机械创新设计论文22926

机
械
创
新
设
计
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。