本科生毕业设计创作报告
题目：手持式无绳吸尘器设计
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原创性声明
兹呈交的学位论文（设计），是本人在导师指导下独立完成的研究成果。除文中已经明确标明引用或参考的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。
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日期：年月日
Scavenger——手持式无绳吸尘器设计
【摘要】本文基于对吸尘器的概念、工作原理、功能特性等方面的调研，介绍了研究手持式无绳吸尘器的目的与意义。根据特定的使用人群和使用场景，建立相应的用户模型，研究女性用户的心理、生理特点及不同的使用场景对吸尘器设计的影响。通过对国内外吸尘器市场现状的深入研究，了解用户对吸尘器的需求，并考虑未来吸尘器外观、功能、技术等方面的发展趋势。从适用性出发，以提高人们生活水平、工作质量为目的，设计这一款多功能手持式无绳吸尘器。
【关键词】吸尘器多功能手持式电池更换
Scavenger——
Design of Handheld Cordless Vacuum Cleaner
[Abstrac]Based on the research on the concept, working principle and function of vacuum cleaner, this paper introduces the purpose and significance of studying hand-held cordless vacuum cleaner. According to the specific use of the crowd and the use of the scene, the establishment of the corresponding user model to study the psychological and physiological characteristics of female users and the use of different scenes on the impact of vacuum cleaner design. Through the in-depth study of the status quo of vacuum cleaner market at home and abroad, to understand the needs of users of vacuum cleaners, and consider the future vacuum cleaner appearance, function, technology and other aspects of the development trend. From the applicability, to improve people's living standards, the quality of work for the purpose of the design of a multi-purpose handheld cordless vacuum cleaner.
[Keyword]Vacuum cleaner, Multifunction, Handheld, Battery replacement
目录
第一章课题来源 (1)
1.1研究背景 (1)
1.1.1吸尘器的概念及工作原理 (1)
1.1.2 吸尘器的发展历史 (1)
1.2研究现状 (1)
1.2.1国内研究现状 (1)
1.2.2国外研究现状 (1)
1.3研究目的 (2)
1.4研究意义 (2)
1.5研究框架 (3)
第二章设计调研 (4)
2.1用户调研 (4)
2.1.1女性用户的心理、生理特点及其对吸尘器设计的影响 (4)
2.1.2使用场景分析 (4)
2.1.3吸尘器用户调研总结 (4)
2.2市场调研 (5)
2.2.1国内吸尘器行业概况 (5)
2.2.2未来吸尘器产品发展趋势 (5)
2.2.3吸尘器市场调研总结 (5)
2.3技术调研 (6)
2.3.1吸尘器结构分析 (6)
2.3.2吸尘器功能的原理及其技术分析 (8)
2.3.3吸尘器的材料与工艺分析 (10)
2.3.4吸尘器技术调研总结 (11)
2.4设计定位 (11)
第三章产品设计 (12)
3.1概念设计 (12)
3.1.1一期方案 (12)
3.1.2二期方案 (18)
3.1.3三期方案 (22)
3.2三维建模 (26)
3.3效果图 (28)
3.3.1产品效果图 (28)
3.3.2使用效果图 (29)
3.3.3场景效果图 (29)
3.4六视图 (31)
3.5爆炸图与局部结构图 (35)
3.6产品配色设计 (38)
3.7材料与工艺 (39)
第四章总结与展望 (40)
致谢语 (41)
参考文献 (42)
第一章课题来源
1.1研究背景
1.1.1 吸尘器的概念及工作原理
吸尘器是利用电机高速运转，形成空气负压，使尘箱内局部真空，从而吸附尘屑这一运作原理完成清扫的一种现代清洁工具。主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成。
1.1.2 吸尘器的发展历史
1901年，世界上第一台吸尘器雏形在英国诞生，但因其过于笨重而没有得到普及。直至1908年，美国人斯班格拉利用金属盒、枕套、电扇与长扫帚柄这些简单的材料，设计制造出了便携式“吸式清洁器”，这也是现在家用吸尘器的原型。接着胡夫以英文字母“O”为原型，制造出一款底部拥有万向轮的小型家用吸尘器，使得吸尘器的使用更加便利。1921年，瑞典人艾尔克·温尔格林发明了首款横罐式真空吸尘器。1969年，第一台自动推进吸尘器面世，从此，吸尘器开始加入高转速马达等改善装置。1982年，戴森发明了双气旋技术，淘汰了传统的集尘袋设计。2003年，伊莱克斯推出了世界上第一款智能自动真空吸尘器“三叶虫”。同年，国产品牌海尔首次将负离子净化空气的功能应用在真空吸尘器上。2006年，广东龙集团设计生产了世界上第一台“消毒”真空吸尘器[1]。
经过100多年的发展演变，科技的进步推动着吸尘器从大体积、重质量、功能单一、操作复杂、吸力性能低下逐渐进化成为小体积、轻质量、功能多样、操作简单、吸力性能强大的全方位清洁好帮手。
1.2研究现状
1.2.1国内研究现状
我国是世界上最大、最重要的吸尘器生产加工基地，是许多国外大型品牌企业的制造商。这同时激励着国内吸尘器企业的发展，他们通过吸收国外先进的技术精华，与对国内市场需求的清晰认识，研发出搭载“光清洁”技术、吸水技术等多功能吸尘器产品。国内吸尘器市场规模持续扩张，并朝着国际市场进发。
1.2.2国外研究现状
吸尘器起源于英国，并在欧美、日本等国发达得到不断的进化发展，这主要是由于由于这些国家经济文化水平较高，人们注重生活质量，加上室内装修风格等因素，地毯和木地板的应用广泛，因此，人们对于防尘的要求比较高，促使吸尘器销量持续走，高家庭普及率高达99%。而这些发达国家虽然不是主要的生产制造地，但却是重要的吸尘技术研发地，例如
无滤尘袋气旋集尘技术、数码马达技术、空气过滤、中央吸尘系统等技术都是在此研究诞生。
1.3研究目的
随着我国GDP的持续快速发展，消费者收入持续增长，尤其是大中城市居民的收入水平的快速增长，居民的居住条件不断改善，使得其对吸尘器的需求也越来越强，吸尘器在中国家庭迅速普及。
本次设计将基于对吸尘器的概念、分类、功能、材质、技术、运作原理和发展历史等方面的调查研究，从家庭使用环境和一些空间结构较为复杂的使用环境的角度考虑，以用户体验为中心，研究特定使用人群在清洁工作时的方式、习惯、生理、心理的特点与产品功能、外观、技术的发展趋势，了解未来所需吸尘器产品的特性与发展方向，以提高人们生活质量为目的，设计出符合市场需求的产品，从而解决一些吸尘器现存的问题，营造一个更加健康、干净的生活环境。
1.4研究意义
现市场上，吸尘产品种类繁多，而消费者的使用体验却差强人意，主要体现在吸尘器噪声大、吸力性能差、续航能力不够持久、操作使用不够便利等等。吸尘器虽减轻了人们一定的劳动负担，却没有使劳动变得轻松。因此，本次设计的研究意义可概括为以下几点：
①通过对国内外吸尘器发展现状、优秀设计的案例的分析与研究，了解未来吸尘产品的设计发展方向，更具前瞻性地设计出充满现代感的智能吸尘产品，使得设计与时俱进，提高科技时代的步伐。
②以用户体验为中心，通过研究用户的情感、行为、感官等方面的体验，完善产品功能，优化使用体验，使产品符合用户的使用需求与心理需求。
③通过对现有吸尘器的外观、结构、材料、工艺、技术等方面的分析研究，结合对用户情感需求的研究，使设计能超越市场中的同类产品，提升设计质量。
1.5研究框架
图1-1 研究框架
第二章设计调研
2.1用户调研
经济的快速发展，居住环境的日益改善，带动人们开始关注提升生活质量，追求更加健康的生活方式。便捷高效的吸尘器则轻松给人们创造了一个干净、健康的生活环境。通过调查发现，从20世纪90年代中后期开始，我国吸尘器的销量以每年38%的速度快速上升，其中绝大部分购买者为女性，也是吸尘器的主要使用者。因此针对女性这一特定的用户人群进行调研，建立用户模型并分析。
2.1.1女性用户的心理、生理特点及其对吸尘器设计的影响
通过数量对比分析法，根据前期对家用吸尘器国内销售市场的资料收集，将研究对象的年龄定位在25~45岁之间，这一年龄段的女性用户具有多重社会角色，收入支配分散，社交活动频繁，生理步入老化，开始出现健康问题。因此，在吸尘器外观造型设计上应符合人机工程学，以舒适的姿势，便捷的操作，简单易懂的界面引导用户轻松完成清洁工作。而心理上，此年龄段的女性用户比较关注流行趋势与社会变革，所以针对这一心理特点，吸尘器设计可以添加个性化流行元素，注重造型设计与色彩搭配，淡化工具感，在提高使用效率的同时，增添清洁乐趣[3,10]。
2.1.2使用场景分析
针对家庭空间使用时，这类空间相对较小，平均住房面积大约为116.4平方米，完成整个吸尘任务在20~40分钟左右，对电池的续航能力要求不高，但电池的充电时长会导致用户不能及时开始清扫。地面空间较为开阔，但死角较多，则要求吸尘器设计能够轻松应对死角的灰尘与垃圾。同时家用吸尘器还需要满足多种物品、器具的清洁工作，例如地毯、布艺沙发、窗帘等，所以必须多功能、全方位。另外，针对一些空间相对密闭且空间结构比较复杂的场景时，例如火车车厢、电影放映厅等，工作人员需要在短时间内快速完成清洁工作，这则要求电池具备相对较长的续航能力。因此，在设计吸尘器时，应考虑以何种操作方式去应对不同的清洁对象与使用场景。在电池技术方面，如何做到连续增加工作时间，继而提高工作效率，这是通过使用场景分析要研究讨论的问题。
2.1.3吸尘器用户调研总结
综上所述，用户调研不仅是针对用户对产品的使用习惯、消费类型、审美偏好等方面的归纳整理，更重要的是对此进行一个具体的分析。以产品系统设计的角度出发，对调研到的数据与材料做出符合设计目的的可行性分析，从而在深入理解造型原理和方法的基础上，结合其他调研部分的
内容，设计出满足用户需求的产品。
2.2市场调研
2.2.1国内吸尘器行业概况
吸尘器是较早进入我国的小家电产品类，自2004年以来，吸尘器国内市场销售额一路上升，2011年销售量突破8000万台，发展速度保持在10%左右，一线城市普及率达到五成以上。但和国外市场相比，行业规模差距悬殊。1977年，美国吸尘器的普及率就已达到99.9%，而日本从1994年起，每千户吸尘器保有量就一直稳定在1400台左右。由此可以看出，相较于国外市场，国内市场还有巨大的发展潜力和上升空间。
国内外市场的需求也带动了我国吸尘器生产制造产业的发展，中国成为吸尘器出口大国，目前生产吸尘器总量占世界吸尘器总产量的60%，吸尘器成为中国出口最多的家用电器之一，年均出口量1900万台以上。据海关总署统计，2004年，中国大陆吸尘器出口额累计达到12亿美元，2005年出口总量共计8762.5万台，出口金额高达14.9亿美元，占全球吸尘器总销量的68%[1]。
2.2.2未来吸尘器产品发展趋势
①智能化一直是家用电器发展的主流趋势，智能化产品在市场上被广泛接受并受到追捧。
②城市的快速发展导致污染加重，而空气质量的好坏能直接影响人类身体健康，空气清洁问题迫在眉睫。因此如何改善生活环境的空气质量成为了人们重视的问题。这要求家用吸尘器建立起强大的“清洁—抗菌—过滤”体系，吸尘器行业正走入“空气净化时代”。
③吸尘器的发展与人们的生活密切相关，为了满足越来越多家庭的不同需求，现代吸尘器除了基本的吸尘功能之外，还开发了更多辅助功能。例如为了解决床品清洁的除螨技术，去负离子功能等。未来还有许多附加功能等待开发与改进。
④从产品便捷性来看，电池技术的发展与汽车保有量不断上升，未来市场对于充电式吸尘器的需求会不断增长。但目前设计上比较传统，缺乏创新与突破。通过产品外观创新、结构功能升级，能进一步挖掘充电式吸尘器市场潜力[13]。
2.2.3吸尘器市场调研总结
虽然目前我国吸尘器市场进出口状态不平衡，但这并不代表着国内市场没有足够的消费能力。随着越来越多的人开始了解吸尘器，民众对于吸尘器的需求量随之增大，这将带动着吸尘器市场不断扩充。而未来吸尘器
将向着操作智能化、便捷化，功能多样化的方向发展，以保持清洁和人类健康为目的，使更便捷、更高效的家居清洁方式离人们越来越近。
2.3技术调研
2.3.1吸尘器结构分析
经过调查研究发现，目前市场上的吸尘器按内部结构类型可分为立式吸尘器、卧式吸尘器、推杆式吸尘器、手持式吸尘器、桶式吸尘器这五类。
①立式吸尘器：北美市场较为常见，配上不同的部件，可以完成不同场景的吸尘工作，适用于大面积的地毯清洁。
图2-1 立式吸尘器内部结构图
②卧式吸尘器：在亚欧市场上较为常见的吸尘器类型，占整体市场的80%以上。其特点是外形小巧，存放方便。
图2-2 卧式吸尘器内部结构图
③推杆式吸尘器：近几年逐步增多，体型小巧，大多数推杆式摆脱了电线的束缚，采用充电模式，获得了许多家庭的喜爱。
图2-3 推杆式吸尘器结构图
④手持式吸尘器：体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘、电器等也有良好效果。缺点是功率较小，吸力不够强劲。
图2-4 手持式吸尘器内部结构图
⑤桶式吸尘器：属于商用吸尘器，多为保洁公司、酒店、写字楼所使用，特点是容量大，能吸水。
图2-5 桶式吸尘器内部结构图
2.3.2吸尘器功能的原理及其技术分析
吸尘器的结构按功能分为动力、过滤、辅助功能、保护措施、附属配件五个部分。
①动力部分：
a.吸尘器电机：传统吸尘器风机由叶轮、导风轮及蜗壳等组成，当叶轮高速旋转时，叶轮中的空气也被带动一起旋转，在叶轮中心处的空气因受离心力的作用，被抛向叶轮的边缘，在叶轮中心形成真空，外部的空气在压差的作用下，不断地流入补充到叶轮中心处，形成气流。随着技术的发展，利用电磁感应定律实现电能传递的马达被应用于吸尘器上，取代了传统风机运转，使得吸尘器吸力更加强劲。其中戴森数码马达专利，采用数码脉冲技术及钕磁铁，每分钟转速高达107,000次，比市场上的直流马达转速更快，体积更小巧。
b.调速器：调节吸尘器功率大小，使吸尘器吸力可以按使用要求变化。分为手控式调速与机控式调速。手控式调速利用风门调节，手动对吸尘器进行调速，使用不便。而机控式调速一般为电源式手持按键、红外线遥控调节或是自动功率调节，即机器可根据被洁表面的物理特性，自动调节功率，使吸尘器始终保持最佳工作状态。
图2-6 功率自动调节电路原理图
②过滤部分：包括尘袋、前过滤片、后过滤片。过滤脏气流，成为清洁气流的装置，是吸尘器的重要部分。
a.滤尘材料：按过滤材料分为纸质、布质、SMS（复合无纺布）、HEPA （高效粒子空气过滤器）四类。
b.尘袋：吸尘器通过电机运转吸入空气，通过内部滤尘材料过滤，滤后灰尘收集到尘袋当中。需要用户定时清理滤尘器上的灰尘，使吸尘器保持正常的风量与真空度，但在清理尘袋时务必仔细，避免二次污染。而无尘袋吸尘技术的发明，解决了这一困扰，通过气旋技术，利用气旋产生的离心力，分离气流中微小的颗粒物，将灰尘甩入到集尘盒中，实现除尘，并可直接使用清水对集尘盒进行清洗，在保持正常风量的同时也降低了二次污染的可能性。
③辅助功能部分：
a.电池技术：目前市场上吸尘器使用的电池大致分为镍氢电池与锂电池这两种。镍氢电池是一种高能绿色的充电电池，由氢离子和金属镍合成，能量密度高、可快速充放电、循环使用寿命长，并且对环境无污染。锂电池是由锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液电池。锂电池的使用寿命可高达6年以上，自放电率不到镍氢电池的1/20。随着微电子技术的发展，小型化设备日益增多，重量仅为同容量镍氢电池三分之一的锂电池进入大规模实用阶段。
b.电源线自动收放：由按钮控制，当吸尘工作结束后，按动按钮讲电源线自动收入机器内。电源线自动收放装置由五级变速机构、拨线杆、卷线轮等组成[5。
c.降噪技术：吸尘器的噪音源分为三种，一是气动噪音，主要是由风机运转引起的气流声、涡流声及吸尘器出气口处的排气声。二是电动机电
磁噪声。三是电刷与换向器的磨擦声，电动机轴承的磨擦声及各种机械噪声。为了消除这些噪声，通常在电动机外圈设置吸音材料。吸音材料分两类，一类是本身即起吸音作用，如多孔性材料，这类材料有许多毛细孔，由于粘滞和热传导的作用，使入射在它上面的声能转化为热而损耗掉。另一类要与其它声学元件组合才能起作用，例如玻璃布和薄膜，在它们的后面要留有空气层，才能起到吸音作用[12]。
d.除螨技术：包括超声波除螨与紫外线杀菌两种。超声波除螨利用共振抑制尘螨生命周期中的进食和繁殖过程，有效降低尘螨密度。紫外线杀菌造成生长性细死亡或再生性细胞死亡，以达到除螨效果。紫外线杀菌需要保持机器固定，一般需要30分钟左右，与超声波除螨方式相比，使用不便[19]。
e.吸水技术：在电机与吸尘口之间设置挡板，避免水与电机接触，有效保护电机。在进行吸尘工作时，吸入的水直接进入集尘桶内，完成吸水工作。
④保护措施部分：
a.真空度过高保护（风道阻塞保护器）:当风道或吸尘器的主体吸入口受阻塞时，阻塞保护阀自动打开，外界空气进入吸尘器内，使电动机得到冷却，并消除电动机轻载的非正常工作状态。
b.抗干扰保护（软启动）：当按下吸尘器开关时，先施加一个较低的电压，让电机缓慢的转起来，转动以后的电机建立了反电势，这时再正常电压运转，以保护家用电网不受干扰。
⑤附属配件部分：
a.连接附件：包括软管、弯接管、长接管等。
b.工作吸头：电动滚筒刷——针对易磨损的硬质地板；
宽嘴刷——针对缝隙、角落等狭窄的空间；
软毛刷——针对窗帘、墙壁或一些表面
比较光滑、脆弱的区域。
2.3.3吸尘器的材料与工艺分析
①吸尘口：主要使用 PC 塑料或ABS 塑料，其抗冲击性、耐热性、电气性能优良，易加工，表面光泽性好，容易涂装、着色。
②吸尘器外壳：选用 PP 塑料，这类塑料的优点在于其密度小、强度、刚度、硬度、绝缘，耐热性均较好。
③集尘盒：一般采用的是具有良好坚韧性与硬度性 PET 材料
④过滤材料：有纸质、布质、SMS（复合无纺布）、HEPA（高效粒子
空气过滤器）四类。目前市场上吸尘器产品大多使用无纺布及过滤海绵对吸入的灰尘进行过滤。
2.3.4吸尘器技术调研总结
吸尘器主要由吸尘器外壳、吸尘器口、集尘盒、过滤口等组成，同时针对不同的清洁对象，不同的使用场景，配备了不同吸尘把头。通过对吸尘器功能及其运用的技术进行调研，了解吸尘器内部结构，使得后续设计更加合理化、人性化，符合市场发展趋势。
2.4设计定位
根据目前对吸尘器用户、市场、技术三方面的调研，基于多种清洁对象的使用需求，采用手持式主机，充电式电池，更换不同吸尘把头的方式，设计一款多功能手持式无绳吸尘器。针对这一设想，提出以下几点设计定位：
①外观造型定位：考虑到手持式吸尘器需要手握主机部分进行清扫，机器大部分重量落于手上，因此在外观造型的设计上需考虑用户体力因素，应用人机工程学，适当减轻手部受力，使得用户操作更加便捷、省力。整体机器造型简洁大方，具有科技感、现代感，淡化工具感，色彩搭配和谐。
②材料工艺定位：吸尘器主体使用塑料材质注塑成型，集尘盒使用坚韧的PET材料。排气口处的过滤材料选用SMS复合无纺布材料，能够有效净化空气，防止二次污染。
③用户人群定位：根据上文用户调研分析，定位手持式吸尘器主要使用人群为25~45岁的女性。
④使用环境定位：满足家庭空间使用的同时，可以应用于一些空间相对密闭，结构较为复杂的环境使用，例如火车车厢、电影放映厅等。
⑤功能定位：针对不同的清洁区域，例如地面、地毯、床品、沙发座椅等，采用更换对应吸尘把头的方式进行清扫。而针对清洁桌底、床底等一些光线较暗的区域时，为了便于用户观察清洁情况，在吸尘口设置LED 灯带，通过开关控制使用。另外使用电线连接和电池拆卸更换两种电源连接方式，帮助延长工作时长，提高清扫效率。为了便于收纳，电源线可自动收放，省去绕线的麻烦，更方便用户在无绳模式下操作。搭载空气净化功能，营造一个更加干净健康的生活环境。
第三章产品设计
3.1概念设计
3.1.1一期方案
①方案一
图3-1 一期方案一草图
图3-2 一期方案一草图
设计说明：该方案针对女性用户使用圆形柱状外观，造型比较柔和，淡化吸尘器工具感。吸尘口可根据不同清洁对象的高度，滑动按钮进行上下调节，特别对于高处物品的清扫，考虑到女性用户体力因素，可调节吸尘口使得清扫更加省力。ABSS
图3-3 一期方案二草图
设计说明：此方案是在方案一草图的基础上进行演化，设计为扁棱型的造型，给予集尘盒更多的空间，减少反复倒尘次数，提高清洁效率。将排气口位置设计至机器左上方，避免了因为吸尘口上下摆动，挡住了排气口的麻烦。
③方案三
图3-4 一期方案二草图
设计说明：设计灵感来源于“鲸吸”一词，表现吸尘器吸力如鲸鱼吸水一般，轻松、强劲，吸纳范围广。在此寓意上模仿鲸鱼在海面上跳跃的姿势，设计吸尘器主体流线型外观，模仿背鳍形状，设计排气口造型和位
置。从外观造型的设计上，增添用户使用乐趣。
图3-5 一期方案三草图
设计说明：设计灵感来源于大象鼻子吸水及摆动的造型。吸尘器主体仿生大象头部造型。吸尘口设计为球形，方便外接吸尘把头的移动。
⑤方案五
图3-6 一期方案五草图
设计说明：此方案设计整体机身线条硬朗。设计灵感来源于瑞士军刀可自由旋转出刀头这一特点。将其加于吸尘器把手与吸尘口的连接部分，使吸尘器增加可折叠的特性，减小机器体积，便于收纳，同时保持了吸尘
口的灵活度。