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1、台式电风扇摇头装置北京交通大学机械原理课程设计组长：任思远组员：陶哲承 王宇指导老师：张英2012-5-6 台式电风扇摇头装置一、设计题目及原始数据设计台式电风扇摆头装置,风扇的直径为300mm，电扇电动机转速n=1450r/min，电扇摇头周期T=10s。电扇摆动角度与急回系数k 的设计要求及任务分配见下表。台式电风扇摆头机构设计数据表方案号电扇摆角急回系数k方案号电扇摆角急回系数kA801.01D951.025B851.015E1001.03C901,.02F1051.05二、设计方案提示常见的摇头机构有杠杆式、滑板式和揿拔式等。本设计可采用平面连杆机构实现。由装在电动机主轴尾部的蜗杆带动
2、蜗轮旋转，蜗轮和小齿轮做成一体，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作为原动件，则机架、两个连架杆都作摆动，其中一个连架杆相对于机架的摆动即是摇头动作。机架可取8090mm。三、设计任务1.按给定主要参数，拟定机械传动系统总体方案，并在图纸上画出传动系统图；2.画出机构运动方案简图和运动循环图；3. 分配蜗轮蜗杆、齿轮传动比，确定它们的基本参数，设计计算几何尺寸;4. 解析法确定平面连杆机构的运动学尺寸，它应满足摆角及行程速比系数k。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。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
3、进行分析计算；6.编写设计计算说明书；7.学生可进一步完成台式电风扇摇头机构的计算机动态演示验证。前言进入二十一世纪以来，市场愈加需要各种各样性能优良、质量可靠、价格可靠、效率高、能耗低的机械产品，而决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节是产品设计。机械产品设计中，首要任务是进行机械运动方案的设计和构思、各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。机械理课程设计能够培养机械类专业学生的创新能力，是学生综合应用机械原理课程所学理论知识和技能解决问题，获得工程技术训练必不可少的实践性教学环节。我们组的设计题目是台式电风扇摇头装置，通过对设计任务的讨论分析，功能上要求完成左右摇摆和上
4、下仰俯运动。要完成这些功能需要有主动装置、减速装置、轮轴转换、四连杆装置。针对这些装置我们先选用了许多种机构并经过分析组装成了四种方案，经过仔细的分析评价，最后选择了最合适的方案。目录前言 1目录 2 1.设计题目32.设计任务33.功能分解34. 机构选用 34.1减速机构选用34.1.1齿轮传动34.2传动轴线变换选用44.2.1 蜗杆蜗轮机构44.2.2 圆锥齿轮传动54.3摇头机构选用54.3.1四连杆机构54.3.2凸轮机构64.4电风扇上下仰俯机构65.机构组合方案及评价 65.1方案一65.1.1机构分解 75.1.2优点 75.1.2缺点 75.2方案二75.2.1机构分解 7
5、5.2.2优点 75.2.3缺点 75.3方案三75.3.1 机构分解 85.3.2优点85.3.3缺点85.4方案四 85.4.1 机构分解95.4.2优点95.4.3缺点96.传动比设计96.1齿轮机构设计96.2蜗轮蜗杆轮系设计97.机构参数计算 107.1双摇杆机构设计 108.设计方案改进 119.最终方案设计及其参数 1210. 小结1411. 致谢15参考目录16台式电风扇摇头装置1设计题目一、设计题目及原始数据设计台式电风扇摆头装置,风扇的直径为300mm，电扇电动机转速n=1450r/min，电扇摇头周期T=10s。电扇摆动角度与急回系数k 的设计要求及任务分配见下表。台式电
6、风扇摆头机构设计数据表方案号电扇摆角急回系数k方案号电扇摆角急回系数kA801.01D951.025B851.015E1001.03C901,.02F1051.052设计任务1.按给定主要参数，拟定机械传动系统总体方案，并在图纸上画出传动系统图；2.画出机构运动方案简图和运动循环图；3. 分配蜗轮蜗杆、齿轮传动比，确定它们的基本参数，设计计算几何尺寸;4. 解析法确定平面连杆机构的运动学尺寸，它应满足摆角及行程速比系数k。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。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.编写设计计算说明书；7.学生可进一
7、步完成台式电风扇摇头机构的计算机动态演示验证。3功能分解电风扇的工作原理是将电风扇的送风区域进行周期性变换，达到增大送风区域的目的。显然，为了完成电风扇的摆头动作，需实现下列运动功能要求：.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。.风扇需要做上下俯仰，因此需要设计相应的俯仰机构。.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。此外，还要满足传动性能要求：表1 设计参数表方案号电扇摆角急回系数k方案号电扇摆角急回系数kA801.01D951.025B851.015E1001.03C901,.02F1051.054机构选用台式电风扇摇头机构常见的有杠杆式、滑板式等
8、，可以将风扇的摇头动作分解为风扇左右摆动和风扇上下俯仰运动。要完成左右摆动需要完成减速、传动轴线变换、左右摆动、上下俯仰运动，可以分别选用以下机构。减速机构可以选用齿轮传动、带轮传动、链轮传动等；传动轴线变换可以选用蜗杆蜗轮、锥齿轮等；风扇摇摆转动可采用平面连杆实现。以双摇杆机构的连杆作为主动件（即风扇转自通过蜗杆蜗轮带动连杆传动），则其中一个连架杆的摆动即实现风扇的左右摆动（风扇安装在连架杆上）。4.1减速机构选用4.1.1 齿轮传动图1 内啮合齿轮机构图2 外啮合齿齿轮机构是最常见的减速机构，考虑到风扇头尺处的限制，我们选择了内啮合齿轮。我们还考虑到可以用带传动和链传动来减速，但由于风扇尺
9、寸限制均舍弃。4.2传动轴线变换选用4.2.1 蜗杆蜗轮机构图3 蜗杆蜗轮机构图3 蜗杆蜗轮机构4.2.2 圆锥齿轮传动图4 直齿圆锥齿轮传动4.3摇头机构选用4.3.1 四连杆机构图5 四杆机构4.3.2 凸轮机构图6凸轮机构四连杆机构特点：机构简单，加工方便，成本低，运动较平稳；凸轮机构制造较为困难，加工成本高，且易磨损，存在冲击，运动不平稳，产生噪音。所以我们选择舍弃凸轮机构，而选择了四连杆机构.4.4 电风扇上下仰俯机构左右摇摆发生在水平面内，而上下仰俯发生在纵向平面内，两者运动形式相同，只不过，运动平面不同，所以可以用同以机构来实现。如果左右摇摆和上下仰俯都由四连杆机构或凸轮机构来实
10、现，那这个风扇尺寸将十分庞大，参照市场上同类台式电风扇，我们还是采用活动铰链和仰俯按钮来实现。5机构组合方案及评价5.1方案一：图7 机构组合方案一运动简图该设计方案包括两台电动机作为主动件（其中风扇叶片和转盘分别由两台电动机提供动力），采用四连杆机构来实现左右摇摆以及急回运动。5.1.1机构分解：风扇叶片的转动：电动机一；左右摇摆：四连杆机构和电动机二；减速机构（与转盘相连）：齿轮箱。5.1.2优点：机构结构简单，叶片转动与左右摇摆机构分离，减轻了风扇头部的重量；5.1.2缺点：需要两台电动机提供动力，成本高；5.2方案二：图8 机构组合方案二运动简图该设计方案采用了齿轮箱来减小输出速度，蜗
11、轮蜗杆来实现减速和传动轴的变换即速度方向的变换。5.2.1机构分解：减速：齿轮箱和蜗轮蜗杆机构；运动轴变换：蜗轮蜗杆机构；左右摇摆：平面四杆机构。5.2.2优点：a主动件只用了一台电动机即用一台电动机实现风扇叶片的转动和左右摇摆；b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；c有自锁现象。5.2.3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，传动效率较低，易出现发热现象，常用较贵的减摩耐磨材料来制造蜗轮，成本较高。5.3方案三：图9 机构组合方案三运动简图该设计方案同样使用了齿轮减速箱以及平面四连杆机构来实现左右摇摆
12、，不同的是使用了直齿圆锥齿轮来减速和实现运动轴的变换。5.3.1 机构分解：减速：齿轮箱和直齿圆锥齿轮机构；运动轴变换：直齿圆锥齿轮机构；左右摇摆：平面四杆机构。5.3.2优点：主动件也只用了一台电动机即用一台电动机实现风扇叶片的转动和左右摇摆；5.3.3缺点：一般锥齿轮传动比在110 范围内，传动比较大时，齿轮所占的空间也较大；5.4方案四：图10 机构组合方案四运动简图该方案与前几个方案不同之处在与没有采用四连杆机构，而用凸轮机构来实现左右摇摆。5.4.1 机构分解：减速机构：齿轮箱和蜗杆蜗轮机构；运动轴变换：蜗轮蜗杆机构；左右摇摆：凸轮机构。5.4.2优点：较前几个方案，机构简单紧凑，响
13、应快速。5.4.3缺点：使用凸轮机构制造困难，易磨损，有冲击，运动不稳定，而且成本较高。对以上几个方案的综合分析，由于尺寸的限制，选用内齿轮传动作为减速机构；一般圆柱齿轮或锥齿轮的传动比在110范围内，因此传动比愈大，齿轮所占的空间也就相对增大，而蜗杆蜗轮没有这个缺点，所以运动轴转换机构选用蜗杆蜗轮机构；左右摇摆机构我们选用四杆机构，因为凸轮机构制造较为困难，加工成本高，且易磨损，存在冲击，运动不平稳，产生噪音，而四连杆机构特点具有机构简单，加工方便，成本低，运动较平稳的特点。所以我们选择舍弃凸轮机构，而选择了四连杆机构选，我们最终选择了方案二，以下是对该方案的参数设计。6传动比设计在左右摇摆
14、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，则传动比.而蜗轮蜗杆的传动比（蜗杆带动蜗轮）5-70，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。两者共同作用达到理想传动比。以下是对齿轮机构和蜗轮蜗杆的设计：6.1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，齿轮最齿数为当 、时，。在这里我们取，主动齿轮，；被动齿轮，；传动比为25。6.2蜗轮蜗杆轮系设计蜗杆分度圆直径取，；蜗轮 ,;则蜗轮蜗杆的传动比为；综上，齿轮机构和蜗杆蜗轮构成的复合轮系，其
15、传动比为.符合设计要求。图11 齿轮机构和蜗轮蜗杆机构7机构参数计算7.1双摇杆机构设计由于双摇杆机构并不常见，直接设计存在一定的困难，可以通过机架转换来设计：图12 双摇杆机构 图13 曲柄摇杆机构图12为双摇杆机构，连杆为输入构件，连架杆为输出构件，设连架杆的绝对速度为，即连架杆相对于机架的角速度为，则机架相对于该连架杆的角速度为，那么当连架杆转过时，机架相对于连架杆也转过，也就是说如果以该连架杆为机架即图13（为曲柄摇杆机构），其它条件不变，设计所得的尺寸就是实际问题的尺寸。. (1)由行程系数计算极位夹角。由式知（2）在设计受力较大的急回运动的曲柄摇杆机构时，一般希望其最小传动角具有最
16、大值，这时可以利用机械设计手册中第4-54页的图4-2-5来设计。设计时，设已知行程速度变化系数 和摇杆摆角，可由机械设计手册中第4-54页的图4-2-5查得可能的最小传动角的最大值及的大小，再计算各杆的相对长度：的绝对长度。I.按设计要求，行程系数k=1.01，摆动角度=80，不妨取，由机械设计手册中4-54页图4-2-5可查的maxmin50，=10，则=0.9ad=sin(802)sin(0.92+10)/cos(802-0.92)=0.1512bd=sin(802)cos(802)/sin(802)=0.993(cd)2=(ad+bd)2+1-2ad+bdcos10=0.2362取,则
17、a=28.8mm，b=189.4mm,d=190.7mm.3）检验曲柄存在条件 四连杆机构有曲柄的条件为a， 各杆应满足杆长条件即最短杆最长杆之和应小于其他两杆之和；b， 期最短杆为连架杆或机架。在图13中显然,又有杆a为连架杆，满足曲柄存在条件。当最短杆为连杆时，如图12，由于连杆上的两个转动副都是周转副，故连杆能相对于两连架杆作整周回转，这一特性正适合于风扇的摇头机构。.按设计要求，行程系数k=1.015，摆动角度=85，不妨取，由机械设计手册中4-54页图4-2-5可查的maxmin48，=10，则=1.34ad=sin(802)sin(0.92+10)/cos(802-0.92)=0.
18、168bd=sin(802)cos(802)/sin(802)=0.995(cd)2=(ad+bd)2+1-2ad+bdcos10=0.2492取,则a=30.36mm，b=179.8mm,d=180.7mm.3）检验曲柄存在条件 四连杆机构有曲柄的条件为a， 各杆应满足杆长条件即最短杆最长杆之和应小于其他两杆之和；b， 期最短杆为连架杆或机架。在图13中显然,又有杆a为连架杆，满足曲柄存在条件。当最短杆为连杆时，如图12，由于连杆上的两个转动副都是周转副，故连杆能相对于两连架杆作整周回转，这一特性正适合于风扇的摇头机构。.按设计要求，行程系数k=1.02，摆动角度=90，不妨取，由机械设计手
19、册中4-54页图4-2-5可查的maxmin45，=10，则=1.78ad=sin(802)sin(0.92+10)/cos(802-0.92)=0.186bd=sin(802)cos(802)/sin(802)=0.9976(cd)2=(ad+bd)2+1-2ad+bdcos10=0.2642取,则a=31.7mm，b=170.1mm,d=170.5mm.3）检验曲柄存在条件 四连杆机构有曲柄的条件为a， 各杆应满足杆长条件即最短杆最长杆之和应小于其他两杆之和；b， 期最短杆为连架杆或机架。在图13中显然,又有杆a为连架杆，满足曲柄存在条件。当最短杆为连杆时，如图12，由于连杆上的两个转动副
20、都是周转副，故连杆能相对于两连架杆作整周回转，这一特性正适合于风扇的摇头机构。.按设计要求，行程系数k=1.025，摆动角度=95，不妨取，由机械设计手册中4-54页图4-2-5可查的maxmin40，=10，则=2.22ad=sin(802)sin(0.92+10)/cos(802-0.92)=0.206bd=sin(802)cos(802)/sin(802)=0.999(cd)2=(ad+bd)2+1-2ad+bdcos10=0.2802取,则a=33.1mm，b=160.5mm,d=160.7mm.虽然，该四连杆机构受力不是很大，无碍。不会发生自锁。3）检验曲柄存在条件 四连杆机构有曲柄
21、的条件为a， 各杆应满足杆长条件即最短杆最长杆之和应小于其他两杆之和；b， 期最短杆为连架杆或机架。在图13中显然,又有杆a为连架杆，满足曲柄存在条件。当最短杆为连杆时，如图12，由于连杆上的两个转动副都是周转副，故连杆能相对于两连架杆作整周回转，这一特性正适合于风扇的摇头机构。.按设计要求，行程系数k=1.03，摆动角度=100，不妨取，由机械设计手册中4-54页图4-2-5可查的maxmin39，=10，则=2.66ad=sin(802)sin(0.92+10)/cos(802-0.92)=0.228bd=sin(802)cos(802)/sin(802)=1(cd)2=(ad+bd)2+
22、1-2ad+bdcos10=0.2992取,则a=31mm，b=150.5mm,d=150.5mm.虽然，该四连杆机构受力不是很大，无碍。不会发生自锁。3）检验曲柄存在条件 四连杆机构有曲柄的条件为a， 各杆应满足杆长条件即最短杆最长杆之和应小于其他两杆之和；b， 期最短杆为连架杆或机架。在图13中显然,又有杆a为连架杆，满足曲柄存在条件。当最短杆为连杆时，如图12，由于连杆上的两个转动副都是周转副，故连杆能相对于两连架杆作整周回转，这一特性正适合于风扇的摇头机构。.按设计要求，行程系数k=1.05，摆动角度=105，不妨取，由机械设计手册中4-54页图4-2-5可查的maxmin36，=10
23、，则=4.39ad=sin(802)sin(0.92+10)/cos(802-0.92)=0.262bd=sin(802)cos(802)/sin(802)=1.008(cd)2=(ad+bd)2+1-2ad+bdcos10=0.3342取,则a=35.3mm，b=135.8mm,d=134.7mm.虽然，该四连杆机构受力不是很大，无碍。不会发生自锁。3）检验曲柄存在条件 四连杆机构有曲柄的条件为a， 各杆应满足杆长条件即最短杆最长杆之和应小于其他两杆之和；b， 期最短杆为连架杆或机架。在图13中显然,又有杆a为连架杆，满足曲柄存在条件。当最短杆为连杆时，如图12，由于连杆上的两个转动副都是周
24、转副，故连杆能相对于两连架杆作整周回转，这一特性正适合于风扇的摇头机构。8设计方案改进对以上方案进行总体分析，发现可能存在以下问题：1)最小传动角太小即；2)减速机构中齿轮分度圆直径，而风扇的直径只有，为了这个解决问题，我们将一对内啮合齿轮改为两对啮合齿轮，如图图14齿轮机构在这里我们取 ，主动齿轮，；被动齿轮，；主动齿轮，；被动齿轮，；蜗杆分度圆直径取，；蜗轮 ,;则总个减速机构的传动比为。9最终方案设计及其参数 经过对各机构和方案的分析评价，我们确定了最终方案，其装配图如下。在风扇轴上装有蜗杆，风扇转动时蜗杆带动蜗轮回转，使连架杆及其固装于该杆上的风扇壳体一起往复摆动，以实现风扇的摇头。图
25、15 风扇总体机构图其中标注1风扇叶片，2电动机，3、4、5、6内啮合齿轮， 7蜗杆蜗轮机构，8四连杆机构；设计参数为下表： 表2 齿轮及蜗杆蜗轮尺寸参数模数齿数（个）分度圆直径（mm）3-齿轮118184-齿轮130305-齿轮118186-齿轮130307-蜗杆13187-蜗轮12929 表3 四连杆机构参数杆a杆b杆c杆d杆长（mm）28.8189.445190.7杆长（mm）30.36179.845180.7杆长（mm）31.7170.145170.5杆长（mm）33.1160.545160.7杆长（mm）31150.545150.5杆长（mm）35.3135.845134.7 该方案
26、是我们经过仔细分析，综合评价所得，它具有思路简单、清晰，能满足预定的设计要求。10小结该台式电风扇摇头装置的设计方案是按照设计任务书的要求设计的。设计思路简单、清晰，能满足预定的设计要求。台式电风扇摇头装置设计是一个自主开发的题目，我们严格按照课程设计要求，从设计目的和设计任务入手，进行运动分解和功能分析，然后根据各分运动来选取常见的机构并进行分析评价，如摇头机构的选用，凸轮机构和四连杆机构都能完成左右往复摇摆动作，但由于凸轮机构制造较为困难，加工成本高，且易磨损，存在冲击，运动不平稳，产生噪音，而四连杆机构特点具有机构简单，加工方便，成本低，运动较平稳的特点。所以我们选择舍弃凸轮机构，而选择
27、了四连杆机构。将各方案进行综合评价，我们选择了方案二。最后对齿轮箱和蜗杆蜗轮的传动比以及四连杆机构的杆长进行了设计，并确定了相关参数。总体来说，该机构已达到了设计要求，完成了预定的目的和任务，设计合理且符合实际，可操作性强。但也还存在一些问题。如四连杆机构的最小传动角太小，以及四连杆机构只设计了其长度，没有考虑其他尺寸。机械原理课程设计是我们进入大学以来的第一个课程设计，始终保持了良好的科学的严谨的科学态度，虽然为期时间不是很长，但受益匪浅，从最开始的一头雾水，通过团队成员的热烈讨论后，问题开始渐渐清晰，方案也由零个到一个，再到多个，这次设计使我深深的体会到个人的力量是渺小的，团队的力量是巨大
28、的。设计的成败决定于团队的配合是否到位。在以后的学习过程当中，要努力培养团队意识。11致谢本课题在选题及设计过程中得到张涵老师的悉心指导，在这里表示感谢；也感谢我们团队成员的积极配合和团结合作。如果没有你们，这个设计将不可能完成。还要特别感谢我的室友们，是他们让我在遇到不能理解或操作问题时给我提供了许多好的建议，使我少走了不少弯路。也正是在他们的集思广益中，这个方案才得以顺利完成，充分发挥了集体的智慧，解决了许多我们自己很困惑的难题。参考目录1 孙桓，陈作模主编机械原理北京：高等教育出版社，20062裘建新主编。机械原理课程设计指导书. 北京：高等教育出版社，20053 曲继方主编机械原理课程设计北京：机械工业出版社，19894 成大先主编机械设计手册北京：化学工业出版社，2007.11