家用电动清洁机设计【机械毕业设计含18张CAD图+说明书论文2万字50页，开题报告，任务书】
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A0机架修改.dwg
A0装配图修改.dwg
A1外壳修改.dwg
A2主动轴修改.dwg
A2滚筒轴修改.dwg
A3储水箱修改.dwg
A3大带轮修改.dwg
A3挤水滚筒轴修改.dwg
A3污水箱修改.dwg
A4大齿轮修改.dwg
A4小带轮修改.dwg
A4小齿轮修改.dwg
A4挡板修改.dwg
A4滚筒修改.dwg
A4滚轮修改.dwg
A4滚轮轴修改.dwg
A4轴承盖1修改.dwg
A4轴承盖修改.dwg
cad2
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摘 要
二十一世纪是清洁环保的时代，随着我国经济建设日新月异，环卫机械正在成为一个独立的产业迅猛发展。今天，环卫机械已经应用到几乎所有的工业领域以及社会生活的各个方面，直到深入到人们的日常衣食住行当中。环卫机械正在同信息、生物、材料等产业一样成为国家具有巨大发展潜力的朝阳企业。本课题结合当前形势，设计一个环保的清洁机，此清洁机主要使用与室内外各种水平光滑地面的清洗工作。目前国内市场上已经有相关类似的产品，如自动吸尘器、自动刷地机等。但它们多采用AC电源，缺少灵活性；本课题所设计的清洁机采用DC电源装备，主要实现刷地，污水回收等功能，旨在普及推广到家庭或餐厅、商场等私人场所，帮助人们经行一系列地面的洗刷工作。
关键字：环卫机械，清洁机，环境保护，污水回收
Household electric cleaning machine design
Abstract
It is a time of enviornment protection for 21st century.With the fast economic construction in our country,machine design and manufacture of environmental sanitarian is becoming a new independent industry.Today,it has been applied in almost all of industries and all aspects of social life,especially deep used in our daily life.Machine of environmental sanitarian is becoming one huge potential industry with the other industries such as information industry,biology industry and material industry.This topic is to design a cleaning machine of Environmental protection .This machine will be mainly used to clean different kinds of slick floor insides or outsides.At present many similar machine of environment protection have been sold in the international markets,such as automatic cleaner and automatic scrub machine and so on.But most of them use AC electrical source,lack of agility .So,this topic will work on designing a clean machine with agility which uses DC electrical source.The main function is about scrubbing floor and Sewage recycling.We hope it can be used at home,in the restaurants,and supper markets and other public service places to help people about all kinds of floor-cleaning work.
Keywords: design about environment sanitarian cleaning machine Environmental protection Sewage recycling
目 录
1 引 言1
2 本 论3
2.1 总体方案的论证3
2.2 传动方案的论证5
2.3 电动机的选择7
2.3.1 计算滚筒速度及摩擦力7
2.3.2 选择电动机功率 8
2.4 机械传动装置的总体设计与计算9
2.5传动零件的设计计算11
2.5.1 齿轮的设计与计算11
2.5.2 带轮的设计与计算20
2.5.3 轴的设计26
2.5.4轴承的选择和润滑及其寿命计算35
2.5.5 键连接的选择和强度校核40
3 结 论42
4 参 考 文 献46
5 致 谢47
- 内容简介：
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机械电子工程 自考本科 毕业生毕业论文 题 目 : 家用电动清洁机设计 学生姓名： 准考证号： 指导教师： 2013 年 12 月 30 日 nts I 摘 要 二十一世纪是清洁环保的时代，随着我国经济建设日新月异，环卫机械正在成为一个独立的产业迅猛发展。今天，环卫机械已经应用到几乎所有的工业领域以及社会生活的各个方面，直到深入到人们的日常衣食住行当中。 环卫机械正在同信息、生物、材料等产业一样成为国家具有巨大发展潜力的朝阳企业。本课题结合当前形势，设计一个环保的清洁机，此清洁机主要使用与室内外各种水平光滑地面的清洗工作。目前国内市场上已经有相关类似的产品，如自动吸尘器、自动刷地机等。但它们多采用 AC 电源，缺少灵活性；本课题所设计的清洁机采用 DC 电源装备，主要实现刷地，污水回收等功能，旨在普及推广到家庭或餐厅、商场等私人场所，帮助人们经行一系列地面的洗刷工作 。 关键字 ： 环卫机械，清洁机，环境保护，污水回收 nts II Household electric cleaning machine design Abstract It is a time of enviornment protection for 21st century.With the fast economic construction in our country,machine design and manufacture of environmental sanitarian is becoming a new independent industry.Today,it has been applied in almost all of industries and all aspects of social life,especially deep used in our daily life.Machine of environmental sanitarian is becoming one huge potential industry with the other industries such as information industry,biology industry and material industry.This topic is to design a cleaning machine of Environmental protection .This machine will be mainly used to clean different kinds of slick floor insides or outsides.At present many similar machine of environment protection have been sold in the international markets,such as automatic cleaner and automatic scrub machine and so on.But most of them use AC electrical source,lack of agility .So,this topic will work on designing a clean machine with agility which uses DC electrical source.The main function is about scrubbing floor and Sewage recycling.We hope it can be used at home,in the restaurants,and supper markets and other public service places to help people about all kinds of floor-cleaning work. Keywords: design about environment sanitarian cleaning machine Environmental protection Sewage recycling nts III 目 录 1 引 言 . 1 2 本 论 . 3 2.1 总体方案的论证 . 3 2.2 传动方案的论证 . 5 2.3 电动机的选择 . 7 2.3.1 计算滚筒速度及摩擦力 . 7 2.3.2 选择电动机功率 . 8 2.4 机械传动装置的总体设计与计算 . 9 2.5 传动零件的设计计算 . 11 2.5.1 齿轮的设计与计算 . 11 2.5.2 带轮的设计与计算 . 20 2.5.3 轴的设计 . 26 2.5.4轴承的选择和润滑及其寿命计 算 . 35 2.5.5 键连接的选择和强度校核 . 40 3 结 论 . 42 4 参 考 文 献 . 45 5 致 谢 . 46 nts 1 1 引 言 环卫机械行业是为环境保护服务的行业，环境保护不断提出新的要求也带动了环卫机械行业不断的创新并向前发展，而环卫机械行业的发展与进步，又为环境的保护提供了有利的支持，大大的改善了我们的生活环境。 随着中国经济的发展和社会的进步，环境保护意识已深入人心，环卫机械在环境保护中所占的地位越来越重要。现代化的环卫机械不仅能够实现清洁 的功能，而且要做到清洁过程中不会产生污染环境的废物，造成二次污染；设备使用的能源环保，低排放。 由于面临着不同的环境保护及清洁不同地面问题，因此环卫机械也相应是门类各异，品种多样。目前，国内主要的环卫机械包括环卫垃圾车、清扫车、洒水车、吸粪车、吸污车及高压清水车 等。据工信部有关人士介绍说，在全球能源资源和环境压力日益突出的背景下，节能环保已成为当今世界产业发展潮流。金融危机爆发后，欧美等许多国家都实施“绿色新政”，把发展节能环保产业作为应对当前困难、构建未来核心竞争力的战略性选择。同时，发达国家还利用其技术 优势抢占国际市场。因此，适应国际产业竞争需要，大力发展环保装备，是打破发达国家技术贸易垄断，提升我国环保产业竞争力的重要基础。上述人士表示，据估算，“十二五”期间，环境污染治理投资总额将达到 3.1 万亿。其中，脱硫脱硝、城市污水和垃圾处理设施建设投资将达 6000亿元；工业行业余热余压发电、“三废”综合利用以及烟尘、粉尘控制领域均存在巨大需求。 环保装备“十二五”发展规划要求，“十二五”期间环保装备产业总产值年均增长 20%， 2015 年达到 5000 亿元。环保装备出口额年均增长 30%以上， 2015年突破 100亿 元。 环保装备“十二五”发展规划还要求，期内形成 10个以上区位优势突出、集中度高的环保装备产业基地， 10至 20个在行业具有领军作用的大型龙头环保装备企业集团，培育一批拥有著名品牌的优势环保装备企业。 随着国家对环保机械产业的重视，近些年国内出现了许多种小型化的适用于工厂，车站、机场等公共场地的清洁机，国内目前分三种：一种是以日本三菱公nts 2 司生产的清扫车为参考 , 进行国产化研制的一种车型。不过由于国产柱塞泵的性能不稳定 ,从而导致行走调速也不稳定。二是由英国车型“扫路王”进行研制的一种吸扫式清扫车，整车综合性能 较好 , 但存在以下不足：有效清扫面积太小；没有湿式除尘装置 , 易形成二次污染；部分零件需要进口，维修不便，成本过高。三是装有副发动机的湿式吸扫式清扫车 , 该种清扫车的设计较为合理 , 清扫宽度大 , 二次污染小 , 但该种清扫车吸尘系统的动力源为发动机 , 使得驾驶室内温度过高 , 噪音较大，并且这些清扫车大都不易操作，需要经过专业的培训才能驾驶，所以这些清扫车不适合用于家庭清洁。且这些清扫车都使用化石燃料作为动力，这样也不利于环保。 而国内用于家庭的电动清洁机的种类也有很多，并趋向于小型化、智能化，并且易于操 作，但这些清洁机只能提供清洁的用处，不能实现拖地的功能，并且对于一些大理石的地面其清洁效果不是很好，而且清扫后的灰尘大多收集在除尘袋中，清理集尘袋时需要抖落，弄得尘土飞扬，不但十分不便，也不卫生。并且这些扫地机还存在噪音大、质量差、容易出现电路或者机械故障的缺陷，随着现代生活节奏的加快，生活质量的提高，人们在工作一天之后或者在休息日都想在一个干净而又安静的环境中休息，不想被繁重的家务活所累。这就需要一个能替代人们来做家务活的机器。 综上所述，以上各形式的清洁机或扫地机，其中都有许多不足的地方，需要设计一个简 易、方便、实用的电动清洁机，其能够实现拖地功能且能将拖地后产生的污水回收集中处理。 nts 3 2 前 言 2.1 总体方案的论证 家用电动清洁机主要由传动部分、外壳、机架、拖地部分、挤水装置、清水储水箱、污水储水箱等部分组成。家用电动清洁机的拖地部分为主要实行机构，其性能的好坏直接影响清洁机的效率，还有传动系统也是清洁机的主要机构，传动空间的大小直接决定本设计外形的大小，此外外形的设计也很重要，由于属于家用电器，外形要美观，实用。 （ 1） 通过调研与分析，得到两套拖地部分的预测方案。下面 一一详述： 方案一： 拖地部分采用滚筒式的 方案说明：拖地部分采用滚筒式的，其位于清洁机的最前方， 在同拖地滚筒等轴线高的地方设置一个挤水滚筒，在拖地滚筒正上方设有洒水水箱，洒水水箱同拖地滚筒长度一致，其将清水洒到拖布上去，在挤水滚筒下方设有污水收集箱，其将拖地产生的污水收集，防止二次污染。 方案二： 拖地部分采用圆盘状的 方案说明：拖地部分采用 圆盘状的，其位于清洁机电机的下方，而在圆盘的前部设有洒水喷头，在圆盘后部设有污水收集箱，收集箱前部有斜度且呈筛子状，通过圆盘上的拖布与污水箱前部相互挤压将污水收集到污水箱 中去。 方案比较：方案一的有效拖地面积较大，拖布湿润比较均匀，污水挤出较彻底，污水收集率比较高，方案二的有效清洁面积比较大，拖布湿润不是很均匀，且存在拖布有的地方不会被挤压的情况，所以污水挤出的不是很彻底，经过两个方案的比较，选用方案一。拖地装置与挤水装置如图 2-1 所示： nts 4 图 2-1 拖地装置与挤水装置图 （ 2）储水水箱的设计 储水箱是整个清洁系统中原料的源头，其功能的好与差直接影响拖地质量问题。在考虑到整体机器的重量和体积问题，在储水方面当水箱 空时，不能将整体机器搬过去接水，所以需要设计成水箱与机体分开，当水箱空时可以单独拿下。在查阅了资料和参考了现有的机器外形设计，本设计决定将水箱与机体分开，水箱挂在清洁机把手杆上，把手杆上开有固定孔，储水箱后面有固定板，固定板通过螺钉拧在储水箱上，这样储水箱能够挂在把手杆上上，并且能很容易取下。在水箱的下部设有水龙头，其可以控制水的供给，防止水资源的浪费。储水水箱固定位置如图 2-2所示： 图 2-3 污水箱安装固定图 nts 5 综上所述本课题所设计的产品的的整体外形如图 2-4 所示。 图 2-4 清洁机整体外形 图 2.2 传动方案的论证 方案一：由电机输出，经由多对齿轮啮合然后将动力输送给拖地滚筒，实现拖地清洁功能。 方案二：由电机输出，经由一对齿轮啮合和带传动将动力传递给拖地滚筒，实现拖地清洁功能。 齿轮传动的主要优点是： 瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力； 适用于功率和速度范围广，功率从接近于零的微小值到数万千瓦，圆周速度从很低到 300m/s； 传动效率高， =0.92 0.98，在常用的机械传动中，齿轮的传动效率较高；工作可靠，使用寿命长；外廓尺寸小，结构紧凑。 齿轮传动的主要缺点：制造和安装精度要求较高，需专门设备制造，成本较高，不宜用于较远距离两轴之间的传动。 带传动的主要优点： 缓冲和吸振，传动平稳、噪声小； 带传动靠摩擦力传动，过载时带与带轮接触面间发生打滑，可防止损坏其他零件； 适用于两轴中心矩较大的场合； 结构简单，制造、安装和维护等均较为方便，成本低廉。 带传动的缺点： 不能保证准确的传动比； 需要较大的张紧力，增大了轴和nts 6 轴承的受力； 整个传动装置的外廓尺寸较大，不够紧凑； 带的寿命较短，传动效率较低。 方案一的结构紧凑，可靠性高，设备的使用寿命可以 得到保障，然而制造成本较高，箱体结构比较复杂，由于齿轮传动空间比较小，所以给出的安装滚筒的空间也比较小，这样有效的打扫面积比较小，打扫时会比较费时间。方案二的传动比较简单，可靠性较高，不需要经多对齿轮的啮合，滚筒的安装空间比较大，有效面积大，经过两个方案的比较，选用方案二的传动方式 。 传动方案如图 2-5 所示： 图 2-5 传动方案图 通过整体方案的设计和传动方案的设计可知本课题的总体设计的方案及传动方式如图 2-6 所 示： nts 7 图 2-6 总装图 2.3 电动机的选择 电动机的容量（功率）选得是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常工作，或电动机因长期过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且因经常不在满载下运动，其效率和功率因数都较低，造成浪 费。电机的选用要点如表 2-1所示： 表 2-1 电机的选用要点 选用要点一 根据机械负载特性、生产工艺、电网要求、建设费用、运行 费用等综合指标，合理选择电动机的类型 选用要点二 根据机械负载所要求的过载能力、起动转矩、工作制及工况 条件，合理选择电动机的功率，力求运行安全、可靠而经济 选用要点三 根据使用场所的环境，选择电动机的防护等级和结构型式 选用要点四 根据生产机械的最高机械转速和传动调速系统的要求，选择 电动机的转速 选用要点五 根据使用环境温度，维护检修方便、安全可靠等要求，选择 电动机的绝缘 等级和安装方式 选用要点六 根据电网电压、频率，选择电动机的额定电压、频率 总结 在选用电动机时，要努力执行国家技术经济政策，积极采用 节能产品和新产品，提高综合经济效益 查资料知：大理石地面的摩擦系数 =0.5 0.7，取 =0.5； 8 级精度圆柱齿轮副传动效率 1 =0.97；带传动效率 2 =0.96；滚动轴承（球轴承）传动效率 3=0.99。 2.3.1 计算滚筒速度及 摩擦力 根据设计，取拖地滚筒的直径 D=160mm； L=300mm；材料为聚甲醛 （ POM） ，nts 8 密度 =1.42 3g/cm ；重力加速度 g=10m/s；滚筒转速 n=175 r/min；滚筒孔径直径d=20mm 键槽宽度 B=6mm， t=2.8mm。 拖地滚筒体积 V= 22. d t .4D L （ ） -B.= 221 6 2 - 304 （ ） 0 . 6 0 . 2 83cm =1888.65 3cm ； 拖地滚筒质量 m=.V=1.421888.65g=2681.883g=2.68 ； 拖地滚筒重量 G=m.g=2.689.8N=26.26N； 拖地滚筒受到的摩擦力 F=G. =26.260.5N=13.13N。 滚筒的线速度 V V= . .n60 1000D= 3 . 1 4 1 6 0 1 7 56 0 1 0 0 0m/s=1.465 m/s 2.3.2 选择电动机功率 需要电动机输出的实际功率dP为 dP= wP（ 1） 而滚筒所需的有效功率wP为 wP =w.v1000.F（ 2） 由公式（ 1）、（ 2）得： dP= wP=w.v1000. .F（ 3） 由电动机至工作机之间传动装置的总效率为： =齿 轮 . 2 轴 承 .带 =0.97 0.99 0.96=0.913 nts 9 滚筒效率 w =1 电动机需要输出的工作功率dP为 dP= wP=w.v1000. .F= 1 3 .1 3 1 .4 6 51 0 0 0 0 .9 1 3 1=0.0144KW=14.4w 由以上计算并查机械设计手册单行本 减（变）速器 电机与电器 知选用 YS45系列三相异步电动机，额定功率 P=16w，转速 为 n=1400r/min，电动机中心高H=45mm，外伸轴段 D E=9mm 20mm。 2.4 机械传动装置的总体设计与计算 电动机选定后，根据电动机的满载转速mn及工作轴的转速wn，由wm nni 算出。然后将总传动比合理地分配给各级传动。总传动比等于各级传动比的连乘积，即12i=i .i .。 具体分配传动比时，应注意以下几点： a. 各级传动的传动比最好在推荐范围内选取，对减速传动尽可能不超过其允许的最大值。 b. 应注意使传动级数少传动机构数少传动系统简单，以提高和减少精度的降低。 c. 应使各级传动的结构尺寸协调匀称利于安装，绝不能造成互相干涉。 d. 应使传动装置的外轮廓尺寸尽可能紧凑。 传动装置的计算： A. 电动机转速： 1 4 0 0 / m i nmnr拖地滚筒转速： 1 7 5 / m i nwnr传动装置的总传动比： 1 4 0 0 / 1 7 5 8mwi n n B. 分配各级传动比 带传动传动比范围为 2 4i 带， 初取 2.5i 带nts 10 因 .i i i带 齿 轮，则 / 8 / 2 . 5 3 . 2i i i 带齿 轮C. 传动装置运动和动力参数的计算 在选定了电机型号，分配了传动比之后，应将传动装置中各轴的功率、转速和转矩计算出来，为传动零件和轴的设计计算提供依据。在计算时应注意以下几点： 1.各轴的转速可根据电动机的满载转速及传动比进行计算。 2.各轴的功率和转矩均按输出处计算。 3.由于有轴承功率损耗，同一根轴的输入功率与输出功率数值是不同的，通常仅计算轴的输出功率和转矩。 计算时，将传动装置中各轴从高速到低速依次定为轴、轴（电动机外伸轴为 0轴）。 0轴（电机轴） 0 16P P w0 1 4 0 0 / m i nmn n r3 6 30 0 09 . 5 5 1 0 . / 9 . 5 5 1 0 1 6 1 0 / 1 4 0 0 1 0 9 . 1 4 3T P n N m m N m m 轴（高速轴） 1 0 1 3. . 1 6 0 . 9 7 0 . 9 9 1 5 . 3 6 5P P w w 10 / 1 4 0 0 / 3 . 2 / m i n 4 3 7 . 5 / m i nn n i r r 齿 轮6 6 31 1 19 . 5 5 1 0 . / 9 . 5 5 1 0 1 5 . 3 6 5 1 0 / 4 3 7 . 5 3 3 5 . 3 9 6T P n N m m N m m 轴（拖地滚筒轴） 2 1 2 3. . 1 5 . 3 6 5 0 . 9 6 0 . 9 9 1 4 . 6 0 3P P w w 21 / 4 3 7 . 5 / 2 . 5 / m i n 1 7 5 / m i nn n i r r 带6 6 32 2 29 . 5 5 1 0 . / 9 . 5 5 1 0 1 4 . 6 0 3 1 0 / 1 7 5 7 9 6 . 9 0 7T P n N m m N m m 将运动和动力参数计算结果整理并列于表 2-2 表 2-2 运动和动力参数表 nts 11 轴序号 功率P/W 转速 n /（ r/min） 转矩 T /（ N.mm） 传动方式 传动比 效率 0 16 1400 109.143 带传动 2.5 0.96 15.365 437.5 335.396 齿轮传动 3.2 0.97 14.603 175 796.907 2.5 传动零件的设计计算 在进行清洁机装配图设计时，必须首先确定出各级传动件的材料、热处理方法、参数、尺寸和主要结构。而传动装置的运动及动力参数设计计算所得的数据及设计任务书所给的工作条件，则为传动零件设计计算的原始数据。 传动件的设计计算顺序应由高速级向低速级依次计算，同时应注意轴上安装的零件不能出现干涉的情况。各传动件的设计计算应按照参 考资料进行，需要注意的是：传动装置的实际传动比因受齿轮齿数、带轮标准直径等因素的影响，它们与初分配时要求的传动比常有一定的误差，一般情况下，应使工作机的实际转速与要求的转速的相对误差在 （ 3 5） %的范围之间。 2.5.1 齿轮的设计与计算 齿轮传动是机械传动传动中重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。 一、 齿轮传动的主要特点有： 瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化规律来设计。 传动比范围大，可用于减速或增速。 速度（ 指节圆圆周速度）和传递功率的范围大，可用于高速（ v40m/s）、中速和低速（ v90 所以小带轮上的包角合适。 6） 计算窄 V带的根数 Z: 计算窄 V带的根数 Z按公式 （ 8） 计算。 ca00 LPZK （ P + P ） K（ 8） 其中由 n = 4 3 7 . 5 r / m i n，d1d = 5 0 m m， =2.54i ，查窄 V 带的基本额定功率表和额定功率增量表得：0 6 3 .7 wP ， 0P = 1 1 . 2 5 w 查包角系数表得： K =0.95，用差值法查得带长系数表得： K =0.99L,则 3ca3001 5 . 3 6 5 1 0 1 . 0 60 . 9 5 0 . 9 9LPZK （ P + P ） K （ 63.7+11.25 ） 10取 Z=2 根 7） 确定带的初拉力0F由公式 2ca02 . 5 -= 5 0 0 . q vPKFV Z K （ ） +.得知 查参考资料得 V 带单位长度的质量表得： q=0.06Kg/m，故有 3 201 5 . 3 6 5 1 0 2 . 5 0 . 9 5= 5 0 0 = 5 . 5 8 N1 . 1 4 2 0 . 9 5F （ ） + 0 . 0 6 1 . 1 48） 计算作用在轴上的压轴力pF由公式知 101 6 0 . 0 12 s i n = 2 2 5 5 . 0 5 s i n = 2 1 6 . 8 622Q Z F N 9） 主要设计结果： SPZ 型窄 V 带 2 根，带长 710mm，中心距 a=215mm，带轮基准直径d1d =50mm，d2d =125mmnts 24 2. V 带轮的结构设计 a. 带轮材料：选用工程塑料 ABS。 b. 小带轮结构尺寸：结构型式采用实心轮，尺寸如下图所示。 c. 大带轮结构尺寸： 初步估算大带轮孔径： 初步估算大带轮孔径按公式 （ 9） 估算。 30d nPA （ 9） 初步选择输入轴的材料为工程塑料 ABS，取0 110A ,则： 输入端轴的最小直径： 3 3m i n1 5 . 3 6 5 1 0d 1 1 0 = 3 . 6 0 2 m m4 3 7 . 5 考虑到清洁机的结构以及轴受力的情况，取输入端轴的最小直径mind =10mm，即大带轮孔径m i nd = d = 1 0 m m大 带 轮 孔 径确定其他尺寸如下： 轮缘槽尺寸（ V 带型号为 SPZ）： db = 8 .5 m m，a m inh = 2.0，f minh =7.0， e=12 ， minf =7 ，取 f=8 ，min =5.5，取 =5.5 轮缘宽度 B： = - e + 2 f = =B （ Z1 ） （ 2-1 ） 1 2 + 2 8 2 8 外径ad： a d 2 ad = d 2 h = 1 2 5 2 2 = 1 2 9 m m 轮槽角 =40 d. 大带轮的定位 考虑安装带轮的轴上轴向力很小，可以忽略不计，所以带轮的定位一端依靠轴肩定位，另一端则用轴用弹性挡圈用作定位件。大带轮与轴的连接采用键连接。 d. 大 V 带轮的结构如图 2-9 所示： nts 25 图 2-9 大带轮结构图 f. 小带轮的定位 考虑安装小带轮的轴上轴向力很小，可以忽略不计，所以带轮的定位一端依靠轴肩定位，另一端则用轴用弹性挡圈用作定位件。小带轮与轴的连接采用键连接。 g. 小带轮的结构如图 2-10 所示 图 2-10 小带轮结构图 其中带轮的中心孔径大小的确定在轴设计中进行。 nts 26 2.5.3 轴的设计 一、轴的种类和特点 轴是组成机械的一个重要零件。它支承着其他转动件回转并传递转矩，同时它又通过轴承和机架联接。所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动，形成了一个以轴为基准的组合体 轴系部件。所以，在轴的设计中，不能只考虑轴本身，还必须和轴系零、部件的整个结构密切联系起来。 轴 按受载情况分 1） 转轴 既支承传动机件又传递动力，即承受弯矩和扭矩两种作用。 2） 心轴 只起支承旋转机件作用而不传递动力，即只承受弯矩作用。心轴又可分为固定心轴（工作时轴不转动）和传动心轴（工作时轴转动）两种。 3） 传动轴 主要传递动力，即主要承受扭矩作用。 按结构形状分为：光轴，阶梯轴，实心轴，空心轴等。 按几何轴线形状分：直轴，曲轴，钢丝软轴 设计轴时应考虑多方面因素和要求，其中主要问题是轴的选材、结构、强度和刚度。对于高速轴还应考虑振动问题。 通常轴设计的程序是： 1） 根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和 装配方案； 2） 选择轴的合适材料； 3） 初步估算轴的直径； 4） 进行轴系零、部件的结构设计； 5） 进行强度计算 6） 进行刚度计算 7） 校核键的联接强度 8） 验算轴承 9） 根据计算结果修改设计 10） 绘制轴的零件工作图 对于一些不太重要的轴，上述程序中的某些内容可以省略。 二、轴的常用材料 nts 27 应用于轴的材料种类很多，主要根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度和其他机械性能等的要求，采用的热处理方式，同时考虑制造加工工艺，并力求经济合理来选择轴的材料。 轴的常用材料是优质碳素钢， 如 35、 45 和 50，其中以 45 号钢最为常用。对于受载较小或不太重要的轴，也可 以用 Q235、 Q275 等普通碳素结构钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及某些特殊要求的轴可采用合金钢或非金属材料。 由于本设计中轴上的承载力小，且该设计主要用于家用，所以该设计的轴选用工程塑料 （ ABS） 作为轴的材料。 三、轴的结构设计 轴的结构决定于受载情况，轴上零件的布置和固定方式，轴承的的类型和尺寸、轴的毛坯、制造和装配工艺及安装、运输条件。 轴的设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。 一般轴的结构设计原则： a）节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截 面形状； b）易于轴上零件的精确定位、稳固、装配、拆卸、和调整； c）采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施； d）便于加工制造和保证精度。 由于轴上有且许多零件需要定位，且内孔径大小不一，所以本设计轴的结构为阶梯轴。 四、轴的设计 （ 1） 主动轴的设计 由上知选用的轴的材料为工程塑料（ ABS），硬度为 70HRC,弯曲强度极限 =25 46MPa，拉伸强度 1 =21 28MPa 初步估算轴的最小直 径 由带轮的设计可知，轴的最小直径，即轴的直径初选为1d =10mm，初步设计阶梯轴的外形如图 2-11 所示，该轴的各段直径和长度的确定如下： nts 28 图 2-11 主动轴结构图 轴的结构设计 a 轴的各端直径的确定： 自左向右第端轴：1d =10mm；（轴承的型号选用 61900）第 轴段：2d =13mm0（考虑到在 轴段处键槽对轴的强度影响，需要将轴的直径增加7%，考虑轴肩的问题，所以选取2d =13mm）；第 轴段：3d =18mm（由于 第 轴段轴上安装小 带轮，小带轮需要利用轴肩定位，本设计取定位轴肩高度 h=2.5mm）；第轴段：4d =20mm；第轴段：5d =25mm（ 由于第轴段 上安装小大齿轮，大齿轮需要利用轴肩定位，本设计取定位轴肩高度h=2.5mm）；第 轴端：6d =18mm（考虑轴的对称，该轴段的直径与第 轴段的直径相同。 ）最后轴段的直径： d=10mm （轴承的型号选用 61900）。 b 轴的 各段长度确定： 自左向右第轴段：1 =18mmL；（轴承宽 B=6mm，考虑带轮边缘与机架壁之间的距离为 9mm）；第 轴段：2 =28mmL（带轮轮毂宽 B=28mm）； 第段轴：4 =19mmL（大齿轮宽 B=20mm,考虑大齿轮定位问题，轴长应稍小于齿轮宽度。）；第轴段：5=5mmL；最后轴段的长度： L=18mm （轴两边对称布置）；第 轴段：3 =161mmL； 第 轴端：6 =18mmL（考虑轴的对称及清洁机整体的布局，该轴段的长度与第 轴段的长度相同 ）。 c、轴上零件的周向定位： 输入端大齿轮与轴的轴向定位如前所述采用平键连接，由于4d =20mm，按参考资料查得：选用普通平键 6 12，键的截面尺寸为 b h=6 6，键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证齿轮与轴有良好的对中性，故选用其配合为 H7/n6。 nts 29 小 带轮与轴的轴向定位如前所述采用平键连接，由于2d =13mm，按参考资料查得：选用普通平键 6 22，键的截面尺寸为 b h=6 6，键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证带轮与轴有良好的对中性，故选用其配合为 H7/n6。 按弯扭合成应力校核轴的强度 a、 绘出轴的计算简图如图 2-12 所示 b、 计算作用在轴上的力 大齿轮主要受径向力t1F1t112 2 3 3 5 . 3 9 6= = = 3 3 . 5 4 Nd 2 0TF 小带轮主要受径向力t2F1t222 2 3 3 5 . 3 9 6= = = 5 1 . 6 0 Nd 1 3TF c、 计算支反力 垂直面（ V 面）其中有，如图 2-12 所示 由 v1=0M 1 1 2 3 t 2 2 3 t 1 3( ) ( ) 0NVF L L L F L L F L t 2 2 3 t 1 311 2 3()NVF L L F LFL L L5 1 . 6 0 (1 8 4 . 5 2 1 5 . 5 ) 3 3 . 5 4 2 1 5 . 53 2 1 8 4 . 5 2 1 5 . 5 =64.51N 由 v2=0M 2 1 2 3 t 1 2 1 t 2 1( ) ( ) 0NVF L L L F L L F L t 1 2 1 t 2 121 2 3()NVF L L F LFL L Lnts 30 3 3 . 5 4 (1 8 4 . 5 3 2 ) 5 1 . 6 0 3 2 = 2 0 . 6 33 2 1 8 4 . 5 2 1 5 . 5 N 由于该轴上的轴向力很小，可以忽略不计，所以在水平面（ H 面）上的力矩为零。 d、 计算轴的弯矩 此时可以认为t1F、t2F力作用于2L中点处 ,所以计算弯矩时有 垂直面（ V 面）弯矩 2v 1 1 11 8 4 . 5= ( ) 6 4 . 5 1 ( 3 2 ) 8 0 1 5 . 3 7 m m22NVLM F L N 由于该轴上的轴向力很小，可以忽略不计， 所以水平面（ H 面）上的弯矩为零。 e、 按弯扭合成应力校核轴的强度 由以上计算知第 轴段的弯矩最大，该处的计算应力为 计算应力按公式（ 10）计算。 vca= MW （ 10） 由公式 （ 10） 知： vca 38 0 1 5 . 3 7= = = 1 3 . 7 4 a0 . 1 1 8M MPW 其小于轴的许用应力，所以该轴的设计是安全的，可以使用。 nts 31 图 2-12 清洁机主动轴的载荷分析图 （ 2） 滚筒轴的设计 由上知选用的轴的材料为工程塑料（ ABS），硬度为 70HRC,弯曲强度极限 =25 46MPa，拉伸强度 1 =21 28MPa 初步估算轴的最小直径 由带轮的设计中可知，轴的最小直径，即轴段的直径初选为1d =10mm，初步设计阶梯轴的外形如图 2-13 所示，该轴的各段直径和长度的确定如下： 图 2-13 滚筒轴结构图 轴的结构设计 a、轴的各端直径的确定： 自左向右第端轴：1d =10mm；（轴承的型号选用 6000）第 轴段：2d =13mmnts 32 （考虑到在 轴段处键槽对轴的强度影响，需要将轴的直径增加 7%，考虑轴肩的问题，所以选取2d =13mm）； ；第轴段：选取4d =20mm； 第 轴段：3d =25mm（由于 第 轴段轴上安装拖地滚 筒，拖地滚筒需要利用轴肩定位，本设计取定位轴肩高度 h=2.5mm）； 最后轴段的直径： d=10mm （轴承的型号选用 61900）。 b、轴的各段长度确定： 自左向右第轴段：1 =18mmL；（轴承宽 B=8mm，考虑带轮边缘与机架壁之间的距离为 6mm）；第 轴段：2 =28mmL（带轮轮毂宽 B=28mm）；第 轴段：3 =17mmL； 第段轴：4 =351mmL（拖地滚筒长度 L=306mm，考虑清洁机的整体布局）；最后轴段的长度： L=18mm （轴两边对称布置）。 c 轴上零件的周向定位： 输入端大带轮与轴的轴向定位如前所述采用平键连接，由于2d =13mm，按参考资料查得：选用普通平键 6 22，键的截面尺寸为 b h=6 6，键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证大带轮与轴有良好的对中性，故选用其配合为 H7/n6。 拖地滚筒与轴的轴向定位采用平键连接，由于拖 地滚筒长度较长，考虑在轴上加工键槽的长度太长时会提高加工成本，所以拖地滚筒与轴的轴向定位采用两个普通平键连接，由于4d =20mm，按参考资料查得：选用普通平键 6 40，键的截面尺寸为 b h=6 6，键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证拖地滚筒与轴有良好的对中性，故选用其配合为 H7/m6。 按弯扭合成应力校核轴的强度 a、绘出轴的计算简图如图 2-14 所示 b、计算作用在轴上的力 大带轮主要受径向力t1F1t112 2 7 9 6 . 9 0 7= = = 1 2 2 . 6 0 Nd 1 3TF nts 33 小带轮主要受径向力t2F1t222 2 7 9 6 . 9 0 7= = = 7 9 . 6 9 Nd 2 0TF c、 计算支反力 垂直面（ V 面）其中有，如图 2-14 所示 由 v1=0M1 1 2 3 t 1 2 3 t 2 3( ) ( ) 0NVF L L L F L L F L t 1 2 3 t 2 311 2 3()NVF L L F LFL L L1 2 2 . 6 ( 2 0 6 . 5 1 9 3 . 5 ) 7 9 . 6 9 1 9 3 . 53 2 2 0 6 . 5 1 9 3 . 5 =149.21N 由 v2=0M 2 1 2 3 t 2 2 1 t 1 1( ) ( ) 0NVF L L L F L L F L t 2 2 1 t 1 121 2 3()NVF L L F LFL L L7 9 . 6 9 ( 2 0 6 . 5 3 2 ) 1 2 2 . 6 3 2 = 5 3 . 0 83 2 2 0 6 . 5 1 9 3 . 5 由于该轴上的轴向力很小，可以忽略不计，所以在水平面（ H 面）上的力矩为零。 d、 计算轴的弯矩 此时可以认为t1F、t2F力作用于2L中点处 ,所以计算弯矩时有 垂直面（ V 面）弯矩 2v 1 1 12 0 6 . 5= ( ) 1 4 9 . 2 1 ( 3 2 ) 2 0 1 8 0 . 6 5 m m22NVLM F L N 由于该轴上的轴向力很小，可以忽略不计，所以水平面（ H 面）上的弯矩为零。 e、 按弯扭合成应力校核轴的强度 nts 34 由以上计算知第 轴段的弯矩最大，该处的计算应力为 计算应力按公式（ 11）计算。 vca = MW(11) 由公式（ 11）知： vca 32 0 1 8 0 . 6 5= = = 2 5 . 2 3 a0 . 1 2 0M MPW 其小于轴的许用应力，所以该轴的设计是安全的，可以使用。 图 2-14 清洁机滚筒轴的载荷分析图 nts 35 （ 3） 挤水滚筒轴的设计 由于挤水滚筒轴上不需要安装零件，所以挤水滚筒轴结构简单，其尺寸按照设计的要求如图 2-15 所示： 图 2-15 挤水滚筒轴的结构尺寸图 由于该轴所受到的径向力很小且受到的轴向力也很小，可以忽略不计，所以不在对此轴经行校核。 2.5.4 轴承的选择和润滑及其寿命计算 根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。滚动轴承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已经标准化 ，选用、润滑、维护都很方便，因此在一般机器中应用较广。但由于滑动轴承本身具有的一些独特优点，使得它在某些不能、不便或使用滚动轴承没有优势的场合，如在工作转速较高、特大冲击与振动、径向空间尺寸受到限制或必须部分安装、以及需在水或腐蚀性介质中工作等场合，仍占有重要地位。 滑动轴承的类型很多，按其承受载荷方向的不同，可分为径向轴承和止推轴承。根据其滑动表面间润滑状态的不同，可分为液体润滑轴承、不完全液体润滑轴承和自润滑轴承。根据液体润滑承载机理的不同，又可分为液体动力润滑轴承和液体静压润滑轴承。 要正确地设计滑动 轴承，必须合理地解决一下问题：轴承的形式和结构设计；轴瓦的结构和材料选择；轴承结构参数的确定；润滑剂的选择和供应；轴承的工作能力及热平衡计算。 （ 1）轴承的选择： nts 36 选择滚动轴承的类型与多种因素有关，通常根据下列几个主要因素： 1）、负荷情况 负荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据负荷的大小，方向和性质来选择轴承。 负荷大小：一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适用于承受较大负荷，球轴承由于是点接触，承载能力小，适用于轻，中等负荷。 负荷方向：纯径向力作用，宜选用深沟球轴承，圆柱 滚子轴承或滚针轴承。纯轴向负荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向负荷和轴向负荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。若径向负荷较大而轴向负荷较小时，也可选用深沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向负荷较大而径向负荷小时，可选用推力角接触轴承，推力圆锥滚子轴承。 负荷性质：有冲击负荷时，宜选用滚子轴承。 2）、高速性能 球轴承不滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适合于较高转速 下工作。在一定条件下，工作转速较高时宜选用超轻，特轻系列的轴承。 3）、调心性能 当轴两端轴承孔同心性差或轴的刚度小，变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承或调心滚子轴承。 4）、允许的空间 径向尺寸受限制的机械装置，可选用滚针轴承或特轻，超轻型轴承；轴向尺寸受限制时，宜选用窄或宽系列的轴承。 5）、安装与拆卸方便 整体式轴承座或频繁装拆时，应优先选用内外圈可分离的轴承。轴承装在长轴上时，为装拆方便可选用带锥孔和紧定套的轴承。 根据以上所述及本设计的具体要求，选用深沟球轴承。 （ 2）轴承的润滑 轴承润滑主要目的是减少摩擦和磨损，同时起到冷却，吸振，防锈及降噪的作用。 常用的润滑
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