电风扇摇摆机构.docx

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电风扇摇摆机构

前言

为了扩大电风扇的送风面积，避免扇叶旋转所形成的气流集中吹响一个方向而造成人体的不适，电风扇中安装了摇头机构。

常见的摇头机构有杠杆式，滑板式和揿拔式等。

可以将风扇的摇头动作分解为风扇左右摆动和风扇上下仰俯运动，其中左右摇摆机构由减速机构和连杆机构组成，减速机构可由蜗轮蜗杆和一对直齿轮组成的二级减速机构来实现，目前市场上摇头电风扇的减速机构大都由蜗轮、蜗杆、牙杆、摇头齿轮组成，连杆机构可设计成双摇杆机构、曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构等。

电扇左右摆头一般有两种结构，第一种是通过转子轴上面的蜗杆与配套的涡轮形成咬合，涡轮上有一个偏心轴，偏心轴带动连杆做前后运动，带动扇头做左右摆动；第二种是靠同步电机（自带减速器）使电扇摆头，同步电机的旋转方向是随机的，当受到阻力后会自动改变旋转方向，当摆头摆到设定位置后就会受阻使同步电机往回转，这样就形成了往返摆头现象。

目录

1设计题目……………………………………………………………………3

2设计要求……………………………………………………………………3

3功能分解……………………………………………………………………3

4机构选用……………………………………………………………………4

4.1电风扇左右摆头机构………………………………………………………………4

4.2电风扇上下仰俯机构………………………………………………………………4

5运动方案及选择…………………………………………………………5

5.1左右摆动方案一……………………………………………………………………5

5.2左右摆动方案二……………………………………………………………………7

5.3左右摆动方案三……………………………………………………………………8

5.4左右摆动方案四………………………………………………………………………9

5.5左右摆动方案五………………………………………………………………………10

5.6左右摆动方案六………………………………………………………………………10

5.7左右摇摆方案七………………………………………………………………………11

5.8左右摇摆方案选择……………………………………………………………………12

6上下摇摆方案………………………………………………………………13

6.1上下摇摆方案一…………………………………………………………13

6.2上下摇摆方案二…………………………………………………………13

7最终方案：

左右摇摆方案六与上下摇摆方案的结合……………………14

8四连杆长度的确定…………………………………………………………14

9传动比设计…………………………………………………………………16

9.1齿轮方案设计……………………………………………………………………16

9.2方案比较……………………………………………………………………………17

小结…………………………………………………………………………18

致谢…………………………………………………………………………19

参考文献……………………………………………………………………20

1.设计题目

设计台式电风扇的摇头机构，使电风扇作摇头动作（在一定的仰角下随摇杆摆动）。

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ψ＝95°、俯仰角度φ＝20°与急回系数K＝1.025。

风扇可以在一定周期下进行摆头运动，使送风面积增大。

2.设计要求

⑴电风扇摇头机构至少包括连杆机构、蜗轮蜗杆机构和齿轮传动机构三种机构。

⑵画出机器的运动方案简图与运动循环图。

拟订运动循环图时，执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现干涉。

⑶设计连杆机构，自行确定运动规律，选择连杆机构类型，校核最大压力角。

⑷设计计算齿轮机构，确定传动比，选择适当的摸数。

⑸编写设计计算说明书。

⑹学生可进一步完成机器的计算机演示验证和凸轮的数控加工等。

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：

⑴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。

⑵风扇需要按路径规律做上下俯仰，因此需要设计相应的俯仰机构。

⑶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。

对这两个机构的运动功能作进一步分析，可知它们分别应该实现下列基本运动：

⑴左右摆动有三个基本运动：

运动轴线变换、传动比降低和周期性摆动。

⑵俯仰运动有两个基本运动：

运动方向变换和周期性俯仰。

⑶转换运动轴线和改变传动比有一个基本动作：

运动轴线变换。

此外，还要满足传动性能要求：

改变电风扇的送风区域时，在急回系数K＝1.025、摆动角度Ψ=95°的要求下，尽量保持运动的平稳转换和减小机构间的摩擦。

图3.1运动功能图

图3.2运动循环图

4机构选用

根据设计要求，电风扇的摇头动作分为风扇的左右摇摆运动和上下仰俯运动，那么电风扇的摇头机构就要同时完成左右摆动和上下摆动，其中左右摆动包括减速机构和连杆机构，上下摆动只需连杆机构就能完成。

表4-1电风扇左右摆动机构选型

功能

执行动作

工艺动作

执行机构

左右摆动

减速机构

连杆机构

急回往复运动

齿轮机构

连杆机构

表4-2电风扇上下摆动机构选型

功能

执行动作

工艺动作

执行机构

上下摆动

连杆机构

上下往复运动

连杆机构

4.1电风扇左右摆头机构

考虑到用电动机驱动、而且空间比较狭小，又需要的三个基本动作和高传动比要求。

转换运动轴线与改变传动比机构（蜗轮蜗杆与行星轮系组合而成的齿轮箱）a32和a24。

优点是在较小空间内可以运动轴线变换，且有自锁功能。

为了能实现上下、左右往复运动，在经济简单的原则下选择双摇杆机构（a43），实现运动方向交替交换。

综上，整个电风扇左右摆头机构A1＝｛a24，a32，a43｝。

4.2电风扇上下仰俯机构

考虑到能实行仰俯运动，事先计划使用（凸轮机构）a11设计仰俯机构，但由于电扇的机壳大小有限，并且凸轮只常使用在低负载的传动过程，假如当电风扇的机头被某重物压住，则很容易损坏凸轮。

所以，改变成方案二使用A2=｛a33｝（连杆滑块机构）设计。

将机壳引出杆使用一条路径导轨进行约束，来完成设想的仰俯运动。

5运动方案及选择

5.1左右摆动方案一

图5-1-1方案一运动机构简图

图5-1-2摇头机构轨迹

图5-1-3方案一立体图

（1）两级减速机构

两级减速机构由涡轮、蜗杆、牙杆、和摇头齿轮组成。

转轴末端为蜗杆。

第一级减速是通过蜗杆带动涡轮来完成。

电风扇的转速，经过两级减速后降低到6r/min，起计算公式为：

n1=n.=6（r/min）

式中n1为摇头齿轮的转速（r/min）

N为电动机转速（r/min）

Z1为蜗杆头数

Z2为涡轮齿数

Z3为牙杆齿数

Z4为摇头齿轮的齿数

（2）四连杆机构

四连杆机构由摇头齿轮、摇摆连杆和角度盘组成，如图5-1-1所示。

其四连杆是指角度盘中心到摇头齿轮中心的水平距离L1，摇摆连杆上的长度L2，角度盘中心到它的曲柄中心的距离R1，摇头齿轮中心到它的曲柄中心的偏心距R2。

由于L1、L2、R1和R2的配合，摇头齿轮旋转一圈，电风扇往返摇头一次。

其摇头轨迹见5-1-2所示。

现在先来分析四连杆能够执行摇头的条件。

当摇头齿轮运动到右端极限位置，连杆L2与摇头齿轮的偏心距R2成一直线，构成ΔACO的三角图形，因此有：

L1+R1﹥L2+R2

当摇头齿轮运动到左端极限位置时，连杆L2又与偏心距R2成一直线，构成了ΔABO的图形，因此又有：

L2+R1﹥L1+R2

即L1-R1

可见，这种具有曲柄的四连杆机构实现摇头的条件是：

L2+R1﹥L1+R2

L1-R1

电风扇的摇头角度就是∠BOC

即∠AOC-∠AOB

设∠AOC=α，∠AOB=β，则有：

ψ=α-β

在ΔAOC中，根据余弦定律：

=+-2L1*R1

即a=

同理，在ΔABO中，亦根据余弦定理，

即β=

所以，电风扇的摇头角度ψ=α-β，其α、β的值可分别由式（6-7）和式（6-8）求得。

令ψ=

即可分别求出L1、L2、R1、R2的值。

5.2左右摆动方案二

（1）减速机构

两级减速机构由涡轮、蜗杆、牙杆、和一齿轮组成。

其传动比与方案一相同可参照方案一。

（2）曲柄滑块机构

图5-2-1摇头机构轨迹

图5-2-1所示的导杆机构中，曲柄a小于导杆长d，导杆往复摆动。

当曲柄a与机架AD垂直时达到极限位置，机构的最大摆角为ψ，极为夹角为θ=0，机构的传动角始终为，因而传力性能最好。

图5-2-2方案二立体图

该设计方案采用了齿轮箱和涡轮蜗杆二级传动达到减速目的，并通过蜗轮蜗杆改变传动方向，曲柄摇块机构来实现机头的左右摆动，但由于此机构的特殊性不能达到急回效果。

机构分解：

减速——齿轮箱及其蜗轮蜗杆机构

左右摇摆——曲柄滑块机构

5.3左右摆动方案三

图5-3-1方案三简图

图5-3-2方案三摇头轨迹

图5-3-2为将旋转运动转换为往复摆动并具有急回特性。

在图中的曲柄摇杆机构中，当曲柄AB逆时针方向等速转动时，摇杆由位置D摆到D时，所用时间长，速度慢；摇杆由位置D摆到D时，所用时间短，速度快。

其行程速度系数K=，式中θ为极为夹角。

图5-3-3方案三立体图

该设计方案采用了齿轮箱改变输入输出速度、涡轮蜗杆用于减速并转换速度方向、四杆机构来进行机头的左右摆动并达到急回效果。

机构分解：

减速——齿轮箱及其蜗轮蜗杆机构

左右摆头——曲柄摇杆机构

5.4左右摇摆方案四

图5-4-1方案四机构简图

图5-4-2方案四运动轨迹

图5-4-2为双摇杆机构，摇杆AB与CD分别绕固定轴A、D摆动，连杆BC分别绕摇杆AB、CD铰接于B、C点，当摇杆BC周转运动时，摆杆AB、DC各作相应的摆动，进而实现电风扇的左右摆动。

图5-4-3方案四立体图

机构分解：

1、减速机构：

采用齿轮机构实现电机轴高速旋转的降速以带动摇头曲柄。

2、摇头机构：

将电机输出的转动经过双摇杆传动机构，最终转化为扇头的摆动。

5.5左右摇摆方案五

图5-5-1方案五机构简图

图5-5-1可以看出为图轮机构，由蜗杆带动涡轮转动实现凸轮的转动，带动电风扇左右摆动。

图5-5-1方案五立体图

机构分解：

减速机构——齿轮箱及蜗轮蜗杆机构

摇头机构——凸轮机构

5.6左右摇摆方案六

图5-6-1方案六机构简图

图5-6-2方案六摇头轨迹

图5-6-2所示=95。

图5-6-2方案六立体图

机构分解：

减速机构——齿轮箱及蜗轮蜗杆二级减速

摇头机构——双摇杆机构

5.7左右摇摆方案七：

图5-7-1方案七简图

图5-7-2方案七摇头轨迹

图5-7-2为将旋转运动转换为往复摆动并具有急回特性。

从5-7-2分析可得，曲柄AB回转一周有两次与连杆BC共线，摇杆CD分别于极限位置D和D。

当曲柄顺时针转过角时摇杆D摆至D，C点的水平速度为，所需时间为。

当曲柄再转过角时，摇杆自D摆回D，所需时间为，而C点水平速度为，曲柄AB做匀速运动，从动件的从动速度变化系数K=∕，由急回系数K=1.025。

K=

即θ=2.22

图5-7-3方案七立体图

机构分解：

减速机构——减速箱及蜗轮蜗杆二级减速机构

摇头机构——曲柄摇杆机构

5.8左右摇摆方案选择

（1）左右摇摆方案一：

优点：

此方案由蜗轮、蜗杆、牙杆及摇头齿轮组成的二级减速机构和双摇杆机构共同组成的摇头机构，能同时满足角度ψ和极为夹角θ的取值，并且具有结构简单等优点。

（2）左右摇摆方案二：

优点：

此机构由曲柄滑块机构和二级减速机构（蜗轮蜗杆和齿轮箱）组成，由于其传动角始终为，因而传力性能最好。

缺点：

由于此机构的特殊性，尽管其能满足摆角ψ的需求，但其极为夹角θ为零，不能满足设计需求。

（3）左右摆动方案三：

优点：

此摇头机构采用了曲柄摇杆机构，能同时满足角度ψ和极为夹角θ的取值，具有结构简单，摩擦小，传动性好等优点。

缺点：

在达到机头左右摆动效果的同时，马达齿轮箱也会自转，摆角不容日控制。

（4）左右摇摆方案四：

优点：

此机构采用了双摇杆机构，能同时满足角度ψ和极为夹角θ的取值，其空间结构设计巧妙。

缺点：

此机构由于采用空间结构其力的传递性不好，并且其所占空间较大其机壳要相应增大，所用材料较多，由于体积较大影响其美观程度。

（5）左右摇摆方案五：

优点：

此方案采用凸轮机构，通过推杆达到左右摆动的效果，具有结构简单、传动平稳、机构紧凑和动载荷较小等优点。

缺点：

由于采用凸轮机构，凸轮轮廓线和推杆之间为点、线接触，易磨损，凸轮制造较为困难，并且凸轮轮廓曲线难确定。

（6）左右摇摆方案六：

优点：

此方案采用了双摇杆机构，能同时满足角度ψ和极为夹角θ的取值，具有结构简单、传动平稳、机械性能较好等优点。

（7）左右摇摆方案七：

优点：

摇头机构采用曲柄摇杆机构，由于其采用双电机，摇头机构简单，容易控制。

缺点：

此方案用两个电机，好费电能较多。

6上下摇摆方案

6.1上下摇摆方案一

图6-1上下摇摆机构

在图6-1所示的上下摇摆方案中，由导轨来控制风扇机头的上下摇摆，导轨的形状可以根据要求更改来达到不同的上下摇摆效果，并为了美观将导轨藏于机壳内部。

导轨套在主轴上，不随着机头左右转动，而机头在左右转动时其受导轨轨迹的约束，带动机头在左右转动的同时随导轨轨迹上下摇摆。

优点：

结构简单，方便控制提高了可靠性；上下摇摆轨迹可以随要求改变。

6.2上下摇摆方案二

图6-2-1

此方案通过摇杆带动滑块左右滑移，从而带动机头作上下摇摆运动。

此机构采用最简单的连杆机构，具有结构简单运动平稳等优点

7最终方案：

左右摇摆方案六与上下摇摆方案的结合

图7-1最终方案立体图

8四连杆长度的确定

双摇杆机构设计

由于使用的是以连杆做主动件的双摇杆机构，其杆长用一般方法不容易确定，因此，此次设计我们采用一种新的设计思路——机架转换法。

图8-1

图8-2

机架转换法的理论依据如图所示，图一中的是绝对速度，是机构运动后，机架相对于摇杆的相对速度，此时=。

然后转换机架，将机架转换至图5-10-2，现在同一位置处，设定图二中的=。

这样按照图5-10-3寸，所得的尺寸就是实际问题所需要的尺寸长度。

此设计思路，克服了连杆机构以连杆为主动件，连架杆为为从动所产生的难题，通过转换思路，等效曲柄摇杆机构的运动规律，进而应用我们学过的画图方法确定杆的长度。

图8-3

由速比系数K计算极位角θ。

由

θ=

已知K=1.025

即θ=2.22

设定摇杆的长度为60，摆角ψ为95及极为夹角θ=2.22，设计此曲柄摇杆机构。

根据摇杆长度CD及摆角ψ作出摇杆的两个极为C1D及C2D，如图所示。

下面来求固定铰链A。

为此，分别作C2MC1C2和∠C2C1N=90-θ，C2M与C1N交于P；再作ΔPC1C2的外接圆，则圆弧C1PC2上任一点A都满足∠C1AC2=θ,所以固定铰链A应选在此弧段上。

而铰链A具体位置的确定尚需给出其他的附属条件。

此方案中机架AD的长度设计要求为80到90，此设机架AD的长度（或曲柄长度a或连杆长度b或机构的最小传动角γmin要求等）为90，此时以D点为圆点机架长AD为半径画圆，与大圆的交点即为A点，由于A点的位置以确定。

因AC1=b+a，

AC2=b-a，

故a=（AC2-AC1）/2

b=（AC1+AC2）/2

设计时，应注意铰链A不能选在劣弧FG上，否则机构将不满足运动运动连续性要求。

因为这时机构的两极为DC1、DC2将分别在两个不连通的可行域内。

若铰链A选在C1G、C2F两端弧上，则当A向G（F）靠近时，机构的最小传动角将随之减小而趋向零，故铰链A适当远离G（F）点较为有利。

图8-4

通过画图可知AC1=62.46，AC2=1114.2

即b=25.87，a=88.33

由此可知四连杆机构的杆长分别为：

90、35、25.87、88.33。

验证是否满足杆长条件：

由图5-10-4可得

a+d≤b+c

b≤（d-a）+c即a+b≤c+d

c≤（d-a）+b即a+c≤b+d

将上述三式分别两两相加，则得：

a≤b，a≤c，a≤d

将杆长分别代入上式可知杆长满足上述条件，由此可知四连杆机构的杆长分别为：

90、35、25.87、88.33。

9传动比设计

由于在设计的左右摆头机构中，将蜗轮带动连杆进行整周回转的匀速圆周运动。

当蜗轮旋转一周，电扇机壳也正好摇摆一回，得出蜗轮的转速为w=2×л/10=л/5，即转速n为6r/min，由电机转速n1为1450r/min，因而传动比i=

，因为蜗轮蜗杆的传动比为5到80，所以不能满足需要，因而要考虑二级减速机构，如取蜗轮蜗杆的传动比为60，那么只需另一对齿轮传动比在4左右就能满足需要。

因此在设计齿轮时可以采用一对直齿轮与蜗轮蜗杆配合，如左右摇摆方案一就采用的此种方案，也可以采用周转轮系与蜗轮蜗杆配合使用，但此种方案需要的齿轮数目相应的要多一些，耗费材料较多，并且所占空间位置较所，不利于机构的设计。

9.1齿轮方案设计

（1）蜗轮蜗杆轮系设计

与行星轮系配合，并考虑电扇机壳的体积大小，蜗轮蜗杆的尺寸不宜过大。

设计中蜗杆的直径为18，m=1,α=

γ=

；蜗轮的Z=29，m=1,α=

β=

，如此，蜗轮蜗杆轮系的传动比i=29，且均为左旋。

、

（2）行星轮系设计

图9-1-1行星轮系

行星轮系在一定齿数比的情况下能产生较大的传动比。

设计中，采用一对外啮合和一对内啮合齿轮构成。

由图9-1-1可知传动比i=1+Z2Z3/Z1

。

其中Z3为内啮合齿轮，Z1=18，m1=1；Z2=33，m2=1，

=17，

=1；Z3=68，m3=1。

计算得传动比为

。

齿轮设计方案一

将两种轮系组合成一个复合轮系，能顺利地符合设计要求，不仅传动的轴向改变，而且，完成了较大传动比的减速过程，综合两者的传动比，得

=

。

齿轮设计方案二

根据上述方案将蜗轮蜗杆的传动比设为i=50，则另一对直齿轮的传动比i=29/6，设定直齿轮的模数m=1，设牙杆的齿数为12，摇头齿轮的齿数为58，同样满足需求。

9.2方案比较

由于第一种方案所需齿轮数目较多，成本较高，并且所占空间较大不利于电风扇摇头机构的组装，因而采用第二种方案。

小结

此最终设计方案摇头机构采用双摇杆机构，能同时满足角度ψ和极为夹角θ的取值，具有结构简单、工作平稳、给够紧凑、动载荷较小、无死点等优点。

减速机构应用蜗轮、蜗杆、牙杆和摇头齿轮组成的二级减速机构，能很好的满足工作需求，且相对于其它方案更加节省材料，具有成本低、传动稳定、结构简单、传动功率高、使用寿命长、工作可靠等优点。

上下摇摆方案中，由导轨来控制风扇机头的上下摇摆，导轨的形状可以根据要求更改来达到不同的上下摇摆效果，并为了美观将导轨藏于机壳内部。

导轨套在主轴上，不随着机头左右转动，而机头在左右转动时其受导轨轨迹的约束，带动机头在左右转动的同时随导轨轨迹上下摇摆，具有结构简单、性能稳定美观实用等优点，但在工作中与摇杆接触，受力较大，因而起摩擦力也相应增大，可能对机构造成损伤。

致谢

本课题在选题及进行过程中得到老师的悉心指导。

论文行文过程中，老师多次帮助我们分析思路，开拓视角，老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益，在此，谨向老师和小组成员致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

参考文献

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高等教育出版社，2006.5.

（2）裘建新.机械原理课程设计指导书.北京：

高等教育出版社2005.

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重庆大学出版社，2001,11.

（4）王叔仁.机械原理课程设计.北京：

科学出版社，2006.

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机械工业出版社，2008,7.

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化学工业出版社，1991.

（7）申永胜.机械原理教程（第2版）.北京：

清华大学出版社，2005.