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哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文）
摘要
隨著城市化步伐的加快，道路的迅速增加，對環(huán)保要求的日益提高，導致城市對高壓清洗車的需求日益增長。開發(fā)具有自主知識產權的高壓清洗車也就成了我國城市環(huán)衛(wèi)事業(yè)中的重要課題，而且對提高我國專用車的設計水平，帶動我國環(huán)衛(wèi)車輛的自主設計開發(fā)具有重要意義。隨著2008奧運會的結束，北京等一些大城市更是加快了邁向國際化大都市的步伐，對城市環(huán)境質量要有更高的要求，因此，高壓清洗車作為清潔城市的“衛(wèi)士”應該是當前最具發(fā)展前景的專用汽車品種之一。
文中通過大量調研，改裝了一種以二類底盤為基礎，額定載質量為11t的灑水汽車。文中主要進行了由高壓水泵、液壓泵、液壓缸及底盤附屬裝置組成的水路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的設計。最后，對改裝完成后的高壓清洗車進行了必要的動力性、燃油經濟性和穩(wěn)定性等主要整車性能的計算分析，計算結果表明整車性能滿足要求。
關鍵詞 水泵；取力器；罐體
- I -
哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院
畢業(yè)設計（論文）
題 目 灑水車設計
專 業(yè) 交通運輸（汽車運用工程）
學 號 1079312205
學 生 張東輝
指 導 教 師
答 辯 日 期 2010年12月29日
哈工大華德學院
哈工大華德學院畢業(yè)設計（論文）評語
姓名： 張東輝 學號： 1079312205 專業(yè)： 交通運輸(汽車運用工程)
畢業(yè)設計（論文）題目： 灑水車設計
工作起止日期：__2010_ 年__10 月__11__日起 _2010___年___12_ 月__16__ 日止
指導教師對畢業(yè)設計（論文）進行情況，完成質量及評分意見：
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指導教師簽字： 指導教師職稱：
評閱人評閱意見：
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評閱教師簽字：_______________ 評閱教師職稱：_______________
答辯委員會評語：
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根據畢業(yè)設計（論文）的材料和學生的答辯情況，答辯委員會作出如下評定：
學生 畢業(yè)設計（論文）答辯成績評定為：
對畢業(yè)設計（論文）的特殊評語：
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答辯委員會主任（簽字）： 職稱：________________
答辯委員會副主任（簽字）：
答辯委員會委員（簽字）：___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________
年 月 日
哈工大華德學院畢業(yè)設計（論文）任務書
姓 名：張東輝 院 （系）：汽車工程系
專 業(yè)：交通運輸（汽車運用工程） 班 號：1079312205
任務起至日期： 2010 年 10 月 11 日至 2010 年 12 月 16 日
畢業(yè)設計（論文）題目：
灑水車設計
立題 立題的目的和意義：
目的：通過對噴灑車的設計，使在設計過程中懂得噴灑的基本原理，以及其他各個組成部分之間的關系，以及是如何進行匹配的，并且學會了進行基礎的匹配設計，其次是學會了如何將已經學過的理論知識和實際需求相結合的重要能力，學會了在技術快速更新的時代如何發(fā)現(xiàn)技術發(fā)展的趨勢，在搜集資料的過程中更使的信息檢索能力更上一個層次。
意義: 設計了罐體和取力器，并根據溶液在路面的需求量，選用了合適的水泵。根據參考資料，設計了噴頭。整個工作裝置的工作原理是：在汽車行駛過程中，行駛速度一定的情況下，利用汽車發(fā)動機輸出動力，通過變速箱中間軸四檔變速齒輪，用設計的取力器，通過取力器對從變速箱獲得的轉速的改變，使獲得轉速與選用的水泵的額定轉速相匹配，保證水泵能在穩(wěn)定的工況下正常工作。通過水泵排出從罐體內吸取的 水溶液，經過管道及噴頭，噴灑到路面上。通過整個工作裝置，使水溶液能夠均勻的噴灑到路面，不造成浪費，節(jié)約資源，提高工作效率。
：
技術要求：
（1）正確選擇水罐容積，噴頭尺寸，使之與動力匹配，以保證良好的經濟性；
（2）噴灑面積大，噴灑均勻；
（3）質量輕、承載能力強、工作可靠；
（4）貫徹零件標準化，部件通用化及總成系列化等遵守有關規(guī)定。
進度安排：
2010年10月13日開始，確定選題，收集資料，實際考察調研；
2010年10月22日開始，開題答辯，完成設計所需的整體設計方案；
2010年10月25日開始，開始計算設計的基本尺寸計算；
2010年11月03日開始，開始使用CAD進行零件圖和總裝圖的草圖繪制；
2010年11月26日開始，中期答辯，開始準備繪制正式圖紙，開始整理論文；
2010年12月10日開始，正式圖簽字，論文草稿要結束；
2010年12月12日開始，在三天內完成正式論文；
2010年12月12日開始，在三天內完成正式論文；
同組設計者及分工：
指導教師簽字___________________
年 月 日
系（教研室）主任意見：
系（教研室）主任簽字___________________
年 月 日
哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒 論
1.1 國內外發(fā)展狀況
近10年來，我國灑水車的裝備技術得到了迅速發(fā)展，產品的類型、功能已能基本滿足一般的作業(yè)要求。隨著經濟社會的快速發(fā)展、城市環(huán)境衛(wèi)生容貌和人們對生活環(huán)境質量要求的不斷提高，特別是2008年北京奧運會和2010年上海世博會的舉辦，對灑水車的裝備技術提出了更高的要求。灑水車及裝備將向集成化、環(huán)保化、人性化、數字化方向發(fā)展，由單一的作業(yè)功能特征向集作業(yè)、信息、監(jiān)管為一體的綜合功能特征方向發(fā)展，使國內環(huán)衛(wèi)裝備水平滿足現(xiàn)代化國際大都市發(fā)展的需求，并建立起具有一流技術、符合中國國情的環(huán)衛(wèi)作業(yè)裝備系統(tǒng)。
當今由于國外灑水汽車企業(yè)對國內市場不了解，要想進入中國市場，多會采取合資或合作的方式。國內生產企業(yè)應與外方進行積極的合作，學習其先進技術和管理方法，以盡快提高我國生產企業(yè)的技術水平和創(chuàng)新能力。我國原有的具有國際競爭力的灑水汽車品種以及入世后引進并形成生產能力的灑水車新品種，打入國際市場參與國際市場競爭，分析各國市場的不同需求，采取各種靈活的貿易方式，建立、健全自己的國際市場營銷網絡和服務體系，占領國際市場，在國際市場的激烈競爭中求生存、求發(fā)展。由于灑水車采用的多是專用設備和裝備，因此生產涉及到許多相關的專利技術和專有技術。這些技術可以通過技術轉讓或技術許可等技術引進方式獲得。但是，對于引進的技術只是加以消化、吸收是遠遠不夠的，更重要的是在引進技術的基礎上進行技術創(chuàng)新，形成企業(yè)的核心技術。同時，還要注意形成一個充滿活力的技術群體，從而培養(yǎng)自己的持續(xù)性的新產品研究開發(fā)和生產能力，并將其轉化為強大的市場進入和開拓能力。否則，我國灑水汽車生產企業(yè)就只能永遠跟在人家后面，處于國際市場競爭的不利地位。
1.2 設計的目的和意義
目的：通過對灑水車的設計，使學生在設計過程中懂得了改裝車的基本原理及構造，學會了基礎的計算，并且學會了進行基礎的匹配設計，將理論知識運用到實踐中，學會了在技術快速更新的時代如何發(fā)現(xiàn)技術發(fā)展的趨勢，在搜集資料的過程中更使信息吸取能力更上一個層次。
意義:灑水車具有應用范圍廣，工作效率高的優(yōu)點。并且隨著技術的不斷進步，功能在不斷的強化，生產和維修的成本在逐漸減小，灑水車的廣泛應用將會成為未來發(fā)展趨勢，所以對灑水車的構造、水罐、噴頭等各部分的選擇進行了設計計算。針對目前交通堵塞的現(xiàn)象，以及道路安全法規(guī)的要求，對于車整體的載重質量，車身尺寸，道路要求又做出了進一步設計，為車輛在道路上行駛提供方面，同時提高行駛安全性。 為大大提高工作效率，對于水罐的容積，以及噴灑范圍，取力裝置都有嚴格要求，此次要設計一款適用于中國市區(qū)內行駛的灑水車，省油、能高速運行，但最適合低速運行的噴灑工作，載重量過大的灑水車，屬于浪費，為工作帶來了不便，所以有很大的優(yōu)化設計空間，經過這樣的改進后就可以節(jié)約大量的成本，從而就更加具有競爭力。現(xiàn)在關于灑水車的分析和總結性的論文并不多，通過對結構的分析，典型故障的總結以及灑水裝置的設計，使對灑水車有了一次更加深刻的認識，最終的目的是為今后綠化工作，提供更廣闊的空間。
第2章 灑水車總體設計
2.1 質量參數的確定
2.1.1 整車整備質量
整車整備質量是指專用汽車帶有全部工作裝置及底盤所有的附屬設備，加滿燃料和水，但沒有載貨和載人時的整車質量。整備質量是一個重要設計指標，對專用汽車的動力性和經濟性有很大影響，整備質量減小，可以增加裝載量，節(jié)約燃料，是汽車設計工作中必須遵守的一項重要原則。
所選CA1163P7K2L2E底盤的整備質量為8000kg，由于在本次設計中加裝了水罐和專用工作設備，其整備質量要增大，估計其質量約為370kg。即灑水車整車整備質量為：
kg （2-1）
2.1.2 裝載質量
汽車的裝載質量是指在硬質良好路面上行駛時所允許的額定裝載量。對裝載質量的確定，首先要考慮車輛的用途和使用條件。其次，要和行業(yè)產品規(guī)劃的系列相符合，做到在裝載噸位級別上分布合理，以利于專用車產品的系列化、通用化和標準化。本次設計中，灑水車的裝載質量確定為7500kg。即
kg
2.1.3 汽車總質量
汽車總質量是指專用汽車裝備完好齊全，滿載（規(guī)定值）貨物及乘員時的質量。假設乘員質量為65kg/人，乘坐2人，汽車總質量的計算公式為：
（2-2）
改裝后高壓清洗汽車最大總質量在原車最大總質量范圍內，符合質量要求。
2.2 灑水車車型的選擇
專用汽車性能的好壞對專用汽車性能影響很大，通常專用車輛所采用的基本底盤按結構分可分為二、三、四類底盤，而該灑水車是在二類底盤的基礎上進行改裝設計。所謂二類底盤，就是指在基本型整車基礎上去掉貨廂。
專用汽車底盤的選擇主要是根據專用汽車的類型、用途、裝載質量、使用條件、專用汽車的性能指標、專用設備或裝置的外形、尺寸、動力匹配等決定，目前，幾乎80%以上的專用車輛采用二類底盤進行改裝設計。目前國內市場上底盤的種類多、品種全，如解放、東風、紅巖等系列底盤性能好，價格便宜，市場保有量大，選用的底盤也多為這些系列的產品。
一般專用改裝車輛在選用底盤時不但要根據專用汽車的類型、用途、裝載質量、使用條件、專用汽車的性能指標進行考慮，還從適用性、可靠性、先進性、方便性等方面進行比較分析，表2-1是常用二類底盤的性能對比列表：
表2-1 底盤性能對比列表
解放
東風
紅巖
適用性
適用于各類載重貨車及專用汽車特殊功能的要求
適用于各類載重貨車及專用汽車特殊功能的要求
適用于各噸位載重貨車的改裝設計要求
可靠性
工作可靠，出現(xiàn)故障的幾率少，零部件要有足夠的強度和壽命
工作性能好，故障率低，零部件要有足夠的強度和壽命
性能可靠，出現(xiàn)故障率低，各部件要有足夠的強度
先進性
動力性、經濟性、行駛平順性及通過性等基本性能指標和功能方面達到同類車型的先進水平
動力性、經濟性、操縱穩(wěn)定性等基本性能指標和功能方面達到同類車型的先進水平
動力性、經濟性、行駛平順性及通過性等基本性能指標和功能方面達到同類車型的先進水平
方便性
安裝、檢查保養(yǎng)和維修方便，結構緊湊
安裝、檢查保養(yǎng)和維修方便，結構緊湊
安裝、檢查保養(yǎng)和維修方便，結構緊湊
價格
較便宜
比較便宜
便宜
供貨來源
市場擁有量多
市場擁有量多
市場擁有量較多
常見噸位
各種噸位車型
各種噸位車型
輕、中型載貨車型
通過調研與分析，并結合本次改裝設計的特點，選用解放系列底盤相對較合理。確定CA1163P7K2L2E底盤作為本次灑水車的底盤，其主要技術參數見表2-2所
示：
表2-2 CA1163P7K2L2E底盤性能參數
解放單橋綠化噴灑車??主要技術參數
產品名稱：
解放單橋綠化噴灑車
外型尺寸：
8300×2660×2940
底盤型號：
CA1163P7K2L2E
貨廂尺寸：
××(mm)
總質量：
16000(Kg)
接近/離去角：
17/23(°)
額定質量：
7500(Kg)
前懸后懸：
××(mm)
整備質量：
8305(Kg)
最高車速：
95(km/h)
發(fā)動機：
CA6DE3-18E3，CA6DE3-22E3，BF4M1013-18E3-10，CA6DF3-18E3，CA6DF3-22E3，CA6DE3-18E3F，CA6DE3-22E3F，CA6DF3-22E3F，CA6DF3-18E3F
排量：
6618，6618，4764，6740，6740，6618，6618，7120，7120(ml)
功率：
136，162，136，136，162，136，162，162，136(kw)
生產廠家：
中國第一汽車集團公司，中國第一汽車集團公司，中國第一汽車集團公司，一汽解放汽車有限公司無錫柴油機分公司，一汽解放汽車有限公司無錫柴油機分公司，中國第一汽車集團公司，中國第一汽車集團公司，一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠，一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠
排放標準：
GB3847-2005,GB17691-2005國Ⅲ
軸數：
2
前輪距：
1914,1800/1860,1800(mm)
其它參數如下表所示：
軸距：
5400
后輪距：
1860,1800(mm)
輪胎數：
6
輪胎規(guī)格：
9.00R20,9.00-20,10.00R20,10.00-20
燃料種類：
柴油
彈簧片數：
4/4+3,10/12+8
軸荷：
6000/10000
駕駛室乘人數：
2
整車備注：
罐體外形尺寸(mm):長4800,長軸2100,短軸1400,罐體有效容積:11.29立方米。
專用性能：
1、灑水車的基本組成:防銹罐體,連通器,專用自吸式灑水泵,管網,噴灑出口,工作平臺,二類底盤。
2、罐體采用優(yōu)質武鋼碳鋼板材制作，采用大型卷板機一次成型，封頭及罐體結合處采用先進的弧形對接焊接工藝。
3、灑水車標準配置：前沖后灑、側噴；高位側花灑；后工作平臺，帶綠化灑水高炮，可調節(jié)成柱狀，射程≥28m；也可調節(jié)成霧狀，射程≥15m，垂直吸程7m。
4、灑水車選裝配置:藥盤、藥泵、罐內防腐防銹、多方位進出水接頭、電磁閥、氣動閥等。
2.3 罐體支撐座的設計
為避免專用工作裝置的布置對車架造成集中載荷，可采用具有足夠剛性的副車架，因此可以將這種集中載荷轉化成均布載荷，有利于改善主車架縱梁的強度和壽命。
對于灑水車的設計，由于加裝的水罐與汽車車架的連接需要通過罐體底部的支承座和固定裝置來完成，罐體支承座可相當于副車架的作用，它們都是安裝在罐體的底部。本次改裝采用整體式支承座，縱梁和橫梁焊在一起，縱梁截面有L形或與上部零件的連接面組成長方形、梯形、直角梯形等，上部形狀視罐體外形而定。橫梁截面多為L形。支承座與汽車之間用固定裝置連鎖。
2.3.1 支承座校核計算
罐式汽車支承座的截面形狀一般和主車架縱梁的截面形狀相同，多采用如圖2-1所示的槽形結構，其截面形狀尺寸取決于罐式汽車的種類及其承受載荷的大小。
圖2-1 支承座的截面形狀
參考JB/T4712.1-2007臥式容器支座用材規(guī)定：支座材料多選用Q235A碳素鋼。 根據機械設計手冊規(guī)定，取截面尺寸為60×30×5mm。
假設容器總重（包括自重以及水的重量）為mg，則支座反力
kN （2-3）
設支座長度為L，容器重量沿長度方向均勻分布，則其均布載荷
kN （2-4）
建立力學模型，其受力圖、彎矩圖如圖2-2：
a）
Q圖
b）
M圖
c）
圖2-2 罐體支承座受力圖
根據受力圖、彎矩圖知：
（2-5）
（2-6）
根據彎矩圖可知，其危險截面出現(xiàn)在最大彎矩1/2L處，此時
kN
MPa<235MPa
所以，支承座強度符合要求。
2.3.2 副車架的前端形狀及安裝位置
為了避免由于副車架截面高度尺寸的突然變化而引起主車架縱梁的應力集中，副車架的前端形狀應采用逐步過渡的方式。例如采用如圖2-4所示的三種過渡方式。
對于這三種不同形狀的副車架前端，在其與主車架縱梁相接觸的翼面上都加工有局部斜面，其斜面尺寸如圖2-3（c）所示。=1mm =15-20mm。
圖2-3 副車架前端的三種形式
（a）U形 （b）角形 （c）L形
2.3.3 罐體支撐座的固定裝置
（1）止推板連接
連接板上端通過焊接與副車架固定，而下端則利用螺栓與主車架縱梁腹板相連接。止推板的優(yōu)點在于可以承受較大的水平載荷，防止副車架與主車架縱梁產生相對水平位移。相鄰兩個推止推連接板之間的距離在500到1000 mm范圍內。
圖2-4 止推板的連接結構
1—副車架 2—止推連接板 3—主車架縱梁
（2）罐體支承座固定裝置
本次改裝設計采用適用范圍比較廣的剛性連鎖，連結塊分別裝支承座和車架上，然后用螺栓、螺母將兩者剛性連接在一起。結構見圖2-5所示：
1
2
圖2-5 剛性固定裝置
1—支承座 2—車架
2.4 本章小結
本章主要對各類二類底盤的性價比進行比較分析以及改裝灑水車質量參數的確定，綜合比較分析，選用CA1163P7K2L2E底盤。。對于罐式汽車的改裝，由于要加裝罐體支承座，本章對罐體支承座進行了設計計算，并對其連接裝置進行了合理的分析選型。
第3章 水路系統(tǒng)的設計計算
3.1 水罐的設計及計算
3.1.1 罐體的選材
灑水洗車罐體屬于常壓鋼制容器，根據GB150《鋼制壓力容器》規(guī)定：鍋爐和壓力容器用鋼都可以在常壓容器中使用。通過《機械設計實用手冊》可知，15號鋼由于具有極好的塑性、韌性、焊接性能和冷沖壓性能，廣泛用于受力不大韌性要求較高的零件。比如，化工容器、蒸汽鍋爐等。能滿足大部分容器的殼體的要求。所以，灑水車罐體采用15號鋼板即可滿足要求。
3.1.2 罐體的設計要求
根據專用汽車結構與設計要求，確定罐體形狀，應有利于降低整車質心高度，減少自身質量，增大容積效率，減小空氣阻力，并與駕駛室外形相稱，使整體造型美觀，所以選擇罐體設計成橢圓形，由于平蓋封頭具有結構簡單、制造方便的特點，主要用于常壓和低壓設備上或者高壓小直徑設備上，因此封頭推薦采用長、短軸比值為2的標準型平蓋封頭。受工藝要求、制造條件以及容器安裝要求等，建議容器的長徑比范圍在2-7范圍內。
根據規(guī)定：在罐內設有橫向防波板，以加強罐體剛度及減弱車輛行駛中水對罐體的沖擊。罐體上部開有直徑為500mm的圓形孔，便于工作人員出入檢查和維修，人孔附近要設置扶手和扶梯。為防止空氣和水對罐體的氧化，罐體內表面要經過防腐蝕處理。
3.1.3 灑水車的罐體總成
由罐身、人孔蓋及其防波板等組成。罐體構造如圖3-1所示。
圖3-1 罐體結構圖
1—防波板 2—呼吸閥 3—人孔蓋 4—通氣管 5—防波板 6—罐身 7—球閥
（1）罐身 罐身通常用普通低碳鋼板焊接而成，并在罐身兩端加封頭焊接而成的一個封閉容器。罐身上部設置有人孔，孔徑一般為φ400mm～φ500mm，以使人進入能罐內進行維修和清潔作業(yè)。罐身的橫截面多呈圓形或橢圓形形狀，在本設計中罐體采用橢圓形。罐身內表面先進行噴砂處理，再做涂（或噴）鋅處理。
（2）防波板 為了減輕汽車在行使過程中液體在容器內的波動，罐體內一般都會設有防波板。因為罐體的每個單室的大小沒有 統(tǒng)一的標準，它取決于貨物的性質及整個容器的總容量，當容器總容量小于20m3時，每個單室的容量應小于4m3。因為選用的車型額定載貨量為4t,只要一個單室就可以了，所以在罐體內置兩個防波板，一上一下，并且在下面的防波板上開一個矩形孔，有利于當液體用不完時，可以通過排放閥將液體排放干凈。
（3）人孔蓋 位于罐體上部，采用螺栓固定，人孔蓋上設有呼吸閥、通氣管、裝滿報警器等。平常人孔蓋是不打開的，只有檢修時才卸下緊固螺栓，拆下人孔蓋，便于工人出入檢修或清洗。呼吸閥又稱安全閥，該閥能自動調節(jié)容器內的壓力，是壓力保持在一定范圍之內，這樣就能保護液罐內部壓力保持平衡。通氣管又稱排氣管，其一段固定在人孔蓋上，使通氣管連通了液罐內部與外部。通氣管的作用是當向容器里加注液體時，可以順利排出罐體內的氣體，保證液體加注能夠順利完成。
3.1.4 罐體容積的確定
罐體是整個路面鋪裝裝置的盛水容器。罐體容積大小是根據車輛的額定載重量來推算的，計算一般來說，整車滿載時整車總質量應不超過基礎車滿載時整車總質量的20%。由于CA1163P7K2L2E大型載重汽車的額定載質量為8000kg ，所以設計罐體的盛水容積為11000 kg，采用橢圓形罐體
橢圓罐體容積可按下式公式計算:
() （3-1）
式中： a、b——橢圓長、短軸長度，m
L——橢圓體長度，m
、——封頭的長度，m
——罐體內附加構件的體積總和，
圖3—1 橢圓形罐體橫截面
罐體參數：a = 2.1m ，b = 1.4m ，L = 4.8 m ，==0.14 m ，由于占用空間太小，可以忽略不計！所以罐體的容積為：
11.29()
3.1.5 壁厚的計算
根據壓力容器設計知識規(guī)定知：由于常壓和低壓容器按照強度計算公式出的壁厚較小，給制造和運輸帶來了困難。為了滿足制造工藝的要求以及運輸和安裝過程中對剛度的要求，對殼體規(guī)定了不包括腐蝕余量的最小厚度。
圓筒的最小厚度按照下列規(guī)定設計
當時，
，且不小于3mm。
罐體內徑
mm
故取整壁厚為6mm。
在水罐內部，水均勻分布，可等效為均勻載荷，取h=1500mm。
MPa
假設支座為支點，水罐與支座接觸部分為橫梁，建立力學模型：
a)
圖
b)
M圖
c)
圖3-2 水罐受力分析圖
根據）圖，得方程
（3-2）
當時，剪應力取得最大值
（3-3）
由機械設計實用手冊，知：
鋼板厚度mm時，MPa;MPa;MPa
鑒于常壓容器壓力較小，儲存介質的危害程度也較小，因此鋼板的安全系數取
。
MPa； （3-4）
MPa；
MPa。
取MPa。
取橫梁一段為研究對象，假設其尺寸為30mm×1mm×4mm，對于矩形橫梁，最大切應力為平均切應力的1.5倍。
MPa<150MPa.
所以，強度符合要求。
3.2 水泵的選型計算
水泵的流量用下式確定：
（3-5）
式中 v — 噴灑車的行駛速度（km/h）；
B —灑水寬度（m）；
q —灑水量（L/min）。
本次設計取：
灑水寬度B=6m
汽車行駛速度v=10km/h
調研得：
水泵型號65QZB(F)40流量(m3/h): 40 揚程(m): 45 輸入軸轉速(r/min): 1450 軸功率(kw) : 9.25 自吸高度(m): 6.5 自吸時間(min/5m): 1.0 效率:65%
該系列泵采用外混式自吸結構，泵內應存有適量的液體。泵啟動后，葉輪旋轉，葉輪進口處形成負壓，吸入管路中的氣體與泵內液體混合，通過壓出室進入氣液分離室。由于氣液的比重差，氣體從液體中分離出來，從出口管中排出，液體在氣液分離室中下沉，經多次循環(huán)，直到吸入管內的氣體排凈而充滿液體，完成自吸過程，泵開始正常輸液。因此，為保證泵具有良好的自吸性能，必須滿足以下條件：泵工作前，泵內的液體存量必須高于泵軸，因此泵進口處必須接一個向上彎的彎管再接一個水平管和快速接頭，快速接頭中心線必須高于泵軸中心線300毫米。進口管路系統(tǒng)必須保證不漏氣。吸水管的吸入頭必須浸沒于水下，以免空氣吸入水管。出口管道與泵出口連接時必須保證直管長度≥200毫米后再接彎管。
3.3 管道的選擇
液壓傳動系統(tǒng)常用的管道有鋼管、銅管、橡膠軟管、尼龍管等。根據機械手冊知，本次灑水車設計所采用的為鋼管。
由于灑水管道中水的流動多為紊流，并且其雷諾數遠大于臨界雷諾數2320，其計算均按紊流狀態(tài)下進行。在同一流量下，如果平均流速過大，則可采用較小的管徑，節(jié)省材料，但水頭損失較大，反之，則需要較大的管徑，浪費材料，但水頭損失小。一般根據已知的流量和從經驗而得出的允許的平均流速，初步計算出管徑，然后按水煤氣管規(guī)格選定。水管直徑可按下式確定。
（mm） （3-6）
式中 q——系統(tǒng)流量，
V——允許平均流速，壓水管V=（1.23） m/s
連接噴頭的水管直徑
（mm）
查找水煤氣管規(guī)格，可以選定與噴頭連接的管道直經
d = 80mm
3.4 噴頭設計
3.4.1 噴頭分類
液體噴灑噴頭根據結構不同有縫隙式和孔管式兩種?？p隙式噴頭的噴口為一道縫隙，具有一定壓力的水流從縫隙處呈薄膜狀噴出，并很快裂散為水滴降落到作業(yè)面上?？p隙式噴頭有圓柱形和鴨掌形兩種。在本設計中采用圓柱形縫隙式噴頭。
3.4.2 噴頭的計算
圓柱形噴頭外形為圓柱體，柱體下面有窄而長的縫隙，結構如圖3-3所示。
圖3-3 圓柱形噴頭結構圖
圓柱形噴頭的直徑大于輸水管道的直徑，一般為80～120mm，以起到穩(wěn)定水壓的作用。圓柱體下方開有一定寬度和中心角的環(huán)形槽，縫隙寬度一般為2-4mm
中心角=60°～120°。改變縫隙尺寸，可改變噴灑面積，噴灑均勻性及灑水量。縫隙寬度小，噴灑均勻性好，但局部阻力增加，必須提高水流的壓力，中心角小，噴灑幅寬減小，工作效率降低。
在設計中，選擇噴頭直徑為120mm，中心角為90°。
（1）縫隙長度b可按下式計算
(mm) （3-7）
式中：——縫隙所對應的中心角，（°），一般=60°～90°
d——噴頭內直徑，mm
所以
（mm）
（2） 縫隙面積A
A = b×a () （3-8）
式中：a——縫隙的寬度，一般a = 2～4 mm。
取a = 4 mm 所以
A = b×a = 94.2×4=377()
（3）圓柱形噴頭噴口壓力損失
（3-9）
式中：——圓柱形噴頭噴口壓力損失，；
——流體密度，；
—— 流體速度 ， m/s；
——圓柱形噴頭的局部壓力損失，一般縫隙噴頭的長
寬比取之為b/a﹥1。
因此 ﹦2.70～2.80 取 = 2.70
所以 （）（3-10）
（4）縫隙式噴頭射程與噴幅計算
縫隙式噴頭的射程R可由下面的經驗公式計算：
（m） （3-11）
式中：p——噴頭工作壓力，；
——液體密度，；
g ——重力加速度，；
d ——噴頭內直徑， mm。
（m）
噴頭噴幅B，用下式計算：
（m） （3-12）
式中 ——噴灑角。噴灑角應略小于縫隙所隊的中心角，=（0.7～0.9）。中心角小時，=0.7，中心角大時，=0.9。
取=0.7=0.790°=63°
=10.2（m） （3-13）
3.5 閥體的選擇
水路系統(tǒng)中選擇合適的液壓閥，是使系統(tǒng)的設計合理，性能優(yōu)良，安裝、維修方便，并保證系統(tǒng)正常工作的重要條件。
根據灑水車通用技術條件規(guī)定，水泵出水口處應設置安全裝置，保證水泵的穩(wěn)定工作。先導式溢流閥是常用于高壓、大流量時的溢流、定壓和穩(wěn)壓元件。因此考慮加裝CC2V-6※W先導式溢流閥，該閥具有壓力高，調壓性能平穩(wěn)，最低調節(jié)壓力低和調壓范圍大的特點。技術參數見表3-1所示：
表3-1 溢流閥技術參數
型號
通徑/mm
調壓范圍/MPa
額定流量(L/min)
公稱流量(L/min)
CC2V-6※W
16
0.6~35
160
200
3.6 本章小結
本章為水路系統(tǒng)的設計，主要對水罐的加工材料進行了選取，以及對其進行了強度的校核。對于水泵的選取，主要是根據其流量、壓力、輸入軸的功率以及要達到的性能要求進行了選取，通過各種液壓閥的選取，實現(xiàn)低壓灑水車的功能。最后對水路系統(tǒng)的壓力損失進行了計算，經計算由于沿程阻力系數較小，所以水路體系中壓力損失很小。同時還對水泵、噴頭、管道，進行了標準化的設計及選取，對灑水車的灑水性能進行了初步的設計計算與匹配，對于壓力損失進行了準確的計算。
第4章 取力裝置設計
4.1 取力裝置簡介
取力裝置又稱取力器，各類專用汽車的專用工作裝置主要由汽車發(fā)動機提供動力源。取力器就是汽車的一種專用動力輸出裝置。它是從發(fā)動機取出部分功率，用于驅動各類液壓泵、真空泵、空壓機以及各種專用汽車工作機械，從而為自卸車、加油車、牛奶車、垃圾車、吸污車、隨車起重機等諸多專用汽車的工作裝置配套使用。
根據取力裝置相對于汽車底盤變速器的位置，取力裝置的取力方式可分為前置、中置和后置三種基本類型，每一種基本類型又包括 若干種具體的結構形式。專用汽車取力器取力方式，如圖4-1所示：
發(fā)動機前端取力
飛輪后端取力
變速器上蓋取力
變速器左側蓋取力
分動器取
前置式
中置式
后置式
取力器取力方式
變速器后端蓋取力
變速器右側蓋取力
夾鉗式取力
飛輪前端取力
圖4-1 取力器取力方式
變速器側蓋取力又可分為左側蓋取力和右側蓋取力。由于在設計變速器時已考慮了動力輸出，因而一般在變速器左側和右側都留有標準的取力窗口，也有專門生產與之配套的取力廠家，因此這種取力器比較常用。所以在設計中，采用在變速器側端取力，取力對象為中間軸取力齒輪。
4.2 取力裝置參數選擇和計算
由于選用車型為解放CA1163P7K2L2E大型載重汽車，該車型的技術參數為：
發(fā)動機型號：CA6DE3-18E3型 ；最大功率：136 kw ；最大轉矩：≧698N/m (≦1400 r/min)
變速器基本參數：一軸常嚙合齒輪=23，中間軸常嚙合齒輪齒數=48；中間軸取力齒輪齒數=40、模數=4mm、齒寬 b =22mm 。而選用的水泵的轉速為1450 r/min ，功率為 9.25 kw。
4.2.1 取力器動力傳動
如圖4-2所示，動力輸出采用兩級齒輪傳動，中間為雙聯(lián)齒輪。
圖4-2 取力器傳動示意圖
4.2.2 傳動比的計算
根據公式 （4-1）
若按發(fā)動機最大轉矩時的輸出轉速來確定傳動比，因而有
變速器內一對常嚙合齒輪的傳動比為
設取力器雙聯(lián)齒輪第一級的齒數為26，則
所以
設雙聯(lián)齒輪直齒輪齒數（第二級）為，則
取整后得=52，故實際的總傳動比為
綜上所述，可得如下齒數和傳動比：
4.2.3 取力器雙聯(lián)齒輪嚙合齒輪強度計算
（1） 第一級嚙合齒輪
一對直齒圓柱齒輪嚙合
因為中間軸取力齒輪齒數=40、模數=4mm，所以取力器雙聯(lián)齒輪第一級嚙合齒輪的模數=4mm。
根據公式
（4-2）
（2）分度圓直徑
中間軸取力齒輪
(mm)
取力器雙聯(lián)齒輪第一級齒輪
（mm）
（3）頂圓直徑
根據公式
（4-3）
中間軸取力齒輪
（mm）
取力器雙聯(lián)齒輪第一級輪
(mm)
（4）根圓直徑
根據公式
（4-4）
中間軸取力齒輪
（mm）
取力器雙聯(lián)齒輪第一級齒輪
（mm）
（4）中心距
根據公式
（4-5）
（mm）
（5）齒寬 因為中間軸取力齒輪齒寬 b =22 mm，所以取力器雙聯(lián)齒輪第一級齒輪
（mm）
（6）第二級嚙合齒輪
根據齒輪參數計算公式
由于結構需要，取力器雙聯(lián)齒輪第二級嚙合齒輪得模數取3，即 m = 3。
（7）分度圓直徑
（mm）
（8）頂圓直徑
（mm）
（9）根圓直徑
（mm）
（10）齒寬
表4-1 齒寬系數
齒輪相對于軸承的位置
齒面硬度
軟齒面（大輪或大、小硬度≦350HBS）
硬齒面（大輪或大、小硬度≧350HBS）
對稱布置
非對稱布置
懸臂布置
0.8～1.4
0.6～1.2
0.3～0.4
0.4～0.9
0.3～0.6
0.2～0.25
由于取力器屬于懸臂布置，并且是硬齒面，所以選擇齒寬系數。所以取力器雙聯(lián)齒輪第一級嚙合齒輪的齒寬
（mm）
4.2.4 取力器輸出軸齒輪參數計算
對于圓柱齒輪要想使它們正確嚙合，由于模數和壓力角都已標準化，所以實際上只要是它們的壓力角和模數相等，并等于標準值，即
（1）分度圓直徑 （mm）
（2）頂圓直徑 （mm）
（3）根圓直徑 （mm）
（4）齒寬 與取力器輸出軸齒輪嚙合的齒輪寬度為mm。
4.2.5 取力器雙聯(lián)齒輪軸及輸出軸計算
軸的直徑可由下式計算
（4-6）
式中 p —— 軸傳遞的功率 (kW)；
n —— 軸的轉速（r/min）；
d —— 軸的直徑 （mm）；
C —— 與軸材料有關的系數。
表4—2 軸常用材料和C值
軸的材料
C
Q235, 20
12～20
160～135
35
20～30
135～118
45
30～40
118～107
40Cr,35SiMn,38SiMnMo
40～52
107～98
根據軸的材料并考慮彎矩的影響，查表取C=107，再查機械手冊，齒輪傳動效率為0.96，軸承傳動效率為0.98。
雙聯(lián)齒輪軸傳遞的功率 （kW）
動力輸出軸傳遞的功率 （kW）
雙聯(lián)齒輪軸轉速 （r/min）
動力輸出軸轉（r/min）
雙聯(lián)齒輪軸軸徑 （mm）
取整=30mm
動力輸出軸軸徑 （mm）
取整=28mm
4.2.6 取力器軸承的確定
按國家規(guī)定的軸承標準選定：
取力器雙聯(lián)齒輪軸兩端支承軸承選用深溝球圓錐滾子軸承30206，外徑D＝62mm，內徑d=30 mm，寬B=17.25mm。
動力輸出軸兩端軸承選用角接觸球軸承7206AC，外徑D=62mm,內徑d=30mm,
寬B=16mm。
4.3 軸及軸承的校核
4.3.1 軸的校核
在取力器運轉的過程中，輸出軸的載荷遠大于支撐軸的載荷，故只需對輸出軸進行校核即可。
輸出軸在運轉的過程中，所受的彎矩很小，可以忽略，可以認為其只受扭矩。此中情況下，軸的扭矩強度條件公式為
（4-7）
式中：----扭轉切應力，MPa；
T----軸所受的扭矩，N·mm；
----軸的抗扭截面系數，；
P----軸傳遞的功率，kw；
d----計算截面處軸的直徑，mm；
[]----許用扭轉切應力，MPa。
其中P =98kw，n =1450r/min,d =28mm；代入上式得：
由查表可知[]=55MPa，故[]，符合強度要求。
4.3.2 軸承的校核
動力輸出軸兩端的軸承為角接觸球軸承，型號7206AC。
（1）當量動載荷的計算
軸承當量動載荷的計算式為
式中 ——軸承所受的徑向載荷；
——軸承所受的軸向載荷；
——徑向載荷系數；
——軸向載荷系數；
查看參考資料，由于=0，所以 X = 1，Y = 0。
= 862（N）
（2）軸承壽命計算
軸承基本額定壽命的計算式為
式中 ——軸承的基本額定壽命（）；
——壽命指數，球軸承=3。
所以 (h)
故合格。
4.4 鍵的校核
中間軸矩形鍵選用b×h=10×8規(guī)格的圓頭普通平鍵，其深度t=5.0mm，寬度b的極限偏差為+0.018。
普通平鍵連接的主要失效形式是工作面被壓潰。假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，則普通平鍵連接的強度條件為：
式中：T——傳遞扭矩，176N.mm，取中間軸的傳遞扭矩。
K——鍵與輪轂槽的接觸高度。
——鍵的工作長度；
——軸的直徑；
——鍵、軸材料最弱的許用擠壓應力，，選=100Mpa。
∴ 故安全。
第五章 灑水車基本性能參數計算
專用汽車性能參數計算是總體設計的主要內容之一，其目的是檢驗整車參數選擇是否合理，使用性能參數能否滿足要求。最基本的性能參數計算包括動力性計算、經濟性和穩(wěn)定性計算。
5.1 動力性計算
5.1.1 發(fā)動機外特性
發(fā)動機外特性是指發(fā)動機油門全開時的速度特性，是汽車動力性計算的主要依據。
在外特性圖上，發(fā)動機的輸出轉矩和輸出功率隨發(fā)動機轉速變化的二條重要特性曲線，為非對稱曲線。工程實踐表明，可用二次三項式來描述汽車發(fā)動機的外特性，即
(5-1)
式中 ——發(fā)動機輸出轉矩，N·m；
——發(fā)動機輸出轉速，r/min；
、、——待定系數，由具體的外特性曲線決定；
、、可由多種途徑獲得,下面是常用的兩種計算方法。
（1）無外特性曲線時，按經驗公式擬合外特性方程式
如果沒有所要的發(fā)動機外特性，可從發(fā)動機銘牌上知道該發(fā)動機的最大輸出功率及相應轉速和該發(fā)動機的最大轉矩及相應轉速時，然后用下列經驗公式來描述發(fā)動機的外特性:
(5-2)
式中 ——發(fā)動機最大輸出轉矩N·m；
——發(fā)動機最大輸出轉矩時的轉速r/min；
——發(fā)動機最大輸出功率時的轉速r/min；
——發(fā)動機最大輸出功率時的轉矩N·m，。
由上式，可得
(5-3)
發(fā)動機外特性曲線是在室內試驗臺架上測量出來的，應對臺架試驗數據用修正系數進行修正，才能得到發(fā)動機的使用外特性。
（2）已知外特性曲線時，根據外特性數值建立外特性方程式
如果知道發(fā)動機外特性曲線時，則可利用拉格朗日三點插值法求出公式中的待定系數、、。在外特性曲線上選取三個點，即、，、，、，依拉氏插值三項式有:
將上式展開，按冪次高低合并，然后與（5.1）式比較系數，即可得三個待定系數為：
確定發(fā)動機外特性曲線方程，表（5-1）詳細的列出了灑水車整車參數。
即得發(fā)動機外特性的數學方程如下：
表5.1 高壓清洗汽車部分整車參數
名稱
符號
數值與單位
發(fā)動機最大功率
136KW
發(fā)動機最大功率時的轉速
2100r/min
發(fā)動機最大轉矩
698Nm
發(fā)動機最大轉矩時的轉速
1400～1800r/min
車輪動力半徑
0.44m
車輪滾動半徑
0.44m
主減速比
6.23
灑水汽車迎風面積
5.0m2
灑水汽車總質量(滿載)
19200kg
5.1.2 汽車行駛方程
高壓清洗汽車在直線行駛時，驅動力和行駛阻力之間存在如下平衡關系：
(5-4)
式中 ——驅動力；
——滾動阻力；
——坡道阻力；
——空氣阻力；
——加速阻力。
（1）驅動力Ft的計算
高壓清洗汽車在地面行駛時受到發(fā)動機限制所能產生的驅動力與發(fā)動機輸出轉矩的關系為：
(5-5)
式中 ——變速器某一擋的傳動比；
——主減速器傳動比；
——傳動系統(tǒng)某一擋的機械效率；
——驅動輪的動力半徑，（m）；
——發(fā)動機外特性修正系數。
（2）滾動阻力的計算
高壓清洗汽車的滾動阻力由下式計算：
(5-6)
式中 ——高壓清洗汽車的總質量 Kg；
——道路坡度角（°）；
——滾動阻力系數。
滾動阻力系數取決于輪胎的結構形式及氣壓、車輛的行駛速度、路面條件等因素[19]。當車速在km/h以下時，可取常數；當車速超過km/h時，可用經驗公式來求得。（式中、、分別為常數項、比例系數、高壓清洗汽車行駛的速度。）
（3）坡道阻力Fi的計算
高壓清洗汽車上坡行駛時，整車重力沿坡道的分力為坡道阻力，其計算公式為：
(5-7)
（4）空氣阻力Fω的計算
大量試驗結果表明，汽車的空氣阻力與車速的平方成反比，即
(5-8)
式中 ——空氣阻力系數，高壓清洗汽車可取為0.5～0.9；
——迎風面積（m2），可按估算，為輪距（m），為整車高度（m）。
（5）加速阻力Fj的計算
加速阻力是汽車加速行駛時所需克服的慣性阻力，有：
(5-9)
式中 ——汽車加速度（m/s2）；
——汽車整備質量（kg）；
——傳統(tǒng)系統(tǒng)回轉質量換算系數。
5.2 燃油經濟性
專用汽車的燃油經濟性通常用車輛在水平的混凝土或瀝青路面上，以經濟車速滿載行駛的百公里油耗量來評價，也稱百公里油耗或等速百公里油耗，它可以根據發(fā)動機的負荷特性或萬有特性來計算。
首先根據高壓清洗汽車的行駛初速度開始，計算出相應的發(fā)動機轉速，有：
(5-10)
然后計算出灑水汽車在該車速時的整車驅動功率或發(fā)動機的有效輸出功率（平坦路面上勻速行駛時，=0，=0）
（kw）(5-11)
根據和的計算值，在萬有特性圖上查出有效燃油消耗率（g/kW·h），再利用下式計算百公里燃油消耗量（kg/100km）：
(L/100km) (5-12)
式中——燃油的密度，（kg/L）。汽油可取=6.96N/L～7.15N/L；柴油可取=7.94N/L～8.13N/L。
隨著車速的不同，各擋位燃油消耗量也不同，下面來計算一下灑水汽車在最高擋時經濟速度（50～65km/h）下的燃油消耗量，代入式得：
由公式得：
= 29.5kw
得：
kg/100km
5.3 灑水汽車穩(wěn)定性計算
由普通汽車底盤改裝成的專用汽車，其質心位置均較普通貨車為高，其原因是由于副車架或工作裝置的布置，使裝載部分的位置提高了，因此需對整車的靜態(tài)穩(wěn)定性重新進行計算。
分析專用汽車的靜態(tài)穩(wěn)定性，首先應計算出整車的質心位置。當高壓清洗汽車的總布置基本完成后，即可對該車的質心位置進行計算。
計算時可根據已有的資料，或利用試驗結果，也可用計算方法來確定專用車各總成的質量及其質心位置坐標，然后按照力矩平衡方程式，求出整車的質心位置[。
根據CA1163P7K2L2汽車，可估算出灑水汽車滿載軸荷分配情況，初定前軸4890kg，后軸11110kg,軸距距離是4400mm，則整車重心離前軸長為：
m
離后軸中心距離為：
m
重心離地高度估算為m。
車輛的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性是指車輛停放或等速行駛在坡道上，當整車的重力作用線越過車輪的支承點(接地點)，則車輛會發(fā)生翻傾。若整車的重力作用線正好通過支承點，則車輛處于臨界的傾翻狀態(tài)，此時的坡度角稱為最大傾翻穩(wěn)定角。
另一方面，當車輛停放在坡道或在坡道行駛時，若坡道阻力大于附著力時車輛由于附著力不足而向下滑移，同樣也會出現(xiàn)失穩(wěn)，其最大滑移角僅取決于車輪和路面間的附著系數，有：
(5-13)
根據廂式貨車側向穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，有
(5-14)
式中：B——輪距（m）；
——車廂臨界側傾角。
取灑水車輪胎和普通混凝土路面間的橫向附著系數=0.7，則專用汽車的最大側傾穩(wěn)定角不小于。
同理，可以推出專用汽車縱向穩(wěn)定條件：
（1） 若a＞b，則上坡時易后翻，有：
（2） 若a＜b，則下坡時易于前翻，有：
由公式可知
所以灑水車的橫向穩(wěn)定性能夠保證。
因，則上坡時易于后翻，由公式可知
所以灑水車的縱向穩(wěn)定性得到保證。
結 論
本設計是灑水車的改裝設計，通過選擇載用車型，利用載用車的參數，設計出整個工作裝置。載用車的額定載質量為11t，所以根據相關標準，確定罐體容積為11.29m3，確定需要水泵流量，選用的水泵型號為65QZB(F)40。根據載用車型的發(fā)動機功率，變速箱傳動比以及水泵的額定轉速，確定取力器的傳動比為0.96。根據參考資料，確定灑水系統(tǒng)管道布置，并設計出了噴頭，噴頭采用縫隙式噴頭，寬度為4mm，長度為94.2 mm，足以保證水的噴灑面積。整個工作裝置的工作原理是：在汽車行駛過程中，行駛速度為10km/h，利用汽車發(fā)動機輸出動力，通過變速箱中間軸取力齒輪，用設計的取力器（取力器的傳動比為0.96），通過取力器對從變速箱獲得的轉速的改變，使獲得轉速與選用的水泵的額定轉速相匹配，保證水泵能在穩(wěn)定的工況下正常工作。經過管道及噴頭，噴灑到路面上。通過整個工作裝置，節(jié)約資源，提高工作效率。
致謝
我要感謝我的導師劉海波老師給予我的關懷和幫助，從他的身上我學到的不僅僅是知識，更多的是做人和做事的態(tài)度。劉海波老師治學嚴謹，學識淵博，為人謙遜。在整個畢業(yè)設計的過程中，劉老師給了我多方面的指導，讓我懂得如何去做好畢業(yè)設計，是他對學問的求知態(tài)度讓我懂得了，畢業(yè)設計不重要，這其中我知識的升華遠遠大于最終的成績，劉老師作為我畢業(yè)設計的指導老師，更是我擁有成熟思想的啟蒙老師。
大學四年轉瞬即逝，在這值得回味的四年里，是學校給了我一片成長的天空，是老師的諄諄教導，實現(xiàn)了我的蛻變。年邁而又充滿樂觀的鄭德林教授是我專業(yè)知識的引導者，鄭老師課上輕松的風格和爽朗的笑聲是每位同學腦海里最深刻的印象。從鄭老師身上我學到了為科學和真理而活的執(zhí)著，學到了奉獻的神圣，學會笑對人生，擁有了最高尚的品格——寬容，我懷念鄭老師的課堂，我也懷念汽車系的各位領導和老師的精彩課堂，我感謝他們對我嚴格的要求和耐心的教導。
臨近畢業(yè)設計的結束我也同樣懷念兩個月來一起奮斗的同學，畢業(yè)設計不僅提升了我們的專業(yè)水平，而且增進了我們的友情，認我們懂得了如何去學習、交流和關心他人。
參考文獻
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