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I 摘要 隨著人民生活水平的提高,人們對(duì)家庭打掃衛(wèi)生提出了更高的要求，采用新型家庭清潔 器替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作,近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究重視。 本文針對(duì)家庭清潔的需求，設(shè)計(jì)了本新型清潔器。首先，對(duì)清潔器的功能需求進(jìn)行分析， 確定了傳動(dòng)原理方案，由葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓實(shí)現(xiàn)吸塵，由一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)地面清掃擦拭。 其次，對(duì)清潔器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使本清潔器既能滿足功能需求，又方便安裝調(diào)試。再次，對(duì) 傳動(dòng)件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 本文所設(shè)計(jì)的新型家庭清潔器外觀時(shí)尚小巧，結(jié)構(gòu)合理，成本比較低，采用智能化控制。 有著廣闊的市場(chǎng)前景。 關(guān)鍵詞: 清潔器 曲柄滑塊 吸塵器 步進(jìn)電機(jī) II Abstract With the improvement of peoples living standard, people put forward higher requirements for household cleaning, using a new type of household cleaner substitutes the traditional heavy manual cleaning work, in recent years has received research attention both at home and abroad. Aiming at home cleaning requirements, design the new cleaner. First, analysis the functional demand for cleaner, transmission principle scheme is determined by the rotation of the impeller, generates negative pressure dust extraction, surface cleaning is realized by a crank slider mechanism. Secondly, carries on the design to the cleaner structure, so that the cleaner can not only meet the functional requirements, and convenient installation and debugging. Thirdly, design and calculation of transmission parts. A new type of family cleaner designed stylish compact, reasonable structure, low cost, adopts intelligent control. Have broad market prospects. Keywords: cleaner slider-crank cleaner stepper motor III 目錄 第一章 緒論 .1 1.1 家用清潔器的意義和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 .1 1.1.1 家用清潔器的意義 .1 1.1.2 家用清潔器國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀 .1 1.2 現(xiàn)有同類設(shè)計(jì) .2 第二章 方案提出及論證 .5 第三章 新型清潔器原理方案設(shè)計(jì) .7 3.1 吸塵器的原理 .7 3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) .8 3.2.1 曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 .8 第四章 新型家用清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .10 4.1 新型家用清潔器總體結(jié)構(gòu)布置 .10 4.2 家用清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .11 4.3 新型家用清潔器行走部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .12 4.3.1 全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算 .12 4.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .15 4.3.3 軸的強(qiáng)度校核 .16 第五章 錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) .19 5.1、圓錐直齒齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 .19 第六章 總結(jié) .22 致謝 .23 參考文獻(xiàn) .24 1 第一章 緒論 清潔是日常生活中最主要的家務(wù)勞動(dòng)之一。清潔也就是平時(shí)所說(shuō)的搞衛(wèi)生,包括掃地、 拖地、擦地板、擦桌子,其實(shí)質(zhì)也就是除去這些物品表面的塵土和污漬?，F(xiàn)階段家里除去塵 土和污漬的主要就是靠吸塵器和手動(dòng)的掃把和拖把。而且一般吸塵器的功能只有去除灰塵這 一項(xiàng)，并沒(méi)有拖地，擦桌子等這些功能，價(jià)格也不是非常實(shí)惠。而本課題所設(shè)計(jì)的新型家用 清潔器正是解決了這些問(wèn)題本產(chǎn)品設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，采用小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，清潔頭可以 左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要是模仿人手在擦東西的“機(jī)械性勞動(dòng)”而設(shè)計(jì)，并且在某些方面比人手 更加出色。本產(chǎn)品最大的特點(diǎn)就是在同樣功率下它具有比普通吸塵器更強(qiáng)大的吸力，可以完 成普通吸塵器無(wú)法清潔的任務(wù)，比如吸出一些家用電器的表面縫隙的少量灰塵，清除筆記本 電腦的微小灰塵污漬等，并且效果更好、噪音更小。本課題設(shè)計(jì)的新型家用清潔器真正做到 了掃地拖地一體化，改變了傳統(tǒng)意義上吸塵器單一的功能，還增加了一些其他的功能，使日 常清潔更輕松。 1.1 家用清潔器的意義和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1.1.1 家用清潔器的意義 隨著人們生活步伐的加快，在未來(lái)，人們不再可能有時(shí)間拿著掃把畚箕，先掃地，然 后再吸塵，再拖地。所以，必須有一款功能強(qiáng)大，且方便實(shí)用的家用清潔器來(lái)解決人們生活 中清掃麻煩的問(wèn)題。爭(zhēng)對(duì)上述的情況，我設(shè)計(jì)了這款多功能的家用清潔器。這是一款集吸塵、 拖地一體，還可以擦桌子等的家用清潔器。擁有多項(xiàng)強(qiáng)大的功能，獨(dú)一無(wú)二的可拆卸手推式 設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)即方便實(shí)用，又別具匠心，一推即可快速清潔地面。使傳統(tǒng)的掃地清潔工作融 合現(xiàn)代元素,不僅給人耳目一新的感覺，更讓人們從此告別家里繁瑣的清掃難題。 1.1.2 家用清潔器國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀 家用清潔器主要由吸塵器部分和拖地部分組成。 吸塵器部分主要由起塵、吸塵、濾塵三部分組成，一般包括串激整流子電動(dòng)機(jī)、離心式 風(fēng)機(jī)、濾塵器（袋）和吸塵附件。一般吸塵器的功率為 400-1000W 或更高，便攜式吸塵器 的功率一般為 250W 及其以下。吸塵器能除塵，主要在于它的“ 頭部”裝有一個(gè)電動(dòng)抽風(fēng)機(jī)。 抽風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上有風(fēng)葉輪，通電后，抽風(fēng)機(jī)會(huì)以每秒 500 圈的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生極強(qiáng)的吸力和壓 力，在吸力和壓力的作用下，空氣高速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵部分的空氣不斷地補(bǔ)充風(fēng)機(jī)中 的空氣，致使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓差，在此壓差的作用下，吸 入含灰塵的空氣?；覊m等雜物依次通過(guò)地毯或地板刷、長(zhǎng)接管、彎管、軟管、軟管接頭進(jìn)入 濾塵袋，灰塵等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過(guò)濾片凈化后，再由機(jī)體尾部排出。 拖地部分采用了使用方便，價(jià)格便宜的連桿機(jī)構(gòu)。使得家用清潔器在洗塵的同時(shí)可以來(lái) 回不停的擦地板，從而避免了一般清潔器一遍過(guò)，擦不干凈的這一弊端。 2 目前在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家,清潔機(jī)器人開發(fā)較早,應(yīng)用范圍也較廣,近兩年來(lái),已經(jīng)開發(fā)出多 種面向市場(chǎng)的智能吸塵機(jī)器人。澳大利亞某公司研制出可自動(dòng)行駛并打掃房間的型機(jī)器 人這種全自動(dòng)吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置搜索雷達(dá),可以搜索各種房間里的每一處,不 會(huì)碰撞家具或其它障礙物。微處理小電腦使它具備在拐至屋角處能探測(cè)方向、選擇前進(jìn)路線 的能力。只要將全自動(dòng)吸塵器放在地面上,它便可自動(dòng)開始工作。其搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)出距離 最近的墻壁,先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡;然后再不規(guī)則地來(lái)回移動(dòng)于房間的其 它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周圍配備 了障礙物傳感器,因此可以在檢測(cè)墻壁及障礙物的同時(shí)打掃地面;當(dāng)打掃完可以行駛的場(chǎng)所后, 機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源。不管房間的外形及面積的大小、導(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任 何房間的所有無(wú)遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行清潔工作,因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍,所以它要 創(chuàng)建自己的空間參考圖,機(jī)器人不需要任何編程“教它應(yīng)該去哪里” 。該機(jī)器人操作簡(jiǎn)單,僅有 個(gè)按鈕:開始、結(jié)束以及暫停,人們只要簡(jiǎn)單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中 ,按下開 始按鈕即可。 在日本，東日本鐵路公司、shinko 電器公司和 Howa 工業(yè)有限公司聯(lián)合研制了車站地面 清掃機(jī)器人. 機(jī)器人可沿墻壁從任何一個(gè)位置自動(dòng)啟動(dòng). 利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃入 白帶容器中1 日本靜甲株式會(huì)社的清水工廠開發(fā)出一種自動(dòng)清掃機(jī)器人. 可用于各種工廠的 清掃工作. 機(jī)器人采用光纖陀螺控制方向. 采用編碼器和超聲波傳感器測(cè)距. 采用光學(xué)探測(cè) 器探測(cè)障礙物 機(jī)器人的四周裝有橡膠墊. 橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器. 一旦機(jī)器人與人接觸. 觸覺傳感器信號(hào)會(huì)使機(jī)器人停下來(lái) 1 以保證人的安全 Br-3這些應(yīng)用還都是用于工業(yè)或者公 共的場(chǎng)合. 真正具有里程碑意義的是 2002 年 9 月清潔機(jī)器人Roomba”美國(guó)面市. 這是 一款面向家庭的機(jī)器人。重約 2ky 直徑為 762mm(30). 具有高度自主能力. 可以游走于房間 各家具縫隙間. 靈巧地完成清掃工作. 據(jù)說(shuō)這是將用于軍事的“躲避地雷的移動(dòng)技術(shù)， 應(yīng)用 到了吸塵器上。 “Roomba”的動(dòng)作有點(diǎn)遲緩. 但卻能穩(wěn)定 安全地完成任務(wù) 由于能夠在完成 任務(wù)后自動(dòng)切斷電源. 所以可以在外出期間讓 Roomba”在家進(jìn)行清掃 英國(guó) 法國(guó)和澳 大利亞也都推出過(guò)清潔機(jī)器人產(chǎn)品. 在國(guó)內(nèi)，對(duì)清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃 機(jī)器人控 制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通 大學(xué)等高校，也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果，這些都為清潔機(jī)器人 的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。 1.2 現(xiàn)有同類設(shè)計(jì) （1）洗地機(jī) 3 洗地機(jī)是一種硬質(zhì)地面清洗同時(shí)吸干污水，并將污水帶離現(xiàn)場(chǎng)的清潔機(jī)械。 1-1 洗地機(jī) （2）家用智能全自動(dòng)掃地機(jī)掃地機(jī)器人 在吸塵器的基礎(chǔ)上增加掃地拖地的的功能，但因?yàn)槭侨詣?dòng)的，所以價(jià)格偏貴。 1-2 家用智能全自動(dòng)掃地機(jī)掃地機(jī)器人 （3）手推式掃地吸塵拖地一體機(jī) 這款集掃地、吸塵、拖地一體的機(jī)器，獨(dú)一無(wú)二的手推式節(jié)能設(shè)計(jì)，具有不用電不用水， 無(wú)噪音、多功能。集掃帚。簸箕以及吸塵器為一體的節(jié)能環(huán)保掃地清潔用具。 4 1-3 手推式掃地洗塵一體機(jī) 5 第二章 方案提出及論證 對(duì)于本家庭清潔器設(shè)計(jì)，需要滿足如下三個(gè)功能：其一，能將地面的灰塵吸走；其二， 對(duì)于地面上的頑固污漬要進(jìn)行擦拭；其三，清潔器能在地面行走。根據(jù)家庭清潔的功能需求 分析，現(xiàn)擬定如下兩種傳動(dòng)方案： 方案一： 圖 2-1 新型清潔器方案一 如圖 2-1 所示，新型家庭清潔器方案如圖 2-1 所示，本方案由過(guò)濾網(wǎng)、葉輪、吸塵電 機(jī)、毛刷電機(jī)及毛刷組成。由吸塵電機(jī)和毛刷電機(jī)獨(dú)立工作，由吸塵電機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，使 地面的灰塵從進(jìn)塵口吸進(jìn)，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾掉，過(guò)濾網(wǎng)是可以拆卸的，方便清洗。由毛刷電機(jī) 旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)毛刷旋轉(zhuǎn)，毛刷旋轉(zhuǎn)使地面污漬被刷掉。 方案二： 6 圖 2-2 新型清潔器方案二 清潔器由過(guò)濾網(wǎng)、葉輪、吸塵電機(jī)、齒輪和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，電機(jī)為雙輸出，電機(jī)一 端輸出實(shí)現(xiàn)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)吸塵功能；另一端輸出帶動(dòng)小錐齒輪旋轉(zhuǎn)，由小錐齒輪 帶動(dòng)大錐齒輪旋轉(zhuǎn)，而曲柄與大錐齒輪聯(lián)接在同一根軸上，隨同大齒輪一起轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)滑 塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了擦拭地板功能。 方案比較： 綜上所述，方案一與方案二都能實(shí)現(xiàn)新型家庭清潔器的功能需求，方案一多兩個(gè)毛刷電 機(jī)，毛刷電機(jī)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，能使毛刷與吸塵有不同的轉(zhuǎn)速，此方案的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)更個(gè) 性的自動(dòng)化需求，缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本更高。方案二由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擦拭地 面功能需要，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與葉輪共用吸塵電機(jī)，此方案的優(yōu)點(diǎn)在于減少了電機(jī)，能使體積 結(jié)構(gòu)更小巧，產(chǎn)品造價(jià)成本更低。兩相比較，為節(jié)約成本，降低造價(jià)，本新型家庭清潔器采 用方案二更合適。 7 第三章 新型清潔器原理方案設(shè)計(jì) 3.1 吸塵器的原理 吸塵器是現(xiàn)代家庭中受到人們廣泛喜愛的清潔用具，傳統(tǒng)的用具清掃房間往往不能將家 里的微細(xì)塵埃清掃干凈，塵埃總是從一處轉(zhuǎn)移到另一處，尤其是地毯窗簾等處的灰塵就更 難以清除，利用吸塵器來(lái)做清潔工作就無(wú)此弊。吸塵器不但可以清潔地面，也可以用來(lái)清潔 一般的器具難以清潔的地方，如沙發(fā)，墻壁等。 吸塵器主要由起塵、吸塵、濾塵三部分組成，一般包括串激整流子電動(dòng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)、 濾塵器（袋）和吸塵附件。一般吸塵器的功率為 400-1000W 或更高，便攜式吸塵器的功率 一般為 250W 及其以下。 一般吸塵器的功率為 400-1000W 或更高，便攜式吸塵器的功率一般為 250W 及其以下， 吸塵器靠電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，使空氣高速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵部分的空氣不斷 地補(bǔ)充風(fēng)機(jī)中的空氣，致使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓差，在此壓差 的作用下，吸入含灰塵的空氣，經(jīng)濾塵器過(guò)濾，排出清凈的空氣，負(fù)壓差越大風(fēng)量越大，則 吸塵能力也越大。 吸塵器的吸塵桶內(nèi)裝有一個(gè)收集灰塵的盒子，塵垢便留在集塵盒里，盒子裝滿后，可取 出用水刷洗清理。吸塵器配上不同的部件，可以完成不同的清潔工作，如配上地板刷可清潔 地面，配上扁毛刷可清潔沙發(fā)面、床單、窗簾等，配上小吸嘴可清除小角落的塵埃和一些家 庭器具內(nèi)的塵垢。 圖 2-1 吸塵器原理圖 吸塵原理：吸塵器的風(fēng)機(jī)葉輪在電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)下，將葉輪中的空氣高速排出風(fēng)機(jī)，同 時(shí)使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)。這樣不妨與外界形成較高的壓差。吸嘴的塵埃、臟 物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過(guò)漏器過(guò)漏，將塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。 8 3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 圖 2-2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng);或者將滑塊的往復(fù) 直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析是當(dāng)已知各構(gòu)件尺寸參 數(shù)、位置參數(shù)和原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),研究機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度 等,從而評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)是否滿足工作性能要求,機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉等。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng) 副為低副,各元件間為面接觸,構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡(jiǎn)單,加工方便,易于得到較高的 制造精度等優(yōu)點(diǎn),因而在包括煤礦機(jī)械在內(nèi)的各類機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動(dòng)送料機(jī) 構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機(jī)空氣壓縮機(jī)等，本新型清潔器中利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擦拭掃地功能。 3.2.1 曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 圖 2-3 取 A 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x 軸水平向右。在任意瞬時(shí) t，機(jī)構(gòu)的位置如圖。 可以假設(shè) C 點(diǎn)的矢徑為： = = + （3-1）rACB C 點(diǎn)的坐標(biāo)為其矢徑在坐標(biāo)軸上的投影： （3-2）cos332x 9 （3-3）sini332ry 根據(jù)圖形可知： （3-4）sin22323*)/( 所以： （3-5）sinico2 1123 式中， 是曲柄長(zhǎng)與連桿長(zhǎng)之比。將上式代入 的表達(dá)式中，并考慮到 ，r32/ xt2 就得到了滑塊的運(yùn)動(dòng)方程： （3-6） trxtsin1cos2)(23 若將此式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，其運(yùn)算較繁瑣。在工程實(shí)際中， 值通常不大（ =1/4-1/6） ，故 可在上式中將根式展開成 的冪級(jí)數(shù)并略去 起的各項(xiàng)而作近似計(jì)算： 24)(costrxr3 .)(125.0)(5.01 sinsin42 tt2t.2 （3-7）)( )(15.0co3 t （3-8）)2(5.0)2. css2 txrr 上式再對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達(dá)式： （3-9）)(.)(ini2 tt （3-10）2cosar 其中 都是 的周期函數(shù)。x,t2 10 第四章 新型家用清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 新型家用清潔器總體結(jié)構(gòu)布置 新型家用清潔器的外殼起著支撐吸塵器各零部件并將它們與外界隔離的作用，這樣既能 保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又能保證安全。 由于新型家用清潔器設(shè)計(jì)需要在地面自動(dòng)行走，因此他的結(jié)構(gòu)要保證行走的平穩(wěn)，可以 采用臥式吸塵器的結(jié)構(gòu)來(lái)完成其機(jī)體的設(shè)計(jì)， 由圖 3-1 所示殼后殼上蓋等部分組成， 均為塑料材料。前殼頭部為吸入口，后殼內(nèi)按裝吸塵部件，里面主要安裝電動(dòng)機(jī)-風(fēng)機(jī)及一 些功能性機(jī)構(gòu)；兩側(cè)可以用來(lái)安裝車輪，此外在后殼處有排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作。 家用清潔器的外殼不僅應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，還要有美觀的造型重量輕外表顏色光澤 以及成本低廉，外客的造型設(shè)計(jì)必須適應(yīng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)需要。 外殼一般用金屬材料沖制，或采用工程塑料，金屬材料有較高的強(qiáng)度，由于重量絕緣 材料性能查制造工藝復(fù)雜成本高，因此，除了老式的吸塵器及工業(yè)吸塵器外，現(xiàn)代家用吸 塵器很少采用。 鑒于以上原因，新型家用清潔器設(shè)計(jì)的外殼采用工程塑料為主體，可通過(guò)注塑成型，除 了電動(dòng)風(fēng)機(jī)外，其它零件一般均可由工程塑料代替金屬材料，這不僅適合于大量生產(chǎn)，易于 降低成本，而且重量可以減少到金屬外殼的 1/31/4，絕緣性能也大為提高，還可以做成 各種款式顏色色澤鮮明的式樣。用于新型家用清潔器設(shè)計(jì)外殼的工程塑料主要是 PP 和 ABS，用于吸管的材料可以是聚丙烯等。 11 圖 3-1 新型家用清潔器設(shè)計(jì)布置簡(jiǎn)圖 新型家用清潔器設(shè)計(jì)的殼體由于考慮到后面要安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)這使得它的后殼結(jié)構(gòu)與通常 的臥室吸塵器有所不同， 如圖 3-1 表示的在新型家用清潔器設(shè)計(jì)的后殼部位下面留有一定 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝空間，下面留有滑塊安裝部位，同時(shí)便于驅(qū)動(dòng)輪的安裝，有利于整體結(jié)構(gòu)的 布局。 4.2 家用清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 新型家用清潔器設(shè)計(jì)的吸塵部位，主要由吸嘴 吸管儲(chǔ)灰箱電動(dòng)風(fēng)機(jī)等部位組成。 從外界吸進(jìn)的灰塵和垃圾首先到達(dá)吸塵部，吸塵部的功能主要是使吸進(jìn)的高速氣流通過(guò)過(guò)濾 網(wǎng)，濾出垃圾和灰塵。過(guò)濾網(wǎng)不僅僅能擋住較大顆粒的垃圾，而且能阻止細(xì)小的塵埃通過(guò)， 性能好的過(guò)濾網(wǎng)，排出的灰塵在直徑 5 微米以下，此外，過(guò)濾網(wǎng)的透氣性好，能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)濾 而不被堵塞，使電機(jī)得到充分的冷卻，其基本結(jié)構(gòu)如圖 3-2 所示，灰塵通過(guò)吸塵器的吸嘴 進(jìn)入到吸塵器集塵盒，而后經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)的過(guò)濾，沉積在集塵盒里，氣流由電動(dòng)風(fēng)機(jī)吸入口吸 入，而后排出。 12 圖 3-2 家用清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 多功能塵器的風(fēng)機(jī)采用車用吸塵器的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，其重量輕，吸塵功率能滿足家用的要求， 其安裝通過(guò)吸塵器機(jī)殼的定位孔固定，由橡膠密封圈進(jìn)行密封，后面由風(fēng)機(jī)固定板進(jìn)行壓緊， 在機(jī)殼的后面留有一些排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作，電動(dòng)風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)， 因此，風(fēng)機(jī)固定板應(yīng)該用一些能夠減震的材料，向泡沫等，吸塵口應(yīng)該與風(fēng)機(jī)口對(duì)應(yīng)一條線， 有利于風(fēng)機(jī)工作，從而更好的吸塵。 風(fēng)機(jī)有密封罩，有封閉的電機(jī)罩降噪效果好。因?yàn)殡姍C(jī)產(chǎn)生的噪聲會(huì)很容易穿透吸塵器 外殼，造成噪聲污染；全密封的電機(jī)罩還能保證電機(jī)產(chǎn)生的熱量不會(huì)影響到其他電器件，延 長(zhǎng)整機(jī)的壽命。 4.3 新型家用清潔器行走部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.3.1 全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算 新型家用清潔器設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。步 進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪（后輪），從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)，而采 用了應(yīng)用非常廣泛的萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖3-3）。 通過(guò)改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同 時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施加相同或不同脈沖信號(hào)時(shí)，通過(guò)差速方式，可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意 速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)）。 同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過(guò)改變單片機(jī)的程序來(lái)調(diào)節(jié) 。 由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求3mmin左右，這樣 13 能夠保證新型家用清潔器設(shè)計(jì)行走平穩(wěn)，而且有很高的效率，設(shè)計(jì)車輪的直徑為8cm, 圖 3-3 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖 則由公式（31） U=CN （41） 式中 C車輪的周長(zhǎng)（cm） N車輪的轉(zhuǎn)速（r/min） N=U/C 12r/min 1）新型家用清潔器設(shè)計(jì)的阻力計(jì)算 設(shè)計(jì)新型家用清潔器設(shè)計(jì)的質(zhì)量在3Kg則;后車輪的的阻力矩由公式（32） T=mgfr （42） f滾動(dòng)摩擦系數(shù)由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)表11-7取0.05（K/CM) T=39.80.0554 =6.468N/m 2）新型家用清潔器設(shè)計(jì)的前輪阻力矩 T0=mgfr =39.80.0550.5 14 =0.8N/m 3）深溝球軸承的摩擦力臂 T1= mgf1R f1=0.02k/cm ,由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)表11-9選取. T1=0.025n/cm; 4）步進(jìn)電機(jī)的選擇 （1）機(jī)電領(lǐng)域中步進(jìn)電機(jī)的選擇原則 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入 一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn) 速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電 機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如： 數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率 步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的 余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范 圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在 機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過(guò)步進(jìn) 電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特 性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與 步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足執(zhí)行件快 速移動(dòng)的需要。 2）選擇步進(jìn)電機(jī) 根據(jù)供電電壓為12V選取步進(jìn)電極電機(jī),根據(jù)小功率電機(jī)手冊(cè),選擇永磁式步進(jìn)電機(jī), 其具體參數(shù)如下:表3-1。 表格 3-1 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 型號(hào) 相 數(shù) 額定 電壓(V) 電流 （A） 保持轉(zhuǎn)矩 （mN/cm） 步近 角( ) 57BYG005 4 12V 0.4A 254.97mN/cm 1.8 15 4.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）軸的徑向尺寸的確定 軸的徑向尺寸是在出算軸的直徑基礎(chǔ)上進(jìn)行的,軸徑的估算方法是按扭矩并降低許用扭 轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法進(jìn)行的; 計(jì)算由公式（33） ， d A (mm) （43）3/NP 式中 P為軸所傳地的功率（KW） N為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速（r/min） A為軸的許用應(yīng)力系數(shù)（其值可以查機(jī)械設(shè)計(jì)教材表 10.3，在這里選取軸的材料為 45 號(hào)鋼，則 A=108,由步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)由公式（34）可知； P=VI （44 ） =0.412 =4.8W 取轉(zhuǎn)速 n=12r/min 計(jì)算得 d108 312/048. 7.96mm 軸的截面上有一個(gè)鍵槽，將直徑增大 5，得 d7.96(1+5) 8.35mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 d=10mm ,即為軸直徑最小直徑。 （2）擬定軸上零件的裝配方案 為了便于聯(lián)軸器的連接以及車輪的安裝，許用下述方按，如圖 3-5 在軸的左側(cè)需要連 接聯(lián)軸器，以便于和步進(jìn)電機(jī)的軸相互連接，在軸的右側(cè)有鍵主要用來(lái)和車輪連接，在右側(cè) 同時(shí)加工螺紋，使車輪能夠沿軸向固定，在軸的中間留有軸間用來(lái)固定軸承，逐步選定軸的 直徑為 D=10mm 軸間 D=12mm,則根據(jù)軸的直徑來(lái)選擇軸承和聯(lián)軸器等,由于軸的直徑較小現(xiàn)有 16 的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器很難滿足設(shè)計(jì)的要求,因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)聯(lián)軸器,選用鋼管加工滿足要求的孔而 后加工兩個(gè)徑向螺紋孔,用螺釘將電機(jī)軸與轉(zhuǎn)軸相連接,軸上面的平臺(tái)可以通過(guò)磨削的方式實(shí) 現(xiàn),滾動(dòng)軸承的選取根據(jù)軸承手冊(cè)選用深溝球軸承,軸承的型號(hào) 61800,其基本尺寸 BDd=51910. 圖 4-4 軸的裝配簡(jiǎn)圖 通過(guò)中間的軸進(jìn)行定位,選擇軸承蓋將軸承固定,并且密封.鍵的選取(根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程 設(shè)計(jì)指導(dǎo))選定.選取 GB1096-79 鍵 46 4.3.3 軸的強(qiáng)度校核 1.按許用彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 通過(guò)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上的零件位置以及外載荷和支反力的作用位 置均以確定，軸上的載荷已可以求得，因而，可以按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì) 算，其計(jì)算步驟如下： (1)做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 軸所受的載荷從零件傳來(lái)，計(jì)算時(shí)，將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載 荷分布的中點(diǎn)，作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)輪轂寬度的中點(diǎn)算起，通常把軸作為鏈鉸接 支座的梁，支持反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布局方式有關(guān)。(如圖 3-5) 17 圖 4-5 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 (2)做出彎矩圖 根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算做出各力產(chǎn)生的彎矩，并按照計(jì)算結(jié)果分別 做出水平面上的彎矩 Mh 圖和垂直面上的彎矩 Mv 圖，然后由公式（35）進(jìn)計(jì)算總彎矩 M。 （如圖 3-7） M= MvH 2 （35） =75Nm 75 M 圖 4-6 彎矩圖 （3）做出扭矩圖（如圖 3-8） T=9.5510 6 p/n =77Nm 77 （圖 3-7 扭矩圖） （4）做出計(jì)算彎矩 根據(jù)已做出的總彎矩圖和扭矩圖計(jì)算彎矩 Mca.由公式（36） Mca= )( 22T （36） = )7.0(5 2 =88.1 Nm 式中，a是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生的循環(huán)特性差異系數(shù),扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循 環(huán)變換取 =0.6 （5）校合軸的強(qiáng)度 已知軸的計(jì)算彎矩后，對(duì)危險(xiǎn)截面作強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算彎曲應(yīng) 力由公式（37） 18 )(122WcacaTM （ Mpa） （47） =8.8Mpa59MPa 式中 W軸的抗彎截面系數(shù) 1-軸的許用彎曲應(yīng)力（Mpa） ，45#調(diào)質(zhì)處理經(jīng)，取 59Mpa 經(jīng)計(jì)算滿足要求，設(shè)計(jì)軸符合調(diào)節(jié)。 19 第五章 錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 5.1、圓錐直齒齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 選擇齒形制 GB12369-90，齒形角 20 小錐齒輪懸臂布置。 （1）選擇齒輪材料和精度等級(jí) 材料均選取 45 號(hào)鋼調(diào)質(zhì)。小齒輪齒面硬度為 250HBS，大齒輪齒面硬度為 220HBS。 精度等級(jí)取 8 級(jí)。 試選小齒輪齒數(shù) 125z213.257.zi 取 2 調(diào)整后 2173.085zi （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 查3(10-26)有齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式 2131 2.9()(0.5)Et HRZKTdi 試選載荷系數(shù)： 。8.t 計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩：10.2TNmA 取齒寬系數(shù)： 30.R 確定彈性影響系數(shù)：由3表 10-6， 2 18.9MPaZE 確定區(qū)域系數(shù)：查3圖 10-30，標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)： 5.2HZ 根據(jù)循環(huán)次數(shù)公式3式 10-13，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 81260960213.910hNnjL823.7i 20 查3圖 10-19 得接觸疲勞壽命系數(shù)： ，10.94HNK95.02HN 查3圖 10-21(d)得疲勞極限應(yīng)力： ，MPa6limPa7lim 由3式 10-12 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為 1%，安全系數(shù) ，1.0HS ，1lim564HNKaS2li2.P 由接觸強(qiáng)度計(jì)算出小齒輪分度圓直徑： ， 14.8td 則 1(0.5)24.8(0.53)2.0mtRd m 計(jì)算載荷系數(shù)： a：齒輪使用系數(shù)，查3表 10-2 得 .1AK b：動(dòng)載系數(shù)，查3圖 10-8 得 7.v c：齒間分配系數(shù)，查3表 10-3 得 1FH d：齒向載荷分布系數(shù) beFHK5.1 查3表 10-9 得 ，所以2.beK 875.1FH e：接觸強(qiáng)度載荷系數(shù) .2.2.74Av 按載荷系數(shù)校正分度圓直徑13 /25ttdKm1mz 取標(biāo)準(zhǔn)值，模數(shù)圓整為 1 計(jì)算齒輪的相關(guān)參數(shù)14 ，25dz27dmz ，112arctn7.9102.3 21 21()9.7zRdm 確定齒寬：15 14.Rb 圓整取 125 (3)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 載荷系數(shù) 1 74.K 當(dāng)量齒數(shù) ， 2 15.cosvz203.5cosvz 查3表 10-5 得 ， ， ， 3 .21FaY6.1Sa18.2FaY79.2Sa 取安全系數(shù) 4 .S 由3圖 10-18 得彎曲疲勞壽命系數(shù) ，92.01FNK9.02FN 查3圖 10-20(c)得彎曲疲勞極限為： ，MPaE4PaE45 許用應(yīng)力 137.FNEKPaS228.5FEM 校核強(qiáng)度，由3式 10-23 5 ).01(22FRSaFFzbmYKT 計(jì)算得 1896P227.FFMa 可知彎曲強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理。 22 第六章 總結(jié) 新型家用清潔器設(shè)計(jì)作為一種家用電器,要想得到家庭用戶的認(rèn)可和購(gòu)買,必須價(jià)格低廉 性能優(yōu)異,大規(guī)模投放市場(chǎng)后應(yīng)該能夠產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益。 新型家用清潔器設(shè)計(jì)的殼體主要材料是工程塑料，工程塑料在我們的日常生活中都能見 到，它以強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家電行業(yè)以及輕工業(yè)當(dāng)中新型家用清潔器設(shè) 計(jì)的殼體用注塑成型，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，注塑技術(shù)發(fā)展，迅速技術(shù)先進(jìn)而且成本低廉， 所以新型家用清潔器設(shè)計(jì)的殼體部分經(jīng)濟(jì)適用。 新型家用清潔器設(shè)計(jì)的動(dòng)力部分主要由電機(jī)構(gòu)成，在設(shè)計(jì)中以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，步 進(jìn)電機(jī)在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛，它可以實(shí)現(xiàn)精確的位移，它的價(jià)格比普通的直流電機(jī)略高一 些，但考慮到其優(yōu)越的性能，它作為動(dòng)力源很合適，新型家用清潔器設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)采用 了鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速很高，在小型吸塵器中經(jīng)常應(yīng)用，它的價(jià)格比較底在幾 十元左右，而且很容易從一些電機(jī)生產(chǎn)廠家購(gòu)進(jìn)。 綜上所述，新型家用清潔器設(shè)計(jì)的成本很低，它的銷售價(jià)格基本和現(xiàn)有家用普吸塵器接 近，并且可以大規(guī)模生產(chǎn)制造，進(jìn)而新型家用清潔器設(shè)計(jì)能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家戶， 為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。 23 致謝 歷時(shí)兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下，現(xiàn)已劃上了圓滿的句號(hào)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師精益求精的工作作風(fēng)使我受益匪淺，他及時(shí)的了解我設(shè)計(jì)中遇到的 難題，幫助我解決了不少問(wèn)題。指導(dǎo)老師耐心地給我們講解有關(guān)方面的知識(shí)，使我得以在短 時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，教導(dǎo)我們不管是在以后的工作還是學(xué)習(xí)中，都要保持治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn) 的態(tài)度。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，老師及其他指導(dǎo)老師付出了辛勤的勞動(dòng)，我向他們表示衷心的 感謝。 此次設(shè)計(jì)得到了許多同學(xué)的幫助和指點(diǎn)，在此一并表示感謝！ 24 參考文獻(xiàn) 1 蜂子, 不一樣的居家綠色清潔法M. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2012 2 江曉軍，光電傳感與檢測(cè)技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011 3 敖榮慶, 袁坤，伺服系統(tǒng)M . 北京：航空工業(yè)出版社，2006 4 白云山，新型便攜式家用強(qiáng)吸力吸塵清潔器的設(shè)計(jì)J. 科技傳播 , Public Communication of Science & Technology,； 2011 年 04 期 5 董志剛， 郭隆建，探究智能型清潔器的移動(dòng)模式J. 長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào) , Journal of Changsha University,；2010 年 02 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