畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-護(hù)欄清洗機(jī)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)說明書—1引言1.1前言隨著當(dāng)前人民生活水平的提高、隨著城市的發(fā)展，城市建設(shè)加快，車輛增多，城市道路不斷增多，城市道路護(hù)欄也在不斷増加。道路護(hù)欄對(duì)提高道路交通的安全性和改善交通秩序方面上起著非常大的作用。20世紀(jì)70年代前，道路護(hù)欄一直依靠人力清洗，勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低、且干擾交通。此后國外開始嘗試機(jī)械作業(yè)車，主要有德國慕迪卡和美國福特。80年代初，美國福特公司研制了護(hù)欄清洗設(shè)備，它是在輪式行走底盤的前橋上懸掛作業(yè)裝置，采用機(jī)械傳動(dòng)，以單刷射水方式作業(yè)。目前國內(nèi)也引進(jìn)了德國的設(shè)備我國也開始研制或使用護(hù)欄清洗車，主要有山西交科遼寧鞍山森遠(yuǎn)、北京澤通等。但是護(hù)欄清潔車造價(jià)高、維修困難，清潔裝置需要專門配備車輛使得資源利用率低。而且在護(hù)欄清洗車工作中，駕駛員需要在安全駕駛護(hù)欄淸洗車的同時(shí)，通過后視鏡觀察清洗刷與護(hù)欄的距離，并通過控制車輛來保證清洗刷與護(hù)欄合適的距離，使得清洗效率低，存在安全隱患。因此需要一種新的高等級(jí)的公路養(yǎng)護(hù)清潔設(shè)備來代替車輛的清洗 。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外的高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)設(shè)備的研究比較成熟，已有投入使用的產(chǎn)品，且其性能和技術(shù)水平比較高。國外的公路養(yǎng)護(hù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化，調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，美國某洲的每公里配備技術(shù)人員的人數(shù)為0.33人。美國的道路養(yǎng)護(hù)設(shè)備體系成熟，而護(hù)欄清洗機(jī)械屬于路容養(yǎng)護(hù)設(shè)備，其管理體系和管理方式都比國內(nèi)要完善和先進(jìn)，國外注重養(yǎng)護(hù)和預(yù)防，而國內(nèi)更多是維修。相比國外，國內(nèi)的高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)設(shè)備很少，技術(shù)水平較低，研究仍處于起步狀態(tài)，研究高級(jí)護(hù)欄清洗設(shè)備的企業(yè)和科研項(xiàng)目非常少，相關(guān)文獻(xiàn)稀缺。沒有一款全自動(dòng)設(shè)備能夠勝任道路護(hù)欄的養(yǎng)護(hù)設(shè)備，道路的養(yǎng)護(hù)基本依靠人工，多以專業(yè)的護(hù)欄清洗車的形式清洗，調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，其清洗效率只有百分之三十五，不僅效率底下而且長期成本高。因此國內(nèi)仍需要在自動(dòng)清潔機(jī)械領(lǐng)域更多地投入研究。經(jīng)過調(diào)研和設(shè)計(jì)，本人設(shè)計(jì)的道路清潔機(jī)采用滾刷清洗、自動(dòng)行駛。適應(yīng)性強(qiáng)，能清潔不同高度的護(hù)欄。且滿足道路護(hù)欄清潔的高效、環(huán)保、安全性高、維護(hù)費(fèi)用低、低噪聲、耗水量小、續(xù)航能力強(qiáng)的各種特點(diǎn)。1.3本課題的研究意義城市道路不斷增多，城市道路護(hù)欄也在不斷増加。道路護(hù)欄對(duì)提高道路交通的安全性和改善交通秩序方面上起著非常大的作用，但是道路護(hù)欄的維護(hù)任務(wù)量也逐漸變大，車流量逐漸增大的道路上，安全隱患也逐漸增多。本次所設(shè)計(jì)的道路護(hù)欄清潔機(jī)，主要是為了實(shí)現(xiàn)替代人工和道路護(hù)欄清洗車，并且消除可能潛伏著的安全隱患，同時(shí)提高工作效率，減少維護(hù)成本，。本次設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一款具適應(yīng)于自動(dòng)化、較高清洗效率的護(hù)欄清洗機(jī)，而這款自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)也是大勢所趨。本文也將從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)護(hù)欄清洗機(jī)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行闡述。1.4研究內(nèi)容本次設(shè)計(jì)的選題是對(duì)護(hù)欄清洗機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是先從護(hù)欄清洗機(jī)的整體方案開始，研究護(hù)欄清洗機(jī)機(jī)對(duì)瓶子的機(jī)架設(shè)計(jì)、行走驅(qū)動(dòng)、滾刷緩沖機(jī)構(gòu)等。同時(shí)，還需要完成對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化及改進(jìn)、通過理論來計(jì)算護(hù)欄清洗機(jī)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩、傳動(dòng)裝置和電機(jī)等的設(shè)計(jì)選型等方面的工作。1.4.1研究主要內(nèi)容1）通過其圖書館或利用網(wǎng)絡(luò)等渠道查閱和搜集大量與護(hù)欄清洗機(jī)等相關(guān)的資料，了解和認(rèn)識(shí)護(hù)欄清洗機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的具體功能和原理，同時(shí)將其記錄下來并查找相關(guān)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)。2）了解和分析護(hù)欄清洗機(jī)所具有的各個(gè)主要結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的功能，確定所設(shè)計(jì)的護(hù)欄清洗機(jī)的相應(yīng)參數(shù)。3）初步確定所設(shè)計(jì)的護(hù)欄清洗機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。4）最終確定所設(shè)計(jì)的護(hù)欄清洗機(jī)具體的設(shè)計(jì)方案。5）利用SolidWorks等軟件對(duì)護(hù)欄清洗機(jī)進(jìn)行三維模型的建模，利用CAD軟件對(duì)護(hù)欄清洗機(jī)進(jìn)行裝配圖及各個(gè)主要零部件圖的繪畫。6）完成對(duì)護(hù)欄清洗機(jī)說明書撰寫。1.4.2所設(shè)計(jì)的主要參數(shù)滾刷的直徑：φ400mm；行駛的速度：6km/h；護(hù)欄的高度：600-1200mm；

2設(shè)計(jì)方案2.1總體設(shè)計(jì)方案概述（1）整體功能：本次所設(shè)計(jì)的護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)能夠代替人工對(duì)道路上的護(hù)欄進(jìn)行自動(dòng)化清洗，提高對(duì)道路上的護(hù)欄的清洗效率，同時(shí)對(duì)護(hù)欄進(jìn)行清洗，能夠?qū)ψo(hù)欄進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)道路上護(hù)欄的清洗養(yǎng)護(hù)及提高護(hù)欄的使用壽命。（2）方案概述：護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)采用四個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)護(hù)欄清洗機(jī)車身由距離傳感器控制，始終以欄桿為軸線保持護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)對(duì)稱。護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)內(nèi)部左右兩側(cè)為毛刷，毛刷由電機(jī)通過帶傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，同時(shí)每個(gè)毛刷都配備一個(gè)直流電機(jī)。護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)內(nèi)部的兩組毛刷轉(zhuǎn)向相反且均向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此得以全面清洗每一條欄桿，且使得水花往機(jī)器中間飛濺，防止濺射到路邊的車輛。護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)在沿護(hù)欄前進(jìn)的時(shí)候，毛刷內(nèi)連接有緩沖機(jī)構(gòu)，使得毛刷圓心始終與高地起伏的欄桿保持一定距離，而且提供適宜的緩沖性能和壓力，同時(shí)提高清潔效率。護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)內(nèi)部左邊兩邊各有一個(gè)水箱放在車子的前端，減少因水流動(dòng)距離而損失的水壓，同時(shí)提高工作效率。護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖2-1。圖2-1護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖1-護(hù)欄2-機(jī)架3-水箱4-帶傳動(dòng)5-浮動(dòng)彈簧（緩沖機(jī)構(gòu)）6-搖桿7-清潔刷子的水路8-清潔欄桿的水路9-水泵2.2動(dòng)力系統(tǒng)的選取目前常用的動(dòng)力系統(tǒng)主要有三類：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。1）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：動(dòng)作可靠，體積小，同時(shí)其精確度較高，反應(yīng)速度較快，對(duì)動(dòng)作的控制迅速，達(dá)到所要求的速度和壓力的時(shí)間花費(fèi)較短。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以空氣作為工作介質(zhì)，由于空氣的粘度較小，因此在長距離的傳動(dòng)中對(duì)于能量的損耗相對(duì)較少，同時(shí)空氣的使用來源方便且對(duì)環(huán)境無污染，在工作中能夠保持較好的適應(yīng)性。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，需要加入潤滑油來保證系統(tǒng)的潤滑，同時(shí)需要對(duì)其加裝消音器以此來降低噪聲。2）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理相似和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其主要區(qū)別是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以液壓油而非空氣作為工作介質(zhì)的。在工作介質(zhì)體積相同的情況下，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠輸出更大的力，同時(shí)其控制精度較氣動(dòng)系統(tǒng)更好，可以實(shí)現(xiàn)在限定的范圍內(nèi)自動(dòng)的對(duì)牽引速度進(jìn)行平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到無極調(diào)速。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在不對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行改變的情況下進(jìn)行換向，因此對(duì)于工作機(jī)構(gòu)在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中可以很方便的實(shí)現(xiàn)切換。3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：在三種類型的動(dòng)力系統(tǒng)中控制精度最高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出大小的精準(zhǔn)控制，同時(shí)其噪聲較小。缺點(diǎn)是需要較高的成本，還應(yīng)與其他機(jī)械結(jié)構(gòu)相互配合來使用，穩(wěn)定性不高，機(jī)械特性硬度小，所能傳遞的功率不大，較為適合于負(fù)載不大的精密條件下。通過對(duì)上述三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較，本次設(shè)計(jì)的護(hù)欄清洗機(jī)由于需要驅(qū)動(dòng)行走及噴灑水來對(duì)護(hù)欄進(jìn)行清潔，因此使用電機(jī)系統(tǒng)于在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，同時(shí)采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)護(hù)欄的清潔目的。本設(shè)計(jì)的護(hù)欄清洗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，滿足在對(duì)護(hù)欄進(jìn)行清潔過程中所需要的要求。2.2機(jī)構(gòu)方案2.2.1機(jī)架設(shè)計(jì)機(jī)架常用的設(shè)計(jì)為鋁型材機(jī)架、鑄造機(jī)架、鈑金焊接機(jī)架。1）方案對(duì)比鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造毛胚因近乎成形，而達(dá)到免機(jī)械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了時(shí)間。但是鑄件重量大，需要首先制造模具，適用于大批量生產(chǎn)，而且機(jī)架本身較大，如果使用鑄造的話，模具較大制造困難，鑄造的各種缺陷無法滿足道路護(hù)欄清洗機(jī)機(jī)架表面要求鋁型材是常用的機(jī)架材料，而鋁型材機(jī)架有著易于拆裝、易于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，鋁型材定做加工設(shè)備機(jī)架可塑性強(qiáng)，鋁材的型號(hào)規(guī)格全面，加工方式多并且都是數(shù)控加工，精準(zhǔn)度高。組裝簡單快速，不需焊接，環(huán)保并且省時(shí)省力，但是鋁型材機(jī)架的固定是用T型螺栓螺母固定，在外力作用下比較容易松動(dòng)，不適用于振動(dòng)較多的場合，而護(hù)自動(dòng)欄清洗機(jī)在移動(dòng)過程中將會(huì)受到一定程度的振動(dòng)。鈑金焊接機(jī)架，鋼板毛坯比鑄鐵毛坯輕30%，強(qiáng)度高剛度高，疲勞強(qiáng)度為鑄造的三倍，且生產(chǎn)時(shí)只需要軋制鋼板后折彎，生產(chǎn)周期短，能適應(yīng)市場需要。且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、壁厚差距可以相差很大。通過對(duì)以上三種材料的機(jī)架性能比較，本次設(shè)計(jì)由于護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)需要大批量生產(chǎn)，工作時(shí)有一定的振動(dòng)，車載重量應(yīng)當(dāng)有所限制，因空間有限，電池大小有限，較輕的重量可以減少電池電量的消耗，提升續(xù)航能力，并且留出更多空間給水箱和其他機(jī)構(gòu)，提升清洗的性能。2）機(jī)架設(shè)計(jì)護(hù)欄清洗機(jī)的機(jī)架包括五種鈑金件，分別是側(cè)板、后蓋、前蓋、電機(jī)擋板和底板。其中，前蓋到后蓋對(duì)應(yīng)車子的前進(jìn)方向，這兩個(gè)鈑金件中都有一條100mm寬的開口槽，用于行進(jìn)過程中欄桿的通過。而側(cè)板的一邊呈圓弧狀，與前蓋相配合，其主要作用是擋住飛濺的水花和灰塵等。底板是承載重量的重要零件，每個(gè)板的邊沿經(jīng)過折彎、打孔的工序后，形成裝配用的延伸塊，底板與后蓋和側(cè)板的延伸板通過螺栓相連接。側(cè)板與后蓋也是通過螺栓進(jìn)行連接。但是前蓋形狀復(fù)雜，沒有平面適合打孔，因此前蓋與兩個(gè)側(cè)板通過電焊連接在一起，而且，焊接密閉性比較好，可以有效防止清洗過程中，多余飛濺的水花順著鐵板壁流下并從各支撐板的縫隙中流出。底板前蓋側(cè)板電機(jī)擋板后蓋后蓋電機(jī)擋板底板前蓋側(cè)板電機(jī)擋板后蓋后蓋電機(jī)擋板圖2-2道路護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)機(jī)架示意圖

2.2.2滾刷緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)護(hù)欄清洗機(jī)在工作時(shí)主要依靠高速旋轉(zhuǎn)的滾刷配合清潔用水來除去護(hù)欄上的灰塵、泥土等污漬達(dá)到清潔護(hù)欄的目的。但是在清洗過程中，護(hù)欄并非一塊平面，而是高低起伏，有間隙的，而護(hù)欄清洗機(jī)又一直沿著欄桿往前行駛，必定會(huì)導(dǎo)致一定程度的振動(dòng)。因此，要有一種緩沖機(jī)構(gòu)配合滾刷進(jìn)行道路護(hù)欄的清潔作業(yè)。43214321圖2-3滾刷緩沖機(jī)構(gòu)示意圖1-滾刷2-帶傳動(dòng)3-彈簧緩沖機(jī)構(gòu)4-支承板1）滾刷傳動(dòng)方案對(duì)比齒輪傳動(dòng)有效率高、承載力大、傳動(dòng)比精確的優(yōu)點(diǎn)。但是不擅長大中心距傳動(dòng)的場合，且造價(jià)比較高、需要良好的潤滑條件，否則開式齒輪的壽命將會(huì)大大降低。道路護(hù)欄清洗機(jī)的滾刷緩沖機(jī)構(gòu)，需要比較長的傳動(dòng)中心距，而滾刷中心與護(hù)欄仍有一定距離，即使在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，也不會(huì)產(chǎn)生過大的外力。因此考慮到成本、傳動(dòng)距離，齒輪并不合適。鏈傳動(dòng)具有能在惡劣環(huán)境下工作、可以應(yīng)用于較大中心距的傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、壓軸力小等特點(diǎn)，但是圖示機(jī)構(gòu)位于平行于地面的水平面中，鏈傳動(dòng)過程中將會(huì)受重力作用影響，另外高速旋轉(zhuǎn)下，鏈必須添加潤滑油，但是道路護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)并沒有足夠的條件添入潤滑油循環(huán)。帶傳動(dòng)具有緩沖吸震、結(jié)構(gòu)簡單制造成本低、可應(yīng)用于較大中心距的傳動(dòng)等特點(diǎn)?？梢杂行M足滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)距離傳動(dòng)和一定程度上提升了機(jī)構(gòu)的緩沖吸震能力。且?guī)ЬS護(hù)簡單，不需要潤滑油，便于大量生產(chǎn)和使用維護(hù)。綜上所述，滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案選用帶傳動(dòng)，可以降低護(hù)欄清洗機(jī)的生產(chǎn)維護(hù)成本，增強(qiáng)滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的吸震適應(yīng)能力。2）緩沖元件方案對(duì)比緩沖元件在滾刷緩沖機(jī)構(gòu)中承擔(dān)吸震減震和一定支撐能力的作用，以保證在道路護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的作業(yè)時(shí)，保持其工作位置、增強(qiáng)其護(hù)欄適應(yīng)性即可應(yīng)用于多種護(hù)欄，增加滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的使用壽命。緩沖元件必須具備以下條件：可以較長距離使用，具備一定的緩沖吸震功能，具有較長的使用壽命和防水防污能力，有較高的安全性，體積要求盡量小。氣動(dòng)彈簧是常見的緩沖支撐元件，廣泛用于生活和生產(chǎn)中，比如汽車的尾箱蓋的支承助力，是一種可以起支撐、緩沖、制動(dòng)、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等功能的工業(yè)配件，其工作原理可以滿足滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的工作。氣動(dòng)彈簧的特點(diǎn)是速度相對(duì)緩慢，動(dòng)態(tài)力變化不大，其特性在其他地方有良好的應(yīng)用前景，但是在護(hù)欄清洗機(jī)中，速度和動(dòng)態(tài)力的特點(diǎn)不適用于機(jī)器的微量高頻率變化的速度和力中。普通壓縮彈簧配合角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，壓簧是承受軸向壓力的\t"/item/%E5%8E%8B%E7%B0%A7/_blank"螺旋彈簧，壓簧的圈與圈之間有一定的間隙，當(dāng)受到外載荷時(shí)彈簧收縮變形，儲(chǔ)存變形能，達(dá)到緩沖吸震的效果。壓簧配合其他的固定、調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)較長距離的緩沖支撐作用，而且可以適應(yīng)于較高頻率的振動(dòng)。且不需要很高的精度，因此制造成本低、便于大量生產(chǎn)。綜上所述，普通壓簧相比于氣動(dòng)彈簧更適用于護(hù)欄清洗機(jī)的工作。3）滾刷緩沖機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如圖2-3的滾刷緩沖機(jī)構(gòu)為通過方案選擇后最終設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，其中包括四個(gè)部分，滾刷、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧緩沖機(jī)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)件，該機(jī)構(gòu)有一個(gè)動(dòng)力源，因此應(yīng)當(dāng)只有一個(gè)自由度，下面將計(jì)算其自由度。321圖2-4滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖321首先畫出滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2-4，彈簧部分用一個(gè)滑槽和一個(gè)焊接桿等效代替，其運(yùn)動(dòng)軌跡與原機(jī)構(gòu)一致。易知，該機(jī)構(gòu)有構(gòu)件三個(gè)，分別是圖2-4中的構(gòu)件1、構(gòu)件2、構(gòu)件3。該機(jī)構(gòu)低副4個(gè)，其中有三個(gè)旋轉(zhuǎn)副、一個(gè)移動(dòng)副。因此取n=3，p1=4，ph=0。由自由度計(jì)算公式 (2-1)代入n=3，p1=4，ph=0可知， F=3×3－(2×4＋1×0)=1 (2-2)證得該機(jī)構(gòu)的自由度為1，具有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足假設(shè)的只有一個(gè)動(dòng)力源的條件，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)合理，可以采用該方案作為滾刷緩沖機(jī)構(gòu)。2.2.3行走驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)護(hù)欄清洗機(jī)是自動(dòng)化機(jī)器裝置，要求能夠完成在泊油路面上穩(wěn)定低速行走，在傳感器自動(dòng)識(shí)別欄桿后，能自動(dòng)調(diào)整前進(jìn)方向，保證欄桿始終在工作區(qū)域即前蓋和后蓋的開口槽內(nèi)，防止道路護(hù)欄碰到前蓋和后蓋。另外需要保證噪聲不太大，防止噪聲污染，也符合環(huán)保安全的要求。因此，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最佳的方案，下面將討論用何種電機(jī)驅(qū)動(dòng)更適合于護(hù)欄清洗機(jī)的工況。方案一，后輪驅(qū)動(dòng)加前輪轉(zhuǎn)向，這種驅(qū)動(dòng)方式思路來源于汽車，優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，只需要后輪裝一個(gè)直流電機(jī)，前輪采用步進(jìn)控制，能大大減少電機(jī)的數(shù)量，節(jié)省制造成本。但是，這就造成了機(jī)械結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜，需要添加差速器，和其他一些輔助機(jī)構(gòu)來調(diào)整行駛方向，給本就不多的車身內(nèi)部空間帶來設(shè)計(jì)壓力。另外就是增添額外的零件和機(jī)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致車身變重，能耗變高。方案二，采用四輪差速驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)有成熟的控制技術(shù)，只需四個(gè)電機(jī)獨(dú)立安裝匹配車輪，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，相比于后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，這種控制方式更加善于調(diào)節(jié)行駛方向和距離，可以應(yīng)對(duì)瞬息萬變的馬路工況。另外減少了機(jī)械零件，減少了重量，使得效率有所提高。綜上所述，護(hù)欄清洗機(jī)清潔護(hù)欄更適合方案二四輪差速驅(qū)動(dòng)。

3選型計(jì)算3.1電機(jī)選型電機(jī)是機(jī)構(gòu)運(yùn)作的動(dòng)力源，是最重要的電氣元件之一，后續(xù)的計(jì)算都與電機(jī)有關(guān)，因此應(yīng)該首先根據(jù)工作情況，經(jīng)過受力分析后選擇轉(zhuǎn)速、扭矩、功率合適的電機(jī)，根據(jù)電機(jī)的參數(shù)來進(jìn)行其他機(jī)構(gòu)的選型。護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)中，有兩處需要電機(jī)作為動(dòng)力源，一處是滾刷，一處是護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的車輪，兩者的工況不同，對(duì)電機(jī)的性能要求也不同，下面將逐一分析兩者的工作情況，并經(jīng)過計(jì)算選型種類、功率合適的電機(jī)。1）滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的電機(jī)選型滾刷需要比較高的轉(zhuǎn)速以獲得足夠的動(dòng)能來清潔護(hù)欄上的污漬，并且憑借高轉(zhuǎn)速帶來的慣性甩開多余的水分。滾刷的旋轉(zhuǎn)速度不需要精確的控制，只需要保持一定的速度，因此不需要選用伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等可控制的電機(jī)。又在護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)上沒有交流電源，不能選用交流電機(jī)，因此選用直流電機(jī)。確定了電機(jī)類型后，首先要求出需求的電機(jī)功率。查閱了相關(guān)資料后，可確定滾刷所需要的的轉(zhuǎn)速為450rpm，下面將進(jìn)行受力分析。如圖3-1，分析受力時(shí)使用圓形代替滾刷，簡單模擬其在清潔護(hù)欄時(shí)的工作情況。其中Fn為支持桿件對(duì)滾刷通過中心的支撐力，F(xiàn)f為護(hù)欄對(duì)滾刷的摩擦力，滾刷在工作時(shí)其摩擦力不可能集中在滾刷邊緣，但為了計(jì)算結(jié)果的安全性，取其受力點(diǎn)為滾刷邊界。對(duì)應(yīng)于Fn的反力為Rn，對(duì)應(yīng)于Ff的反力為Rf。圖3-1滾刷受力分析圖已知滾筒尺寸為

?420mm，可得滾刷的半徑R=210mm。又轉(zhuǎn)速為450rpm，可換算成n=7.5r/s?？傻脻L刷邊界處的線速度為， （3-1）經(jīng)過查閱，摩擦力Ff約等于100N于是直流電機(jī)所需的功率， （3-2）考慮到帶傳動(dòng)的效率為0.98， （3-3）安全系數(shù)取S=1.5，則最終取電機(jī)功率P=1.5kw。經(jīng)過資料查閱，選取電機(jī)110BL168S150-430TKA，其參數(shù)表如下表3.1表3-1直流電機(jī)110BL168S150-430TKA參數(shù)表型號(hào)額定轉(zhuǎn)速rpm額定轉(zhuǎn)矩Nm額定功率w110BL168S150-430TKA30004.81500電機(jī)經(jīng)過減速器后，將轉(zhuǎn)速降低至900rpm，同時(shí)獲得更高的性能。2）車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)有著自動(dòng)沿著護(hù)欄行駛的功能，為滿足這一功能，需要可自動(dòng)控制的電機(jī)，因此不能選用直流電機(jī)。又由于護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要一定的精確度，可以選用直流伺服電機(jī)作為車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)。已知護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的整機(jī)重量約為400KG，即每一個(gè)車輪受到1000N的重力。由查閱資料可知，在行駛過程中，橡膠車輪與地面的摩擦系數(shù)μ為0.3。因此，每個(gè)輪子受到的摩擦力 （3-4）輪胎直徑d為

?250mm，則其半徑r為125mm，周長。又已知行駛速度v為6km/h，即。于是可得出每秒的車輪轉(zhuǎn)速，即電機(jī)轉(zhuǎn)速。 （3-5）由（3-4）和上述數(shù)據(jù)可推得，電機(jī)功率 （3-6）取安全系數(shù)S為1.5，則電機(jī)所需功率為 （3-7）經(jīng)過資料查閱，選取電機(jī)110BL168S150-430TKA，其參數(shù)表如下表3.2表3-2直流伺服電機(jī)SDGA-08C11AB參數(shù)表型號(hào)額定轉(zhuǎn)速rpm額定轉(zhuǎn)矩Nm額定功率wSDGA-08C11AB30002.387503.2帶傳動(dòng)選型滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的帶傳動(dòng)主要起到中遠(yuǎn)距離傳遞電機(jī)動(dòng)力并且進(jìn)行降速的功能，因此選用常規(guī)的V帶傳動(dòng)比較合適?，F(xiàn)對(duì)滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的帶傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。1）確定計(jì)算功率查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-8可知工況系數(shù)KA=1.1，于是有 （3-8）KA——工況系數(shù)Pca——計(jì)算功率2）選擇V帶的帶型小帶輪的計(jì)算功率Pca=1.65kw，小帶輪的轉(zhuǎn)速n=900rpm。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-11普通V帶選型圖，選取V帶帶型為Z型。3）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd并驗(yàn)算帶速v（1）首先選取小帶輪的基準(zhǔn)直徑。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-7V帶輪的最小基準(zhǔn)直徑，可知Z型帶的最小基準(zhǔn)直徑dd=50mm。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-9普通V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列，選取Z型帶中的50mm。（2）驗(yàn)算帶速v根據(jù)公式，代入d=50，n=900，可得v=2.356m/s。（3）計(jì)算大帶輪基準(zhǔn)直徑由公式dd2=idd1，設(shè)定傳動(dòng)比i=2，則大帶輪直徑為dd2=2×50=100mm。4）確定中心距a，并選擇V帶的基準(zhǔn)長度Ld根據(jù)實(shí)際機(jī)構(gòu)需要，選擇中心距ɑ=650mm。根據(jù)中心距及帶輪直徑計(jì)算基準(zhǔn)長度。（3-9）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-2普通V帶的基準(zhǔn)長度Ld及帶長修整系數(shù)KL，選取帶的基準(zhǔn)長度Ld=1540mm。重新計(jì)算調(diào)整后的中心距 （3-10）5）驗(yàn)算小帶輪的包角α1根據(jù)公式（3-11）可知，小帶輪包角大于120°，經(jīng)驗(yàn)算可知，帶輪和帶的計(jì)算參數(shù)合格。6）確定帶的根數(shù)z查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-6包角修正系數(shù)，可知Kɑ=0.99。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-2普通V帶的基準(zhǔn)長度L及帶長修整系數(shù)KL。可知KL=1.54。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-4單根普通V帶的基本額定功率P0，可知P0=0.26查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-5單根普通V帶額定功率的增量△P，可知△P=0.04。由上述查閱的參數(shù)，可以根據(jù)公式（3-12）因此取帶根數(shù)Z為4根。7）確定帶的初拉力F0根據(jù)公式（3-13）可得帶傳動(dòng)的壓軸力F0為134.19N。8）計(jì)算帶傳動(dòng)的壓軸力根據(jù)公式（3-14）因此，可得帶傳動(dòng)的壓軸力FP為1072.725N。3.3軸承校核護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)中的軸承主要在滾刷緩沖機(jī)構(gòu)中，安裝軸承的軸直徑為20，因此軸承的內(nèi)徑定為?20mm，主要承受軸向載荷，可能帶有較小的橫向載荷，因此選用深溝球軸承作為軸承類型。由前面章節(jié)的計(jì)算可知，每個(gè)輪子所受重力為1000N，采用對(duì)稱分布，因此每個(gè)軸承受到載荷P=500N。在護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的工況下，當(dāng)量動(dòng)載荷即為P。又由第三章電機(jī)選型的計(jì)算中得知，車輪的線速度為v=1.667m/s，且已知車輪的直徑為D=?250mm，由下列公式可算得車輪轉(zhuǎn)速，即軸承的轉(zhuǎn)速。 （3-15）得出軸承的轉(zhuǎn)速n=270.299r/min。護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)每天工作8小時(shí)，工作年限為10年，則預(yù)期壽命設(shè)為Ln=29200h，根據(jù)下列公式可以得出軸承的基本額定載荷。（3-16）經(jīng)過綜合考慮，選取型號(hào)為UCP204的深溝球軸承，查表得其基本額定載荷為6400N，軸承壽命由下列公式可推出。（3-17）其中ε為3，因?yàn)槭乔蛐螡L子。可知算得的軸承壽命遠(yuǎn)大于所需的軸承壽命。該軸承驗(yàn)算合格，可以承擔(dān)工作任務(wù)。3.4彈簧選型1）滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的受力分析滾刷緩沖機(jī)構(gòu)中，彈簧起到緩沖作用，下面將計(jì)算彈簧的受力并且進(jìn)行彈簧的選型工作。首先假設(shè)條件，在護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的工作過程中，滾刷緩沖機(jī)構(gòu)受的的力和位移很小，因此，假設(shè)在滾刷緩沖機(jī)構(gòu)工作的過程中，彈簧的軸線始終不彎曲，一直保持為一條直線。以此為初始條件，進(jìn)行受力分析。L2L1F2FNF彈L2L1F2FNF彈βɑF1ɑ圖3-3彈簧受力分析圖如圖3-3為滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的桿件受力分析圖，其中FN是清潔時(shí)來自護(hù)欄的反力，毛刷與護(hù)欄的摩擦力已經(jīng)由帶傳動(dòng)抵消，因此彈簧主要用于對(duì)抗來自護(hù)欄的反力。同時(shí)，機(jī)架將承受彈簧和護(hù)欄的分力，以此達(dá)到受力平衡。已知參數(shù)L1=L2=325mm，ɑ=β=60°，經(jīng)過資料查閱，可知護(hù)欄的反力一般FN在80N~100N之間，因此取FN=90N。則 （3-18） （3-19）于是，可得彈簧彈力 （3-20）得到彈簧所受的彈力為155.88N。2）彈簧設(shè)計(jì)（1）選擇彈簧材料根據(jù)滾刷緩沖機(jī)構(gòu)的具體情況，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16-2，選取60Si2Mn作為彈簧的應(yīng)用材料，60Si2Mn通常作為重要彈簧的材料。（2）選擇繞旋比C并計(jì)算曲度系數(shù)K繞旋比C的通常范圍是5~8，取繞旋比C=5，則根據(jù)公式 （3-21）于是有K值為1.3105。（3）初設(shè)彈簧中徑D，估取彈簧絲直徑d0根據(jù)安裝空間，初設(shè)彈簧中徑D=40mm。由公式，可推算出d0=8mm。（4）試算彈簧絲直徑d首先要計(jì)算彈簧絲內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力，由公式 （3-22）可算得τ=40.64N/mm2，即τ=4.064×105Pa。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16-2,60Si2Mn的許用應(yīng)力為480MPa，許用應(yīng)力[τ]＞4.064×105Pa，證明材料合格。于是由公式 （3-23）于是彈簧絲直徑d=8mm可以滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，選取中徑?40mm，彈簧絲直徑?8mm，長度130mm的彈簧。

4三維建模本章將通過三維設(shè)計(jì)建模，繪制出護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的概念圖，供閱讀者更直觀地理解本設(shè)計(jì)。本章將分為兩個(gè)部分，整機(jī)三維圖和部分機(jī)構(gòu)三維圖。4.1整體三維建模圖4-1為護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。整機(jī)三維設(shè)計(jì)包括機(jī)架、滾刷緩沖機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部分、供水系統(tǒng)，其中，供水系統(tǒng)并非本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)，而是作為空間布局參考進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，包括水箱、水泵、可拆卸的供水水管。32413241圖4-1三維總裝圖1-機(jī)架2-滾刷緩沖機(jī)構(gòu)3-驅(qū)動(dòng)部分4-供水系統(tǒng)4.2部分機(jī)構(gòu)三維建模本節(jié)的主要內(nèi)容為機(jī)架、緩沖滾刷機(jī)構(gòu)的三維建模的解釋說明。下面將從結(jié)構(gòu)和功能的角度出發(fā)，借助三維模型，對(duì)上述兩個(gè)部分作具體描述。1）機(jī)架在第二章第一節(jié)中，已經(jīng)對(duì)機(jī)架的方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，這一節(jié)將通過直觀的三維模型，對(duì)機(jī)架的各部分功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充說明。如圖4-2為機(jī)架的三維模型圖，本設(shè)計(jì)通過隔板將護(hù)欄自動(dòng)清潔機(jī)的內(nèi)部分為了三個(gè)區(qū)域，分別為清潔作業(yè)區(qū)域、水箱存放區(qū)域和電氣元件區(qū)域，其中護(hù)欄的清潔將在清潔作業(yè)區(qū)域進(jìn)行，由滾刷緩沖機(jī)構(gòu)執(zhí)行。2121圖4-2機(jī)架三維模型1-清潔區(qū)2-電氣元件存儲(chǔ)區(qū)3-水箱存儲(chǔ)區(qū)2）滾刷緩沖機(jī)構(gòu)如圖4-3為滾刷緩沖機(jī)構(gòu)三維模型，該機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，下面將通過三維模型展開描述其結(jié)構(gòu)和功能。滾刷緩沖機(jī)構(gòu)由4部分組成，分別為滾刷、支撐結(jié)構(gòu)、彈簧鉸鏈、帶傳動(dòng)。工作時(shí)該機(jī)構(gòu)各部分相互配合完成任務(wù)，帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾刷作業(yè)。滾刷受外力繞軸承旋轉(zhuǎn)，彈簧鉸鏈承受自支撐板上傳遞的變力，起到緩沖吸震的作用。34213421圖4-3滾刷穿沖機(jī)構(gòu)1-滾刷2-彈簧鉸鏈3-支撐結(jié)構(gòu)4-帶傳動(dòng)如圖4-4為彈簧鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖。彈簧鉸鏈分為三個(gè)部分，分別為鉸鏈、伸縮桿和彈簧。工作時(shí)，桿1在受力時(shí)縮進(jìn)桿2中，使得彈簧收到壓力的同時(shí)起到導(dǎo)向的作用。圖4-4彈簧鉸鏈三維模型3）驅(qū)動(dòng)部分如圖4-5為驅(qū)動(dòng)部分示意圖。驅(qū)動(dòng)部分由車輪、兩個(gè)軸承座、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)組成。而步進(jìn)電機(jī)和軸承座則通過螺栓和電機(jī)隔板上的通孔與機(jī)架連接固定。圖中軸承座為設(shè)計(jì)軸承座，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以鎖住軸承防止其相對(duì)移動(dòng)。圖4-5驅(qū)動(dòng)部分示意圖5結(jié)束語通過本次護(hù)欄清洗機(jī)的設(shè)計(jì)，令我對(duì)于設(shè)計(jì)有了給清晰的認(rèn)知，也認(rèn)知到了自己的不足。如今城市交通發(fā)展迅速，公路護(hù)欄由于受車輛尾氣、灰塵黏附及其他因素影響，表面出現(xiàn)了不同程度的污染，而人工和清洗車均有其局限性和實(shí)際應(yīng)用上的問題。而護(hù)欄清洗裝置勢必會(huì)向自動(dòng)化和智能化的方向邁進(jìn)，且自動(dòng)化的清洗設(shè)備可以降低長期成本、減少維護(hù)費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)高效率的清潔，本次護(hù)欄自動(dòng)清洗機(jī)的設(shè)計(jì)就是個(gè)人向這個(gè)方向邁進(jìn)的第一步。本次設(shè)計(jì)的主要工作和個(gè)人收獲如下：（1）對(duì)設(shè)計(jì)工作有了透徹的理解，同時(shí)端正了自己原先對(duì)設(shè)計(jì)工作不正確的態(tài)度；（2）加深了自己對(duì)設(shè)計(jì)的理解，也懂得了設(shè)計(jì)不是一蹴而就便可達(dá)成的事情，而是一個(gè)需要進(jìn)行反復(fù)修改驗(yàn)證的過程；（3）對(duì)清洗機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)器的理解逐步加深，對(duì)其各個(gè)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)行原理的認(rèn)知不斷提高；（4）學(xué)會(huì)如何對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選取、計(jì)算和調(diào)用，懂得了應(yīng)該如何對(duì)電機(jī)、氣缸等進(jìn)行計(jì)算和選型；（5）學(xué)會(huì)了如何正確而精準(zhǔn)地找到自己所需及相關(guān)的資料的方法；（6）通過各渠道了