道路除雪破冰機機構設計【含CAD圖紙+文檔】
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畢業(yè)設計（論文）
題 目
除雪破冰機結構設計
系 （院）
機電工程學院
專 業(yè)
機械設計制造及自動化
班 級
學生姓名
學 號
指導教師
職 稱
二〇一七年六月二十日
獨 創(chuàng) 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計(論文)，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經(jīng)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均已在文中以明確方式標明。
本聲明的法律后果由本人承擔。
作者簽名:
年 月 日
畢業(yè)設計（論文）使用授權聲明
本人完全了解濱州學院關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定。
本人愿意按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版，同意學校保存學位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復制手段保存設計（論文）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統(tǒng)，公布設計（論文）的部分或全部內容，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
除雪破冰機結構設計
摘 要
我國北部地區(qū)的冬季寒冷漫長，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，嚴重影響北方地區(qū)的人們出行和生活，因此設計一款路面除雪破冰機尤為必要。在研究除雪破冰機的背景及現(xiàn)狀的基礎上，確定了激振式破冰的總體方案。完成了除雪破冰機傳動機構及執(zhí)行機構的設計計算，以及動力裝置的選擇；傳動機構的設計包括減速器、傳動軸以及偏心激振錘等，執(zhí)行機構包括破冰鏟和除冰鏟等。在此詳細地敘述了路面除冰機的設計過程，選取設計合適的零件，完成除雪破冰機的設計，以滿足清除北方道路冰雪的要求。提高機械效率,同時使除雪破冰機的結構更緊湊性能更穩(wěn)定。
關鍵詞：震碎，結構設計，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除雪破冰機的現(xiàn)狀 3
第二章 除雪破冰機總體方案設計 4
2.1機構的總體設計的任務 4
2.2機構的總體設計原則 4
2.3本設計方案簡述 4
第三章 電機、聯(lián)軸器的選擇 6
3.1 電動機的選擇 6
3.1.3電機類型的結構形式 6
3.1.2電動機的容量及轉速 6
3.2 聯(lián)軸器的選擇 6
3.2.1計算公稱轉矩 6
3.2.2選擇聯(lián)軸器型號 6
第四章 傳動機構的設計計算 7
4.1軸Ⅰ（輸入軸）的設計 7
4.1.1求出主軸上的功率P和轉矩T 7
4.1.2初步確定軸的最小直徑 7
4.1.3軸的結構設計 7
4.1.4按彎矩合成應力校核軸的強度 8
4.2軸Ⅱ（中間軸）的設計 8
4.3高速級齒輪組的設計 9
4.4低速級齒輪組的設計 13
4.5 彈簧的設計計算 16
4.5.1 選擇材料并確定其許用彎曲應力 16
4.5.2選擇旋繞比C并計算曲度系數(shù)K1 16
4.5.3根據(jù)強度條件試算彈簧鋼絲直徑 16
4.5.4計算彈簧的基本幾何參數(shù) 16
4.5.5計算彈簧工作圈數(shù) 17
4.5.6計算彈簧的扭彎剛度 17
4.5.7計算和 17
4.5.8 計算自由度的高度H 17
4.5.9 計算彈簧絲展開的長度L 17
4.6傳動軸的設計 18
4.7 激振錘的設計 19
第五章 執(zhí)行機構的設計及有限元分析 21
5.1破冰鏟的設計 21
5.2基于Solid works Simulation的有限元分析 22
5.2.1破冰鏟連接固定構件的受力校核 23
5.3除冰鏟的設計 24
5.4基于SolidWorks Simulation對除冰鏟的有限元分析 25
第六章 結論 27
參考文獻 28
謝 辭 29
27
第一章 緒論
1.1研究背景介紹
清除路面冰雪，保證交通的暢通無阻，是我國北方地區(qū)城市、農村需要解決的嚴肅問題。在我國北方，除雪破冰機并沒有普及，跟發(fā)達國家相比較我國的機械化程度不高，冰雪的堆積，阻塞交通，甚至會在最下面形成冰層，導致交通事故，嚴重時甚至影響我們的人身安全，對此我有深刻的體會，我的家鄉(xiāng)地處遼西走廊，交通發(fā)達，是出入關的必經(jīng)之路。在天氣不是特別還冷的時候天空落下的不是雪而是雨，當夜幕降臨時，這些雨由于溫度的降低會在路面形成一層冰，人們一不小就會受傷，影響車輛的正常通行。去年家鄉(xiāng)就出現(xiàn)過很多起這種情況的發(fā)生，導致地方醫(yī)院的當天接收的摔傷病患爆滿和國道、高速路幾十輛汽車發(fā)生連環(huán)碰撞。目前我國市面上有很多種路面除雪機構，但并沒有一款能完美的解決上述的情況。這嚴重影響了人們對于特殊路況的緊急處理能力，影響了人們的出行和運輸。在此背景下，研究出一種路面除冰雪機械，既能滿足正常道路的日常清理積雪功能，又能應對特殊天氣的破冰除雪功能,減輕勞動力。
1.2除雪破冰機的現(xiàn)狀
目前市面上有很多種除雪機械，但只能清除較松軟的積雪，沒有清除路面底層冰層的能力，不能解決上述中的問題。根據(jù)除雪機械原理的不同，可以把除雪機械分為推移式、螺旋拋揚式、液壓式、鏟剁式和錘擊式5種，實際使用中人們又習慣將除雪機分為犁式和螺旋式兩種。而且市面上的除雪機械造價太高，不利于除雪機械的普及。
犁式除雪機主要用于除雪而不壓實。它特別適合于小密度下的新雪。其主要形式包括V犁、U犁和側向鏟。犁式除雪機，主要是為了避免改變功能，可以實現(xiàn)升降操作角度。螺旋除雪機具有復雜的結構和功能，一般只具有切割、濃縮、傳遞和投擲的功能。單級和雙極有兩種。
此次設計的產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。具有設計合理,結構簡單,清除冰層時不破壞道路,耐用,價格低廉利于普及的道路冰雪清除機器取代笨重的體力勞動,有效降低交通事故的發(fā)生。
第二章 除雪破冰機總體方案設計
2.1機構的總體設計的任務
機構的總體設計的任務是將原理方案設計結構化，設計出的除雪破冰機要能實現(xiàn)清除冰雪的目的。
結構的總體設計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計。“定形”設計包括機構的整體的定形和零部件的選擇。總體設計中的零部件材料的選擇，確定尺寸、型號等。在保證功能實現(xiàn)的前提下盡量簡化設計來完成總體設計。
2.2機構的總體設計原則
總體設計是產品即本次設計關鍵，為設計規(guī)劃確定方向，為實現(xiàn)功能做出總體規(guī)劃，確定外觀、技術和經(jīng)費等。
簡單、安全可靠、經(jīng)濟實用、工作原理明確是結構總體設計階段必須履行的基本原則。因為這些基本原則的共同目標都是為了實現(xiàn)總系統(tǒng)（產品）的預期功能，所以，在整個設計階段應將這些基本原則完成到最后。
總體設計即裝配圖、零件的設計及材料選擇要滿足可靠性，保證設計功能的實現(xiàn)?？傮w設計還要考慮安全性，保證設計的機器安全可靠，不會對操作人員造成安全隱患。在實現(xiàn)此設計的功能為前提下，還要盡量使設計的結構盡量簡單明確，數(shù)目少，易于制造和裝配。設計的成品易于操作等。
2.3本設計方案簡述
電動機的動力依次通過減速器、萬向節(jié)、傳動軸傳到激振錘上變?yōu)樯舷抡饎拥膭恿亩鴰悠票P上下運動破碎冰雪，同時激振錘產生的橫向運動會剝離路面上的冰雪，這時緊挨著破冰鏟之后的除冰鏟會將剝離的冰雪清除到路的兩側，同時設有可調節(jié)底盤的調節(jié)裝置，可以通過調節(jié)傾斜角度來增強除冰雪效果。
為了達到清除冰雪的目的，此次設計的結構特性如圖1-1：
圖1-1總體裝配圖
1-發(fā)動機 2-減速器 3-萬向節(jié) 4-傳動軸 5-彈簧拉桿 6-上支撐彈簧7-車底盤傾斜角度調節(jié)機構 8-軸承座 9-固定偏心激震錘 10—活動偏心激震錘 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-震動架 22-吊耳 23-支柱24-軸 25-車軸 26-車輪 27-車底盤 28-聯(lián)軸器 29-掛鉤
第三章 電機、聯(lián)軸器的選擇
3.1 電動機的選擇
3.1.3電機類型的結構形式
電動機類型和結構要根據(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（性質、大小、啟動性能和過載情況）來選擇。
沒有特殊要求時均應選用交流電動機，其中以三相鼠籠式異步電動機用的最多。Y系列電動機為我國推廣采用的新設計產品，適用與不易燃、不易爆、無腐蝕氣體的場合，以及要求具有較好啟動性能的機械。
3.1.2電動機的容量及轉速
參考同類機械產品，選取電動機轉速970r/min，功率11KW,查手冊確定電動機型號為Y160L-6，伸出部分軸直徑為40mm。
3.2 聯(lián)軸器的選擇
為了隔離振動和沖擊，選用彈性套針耦合，耦合能力具有一定補償兩軸偏移量和相對阻尼，中小功率驅動軸沖擊載荷，工作溫度為-19至+69°C之間，故選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。
3.2.1計算公稱轉矩
（3-1）
由表查得KA =2.3 計算轉矩：
(3-2)
3.2.2選擇聯(lián)軸器型號
許用轉矩為250，車軸直徑為35～40 mm之間，允許補償量為0.3mm，選用LT6型彈性套筒銷聯(lián)軸器。
第四章 傳動機構的設計計算
4.1軸Ⅰ（輸入軸）的設計
軸Ⅰ即輸出軸是連接減速器和其他齒輪的關鍵軸，是動力傳動的橋梁，動力通過此軸傳遞到下一級。
4.1.1求出主軸上的功率P和轉矩T
功率從電機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，調質處理，根據(jù)表15-3，取A=112，于是得：
d= A=112=25.08mm (4-3)
4.1.3軸的結構設計
擬定裝配方案如圖4-1
圖4-1輸入軸結構示意圖
確定軸的各段直徑長度
二級減速器輸入軸的受力大震動小，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度。
輪與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。鍵槽長為25mm，同時為了保證齒輪與軸配合有杰出的對中性，配合為H7/h6；借過渡配合保證滾動軸承與軸的周向定位，選取軸的直徑尺寸公差為m6。
4.1.4按彎矩合成應力校核軸的強度
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，并取=0.6，軸的計算應力
==MPa0.99Mpa (4-4)
前面已選定軸的材料為45鋼，調質處理，由文獻查得[]=60MPa，因此<[]故安全。
4.2軸Ⅱ（中間軸）的設計
根據(jù)該除冰機每小時要行程10~60km，除冰厚度60mm。所以要求該除冰機構每分鐘震動約120次，即該傳動軸的轉速是120r/min。所以該減速器承擔的傳動比為i=970/120=8.08,分配給這個減速器高速級的傳動比i1=2.5，低速級傳動比i2 =i/ i1 =8.08/2.5=3.23。
該軸的結構設計如圖4-2所式，計算的過程與I軸相同，不再重復。
圖4-2中間軸結構示意圖
4.3高速級齒輪組的設計
一、按接觸強度設計
由設計計算公式得：
d2.32 (4-5)
確定公式內的各計算數(shù)值
試選載荷系數(shù)=1.3
計算小齒輪傳遞的轉距為：
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
兩支撐相對小齒輪作對稱布置
兩只撐相對小齒輪作不對稱布置
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)文獻按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=600 MPa, 小齒輪的接觸疲勞強度極限=550 MPa.
根據(jù)式N=60njL計算應力循環(huán)次數(shù)(假設使用壽命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)文獻查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.90; K=0.95
計算接觸疲勞許用應力失效概率為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)
計算圓周速度v：
v==m/s=3.16m/s (4-12)
計算齒寬b：
b==1×63.17mm=63.17mm (4-13)
計算齒寬與齒高之比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
計算載荷系數(shù)的根據(jù)是v=3.16m/s,7級精度, 由根據(jù)文獻查得動載系數(shù)K=1.1；直齒輪,假設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)
計算模數(shù)m：
m=d1/z1=67.2/24=2.8mm (4-20)
二、按齒根彎曲強度設計
1.按彎曲強度設計公式計算：
m (4-21)
查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限=380MPa；由文獻查得彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.88；計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得：
===307.14MPa (4-22)
===238.86MPa (4-23)
計算載荷系數(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；查取應力校正系數(shù)為=1.54，=1.715；計算大、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）
比較結果為大齒輪的數(shù)值大。
計算結果相比,通過齒面接觸疲勞強度計算大于齒根彎曲疲勞強度模量計算,齒輪的承載能力大小模塊m的彎曲強度主要取決于決定,齒面的承載能力和疲勞強度的決定,只與齒輪的直徑有關,彎曲強度算出的模數(shù)2.05取整約為m = 2.5,根據(jù)接觸強度的節(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；驗算：
F==N=3332N （4-33）
4.4低速級齒輪組的設計
同理通過用以上設計方案方法設計低速級齒輪組，由上可知低速級的傳動比為i2 =3.23。
一、按接觸強度設計
由設計計算公式d2.32
確定公式內的各計算數(shù)值
試選載荷系數(shù)=1.3
計算小齒輪傳遞的轉距，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度極限=600 MPa, 小齒輪的接觸疲勞強度極限=550 MPa.
計算應力循環(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)文獻查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.90; K=0.95。
計算接觸疲勞許用應力，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）
試計算小齒輪的分度圓直徑d：
d2.32=71.54mm （4-38）
計算圓周速度v：
v==m/s=1.453m/s （4-39）
計算齒寬b：
b==1×71.54mm=71.54mm （4-40）
計算齒寬與齒高之比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）
計算載荷系數(shù)，根據(jù)v=1.453m/s,7級精度, 由文獻查得動載系數(shù)K=1.12;
直齒輪,假設KF/b＜100N/mm.查得K=K=1;使用系數(shù)Ka=1.00,小齒輪相對支承非對稱布置時：
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)
計算模數(shù)m：
m=d3t/z3=76.33/22=3.47mm (4-46)
二、按齒根彎曲強度設計
彎曲強度的設計公式：
m (4-47)
確定公式中的各計算數(shù)值
小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限=380MPa；
查得彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.88；
計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得:
===307.14Mpa (4-48)
===238.86Mpa (4-49)
計算載荷系數(shù)K
K=KKKK=1×1.1×1×.32=1.452 (4-50)
查取齒形系數(shù) =2.67，=2.239；
查取應力校正系數(shù)為=1.54，=1.715；
計算大,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設計計算
mmm=2.95mm （4-53）
計算結果相比,通過齒面接觸疲勞強度計算大于齒根彎曲疲勞強度模量計算,齒輪的承載能力大小模塊m的彎曲強度主要取決于決定,齒面的承載能力和疲勞強度的決定,只與齒輪的直徑有關,彎曲強度算出的模數(shù)取整為m = 3.0,根據(jù)接觸強度的節(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。
幾何尺寸計算
計算分度圓直徑
d= zm=26×3.23=90mm
d= zm=90×3.23=290.7mm （4-53）
計算中心距
a=( d+ d)/2=(90+290.7)/2=190.35mm （4-54）
計算齒輪寬度
b==1×90mm=90mm （4-55）
取B=90mm，B=85mm；
驗算
F==N=5955.6N （4-56）
4.5 彈簧的設計計算
4.5.1 選擇材料并確定其許用彎曲應力
根據(jù)彈簧的工作情況，得出次設計的彈簧屬于Ⅱ類。選擇取用B級碳素彈簧鋼絲制造，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計算彈簧的扭彎剛度
kT =EI/180Dn=98.9 (4-63)
4.5.7計算和
=/ kT=70.85 (4-64)
=-=20.85 (4-65)
4.5.8 計算自由度的高度H
H=n（d+）+Hh =11.5×（5+0.5）mm+40mm=103.25 (4-66)
4.5.9 計算彈簧絲展開的長度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傳動軸的設計
傳動軸是將動力從減速機傳遞給震動架和激震錘的傳動機構，在設計的過程中要使其能夠滿足彎曲強度的要求。該傳動軸在設計的時候設計其轉速為120r/min。
考慮到該傳動軸只是將轉速傳遞給激震錘，使其由轉動產生震動，從而迫使震動架上下震動，從而使破冰機能夠破冰。所以在彎曲強度不大，一般強度都可以適應。
根據(jù)傳動軸工作的環(huán)境和受力情況，故選擇45號鋼正火處理即可滿足使用要求，硬度為170~217HBS，強度極限600B，屈服極限300s，彎曲疲勞極限-1，適用于傳動軸這樣較重要的軸。鋼的切變模量G=4×104MPa，軸在全長上的扭角不得超過1°，現(xiàn)在估算軸的直徑。
1.按強度要求，應使：
(4-68)
(4-69)
所以軸的直徑 (4-70)
2.按扭轉的剛度需求，應使
軸的全長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，同時也可承受一定量的軸向載荷。當轉速很高而軸向載荷不太大時，可代替推力球軸承承受純軸向載荷。當承受純徑向載荷時，=0°。軸承尺寸系列代號為5，軸承內徑尺寸系列代號05。
其結構和尺寸大小如圖4-4：
圖4-4傳動軸
4.7 激振錘的設計
固定偏心激震錘和活動偏心激震錘是通過傳動軸的轉動，來帶動擊震錘轉動，由于它們的重心不在中心位置，所以產生上下跳動，通過彈簧傳遞給震動架使其上下有規(guī)律的跳動，從而迫使破冰鏟震碎冰層，達到破冰的目的。其材料選擇灰口鑄鐵即可滿足工作要求，其形狀和結構可以參見4-5圖：
圖4-5激振錘
第五章 執(zhí)行機構的設計及有限元分析
除雪破冰機的主要執(zhí)行機構包括破冰鏟和除雪鏟，設計的主要工作是為了實現(xiàn)功能和使用壽命。
5.1破冰鏟的設計
破冰鏟在工作過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個同樣的破冰板，每2個呈90度的夾角，然后用一個固定板固定連接在震動架上。
通過計算6個并排的破冰板的橫向寬度有1.2m。這樣正好滿足要求，如果遇到比較寬的路面可以采用來回的方式除去路面的冰雪。
其形狀和結構如圖5-1：
圖5-1破冰鏟結構圖
5.2基于Solid works Simulation的有限元分析
Solid Works Simulation是一個功能強大的有限元分析插件，可以進行過度變形算例和循環(huán)載荷算例。細化的算例又分為靜應力分析、熱力分析、頻率分析、疲勞分析、壓力容器設計分析、跌落測試等，功能十分強大。
分析過程如下：首先在Solid Works中建立相關實體的三維模型，進行干涉檢查，目的是保障各部件的設計沒有明顯差錯。然后打開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，最后運行算例。有限元分析能幫助設計人員更準確的發(fā)現(xiàn)設計的不足。
5.2.1破冰鏟連接固定構件的受力校核
破冰鏟作為除雪破冰機的核心構件，其作用不言而喻，而在除雪破冰機的持續(xù)工作條件下固定構件十分重要，對此，對其進行有限元分析，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，小型除雪破冰車在前進的時候受到雪向后的壓力；隨后劃分網(wǎng)格，最后運行算例，分析結果如圖5-2，5-3。
圖5-2 破冰鏟固定構件靜應力分析-應力
圖5-3 破冰鏟固定構件靜應力分析-位移
算例結果：如表5-1。
表5-1 算例信息
名稱
類型
最小
最大
應力1
VON:von Mises 應力
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
通過對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，導致應力集中，產生一定的位移，但不影響實際應用。因此，在改進優(yōu)化中，建議將接觸面部分進行強化，保證設計的安全性。
5.3除冰鏟的設計
除冰鏟是在破冰裝置后，在左右兩側安裝的移冰移雪裝置，其作用是將破碎的冰雪及時移動到道路的兩側。材料選擇為Q275牌號鋼材具有較強的耐磨性，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彈簧，可以根據(jù)結冰厚度來調節(jié)距離地面的高度，更加適于實際環(huán)境，其范圍是0~50mm。
其形狀和結構如圖5-4：
圖5-4 除冰鏟結構圖
5.4基于SolidWorks Simulation對除冰鏟的有限元分析
在上面已經(jīng)對除雪破冰機的破冰鏟進行了有限元分析，除冰鏟也是除雪破冰機關鍵構件，起到關鍵作用。因此，對其進行有限元分析，添加夾具及載荷之后，運行算例，分析結果如圖5-5，5-6。
圖5-5 除冰鏟固定構件靜應力分析-應力
圖5-6 除冰鏟固定構件靜應力分析-位移
表5-2 除冰鏟應力信息
名稱
類型
最小
最大
應力1
VON:von Mises 應力
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
通過對除冰鏟的有限元分析，發(fā)現(xiàn)應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力變形，產生的位移很小，不會使構件產生破壞，所以在設計時，適當加強對鏈接處的強度，保證構件能夠正常工作。
第六章 結論
通過總結借鑒前人的理論經(jīng)驗結合所學知識加上自己生活環(huán)境設計除雪破冰機的原因目的，為了實現(xiàn)機械的功能通過腦海中的概念一步一步腳踏實地的設計計算。通過概念先總體的繪制樣品圖，為了實現(xiàn)功能，分步計算設計繪制主要零件圖，動力機構的選擇、傳動機構的選擇計算，執(zhí)行機構的設計計算和材料的選擇（破冰鏟和除雪鏟），主要的設計是執(zhí)行機構。
在專業(yè)上，通過設計計算及實踐工作使我我認識了很多的新機構，復習了大學中所學的知識。把大學所學到的知識通過設計來運用到當中，學會了用現(xiàn)有的機構去實現(xiàn)一種功能的方法，培養(yǎng)了我解決實際問題的能力。
在業(yè)余上，通過設計培養(yǎng)了我的實際能力，鍛煉了自我，在設計過程中通過與老師的交流、同學間的互幫互助，不僅加深了我的專業(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)設計中，老師從選題到論文的撰寫上給個我很大的幫助，定期的為我們進行指導，督促我們。在這里，我要感謝季德生老師再設計過程中對我的幫助，讓我學到更多的知識，充實了自我，受益匪淺。
在這里我要說一聲“老師，謝謝您！”
最后我誠摯的感謝在百忙之中對我的論文進行評定的機電工程系的各位老師領導以及在設計過程中給于我?guī)椭耐瑢W，謝謝你們！
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