全自动吸尘器部分结构的设计

摘 要： 本文主要介绍了吸尘器外壳、洗尘、行走部分的结构设计

关键词： 全自动吸尘器 外壳 吸尘部分 行走部位 结构设计

近几年来，国内吸尘器市场发展迅速，每年的增幅都保持在15%以上，在中国消费者对家庭装修有了更高要求的同时，对保持家庭环境卫生的吸尘器也就渐渐重视起来。预计在未来三年，国内吸尘器市场将大涨，到2015年至少要比现在翻一番。目前吸尘器之于中国人就像上世纪80年代初洗衣机一样，当中国消费者明白它的功用时，机会就来了。吸尘器对中国人来说曾经是奢侈品，但现在这种情况发生了变化，吸尘器正在中国家庭迅速普及。在吸尘器逐步走进中国消费者视野的同时，拥有时尚外观、能够提升生活档次的吸尘器也在“攀比”中得到了发展空间。

未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展，因此必须结合现有的基于自适应控制、预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术，研究对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法，是在现实环境中实现具有良好的自适应性和鲁棒的机器人的关键。本文主要介绍吸尘器外壳、洗尘、行走部分的结构设计。

一、全自动吸尘器外壳结构设计

吸尘器的外壳起着支撑吸尘器各零部件并将它们与外界隔离的作用，这样既能保护内部结构，又能保证安全。

由于多功能吸尘器需要在地面自动行走，因此它的结构要保证行走的平稳，可以采用卧式吸尘器的结构来完成其机体的设计，如图1所示。壳、后壳、上盖等部分组成，均为塑料材料。前壳头部为吸入口，后壳内安装吸尘部件，里面主要安装电动机-风机及一些功能性机构；两侧可以用来安装车轮，此外在后壳处有排风口，便于风机的工作。

家用吸尘器的外壳不仅要具有足够的强度，而且要有美观的造型、重量轻、外表颜色光泽，以及成本低廉，外客的造型设计必须适应内部的结构需要。

外壳一般用金属材料冲制，或采用工程塑料，金属材料有较高的强度，由于重量、绝缘材料性能查、制造工艺复杂成本高。因此，除了老式的吸尘器及工业吸尘器外，现代家用吸尘器很少采用。

鉴于以上原因，多功能吸尘器的外壳采用工程塑料为主体，可通过注塑成型，除了电动风机外，其他零件一般均可由工程塑料代替金属材料，这不仅适合于大量生产，易于降低成本，而且重量可以减少到金属外壳的1/3―1/4，绝缘性能也大为提高，还可以做成各种款式。用于多功能吸尘器外壳的工程塑料主要是PP和ABS，用于吸管的材料可以是聚丙烯等。

多功能吸尘器的壳体由于考虑到后面要安装驱动电机这使得它的后壳结构与通常的卧室吸尘器有所不同，在多功能吸尘器的后壳部位下面留有一定的驱动电机安装空间，同时便于驱动轮的安装，有利于整体结构的布局。

二、全自动吸尘器吸尘部位结构设计

多功能吸尘器的吸尘部位，主要由吸嘴、吸管、储尘箱、电动风机等部位组成。从外界吸进的灰尘和垃圾首先到达吸尘部，吸尘部的功能主要是使吸进的高速气流通过过滤网，滤出垃圾和灰尘。过滤网不仅仅能挡住较大颗粒的垃圾，而且能阻止细小的尘埃通过，性能好的过滤网，排出的灰尘在直径5微米以下。此外，过滤网的透气性好，能长时间过滤而不被堵塞，使电机得到充分的冷却，其基本结构如图2所示，灰尘通过吸尘器的吸嘴进入到吸尘器吸管，而后经过过滤网的过滤，沉积在储尘箱里，气流由电动风机吸入口吸入，而后排出。

多功能尘器的风机采用车用吸尘器的风机结构，其重量轻，吸尘功率能满足家用的要求，其安装通过吸尘器机壳的定位孔固定，由橡胶密封圈进行密封，后面由风机固定板进行压紧，在机壳的后面留有一些排风口，便于风机的工作。电动风机高速旋转时会产生很大的震动。因此，风机固定板应该用一些能够减震的材料，如泡沫等，吸尘口应该与风机口对应一条线，有利于风机工作，从而更好地吸尘。

风机有密封罩，有封闭的电机罩降噪效果好。因为电机产生的噪声会很容易穿透吸尘器外壳，造成噪声污染；全密封的电机罩还能保证电机产生的热量不会影响到其他电器件，延长整机的寿命。吸尘器的处灰箱一般为2―3L，多功能吸尘器的储灰容量设计为1.5L，其完全能够满足家用地面的清洁。

三、全自动吸尘器行走部位结构设计

（一）全自动吸尘器主要参数计算

多功能吸尘器的驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮（后轮），从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应用非常广泛的万向转轮这既降低了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性（如图3）。

通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以方便地实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径（即绕轴中点原地旋转）。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。

由于智能吸尘器是边行走边工作的，所以要求速度很低，一般要求3m／min左右，这样能够保证多功能吸尘器行走平稳，而且有很高的效率，设计车轮的直径为8cm，则由公式U=C×N

式中C―车轮的周长（cm）?摇?摇?摇?摇N―车轮的转速（r/min）

1.多功能吸尘器的阻力计算

设计多功能吸尘器的质量在3Kg则后车轮的阻力矩由公式

T=mg×f×r

f―滚动摩擦系数由《机械设计课程设计指导》表11-7取0.05（K/CM）

T=3×9.8×0.055×4=6.468N/m

2.多功能吸尘器的前轮阻力矩

T0=mg×f×r=3×9.8×0.055×0.5=0.8N/m

3.深沟球轴承的摩擦力臂

T1=mg×f1×R

f1=0.02k/cm，由《机械设计课程设计指导》表11-9选取。

T1=0.025n/cm

根据供电电压为12V选取步进电极电机，根据《小功率电机手册》，选择永磁式步进电。

其具体参数如下：

（二）轴的结构设计

1.轴的结构设计

（1）轴的径向尺寸的确定

轴的径向尺寸是在出算轴的直径基础上进行的，轴径的估算方法是按扭矩并降低许用扭转切应力的方法进行的。

计算由公式

式中P―为轴所传地的功率（KW）

N―为转轴的转速（r/min）

A―为轴的许用应力系数（其值可以查《机械设计》教材表10.3），在这里选取轴的材料为45号钢，则A=108，由步进电机的参数由公式可知：

P=VI=0.4×12=4.8W

取转速n=12r/min计算得：

轴的截面上有一个键槽，将直径增大5%，得：

d≥7.96（1+5%）≥8.35mm

取标准值d=10mm，即为轴直径最小直径。

2.拟定轴上零件的装配方案

为了便于联轴器的连接，以及车轮的安装，可用下述方案，在轴的左侧需要连接联轴器，以便于和步进电机的轴相互连接，在轴的右侧有键主要用来和车轮连接，在右侧同时加工螺纹，使车轮能够沿轴向固定，在轴的中间留有轴间用来固定轴承，逐步选定轴的直径为D=10mm，轴间D=12mm，则根据轴的直径来选择轴承和联轴器等，由于轴的直径较小现有的标准联轴器很难满足设计的要求。因此需要单独设计联轴器，选用钢管加工满足要求的孔而后加工两个径向螺纹孔，用螺钉将电机轴与转轴相连接，轴上面的平台可以通过磨削的方式实现，滚动轴承的选取根据《轴承手册》选用深沟球轴承，轴承的型号61800，其基本尺寸B×D×d=5×19×10.

通过中间的轴进行定位，选择轴承盖将轴承固定，并且密封。键的选取（根据《机械设计课程设计指导》）选定。选取GB1096-79键4×6。

（三）轴的强度校核

1.按许用弯扭合成强度条件计算

通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上的零件位置，以及外载荷和支反力的作用位置均以确定，轴上的载荷已可以求得。因而，可以按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算，其计算步骤如下。

（1）做出轴的计算简图

轴所受的载荷从零件传来，计算时，将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布的中点，作用在轴上的扭矩，一般从传动轮毂宽度的中点算起，通常把轴作为链铰接支座的梁，支持反力的作用点与轴承的类型和布局方式有关。

（2）做出弯矩图

根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算做出各力产生的弯矩，并按照计算结果分别做出水平面上的弯矩Mh图和垂直面上的弯矩Mv图，然后由公式计算总弯矩M。

根据已做出的总弯矩图和扭矩图计算弯矩Mca。由公式

式中，a―是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生的循环特性差异系数，扭剪应力按脉动循环变换取a=0.6。

（5）校合轴的强度

已知轴的计算弯矩后，对危险截面作强度进行校核计算，按第三强度理论，计算弯曲应力由公式

式中W―轴的抗弯截面系数：

经计算满足要求，设计轴符合调节。

参考文献：

［1］赵佩华.单片机接口技术及应用.北京：机械工业出版社，2003：105-130.

［2］谢宜仁，谢东辰.单片机使用技术问答.北京：人民邮电出版社，2003：35-60.

［3］薛宗祥，朱惠英.8位单片机原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社，1999：8-19.

［4］何立民.单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2002：209-225.

［5］Biswas G，Intelligence Group Report.Journal of55555555 Robotics and Autonomous Systems，1996：50-68.

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