-6(如图3-4)查得: =1.0,由该书的图9-13(如图3-5)查得:=1.55，

图3-4 图3-5 14

则当量的单排链计算功率 : =×P=3.875Kw (3-20)

式中:—为工况系数; KA —为主动连轮齿数系数; KZ

—为多排链系数。 KP

选择链条的型号和节矩

根据=3.875Kw，=96r/min.从《机械设计》图9-11(如图3-6)，选取节矩P=19.05mm，滚子直径d=11.91mm，内链接内宽b=12.57mm，销轴直径d2=5.96mm的12A型。

图3-6

计算中心距

初选中心距 =(30,50)P

=571.05,952.5 取=600mm，

计算链节数 =2++() ()=80 (3-21)

链节数取80

因为传动比为1，链轮齿数相同，所以计算链传动的最大中间距为

=P[]=600.075mm (3-22) 15

取中间距为600mm 计算链速V

V==0.51816 (3-23)

计算压轴力

有效的圆周力: =1000=4824.76N (3-24)

链轮压轴力系数=1.15

=×=58.474N (3-25) 选择润滑方式

按照链速为0.51816m/s，链节距19.05mm，选择定期人工润滑的方式。 3.2.3 动力轴的设计计算

动力轴是连接减速箱与车轮之间扭矩的转动装置。本次设计中的传动轴主要 是承受较大的扭矩和承受较小的弯矩。 按扭转强度计算

=??[] (3-26)

得d? (3-27)

其中:P—为传递的功率; d—为轴的直径;

N—为轴的转速; [] —为材料的许用剪应力;

中间轴材料采用45号钢，调值，硬度为217-255HBS。 经过减速器完成变速后，P=2.024Kw,n=48r/min。 取=105， 16

则 d?=36.5525mm (3-28)

考虑到有键槽，轴径增大5，

d=36.5525×(1+5)=38.3801?40mm 因此选=40mm

图3-7 轴的载荷分布图 由第三强度理论:

=?[] (3-29)

查表可知45号钢的[]=60MPa， 17

轴的截面存在键，因此

W=- (3-30)

取?0.6，则=35.23MPa

许用弯曲应力，所以轴安全。 轴的刚度校核

轴上存在链轮，两端存在键，因此视为阶梯轴。加工计算中对计算精度要求 不高，所以将其作为当量直径为的光轴。按材料力学中的公式计算:

= (3-31)

设计中，载荷作用于轴的两端，L=l+k。 轴的弯曲刚度条件

挠度 y?[y] 偏转角 ?[] 轴的扭转刚度计算

扭转角表示轴的扭转变形

阶梯轴 =5.37×

(3-32)

扭转刚度条件

的取值0.5,1，计算=0.93241。 因此，轴的设计合格。

18

3.3 扫雪机构的设计计算 3.3.1 工作电机的设计计算

原动机2主要是用于为滚刷提供动力，是作为工作电动机使用的。在滚刷工作过程中，滚刷所消耗的功率主要包括:克服路面摩擦所消耗的功率，扫雪功率，克服空气阻力的功率等。(本次设计忽略空气阻力)

本次设计以每小时扫雪面积900,雪的平均密度0.25g/,积累的厚度为10cm。 则每小时完成扫雪量:22.5Kg，向前推进3600m，则所消耗的功率

P1==225W (3-33)

滚筒克服阻力矩 M=1.6Nm，转速以n=150r/min,那么刷子消耗的功率 P2=M2n=2.0724Kw (3-34)

则执行部分所消耗的功率 =P1+P2=2.2974Kw (3-35)

选用直流伺服电动机，控制转速在150r/min。选用的电机与原动机1是一样的型号:180WS250-150

3.3.2 扫雪辊的设计计算

扫雪辊主要是支撑滚刷，带动滚刷的转动，通过键与大带轮相相连接。它的设计计算与动力轴的设计计算相同，在校核时，应为只有一端存在扭矩，所以校核不同。

计算公式:按扭转强度计算

=??[] (3-36)

得d? (3-37)

采用45号钢，调值，硬度为217-255HBS

经过带轮传动后，它的功率P=2.1972Kw，转速n=150r/min。 取=110 19

d?

有键槽，轴径增大5，所以d取28mm。 轴的校核

图3-8 扫雪辊的载荷分布图 由第三强度理论:

=?[] (3-38)

查表可知45号钢的[]=60MPa， 轴的截面存在键，因此

W=- (3-39)

取?0.6，则=26.53MPa 20

许用弯曲应力，所以轴安全。

轴不涉及到弯曲强度的校核。轴的扭转刚度计算 扭转角表示轴的扭转变形

阶梯轴 =5.37×

(3-40)

扭转刚度条件

的取值0.5,1，计算=0.93241。 因此，轴的设计合格。 3.3.3 同步带传动的设计计算 1、确定计算功率

电动机每天约使用8-10小时左右，查表3-4得到工作情况系数=1.4。则KA计算功率为:

=×P=1.4×2.2974=3.21Kw (3-41) 2、小带轮转速计算

初选小带轮的基准直径 =224mm 验算带速:

V=?5.2752m/s (3-42)

由于5m/s?V?30m/s,故带速合适。 3、选定同步带带型和节距

由同步带选型图3-9可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号可以任意选取，现在选取H型带，节距P,12.7mm b

表3-4 工作情况系数K A 21

图3-9 同步带选型图 z4、选取主动轮齿数 1

查表3-5知道小带轮最小齿数为14，现在选取小带轮齿数为41。直径确定

22

zP41，12.71b165.82mmd,,= 1 (3-43)3.14, 表3-5 小带轮最小齿数表

小带轮节圆

5、大带轮相关数据确定

1:1由于系统传动比为，所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。齿数 ，节距 P,12.7mmz,29b2 6、带速v的确定

dn3.14，117.29，8.96,v,,,0.1m/s ,vmax (3-44)60，100060，1000 7、初定轴间间距 根据公式

0.7(d，d),a,2(d，d)12012 (3-45)得 232mm,a,663mm0

现在选取轴间间距为600mm。 8、同步带带长及其齿数确定 ,a，2L=() (3-46) d，d0012 2

L==1720.67mm 2，600，3.14，(165.82，165.82)/20 9、带轮啮合齿数计算

z有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即=20。 m P10、基本额定功率的计算 0

2()T,mvvaP,01000 (3-47) 查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表3-6可以知道

T=2100.85N，m=0.448kg/m。 a 所以同步带的基准额定功率为 23

2(2100.850.4480.1)0.1,，==0.21KW (3-48) P0 1000 表3-6 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量

11、计算作用在轴上力 Fr 1000Pd==71.6N (3-49) Fr v 3.3.4 同步带的主要参数 1、同步带的节线长度

在同步带标准中，对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值，要求所生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内(见表3-7)。

表3-7 带节线长度表

24

2、带的节距Pb

如图3-10所示,对沿节线同步带相邻两齿测量的长度称为同步带的节距。节距大小决定皮带的尺寸和皮带的每一部分。间距越大,皮带的每个部分的尺寸越大,承

载能力越高。因此,皮带距是同步带最重要的参数。梯形齿同步带齿尺寸见表3-8。

3、带的齿根宽度

一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度，以s表示。带的齿根宽度大，则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强，相应就能传送较大的裁荷。

图3-10 带的标准尺寸

表3-8 梯形齿标准同步带的齿形尺寸

3.3.5同步带的设计

在这里，我们选用梯形带。带的尺寸如表3-9。带的图形如图3-11。 表3-9 同步带尺寸 25

型号 节距 齿形角 齿根厚 齿高 齿根圆角半径 齿顶圆半径 。H 12.7 40 6.12 4.3 1.02 1.02

图3-11 同步带

同步带轮用梯形齿，其图形如图3-12

图3-12 同步带轮结构 26

4 扫雪机的控制结构设计 4.1 控制系统的选择及整体设计 4.1.1 控制器

常用的工业控制系统中的主机芯片大多是PLC或者单片机，对于许多的控制要求和任务无论采用单片机方案还是PLC方案都能够完成。

本次设计中，由于程序简单，需要处理的信息少。而由于PLC大多用于工业生成，它的稳定性和抗干扰性要远远优于民用级的单片机芯片，也正是因为这些功能和有点，所以价格昂贵。这样显然会增加控制系统的成本，所以在本次设计中运用到了单片机。

[13][14]单片机有许多显著的优点，如以下几个方面: 1、具有优异的性能价格比

单片机的高性能、低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需的存储器、各种功能的阳口都集成在一块芯片内,使之成为名副其实的单片机。

2、集成度高、体积小、可靠性好

单片机内部采用总线结构,减少了各芯片之间的连线,大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

3、控制功能强

单片机体积虽小,但“五脏俱全”,它非 常适用于专门的控制用途。一般单片机的指 令系统中有极丰富的转移指令、口的逻辑操 作以及位处理功能,单片机的逻辑控制功能 及运行速度均高于同一档次的微型机算计。 4、低电压、低功耗

许多单片机可在低电压下工作,功耗非 [15]常低。

图4-1 H型式PWM晶体管功率放大器 27

图4-3 PWM占空比为50% 图4-2 PWM占空比为0 4.1.2伺服电机控制

设计中直流伺服电机转速控制采用PWM控制系统。图4-1是PWM工作原理图。PWM主要是控制脉冲宽度，来控制输出电压。当脉冲宽度不变时，输出的是额定电压。如图4-2所示。当脉冲变化相同时，占空比为50%.如图4-3所示。

4.1.3控制系统总体设计 1、CPU与存储器的接口电设计

图4-4 CPU接口电路图 28

图4-4表示的是CPU与译码器、存储器的接口电路图。整体设计中，接线图是主要的设计之一。从图中可以看到，单片机接的是译码器，随机存储器和只读存储器。通过计算机写完程序输入到W27C512中存储，控制开关打开后，单片机开始读程序，输出控制信号。

4.1.4伺服系统接口设计

图4-5 电机接口图

电机与控制系统的接线图。线路中有开关控制按钮，发光二极管显示哪个开关按下，行走电动机和工作电动机与控制电机转速的PWM功率放大器相连，在于光电耦合器连接。整体与拓展接口8155相连。形成闭合控制系统。 4.2 控制系统的硬件结构设计

29

(1) 主机芯片:ATS52是一种低功

耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系 统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司 高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适 于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得 ATS52在众多嵌入式控制应用系统中得 到广泛应用。

标准功能:8K字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一

个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶 振及时钟电路。另外，ATS52 可降至0Hz 静态 逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲 模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数

器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 图4-6 ATS52外观图 内容被保存，振荡器被冻结，单片 机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为 止。

(2)程序存储器:W27C512是Winbond出的 高速低功耗EEPROM，容量为512Kbits，也就是 KB*8bits/B。

(3)数据存储器:62的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。62的操作方式是由和CS共同决定的。a:写入的时候 为低电平，且CS为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7,D0写入被选中的存储单。b:读出的时候 为低电平，且CS为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7,D0上。c:保持的时候

图4-7 62接口图 为高电平，CS任意时，芯片未被选中，处于保 持状态，

数据线呈现高阻状态。

(4) 译码器:74LS138是当一个选通端(E1)为高电平，另两个选通端((/E2))和(/E3))为低电平时，可将地址端(A0、A1、A2)的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如:A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。

30

(5) 拓展接口:8155是2048位静态内存与I/O端口和定时器，在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线提供，CE=0，选中该片。当 CE=0，IO/M =0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00H,FFH;当 CE=0，IO/M =1时，选中

8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7,AD0确定。这时，A、B、C口的口地址低8位分别为01H、02H、03H(设地址无关位为0)。

(6) 光电耦合器:光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管或光敏晶闸管封装在一起，通过光信号，突现电信号传递的器件。由于光电耦合器之间没有直接俄的电气连接，电信号是通过光信号传递的，所以又称光电隔离器。

TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。图4-8是TLP521内部原理图

图4-8 TLP521内部原理图 31 总结与展望

本次设计在查阅了相关文献和了解相关机械设备的发展，结合我国部分地区积雪的各种性质和道路条件，设计的电动扫雪机。除雪作业时，能够结合当前的工作环境进行调速。工作完成后，可以将前端滚刷部抬起，减少毛刷的变形量。

主要设计内容是根据目前已存在的滚刷式扫雪机，提出了本文的电动扫雪机的机械结构及控制系统设计方案。

根据实际工作环境的需要，采用直流无刷伺服电机作为驱动动力。基于设计方案与扫雪所需要的各项参数，选择电动机的型号。

结合设计方案与实际情况，采用单片机作为本次设计控制系统的控制器。 随着扫雪机器技术的不断发展，从效能、多功能化、使用寿命等方面扫雪机器还有很大改善。由于时间和资料的关系，还有很多问题需要进一步解决:在雪物理机械性能参数都是参考文献中得到的，我们还没有实际的实验器材所以无法进行实际试验。对整体外观及相关布局、零部件需要进行更进一步的优化设计。

32 参考文献

[1] 杜鸣青.小型螺杆式清雪车研究[D].南京:南京理工大学.2004 [2] 阿依提拉.伊力哈木.扫雪机结构优化设计与动力稳定性分析[D].:大学.2014 [3] 杨阳.除雪机组合除雪装置的设计[D].黑龙江:东北石油大学.2012 [4] 王涛.国内外路面养护机械的技术水平及发展趋势[J].建筑机械技术与管理.1997 [5] CUI .Application of Throw –Fly-Typen Snow Remover[J].Product,Technology,2007

[6] 殷小瑞.小型多功能环境清理车的设计与三维动态仿真[D].黑龙江:东北林业大学.2014

[7] 杨阳.除雪机组合除雪装置的设计[D].黑龙江:东北石油大学.2012 [8] 纪名刚，陈国定等编著.机械设计第 8 版[M].北京:高等教育出版社.2006

新型组合式滚刷除雪机研究与设计[D].西安:长安大学.2013 [9] 李静. [10] 王之栋，王大康等编著.机械设计综合课程设计第2版[M].北京:机械工业出版社.2007

[11] 濮良贵，陈国定，吴立言等编著.机械设计第9版[M].北京:高等教育出版社.2013 [12] 吴伟涛.物流搬运AGV的总体方案及其关键技术研究[D].沈阳:沈阳理工大学.2013 [13] 宋人杰，张洪业，王润辉，牛斗，边蕴芳等编著.微机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社.2013

[14] 郑堤，唐可洪等编著.机电一体化设计基础[M].北京:机械工业出版社.1997 [15] 李峰华.自动行走除雪机的研究[D].北京:中国农业大学.2005

33 致谢

通过这一段时间的努力，我终于完成了小型扫雪机扫雪伺服系统设计的全部设计过程。

谢我的指导老师祁文军教授。在我进行本论文的设计期间，导师从开题论证、方案设计到论文的完成都给予了我很大的帮助，每一个环节都倾注了祁老师大量的心血和精力。在论文的完成过程中，祁老师渊博的学识、丰富的实践经验和严谨的治学态度使我受益非浅。在此谨向他表示深深的敬意，并对他为学生所付出的大量心血表示衷心地感谢。感谢我的同学和朋友，在我毕业设计过程中给予的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。

最后再次对关心、帮助、支持和鼓励我的所有老师和同学表示感谢。 34