全自動吸塵器部分結構的設計

　　摘 要： 本文主要介紹了吸塵器外殼、洗塵、行走部分的結構設計
　　關鍵詞： 全自動吸塵器 外殼 吸塵部分 行走部位 結構設計
　　
　　近幾年來，國內吸塵器市場發展迅速，每年的增幅都保持在15%以上，在中國消費者對家庭裝修有了更高要求的同時，對保持家庭環境衛生的吸塵器也就漸漸重視起來。預計在未來三年，國內吸塵器市場將大漲，到2015年至少要比現在翻一番。目前吸塵器之于中國人就像上世紀80年代初洗衣機一樣，當中國消費者明白它的功用時，機會就來了。吸塵器對中國人來說曾經是奢侈品，但現在這種情況發生了變化，吸塵器正在中國家庭迅速普及。在吸塵器逐步走進中國消費者視野的同時，擁有時尚外觀、能夠提升生活檔次的吸塵器也在“攀比”中得到了發展空間。
　　未來的吸塵機器人將向自主式和人工智能化發展，因此必須結合現有的基于自適應控制、預測控制、模糊邏輯、神經網絡等移動機器人運動規劃和控制技術，研究對環境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規劃與控制器及高效的傳感器融合算法，是在現實環境中實現具有良好的自適應性和魯棒性行為的機器人的關鍵。本文主要介紹吸塵器外殼、洗塵、行走部分的結構設計。
　　一、全自動吸塵器外殼結構設計
　　吸塵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，這樣既能保護內部結構，又能保證安全。
　　由于多功能吸塵器需要在地面自動行走，因此它的結構要保證行走的平穩，可以采用臥式吸塵器的結構來完成其機體的設計，如圖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，后殼內安裝吸塵部件，里面主要安裝電動機-風機及一些功能性機構；兩側可以用來安裝車輪，此外在后殼處有排風口，便于風機的工作。
　　家用吸塵器的外殼不僅要具有足夠的強度，而且要有美觀的造型、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部的結構需要。
　　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吸塵器外，現代家用吸塵器很少采用。
　　鑒于以上原因，多功能吸塵器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，其他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，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。用于多功能吸塵器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。
　　多功能吸塵器的殼體由于考慮到后面要安裝驅動電機這使得它的后殼結構與通常的臥室吸塵器有所不同，在多功能吸塵器的后殼部位下面留有一定的驅動電機安裝空間，同時便于驅動輪的安裝，有利于整體結構的布局。
　　二、全自動吸塵器吸塵部位結構設計
　　多功能吸塵器的吸塵部位，主要由吸嘴、吸管、儲塵箱、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，濾出垃圾和灰塵。過濾網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，排出的灰塵在直徑5微米以下。此外，過濾網的透氣性好，能長時間過濾而不被堵塞，使電機得到充分的冷卻，其基本結構如圖2所示，灰塵通過吸塵器的吸嘴進入到吸塵器吸管，而后經過過濾網的過濾，沉積在儲塵箱里，氣流由電動風機吸入口吸入，而后排出。
　　多功能塵器的風機采用車用吸塵器的風機結構，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。電動風機高速旋轉時會產生很大的震動。因此，風機固定板應該用一些能夠減震的材料，如泡沫等，吸塵口應該與風機口對應一條線，有利于風機工作，從而更好地吸塵。
　　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生的熱量不會影響到其他電器件，延長整機的壽命。吸塵器的處灰箱一般為2—3L，多功能吸塵器的儲灰容量設計為1.5L，其完全能夠滿足家用地面的清潔。
　　三、全自動吸塵器行走部位結構設計
　　（一）全自動吸塵器主要參數計算
　　多功能吸塵器的驅動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅動機構組成的。步進電機帶動兩驅動輪（后輪），從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統的雙輪結構，而采用了應用非常廣泛的萬向轉輪這既降低了結構復雜度，又提高了轉彎的靈活性（如圖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較高精度的調速。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，可以方便地實現吸塵器前進、左轉、右轉、后退、調頭等功能。這一設計的最大優點是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實現轉彎，甚至當兩后輪相互反向運動時，實現零轉彎半徑（即繞軸中點原地旋轉）。同時轉彎的速度可通過改變單片機的程序來調節。
　　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，這樣能夠保證多功能吸塵器行走平穩，而且有很高的效率，設計車輪的直徑為8cm，則由公式U=C×N
　　式中C—車輪的周長（cm）?搖?搖?搖?搖N—車輪的轉速（r/min）
　　1.多功能吸塵器的阻力計算
　　設計多功能吸塵器的質量在3Kg則后車輪的阻力矩由公式
　　T=mg×f×r
　　f—滾動摩擦系數由《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.多功能吸塵器的前輪阻力矩
　　T0=mg×f×r=3×9.8×0.055×0.5=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
　　根據供電電壓為12V選取步進電極電機，根據《小功率電機手冊》，選擇永磁式步進電。
　　其具體參數如下：
　　（二）軸的結構設計
　　1.軸的結構設計
　　（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切應力的方法進行的。
　　計算由公式
　　式中P—為軸所傳地的功率（KW）
　　N—為轉軸的轉速（r/min）
　　A—為軸的許用應力系數（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，由步進電機的參數由公式可知：
　　P=VI=0.4×12=4.8W
　　取轉速n=12r/min計算得：
　　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
　　為了便于聯軸器的連接，以及車輪的安裝，可用下述方案，在軸的左側需要連接聯軸器，以便于和步進電機的軸相互連接，在軸的右側有鍵主要用來和車輪連接，在右側同時加工螺紋，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，則根據軸的直徑來選擇軸承和聯軸器等，由于軸的直徑較小現有的標準聯軸器很難滿足設計的要求。因此需要單獨設計聯軸器，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軸相連接，軸上面的平臺可以通過磨削的方式實現，滾動軸承的選取根據《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.
　　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《機械設計課程設計指導》）選定。選取GB1096-79鍵4×6。
　　（三）軸的強度校核
　　1.按許用彎扭合成強度條件計算
　　通過軸的結構設計，軸的主要結構尺寸、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。
　　（2）做出彎矩圖
　　根據上述簡圖，分別按水平面和垂直面計算做出各力產生的彎矩，并按照計算結果分別做出水平面上的彎矩Mh圖和垂直面上的彎矩Mv圖，然后由公式計算總彎矩M。
　　根據已做出的總彎矩圖和扭矩圖計算彎矩Mca。由公式
　　式中，a—是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產生的循環特性差異系數，扭剪應力按脈動循環變換取a=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
　　式中W—軸的抗彎截面系數：
　　經計算滿足要求，設計軸符合調節。
　　
　　參考文獻：
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