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編號(hào)： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)Design of household cleaning machine下屬學(xué)院 理工學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 完成日期 年 4 月 9 日- 2 -摘 要【摘要】隨著人們生活水平的提高，越來越多的人由于生活壓力的增加而不愿過多的做一些家中的清潔工作，所以本設(shè)計(jì)是為了幫著人們從一些繁雜的家務(wù)事中解脫出來，去做相對(duì)更重要的事情。本次設(shè)計(jì)的是一款在一般家庭中能幫著清掃地面衛(wèi)生的家用掃地機(jī)。本文主要是對(duì)家用掃地機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，具體有行走機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)各種結(jié)構(gòu)中的各種方案進(jìn)行對(duì)比分析，從中選取一種最適合本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，再對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)中的一些零件進(jìn)行選擇和校核，同時(shí)也對(duì)各部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行了材料的選擇，最終完成了本次設(shè)計(jì)。【關(guān)鍵詞】家用掃地機(jī)；清掃機(jī)構(gòu)；吸塵機(jī)構(gòu)Abstract【ABSTRACT】Enter since twenty-first Century, with the rapid development of science and technology gradually, intelligent robot has become a research topic. Among them, the intelligent robot service type is a hot topic in the research project. Therefore, summarizes several reasons of service robots appear: one is the rise in labor costs, many enterprises are unable to find suitable workers, therefore appeared different degree of labor shortage; two is the people's living standard improves, more and more people are willing to spend money to buy intelligent robot to help with housework at home; three is now more and more young people to live in the hard, have no time to care for the elderly, and the old man's demand for service robots and young people to take better care of them, which will give service robot very good market prospects. This design is to design a small, convenient. Intelligent household sweeper.【KEYWORDS】 Household sweeper; sweeping mechanism; suction mechanism- 4 -目 錄1 設(shè)計(jì)的目的和要求 11.1 家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)的目的 .11.2 家用掃地機(jī)的要求 .12 家用掃地機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì) 32.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成 .33 家用掃地機(jī)的總體設(shè)計(jì) 53.1 家用掃地機(jī)的總體設(shè)計(jì) .53.2 家用掃地機(jī)的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .53.3 家用掃地機(jī)的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .83.4 家用掃地機(jī)的吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .123.5 家用掃地機(jī)的垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .124 設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算 134.1 驅(qū)動(dòng)輪上的電機(jī)的選擇 .134.2 清掃機(jī)構(gòu)中的電機(jī)的選擇 .144.3 蝸輪蝸桿的選擇計(jì)算 .154.3.1 選擇蝸桿傳動(dòng)類型 154.3.2 選擇蝸桿蝸輪的材料 154.3.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 154.3.4 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)及幾何尺寸 164.3.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 174.3.6 驗(yàn)算效率 18?4.4 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) .184.4.1 V 帶的選擇 .184.4.2 初選小帶輪的基本直徑 194.4.3 確定 V 帶的中心距 a 和基準(zhǔn)長(zhǎng)度 .194.4.4 驗(yàn)算小帶輪上的包角 191?4.4.5 計(jì)算 V 帶的根數(shù) Z .204.4.6 計(jì)算單根 V 帶的初拉力的最小 .20min0F）（4.4.7 計(jì)算壓力軸 204.5 清掃軸的基本參數(shù)計(jì)算 .204.5.1 求軸上的功率 P、轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 T .214.5.2 初步確定軸的最小直徑 214.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 214.6 蝸桿軸上的軸承校核 .214.6.1 蝸桿軸上承受的力 224.6.2 查取參數(shù) 234.6.3 計(jì)算滾動(dòng)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷 234.6.4 計(jì)算軸承壽命 235 總結(jié)和展望 245.1 總結(jié) .245.2 展望 .25參考文獻(xiàn) 27致謝 28附錄 29家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 6 -1 設(shè)計(jì)的目的和要求1.1 家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)的目的隨著人們的生活水平的提高，更多的人愿意花錢去買機(jī)器人來幫忙干繁重的家務(wù)，并且現(xiàn)在一般的地面沒過幾天就會(huì)在表面出現(xiàn)一層灰塵，這就要求人們時(shí)常地清理地面衛(wèi)生，但如今的人們都在為了生活打拼，都沒有太多的時(shí)間去清掃自己的家庭衛(wèi)生，因此，本次課題的提出就是為了解決這樣的問題來緩解人們的生活壓力。1.2 家用掃地機(jī)的要求本文的目的是開發(fā)一種能大面積清掃，以充分滿足大多數(shù)家庭的要求，但也需要方便、實(shí)用的家用掃地機(jī)。使其能夠完全替代傳統(tǒng)的家庭人工清洗方法，能有更加舒適的家庭環(huán)境和生活。本次課題主要是在想寬 400mm 左右，高 100mm 左右的空間里設(shè)計(jì)一款包括清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)，垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的智能家用掃地機(jī)。其中本次設(shè)計(jì)的重中之重是清掃機(jī)構(gòu)。而且這些機(jī)構(gòu)的布置也是一個(gè)難點(diǎn)。要考慮到安排的合理性，但也要考慮到清掃的全面性。2 家用掃地機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成本次設(shè)計(jì)主要目的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，控制方便，易于實(shí)現(xiàn)的半自動(dòng)或全自動(dòng)的家用掃地機(jī)。掃地機(jī)作為一個(gè)整體主要有兩個(gè)部分組成，即機(jī)械部分和控制系統(tǒng)。機(jī)械部分包括掃地機(jī)的整體外殼、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬向輪。掃地機(jī)的整體外觀類似于如圖 2-1 所示圖 2-1 家用掃地機(jī)此次設(shè)計(jì)的家用掃地機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有以下幾部分：- 7 -（1）兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這個(gè)部分主要是能確保掃地機(jī)能夠在地面上移動(dòng)。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和前面的萬向輪形成一個(gè)三點(diǎn)成面的形狀，來執(zhí)行掃地機(jī)的移動(dòng)。（2）清掃結(jié)構(gòu)。兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)的清掃刷分別進(jìn)行順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這樣就可以將灰塵清掃到吸塵口處達(dá)到清掃目的；（3）吸塵結(jié)構(gòu)。由風(fēng)扇產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力，灰塵被吸入垃圾存儲(chǔ)室中；（4）垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。通過吸塵機(jī)構(gòu)的風(fēng)扇的吸力將垃圾存放在垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)中。圖 2-2 家用掃地機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 8 -3 家用掃地機(jī)的總體設(shè)計(jì)3.1 家用掃地機(jī)的總體設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)的家用掃地機(jī)包括清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)、垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，其中最重要的結(jié)構(gòu)是清掃機(jī)構(gòu)。通過查閱相關(guān)資料，起初想把掃地機(jī)的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，這樣便于各種機(jī)構(gòu)的放置。但后來在設(shè)計(jì)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)方形有很多不便之處，當(dāng)碰到有棱角的家具時(shí)，家用掃地機(jī)就很難旋轉(zhuǎn)躲開這些棱角，而圓形的外形就比較容易避開這些有棱角的家具?？紤]到這些于是就將家用掃地機(jī)的外形定為圓形，其外形大體如圖 3-1：圖 3-1 家用掃地機(jī)的外形示意圖3.2 家用掃地機(jī)的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)是其他機(jī)構(gòu)的載體，如圖 3-2 所示，移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)可以分為輪式、履帶式和步行式等。輪式和履帶式的結(jié)構(gòu)更適合在條件好的地面上行走，而步行的結(jié)構(gòu)則更適合在條件較差的路面行走。而本課題研制的家用掃地機(jī)的工作環(huán)境在室內(nèi)，所以可以采用輪式或者履帶式結(jié)構(gòu)，但履帶式結(jié)構(gòu)所占的空間太大，因此采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)較為適合。- 9 -圖 3-3 輪式、履帶式和步行式移動(dòng)機(jī)器人通過查閱相關(guān)資料得知輪式移動(dòng)機(jī)器人具有三輪、四輪和六輪的結(jié)構(gòu)形式，而家用掃地機(jī)若采用三輪結(jié)構(gòu)則相對(duì)來說設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)也能滿足這次體積不宜過大的要求，而且在產(chǎn)品中應(yīng)用范圍也比較廣泛；而四輪結(jié)構(gòu)雖然有好的穩(wěn)定性和不錯(cuò)的承載能力，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)也比較麻煩，最主要的是沒有這么大的空間去容納；六輪結(jié)構(gòu)與四輪結(jié)構(gòu)差不多，都有很好的承載能力和穩(wěn)定性，但還是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的體積大而不能采用。在本課題中，家用掃地機(jī)的重量不是很大，工作環(huán)境一般只在室內(nèi)，地面條件也比較好，一般三點(diǎn)就能確定一個(gè)平面，而且理論上也是穩(wěn)定的，所以采用三輪結(jié)構(gòu)比較合適。三輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式通常有兩種：（1）三輪鉸軸轉(zhuǎn)向式：如圖 3-4 所示，轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，若輪 1 作為鉸軸轉(zhuǎn)向輪，通過電機(jī)來控制鉸軸帶動(dòng)輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，輪 2 和輪 3 作為從動(dòng)輪，這樣就可以控制家用掃地機(jī)的轉(zhuǎn)向。若輪 1 不作為驅(qū)動(dòng)輪，那可以選擇輪 2 或者輪 3 作為驅(qū)動(dòng)輪。圖 3-4 三輪鉸軸轉(zhuǎn)向式（2）差速轉(zhuǎn)向式：將兩個(gè)電機(jī)分別裝在后面的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度來實(shí)現(xiàn)家用掃地機(jī)的轉(zhuǎn)向。家用掃地機(jī)若采用鉸軸轉(zhuǎn)向式雖然控制實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，但要清掃的地方不是很容易控制，很容易造成一些地方忽略清掃；差速轉(zhuǎn)向式控制相對(duì)復(fù)雜但清掃的更仔細(xì)。考慮到家用掃地機(jī)是在家庭中使用，將會(huì)面對(duì)著各種家具和地面情況，所以為了更好地適應(yīng)家庭地面環(huán)境，所以需要精度高點(diǎn)。因此采用差速轉(zhuǎn)向式更能提高家用掃地機(jī)的性能。行走機(jī)構(gòu)示意圖如圖 3-5 所示：家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 10 -圖 3-5 行走機(jī)構(gòu)示意圖按照上述的行走機(jī)構(gòu)的示意圖，家用掃地機(jī)采用兩個(gè)直流電機(jī)獨(dú)自帶動(dòng)左右兩輪的差速轉(zhuǎn)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)家用掃地機(jī)的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、后退和調(diào)頭等功能，而且可以運(yùn)動(dòng)到任何地方。3.3 家用掃地機(jī)的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)是這次家用掃地機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重，這直接關(guān)系到家用掃地機(jī)結(jié)構(gòu)的總體布局、壽命和實(shí)用性，因此清掃機(jī)構(gòu)要設(shè)計(jì)的相對(duì)合理可行。在清掃機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)過程中主要提出了五種方案：（1）電機(jī)通過減速器帶動(dòng)直齒輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，直齒輪 1 帶動(dòng)與之相配對(duì)的直齒輪 2，然后連接直齒輪 2 的軸直接帶動(dòng)清潔刷子進(jìn)行清掃：- 11 -圖 3-6 方案一示意圖（2）電機(jī)通過減速器帶動(dòng)斜齒輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，斜齒輪 1 帶動(dòng)與之相配對(duì)的斜齒輪 2，然后連接斜齒輪 2 的軸直接帶動(dòng)清潔刷子進(jìn)行清掃：圖 3-7 方案二示意圖（3）電機(jī)通過減速器帶動(dòng)錐齒輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪 1 帶動(dòng)與之相配對(duì)的錐齒輪 2，然后連接錐齒輪 2 的軸直接帶動(dòng)清潔刷子進(jìn)行清掃：圖 3-8 方案三示意圖（4）電機(jī)通過聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接蝸桿，然后蝸桿帶動(dòng)兩個(gè)蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪上的軸直接帶動(dòng)刷子進(jìn)行清掃：家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 12 -圖 3-9 方案四示意圖（5）電機(jī)通過聯(lián)軸器與蝸桿連接，蝸桿帶動(dòng)兩個(gè)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪上的皮帶輪通過皮帶帶動(dòng)另一個(gè)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)皮帶輪的軸接刷子進(jìn)行清掃：圖 3-10 方案五示意圖由于設(shè)計(jì)的家用掃地機(jī)的工作環(huán)境是在一般家庭的室內(nèi)地面，所以要求其高度不能太高，自己設(shè)計(jì)了大概 100mm 高度，這樣能滿足大部分的室內(nèi)環(huán)境，而在其寬度和高度有限- 13 -的范圍內(nèi)要很好的放置行走機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)和垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，同時(shí)還要放下電池等一些輔助功能的裝置，因此要求所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)都不宜過大。方案一雖然便于安裝，但傳動(dòng)不夠平穩(wěn)，而且直齒輪所占的面積非常大，這樣就不能把全部的機(jī)構(gòu)放下了，因此放棄了這種方案；方案二中的斜齒輪和方案一的情況一樣，但穩(wěn)定性好了很多，并且占的空間很大，所以也舍棄了這種方案；方案三中的錐齒輪傳動(dòng)沒有斜齒輪的傳動(dòng)來的平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪所占的空間也是相當(dāng)大的，而這次設(shè)計(jì)的家用掃地機(jī)的體積本身就不大，而且還要放置其他結(jié)構(gòu)，因此出于對(duì)家用掃地機(jī)的總體布局的考慮，又放棄了方案三；方案四中電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，再有蝸桿帶動(dòng)兩端的蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由蝸輪上的軸直接帶動(dòng)刷子進(jìn)行清掃。為了能夠使掃地機(jī)在家里的各種角落里都能刷到，同時(shí)它再清掃的過程中沒有工作盲區(qū)。起初打算是用兩個(gè)直徑都為 200mm 的刷子來進(jìn)行清掃，但是這樣的話就需要蝸輪蝸桿之間的距離為 100mm，而在這種距離情況下，設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿的尺寸就會(huì)很大，這樣在總體的布局下雖然可以放得下，但是會(huì)加重了掃地機(jī)的總質(zhì)量，這樣就會(huì)比較耗電，壽命就不會(huì)很長(zhǎng)了，而且傳動(dòng)效率也不是很高了，因而這種方案就不是很合理；方案五是電機(jī)通過聯(lián)軸器連接蝸桿，蝸桿帶動(dòng)蝸輪，蝸輪通過皮帶帶動(dòng)兩邊的皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，另一邊的皮帶輪上的軸帶動(dòng)刷子進(jìn)行房間的清掃，這種設(shè)計(jì)的好處在于能縮短蝸輪蝸桿的中心距，同時(shí)還能減輕掃地機(jī)的總質(zhì)量，也有利于其他的結(jié)構(gòu)的放置，因而方案五是最合適的，所以這個(gè)方案就作為這次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)。3.4 家用掃地機(jī)的吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)吸塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是想將風(fēng)扇固定在垃圾存儲(chǔ)室的上表面，然后在風(fēng)扇外面套一個(gè)薄壁空腔，在薄壁空腔上面開一個(gè)圓孔，這樣就可以將風(fēng)扇產(chǎn)生的熱量和幾個(gè)電機(jī)產(chǎn)生熱量一起散發(fā)到空氣當(dāng)中。再將薄壁空腔固定在垃圾存儲(chǔ)室的上表面，在其上壁的下表面上固定一個(gè)過濾網(wǎng)來過濾灰塵。其工作過程是通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)形成的吸力來吸引由刷子清掃引起的灰塵，未過濾的空氣通過過濾網(wǎng)將灰塵阻擋在了垃圾存儲(chǔ)室內(nèi)，而過濾了之后的干凈空氣則通過薄壁空腔上方的圓孔排到大氣當(dāng)中去，這樣就實(shí)現(xiàn)了吸塵的目的了。其大體結(jié)構(gòu)如下圖：家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 14 -圖 3-11 吸塵機(jī)構(gòu)示意圖3.5 家用掃地機(jī)的垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)的主要方案是通過刷子將垃圾清掃到吸塵口，因?yàn)槲鼔m口的面積最小，吸力最強(qiáng)。當(dāng)被吸進(jìn)來的垃圾通過風(fēng)扇的風(fēng)力吸進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室內(nèi)時(shí)，由于空間的突然變大，吸力就會(huì)瞬間變小，于是垃圾由于其自身的重力而停留在了垃圾存儲(chǔ)室內(nèi)。當(dāng)垃圾堆滿存儲(chǔ)室后，只要將垃圾存儲(chǔ)室拉出就可以倒出垃圾，使掃地機(jī)可以繼續(xù)的工作。又因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)的家用掃地機(jī)的工作環(huán)境是在室內(nèi)，因此一般都是一些小型的垃圾，所以設(shè)計(jì)的垃圾存儲(chǔ)室也不需要太大的空間，這完全符合我們的設(shè)計(jì)要求，故采用這樣的方案作為家用掃地機(jī)的垃圾存儲(chǔ)室。最終設(shè)計(jì)的家用掃地機(jī)的總體布局如圖 3-12 所示：- 15 -圖 3-12 家用掃地機(jī)的總布局示意圖4 設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算4.1 驅(qū)動(dòng)輪上的電機(jī)的選擇（1）初步估計(jì)掃地機(jī)的重量為 10 千克，g 取 9.8N/kg，所以 ，此次的NG98.10??機(jī)身有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬向輪支撐著，所以分配到每個(gè)輪子上的力F7.32因?yàn)槠漭喿拥牟馁|(zhì)是橡膠，那按其在良好的路面上進(jìn)行清掃工作，所以取 ，1??，則：滾動(dòng)摩擦阻力1.0?? mNFMf ?????0327.1?滑動(dòng)摩擦力 .732?由前面的掃地機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置發(fā)現(xiàn)家用掃地機(jī)的底盤應(yīng)該要高于地面 10mm 左右，因此因此輪子的直徑 D 為 90mm，則 ，所以輪子在行走時(shí)所受到的阻力矩：mDR4521?NMRfTfw ?????? 180.37.0.73家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 16 -（2）工作時(shí)要求的功率： ，其中wwnTP???950mNT??180.i/2.16.60160rDnw??????取 ，所以8.?WPw50.8.95.?電機(jī)需要的輸出功率： ，?d其中 8047.909732321 ?????1為彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率； 2為軸承傳動(dòng)效率； 3?為齒輪嚙合的攢動(dòng)效率。所以電機(jī)所需的輸出功率WPwd1.8047.5?（3）電機(jī)的選擇 考慮到家用掃地機(jī)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的電機(jī)是要通過差速才能實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)彎的功能，所以這電機(jī)必須具備調(diào)速的功能，再由上述計(jì)算所得的電機(jī)輸出功率，通過在網(wǎng)上查到型號(hào)為 YCJT-6-1 的電機(jī)符合我們所設(shè)計(jì)的要求，輸出功率是 6W，調(diào)速范圍是 90r/min~1350r/min，已經(jīng)完全滿足我們的要求了，而且在滿足要求的同時(shí)，其安裝尺寸也是很小的，在總體布局下能安裝的下，所以選取此型號(hào)作為行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)。4.2 清掃機(jī)構(gòu)中電機(jī)的選擇考慮到家用掃地機(jī)的工作環(huán)境是在室內(nèi)，因此沒有太大的垃圾需要處理，所以也就不需要刷子的旋轉(zhuǎn)速度過大，估計(jì)在在 3m/s~4m/s 的速度就可以實(shí)現(xiàn)清掃了，同時(shí)也可以將垃圾掃進(jìn)垃圾存儲(chǔ)室內(nèi)了，而為了這次設(shè)計(jì)的相對(duì)簡(jiǎn)單點(diǎn)，于是將皮帶輪的傳動(dòng)比定為1：1，所以刷子的速度就是皮帶輪的速度，也是蝸輪的轉(zhuǎn)速，即 180r/min~210r/min，通過蝸輪蝸桿之間的傳動(dòng)比可以知道蝸桿的轉(zhuǎn)速大概在 2610r/min~3045r/min 的范圍之內(nèi)。所以查閱相關(guān)資料得型號(hào)為 55SZ01 的電機(jī)滿足要求，其具體參數(shù)為：轉(zhuǎn)速 3000r/min，功率12W，尺寸又可以滿足我們的布局要求，所以決定它作為清掃機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。4.3 蝸輪蝸桿的選擇計(jì)算此次設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿為清掃機(jī)構(gòu)的輸入部分，起到的作用不是減速作用，而是執(zhí)行的- 17 -作用，是整個(gè)設(shè)計(jì)中的重要組成部分。4.3.1 選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù) GB/T10085-1988 的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）4.3.2 選擇蝸桿蝸輪的材料由于蝸桿傳動(dòng)的功率并不是很大，于是選蝸桿的材料為 40Cr，表面淬火硬度45~50HRC，蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1，金屬模鑄造。4.3.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，首先是按齒面接觸疲勞強(qiáng)度來進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度是否滿足要求。由文獻(xiàn)[16]中式（11-12） ，傳動(dòng)中心距：??322???????HEZKTa??（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 T2按 ，估取效率2?z 7684.09.08.????1222 /5 inPnP?式中 ， ， ， ，則WP12?7684.0?m/301r?5.4?mNinPnT ??? 21/07685.9/5.9. 61222（2）確定載荷系數(shù) K此次設(shè)計(jì)的是小型的設(shè)備，所以工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù) ；由文1??K獻(xiàn)[16]中表 11-5 選取使用系數(shù) ；由于沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù) ；則15.?A 05.v21.05.??vK?（3） 確定彈性影響系數(shù) EZ因選用的是鑄錫磷青銅和鋼蝸桿相配，故 ；2160MPaZE?（4） 確定接觸系數(shù) ?先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動(dòng)中心距 的比值 ，從文獻(xiàn)[16]中圖 11-181da35.01d家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 18 -可查得 ；9.2??Z（5）確定許用接觸應(yīng)力 ??H?根據(jù)蝸輪的材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，可從文獻(xiàn)[16]中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力 ，MPaH268'?應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 72 102.305.14306???hLjnN壽命系數(shù) 867.38?HK所以 ????MPaHN274.0' ????（6） 計(jì)算中心距 ma9.127.16052.4.13 ?????????初步選取蝸輪蝸桿中心距為 50mm，因 ，故從文獻(xiàn)[16]中表 11-2 中取模5.412?i數(shù) ，蝸桿分度圓直徑 。此時(shí) ，從文獻(xiàn)[16]中m8?d.1?48.0ad圖 11-18 查得接觸系數(shù) ，因?yàn)?，因此上述計(jì)算結(jié)果可用。65.2'?Z?Z?'4.3.4 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)及幾何尺寸（1）蝸桿從文獻(xiàn)[16]中表 11-2 可以查得蝸桿分度圓導(dǎo)程角 ，“'29071???因?yàn)?，1tandPza???所以軸向齒距 ；63.292071tan4.tn“'1 ??????za直徑系數(shù) ；2.?q齒頂圓直徑 ；mmhdaa 4.614.1 ??????齒根圓直徑 ；??cf 82??- 19 -蝸桿軸向齒厚 mSa14.32??（2） 蝸輪蝸輪齒數(shù) ；變位系數(shù) ；9122?iz 10.2??x驗(yàn)算蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比 ，傳動(dòng)比誤差為 ，是在允許5.412?zi 029??范圍內(nèi)；驗(yàn)算中心距 ；??mzqa2.02?蝸輪分度圓直徑 ；d589???蝸輪喉圓直徑 ；haa6.122蝸輪齒根圓直徑 ；mff 3?蝸輪咽喉母圓半徑 drag.92?蝸輪齒寬 Ba8.175.0?4.3.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 ??FFaFYmdKT?????2153.當(dāng)量齒數(shù) 8.6413.0cos932??zv根據(jù) ， ，從文獻(xiàn)[16]中圖 11-19 中可以查得齒形系數(shù)10.2??x8.642?vz；35.FaY螺旋角系數(shù) 928.014701“'???????Y許用彎曲應(yīng)力 ??FNFK?'?從文獻(xiàn)[16]中表 11-8 查得由 ZCuSn10P1 制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力??MPaH56'??壽命系數(shù) 69.0172.396???FNK家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 20 -??MPaF470.369.05?????FF ???683.228413彎曲強(qiáng)度是滿足要求的。4.3.6 驗(yàn)算效率 ????v????tan96.0~5.已知 ； ； 與相對(duì)滑動(dòng)速度 有關(guān)13.0??vvfarctn?ssmds /62.413.0co1604.23.os61 ??????從文獻(xiàn)[16]中表 11-18 用插值法查得 、7.vf 7v?所以 ??????84.03.10tan96.~5.0tan96.0~5. ?????v???得到的值大于原先估計(jì)的值，因此不用重算。4.4 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)4.4.1 V 帶的選擇（1）傳動(dòng)比 ,小帶輪轉(zhuǎn)速 1?i 1-1minr20n??（2）確定計(jì)算功率， 由文獻(xiàn)[16]表 8-7 可知，取 ，.?AKWPKA 37.9.072.dca ?（3）根據(jù) 查文獻(xiàn)[16]圖 8-1，可知此時(shí)皮帶可以選擇in/213.1rnwca?及Y 型帶。4.4.2 初選小帶輪的基本直徑（1）查文獻(xiàn)[16]表 8-6 和 P157 表 8-8，可得 m48din1?取小帶輪基本直徑 m48d1?- 21 -取大帶輪基本直徑 m4810id12???（2）驗(yàn)算帶速 sndv /5./10648106????因?yàn)檫@個(gè)速度和刷子的速度相近，所以帶速合適。4.4.3 確定 V 帶的中心距 a 和基準(zhǔn)長(zhǎng)度（1）根據(jù)文獻(xiàn)[16]公式 8-20，初定中心距： ）（）（ d210d21a7.0???）（）（ 4848ma6. 0?初定中心距 m2.67a0?（2）計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度，參照文獻(xiàn)[16]m79.204)8)8(270a(aL2121d ??????（?dd由文獻(xiàn)[16]表 8-2，選帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 5Ld0（3）計(jì)算實(shí)際中心距 m3.6927.-9.672-a0d0 ?????）（ L圓整為 =69mm。4.4.4 驗(yàn)算小帶輪上的包角 1?00d1201 91863.574-8a3.57-8 ??????）（）（ ??4.4.5 計(jì)算 V 帶的根數(shù) Z（1）計(jì)算單根 V 帶的額定功率 rP家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 22 -由 ，查文獻(xiàn)[17]，得minr210n 48d1??和 4.6wP0?由 ，查文獻(xiàn)[17]，得型 帶和和 Yii ?查文獻(xiàn)[16]得 （包角 ） Ka?81?由基準(zhǔn)長(zhǎng)度 和 Y 型帶，查文獻(xiàn)[17]得295Ld0?8.0KL?392w.1046.Pr ???????）（）（ L?計(jì)算帶的根數(shù)5.29.3710rPcaZ?圓整后取帶根數(shù)為 3 根。4.4.6 計(jì)算單根 V 帶的初拉力的最小 min0F）（由文獻(xiàn)[16]表 8-3 查得 Y 型帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量 mkg0.2q?NZKP685.7.025.0317-.250v-.F2camin ??????）（ ）（）（ ?應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力 minF）（?4.4.7 計(jì)算壓力軸 NZ1.46280sin65.732iF1m0minP???????）（）（4.5 清掃軸的基本參數(shù)計(jì)算4.5.1 求軸上的功率 P、轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 T， ，w41.9?mi/20rmN??404.5.2 初步確定軸的最小直徑根據(jù)文獻(xiàn)[16]表15-3，由于最小直徑處只受扭矩作用,取 ，根據(jù)文獻(xiàn)[16]公97A0?- 23 -式（15-2）于是得 m45.3210.97nPAd3301 ???圓整后軸最小直徑d=6mm4.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、擬訂軸上零件的裝配方案選用如下圖所示裝配方案2、根據(jù)軸向定位的要求初步確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度md10??ⅡⅠ m39??ⅡⅠL7ⅢⅡ ⅢⅡ9?ⅣⅢ 14?ⅣⅢmd21?ⅤⅣ mL8?ⅤⅣ7?ⅥⅤ 20?ⅥⅤ軸的 II-III 處套有軸承，故同時(shí)選取此處的軸承。因軸承受到的徑向作用比軸向作用大，故選用深溝球軸承，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 626 型號(hào)軸承，其尺寸為d×D×T=6mm×19mm×6mm。4.6 蝸桿軸上的軸承校核本次設(shè)計(jì)計(jì)算主要針對(duì)蝸桿軸上的軸承的校核，選用 626 型深溝球軸承，根據(jù)文獻(xiàn)[17]查得 ， ，2340NC?4.e5.1?Y4.6.1 蝸桿軸上承受的力 WP894.7.08211 ????家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 24 -NdT51.02971tan8.2tanF4costcos0t.4.5312“'a 'r1t ???? ????? mPT ??.38.95095011受力分析圖如下所示：（1）計(jì)算軸的水平支反力 NFNHNH405.1.82-7361t2t1 ????（2） 計(jì)算軸的豎直支反力 NFdNVNVa58.046.-146.072.3.7236r2r1 ?????.1F2VHr?N22r24.6.2 查取參數(shù)由文獻(xiàn)[16]表13-7得： 32FrYd?所以 派生軸向力 N51.0492- 25 -由圖： 49.02.15.0. 12 ?????FdFad軸承1壓緊，軸承 2放松。??Na.a21?F490d?.69.048.12??eFra 4.032.5.12??er所以由文獻(xiàn)[16]表 13-5 查得： 0,156.2?YX4.6.3 計(jì)算深溝球軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中無沖擊載荷，按文獻(xiàn)[16]表13-6查得 取中間值2.1~pf，滾動(dòng)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷1.?pf )(YFaXrfP??所以 N20.1)5.04.156(.1 ???P42??4.6.4 計(jì)算軸承壽命對(duì)于圓錐滾子軸承 3??)(601PCnLh?所以 hLh 1036.4)2.1(30???對(duì)于軸承這種標(biāo)準(zhǔn)件，若在家用掃地機(jī)上長(zhǎng)期工作，此軸承都可滿足壽命。5 總結(jié)和展望家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 26 -5.1 總結(jié)本次主要設(shè)計(jì)的是家用掃地機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，而家用掃地機(jī)本身包括了多個(gè)功能模塊，這些功能模塊之間相輔相成，共同作用，才保證了家用掃地機(jī)的順利工作。具體的工作過程如下：（1）首先可以使用家用掃地機(jī)的遙控器或者表面的手動(dòng)模式來啟動(dòng)家用掃地機(jī)，讓它開始進(jìn)行清掃工作；（2）家用掃地機(jī)開始工作后，就可以使清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃，同時(shí)吸塵機(jī)構(gòu)也就開始吸塵。（3）當(dāng)家用掃地機(jī)開始工作后，傳感器模塊就開始不斷的通過傳感器來收集家用掃地機(jī)的周邊環(huán)境，然后將信息送回中央處理器來進(jìn)行分析和決定行走路線。（4）當(dāng)碰到一些障礙物需要掃地機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時(shí)候。中央處理器就會(huì)控制行走機(jī)構(gòu)中的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使兩電機(jī)有差速的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向。（5）當(dāng)垃圾存儲(chǔ)室內(nèi)的垃圾滿時(shí)，家用掃地機(jī)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，我們只要從后部抽出垃圾存儲(chǔ)盒將垃圾倒掉之后就可以繼續(xù)工作。本次的設(shè)計(jì)在閱讀了大量相關(guān)資料，并且與指導(dǎo)老師經(jīng)過討論后，選擇制定了一個(gè)較為優(yōu)秀的方案，并完成了設(shè)計(jì)題目中的要求。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：1、準(zhǔn)備工作。設(shè)計(jì)前充分了解了一些關(guān)于家用掃地機(jī)的概念和一些產(chǎn)品，以及家用掃地機(jī)的背景，并了解在設(shè)計(jì)家用掃地機(jī)過程中應(yīng)注意的問題。2、擬訂設(shè)計(jì)方案。本次設(shè)計(jì)的主要是家用掃地機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，其中包括行走機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)和垃圾存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。其中清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，要完全考慮到整個(gè)家用掃地機(jī)的空間，因?yàn)檫@次設(shè)計(jì)的是在室內(nèi)工作的掃地機(jī)，其體積不能太大。根據(jù)查閱的參考資料家用掃地機(jī)的形狀多種多樣，但根據(jù)此次設(shè)計(jì)的家用掃地機(jī)的工作環(huán)境，于是就決定了圓盤形的掃地機(jī)作為此次設(shè)計(jì)的外形。這種外形的好處在于能夠全面的清掃整個(gè)家庭的地面衛(wèi)生。而在設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)的時(shí)候也設(shè)計(jì)了很多種方案，通過比較它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選擇了一種最合理的方案作為清掃機(jī)構(gòu)的主體部分。3、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的計(jì)算。在設(shè)計(jì)過程中，也不斷地考慮了經(jīng)濟(jì)成本，在其總體尺寸、設(shè)備重量以及零部件的選擇設(shè)計(jì)上都下了些工夫。盡量減小重量，但又不能降低其機(jī)械強(qiáng)度。本裝置主要是蝸輪蝸桿傳動(dòng)、電機(jī)與軸之間的傳動(dòng)和皮帶輪之間的傳動(dòng)，通過對(duì)相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品以及參考書籍的了解查閱，合理的布置了各傳動(dòng)在本裝置的位置。對(duì)于蝸輪蝸桿、皮帶輪等零件的設(shè)計(jì)均按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求，計(jì)算其幾何尺寸，并校核。 - 27 -5.2 展望雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上的很多家用吸塵器解決了很多人們的清掃工作，但大部分的吸塵器的噪音都很大，這使得人們?cè)谑褂盟臅r(shí)候都不太舒服。而小型的家用掃地機(jī)則解決了這個(gè)大問題，同時(shí)還有一些高級(jí)的掃地機(jī)能進(jìn)行半自動(dòng)或者全自動(dòng)操作，這就給人們解決了更大的問題。雖然在這方面有了一些突破性的進(jìn)展，但成本高和許多更好的技術(shù)問題還是需要科研人員去解決的，主要有以下幾個(gè)方面：（1）目前，價(jià)格過高使得很多人都望而止步，所以得不到大范圍的推廣，因此為了大幅度降低其成本我們必須要利用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，最好能將價(jià)格控制在一個(gè)我們大部分家庭所能承受的范圍之內(nèi)。（2）目前的一些小型的家用掃地機(jī)雖然能做到清掃工作，但還不能進(jìn)行深層的清掃，只能清掃一些顆粒物，而不能清掃地面上的污垢，所以這也是今后要改進(jìn)的一個(gè)地方（3）目前的家用掃地機(jī)都需要充電來實(shí)現(xiàn)清掃，這就面臨著一個(gè)問題，充完電之后的使用時(shí)間的長(zhǎng)短。當(dāng)然我們希望是使用的時(shí)間能更長(zhǎng)點(diǎn)，這樣就能清掃的面積更多點(diǎn)，也讓家用掃地機(jī)的價(jià)值體現(xiàn)的更明顯點(diǎn)。家用掃地機(jī)設(shè)計(jì)- 28 -參考文獻(xiàn)[1] 杜祥琪編著. 工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1986．[2] 王炎,周大威.移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究[J],電氣傳動(dòng);2000 年 04期．[3] 陳之遠(yuǎn). 更加人性化的智能吸塵器[J ]. 家電大視野,2002,(9) :48 - 50.[4] 譚定忠,王啟明,李金山,李林. 清潔機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機(jī)械工程師，2004．[5] 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