电风扇摇头机构机械原理课程设计说明书.docx
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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=10s;
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（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=[301001000.52];%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,'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functionf=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（p
si/2））^2;
f2=yg^2+x（3）^2-2*yg*x（3）*cos（x（4））-（x
（2）-x
（1））^2;f3=yg^2+x（3）^2-2*yg*x（3）*cos（x（4）+psi）-（x
（2）+x
（1））^2;f4=yg^2+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，n
K,,,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,2.970H
nz蜗杆蜗轮nnz''蜗杆蜗杆蜗轮H蜗轮n,，nHi,,,12''''''z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,,1nnHH7'''nznzHH蜗杆蜗杆
z蜗轮
4.7859z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
''''Hn,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,18gabzzn55，90Fabai,1，,1，,17.176,
减速箱zz17，18ngFH
m=1
8
五、机构的运动分析
方案一:
双摇杆机构运动分析曲线
电风扇叶片位移（）（deg）
0.000
024*********
-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）40.000
30.000
20.000
10.000
0.000
024*********
-10.000
-20.000
-30.000
时间（s）
图10速度
9
电风扇摇头加速度（）（deg/s^2）20.000
10.000
0.000
024*********
-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
13
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/s^2）0.00000-114.00200-25.460901.720120.10000-116.53820-25.259502.312930.20000-119.05200-24.997002.942940.30000-121.53500-24.669403.617910.40000-123.98300-24.271704.345260.50000-126.38726-23.798405.131710.60000-128.74000-23.243205.982610.70000-131.03300-22.599606.901110.80000-133.25700-21.860807.886950.90000-135.40200-21.020108.935081.00000-137.45700-20.0720010.034101.10000-139.41200-19.0122611.164601.20000-141.25600-17.8390012.298161.30000-142.97600-16.5538013.397401.40000-144.56311-15.1622014.417001.50000-146.00600-13.6747015.307301.60000-147.29500-12.1067016.019701.70000-148.42500-10.4781016.513061.80000-149.39000-8.8122816.760401.90000-150.18700-7.1344916.753332.00000-150.81700-5.4697016.504202.10000-151.28200-3.8407216.043502.20000-151.58700-2.2666015.415102.30000-151.73800-0.7616014.669602.40000-151.742000.6651213.857702.50000-151.608002.0092813.025402.60000-151.342883.2707812.210402.70000-150.956004.4529011.44160
14
2.80000-150.455005.5613210.739002.90000-149.846006.6033210.114803.00000-149.136007.587119.575363.10000-148.330008.521289.122303.20000-147.433009.414418.754263.30000-146.4480010.274908.467893.40000-145.3790011.110608.258673.50000-144.2270011.928998.121533.60000-142.9940012.737108.051223.70000-141.6800013.541308.042493.80000-140.2850014.347508.090163.90000-138.8100015.161038.189134.00000-137.2530015.986808.334214.10000-135.6120016.829208.520014.20000-133.8860017.692008.740654.30000-132.0730018.578308.989454.40000-130.1700019.490579.258584.50000-128.1740020.430409.538594.60000-126.0830021.398309.817854.70000-123.8930022.3935010.081904.80000-121.6030223.4136010.312904.90000-119.2100024.4542010.488475.00000-116.7120025.5085010.581155.10000-114.1080026.5665010.557405.20000-111.3990027.6148010.377105.30000-108.5860028.635209.992545.40000-105.6730029.604669.349385.50000-102.6680030.494408.387065.60000-99.5783031.269307.041485.70000-96.4190031.887815.249405.80000-93.2076032.302402.955245.90000-89.9670032.460800.120836.00000-86.7258032.30820-3.262326.10000-83.5175431.79120-7.15901
15
6.20000-80.3813030.86230-11.477406.30000-77.3600029.48680-16.060706.40000-74.4994027.64860-20.688706.50000-71.8454025.35650-25.093106.60000-69.4420022.64700-28.988806.70000-67.3278019.58440-32.115906.80000-65.5340016.25590-34.283266.90000-64.0821312.76290-35.400307.00000-62.983409.21031-35.487007.10000-62.238805.69603-34.660007.20000-61.840102.30273-33.100907.30000-61.77210-0.90673-31.018707.40000-62.01390-3.89037-28.616407.50000-62.54180-6.62523-26.069107.60000-63.33040-9.10394-23.512907.70000-64.35420-11.33080-21.044007.80000-65.58860-13.31770-18.723707.90000-67.01033-15.08160-16.585208.00000-68.59810-16.64130-14.641108.10000-70.33240-18.01620-12.890408.20000-72.19580-19.22550-11.323208.30000-74.17260-20.28650-9.924848.40000-76.24870-21.21550-8.678328.50000-78.41180-22.02670-7.566048.60000-80.65050-22.73260-6.570838.70000-82.95510-23.34420-5.676568.80000-85.31660-23.87080-4.868298.90000-87.72670-24.32030-4.132469.00000-90.17830-24.69930-3.456739.10000-92.66440-25.01320-2.829919.20000-95.17890-25.26650-2.241809.30000-97.71580-25.46260-1.683009.40000-100.27000-25.60380-1.144779.50000-102.83500-25.69190-0.61882
16
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