电动清扫车设计—机械工程毕业设计

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摘要

随着公路建设的发展及管理现代化，以及城市路面和广场环卫管理现代化的需要，路面清扫车的应用俞来愈广。其作用是将道路或广场地面上的垃圾，灰尘吸取并存储于车辆集尘箱内，便于集中倾卸到垃圾集中点，已达到清洁地（路）面的目的。传统的扫路车尾气污染和噪音污染相对来说较大。随着国家对环保要求越来越高，人们的环保意识普遍增强，现有清扫车就将很难适应需要。因此开发环保型路面清扫车已是大势所趋。环保型清扫车采用电机驱动替代使用柴油的副发动机驱动，降低能耗、降低机械故障率、减少了环境污染

电动清扫车是一种结构简单，清洁环保的清扫工具,作为环卫设备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备.本文分析了清扫车的主要结构，对主要设计参数进行了研究。其中主要是对电动清扫车相对传统清扫车的优点进行分析。然后进行了总体设计计算，其中主要是传动系统的设计。

关键词：总体设计，电动清扫车，驱动方案

ABSTRACT

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With the development of highway construction ，modernization of management, and the needs of modern management of squares sanitation and urban roads, the application of pavement sweeper is becoming increasingly wide. It inhales the ground garbage of squares and roads,and stores them within the dust-collection box to clean the city road.The gas pollution and noise pollution of traditional sweeper is relatively serious. As the stste’s increasingly high demands for environmental protection,people's awareness of environmental protection is generally enhanced .The existing sweeper will be difficult to meet requirements. Therefore, development of environmentally friendly road sweeper is the general trend. Environmentally friendly road sweaper use electric motor instead of diesel engines to drive itself.Consequently,it reduces energy consumption, and reduces the mechanical failure rate, reduces environmental pollution

Electric Sweeper is a simple, clean and environmentally friendly cleaning equipment.As one of sanitation-protection equipment, garbage collection and transportation as one of the new and efficient cleaning equipment. This paper analyzes the sweeper of the main structure of the The main design parameters were studied. Mainly for electric sweeper sweeper advantages relative to traditional analysis. Then the overall design calculations, mainly transmission design.

Key word:Overall design, Electric sweeper,Driver program

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目录

摘要 (1)

第一章引言 (5)

1.1清扫车概述 (5)

1.2电动车的基本概况 (5)

1.3清扫车工作原理 (6)

1.4本课题的研究内容 (6)

第二章驱动方案的设计 (8)

2.1总体方案的提出 (8)

2.2驱动方式选择 (8)

第三章道路清扫车总体参数 (11)

3.1清扫车的主要尺寸参数 (11)

3.2清扫车主要性能参数 (11)

第四章道路清扫车总布置设计 (12)

4.1确定基准线 (12)

4.2各部件的布置 (12)

第五章电瓶的选择 (14)

5.1蓄电池的种类、用途、特点和选择 (14)

5.2影响电池容量和寿命的因素 (14)

5.3电瓶的布置 (16)

第六章电动机的选择 (17)

6.1整车对电机驱动系统的基本要求 (17)

6.2电动机类型 (17)

6.3交流电机的选择 (19)

第七章传动方式的设计 (21)

7.1齿轮的设计 (21)

7.2齿轮轴的设计 (26)

第八章清扫装置的设计 (30)

8.1清扫装置的组成及其功能 (30)

8.2清扫装置的性能 (30)

8.3盘刷功能结构 (32)

结论 (34)

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参考文献 (36)

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第一章引言

1.1清扫车概述

随着经济的发展和社会进步，人们对生存质量的要求愈来愈高，交通便捷也越来越成为社会发展的迫切要求，高等级公路以空前的速度发展，道路的清扫和保洁也越来越受到有关部门的重视，多年来形成的人工清扫的格局显然已经不适应我国高等级公路发展的客观要求，人工清扫尘土飞扬，严重影响清洁人工的身体健康，也不可避免的造成环境的二次污染，公路车辆的高速行驶还对清洁工人的生命安全造成潜在威胁。路面清扫车作为环卫设备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备。可广泛应用于干线公路，市政以及机场路面、城市住宅区、公园等道路清扫。路面清扫车不但可以清扫垃圾，而且还可以对道路上的空气介质进行除尘净化，既保证了道路的美观，维护了环境的卫生，又维持了路面的良好工作状况，减少和预防了交通事故的发生，延长了路面的使用寿命。目前在国内利用路面清扫车进行路面养护已经成为一种潮流，但相比于国外发达国家，我国路面清扫车不管从销量规模、技术水平、清扫效果等方面都存在一定的差距。目前的扫路车尾气污染和噪音污染相对来说较大。随着国家对环保要求越来越高，人们的环保意识普遍增强，现有清扫车就将很难适应需要。因此开发环保型路面清扫车已是大势所趋。环保型清扫车采用电机驱动替代传统的使用柴油的副发动机驱动，降低能耗、降低机械故障率、减少了环境污染；由于电机噪声低，减少了噪声污染，也避免了噪声引起的操作人员疲劳和对道路及周边居民的影响。

所以，综合以上的利弊，我们决定利用电瓶作为驱动力源，设计出完整的既对环境无污染又可以节省劳动力的电动清扫车。电瓶（蓄电池）驱动的车就是我们常说的“电动车”，顾名思义，以蓄电池为能源电动机为牵引，根据蓄电池容量可大可小。电动车可用可控硅调速，比传统的机械调速运行更稳定而且没有噪音等优点。

1.2电动车的基本概况

作为清洁，节能的新型交通工具，电动车具有无与伦比的优势。它在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪声小，不断消耗汽油；可应用多种能源，结构简单，使用维修方便。因此，电动车受到世界各国的欢迎，被人们称为“明日之星”。

电动车又是高科技的产物，它集光、电、化学各学科领域的最新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等

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工程技术中最新成果的集成产物。电动车以车载电源为动力，由电机驱动车轮行驶，符合道路交通与安全法规各项要求的车辆，它包括电动车、电动摩托车和电动自行车等。现代电动车具有清洁无污染、动力源多样化、能量转换效率高、结构简单、使用维修方便等特点，被称为“21世纪的绿色环保汽车”。电动车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已经有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除了人们对石油资源日渐枯竭的担心。电动车还可以充分利用晚间用电低谷时富于的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。

有些研究表明，同样的原油经过粗炼送至电厂发电，经充入电池，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。此外，由于电动车取消了内燃机，开车时听不到震耳欲聋的发动机轰鸣声。因此，人们不用担心车辆的噪声污染。正是这些优点，使电动车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。

1.3清扫车工作原理

该型清扫车属扫吸结合式清扫车，是由汽车底盘，电机驱动系统，风机装置，吸嘴装置，清扫装置，垃圾箱，液压系统，喷水系统，电气系统等总成装置组成。

其工作原理是由无刷直流电机单独驱动各种安装于车架和副车架上的专用工作装置，在行驶中利用液压传动旋转的扫盘把垃圾扫拢至中部，然后由吸嘴处抽吸进垃圾箱，清除路面的砂土和各种常见垃圾，并通过喷水减少清扫扬尘，同时采用污水循环压尘技术，可最大限度降低二次扬尘污染。

1.4本课题的研究内容

选择最佳的驱动系统是设计电动汽车的关键，而电动机的性能直接决定着驱动系统的性能，所以电动机的选择成为设计电动汽车驱动系统的主要基础。

在本文中，以交流三相感应电机驱动后轮的电动清扫车为研究对象，聚焦于驱动系统的设计，实现其以低速在平坦的公路上行驶的最基本功能，主要在以下几个方面进行了分析研究及设计。

(1) 驱动方式：

按发动机和各总成相对位置的不同，现代汽车的布置与驱动方式是不同的。

(2) 电瓶的选择：

清扫车以蓄电池能源，只要有电能的供应，电动车就有了取之不尽的动力源

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(3) 电动车用电机的研究：

电动机是电动车区别于传统汽车的关键部件。驱动电动机的性能特点直接影响和制约着电动车辆的性能，对电动机性能的研究和把握是研究和把握整车性能的关键因素之一。

(4) 传动系统的设计：

齿轮传动传动比稳定、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长。根据所设计的传动方案，选择大小齿轮的类型，材料并计算出大小齿轮的参数。

齿轮轴受弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。选择齿轮轴的材料，并对其进行强度校核。

(5) 主刷装置结构设计与计算。

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第二章驱动方案的设计

2.1总体方案的提出

根据清扫车作业特点，按清扫车作业功能分成行走、洒水、扫地、吸尘及控制等五个子功能，采用电机驱动以实现手工和遥控两种控制方式。该清扫车属扫地、吸尘功能结合吸空式清扫车。

2.2驱动方式选择

按发动机和各组成部分相对位置的不同，现代汽车的布置与驱动方式通常有5种

图2-1 汽车的驱动方式

方案1，前置后驱（FR）

即发动机前置、后轮驱动，这是一种传统的发动机布置与驱动方式。国内外的大多数货车、部分轿车和部分客车都采用这种形式。采用这种驱动方式的汽车，它的前轮承担转向，后轮承担驱动，发动机输出的动力通过离合器、变速器、传动轴输送到后驱动桥上，并在此得到减速增扭后传送到左、右半轴上，驱动后轮使汽车运行。优点是前后轮各司其职，转向与驱动分开，负荷分布比较均匀；缺点是由于传动轴从前面的发动机一直传到后桥上，使车内地板中间凸起，车内座椅不好布置。

方案2，前置前驱（FF）

即发动机前置、前轮驱动，这是20世纪70年代末才真正兴世纪起和在技术上逐渐完善的驱动形式，现在大多数中小型轿车都是采取这种方式。它将变速器之后的东

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此驱动方式具有较多的优点：操纵机构简单、发动机散热条件好；没有纵向传动轴，轿车地板不必为它凸起一条通道，有利车厢内的布置；车架不必为后桥腾出空间位置，可以降低车身高度，有助于行车的稳定性；发动机横置缩短了发动机舱的长度，有利于汽车的小型化，而在汽车总长不变的情况下能增大客舱的长度和空间；前轮成为驱动轮，变成了“拉”着汽车前进，有利于方向控制。其缺点是：上坡时汽车质量后移，使前驱动轮的附着质量减小，驱动轮易打滑；下坡制动时则由于汽车质量前移，前轮负荷过重，高速时易发生翻车现象。

方案3，后置后驱（RR）

即发动机后置、后轮驱动，在大型客车上多数采用这种布置形式，少量微型和轻型轿车也采用这种型式。

方案4，中置后驱（MR）

即发动机放在乘客航与车后轴之间并利用后轮驱动。这种驱动方式只用在一些高性能跑车上，在普通的轿车上较难看到。中置后驱的最大特点就是将车辆中惯性最大和沉重的发动机置于汽车的中部，使汽车能获得最佳的运动特性，因为车的车身重量分布能达到最理想的平衡。可以这样说，此车兼具的优点，方向灵敏准确，制动时不会出现头重尾轻的现象。有一个先天不足，即直线稳定性较差，为解决这一问题，所有的车后轮均比前轮大。

方案5，4轮驱动（4WD）

4轮驱动又称全轮驱动，顾名思义，这是指汽车前后的轮子都有动力驱动，可以按照行驶路面状态的不同而将发动机输出扭矩分别分布在前后所有的轮子上，提高汽车的行驶能力。

考虑到清扫车主要在城市路面行驶，其行驶速度比较低，一般是 30 km／h左右，作业速度更小。所以在设计时,设计一专用底盘,采用液压系统来实现清扫车的行驶和作业系统的工作。对于清扫车的行驶驱动采用泵控马达的型式,即通过一个主泵带动两个车轮马达驱动清扫车行驶。风机运转、扫刷运转也是通过泵控马达来实现。这种驱动型式省去了离合器、变速箱,结构简单。由于采用专用底盘,便于主要部件的布置。要求使得整车结构紧凑，传动效率高，维护简单，操作简便，考虑底盘的空间利用率，所以采用发动机中置，后轮驱动，这种布置的特点使是驾驶室的布置不受发动机的限制，噪声小、对载荷分配比较有利。

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图2-2 后轮驱动

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第三章道路清扫车总体参数

3.1清扫车的主要尺寸参数

（1）轴距L

轴距短,最小转弯半径小,而纵向通过角却大,通过性好。但轴距过短,会造成垃圾箱长度不足或前、后悬过长,制动或上坡时轴荷转移过大,使得车本身的制动性和操纵稳定性变坏。目前, 国内使用的中型清扫车的轴距多为1.5～1.7 m。笔者设计的清扫车取轴距为1.5 m。

（2）前、后轮距B

轮距增大,对增大垃圾箱宽度与提高车身横向稳定性有利,但轮距过大,使得清扫车总宽和总质量增大。由于清扫车要求有一定的清扫宽度,相应的对清扫车的总宽有一定的要求,确定轮距B =1300mm。

（3）前悬L1和后悬L2

前悬要有足够的长度固定清扫结构,后悬的长度取决于垃圾箱的长度及电动机、泵、油箱所占有的空间。这样前悬、后悬均在1.0m左右。

（4）外廓尺寸

根据设计目标及作业系统的布置、垃圾箱的尺寸要求,确定该清扫车的外廓尺寸:2.6m×1.5m×2.1m

3.2清扫车主要性能参数

（1）清扫车的最高车速V max

清扫车的最高车速是指作业完毕,返程的最高车速,根据设计目标,这里取V max = 16km/h左右。

（2）清扫车的作业速度

根据路面的干净程度,清扫车的作业速度设定为8km/h左右。

（3）清扫宽度Bk

清扫宽度为(1+β)倍车宽,β的取值根据清扫作业装置结构和清扫车的设计目标确定。按设计要求选为1800mm。

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第四章道路清扫车总布置设计

4.1确定基准线

基准线包括:车架上平面,它作为垂直方向尺寸的基准面;前轮中心线,它作为纵向尺寸的基准线;清扫车中心线,它作为横向尺寸的基准线;地面线,此线是标注接近角、离去角和离地间隙等尺寸的基准线。

4.2各部件的布置

（1）发动机和泵的布置

由于全液压清扫车驱动部分是泵控马达型式,而风机的运转和扫刷的运转也是泵控马达的型式,所以清扫车的动力源泵有三个。考虑到整车的结构,采用直连的布置型式。由于省略了离合器,使得整车结构紧凑,传动效率高,维护简单,操作简便

（2）驾驶室的布置

主要考虑到以下因素:驾驶室的地板线与车架上平面应有一定距离,以保证地板下操纵杆件有足够的运动间隙;驾驶室的视野必须开阔,以保证驾驶员能很好的判断路面清扫状况;驾驶室后围有足够的空间保证风机管道的通过;驾驶室内部的控制面板因为按钮比较多,应方便驾驶员操作。综合考虑上述因素,驾驶室整体布置在底盘上,并保证驾驶员的视野。控制面板布置在驾驶室前端,方便驾驶员操作;工具箱布置在驾驶员的座椅下,蓄电池布置在副驾驶员座椅下,以提高驾驶室的空间利用率;驾驶室后围留出一定的空间布置吸口管道。

（3）作业系统的布置

作业系统主要包括扫刷,吸口、喷水管,主要考虑以下影响因素:扫刷和吸口与地面应有一定的距离,使得作业系统能够根据路面情况自动调节与地面接触的距离,并且清扫完毕时扫刷和吸口有足够的空间升起;扫刷和吸口之间应有一定的重叠,保证清扫作业时不留下长条形垃圾带;喷水管能够向扫刷内侧倾斜,以保证降尘效果。综合考虑上述影响因素以及整车的尺寸,扫刷和吸口布置在驾驶室下端,伸起后与地面的距离在70 mm 左右,喷水管向扫刷内侧倾斜45°左右。

（4）垃圾箱的布置

主要考虑以下因素:垃圾箱的长度适宜,以保证有合适的降尘区;风机布置在垃圾箱的顶盖上,风机的出风口必须通过垃圾箱的顶盖, 所以顶盖须设计成双层,并且有良好的密封, 保证气流通过;箱体内部需有过滤网,防止垃圾通过出风口降落到地面,造成二次污染;箱体应避让伸出底盘部分的主要零件。综合考虑上述影响因素, 垃圾箱整体布置在底盘上,风机布置在垃圾箱顶端,并设计专门的支架支撑风机。

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采用如下型式：由于清扫车宽度较大型，方向盘应布置在驾驶室的左侧,

因为清扫车作业时靠近路牙行驶, 采取这种布置型式的目的是保证驾驶员能很好的判断路面的洁净程度;制动系的管路和转向横拉杆均布置在驾驶室下面,并与清扫结构之间有一定的间隙,防止结构之间互相干涉。考虑以上一些原则,完成的中型液压驱动道路

清扫车的总布置设计结构图如图所示：

图4－1 总体分布结构图

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第五章电瓶的选择

汽车“电瓶”是汽车上储存电能的装置，学名称“蓄电池”。其作用包括:一是当汽车发动机起动时，向起动机提供电能，并由起动机将电能变为机械转矩，带动发动机的曲轴转动与此同时，蓄电池还向仪表、发电机的磁场线圈以及汽油机的点火系统等供电;二是在汽车运行过程中，当用电设备的用电量超过发电机的供电能力时，蓄电池协同发电机向用电设备供电当发电机出现故障时，则由蓄电池单独向用电设备供电，因此，蓄电池是汽车的第二电源;三是当用电设备负荷较小时，蓄电池接受发电机的充电，将电能储存起来;四是起到滤波器的作用。通过吸收用电负载突变时的过电压，防止损坏汽车上的电子设备。

5.1蓄电池的种类、用途、特点和选择

蓄电池的种类一般可分为铅酸电池、铅酸免维护电池及镍镉电池等，它们各自的特点如下:

铅酸电池:也称为汽车用电池(需加水维护)，充放电时会产生氢气，安置地点必须设置在通风处以免造成危险;电解液呈酸性，会腐蚀金属;价格低廉。

铅酸免维护电池:密封式充电不会产生任何有害气体，摆设容易，不需考虑安置地点通风问题，免保养，免维护;放电率高，特性稳定，价格较高。

镍镉电池:用于特殊场合及特殊设备上，水为介质，充放电不会产生.有害气体;失水率低，但需要固定时间加水及保养;放电特性最佳;可放置于任何恶劣环境。

蓄电池按用途可分为汽车启动用、工业用、铁路及其他用途。

怎样正确选购蓄电池型号:蓄电池的型号必须适当。型号选小了，造成小马拉大车，大电流放电会缩短电池的寿命;型号选大了，则不经济。对于常用的额定输出电压为12V的品种有：

6, 8,10,12,15,33,38,50,65,75,90,100,120,140,180,200AH。

选功能价格比：高价不一定有高质，但高质必定会有相对高的价格，货比三家，性能价格比最大的是首选。

选服务：厂家有没有完善的售后服务实力，有没有全国服务热线以及完善的服务网络，才能无后顾之忧[5]。

5.2 影响电池容量和寿命的因素

影响电池容量和使用寿命的因素有:电池的使用环境、环境温度、充放电电流、充电电压、放电深度、设计参数和制造工艺。设计参数和制造工艺为生产方因素，本文不讨论。电池寿命分为循环寿命、存贮寿命、使用寿命。循环寿命是指电池循环放

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（1）电池的使用环境：储存寿命随温度的增加而下降。当温度超过25℃时，温度每增高10℃ ,储存寿命被缩短一半。所以对暂时不用的电池应存储在低温、干燥的环境。工作的电池应尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，这样可以减少有害灰尘的腐蚀;还要避免受到阳光、加热器(如冬天用的取暖器)或其他辐射热源的影响。（2）环境温度：因为温度的降低，电解液的粘度增大，使离子运动受到较大阻力，扩散能力下降，所以蓄电池容量随温度的增加而增加;同样的放电量，由于容量增加，放电深度浅，放电循环次数增多，蓄电池循环寿命也随温度的增加而增加，在10℃——350℃，每增加1℃，增加5-6个循环;在35℃——45℃，每增加1℃，增加25个循环;而50℃以上，则因负极硫化，容量损失，寿命反而会下降。但储存寿命随温度的增加而下降。

（3）充放电电流：由于电池的可用量随放电电流的增大而降低，所以谈电池容量必须指明电池的放电率;常规的有20H率、10H率、5H率。电池充放电电流一般以C来表示，C的实际值与电池容量有关。举例来讲，如果是100AH的电池，则C=100A。如对额定容量为24AH的蓄电池，其放电电流大小与蓄电池实际可供使用的效率关系如下:放电电流过大或过小都会影响电池的使用寿命，放电电流过大，会使正极氧化铅脱落，放电电流过大，由于放电终止电压的上升，易过放电;放电电流一般要求在0.05 - 3C, UPS在正常使用中都能满足此要求，但也要防止意外情况的发生，如电池短路。（4）充电电压：过充电时有大量气体析出，活性物质受气体的冲击而脱落，使电池寿命降低;由于UPS电池属于备用工作方式，市电正常情况下处于充电状态，只有停电时才会放电。如果充电电压过高就会使电池过充电，反之会使电池充电不足。（5）放电深度：放电深度对UPS电池使用寿命的影响也非常大，电池放电深度越深，其循环使用次数就越少，因此在使用时应避免深度放电。虽然UPS都有电池低电位保护功能，一般单节电池放电至10.5V左右时，UPS就会自动关机。尤其要避免小电流下的深度放电，用大电流放电时，即使放电到电压相当低，但由于时间短，生成的硫酸铅较少，而小电流放电下，生成的硫酸铅明显增加，对于负极，由铅转化为硫酸铅体积膨胀，产生应力，会造成极板弯曲和活性物质脱落，影响电池寿命;如果UPS处于轻负载放电，即UPS在无市电输入的情况下，接入的负载容量远小于它的最大输出负载容量，会造成电池的深度放电。

（6）电池初充电：新的蓄电池在投入使用前，必须进行初充电，这和正常的充电不同，是需要较长时间的特别充电。因为电池负极活性物质为海绵状铅时，在电池的贮藏过程中，有部分受到氧化，必须还原为铅才能成为活性物质。对于普通铅蓄电池，