一种多功能自动扫雪车设计

童垚 张艳丽 尹礼鑫 韩宗文

（西安文理学院 机械与材料工程学院，陕西 西安710065）

随着城市化的日益发展，由于积雪自身带有潜在安全隐患，使得一系列不必要的事故风险的发生概率大大增加，例如，交通堵塞或者交通事故，要求对道路上的积雪进行实时清理，刻不容缓。现有的大型机械除雪设备可以对公路等较宽广的地域进行除雪作业，可以降低事故发生率，而对于像校园、人行道、居民小区里的狭窄路况等束手无策。人工除雪可以有效解决此类问题，但是这种方式却比较费时费力，清雪效率也不高，路面积雪也清除的不是很干净，因此，设计一种高效、结构简单、能实现多功能自主扫雪的小型扫雪设备用来解决此类问题是很有必要的。

图1 自动扫雪车总体机械结构示意图

1 自动扫雪车总体设计思路

自动扫雪车在总体设计上大体上可分为两个部分，即机械结构部分和控制部分。机械结构部分主要分为集雪装置、行走装置、传送装置以及压缩装置。通过一定的连接装置将这几部分装置有序连接起来，组建成自动扫雪车整体机械结构框架。而控制部分则主要是以当下广泛使用的高性能微处理器STM32 芯片为载体设计出一套具备远程遥控且具有一定智能的完整的电控扫雪清洁系统。利用STM32 单片机对小型全自动扫雪车进行直线行走、转向、后退等动作的设计，以及对整体避障模块、无线遥感模块的设计，使得操作者可以更容易的实现远程遥控操作室外扫雪车进行除雪作业。通过智能传感技术，实现扫雪车在户外复杂工作环境下的自主避障，同时利用无线遥感技术实现可在室内对户外工作扫雪车的控制，并且通过设计的扫雪机总控器，实现对清雪模式和驱动模式的集成。

2 自动扫雪车机械结构设计

自动扫雪车在总体设计思路上将扫雪车功能模块化，从而在总体机械结构上装置模块化，各装置之间选择合适的连接方式进行连接（如焊接、万向节连接等等），最终组装成自动扫雪车，其总体机械结构如图1 所示。该自动扫雪车致力于在行走装置驱动下使得小车在行进过程中将积雪从集雪装置入雪口，利用螺旋旋切刀具将积雪打碎并依靠螺旋叶片使其集中于集雪铲的中心位置，通过离心风机将积雪送至传送装置，传送装置通过传送管道将积雪送入压缩装置，然后利用压缩装置将积雪压至固定形状排至路边。

图2 集雪装置结构示意图

2.1 集雪装置：积雪在小车行进的过程中进入集雪铲，在由螺旋轴、螺旋轴轴承、右旋叶片、左旋叶片共同组成的螺旋刀具作用下左边的积雪被旋切碎并向右送至集雪铲的中心位置，右边的积雪同理也被送至集雪铲的中心位置，这时堆积在中心位置的积雪在离心风机的作用下被抽出送至传送装置，如图2 所示。

2.2 行走装置：电机启动后，电机轴转动带动小齿轮，小齿轮和大齿轮啮合在一定的传动比下带动大齿轮转动，大齿轮转动使得与之配合的驱动轮轴转动，从而小车实现行进。通过控制系统控制两个驱动电机制造转速差可实现小车的转向，如图3 所示。

图3 行走装置结构示意图

2.3 传送装置：经由离心风机排出的积雪被送入传送管道，直流减速电机正转驱动传送螺旋轴旋转，传送螺旋叶片也随之旋转，带动积雪传送至左边一侧管道，然后通过传送装置与压缩装置之间的输送管道进入压缩装置。控制电机反转，则积雪通过右边一侧管道进入压缩装置，如图4 所示。

图4 传送装置结构示意图

2.4 压缩装置：积雪从传送装置进入压缩箱集满后，压缩驱动电机驱动，电机轴转动带动压缩传动小齿轮转动，小齿轮和压缩传动大齿轮啮合在一定的传动比下减速带动大齿轮，而大齿轮和齿条啮合使得齿条在水平面内左右移动推动压缩板对积雪进行压缩，如图5 所示。

3 自动扫雪车控制系统设计

基于上述小型电动旋切式扫雪车，设计其自动控制控制系统。该扫雪车主要采用四轮行走装置，双后轮驱动的车体结构，加上外置的集雪器，传动风机，双压雪箱，采用48V/20Ah 锂电池模块。

图5 压缩装置结构示意图

控制系统部分主要有四个模块：（1）行走装置模块。行走系统采用四轮差动转向式机构，以双前轮为随动转向轮，双后轮为驱动轮，两驱动轮分别由采用驱动器的步进电机，控制信号包括电机使能、步进脉冲和运动方向均为5V 信号。通过控制电机的的正反转和转速来实现扫雪车的基本行走功能。（2）集雪装置模块。集雪装置电机采用两相四线式步进电机，通过齿轮传动带动绞龙机构，同时利用风机的吸力以及扫雪车前进产生的推力，将积雪送入传送管道内。（3）传送装置模块。传送装置的螺旋输雪刀具将风机吸入的积雪通过输雪管送往两压缩箱，控制螺旋刀具的电机选取12V 直流减速电机，电机正转将雪输送给左侧压缩箱，电机反转输送雪至右侧压缩箱[5-6]。（4）压缩装置模块。当压缩箱中集满雪时，位于箱口的位置传感器将信号传送给控制器，此时发送命令给控制压缩杆的大功率24V 直流电机，电机正转利用齿轮齿条传动装置压缩左侧箱体内的积雪，当到达某一位置式，箱体侧面箱板在电动推杆作用下打开，压缩杆将压缩完成的雪块推出箱体，压缩杆停止工作。当右侧箱体集满雪后，直流电机反转压缩右侧箱体内的积雪，原理同左侧压缩箱相同，从而实现不同步连续作业，提高工作效率。

4 结论

本文以解决现有大型机械除雪设备对于像校园、人行道、居民小区里的狭窄路况等无法处理的问题，设计了一种具有智能操控、集收集处理等多功能于一体的自动除雪设备，包括四个主要模块，分别进行了机械和控制系统设计。