1、第1章 前 言1.1清扫工具的现状和发展前景从20世纪60 年代我国研制生产路面清扫机械开始（指大型清扫机的研制），已有40 多年的生产历史，然而中小型清扫机的研制开发则刚刚起步。相对于发达国家，我国地面清扫机在销售规模、技术水平、清扫效果等方面都存在一定的差距。 随着公共环境卫生、工厂清洁机械市场的迅猛发展，2005 年之后，国内地面清扫机开始呈现快速发展的态势。但与国外相比，国内还停留在市场的初级发展阶段。我国已逐步进入现代化社会，陈旧、落后的清扫方式及设备，已不能满足社会进步的需要。对于自动化扫地器具，人们常见的是马路上的扫地车，它能进行大面积街道清扫、工作效率高，并且节约人力。然而，小
2、面积区域的清扫工具还主要沿用传统手工扫地工具：扫帚，工作效率低、清扫效果不够理想、浪费人力资源。而工作效率高的省时省力的庞然大物扫地车在比如厂区、居住小区、机关、学校、医院、小街小巷、走廊等场所，确是英雄无用武之地。随着现代生活节奏的加快及居住面积的增大，家居地面的清扫工作也越来越繁重，严重干扰了人们的生活。因此急需开发一种成本低、节约人力物力、清扫效果良好的适应院落、小区、小巷、走廊等小区域场所的小型清扫设备。目前，许多国家研制的清洁机器人应时而生。日本，美国，欧洲各大厂商竞相开发，有些产品甚至很超前。例如，有一种具有高效吸尘除灰功能的清洁机器人，可遥控也可自主运作，能转向，躲避障碍物，有很
3、高的实用价值，可对家居、厂矿企业等地面进行清洁，帮助人们从繁杂的劳动中解放出来。在国外清洁设备的拥有率和洗衣机几乎相当，甚至要高（有公用洗衣房，专业洗衣店的缘故）。在这方面，国内的研发步伐较慢，但是随着国家城市化的进程不断加大和经济的发展，许多新兴的中小城市正在崛起，城市化规模不断扩大，现代化的工厂不断建成，机关、小区、医院、学校和公共场不断建设机械化清扫已经成为一种必然，地面的清洁养护及工厂清洁生产已经越来越重要。劳动力成本的不断提高，清扫设备的市场前景日渐看好。由于人们对环境污染问题越来越重视，燃油车在很大程度上受到限制。政府大力提倡绿色能源设备。近日国家出台燃油含税的政策，给电动扫地车带
4、来福音。小型清扫设备因其实用性强、 垃圾清扫率高 、污染小、成本底、结构紧凑、操作简单、维修方便等特点具有广泛的市场前景和实用价值，它的出现和使用，将极大减轻人们繁琐的家务劳动，节省宝贵的时间，提高了人们的生活质量。小型清扫设备现在正是一个高速发展的时期，有着极其广阔的发展空。1.2 清扫设备的概述1.2.1 清扫设备的分类清扫设备按大小可分为大型清扫设备和中小型清扫设备。大型清扫设备主要是清扫车，由于本课题主要研究的是小型清扫设备大型的清扫设备在此不再多述。而现有的小型清扫设备主要有两大类分别为扫地机和清洁机器人。（1）清洁机器人：清洁机器人技术的发展，应该说是科学技术发展的一个综合性的结果
5、，它集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。清洁机器人是能够在房间中自动清洁地面，保持家庭卫生的一种机器人。它集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。包括有地面真空吸尘机器人、地面清扫机器人、壁面清洗机器人、泳池清洗机器人和一些特种清洗机器人，可用于各种场合的清洁工作。这方面的研究从上世纪80 年代起，开始受到人们的注意，不过由于清洁的环境基本上是结构、半结构性的，但要清除的垃圾则完全是非结构性的，造成一定困难。清洁机器人具有如下的特点：清洁机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有
6、很强的实用性。清洁机器人的工作环境主要为普通家庭环境，但要求有较好的环境适应性。清洁机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为清洁机器人的处理对象。考虑到安全因素，清洁机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时清洁机器人还必须具备自我保护的能力。就现有的技术而言清洁机器人的发展受到了很大的局限，它的推广也得到了一定的限制。（2）扫地机：扫地机是现有技术下的最为经济实用的小型清扫设备。扫地机涉及地板上小面积地面覆盖物的清扫机械领域，是一种小型家庭、工厂、小区、机关用的扫地机械。它的一般是由车架、车轮、罩壳和手把组成的手推小车。在车前侧装设立
7、扫帚；车架、罩壳下方装设横扫帚，通过半交叉皮带和齿轮等传动件由车轮旋转动力带动扫帚将垃圾扫入车架前端设置的撮箕内。从而避免了灰尘和废气污染与机动噪声。结构简单、操作方便。不清扫时能将扫帚抬起脱离地面。扫地速度在36 公里时左右，扫地宽度在12 米。以圆盘刷为工具的新型扫地机，主要用于家庭以及公共场所地板或室内地面上覆盖物的清扫。1.2.2 我国清扫机械的发展趋势虽然国产清扫机的生产技术水平已有了一定的进步，价格性能比优于进口产品，但在以下几个方面尚待进一步提高，这也是今后我国清扫机械技术的发展趋势。（1）提高工作可靠性目前国产清扫机工作可靠性不及进口机，其原因主要有三，一是国产基础件不过关，如
8、动力装置及其传动系统、工作装置的耐用性及材料的热处理工艺等有待提高；二是制造工艺及加工精度较低；三是某些技术和整机结构设计尚待完善等。（2）研发多功能清扫机目前的清扫机基本是单一清扫功能，不能进行拖地、洒水和清洗护栏等。若能开发一专多能的清扫机，则其功能会进一步拓展，也更为实用。（3）注重环保的多功能清扫机目前大多数机型，扬尘比较严重。随着国家对环境保护的要求越来越高，开发环保型清扫机非常必要。（4） 根据需要生产不同种类和配置的清扫机械清扫涉及各种不同等级的地面，它所需要的清扫机械也是不同的。如高档场所和对地面要求较高的地方要求清扫机械必须具备很低的噪音和良好的清洁效果，当然其相应采购和使用
9、成本较高。等级较低的其它普通走廊地面的清扫要求较低，相应生产和使用成本较低。根据不同等级地面需要配置不同种类的清扫机械，以便降低地面总成本的投入，因此开发和生产不同种类和配置的清扫机械是必要的。1.2.3 发现的问题和解决途径本课题要求是设计一种简单，经济实用的城市道路扫机，其关键问题就在于如何很好的实现清扫功能。尤其使传动系统、整体结构、工作装置的设计。由于清洁器是一种出现比较晚的机械产品，因此在其设计过程中，不可避免的出现了很多未解决得难点疑点，总结其难点如下：由于清扫机是一新兴产品，扫地功能的实现结构还不成熟，很难查到相关的资料。因此扫地功能的实现是设计工作的一个很大的难点。清扫机工作时
10、所产生的二次扬尘污染、漏垃圾、噪音大和产品可靠性等方面也较难解决的问题。清扫范围的大小不仅与清扫机的各部分的尺寸有关，并与它的总体设计构形式有关。机构太小工作效率就会降低，清扫范围也就变小满足不了要求，机构太大则设备就会太大从而增加转弯半径。使清扫机在城市路面中转弯困难。因此合理的选择机构的大小及机构布置极为重要且比较困难。为了更好的了解所作题目，查阅已有文献资料是十分重要的，由于城市手推清扫车的资料很少的。因此，在设计过程中，广泛的搜集资料，并借鉴了清洁机器人的一些数据资料对我的设计工作起了很大的帮助。通过阅读“清洁机器人概述”（哈尔滨工程大学机电学院李金山等著），“清洁机器人研究发展现状”
11、（哈尔滨工程大学机电学院李金山等著），“清洁机器人及其应用”（赵臣等著）等许多相关论文，触类旁通对清洁机器的设计有了一定的认识，在这些文献综述中，详细的介绍了清洁机器人的一般设计思路，如外形的设计，机器人的驱动方式如何，具体结构等等，都对我即将所作的设计提供了很大的帮助，此外，为了更好的设计清扫车的内部结构，在轴，齿轮等重要元件的设计过程中保证其结构的准确性，又对机械设计等专业课本进行了系统的复习，但是，由于清扫车出现时间晚，产品数量少，一些关键技术受专利所限，因此，很多关键技术是不会公布在资料之中的。所以，我参考用的资料并不能解决我在设计过程中所遇到的所有难点，有许多的问题是根据我自己的想法
12、来做的。因为我的这些想法并不成熟，没有太多的实践性，所以，在解决一些棘手问题时并不能够很好的解决。在今后的设计中，还需要通过实践，对其一步一步的进行改进。1.3 课题需要完成的任务1.3.1 设计主要内容本课题要求设计出的城市手推清扫车能完成普通清扫的功能。完成城市手推清扫车的方案设计，以及结构组成，并对城市手推清扫车结构进行受力计算，使其结构布局和受力更加合理。其主要设计内容为：（1）城市手推清扫车总体方案设计；（2）城市手推清扫车的结构设计；（3）绘制城市手推清扫车的装配图及零件图；（4）完成2 万字左右设计说明书。1.3.2 设计工作基本要求 结合设计题目，在老师的指导下广泛查阅文献，并
13、写出不少于3000 字的文献 根据参考文献和课题要求，提出自己拟定的可行性方案，并写出开题报告； 据课题要求，对城市手推清扫车进行受力计算，使其结构布局和受力更加合理；和老师充分研讨，列出论文编写大纲；翻译英文文献3000 单词左右；认真撰写论文，按时完成任务，准备答辩；总的要求就是毕业设计结束后，能够达到预定的目标。第2章 总体方案的设计2.1 设计主要技术要求驱动方式：汽油机或者电力驱动。汽油驱动型适合院落、停车场等户外清扫作业；电瓶驱动型因其噪音低，污染小，适合室内清扫作业。每小时清扫面积不低于1000 平方米。垃圾箱容量不低于30L。2.2 总体方案的确定由于工作的场合对环境要求较高因
14、动力装置都选为噪音低，污染小环保的电驱动。最初设计了许多的方案，最终综合考虑认为一下这种方案最为有可能实现我们的课题要求，方案：图 2.1 方案简图工作原理：推动清扫机前进，电机1 将运动传给带轮2 再有带传动传给带轮3 从而使同一根轴上的带轮7 和锥齿轮4、9 旋转。带轮7 将运动传给带轮8，带轮8 带动主刷13 作逆时针旋转，通过倾斜的导向刮板12 将垃圾送入垃圾箱内。同时锥齿轮4、9 带动锥齿轮5、10 转动，再有带传动将运动传给两侧刷11、14 使侧刷11 作顺时针转动，侧刷14 作逆时针转动，将两侧的垃圾扫到中间，传给主刷13 由主刷将垃圾扫入垃圾箱内。因此综合考虑将此方案作为最终设
15、计方案。第3章 动力装置的确定3.1 蓄电池的选择选用蓄电池型号清扫车所使用的蓄电池要求在使用过程中能够完全放电，不排放有害气体，不污染环境。由此针对此设计选用铅蓄电池，型号为：3DAW250有关性能为：标准电压为12V 其比能量达250w h/kg使用寿命为充放电1200 次 放电深度为75%外形尺寸为：长宽高=120mm70mm70mm重量约为：5kg此蓄电池外形图为： 图3.1 蓄电池此蓄电池的性能：（1）该电池为全密封阀控式（可维护）电动车专用蓄电池，具有全密封防泄露设计、安全可靠、自放电小、容量大、比能量高等优点。（2）污染少，噪声小。可减少排污97%，甚至可做到零排污（3）节约能源
16、，为普通蓄电池耗能的2/3（4）结构简单、控制方便，易于操作和维修（5）使用时间长，充电后每次可用15 小时（6）有足够的功率供清扫机达到每小时清扫面积不低于1000 平方米的要求。（7）使用寿命长，一般可充电700 次左右3. 2 电动机的选择（1）电动机类型和结构型式电动机类型和结构型式可以根据电源的种类、工作条件（温度、环境、空间尺寸）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择。在移动的设备中和蓄电池配套的较常使用的电机有直流电动机和步进电动机。直流电动机的优点：容易购得，型号多，功率大，接口简单，适合大型机器。直流电动机的缺点：太快需要齿轮减速器，电流通常较大，较难与车轮装配，
17、控制复杂。步进电动机的优点：精确的速度控制，型号多，适合室内机器人的速度，接口简单，便宜。步进电动机的缺点: 功率与自重比小，电流通常较大，体积大，较难与车轮装配，负载能力低，功率小，控制复杂，运动时产生震动。清扫机多在室内环境下工作，要求控制较简单，运行平稳，因此选择直流电动机。（2）直流齿轮减速电动机的选择齿轮减速电机有时叫做齿轮马达或减速电机。它们通常由转轴上带有减速器的直流电动机有刷电机组成。如果一个电机看上去明显由两个不同的部分连接而成，那么就可以认定它是齿轮减速电机。齿轮减速电机通常通过减小电机速度来增加旋转能力。因为直流电动机仍然从内部伸出两个相同的插头，所以齿轮减速电机与普通电
18、机一样使用方便。与最后一级齿轮相连的是一根转轴。这个新转轴的末端伸出减速器的顶部，便于轮子和其他元件与其相接。这个伸出减速器的新转轴代替了伸出电动机的老转轴。当查看电动机时，如果转轴没有从中心伸出，那么这个电动机可能是齿轮减速电动机。选择普通直流电动机所用的标准仍然适合用来选择齿轮减速直流电动机，即检查电压，尺寸，重量和RPM。在大转矩应用场合，常选用带有金属齿轮和金属减速器机架的行星轮减速器。塑料齿轮具有非常轻的质量，更适合低转矩，需要反应迅速的应用场合。本设计中选用金属齿轮的减速电机。（3）电机功率的计算电动机功率选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响，当功率小于工作要求的时候，电动
19、机不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期过载发热量大而过早损坏；功率过大则电动机价格高，能量充分利用，经常处于不满载运行，其效率和功率因数都降低，增加电能消耗造成很大浪费。电动机容量主要根据电动机运行的发热条件来决定。电动机的发热与其运行状态有关。对于长期连续运转，载荷不变或变化很小，常温下工作的机械，只要所选电动机的额定功率Pm 等于或大于所需电动机功率P0，即Pm=P0，电动机在工作时就不会过热，而不必校验发热和起动力矩。清扫机清扫材料选用尼龙材料。设计圆盘毛刷受力约为F=50N，转速为n=60r/min.滚筒清扫受力约为F=75N,转速为n=40r/min。圆盘毛刷转矩T= FR=5
20、00.15=7.5Nm所需功率P= =47W圆盘毛刷到锥齿轮间用带传动，传递效率90%。横放锥齿轮轴处的功率为： PIII= P/=4790%=52W齿轮间的传递效率为90%竖放齿轮处的功率 P= PIII/ =5290%=58W滚筒处轴的转矩 T=FR=750.25=18.75N此处的功率=78.5W滚筒到主动轴轴用带传动，传递效率为90%=P/ =78.590%=87.2W电机到轴之间用带传动，传递效率90%电机的输出功率=（2P+ P）/ =（258+87.2）90%=225.8W由于清扫机工作速度为60r/min 为较低转速故选用12V250W 齿轮减速电机，其输出转速为600r/mi
21、n。第4章 清扫机的结构设计4.1传动比的分配 电机到滚筒处轴之间的总传动比 i=15 分配各级传动比 设计有电机到主轴轴的传动比i=5； 由主轴轴到横放锥齿轮轴的传动比i=3。 电机到圆盘毛刷的总传动比=10 齿轮间的传动比为i=24.2 带轮的选择设计4.2.1轴带轮的设计计算 1）确定计算功率计算功率Pca 是根据传递功率P，并考虑到载荷性质和每天运行时间长短等因素影响而确定。= KP=1203.2=203.2W式中：P计算功率 K工况系数。查工况系数表得K=1 P所需传递的额定功率长2）计算传动比=5 选择Z型V带3）由机械设计手册表12-1-11，取小带轮基准直径为d=50mm4）大带轮直径 d=i d=550=250mm5）计算带速v v=1.57m/s6）初定中心距a 0.7（d+ d）a2（d） 210 a600取 a=300mm7）计算基准长度 Ld=2a+（d）+ =23.14+300+ =1096mm查机械设计手册表12-1-4，取基准长度Ld=1000mm8）实际中心距a aa 300+ 252 取a=250mm9）小带轮包角 =18057.3 =180 =135120 所以小带轮包角合理
