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優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘要
本文所設(shè)計(jì)的是一種小型清掃機(jī)。能源裝置通過傳動系統(tǒng)將運(yùn)動傳給兩側(cè)的盤形刷，使其分別作順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，將兩側(cè)的垃圾掃到中間，傳給中間的滾刷。然后，再由滾刷將垃圾掃入垃圾箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)清掃功能。此設(shè)備屬小型清掃工具，可以對各種大小的垃圾進(jìn)行清理，兩側(cè)的清掃刷可方便的清掃墻角及靠近障礙物的地方。 本課題研究中，通過查閱搜集大量資料，對不同清掃設(shè)備進(jìn)行分析對比最終確定出一種較為理想的小型清掃機(jī)的設(shè)計(jì)方案，然后根據(jù)已定方案進(jìn)行了具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并使該設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加緊湊可靠。確定出各個機(jī)構(gòu)零部件的尺寸及型號后，并對其進(jìn)行了校核以保證其能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由于該設(shè)備的零部件相對比較普通易于制造，因此該設(shè)備的制造成本較低，是一種較為理想的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的走廊清掃工具。
關(guān)鍵詞：清掃機(jī)；盤形刷；滾刷；制造成本
ABSTRACT
The corridor sweeping equipment is designed in this work. The energy installmen tpasses the movement to brush discs in both sides through the transmission system and makes their separately clockwise and the anti-clockwise rotation. They sweep both sides trash together, and pass it to middle rolls brushes. Then, rolls brushes again sweep trash into the trashcan to realize the function of clear sweeping. This equipment is the medium and small sweeper, which can carry on the cleaning to each kind of trash. Both brushes can facilitate to sweep the wall corner and the near obstacle clearly.
In this article, massive materials can be collected. One more ideal corridor sweeper design proposal has been determined by analysis and comparison of the different scavenging arrangement. Then the concrete structure design calculation can be made according to this plan. The structure of this equipment can be made more compacted. The strength of all parts are calculated, and they all guarantee the request of design. Because the parts of equipment can be made quite easily, and the production cost is quite low, it is one more ideal economical practical corridor sweeper.
Key Words: Sweeper; Disc brushes; Rolls brushes; Production cost
目 錄
摘要······························································································Ⅰ
ABSTRACT······················································································Ⅱ
目 錄·······························································································Ⅲ
第1章 前言··················································································1
1.1 清掃機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景···································································1
1.2 清掃設(shè)備的概述·············································································2
1.2.1 清掃設(shè)備的分類········································································2
1.2.2 我國清掃機(jī)械的發(fā)展趨勢··································································2
1.2.3 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑······································································3
1.3 課題需要完成的任務(wù)·······································································4
1.3.1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容········································································4
1.3.2 設(shè)計(jì)工作基本要求··············································································4
第2章 總體方案設(shè)計(jì)·······································································6
2.1 設(shè)計(jì)主要技術(shù)要求················································································6
2.2 總體方案的確定················································································6
第3章 動力裝置的確定·································································10
3.1 蓄電池的選擇···················································································10
3.2 電動機(jī)的選擇··················································································11
第4章 清掃機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)····································································13
4.1 傳動比的分配················································································13
4.2 帶輪的選擇設(shè)計(jì)············································································14
4.2.1 主軸帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算·······································································14
4.2.2 Ⅰ—Ⅱ軸帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算·······························································18
4.2.3 Ⅲ—Ⅳ軸的帶輪設(shè)計(jì)·······································································21
4.3 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算·············································································22
4.3.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)············································································22
4.3.2 軸的校核················································································24
4.3.3 鍵的校核·············································································27
4.4 錐齒輪的計(jì)算···················································································27
4.4.1 錐齒輪的計(jì)算·········································································27
4.4.2 錐齒輪的校核計(jì)算··········································································32
4.5 車架的設(shè)計(jì)計(jì)算············································································33
結(jié)論·························································································35
參考文獻(xiàn)······················································································36
致謝······························································································37
第1章 前 言
1.1清掃工具的現(xiàn)狀和發(fā)展前景
從20世紀(jì)60 年代我國研制生產(chǎn)路面清掃機(jī)械開始（指大型清掃機(jī)的研制），已有40 多年的生產(chǎn)歷史，然而中小型清掃機(jī)的研制開發(fā)則剛剛起步。相對于發(fā)達(dá)國家，我國地面清掃機(jī)在銷售規(guī)模、技術(shù)水平、清掃效果等方面都存在一定的差距。 隨著公共環(huán)境衛(wèi)生、工廠清潔機(jī)械市場的迅猛發(fā)展，2005 年之后，國內(nèi)地面清掃機(jī)開始呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。但與國外相比，國內(nèi)還停留在市場的初級發(fā)展階段。
我國已逐步進(jìn)入現(xiàn)代化社會，陳舊、落后的清掃方式及設(shè)備，已不能滿足社會進(jìn)步的需要。對于自動化掃地器具，人們常見的是馬路上的掃地車，它能進(jìn)行大面積街道清掃、工作效率高，并且節(jié)約人力。然而，小面積區(qū)域的清掃工具還主要沿用傳統(tǒng)手工掃地工具：掃帚，工作效率低、清掃效果不夠理想、浪費(fèi)人力資源。而工作效率高的省時省力的龐然大物掃地車在比如廠區(qū)、居住小區(qū)、機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院、小街小巷、走廊等場所，確是英雄無用武之地。隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快及居住面積的增大，家居地面的清掃工作也越來越繁重，嚴(yán)重干擾了人們的生活。因此急需開發(fā)一種成本低、節(jié)約人力物力、清掃效果良好的適應(yīng)院落、小區(qū)、小巷、走廊等小區(qū)域場所的小型清掃設(shè)備。
目前，許多國家研制的清潔機(jī)器人應(yīng)時而生。日本，美國，歐洲各大廠商競相開發(fā)，有些產(chǎn)品甚至很超前。例如，有一種具有高效吸塵除灰功能的清潔機(jī)器人，可遙控也可自主運(yùn)作，能轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，有很高的實(shí)用價值，可對家居、廠礦企業(yè)等地面進(jìn)行清潔，幫助人們從繁雜的勞動中解放出來。在國外清潔設(shè)備的擁有率和洗衣機(jī)幾乎相當(dāng)，甚至要高（有公用洗衣房，專業(yè)洗衣店的緣故）。在這方面，國內(nèi)的研發(fā)步伐較慢，但是隨著國家城市化的進(jìn)程不斷加大和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多新興的中小城市正在崛起，城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代化的工廠不斷建成，機(jī)關(guān)、小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校和公共場不斷建設(shè)機(jī)械化清掃已經(jīng)成為一種必然，地面的清潔養(yǎng)護(hù)及工廠清潔生產(chǎn)已經(jīng)越來越重要。勞動力成本的不斷提高，清掃設(shè)備的市場前景日漸看好。
由于人們對環(huán)境污染問題越來越重視，燃油車在很大程度上受到限制。政府大力提倡綠色能源設(shè)備。近日國家出臺燃油含稅的政策，給電動掃地車帶來福音。小型清掃設(shè)備因其實(shí)用性強(qiáng)、 垃圾清掃率高 、污染小、成本底、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、維修方便等特點(diǎn)具有廣泛的市場前景和實(shí)用價值，它的出現(xiàn)和使用，將極大減輕人們繁瑣的家務(wù)勞動，節(jié)省寶貴的時間，提高了人們的生活質(zhì)量。小型清掃設(shè)備現(xiàn)在正是一個高速發(fā)展的時期，有著極其廣闊的發(fā)展空。
1.2 清掃設(shè)備的概述
1.2.1 清掃設(shè)備的分類
清掃設(shè)備按大小可分為大型清掃設(shè)備和中小型清掃設(shè)備。大型清掃設(shè)備主要是清掃車，由于本課題主要研究的是小型清掃設(shè)備大型的清掃設(shè)備在此不再多述。而現(xiàn)有的小型清掃設(shè)備主要有兩大類分別為掃地機(jī)和清潔機(jī)器人。
（1）清潔機(jī)器人：清潔機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該說是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個綜合性的結(jié)果，它集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。
清潔機(jī)器人是能夠在房間中自動清潔地面，保持家庭衛(wèi)生的一種機(jī)器人。它集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。包括有地面真空吸塵機(jī)器人、地面清掃機(jī)器人、壁面清洗機(jī)器人、泳池清洗機(jī)器人和一些特種清洗機(jī)器人，可用于各種場合的清潔工作。這方面的研究從上世紀(jì)80 年代起，開始受到人們的注意，不過由于清潔的環(huán)境基本上是結(jié)構(gòu)、半結(jié)構(gòu)性的，但要清除的垃圾則完全是非結(jié)構(gòu)性的，造成一定困難。清潔機(jī)器人具有如下的特點(diǎn)：①清潔機(jī)器人自帶電源，小巧輕便、操作簡單、自主性強(qiáng)、具有很強(qiáng)的實(shí)用性。②清潔機(jī)器人的工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，但要求有較好的環(huán)境適應(yīng)性。③清潔機(jī)器人的任務(wù)是清掃地面，工作的對象是地面的灰塵、紙屑以及其他一些小尺寸物體，而大尺寸物體不作為清潔機(jī)器人的處理對象?？紤]到安全因素，清潔機(jī)器人必須對人及家庭物品等不構(gòu)成任何危害，同時清潔機(jī)器人還必須具備自我保護(hù)的能力。就現(xiàn)有的技術(shù)而言清潔機(jī)器人的發(fā)展受到了很大的局限，它的推廣也得到了一定的限制。
（2）掃地機(jī)：掃地機(jī)是現(xiàn)有技術(shù)下的最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型清掃設(shè)備。掃地機(jī)涉及地板上小面積地面覆蓋物的清掃機(jī)械領(lǐng)域，是一種小型家庭、工廠、小區(qū)、機(jī)關(guān)用的掃地機(jī)械。它的一般是由車架、車輪、罩殼和手把組成的手推小車。在車前側(cè)裝設(shè)立掃帚；車架、罩殼下方裝設(shè)橫掃帚，通過半交叉皮帶和齒輪等傳動件由車輪旋轉(zhuǎn)動力帶動掃帚將垃圾掃入車架前端設(shè)置的撮箕內(nèi)。從而避免了灰塵和廢氣污染與機(jī)動噪聲。結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。不清掃時能將掃帚抬起脫離地面。掃地速度在3—6 公里／時左右，掃地寬度在1～2 米。以圓盤刷為工具的新型掃地機(jī)，主要用于家庭以及公共場所地板或室內(nèi)地面上覆蓋物的清掃。
1.2.2 我國清掃機(jī)械的發(fā)展趨勢
雖然國產(chǎn)清掃機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)水平已有了一定的進(jìn)步，價格性能比優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，但在以下幾個方面尚待進(jìn)一步提高，這也是今后我國清掃機(jī)械技術(shù)的發(fā)展趨勢。
（1）提高工作可靠性
目前國產(chǎn)清掃機(jī)工作可靠性不及進(jìn)口機(jī)，其原因主要有三，一是國產(chǎn)基礎(chǔ)件不過關(guān)，如動力裝置及其傳動系統(tǒng)、工作裝置的耐用性及材料的熱處理工藝等有待提高；二是制造工藝及加工精度較低；三是某些技術(shù)和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚待完善等。
（2）研發(fā)多功能清掃機(jī)
目前的清掃機(jī)基本是單一清掃功能，不能進(jìn)行拖地、灑水和清洗護(hù)欄等。若能開發(fā)一專多能的清掃機(jī)，則其功能會進(jìn)一步拓展，也更為實(shí)用。
（3）注重環(huán)保的多功能清掃機(jī)
目前大多數(shù)機(jī)型，揚(yáng)塵比較嚴(yán)重。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，開發(fā)環(huán)保型清掃機(jī)非常必要。
（4） 根據(jù)需要生產(chǎn)不同種類和配置的清掃機(jī)械
清掃涉及各種不同等級的地面，它所需要的清掃機(jī)械也是不同的。如高檔場所和對地面要求較高的地方要求清掃機(jī)械必須具備很低的噪音和良好的清潔效果，當(dāng)然其相應(yīng)采購和使用成本較高。等級較低的其它普通走廊地面的清掃要求較低，相應(yīng)生產(chǎn)和使用成本較低。根據(jù)不同等級地面需要配置不同種類的清掃機(jī)械，以便降低地面總成本的投入，因此開發(fā)和生產(chǎn)不同種類和配置的清掃機(jī)械是必要的。
1.2.3 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑
本課題要求是設(shè)計(jì)一種簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的走廊清掃機(jī)，其關(guān)鍵問題就在于如何很好的實(shí)現(xiàn)清掃功能。尤其使傳動系統(tǒng)、整體結(jié)構(gòu)、工作裝置的設(shè)計(jì)。由于清潔器是一種出現(xiàn)比較晚的機(jī)械產(chǎn)品，因此在其設(shè)計(jì)過程中，不可避免的出現(xiàn)了很多未解決得難點(diǎn)疑點(diǎn)，總結(jié)其難點(diǎn)如下：
由于清掃機(jī)是一新興產(chǎn)品，掃地功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)還不成熟，很難查到相關(guān)的資料。因此掃地功能的實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)工作的一個很大的難點(diǎn)。清掃機(jī)工作時所產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵污染、漏垃圾、噪音大和產(chǎn)品可靠性等方面也較難解決的問題。清掃范圍的大小不僅與清掃機(jī)的各部分的尺寸有關(guān)，并與它的總體設(shè)計(jì)構(gòu)形式有關(guān)。機(jī)構(gòu)太小工作效率就會降低，清掃范圍也就變小滿足不了走廊的清掃要求，機(jī)構(gòu)太大則設(shè)備就會太大從而增加轉(zhuǎn)彎半徑。使清掃機(jī)在走廊中轉(zhuǎn)彎困難。因此合理的選擇機(jī)構(gòu)的大小及機(jī)構(gòu)布置極為重要且比較困難。
為了更好的了解所作題目，查閱已有文獻(xiàn)資料是十分重要的，由于走廊清掃機(jī)的資料很少的。因此，在設(shè)計(jì)過程中，廣泛的搜集資料，并借鑒了清潔機(jī)器人的一些數(shù)據(jù)資料對我的設(shè)計(jì)工作起了很大的幫助。通過閱讀“清潔機(jī)器人概述”（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院李金山等著），“清潔機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀”（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院李金山等著），“清潔機(jī)器人及其應(yīng)用”（趙臣等著）等許多相關(guān)論文，觸類旁通對清潔機(jī)器的設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識，在這些文獻(xiàn)綜述中，詳細(xì)的介紹了清潔機(jī)器人的一般設(shè)計(jì)思路，如外形的設(shè)計(jì)，機(jī)器人的驅(qū)動方式如何，具體結(jié)構(gòu)等等，都對我即將所作的設(shè)計(jì)提供了很大的幫助，此外，為了更好的設(shè)計(jì)清掃機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在軸，齒輪等重要元件的設(shè)計(jì)過程中保證其結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，又對機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課本進(jìn)行了系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，但是，由于清掃機(jī)出現(xiàn)時間晚，產(chǎn)品數(shù)量少，一些關(guān)鍵技術(shù)受專利所限，因此，很多關(guān)鍵技術(shù)是不會公布在資料之中的。所以，我參考用的資料并不能解決我在設(shè)計(jì)過程中所遇到的所有難點(diǎn)，有許多的問題是根據(jù)我自己的想法來做的。因?yàn)槲业倪@些想法并不成熟，沒有太多的實(shí)踐性，所以，在解決一些棘手問題時并不能夠很好的解決。在今后的設(shè)計(jì)中，還需要通過實(shí)踐，對其一步一步的進(jìn)行改進(jìn)。
1.3 課題需要完成的任務(wù)
1.3.1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
本課題要求設(shè)計(jì)出的走廊清掃機(jī)能完成普通清掃的功能。完成走廊清掃機(jī)的方案設(shè)計(jì)，以及結(jié)構(gòu)組成，并對走廊清掃機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力更加合理。
其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：
（1）走廊清掃機(jī)總體方案設(shè)計(jì)；
（2）走廊清掃機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（3）完成折合A0 圖紙3 張，并建立三維實(shí)體模型；
（4）完成2 萬字左右的畢業(yè)論文或設(shè)計(jì)說明書。
1.3.2 設(shè)計(jì)工作基本要求
① 結(jié)合設(shè)計(jì)題目，在老師的指導(dǎo)下廣泛查閱文獻(xiàn)，并寫出不少于3000 字的文獻(xiàn)
綜述；
② 根據(jù)參考文獻(xiàn)和課題要求，提出自己擬定的可行性方案，并寫出開題報告；
③ 據(jù)課題要求，對走廊清掃機(jī)進(jìn)行受力計(jì)算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力更加合理；
④和老師充分研討，列出論文編寫大綱；
⑤翻譯英文文獻(xiàn)3000 單詞左右；
⑥認(rèn)真撰寫論文，按時完成任務(wù)，準(zhǔn)備答辯；
總的要求就是畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束后，能夠達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。
第2章 總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)主要技術(shù)要求
驅(qū)動方式：汽油機(jī)或者電力驅(qū)動。汽油驅(qū)動型適合院落、停車場等戶外清掃作業(yè)；電瓶驅(qū)動型因其噪音低，污染小，適合室內(nèi)清掃作業(yè)。
每小時清掃面積不低于1000 平方米。垃圾箱容量不低于30L。
2.2 總體方案的確定
由于工作的場合對環(huán)境要求較高因動力裝置都選為噪音低，污染小環(huán)保的電驅(qū)動。
最初設(shè)計(jì)了許多的方案，最終綜合考慮認(rèn)為其中三種方案最為有可能實(shí)現(xiàn)我們的課題要求，在此僅對這三種方案進(jìn)行分析說明。
方案一：
圖 2.1 方案一簡圖
工作原理：殼體l 的前上部設(shè)有電機(jī)2 和電池，殼體1 的前下部設(shè)有滾刷3，電機(jī)2 通過傳動帶帶動滾刷3。工作時，滾刷3 掃起的灰塵直接進(jìn)入垃圾斗6 中；同時，殼體l 的底板上的垃圾斗6 的前部設(shè)有導(dǎo)向斜面4、垃圾斗7 的下沿設(shè)有向后傾斜的小斜面5 ，導(dǎo)向斜面4、小斜面5 將灰塵導(dǎo)入垃圾斗4 中。
方案二：
圖 2.2 方案二簡圖
工作原理：推動車體前進(jìn)，電機(jī)通過傳送帶將運(yùn)動傳遞給帶輪2、滾筒軸3 ，從而帶動毛刷滾筒3 作逆時針轉(zhuǎn)動；同時，主動帶輪通過傳送帶將運(yùn)動傳給帶輪9、齒輪10 再傳給齒輪6 最后傳給輸送輪7，再帶動傳送帶5 作順時針轉(zhuǎn)動。在毛刷和刮鏟4 的共同作用下，通過傳送帶5 以及卸料板將垃圾送到垃圾箱7 中。
方案三：
圖 2.3 方案三簡圖
工作原理：推動清掃機(jī)前進(jìn)，電機(jī)1 將運(yùn)動傳給帶輪2 再有帶傳動傳給帶輪3 從而使同一根軸上的帶輪7 和錐齒輪4、9 旋轉(zhuǎn)。帶輪7 將運(yùn)動傳給帶輪8，帶輪8 帶動主刷13 作逆時針旋轉(zhuǎn)，通過傾斜的導(dǎo)向刮板12 將垃圾送入垃圾箱內(nèi)。同時錐齒輪4、9 帶動錐齒輪5、10 轉(zhuǎn)動，再有帶傳動將運(yùn)動傳給兩側(cè)刷11、14 使側(cè)刷11 作順時針轉(zhuǎn)動，側(cè)刷14 作逆時針轉(zhuǎn)動，將兩側(cè)的垃圾掃到中間，傳給主刷13 由主刷將垃圾掃入垃圾箱內(nèi)。
方案對比：
方案一：此方案結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備體積小。適合小面積的清掃工作，但此清掃機(jī)垃圾箱容量小、進(jìn)塵口小而且此清掃機(jī)的電池容量不易過大，容量低，不適合長時間的清掃工作，并且不適合較大些垃圾的清理。
方案二：此方案清掃機(jī)可以清掃大型的垃圾雜物，而且垃圾容量大，可配置較大容量的電池，適合長時間的工作，并可作為院落、工廠、小區(qū)等較大面積區(qū)域的清掃工具。但此方案的清掃機(jī)由于帶的存在可能使此設(shè)備的尺寸較大，且不易用于清掃灰塵等細(xì)微輕小物質(zhì)。由于清掃機(jī)兩邊存在清掃死角，不能清掃墻角和靠近障礙物的地方。
方案三：此方案彌補(bǔ)了前兩種方案的缺陷，可以對各種大小的垃圾進(jìn)行清理，兩側(cè)的清掃刷可方便的清掃墻角及靠近障礙物的地方。并且由于兩側(cè)的清掃刷的存在，相對于第二種方案大大的增加了清掃寬度，而且轉(zhuǎn)彎半徑不變。并且配置了大容量的電池和大容量垃圾箱，大大提高了工作效率和清掃效果，可進(jìn)行長時間的工作。除作為走廊清掃工具外，也可作為院落、工廠、小區(qū)等較大面積區(qū)域的清掃工具。此方案是一種理想的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的走廊清掃機(jī)設(shè)計(jì)方案。
因此綜合考慮選擇第三種方案作為最終設(shè)計(jì)方案。其實(shí)體外形如下圖：
第3章 動力裝置的確定
3.1 蓄電池的選擇
選用蓄電池型號
清掃機(jī)所使用的蓄電池要求在使用過程中能夠完全放電，不排放有害氣體，不污染環(huán)境。
由此針對此設(shè)計(jì)選用鉛蓄電池，型號為：3DAW250
有關(guān)性能為：
標(biāo)準(zhǔn)電壓為12V 其比能量達(dá)250w? h/kg
使用壽命為充放電1200 次 放電深度為75%
外形尺寸為：長×寬×高=120mm×70mm×70mm
重量約為：5kg
此蓄電池外形圖為：
圖3.1 蓄電池
此蓄電池的性能：
（1）該電池為全密封閥控式（可維護(hù)）電動車專用蓄電池，具有全密封防泄露設(shè)計(jì)、安全可靠、自放電小、容量大、比能量高等優(yōu)點(diǎn)。
（2）污染少，噪聲小?？蓽p少排污97%，甚至可做到零排污
（3）節(jié)約能源，為普通蓄電池耗能的2/3
（4）結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，易于操作和維修
（5）使用時間長，充電后每次可用15 小時
（6）有足夠的功率供清掃機(jī)達(dá)到每小時清掃面積不低于1000 平方米的要求。
（7）使用壽命長，一般可充電700 次左右
3. 2 電動機(jī)的選擇
（1）電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式
電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式可以根據(jù)電源的種類、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸）和載荷特點(diǎn)（性質(zhì)、大小、啟動性能和過載情況）來選擇。
在移動的設(shè)備中和蓄電池配套的較常使用的電機(jī)有直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)。
直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：容易購得，型號多，功率大，接口簡單，適合大型機(jī)器。
直流電動機(jī)的缺點(diǎn)：太快需要齒輪減速器，電流通常較大，較難與車輪裝配，控制復(fù)雜。
步進(jìn)電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：精確的速度控制，型號多，適合室內(nèi)機(jī)器人的速度，接口簡單，便宜。
步進(jìn)電動機(jī)的缺點(diǎn): 功率與自重比小，電流通常較大，體積大，較難與車輪裝配，負(fù)載能力低，功率小，控制復(fù)雜，運(yùn)動時產(chǎn)生震動。
清掃機(jī)多在室內(nèi)環(huán)境下工作，要求控制較簡單，運(yùn)行平穩(wěn)，因此選擇直流電動機(jī)。
（2）直流齒輪減速電動機(jī)的選擇
齒輪減速電機(jī)有時叫做齒輪馬達(dá)或減速電機(jī)。它們通常由轉(zhuǎn)軸上帶有減速器的直流電動機(jī)有刷電機(jī)組成。如果一個電機(jī)看上去明顯由兩個不同的部分連接而成，那么就可以認(rèn)定它是齒輪減速電機(jī)。齒輪減速電機(jī)通常通過減小電機(jī)速度來增加旋轉(zhuǎn)能力。
因?yàn)橹绷麟妱訖C(jī)仍然從內(nèi)部伸出兩個相同的插頭，所以齒輪減速電機(jī)與普通電機(jī)一樣使用方便。與最后一級齒輪相連的是一根轉(zhuǎn)軸。這個新轉(zhuǎn)軸的末端伸出減速器的頂部，便于輪子和其他元件與其相接。這個伸出減速器的新轉(zhuǎn)軸代替了伸出電動機(jī)的老轉(zhuǎn)軸。當(dāng)查看電動機(jī)時，如果轉(zhuǎn)軸沒有從中心伸出，那么這個電動機(jī)可能是齒輪減速電動機(jī)。
選擇普通直流電動機(jī)所用的標(biāo)準(zhǔn)仍然適合用來選擇齒輪減速直流電動機(jī)，即檢查電壓，尺寸，重量和RPM。在大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場合，常選用帶有金屬齒輪和金屬減速器機(jī)架的行星輪減速器。塑料齒輪具有非常輕的質(zhì)量，更適合低轉(zhuǎn)矩，需要反應(yīng)迅速的應(yīng)用場合。本設(shè)計(jì)中選用金屬齒輪的減速電機(jī)。
（3）電機(jī)功率的計(jì)算
電動機(jī)容量（功率）選得合適與否，對電動機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響，當(dāng)容量小于工作要求的時候，電動機(jī)不能保證工作機(jī)的正常工作，或使電動機(jī)因長期過載發(fā)熱量大而過早損壞；容量過大則電動機(jī)價格高，能量充分利用，經(jīng)常處于不滿載運(yùn)行，其效率和功率因數(shù)都降低，增加電能消耗造成很大浪費(fèi)。
電動機(jī)容量主要根據(jù)電動機(jī)運(yùn)行的發(fā)熱條件來決定。電動機(jī)的發(fā)熱與其運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。對于長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷不變或變化很小，常溫下工作的機(jī)械，只要所選電動機(jī)的額定功率Pm 等于或大于所需電動機(jī)功率P0，即Pm>=P0，電動機(jī)在工作時就不會過熱，而不必校驗(yàn)發(fā)熱和起動力矩。
清掃機(jī)清掃材料選用尼龍材料。設(shè)計(jì)圓盤毛刷受力約為F=50N，轉(zhuǎn)速為n=60r/min.滾筒清掃受力約為F=75N,轉(zhuǎn)速為n=40r/min。
圓盤毛刷轉(zhuǎn)矩T= FR=50×0.15=7.5N·m
所需功率P= ==47W
圓盤毛刷到錐齒輪間用帶傳動，傳遞效率90%。
橫放錐齒輪III軸處的功率為：
PIII= P/?=47÷90%=52W
齒輪間的傳遞效率為90%
豎放齒輪處的功率
P= PIII/ ?=52÷90%=58W
滾筒處II軸的轉(zhuǎn)矩
T=FR=75×0.25=18.75N·m
此處的功率
P===78.5W
滾筒到主動軸I軸用帶傳動，傳遞效率為90%
P=P/ ?=78.5÷90%=87.2W
電機(jī)到I軸之間用帶傳動，傳遞效率90%
電機(jī)的輸出功率
P=(2P+ P)/ ?=(2×58+87.2)÷90%=225.8W
由于清掃機(jī)工作速度為60r/min 為較低轉(zhuǎn)速故選用12V250W 齒輪減速電機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)速為600r/min。
第4章 清掃機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1傳動比的分配
電機(jī)到II軸之間的總傳動比
i===15
分配各級傳動比
設(shè)計(jì)有電機(jī)到I軸的傳動比i=5；
由I軸到III軸的傳動比i=3。
電機(jī)到圓盤毛刷的總傳動比
i===10
齒輪間的傳動比為i=2
圖4.1 清掃機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
4.2 帶輪的選擇設(shè)計(jì)
4.2.1 I軸帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1）確定計(jì)算功率
計(jì)算功率Pca 是根據(jù)傳遞功率P，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運(yùn)行時間長短等因素影響而確定。
P= KP=1×203.2=203.2W
式中：P——計(jì)算功率
K——工況系數(shù)。查工況系數(shù)表得K=1
P——所需傳遞的額定功率長
2）計(jì)算傳動比
i===5
選擇Z型V帶
3）由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-11，取小帶輪基準(zhǔn)直徑為d=50mm
4）大帶輪直徑
d=i d=5×50=250mm
5）計(jì)算帶速v
v===1.57m/s
6）初定中心距a
0.7（d+ d）﹤a﹤2（d+ d）
210 ﹤a﹤600
取 a=300mm
7）計(jì)算基準(zhǔn)長度
Ld=2a+（d+ d）+
=2×3.14+×300+
=1096mm
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-4，取基準(zhǔn)長度Ld=1000mm
8）實(shí)際中心距a
a≈a+
≈300+
≈252
取a=250mm
9）小帶輪包角α
α=180°－×57.3°
=180°－×57.3°
=135°﹥120°
所以小帶輪包角合理
10）確定V帶根數(shù)
一般單根V帶可傳遞的功率達(dá)75KW。此處，所傳遞的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于75KW，所以用一根V帶足以。
11）單根V帶的張緊力
F=500(－1)+mv
=500×(－1)×+0.06×1.57
=29.46N
式中：——包角修正系數(shù) ， 查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-1-21得=0.88
m——V帶單位長度質(zhì)量，kg/m。查表12-1-23得m=0.06 kg/m
12）作用在軸上的力F
F=2 FZsin
=2×29.46×1×sin68°
=51.4N
F= F=77.1N
13) 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)V 帶輪時應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量小；結(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；質(zhì)量分布均勻，輪槽工作面要精細(xì)加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以減少載荷分布均勻。
圖4.2 V帶的截面形式
參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-7～12-10可知：
基準(zhǔn)寬度bd 為8.5 ㎜；基準(zhǔn)線上槽深hamin 為2.0 ㎜；基準(zhǔn)線下槽深為hfmin 為7.0 ㎜；帶輪寬B 為B=(Z-1)e＋2f ㎜；外徑da=dd＋2ha ㎜；從而確定帶輪的各部分尺寸。
初定小帶輪孔徑d=20mm，基準(zhǔn)直徑d=50mm，外徑d=53.2mm，輪寬B=14mm，輪槽寬b=8.5mm。因?yàn)榛鶞?zhǔn)直徑d≦2.5d，所以小帶輪采用實(shí)心結(jié)構(gòu)。
大帶輪基準(zhǔn)直徑d=i d=5×50=250mm
d= d－2（h+ f+δ）
=254－2×（2.0+7.0+5.5）
=225mm
d=（1.8～2）d=43mm
因?yàn)閐- d﹥100mm,所以大帶輪采用孔板式。腹板厚S=10mm L=（1.5～2）d=36
輪寬B=20mm，S≧1.5S=15mm，S≧0.5S=7mm，d==134mm。輪槽寬b=8.5mm。
圖4.3 I軸大帶輪結(jié)構(gòu)示意圖
4.2.2 I-Ⅱ軸帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1）確定計(jì)算功率
P= KP=1×78.5=78.5W
式中：P——計(jì)算功率
K——工況系數(shù)。查工況系數(shù)表得K=1
P——所需傳遞的額定功率長
2）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表8-6和8-11 ， 選擇Z型V帶
3）計(jì)算傳動比
i===3
4）由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-11，取小帶輪直徑為d=56mm
5）大帶輪直徑
d=i d=3×56=168mm
取d=160mm
6）計(jì)算帶速v
v===1.35m/s
7）初定中心距
0.7（d+ d）﹤a﹤2（d+ d）
156.8 ﹤a﹤448
取a=380mm
8）計(jì)算基準(zhǔn)長度Ld
Ld=2a+（d+ d）+
=2×380+×224+
=1126mm
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-1-4，取基準(zhǔn)長度Ld=1120mm
9）世紀(jì)中心距a
a≈a+
≈380+
≈374mm
考慮到滾筒與帶輪2之間有一定的間隙，所以取a=380mm
10)小帶輪包角
α=180°-×57.3°
=180°-×57.3°
=163.2°﹥120°
所以小帶輪包角合適
11）確定V帶根數(shù)
此處帶輪之間所傳遞的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單根V帶所傳遞的功率，所以這里僅用一根V帶。
12）單根V帶的初張緊力
F=500(-1)+mv
=500×(-1)×+0.06×0.35
=130N
式中：——包角修正系數(shù) 查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-1-21得=0.95
m——V帶單位長度質(zhì)量，kg/m。查表12-1-23得m=0.06 kg/m
13）作用在軸上的力F
F=2 FZsin
=2×130×1×sin81.6°
=249.2N
F= F=373.8N
14）帶輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-7～12-10，設(shè)計(jì)小帶輪孔徑d=20mm，可采用實(shí)心式。輪寬B=14mm，外徑d=60mm，輪槽寬b=8.5mm
設(shè)計(jì)大帶輪孔徑d=25mm，因?yàn)閐≧2.5d，所以采用腹板式。輪寬B=14mm，
d= d-2（h+ f+δ）
=164－2×（2.5+8.0+5.5）
=132mm
d=（1.8～2）d=40mm
4.2.3 Ⅲ—Ⅳ軸的帶輪設(shè)計(jì)
1）確定計(jì)算功率
P= KP=1×47=47W
式中：P——計(jì)算功率
K——工況系數(shù)。查工況系數(shù)表得K=1
P——所需傳遞的額定功率長
2）確定傳動比
由總體傳動比可確定傳動比為i=1
選用Z型V帶
3）查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表12-1-11得小帶輪的基準(zhǔn)直徑d=100mm
4）計(jì)算帶速
v===0.33m/s
5）計(jì)算中心距
a==456mm
6）計(jì)算基準(zhǔn)長度Ld
Ld=2a+（d+ d）+
=2×456+×212
=1245mm
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-1-4，選擇基準(zhǔn)長度Ld=1250mm
7）單根V帶的初張緊力
F=500(-1)+mv
=500×(-1)×+0.06×0.33
=107N
式中：——包角修正系數(shù) 查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊12-1-21得=1
m——V帶單位長度質(zhì)量，kg/m。查表12-1-23得m=0.06 kg/m
8）計(jì)算壓軸力F
F=2 FZsin
=2×107×1×sin90°
=214N
F= F=321N
9)帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
兩個帶輪均采用腹板式結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)V 帶輪時應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量??；結(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；質(zhì)量分布均勻，輪槽工作面要精細(xì)加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以減少載荷分布均勻。
4.3 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.3.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）主軸的材料選擇45鋼調(diào)制處理，初步計(jì)算其最小直徑。取A=115，則：
d≧A=115×=13.7mm
初步取d最小直徑為20mm
2）采用下圖所示裝配方案：
圖4.4 主軸裝配示意圖
3）確定軸的各段直徑和長度
①為了滿足軸向定位要求， I-II 軸段右端須制造出一軸肩，故取II-III 軸段的直徑為27 ㎜，長度為25 ㎜。I-II 軸段的左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑為28 ㎜。使帶輪繞軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，為了保證軸端擋圈只壓在帶輪上，采用的I-II 軸段的直徑為20 ㎜，長度為20 ㎜；
②初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用軸承參照 工作要求并根據(jù)III-Ⅳ軸段的直徑為30 ㎜，由軸承產(chǎn)品目錄初步選取0 基本游隙組標(biāo)準(zhǔn)精度級的圓錐滾子軸承32006 型其尺寸為d×D×T=30 ㎜×55 ㎜×13 ㎜,故選用III-IV 軸段的直徑為30 ㎜，長度為22 ㎜。右端軸承采用采用套筒進(jìn)行軸向定位。由手冊查得厚度為h=4 ㎜,取IV-V 軸段的直徑為30 ㎜。套筒右端用定位。
③安裝齒輪處的的軸段V-VI 的直徑為30 ㎜齒輪左端用擋圈定位。右端用一套筒定位，同時套筒右端定位帶輪。已知帶輪的輪轂寬度為25 ㎜，為了使套筒端面可靠的壓緊齒輪此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度故采用VI-Ⅶ軸段的長度為22 ㎜。帶輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h﹥0.07d,取h=3.5 ㎜,則軸環(huán)處的直徑為42 ㎜。軸環(huán)寬度b≥1.4h,取Ⅶ-Ⅷ軸段的長度為10 ㎜。為了滿足右端齒輪的軸向固定要求，采用階梯軸形式，選用Ⅷ-Ⅸ軸段的直徑為35 ㎜，長度為193 ㎜。右端的零部件結(jié)構(gòu)的定位及軸徑長度與左端的大體相同。
④帶輪及齒輪與軸的軸向定位采用平鍵連接。按照齒輪與軸的直徑由手冊查表得平鍵截面尺寸分別為b×h×l=6 ㎜×6 ㎜×14 ㎜、 b×h×l=8 ㎜×7 ㎜×16 ㎜、b×h×l=10 ㎜×8 ㎜×16 ㎜(GB/T1095-1979)。鍵槽用鍵槽銑加工，同時為了保證齒輪和軸的配有良好的對中性，故選擇輪轂與軸的配合為H7/n6. 圓錐滾子軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證，此處選軸的直徑尺寸公差為h6。
4.3.2 軸的校核
下面對主軸進(jìn)行校核。
根據(jù)設(shè)計(jì)的軸的尺寸和各處所傳遞的功率，計(jì)算軸上的力及力矩。
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
F=85N, F=125N
F=217N, F=217N
彎矩M
M=35.37N·m
M=30.38N·m
總彎矩
M=46.62 N·m
扭矩T
T=20.8 N·m
軸的受力如圖所示：
F F
F F F F
11.25N·m
35.37N·m
25.36N·m
M
F F
F F
30.38N·m
30.38N·m
M
11.25N·m
46.62N·m
39.57N·m
M
16.2N·m
20.8N·m
4.6N·m
T
圖4.5 主軸的受力示意圖
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）。]
軸的抗彎截面系數(shù)
W=－
=－
=3843mm
式中：d——軸的直徑
b——鍵槽寬度
t——鍵槽深度 t=3.5mm
σ=
=
=12.56Mp
式中：σ——軸的計(jì)算應(yīng)力，Mp
M——軸所受的彎矩，N·mm
T——軸所受的扭矩，N·mm
а——取а=0.6
軸的材料選用45鋼，其許用應(yīng)力〔σ〕=60 Mp
σ﹤〔σ〕
所以該軸安全。
4.3.3 鍵的校核
鍵的失效形式主要是工作面被壓潰，一般只對擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核，由公式得：
σ=
式中：
t—傳遞的轉(zhuǎn)矩，為20.8N·M
k—鍵的工作長度，為14 ㎜
d—軸的直徑 ，為35 ㎜
〔σ〕—鍵、軸、連軸器輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，需用擠壓應(yīng)力[σ p ]=70～80MPa，取其平均值75MPa,得：
σ==49.52 Mp﹤[σ p ]
所以，鍵是安全的。
4.4 錐齒輪計(jì)算
選用斜齒錐齒輪傳動，走廊清掃機(jī)為一般機(jī)械轉(zhuǎn)速不高，故選用8 級精度選擇小錐齒輪的材料為42SiMn(調(diào)質(zhì)硬度240∽270HBS), 大錐齒輪的材料為42SiMn(調(diào)質(zhì)硬度210∽240HBS)。
1） 齒形角α
選用EN刀盤，則α=20°
2） 大端端面模數(shù)
根據(jù)強(qiáng)度與類比法確定 m=4
3） 齒數(shù)比
由傳動關(guān)系可知，齒數(shù)比μ===2
4） 確定齒數(shù)
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表13-3-11和實(shí)際空間得z=17，z=μz=2×17=34.因?yàn)閦和z最好無公因數(shù)，取z=33，則實(shí)際傳動比μ=2.06
5） 分錐角δ
tanδ==0.4857 δ= 25°54′23″ δ=64°5′37″
6） 分度圓直徑
d=m z=4×17=68mm d=m z=4×33=132mm
7） 錐距R
R==77.82mm
8） 齒寬b
b=(～)R=22mm
9） 假想平面齒輪齒數(shù)Z
Z==38.91mm
10) 參考點(diǎn)錐距R
R=R－0.415b=77.82－0.415×22=68.69mm
11） 小端錐距R
R=R－b=77.82－22=55.82mm
12)齒寬中點(diǎn)螺旋角
取=35°，小齒輪右旋，大齒輪左旋。
13）初定參考點(diǎn)螺旋角
=0.914（β+6°）=0.914×（35°+6°）=37.5°
14） 選擇銑刀盤
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊圖13-3-10，根據(jù)=37.5°，R=68.69mm,查得標(biāo)準(zhǔn)刀盤半徑 r=44mm，對應(yīng)的螺旋角=40°，由表13-3-19得Z=4
15） 選擇刀片型號
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊圖13-1-11和表13-3-19，根據(jù)Z=38.91mm, =37.5°,確定選用EN4-44刀盤時用3號刀片 r=1972mm.
16)參考點(diǎn)法向模數(shù)m
m=2=2×=2.708
17)參考點(diǎn)實(shí)際螺旋角β
β===0.7670
β=39°55′
18）齒高h(yuǎn)
h=2.15 m+0.35=2.15×2.708+0.35=6.17mm
19)銑刀軸傾角Δα
由==7.13和β=39°55′，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊圖13-3-12得δ=79°18
所以Δα=0
20）高變位系數(shù)x
因?yàn)閆=17﹥16，所以x= x=0
21）齒頂高h(yuǎn)
h=(1+ x) m=(1+0)×2