台式电风扇摇头装置.docx
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台式电风扇摇头装置
前言…………………………………………………………………………………………1
目录…………………………………………………………………………………………2
1.设计题目…………………………………………………………………………………3
…………………………………………………………………………………3
3.功能分解…………………………………………………………………………………3
4.机构选用………………………………………………………………………………3
4.1减速机构选用……………………………………………………………………………3
齿轮传动………………………………………………………………………………3
轴线变换选用………………………………………………………………………4
蜗杆蜗轮机构…………………………………………………………………………4
圆锥齿轮传动…………………………………………………………………………5
……………………………………………………………………………5
四连杆机构……………………………………………………………………………5
凸轮机构………………………………………………………………………………6
……………………………………………………………………6
5.机构组合方案及评价…………………………………………………………………6
……………………………………………………………………………………6
机构分解………………………………………………………………………………7
优点……………………………………………………………………………………7
缺点……………………………………………………………………………………7
……………………………………………………………………………………7
机构分解………………………………………………………………………………7
优点……………………………………………………………………………………7
缺点……………………………………………………………………………………7
……………………………………………………………………………………7
机构分解………………………………………………………………………………8
优点………………………………………………………………………………………8
缺点………………………………………………………………………………………8
……………………………………………………………………………………8
机构分解…………………………………………………………………………………9
优点………………………………………………………………………………………9
缺点………………………………………………………………………………………9
6.传动比设计…………………………………………………………………………………9
………………………………………………………………………………9
…………………………………………………………………………9
7.机构参数计算……………………………………………………………………………10
…………………………………………………………………………10
8.设计方案改进……………………………………………………………………………11
9.最终方案设计及其参数………………………………………………………………12
10.小节………………………………………………………………………………………14
11.致谢………………………………………………………………………………………15
参考目录………………………………………………………………………………………16
台式电风扇摇头装置
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＝12065。
风扇可以在一定周期下进行摆头运动。
2．设计任务
1）按给定主要参数，拟定机械传动系统总体方案；
2）画出机构运动简图；
3）分配蜗杆涡轮、齿轮传动比，确定他们的基本参数，设计计算几何参数；
4）确定电扇摇摆转动的的平面连杆机构的运动学尺寸，它应满足摆脚ψ及急回系数
条件下使最小传动角
最大。
并对平面连杆机构进行运动学分析，验算曲柄存在条件。
5）编写设计计算说明书。
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。
此外，还要满足传动性能要求：
表1设计参数表
方案号
电扇摇摆转动
电扇仰俯转动
摆角ψ/（°）
急回系数K
仰角φ/（°）
120°
20
4．机构选用
台式电风扇摇头机构常见的有杠杆式、滑板式等，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）。
风扇的上下俯仰运动可采用连杆机构、凸轮机构等实现。
还可以采用空间连杆机构直接实现风扇的左右摆动和上下仰俯的复合运动。
4.1减速机构选用
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，但由于风扇尺寸限制均舍弃。
轴线变换选用
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
4四连杆机构
图5四杆机构
4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
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。
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。
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；
缺点：
需要两台电动机提供动力，成本高；
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，蜗轮蜗杆来实现减速和传动轴的变换即速度方向的变换。
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。
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。
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。
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，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。
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。
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；
缺点：
一般锥齿轮传动比在1～10范围内，传动比较大时，齿轮所占的空间也较大；
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。
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。
优点：
较前几个方案，机构简单紧凑，响应快速。
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1～10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n＝1450r/min，而电扇摇头周期t=10s即摆动周期为6r/min，则传动比
.而蜗轮蜗杆的传动比（蜗杆带动蜗轮）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大值，这时可以利用《机械原理课程设计指导书》中图8-30来设计。
设计时，设已知行程速度变化系数
和摇杆摆角
，可由《机械原理课程设计指导书》中图8-30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。
按设计要求，行程系数
，摆动角度
，不妨取
，由《机械原理课程设计指导书》中图8-30可查的
，
，则
取
则
，
.
虽然
，该四连杆机构受力不是很大，无碍。
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。
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
1
18
18
4-齿轮
1
30
30
5-齿轮
1
18
18
6-齿轮
1
30
30
7-蜗杆
1
1
18
7-蜗轮
1
29
29
表3四连杆机构参数
杆a
杆b
杆c
杆d
杆长（mm）
45
风扇上下俯仰机构我们采用活动铰链和俯仰旋钮，该设计既简便又实用，又符合设计要求。
该方案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。
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