課程設計《臺式電風扇搖頭裝置》

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1、 一、 題目：臺式電風扇搖頭裝置 二、 設計題目及任務 2.1 設計題目 設計臺式電風扇的搖頭機構，使電風扇做搖頭動作 ( 在一定的仰角下隨搖桿擺動 ) 。 風扇的直徑為 300mm, 電扇電動機轉速 n=1450r/min ，電扇搖頭周期 t=10s 。電扇擺動 角度 " ，仰俯角度 0 與急回系數(shù) K 的設計要求及任務分配表見表 2.11. 表 2.11 臺式電風扇擺頭機構設計數(shù)據(jù) 方案號 電扇搖擺轉動 電扇仰俯轉動 擺角 ”(° ) 急回系數(shù) K

2、 仰角 0/( °) A 80 1.01 10 B 85 1.015 12 C 90 1.02 15 D 95 1.025 20 E 100 1.03 22 F 105 1.05 25 此次選擇的是方案 C:擺角為“ =90 °, 急回系數(shù) K=1.02，仰角 0 =15°。 2.2 設計任務 (1) 按給定主要參數(shù)，擬定機械傳動系統(tǒng)總體方案。 (2) 畫出機構運動方案簡圖。 (3) 分配渦輪蝸桿、齒輪傳動比。確定它們的基本參數(shù)，設計計算幾何尺寸。

3、 (4) 確定電扇搖擺轉動的平面連 桿機構的運動學尺寸，它滿足擺角 ”及急回系數(shù) K條件 下使最 小傳動比角 丫 min 最大。并對平面連桿機構進行運動分析，繪制運動線圖，驗算曲柄存 在條件。 (5) 編寫設計計算說明書。 (6) 學生可進一步完成臺式電風扇搖頭機構的計算機動態(tài)演示或模型試驗驗證。 2.3 設計提示 ( 1) 常見的搖頭機構有杠桿式、滑板式和撳拔式等?？梢詫L扇的搖頭動作分解為風扇 的左右擺動和風扇的 1 / 8

4、 上下俯仰運動。 風扇搖擺轉動可以采用平面連桿機構實現(xiàn)。 以雙搖桿機

5、 2 / 8 構的連桿為主動件（即風扇轉子通過渦輪蝸桿帶動連桿傳動） ，則其中一個連架桿的擺動即 實現(xiàn)風扇的左右擺 動（風扇安裝在連架桿上） 。機架可選取 80~90mm。風扇的上下仰俯運動 可采用連桿機構、凸輪機構等實現(xiàn)。 （2）還可以采用空間連桿機構直接實現(xiàn)風扇的左右擺動和上下仰俯的

6、復合運動。 三、功能分解 現(xiàn)市售電風扇的機頭一般只是做單一的左右擺頭動作， 可結合手動調節(jié)機頭俯仰角度來 改變受風區(qū)域，但正常工作時機頭的俯仰角往往是固定的， 只依靠機頭自身左右擺動來送風， 因此受風區(qū)域、 面積有限。 本臺式電風扇是立體送風電風扇， 該電風扇有兩種實現(xiàn)方式。即風扇左右擺動和風扇上 下俯仰運動。 3.1 風扇的左右搖擺運動 風扇在開啟后，需要調整受風區(qū)域時，則自然希望風扇能搖頭，增加、改變受風的區(qū)域。 一般是風扇在啟 動搖頭時

7、， 風扇是左右搖擺的。當然，風扇的左右搖擺一般是在一個平面內， 并且是有范圍限制的。但也有一些擺角是大于 180。的，甚至更大的。 3.2 風扇的上下俯仰運動 隨著科技的發(fā)展，很多風扇能在風扇左右搖擺的同時， 能借助相應的構件作上下俯仰運 動，實現(xiàn)立體寬區(qū)域送風。 四、機構的選用 根據(jù)前述設計要求， 并且根據(jù)技術、經濟及相容性要求，確定兩種運動的執(zhí)行元件 機頭，選用相應的機 構來實現(xiàn)各項運動的功能，見表 4.1 。 表 4.1 臺式電風扇的機構選型

8、 功能 執(zhí)行構件 工藝動作 執(zhí)行機構 左右搖擺 機頭 曲線往復運動 連桿機構 凸輪機構 上下俯仰 機頭 上下直線往復運動 凸輪機構 連桿機構 僅對表 4.1 的基本結構進行組合，就可以得到 2X 2=4 種運動方案。初步選出結構簡單 又較為可行的方案為： 左右搖擺運動采用凸輪機構中帶有凹槽的圓柱凸輪機構 , 上下俯仰運 3 / 8 動采用連桿機構中的雙搖桿機構。 雙搖桿機

9、構：結構簡單，制造容易，工作可靠，傳動距離較遠，傳遞載荷較較大，可實 現(xiàn)急回運動規(guī) 律。 一般用于從動件行程較大或承受重載的工作場合， 可以實現(xiàn)移動、 擺動等 復雜運動規(guī)律或運動軌 跡。 利用雙搖桿機構實現(xiàn)電風扇的俯仰運動， 優(yōu)點在于它以運動副元 素為面接觸，壓力小，能承載較重的 機頭，使其上下俯仰運動可靠。并且可根據(jù)桿長的改變 來實現(xiàn)仰角改變。使用雙搖桿機構實現(xiàn)風扇的左右擺 頭時，所需空間也較大。 凸輪機構：結構緊湊，工作可靠，調整方便，可獲得任意運動規(guī)律，但動載荷較大，傳 動效率較低。 用于從動件行程較小和

10、載荷不大以及要求特定運動規(guī)律的場合。 故凸輪不適合 作為帶動風扇作俯仰運動的 機構。 而風扇的左右搖擺又是特別有規(guī)律的， 所以實現(xiàn)風扇的左 右擺頭還是選用凸輪機構。 五、機構組合 由上述選用的機構組合，根據(jù)動力源驅動方式，實現(xiàn)該類電風扇有兩種實現(xiàn)方案。 5.1 方案一 由兩個動力分別驅動機頭左右擺頭和上下擺頭。 其中一個來自專用同步電機或經齒輪箱 減速的主電動 機動力驅動上下擺頭， 另一個同步電動機專門驅動機頭做左右擺頭， 兩種動作 組合成一種非特定的立體運 動軌跡，

11、實現(xiàn)立體送風。 5.2 方案二 單動力驅動， 即直接利用主電動機的動力， 經減速后同時驅動兩套不同的機構分別完成 左右和上下 擺頭兩個互成 90°的動作。其中上下擺頭是由齒箱輸出曲柄盤直接驅動曲柄四 桿機構即第一機構來實現(xiàn)； 左右擺頭是由凸輪擺動機構即第二機構來實現(xiàn)。 實施時來源于曲 柄盤的動力必須經過一個傳動機構傳遞給 第二機構， 但齒箱跟隨第一機構擺動而第二機構不 跟隨擺動， 這時動力的傳遞只要通過特定的位置才能保 持傳動中心距不變。 此電風扇的第一 機構擺動軸線即所謂關節(jié)， 不管如何擺動， 曲柄盤軸線相

12、對擺動軸 線即關節(jié)的距離始終不變， 而第二機構驅動凸輪的傳動軸線與第一機構的擺動軸線重合。 因此， 動力從 驅動盤傳遞到凸 輪時， 傳動中心距不產生任何變化， 從而選用同步齒型帶傳送動力， 實現(xiàn)了電風扇循環(huán)寬域 送風。 5.3 方案比較選擇 方案一，雖然實現(xiàn)了立體寬區(qū)域送風，但同步電動機的使用使動力源增多，電路復雜， 且偶然的超載也會導致同步電動機的損壞， 使電風扇的整機可靠性和壽命大大的降低， 因而 3 / 8 市場對該類電風扇認同率低，無法普及。方案二

13、則可以有效避免這樣的不足。 單動力驅動，即直接由主電動機單齒箱驅動， 實現(xiàn)上下和左右擺頭， 這時主電動機跟隨 一級轉動副擺 動，但對于傳統(tǒng)設計，同一動力用于驅動另一組轉動副時， 動力傳動機構的傳 動距離一一一般為中心距必然 作周期性的變化， 無法直接采用傳統(tǒng)成熟的機構。但方案二有 效克服了立體送風電風扇傳動機構設計上的缺 陷， 使結構簡單可靠，成本低，維修保養(yǎng)方便 , 實現(xiàn)了單動力關節(jié)轉換恒中心距雙驅動結構俯仰水平立體送風。 因此，綜上所述，選擇方案二。 、 * —、￥、j、一

14、八、方案詳述 下面結合附圖 1 對方案二進行詳述。 參照附圖 1。電風扇機頭整體，即電動機 5、減速箱 2、風葉、索母、網罩，和安裝、 固定機頭的固定座 11 等。其中，電動機前殼 10 用螺絲與電動機前端蓋 7 連接，電動機支承 板 8 安裝在電動 機后端蓋 4 上，減速箱與電動機后端蓋固接， 電動機后殼 6 通過螺絲與電動 機連接，支承板借助鉸軸 12 活動鉸接在支承假 9 上，支承架與減速箱上的輸出曲柄盤 20 之間連接有上下?lián)u頭連桿 1, 曲柄盤與左右擺頭驅動凸輪機構中的從動齒輪 19 之間由同步

15、 皮帶 3 傳輸動力，驅動凸輪主體靠軸套 21 配套定位并運作。 5 / 8 圖 6.1 上下俯仰運動的傳動原理示意圖 這樣，電風扇機頭整體、減速箱曲柄盤、上下?lián)u頭連桿及支承架構成一個四桿機

16、構，參 照圖 6.1 傳動原 理示意圖。在圖中， AB代表機頭整體， BC為盤狀曲柄， CD為上下?lián)u頭連桿， DA表示 U型支承架，鉸接點 A 處鉸接有鉸軸及其上的驅動凸輪機構，鉸接點 B 處鉸接與盤 狀曲柄，鉸點 C位于盤狀曲柄的盤周，鉸接啦上下?lián)u頭連桿的一端，鉸點 D是上下?lián)u頭連 桿另一端的鉸接點。點 B' B' 分別表示 AB繞鉸點 A 擺動到兩個極限位置時的位置點， a ! 和 a 2 表示機頭整體向兩側的極限擺角，而機頭整體的上下擺動范圍 a +a 2 可通過調整 BC i 的尺寸

17、來實現(xiàn)。 參照附圖 2 和 4。所述的凸輪驅動機構可以貫穿其中的鉸軸轉動，鉸軸上套有驅動凸輪 主體 18, 而驅動 輪上有供拔銷滑動的傾斜環(huán)形封閉槽，拔銷位于中心盤 17 的盤變附近，中 心盤安裝在固定座上。中心盤與其中心軸 14 鉚接，中心軸插入固定座的定位孔中，止定螺 釘 15 止入的壓力下，其上端的棘齒與中心盤下端的棘齒齒合；同時花鍵套又與固定座為花 鍵盤連接，可相對 上下滑動而不可相對轉動。 上述中心軸套件構成了角度調節(jié)及過載保護結 構，在正常工作時中心盤相對固定座不能轉動， 并與固定座配合限制支承架上下移位， 使支

18、 承架只能繞中心軸轉動。 而當強行扭動電風扇機頭時， 活動花鍵套推壓彈簧片并脫離與中心 盤下的齒的齒合，發(fā)生跳齒起到位置調節(jié)及機構保護作用。 工作時，減速箱在電動機驅動下， 通過輸出曲柄盤帶動上下?lián)u頭連桿推動機頭作上下擺 頭動作；同 時，曲柄盤帶動其上的同步皮帶將動力傳遞到外套在鉸軸上的驅動凸輪主體， 驅 動凸輪主體在轉動過程中迫使拔銷連同中心盤作相對擺動， 由于中心盤的固定，所以安裝在 支承架上的機頭整體繞中心盤作左右來回擺動， 由此兩個互為垂直的擺動組合成機頭的立體 循環(huán)運動。

19、 七、機構設計 7.1 凸輪機構設計 擺動從動件圓柱凸輪機構 （如圖 7.11 ）是一種空間凸輪機構， 這種機構是把旋轉運動改 變?yōu)槠叫杏谛D軸線的平面內的擺動運動。 此凸輪機構是用來帶動風扇機頭作左右來回擺頭運動的。可知風扇的擺角是 “ =90°, 根據(jù)擺動從動件圓柱凸輪機構的運動原理，見圖 7.12 擺動從動件圓柱凸輪運動簡圖，由公 式： 6 / 8 L ' ■ （（ 1 co

20、sy

21、 7 / 8 式中： :- 凸輪機構的中心距 L ――擺動從動件的長度 ' ■――擺動從動件的最大擺角 則經計算得：凸輪機構的中心距 :- =25.6mm , L = 30 mm , =90 驅動凸輪主體傾斜封閉環(huán)形槽的平面展開圖如下圖 7.13 所示。

22、 圖 7.11 擺動從動件圓柱凸輪機構 圖 7.12 擺動從動件圓柱凸輪運動簡圖 60- W4 !眇 2附 期。 3M* 圖 7.13 7.2 雙搖桿機構設計 如圖 6.1 為電扇實現(xiàn)上下俯仰運動的傳動原理示意圖。 在滿足桿長條件且最短桿是連桿 的情況下，該機構為雙搖桿

23、機構?，F(xiàn)假設圖中桿 BC 為最短桿且（設 IAB 最長） IBC T A^ l CD l ；入 又因為 8 / 8 假設 1 BC ：：： I AD ：：： 1CD ：：： ) _arccos r ：2 "rcco 1AD — (1BC 1CD 2 1A B Um 2 ,,,,,,,,,,,,, AB JAB

24、 1 AB 1AD 1AB 1AD 綜合 ①）色）④）式可設計為： 1AD =85mm,l Bc = 22.5mm, 1 CD = 127.5mm, 1 AB = 165mm 八、傳動方案設計 （1）根據(jù)風扇電動機轉速 n=1450r/min ，電風扇搖頭周期 t=10s ，確定系統(tǒng)總傳動比 i 為 i 1450/60 241.67 : 242 （2）傳動比分配 1/10 （根據(jù)國家標準 GB

25、/T10087 --1988 ） 減速箱采用二級轉速，第一級采用渦輪蝸桿傳動，選取傳動比為 80. 第二級采用單級 齒輪減速，齒輪傳動比為 3. 由齒輪傳動強度確定齒輪的標準模數(shù) m=0.6。齒輪齒數(shù)： z1=20，z2=98。 具體見表 8.1 傳動方案的一些參數(shù) 表 8.1 齒數(shù) 模數(shù) /mm 壓力角/ ° 螺旋角 渦輪 1 0.6 20 14.04 蝸桿 80 0.6 20 14.04 齒輪 1 25 0.6 20 14.04 齒輪 2 75 0.

26、6 20 14.04 曲柄盤帶動其上的同步皮帶將動力傳遞到外套在鉸軸上的驅動凸輪主體時， 曲柄盤的轉 速和凸輪機構中的從動齒輪的轉速是相等的， 即帶有槽的圓柱凸輪的轉速和曲柄盤的轉速是 相等的。 九、小結 為期一周的機械原理課程設計結束了，回望這短暫的幾天時間學習，自己學到了不少。 9 / 8

27、 在真正開始設計這個電風扇搖頭裝置之前， 自己也曾經有過很多想法和方案， 有的很簡 單，有的很 復雜。在這么多方案中選擇一種較好的，確實要考慮很多東西。平時學到的機械 原理知識還是有限， 在抉 擇中有點頭大。 但是通過上網、 去圖書館查資料以及小組成員的討 論，確定了本次設計的方案。當然此次設計還有很多不足和需待改進的地方。 這次課程設計， 是第一次將本學期 《機械原理》 這門課程中所學的知識綜合運用到實際 中某一具體 實例中， 另外對于機械設計也有了初步的認識和實踐經驗。 這次課程設計， 從最 初的毫無頭緒到逐漸做 出雛形，

28、然后進一步改進。 雖然總共僅用了幾天的時間， 但在這整個 設計過程中， 自己在實踐中摸索成 長， 在理論中分析探討， 更加清晰地認識到只有靈活地掌 握好理論知識， 在實際應用中才能夠得心應 手， 才能真正將理論用于實踐， 從中學到更多的 知識和技能。 一個巴掌拍不響，一個人的力量是有限的，想像力、創(chuàng)新力也如此。小組成員通過分析 思考、查找資 料、再分析思考、小組討論、確定初步方案、分工協(xié)作、組織成型、改進和確 定最終方案。 “ 書上得來終 覺淺，需知事事要躬行 ”。書本的知識不可能面面具到，而又由 于在學習過程中的不慎不斷遺

29、失， 使我們 的知識結構十分不完整。 于是系統(tǒng)地進行實踐操作 對我們完善知識體系有莫大的幫助。 與此同時， 在具體實踐時， 往往會遇到很多事先沒預測到的困惑， 這成為我們完成設計 的一大障 礙， 但最終還是通過求教和自己摸索中解決了。 從這些過程中我們又鍛煉了自己遇 到問題，分析問題，解 決問題的能力。同時也感受到了群眾的智慧是不可估量的。 “三人行 則必有我?guī)熝伞?” 在此設計中，小組各成員之間積極配合、共同奮斗，在加深了對專業(yè)理解掌握的同時，也加 深了我們的 友誼。同時也要感謝石端虎和張元越兩位老師的耐心指導。

30、 以后這樣的實踐學習的課程， 學校要多加開設。 從中我們學生能學到很多書本上學不到 的東西，學 會了運用自己所學的知識用于實踐生活中，更好的指導我們學習。 十、參考資料 1. 《機械原理》 （第七版） 孫桓 陳作模 主編 高等教育出版社 2. 《機械設計課程設計》 （第二版） 朱文堅 黃平 編 華南理工大學出版社 3. 《機械設計基礎課程設計》 孫德志 張偉華 鄧子龍 編 科學出版社 李柱國 主編 科學出版社 4. 《機械設計與理論》 5. 《機械原理設計課程設計指導書》 裘建新 主編 高等教育出版社 8 / 8