車輛工程畢業(yè)設計(論文)除雪汽車設計

編號 畢 業(yè) 設 計（論文）題目 除雪汽車設計 二級學院 重慶汽車學院 專 業(yè) 車輛工程 班 級 學生姓名 學號 指導教師 職稱 時 間 目 錄 摘 要 Abstract第1章 緒論 1 1.1 除雪車的技術況1 1.2 除雪車的分類與特點2 1.2.1 按工作裝置的特點分類2 1.2.2 按整車特點分類3第2章 除雪車總體結構設計 5 2.1 除雪車的基本結構5 2.2 選擇專用除雪裝置5 2.3 除雪裝置的性能5 2.4 專用除雪裝置布置5 2.5 專用底盤的選擇7第3章 雪鏟鏟板空間曲面設計 93.1 概述9 3.1.1 相關概念及名詞解釋9 3.2 雪鏟鏟板曲面結構參數(shù)選擇 10 3.2.1 雪鏟的鏟板空間形狀選擇 10 3.2.2 雪鏟鏟板切削刃參數(shù)選擇 12 3.3 雪鏟材料 12 3.4 除雪力學模型及計算 13 3.4.1 行駛阻力計算 14 3.4.2 除雪阻力計算 15 3.5 切線牽引力計算 17 3.6 除雪功率的計算 17 3.7 發(fā)動機功率校核 183.8 本章小節(jié) 18第4章 除雪車彈性避讓裝置19 4.1 概述 19 4.2 避讓裝置的選擇 19 4.3 圓柱螺旋拉伸彈簧的設計 20 4.4 本章小結 23第5章 除雪裝置的液壓系統(tǒng)的設計24 5.1 液壓系統(tǒng) 24 5.1.1 液壓系統(tǒng)組成及作用 24 5.1.2 液壓傳動的工作原理 25 5. 2 油泵的種類 25 5. 2. 1 齒輪泵結構和工作原理 26 5.2.2 齒輪泵基本參數(shù)的選擇 27 5. 3 液壓缸的設計計算 28 5.4 本章小結 33第6章 心得體會34參考文獻 35文獻綜述外文翻譯3重慶理工大學 除雪汽車設計摘要 本文以烏莫尼克U4000汽車底盤作為基礎，將除雪鏟與其底盤大梁連接，并對除雪車的除雪鏟板進行結構參數(shù)的確定與設計，分析了除雪鏟工作阻力，并對所選取的發(fā)動機功率進行校核。通過對避障四桿機構、液壓系統(tǒng)的研究與設計，確定除雪車的最終方案。本文的主要工作如下：1、研究除雪車的種類與特點，確定除雪車的設計方案；2、考慮除雪作業(yè)要求、工藝性、結構性等因素，參照相關試驗數(shù)據(jù)選取合適的雪鏟結構參數(shù)。對除雪鏟板空間曲面進行分析、設計；3、通過除雪車作業(yè)計算，分析前雪鏟作業(yè)時整車的牽引特性及功率匹配特性；4、通過對除雪裝置的液壓系統(tǒng)和避讓機構的回位彈簧進行計算與設計。關鍵詞：除雪車、鏟板曲面、除雪裝置、四桿機構、液壓系統(tǒng) AbstractThis paper with UNIMOG U4000 automobile chassis as the base, and its chassis beam will be focusing on snow removal shovel to connect, and focusing on snow removal vehicle plate structure focusing on snow removal shovel of parameters and design, analyses the work resistance, and focusing on snow removal shovel on the selection of engine power test. Through the obstacle avoidance four-bar mechanism, hydraulic pressure system of research and design, make sure the final plan. Focusing on snow removal vehicle.This paper main job is as follows:1, research focusing on snow removal vehicle types and characteristics, to determine the design project; focusing on snow removal car2, considering the operation requirement focusing on snow removal, workmanship, structural factors, consult relevant test data of selecting an appropriate snow shovels structure parameters. Focusing on snow removal shovel board space surface of analysis and design;3, through analysis, focusing on snow removal vehicle homework before when the snow shovels homework traction characteristics and vehicle power matching characteristic;4, through focusing on snow removal device for the hydraulic system and avoid institutions calculation and design return spring.Key word： Snow removal vehicle, Shovel plate surface, Snow removal device, Four-bar mechanism, Hydraulic systemII重慶理工大學 除雪汽車設計第1章 緒論1.1 除雪車的技術概況除雪車是用于清除路面冰雪，保障車輛、飛機和行人安全的冬季路場養(yǎng)護專用設備。近幾十年來，國外除雪車發(fā)展非常迅速，種類越來越多，各生產廠商在采用新技術、新材料、新工藝的同時，不斷提高產品的作業(yè)性能和操作性能，以適應冬季除雪提出的更高要求并提高產品競爭力。目前，國外除雪車的主要發(fā)展趨勢如下。1) 開發(fā)高性能專用底盤。普遍采用液力距器、動力換擋裝置和全自動電液控制系統(tǒng)?？稍诔┳鳂I(yè)時實現(xiàn)自動變速檔功能，使作業(yè)速度自動適應除雪作業(yè)的負荷變化，不僅減輕了司機的負擔，還能保證高速除雪的要求。2) 研發(fā)配置于普通底盤的除雪屬具，提高機器的使用效率，拓寬機器的使用范圍。研制高效的清除堅硬冰雪裝置、拓寬作業(yè)裝置、滑雪裝置、高雪堤處理裝置、藥劑撒布裝置等多種作業(yè)裝置、并對已有除雪裝置結構、鏟板形狀、除雪切入角、葉片形狀的進行優(yōu)化設計，使除雪屬具結構簡單、受力合理、操作方便、提高使其使用壽命、經濟性和安全性。3) 研制具有仿形能力的避讓機構，保護路面及除雪工作裝置，提高除雪車的路面適應能力，向高速度、智能化、機電液一體化方向發(fā)展。4) 國外很重視除雪車的工作對象雪的研究。為了提高設計水平，他們對雪的物理性質進行較深入的研究。他們認為只有掌握了雪的特性，才能在設計上充分利用理論進行指導，擺脫目前主要靠實驗校核機械性能的做法。 我國除雪技術研究起步較晚，始于20世紀80年代后期，相關研究單位主要集中在東北、西北和華北地區(qū)，先后有十幾種型號的除雪車研制成功。最近幾年，一些廠家參照國外的先進技術，研制出適合我國除雪作業(yè)急需的梨板式和轉子式除雪車以及拖式撒鹽車等車型，但與世界先進國家除雪車發(fā)展相比，產品數(shù)量及性能差距較大，遠不能滿足道路除雪要求。我國北方廣大地區(qū)每年都有35個月的降雪期，幾十萬公里的道路存在積雪清除問題。隨著我國經濟的快速發(fā)展和高等級公里的不斷增加，開發(fā)適合我國多雪地區(qū)的除雪車，加強對冰雪性質和除雪機理的研究，建立完善的道路氣象信息系統(tǒng)十分必要。1.2 除雪車的分類與特點 除雪車由清雪工作裝置和機動車底盤兩個部分組成。分類方法主要有兩種：一種是按工作裝置的特點分類；另一種是按工作裝置與機動車底盤結合的整機結構特點分類。1.2.1 按工作裝置的特點分類 除雪車按工作裝置的特點分為犁板式、旋切式及其他類型。（1）犁板式除雪車 犁板式除雪車安裝有犁板式清雪裝置，這種裝置最大特點就是結構簡單、造價低、性能可靠。清雪作業(yè)時以直線運動為主，應用廣泛，是除雪車中保有量最大的類型。按犁板體結構又可分為單向犁式、V型犁式、刮雪板式、側翼板式、及犁板式綜合除雪車。圖1-1所示為單向犁式除雪車，其除雪裝置為單向犁式，一般都配置于除雪車前段，又稱前鏟，主要用于清除新降積雪，除雪速度較高。通過對推雪犁曲面的優(yōu)化設計，配合選擇合適的行進角，可以獲得很好的除雪、排雪性能。 圖1-2為V型犁式除雪車，其主要結構及工作原理與單向犁式除雪車基本類似。V型犁結構左右對稱，在除雪作業(yè)中向兩邊同時排雪。V型犁受力對稱，推力大；但結構相對復雜，排雪性能不好，作業(yè)速度較單向犁低，所用牽引力大。 圖1-3所示為刮雪板式除雪車，安裝有刮雪板清雪裝置，作業(yè)對象是一定程度的壓實雪層。由于作業(yè)對象雪質較硬，所以刮雪裝置的設計較為堅固，結構尺寸也較小。為合理利用車輛自身重力，刮雪板一般都以固定角度安裝與所用底盤車中部靠近整車重心位置，因此又稱中鏟。圖1-4所示為側翼板式除雪車，在除雪車的側面裝有側翼板，側翼板又稱側鏟，主要進行加大除雪寬度或階梯作業(yè)等某些特殊除雪作業(yè)。犁板式綜合除雪車是為增加除雪作業(yè)種類，把單向犁或V型犁、刮雪板、側翼板按使用需求進行組合，安裝在同一輛行走車輛上。這種除雪車適應能力強，對行走車輛的功率要求較大。（2）轉子式除雪車旋切式除雪車的清雪裝置結構比較復雜。裝有拋雪轉子的旋切式除雪車可將積雪拋出幾十米遠，適合厚積雪清除。旋切式除雪車分為壓磙式、螺旋轉子式、轉子式等類型。壓磙式除雪車配備的壓磙裝置適用于清除堅硬的冰雪。圖（1-5）是一種拖掛式壓磙除雪車。根據(jù)壓磙裝配磙刀的安裝角可將其分為斜刃壓磙（圖1-6）和直刃壓磙（圖1-7）。實驗證明，斜刃壓磙的切入角能有效地清除冰雪和保護路面。 單螺旋轉子式除雪車（圖1-8）和轉子式除雪車（圖1-9），是兩種常見的配有拋雪轉子的旋切式清雪車，工作裝置由集雪裝置、拋雪轉子、拋雪筒及連接裝置組成。集雪裝置將雪從兩邊向中間運送至葉片呈輻射狀的拋雪轉子，在高速旋轉葉片離心力作用下，沿葉片表面運動至轉子殼體頂部開口處拋雪，由拋雪筒導入合適區(qū)域。（3）其他類型除雪車其他類型的除雪車主要有鏟剁式、錘擊式、掃雪與吹雪式及運雪車、融雪劑灑布車等。在機場等一些場合還常常把各種形式的除雪裝置搭配成綜合式除雪車以獲得滿意的清雪效果。1.2.2 按整車特點分類除雪車整車的分類方法很多，可按整車適用范圍、在除雪作業(yè)中的功用、所用底盤形式和行走方式等不同分類方法進行分類。按整車適用范圍，即除雪車的使用場合，可把除雪車分為泛用型除雪車、人行道除雪車、鐵道除雪車和高速公路除雪車等。按除雪車作業(yè)中的作用，可把除雪車分為推雪車、拋雪車、裝雪車及特種除雪車輛（包括融雪車、融雪劑灑布車、掃雪車、壓雪車、吹雪車、綜合式除雪車等）。按除雪車所用的底盤的不同可以把除雪車分為專用底盤除雪車和兼用底盤除雪車兩種。專用底盤除雪車只能進行除雪作業(yè)，而兼用底盤除雪車上的除雪工作屬具均可拆卸，在不需要清雪時用于運輸?shù)绕渌鳂I(yè)。 按除雪車行走裝置可分為輪胎式除雪車和履帶式除雪車兩種。第2章 除雪車的總體結構設計2.1 除雪車的基本結構除雪車的基本結構包括專用底盤和專用工作裝置兩部分。1） 專用車底盤 專用車底盤主要由車架、發(fā)動機、轉向系、行駛系、制動系、液壓控制系等系統(tǒng)構架組成，底盤作用是支承、安裝汽車發(fā)動機及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發(fā)動機的動力，使汽車產生運動，保證正常行駛。選擇合適的專用車底盤，能有效的提升除雪車的性能。2） 專用工作裝置除雪車的專用工作裝置就是除雪裝置，它包括工作裝置、控制裝置和執(zhí)行裝置三部分。它是除雪車的靈魂，除雪裝置的好壞決定了除雪車的工作效率和工作效果，因此除雪裝置的選取和設計至關重要。2.2 選擇專用除雪裝置 由于單向犁板專用除雪裝具有結構簡單、造價低、性能可靠等特點。當對推雪犁板曲面的進行優(yōu)化設計，配合選擇合適的行進角，可以獲得很好的除雪、排雪性能。除雪作業(yè)時以直線運動為主，應用廣泛，是犁板式除雪車中保有量最大的類型。所以本課題也采用置這種專用除雪裝置。2.3 除雪裝置的性能 除雪裝置具有除雪和避開障礙物等兩個功能，主要有以下幾個要求。1 除雪裝置必須能清除厚度為100mm,密度為80kg/的新降雪。2 除雪鏟板必須具備左右擺動的功能，并且沿著除雪行進方向向右最大偏轉角為30。3 在除雪工作時，除雪裝置必須能越過高度為100mm的障礙物。4 除雪車不工作時，除雪裝置可被舉升。為了能通過所有障礙，除雪裝置被舉升高度必須大于220mm。2.4 專用除雪裝置布置 除雪車專用除雪裝置布置圖如圖2-2圖2-2除雪車雪鏟布置圖1、除雪鏟 2、拉簧 3、除雪鏟上連桿 4、前托架 5、后托架 6、舉臂連桿 7、升降液壓缸 8、大梁托架 9、舉臂架 10、偏轉液壓缸支架 12、除雪鏟下連桿 13、汽車 圖2-2中拉簧2用于吸收部分沖擊載荷，在雪鏟完成避讓之后，迅速使雪鏟復位，并使鏟刃緊貼地面。兩個升降液壓缸7鉸接于大梁托架8和舉臂連桿6上，用于控制除雪鏟的升降，最大升程可達到220mm。偏轉液壓缸12鉸接于前托架與后托架5之間，用于控制除雪鏟的左右擺動。工作時，偏轉液壓缸推動前托架4與除雪鏟1一起轉過30，行程為166mm。而后用銷子和后托架5固定，升降液壓缸降低，除雪鏟鏟刃緊貼地面。隨著除雪車的行進，積雪將被鏟刃剝離地面并沿著鏟板曲面作螺旋外拋運動，積雪被推到道路右側。2.5 專用底盤的選擇除雪車的工作效果不僅取決于所裝配除雪結構的優(yōu)劣，還取決于機動車底盤的性能以及機動車底盤與工作裝置之間的有關參數(shù)匹配是否協(xié)調。只有正確選擇機動車底盤與工作裝置的各性能參數(shù)并保證它們之間的合理匹配，才能使設備的技術經濟指標得到充分發(fā)揮，完善整車性能。本課題的專用底盤采用奔馳烏尼莫克U4000車型的底盤如圖2-1。烏尼莫克U4000是一種越野性能極強的多功能貨車。烏尼莫克U4000采用牙嵌式差速鎖四輪驅動系統(tǒng)，這套系統(tǒng)能有效避免車輪在惡劣的冰雪條件下打滑。烏尼莫克U4000的分動箱前后有多個機具功力取力口（PTO）輸出位，前部安裝板、車橋之間以及車輛后部可以安裝多種機具組合，并且可以實現(xiàn)短時間內機具的迅速更換。此外，烏尼莫克U4000在所有附屬裝置設備和車身加裝區(qū)域預裝了各種可能需要的安裝點，包括除雪鏟板的安裝點。所有機具可以安裝在車輛輪廓線之內。另外，烏尼莫克U4000還可以配備多種取力器和液壓系統(tǒng)，方便了各種設計專用的安裝和驅動力需要。烏尼莫克U4000型底盤參數(shù)見表2-1。 表2-1是烏尼莫克U4000型底盤參數(shù)。軸距3250mm驅動形式4*4 發(fā)動機 型號OM924LA直列四缸渦輪增壓中冷Telligent智能電控直噴柴油發(fā)動機排量（）4801最大功率kw（hp）/rpm160（218）/2200rpm最大扭矩（Nm）/rpm810/1200-1600rpm變速器形式UG100-8型8前進擋，6倒檔變速箱帶一體式分動箱換擋形式Telligent智能換擋，配備EOR快速前后換擋裝置前進擋速比9.57-073額定牽引力39kN取力器N16高速取力口，i=1.0，扭矩650Nm底盤高抗扭梯形大梁，U型縱梁，管裝橫梁外形尺寸5410*2336*2650mm離地間隙前420mm/后423mm整車允許重量（kg）9500整車自重（kg）4540載荷分布（kg）4400/5300輪胎335/80 R20最高車速100km/h，在除雪作用中把車速限制為30km/h第3章 雪鏟鏟板空間曲面設計3.1 概述311 相關概念及名詞解釋1）除雪寬度除雪車工作時在行進方向上一次清除積雪的寬度，也就是除雪鏟在除雪車前進方向上的最小投影寬度。根據(jù)除雪車使用場合的不同，對除雪寬度的要求也不盡相同。廣場等空曠場所需要較大除雪寬度的除雪車，而交通路線上除雪車的除雪寬度一般不宜超過一個車道的寬度，避免除雪作業(yè)時阻礙交通。2)切削角行進方向上鏟體與地面間的夾角。如圖3-1所示。隨著除雪鏟的前進，具有一定切削角的鏟刃在垂直力F的作用下，將積雪剝離其附著面，積雪沿導板曲面向斜上方運動，最后以一定的速度從除雪鏟后端部排出。切削角的大小直接影響切削阻力的大小。切削角太小使切削刃變薄、強度不足；但過大，切削阻力會顯著增大。實驗表明，切削角每增加10，抗切強度系數(shù)K增加10%20%，切削角在60左右時抗切強度系數(shù)K達到最大值，切削角>60后抗切強度系數(shù)K增加不明顯。圖3-1切削角、行進角示意圖3）行進角鏟體寬度方向與車輛行進方向所夾銳角為，= （3.1）如圖3-1所示。行進角與除雪阻力、排雪性能、除雪鏟長度都有很大關系。行進角小，則除雪阻力小，且排雪性能好，但須有較長的鏟體才能保證必需的除雪寬度；行進角大，鏟體長度則可短些，但除雪阻力增大，排雪性能也將變差。3.2雪鏟鏟板曲面結構參數(shù)選擇 除雪鏟是除雪車廣泛配備的一種犁板式清雪工作裝置，通過可拆卸固定連接方式安裝于除雪車底盤前端。雪鏟導板的形狀一般呈復雜的空間曲面，可對新雪、粉雪、粒雪、壓雪、冰水混合物等采用高速推進方式，利用曲面旋移原理清離路面。除雪鏟導板曲面設計是除雪鏟設計的核心內容。3.2.1雪鏟的鏟板空間形狀選擇（1）鏟板鏟形犁板式除雪車前鏟采用高速推進，利用曲面旋移原理將積雪清離路面。除雪鏟板曲面的作用在于旋移和推運積雪。鏟板的結構參數(shù)對雪屑運動規(guī)律、積雪容量、推運阻力都有影響。在除雪過程中，如果推運和旋移積雪的阻力小，在一個旋移運動周期內拋射積雪的距離遠，則標志其性能良好。為了便于向道路外側排雪，除雪鏟常被設計成一端大一端小，以固定的行進角工作。被除雪屑的理想運動軌跡是空間螺旋外拋運動。 常用的除雪鏟板形狀有圓弧型、拋物線型、I類漸開線型、II類漸開線型（圖3-2）其中拋物線和圓弧的形狀很近似，兩者的性能也很接近。由于被除積雪的顆粒間結合力小，在高速鏟的作用下被剝離后會緊貼鏟板作旋移運動；而在推土鏟作業(yè)時，當被切下的土屑呈層狀沿曲面滾卷前進時，其切削性質和推雪鏟工況相似。國外專家利用三種曲面板對中等沙土做了對比實驗。在其它因素相同的情況下，對比鏟板類型對切削阻力的影響，實驗數(shù)據(jù)如表3-1。表3-1鏟板類型對切削阻力的影響鏟板類型圓弧型拋物線型I類漸開線型II類漸開線型切削阻力28.528.52825.4通過對數(shù)據(jù)的對比分析，結合實際工作情況。本課題除雪車雪鏟形狀采用II類漸開線型。（2） 鏟板寬度除雪車雪鏟常以固定的行進角進行除雪作業(yè)。行進角與除雪阻力、排雪性能、除雪鏟長度都有很大關系。根據(jù)經驗及相關實驗，除雪鏟的行進角一般取值為5060，由于除雪鏟的偏轉角為30，根據(jù)角度關系可知60，然后通過幾何計算求得為46，所以行進角=53。推雪鏟的寬度應保證工作時在除雪車前進方向上的最小投影寬度大于車寬，前端（小端）應比同側輪胎外緣寬出約200mm，后端（大端）應比同側輪胎外緣寬出約400mm。這種寬度出量是為了保證在作業(yè)過程中除雪車能給自己開辟前進的道路，從而保證其作業(yè)質量。通過查閱國內道路標準，可知各種公路車道寬度約3000-3750mm，但普遍采用3750mm的較多。除雪車作業(yè)時，鏟板的寬度必須小于或等于3750mm，才不會影響其他車輛的通行。而且除雪寬度，即除雪鏟在除雪車前進方向上的最小投影寬度，必須大于或等于2936mm（車寬+大小端的輪緣距）。因此除雪鏟板寬度必須大于，可初步確定除雪鏟板寬度B為3700mm。根據(jù)公式（3-2）進行檢驗：B= （3-2）式中：Fe推雪車額定牽引力(N)，烏尼莫克U4000的額定牽引力為39kN； B推雪寬度，單位mm； 推雪鏟的水平比切力，可選20100N/cm，此次選取100N/cm。將數(shù)據(jù)代入公式（3-2）可得 B=390cm=3900mm，所以雪鏟寬度B取3700mm滿足要求。（3）雪鏟鏟板特征雪鏟鏟板一般呈一端大一端小的空間螺旋錐形，為了保證清雪寬度常采用不對稱安裝。鏟板前端高度一般取1000mm，后端高度取1400mm且要利于排雪。為防止飛雪影響駕駛員視線，雪鏟一定要有一定量的固定前伸部分。3.2.3 雪鏟鏟板切削刃參數(shù)選擇切削刃和與其連接在一起的鏟板是推雪鏟的主要工作部分。為了設計性能良好的除雪鏟，必須對切削刃和鏟板加以分析。除雪車雪鏟主要應用于清除新降積雪，新降雪的密度隨其結構、氣象條件以及降雪氣溫的不同而變化，其密度值一般在20800kg/m之間。通過比較認為松土和積雪的物理機械性質較為接近，參考較為成熟的推土鏟切削刃設計理論可知，對于松土和積雪，一般認為切削角取30時切削刃強度和切削阻力組合最佳。但推土鏟的切削角通常以55為宜。除雪車雪鏟切削對象是新降雪，同時除雪車為保護路面大多采用輪式行走機構，所能提供的最大牽引力較履帶式行走機構小，而且工作速度要求較高，所以應盡量減小工作時的切削阻力。除雪車的工作路面較為平整，適合地形變化需要的后角略小。因此綜合考慮，除雪鏟鏟刃切削角選擇為30。切削刃厚度取20mm左右，除雪深度為100mm，切削刃是易損件，由于積雪路面情況復雜多變，為避免鏟刃局部受損而更換整個鏟刃板，通常把鏟刃設計成多塊刃板組合而成，可以翻轉調換使用，延長使用壽命。3.3 雪鏟材料除雪鏟的主要工作部分是切削刃和與其聯(lián)接在一起的鏟板。切削刃是直接切雪的零件，應有足夠的耐磨性、強度、和剛度。切削刃是易損件，因此它與鏟板之間設計為可拆分段聯(lián)接。適宜的鏟體自重利于增大鏟體作用于路面的線壓力，因此除雪車并不刻意追求降低雪鏟的總質量，且今年來鏟體質量有增大的趨勢。但必須考慮行車穩(wěn)定性和所用載重車前后軸的承荷能力，通常情況下除雪車雪鏟工作裝置的總質量限制在500800kg。材質選擇時兼顧經濟性，切削刃材料時除考慮耐磨性、韌性、經濟性等因素外，須考慮工作溫度對其物理特性的影響，表3-2為幾種常用鋼材的力學性能和退火硬度。除連接零件外，除雪工作裝置大部分零件材質選擇Q235鋼。而切削刃一般選取65Mn調質鋼。表3-2常用鋼材的力學性能和退火硬度鋼號力學性能退火硬度HB20Mn2785590187Q235375460235-4560035519740Cr52098020765Mn7354302293.4 除雪鏟的力學模型及計算犁板式除雪車的清雪阻力是其在清雪作業(yè)時所受到的總阻力，包括雪鏟受到的雪阻力和車輛的行走阻力兩部分。除雪鏟所受的阻力Fp可圖3-4所示的坐標進行分解。zX前進方向Y 圖3-4 單向推雪鏟的受力坐標Fa除雪鏟FfFc除雪鏟3.4.1除雪阻力計算清雪鏟所受到的阻力Fp可由下式求得：Fp=Ff+Fc+Fa (3-4)式中 Ff鏟刀與路面間的滑動摩擦阻力，N； Fc分離積雪的切雪阻力，N; Fa將積雪沿鏟板面拋出時雪對鏟板的作用力，N。Fp也可按圖3.4行分解：Fp=Fpx+Fpy+Fpz (3-5)式中Fpx前進方向分力，N; Fpy側向分力，N； Fpz垂直分力，N。按上述坐標對Ff、Fc、Fa進行分解則有：Ff=Ffx (3-6)Fc=Fcx+Fcy+Fcz (3-7)Fa=Fax+Fay (3-8)式中Ffx，F(xiàn)cx，F(xiàn)ax前進方向分力，N； Fcy，F(xiàn)ay側向分力，N;Fcz垂直分力，N。于是可分別計算鏟體在三個坐標軸方向上所受阻力的代數(shù)和。前進方向上的阻力Fpx：Fpx=Ffx+Fcx+Fax (3-9) =2326N側向阻力Fpy：Fpy=Fcy+Fay (3-10)=561N垂直方向阻力Fpz： (3-11)=7840.00N 式中 鏟刃和路面的摩擦因數(shù)（鋼鐵與壓實雪的摩擦因數(shù)為0.1）； Mp推雪鏟總質量，kg（雪鏟總質量為800kg）； S清雪斷面積，（S=2.9360.1=0.294）； 雪鏟的行進角，（行進角為53）； 雪鏟的切削角，（切削角為30）； 雪鏟的行進速度，m/s（為除雪車的行進速度8.3m/s）；雪的密度，kg/（松散雪的密度為80kg/）；K鏟刀口形狀系數(shù)（前鏟K=1）; 雪的平均抗斷應力，新雪的平均抗切應力=0，Pa.3.4.2 行駛阻力計算行駛阻力Fm由下式求得：式中 Fa空氣阻力,N;Fr滾動阻力, N；Fi上坡阻力，N;Fj加速阻力，N;即 (3-12)式中 空氣阻力系數(shù)（烏尼莫克U4000取值0.6）；A犁板式除雪車正面投影面積，；犁板式除雪車與空氣的相對速度，km/h；滾動阻力系數(shù)（輕碾壓雪與輪胎間，=0.025+0.0005v4）；M除雪車總質量，kg；除雪車有效質量，kg，=M-Mp；道路坡度角；a加速度，m/；犁式除雪車旋轉部分回轉當量，kg。 由于除雪車的行駛阻力與一般汽車的行駛阻力計算方法相同，犁式除雪阻力的影響因素很多，計算復雜，但可用經驗公式（3-13）進行估算： =9.851.740.29480=11926N （3-13） 式中：除雪阻力比，m（=0.0942-2.44+65.5=51.74）； S除雪斷面面積，（S=0.294）； 雪的密度，kg/（松散雪的密度為80kg/）；除雪作業(yè)總阻力Fs由推雪鏟所受的阻力Fp和車輛的行駛阻力Fm合成，F(xiàn)s可分解為行進方向、側向和垂直方向三個分力。行進方向分力 Fsx=Fpx+Fm =（2326+11926）N=14252N (3-14) 側向分力 Fsy=Fpy=561N (3-15)垂直方向分力 Fsz=Fpz=7840.00N (3-16)3.5 切線牽引力計算 這里引入切線牽引力Fk的概念。切線牽引力是指在牽引元件作用下，地面產生的作用于行走機構上、平行于地面并沿著行駛方向的總推力。冰雪路面所能提供的最大附著力可由下式求得： =0.35（53409.8-7840）=15572N (3-17) 式中附著系數(shù)，一般為0.250.35,取0.35。因此，作用于行走機構的最大切線牽引力為= 15572.2N (3-18) 為使犁板式除雪車能正常作業(yè)，其最大切線牽引力必須大于或等于外部阻力之和，即在一般情況下，有發(fā)動機轉矩所決定的最大牽引力大于附著力，發(fā)動機功率應適當?shù)膬洹?.6 除雪功率的計算 除雪功率P由下式求得： (3-19) =131435W132kW式中 P除雪功率，kW； 行進方向的除雪阻力，14252N; 行走速度，30m/s； 傳動效率，機械傳動取 =0.90。3.7 發(fā)動機功率校核根據(jù)上面的計算可知，而且除雪車初選發(fā)動機的功率160kW大于除雪功率132kW，所以除雪車可以正常作業(yè)。3.8 本章小節(jié)本除雪車的除雪鏟采用II類漸開線型鏟板，鏟刃切削角為30，切削刃厚度為10mm；推雪鏟行進角為53，除雪鏟前端高度為1000mm，后端高度為1400mm，鏟板寬度為3700 mm，有效除雪寬度大于車寬600mm，符合設計及道路通行要求。除雪車雪鏟正常工作時，除雪作業(yè)時的牽引力與選用底盤類型匹配，能滿足設計要求。額定工況為：清除0.1m厚、密度為80kg/的浮雪，額定除雪速度為30km/h。第4章 除雪車彈性避讓裝置4.1 概述目前，我國公路及城市道路的路況普遍已有很大改善了，但仍有相當里程的路段路況較差，突出表現(xiàn)在路面平整度低和局部損毀（如裂縫、變形、崩解、錯臺、沉陷、脫皮、麻面等），另外除雪作業(yè)時還可能遇到一些路面物（如凸臺、窨井蓋、道釘、分界線反光塊、坑槽等）。如不采取避障措施，則將造成除雪設備或路面設施損壞，甚至會威脅到駕駛人員的人生安全。除雪車的避障措施有兩種形式：一種形式是利用聲波或磁波探測障礙物與雪層厚度，自動控制推雪鏟的升降運動，主動避障；另一種形式是采用機械機構，實現(xiàn)被動避障。本課題主要采用機械被動避障結構。犁板式除雪車機械被動避障結構基本分為兩種類型:一種是通過鏟體的動作實現(xiàn)緩沖和避讓，采用雙搖桿機構實現(xiàn)；另一種是依靠鏟刀的動作實現(xiàn)緩沖和避讓，通過擺動導桿機構實現(xiàn)。上述避讓機構的避讓動作均可分解為上下伸縮動作和繞某一固定軸的旋轉動作。4.2 避讓裝置的選擇目前國內外除雪機械廣泛應用的彈性避讓裝置為雙搖桿機構，其優(yōu)勢是避讓效果明顯、越障高度較大、環(huán)境適應性強，可以在硬質雪區(qū)作業(yè)。而擺動導桿避障機構的導桿機構安裝在鏟刀后側，限制鏟刀的最佳切削角取值。擺動導桿避障機構鏟刀切削角一般取值在6575范圍內，適合于中鏟采用。所以本課程設計采用的是雙搖桿避障機構。圖4-1為雙搖桿機構發(fā)揮彈性避讓功能時除雪鏟的模擬圖。在該模擬圖中，1和2分別為上、下連桿，3為前托架， 4為圓柱螺旋拉伸彈簧與前托架的連接點C，D為鏟著地點（即鏟刃與障礙物的接觸點）， 5為除雪鏟。如遇障礙物，則A點圍繞B點轉動一定角度，曲線即為鏟運動軌跡，即為自動越障高度值。除雪鏟發(fā)揮了較好的自動翻越物體的功能。圖4-1 雙搖桿避讓機構為實現(xiàn)優(yōu)良的彈性避讓性能，進行四桿機構設計時應考慮：（1）為順利避障，雙搖桿機構應首先保證鏟刃的上抬運動，鏟刃的避讓軌跡為上凸曲線時為最佳。（2）應適當加大鏟板與前托架的間距，有利于提高自動越障高度。（3）拉伸彈簧的整體剛度應適中，過大對越障不利，過小則會導致除凈率降低。（4）推雪鏟翻擺時的極限位置應予限制，防止產生“死點”，使推雪鏟不能及時回落。（5）根據(jù)我國道路狀況，自動越障高度H 一般控制在 100mm 左右。（6）要保證鏟刃對地面有足夠的線壓力，用于剝離地面上積雪；過大的彈簧拉力對越障不利，過小的彈簧拉力則會導致除雪效果降低。（7）要使機車動力合理有效的傳遞到推雪鏟鏟刃。4.3 圓柱螺旋拉伸彈簧的設計（1） 4.3.1 圓柱螺旋拉伸彈簧原始幾何參數(shù) 當除雪車工作時，雪鏟受到來自地面和雪的作用力。其受力分析如圖4-2，G為除雪裝置前雪鏟的重量，大約為除雪裝置總重量的60%，即4704N。Fp1為作用在雪鏟上來自地面和雪的總用力之和。Fpx為Fp1的水平分力，根據(jù)前面的相關計算 Fpx=2326N。Fp1y為Fp1的垂直分力。F為彈簧對雪鏟的拉力，F(xiàn)x和Fy為其水平和垂直方向的分力。Fp1y=Fpxtan30 （4-1） =2326tan30N =1343N通過除雪阻力垂直方向的力Fp1y與除雪鏟板自重的比較可知 Fp1y<G=4704N所以在除雪的時候，除雪鏟板只依靠自重，而不用彈簧提供而外彈力，即此時的彈力=0，同時拉伸變形量=0，就能使除雪鏟板不向上翻轉。圖4-2 除雪鏟板受力分析圖 當除雪鏟板遇上障礙物時，除雪鏟板此時受到雪對其的作用力、地面的摩擦阻力和障礙物對其的作用力，三者在垂直方向的分力必須大于除雪鏟板的自重和彈簧的拉力，才可能使除雪鏟板向上翻轉。當除雪鏟板被抬高距離地面100mm時，彈簧的拉伸變形量=48mm，假定此時的拉力=340N。彈簧的外徑60mm，中徑52mm。（2） 根據(jù)工作條件選擇材料并確定其許用應力 因為彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第類彈簧來考慮。現(xiàn)選用碳素彈簧鋼絲C級。并根據(jù)，估取彈簧鋼絲直徑為4.0mm。根據(jù)GB/T 4357-1989 暫選，則根據(jù)表4-1彈性材料及許用應力可知 表 4-1 彈簧材料及其許用應力材料及代號許用切應力許用彎曲應力彈性模量切變模量推薦試用溫度/推薦硬度/HRC類彈簧類彈簧類彈簧類彈簧類彈簧碳素彈簧鋼絲B、C、D級0.5d4207 500205000D>4200 0000.5d483 00080 000D>480 000-4013065Mn60Si2Mn 60Si2MnA4806408008001000200 00080 000-40200455050CrVA450600750750940-40210不銹鋼絲1Cr18Ni91Cr18Ni9Ti330440550550690197 00073 000-200300（3） 根據(jù)強度條件計算彈簧鋼絲直徑現(xiàn)選取旋繞比C=15,則由式（4-2）得 (4-2) 根據(jù)式（4-3）可得 （4-3） 改取d=5mm，查得不變，故 不變，取D=50mm， ,計算得K=1.145，于是 上值與原估值相近，取彈簧鋼絲標準直徑d=5mm。此時D=50，為標準值，則所得尺寸與限制相符，故滿足要求。（4） 根據(jù)剛度條件，計算彈簧圈數(shù)n由式4-4得彈簧剛度為 (4-4)由表4-1取G=80000MPa，則彈簧圈數(shù)n由式4-5可得 （4-5）取8圈。此時彈簧的剛度為（5） 驗算（1） 極限工作應力取，則 （2） 極限工作載荷4.4 本章小結 本章介紹了雙搖桿避障機構及其工作原理，并對避障機構的回位拉簧進行設計計算。拉簧采用的是圓柱螺旋拉伸彈簧，通過相關計算，最終確定彈簧的外徑為60，中徑為50，彈簧鋼絲標準直徑為5，彈簧圈數(shù)為8圈。彈簧的材料選用65Mn。第5章 除雪裝置液壓系統(tǒng)設計5.1 液壓系統(tǒng)5.1.1 液壓系統(tǒng)組成及作用由若干液壓元件和管理組成以完成一定動作的整體稱為液壓系統(tǒng)。如果液壓系統(tǒng)中含有伺服控制元件（如伺服閥和伺服變量泵），則稱液壓伺服（控制）系統(tǒng)。如果不使用或明確說明使用了伺服控制元件，則稱液壓傳動系統(tǒng)。本畢業(yè)設計主要采用的是液壓傳動系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)功能不一、形式各異，但都包含如下部分（見圖5-1）： （1）動力元件 動力元件又稱液壓泵，其作用是利用密封的容積變化，將原動機（如內燃機、電動機）的輸入機械能轉變?yōu)楣ぷ饕后w的壓力能（即液壓能），是液壓系統(tǒng)的能源（動力）裝置。 （2）執(zhí)行元件 將液壓能轉換為機械能的裝置稱為執(zhí)行元件。它是與液壓泵作用相反的能量轉換裝置，是液壓缸和液壓馬達的總稱。前者是將液壓能轉換成往復直線運動的執(zhí)行元件，它輸出力和速度；后者是將液壓能轉換成連續(xù)旋轉運動的執(zhí)行元件，它輸出轉矩和轉速。 圖5-1（3） 控制元件 液壓系統(tǒng)中控制液體壓力、流量和流動方向的元件總稱為控制元件，通常稱為液壓控制閥，簡稱液壓閥、控制閥或閥。 （3）輔助元件 輔助元件包括油箱、管道、管接頭、濾油器、蓄能器、加熱器、冷卻器等。它們雖然為輔助元件，但是在液壓系統(tǒng)是必不可少的。它們的功能時多方面的，各不相同。（4） 工作介質 液壓系統(tǒng)中工作介質為液體，通常是液壓油，它是能量的載體，也是液壓傳動系統(tǒng)最本質的組成部分。液壓系統(tǒng)沒有工作介質也就不能構成液壓傳動系統(tǒng)，其重要性不言而喻。除雪專用裝置的液壓系統(tǒng)工作裝置由一個油泵，兩個五聯(lián)手動換向閥，限壓閥，一個升降液壓缸，一個偏轉液壓缸，一個粗濾器和一個細濾器等液壓元件組成。5.1.2 液壓傳動的工作原理 液壓傳動工作原理可用如圖5-2所示的液壓千斤頂工作原理來說明。圖中缸體3和柱塞4組成提升液壓缸；缸體6、柱塞7和單向閥8、9組成手搖動力缸；2為控制閥；10、11為管道；1為油箱。當手搖動力缸的柱塞7向上運動時，油腔A密封容積變大，形成局部真空，油箱1中的油液在大氣壓力作用下，頂開吸油單向閥8，經吸油管11進入A腔。當柱塞7向下運動時，A腔油液受擠壓，壓力升高，迫使吸油單向閥8關閉，排油單向閥9被打開而向B腔輸入壓力油，推動柱塞4上移，使負載G的位置升高。柱塞7動作快，重物G升高也快。如果杠桿5停止動作，B腔油液壓力迫使單向閥9關閉，重物G停止在新的位置上。如果打開控制閥2，則B腔中油液經控制閥2流回油箱1，重物G在重力作用下下降?？刂崎y2開度越大，重物G下降也快。5.2 油泵的種類依靠密封工作容積變化實現(xiàn)吸壓油（液）作用，從而將輸入機械能轉換成液壓能的裝置稱為液壓泵或容積式液壓泵，簡稱泵。提供輸入機械能的原動機通常為電動機或柴油機。由液壓泵概念可知，它是能量轉換裝置，其作用是將機械能轉換為液壓能，向液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件提供動力，又稱液壓系統(tǒng)動力源，是液壓系統(tǒng)的核心元件和重要組成部分之一。液壓泵種類很多，通常分為若干類型。根據(jù)液壓泵結構形式，可分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵，每一類型的液壓泵又有多種形式。另一種分類方法是根據(jù)幾何排量是否可調節(jié)（變化）分為變量泵和定量泵。另外根據(jù)液壓泵是否可以正反方向轉動分為單向液壓泵和雙向液壓泵，單向液壓泵僅允許按同一方向轉動，雙向液壓泵可正反方向轉動。本次除雪汽車除雪裝置的液壓系統(tǒng)動力源主要采用齒輪泵。5.2.1 齒輪泵結構和工作原理 通過密閉在殼體內的兩個或兩個以上齒輪嚙合而工作的液壓泵稱齒輪泵；嚙合齒輪均為外齒輪泵；由一個內齒輪與一個或一個以上的外齒輪構成的齒輪泵稱為內齒輪泵。如不加特別說明的齒輪泵為外齒輪泵，即通常所說的齒輪泵。齒輪泵是一種常用的液壓泵，它的主要特點是結構簡單、制造方便、價格低廉、體積小、質量輕、自吸性能好，對油液污染不敏感和工作可靠等；其主要缺點是流量和壓力脈動大、噪聲大、排量不可調節(jié)，它被廣泛應用于各種低壓系統(tǒng)中。但隨著齒輪泵在結構上的不斷改進完善，它也被用于采礦、冶金、建筑、航空、航海、農林等機械的中壓、高壓液壓系統(tǒng)中。 圖5-2為外嚙合漸開線齒輪泵的結構簡圖。它主要由一對幾何參數(shù)完全相同的主動齒輪和從動齒輪、殼體、吸油箱等主要零件組成。 由圖5-2可知，吸油箱由于輪齒脫離嚙合時齒間容積變大，出現(xiàn)真空而從油箱吸油。吸入的油液由旋轉的齒谷攜帶進入排油腔，在排油腔由于齒間容積減小而將油壓入系統(tǒng)。由于齒輪的齒頂和殼體內孔表面間及齒輪斷面和蓋板間間隙很小，而且嚙合齒的接觸面接觸緊密、起密封作用并把吸、壓油區(qū)隔開。因此，齒輪轉動時泵便連續(xù)性、周期性地排油，這就是齒輪泵的工作原理。5.2.2 齒輪泵基本參數(shù)的選擇1. 工作壓力 不同類型和規(guī)格的齒輪泵，其額定工作壓力也不同。齒輪泵的輸出壓力應為執(zhí)行器所需壓力、管路的壓力損失、控制閥的壓力損失之和，它不得超過樣本上的額定壓力。強調安全性、可靠性時，還應留有較大的余地：一般在要求工作可靠性較高的系統(tǒng)或行走設備（如車輛與工程機械），其液壓系統(tǒng)工作壓力可選擇為泵額定壓力的50%60%。泵體上的最高壓力時短期沖擊時允許的壓力。如果每個循環(huán)中都發(fā)生沖擊壓力，泵的壽命會顯著縮短，甚至泵會損壞。2. 輸出流量 泵的流量與工況有關。齒輪泵的輸出流量應包括執(zhí)行器所需流量、溢流閥的最小溢流量、各元件的泄露量的總和。3. 轉速 轉速關聯(lián)著泵的壽命、耐久性、氣穴、噪聲等。雖然產品技術規(guī)格表中寫著容許的轉速范圍，但最好是在與用途相適應的最佳轉速下使用，不得超過最高轉速。4.效率 泵的效率值是泵質量好壞的體現(xiàn)。壓力越高、轉速越低則泵的容積效率越低。轉速恒定時泵的總效率在某個壓力下最高，泵的總效率對液壓系統(tǒng)的效率有很大影響，應該選擇效率高的泵。并盡量使泵工作在高效率工況區(qū)。所以，初步選取排量為14mL的CCB型號外嚙合齒輪單級齒輪泵。其參數(shù)如表5-1.表5-1 外嚙合單級齒輪泵的參數(shù)類別型號排量Q/mL壓力P/MPa轉速n/r容積效率/%額定p最高額定最高外嚙合單級齒輪泵CBB