1、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学 院 机械工程学院专 业 机械设计制造及其自动化班 级 09 级机自 3 班设计人员 徐江海 学号 090101010065郭志远 学号 090101010077刘 欢 学号 090101010083侯江麟 学号 090101010082崔明阳 学号 090101010072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
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5.2.1 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
3、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 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
4、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。2.2 课题名称 台式电风扇摇头机构2.3 工作原理通过电机提供原 动力。1通过轮系、连杆、凸轮等机构进行传动。224 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
5、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。电风扇的发展简图纯机械结构电驱动风扇（电风扇）法条驱动式法条齿轮联动驱动式电风扇3.机构方案设计3.1 思路来源常用台式电风扇的工作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
6、回现象的电风扇摇头机构。3.2 思路流程电风扇 摇头机构双摇杆机构电驱动风 扇的 转动 风扇的摆动凸轮机构 齿轮机构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
7、比较3.3.1 方案选择方案一：实际可以抽象为一个铰链四杆1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。方案二：2此方案通过电机带动蜗杆转动，驱动蜗轮转动，进而通过杆 1 拉动机头 部分实现小角度摆动，但需要注意的是，该机构不宜用于实现大角度转动的电扇采用的原因是，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。但对于小角度机器的使用，仍有其 优点，比如 结 构简单，成本较低。方案三： 该方案通过电机驱3动，蜗杆 转动，进而由蜗杆带动蜗轮，实现 两齿轮的传动，同时，齿轮传动带动两个滑块在各自轨道内滑动，使 1 杆实现一定
8、角度的平面转动， 进而拉动机身、风扇头部平稳摇动。但该机构 设计机构复杂，确定各点的位置较困难，且成本较高。方案四： 该方案采用4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 。3.3.2 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
9、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。3.3.3 主方案分析4.典型机构的设计和运动分析4.1 轮系设计及分析主方案三维视图： 传动原理：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）发上移动，齿条的移动带动灰
10、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。蜗杆、蜗轮、 锥齿轮组成定轴轮系。 相互啮合关系如下：该轮系的工作过程：蜗杆（电机）转动驱动蜗轮，蜗轮与其上的锥齿轮同轴从动，该锥齿轮推动与之啮合的横向 轴线锥齿轮转动，并 进行后续的运动。该轮系机构简图如下：参数设定：锥形齿轮 1： z1=20，m1=2.5mm, 1=20.6, 1=20, d1=m1z1=5mm.锥形齿轮 2： z2=15, m2=2.5mm, 2=69.4, 2=20, d2=m2z2=37.5mm,ha =1,c =0.2.蜗轮 3： z3=40, m3=1.25
11、, 3=20, d3=m3z3=50mm, ha =1,c =0.2,厚度 h3=15mm.蜗杆 4： z4=1, 4=20 , ha =1,c =0.2, d4=20mm, m4=1.25mm, 直径系数 q=d3/m3=16,螺旋升角 tan=z3/q=0.0625, =3.85 已知蜗杆的转速 n4=1200r/min,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，齿条 4s 内地位移为 84mm，与齿条相啮合传动的齿轮直径 d=mz=80mm。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
12、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
13、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）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
14、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（整个机构的结构简图）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/n7=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：i 总 =i1 i2 i3 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
15、) 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 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/minn1=n3/i2=30
16、r/minn7=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： 。依据此式， 结合以上数950/TPn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minr转矩mNT传动比 i蜗杆 4 0.45 1200 3.58 蜗轮 3 0.3375 40
17、80.58 30锥齿轮1（凸轮 6）0.3205 30 102.07 1.33齿轮 7 0.1523 5 290 6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：m 5=4, 5=20，厚度 4mm，ha =1,c =0.2；齿轮 7 参数为：d 7=80mm,m7=4mm,ha =1,c =0.2,z7=20, 7=20,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
18、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 。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，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
19、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尊严。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。
20、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
21、，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
22、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
23、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
24、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
25、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：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
26、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，
27、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 2006 3 饶振纲 行星 传动机构设计.国防工业出版社 1994 4 朱孝录 齿轮传动设计手册.化学工业出版社 2005 5 三 维资源在线 三维标准件模型.http:/ 2010 年 1 月 20 号6安子军 机械原理 .国防工业出版社 2009.87王文斌 机械
28、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：clearclct1=0:0.05:4;x1=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,
29、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：clearclct=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;plot3(x1,y1,z,:,x2,y2,z,-);grid on8.3 各构件设计参数：锥形齿轮 1： z1=20，m1=2.5mm, 1=20.6, 1=20, d1=m1z1=5mm.锥形齿轮 2： z2=15, m2=2.5mm, 2=69.4, 2=20, d2=m2z2=37.5
30、mm,ha =1,c =0.2.蜗轮 3： z3=40, m3=1.25, 3=20, d3=m3z3=50mm, ha =1,c =0.2,厚度 h3=15mm.蜗杆 4： z4=1, 4=20 , ha =1,c =0.2, d4=20mm, m4=1.25mm, 直径系数 q=d3/m3=16,螺旋升角 tan=z3/q=0.0625, =3.85 齿条 5： m5=4, 5=20，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：d 7=80mm,m7=4mm,ha =1,c =0.2,z7=20, 7=20,厚度 5mm.
