小型遠程遙控掃雪車設計

熊文正 王殿君 王卓 喬磊 李時尚 王志發

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

關鍵詞：掃雪車;遙控;設計

我國東北地區有著漫長的冬季，積雪給人們正常的生產、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遙控掃雪車設計方案

本遙控掃雪車主要包括六大主體結構，中心主體結構是傳動結構和集雪結構，其他結構有原動機、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構，拋雪裝置主要是經過旋轉的葉輪將雪拋出，行走裝置為四臺遠程遙控的電機，速度可調，輕松、方便。其工作原理為：行走部共有4臺驅動電機分別控制掃雪車的四個輪子，四臺驅動電機通過遠程操控系統控制下的正反轉產生的差速來控制掃雪車的轉彎及前進、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過鏈傳動輸送給傳動軸，通過傳動軸帶動各個工作機構工作，傳動軸通過蝸輪蝸桿減速器進行調速，最后將其輸送到攪龍軸上，帶動攪龍葉片的運轉，完成掃雪的任務。動力源采用電機驅動，利用太陽能電池板儲存電能，節能、環保。遠程遙控部分選擇的芯片是戰艦stm32f103zett6，選用單片機作為本設計的控制系統硬件。

2遙控掃雪車的結構設計

2.1驅動系統設計

利用電機獨立驅動的方法可以使傳動的效率提高，成本減少，還能讓差速轉向、原地轉向得以實現。改變電流的大小和方向便可以實現平穩換向和變速，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，遠程遙控掃雪車單個輪子所需電機功率定為35W，所選電機額定轉速為3000r/min。

2.2傳動機構設計

遙控掃雪車的動力由電動機提供，經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，應保證i≤6，若i>6，鏈條與鏈輪之間的嚙合數將減少，使得嚙合輪齒加速磨損，同時也會發生跳齒、脫鏈。選擇i=1.4，z1=25，則大鏈輪齒數為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集雪裝置的設計

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

集雪裝置有很好的破、集、拋這三大功用。其中，攪龍機構的旋向設計為左邊左旋、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的運轉。

（1）攪龍軸的設計：

根據要求，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。軸的轉速：n3≈61.58r/min;軸的輸入功率為：P3=0.75P2≈1.52kw;軸的轉矩為：T=2.37×105N·mm。

（2）攪龍葉片的設計

攪龍葉片是本次設計中的核心裝置，它的設計將影響整體產品的成效。為更好的實現將雪輸送到中間部分的功能，將其設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。葉片內外徑及節距是攪龍葉片的主要設計參數，現初步設計攪龍葉片的參數如下：

葉片外徑：D=360mm;葉片內徑：d=48mm;節距：P=70mm;外螺旋線實長：L≈1133.14;內螺旋線實長：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總體設計

遠程遙控掃雪車采用模塊化的設計思路，通過模塊化搭建一個硬件的控系統，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試這重要的作用，可以減少大量的排查工作。硬件控制系統的主要部分有：開發板 stm32 模塊、電源和控制器模塊、電動機和驅動器模塊，無線通訊和控制器模塊，STM32開發板ALIENTEK。

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

4總結

遠程遙控掃雪車通過電機、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動等實現攪龍軸的轉動達到清雪的目的，通過遙控器可以遠程遙控掃雪車的前進速度及轉向等功能。該設計的掃雪車體積小，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狀及發展趨勢 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控系統架構及控制模型 機電一體化 2017.12

[3]肖玲 電子遙控車設計 現代信息科技2019年12月24期

[4]馬丹，陳文，張勇，柏龍 基于5G網絡的遠程遙控業務實踐及探索 郵電設計技術2020年1月

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