洗衣机优秀课程设计.doc

机
电
一
体
化
技
术
课
程
设
计
说
明
书

河南科技学院
机电学院
指导老师：丛晓霞
王玉萍

目录

一. 机电一体化课程设计任务书
二. 波轮式双桶洗衣机结构和工作原理
三. 洗衣机机械传动系统设计计算
3.1电机选择
3.2.机械传动系统设计计算
四，洗衣机电气控制
4.1洗衣机电器部件
4.2洗衣机电路图
五. 课程设计总结及感谢

一.课程设计设计题目
半自动波轮式洗衣机设计
1） 介绍
半自动洗衣机。是指洗涤、漂洗、脱水各功效中，最少有一个功效转换需用手工操作而不能自动进行洗衣机。通常由洗衣和脱水两部分组成。
半自动双桶波轮式洗衣机结构关键由洗涤系统、传动系统、脱水系统、进排水系统和电气控制系统及紧固件组成图。

洗衣机洗涤电动机多采取电相电容式异步电动机电动机转速为1 400（1500）r /min，波轮转速是采取两级减速传动，第一级是带传动，第二级是行星齿轮减速机构，转速通常为180 r/min，输出功率为120W，开启转矩为额定转矩1一1.3倍。过载能力要求最大转矩为额定转矩1.7一2.2倍。
脱水桶脱水电动机带动同时高速旋转，使洗涤物中水在离心力作用下经过桶壁小孔中甩出。脱水电动机采取单相交流电容运行电动机，输人功率通常在75一120W。
2）设计任务
（1）机械系统设计
计算部分具体要求：
a、完成洗衣机洗涤、脱水传动系统电机选择，传动比计算，关键机构受力分析；
b、传动机构选择，机构简图绘制；
c、带传动、行星齿轮减速器传动、关键零、部件设计计算。
绘图部分具体要求：
a、行星齿轮减速机构装配图1张（A1图纸）。
b、指定零件绘制零件图1张（A4图纸）。
半自动波轮式洗衣机设计参数
方案
洗涤转速
脱水转速
输出（入）功率
重量
1
180 r/min
800 r/min
120W
3.8
2
140 r/min
700 r/min
120W
4.5
3
160
600
300 W
5.0

（2）控制系统设计
a、洗涤电机及脱水电机选型。
b、控制元件选择。
c、设计洗衣机工作步骤。
d、控制电路设计（画出主电路及控制电路图）。
（3）设计说明书

设计说明书要求清楚地叙述整个设计过程和具体设计内容，包含总体方案分析、比较和确定，机械系统结构设计，关键零部件计算和选型，控制系统电路原理分析，软件设计步骤图和相关程序等。说明书撰写内容不应少于4000字符，要求内容丰富、条理清楚、图文并茂。

二. 波轮式双桶洗衣机结构和工作原理
波轮式洗衣机是洗衣机一个，由电动机带动波轮转动，衣物随水不停上下翻滚。洗涤衣物有单桶、套桶、双桶多个。它结构比较简单，维修方便，洗净率高，但对衣物磨损率大，用水多。现在伴随科技发展，出现了电脑控制新水流洗衣机，采取大波轮、凹型波轮等。优点是对衣物缠绕小，洗涤均匀损衣率低；洗涤缸缸体有全塑、搪瓷、铝合金、不锈钢四大类。波轮式洗衣机工作原理：依靠装在洗衣桶底部波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物和桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗涤剂作用下实现去污清洗。　　
双桶洗衣机实质上是 单桶洗衣机和脱水机组合。她们各自有自己电机和 定时器，相互动作互不干涉。在脱水桶壁上设有很多小孔，脱出去水由此孔排出。电机经过刹车鼓、联轴器和橡胶囊和脱水桶接成一体。经过转动产生离心力使水分被甩出，并从下水管流出

1、波轮
波轮式洗衣机关键靠波轮旋转搅动水和衣物达成洗净目标，因为波轮在高速旋转时能产生洗涤液涡旋，故也称涡卷式。
波轮上含有多个特殊形状呈幅射状排列凸缘，当波轮高速旋转时，凸缘迎水面上任一点对洗涤液作用力均可分介为水平和垂直两个分力，且在波轮运动任一瞬间，这两个力作用点空间位置及力方向均在改变，凸缘上各点因旋转半径及曲面形状不一样两个分力大小也不一样。该两分力形成了运动着水平和垂直两个祸旅，使衣物强烈翻滚和搅动。
衣物不仅在洗涤液中相互撞击、摩擦，还和洗衣桶壁凸筋撞击、摩擦。这些机械作用综合效果，相当于手工洗衣擦、打、揉、搓，所以洗涤效果是十分显著。
2、洗衣桶
衣物洗涤过程是在洗衣桶内进行；所以洗衣桶也是洗衣机一个关键部件。洗衣桶和波轮配合能够增强涡旋，洗衣桶壁凸筋条，相当于我们日常使用擦板，衣物在旋转时同桶壁摩擦，可大大提升洗涤效果。

3、脱水桶
衣物脱水是靠脱水桶高速运动实现，转速约700～1000转／分，产生离心力使衣物连同水分压向桶壁，水分从桶壁小孔飞出，衣物便逐步脱水甩干。
脱水桶必需有良好动平衡，如失去平衡就要产生噪音和振动。实际上要衣物分布得完全均匀是不可能，所以脱水桶全部设有特殊平衡环，使在运转时形成新平衡．
4、传动机构
洗涤部分：通常见皮带传动，电动机固定在箱体底部支架上，用三角皮带带动波轮旋转，传动机构中最关键问题要预防波轮轴承座和桶体结合处漏水，为此需在其间加薄胶密封垫，并在轴承上部装油封。以下图：

脱水部份：电动机主轴经过联接轴直接和脱水桶轴相联来实 现传动。洗衣机盖装有机械联锁装置和电气系统相配合，使高速转动脱水桶在脱水程序结束，或改变操作程序，忽然打开洗衣机盖时，电动机快速停转，以免发生事故。传动系统要平稳，以降低电力耗损、振动和噪音。
5、箱体和支承
全部部件均装在箱体里面，箱体用1毫米薄钢板或镀塑钢板经过剪，冲凸筋，弯折，点焊，表面清洁处理，喷漆烘干后总装(多年也有用大型注塑机制成全塑壳)。在面板后侧设一倾斜控制屏板，上面装上各类控制按钮、开关、旋钮等，操作十分方便。箱体后面有一个可开启大窗口，供修理时用。
支承，使洗衣桶、脱水桶借助其机构和箱体结合为一个整体。支承能够减振和降低噪音。
6、给排水
给水：洗衣机给水设有两种注入方法，顶部淋洒注水和底部喷涌注水。底部喷涌注水适适用于漂洗，底部不停涌出清水，污水及洗涤剂泡沫可从上部溢水口溢出，漂洗效果好，可节省漂洗时间。顶部淋洒注水法浸洗效果好，可很快将衣物淋湿打入水中和将泡沫打坏
排水：设有溢水口，位置在洗涤桶底某一角，通常溢水口装有网眼插板便于脏物和洗涤液顺利流出。

三.洗衣机机械传动系统
传动系统关键由电动机、减速离台器组成。
3.1.电机选择
半自动双桶波轮式洗衣机有两台电机，一台用来洗涤，另一台用来完成脱水工作。
洗涤电动机：洗涤电动机通常有4种功率规格：90W，120W，180W和280W，配用6～1OμF运转电容器。因为洗涤电动机采取正、反向频繁换向运转方法，所以它两个定子绕组无正、副之分，多采取电相电容式异步电动机电动机转速为1 400（1500）r /min，波轮转速是采取两级减速传动，第一级是带传动，第二级是行星齿轮减速机构，转速通常为180 r/min，输出功率为120W，开启转矩为额定转矩1一1.3倍过载能力要求最大转矩为额定转矩1.7一2.2倍。
脱水电动机：脱水桶脱水电动机带动同时高速旋转，使洗涤物中水在离心力作用下经过桶壁小孔中甩出。脱水电动机采取单相交流电容运行电动机，输人功率通常在75一120W，旋转方向全部是逆时针方向。因为脱水电动机只有一个转动方向，所以其定子绕组有主、副之分。因为电动机以1 400r／min高速度旋转，加上脱水桶内衣物分布不可能完全均匀，所以，转动时脱水桶将产生较大振动。为了减小振动和偏摆，在脱水电动机和洗衣机底座之间安装3组弹簧支座(减振装置)，减振装置是由减振弹簧、橡胶套和上、下支架组成，

电动机是整个洗衣机工作动力起源。现在常见电容运转式电动机技术参数如表1所表示
3.2 .机械传动系统设计计算
波轮式全自动洗衣机传动系统设计通常设计内容关键有：方案设计、电动机选择、带传动设计、行星减速器设计等。
1. 方案设计
波轮式洗衣机常见布局为输入轴部署在内桶中心处,整个传动系统基础上同轴部署,电动机只能偏置一边,为了保持平衡,可将排水电磁阀和排水管和电动机对称部署,必需时可加平衡块。依据设计任务中给出内桶直径为400 mm则外桶直径约为470mm,电动机轴和洗涤输入轴之间中心距只能为150mm左右，在此范围内选择适宜一级降速传动比和采取带轮传动。
2. 基础参数选择
现在洗衣机洗衣量、电动机功率、内桶直径等基础参数，大多数企业是经过试验设计选择。 依据常见波轮式半自动洗衣机基础参数 ，选择电动机功率为250W，电动机满载时转速为1400r·min。
3. V带传动设计计算
因为V带传动许可传动比较大，结构较紧凑，在一样张力下，V带传动较平带传动能产生更大摩擦力，所以这里选择了最常见V带作为第一级降速。
行星轮减速器传动比为：4.22
初步选定电动机功率P为250W，洗衣转速为160r/min，脱水转速为600r/min，则传动比为：

（1）计算功率 因为载荷变动小，所以取工作情况系数
==0.25kW
（2） 选择带型 依据小带轮转速为1400r/min，和小带轮安装尺寸大约范围，选择一般V带Z型
（3） 带轮基准直径 初选小带轮基准直径，选择=71mm，大于V带轮最小基准直径要求71mm。
大带轮基准直径为：
，
按表6-17圆整为 ：。
（4）验算带速度

一般V带最大带速，故满足要求。
（5）中心距和带基准长度Ld

依据洗衣机桶体安装尺寸，初取α0=150mm，基准长度：

查表选择标准带长度Ld为800mm，则实际中心距为：

在安装时，在结构上要保持V不定时有一定张紧力，安装中心距会略有所改变。
变动范围：

（6）主动轮上包角
适宜
（7）带根数z 长度系数、包角系数、单根V带基础额定功率、单根V带额定功率增量∆查表6-18、表6-19、表6-20a和表6-20b，取另=1、=0.938、=0.024Kw、∆=0.03kW。

取z=1。
（8） 带预紧力 V带单位长度资料q 查表得q=0.06kg/m，单根V带所需预紧力为：

=
新安装带 取：
（9）带传动作用在轴上力：
：
4、带轮结构设计
带轮结构设计可参考相关《机械设计手册》或《机械设计》教材。
5、行星齿轮设计
（1）行星减速器设计
已知洗衣转速为160r/min，脱水转速为600r/min。因为脱水时行星减速器中心轮和内齿圈顺时针等速旋转，故中心轮和行星架传动比为1，波轮和内桶顺时针等速旋转，所以由洗涤状态来进行行星减速器设计计算。
洗涤状态传动比 洗涤输入轴和波轮传动比为：
：
（2）初选中心轮和内齿圈齿数 洗涤时中心轮旋转，内齿圈静止，中心轮和行星架传动比按以下公式计算：
：
初选中心轮齿数，由式计算得内齿圈齿数。
（3） 计算行星轮齿数 因为洗衣机工作扭矩不大，选择齿轮模数为1mm，如选4个行星轮对此部署，则可计算出行星齿轮齿数为：

最终确定中心轮齿数为20，内齿圈齿数为64，行星齿轮齿数为22，实际传动比为4.22，洗衣转速为160r/min。
6、行星齿轮传动几何尺寸和啮合参数计算
初算：
⑴ 按齿面接触强度初算小齿轮分度圆直径d1:
小齿轮分度圆直径d1初算公式为:

式中—啮合齿轮副中小齿轮名义转矩，依据公式算出(行星轮数np=4)：

Kd —算式系数，对于直齿轮传动Kd=768；
KA —使用系数，查表得KA=1.0；
KHΣ —综合系数，查表得KHΣ=2.5；
KHp —接触强度载荷分布不均匀系数，算得KHp=1.1；
Φd —小齿轮齿宽系数，查表得φd=0.75；
u —齿数比，算得u=zg/za=1；
σHlim —齿轮接触疲惫极限，查图选择σHlim=530N/mm ²

代入得：

则模数为 m =d1/za =17.49/18=0.97
⑵ 按齿根弯曲强度初算齿轮模数m ：
齿轮模数m初算公式为：

式中—啮合齿轮副中小齿轮名义转矩，依据公式算出：

—算数系数，对于直齿轮传动=12.1；
—使用系数，查表得=1.0；
—综合系数，查表得=2.0；
—计算弯曲强度行星轮间载荷分布不均匀系数，=1.15；
—小齿轮齿形系数，查图选择=3.15；
Φd —小齿轮齿宽系数，查表得φd=0.75；
—齿轮副中小齿轮齿数，==20；
—试验齿轮弯曲疲惫极限，选择=190

代入得:

结合1、2，再依据GB/T 1357-87圆整后，取模数m =1mm

① 分度圆直径d：

② 齿顶圆直径da：
齿顶高ha：
外啮合:

内啮合:

则:

③ 齿根圆直径df：
齿根高hf:

则:

④ 齿宽b：
选择=0.75

⑤ 中心距a
对于不变位或高变位啮合传动，因其节圆和分度圆相重合，则啮合齿轮副中心距为：
1)a—g为外啮合齿轮副
=(+)m/2=(20+22)×1/2=21mm
2)b—g为内啮合齿轮副
=(+)m/2=(64-22)×1/2=21mm
所以，行星齿轮参数列为：（单位：mm）

数据名称
中心轮
行星轮
内齿圈
模数m
1
1
1
齿数z
20
22
64
分度圆直径d
20
22
64
齿顶圆直径
22
24
62.3
齿根圆直径
17.4
19.5
66.7
7、行星轮架和输出轴间齿轮传动设计
已知：电动机功率P=160W,齿轮轴转速n=160r/min，传动比i=4.22，载荷平稳。使用寿命，单班制工作。
行星轮架内齿圈选择45钢调质，硬度为220～250HBS，齿轮轴选择45钢正火，硬度为170～210HBS，选择8级精度，要求齿面粗糙度≤3.2～6.3。
3.4.2.2 按齿面接触疲惫强度设计
因两齿轮均为钢质齿轮，可应用《参考文件四》式10—22求出值。确定相关参数和系数。
⑴ 转矩

⑵ 载荷系数KA
查《参考文件四》表10—11，选择KA=1.0
⑶ 齿数和齿宽系数
行星轮架内齿圈齿数取11，则齿轮轴外齿面齿数=11。因单级齿轮传动为对称部署，而齿轮齿面又为软齿面，由《参考文件四》表10—20选择=1
⑷ 许用接触应力
由《参考文件四》图10—24查得 =560MPa，=530MPa
由《参考文件四》表10—10查得 =1
=60×760×1×(10×52×40)= 0.9485×
=0.2371×
由《参考文件四》图10—27可得==1.05
由《参考文件四》式10—13可得
=/=1.05×560/1=588MPa
=/=1.05×530/1=556.5MPa
3.4.2.3 按齿根弯曲疲惫强度计算
由《参考文件四》式10—24得出，如≤[]则校核合格。
确定相关系数和参数：
⑴ 齿形系数
由《参考文件四》表10—13查得 ==3.63
⑵ 应力修正系数
由《参考文件四》表10—14查得 ==1.41
⑶ 许用弯曲应力
由《参考文件四》图10—25查得 =210MPa, =190MPa
由《参考文件四》表10—10查得 =1.3
由《参考文件四》图10—26查得 ==1
由《参考文件四》式10—14可得
=/=210/1.3=162MPa
=/=190/1.3=146MPa
故 m1.26=1.26×=0.6864
=2×3.63×1.41×=21.52MPa﹤=162MPa
=·/=21.52MPa﹤=146MPa
所以，齿根弯曲强度校核合格。
由《参考文件四》表10—3，选择标准模数m=1
3.4.2.4 关键尺寸计算
==m·z=20×1=20mm
===17.4×1=17.4mm
a=1/2·m(+)=1/2×1×(20+22)mm=21mm
3.4.2.5 验算齿轮圆周速度v

由《参考文件四》表10—22,可知选择8级精度是适宜。

8、行星轮系减速器齿轮输入输出轴设计
⑴ 选择轴材料，确定许用应力
由已知条件 选择45号钢,并经调质处理,由《参考文件四》表14—4查得强度极限=650MPa,再由表14—2得许用弯曲应力=60MPa
⑵ 按扭转强度估算轴径
依据《参考文件四》表14—1 得C=118～107。
又由式14—2得
d≥≥=(118～107) ×=7.23～6.55
取直径=12mm
⑶ 确定各轴段直径
轴段1(外端)直径最少=12mm，
考虑到轴在整个减速离合器中安装所必需满足条件，初定：=8mm，==12mm，===10mm。
⑷ 确定各轴段长度
齿轮轮廓宽度为18mm，为确保达成轴于行星齿轮安装技术要求及轴在整个减速离合器中所必需满足安装条件，初定：L=250mm，=12mm，=1mm，=16mm, =5mm，=180mm，=35mm。
按设计结果画出轴结构草图：
图13 输入轴简图

9、棘爪和棘轮机构设计
因为外桶尺寸已定（因内桶直径已知），在方案设计时初定在外桶底部出水口位置，则排水电磁阀衔铁中心和出水口中心在同一直线上。依据选定排水电磁阀行程和初定棘轮顶圆直径来设计棘爪机构。要求在洗涤时，棘爪要伸入棘轮棘齿高度三分之二，脱水时棘爪脱离棘轮1.5mm以上。棘爪和棘轮机构具体设计可参考相关书籍。
四.洗衣机电气控制系统
4.1洗衣机电器部件
双桶洗衣机控制部分关键由洗涤脱水定时器，洗涤方法选择开关，蜂鸣器，脱水桶盖开关（安全开关），电源指示灯组成。这些控制器件安装在洗衣机控制盘上。
1.定时器
定时器是一般型波轮式洗衣机中关键部件之一。它关键起两个作用：一是控制洗涤电机和脱水电机运转时间长短；二是控制电机按预定程序自动地实现正反转、停转时间。一般型波轮式洗衣机，大多采取发条式定时器。而很多大波轮新水流式洗衣机使用电动式定时器。

2.安全开关
安全开关又叫盖开关或微动开关，在有脱水功效洗衣机上全部安装有安全开光，其作用是在脱水桶盖开启以后，将脱水电机电路断开，在刹车系统配合下是脱水桶快速停转，以确保操作者安全。
3..洗涤选择开关
洗涤选择开关作用是按选择要求接通电路。用于一般双桶洗衣机上洗涤选择开关是将定时器电源电路和定时器某组控制触点连接起来，使电机按所选择控制触点通断周期做洗涤运转。非为按键式和旋钮式两种。
4. 蜂鸣器
蜂鸣器是一个信号装置，当洗衣机某一运转程序结束前约20秒，由定时器控制使蜂鸣器电路接通，蜂鸣器得电发声，以提醒操作者注意。蜂鸣器种类很多，关键有电磁式和电子式两类。
4.2洗衣机电路图
一般双桶波轮式洗衣机控制电路由两部分组成：一部分是洗涤控制电路；另一部分是脱水控制电路。这两部分电路是相互独立，能够独立操作。
1洗涤控制电路
洗涤控制电路关键包含洗涤定时器、洗涤选择开关、电动机及电容器等，其中洗涤定时器用来控制电动机按要求时间运转，同时，定时器按要求时间把电容器和电动机两个绕组轮番串接以改变电动机旋转方向。洗涤定时器主触点开关和洗涤选择开关串联在电路中，顺时针转动洗涤定时器旋钮，主触点就接通，此时若不按下洗涤开关中某一个按键，电动机仍不运转。使用洗衣机时，首先按下所需洗涤选择开关，这时电动机在定时器控制时间组件控制下，按预定时间分别完成正转——停——反转周期性动作，从而实现标准或轻柔洗涤。通常标准洗涤时，电动机正或反转25～30s，间歇3～5s；轻柔洗涤时，正或反转3～5s,间歇5～7s。
•
2.脱水控制电路
脱水控制电路由脱水电动机、脱水定时器、脱水桶盖开关等组成。因为脱水内桶只单方向转动，所以脱水定时器只有一个触点开关。在电路中脱水定时器和盖开关相串联。只有完全合上脱水桶外盖，盖开关才闭合，所以需要脱水时，首先将衣物放入桶中，合上盖板，顺时针旋转脱水定时器至所需时间位置，此时电源经盖开关、脱水定时器开关向脱水电动机供电，脱水电动机运转，洗衣机进入脱水工作状态，直到脱水定时器预定时间到，脱水操作结束
•
六. 课程设计总结及感谢
三周课程设计转瞬即逝，已经靠近尾声，三周时间了泡图书馆、网上查资料、埋头计算、认真画图。感觉过很充实，也收获很多知识，在硬件方面有了很大提升。这期间学了很多书本上及课堂上学不来东西。在此我要感谢我指导老师丛老师和王老师，课程设计期间她们帮助每一位同学解答疑问，让我们效率提升很多；还要感谢我小组队友们，这次课程设计，不是一个人完成，我需要她们配合，团体协作，最终交上一份满意答卷。

参考资料及文件
1 中国家用电器研究所. 家用电器时尚消费，—。
2 王春刚. 洗衣机特点及原理. 北京：农村读物出版社，。
3 机械原理第七版 高等教育出版社 ，.
4 丛晓霞. 机械设计课程设计. 高等教育出版社. 。
5 机械设计第八版. 高等教育出版社，