毕业设计（论文）-台式电风扇摇头装置机构设计

PAGEPAGEi摘要电风扇摇头装置设计是从电风扇设计开始的，也是电风扇设计中最重要的部分，对于电风扇的研究，国内外已有不少的研究成果，但在创新这一块做的还不够,还有待进一步完善。本文首先对摇头电风扇的历史和发展现状以及其类型和特点进行了介绍，然后介绍了设计准则,提出方案拟定,并选择最优方案,主要是现有的电风扇摇头装置中平面摇杆机构，包括平面摇杆机构的结构、工作原理、设计原理、设计原则；其次根据已知原动机的转速,分配传动比，选择合适的机构,如蜗轮蜗杆机构以及齿轮机构,根据传动比确定它们的基本参数，设计计算几何尺寸,再次采用图解法,根据已知条件(极位夹角,摇杆速度等)设计平面四杆机构,然后在Adams组建仿真机构模型,观察所设计的尺寸是否满足所需的运动轨迹，通过图解法研究各杆件的运动,进行运动分析,最后总结了电风扇的未来展望。关键词：平面摇杆机构,蜗轮蜗杆,齿轮传动,运动分析,动态演示全套图纸加V信153893706或扣3346389411PAGE30-目录摘要 i第一章 引言 -1-1.1电风扇发展现状和前景展望 -1-1.2电风扇的结构与工作原理 -1-1.2.1电风扇的结构 -1-1.2.2电风扇工作原理 -2-第二章电风扇摇头机构的设计 -3-2.1电风扇摇头机构设计概述 -3-2.2电风扇摇头装置设计原则[1] -3-2.3电风扇摇头装置方案拟定[2] -3-2.3.1方案1(离合式摇头机构) -3-2.3.2方案2(锨拨式摇头机构) -4-2.3.3方案3(平面连杆摇头机构)[3] -5-2.3.4方案Ⅳ(另一种平面连杆摇头机构)[4] -5-2.3.5对比分析选择方案 -6-2.4功能分解 -6-3.1铰链四杆机构的设计 -8-3.1.1铰链四杆机构的组成和基本形式 -8-3.1.2平面双摇杆机构的分类和极限位置分析 -8-3.1.3四杆位置和尺寸的确定 -9-3.2传动部分设计 -10-3.2.1传动比的分配 -10-3.2.2蜗轮蜗杆机构 -10-3.3.2蜗轮蜗杆机构的几何尺寸计算 -11-3.3.3齿轮机构选用原则 -12-3.3.4齿轮机构的几何尺寸计算 -12-第四章平面连杆机构的运动分析 -13-4.1概述 -13-4.2平面连杆机构的运动分析 -13-4.3位置分析 -13-第五章机构运动仿真的总体分析 -15-5.1Solidworks计算机动态演示 -15-5.2基于ANSYS的受力分析 -16-5.2.1ANSYSworkbench主要分析步骤 -17-5.2.2分析过程 -18-5.3基于ANSYS的模态分析 -20-5.3.1模态分析基本理论 -20-5.3.2分析过程 -21-5.4基于ADAMS的运动分析 -22-5.4.1前处理设置定义 -22-5.4.2结果分析 -24-第六章总结与展望 -26-参考文献 -27-致谢 -28-引言1.1电风扇发展现状和前景展望近年来，相较人们对空调的普遍关注，电风扇市场就有点门庭冷落。但空调高耗电量且封闭空间的弊端，使得通风效果相对较好、功耗相对较低的电风扇仍然存在很大的市场。所以有必要研究电风扇的发展。电风扇又称电扇，用于散热，夏天用它来清凉为好,还可用来驱散室内热气。1882年，美国纽约的克罗卡日卡齐斯发动机厂的主任技师休伊斯卡茨霍伊拉，最早发明了商品化的电风扇。1908年，美国的埃克发动机及电气公司，研制成功世界上最早的齿轮驱动左右摇头的电风扇,这种电风扇防止了不必要的三百六十度转头送风，而成为以后销售的主流。如今，电风扇已一改人们印象中的传统形象，在外观和功能上都更追求个性化，塔式气流扇尊贵典雅，卡通台扇娇巧可爱，而电脑控制、自然风、睡眠风、负离子功能等这些本属于空调器的功能，也被众多的电风扇厂家拿来做文章，并在此基础上增加了照明、驱蚊等更多的实用功能。据统计，市场成熟度颇高的电风扇行业在国内仍然存在着相当大的市场容量，但由于这个行业技术比较陈旧，外观固定单一，市场上常见的落地扇、转页扇、台扇、壁扇、楼顶扇、吊扇这几个传统类型电风扇的外观和功能的同质化现象十分严重，严重影响和制约了这个市场的发展和提升。但近年来一些主流企业开始有所觉察，他们通过积极创新，突破老式的传统设计，纷纷开发出了一系列更富创新力，更具差异化个性的新产品，以求继续做大蛋糕和进行产品升级。1.2电风扇的结构与工作原理1.2.1电风扇的结构如图1.1所示,台扇由扇叶、网罩、扇头、调速机构、底座等部分组成,扇头是台扇中最复杂、最重要的部件，由电动机、前后端盖及摇头机构等构成,而吊扇主要由扇头、上下罩、吊杆、吊攀以及独立安装的调速器组成。转页扇由于导风轮的作用，使其送出的风风力柔和，舒适宜人。图1.1台扇的基本结构1.2.2电风扇工作原理电风扇工作时（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。让我们一块来分析一下温度升高的原因：电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高人体的体表有大量的汗液，当电风扇工作起来以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。风扇在转动时，扇叶后面空气的流速要慢于扇叶前面空气的流速，这样后面空气的压力就比前面的大，这个压力差，就推动空气向前，形成风了。

第二章电风扇摇头机构的设计2.1电风扇摇头机构设计概述摇头机构由减速机构、连杆机构、控制机构与过载保护装置组成，形式有两种:离合式与拨式。随着时代的发展,电风扇的摇头机构也不仅仅限于这些,例如就有一种电风扇摇头机构，包括电动机、齿箱总成、摇头连杆，电动机及齿箱总成安装在Ｙ型支架上，Ｙ型支架固定在连接头上，其中摇头连杆一端与Ｙ型支架连接，另一端通过传动机构与齿箱总成连接。所述的传动机构是受齿箱总成控制的做旋转运动的上下曲柄盖，曲柄盖与连杆配合推动电风扇做复合摇头运动。由于采用机械式传动取代了同步电机，使性能更稳定、质量更可靠，且结构简单、成本低。还有一种可调摇头角度的电风扇摇头机构,包括连于连杆一端的摇臂轮，以及活动连于拨轮垫孔内的中心轴,实现了电风扇摇头摆动角度的方便调整且结构紧凑，适用于室内放置电风扇不同的位置要求，提高了电风扇的使用效率。所以电风扇摇头装置多种多样,而且是在不断创新的。2.2电风扇摇头装置设计原则[1]1)各构件应最简化,使电风扇尾部装在小的壳体中;2)各构件之间安排合理的位置,以免相互干扰;3)摇头应平稳;4)发动机也应跟随摇头装置摇摆;5)应使整体结构美观;6)自动摆头、送风角度可调;7)噪音低、可定时。2.3电风扇摇头装置方案拟定[2]考虑到执行机构的速度较低和电动机的经济性，选用同步转速为1450r/min的电动机。台式电风扇摇头装置的主要机构是铰链四杆机构的运动。可以有多种多样的设计方案，图2.1—2.4给出了四种可用于摇头装置运动的执行机构方案。2.3.1方案1(离合式摇头机构)该方案如图所示图2.1离合式摇头机构该方案(见图2.1)主要特点：（1）是离合式摇头机构，结构简单;（2）不具有急回作用;（3）不能承载较大载荷;（4）啮合轴做变速往复运动，特别在空行程中，角速度有较剧烈的变化，使摇头直齿轮受到很大的惯性冲击和震动。2.3.2方案2(锨拨式摇头机构)该方案(见图2.2)主要特点：（1）是锨拨式机构，结构较前述方案简单;（2）不具有急回作用;（3）不能承载较大载荷。图2.2锨拨式摇头机构2.3.3方案3(平面连杆摇头机构)[3]图2.3平面四杆摇头机构图2.3所示为电风扇摇头机构原理，电动机外壳作为其中的一根摇杆AB，蜗轮作为连杆BC，构成双摇杆机构ABCD。蜗杆随扇叶同轴转动，带动BC作为主动件绕C点摆动，使摇杆AB带电动机及扇叶一起摆动，实现一台电动机同时驱动扇叶和摇头机构。该方案主要特点：（1）是一种平面连杆机构，机构简单，加工方便，能承受较大载荷;（2）有涡轮蜗杆机构，传动比大，结构紧凑，传动性平稳，无噪声，反形成具有自锁性，但传动效率低，磨损较严重，蜗杆轴向力大;（3）工作行程中，能使摇头装置控制符合要求。2.3.4方案Ⅳ(另一种平面连杆摇头机构)[4]图2.4平面四杆摇头机构如图2.4所示上面一种摇头机构方案和传动比的大小，方案Ⅳ应用在传动比大的运动机构中。由已知条件和运动要求进行四连杆机构的尺寸综合，计算电动机功率、连杆机构设计等，绘出机械系统运动方案的电风扇的摇头机构中，电机装在摇杆1上，铰链B处装有一个蜗轮。电机转动时，电机轴上的蜗杆带动蜗轮,蜗轮与小齿轮空套在同一根轴上,再由小齿轮带动大齿轮,而大齿轮固定在连杆上,从而迫使连杆2绕B点作整周转动，使连架杆1和3作往复摆动，达到风扇摇头的目的.它具有方案Ⅲ的特点。2.3.5对比分析选择方案根据前述要求，电风扇的应作绕一点的往复摆动，且在工作周期中有急回特性。驱动方式为电机驱动，利用《机械原理课程设计指导书》中的表2.1与表2.2的设计目录，分别选择相应的机构，以实现各项功能。由于要实现大传动比，且受到电风扇机壳体积大小的限制，结合《机械原理课程设计指导书》第155页的附录2，减速机构可选用蜗轮蜗杆机构与直齿圆柱齿轮机构的组合机构。对以上四种方案进行比较,综合其优缺点,本次设计选用方案Ⅳ,原因如下:采用平面连杆机构,使结构简单;2)有蜗轮蜗杆机构，传动比大，结构紧凑，传动性平稳，无噪声，反形成具有自锁性，但传动效率低，磨损较严重，蜗杆轴向力大;3)齿轮的应用使整个传动系统的传动比减小;4）整个机构简单，加工方便，节省成本。2.4功能分解电风扇的工作原理是将电风扇的送风区域进行周期性变换，达到增大送风区域的目的。显然，为了完成电风扇的摆头动作，需实现下列运动功能要求：左右摆动有三个基本运动：运动轴线变换、传动比降低和周期性摆动。还要满足传动性能要求，风扇需要转换传动轴线和改变转速，因此需要设计相应的齿轮系机构。改变电风扇的送风区域时，在急回系数K＝1.01、摆动角度Ψ=80°的要求下，尽量保持运动的平稳转换和减小机构间的摩擦，运动循环图如下:图SEQ图\*ARABIC1运动循环图

第三章

机构的设计3.1铰链四杆机构的设计3.1.1铰链四杆机构的组成和基本形式如图3.1所示，铰链四杆机构是由转动副将各构件的头尾联接起的封闭四杆系统，并使其中一个构件固定而组成。被固定件4称为机架，与机架直接铰接的两个构件1和3称为连架杆，不直接与机架铰接的构件2称为连杆。连架杆如果能作整圈运动就称为曲柄，否则就称为摇杆。其类型可分为:图3.1铰链四杆机构1)曲柄摇杆机构:在铰链四杆机构中,若两个连架杆中的一个为曲柄,另一个为摇杆,则称之为曲柄摇杆机构。2)双曲柄机构:在铰链四杆机构中,若两个连架杆均为曲柄,则称为双曲柄机构.当两曲柄的长度相等且平行(即其他两杆的长度也相等)时,称为平行双曲柄机构.若双曲柄机构的对边杆长都相等,但不平行,则称为反向双曲柄机构。3)双摇杆机构:在铰链四杆机构中,若两个连架杆均为摇杆,则称之为双摇杆机构，其中在电风扇摇头装置中用到了双摇杆机构。3.1.2平面双摇杆机构的分类和极限位置分析按组成它的各杆长度关系可分成两类，第一类是符合曲柄存在条件,即符合格拉肖夫准则的四杆运动链,而以其最短杆对边的杆为机架组成的双摇杆机构。第二类是不符合曲柄存在条件,即最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和的四杆运动链,以其任意一杆为机架构成的双摇杆机构。双摇杆机构是铰链四杆机构中常见的形式之一,在机械中有特殊曲柄存在的条件,机构若成为双摇杆机构,可通过两种途径来实现:(1)各杆长度满足肖夫判别式,即最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。且以最短杆的对边为机架,即可得到双摇杆机构。根据低副运动的可逆性原则,由于此时最短杆是双整转副件,所以,连杆与两摇杆之间的转动副仍为整转副。因此摇杆的两极限位置分别位于连杆(最短杆)与另一摇杆的两次共线位置,即一次为连杆与摇杆重叠共线,如图3.2所示AB′C′D,另一次为连杆与摇杆的拉直共线即图中所示ABCD。摇杆的两极限位置与曲柄摇杆机构中摇杆的极限位置的确定方法相同,很容易找到。图3.2两极限位置的确定(2)各杆长度不满足格拉肖夫判别式,即最短杆与最长杆长度之和大于其它两杆长度之和。则无论哪个构件为机架机构均为双摇杆机构。此时,机构中没有整转副存在,即两摇杆与连架杆及连之间的相对转动角度都小于360°。3.1.3四杆位置和尺寸的确定图3.3极为位夹角为0°的两极限位置由电扇电动机转速n=1450r/min，电扇摇头周期T=10s。电扇摆动角度ψ=80o与急回系数k=1.01的设计要求,可知,急位夹角为180°*(K-1)/(K+1)=0.9°很小,视为0°,如图3.3所示BC,CD共线,先取摇杆LAB长为260,确定AB的位置,然后让摇杆AB逆时针旋转80°,即A′B′,再确定机架AD的位置,且LAD取90,注:AD只能在摇杆AB,A′B′的同侧。当杆AB处在左极限时,BC,CD共线,LBC与LCD之和可以得出,即LBC+LCD=309.1①当AB处在右极限时,即图中A′B′的位置,此时BC,CD重叠,即LC′D′-LB′C′=263②,由①,②式可得LBC为23,LCD为286.1,B点的运动轨迹为圆弧BB′.LBC+LcD=305.25<LAD+LAB=306满足格拉肖夫判别式,且取最短杆BC的对边AD为机架,符合第一类平面双摇杆机构。3.2传动部分设计3.2.1传动比的分配电风扇的电动机大多数采用电容运转式交流单相异步电动机，主要由定子、转子、盖等组成。其设计规定转速n=1450r/min,摇头周期T=10s，可得减速机构采用二级转速，由此可以把传动比分配给蜗轮蜗杆与齿轮传动,其中,第一级蜗涡轮蜗杆的传动比i1=w1/w2=75，第二级齿轮的传动比i2=w2/w3=3.2.2蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构又称蜗杆传动机构,由蜗杆及蜗轮组成,主要用于传递两交错轴间的传动及动力的空间啮合传动装置,通常两轴的交错角为90°。蜗杆是具有梯形螺纹或接近梯形螺纹的螺杆,而蜗轮则是开式螺母,所以蜗杆传动可以看成为螺杆螺母的传动。蜗杆传动具有以下特点:1)传动比大,结构紧凑.一般可实现i12=10~100;2)传动平稳,无噪声,其承载能力强;3)反行程具有自锁性.4)传动效率较低,磨损较严重。3.3.2蜗轮蜗杆机构的几何尺寸计算蜗杆轴向模数（蜗轮端面模数）mm=2传动比ii=75蜗杆头数z1z1=1蜗轮齿数z2z2=iz1=75蜗杆直径系数（蜗杆特性系数）qq=d1/m=9中心距aa=(d1+d2)/2=84蜗杆分度圆导程角γγ=arctan（z1/q）=mz1/d1=6.34°蜗杆节圆柱导程角γ′γ′=arctan（z1/(q+2x2)）=20.94°蜗杆轴向齿形角αα=20°（阿基米德圆柱蜗杆）蜗杆(轮)法向齿形角αntanαn=tanαcosγ=0.363顶隙cc=c*m=0.2×2=0.4蜗杆蜗轮齿顶高ha1ha2ha1=ha2=ha*m=1/2(da1-d1)=1×2=2(一般ha*=1)蜗杆蜗轮齿根高hf1hf2hf1=hf2=(ha*+c*)m=1/2(d1-df1)蜗杆蜗轮分度圆直径d1d2d1=qm=9×2=18d2=mz2=150蜗杆蜗轮节圆直径d1′d2′d1′=q+m=18d2′=150蜗杆、齿顶圆直径da1蜗轮喉圆直径da2da1=d1+2ha1=22da2=d2+2ha2=154蜗杆蜗轮齿根圆直径df1df2df1=d1-2hf1=13df2=d2-2hf2=145蜗杆轴向齿距pxpx=m=6.283蜗杆轴向齿厚sxsx=0.5m=3.1415蜗杆分度圆法向旋齿高hn1hn1=m=2蜗轮最大外圆直径da2da2<=da2+1.5m=157蜗轮齿宽bb=0.75da1=15.43.3.3齿轮机构选用原则齿轮传动与其他传动机构相比,有以下优点:传递运动准确可靠,传递的圆周速度范围较大;传递功率范围可从几瓦到十万千瓦;使用效率高,寿命长,结构紧凑;可传递在空间任意配置的两轴之间的传动。根据齿轮传动比i=,以及大小齿轮安装位置,小齿轮的齿数小于17容易发生根切，所以选择小齿轮齿数为18.3.3.4齿轮机构的几何尺寸计算分度圆d1d2d1=mz1=36d2=mz2=116齿顶高haha1=ha2==ha*m=2齿根高hfhf1=hf2=(ha*+c*)m=2.5齿高hh1=h2==ha1+hf1=4.5齿顶圆直径dada1=d1+2ha1=40da2=d2+2ha2=120齿根圆直径dfdf1=d1-2hf1=31df2=d2-2hf2=111中心距aa=1/2(36+116)=76基圆直径dbdb1=d1cosα=33.8db2=d2cosα=109齿宽bb1=15mb2=18m

第四章平面连杆机构的运动分析4.1概述机构运动分析是不考虑引起机构运动的外力的影响,而仅从几何角度出发,根据已知的原动件的运动规律,确定机构其他构件上各点的位移(轨迹)、速度和加速度,或构件的角位移、角速度和角加速度等运动参数。无论是分析研究现有机械的工作性能,还是优化综合新机械,机构运动分析都是十分重要的。4.2平面连杆机构的运动分析平面机构运动分析的方法主要有图解法和解析法。图解法概念清晰、形象直观。随着计算机技术技术和数值方法的发展,不仅解析运算冗繁的困难得以解决,而且采用电算解析法体现出运算速度快,计算精度高的显著优势。同时经过减速后构件2连杆的速度也是定值确定四根杆长之后,可知VAB=WABLAB=(80°/180)*260=363mm/s,可得构件2顶点C的速度由于电动机的转速是恒定的，可得出涡轮的转速也是恒定的，故构件2的上B点的角加速度，故杆2上顶点c的切向加速度为0，只有法向加速度：4.3位置分析由于主动杆件是连杆,所以本文从图解法考虑,主动杆2从极限位置如图4.1所示开始,顺时针旋转90°,到达图4.2位置,依次下去,分析如下:图4.1运动分析的BC起始位置1如上图所示,AB处在左极限位置,可以得到摇杆AB与机架AD夹角约为130°,用瞬心法求得WAB1/WBC=P12P42/P41P12=0Rad/s(P12与P42重叠)。图4.2BC顺时针旋转90°后的位置2(如上图所示,BC逆时针旋转90°,可以得到摇杆AB与机架AD夹角为39.5°,用瞬心法求解得,WAB/WBC=P12P42/P41P12=333.2/260，由上面可知WBC=0.628Rad/s,所以求得,WAB=0.8Rad/s。此时角加速度第五章机构运动仿真的总体分析5.1Solidworks计算机动态演示首先，画出各个机构的零件，其次，将零件组装，再给各个机构仿真。1）建立四杆机构的仿真如图5.1所示，四杆机构是实现摇头的关键。同时为了齿轮、蜗轮蜗杆等的传动布置以及风扇等结构，将四缸机构制作成如下机架。图5.1四杆机构运动仿真2）建立减速机构的仿真如图5.2所示，减速机构包括蜗轮蜗杆机构，齿轮机构。图5.2减速机构运动仿真通过Solidworks将以上的各个运动副总体运动仿真，下面应用FLASH演示台式电风扇的摇头机构。制作运动机构的各个元件，具体运动情况可观看Solidworks的仿真，通过对蜗杆轴施加旋转马达驱动，观察其运动状态。按照台式电风扇摇头机构各个状态，各元件的不同位置摆放。图5.9运动的几种状态如上为风扇摇头的左右极限位置模拟，看见三维效果比较好，适用于立体机构的仿真。5.2基于ANSYS的受力分析由于风扇的支架承受大部分零件、传动系统的重量，所以其承受能力是非常重要进行考虑的，否则支架容易发生磨损、坍塌等现象。利用solidworks软件将材料设定为普通碳钢，将机架部分进行压缩，初步估算零部件的总体重量。整体重量约9.5千克，考虑其受力不均的影响，将其认为为15千克力加载在支架上。通过将模型转成x_t格式文档，导入ansys软件中。5.2.1ANSYSworkbench主要分析步骤定义几何模型在有限元分析中，有两种方法可以建立几何模型。一种是在其他软件中建立所需的三维模型，然后将其转换为x-t格式，并导入相应ANSYSworkbench的仿真模块进行有限元分析；二是直接建立ansysworkbench软件所需的仿真模型。两种方法都能满足用户的需求，用户可以根据自己的需求进行合理的设计。网格单元划分进行ANSYSworkbench有限元仿真时，需要对仿真的结构进行合理的网格单元划分，以保证仿真结果的真实性和准确性。比较常用的划分网格单元的方法有两种形式，一是选择自动划分的方法，此时计算机数值模拟系统会根据输入模型的尺寸和配合形式进行合理的自动划分，用户不用考虑不同零部件的单独划分；第二，选择不同形态的网格单元。例如四边形单元、六边形单元、多边形单元等，根据结构的复杂性和协作关系，不同部分的单元划分不同。施加边界条件ANSYSworkbench在完成网格划分后需要对模型施加边界条件，以确保仿真结构是最真实的模拟其所承受的工况条件，主要的边界条件包括力、载荷、加速度、约束等等，这也是为后续求解奠定了基础。求解求解是有限元仿真的最后一步，也是至关重要的一步，通过设置需要仿真的参数可以得到相应的仿真结果，主要仿真参数包括整体变形、应力、应变、安全系数等等，用户可以直观的看到模型在不同工况条件下的仿真分析结果。在有限元分析中，在其他软件中建立所需的三维模型，然后将其转换为x-t格式，并导入相应ANSYSworkbench的仿真模块进行有限元分析.5.2.2分析过程支架的材料设置为45钢，材料的弹性模量、泊松比和密度如表5.1所示。表5.1钢轨材料属性参数材料弹性模量泊松比密度45209GPa0.2697890kg/m3网格单元划分。设置好支架材料后，双击主界面Geometry，然后点击Generate按钮，可以看到导入进去的支架模型，如图所示。双击主界面Modal，设置支架的网格划分方法为自动划分，网格单元的大小设置为默认尺寸，相关度设置为100。网格划分的单元个数为5527，节点数为10762，支架网格划分结构如图4-3所示。对底面施加固定约束，对顶部支架的机架板和孔壁分别施加150N的载荷大小，后处理结果。对支架的机架板结构进行有限元静力分析，得到支架的整体变形、应力，其仿真结果如下所示。顶板施加载荷由图可知，支架的最大应力发生在顶部横梁的位置，其最大应力为28.8MPa，因为选择的材料是45强，所以根据数据，45强的最小屈服应力是355MPa。28.8MPa<355MPa，最大应力远小于屈服应力，支架设计强度满足设计要求，如图所示，支架最大变形发生在头部（受力处），支架中间部分变形几乎相同，其最大变形均为0.06mm，变形量相对于支架本身的尺寸可以忽略不计。因此，支架强度和刚度符合设计要求。支架变形位移分析结果支架应力分析结果孔壁施加载荷由图可知，支架的最大应力发生在顶部横梁与孔壁头部的位置，其最大应力为68.764MPa，因为选择的材料是45强，所以根据数据，45强的最小屈服应力是355MPa。68.764MPa<355MPa，最大应力远小于屈服应力，支架设计强度满足设计要求，如图所示，支架最大变形发生在头部（受力处），支架中间部分变形几乎相同，其最大变形均为0.1693mm，变形量相对于支架本身的尺寸可以忽略不计。因此，支架强度和刚度符合设计要求。支架变形位移分析结果支架应力分析结果5.3基于ANSYS的模态分析5.3.1模态分析基本理论（1）模态分析理论根据振动理论，多自由度系统将一定固有频率振动时的振动形式称为模态，此时系统各点的位置具有一定的比例关系，称之为固有振动模式，无论使用何种阻尼，机械结构的对外力响应都是固有频率的响应。由有频率、阻尼比和振型等模式参数组成各阶模式。模态分析是结构振动特性设计的核心，它主要适用于复杂结构的多自由度系统，也是结构动力学研究的重要分析方法，其核心内容是固有频率，确定阻尼比和振型等模态参数来描述结构系统的特性，了解结构固有频率，在设计和改进过程中可以发生共振，同时可以得到弯曲和扭转刚度的分布情况。构架模态分析的意义为了使与结构连接的零件正常工作，结构必须具有一定的刚度。结构强度应与弹簧装置的强度结合考虑，以获得良好的驱动性能。在结构的设计和分析中，一般通过模态分析来研究结构的刚度，结构的模态计算为新型轨道结构的设计和改造提供了非常重要的理论依据。通过模态分析可以测试实际频率，比较和诊断结构的故障和风险。固有频率是系统的固有特性，它只涉及系统本身的质量和刚度。系统的惯性力和阻尼力与模态分析的动力学方程密切相关。平衡方程如下。（5-1）式中:——结构质量阵；——结构阻尼阵；——结构刚度阵；——结构的载量；——加速度列量；——速度列变量；——位移列变量。模态分析的基本步骤如下：（1）建立有限元模型；（2）定义边界条件并施加载荷；（3）进行设置，扩展模态并求解；（4）观察结果和后处理。模式分析的典型定义是将线性定常系统振动微分方程中的物理坐标变换为模态坐标，并将形成模态坐标和模态参数描述的独立方程，从而获得系统的模态参数，坐标变换的转换矩阵是模态矩阵，每列是模态阵型。5.3.2分析过程本章主要是对风扇的摇头机构进行模态分析，以此来验证摇头机构在正常工作过程中具有较好的振动特性，不会发生共振的现象，摇头机构的六阶模态分析结果如图所示。（a）第一阶振型（b)第二阶振型(c)第三阶振型(d)第四阶振型(e)第五阶振型(f)第六阶振型通过六阶模态分析完成了风扇的摇头机构的有限元模态分析，得出风扇的摇头机构的一阶固有频率为390.14hz，其工作频率与固有频率相差甚远。因此，风扇的摇头机构在工作过程中不会产生共振，证明了设计的合理性。5.4基于ADAMS的运动分析5.4.1前处理设置定义将三维模型存为x_t格式存入Adams中，由提前定义好的装配关系，约束条件同样也会存入Adams中，方便进行编辑。首先通过布尔操作将零件进行处理、删除、更名等，然后以中间支架作为承载齿轮副共同速度标记点的载体，分别施加其与蜗杆、涡轮、大齿轮的转动副，同时对于连杆机构施加底部支架与中间支架、摇杆及摇杆与连杆的转动副，对于支架施加固定副使其充当大地，然后对其中零件具有共同转动的（通过键、过盈配合连接的零件）施加固定副，完成对风扇摇头机构的设置。如下：对于蜗杆轴施加转速为1450r/min的匀速驱动，将其转为角速度的大小，即303.6°/s，然后以两个周期20s进行运动仿真：通过ADAMS的后处理分析，可以通过在指定点施加指定形式的测量可得，根据前文的研究，建立本文的机构原理简图：5.4.2结果分析首先观察风扇中心点的位移变化与角速度，中心点的位置控制在3mm之内，随着一个摇头周期，呈现两次上升两次下降的趋势，同时可见中心点的角速度大小约在5.3rad/s左右上下波动，随着风扇从右极限位置转动到左极限位置，角速度先下降后上升然后再下降，同时随摇头运动呈现周期性变化。位移变化曲线