机械原理优秀课程设计台式电风扇摇头装置.doc

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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：
指导老师： 刘 念 聪

日 期：20 16 年 12月 28 日

目录
第一章：要求和任务 3
一．设计原始数据 3
二．设计方案提醒 3
三．设计任务 4
四：注意事项 4
第二章：机构选择 5
一、摆头机构： 5
二、传动机构 7
第三章：机构设计 8
一、四杆机构设计 8
二、凸轮机构设计： 11
三、传动机构设计 14
第四章：机构运动分析 18
一、四杆机构运动分析： 18
二、圆柱凸轮机构运动分析： 20
第五章：方案确实定 22
一、比较两种方案并选择方案： 22
二、机构简图 22
总结 23
参考文件 24

第一章：要求和任务
一．设计原始数据
设计台式电风扇摇头装置，风扇直径为300mm，风扇电动机转速n=1450r/min，风扇摇头周期t=10s。风扇摆动角度ψ，仰俯角度φ和急回系数K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
方案号
风扇摇摆转动
摆角ψ/(°)
急回系数K
A
80
1.01
B
85
1.015
C
90
1.02
D
95
1.025
E
100
1.03
F
105
1.05
我选择方案B：摆角为ψ=85°，急回系数K=1.015。
二．设计方案提醒：
常见摇头机构有杠杆式、滑块式、揿拔式等。本设计可采取平面连杆机构实现。由装在电动机主轴尾部蜗杆带动蜗轮旋转，涡轮和小齿轮做成一体，并以四杆机构连杆作为原动件，则机架、两个连架杆全部做摆动，其中一个连架杆相对于机架摆动即是摆头动作。机架可取80—90mm。
三．设计任务：
1．最少提出两种方案，然后进行方案分析评选，选一个方案进行设计；
2．设计传动系统中各机构运动尺寸，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．机械传动系统和实施机构尺寸计算。
四：注意事项
每位同学根据课程设计后最好准备一个专用笔记本，把课程设计中查阅、摘录资料。初步计算和构思草图全部统计在案，这些资料是整理设计说明书基础素材。
课程设计中所需知识可能超出«机械原理»课程课堂讲述基础内容，同学应经过自学补充相关知识。
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。
需要上交资料包含：(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，及关键机构运动简图、机构运动线图、机构受力分析等。（根据标准格式打印）

第二章：机构选择
为完成风扇左右摆动吹风需要实现下列运动功效要求：在扇叶旋转同时扇头能左右摆动一定角度，所以，应设计左右摆动机构完成风扇摇头或不摇头吹风过程，所以必需设计对应离合器机构。
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

(b)双曲柄机构

(c)双摇杆机构
在此次课程设计中因为电动机既要做风扇动力输出件，又要做摇头机构动力输出件，即摇头机构原动件要伴随风扇摆动，所以选择四杆机构中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

(b) 圆柱凸轮机构
此次课程设计采取圆柱凸轮机构。
二、传动机构
依据给定条件电动机转速n=1450r/min，而摆头机构周期T=10s。
n0==0.1r/s=6r/min
由此可得传动机构要实现传动比。
i=n/n0=1450/6 =241.67
可得出传动比较大。
在本期«机械原理»中，关键学习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，其传动比全部比较小，圆柱齿轮传动比范围i=3-6，圆锥齿轮传动比范围i=2-3。而能实现较大传动比有蜗杆蜗轮机构(图2.5)，它做减速器传动比范围i=5-70。由蜗杆蜗轮和圆柱齿轮结合便可实现上述较大传动比传动。

图2.5、 蜗杆蜗轮机构
第三章：机构设计
一、四杆机构设计
此次设计四杆机构是带有整转副双摇杆机构。
四杆机构含有整转副条件：
①最长杆和最短杆之和≤另外两杆之和；
②形成周转副杆中必有一杆为最短杆。

满足含有整转副双摇杆机构条件是：
① 最长杆和最短杆之和≤另外两杆之和；
②机架为最短杆对边。

图所表示机构以构件2作为原动件机构为含有整转副双摇杆机构。依据给定数据风扇摆角Ф=850，急回系数k=1.015，依据急回特征急回系数
k=（1800+θ）/（1800-θ）
可得出
θ=1800 =1800=1.340
依据极位夹角θ和摆角Ф，机架尺寸取90mm。做出两极位时机构运动简图：

∠B’AB’’=850，∠C’DC’’=1.340因为∠C’DC’’值极小，近视取0.
C为B’B’’中点AB’=AB’’，构件AB长为LAB,构件BC长为LBC，构件CD长为LCD，则有:
LBC=B’C=CB’’=LABsin=AB’sin42.50
AC=AB’cos42.50
LCD=CD=
取不一样LAB值：
LAB(mm)
LBC(mm)
AC(mm)
LCD(mm)
10
6.75
7.37
89.70
15
10.13
11.06
89.31
20
13.51
14.75
88.78
25
16.89
18.43
88.09
30
20.26
22.14
87.23
35
23.64
25.80
86.22
对上述数据进行圆整，经过LAB、LBC、LCD值，在机架取90mm时，即LAD=90mm，计算极位夹角θ和风扇摆角Ф：

∠C’DC’’=∠ADC’’-∠ADC’
∠B’AB’’=∠B’AD-∠B’’AD
∠ADC’=arcos[]
∠ADC’’=arcos[]
∠B’AD=arcos[]
∠B’’AD=arcos[]

LAB（mm）
LBC（mm）
LCD（mm）
θ=C’DC’’°
Ф=∠B’AB’’°
10
7
90
0.290
88.950
15
10
89
0.36
83.66
20
13.5
89
0.27
84.92
25
17
88
0.14
85.68
30
20
87
0.23
83.62
35
23.5
86

依据上面反馈数据，而在此次课程设计中设计最终目标是达成风扇左右摆动角度Ф，而急回特征次之，所以选择设计数据组是LAD=20mm、LBC=13.5mm、LCD=89mm、∠Ф=84.920和∠θ=0.270。依据以上数据绘制机构运动简图：二、凸轮机构设计：
为满足机构左右摆动，设计以下结构圆柱凸轮机构：
h为圆柱凸轮行程，R为凸轮圆柱体半径，2R为凸轮圆柱体周长。在此选择R=20mm。
圆柱凸轮机构摆动到两极限时机构运动简图：
经过两极限位置画出其简化位置图以下，便于计算机构各构件长。

依据几何图形得到其关系图：h为凸轮行程，∠B’AB’’=850
∠B’AC=∠B’’AC=42.50
LAB=
=
∠ADB=arcsin（sin132.50)
LCD=
取不一样h值，得到各构件不一样长度：
h（mm）
（mm）
∠ADB’( )
(mm)
10
13.64
6.41
89.51
15
20.69
9.76
88.86
20
27.59
13.06
87.97
25
34.49
16.41
86.81
30
41.39
19.82
85.36
35
48.29
23.31
83.62
40
55.18
26.88
81.57
从上面数据表中选择h=25mm，LAB=34.49mm,LCD=86.81mm，对其数据进行圆整h=25mm，LAB=35mm,LCD=87mm。

三、传动机构设计：
此设计中采取蜗杆蜗轮和齿轮传动，其机构运动简图：

因为风扇摆动周期T=10s，可得出齿轮4转速n4=0.1r/s=6r/min,因为电风扇电动机转速n=1450r/min，所以蜗杆1转速n1=1450r/min，由此可得出其传动比：
i14===241.67，
i14==241.67。
为便于制造蜗杆采取单头蜗杆，即Z1=1，为了让机构结构更紧凑齿轮尺寸越小越好，为达成传动比只有Z3取得越小才能使得Z2、Z4越小，机构尺寸才越小，但为让其不发生根切Z3≥17，取不一样Z3值:

17
4108.33
19
4591.67
18
4350
20
4833.3
21
5075
22
5316.67
因为Z2、Z4为齿数，所以Z2Z4为整数，，所以取Z3=18为佳，因为单头蜗杆蜗轮蜗轮齿数Z取值范围为5-70，Z3=18时，得出Z2Z4=4350,取不一样Z2、Z4值：

64
67.97
58
75
62
70.16
56
77.68
60
72.5
54
80.56
依据上面数据，取Z2=58、Z4=75 。
蜗杆和蜗轮转动比取值范围5-70，圆柱齿轮传动比取值范围3-6，由齿数得其齿轮啮合传动比：
i12===58
i34===4.17
其传动比在其取值范围之内。
模数选择:
模数选择标准：①优先选择第一系列，其次选择第二系列，尽可能不用括号内模数；②若没有计算出来模数，选出来模数就大不就小。
模数标准系列（GB/T—）
第一系列
1
1.25
1.5
2
2.5
3
4
5
6
8
10
12
16
20
25
32
第二系列
1.125
1.375
1.75
2.25
2.75
3.5
4.5
5.5
(6.5)
7
9
11
14
18
22
28
蜗杆模数系列表
第一系列
1
1.25
1.5
2
2.5
3.15
4
5
6
8
10
12.5
16
20
25
31.5
第二系列
1.5
3
3.5
4.5
5.5
6
7
12
14

蜗杆蜗轮正确啮合条件：①、m1=m2，，；②、二者螺旋线旋向相同。
两圆柱直齿轮正常啮合条件：m3=m4，。
所以齿轮模数选择m1=m2=1.25，m3=m4=1。蜗杆压力角采取阿基米德蜗杆压力角=200，选其螺旋角=150（蜗杆蜗轮螺旋角取值范围50-200）。而在模数为1.25时，蜗杆分度圆选择d1=20mm。圆柱齿轮压力角选择标准压力角=200。
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=1.25
m2=1.25
m3=1
m4=1
分度圆直径
d1= 20mm
d2=m2=72.5mm
d3=m3=18mm
d4=m3=75mm
基圆直径

db2=d1cos
db3=d3cos
db4=d4cos
齿顶高系数
1
1
1
1
顶隙系数c*
0.25
0.25
0.25
0.25
标准中心距
α=d1+d2=92.5mm
α=d3+d4=93mm

第四章：机构运动分析
一、四杆机构运动分析：
分析任意时刻速度和加速度：

令杆AB角速度为AB，杆CD角速度CD，杆BC角速度为。
= +
大小： ? ? √
方向：⊥CD ⊥AB ⊥BC
VCB=·LBC=0.1r/s×13.5mm=1.35×10-3m/s
依据上面关系画出速度矢量关系：
选择百分比尺µ==1/2S

VC=14.59mm×1/2s=7.30×10-3m/s
VB=28.49mm×1/2s=14.25×10-3m/s
AB===0.7r/s
CD===0.08r/s
加速度分析：
因为杆BC做匀速圆周运动，所以BC角加速度BC=0，即a=0。
+ = + +
大小： ? √ ? √ √
方向： ⊥CD C→D ⊥AB B→A C→B
a===0.60m/s2
a===15.04×10-3m/s2
a===0.135×10-3m/s2
选择百分比尺µ==1/10s2
其加速度矢量关系图：

a=12.56mm×1/10s2=1.256×10-3m/s2
a=15.04mm×1/10s2=1.504×10-3m/s2
AB===0.11r/s2
CD===0.014r/s2
二、圆柱凸轮机构运动分析：
其任意时刻速度加速度分析

VC===5×10-3m/s
VBC===12.56×10-3m/s
= +
大小 ? √ √
方向 ⊥AB ⊥CD ?
选择百分比尺µ==1/2S，做速度矢量图：

VB=7.5mm×1/2s=3.75×10-3m/s
AB===0.11r/s
CD===0.057r/s

第五章：方案确实定
一、比较两种方案并选择方案：
结构上：四杆机构结构简单，只需要满足机构力学即可，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：四杆机构能够基础满足风扇摆头运动规律，其原动件为连杆，不会出现死点位置；而圆柱凸轮机构急回特征相对于四杆机构较差。
机械效率上：四杆机构四个连杆质量较轻，原动件可直接和传动机构齿轮焊接，在传动中这一级传动基础没有能量损失；而圆柱凸轮机构圆柱凸轮质量较重，其原动件只能和传动机构输出齿轮同轴，使其对能量消耗增加，机械效率相对较低。
经过以上对比，我选择方案一（双摇杆机构）。
二、机构简图：

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，有很简单，有很复杂。在这么多方案中选择两种很好，确实要考虑很多东西。平时学到机械原理知识还是有限，在抉择中有点头大。不过经过上网和去图书馆查资料，确定了此次设计方案。当然此次设计还有很多不足和需待改善地方。
这次课程设计，是将本学期《机械原理》这门课程中所学知识综合利用到实际中某一具体实例中，另外对于机械设计也有了认识和实践经验。这次课程设计，从最初毫无头绪到逐步做出雏形，然后深入改善。即使总共用了几天时间，但在这整个设计过程中，自己在实践中探索成长，在理论中分析探讨，愈加清楚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，从中学到更多知识和技能。
在具体实践时，往往会碰到很多事先没估计到迷惑，这成为我们完成设计一大障碍，但最终还是经过讨教和自己探索中处理了。从这些过程中学会了利用自己所学知识用于实践生活中，锻炼了自己碰到问题，分析问题，处理问题能力。

参考文件
[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
[2]孙恒,陈作模.机械原理（第八版）[M]. 北京: 高等教育出版社,
[3]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,
[4]陆凤仪. 机械原理课程设计（第二版）[M]. 北京: 机械工业出版社,