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机械创新设计论文22926







班级:机械2104
姓名:**
学号:
落叶清理机的设计
摘要:该落叶清理器主要用于对道路旁的落叶进行清扫,该机器操作维护方便,
便于工人使用,其结构需简单,可靠性好,清扫机构可调节。

该机器在整体方案上采用三轮传动形式,通过前轮的旋转来带动整个机构的运动。

清扫功能实现形式确定为扫把运动方向与机器前进方向相同。

扫把环绕工作轴成星形布置(放射状),工作轴与车轮所在轴平行。

落叶收集方式确定为扫把成环状布置在一根轴上,环轴一圈扫把逐渐增长,通过轴旋转,扫把一点点地将落叶送上斜坡,由最长的那根扫把将落叶弹入垃圾箱。

传动的方式采用的两轴间的带传动。

改机器的设计适用于各种道路的落叶垃圾等的清理,有着很高的应用前景。

1.设计背景
目前路面上的清洁车基本都是用吹吸式或冲水式来清除垃圾,只能在大路中间行驶,清洁范围有限。

路边或小路上等无法用清洁车清扫的地方,只能依靠工人手工清扫垃圾,劳动量大且效率低。

所以有必要开发一种小型清洁机器,以减少工人劳动量,同时提高效率。

2.方案设计选择
该机器应具备以下特点:
1、结构简单。

因是小型清洁机器,要求成本低,操作维护方便,便于工人使用,其结构需简单,可靠性好。

目前国内虽然已有同类机器,但其结构偏复杂,成本高,无法推广使用。

2、清扫机构可调节,即清扫时该机构工作,不清扫时该机构不工作,以免做无用功。

在以上分析的基础上,对机器各部分方案进行设计。

1、整体方案的设计,即机器的整体结构形式(外观)的确定。

有两种方案可供选择:
(1).机器为四轮车形式,由人推动或机车拖动。

清扫的动力来源为前轮与地面的摩擦力。

前轮旋转,带动前轮所在轴旋转,再带动工作轴旋转,扫把旋转,完成运动。

(2).机器为三轮车形式,由人力驱动。

清扫的动力来源为人蹬脚踏板的力。

人蹬脚踏板,带动后轮运动,再将后轮运动传递给工作轴,扫把旋转,完成运动。

对方案(1)(2)进行比较:
方案(1):
优点:仅有一个传动(从前轮所在轴到工作轴),结构简单,紧凑。

若机器自备动力源,通过一定方式控制机器运动,还可实现自动清扫。

缺点:动力来源不稳定,可能会使机器无法正常工作。

而且要产生足够大的摩擦力,机器自重必须足够大。

方案(2):
优点:动力来源稳定,可直接在现有三轮车基础上进行改装,成本低。

因是骑行,效率较手推车高。

缺点:结构尺寸相对较大。

方案(1)动力开源问题难以解决,方案(2)虽然结构尺寸较大,但相对来说,其稳定性好,效率高。

最终选择方案(2),同时选定动力源为人力。

2、清扫功能实现形式的确定
因是小型清洁机器,考虑到动力及成本,选择清扫功能实现形式为:通过扫把与地面的相对运动,将落叶(垃圾)扫起。

主要运动为旋转运动。

有以下两种方案:
(1).扫把运动方向与机器前进方向相同。

扫把环绕工作轴成星形布置(放射状),工作轴与车轮所在轴平行。

扫把与地面相对运动,将落叶扫起。

(2).扫把运动方向与机器前进方向交错。

扫把均匀布置在一盘状物体周围,盘状物体与地面平行,通过盘装物体旋转,扫把与地面相对运动,将落叶扫起。

分析方案(1)(2)的优缺点:
方案(1)结构简单,清扫功能易实现,但清扫能力有限,即可能清扫的不彻底。

方案(2)清扫能力强,但是是交错传动,需借助圆锥齿轮或涡轮蜗杆来实现,结构较复杂,会增加机器成本,而且效率较低。

考虑到机器清洁的主要是落叶或其他片状体,不需要较强的清扫能力,故选方案(1)。

3、落叶收集方式的确定
收集容器为一放在车后的垃圾箱。

需确定的是如何将落叶由地面送入垃圾箱。

有三种方案:
(1).通过一传送机构。

将落叶扫到传送机构上,再由传送机构将落叶送入垃圾箱。

需另设一条传送链,结构复杂,成本高。

(2).将扫把成环状布置在两个滚筒上,滚筒转动,则扫把连续地将落叶扫入垃圾箱,如下图所示:
此方案可行性好,传输平稳,但结构稍显复杂。

(3).扫把成环状布置在一根轴上,环轴一圈扫把逐渐增长,通过轴旋转,扫把一点点地将落叶送上斜坡,由最长的那根扫把将落叶弹入垃圾箱。

此方案结构简单,容易实现。

但最短扫把对落叶的清扫会受到最长扫把的限制,因最长扫把与地面接触时被压弯,最短扫把可能扫在它的上面,不能与地面接触,只有通过增加两扫把之间的距离才能解决。

同时最长扫把将落叶弹起时会产生灰尘,传送过程不平稳,但不影响机器正常工作。

综合考虑,选择方案(3)
4、传动方案的选取
主要传递的是运动,且是在两平行轴之间传递,可选的传动方案有:
(1).带传动。

虽然传动平稳,但不适合低速传动,且要求有一定的初拉力,不合适。

(2).齿轮传动。

传动比稳定,效率高,但制造及安装精度高,价格较贵,且不宜用于传动距离过大的场合,不合适。

(3).链传动安装精度低,可在恶劣环境下工作,可用于远距离传动。

虽然瞬时传动比不恒定,但不影响本机器工作。

最终选择链传动。

至此,机器的方案设计完成。

其三维图如下:
3.各部分零件的具体设计及参数选定
3.1 传动件的设计,参数选定
1、脚踏板到后轮轴的传动
可直接利用三轮车上原有的链轮传动。

大链轮齿数为38,分度圆直径为
200mm ,飞轮齿数为23,分度圆直径为121mm 。

大链轮与飞轮中心距为1000mm 。

2、后轮轴到工作轴的传动
链轮轮齿要有足够的耐磨性和强度。

因小链轮的啮合次数较大链轮多,所受的冲击也较大,故小链轮应采用较好的材料制造。

人正常骑行速度约为5m/s ,车轮直径为700mm ,后轮轴转速为0510*******.4/min 700n r π
⨯=⨯=,则主动轮转速为 设计时必须保证工作轴转速高于后轮轴转速(扫把与地面的相对速度必须大于零,才可将落叶扫起)。

考虑到链条传动的多边形效应,取扫把与地面的平均相对速度为0.5m/s ,以保证任意时刻扫把与地面的相对速度均大于零。

3.2 清扫及收集机构的设计、参数选定
机构结构图如上
滚筒材料为塑料,斜板及垃圾箱材料为Q235.
(1)、滚筒
因工作轴较细,扫把不能直接固定在轴上。

先将扫把固定在滚筒上,然后通过键将轴与滚筒周向固定。

选择滚筒外径为D=120mm ,内径与轴径相等,为d=25mm 。

滚筒分置在小链轮两侧,长度均为L=350mm 。

(2)、扫把共有六把,均布在滚筒上。

因工作轴中心离地面高度为200mm ,滚筒外径为120mm ,取最短扫把长度为150mm ,以保证扫把与地面充分接触,便于将落叶扫起。

其余扫把在最短扫把的基础上以10mm 递增,最长扫把长200mm 。

(3)、斜板最高点离地高度为150mm ,与地面夹角为30°,故斜板宽度为300mm 。

斜板长度为750mm ,厚度为5mm 。

(4)、箱体采用厚为5mm 的钢板焊接而成。

尺寸为750×120×100。

3.3 调节机构的设计
为保证扫把清扫时正常工作,不清扫时不工作,可在车两侧安装一机构。

该机构可以固定工作轴在空间的位置,还可对工作轴的位置进行调节,使不清扫时扫把不与地面接触,达到提高效率的目的。

其结构形式如下图:
该机构可以简化成下图所示连杆机构。

后轮轴的空间位置确定,可视为一铰支。

滑块可绕车体上一固定点旋转,该点视为铰支点。

工作时,通过卡簧固定竖直杆与滑块的相对位置,则工作轴的空间位置可确定。

不工作时,旋转滑块,带动后轮轴与工作轴之间的杆旋转,使工作轴上升,再通过卡簧固定其位置,即可保证扫把不与地面接触。

3.4 轴的设计、参数选定
1、后轮轴
确定轴的直径:
后轮轴轴的材料为40Cr ,调质处理,原轴径20d mm =,因增加了工作部分,后轮轴受力增大,将轴径放大为25d mm =。

轴的结构设计
轴上增加一大链轮,其余部分不变。

大链轮厚度为30mm ,布置在轴中间,其左端面距轴端距离为385mm 。

大链轮的轴向定位采用弹性挡圈,周向定位采用平键。

2、工作轴
则轴的最小直径为:
考虑到轴的加工、安装及细长轴刚度等问题,将直径放大到25d mm = 轴的结构设计:
轴向力很小或没有,可将此轴设计为一根光轴。

链轮及滚筒的轴向定位采用弹性挡圈,周向定位采用平键,并选用滑动轴承。

4. 设计方案的技术创新点
1、巧妙地采用逐渐变长的扫把,将落叶扫起,经由斜板,将落叶直接扫入垃圾箱,一个结构,两种功能,使机器结构大为简化。

2、设计了一个Ⅱ级机构,该机构一方面可以固定工作轴在空间的位置,另一方面也可对工作轴的位置进行调节,使不清扫时扫把不与地面接触,达到不做无用功的目的。

3、该机器是以现有三轮车为基础,对其进行改装而成。

可利用原三轮车上大部分零件,同时不改变其原有的各项功能。

清扫时作清洁车使用,不清扫时将其作为运输垃圾的车,集清扫与收集于一体,可提高机器利用率。

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