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台式电风扇摇头机构设计教学内容
台式电风扇摇头机构设计
课程设计
台式电风扇摇头装置机构
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台式电风扇摇头装置机构设计
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,动态演示
第一章引言
1.1电风扇发展现状和前景展望
近年来，相较人们对空调的普遍关注，电风扇市场就有点门庭冷落。
但空调高耗电量且封闭空间的弊端，使得通风效果相对较好、功耗相对较低的电风扇仍然存在很大的市场。
所以有必要研究电风扇的发展。
电风扇又称电扇，用于散热，夏天用它来清凉为好,还可用来驱散室内热气。
1882年，美国纽约的克罗卡日卡齐斯发动机厂的主任技师休伊斯卡茨霍伊拉，最早发明了商品化的电风扇。
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。
如今，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，塔式气流扇尊贵典雅，卡通台扇娇巧可爱，而电脑控制、自然风、睡眠风、负离子功能等这些本属于空调器的功能，也被众多的电风扇厂家拿来做文章，并在此基础上增加了照明、驱蚊等更多的实用功能。
据统计，市场成熟度颇高的电风扇行业在国内仍然存在着相当大的市场容量，但由于这个行业技术比较陈旧，外观固定单一，市场上常见的落地扇、转页扇、台扇、壁扇、楼顶扇、吊扇这几个传统类型电风扇的外观和功能的同质化现象十分严重，严重影响和制约了这个市场的发展和提升。
但近年来一些主流企业开始有所觉察，他们通过积极创新，突破老式的传统设计，纷纷开发出了一系列更富创新力，更具差异化个性的新产品，以求继续做大蛋糕和进行产品升级。
1.2电风扇的结构与工作原理
1.2.1电风扇的结构
如图1.1所示,台扇由扇叶、网罩、扇头、调速机构、底座等部分组成,扇头是台扇中最复杂、最重要的部件，由电动机、前后端盖及摇头机构等构成,而吊扇主要由扇头、上下罩、吊杆、吊攀以及独立安装的调速器组成。
转页扇由于导风轮的作用，使其送出的风风力柔和，舒适宜人。
图1.1台扇的基本结构
1.2.2电风扇工作原理
电风扇工作时（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。
让我们一块来分析一下温度升高的原因：
电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高。
但人们为什么会感觉到凉爽呢？
因为人体的体表有大量的汗液，当电风扇工作起来以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。
风扇在转动时，扇叶后面空气的流速要慢于扇叶前面空气的流速，这样后面空气的压力就比前面的大，这个压力差，就推动空气向前，形成风了。
第二章电风扇摇头机构的设计
2.1电风扇摇头机构设计概述
摇头机构由减速机构、连杆机构、控制机构与过载保护装置组成，形式有两种:
离合式与拨式。
随着时代的发展,电风扇的摇头机构也不仅仅限于这些,例如就有一种电风扇摇头机构，包括电动机、齿箱总成、摇头连杆，电动机及齿箱总成安装在Ｙ型支架上，Ｙ型支架固定在连接头上，其中摇头连杆一端与Ｙ型支架连接，另一端通过传动机构与齿箱总成连接。
所述的传动机构是受齿箱总成控制的做旋转运动的上下曲柄盖，曲柄盖与连杆配合推动电风扇做复合摇头运动。
由于采用机械式传动取代了同步电机，使性能更稳定、质量更可靠，且结构简单、成本低。
还有一种可调摇头角度的电风扇摇头机构,包括连于连杆一端的摇臂轮，以及活动连于拨轮垫孔内的中心轴,实现了电风扇摇头摆动角度的方便调整且结构紧凑，适用于室内放置电风扇不同的位置要求，提高了电风扇的使用效率。
所以电风扇摇头装置多种多样,而且是在不断创新的。
2.2电风扇摇头装置设计原则[1]
1）各构件应最简化,使电风扇尾部装在小的壳体中;
2）各构件之间安排合理的位置,以免相互干扰;
3）摇头应平稳;
4）发动机也应跟随摇头装置摇摆;
5）应使整体结构美观;
6）自动摆头、送风角度可调;
7）噪音低、可定时。
2.3电风扇摇头装置方案拟定[2]
考虑到执行机构的速度较低和电动机的经济性，选用同步转速为750r/min的电动机。
台式电风扇摇头装置的主要机构是铰链四杆机构的运动。
可以有多种多样的设计方案，图2.1—2.4给出了四种可用于摇头装置运动的执行机构方案。
2.3.1方案Ⅰ（平面连杆摇头机构）
图2.3平面四杆摇头机构
图2.3所示为电风扇摇头机构原理，电动机外壳作为其中的一根摇杆AB，蜗轮作为连杆BC，构成双摇杆机构ABCD。
蜗杆随扇叶同轴转动，带动BC作为主动件绕C点摆动，使摇杆AB带电动机及扇叶一起摆动，实现一台电动机同时驱动扇叶和摇头机构。
该方案主要特点：
（1）是一种平面连杆机构，机构简单，加工方便，能承受较大载荷;
（2）有涡轮蜗杆机构，传动比大，结构紧凑，传动性平稳，无噪声，反形成具有自锁性，但传动效率低，磨损较严重，蜗杆轴向力大;
（3）工作行程中，能使摇头装置控制符合要求。
2.3.2方案Ⅱ（另一种平面连杆摇头机构）
图2.4平面四杆摇头机构
如图2.4所示上面一种摇头机构方案和传动比的大小，方案Ⅱ应用在传动比大的运动机构中。
由已知条件和运动要求进行四连杆机构的尺寸综合，计算电动机功率、连杆机构设计等，绘出机械系统运动方案的电风扇的摇头机构中，电机装在摇杆1上，铰链B处装有一个蜗轮。
电机转动时，电机轴上的蜗杆带动蜗轮,蜗轮与小齿轮空套在同一根轴上,再由小齿轮带动大齿轮,而大齿轮固定在连杆上,从而迫使连杆2绕B点作整周转动，使连架杆1和3作往复摆动，达到风扇摇头的目的。
它具有方案Ⅰ的特点。
2.3.3对比分析选择方案
对以上四种方案进行比较,综合其优缺点,本次设计选用方案Ⅱ,原因如下:
1）采用平面连杆机构,使结构简单;
2）有蜗轮蜗杆机构，传动比大，结构紧凑，传动性平稳，无噪声，反形成具有自锁性，但传动效率低，磨损较严重，蜗杆轴向力大;
3）齿轮的应用使整个传动系统的传动比减小;
4）整个机构简单，加工方便，节省成本。
第三章 机构的设计
3.1铰链四杆机构的设计[5]
3.1.1铰链四杆机构的组成和基本形式
如图3.1所示，铰链四杆机构是由转动副将各构件的头尾联接起的封闭四杆系统，并使其中一个构件固定而组成。
被固定件4称为机架，与机架直接铰接的两个构件1和3称为连架杆，不直接与机架铰接的构件2称为连杆。
连架杆如果能作整圈运动就称为曲柄，否则就称为摇杆。
其类型可分为:
图3.1铰链四杆机构
1）曲柄摇杆机构:
在铰链四杆机构中,若两个连架杆中的一个为曲柄,另一个为摇杆,则称之为曲柄摇杆机构。
2）双曲柄机构:
在铰链四杆机构中,若两个连架杆均为曲柄,则称为双曲柄机构.当两曲柄的长度相等且平行（即其他两杆的长度也相等）时,称为平行双曲柄机构.若双曲柄机构的对边杆长都相等,但不平行,则称为反向双曲柄机构。
3）双摇杆机构:
在铰链四杆机构中,若两个连架杆均为摇杆,则称之为双摇杆机构，
其中在电风扇摇头装置中用到了双摇杆机构。
3.1.2平面双摇杆机构的分类和极限位置分析
按组成它的各杆长度关系可分成两类，第一类是符合曲柄存在条件,即符合格拉肖夫准则的四杆运动链,而以其最短杆对边的杆为机架组成的双摇杆机构。
第二类是不符合曲柄存在条件,即最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和的四杆运动链,以其任意一杆为机架构成的双摇杆机构。
双摇杆机构是铰链四杆机构中常见的形式之一,在机械中有特殊曲柄存在的条件,机构若成为双摇杆机构,可通过两种途径来实现:
（1）各杆长度满肖夫判别式,即最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。
且以最短杆的对边为机架,即可得到双摇杆机构。
根据低副运动的可逆性原则,由于此时最短杆是双整转副件,所以,连杆与两摇杆之间的转动副仍为整转副。
因此摇杆的两极限位置分别位于连杆（最短杆）与另一摇杆的两次共线位置,即一次为连杆与摇杆重叠共线,如图3.2所示AB′C′D,另一次为连杆与摇杆的拉直共线即图中所示ABCD。
摇杆的两极限位置与曲柄摇杆机构中摇杆的极限位置的确定方法相同,很容易找到。
图3.2两极限位置的确定
（2）各杆长度不满足格拉肖夫判别式,即最短杆与最长杆长度之和大于其它两杆长度之和。
则无论哪个构件为机架机构均为双摇杆机构。
此时,机构中没有整转副存在,即两摇杆与连架杆及连之间的相对转动角度都小于360°。
3.1.3四杆位置和尺寸的确定
由电扇电动机转速n=750r/min，电扇摇头周期T=10s。
电扇摆动角度ψ=100与急回系数k=1.03的设计要求,可知,级位夹角为180°*（K-1）/（K+1）=2.6°很小,视为0°,如图3.3所示BC,CD共线,先取摇杆LAB长为70,确定AB的位置,然后让摇杆AB逆时针旋转100°,即A′B′,再确定机架AD的位置,且LAD取90,注:
AD只能在摇杆AB,A′B′的同侧。
当杆AB处在左极限时,BC,CD共线,LBC与LCD之和可以得出,即LBC+LCD=131①,当AB处在右极限时,即图中A′B′的位置,此时BC,CD重叠,即LC′D′-LB′C′=25②,由①,②式可得LBC为53,LCD为78,B点的运动轨迹为圆弧BB′,LBC+LAD=143图3.4矢量法分析连杆角速度
确定四根杆长之后,画出其一般位置如图3.4所示,此时可根据理论力学知识求出杆AB,BC,CD的速度,已知VAB=WABLAB=（100°/180∏）*70=24.4mm/s,在下图小三角行中,可求出WBC=0.27Rad/s。
3.2原动机的选择和传动比的分配[6]
3.2.1原动机的选择
电风扇的电动机大多数采用电容运转式交流单相异步电动机，主要由定子、转子、盖等组成，其结构如图3.5所示。
图3.5电容式电动机结构示意图
其设计规定转速n=750r/min,可得,w=2∏n=78.5rad/s,通过查手册（见表3.1）,可选择所需的原动机
代号
功率/w
转速/r*min-1
效率（%）
功率因数
堵转转矩额定转矩
堵转电流/A
声功率级/Db（A）
机座
铁心
级数
50
1
2
40
740
47
0.90
0.5
1.5
65
2
2
60
53
2.0
70
1
4
25
750
38
0.85
0.55
1.2
60
2
4
40
45
1.5
表3.1原动机的选择
3.2.2传动比的分配
由上面可知连杆的角速度WBC=0.27Rad/s,而电动机的角速度w=78.5rad/s所以
总传动比i=290
由此可以把传动比分配给蜗轮蜗杆与齿轮传动,其中,蜗涡轮蜗杆的传动比i1=w1/w2=49.齿轮的传动比i2=w2/w3=5.9
3.3蜗轮蜗杆机构的结构特点[6]
3.3.1蜗轮蜗杆机构的结构特点
蜗轮蜗杆机构又称蜗杆传动机构,由蜗杆及蜗轮组成,主要用于传递两交错轴间的传动及动力的空间啮合传动装置,通常两轴的交错角为90°。
蜗杆是具有梯形螺纹或接近梯形螺纹的螺杆,而蜗轮则是开式螺母,所以蜗杆传动可以看成为螺杆螺母的传动。
另外根据齿轮啮合原理可知，罗干传动是由螺旋齿轮传动演变而来的。
蜗杆传动具有以下特点:
1）传动比大,结构紧凑.一般可实现i12=10—100,在不传递动力的分度机构中,i12可达500以上,因此结构十分紧凑;
2）传动平稳,无噪声,因啮合时线接触,且具有螺旋机构的特点,故其承载能力强;
3）反行程具有自锁性.当蜗杆导程角γ1小于啮合轮齿间的当量摩擦角时,机构反行程具有自锁性,即只能有蜗杆带动蜗轮传动,而不能有蜗轮带动蜗杆运动;
4）传动效率较低,磨损较严重。
3.3.2蜗轮蜗杆机构的几何尺寸计算
蜗杆轴向模数（蜗轮端面模数）mm=1.25
传动比ii=49
蜗杆头数z1z1=1
蜗轮齿数z2z2=iz1=49
蜗杆直径系数（蜗杆特性系数）qq=d1/m=16
蜗杆变位系数x2x2=a/m–（d1+d2）/2m=-0.5
中心距aa=（d1+d2+2x2m）/2=40
蜗杆分度圆导程角γtanγ=z1/q=mz1/d1=0.0625
蜗杆节圆柱导程角γ′tanγ′=z1/（q+2x2）=0.0667
蜗杆轴向齿形角αα=20°（阿基米德圆柱蜗杆）
蜗杆（轮）法向齿形角αntanαn=tanαcosγ=0.363
顶隙cc=c*m=0.2X1.25=0.25
蜗杆蜗轮齿顶高ha1ha2ha1=ha*m=1/2（da1-d1）=1X1.25=1.25
ha2=m（ha*+x2）=1/2（da2-d2）=1.25（1-0.5）=0.625
（一般ha*=1）
蜗杆蜗轮齿根高hf1hf2hf1=（ha*+c*）m=1/2（d1-df1）
=（1+0.2）X1.25=1.5
hf2=1/2（d2-df2）=m（ha*-x2+c*）
=1.25（1+0.5+0.2）=2.215
蜗杆蜗轮分度圆直径d1d2d1=qm=16X1.25=20
d2=mz2=2a-d1-2x2m=61.25
蜗杆蜗轮节圆直径d1′d2′d1′=（q+2x2）m=d1+2x2m=18.75
d2′=61.25
蜗杆、齿顶圆直径da1蜗轮喉圆直径da2da1=（q+2）m=22.5
da2=（z2+2+2x2）m=62.5
da1=d1+2ha1=22.5
da2=d2+2ha2=62.5
蜗杆蜗轮齿根圆直径df1df2df1=d1-2hf1=17
df2=d2-2hf2=57
蜗杆轴向齿距pxpx=∏m=3.925
蜗杆轴向齿厚sxsx=0.5∏m=1.96
蜗杆法向齿厚snsn=sxcosγ=1.93
蜗杆分度圆法向旋齿高hn1hn1=m=1.25
蜗杆螺纹部分长度ll>=（12+0.1z2）m=21.125
蜗轮最大外圆直径da2da2<=da2+2m=63.5
蜗轮轮圆宽bb=0.75da1=16.88
3.3.3涡轮蜗杆建模
3.4齿轮机构的设计[7]
3.4.1齿轮机构的结构特点和选用原则
齿轮传动与其他传动机构相比,有以下优点:
1）传递运动准确可靠,传递的圆周速度范围较大;
2）传递功率范围可从几瓦到十万千瓦;
3）使用效率高,寿命长,结构紧凑;
4）可传递在空间任意配置的两轴之间的传动。
根据齿轮传动比i=5.9,以及大小齿轮安装位置,小齿轮的齿数小于17,所用齿轮齿数较少,标准齿轮不能满足要求,所以采用变位齿轮。
变位齿轮是在不改变齿轮基本参数（m、z、α）的条件下,切齿时只变动刀具与坯的相对位置而加工出来的齿轮,在切制时,刀具与被切齿轮间的相对运动关系和切制标准齿轮相同,只是将刀具相对齿轮中心移近或离开一段距离xm,x称为变位系数,此时加工出来的齿轮,它们的基本参数（基圆、分度圆和齿形）不变,但分度圆上的齿厚、齿间距、齿顶高和齿根高都和标准齿轮不同了。
3.4.2齿轮机构的几何尺寸计算
传动比ii=88/15=5.9
分度圆d1d2d1=mz1=7.5d2=mz2=44
模数m1m2m1=d1/z1=7.5/15=0.5m2=d2/m2=44/88=0.5
齿顶高haha1=（ha*+x2）m=0.75ha2=（ha*+x2）m=0.25
齿根高hfhf1=（ha*+c*-x1）m=0.0425hf2=（ha*+c*-x2）m=0.925
齿高hh1=ha1+hf1=1.175h2=ha2+hf2=1.175
齿顶圆直径dada1=d1+2ha1=9da2=d2+2ha2=44.5
齿根圆直径dfdf1=d1-2hf1=6.65df2=d2-2hf2=42.15
中心距aa=1/2（7.5+44）=25.75
基圆直径dbdb1=d1cosα=7.1db2=d2cosα=41.3
齿顶圆压力角αaαa1=arcos（db1/da1）=37.9°αa2=arcos（db2/ba2）=21.86°
齿宽bb=12m=6
3.4.3齿轮机构的建模
第四章平面连杆机构的运动分析
4.1概述
机构运动分析是不考虑引起机构运动的外力的影响,而仅从几何角度出发,根据已知的原动件的运动规律,确定机构其他构件上各点的位移（轨迹）、速度和加速度,或构件的角位移、角速度和角加速度等运动参数。
无论是分析研究现有机械的工作性能,还是优化综合新机械,机构运动分析都是十分重要的。
4.2平面连杆机构的运动分析[8]
平面机构运动分析的方法主要有图解法和解析法。
图解法概念清晰、形象直观。
随着计算机技术技术和数值方法的发展,不仅解析运算冗繁的困难得以解决,而且采用电算解析法体现出运算速度快,计算精度高的显著优势。
但由于主动杆件是连杆,所以本文从图解法考虑,主动杆2从极限位置如图4.1所示开始,顺时针旋转90°,到达图4.2位置,依次下去,分析如下:
图4.1运动分析的BC起始位置1
（1）如上图所示,AB处在左极限位置,可以得到摇杆AB与机架AD夹角约为110°,用瞬心法求得WAB1/WBC=P12P42/P41P12=0Rad/s（P12与P42重叠）。
图4.2BC顺时针旋转90°后的位置2
（2）如上图所示,BC逆时针旋转90°,可以得到摇杆AB与机架AD夹角为28°,用瞬心法求解得,WAB/WBC=P12P42/P41P12=32/70由上面可知WBC=0.27Rad/s,所以求得,WAB2=0.123Rad/s。
图4.3BC继续旋转90°后的位置3
（3）如上图所示,BC继续旋转90°,可以得到摇杆AB与机架AD夹角为11°,用瞬心法求解得,WAB/WBC=P12P42/P41P12=0/70所以,WAB3=0Rad/s。
图4.4BC继续旋转90°后的位置4
（4）如上图所示,BC继续旋转90°,可以得到摇杆AB与机架AD夹角为54°,用瞬心可知,WAB/WBC=P12P42/P41P12=55/70。
由上面可知WBC=0.27Rad/s,所以求得,WAB4=0.212Rad/s。
综上所述,由WBC=0.27Rad/s,可求得,BC在每旋转90°时,摇杆的角加速度大小与方向是不一样的,用矢量法求解,在图4.2中可得,a1=0.717,图4.3中得,a2=-0.717,图4-4中得,a3=1.23。
这里主要介绍FLASH的制作过程：
1、设置场景属性如图5.3所示
图5.3设置场景
2、制作运动机构的各个元件，具体运动情况可观看PROE的仿真。
（1）绘制机架LAD=90如图5.4所示:
图5.4机架
（2）蜗杆蜗轮机构，因为电动机固定在摆杆AB上，所以将它们作为一个元件,见图5.5。
图5.5蜗轮蜗杆
（3）大齿轮，因为大齿轮固定在连杆上，所以BC将它们作为一个元件，见图5.6；
图5.6大齿轮
（4）小齿轮见图5.7
图5.7小齿轮
（5）右面的摇杆CD，见图5.8
图5.8摇杆
3、按照台式电风扇摇头机构各个状态，各元件的不同位置摆放，建帧，除了几个特殊位置，为了保证播放的连续性，还添加了几帧。
图5.9运动的几种状态
4、为了能连续播放几个周期，可以重复复制各个帧。
5、将影片导出。
由上可以看出，PRE与FLASH软件相比较，前者的三维效果比较好，适用于立体机构的仿真，但针对平面机构后者用起来更方便。
第五章电风扇整体模型的建立
5.1电风扇零件的模型建立
电风扇机座的模型建立：
扇叶模型的建立:
风扇罩模型的建立：
风扇连接模型的建立：
风扇罩连接模型的建立:
装配体模型的建立：
爆炸图分析：
第六章参考文献
《机械原理》冯鉴，何俊，雷智翔，西南交通的学出版社
《机械设计》濮良贵，纪名刚，高等教育出版
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