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課程設計臺式電風扇搖頭裝置機構(gòu)姓 名：_____________學 號：_____________專 業(yè)：_____________課程設計2指導教師：_____________臺式電風扇搖頭裝置機構(gòu)設計摘要電風扇搖頭裝置設計是從電風扇設計開始的，也是電風扇設計中最重要的部分，對于電風扇的研究，國內(nèi)外已有不少的研究成果，但在創(chuàng)新這一塊做的還不夠, 還有待進一步完善。本文首先對搖頭電風扇的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀以及其類型和特點進行了介紹，然后介紹了設計準則, 提出方案擬定, 并選擇最優(yōu)方案,主要是現(xiàn)有的電風扇搖頭裝置中平面搖桿機構(gòu)，包括平面搖桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、工作原理、設計原理、設計原則；其次根據(jù)已知原動機的轉(zhuǎn)速, 分配傳動比，選擇合適的機構(gòu), 如蝸輪蝸桿機構(gòu)以及齒輪機構(gòu), 根據(jù)傳動比確定它們的基本參數(shù)，設計計算幾何尺寸,再次采用圖解法, 根據(jù)已知條件(極位夾角, 搖桿速度等)設計平面四桿機構(gòu), 然后在實驗室組建仿真機構(gòu)模型, 觀察所設計的尺寸是否滿足所需的運動軌跡，再就制作臺式電風扇搖頭平面機構(gòu)的計算機動態(tài)演示, 通過圖解法研究各桿件的運動, 進行運動分析, 最后總結(jié)并講述了電風扇的未來展望。關鍵詞： 平面搖桿機構(gòu)，傳動比 , 蝸輪蝸桿, 齒輪傳動, 運動分析 ,動態(tài)演示課程設計3目錄第一章 引言 41.2.2 電風扇工作原理 .5第二章 電風扇搖頭機構(gòu)的設計 62.1 電風扇搖頭機構(gòu)設計概述 .62.2 電風扇搖頭裝置設計原則[1 .6課程設計42.3 電風扇搖頭裝置方案擬定 [2]72.3.1 方案 Ⅰ (平面連桿搖頭機構(gòu)) .72.3.2 方案Ⅱ (另一種平面連桿搖頭機構(gòu)) .72.3.3 對比分析選擇方案 .8第三章 機構(gòu)的設計 93.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的設計[5 93.1.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和基本形式 .93.1.2 平面雙搖桿機構(gòu)的分類和極限位置分析 .93.1.3 四桿位置和尺寸的確定 103.2 原動機的選擇和傳動比的分配 [6].113.2.1 原動機的選擇 123.2.2 傳動比的分配 143.3 蝸輪蝸桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點[6 143.3.1 蝸輪蝸桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點 143.3.2 蝸輪蝸桿機構(gòu)的幾何尺寸計算 143.3.3 渦輪蝸桿建模 16課程設計53.4 齒輪機構(gòu)的設計 .173.4.1 齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和選用原則 173.4.2 齒輪機構(gòu)的幾何尺寸計算 173.4.3 齒輪機構(gòu)的建模 18第四章 平面連桿機構(gòu)的運動分析 .194.1 概述 194.2 平面連桿機構(gòu)的運動分析 [8]19第五章 電風扇整體模型的建立 .245.1 電風扇零件的模型建立 24第六章 參考文獻 33課程設計6第一章 引言1.1 電風扇發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望近年來，相較人們對空調(diào)的普遍關注，電風扇市場就有點門庭冷落。但空調(diào)高耗電量且封閉空間的弊端，使得通風效果相對較好、功耗相對較低的電風扇仍然存在很大的市場。所以有必要研究電風扇的發(fā)展。電風扇又稱電扇，用于散熱，夏天用它來清涼為好,還可用來驅(qū)散室內(nèi)熱氣。課程設計71882年，美國紐約的克羅卡日卡齊斯發(fā)動機廠的主任技師休伊斯卡茨霍伊拉，最早發(fā)明了商品化的電風扇。 1908年，美國的?？税l(fā)動機及電氣公司，研制成功世界上最早的齒輪驅(qū)動左右搖頭的電風扇, 這種電風扇防止了不必要的三百六十度轉(zhuǎn)頭送風，而成為以后銷售的主流。如今，電風扇已一改人們印象中的傳統(tǒng)形象，在外觀和功能上都更追求個性化，塔式氣流扇尊貴典雅，卡通臺扇嬌巧可愛，而電腦控制、自然風、睡眠風、負離子功能等這些本屬于空調(diào)器的功能，也被眾多的電風扇廠家拿來做文章，并在此基礎上增加了照明、驅(qū)蚊等更多的實用功能。據(jù)統(tǒng)計，市場成熟度頗高的電風扇行業(yè)在國內(nèi)仍然存在著相當大的市場容量，但由于這個行業(yè)技術比較陳舊，外觀固定單一，市場上常見的落地扇、轉(zhuǎn)頁扇、臺扇、壁扇、樓頂扇、吊扇這幾個傳統(tǒng)類型電風扇的外觀和功能的同質(zhì)化現(xiàn)象十分嚴重，嚴重影響和制約了這個市場的發(fā)展和提升。但近年來一些主流企業(yè)開始有所覺察，他們通過積極創(chuàng)新，突破老式的傳統(tǒng)設計，紛紛開發(fā)出了一系列更富創(chuàng)新力，更具差異化個性的新產(chǎn)品，以求繼續(xù)做大蛋糕和進行產(chǎn)品升級。1.2 電風扇的結(jié)構(gòu)與工作原理1.2.1 電風扇的結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示, 臺扇由扇葉、網(wǎng)罩、扇頭、調(diào)速機構(gòu)、底座等部分組成, 扇頭是臺扇中最復雜、最重要的部件，由電動機、前后端蓋及搖頭機構(gòu)等構(gòu)成, 而吊扇主要由扇頭、上下罩、吊桿、吊攀以及獨立安裝的調(diào)速器組成。轉(zhuǎn)頁扇由于導風輪的作用，使其送出的風風力柔和，舒適宜人。課程設計8圖 1.1 臺扇的基本結(jié)構(gòu)1.2.2 電風扇工作原理電風扇工作時（假設房間與外界沒有熱傳遞）室內(nèi)的溫度不僅沒有降低，反而會升高。讓我們一塊來分析一下溫度升高的原因：電風扇工作時，由于有電流通過電風扇的線圈，導線是有電阻的，所以會不可避免的產(chǎn)生熱量向外放熱，故溫度會升高。但人們?yōu)槭裁磿杏X到?jīng)鏊?？因為人體的體表有大量的汗液，當電風扇工作起來以后，室內(nèi)的空氣會流動起來，所以就能夠促進汗液的急速蒸發(fā)，結(jié)合“蒸發(fā)需要吸收大量的熱量” ，故人們會感覺到?jīng)鏊?風扇在轉(zhuǎn)動時，扇葉后面空氣的流速要慢于扇葉前面空氣的流速，這樣后面空氣的壓力就比前面的大，這個壓力差，就推動空氣向前，形成風了。課程設計9第二章 電風扇搖頭機構(gòu)的設計2.1 電風扇搖頭機構(gòu)設計概述搖頭機構(gòu)由減速機構(gòu)、連桿機構(gòu)、控制機構(gòu)與過載保護裝置組成，形式有兩種:離合式與撥式。隨著時代的發(fā)展, 電風扇的搖頭機構(gòu)也不僅僅限于這些, 例如就有一種電風扇搖頭機構(gòu)，包括電動機、齒箱總成、搖頭連桿，電動機及齒箱總成安裝在Ｙ型支架上，Ｙ型支架固定在連接頭上，其中搖頭連桿一端與Ｙ型支架連接，另一端通過傳動機構(gòu)與齒箱總成連接。所述的傳動機構(gòu)是受齒箱總成控制的做旋轉(zhuǎn)運動的上下曲柄蓋，曲柄蓋與連桿配合推動電風扇做復合搖頭運動。由于采用機械式傳動取代了同步電機，使性能更穩(wěn)定、質(zhì)量更可靠，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。還有一種可調(diào)搖頭角度的電風扇搖頭機構(gòu), 包括連于連桿一端的搖臂輪，以及活動連于撥輪墊孔內(nèi)的中心軸, 實現(xiàn)了電風扇搖頭擺動角度的方便調(diào)整且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于室內(nèi)放置電風扇不同的位置要求，提高了電風扇的使用效率。所以電風扇搖頭裝置多種多樣, 而且是在不斷創(chuàng)新的。課程設計102.2 電風扇搖頭裝置設計原則[1 ]1) 各構(gòu)件應最簡化, 使電風扇尾部裝在小的殼體中;2) 各構(gòu)件之間安排合理的位置,以免相互干擾;3) 搖頭應平穩(wěn);4) 發(fā)動機也應跟隨搖頭裝置搖擺;5) 應使整體結(jié)構(gòu)美觀;6) 自動擺頭、送風角度可調(diào);7) 噪音低、可定時。2.3 電風扇搖頭裝置方案擬定 [2]考慮到執(zhí)行機構(gòu)的速度較低和電動機的經(jīng)濟性，選用同步轉(zhuǎn)速為 750r/min的電動機。臺式電風扇搖頭裝置的主要機構(gòu)是鉸鏈四桿機構(gòu)的運動。可以有多種多樣的設計方案，圖 2.1—2.4 給出了四種可用于搖頭裝置運動的執(zhí)行機構(gòu)方案。2.3.1 方案 Ⅰ (平面連桿搖頭機構(gòu))課程設計11圖 2.3 平面四桿搖頭機構(gòu)圖 2.3 所示為電風扇搖頭機構(gòu)原理，電動機外殼作為其中的一根搖桿AB，蝸輪作為連桿 BC，構(gòu)成雙搖桿機構(gòu) ABCD。蝸桿隨扇葉同軸轉(zhuǎn)動，帶動BC 作為主動件繞 C 點擺動，使搖桿 AB 帶電動機及扇葉一起擺動，實現(xiàn)一臺電動機同時驅(qū)動扇葉和搖頭機構(gòu)。該方案主要特點：（1）是一種平面連桿機構(gòu)，機構(gòu)簡單，加工方便，能承受較大載荷;（2）有渦輪蝸桿機構(gòu)，傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動性平穩(wěn)，無噪聲，反形成具有自鎖性， 但傳動效率低，磨損較嚴重，蝸桿軸向力大;（3）工作行程中，能使搖頭裝置控制符合要求。2.3.2 方案Ⅱ (另一種平面連桿搖頭機構(gòu))圖 2.4 平面四桿搖頭機構(gòu)如圖 2.4 所示上面一種搖頭機構(gòu)方案和傳動比的大小，方案Ⅱ應用在傳動比大的運動機構(gòu)中。由已知條件和運動要求進行四連桿機構(gòu)的尺寸綜合，計算電動機功率、連桿機構(gòu)設計等，繪出機械系統(tǒng)運動方案的電風扇的搖頭機構(gòu)中，電機裝在搖桿 1 上，鉸鏈 B 處裝有一個蝸輪。電機轉(zhuǎn)動時，電機軸上的蝸桿帶課程設計12動蝸輪, 蝸輪與小齒輪空套在同一根軸上,再由小齒輪帶動大齒輪, 而大齒輪固定在連桿上, 從而迫使連桿 2 繞 B 點作整周轉(zhuǎn)動，使連架桿 1 和 3 作往復擺動，達到風扇搖頭的目的。它具有方案Ⅰ的特點。2.3.3 對比分析選擇方案對以上四種方案進行比較, 綜合其優(yōu)缺點, 本次設計選用方案Ⅱ,原因如下:1) 采用平面連桿機構(gòu), 使結(jié)構(gòu)簡單;2) 有蝸輪蝸桿機構(gòu)，傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動性平穩(wěn)，無噪聲，反形成具有自鎖性，但傳動效率低，磨損較嚴重，蝸桿軸向力大;3) 齒輪的應用使整個傳動系統(tǒng)的傳動比減小; 4）整個機構(gòu)簡單，加工方便，節(jié)省成本。第三章 機構(gòu)的設計3.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的設計[5 ]3.1.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和基本形式如圖 3.1 所示，鉸鏈四桿機構(gòu)是由轉(zhuǎn)動副將各構(gòu)件的頭尾聯(lián)接起的封閉四桿系統(tǒng)，并使其中一個構(gòu)件固定而組成。被固定件 4 稱為機架，與機架直接鉸接的兩個構(gòu)件 1 和 3 稱為連架桿，不直接與機架鉸接的構(gòu)件 2 稱為連桿。連架桿如果能作整圈運動就稱為曲柄，否則就稱為搖桿。其類型可分為:課程設計13圖 3.1 鉸鏈四桿機構(gòu)1) 曲柄搖桿機構(gòu): 在鉸鏈四桿機構(gòu)中,若兩個連架桿中的一個為曲柄,另一個為搖桿, 則稱之為曲柄搖桿機構(gòu)。2) 雙曲柄機構(gòu): 在鉸鏈四桿機構(gòu)中, 若兩個連架桿均為曲柄, 則稱為雙曲柄機構(gòu). 當兩曲柄的長度相等且平行 (即其他兩桿的長度也相等) 時, 稱為平行雙曲柄機構(gòu). 若雙曲柄機構(gòu)的對邊桿長都相等, 但不平行, 則稱為反向雙曲柄機構(gòu)。3) 雙搖桿機構(gòu): 在鉸鏈四桿機構(gòu)中, 若兩個連架桿均為搖桿, 則稱之為雙搖桿機構(gòu)，其中在電風扇搖頭裝置中用到了雙搖桿機構(gòu)。3.1.2 平面雙搖桿機構(gòu)的分類和極限位置分析按組成它的各桿長度關系可分成兩類， 第一類是符合曲柄存在條件, 即符合格拉肖夫準則的四桿運動鏈, 而以其最短桿對邊的桿為機架組成的雙搖桿機構(gòu)。 第二類是不符合曲柄存在條件, 即最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和的四桿運動鏈, 以其任意一桿為機架構(gòu)成的雙搖桿機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)是鉸鏈四桿機構(gòu)中常見的形式之一, 在機械中有特殊曲柄存在的條件,機構(gòu)若成為雙搖桿機構(gòu), 可通過兩種途徑來實現(xiàn):課程設計14(1) 各桿長度滿肖夫判別式, 即最短桿與最長桿長度之和小于或等于其它兩桿長度之和。且以最短桿的對邊為機架, 即可得到雙搖桿機構(gòu)。根據(jù)低副運動的可逆性原則, 由于此時最短桿是雙整轉(zhuǎn)副件, 所以, 連桿與兩搖桿之間的轉(zhuǎn)動副仍為整轉(zhuǎn)副。因此搖桿的兩極限位置分別位于連桿(最短桿) 與另一搖桿的兩次共線位置, 即一次為連桿與搖桿重疊共線, 如圖3.2 所示AB′C′D, 另一 次為連桿與搖桿的拉直共線即圖中所示ABCD。 搖桿的兩極限位置與曲柄搖桿機構(gòu)中搖桿的極限位置的確定方法相同, 很容易找到。圖 3.2 兩極限位置的確定(2) 各桿長度不滿足格拉肖夫判別式, 即最短桿與最長桿長度之和大于其它兩桿長度之和。則無論哪個構(gòu)件為機架機構(gòu)均為雙搖桿機構(gòu)。此時, 機構(gòu)中沒有整轉(zhuǎn)副存在, 即兩搖桿與連架桿及連之間的相對轉(zhuǎn)動角度都小于360°。3.1.3 四桿位置和尺寸的確定課程設計15由電扇電動機轉(zhuǎn)速 n=750r/min，電扇搖頭周期 T=10s。電扇擺動角度ψ=100 與急回系數(shù) k=1.03 的設計要求, 可知,級位夾角為 180°*(K-1)/(K+1)=2.6°很小,視為 0°, 如圖 3.3 所示 BC,CD 共線, 先取搖桿 LAB長為 70, 確定AB 的位置,然后讓搖桿 AB 逆時針旋轉(zhuǎn) 100°,即 A′B′, 再確定機架 AD 的位置, 且 LAD 取 90, 注: AD 只能在搖桿 AB, A′B′的同側(cè)。當桿 AB 處在左極限時, BC, CD 共線 , LBC 與 LCD 之和可以得出,即 LBC+ LCD=131 ①, 當 AB 處在右極限時,即圖中 A′B′的位置, 此時 BC, CD 重疊,即 LC′D′ - LB′C′ =25 ② ,由①,②式可得 LBC為 53, LCD為 78, B 點的運動軌跡為圓弧 B B′, LBC+LAD=143=(12+0.1z 2)m=21.125蝸輪最大外圓直徑 d a2 da2=da2+2m=63.5蝸輪輪圓寬 b b=0.75da1=16.883.3.3 渦輪蝸桿建模課程設計223.4 齒輪機構(gòu)的設計 [7]3.4.1 齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和選用原則課程設計23齒輪傳動與其他傳動機構(gòu)相比, 有以下優(yōu)點:1) 傳遞運動準確可靠, 傳遞的圓周速度范圍較大;2) 傳遞功率范圍可從幾瓦到十萬千瓦;3) 使用效率高,壽命長,結(jié)構(gòu)緊湊;4) 可傳遞在空間任意配置的兩軸之間的傳動。根據(jù)齒輪傳動比 i=5.9, 以及大小齒輪安裝位置, 小齒輪的齒數(shù)小于 17, 所用齒輪齒數(shù)較少, 標準齒輪不能滿足要求, 所以采用變位齒輪。變位齒輪是在不改變齒輪基本參數(shù)(m、z、α) 的條件下, 切齒時只變動刀具與坯的相對位置而加工出來的齒輪, 在切制時, 刀具與被切齒輪間的相對運動關系和切制標準齒輪相同, 只是將刀具相對齒輪中心移近或離開一段距離xm, x 稱為變位系數(shù), 此時加工出來的齒輪 , 它們的基本參數(shù)(基圓、分度圓和齒形)不變, 但分度圓上的齒厚、齒間距、齒頂高和齒根高都和標準齒輪不同了。3.4.2 齒輪機構(gòu)的幾何尺寸計算傳動比 i i=88/15=5.9分度圓 d 1 d2 d1=mz1=7.5 d2=mz2=44模數(shù) m1 m2 m1=d1/z1=7.5/15=0.5 m2=d2/m2=44/88=0.5齒頂高 h a ha1=(ha*+x2)m=0.75 ha2=(ha*+x2)m=0.25齒根高 hf hf1=(ha*+c*-x1)m=0.0425 hf2=(ha*+c*-x2)m=0.925齒高 h h1=h a1+hf1=1.175 h2=ha2+hf2=1.175課程設計24齒頂圓直徑 d a da1=d1+2ha1=9 da2=d2+2ha2=44.5齒根圓直徑 d f df1=d1-2hf1=6.65 df2=d2-2hf2=42.15中心距 a a=1/2(7.5+44)=25.75基圓直徑 d b db1=d1 cosα=7.1 db2=d2 cosα=41.3齒頂圓壓力角 α a α a1=arcos(db1/da1)=37.9° α a2=arcos(db2/ba2)=21.86°齒寬 b b=12m=63.4.3 齒輪機構(gòu)的建模課程設計25第四章 平面連桿機構(gòu)的運動分析4.1 概述機構(gòu)運動分析是不考慮引起機構(gòu)運動的外力的影響, 而僅從幾何角度出發(fā), 根據(jù)已知的原動件的運動規(guī)律,確定機構(gòu)其他構(gòu)件上各點的位移(軌跡)、速度和加速度, 或構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度等運動參數(shù)。 無論是分析研究現(xiàn)有機械的工作性能, 還是優(yōu)化綜合新機械, 機構(gòu)運動分析都是十分重要的。4.2 平面連桿機構(gòu)的運動分析 [8]平面機構(gòu)運動分析的方法主要有圖解法和解析法。 圖解法概念清晰、形象直觀。隨著計算機技術技術和數(shù)值方法的發(fā)展, 不僅解析運算冗繁的困難得以解決, 而且采用電算解析法體現(xiàn)出運算速度快, 計算精度高的顯著優(yōu)勢。 但由于主動桿件是連桿, 所以本文從圖解法考慮, 主動桿2從極限位置如圖4.1所示開始, 順時針旋轉(zhuǎn)90°,到達圖4.2位置,依次下去, 分析如下:課程設計26圖 4.1 運動分析的BC起始位置1(1) 如上圖所示, AB處在左極限位置, 可以得到搖桿AB與機架AD夾角約為110°, 用瞬心法求得W AB1/WBC=P12P42/P41P12=0Rad/s(P12與P42重疊)。圖 4.2 BC順時針旋轉(zhuǎn)90°后的位置2(2) 如上圖所示,BC逆時針旋轉(zhuǎn)90°,可以得到搖桿AB與機架AD夾角為28°, 用瞬心法求解得,W AB/WBC=P12P42/P41P12=32/70 由上面可知W BC=0.27Rad/s, 所以求得, WAB2=0.123Rad/s。課程設計27圖 4.3 BC繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°后的位置3(3) 如上圖所示, BC繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°, 可以得到搖桿AB與機架AD夾角為11°, 用瞬心法求解得,W AB/WBC=P12P42/P41P12=0/70 所以, W AB3=0Rad/s。圖 4.4 BC繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°后的位置4(4) 如上圖所示, BC繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°, 可以得到搖桿AB與機架AD夾角為54°, 用瞬心可知, W AB/WBC=P12P42/P41P12=55/70。由上面可知W BC=0.27Rad/s, 所以求得, WAB4=0.212Rad/s。 綜上所述, 由 WBC=0.27Rad/s, 可求得, BC 在每旋轉(zhuǎn) 90°時, 搖桿的角加速度大小與方向是不一樣的, 用矢量法求解, 在圖 4.2 中可得, a1=0.717,圖 4.3 中得, a2=-0.717, 課程設計28圖 4-4 中得, a 3=1.23。這里主要介紹 FLASH 的制作過程：1、 設置場景屬性如圖 5.3 所示圖 5.3 設置場景2、 制作運動機構(gòu)的各個元件，具體運動情況可觀看 PROE 的仿真。（1） 繪制機架 LAD=90 如圖 5.4 所示:圖 5.4 機架（2）蝸桿蝸輪機構(gòu)，因為電動機固定在擺桿 AB 上，所以將它們作為一個元件,課程設計29見圖 5.5。圖 5.5 蝸輪蝸桿（3）大齒輪，因為大齒輪固定在連桿上，所以 BC 將它們作為一個元件，見圖5.6；圖 5.6 大齒輪（4）小齒輪見圖 5.7圖 5.7 小齒輪課程設計30（5）右面的搖桿 CD，見圖 5.8圖 5.8 搖桿3、 按照臺式電風扇搖頭機構(gòu)各個狀態(tài)，各元件的不同位置擺放，建幀，除了幾個特殊位置，為了保證播放的連續(xù)性，還添加了幾幀。