台式电风扇设计说明书.doc

装订线台式电风扇摇头装置及传动系统设计毕 业 设 计 说 明 书课 题 名 称台式电风扇摇头装置及传动系统设计分 院/专 业 机械工程学院/机械制造与自动化班 级机自1011学 号1001433130学 生 姓 名周航指导教师：龚晓群 2013年6月1日 V摘 要电风扇摇头装置设计是从电风扇设计开始的，也是电风扇设计中最重要的部分，对于电风扇的研究，国内外已有不少的研究成果，但在创新这一块做的还不够, 还有待进一步完善。本文首先对摇头电风扇的历史和发展现状以及其类型和特点进行了介绍，然后介绍了设计准则, 提出方案拟定, 并选择最优方案,主要是现有的电风扇摇头装置中平面摇杆机构，包括平面摇杆机构的结构、工作原理、设计原理、设计原则；其次根据已知原动机的转速, 分配传动比，选择合适的机构, 如蜗轮蜗杆机构以及齿轮机构, 根据传动比确定它们的基本参数，设计计算几何尺寸,再次采用图解法, 根据已知条件(极位夹角, 摇杆速度等)设计平面四杆机构, 然后在实验室组建仿真机构模型, 观察所设计的尺寸是否满足所需的运动轨迹，再就制作台式电风扇摇头平面机构的计算机动态演示, 通过图解法研究各杆件的运动, 进行运动分析, 最后总结并讲述了电风扇的未来展望。关键词：平面摇杆机构，传动比, 蜗轮蜗杆, 齿轮传动, 运动分析Abstract Fanner shake head device design starts from the fan design, as well as the most important part of electric fan design for electric fan, has quite a few research results both at home and abroad, but in innovation that is not enough, it remains to be further improved. This article first to shake head to fanners history and development status and its types and characteristics are introduced, and then introduces the design principles, scheme is proposed, and select the optimal scheme, mainly existing fanner shake head device planar rocker mechanism, including planar rocker mechanism of structure, working principle, design principle, principle of design; Secondly, according to the known prime mover speed distribution of transmission ratio, select the appropriate institutions, such as worm and worm wheel mechanism, and gear mechanism, according to transmission ratio to determine the basic parameters, design and calculation geometry, again USES graphic method, according to the known conditions (extreme position Angle, rocker speed, etc.) design of planar four-bar linkage, in the laboratory and then set up simulation model of institutions, characterize the design size whether to meet the required trajectory, from creating desktop fan shook his head again computer dynamic demonstration of planar mechanism, by graphical method research of each bar movement, movement analysis, finally summarizes and tells the story of fanners future prospects.Keywords: Planar remote sensing mechanism, Transmission ratio, Worm gear and worm, Gear transmission, Motion analysis窗体顶端 窗体底端目 录第1章 绪论11.1 摇头风扇的背景和意义11.2 电风扇的技术情况11.2.1 电风扇的发展11.2.2 电风扇的前景11.3 本课题的目的和关键问题1第2章 台式电风扇的功能和设计要求32.1工作原理32.2 功能分解32.2.1 设计摆动机构32.2.2 设计齿轮系机构32.2.3 满足传动性能要求3第3章 摇头风扇的内部机构选用43.1 减速机构的选用43.1.1 内啮合齿轮的优缺点43.1.2 外啮合齿轮的优缺点43.2 传动轴线变换的选用53.2.1 蜗轮蜗杆机构的优缺点53.2.2 圆锥齿轮传动机构的优缺点53.3 摇头机构的选用63.3.1四杆机构的优缺点63.3.2 凸轮机构的优缺点6第4章 机构组合方案的比较及确定74.1三种方案的比较74.1.1 方案一及其优缺点74.1.2 方案二及其优缺点74.2 方案的初步确定94.2.1 原动机的选择94.2.2 传动方案的确定94.3 传动比设计94.3.1 相关计算94.3.2蜗轮蜗杆轮系设计104.3.3齿轮机构设计104.4 执行机构尺寸设计124.4.1选择合适的比例12作图求摇杆的极限位置。如图4.4.1所示：12第5章 系统总图14第6章 三维制图156.1. 制图软件简介156.2 三维图展示156.2.1整体三维图156.2.2 风扇叶片166.2.3 涡轮蜗杆166.2.4齿轮176.2.5四杆18第7章 总结19谢 辞20参考文献21装订线台式电风扇摇头装置及传动系统设计第1章 绪论1.1 摇头风扇的背景和意义电风扇的灵感来自于机械钟表，而且还需要主人自己去上发条。1880年，美国人舒乐首次将叶片直接装在电动机上，再接上电源，那一瞬间，叶片飞速转动，阵阵凉风扑面而来，这就是世界上第一台电风扇。如今，在炎热而又烦闷的夏夜，它舞动自己的四肢为我们在黑暗中送来徐徐的凉风。正是因为它，在没有空调的日子里，我们可以依然享受到凉爽的惬意。也许有人会说，现在还有多少人会用电风扇？但实际上恐怕很多人依然会在家里留一台，毕竟，它既环保又节能。所以，电风扇不会消失在历史舞台，所以仍有研究和发展电风扇的意义。1.2 电风扇的技术情况1.2.1 电风扇的发展近10年来，电风扇才有了飞速的发展。不仅设计构思更加巧妙，而且在使用方面，现代人也总结出了很多方法和心得。总的来说，目前市场上的电风扇分家用电风扇和工业用电风扇两种。家用电风扇有吊扇、台扇、落地扇、鸿运扇、顶扇、壁扇等。台扇中又有摇头的和不摇头之分，也有的是转页扇。落地扇也有摇头、转页之分。1.2.2 电风扇的前景如今，虽然有了空调之后，有人认为电风扇将退出历史舞台，但事实上，如今的电风扇已一改人们印象中的传统形象，在外观和功能上都更追求个性化，空调扇、负离子扇、塔扇等产品也被众多的电风扇厂家采用，并增加了照明、驱蚊等更多的实用功能。最新功能的风扇有：声控电风扇、冷气风电风扇、无噪声电风扇、灯头电风扇、防伤手指电风扇、模糊微控电风扇、火柴盒电风扇、四季电风扇等。在未来，电风扇或许能凭借某一项独特功能吸引消费者的目光。目前国际能源短缺，节能将是一个不可忽视的发展方向，因此电扇不会那么轻易地从历史舞台上退出。1.3 本课题的目的和关键问题台式电风扇摇头装置及传动系统的设计，是要设计一个摇头风扇的主要及最难的问题之一。接下来，本人将简介如何设计一个台式电风扇的摇头装置，使电风扇做摇头动作。已知风扇的直径为300mm，电扇电动机转速n1450r/min，电扇摇头周期t=10s，电扇摆动角度80、急回系数K1.01。其大体设计任务如下（1） 按给定主要参数，拟定机械传动系统总体方案；（2） 画出机构运动简图；（3） 分配蜗杆涡轮、齿轮传动比，确定他们的基本参数，设计计算几何参数；（4） 解析法确定平面连杆机构的运动学尺寸，它应满足摆角及形成速比系数k。并对平 面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。并验算曲柄存在条件，验算最小传动角（最 大压力角）；（5） 提出调节摆角的结构方案，并进行分析计算；（6） 编写设计说明书。第2章 台式电风扇的功能和设计要求2.1工作原理图2.12.2 功能分解当打开电源开关时，电动机开始工作，转动，连接在上面的叶片也会随着电动机转动而旋转。当电动机越转越快时，叶片也会越转越快，会超过其范围，所以需要减速机构进行减速，保证叶片不会被损坏。电扇需要左右摆动摇头，增大送风区域的目的。为了达到这个目的，则需要一个执行机构使得电扇左右摆动。2.2.1 设计摆动机构风扇需要按运动规律做左右摆动，因此需要设计相应的摆动机构。左右摆动有三个基本运动：运动轴线变换、传动比降低和周期性摆动。2.2.2 设计齿轮系机构风扇需要转换传动轴线和改变转速，因此需要设计相应的齿轮系机构。转换运动轴线和改变传动比有一个基本动作：运动轴线变换。2.2.3 满足传动性能要求还要满足传动性能要求：改变电风扇的送风区域时，在急回系数K1.01、摆动角度=80的要求下，尽量保持运动的平稳转换和减小机构间的摩擦。第3章 摇头风扇的内部机构选用台式摇头风扇若要完成左右摆动的功能，则需完成减速、传动轴线变换及左右摆动三个动作，可以分别选用以下机构：（1） 减速机构可以选用齿轮传动,包括内啮合齿轮和外啮合齿轮。（2） 传动轴线变换的完成可以选用蜗杆蜗轮机构或圆锥齿轮传动机构等。（3） 常见的台式电风扇摇头机构有滑销控制机构和凸轮机构等。接下来我们要对摇头风扇所要完成的这三个动作做详细说明，并结合各种可能方案的优缺点，最终选出适合台式摇头风扇正常工作的机构。3.1 减速机构的选用3.1.1 内啮合齿轮的优缺点内啮合齿轮即一个齿轮的外齿与另一个齿轮的内齿相啮合。优点：结构紧凑、体积小、零件少、运动平稳、噪声低、容积效率较等。缺点：流量脉动大，转子的制造工艺复杂等。如图3.1.1所示：图3.1.1内齿轮啮合示意图3.1.2 外啮合齿轮的优缺点外啮合齿轮即一个齿轮的外齿与另一个齿轮的外齿相啮合。优点：结构简单、体积小、重量轻、自吸性好、工作可靠、成本低、应用广泛。缺点：外形结构较内啮合齿轮复杂，且对尺寸有要求。如图3.1.2所示：图3.1.2外齿轮啮合示意图考虑以上优缺点和尺寸要求，我们选用外齿轮啮合。3.2 传动轴线变换的选用3.2.1 蜗轮蜗杆机构的优缺点蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力，蜗轮和蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。优点：（1）传动比较大。 （2）两轮啮合齿面间为线接触，承载能力大。（3）蜗杆传动为多齿啮合传动，所以传动平稳、噪音很小。（4）具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿 间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实 图3.2.1蜗轮蜗杆示意图现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，起保护作用。缺点：（1）传动效率较低，磨损较严重。（2）啮合时，轮齿间的相对滑动速度大，摩擦损耗大、效率低。（3）成本较高。因为相对滑动速度大，齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置。3.2.2 圆锥齿轮传动机构的优缺点圆锥齿轮：用来传递空间两相交轴之间运动和动力的一种齿轮机构。两轴交角点称为轴角，其值可根据传动需要确定，一般多采用90。锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小。优点：（1）性能好、传动平稳、噪声小。 （2）其齿面重合度大，降低了每对齿轮的载荷，提高了齿轮的承载能力。（3）锥齿轮不产生根切的最少齿数少。缺点：锥齿轮制造工艺复杂，成本较高。综合比较两传动轴线变换机构的优缺点，且蜗轮蜗杆的传动比不大于80，而锥齿轮的传动比只是不大于8，所以该摇头风扇应选用蜗轮蜗杆传动机构 图3.2.2锥齿轮示意图3.3 摇头机构的选用3.3.1四杆机构的优缺点控制摇头，即在平面四连杆机构的基础上加一个滑销。当将它往上拔起来的时候，四杆就会工作，即电扇做摆头运动。而将它往下按时，就固定四杆不运作。平面连杆机构是将各构件用转动副或移动副联接而成的平面机构。最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，简称平面四杆机构。它的应用非常广泛，而且是组成多杆机构的基础。优点：机构简单、加工方便、运动较平稳而且成本低，适用于多种场合。如图3-3-1通过滑销以实现是否摇头的运动。当滑销下滑实现摇头，上提则停止摇头。 图3.3.1四杆机构示意图3.3.2 凸轮机构的优缺点凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。优点：结构紧凑、设计方便，实现从动件任意预期运动。 缺点：制造较为困难、加工成本高，且易磨损，存在冲击、 运动不平稳，噪音等缺点。综上，舍弃凸轮机构，而选择滑销控制机构。图3.3.2凸轮机构示意图第4章 机构组合方案的比较及确定4.1三种方案的比较4.1.1 方案一及其优缺点该设计方案采用了齿轮箱来减小输出速度，蜗轮蜗杆来实现减速和传动轴的变换即速度方向的变换，即通过构件2对构件3做相对的圆周转动使构件3摆动，从而实现电风扇的摇头动作，如图4.1所示：图4.1结构示意图（1） 方案一的机构分解1） 减速：齿轮箱和蜗轮蜗杆机构；2） 运动轴变换：蜗轮蜗杆机构；3） 左右摇摆：平面四杆机构。（2） 方案一的优点1） 主动件只用一台电动机即可实现风扇叶片的转动和左右摇摆；2） 蜗轮蜗杆传动平稳，啮合冲击小，由于蜗杆的齿数少，故单级传动可获得较大的传动比 （可达1000），且结构紧凑；3） 有自锁现象。（3） 方案一的缺点由于蜗杆蜗轮啮合轮齿间的相对滑动速度较大，摩擦磨损大，故传动效率较低且易出现发热现象。所以常用较贵、性能较好的减摩耐磨材料来制造蜗轮，故成本较高。4.1.2 方案二及其优缺点方案二是当圆柱凸轮回转时，凹槽侧面迫使构件2左右摆动，从而实现电风扇的摇头功能，如4.1.2所以：图4.1.2圆柱凸轮示意图（1） 方案二的机构分解1） 减速：齿轮箱和蜗轮蜗杆机构；2） 运动轴变换：蜗轮蜗杆机构；3） 左右摇摆：凸轮在凹槽中的回转。（2） 方案二的优点 机构通俗易懂，运动过程中反应较快，效果明显。（3） 方案二的缺点1） 机构都很难制造且精度要求高，制造成本也相对要高。2） 传动机构相对比较复杂，且齿轮数目太多，制造起来麻烦。4.1.3 方案三及其优缺点该方案是用凸轮机构来实现风扇的左右摇摆。如图4.1.3所以： 图4.1.3凸轮机构示意图（1） 方案三的机构分解 1） 减速机构：齿轮箱和蜗杆蜗轮机构； 2） 运动轴变换：蜗轮蜗杆机构； 3） 左右摇摆：凸轮机构。（2） 方案三的优点 该方案较前几个方案来说，机构简单紧凑且响应速度快。（3） 方案三的缺点 由于方案三使用了凸轮机构，且其在制造上工艺困难，并有易磨损、有冲击、运动不稳 定、成本较高等缺点。4.2 方案的初步确定综合上述三个方案的介绍及其优缺点的辨析，不难看出，方案一是满足台式摇头风扇各项动作和功能最适用和经济的机构组合方案。确定好机构组合方案之后，还需选择原动机以及确定传动方案。4.2.1 原动机的选择笼式三相异步电动机，使用三相交流电、转速与旋转磁场转速不同，可以进行几档变速。而且笼式电动机的具有简单、体积小、易维护、价格低、寿命长连续运动特性好、转速受负载转矩波动的影响小和硬机械特性等优点。这些特性能够满足台式电风扇摇头装置的工作特性，所以选择笼式三相异步电动机作为原动机。4.2.2 传动方案的确定综合考虑后得出以下传动方案：在电动机主轴尾部连接蜗轮蜗杆速机构以实现减速，蜗轮在与小齿轮连成一体，小齿轮带动大齿轮，大齿轮与铰链四杆机构的连杆做成一体，并以铰链四杆机构的连杆为原动件，则机架、两个连架杆都做摆动，其中一个连架杆相对机架的摆动即是摇头动作。扇叶直接接到原动机上，既可以实现电风扇的功能。4.3 传动比设计4.3.1 相关计算在左右摇摆机构中，蜗轮带动连杆做匀速圆周运动，当蜗轮旋转一周时电扇摆动一个周期。由于电扇电动机转速n1450r/min，而电扇摇头周期t=10s即摆动周期为6 r/min，则总的传动比n=，.而蜗轮蜗杆的传动比（蜗杆带动蜗轮）最大为80，无法达到，必须经变速机构减速，这里选择齿轮减速。4.3.2蜗轮蜗杆轮系设计蜗杆头数Z1=1，蜗轮的齿数Z2=62，传动比 n 12 =62。蜗轮、蜗杆传动几何尺寸计算表名称计算公式蜗杆蜗轮齿顶高ha=m=1ha2=m=1齿根高hf=1.2m=1.2hf2=1.2m=1.2分度圆直径d1=mq=18d2=mz2=62齿顶圆直径da1=mq+2=20da2=mz2+2=64齿根圆直径df1=mq-2.4=15.6df2=mz2-2.4=59.6顶隙C=0.2m=0.2蜗杆轴向齿距蜗轮端面齿距P=m=蜗杆分度圆柱的导程角tan=z1q=118蜗轮分度圆上齿轮的螺旋角=arctan118 =3.180中心距a=m(q+z2)2=40蜗杆螺纹部分长度z1=1b11+0.06z2m=4.72蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da22=8蜗轮最大外圆直径z1=1de2da2+2m=66蜗轮轮缘宽度蜗z1=1b20.轮轮齿包角=2arcsin(b2d1) =1518=112.894.3.3齿轮机构设计这里齿轮啮合选项择的是内啮合，为了避免发生根切现象，齿轮最齿数,当 、时，。因为n 34 =；n=n12 xn34；则 n34 =。则取Z3 =18；Z4 =70。而z3z4n34,偏差极小，在风扇使用过程中短期看不出来，可忽略不计。（1） 齿轮材料为尼龙，如右图。之所以选择尼龙作为摇头风扇齿轮的材料，是因为它有如下四个优点。1） 尼龙具有较好的物理性能和机械性能，具有较小的延伸性，且允许温度在120以下。2） 尼龙材料的齿轮具有噪音低，摩擦系数低，自润滑性能好，耐磨性好等优点。3） 它工作起来安全可靠，万一部件有故障，可保护其它部件不受损坏。4） 重量轻，耐疲劳，吸震，吸收冲击，自润滑和耐腐蚀。（2） 齿轮模数m=1.25，ha*=1，c*=0.25（ha*为齿顶高系数，c*为顶隙系数），压力角=200。由圆柱齿轮基本参数表可得出齿轮各参数的值。圆柱齿轮基本参数表名称计算公式主动轮（mm）从动轮（mm）分度圆直径d3=mz3=1.2518=22.5d4=mz4=1.2570=87.5齿顶高ha=ha*m=1.25齿根高hf=(ha*+c*)m=（1+0.25）1.25=1.5625齿全高h=ha+hf=1.25+2.8125=4.0625齿顶圆直径da3=d3+2ha=22.5+21.25=25da4=d4+2ha =87.5+21.25=90齿根圆直径df3=d3-2hf=22.5-21.5625 =19.375df4=d4-2hf=87.5-21.5625=84.375基圆直径db3=d3cos=22.5cos20 =21.14db4=d4cos=87.5cos20 =82.22齿距p=m=3.141.25=3.93齿厚s=m2=1.96齿槽宽e=m2=1.96中心距a=(d3+d4)2=55顶隙c=c*m=0.251.25=0.3125（1） 齿轮机构和蜗轮蜗杆机构组合图4.3.3所以： 图4.3.3齿轮机构和蜗轮蜗杆机构组合示意图4.4 执行机构尺寸设计 由行程系数计算极位夹角。由式知 =180(K-1K+1),其中K=1.01,=0.894.4.1选择合适的比例作图求摇杆的极限位置。如图4.4.1所示： 图4.4.1摇杆的极限位置示意图 2） 按已知条件画出摇杆BC的两个极限位置C1D和C2D，连C1、C2两点，以C1为直角顶做C2C1M=901,再做C1C2M=90-, C1M与C2M交于M点，以C2M为直径做C2C1M的外接圆。在此圆上任取一点A作为曲柄的固定铰链中心，连接AC1和AC2因同一圆弧的圆周角相等，故C1AC2=C1MC2=，令AB=a,BC=b,CD=c,DA=d.则AC1=b-a, AC2=b+a。但由于角太小，在图中无法表现出来，所以在绘图的过程中，将其省略。如4.4.2所示：图4.4.2摇杆的极限位置2示意图4.4.2计算各杆的实际长度。分别量取图中AB1、B1C1、C1D、AD的长度，计算得a=AB1=，b=B1C1=2.5，c=C1D =2，d=AD=3.48。（AB1=1mm）取杆CD为机架。则取a=20mm，即=20。所以：a=20mm，b=50mm，c=40mm，d=69.59mm4.4.3验算曲柄存在条件即最小传动角 四连杆机构有曲柄的条件为最长杆与最短杆之和小于等于其他两杆之和， d+a=69.59+20=89.59mm，b+c=50+40=90mm ,显然d+ab+c，满足曲柄存在条件。且可制作运动仿真图。4.4.4最小传动角的的验算 最小传动角min4050, cosmin=b2+c2-(d-a)22bc=502+402-(69.59-20)225040=0.295；则min=72.85 cosmin=b2+c2-(d+a)22bc=502+402-(69.59+20)225040=-0.98;则min=168.98则传动角的范围为（72,85，168.98），符合min40的条件。 第5章 系统总图 图5运动简图齿轮及蜗杆蜗轮尺寸参数模数齿数（个）分度圆直径（mm）从动轮1.251887.5主动轮1.257022.5蜗杆1118蜗轮16262四连杆机构参数杆a杆b杆c杆d杆长（mm）20504069.59第6章 三维制图6.1. 制图软件简介在三维制图时，选用了ProEngineeWildfire5.0制图软件。它可以提供一个完整的机械产品解决方案，包括工业设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析等。可以说，ProEngineeWildfire为专业人士提供了一个理想的设计环境，使得机械产品的设计周期大大缩短，有力的推动了技术的进步。ProEngineeWildfire通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。能够让多个部门同时致力于单一的产品模型，包括对大型项目的转配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。 当我在设计时，因尺寸无法很肯定的确定，所以可以在此软件中建立一个简单的三维模型，看是否符合实际，为我的设计提供了很大的帮助。6.2 三维图展示6.2.1整体三维图将所有的零件图都分别绘制成功、保存后，在进行总体的装配。在装配的过程中，可能还会发现一些不合理的地方，再进行修改，以达到最后的效果图。图6.2.1装配图示意图6.2.2 风扇叶片在制作的时候，使用