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I 摘要 隨著人民生活水平的提高,人們對家庭打掃衛(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,近年來已受到國內(nèi)外的研究重視。 本文針對家庭清潔的需求，設計了本新型清潔器。首先，對清潔器的功能需求進行分析， 確定了傳動原理方案，由葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負壓實現(xiàn)吸塵，由一曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)地面清掃擦拭。 其次，對清潔器結(jié)構(gòu)進行設計，使本清潔器既能滿足功能需求，又方便安裝調(diào)試。再次，對 傳動件進行設計計算。 本文所設計的新型家庭清潔器外觀時尚小巧，結(jié)構(gòu)合理，成本比較低，采用智能化控制。 有著廣闊的市場前景。 關(guān)鍵詞: 清潔器 曲柄滑塊 吸塵器 步進電機 II Abstract With the improvement of people's 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 家用清潔器國內(nèi)外的現(xiàn)狀 ...............................................1 1.2 現(xiàn)有同類設計 ...........................................................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計 ..................................................7 3.1 吸塵器的原理 ...........................................................7 3.2 曲柄滑塊機構(gòu) ...........................................................8 3.2.1 曲柄滑塊的運動學特性 .............................................8 第四章 新型家用清潔器結(jié)構(gòu)設計 .................................................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)設計 ....................................................11 4.3 新型家用清潔器行走部位結(jié)構(gòu)設計 ........................................12 4.3.1 全自動吸塵器主要參數(shù)計算 ........................................12 4.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設計 ....................................................15 4.3.3 軸的強度校核 ....................................................16 第五章 錐齒輪傳動設計 .........................................................19 5.1、圓錐直齒齒輪傳動的計算 ...............................................19 第六章 總結(jié) ...................................................................22 致謝 ..........................................................................23 參考文獻 ......................................................................24 1 第一章 緒論 清潔是日常生活中最主要的家務勞動之一。清潔也就是平時所說的搞衛(wèi)生,包括掃地、 拖地、擦地板、擦桌子,其實質(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，并沒有拖地，擦桌子等這些功能，價格也不是非常實惠。而本課題所設計的新型家用 清潔器正是解決了這些問題本產(chǎn)品設計新穎，結(jié)構(gòu)獨特，采用小型電動機驅(qū)動，清潔頭可以 左右往復運動，主要是模仿人手在擦東西的“機械性勞動”而設計，并且在某些方面比人手 更加出色。本產(chǎn)品最大的特點就是在同樣功率下它具有比普通吸塵器更強大的吸力，可以完 成普通吸塵器無法清潔的任務，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。本課題設計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，人們不再可能有時間拿著掃把畚箕，先掃地，然 后再吸塵，再拖地。所以，必須有一款功能強大，且方便實用的家用清潔器來解決人們生活 中清掃麻煩的問題。爭對上述的情況，我設計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。擁有多項強大的功能，獨一無二的可拆卸手推式 設計，其設計即方便實用，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機、離心式 風機、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”裝有一個電動抽風機。 抽風機的轉(zhuǎn)軸上有風葉輪，通電后，抽風機會以每秒 500 圈的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生極強的吸力和壓 力，在吸力和壓力的作用下，空氣高速排出，而風機前端吸塵部分的空氣不斷地補充風機中 的空氣，致使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時真空，和外界大氣壓形成負壓差，在此壓差的作用下，吸 入含灰塵的空氣?；覊m等雜物依次通過地毯或地板刷、長接管、彎管、軟管、軟管接頭進入 濾塵袋，灰塵等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過濾片凈化后，再由機體尾部排出。 拖地部分采用了使用方便，價格便宜的連桿機構(gòu)。使得家用清潔器在洗塵的同時可以來 回不停的擦地板，從而避免了一般清潔器一遍過，擦不干凈的這一弊端。 2 目前在歐美日等發(fā)達國家,清潔機器人開發(fā)較早,應用范圍也較廣,近兩年來,已經(jīng)開發(fā)出多 種面向市場的智能吸塵機器人。澳大利亞某公司研制出可自動行駛并打掃房間的Ｖ４型機器 人這種全自動吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置搜索雷達,可以搜索各種房間里的每一處,不 會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方向、選擇前進路線 的能力。只要將全自動吸塵器放在地面上,它便可自動開始工作。其搜索雷達會探測出距離 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)則地來回移動于房間的其 它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機器人由于在主機的周圍３６０°配備 了障礙物傳感器,因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面;當打掃完可以行駛的場所后, 機器人就自動關(guān)閉電源。不管房間的外形及面積的大小、ＡＲＮＡ導航算法引導機器人在任 何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進行清潔工作,因為機器人導航沿房間的周圍,所以它要 創(chuàng)建自己的空間參考圖,機器人不需要任何編程“教它應該去哪里” 。該機器人操作簡單,僅有 ３個按鈕:開始、結(jié)束以及暫停,人們只要簡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 清掃機器人. 機器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動. 利用不斷旋轉(zhuǎn)的刷子將廢棄物掃入 白帶容器中[1] 日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機器人. 可用于各種工廠的 清掃工作. 機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距. 采用光學探測 器探測障礙物 機器人的四周裝有橡膠墊. 橡膠墊內(nèi)部裝有觸覺傳感器. 一旦機器人與人接觸. 觸覺傳感器信號會使機器人停下來 1 以保證人的安全 Br-3]這些應用還都是用于工業(yè)或者公 共的場合. 真正具有里程碑意義的是 2002 年 9 月清潔機器人‘‘Roomba”美國面市. 這是 一款面向家庭的機器人。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)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術(shù)，' 應用 到了吸塵器上。 “Roomba”的動作有點遲緩. 但卻能穩(wěn)定 安全地完成任務 由于能夠在完成 任務后自動切斷電源. 所以可以在外出期間讓‘‘ Roomba”在家進行清掃 英國 法國和澳 大利亞也都推出過清潔機器人產(chǎn)品. 在國內(nèi)，對清潔機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃 機器人控 制、電源與電源管理、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究. 哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通 大學等高校，也對清潔機器人進行了大量的研究，并取得了一些成果，這些都為清潔機器人 的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)和技術(shù)基礎。 1.2 現(xiàn)有同類設計 （1）洗地機 3 洗地機是一種硬質(zhì)地面清洗同時吸干污水，并將污水帶離現(xiàn)場的清潔機械。 1-1 洗地機 （2）家用智能全自動掃地機掃地機器人 在吸塵器的基礎上增加掃地拖地的的功能，但因為是全自動的，所以價格偏貴。 1-2 家用智能全自動掃地機掃地機器人 （3）手推式掃地吸塵拖地一體機 這款集掃地、吸塵、拖地一體的機器，獨一無二的手推式節(jié)能設計，具有不用電不用水， 無噪音、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 5 第二章 方案提出及論證 對于本家庭清潔器設計，需要滿足如下三個功能：其一，能將地面的灰塵吸走；其二， 對于地面上的頑固污漬要進行擦拭；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，本方案由過濾網(wǎng)、葉輪、吸塵電 機、毛刷電機及毛刷組成。由吸塵電機和毛刷電機獨立工作，由吸塵電機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，使 地面的灰塵從進塵口吸進，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾掉，過濾網(wǎng)是可以拆卸的，方便清洗。由毛刷電機 旋轉(zhuǎn)帶動毛刷旋轉(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 清潔器由過濾網(wǎng)、葉輪、吸塵電機、齒輪和曲柄滑塊機構(gòu)組成，電機為雙輸出，電機一 端輸出實現(xiàn)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)吸塵功能；另一端輸出帶動小錐齒輪旋轉(zhuǎn)，由小錐齒輪 帶動大錐齒輪旋轉(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)，從而實現(xiàn)滑 塊往復運動，實現(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現(xiàn)新型家庭清潔器的功能需求，方案一多兩個毛刷電 機，毛刷電機可實現(xiàn)獨立控制，能使毛刷與吸塵有不同的轉(zhuǎn)速，此方案的優(yōu)點在于實現(xiàn)更個 性的自動化需求，缺點在于結(jié)構(gòu)較復雜，制造成本更高。方案二由曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)擦拭地 面功能需要，曲柄滑塊機構(gòu)與葉輪共用吸塵電機，此方案的優(yōu)點在于減少了電機，能使體積 結(jié)構(gòu)更小巧，產(chǎn)品造價成本更低。兩相比較，為節(jié)約成本，降低造價，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計 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 里的微細塵埃清掃干凈，塵?？偸菑囊惶庌D(zhuǎn)移到另一處，尤其是地毯﹑窗簾等處的灰塵就更 難以清除，利用吸塵器來做清潔工作就無此弊。吸塵器不但可以清潔地面，也可以用來清潔 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機、離心式風機、 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， 吸塵器靠電動機高速驅(qū)動風機葉輪旋轉(zhuǎn)，使空氣高速排出，而風機前端吸塵部分的空氣不斷 地補充風機中的空氣，致使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時真空，和外界大氣壓形成負壓差，在此壓差 的作用下，吸入含灰塵的空氣，經(jīng)濾塵器過濾，排出清凈的空氣，負壓差越大風量越大，則 吸塵能力也越大。 吸塵器的吸塵桶內(nèi)裝有一個收集灰塵的盒子，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：吸塵器的風機葉輪在電動機高速驅(qū)動下，將葉輪中的空氣高速排出風機，同 時使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補充進風機。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)過漏器過漏，將塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。 8 3.2 曲柄滑塊機構(gòu) 圖 2-2 曲柄滑塊機構(gòu) 曲柄滑塊機構(gòu)常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運動變換為滑塊的往復直線運動;或者將滑塊的往復 直線運動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運動。對曲柄滑塊機構(gòu)進行運動特性分析是當已知各構(gòu)件尺寸參 數(shù)、位置參數(shù)和原動件運動規(guī)律時,研究機構(gòu)其余構(gòu)件上各點的軌跡、位移、速度、加速度 等,從而評價機構(gòu)是否滿足工作性能要求,機構(gòu)是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊機構(gòu)具有運動 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單,加工方便,易于得到較高的 制造精度等優(yōu)點,因而在包括煤礦機械在內(nèi)的各類機械中得到了廣泛的應用，如自動送料機 構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機空氣壓縮機等，本新型清潔器中利用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)擦拭掃地功能。 3.2.1 曲柄滑塊的運動學特性 圖 2-3 取 A 點為坐標原點，x 軸水平向右。在任意瞬時 t，機構(gòu)的位置如圖。 可以假設 C 點的矢徑為： = = + （3-1）rACB C 點的坐標為其矢徑在坐標軸上的投影： （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， 是曲柄長與連桿長之比。將上式代入 的表達式中，并考慮到 ，??r32/ xt???2 就得到了滑塊的運動方程： （3-6） trxt???sin1cos2)(23?? 若將此式對時間求導數(shù)，其運算較繁瑣。在工程實際中， 值通常不大（ =1/4-1/6） ，故? 可在上式中將根式展開成 的冪級數(shù)并略去 起的各項而作近似計算：? 24)(costrx???r3 .])(125.0)(5.01[ sinsin42 ???tt???2t.2 （3-7）)( )](1[5.0co3 t （3-8）)]2(5.0)2. css2 txrr ??????? 上式再對時間取導數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達式： （3-9）)](.)([ini2 tt??? ? （3-10）2cosar??? ? 其中 都是 的周期函數(shù)。x,t?2 10 第四章 新型家用清潔器結(jié)構(gòu)設計 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 保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又能保證安全。 由于新型家用清潔器設計需要在地面自動行走，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)來完成其機體的設計， 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，里面主要安裝電動機-風機及一 些功能性機構(gòu)；兩側(cè)可以用來安裝車輪，此外在后殼處有排風口，便于風機的工作。 家用清潔器的外殼不僅應具有足夠的強度，還要有美觀的造型﹑重量輕﹑外表顏色光澤 以及成本低廉，外客的造型設計必須適應內(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度，由于重量﹑絕緣 材料性能查﹑制造工藝復雜成本高，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，新型家用清潔器設計的外殼采用工程塑料為主體，可通過注塑成型，除 了電動風機外，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 1/3～1/4，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計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 新型家用清潔器設計布置簡圖 新型家用清潔器設計的殼體由于考慮到后面要安裝驅(qū)動電機這使得它的后殼結(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計的后殼部位下面留有一定 的驅(qū)動電機安裝空間，下面留有滑塊安裝部位，同時便于驅(qū)動輪的安裝，有利于整體結(jié)構(gòu)的 布局。 4.2 家用清潔器結(jié)構(gòu)設計 新型家用清潔器設計的吸塵部位，主要由吸嘴﹑ 吸管﹑儲灰箱﹑電動風機等部位組成。 從外界吸進的灰塵和垃圾首先到達吸塵部，吸塵部的功能主要是使吸進的高速氣流通過過濾 網(wǎng)，濾出垃圾和灰塵。過濾網(wǎng)不僅僅能擋住較大顆粒的垃圾，而且能阻止細小的塵埃通過， 性能好的過濾網(wǎng)，排出的灰塵在直徑 5 微米以下，此外，過濾網(wǎng)的透氣性好，能長時間過濾 而不被堵塞，使電機得到充分的冷卻，其基本結(jié)構(gòu)如圖 3-2 所示，灰塵通過吸塵器的吸嘴 進入到吸塵器集塵盒，而后經(jīng)過過濾網(wǎng)的過濾，沉積在集塵盒里，氣流由電動風機吸入口吸 入，而后排出。 12 圖 3-2 家用清潔器結(jié)構(gòu)設計 多功能塵器的風機采用車用吸塵器的風機結(jié)構(gòu)，其重量輕，吸塵功率能滿足家用的要求， 其安裝通過吸塵器機殼的定位孔固定，由橡膠密封圈進行密封，后面由風機固定板進行壓緊， 在機殼的后面留有一些排風口，便于風機的工作，電動風機高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很大的震動， 因此，風機固定板應該用一些能夠減震的材料，向泡沫等，吸塵口應該與風機口對應一條線， 有利于風機工作，從而更好的吸塵。 風機有密封罩，有封閉的電機罩降噪效果好。因為電機產(chǎn)生的噪聲會很容易穿透吸塵器 外殼，造成噪聲污染；全密封的電機罩還能保證電機產(chǎn)生的熱量不會影響到其他電器件，延 長整機的壽命。 4.3 新型家用清潔器行走部位結(jié)構(gòu)設計 4.3.1 全自動吸塵器主要參數(shù)計算 新型家用清潔器設計的驅(qū)動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅(qū)動機構(gòu)組成的。步 進電機帶動兩驅(qū)動輪（后輪），從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)，而采 用了應用非常廣泛的萬向轉(zhuǎn)輪這既減小了結(jié)構(gòu)復雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖3-3）。 通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率，可以對步進電機實現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同 時在對兩電機分別施加相同或不同脈沖信號時，通過差速方式，可以方便的實現(xiàn)吸塵器前進、 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意 速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當兩后輪相互反向運動時，實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點原地施轉(zhuǎn)）。 同時轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機的程序來調(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3m／min左右，這樣 13 能夠保證新型家用清潔器設計行走平穩(wěn)，而且有很高的效率，設計車輪的直徑為8cm, 圖 3-3 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖 則由公式（3—1） U=C×N （4—1） 式中 C—車輪的周長（cm） N—車輪的轉(zhuǎn)速（r/min） N=U/C ≈12r/min 1）新型家用清潔器設計的阻力計算 設計新型家用清潔器設計的質(zhì)量在3Kg則;后車輪的的阻力矩由公式（3—2） T=mg×f×r （4—2） f—滾動摩擦系數(shù)由《機械設計課程設計指導》表11-7取0.05（K/CM) T=3×9.8×0.055×4 =6.468N/m 2）新型家用清潔器設計的前輪阻力矩 T0=mg×f×r =3×9.8×0.055×0.5 14 =0.8N/m 3）深溝球軸承的摩擦力臂 T1= mg×f1×R f1=0.02k/cm ,由《機械設計課程設計指導》表11-9選取. T1=0.025n/cm; 4）步進電機的選擇 （1）機電領域中步進電機的選擇原則 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入 一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉(zhuǎn) 速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電 機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中，如： 數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率 步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的 余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范 圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在 機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進 電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特 性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與 步進電機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 速移動的需要。 2）選擇步進電機 根據(jù)供電電壓為12V選取步進電極電機,根據(jù)《小功率電機手冊》,選擇永磁式步進電機, 其具體參數(shù)如下:表3-1。 表格 3-1 步進電機的基本參數(shù) 型號 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)設計 1）軸的結(jié)構(gòu)設計 （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上進行的,軸徑的估算方法是按扭矩并降低許用扭 轉(zhuǎn)切應力的方法進行的; 計算由公式（3—3） ， d≥ ×A (mm) （4—3）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—為軸的許用應力系數(shù)（其值可以查《機械設計》教材表 10.3，在這里選取軸的材料為 45 號鋼，則 A=108,由步進電機的參數(shù)由公式（3—4）可知； P=VI （4—4 ） =0.4×12 =4.8W 取轉(zhuǎn)速 n=12r/min 計算得 d≥108× 312/048. ≥7.96mm 軸的截面上有一個鍵槽，將直徑增大 5﹪，得 d≥7.96(1+5﹪) ≥8.35mm 取標準值 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，以便于和步進電機的軸相互連接，在軸的右側(cè)有鍵主要用來和車輪連接，在右側(cè) 同時加工螺紋，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)軸的直徑來選擇軸承和聯(lián)軸器等,由于軸的直徑較小現(xiàn)有 16 的標準聯(lián)軸器很難滿足設計的要求,因此需要單獨設計聯(lián)軸器,選用鋼管加工滿足要求的孔而 后加工兩個徑向螺紋孔,用螺釘將電機軸與轉(zhuǎn)軸相連接,軸上面的平臺可以通過磨削的方式實 現(xiàn),滾動軸承的選取根據(jù)《軸承手冊》選用深溝球軸承,軸承的型號 61800,其基本尺寸 B×D×d=5×19×10. 圖 4-4 軸的裝配簡圖 通過中間的軸進行定位,選擇軸承蓋將軸承固定,并且密封.鍵的選取(根據(jù)《機械設計課程 設計指導》)選定.選取 GB1096-79 鍵 4×6 4.3.3 軸的強度校核 1.按許用彎扭合成強度條件計算 通過軸的結(jié)構(gòu)設計，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，可以按彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計 算，其計算步驟如下： (1)做出軸的計算簡圖 軸所受的載荷從零件傳來，計算時，將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載 荷分布的中點，作用在軸上的扭矩，一般從傳動輪轂寬度的中點算起，通常把軸作為鏈鉸接 支座的梁，支持反力的作用點與軸承的類型和布局方式有關(guān)。(如圖 3-5) 17 圖 4-5 軸的計算簡圖 (2)做出彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直面計算做出各力產(chǎn)生的彎矩，并按照計算結(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（3—5）進計算總彎矩 M。 （如圖 3-7） M= MvH 2? （3—5） =75N·m 75 M 圖 4-6 彎矩圖 （3）做出扭矩圖（如圖 3-8） T=9.55×10 6 p/n =77N·m 77 （圖 3-7 扭矩圖） （4）做出計算彎矩 根據(jù)已做出的總彎矩圖和扭矩圖計算彎矩 Mca.由公式（3—6） Mca= )( 22T? （3—6） = )7.0(5 2? =88.1 N·m 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),扭剪應力按脈動循 環(huán)變換取 =0.6 （5）校合軸的強度 已知軸的計算彎矩后，對危險截面作強度進行校核計算，按第三強度理論，計算彎曲應 力由公式（3—7） 18 ][)(122??????WcacaTM （ Mpa） （4—7） =8.8Mpa＜59MPa 式中 W—軸的抗彎截面系數(shù) [ 1?]----軸的許用彎曲應力（Mpa） ，45#調(diào)質(zhì)處理經(jīng)，取 59Mpa 經(jīng)計算滿足要求，設計軸符合調(diào)節(jié)。 19 第五章 錐齒輪傳動設計 5.1、圓錐直齒齒輪傳動的計算 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 ①材料均選取 45 號鋼調(diào)質(zhì)。小齒輪齒面硬度為 250HBS，大齒輪齒面硬度為 220HBS。 ②精度等級取 8 級。 ③試選小齒輪齒數(shù) 125z?213.257.zi??? 取 2 調(diào)整后 2173.085zi? （2）按齒面接觸疲勞強度設計 查[3](10-26)有齒面接觸疲勞強度設計公式 2131 2.9()[](0.5)Et HRZKTdi????? ① 試選載荷系數(shù)： 。8.?t ② 計算小齒輪傳遞的扭矩：10.2TNm?A ③ 取齒寬系數(shù)： 30.?R? ④ 確定彈性影響系數(shù)：由[3]表 10-6， 2 18.9MPaZE? ⑤ 確定區(qū)域系數(shù)：查[3]圖 10-30，標準直齒圓錐齒輪傳動： 5.2?HZ ⑥ 根據(jù)循環(huán)次數(shù)公式[3]式 10-13，計算應力循環(huán)次數(shù)： 81260960213.910hNnjL????823.7i 20 ⑦ 查[3]圖 10-19 得接觸疲勞壽命系數(shù)： ，10.94HNK?95.02?HN ⑧ 查[3]圖 10-21(d)得疲勞極限應力： ，MPa6lim?Pa7lim? ⑨ 由[3]式 10-12 計算接觸疲勞許用應力，取失效概率為 1%，安全系數(shù) ，1.0HS? ，1lim[]564HNKaS?2li2.P? ⑩ 由接觸強度計算出小齒輪分度圓直徑： ， 14.8td? ? 則 1(0.5)24.8(0.53)2.0mtRd m??????? ? 計算載荷系數(shù)： a：齒輪使用系數(shù)，查[3]表 10-2 得 .1AK b：動載系數(shù)，查[3]圖 10-8 得 7.?v c：齒間分配系數(shù)，查[3]表 10-3 得 1?FH d：齒向載荷分布系數(shù) beFHK??5.1 查[3]表 10-9 得 ，所以2.?beK? 875.1?FH e：接觸強度載荷系數(shù) .2.2.74Av???? 按載荷系數(shù)校正分度圓直徑○13 /25ttdKm?1mz 取標準值，模數(shù)圓整為 1? 計算齒輪的相關(guān)參數(shù)○14 ，25dz?27dmz ，112arctn7.9?102.3???? 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度 載荷系數(shù)○ 1 74.?K 當量齒數(shù) ，○ 2 15.cosvz?203.5cosvz?? 查[3]表 10-5 得 ， ， ，○ 3 .21FaY6.1Sa18.2FaY79.2?Sa 取安全系數(shù)○ 4 .S? 由[3]圖 10-18 得彎曲疲勞壽命系數(shù) ，92.01?FNK9.02FN 查[3]圖 10-20(c)得彎曲疲勞極限為： ，MPaE4?PaE45?? 許用應力 1[]37.FNEKPaS??22[]8.5FEM? 校核強度，由[3]式 10-23○ 5 ][).01(22FRSaFFzbmYKT????? 計算得 1896P??227.[]FFMa 可知彎曲強度滿足，參數(shù)合理。 22 第六章 總結(jié) 新型家用清潔器設計作為一種家用電器,要想得到家庭用戶的認可和購買,必須價格低廉 性能優(yōu)異,大規(guī)模投放市場后應該能夠產(chǎn)生很高的經(jīng)濟效益。 新型家用清潔器設計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，它以強度高、質(zhì)量輕等特點，被廣泛應用于家電行業(yè)以及輕工業(yè)當中新型家用清潔器設 計的殼體用注塑成型，可以進行大規(guī)模生產(chǎn)，注塑技術(shù)發(fā)展，迅速技術(shù)先進而且成本低廉， 所以新型家用清潔器設計的殼體部分經(jīng)濟適用。 新型家用清潔器設計的動力部分主要由電機構(gòu)成，在設計中以步進電機作為動力源，步 進電機在機械傳動中應用廣泛，它可以實現(xiàn)精確的位移，它的價格比普通的直流電機略高一 些，但考慮到其優(yōu)越的性能，它作為動力源很合適，新型家用清潔器設計的風機電動機采用 了鐵氧體永磁直流電動機，它的轉(zhuǎn)速很高，在小型吸塵器中經(jīng)常應用，它的價格比較底在幾 十元左右，而且很容易從一些電機生產(chǎn)廠家購進。 綜上所述，新型家用清潔器設計的成本很低，它的銷售價格基本和現(xiàn)有家用普吸塵器接 近，并且可以大規(guī)模生產(chǎn)制造，進而新型家用清潔器設計能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家戶， 為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。 23 致謝 歷時兩個多月的畢業(yè)設計，在指導老師的悉心指導下，現(xiàn)已劃上了圓滿的句號。 在設計過程中，老師精益求精的工作作風使我受益匪淺，他及時的了解我設計中遇到的 難題，幫助我解決了不少問題。指導老師耐心地給我們講解有關(guān)方面的知識，使我得以在短 時間內(nèi)完成設計工作。同時，教導我們不管是在以后的工作還是學習中，都要保持治學嚴謹 的態(tài)度。在本次畢業(yè)設計中，老師及其他指導老師付出了辛勤的勞動，我向他們表示衷心的 感謝。 此次設計得到了許多同學的幫助和指點，在此一并表示感謝！ 24 參考文獻 [1] 蜂子, 不一樣的居家綠色清潔法[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社, 2012 [2] 江曉軍，光電傳感與檢測技術(shù)[M]. 北京：機械工業(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，新型便攜式家用強吸力吸塵清潔器的設計[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模式[J]. 長沙大學學報 , Journal of Changsha University,；2010 年 02 期 [6] 宋敏，電動智能家庭清潔器[J]. 電動工具 , Electric Tool,；2002 年 04 期 [7] 錢思，熊蔡華， 熊有倫，一種新型智能清潔機器人測控系統(tǒng)的設計[J]. 機械與電子 , Machinery & Electronics； 2007 年 08 期 [8] 曹建樹， 曾林春， 靳志杰，室內(nèi)智能清潔機器人控制系統(tǒng)設計[J]. 機械與電子 , Machinery & Electronics ； 2009 年 06 期 [9] 韓珩， 張波，基于 AT89C51 的智能清潔機器人設計 [J]. 甘肅科技 , Gansu Science and Technology, 2008 年 05 期 [10] 梁喜鳳，室內(nèi)地面清潔機器人車體虛擬設計與運動仿真[A]. 第十四屆全國機械設計年 會論文集[C]. 浙江：中國計量學院 [11] 方海婷，嵌入式清潔機器人系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D] . 宜南京理工大學 2009 年 [12] 王磊，全自主家用清潔機器人結(jié)構(gòu)設計與路徑規(guī)劃[D] . 中國科學技術(shù)大學 [13] 李金山, 基于清潔機器人傳感技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學 2005 [14] 耿平, 基于 ARM 的清潔機器人控制系統(tǒng)研究[D]. 東南大學 2008 [15] 基于 Pro/e 的家庭清潔機器人虛擬設計 [R].武漢：武漢理工大學 2011 [16] 盧曉華，家用清潔機器人[P].中國專利：CN201030525961.7，2011 年 6 月 8 日 [17] 易習坤，全自動吸塵拖地機[P].中國專利：CN02156227.X ，2004 年 3 月 17 日 [18] 馬懿煒，掃地吸塵拖地一體機[P].中國專利： CN200810204900，2009 年 12 月 30 日 [19] 王群璞，一種掃地、拖地一體機[P].中國專利： CN2857785，2007 年 1 月 17 日 [20] 白云山，新型便攜式家用強吸力吸塵清潔器的設計[J] . 科技傳播, Science and technology communication, 2011 年 04 期 [21] 百度文庫，吸塵器工作原理[EB/OL] 百度網(wǎng)站 [22] 百度百科，洗地機 [EB/OL]百度網(wǎng)站 http：//