自动化翻转式防盗逃生窗.docx

机构创新课程设计

机构创新课程设计
（普通高等教育）

论文题目
自动化翻转式防盗逃生窗
学 院
工学院
专业名称
机械设计制造及自动化
班 级
机械08-1
学 号
081014104
姓 名
赵保顺
指导教师
徐道春
职 称
讲师

目录
自动化翻转式防盗逃生窗 2
1.设计的背景概述 2
2.机械总体方案设计 2
2.1.执行系统的方案设计 2
2.2传动系统的方案设计 4
2.3方案的定型 4
3．机械各部件设计与计算 5
3.1.电机的选型 5
3.2.蜗杆涡轮传动的设计 6
3.3.支撑架的设计 9
3.4.窗架及内外窗的设计 9
3.5.其他构件的设计与选用 10
4.功能及操作说明 10
4.1．主要功能 10
4.2．辅助功能： 10
4.3 操作及运行过程说明 11
5.其他补充说明 12
6.设计总结 13
7.参考文献 14

自动化翻转式防盗逃生窗
1.设计的背景概述
科技的发展为生活带来了质的飞跃，特别是将这些应用于日常生活更是产生了长远影响，也将我们的生活更加安全舒适。
在这个科技不断进步的社会里，现实生活中也出现越来越多的机械装置，用来满足人们的日常需要。在人们的生活中存在各种预想不到的灾难，比如说地震、火灾、水灾等自然灾害，爆炸、煤气泄漏、坍塌等生活灾难时时刻刻威胁着人们的人生财产安全。在科技不断发展的社会，形形色色的设备不断地被用于救灾救援，并且起到了不容忽视的作用。“关爱生命，造福社会”是每个人应尽的义务。多功能防盗窗也因此应运而生，用于抵抗地震、火灾等一系列的灾难，造福人类！
据调查在我国，一年之内，由于火灾或者地震所造成的伤亡人数非常之多。很多人在火灾中因缺乏自救常识，而导致丧失性命。例如由于缺少氧气被闷死，自救不当而延误时机，有的人由于火灾中自救方式不当，而从楼上跳下而导致伤亡。在地震中，很多人都不是因为房屋倒塌死亡，而是在房屋四处乱跑导致被压伤或者死亡。目前我们逃生系统不够完善，迫切需要一套供人们在救援队伍到来之前能够进行自主逃生的装置。
在日常生活中，我们所居住的普通居民楼，以及一些商业楼层安装的防盗窗大都是固定在墙口，不能活动也不可轻易打开。其防盗作用仅仅体现在窗架的牢固程度之上，缺乏智能化。现有的防盗窗在这方面的缺陷尤为突出，只能在一定程度上起到防盗作用，而在火灾等灾难中会限制人们的逃生。一旦出现了室内火灾，防盗窗将会成为一个牢笼，使得里面的人无法快速的逃生，给我们在突发的火灾事件中埋下了隐患。
我们设计的这款多功能防盗窗，利用了一个涡轮蜗杆机构的传动原理，将窗户改造了，从而实现了其实际的功能。其功能先进，结构简单，既可以方便在火灾地震等灾害中逃生，也加强了防盗性能。通过网络检索发现，目前和我们设计类似的防盗窗在我国用的很少，普通居民楼几乎没有，我们设计的这款多功能防盗窗正好满足人们的需要，可以填补市场在这部分的空白。
2.机械总体方案设计
对于这个自动化翻转逃生窗的总体方案设计分执行系统和传动系统两块进行设定，下面分别进行讨论与确定具体的执行设计方案。
2.1.执行系统的方案设计
2.1.1．自动化翻转式逃生窗的工作原理
该新型防盗窗有别于一般产品，采用双层可翻式结构，通过上下楼层的连接组成了类似云梯的结构，达到逃生目的。该自动化滑动式防盗窗，由一组发动机（或改为手摇杆组建）、蜗轮、蜗杆以及双层防盗窗组成，通过发动机驱动（对于特殊环境，可改用手动驱动，考虑到个体应用的成本问题，或者对于用电环境要求高的地方），蜗轮蜗杆传动，翻转外层防盗窗。内层只有楼内才可打开， 采用向内翻开来实现打开。外层防盗窗在一般情况下与内层结合，一旦使用，向下翻转，达到最低点与下一楼层的窗架连接，由此当多层类似连接便达到逃生功能。
2.1.2．自动化翻转式逃生窗的设计要求
（1）机构由电机驱动，带动外窗转动。
（2）要求结构尽量简化，成本最低。
（3）能够实现外窗户在0---180度得范围内转动，且能在转角范围内的任意的角度定位。
（4）内防盗窗上部采用翻转设计，只可在室内打开，向内上翻。内防盗窗下部有卡槽锁，平时锁上起防盗作用，需逃生时可打开。
（5）要求动作可靠、性能良好，结构简单紧凑，节省动力、寿命长，便于操作制造。
2.1.3.运动规律的设计
自动化逃生防盗窗的动作包括向外打开，能在任意位置固定，在0—180度的范围内可以转动，且向内打不开，当向外打开时系统报警。这一系列动作可分解为外窗的旋转，定位，以及向内不能打开。窗户有内外两层，外窗底部向内不能打开，内窗向内可以打开。
（1）外窗为一个旋转0—180度得运动，由传动机构带动旋转。
（2）内窗是向内翻转打开。

图1. 内防盗窗上部采用翻转设计结构
（3）旋转机构--窗的底部为一个轴，此轴和窗体固定，在轴上可安装一些传动构建。

图2. 防盗窗转动并警报示意图

2.1.4.拟定执行系统方案
（1）总体布置设想
窗户分内外两层，内层向内打开，外层向外打开两层之间可以安装传动机构和执行机构。其构想图如图1所示。
（2）拟定旋转外窗旋转机构
由于要方便控制窗户的转动，且电机布置在内窗里，涡轮和外窗的旋转轴用键连接在一起。这样便于转动。

图3. 转动机构
2.2传动系统的方案设计
由于这里的载荷不是很大，而且要便于打开和闭合，在这里选用传动比大的蜗杆涡轮机构传动。
2.2.1 .原动机的选择
由于窗户的特殊性，选择一个小电机，也可以设置一个摇杆机构，在蜗杆轴上打一个孔，装上一个小铁棒来转动。可设计选择一电机。
2.2.2.传动机构的确定
综合考虑各方面的条件，选择一个蜗杆和涡轮机构传动。实现预定的功能，蜗杆带动和外窗一体的涡轮转动，实现其转动。
2.3方案的定型
综合以上分析，选用电机来为动力源，同时也设置一个手摇机构防止意外情况的出现，传动机构为大传动比的蜗杆涡轮机构。外窗只能向外转动，且只能是上部打开，内窗向内打开，对于外窗的转动设置转角锁死机构。控制其转动定位。其综合工作原理如图4所示：

图4. 整体示意图
3．机械各部件设计与计算
本设计所需要的材料有：报警器、内窗、窗架、外窗、支撑架、蜗杆、轴、蜗轮、联轴器、标准件、转轴、电动机。
3.1.电机的选型
综合考虑各种因素，选用铝合金为外窗的材料，故外窗的重量不大，假定为30kg,则根据外窗的尺寸，则需要涡轮的转矩为：
T1=G×M×L2=10×30×2/2=300N/m
设定蜗杆的传动效率为η1=0.75
则电机传到蜗杆的转矩T2=T1η1=3000.75=400N/m
电机和联轴器的传动效率分别为ηd= 0.80 η2=0.98
电机输出转矩为 Td=T2η2=4000.98=408N/m
根据公式确定电机额定功率
Td=9550Pdn额=9550×Pd1000=408N.m

查表选择这输出转矩的电机
得Pd=42.7W
故选用一个功率4.27W的电机，转速在910r/min
Y90S-6

3.2.蜗杆涡轮传动的设计
由于窗户的转速要求不大，故蜗杆涡轮的传动比设置最大80.蜗杆转速910r/min,输入功率P=0.75X0.80X0.98=0.588KW.可以反向旋转，工作载荷稳定无冲击。
3.2.1.选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085—1988的推荐，采用普通圆柱涡轮蜗杆（ZA）。
3.2.2材料选择
蜗杆选择45钢，齿面要求淬火，硬度为45-55HRC.
蜗轮用ZCuSn10P1,金属模制造。
为了节约材料齿圈选青铜，而轮芯用灰铸铁HT100制造
3.2.3按计齿面接触疲劳强度计算进行设
（1）根据闭式蜗杆传动的设计进行计算，先按齿面接触疲劳强度计
进行设计，再校对齿根弯曲疲劳强度。由式（11-12）， 传动中心距

由 前面的设计知作用在蜗轮上的转矩T2， 按Z1=1,估取η=0.75，则：
T2=370246.153Nm
（2）确定载荷系数K
因工作比较稳定，取载荷分布不均系数；由表11-5选取使用系数；由于转速不大，工作冲击不大，可取动载系；则
K=1
（3）确定弹性影响系数
因选用的是45钢的蜗杆和蜗轮用ZCuSn10P1匹配的缘故，有
（4）确定接触系数
先假设蜗杆分度圆直径 和中心距的比值，从图11-18中可查到
（5）确定许用接触应力
根据选用的蜗轮材料为ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆的螺旋齿面硬度＞45HRC，可从11-7中查蜗轮的基本许用应力
应力循环次数
N=60×1×9080×12000=8.19×106n
寿命系数KHN=1.07
则 [σH]=KHNx[σH]‘=286.76MPa
（6）计算中心距:
a≥31×370246×(160×2.9286.76)2=99.97
取a=100mm，由 i=80，则从表11-2中查取，模数m=2蜗杆分度圆直径d1=35.5mm从图中11-18中可查Zp’=2.8，由于＜，即以上算法有效。
3.2.4．蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸
（1）蜗杆
轴向尺距 = 6.28mm
直径系数q= d1m=17.75
齿顶圆直径
齿根圆直径
分度圆导程角 γ=tan-1Z1q=3.22°
蜗杆轴向齿厚Sa=12Mπ=3.14
蜗杆的法向齿厚SN=SAcosγ=3.14
（2）蜗轮
蜗轮齿数, 变位系数 X2=0.125
验算传动比，i=Z2Z1=82
这时传动比误差为：82-8080×100%=2.5%，在误差允许值内。
蜗轮分度圆直径
喉圆直径
齿根圆直径
咽喉母圆半径
3.2.5．校核齿根弯曲疲劳强度

当量齿数 ZV2=Z2cos3γ3.22=40Mp
根据 X2=0.125，ZV=82.41
从图11-9中可查得齿形系数Y=2.02
螺旋角系数：Yβ=1-γ140°=0.977
许用弯曲应力：
从表11-8中查得有ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力[]=40MPa
寿命系数 kfn=91068.19×106=0.79

σF=40×0.79=31.6Mpa

σf=1.53×1×37024635.5×164×2×2.18×0.977=10.362Mpa

可以得到：<
因此弯曲强度是满足的。
3.2.6验算效率

已知；；与相对滑动速度有关。
从表11-18中用差值法查得： 代入式中，得大于原估计值，因此不用重算。
3.2.7精度等级公差和表面粗糙度的确定
考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/T10089-1988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略。详细情况见零件图。
3.3.支撑架的设计
支撑架的作用是用来安装轴承，固定蜗杆轴，所以设计较简单，用一个铁架即可如图所示的结构。

3.4.窗架及内外窗的设计
考虑到目前市场的情况，选择铝合金材料做窗结构，但外部的构架考虑到坚固性和安全性选择钢筋结构。外形为2X2m钢架结构参看窗户的防盗栏。对于一些简单的结构件，就和外部构架作为一体了，现在就对内部窗户和外部窗户的设计做一个简要的说明。
其结构如图4所示，设计成层次状的的结构便于人的上下事踩登。
3.5.其他构件的设计与选用
其他的构件如旋转轴可以自制一个合适的周安装即可，轴承，电机定位用螺栓，螺母，外层支架等都有标准件选择合适的购买即可使用。
4.功能及操作说明
4.1．主要功能
（1）防盗功能
作为日常安置在家中的窗架，该窗可作为防盗窗使用。该窗采用采用双层可翻式结构，内窗向内翻开来实现打开，外窗向外翻转，常闭设置，保证其防盗功能，保证用户的安全。
（2）逃生功能
该新型防盗窗有别于一般产品，采用双层可翻式结构，通过上下楼层的连接组成了类似云梯的结构，达到逃生目的。外窗由一组发动机（或改为手摇杆组建）、蜗轮、蜗杆组成，通过发动机驱动（对于特殊环境，可改用手动驱动，考虑到个体应用的成本问题，或者对于用电环境要求高的地方），蜗轮蜗杆传动，翻转外层防盗窗，转动轴置于防盗窗下部，该防盗窗转动180度时实现与下层用户上部的连接，达到逃生目的。
（3）报警功能
当防盗窗转动180度时实现与下层用户上部的连接时，警报响起提示下层用户有灾难或事故的发生并自动使下层用户开启翻转功能。同时警报指令可传输至物业或楼层安保处，提示有灾难发生。
4.2．辅助功能：
（1）晾晒功能

图 5. 晾晒功能示意图
若将该窗置于朝阳面，日常也可使其翻转一定角度，起到晾衣晒物的功能，供居民凉晒衣服等。在使用其该功能时，可辅助加入吊钩装置，使其再长时间位于一定夹角时，减少其蜗轮蜗杆的承载，降低负荷。图2为晾晒功能示意图。
（2）控制功能

图 6. 控制功能示意图
1）电动机驱动，带动蜗杆转动。（一套独立电源系统,与室内电源系统隔开，这时可考虑采用新能源电池或者新型蓄电池，如太阳能；当然也可采用手摇装置，视用户需求而定）
2）蜗杆传动，带动蜗轮实现换向传动。
3）蜗轮联同所在轴实现转动。
4）轴的转动带动了整个外窗的转动（转动范围0~180度）。
5）当防盗窗转动180度时实现与下层用户上部的连接时，警报响起，提示下层用户有灾难或事故的发生并自动使下层用户开启翻转功能。
6）内防盗窗上部采用翻转设计，只可在室内打开，向内上翻。
7）内防盗窗下部有卡槽锁，平时锁上起防盗作用，需逃生时可打开
4.3 操作及运行过程说明
以电动操作为例，对窗户的功能的操作演示如图所示。
u a.启动电动机，打开下翻指示开关。
u b.电动机转动，带动蜗轮蜗杆传动，从而驱动外窗向下翻转，达到翻转的目的。
u c.整个翻转紧密顺畅，当外窗翻至底部触及下层时，即触碰到停止开关，从而系统停止运行，完成打开过程。同时开启报警器开关，提示全楼。
u d.打开上翻指示开关，整个过程逆向进行，当外窗归位，又触及了另一个停止开关（简易的PLC就可以满足要求），从而完成了整个操作。

图.7. 操作示意图
5.其他补充说明
美观性：交错的格状分布，在满足功能性的同时，大方利落，不失简约风格，符合东西方审美观念。
透光性：整体布局与一般防盗窗无太大区别，在透光方面不存在大问题。
成本及市场：该产品成本势必高于一般防盗窗，因为涉及传动，其精度要求较之一般产品有较高要求。成本会随着制造工艺的成熟，很市场的逐步确立而有所下降。
设计标准：严格参照有关国家标准。

6.设计总结
本次课程设计作为机构创新设计的一部分，其具有很好的锻炼性，通过这次的设计，锻炼自己的设计水平，特别是在这次的设计中熟悉了涡轮蜗杆传动，以前对这个是不太熟悉，通过这次的设计，熟悉了涡轮蜗杆，知道了涡轮的组成部件。它由两个部分构成，每一次的设计计算都让人心里就结了很久。不知道怎么取舍是好。
两周的时间转眼间就过去了，在这次的课程设计中，自己发现了自己在课程学习中的很多的不足，也发下了自己的知识体系的混乱与不全面，这么多的事情，都让人心了很是混乱，好的是此次课程设计让我学会了怎么去绘图，怎么去完成每次的工作，纠正了自己的不做，感谢老师的支持。
在这次设计中，有点值得自己以后学习，就是自己在这次的实习中，充分的利用了机械原理的知识，把那些学过的方案设计应用到了本次的课程设计中，充分的实习，从分的计算与绘图，在此熟悉了AUTOCAD和CAXA这两个软件，不错收获不少，相信在课程设计中学到的将在以后的学习和工作中获益匪浅。

7.参考文献
[1] 濮良贵、纪名刚．机械设计（第八版）．北京：高等教育出版社，2006．5
[2] 申永胜.机械原理教程（第二版）.北京：清华大学出版社，2005.12
[3] 陆玉．机械设计课程设计（第4版）．北京：机械工业出版社，2006．12．
[4] 张龙．机械设计课程设计手册（第一版）．北京：国防工业出版社，2006．5
[5] 申永胜.机械原理辅导与习题(第二版). 北京：清华大学出版社，2006.1。
15