台式电风扇摇头机构设计机械原理课程设计.docx

1、台式电风扇摇头机构设计机械原理课程设计机械原理课程设计说明书设计课题 台式电风扇摇头机构设计指导教师 郑丽娟完成日期 2 0 1 1 年 7 月 8 日1. 摘要2. 机构设计任务书2.1设计目的2.2课程题目2.3工作原理2.4设计要求2.5设计背景3. 机构方案设计3.1思路来源3.2思路流程3.3方案选择与比较3.3.1 方案选择3.3.2 方案综合分析3.3.3 主方案分析4.典型机构的设计和运动分析4.1轮系设计及分析4.2移动从动件圆柱凸轮机构设计理论廓线设计4.3设计注意要求5. 动力分析5.1 传动比计算5.1.1总传动比计算5.2.2分配各级传动比5.2 传动参数的计算5.2

2、.1各零件转速的计算5.2.2各零件功率的计算5.2.3各零件输入转矩的计算5.2.4各构件的传动参数汇总5.3 齿条、齿轮传动5.4 蜗杆上任一点（扇叶安装位置）运动分析：6. 心得体会7. 参考文献8. 附件1.摘要机械原理课程设计旨在让我们在掌握一定理论知识之后，对现实的机械产 品进行分析与设计，为了更好地将机械原理课程的理论与实际想结合，我们组 设计的研究课题是台式电风扇的摇头机构。此摇头机构由一个电机驱动，通过 一定数量的齿轮组成轮系进行传动，可以实现电风扇扇叶在预定的工作角度内 转动，有较强的适应性与稳定性。本说明书将首先对我们组设计的电风扇摇头 机构以及工作方式借助 Matlab

3、 等辅助软件进行分析、研究，并进行 Pro/E 动画 仿真模拟，然后对主要构件的具体设计方案、制作方法以及 Solidworks 三维图 样进行展示与说明，最后对整个机构的设计方案进行总结、评价与比较。关键词 摇头机构 三维设计 分析评价2.机构设计任务书2.1设计目的a)综合运用机械设计课程和其他课程的知识，分析和解决机械设计问题， 进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。b)通过设计实践，逐步树立正确的设计思想，增强创新意识和竞争意识熟悉掌握机械设计的一般规律，培养分析问题和解决问题的能力。c)通过设计计算、绘图以及运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资 料，进行全面的机械设计基本技能的训练。

4、2.2课题名称台式电风扇摇头机构2.3工作原理1 通过电机提供原动力。2 通过轮系、连杆、凸轮等机构进行传动。24 设计要求 最终机构要实现在单一驱动力驱动的前提下使这两种独立运动，即电风扇 的转动与电风扇的摆动两组运动按预设传动比同时进行。传动装置可由一组轮 系组成。25 设计背景 伴随着时代的发展，电风扇，早已走进了每一个中国家庭，它是一种利用 电动机驱动扇叶旋转，来达到使空气加速流通的家用电器，主要用于清凉解暑 和流通空气。目前市场上的电风扇可谓种类繁多，随着科技的进步，电风扇的功能、设 计等方面都有了很明显的改善与提高。电风扇的发展简图3.机构方案设计3.1思路来源常用台式电风扇的工作

5、效果是将电风扇的送风区域进行周期性地变换，显 然，要实现这种周期性地变换就必须设计一套能够实现周期性平稳摆动的机构。 为此，我们小组在参考了市场上现有的电扇的优缺点以及相关文献资料以后， 拟定自行设计一套实现周期性平稳传动，且无急回现象的电风扇摇头机构。3.2思路流程通过对以上的思考流程的分析考虑， 我们发现， 电风扇摇头机构主要就是两 个运动的同时进行与配合：电机带动扇叶的转动和电风扇头部的转动。因为这两个并列运动只有一个驱动力的来源：电动机，那就需要设计一种 机构，在一个驱动力驱动的前提下能够使这两种独立运动协调配合，实现两个 不同方向的同时运动。由于台式电风扇摇头机构是实现一定角度 （一

6、般小于 180）的转动，我们首先想到的 便是双摇杆机构 （或者曲柄摇杆机构） 。因为摇 杆实现的是一定角度的非整周运动，与一般台 式电风扇的工作形式类似。3.3方案选择与比较3.3.1方案选择3.3.21 方案一：实际可以抽象为一个铰链四 杆机构。此机构简单，但由于采用四杆机构， 风扇的具体位置确定较麻烦，且传动有失其 平稳性，易于磨损。本较高。4 方案四： 该方案采 用蜗轮蜗杆、齿轮齿条等 构件，既实现了电扇的工 作需求，又避免了摇动过 程中的急回等现象的发 生。同时，机构设计较简 单，传动不复杂，成本较 低，易于投入生产。3.3.3方案综合分析 方案一、二机构简单，构件数较少，且能够实现一

7、定角度的摆动和自 身扇叶的转动，但若尺寸设计不当，它们易存在一定的极位夹角，会出现 急回现象，电机快速转动时容易对整个机构造成损坏。另外，方案二不宜 用于实现大角度转动的电扇采用，原因是，大角度转动之后，容易引起蜗 轮、蜗杆接触过紧或脱离的发生，影响正常使用。方案三相对一、二而言机构设计较复杂，但传动过程中的平稳性能相对 增强。但由于机构设计过于复杂， 构件数目较多， 提高了成本，降低了市场 价值。方案四机构传动稳定， 无急回， 且构造相对于方案三简单、实用、经济， 为理想方案。因此，我们小组选择方案四作为我们的最终主方案。3.3.4主方案分析主方案三维视图：传动原理：通过电机驱动，使扇叶转动

8、， 同时电机的转动驱动蜗杆的转动， 蜗杆带动蜗轮，然后与蜗轮同轴的 斜齿轮等速转动，斜齿轮驱动与之 相连的斜齿轮柱，由于斜齿轮柱上 存在凹槽轨道，使和它接触的细杆 （与齿条一体）发上移动，齿条的 移动带动灰色齿轮转动，由于蜗杆 架与灰色齿轮固连，灰齿轮的一定 角度的转动实现蜗杆的小角度摆 动，进而实现电风扇摇头功能。4.典型机构的设计和运动分析4.1轮系设计及分析蜗杆、蜗轮、锥齿轮组成定轴轮系参数设定：锥形齿轮 1： z 1=20，m1=2.5mm, 1=20.6 o, 1=20o, d 1=m1z1=5mm. 锥形齿轮 2： z 2=15, m 2=2.5mm, 2=69.4 o, 2=20

9、o, d 2=m2z2=37.5mm, ha =1,c =0.2. 蜗轮 3： z 3=40, m 3=1.25, 3=20o, d 3=m3z3=50mm, ha =1,c =0.2, 厚度 h3=15mm. 蜗杆 4： z 4=1, 4=20 o, ha =1,c =0.2, d 4=20mm, m4=1.25mm, 直径系数 q=d 3/m3=16, 螺旋升角 tan =z3/q=0.0625, =3.85 o已知蜗杆的转速 n4=1200r/min,4s 内地位移为 84mm，与齿条相代入 n4=1200r/min, 得 n1=22.5r/min 。 根据圆柱凸轮轨迹螺旋线的设计可知，

10、齿条 啮合传动的齿轮直径 d=mz=80m。m所以蜗杆与齿轮的传动比为 i=239.2 ，即电风扇转速与摇头速度之比为239.2:1也就是电风扇每 8s 摇动一个周期，摇动转速 =30.1 /s 。在一个周期中， 电风扇转动了 208=160 转。符合正常电风扇运转速度。由于风扇摆动速度为匀速，则电风扇摆动角度 随时间 t 在半个周期内呈线 性 变 化 关 系 。 用 matlab 绘 制 的 -t 关 系 曲 线 图 如 下 ：4.2移动从动件圆柱凸轮机构设计理论廓线的设计一个周期内欲实现沿轴线方向以 21mm/s(0t4) 及-21mm/s(4t8) 的预定 运动，需对圆柱凸轮的理论廓线进

11、行设计：凸轮上需设置一定的螺旋线，螺旋线方程，即理论廓线的方程为：按预设螺旋线方程，通过 matlab 绘图，模拟出螺旋线，如下：以这样的螺旋线设计方案，与之 接触的齿条一端沿 z 轴（即凸轮轴线 方向）匀速运动，且无径向进给运动 产生，保证了电风扇摇头机构的转动 无急回、死点的现象出现，使机构能 够平稳进行。此时，作为从动件的齿 条一端与之啮合传动三维视图如右：43 设计注意要求 该机构的工作原理为通过电机驱动， 使扇叶转动， 同时电机的转动驱动蜗杆 的转动，蜗杆带动蜗轮，然后与蜗轮同轴的斜齿轮等速转动，斜齿轮驱动与之相连的斜齿轮柱，由于斜齿轮柱上存在凹槽轨道，使和它接触的细杆（与齿条 一体

12、）发上移动，齿条的移动带动灰色齿轮转动，由于蜗杆架与灰色齿轮固连， 灰齿轮的一定角度的转动实现蜗杆的小角度摆动，进而实现电风扇摇头功能。 因此，设计时要注意将齿轮 7 与蜗轮 3 分离，即蜗轮 3 与蜗轮 4 为同轴同速转 动，而其固定轴对齿轮 7 只起到径向约束作用，并不固连在一起。局部放大图如下：5.动力分析51 传动比计算5.1.1总全传动比计算根据传动比的定义有如下结果：i 总 =n4/n 7=1200/5=240其中：n4 为电动机满载转速，本设计中为 1200r/min ； n7 为电风扇摇头转速，为 5r/min 。5.1.2各级传动比由于传动系统是三级传动，故应该满足以下公式：

13、i 总 =i 1 i 2 i 3其中，i 总总传动比， i 1 、i2、i3分别为第 1、2、3级传动比。传动比的分配原则可概括为：a ） 使各级传动的承载能力大致相等（齿面接触强度大致相等） ； b ） 使减速器能能获得最小外形尺寸和重量；c ） 使各级传动中大齿轮的浸油深度大致相等，润滑最为简便。结合以上原则，再查相关文献可确定本设计中的各级传动比为：5.2传动参数的计算5.2.1各构件转速的计算根据转速与传动比的关系，计算如下： 由以上轮系的分析和对凸轮螺旋线的分析得知，当蜗杆以 1200r/min 转动 时，凸轮螺旋线轴线方向的运动速度为 21mm/s。此时的风扇摇头角速度（即齿 轮

14、7 ）转速为 5r/min 。各构件转速计算为： n4=1200r/min（ 电机转速 ） n3=n4/i1=40r/min n1=n3/i2=30r/min n7=n1/i3=5r/min注： n3=n2,n1=n65.2.2各构件功率的计算输入功率与传动效率直接相关，根据文献 1 中的表 16-2-59 ，可查得各级的传动效率为： 1=0.75, 2=0.95, 3=0.5, 4=0.95 。故各零件输入功率为：5.2.3各构件输入转矩的计算输入转矩与输入功率、转速的关系为： T 9550 P / n 。依据此式，结合以上 数据，可计算各轴输入转矩，结果如下：5.2.4各构件的传动参数汇总

15、以上结果可用下表表示：传动系统各轴传动参数表项目零件号功率kw转速 n r min转矩 T N m传动比i蜗杆 40.4512003.58蜗轮 30.33754080.5830锥齿 轮 1 （凸轮 6）0.320530102.071.33齿轮 70.152352906根据相关的传动参数，选择合适的齿轮、齿条、凸轮，组成一个完整的传动 系统。53 齿条、齿轮传动齿条 5 的直线周期性移动驱动齿轮 7 的匀速周期性转动。其啮合三维视图如右：齿条 5 参数为： m5=4, 5=20o，厚度 4mm，ha=1,c =0.2 ；齿轮 7参数为： d7=80mm,m7=4mm,ha =1,c =0.2,z

16、 7=20, 7=20o, 厚度 5mm。由上述传动系统各轴传动参数表可知，齿轮 7 的单周期转速为 5r/min ，用 ProE可模拟绘出齿条端点的移动位置与时间关系曲线，如下所示：5.4蜗杆上任一点（扇叶安装位置）运动分析：杆上任一点绕轴心做匀速（单个周期内）作匀速圆周运动，摆动张开角度为 120 o。其转动半径为：圆弧轨迹 ProE 绘图如下红色弧线：扇叶上任一点的运动为随电机匀速转动与随大齿轮 7 匀角速摆动的合成， 通 过 ProE 模拟其速度与时间关系曲线如下：6.心得体会（组长 徐江海 ） 为期近一周的机械原理课程设计终于快结束了，一周很短，也许， 看起来我们只是完成了一项任务，

17、并没有学到什么，因为至少，没有立竿见影的感觉，但，我们知道，这种影响是潜移默化的，是远远超出三级项目本身而存在的。 要完成一个项目，大多需要一个团队，需要一个分工协作、组织有序的团队，在这个团 队中，没有英雄，没有谁可以独当一面；在这个团队中，也不应该有懒汉，没有谁应该坐享 其成。 一个团队如何才能发挥最大的优势，才能把最大的潜能激发出来，我认为， 应该是团 队中的每个成员都能找到自己的位置， 都能够实现自己价值， 都能在这个团队中找到自己的这次课程设计，对于团队的合作，我颇有体会。在这样一个团队中，每个人的能力有强 弱之分，每个人的心态有端正与否， 每个人的所发挥的作用也就有所区别。 作为组

18、长， 我想 我有义务也有责任区承担更多的工作， 记得在之前参加其他项目的时候， 会有这样一条规定， 项目负责人需要承担 60%以上的任务，我想，我大多是做到了。但，也会陷入思考，我该怎 样给组员分配任务， 因为，分配任务同样也是我的工作。 还是那句话， 每个人的能力有强有 弱，在面对这样的情况时， 我尽量使每个人都能找到自己的位置， 都能有一定的工作。 当然， 同时也会困扰我，因为，确确实实，有的成员，确实不太具备完成它的能力。一方面，不分 配给他任务， 我便会深感愧疚， 毕竟这样我便使他失去了一个锻炼自己能力的机会， 使他在 这样一个团队中迷失自己的位置； 另一方面， 当我给他分配一个我认为

19、他可以胜任的任务之 后，可他确实感觉很有难度，于是，我便又有种犯罪感。团队，如何才能发挥它的优势，每 次组队参与一个项目时，我都一直在摸索着。课程设计是大家的工作， 是我们每个人锻炼自己， 使自己将在课堂上学习的理论知识运 用于实践的一次有意义的尝试，并且，更应该关注它的过程，因为，在这段过程中，我们可 以感觉到个人与团队的差异，我们甚至可以现学现用一门学科，比如说 matlab ，之前，我 们大家都没有接触过这款软件， 但是听说它能够进行数据处理和图像呈现， 便逼着我们去学 它，去用它，这便就是潜移默化中影响我们的一个方面。 在以后的学习生活中，我们还会遇 到很多突发的困难，我们要试着去相信

20、自己，解决问题。本次课设即将结束， 而我们学习的路还没有走到尽头， 而且还很远很远， 在这段行路的 过程中，我们将汲取到更多的养分， 吸收更多的经验，掌握更多的技能，为自己与众不同的 人生添加更多的色彩。（ 组员 郭志远 ） 经过两个阶段的机械原理课程设计，在我们五个人的共同努力下终 于完成了我们的全部设计工作。 但是我们不能逃避， 也没法去逃避。 学着去安排一个对于自 己来说相当陌生的项目， 怎样去控制它的进度， 完全根据老师讲的一些东西！ 这样一步一步 安排下来以后，竟然发现我们安排的还相当不错！信心大增呀！我们这次毕竟是一个团队，当然也要有分工，我主要是进行一些资料的收集，在收集资 料的

21、过程中，自己也会学到很多东西，了解很多东西，丰富自己的知识，拓展自己的视野， 对自己有很大的帮助。同时也让我感觉到团队合作的重要性，它是靠大家共同努力完成的。这次毕竟是第一次课程设计，尽管是大家共同努力完成的，但是也是不轻松的。但是我 们每个人也是从中获得了不少的经验，对于以后我们自己独立完成课程设计是有很大帮助 的，至少知道该怎样去做， 怎样才能做的更好。 希望通过这次课程设计可以让自己的知识变 得更加丰富多彩。（组员 侯江麟 ）十多天的课程设计上就要结束了， 回首这几天， 几分坎坷几分欢欣。 毫不夸张的说， 这几天是我在大学期间勤奋的几天， 也是最充实的几天， 当然也是最最累的 几天。自己

22、的感悟也是颇多，知道了设计绝不是一件简单的事，一根线条，一个结论，都需要 经过深思熟虑，反复思考后才能加以确定（最后还不一定正确） ，也明白了要想学好机械制 图，不仅需要严谨细致的学习作风，还需要认真负责的学习态度 通过这次课程设计也是让自己增加了不少课程设计方面的经验，毕竟自己以后总是要有 自己独立完成的课程设计， 这样自己以后就能知道该怎么做才能做的更好。 课程设计也是对 书本知识的一个深入的思考和认识， 这就不得不让我们去牢固课本上的每个细节， 做好每一 方面的工作，这也是我们深入学习的一个机会。（组员 刘欢） 通过本次课程设计， 使我对 机械原理 这门课程有了更深入的理解。 机械原理是

23、一门实践性较强的课程，为了学好这门课程，必须在掌握理论知识的同时， 加强实践。一个人的力量是有限的，要想把课程设计做的更好，就要学会参考一定的资料， 吸取别人的经验，把自己和别人的思想有机的结合起来，得出属于你自己的灵感。课程的设计需要有耐心，有些事情看起来很复杂，但问题只要一点一点去解决。分析问 题，把问题一个一个划分，划分成小块以后就逐个去解决，再总体解决大的问题。 虽然这只 是一次的极简单的课程制作， 可是平心而论， 也耗费了我不少的心血， 让我充分体会到劳动 的光荣性。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收也很可喜。让我知道了学无止境的道理。 我们每一个人永远不能满足于现有的成就：

24、人生就像在爬山， 一座山峰的后面还有更高的山 峰在等着你。 挫折是一份财富， 经历是一份拥有。 这次课程设计必将成为我人生旅途上一个 非常美好的回忆！（组员 崔明阳） 这学期的课程设计顺利的完成了，在设计过程中，我通过查阅大量 有关资料， 与同学交流经验和自学， 并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历 了不少艰辛， 但收获同样巨大。 在整个设计中我懂得了许多东西， 也培养了我独立工作的能 力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。在这次课程设计中，使我受益匪浅，这次设计涉及到的课程使我有了深刻的理解，还对 一些专业软件和办公软件更加熟悉了。 虽然这个

25、设计做的不太好， 但是在设计过程中所学到 的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益在课程设计中， 我现在发现我对理论知识的学习不够严谨， 专业知道方面范围太小。 我 现在深深体会到， 自己要想在专业方面有所作为， 不仅要有严谨认真， 注重实践的科学态度， 还要有较为全面系统和先进的专业知识。从某一方面来说这次课程设计可以认为顺利成功， 但是， 我能力有限， 其中肯定有一些不足和欠缺的地方。 在以后的学习中我会时时提醒自己 在以后的实践里会做到精益求精，不求最好，只求更好。7.参考文献：1成大先 机械设计手册第五版 . 化学工业出版社 20082杨家军 机械原理专题篇 . 华中科技大学

26、 20063饶振纲 行星传动机构设计 . 国防工业出版社 19944朱孝录 齿轮传动设计手册 . 化学工业出版社 20055年 1 月 20三维资源在线 三维标准件模型 . 2010 号6安子军 机械原理 . 国防工业出版社 2009.87王文斌 机械设计手册 . 机械工业出版社 2007.78张德丰 Matlab 数值分析与应用 . 国防工业出版社 2007.19曲继方 机械原理课程设计 . 机械工业出版社 1989.110罗洪田 机械原理课程设计指导书 . 高等教育出版社 1986.108.附录8.1 -t 关系曲线的 matlab 程序：clear clc t1=0:0.05:4; x1

27、=0.524*t1; t2=4:0.05:8; x2=-0.524*t2+4.19; t3=8:0.05:12; x3=0.524*t3-0.524*8; t4=12:0.05:16; x4=-0.524*t4+4.19*2; plot(t1,x1,t2,x2,t3,x3,t4,x4) grid on8.2 移动从动件圆柱凸轮机构的里轮廓线三维坐标方程 matlab 程序： clear clc t=0:0.04:4;x1=20*cos(2.356*t); x2=20*cos(-2.356*t);y1=20*sin(2.356*t); y2=20*sin(-2.356*t); z=2.67*t;

28、plot3(x1,y1,z,:,x2,y2,z,-);grid on8.3各构件设计参数： 锥形齿轮 1： z 1=20，m1=2.5mm, 1=20.6 o, 1=20o, d 1=m1z1=5mm. 锥形齿轮 2： z 2=15, m 2=2.5mm, 2=69.4 o, 2=20o, d 2=m2z2=37.5mm, ha =1,c =0.2.蜗轮 3： z 3=40, m3=1.25, 3=20o, d 3=m3z3=50mm, ha=1,c =0.2, 厚度 h3=15mm.蜗杆 4： z 4=1, 4=20 o, ha=1,c =0.2, d 4=20mm, m4=1.25mm, 直径系数 q=d 3/m3=16, 螺旋升角 tan =z3/q=0.0625, =3.85 o齿条 5： m 5=4, 5=20o，厚度 4mm， ha=1,c =0.2.凸轮 6： 长度为 100mm，理论廓线轴向长度 84mm，d6=40mm.齿轮 7 参数为： d7=80mm,m7=4mm,ha=1,c =0.2,z 7=20, 7=20o,厚度 5mm.