1、1成都理工大学机械基础训练 I 设计说明书设计题目：台式电风扇摆头机构设计 学生姓名： 陈 朋 专 业： 14 级机械工程 学 号： 3201406120624 指导教师： 刘 念 聪 日 期：20 16 年 12 月 28 日2目录第 一 章 ： 要 求 和 任 务 3一设计原始数据 .3二设计方案提示 .3三设计任务 .4四：注意事项 .4第二章：机构的选用 .5一、摆头机构： .5二、传动机构 .7第三章：机构的设计 .8一、四杆机构的设计 .8二、凸轮机构的设计： .11三、传动机构的设计 .14第四章：机构的运动分析 .18一、四杆机构的运动分析： .18二、圆柱凸轮机构运动分析：
2、20第 五 章 ： 方 案 的 确 定 22一、比较两种方案并选取方案： 22二、机构简图 .22总结 .23参考文献 .243第一章：要求和任务一设计原始数据设计台式电风扇的摇头装置，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 ，仰俯角度 与急回系数 K 的设计要求及任务分配表见下表.表: 台式电风扇摆头机构设计数据电扇摇摆转动方案号摆角 /() 急回系数 KA 80 1.01B 85 1.015C 90 1.02D 95 1.025E 100 1.03F 105 1.05我选择方案 B：摆角为 =85，急回系数 K=1.015。
3、二设计方案提示：常见的摇头机构有杠杆式、滑块式、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蜗轮旋转，涡轮和小齿轮做成一体，并以四杆机构的连杆作为原动件，则机架、4两个连架杆都做摆动，其中一个连架杆相对于机架的摆动即是摆头动作。机架可取 8090mm。三设计任务：1至少提出两种方案，然后进行方案分析评比，选一种方案进行设计； 2设计传动系统中各机构的运动尺寸，绘制机构运动简图。3编写课程设计说明书。 （用 A4 纸张，封面用标准格式）4机械传动系统和执行机构的尺寸计算。四：注意事项每位同学按照课程设计后最好准备一个专用笔记本，把课程设计中查阅、摘录的资料。初步的计算以
4、及构思的草图都记录在案，这些资料是整理设计说明书的基本素材。课程设计中所需知识可能超出机械原理课程课堂讲述的基本内容，同学应通过自学补充有关知识。 推荐参考资料机械原理课程设计手册 邹慧君主编 高等教育出版社。需要上交的资料包括：(1)设计说明书 1 份；（打印）(2)设计方案草图 1 份；（手写）(3 机械运动方案图样（A3 大小）1 份，及主要机构的运动简图、机构运动线图、机构的受力分析等。 （按照标准格式打印）5第二章：机构的选用为完成风扇左右摆动的吹风需要实现下列运动功能要求：在扇叶旋转的同时扇头能左右摆动一定的角度，因此，应设计左右摆动机构完成风扇摇头或不摇头的吹风过程，所以必须设计
5、相应的离合器机构。一、摆头机构：1. 杠杆式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机。(a) 曲柄摇杆机构 6(b)双曲柄机构(c)双摇杆机构在本次课程设计中由于电动机既要做风扇的动力输出件，又要做摇头机构的动力输出件，即摇头机构的原动件要随着风扇摆动，所以选用四杆机构中的双摇杆机构作为摇头机构。2. 凸轮机构：盘行凸轮、圆柱凸轮。(a) 盘行凸轮机构 7(b) 圆柱凸轮机构本次课程设计采用圆柱凸轮机构。二、传动机构根据给定的条件电动机的转速 n=1450r/min，而摆头机构的周期 T=10s。n0= =0.1r/s=6r/min1T由此可得传动机构要实现的传动比。i=n/n0=1450/6 =
6、241.67可得出传动比较大。在本期机械原理中，主要学习的传动机构是齿轮传动，不管是直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮还是直齿圆锥齿轮，其传动比都比较小，圆柱齿轮的传动比范围 i=3-6，圆锥齿轮的传动比范围 i=2-3。而能实现较大传动比的有蜗杆蜗轮机构( 图2.5)，它做减速器的传动比范围 i=5-70。由蜗杆蜗轮与圆柱齿轮结合便可实现上述较大传动比的传动。8图 2.5、 蜗杆蜗轮机构第三章：机构的设计一、四杆机构的设计本次设计的四杆机构是带有整转副的双摇杆机构。四杆机构具有整转副的条件：最长杆与最短杆之和另外两杆之和；形成周转副的杆中必有一杆为最短杆。满足具有整转副的双摇杆机构的条件是： 最长杆
7、与最短杆之和另外两杆之和；机架为最短杆的对边。9如图所示的机构的以构件 2 作为原动件的机构为具有整转副的双摇杆机构。根据给定的数据电扇摆角 =85 0，急回系数k=1.015，根据急回特性急回系数k=（180 0+）/（1800- ）可得出=180 0 =1800 =1.340k-1k+1 1.015-11.015+1根据极位夹角 和摆角 ，机架尺寸取 90mm。做出两极位时的机构运动简图：BAB=85 0，CDC=1.34 0 由于CDC的值极小，近视取 0.C为 BB的中点 AB=AB，构件 AB 的长为 LAB,构件 BC 的长为10LBC，构件 CD 的长为 LCD，则有: LBC=
8、BC=CB=LABsin =ABsin42.502850AC=ABcos42.50LCD=CD= 2ACD取不同的 LAB 的值：LAB(mm) LBC(mm) AC(mm) LCD(mm)10 6.75 7.37 89.7015 10.13 11.06 89.3120 13.51 14.75 88.7825 16.89 18.43 88.0930 20.26 22.14 87.2335 23.64 25.80 86.22对上述数据进行圆整，通过 LAB、L BC、L CD 的值，在机架取90mm 时，即 LAD=90mm，计算极位夹角 和风扇摆角 ：CDC=ADC-ADCBAB=BAD-BA
9、DADC=arcos )(22CDBADABCLL11ADC=arcos )(22BCDAACDLLBAD=arcos ABDADCB2BAD=arcos ABDADCABLL2)(22LAB（mm） LBC（mm） LCD（ mm） =CDC =BAB10 7 90 0.290 88.95015 10 89 0.36 83.6620 13.5 89 0.27 84.9225 17 88 0.14 85.6830 20 87 0.23 83.6235 23.5 86根据上面反馈的数据，而在本次课程设计中设计的最终目的是达到风扇左右摆动角度 ，而急回特性次之，因此选用设计的数据组是LAD=20m
10、m、L BC=13.5mm、L CD=89mm、 =84.920 和=0.27 0。根据以上数据绘制机构运动简图：12二、凸轮机构的设计：为满足机构的左右摆动，设计如下结构的圆柱凸轮机构：h 为圆柱凸轮的行程，R 为凸轮圆柱体的半径，2R 为凸轮圆柱体的周长。在此选择 R=20mm。圆柱凸轮机构摆动到两极限时的机构运动简图：13通过两极限位置画出其简化位置图如下，便于计算机构的各构件长。根据几何图形得到其关系图：h 为凸轮的行程，BAB=85014BAC=BAC=42.50LAB= 24.5sinh0= ）7-180（sin0ADADBLADB=arcsin（ sin132.50)ADBLCD
11、= 202）hsin1.5（）cos（ AD取不同的 h 的值，得到各构件不同的长度：h（mm） （mm）ABADB( )0(mm)CDL10 13.64 6.41 89.5115 20.69 9.76 88.8620 27.59 13.06 87.9725 34.49 16.41 86.8130 41.39 19.82 85.3635 48.29 23.31 83.6240 55.18 26.88 81.57从上面数据表中选取 h=25mm，L AB=34.49mm,LCD=86.81mm，对其数据进行圆整 h=25mm，L AB=35mm,LCD=87mm。三、传动机构的设计：此设计中采用
12、蜗杆蜗轮和齿轮传动，其机构运动简图：15由于风扇的摆动的周期 T=10s，可得出齿轮 4 的转速n4=0.1r/s=6r/min,由于电风扇电动机的转速 n=1450r/min，所以蜗杆 1的转速 n1=1450r/min，由此可得出其传动比：i14= = =241.67，41n6r/min50i14= =241.67。3142Z为便于制造蜗杆采用单头蜗杆，即 Z1=1，为了让机构的结构更紧凑齿轮的尺寸越小越好，为达到传动比只有 Z3 取得越小才能使得Z2、Z 4 越小，机构的尺寸才越小，但为让其不发生根切 Z317，取不同的 Z3 的值 : 42Z3Z4217 4108.33 19 4591
13、.6718 4350 20 4833.321 5075 22 5316.67由于 Z2、Z 4 为齿数，所以 Z2 Z4 为整数， ，因此取 Z3=18 为佳，由16于单头蜗杆蜗轮蜗轮的的齿数 Z 的取值范围为 5-70，Z3=18 时，得出 Z2 Z4=4350,取不同的 Z2、Z 4的值： 2Z4Z64 67.97 58 7562 70.16 56 77.6860 72.5 54 80.56根据上面数据，取 Z2=58、Z 4=75 。蜗杆与蜗轮转动比的取值范围 5-70，圆柱齿轮的传动比的取值范围 3-6，由齿数得其齿轮啮合的传动比：i12= = =5812Z58i34= = =4.17
14、347其传动比在其取值范围之内。模数的选择:模数的选择原则：优先选择第一系列，其次选择第二系列，尽可能的不用括号内模数；若没有计算出来的模数，选出来的模数就大不就小。模数标准系列（GB/T2008）1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5第一系列 6 8 10 12 16 20 25 321.125 1.375 1.75 2.25 2.75 3.5 4.5 5.5第二系列 (6.5) 7 9 11 14 18 22 2817蜗杆模数系列表1 1.25 1.5 2 2.5 3.15 4 5第一系列 6 8 10 12.5 16 20 25 31.51.5 3 3.5 4.5 5.5 6 7
15、12第二系列 14蜗杆蜗轮正确啮合的条件：、m 1=m2， ， ；、两者螺旋线的旋向相同。2121两圆柱直齿轮正常啮合的条件：m 3=m4， 。43因此齿轮的模数选择 m1=m2=1.25，m 3=m4=1。蜗杆的压力角采用阿基米德蜗杆压力角 =200，选其螺旋角 =150（蜗杆21蜗轮螺旋角的取值范围 50-200） 。而在模数为 1.25 时，蜗杆的分度圆选择 d1=20mm。圆柱齿轮的压力角选择标准压力角 =200。43齿轮尺寸参数表：名称 蜗杆 1 蜗轮 2 齿轮 3 齿轮 4齿数 Z Z1=1 Z2=58 Z3=18 Z4=75压力角 200 200 200 200模数 m1=1.2
16、5 m2=1.25 m3=1 m4=1分度圆直径 d1= 20mm d2=m2 =72.5mmZd3=m3 =18mmZd4=m3 =75mmZ基圆直径 db2=d1cosdb3=d3cosdb4=d4cos齿顶高系数 *ah1 1 1 1顶隙系数 c* 0.25 0.25 0.25 0.25标准中心距 =d 1+d2=92.5mm =d 3+d4=93mm18第四章：机构的运动分析一、四杆机构的运动分析：分析任意时刻的速度和加速度：令杆 AB 的角速度为 AB，杆 CD 的角速度 CD，杆 BC 的角速度为 。= + CVBCBV大小： ? ? 方向：CD AB BC19VCB= LBC=0
17、.1r/s13.5mm=1.3510-3m/s根据上面关系画出速度矢量关系：选择比例尺 = =1/2S2m1/sVC=14.59mm1/2s=7.3010-3m/sVB=28.49mm1/2s=14.2510-3m/sAB= = =0.7r/sABL20m/s15.4-3CD= = =0.08r/sCDV897-3加速度分析：由于杆 BC 做匀速圆周运动，所以 BC 的角加速度 BC=0，即 a=0。tBC+ = + + atCnCatBnBanCB大小： ? ? 方向： CD CD AB BA CBa = = =0.60m/s2nCDLV2m89)/s103.7(2a = = =15.041
18、0-3m/s2nBA2542320a = = =0.13510-3m/s2nCBLV2m5.13)/s0(2选择比例尺 = =1/10s202其加速度矢量关系图：a =12.56mm1/10s2=1.25610-3m/s2tCa =15.04mm1/10s2=1.50410-3m/s2BAB= = =0.11r/s2ABLtm5.13/s04CD= = =0.014r/s2CDtca89262二、圆柱凸轮机构运动分析：其任意时刻的速度加速度分析 21VC= = =510-3m/sTh210sm5VBC= = =12.5610-3m/sR24.3= + BCVBC大小 ? 方向 AB CD ?选
19、择比例尺 = =1/2S，做速度矢量图：2m1/sVB=7.5mm1/2s=3.7510-3m/s22AB= = =0.11r/sABLV35m/s01.7-CD= = =0.057r/sCD8-第五章：方案的确定一、比较两种方案并选取方案：结构上：四杆机构结构简单，只需要满足机构的力学即可，对于加工要求低；圆柱凸轮机构结构较复杂，对加工要求较高，加工比较复杂。运动上：四杆机构能够基本满足风扇摆头的运动规律，其原动件为连杆，不会出现死点位置；而圆柱凸轮机构的急回特性相对于四杆机构较差。机械效率上：四杆机构的四个连杆质量较轻，原动件可直接与传动机构的齿轮焊接，在传动中这一级传动基本没有能量损失；
20、而圆柱凸轮机构的圆柱凸轮质量较重，其原动件只能与传动机构的输出齿轮同轴，使其对能量的消耗增加，机械效率相对较低。经过以上对比，我选用方案一（双摇杆机构） 。二、机构简图：23总结机械原理课程设计结束了，回望这几天时间学习，自己学到了不少。在真正开始设计这个电风扇摇头装置之前，自己也曾经有过很多想法和方案，有的很简单，有的很复杂。在这么多方案中选择两种较好的，确实要考虑很多东西。平时学到的机械原理知识还是有限，在抉择中有点头大。但是通过上网和去图书馆查资料，确定了本次设计的方案。当然此次设计还有很多不足和需待改进的地方。这次课程设计，是将本学期机械原理这门课程中所学的知识综合运用到实际中某一具体
21、实例中，另外对于机械设计也有了的认识和实践经验。这次课程设计，从最初的毫无头绪到逐渐做出雏形，然后进一步改进。虽然总共用了几天的时间，但在这整个设计过程中，自己在实践中摸索成长，在理论中分析探讨，更加清晰地认识到只有灵活地掌握好理论知识，在实际应用中才能够得心应手，才能真正将理论用于实践，从中学到更多的知识和技能。24在具体实践时，往往会遇到很多事先没预测到的困惑，这成为我们完成设计的一大障碍，但最终还是通过求教和自己摸索中解决了。从这些过程中学会了运用自己所学的知识用于实践生活中，锻炼了自己遇到问题，分析问题，解决问题的能力。参考文献1曾小慧,王玉丹. 机械原理课程设计指导书M.武汉:中国地质大学 20122孙恒,陈作模.机械原理（第八版）M. 北京: 高等教育出版社,20133杨可桢，程光藴，李仲生.机械设计基础（第六版） M. 北京: 高等教育出版社, 20134陆凤仪. 机械原理课程设计（第二版）M. 北京: 机械工业出版社,2011
