电风扇摇头机构机械原理课程设计说明书.docx

1、电风扇摇头机构机械原理课程设计说明书电风扇摇头机构机械原理课程设计说明书一、 选题:电风扇摇头机构设计与选优 1、 选题背景 自1908年，美国的埃克发动机及电气公司，研制成功世界上最早的齿轮驱动左右摇头的电风扇。这种电风扇防止了不必要的三百六十度转头送风，而成为以后销售的主流。 2、设计要求 本题目要求设计能电风扇叶片以1450r/min的速度转动送风，同时每10秒完成一次90?的摇头，且往复行程的急回系数k=1.02(方案号:3)，从而使电风扇能够匀速地向90?范围送风。 二、 原始数据及设计要求分析 1 电风扇叶轮直径=,300; 2 叶轮转速=1450r/min; 3 摇头周期T=10

2、 s; 4 行程的急回系数k=1.02; 5 动力源是电动机; 6 摇头过程要求尽量匀速且往复行程速度变化小; 7 作为家用电器，要求噪声小、重量轻、结构紧凑，制造方便。 三、 工艺动作分解 1、电风扇工作可分为两个部分: (1) 风扇叶轮的旋转; (2) 风扇叶轮的摆头。 2、 运动按性质分解: (1) 叶轮旋转 叶轮回转运动 (2) 摆头运动 往复摆动 四、机构设计步骤 1、方案选型与评价 综上分析，运动机构就是将连续旋转运动转化为连续往复摆动，可选择的的有曲柄摇杆机构，曲柄摇块机构，摆动导杆机构，摆动从动凸轮机构，双摇杆机构，以及齿轮齿条机构。经过选择组合之后，选出一下方案: 1 图1

3、双摇杆机构 (1) 双摇杆机构 采用双摇杆机构，电动机工作带动叶轮做回转运动， 同时经过减速箱，蜗轮蜗杆减速后，带动连杆为双摇杆机构的主动件，将旋转运动转化为摇杆的摆动，带动叶轮主轴的摆动。 优点:四杆机构结构紧凑，重量轻 缺点:具有急回特性，不够匀速。 (2) 齿轮齿条+圆柱凸轮机构 图2齿轮齿条+圆柱凸轮机构 2 电动机转动直接带动蜗轮蜗杆运动，蜗轮再通过2k-H负号轮系机构减速再进过 锥形齿轮进行换向，进而带动同轴的圆柱凸轮转动，凸轮的推杆带动齿轮做直线往复运动，使得与之啮合的齿轮做往复摆动90度运动。 优点:运动连续性好，采用凸轮可以准确实现预定运动。 缺点:机构复杂，制造困难，有多个

4、齿轮会产生一定噪音。 (3)摆动凸轮 图3 摆动凸轮机构 特点:传动准确，凸轮运动精确，但是摆动角度有限，而且凸轮易磨损，不宜维护。 (4)蜗轮蜗杆加链传动，摆动导杆 图4 摆动导秆机构 特点:精确平稳，结构紧凑，但是机构急回特性明显 3 (5)斜齿轮加曲柄摇块机构 图5 曲柄摇杆机构 特点:采用斜齿轮精确传动，使运动匀速 (6)不完全齿轮齿条机构 图6 不完全齿轮齿条机构 电风扇的叶片和电机(3)固定于电机座齿轮(5)上，电机后端输出转速使锥形齿轮4转动，4齿轮与6齿轮啮合(6齿轮与5齿轮同轴但可相对转动)，6齿轮再与齿轮7啮合，齿轮7带动不完全齿轮2转动，不完全齿轮2相对的四分之一圆上有齿

5、(如上图所示)，这样在如图示的角度，假设齿轮2逆时针转动: 2转过0-90?时:2与齿条1啮合，2与齿轮5脱离，带动齿条向做移动，齿条于电机4 齿轮5啮合便使5逆时针转过90度; 2转过90-180?时:2与齿条1脱离，直接与齿轮5啮合，又使5顺时针转过90?; 2转过180-270?时:过程同转过0-90?时; 2转过270-360?时:过程同转过90-180?时。 特点:结构紧凑，连续性好，机构新颖。重量大，不符合小型家电的要求。 2、原动机的设计 原动件选择三相异步电动机，叶轮旋转的转速为1450r/min，所以不需要减速，所选电动机的输出转速也需要是1450r/min。; 3、传动机构

6、的设计 蜗轮蜗杆传动可以实现大传动比减速，改变运动平面。 定轴齿轮传动 虽然传动比小，但是易于制造安装。 2k-H轮系机构传动，可以实现大传动比减速，但是制造加工相对复杂。 锥形齿轮传动 传动比较小，可以改变运动方向。 4、主要机构的设计 双摇杆机构的重量轻，体积小; 圆柱凸轮加齿轮齿条 结构新颖、紧凑，运动连续性好。 5、机械系统运动方案的拟定与比较 最终经比较，选择了方案1和方案2。 方案1(双摇杆机构)结构简单，重量轻，符合小家电要求。 图7 方案1 5 图8 方案2 方案2(圆柱凸轮+齿轮齿条):虽然结构复杂，但是方案新颖，运动连续性好。 6、机构尺寸设计 方案一:双摇杆机构 根据已知

7、条件固定杆长设计为40mm，急回系数k=1.02，摆头角度90度 使用matlab软件进行编程 程序段如下: x0=30 100 100 0.52; %初步估计结果 k=1.02; %急回系数 theta=pi*(k-1)/(k+1); %转变为急位夹角 yg=40; %固定杆长度 psi=pi/2; %摇杆2摆角90? gamin=2*pi/9; %最小传动角40? x=fsolve(qbyg,x0); %调出子函数 fprintf(1, a = %3.4fmm n, x(1) %输出连杆长度 fprintf(1, b = %3.4fmm n, x(2) %输出摇杆1长度 fprintf(1

8、, d = %3.4fmm n, x(3) %输出摇杆2长度 fprintf(1, psi0=%3.4f度 n, x(4)*180/pi) %输出摇杆2的初始角 function f=qbyg(x); %子程序 k=1.02; %急回系数 theta=pi*(k-1)/(k+1); %急位夹角 6 yg=40; psi=pi/2; gamin=2*pi/9; f1=(x(2)+x(1)2+(x(2)-x(1)2-2*(x(2)+x(1)*(x(2)-x(1)*cos(theta)-(2*yg*sin(psi/2)2; f2=yg2+x(3)2-2*yg*x(3)*cos(x(4)-(x(2)-

9、x(1)2; f3=yg2+x(3)2-2*yg*x(3)*cos(x(4)+psi)-(x(2)+x(1)2; f4=yg2+x(2)2-2*yg*x(2)*cos(gamin)-(x(3)-x(1)2; f=f1;f2;f3;f4; 输出结果: a = 28.2583mm b = 82.9122mm d = 86.5101mm psi0=28.2417度 方案二:齿轮齿条+圆柱凸轮机构 圆柱凸轮如图所示为三段等速曲线，根据电风扇的摆头周期是10s，直接带动电风扇摆头的大齿轮就是5s摆90度，也就是3r/min,大齿轮摆90度(0.25圈)同时圆柱凸轮转1.5圈，所以圆柱凸轮转速等于6倍大齿

10、轮的转速 传动比 i 约 = 1450/18 = 80.56 行程的急回系数k=1 . 02，故大齿轮每周期平均转速为3r/min，设: 同向时:n,3，,nH ,Hn3，nK,1.02 ,反向时:n,3,n3,nHHn ,n,0.0297 同向时:n,3，,n,3.0297H所以: 反向时:n,3,n,2.970 Hnz蜗杆蜗轮nnz蜗杆蜗杆蜗轮H 蜗轮n,，nHi,12z 蜗杆nnnnzHH,，蜗轮蜗轮蜗杆 nn蜗轮蜗轮nz蜗杆蜗轮i蜗轮 n,n减速箱H,定值nn凸轮凸轮z蜗杆 nn圆柱凸轮转速等于6倍大齿轮的转速 蜗轮蜗轮nn,推出: 凸轮凸轮nznz6n6nHH蜗杆蜗轮蜗杆蜗轮,6，1

11、,1nnHH7 nznzHH 蜗杆蜗杆z 蜗轮,4.7859 z蜗杆z,19z,4选: 蜗轮蜗杆nzm,1.6蜗杆蜗轮 i,4.75，1查手册确定涡轮蜗杆模数和直径: nz蜗轮蜗轮D,20nn蜗杆蜗杆 i,减速箱 H凸轮凸轮nn6nD,30.4 蜗轮H n,3，n,3.0297由 z,19z,4H蜗轮蜗杆 , n,1450r/min 蜗杆求得: i,16.961减速箱 根据传动比选择2K-H符号机构 z,55z,17z,90z,18gabzzn55，90Faba i,1，,1，,17.176,减速箱 zz17，18ngFHm=1 8 五、机构的运动分析 方案一:双摇杆机构运动分析曲线 电风扇叶

12、片位移() ( deg )0.000024*-20.000-40.000-60.000-80.000-100.000-120.000-140.000-160.000时间 ( s )图9 位移 电风扇摇头速度 () ( deg/s )40.00030.00020.00010.0000.000024*-10.000-20.000-30.000时间 ( s ) 图10 速度 9 电风扇摇头加速度() ( deg/s2 )20.00010.0000.000024*-10.000-20.000-30.000-40.000时间 ( s ) 图11 加速度 图中数据曲线由INVENTOR运动仿真得到，详细数

13、据见附录一(表一)。 方案二:圆柱凸轮机构运动分析曲线 图12 位移 10 图13 速度 图14 加速度 图中数据曲线由INVENTOR运动仿真得到，详细数据见附录一(表二)。 11 六、机构运动仿真 在此次课程设计中，我们使用inventor软件进行运动仿真，首先对各个零部件进行造型，再通过添加约束，装配到一起，应用运动分析对整个机构进行运动仿真，设定时间，对其录像，检验运动的正确，再做调整。 渲染效果及运动方针截图见书前彩图。 七、设计心得 特别高兴我们可以有这次机会来进行机械原理课程设计，来将我们学到的理论知识应用到实例之中，在实际进行的过程中我们发现很多错误，很多不足，在这个过程中不断

14、完善自己的设计，我们明白了看似再简单的设计实际操作都有很多的问题，让我们受益良多。在尺寸设计时我们应用的matlab,一个以前没接触过的软件，我们学习编程计算出四杆的尺寸，在我们仿真时，对inventor软件又有了更深的理解应用，从造型到装配再到运动仿真，参数输出，效果渲染我们都对其进行应用，在这个过程中我们还要感谢助教路遥老师给我们的帮助，在我们遇到困难时给予提点、建议。 八、工作分工 运动方案设计:廉盟、张蕾 尺寸设计:廉盟、张蕾 运动分析:张蕾 运动仿真:廉盟、张蕾 12 参考文献 【1】机械原理指导教程(第二版) 申永胜 主编 清华大学出版社 【2】机械原理讲义 高原、王德伦 主编 1

15、3 附录 附录一:运动分析数据 表1:双摇杆机构运动分析数据 电风扇摇头速度电风扇摇头加速度时间(s) 电风扇摇头位移(deg) (deg/s) (deg/s2) 0.00000 -114.00200 -25.46090 1.72012 0.10000 -116.53820 -25.25950 2.31293 0.20000 -119.05200 -24.99700 2.94294 0.30000 -121.53500 -24.66940 3.61791 0.40000 -123.98300 -24.27170 4.34526 0.50000 -126.38726 -23.79840 5.13

16、171 0.60000 -128.74000 -23.24320 5.98261 0.70000 -131.03300 -22.59960 6.90111 0.80000 -133.25700 -21.86080 7.88695 0.90000 -135.40200 -21.02010 8.93508 1.00000 -137.45700 -20.07200 10.03410 1.10000 -139.41200 -19.01226 11.16460 1.20000 -141.25600 -17.83900 12.29816 1.30000 -142.97600 -16.55380 13.39

17、740 1.40000 -144.56311 -15.16220 14.41700 1.50000 -146.00600 -13.67470 15.30730 1.60000 -147.29500 -12.10670 16.01970 1.70000 -148.42500 -10.47810 16.51306 1.80000 -149.39000 -8.81228 16.76040 1.90000 -150.18700 -7.13449 16.75333 2.00000 -150.81700 -5.46970 16.50420 2.10000 -151.28200 -3.84072 16.04

18、350 2.20000 -151.58700 -2.26660 15.41510 2.30000 -151.73800 -0.76160 14.66960 2.40000 -151.74200 0.66512 13.85770 2.50000 -151.60800 2.00928 13.02540 2.60000 -151.34288 3.27078 12.21040 2.70000 -150.95600 4.45290 11.44160 14 2.80000 -150.45500 5.56132 10.73900 2.90000 -149.84600 6.60332 10.11480 3.0

19、0000 -149.13600 7.58711 9.57536 3.10000 -148.33000 8.52128 9.12230 3.20000 -147.43300 9.41441 8.75426 3.30000 -146.44800 10.27490 8.46789 3.40000 -145.37900 11.11060 8.25867 3.50000 -144.22700 11.92899 8.12153 3.60000 -142.99400 12.73710 8.05122 3.70000 -141.68000 13.54130 8.04249 3.80000 -140.28500

20、 14.34750 8.09016 3.90000 -138.81000 15.16103 8.18913 4.00000 -137.25300 15.98680 8.33421 4.10000 -135.61200 16.82920 8.52001 4.20000 -133.88600 17.69200 8.74065 4.30000 -132.07300 18.57830 8.98945 4.40000 -130.17000 19.49057 9.25858 4.50000 -128.17400 20.43040 9.53859 4.60000 -126.08300 21.39830 9.

21、81785 4.70000 -123.89300 22.39350 10.08190 4.80000 -121.60302 23.41360 10.31290 4.90000 -119.21000 24.45420 10.48847 5.00000 -116.71200 25.50850 10.58115 5.10000 -114.10800 26.56650 10.55740 5.20000 -111.39900 27.61480 10.37710 5.30000 -108.58600 28.63520 9.99254 5.40000 -105.67300 29.60466 9.34938

22、5.50000 -102.66800 30.49440 8.38706 5.60000 -99.57830 31.26930 7.04148 5.70000 -96.41900 31.88781 5.24940 5.80000 -93.20760 32.30240 2.95524 5.90000 -89.96700 32.46080 0.12083 6.00000 -86.72580 32.30820 -3.26232 6.10000 -83.51754 31.79120 -7.15901 15 6.20000 -80.38130 30.86230 -11.47740 6.30000 -77.

23、36000 29.48680 -16.06070 6.40000 -74.49940 27.64860 -20.68870 6.50000 -71.84540 25.35650 -25.09310 6.60000 -69.44200 22.64700 -28.98880 6.70000 -67.32780 19.58440 -32.11590 6.80000 -65.53400 16.25590 -34.28326 6.90000 -64.08213 12.76290 -35.40030 7.00000 -62.98340 9.21031 -35.48700 7.10000 -62.23880

24、 5.69603 -34.66000 7.20000 -61.84010 2.30273 -33.10090 7.30000 -61.77210 -0.90673 -31.01870 7.40000 -62.01390 -3.89037 -28.61640 7.50000 -62.54180 -6.62523 -26.06910 7.60000 -63.33040 -9.10394 -23.51290 7.70000 -64.35420 -11.33080 -21.04400 7.80000 -65.58860 -13.31770 -18.72370 7.90000 -67.01033 -15

25、.08160 -16.58520 8.00000 -68.59810 -16.64130 -14.64110 8.10000 -70.33240 -18.01620 -12.89040 8.20000 -72.19580 -19.22550 -11.32320 8.30000 -74.17260 -20.28650 -9.92484 8.40000 -76.24870 -21.21550 -8.67832 8.50000 -78.41180 -22.02670 -7.56604 8.60000 -80.65050 -22.73260 -6.57083 8.70000 -82.95510 -23

26、.34420 -5.67656 8.80000 -85.31660 -23.87080 -4.86829 8.90000 -87.72670 -24.32030 -4.13246 9.00000 -90.17830 -24.69930 -3.45673 9.10000 -92.66440 -25.01320 -2.82991 9.20000 -95.17890 -25.26650 -2.24180 9.30000 -97.71580 -25.46260 -1.68300 9.40000 -100.27000 -25.60380 -1.14477 9.50000 -102.83500 -25.6

27、9190 -0.61882 16 9.60000 -105.40600 -25.72770 -0.09720 9.70000 -107.97900 -25.71130 0.42784 9.80000 -110.54700 -25.64180 0.96400 9.90000 -113.10500 -25.51780 1.51899 10.00000 -115.64800 -25.33710 2.10058 10.10000 -118.17100 -25.09660 2.71662 10.20000 -120.66600 -24.79237 3.37490 10.30000 -123.12700

28、-24.41992 4.08301 10.40000 -125.54700 -23.97390 4.84798 10.50000 -127.91900 -23.44820 5.67572 10.60000 -130.23400 -22.83650 6.57027 10.70000 -132.48300 -22.13190 7.53272 10.80000 -134.65700 -21.32780 8.55988 10.90000 -136.74500 -20.41810 9.64275 11.00000 -138.73700 -19.39790 10.76490 11.10000 -140.6

29、2100 -18.26460 11.90120 11.20000 -142.38600 -17.01830 13.01740 11.30000 -144.02100 -15.66320 14.07050 11.40000 -145.51500 -14.20800 15.01200 11.50000 -146.86000 -12.66620 15.79220 11.60000 -148.04628 -11.05639 16.36660 11.70000 -149.06900 -9.40086 16.70240 11.80000 -149.92600 -7.72440 16.78450 11.90

30、000 -150.61400 -6.05228 16.61790 12.00000 -151.13700 -4.40831 16.22710 12.10000 -151.49800 -2.81301 15.65220 12.20000 -151.70200 -1.28239 14.94200 12.30000 -151.75700 0.17259 14.14786 12.40000 -151.67012 1.54599 13.31790 12.50000 -151.45000 2.83635 12.49310 12.60000 -151.10600 4.04585 11.70530 12.70

31、000 -150.64400 5.17943 10.97770 12.80000 -150.07196 6.24389 10.32490 12.90000 -149.39700 7.24719 9.75527 17 13.00000 -148.62400 8.19782 9.27184 13.10000 -147.75900 9.10442 8.87420 13.20000 -146.80500 9.97543 8.55957 13.30000 -145.76500 10.81900 8.32377 13.40000 -144.64100 11.64260 8.16188 13.50000 -143.43700 12.45360 8.06867 13.60000 -142.15094 13.25850 8.03887 13.70000 -140.78500 14.06330 8.06729 13.80000 -139.33800 14.87372 8.14879 13.90000 -137.81000 15.694