家居門窗清洗器的設計 第 1 頁 共 36 頁 家居門窗清洗器的設計 摘要 本課題設計研究了一種電動水旋式擦玻璃工具，它包括一個瓶體上設有回水管接口、瓶口設有噴水頭的噴水器 ；一個內設交流電動機、外接桿的清洗頭 ；一個其內穿有水管、電線并連接清洗頭、噴水器的桿。本玻璃清洗器在擦玻璃的過程中能把擦玻璃時用的水回收后再使用、并使擦后的玻璃無水跡印，且潔凈明亮，它結構簡單，擦洗效果好，輕便，操作，使用方便，成本低，使用范圍廣。 關鍵詞： 回水管接口，使用方便，使用范圍廣 家居門窗清洗器的設計 第 2 頁 共 36 頁 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 家居門窗清洗器的設計 第 3 頁 共 36 頁 1 緒論 1.1 前言家居門窗清洗器的設計 第 4 頁 共 36 頁 家居門窗清洗器的設計 第 5 頁 共 36 頁 家居門窗清洗器的設計 第 6 頁 共 36 頁 本設計產品涉及一種由交流微型電動機傳動盤刷，利用其旋轉擦拭清洗門窗玻璃的電動玻璃窗清洗裝置，尤其是一種設置有去污清潔劑壓射軟管、自來水導水管、噴嘴，握手柄可多節接長的交、直流電兩用的電動玻璃窗清洗裝置。適用于家庭、車輛、商場及公共場所不同面積不同高度的門窗玻 璃清洗 . 現行的門窗玻璃清洗方法，普遍為手工干擦或水洗 .對于高處的清洗面，或使用長桿雞毛革掃拂，或使用水管噴射，往往是灰塵飛揚、或濺水濕身，費時費力仍難以洗凈 ；至家居門窗清洗器的設計 第 7 頁 共 36 頁 于沾了油污的坡璃，則更難洗凈。對于多層樓房的外層窗玻璃清洗，爬窗臺、甚至探身窗外，則很不安全。 本產品設計的目的是要提供一種輕巧方便的單手就能操作的交，直流電兩用的電動玻璃窗清洗器，它既能干擦，又能水洗 ；在水洗沾油污的玻璃時，隨時可向清洗面控制注射去污清潔劑以及噴射沖洗水流，使之一次洗凈。手持其斜向握手柄，只要將手臂伸出窗外，就可安全清洗窗 戶外層玻璃 .握手柄經多節自由接長后，無須登高就可有效清洗高處玻璃 1.2 選題背景 1.2.1 題目來源 社會需求 1.2.2 研究的目的和意義 現在隨著生活水平的提高，不管是城市還是農村，大家的居住環境都大大提高。農村大多蓋著兩層的小洋樓，城市大量高層的居住小區也不斷涌現。人們生活環境在不斷提高的同時，一些生活上的問題也暴露出來。 門窗是房子的眼睛，現在人都喜歡給自己的房子選個漂亮的窗戶。獨特的架構、各種各樣的花式玻璃裝扮著房子，可是這些門窗的清潔卻給人們帶來些不大不小的困擾。現在對于門窗的清洗大多 是人工自己動手拿抹布擦洗，往往累人又臟人；而且碰到那些高層的住宅，那些暴露在外的門窗的清洗還伴隨著一些人身安全問題。 設計一個自動（半自動）的用來清洗家庭門窗的機器。既可以減輕人們的生活負擔，提高生活水平；還能解決那些高空作業者的安全問題 。 目前市售的擦窗器，大多采用在伸縮桿的前端設置塑料泡沫擦頭而構成。其存在的問題是清潔效率低，操作不方便，特別是用于高層建筑玻璃窗的室外清潔時，不方便操作的問題尤為突出。為解決其擦窗器清潔效率低、不適合高層建筑玻璃窗的室外清潔問題，提供了一種“電動擦窗器”，其采用可展開成 一定夾角的上、下支桿并配置裝配盤形清潔刷的電機，而構成一種便于在室內操作對玻璃窗外面進行擦拭的電動擦窗器，并且使玻璃清潔的效率大大提高。 本設計產品涉及一種由交流微型電動機傳動盤刷，利用其旋轉擦拭清洗門窗玻璃的電動玻璃窗清洗裝置，尤其是一種設置有去污清潔劑壓射軟管、自來水導水管、噴嘴，握手柄可多節接長的電動玻璃窗清洗裝置。適用于家庭、車輛、商場及公共場所不同面積不同高度的門窗玻璃清洗 . 現行的門窗玻璃清洗方法，普遍為手工干擦或水洗 .劉于高處的清洗面，或使用長桿家居門窗清洗器的設計 第 8 頁 共 36 頁 雞毛革掃拂，或使用水管噴射，往往是灰塵飛揚、或濺 水濕身，費時費力仍難以洗凈 ；至于沾了油污的坡璃，則更難洗凈。對于多層樓房的外層窗玻璃清洗，爬窗臺、甚至探身窗外，則很不安全。 本設計產品的目的是要提供一種輕巧方便的單手就能操作的電動玻璃窗清洗器，它既能干擦，又能水洗 ；在水洗沽油污玻璃時，隨時可向清洗面控制注射去污清潔荊以及噴射沖洗水流，使之一次洗凈。手持其斜向握手柄，只要將手臂伸出窗外，就可安全清洗窗戶外層玻璃 .握手柄經多節自由接長后，無須登高就可有效清洗高處玻璃。 隨著社會的不斷發展，科技日新月異人們生活水平越來越高，一些曾經只是用在特殊場合或服務于高端 的科技技術業逐漸走進平常生活，服務于人們的日常生活，代替人們勞動。 “ 機器人是傳統的機構學與現代電子自動化技術相結合的產物 ,是計算機科學、控制論、機械學、電子技術等多學科綜合性的高科技產物 , 是典型的機電一體化產品。它是一種仿人操作 ,可使用于各種復雜環境。機器人技術的出現和發展 ,不但可以部分取代人完成各種惡劣環境下的工作 ,而且將對人類社會產生深遠的影響。 壁面清洗機器人是極限作業機器人的一個分支 ,其目的是代替人類 ,在核工業、石化企業、建筑行業、消防部門、造船等領域中的危險狀態下作業 ,具有極其廣泛的用途和很高的 使用價值。自從二十世紀六十年代出現以來 ,受到人們的廣泛關注。本文所研究的壁面清洗機器人是用于對光滑的建筑壁面進行清洗的爬行機器人 ,具有一定實用價值和應用前景。 ” 壁面清洗機器人的運動控制系統設計 閆軍濤，重慶大學。 國內外關于門窗壁面清洗器的設計成果已經有了很多，但很多都還只處于試驗階段，真正成功開發成產品的很少。現在列舉一些國內有關這類清洗器申請的專利： 電動玻璃窗清洗器 季照根，專利號 CN86203031， 1987； 門窗玻璃擦洗機 畢嗣東 ,中國專利 :CN2505017,2002-08-14； 手柄式玻璃窗擦洗機 劉蘭天 . 中國專利 :CN2205176,1995-08-16； 玻 璃 兩 面 噴 水 擦 洗 器 沈永革 . 中 國 專利 :CN2560298,2003-07-16. 像這些不管是全自動的爬墻式清洗機器人還是半自動的窗玻璃清洗器國內外的專利已經很多 . 現在主要的研究集中在清洗器的清洗頭上 ,也就是直接接觸玻璃的部分 . “ 噴頭是高壓水射流的執行元件 ,噴頭的研究開發一直是水射流研究的一項重點 。近年來 ,隨著高壓水射流清洗技術應用的廣度、深度的不斷提高 ,高壓水射流技術出現了快速發展的勢頭。旋轉噴頭以其清洗效率高 ,清洗效果好等特點在開發與應用中也日益受到人們的重視 ,取得了很大的成就。 ” 高壓水射流清洗技術中的旋轉噴頭 王正欽 ； 管華 ； 劉庭成 ； 北京科技大學機械工程學院 ； 清洗世界 , Cleaning World, 編輯部郵箱 2007 年 01 期 1.2.3 指導思想及技術路線 家居門窗清洗器的設計 第 9 頁 共 36 頁 本課題設計研究的指導思想就是為了解決日常生活中人們家居門窗的清洗工作，目前門窗的清洗大多采用人工手動使用抹布或塑料泡沫擦洗，其存在的問題就是清洗工作很不方便，往往灰塵飛揚或濺水濕身，費時費力仍難以洗凈；對于多層樓房的外層玻璃清洗，爬窗臺、甚至探身窗外，則很不安全。 實現本課題設計目的的具體技術方案是 :電動水旋式擦玻璃工具包括 :一 個瓶體上設有回水管接口、瓶口設有噴水頭的噴水器 ；一個內設交流電動機、外接桿的清洗頭 ；一個其內穿有水管、電線并連接清洗頭、噴水器的桿 ；噴水器瓶體上回水管接口處內設一過濾筒，在過濾筒底部設有粗濾網，瓶體內吸管底部設有細濾網，瓶口上的噴水頭接噴水管 ；清洗頭由交流電動機、主動齒輪、從動齒輪及外殼組成，交流電動機裝在電機固定殼內，主動齒輪設在電動機輸出軸上，主、從動齒輪嚙合，外殼上設有噴水管接口、回水管接口 ；從動齒輪上各均勻分布三個葉片，葉片與從動齒輪平面夾角小于 45 ；桿上設有手柄，與清洗頭端通過球形連接頭連接 ；手 柄上表面設有電源開關，內部裝有電池。 本玻璃清洗器結構簡單，擦洗效果好、輕便，操作使用方便，成本低，適合廣泛使用。 2 整體方案確定 圖 1 為本清洗器結構示意圖 圖 2 為本清洗器中清洗頭的正視圖 圖 3 為圖 2 的俯視剖面圖 圖 4 為圖 2 的后視圖 家居門窗清洗器的設計 第 10 頁 共 36 頁 圖中 :1 一噴水器 2 一回水管 3, 8 一噴水管 4一噴水頭 5-桿 6一清洗頭 7一球形連接 9一水囊 10 一電源開關 11 一手柄 12 一過濾筒 13 一粗濾網 14細濾網 15 一清洗頭外殼16-回水管接口 17 一從動齒輪 18 一葉片 19 一主動齒輪 20-.噴水管接口 21 一電動機 22一電動機 固定殼 23 一橡膠墊圈 24 一球形連接座 25 一從動齒輪軸孔。 家居門窗清洗器的設計 第 11 頁 共 36 頁 家居門窗清洗器的設計 第 12 頁 共 36 頁 參閱圖 2, 3, 4，本實用新型中的清洗頭 6 由交流電動機 21、主動齒輪 19、從動齒輪17 及外殼 15 組成，交流電動機 21 裝在電機固定殼 22 內，主動齒輪 19 設在電動機輸出軸上，主動齒輪 19 與從動齒輪 17 嚙合，外殼 15 上設有噴水管接口 20、回水管接口 16，從動齒輪 17 上各均勻分布三個葉片 18，葉片 18 與從動齒輪 17 平面夾角小于 45。 參閱圖 1，噴水器 1 的瓶體上設有回水管接口， 在接口內有一過濾筒 12,過濾筒 12 底部設有粗濾網 13，瓶中吸管底部設有細濾網 14，瓶口上的噴水頭 4 的噴嘴上接有噴水管3，桿 5 上設有手柄 11，與清洗頭 6 端通過球形連接 7 連接，此處只要保證清洗頭 6 有三個自由度的連接都可以 ；手柄 11 上表面設有電源開關 10，內部裝有電池，噴水管 8 與噴水管接口 20 相接，帶有水囊 9 的回水管與回水管接口 16 相接。擦玻璃時，噴水器 1 的瓶中裝入干凈水，右手握住手柄 11，左手拿著噴水器 1，打開電源開關 10，交流電動機21 轉動，主動齒輪 19 與從動齒輪 17 嚙合驅動葉片 18 旋轉，球形連接 7 可使從動齒 輪17 與玻璃保持平行，因葉片 18 作高速旋轉，葉片 18 下空氣為負壓，吸引從動齒輪 17家居門窗清洗器的設計 第 13 頁 共 36 頁 向玻璃靠近，葉片 18 緊貼玻璃，并能自動調節葉片 18 與玻璃的摩擦力，使葉片 18 始終保持高速旋轉，刮走玻璃上的浮塵和污物，在葉片 18 旋轉的同時，左手捏噴水頭 4，干凈水經噴水管 3, 8、噴水管接口 20 從外殼巧上的三個從動齒輪軸孔 25 以霧狀噴向玻璃，以軟化和溶解不易刮走的污物，污水隨葉片 18 轉動，在離心力作用下，甩向外殼 15，沿外殼 15 流下，匯集在水囊 9 中，由于噴水器 1 的水瓶中空氣為負壓，吸引污水經回水管2、過濾筒 12 回到瓶體中，經過 濾筒 12 底部的粗濾網 13 及吸管底部的細濾網 14 過濾后的水又可從噴水頭 4 噴出循環使用，清洗頭 6 走過的地方無水跡印，且污水回收徹底，玻璃潔凈明亮。 3 清洗頭的設計 家居門窗清洗器的設計 第 14 頁 共 36 頁 3.1 噴頭噴嘴的設計 3.1.1 噴嘴的理論研究 噴嘴是利用噴咀出流的高速射流，吸引并帶動另一種介質運動的裝置。高速射流叫做噴射流體，另一種介質叫輸送介質。噴射流可以是水、空氣或蒸汽，輸送介質可以是氣體、液體或固體。在氣力輸送中，噴射流體一般是空氣，輸送介質為粉狀物料或與空氣的混合物。本專題研究中，空氣是噴射流體 ，灑料等 (固液兩相混合物 )為輸送介質。 圖 4-1 自噴嘴出口 斷面起，至噴射流體（圖中虛線所示）與噴嘴壁相交的 b-b家居門窗清洗器的設計 第 15 頁 共 36 頁 截面止，長度為 Le 的一段為進口段，在進口段內，壓力維持不變，噴射流體射流將要輸送的流體吸進來。斷面 b-b 至斷面 間長為 Lm 的一段，稱為混合段。斷面 至斷面 間長為 L 的一段，是擴流段。 3.1.2 噴嘴的擴流段 擴流段是用來將流體流動的部分動壓轉換為靜壓的部件，擴流段的擴流角 、斷面比 S 對壓力恢復系數有決定性的影響。擴 流角太小，則擴流管段很長，摩擦阻力大。擴流角太大，則局部阻力損失增大。 根據經驗，擴流角一般取 5-8。在擴流角超過 14后，在擴流段內的流動已不能將全部斷面均勻充滿，因此，沿擴流段壁面將會形成更強的旋渦，出現回流區，使壓力恢復系數急劇降低。 在計算噴嘴時，可取 =0.8，擴流段長度 L 按右式計算：432 2PPLtg 3.1.3 噴嘴的噴咀 噴嘴的噴咀的出口直徑根據流量 Q 和出口速度 1U 確定，即 111 4 1 . 1 3QQD uu 噴嘴進口段及混合段進口段長度 L。根據排氣要求確定。 混合段一般作成圓筒形，前部還有一收縮段。混合段及進口段的內徑，是按最小阻力，在取定流速 u3 之后，再根據流量來計算。一般地說， u3 增大使之與 u1 的速度差減小，混合損失可以減小。但 D3 太小會使局部阻力增大。根據分析 , u3 的最佳值與 u1 的關系為 : 1231 2121 . 4 (1 ) ( )1 . 2quuqqq 由此可求出 A3 和 D3： 3333334GAuAD 混 合段的長度要保證到 III-III 斷面時混合完成，一般取35mLD 根據分析，進口段所輸送氣流速度2u的最佳值與3u的關系為： 家居門窗清洗器的設計 第 16 頁 共 36 頁 12231 . 2 ( )quuq 由此可求得進口段所輸送氣體的通流面積為： 2222GA u 3.1.4 噴灑配氣 參數的分析 選定噴嘴后，要想獲得理想的噴灑效果，選擇合適的配氣參數是（即空氣流量，空氣壓力）是至關重要的。在噴灑中，空壓機空氣流量 Q、空氣壓力 P 必須匹配選取，他們決定了噴嘴最后出口速度的大小。實驗指出，在噴灑過程中，要保證噴嘴速度pu為80100m/s 的高速，才能達到良好的噴灑效果。 圖 4-2 參照圖 4-2 記混合室面積為hS。噴嘴出口面積為pS，介質流量1Q，混合室壓力為hP，混合室氣體流量為0Q，大氣壓力為0P，氣體沿管道壓力損失為 P 。忽略泄漏、及至壓縮、介質密實度、溫度變化等微小因素，建立基本數學模型如下。 以氣體為對象，在混合室及噴嘴處，根 據氣體運動方程，有： 00hhP Q PQ 即0 0hhPQQ P 根據連續性方程，噴嘴出口速度為： 01ppQQUS 家居門窗清洗器的設計 第 17 頁 共 36 頁 故0 1()h p phPP U S QQ 故空壓機壓力為 0 1()h p phPP P P U S Q PQ 所需空氣流量為： h h h hhP Q P QQ P P P 在噴灑設備中，一般需要安裝減壓閥等裝置，以便凋整使之滿足上訴關系式 對于空氣壓力的 調定，需要綜含考慮以下幾點問題： 空氣壓力不能太大，否則將使工作主泵（螺桿泵）的負載過大 空氣壓力不能太小，否則需耍選擇過大排量的空壓機 對空氣流量的確定，還需考慮懸浮速度。無論是何種形式的噴嘴，只有當介質被壓縮空氣吹動處于懸浮狀態形成濃密氣流時，介質才能在噴嘴中霧化噴射而出。霧化效果直接影響噴灑的均勻程度和附著效果。要使噴嘴正常工作，在混合室內，必須有足夠的氣流速度，該速度即懸浮速度，也稱為沉降速度。 參照圖 4-3，直徑為sd的球形顆粒 (當物料 顆粒不是圓形時，可用當量直徑表示，其值為sd=1.24 V ，其中 V 表物料顆粒體積 )在氣流中受到重力sw，空 氣 浮力 w、運動阻力xf,，達到力平衡狀態時，粒子處于懸浮狀態。即： 3 ()Ssdw w r rb 21221242s s sssf C A ugC d ug 式中：s，粒子及空氣重度 圖 4-3 g重力加速度 sC 粒子以速度在流體中運動時的阻力系數。 家居門窗清洗器的設計 第 18 頁 共 36 頁 sA粒子在沉降方向的投影面積。 3.1.4.1 噴嘴的噴咀直 徑 噴嘴的噴咀出口直徑根據流量 Q、和出口度速 4U 確定 : 1144QDu 式中，噴射流體 1Q =0.07 3 /m min 出口速度 4u =80m/s 1D 4.3mm 取噴嘴直徑 1D 5mm 3.1.4.2 噴嘴的混合段 混合段為圓筒形，前部還有一收縮段根據上述分析，混合段流速 3u 與 1u 的關系為 : 1231 2121 . 4 (1 ) ( )1 . 2YQYuuY QQQY 1 2 22 1 1G Y QQ G Y Q 式中 1Y 空氣密度 1.2kg/ 3m 2Y 清洗液密度 1700kg/ 3m 1Q 空氣流量 0.07 3m /min 2Q 清洗液流量 0.043 3m /min 噴射系數 Q=870 代入上式： 310.72uu 家居門窗清洗器的設計 第 19 頁 共 36 頁 21 1Qu A 清洗液入口直徑取 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 混合段直徑 33 4 2 0 . 8AD 取 3D =21mm 混合段長度應保證混合完成，一般取 35mLD mL =105mm 3.1.4.3 噴嘴進氣 根據分析，噴嘴進口所輸送氣流速度 2u 的最佳值與 3u 的關系為 : 23211 . 4 4 /1 . 2 ( )Qu u m sYQY 進口段所輸送氣體的通流面積為 : 4322224 . 9 7 1 0GAmYu 3.1.4.4 噴嘴的口徑 噴頭的噴嘴的出口直徑根據流量和出口速度 1u 確定 家居門窗清洗器的設計 第 20 頁 共 36 頁 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，此時涂料自料口噴出后的速度必將大于 80m/s 所以此時 自 氣出的氣體只 需要將涂料打散即將涂料霧化即可。 3.2 清洗頭擦盤的設計 本清洗器清洗頭主要結構有 3 塊擦盤以品字行結構排列。每塊擦盤上有 3 只 擦片，擦片與擦盤見夾角不大于 45，擦片材料可以根據所需清洗環境隨時更換 .擦盤由齒輪傳動，清洗頭正中的主動齒輪裝于電動機的輸出軸上 .通過電動機的旋轉帶動，傳動給周邊的 3 個從動齒輪從而實現擦盤的清洗工作 . 3.2.1 齒輪傳動 3.2.1.1 齒輪傳動機構的特點： （ 1） 齒輪機構是現代機械中應用最廣泛的傳動機構，用于傳遞空間任意兩軸或多軸之間的運動和動力。 （ 2） 齒輪傳動主要優 點：傳動效率高，結構緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準確。 （ 3） 齒輪機構主要缺點：制造及安裝精度要求高，價格較貴，不宜用于兩軸間距離較大的場合。 3.2.1.2 齒輪傳動機構的分類 按軸的相對位置 平行軸齒輪傳動機構 相交軸齒輪傳動機構、交錯軸齒輪傳動機構 按齒線相對齒輪體母線相對位置 直齒、斜齒、人字齒、曲線齒 按齒廓曲線 漸開線齒、擺線齒、圓弧齒 按齒輪傳動機構的工作條件 閉式傳動、開式傳動、半開式傳動 按齒面硬度 軟齒面（ 350HB）、硬齒面（ 350HB） 說明： 平行軸齒 輪傳動機構又稱為平面齒輪傳動機構 . 家居門窗清洗器的設計 第 21 頁 共 36 頁 相交軸齒輪傳動機構和交錯軸齒輪傳動機構統稱為空間齒輪傳動機構 . 閉式傳動的齒輪封閉在箱體內，潤滑良好；開式傳動的齒輪是完全外露的，不能保證良好潤滑；半開式傳動的齒輪浸在油池內，裝有防護罩，不封閉。 3.2.1.3 傳動的基本要求： 在齒輪傳動機構的研究、設計和生產中，一般要滿足以下兩個基本要求： （ 1） 傳動平穩 -在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動及噪音盡量小。 （ 2） 承載能力大 -在尺寸小、重量輕的前提下，要求輪齒的強度高、耐磨性好及壽命長 根據本設計 要求，選用直齒圓柱齒輪進行傳動，下面對齒輪傳動進行設計及校核。 按齒面接觸強度設計 試算 : 213112 . 3 2 t Etd HKT Zudu 1）確定公式內各計算數值 （ 1）試選載荷系數tK 1.3； （ 2）計算小齒輪傳遞轉矩 : 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 選取齒寬系數d=0.9； （ 4）由表 6 查材料彈 性影響系數EZ=189.8 MPa ； （ 5）由圖 4e 按齒面硬度中間值 52HRC 查大、小齒輪接觸疲勞強度極限l i m 1 l i m 2 170HH M P a； （ 6）計算應力循環次數 家居門窗清洗器的設計 第 22 頁 共 36 頁 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）由圖 2 查接觸疲勞壽命系數120 . 8 8 ； 0 . 9 0 ；H N H NKK （ 8）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1，安全系數 S 1， 1 l i m 11 H N HH K S 2 l i m 22 H N HH K S 2）計算 （ 1）試算小齒輪分度圓直徑1td，代入 H中較小值 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）計算圓周速度 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）計算齒寬 b 1 0 . 9 6 8 . 3 9 6 1 . 5 5dtb d m m （ 4）計算齒寬與齒高之比 b/h 模數11 6 8 . 3 9 2 4 2 . 8 5ttm d z m m 齒高 2 . 2 5 2 . 2 5 2 . 8 5 6 . 4 1 3th m m m 家居門窗清洗器的設計 第 23 頁 共 36 頁 b/h=61.55/6.413=9.6 （ 5）計算載荷系數 v 3.44m/s， 7 級精度，由圖 5 查動載系數vK 1.12； AtK F b100N/mm，由表 3 查齒間載荷分配系數HFKK=1.1； 由表 1 查使用系數AK 1； 由表 4 查接觸強度計算用齒向載荷分布系數HK 1.43；（由表中 6 級精度硬齒面齒輪查，適當加大） 由圖查彎曲疲勞強度計算用齒向載荷分布系數FK 1.37；（由 b/h 9.6，HK 1.43） 故載荷系數 KA v HK K K K=11.121.11.43 1.72 （ 6）按實際載荷系數校正所分度圓直徑， 3311 6 8 . 3 9 1 . 7 2 1 . 3 7 5 . 0 8ttd d K K m m （ 7）計算模數 m 11m d / z 7 5 . 0 8 / 2 4 3 . 1 2 8 m m 按齒根彎曲強度設計 彎 曲強度設計公式為 13 212 F a S ad FYSKTm m mz 家居門窗清洗器的設計 第 24 頁 共 36 頁 1）確定公式內各計算數值 （ 1）由圖 3d 查大、小齒輪彎曲疲勞強度極限F E 1 F E 2 6 8 0 M P a ； （ 2）由圖 2 查彎曲疲勞壽命系數1 0 . 8 8 ； 0 . 9 ；F N F NKK （ 3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數 S 1.4， 1112224 2 7 . 44 3 7 . 1 4F N F EFF N F EFK M P aSK M P aS （ 4）計算載荷系數 K KA v HK K K K=11.121.11.37 1.69 （ 5）查取齒形系數 由表 5 查齒形系數F a 1 F aY 2 . 6 5 Y 2 2 . 2 2 6； （ 6）查取應力校正系數 由表 5 查應力校正系數S a S aY 1 1 . 5 8 Y 2 1 . 7 6 4；。 （ 7）計算大小齒輪 Fa SaFYY并加以比較 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 家居門窗清洗器的設計 第 25 頁 共 36 頁 小齒輪數值大。 2） 設計計算 53 22 1 . 6 9 3 . 9 8 1 0 0 . 0 0 9 8 2 . 9 40 . 9 2 4m m m 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算模數 m略大于由齒根疲勞強度計算模數，齒輪模數 m大小主要取決于彎曲強度所決定承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數乘積）有關，可取由彎曲強度算模數 2.94，并按表12 ，就近圓整為標準值 m 3mm ，按接觸強度算分度圓直徑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 幾何尺寸計算 1）計算分度圓直徑 11d z m 2 5 3 7 5 m m 22d z m 8 0 3 2 4 0 m m 2）計算中心距 12a d d / 2 7 5 2 4 0 / 2 1 5 7 . 5 m m （ ） （ ） 3）計算齒輪寬度 d1b d 0 . 9 7 5 6 7 . 5 m m 圓整，取21B 6 8 m m B 7 3 m m ， 。 家居門窗清洗器的設計 第 26 頁 共 36 頁 驗算 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 合適 3.3 電動機的選用 根據本清洗器的設計要求，此電動機裝在清洗頭中，主要用來驅動齒輪傳動帶動擦盤旋轉達到擦洗門窗的目的。所以其體積不應過大，質量必須得輕。 擬采用 Y801型電動機，該電機通過改進應該能符合本清洗器的所需工作要求。 查機械設計實用手冊表 10-4-1，它的主要性能參數如下表： 電動機型號 額定功率kw 滿載 轉速 r/min 電流 A 效率 功率因數cos Y801- 0.55 1390 1.51 73 0.76 起動電流 /額定電流 起動轉矩 /額定轉矩 最大轉矩 /額定轉矩 重量 kg 6.5 2.2 2.2 17 家居門窗清洗器的設計 第 27 頁 共 36 頁 4 電動機主軸的設計 作回轉運動的零件都要裝在軸上來實現其回轉運動，大多數軸還起著傳遞轉矩的作用。軸要用滑動軸承或滾動軸承來支撐。常見的軸有直軸和曲軸，曲軸主要用于往復運動的機械中。本清洗器的設計用的是直軸。 4.1 軸的分類 根據軸的承載情況 可分為轉軸、心軸和傳動軸三類。只承受彎矩，不承受轉矩的軸稱為“心軸”；只承受轉矩，不承受彎矩的軸稱為“傳動軸”；同時承受彎矩和轉矩的軸稱為“轉軸”。 4.2 軸的材料 軸的常用材料主要有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼價廉、對應力集中敏感性比合金鋼低，應用較為廣泛。對重要或承載較大的軸，宜選用 35、 40、 45 和 50 等優質碳素鋼，其中以 45 鋼最為常用，為了提高其機械性能，應進行正火或調質處理。對不重要或受力較小的軸，可采用 Q235、 Q255 或 Q275 等普通碳素鋼制造。 合金鋼具有較高的機械性能和良好的熱處理性能 ，但價格較貴且對應力集中比較敏感，多用于有特殊要求的軸。常用的合金鋼有 20Cr、 20CrMnTi、 38CrMoAl、 40Cr 和 40MnB等。對于要求局部表面有較高耐磨性的軸，如與滑動軸承配合的高速軸，可采用低碳合金鋼經滲碳淬火來提高軸頸的硬度。進行表面熱處理和表面強化處理，對提高軸的疲勞強度有顯著的效果。 必須指出的是：合金元素和熱處理對鋼的彈性模量影響甚微，因此用合金鋼代替碳素鋼或通過熱處理來提高軸的剛度，并無實效。此外，合金鋼對應力集中敏感性較高，因此，設計合金鋼軸時，更應注意從結構上設法減少應力集中源 和降低應力集中的程度，并合理地提高其表面質量。 軸的毛坯一般采用圓鋼或鍛件。直徑相差不大的階梯軸或光軸，可選用熱軋圓鋼車削而成。對尺寸較大或直徑相差較大的階梯軸，為節省材料和改善機械性能，以采用鍛件毛坯為宜。 對形狀復雜的軸，如曲軸、凸輪軸等可采用球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有價廉、吸振性家居門窗清洗器的設計 第 28 頁 共 36 頁 好、耐磨性高、應力集中敏感性低等優點，但強度低，鑄件質量不易控制。 軸設計的主要問題和一般步驟 4.2.1 軸設計的主要問題 具有合理的結構和足夠的承載能力是軸設計時必須解決的兩個主要問題。 4.2.2 軸設計的一般步驟 確 定許用應力；估算最小直徑、軸的結構設計；軸的強度校核計算。 4.3 軸的結構設計 軸結構設計應遵循的一般原則：（ 1）軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；（ 2）軸上零件應便于拆卸和調整；（ 3）軸應具有良好的加工工藝性；（ 4）盡量減小應力集中；（ 5）受力合理，有利于節約材料，減輕軸的重量。 軸上零件的定位和固定 4.3.1 軸上零件的軸向定位和固定 軸上零件的軸向定位和固定以軸肩、軸環、套筒、鎖緊擋圈、圓螺母、彈性擋圈、軸端擋圈、軸承端蓋及圓錐面等來實現。 4.3.2 軸上零件的周向定位和固定 為 使零件和軸一起轉動并可靠地傳遞運動和動力，周向固定可以用普通平鍵或花鍵聯接。當要求對中性好，在振動條件下工作時，可用軸孔間的過盈配合；也可兩者同時采用。在載荷很小時，也可以采用緊定螺釘或銷釘。 4.3.2.1 各段軸徑和長度的確定 軸徑的確定原則 確定各段直徑時應遵循如下原則： 1）有配合要求的軸段應取標準直徑。 2）安裝標準零、部件處的軸段，其直徑必須符合相應的標準尺寸系列。 3）用作定位和固定的軸肩或軸環，其高度應滿足要求；非定位軸肩的高度一樣取 a1 2mm。 4）應當有利于軸上零件的裝拆。 長度的確定 軸的各段長度主要根據軸上零件的軸向尺寸及軸系結構的總體布置來確定。 家居門窗清洗器的設計 第 29 頁 共 36 頁 4.4 軸的強度計算 4.4.1 按扭轉強度計算 33 5TPdAn 式中 d 軸的直徑， mm ； T 軸傳遞的轉矩， N mm ， 69 .5 5 1 0 PTn； P 軸傳遞的額定功率， kW ； 軸材料的許用切應力， MPa ，見機械設計實用手冊表 4-1-8 n軸的轉速 ， minr ； A 系數，見表 4-1-8。 按彎扭合成強度計算 12 23 2 24 40 . 1 0 . 2aFMT Nd d d 式中 d 軸的直徑， mm ； 軸在計算截面上的工作應力， MPa ； M 軸在計算截面上的合成彎矩， N mm ； T 軸在計算截面上的合成彎矩， N mm ； aF軸在計算截面上的軸向載荷， N ； 1許用彎曲應力， MPa ，見表 4-1-2，對于固定心軸：當載荷平穩時，將1改寫為1；當載荷變化時改寫成 0； 0、1見表 4-1-2； 、 根據切應力或軸向應力變化性質而定的校正系數， 切應力或軸向應力按對稱變化時 =1， =1 切應力或軸向應力按脈動循環變化時， 1 0 0 . 6 , 0 . 6 切應力或軸向應力不變時， 1 1 0 . 3 , 0 . 3 ； 家居門窗清洗器的設計 第 30 頁 共 36 頁 4.5 軸的強度校核 4.5.1 疲勞強度安全系數校核 1 22 34 TSSMTKKWW 式中 1材料的彎曲疲勞極限， MPa ，見表 4-1-2； M 、 T 軸危險截面上的彎矩和轉矩 ， N mm ； W 、TW軸危險截面上的抗彎和看扭截面模數， 3mm ；見表 4-1-12； 、彎曲和扭轉時的平均應力折合為應力幅的等效參數。 4.5.2 靜強度安全系數校核 危險截面安全系數校核公式： 22m a x m a x m a x3SSSaTM F TW A W 式中 S靜強度的許用安全系數，見表 4-1-23； S材料的屈服極限， MPa ，見表 4-1-2； maxM、maxT軸危險截面上的最大彎矩和最大扭矩， N mm ； maxaF作用在軸上的最大軸向載荷， N ； W 、TW軸危險截面的抗彎和抗扭截面模數， 3mm ，見表 4-1-12； A 軸危險截面的面積， 2mm 。 家居門窗清洗器的設計 第 31 頁 共 36 頁 4.6 軸的剛度校核 4.6.1 軸的扭轉剛度校核 軸的扭轉剛度用每迷軸長的扭轉角 來度量。計算公式見表 每米軸長的扭轉角計算公式 實心軸 空心軸 光軸 47350Td 4407350 Tdd 階梯軸 47350 iiiTlld 4407350 iiiiTll dd 式中 T 軸所傳遞的轉矩， Nm ； l軸受轉矩作用的長度， mm ； d 軸的外經， mm ； 0d空心軸的內 徑， mm ； iT第 i 段軸所受的轉矩， Nm ； il、id、0id第 i 段軸長度、直徑、和空心軸 內徑， mm ； 許用扭轉角。 4.6.2 軸的彎曲剛度校核 軸的彎曲剛度用撓度 y 及偏轉角 來度量。對于一般機械，軸的許用撓度 y 和許用偏轉角 見表機械設計實用手冊表 4-1-25。 光軸的撓度和偏角的計算公式見表 4-1-26。對于階梯軸，如果對計算精度要求不高時，可用當量直徑為vd的光軸近似計算： iividld l 式中 il、id階梯軸第 i 段的長度和直徑， mm 。 家居門窗清洗器的設計 第 32 頁 共 36 頁 5 清洗器手柄的設計 5.1 手柄與清洗頭的連接 本清洗器清洗頭與手柄采用球形連接。采用這種球形連接可以讓清洗頭獲得 3 個自由度，在清洗工作過程中清洗頭可以隨時保持與清洗面平行，緊貼要清洗的門窗。大大提高工作效率，同時也可以讓操作者工作更加輕松，不必呆板的站著保持一個姿勢。因為球形連接的緣故，即使操作手握清洗器手柄隨便走動改變手握姿勢和角度都不會影響到清洗頭擦盤的工作。得益于球形連接的特性，使本清洗器得以最大限度的達到方便于人的宗旨。 5.2 手柄支撐桿 根據實際觀察及設計任務書給的原 始數據，室內門窗高度一般在 1.5 2.0m。采用直徑為 50mm，長度為 800mm 的支撐桿。桿與清洗頭采用球形連接，內部設計成中空的。中空部分有壓射水管及電動機導線穿過，在輕便的前提下還必須滿足足夠的強度，所以建議采用合金鋼制造。支撐桿下端手柄設有電氣開關，控制清洗頭工作的運轉。 5.3 清洗液軟管 軟管上端與清洗頭噴嘴連接，噴水管 8 與噴水管接口 20 相接，帶有水囊 9 的回水管與回水管接口 16 相接。擦玻璃時，噴水器 1 的瓶中裝入干凈水，右手握住手柄 11，左手拿著噴水器 1，打開電源開關 10，直流電動機 21 轉動，主動齒輪 19 與從動齒輪 17 嚙合驅動葉片 18 旋轉，球形連接 7 可使從動齒輪 17 與玻璃保持平行，因葉片 18 作高速旋轉，葉片 18 下空氣為負壓，吸引從動齒輪 17 向玻璃靠近，葉片 18 緊貼玻璃，并能自動調節葉片 18 與玻璃的摩擦力，使葉片 18 始終保持高速旋轉，刮走玻璃上的浮塵和污物，在葉片 18 旋轉的同時，左手捏噴水頭 4，干凈水經噴水管 3, 8、噴水管接口 20 從外殼巧上的三個從動齒輪軸孔 25 以霧狀噴向玻璃，以軟化和溶解不易刮走的污物，污水隨葉片 18轉動，在離心力作用下，甩向外殼 15，沿外殼 15 流下，匯集在水囊 9 中，由于 噴水器 1的水瓶中空氣為負壓，吸引污水經回水管 2、過濾筒 12 回到瓶體中，經過濾筒 12 底部的粗濾網 13 及吸管底部的細濾網 14 過濾后的水又可從噴水頭 4 噴出循環使用，清洗頭 6走過的地方無水跡印，且污水回收徹底。 家居門窗清洗器的設計 第 33 頁 共 36 頁 6 噴水器的選用 本設計清洗器主要是方便家居門窗的清洗，綜合考慮成本、操作的輕便。 本清洗器的噴水裝置選用如圖的噴水壺。 家居門窗清洗器的設計 第 34 頁 共 36 頁 7