家居门窗清洗器的设计【2013年最新整理毕业论文】

家居门窗清洗器的设计 第 1 页 共 36 页 家居门窗清洗器的设计 摘要 本课题设计研究了一种电动水旋式擦玻璃工具，它包括一个瓶体上设有回水管接口、瓶口设有喷水头的喷水器 ；一个内设交流电动机、外接杆的清洗头 ；一个其内穿有水管、电线并连接清洗头、喷水器的杆。本玻璃清洗器在擦玻璃的过程中能把擦玻璃时用的水回收后再使用、并使擦后的玻璃无水迹印，且洁净明亮，它结构简单，擦洗效果好，轻便，操作，使用方便，成本低，使用范围广。 关键词： 回水管接口，使用方便，使用范围广 家居门窗清洗器的设计 第 2 页 共 36 页 Home design of door and window cleaner Abstract This topic design studied one kind of electrically operated Shui Xuanshi to scratch the glass tool, it was equipped with the backwater pipe fatigue, the bottle mouth including a bottle body on to be equipped with quenching heads sprinkler； In supposes the motor, outside links clear washing hair； Its internal breaks have the water pipe, the electric wire and connect wash hair clear, sprinklers pole. The water recovery which this glass purifier after scratching the glass in the process to be able to scratch glass uses uses, and causes to scratch the glass anhydrous mark India again, and buys only brightly, its structure is simple, the wiping effect is good, facile, the operation, the easy to operate, the cost is low, the use scope is broad. Key word: Backwater pipe fatigue， Easy to operate， The use scope is broad 家居门窗清洗器的设计 第 3 页 共 36 页 1 绪论 1.1 前言家居门窗清洗器的设计 第 4 页 共 36 页 家居门窗清洗器的设计 第 5 页 共 36 页 家居门窗清洗器的设计 第 6 页 共 36 页 本设计产品涉及一种由交流微型电动机传动盘刷，利用其旋转擦拭清洗门窗玻璃的电动玻璃窗清洗装置，尤其是一种设置有去污清洁剂压射软管、自来水导水管、喷嘴，握手柄可多节接长的交、直流电两用的电动玻璃窗清洗装置。适用于家庭、车辆、商场及公共场所不同面积不同高度的门窗玻 璃清洗 . 现行的门窗玻璃清洗方法，普遍为手工干擦或水洗 .对于高处的清洗面，或使用长杆鸡毛革扫拂，或使用水管喷射，往往是灰尘飞扬、或溅水湿身，费时费力仍难以洗净 ；至家居门窗清洗器的设计 第 7 页 共 36 页 于沾了油污的坡璃，则更难洗净。对于多层楼房的外层窗玻璃清洗，爬窗台、甚至探身窗外，则很不安全。 本产品设计的目的是要提供一种轻巧方便的单手就能操作的交，直流电两用的电动玻璃窗清洗器，它既能干擦，又能水洗 ；在水洗沾油污的玻璃时，随时可向清洗面控制注射去污清洁剂以及喷射冲洗水流，使之一次洗净。手持其斜向握手柄，只要将手臂伸出窗外，就可安全清洗窗 户外层玻璃 .握手柄经多节自由接长后，无须登高就可有效清洗高处玻璃 1.2 选题背景 1.2.1 题目来源 社会需求 1.2.2 研究的目的和意义 现在随着生活水平的提高，不管是城市还是农村，大家的居住环境都大大提高。农村大多盖着两层的小洋楼，城市大量高层的居住小区也不断涌现。人们生活环境在不断提高的同时，一些生活上的问题也暴露出来。 门窗是房子的眼睛，现在人都喜欢给自己的房子选个漂亮的窗户。独特的架构、各种各样的花式玻璃装扮着房子，可是这些门窗的清洁却给人们带来些不大不小的困扰。现在对于门窗的清洗大多 是人工自己动手拿抹布擦洗，往往累人又脏人；而且碰到那些高层的住宅，那些暴露在外的门窗的清洗还伴随着一些人身安全问题。 设计一个自动（半自动）的用来清洗家庭门窗的机器。既可以减轻人们的生活负担，提高生活水平；还能解决那些高空作业者的安全问题 。 目前市售的擦窗器，大多采用在伸缩杆的前端设置塑料泡沫擦头而构成。其存在的问题是清洁效率低，操作不方便，特别是用于高层建筑玻璃窗的室外清洁时，不方便操作的问题尤为突出。为解决其擦窗器清洁效率低、不适合高层建筑玻璃窗的室外清洁问题，提供了一种“电动擦窗器”，其采用可展开成 一定夹角的上、下支杆并配置装配盘形清洁刷的电机，而构成一种便于在室内操作对玻璃窗外面进行擦拭的电动擦窗器，并且使玻璃清洁的效率大大提高。 本设计产品涉及一种由交流微型电动机传动盘刷，利用其旋转擦拭清洗门窗玻璃的电动玻璃窗清洗装置，尤其是一种设置有去污清洁剂压射软管、自来水导水管、喷嘴，握手柄可多节接长的电动玻璃窗清洗装置。适用于家庭、车辆、商场及公共场所不同面积不同高度的门窗玻璃清洗 . 现行的门窗玻璃清洗方法，普遍为手工干擦或水洗 .刘于高处的清洗面，或使用长杆家居门窗清洗器的设计 第 8 页 共 36 页 鸡毛革扫拂，或使用水管喷射，往往是灰尘飞扬、或溅 水湿身，费时费力仍难以洗净 ；至于沾了油污的坡璃，则更难洗净。对于多层楼房的外层窗玻璃清洗，爬窗台、甚至探身窗外，则很不安全。 本设计产品的目的是要提供一种轻巧方便的单手就能操作的电动玻璃窗清洗器，它既能干擦，又能水洗 ；在水洗沽油污玻璃时，随时可向清洗面控制注射去污清洁荆以及喷射冲洗水流，使之一次洗净。手持其斜向握手柄，只要将手臂伸出窗外，就可安全清洗窗户外层玻璃 .握手柄经多节自由接长后，无须登高就可有效清洗高处玻璃。 随着社会的不断发展，科技日新月异人们生活水平越来越高，一些曾经只是用在特殊场合或服务于高端 的科技技术业逐渐走进平常生活，服务于人们的日常生活，代替人们劳动。 “ 机器人是传统的机构学与现代电子自动化技术相结合的产物 ,是计算机科学、控制论、机械学、电子技术等多学科综合性的高科技产物 , 是典型的机电一体化产品。它是一种仿人操作 ,可使用于各种复杂环境。机器人技术的出现和发展 ,不但可以部分取代人完成各种恶劣环境下的工作 ,而且将对人类社会产生深远的影响。 壁面清洗机器人是极限作业机器人的一个分支 ,其目的是代替人类 ,在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险状态下作业 ,具有极其广泛的用途和很高的 使用价值。自从二十世纪六十年代出现以来 ,受到人们的广泛关注。本文所研究的壁面清洗机器人是用于对光滑的建筑壁面进行清洗的爬行机器人 ,具有一定实用价值和应用前景。 ” 壁面清洗机器人的运动控制系统设计 闫军涛，重庆大学。 国内外关于门窗壁面清洗器的设计成果已经有了很多，但很多都还只处于试验阶段，真正成功开发成产品的很少。现在列举一些国内有关这类清洗器申请的专利： 电动玻璃窗清洗器 季照根，专利号 CN86203031， 1987； 门窗玻璃擦洗机 毕嗣东 ,中国专利 :CN2505017,2002-08-14； 手柄式玻璃窗擦洗机 刘兰天 . 中国专利 :CN2205176,1995-08-16； 玻 璃 两 面 喷 水 擦 洗 器 沈永革 . 中 国 专利 :CN2560298,2003-07-16. 像这些不管是全自动的爬墙式清洗机器人还是半自动的窗玻璃清洗器国内外的专利已经很多 . 现在主要的研究集中在清洗器的清洗头上 ,也就是直接接触玻璃的部分 . “ 喷头是高压水射流的执行元件 ,喷头的研究开发一直是水射流研究的一项重点 。近年来 ,随着高压水射流清洗技术应用的广度、深度的不断提高 ,高压水射流技术出现了快速发展的势头。旋转喷头以其清洗效率高 ,清洗效果好等特点在开发与应用中也日益受到人们的重视 ,取得了很大的成就。 ” 高压水射流清洗技术中的旋转喷头 王正钦 ； 管华 ； 刘庭成 ； 北京科技大学机械工程学院 ； 清洗世界 , Cleaning World, 编辑部邮箱 2007 年 01 期 1.2.3 指导思想及技术路线 家居门窗清洗器的设计 第 9 页 共 36 页 本课题设计研究的指导思想就是为了解决日常生活中人们家居门窗的清洗工作，目前门窗的清洗大多采用人工手动使用抹布或塑料泡沫擦洗，其存在的问题就是清洗工作很不方便，往往灰尘飞扬或溅水湿身，费时费力仍难以洗净；对于多层楼房的外层玻璃清洗，爬窗台、甚至探身窗外，则很不安全。 实现本课题设计目的的具体技术方案是 :电动水旋式擦玻璃工具包括 :一 个瓶体上设有回水管接口、瓶口设有喷水头的喷水器 ；一个内设交流电动机、外接杆的清洗头 ；一个其内穿有水管、电线并连接清洗头、喷水器的杆 ；喷水器瓶体上回水管接口处内设一过滤筒，在过滤筒底部设有粗滤网，瓶体内吸管底部设有细滤网，瓶口上的喷水头接喷水管 ；清洗头由交流电动机、主动齿轮、从动齿轮及外壳组成，交流电动机装在电机固定壳内，主动齿轮设在电动机输出轴上，主、从动齿轮啮合，外壳上设有喷水管接口、回水管接口 ；从动齿轮上各均匀分布三个叶片，叶片与从动齿轮平面夹角小于 45 ；杆上设有手柄，与清洗头端通过球形连接头连接 ；手 柄上表面设有电源开关，内部装有电池。 本玻璃清洗器结构简单，擦洗效果好、轻便，操作使用方便，成本低，适合广泛使用。 2 整体方案确定 图 1 为本清洗器结构示意图 图 2 为本清洗器中清洗头的正视图 图 3 为图 2 的俯视剖面图 图 4 为图 2 的后视图 家居门窗清洗器的设计 第 10 页 共 36 页 图中 :1 一喷水器 2 一回水管 3, 8 一喷水管 4一喷水头 5-杆 6一清洗头 7一球形连接 9一水囊 10 一电源开关 11 一手柄 12 一过滤筒 13 一粗滤网 14细滤网 15 一清洗头外壳16-回水管接口 17 一从动齿轮 18 一叶片 19 一主动齿轮 20-.喷水管接口 21 一电动机 22一电动机 固定壳 23 一橡胶垫圈 24 一球形连接座 25 一从动齿轮轴孔。 家居门窗清洗器的设计 第 11 页 共 36 页 家居门窗清洗器的设计 第 12 页 共 36 页 参阅图 2, 3, 4，本实用新型中的清洗头 6 由交流电动机 21、主动齿轮 19、从动齿轮17 及外壳 15 组成，交流电动机 21 装在电机固定壳 22 内，主动齿轮 19 设在电动机输出轴上，主动齿轮 19 与从动齿轮 17 啮合，外壳 15 上设有喷水管接口 20、回水管接口 16，从动齿轮 17 上各均匀分布三个叶片 18，叶片 18 与从动齿轮 17 平面夹角小于 45。 参阅图 1，喷水器 1 的瓶体上设有回水管接口， 在接口内有一过滤筒 12,过滤筒 12 底部设有粗滤网 13，瓶中吸管底部设有细滤网 14，瓶口上的喷水头 4 的喷嘴上接有喷水管3，杆 5 上设有手柄 11，与清洗头 6 端通过球形连接 7 连接，此处只要保证清洗头 6 有三个自由度的连接都可以 ；手柄 11 上表面设有电源开关 10，内部装有电池，喷水管 8 与喷水管接口 20 相接，带有水囊 9 的回水管与回水管接口 16 相接。擦玻璃时，喷水器 1 的瓶中装入干净水，右手握住手柄 11，左手拿着喷水器 1，打开电源开关 10，交流电动机21 转动，主动齿轮 19 与从动齿轮 17 啮合驱动叶片 18 旋转，球形连接 7 可使从动齿 轮17 与玻璃保持平行，因叶片 18 作高速旋转，叶片 18 下空气为负压，吸引从动齿轮 17家居门窗清洗器的设计 第 13 页 共 36 页 向玻璃靠近，叶片 18 紧贴玻璃，并能自动调节叶片 18 与玻璃的摩擦力，使叶片 18 始终保持高速旋转，刮走玻璃上的浮尘和污物，在叶片 18 旋转的同时，左手捏喷水头 4，干净水经喷水管 3, 8、喷水管接口 20 从外壳巧上的三个从动齿轮轴孔 25 以雾状喷向玻璃，以软化和溶解不易刮走的污物，污水随叶片 18 转动，在离心力作用下，甩向外壳 15，沿外壳 15 流下，汇集在水囊 9 中，由于喷水器 1 的水瓶中空气为负压，吸引污水经回水管2、过滤筒 12 回到瓶体中，经过 滤筒 12 底部的粗滤网 13 及吸管底部的细滤网 14 过滤后的水又可从喷水头 4 喷出循环使用，清洗头 6 走过的地方无水迹印，且污水回收彻底，玻璃洁净明亮。 3 清洗头的设计 家居门窗清洗器的设计 第 14 页 共 36 页 3.1 喷头喷嘴的设计 3.1.1 喷嘴的理论研究 喷嘴是利用喷咀出流的高速射流，吸引并带动另一种介质运动的装置。高速射流叫做喷射流体，另一种介质叫输送介质。喷射流可以是水、空气或蒸汽，输送介质可以是气体、液体或固体。在气力输送中，喷射流体一般是空气，输送介质为粉状物料或与空气的混合物。本专题研究中，空气是喷射流体 ，洒料等 (固液两相混合物 )为输送介质。 图 4-1 自喷嘴出口 断面起，至喷射流体（图中虚线所示）与喷嘴壁相交的 b-b家居门窗清洗器的设计 第 15 页 共 36 页 截面止，长度为 Le 的一段为进口段，在进口段内，压力维持不变，喷射流体射流将要输送的流体吸进来。断面 b-b 至断面 间长为 Lm 的一段，称为混合段。断面 至断面 间长为 L 的一段，是扩流段。 3.1.2 喷嘴的扩流段 扩流段是用来将流体流动的部分动压转换为静压的部件，扩流段的扩流角 、断面比 S 对压力恢复系数有决定性的影响。扩 流角太小，则扩流管段很长，摩擦阻力大。扩流角太大，则局部阻力损失增大。 根据经验，扩流角一般取 5-8。在扩流角超过 14后，在扩流段内的流动已不能将全部断面均匀充满，因此，沿扩流段壁面将会形成更强的旋涡，出现回流区，使压力恢复系数急剧降低。 在计算喷嘴时，可取 =0.8，扩流段长度 L 按右式计算：432 2PPLtg 3.1.3 喷嘴的喷咀 喷嘴的喷咀的出口直径根据流量 Q 和出口速度 1U 确定，即 111 4 1 . 1 3QQD uu 喷嘴进口段及混合段进口段长度 L。根据排气要求确定。 混合段一般作成圆筒形，前部还有一收缩段。混合段及进口段的内径，是按最小阻力，在取定流速 u3 之后，再根据流量来计算。一般地说， u3 增大使之与 u1 的速度差减小，混合损失可以减小。但 D3 太小会使局部阻力增大。根据分析 , u3 的最佳值与 u1 的关系为 : 1231 2121 . 4 (1 ) ( )1 . 2quuqqq 由此可求出 A3 和 D3： 3333334GAuAD 混 合段的长度要保证到 III-III 断面时混合完成，一般取35mLD 根据分析，进口段所输送气流速度2u的最佳值与3u的关系为： 家居门窗清洗器的设计 第 16 页 共 36 页 12231 . 2 ( )quuq 由此可求得进口段所输送气体的通流面积为： 2222GA u 3.1.4 喷洒配气 参数的分析 选定喷嘴后，要想获得理想的喷洒效果，选择合适的配气参数是（即空气流量，空气压力）是至关重要的。在喷洒中，空压机空气流量 Q、空气压力 P 必须匹配选取，他们决定了喷嘴最后出口速度的大小。实验指出，在喷洒过程中，要保证喷嘴速度pu为80100m/s 的高速，才能达到良好的喷洒效果。 图 4-2 参照图 4-2 记混合室面积为hS。喷嘴出口面积为pS，介质流量1Q，混合室压力为hP，混合室气体流量为0Q，大气压力为0P，气体沿管道压力损失为 P 。忽略泄漏、及至压缩、介质密实度、温度变化等微小因素，建立基本数学模型如下。 以气体为对象，在混合室及喷嘴处，根 据气体运动方程，有： 00hhP Q PQ 即0 0hhPQQ P 根据连续性方程，喷嘴出口速度为： 01ppQQUS 家居门窗清洗器的设计 第 17 页 共 36 页 故0 1()h p phPP U S QQ 故空压机压力为 0 1()h p phPP P P U S Q PQ 所需空气流量为： h h h hhP Q P QQ P P P 在喷洒设备中，一般需要安装减压阀等装置，以便凋整使之满足上诉关系式 对于空气压力的 调定，需要综含考虑以下几点问题： 空气压力不能太大，否则将使工作主泵（螺杆泵）的负载过大 空气压力不能太小，否则需耍选择过大排量的空压机 对空气流量的确定，还需考虑悬浮速度。无论是何种形式的喷嘴，只有当介质被压缩空气吹动处于悬浮状态形成浓密气流时，介质才能在喷嘴中雾化喷射而出。雾化效果直接影响喷洒的均匀程度和附着效果。要使喷嘴正常工作，在混合室内，必须有足够的气流速度，该速度即悬浮速度，也称为沉降速度。 参照图 4-3，直径为sd的球形颗粒 (当物料 颗粒不是圆形时，可用当量直径表示，其值为sd=1.24 V ，其中 V 表物料颗粒体积 )在气流中受到重力sw，空 气 浮力 w、运动阻力xf,，达到力平衡状态时，粒子处于悬浮状态。即： 3 ()Ssdw w r rb 21221242s s sssf C A ugC d ug 式中：s，粒子及空气重度 图 4-3 g重力加速度 sC 粒子以速度在流体中运动时的阻力系数。 家居门窗清洗器的设计 第 18 页 共 36 页 sA粒子在沉降方向的投影面积。 3.1.4.1 喷嘴的喷咀直 径 喷嘴的喷咀出口直径根据流量 Q、和出口度速 4U 确定 : 1144QDu 式中，喷射流体 1Q =0.07 3 /m min 出口速度 4u =80m/s 1D 4.3mm 取喷嘴直径 1D 5mm 3.1.4.2 喷嘴的混合段 混合段为圆筒形，前部还有一收缩段根据上述分析，混合段流速 3u 与 1u 的关系为 : 1231 2121 . 4 (1 ) ( )1 . 2YQYuuY QQQY 1 2 22 1 1G Y QQ G Y Q 式中 1Y 空气密度 1.2kg/ 3m 2Y 清洗液密度 1700kg/ 3m 1Q 空气流量 0.07 3m /min 2Q 清洗液流量 0.043 3m /min 喷射系数 Q=870 代入上式： 310.72uu 家居门窗清洗器的设计 第 19 页 共 36 页 21 1Qu A 清洗液入口直径取 12mm 1 24 0 . 0 4 3 0 6 . 33 . 1 4 0 . 0 1 2u m m 3 4.56 /u m s 33 3QA U 2 2 334433 . 1 4 0 . 0 0 5 8 0 1 . 5 7 1 0 /DuQ m s 3 3331 . 5 7 1 0 0 . 3 4 1 04 . 5 6Am 混合段直径 33 4 2 0 . 8AD 取 3D =21mm 混合段长度应保证混合完成，一般取 35mLD mL =105mm 3.1.4.3 喷嘴进气 根据分析，喷嘴进口所输送气流速度 2u 的最佳值与 3u 的关系为 : 23211 . 4 4 /1 . 2 ( )Qu u m sYQY 进口段所输送气体的通流面积为 : 4322224 . 9 7 1 0GAmYu 3.1.4.4 喷嘴的口径 喷头的喷嘴的出口直径根据流量和出口速度 1u 确定 家居门窗清洗器的设计 第 20 页 共 36 页 1110 . 21 . 1 3 1 . 1 3 7 . 2 96 0 8 0QD m mU 所以，取1D=7mm 因采用外部混合，此时涂料自料口喷出后的速度必将大于 80m/s 所以此时 自 气出的气体只 需要将涂料打散即将涂料雾化即可。 3.2 清洗头擦盘的设计 本清洗器清洗头主要结构有 3 块擦盘以品字行结构排列。每块擦盘上有 3 只 擦片，擦片与擦盘见夹角不大于 45，擦片材料可以根据所需清洗环境随时更换 .擦盘由齿轮传动，清洗头正中的主动齿轮装于电动机的输出轴上 .通过电动机的旋转带动，传动给周边的 3 个从动齿轮从而实现擦盘的清洗工作 . 3.2.1 齿轮传动 3.2.1.1 齿轮传动机构的特点： （ 1） 齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。 （ 2） 齿轮传动主要优 点：传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确。 （ 3） 齿轮机构主要缺点：制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合。 3.2.1.2 齿轮传动机构的分类 按轴的相对位置 平行轴齿轮传动机构 相交轴齿轮传动机构、交错轴齿轮传动机构 按齿线相对齿轮体母线相对位置 直齿、斜齿、人字齿、曲线齿 按齿廓曲线 渐开线齿、摆线齿、圆弧齿 按齿轮传动机构的工作条件 闭式传动、开式传动、半开式传动 按齿面硬度 软齿面（ 350HB）、硬齿面（ 350HB） 说明： 平行轴齿 轮传动机构又称为平面齿轮传动机构 . 家居门窗清洗器的设计 第 21 页 共 36 页 相交轴齿轮传动机构和交错轴齿轮传动机构统称为空间齿轮传动机构 . 闭式传动的齿轮封闭在箱体内，润滑良好；开式传动的齿轮是完全外露的，不能保证良好润滑；半开式传动的齿轮浸在油池内，装有防护罩，不封闭。 3.2.1.3 传动的基本要求： 在齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求： （ 1） 传动平稳 -在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪音尽量小。 （ 2） 承载能力大 -在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长 根据本设计 要求，选用直齿圆柱齿轮进行传动，下面对齿轮传动进行设计及校核。 按齿面接触强度设计 试算 : 213112 . 3 2 t Etd HKT Zudu 1）确定公式内各计算数值 （ 1）试选载荷系数tK 1.3； （ 2）计算小齿轮传递转矩 : 5 5 51 1 19 5 . 5 1 0 9 5 . 5 1 0 4 0 9 6 0 3 . 9 8 1 0T P n N m m N m m （ 3）由表 7 选取齿宽系数d=0.9； （ 4）由表 6 查材料弹 性影响系数EZ=189.8 MPa ； （ 5）由图 4e 按齿面硬度中间值 52HRC 查大、小齿轮接触疲劳强度极限l i m 1 l i m 2 170HH M P a； （ 6）计算应力循环次数 家居门窗清洗器的设计 第 22 页 共 36 页 9116 0 6 0 9 6 0 1 2 8 3 0 0 1 5 4 . 1 4 7 1 0hN n j L 992 4 . 1 4 7 1 0 3 . 2 1 . 2 9 6 1 0N （ 7）由图 2 查接触疲劳寿命系数120 . 8 8 ； 0 . 9 0 ；H N H NKK （ 8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1，安全系数 S 1， 1 l i m 11 H N HH K S 2 l i m 22 H N HH K S 2）计算 （ 1）试算小齿轮分度圆直径1td，代入 H中较小值 2 251 3311 1 . 3 3 . 9 8 1 0 4 . 2 1 8 9 . 82 . 3 2 2 . 3 2 6 8 . 3 90 . 9 3 . 2 1 0 3 0t Etd HKT Zud m mu （ 2）计算圆周速度 v 11 6 8 . 3 9 9 6 0 3 . 4 46 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0tdnv m s （ 3）计算齿宽 b 1 0 . 9 6 8 . 3 9 6 1 . 5 5dtb d m m （ 4）计算齿宽与齿高之比 b/h 模数11 6 8 . 3 9 2 4 2 . 8 5ttm d z m m 齿高 2 . 2 5 2 . 2 5 2 . 8 5 6 . 4 1 3th m m m 家居门窗清洗器的设计 第 23 页 共 36 页 b/h=61.55/6.413=9.6 （ 5）计算载荷系数 v 3.44m/s， 7 级精度，由图 5 查动载系数vK 1.12； AtK F b100N/mm，由表 3 查齿间载荷分配系数HFKK=1.1； 由表 1 查使用系数AK 1； 由表 4 查接触强度计算用齿向载荷分布系数HK 1.43；（由表中 6 级精度硬齿面齿轮查，适当加大） 由图查弯曲疲劳强度计算用齿向载荷分布系数FK 1.37；（由 b/h 9.6，HK 1.43） 故载荷系数 KA v HK K K K=11.121.11.43 1.72 （ 6）按实际载荷系数校正所分度圆直径， 3311 6 8 . 3 9 1 . 7 2 1 . 3 7 5 . 0 8ttd d K K m m （ 7）计算模数 m 11m d / z 7 5 . 0 8 / 2 4 3 . 1 2 8 m m 按齿根弯曲强度设计 弯 曲强度设计公式为 13 212 F a S ad FYSKTm m mz 家居门窗清洗器的设计 第 24 页 共 36 页 1）确定公式内各计算数值 （ 1）由图 3d 查大、小齿轮弯曲疲劳强度极限F E 1 F E 2 6 8 0 M P a ； （ 2）由图 2 查弯曲疲劳寿命系数1 0 . 8 8 ； 0 . 9 ；F N F NKK （ 3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1.4， 1112224 2 7 . 44 3 7 . 1 4F N F EFF N F EFK M P aSK M P aS （ 4）计算载荷系数 K KA v HK K K K=11.121.11.37 1.69 （ 5）查取齿形系数 由表 5 查齿形系数F a 1 F aY 2 . 6 5 Y 2 2 . 2 2 6； （ 6）查取应力校正系数 由表 5 查应力校正系数S a S aY 1 1 . 5 8 Y 2 1 . 7 6 4；。 （ 7）计算大小齿轮 Fa SaFYY并加以比较 1112222 . 6 5 1 . 5 8 0 . 0 0 9 84 2 7 . 42 . 2 2 6 1 . 7 6 4 0 . 0 0 8 9 84 3 7 . 1 4F a S aFF a S aFYYYY 家居门窗清洗器的设计 第 25 页 共 36 页 小齿轮数值大。 2） 设计计算 53 22 1 . 6 9 3 . 9 8 1 0 0 . 0 0 9 8 2 . 9 40 . 9 2 4m m m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算模数 m略大于由齿根疲劳强度计算模数，齿轮模数 m大小主要取决于弯曲强度所决定承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数乘积）有关，可取由弯曲强度算模数 2.94，并按表12 ，就近圆整为标准值 m 3mm ，按接触强度算分度圆直径1d 7 5.0 8 m m， 由11z d / m 7 5 . 0 8 / 3 2 5 . 0 3 ，取 z1 25 21z uz 80 几何尺寸计算 1）计算分度圆直径 11d z m 2 5 3 7 5 m m 22d z m 8 0 3 2 4 0 m m 2）计算中心距 12a d d / 2 7 5 2 4 0 / 2 1 5 7 . 5 m m （ ） （ ） 3）计算齿轮宽度 d1b d 0 . 9 7 5 6 7 . 5 m m 圆整，取21B 6 8 m m B 7 3 m m ， 。 家居门窗清洗器的设计 第 26 页 共 36 页 验算 5112 2 3 . 9 8 1 0 1 0 6 1 3 . 3 375tT NdF = 1 0 6 1 3 . 3 3 1 5 6 . 0 8 1 0 068AtKF N m m N m mb 合适 3.3 电动机的选用 根据本清洗器的设计要求，此电动机装在清洗头中，主要用来驱动齿轮传动带动擦盘旋转达到擦洗门窗的目的。所以其体积不应过大，质量必须得轻。 拟采用 Y801型电动机，该电机通过改进应该能符合本清洗器的所需工作要求。 查机械设计实用手册表 10-4-1，它的主要性能参数如下表： 电动机型号 额定功率kw 满载 转速 r/min 电流 A 效率 功率因数cos Y801- 0.55 1390 1.51 73 0.76 起动电流 /额定电流 起动转矩 /额定转矩 最大转矩 /额定转矩 重量 kg 6.5 2.2 2.2 17 家居门窗清洗器的设计 第 27 页 共 36 页 4 电动机主轴的设计 作回转运动的零件都要装在轴上来实现其回转运动，大多数轴还起着传递转矩的作用。轴要用滑动轴承或滚动轴承来支撑。常见的轴有直轴和曲轴，曲轴主要用于往复运动的机械中。本清洗器的设计用的是直轴。 4.1 轴的分类 根据轴的承载情况 可分为转轴、心轴和传动轴三类。只承受弯矩，不承受转矩的轴称为“心轴”；只承受转矩，不承受弯矩的轴称为“传动轴”；同时承受弯矩和转矩的轴称为“转轴”。 4.2 轴的材料 轴的常用材料主要有碳素钢和合金钢。碳素钢价廉、对应力集中敏感性比合金钢低，应用较为广泛。对重要或承载较大的轴，宜选用 35、 40、 45 和 50 等优质碳素钢，其中以 45 钢最为常用，为了提高其机械性能，应进行正火或调质处理。对不重要或受力较小的轴，可采用 Q235、 Q255 或 Q275 等普通碳素钢制造。 合金钢具有较高的机械性能和良好的热处理性能 ，但价格较贵且对应力集中比较敏感，多用于有特殊要求的轴。常用的合金钢有 20Cr、 20CrMnTi、 38CrMoAl、 40Cr 和 40MnB等。对于要求局部表面有较高耐磨性的轴，如与滑动轴承配合的高速轴，可采用低碳合金钢经渗碳淬火来提高轴颈的硬度。进行表面热处理和表面强化处理，对提高轴的疲劳强度有显著的效果。 必须指出的是：合金元素和热处理对钢的弹性模量影响甚微，因此用合金钢代替碳素钢或通过热处理来提高轴的刚度，并无实效。此外，合金钢对应力集中敏感性较高，因此，设计合金钢轴时，更应注意从结构上设法减少应力集中源 和降低应力集中的程度，并合理地提高其表面质量。 轴的毛坯一般采用圆钢或锻件。直径相差不大的阶梯轴或光轴，可选用热轧圆钢车削而成。对尺寸较大或直径相差较大的阶梯轴，为节省材料和改善机械性能，以采用锻件毛坯为宜。 对形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等可采用球墨铸铁。球墨铸铁具有价廉、吸振性家居门窗清洗器的设计 第 28 页 共 36 页 好、耐磨性高、应力集中敏感性低等优点，但强度低，铸件质量不易控制。 轴设计的主要问题和一般步骤 4.2.1 轴设计的主要问题 具有合理的结构和足够的承载能力是轴设计时必须解决的两个主要问题。 4.2.2 轴设计的一般步骤 确 定许用应力；估算最小直径、轴的结构设计；轴的强度校核计算。 4.3 轴的结构设计 轴结构设计应遵循的一般原则：（ 1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；（ 2）轴上零件应便于拆卸和调整；（ 3）轴应具有良好的加工工艺性；（ 4）尽量减小应力集中；（ 5）受力合理，有利于节约材料，减轻轴的重量。 轴上零件的定位和固定 4.3.1 轴上零件的轴向定位和固定 轴上零件的轴向定位和固定以轴肩、轴环、套筒、锁紧挡圈、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈、轴承端盖及圆锥面等来实现。 4.3.2 轴上零件的周向定位和固定 为 使零件和轴一起转动并可靠地传递运动和动力，周向固定可以用普通平键或花键联接。当要求对中性好，在振动条件下工作时，可用轴孔间的过盈配合；也可两者同时采用。在载荷很小时，也可以采用紧定螺钉或销钉。 4.3.2.1 各段轴径和长度的确定 轴径的确定原则 确定各段直径时应遵循如下原则： 1）有配合要求的轴段应取标准直径。 2）安装标准零、部件处的轴段，其直径必须符合相应的标准尺寸系列。 3）用作定位和固定的轴肩或轴环，其高度应满足要求；非定位轴肩的高度一样取 a1 2mm。 4）应当有利于轴上零件的装拆。 长度的确定 轴的各段长度主要根据轴上零件的轴向尺寸及轴系结构的总体布置来确定。 家居门窗清洗器的设计 第 29 页 共 36 页 4.4 轴的强度计算 4.4.1 按扭转强度计算 33 5TPdAn 式中 d 轴的直径， mm ； T 轴传递的转矩， N mm ， 69 .5 5 1 0 PTn； P 轴传递的额定功率， kW ； 轴材料的许用切应力， MPa ，见机械设计实用手册表 4-1-8 n轴的转速 ， minr ； A 系数，见表 4-1-8。 按弯扭合成强度计算 12 23 2 24 40 . 1 0 . 2aFMT Nd d d 式中 d 轴的直径， mm ； 轴在计算截面上的工作应力， MPa ； M 轴在计算截面上的合成弯矩， N mm ； T 轴在计算截面上的合成弯矩， N mm ； aF轴在计算截面上的轴向载荷， N ； 1许用弯曲应力， MPa ，见表 4-1-2，对于固定心轴：当载荷平稳时，将1改写为1；当载荷变化时改写成 0； 0、1见表 4-1-2； 、 根据切应力或轴向应力变化性质而定的校正系数， 切应力或轴向应力按对称变化时 =1， =1 切应力或轴向应力按脉动循环变化时， 1 0 0 . 6 , 0 . 6 切应力或轴向应力不变时， 1 1 0 . 3 , 0 . 3 ； 家居门窗清洗器的设计 第 30 页 共 36 页 4.5 轴的强度校核 4.5.1 疲劳强度安全系数校核 1 22 34 TSSMTKKWW 式中 1材料的弯曲疲劳极限， MPa ，见表 4-1-2； M 、 T 轴危险截面上的弯矩和转矩 ， N mm ； W 、TW轴危险截面上的抗弯和看扭截面模数， 3mm ；见表 4-1-12； 、弯曲和扭转时的平均应力折合为应力幅的等效参数。 4.5.2 静强度安全系数校核 危险截面安全系数校核公式： 22m a x m a x m a x3SSSaTM F TW A W 式中 S静强度的许用安全系数，见表 4-1-23； S材料的屈服极限， MPa ，见表 4-1-2； maxM、maxT轴危险截面上的最大弯矩和最大扭矩， N mm ； maxaF作用在轴上的最大轴向载荷， N ； W 、TW轴危险截面的抗弯和抗扭截面模数， 3mm ，见表 4-1-12； A 轴危险截面的面积， 2mm 。 家居门窗清洗器的设计 第 31 页 共 36 页 4.6 轴的刚度校核 4.6.1 轴的扭转刚度校核 轴的扭转刚度用每迷轴长的扭转角 来度量。计算公式见表 每米轴长的扭转角计算公式 实心轴 空心轴 光轴 47350Td 4407350 Tdd 阶梯轴 47350 iiiTlld 4407350 iiiiTll dd 式中 T 轴所传递的转矩， Nm ； l轴受转矩作用的长度， mm ； d 轴的外经， mm ； 0d空心轴的内 径， mm ； iT第 i 段轴所受的转矩， Nm ； il、id、0id第 i 段轴长度、直径、和空心轴 内径， mm ； 许用扭转角。 4.6.2 轴的弯曲刚度校核 轴的弯曲刚度用挠度 y 及偏转角 来度量。对于一般机械，轴的许用挠度 y 和许用偏转角 见表机械设计实用手册表 4-1-25。 光轴的挠度和偏角的计算公式见表 4-1-26。对于阶梯轴，如果对计算精度要求不高时，可用当量直径为vd的光轴近似计算： iividld l 式中 il、id阶梯轴第 i 段的长度和直径， mm 。 家居门窗清洗器的设计 第 32 页 共 36 页 5 清洗器手柄的设计 5.1 手柄与清洗头的连接 本清洗器清洗头与手柄采用球形连接。采用这种球形连接可以让清洗头获得 3 个自由度，在清洗工作过程中清洗头可以随时保持与清洗面平行，紧贴要清洗的门窗。大大提高工作效率，同时也可以让操作者工作更加轻松，不必呆板的站着保持一个姿势。因为球形连接的缘故，即使操作手握清洗器手柄随便走动改变手握姿势和角度都不会影响到清洗头擦盘的工作。得益于球形连接的特性，使本清洗器得以最大限度的达到方便于人的宗旨。 5.2 手柄支撑杆 根据实际观察及设计任务书给的原 始数据，室内门窗高度一般在 1.5 2.0m。采用直径为 50mm，长度为 800mm 的支撑杆。杆与清洗头采用球形连接，内部设计成中空的。中空部分有压射水管及电动机导线穿过，在轻便的前提下还必须满足足够的强度，所以建议采用合金钢制造。支撑杆下端手柄设有电气开关，控制清洗头工作的运转。 5.3 清洗液软管 软管上端与清洗头喷嘴连接，喷水管 8 与喷水管接口 20 相接，带有水囊 9 的回水管与回水管接口 16 相接。擦玻璃时，喷水器 1 的瓶中装入干净水，右手握住手柄 11，左手拿着喷水器 1，打开电源开关 10，直流电动机 21 转动，主动齿轮 19 与从动齿轮 17 啮合驱动叶片 18 旋转，球形连接 7 可使从动齿轮 17 与玻璃保持平行，因叶片 18 作高速旋转，叶片 18 下空气为负压，吸引从动齿轮 17 向玻璃靠近，叶片 18 紧贴玻璃，并能自动调节叶片 18 与玻璃的摩擦力，使叶片 18 始终保持高速旋转，刮走玻璃上的浮尘和污物，在叶片 18 旋转的同时，左手捏喷水头 4，干净水经喷水管 3, 8、喷水管接口 20 从外壳巧上的三个从动齿轮轴孔 25 以雾状喷向玻璃，以软化和溶解不易刮走的污物，污水随叶片 18转动，在离心力作用下，甩向外壳 15，沿外壳 15 流下，汇集在水囊 9 中，由于 喷水器 1的水瓶中空气为负压，吸引污水经回水管 2、过滤筒 12 回到瓶体中，经过滤筒 12 底部的粗滤网 13 及吸管底部的细滤网 14 过滤后的水又可从喷水头 4 喷出循环使用，清洗头 6走过的地方无水迹印，且污水回收彻底。 家居门窗清洗器的设计 第 33 页 共 36 页 6 喷水器的选用 本设计清洗器主要是方便家居门窗的清洗，综合考虑成本、操作的轻便。 本清洗器的喷水装置选用如图的喷水壶。 家居门窗清洗器的设计 第 34 页 共 36 页 7