机械创新设计论文.doc

机
械
创
新
设
计

班级：机械2104
姓名：韩杰
学号：3102101441

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，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，因增加了工作部分，后轮轴受力增大，将轴径放大为。
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
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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