小型遠程遙控掃雪車設(shè)計

熊文正 王殿君 王卓 喬磊 李時尚 王志發(fā)

摘要：我國東北地區(qū)的中小城市有些道路狹窄并有坡度，清雪難度大。為此，設(shè)計一種小型遠程遙控掃雪車，可以實現(xiàn)遙控操作、自動清掃、自動行走等功能，大大提高了清雪的效率。

關(guān)鍵詞：掃雪車;遙控;設(shè)計

我國東北地區(qū)有著漫長的冬季，積雪給人們正常的生產(chǎn)、生活都造成了巨大影響。在我國北方的中小城市有些道路比較狹窄，尤其是道路有坡度的巷道，當(dāng)掃雪機機身過大和除雪速度過低時，會對道路交通造成很大的影響。因此，設(shè)計一種適用于有坡度且寬度較窄巷道的掃雪車有著非常實用的價值。[1]

1遙控掃雪車設(shè)計方案

本遙控掃雪車主要包括六大主體結(jié)構(gòu)，中心主體結(jié)構(gòu)是傳動結(jié)構(gòu)和集雪結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)有原動機、拋雪裝置、操作裝置、行走裝置。其中原動機采用的是電動機，螺旋狀的攪龍葉片是集雪裝置的主要結(jié)構(gòu)，拋雪裝置主要是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的葉輪將雪拋出，行走裝置為四臺遠程遙控的電機，速度可調(diào)，輕松、方便。其工作原理為：行走部共有4臺驅(qū)動電機分別控制掃雪車的四個輪子，四臺驅(qū)動電機通過遠程操控系統(tǒng)控制下的正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的差速來控制掃雪車的轉(zhuǎn)彎及前進、后退，掃雪車在四臺電動機的的推動下車體向前進。掃雪車的清掃部位由清掃電機提供動力。清掃電機將其動力經(jīng)過鏈傳動輸送給傳動軸，通過傳動軸帶動各個工作機構(gòu)工作，傳動軸通過蝸輪蝸桿減速器進行調(diào)速，最后將其輸送到攪龍軸上，帶動攪龍葉片的運轉(zhuǎn)，完成掃雪的任務(wù)。動力源采用電機驅(qū)動，利用太陽能電池板儲存電能，節(jié)能、環(huán)保。遠程遙控部分選擇的芯片是戰(zhàn)艦stm32f103zett6，選用單片機作為本設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件。

2遙控掃雪車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

利用電機獨立驅(qū)動的方法可以使傳動的效率提高，成本減少，還能讓差速轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向得以實現(xiàn)。改變電流的大小和方向便可以實現(xiàn)平穩(wěn)換向和變速，前進、倒退、制動、變速等動作。初擬遠程遙控掃雪車器人的重量為400kg，克服摩擦和壓力的作用，每個單獨的電機約為125N的力。由于負載比較平穩(wěn)，遠程遙控掃雪車單個輪子所需電機功率定為35W，所選電機額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。

2.2傳動機構(gòu)設(shè)計

遙控掃雪車的動力由電動機提供，經(jīng)由鏈傳動將動力輸出給傳動軸。再把傳動軸與蝸輪蝸桿減速器相連接，將動力傳達到蝸輪蝸桿減速器上，再傳達到攪龍軸上。從電機3000r/min到遠程遙控掃雪車的輪子轉(zhuǎn)速150r/min，總傳動比達到1：25，直接使用蝸輪蝸桿減速進行單級減速即可滿足要求，

對于傳動比的選擇，應(yīng)保證i≤6，若i>6，鏈條與鏈輪之間的嚙合數(shù)將減少，使得嚙合輪齒加速磨損，同時也會發(fā)生跳齒、脫鏈。選擇i=1.4，z1=25，則大鏈輪齒數(shù)為z2=i·z1=1.4×25=35。

1）小鏈輪的主要尺寸有

分度圓的直徑d11為：d11≈76mm;齒頂圓直徑分別為： ， ;齒根圓的直徑為：

2）大鏈輪的主要尺寸

分度圓的直徑為： ;齒頂圓直徑為： ; ;齒根圓的直徑為：

2.3集雪裝置的設(shè)計

因積雪是從集雪桶的中心經(jīng)由彎管排向道路的側(cè)邊，故需先設(shè)計攪龍葉片將雪匯集到儲雪桶中部，所以將轉(zhuǎn)子設(shè)計成由聯(lián)軸器鏈接的兩個旋向相反的螺旋軸。其中攪龍機構(gòu)將設(shè)計為帶狀螺旋葉片，這樣設(shè)計的好處在于有效的緩解儲雪桶的壓力，減輕發(fā)生堵塞的情況。

集雪裝置有很好的破、集、拋這三大功用。其中，攪龍機構(gòu)的旋向設(shè)計為左邊左旋、右邊右旋，這樣將有效的將兩邊的積雪運送到中心，然后將雪拋出。掃雪車的中心運轉(zhuǎn)部件是攪龍軸，它的中部與蝸輪相連接，兩邊都是使用軸承端蓋固定的，這樣有利于整個機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。

（1）攪龍軸的設(shè)計：

根據(jù)要求，軸的材料選擇45鋼制造。熱處理方式選擇正火、回火即可完成所需要求。軸的轉(zhuǎn)速：n3≈61.58r/min;軸的輸入功率為：P3=0.75P2≈1.52kw;軸的轉(zhuǎn)矩為：T=2.37×105N·mm。

（2）攪龍葉片的設(shè)計

攪龍葉片是本次設(shè)計中的核心裝置，它的設(shè)計將影響整體產(chǎn)品的成效。為更好的實現(xiàn)將雪輸送到中間部分的功能，將其設(shè)計為攪龍葉片在右邊的右旋，在左邊的左旋，且采用耐腐蝕性材料。葉片內(nèi)外徑及節(jié)距是攪龍葉片的主要設(shè)計參數(shù)，現(xiàn)初步設(shè)計攪龍葉片的參數(shù)如下：

葉片外徑：D=360mm;葉片內(nèi)徑：d=48mm;節(jié)距：P=70mm;外螺旋線實長：L≈1133.14;內(nèi)螺旋線實長：l≈166.25mm;葉片高：h=156mm;葉片展開里口徑：γ≈26.81mm;切口角度：α=4.85°;切口弦長：C≈15.47mm

3 遙控掃雪車的控制系統(tǒng)總體設(shè)計

遠程遙控掃雪車采用模塊化的設(shè)計思路，通過模塊化搭建一個硬件的控系統(tǒng)，模塊化便于安裝更換，同時也便于排查錯誤，對于最遠程遙控掃雪車器人的調(diào)試這重要的作用，可以減少大量的排查工作。硬件控制系統(tǒng)的主要部分有：開發(fā)板 stm32 模塊、電源和控制器模塊、電動機和驅(qū)動器模塊，無線通訊和控制器模塊，STM32開發(fā)板ALIENTEK。

戰(zhàn)艦中的stm32開發(fā)板中所需要選用的芯片是戰(zhàn)艦stm32f103zett6作為一個芯片中的mcu，該芯片開發(fā)板中的芯片已經(jīng)認為是戰(zhàn)艦stm32f103里面的一個硬件配置非常強大的了，它現(xiàn)在可以擁有的硬件資源主要功能包括64KB遙控器。

4總結(jié)

遠程遙控掃雪車通過電機、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動等實現(xiàn)攪龍軸的轉(zhuǎn)動達到清雪的目的，通過遙控器可以遠程遙控掃雪車的前進速度及轉(zhuǎn)向等功能。該設(shè)計的掃雪車體積小，操控方便、行動靈活。對寬度較窄且有坡度的巷道積雪，能實現(xiàn)快速清雪的目的。大大減少了人工的勞動強度。

參考文獻

[1]陳凱倫我國道路除雪機械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 黑龍江交通科技2017年第5期

[2]朱忠攀 吳憲 李剛 施超 低速無人清掃車遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及控制模型 機電一體化 2017.12

[3]肖玲 電子遙控車設(shè)計 現(xiàn)代信息科技2019年12月24期

[4]馬丹，陳文，張勇，柏龍 基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠程遙控業(yè)務(wù)實踐及探索 郵電設(shè)計技術(shù)2020年1月

[5]薛洪麗，冉玉梅，王棟棟，段忠臣，王澤民 手推式清雪車的設(shè)計機械研究與應(yīng)用·2016 年第 5 期