全自动揉搓式洗衣机的设计.doc

全自动揉搓式洗衣机的设计第一章 绪 论11设计思想现有的洗衣机中最为常见的为波轮式洗衣机和滚筒式洗衣机。波轮式洗衣机是依靠波轮的转动来带动衣物和洗涤液进行洗涤；而滚筒式洗衣机是依靠滚筒的连续转动或定时反向来洗涤衣物。由此可看出，这两种类型的洗衣机都是依靠单一的运动方式来洗涤衣物，而在此设计中将这两种洗涤方式揉和起来，将两种运动方式结合起来，增加了衣物在竖直方向上的运动。使衣物既能像在波轮式洗衣机中那样由波轮带动衣物进行洗涤又能像滚筒式洗衣机那样依靠水流的力量洗涤衣物，并且还可以像手洗那样对衣物进行揉搓，集各种洗涤方式于一身，对衣物进行更为彻底的洗涤。12工作原理 图1 工作原理图其工作原理如图1，主要部件为螺纹轴，波轮轴，下波盘，上波盘，内筒，外筒，套筒，传感器，导轴，带轮及电机等。（1）洗涤原理 其洗涤原理为：电机1带动带轮1，带轮与内筒为紧固连接，内筒做旋转运动，上波盘与内筒盖为紧固连接，所以上盘也做旋转运动。同时，电机带动带轮使螺纹轴转动，使螺纹盘向上运动，并带动波轮轴向上运动，使下波盘推动衣物与旋转的上波盘进行对衣物进行揉搓，从而达到洗净衣物的目的。 上波盘与内筒盖紧固连接，内筒与套筒通过螺栓紧固连接，大带轮1通过键与套筒连接。主轴通过弹簧和连接件与下波盘连接，连接件上装有周向和径向传感器。螺纹盘与主轴通过键和螺母紧固连接，螺纹轴通过键与大带轮2连接，螺纹盘装在螺纹轴上，螺纹盘可沿导轴进行上下移动。主轴和螺纹盘上下运动的范围可由行程开关决定，行程开关决定了大皮带轮2的转动量，当主轴和下波盘托着衣物顶向上波盘的力大于弹簧的力时，下波盘将向下移动，当该力达到设定的大小时，限位开关（径向传感器）工作，皮带轮2停止转动，螺纹盘停止向上运动，调整限位开关的位置即可改变作用于衣物上挤压力的大小。上下波盘对衣物有一定的挤压力时，上波盘是正反转动，就是对衣物的揉搓。当揉搓力（周向力）过大而使弹簧轴向移动一定量时，拨动开关（轴向传感器）工作使内筒（上波盘）转动反向。调整拨动开关的长度可改变揉搓力的大小。（2）漂洗原理 本设计为全自动洗衣机，应此洗衣机必须具备漂洗功能。 在漂洗方式的选用上，考虑到经济性、实用性以及结合本设计的设计特点，选用溢水漂洗方式。就是在洗衣机将衣物洗涤完毕后，从进水口不断向内桶注入清水，结合内桶的旋转以及波轮的揉搓运动，使洗涤液以及污垢从衣物中脱离出来，随着水面的不断升高，脱离出的洗涤液和污垢就可以随着水流从溢水口排出，使洗涤液和污垢予衣物脱离，已达到漂洗衣物的目的。之所以此种漂洗方式，是考虑到此种洗衣机的洗涤特点，和经济实用型。本洗衣机与其它洗衣机相比，最大的特点就是增加了揉搓功能，因此，在漂洗的时候可以考虑使用此功能。不仅可以大大缩短漂洗环节的时间，而且可以提高衣物的干净程度，同时，也大大的节省了漂洗用水，可谓一举三得。（3）脱水原理 在本洗衣机中与其它洗衣机类似 ，也采用内桶的高速转动，使衣物高速转动起来，使衣物中的水受惯性力的作用甩出衣物，顺着内桶壁上的孔进入外桶排出。第二章 洗衣机的原理、分类和驱动方式21洗衣机的原理 （1）洗衣机洗涤原理洗衣机的洗涤原理是以模拟人工搓洗衣物的动作而发展起来的，当然，它与人工搓洗的动作并不完全相同 ，洗衣机（以波轮式为例）以波沦为动力带动洗衣机中的洗涤液和衣物，实质发生相对运动，从而达到洗净衣物的目的。将洗衣机的电源接通之后，即可通过水流选择开关来确定水流的强弱，然后转动定时器按钮，定好洗涤时间，定时器就会接通电动机的电源，波轮在电动机的带动下开始运转。洗涤桶中的洗涤液在波轮的推动下，产生强有力的旋转水流，将液体中的衣物带动起来，不断的被转动揉搓，经过预定的时间，定时起降电源切断，电动机停止转动，洗涤程序完成。这时，打开排水阀，将洗衣机内的洗涤液排出，然后就可进行漂洗或者将衣物取出，放入另外一批衣物继续洗涤。在洗衣机中，整个洗净衣物的过程，也就是在预定的时间内，波轮在电动机的带动下，通过正反相交替运行，推动水流，是洗涤桶中的衣物不断翻滚、摩擦，并实质产生相对运动，从而将衣物洗净的过程。（2）洗衣机的漂洗原理将衣物搓洗以后，还要将衣物表面的污水冲洗干净，这就是漂洗。漂洗可分为以下四种方式：1普通漂洗就是将衣物放进洗涤桶内，更换清水，是用于洗涤时相同的水流强度，将衣物上存留的污垢和洗涤液冲洗干净。2溢水漂洗在漂洗的过程中，让洗涤桶中的水面高度超过溢水口，并且不断的向桶内中注水，让污水从溢水口流出，这是一种比普通漂洗优越的漂洗方法。3喷淋漂洗它的原理是借助水的溶解性和流动性，同时应运了离心力的原理，将整个的漂洗过程从洗涤桶内搬到脱水桶中进行，既节省了总的洗衣过程的时间，又节约了漂洗用水。因此，它是一种先进的漂洗方法。4顶淋漂洗顶林漂洗可以说是有一种喷淋漂洗方式，它浴喷淋漂洗的不同之处就是将脱水桶中的喷淋管去掉，而换成位于脱水桶上方的淋水中盖。（3）洗衣机的脱水原理洗衣机的脱水，主要是应用离心力原理。当脱水桶以较高的速度转动起来后，衣物中的水在离心力作用下，就会向水桶的四周运动，到达脱水桶壁，穿过脱水桶上的孔，进入脱水外桶，随之排出脱水机。22洗衣机的分类从1914年第一台电动洗衣机问世至今，洗衣机随着各种新技术的产生和应用发展十分迅速。我国洗衣机工业从70年代开始起步，虽然起步较晚，但发展的速度是相当惊人的。国内已拥有数十种牌号和上百种规格。 目前市场上的家用洗衣机通常可以按照下面几种方法分类：（1）按自动化程度分类a.普通型洗衣机 普通型洗衣机又称为普及型洗衣机。波轮式普通洗衣机可以分为普通型单桶和普通型双桶洗衣机两种。普通型双桶洗衣机是在普通型单桶洗衣机的基础上，增设脱水机构发展而来。他们都是通过定时器来控制波轮在洗衣桶内作间歇的正转和反转，产生水平旋转与上下翻转的综合水流来洗涤衣物。洗涤时，根据衣物的多少以及厚薄来选择洗涤、漂洗的时间。脱水时根据衣物量的多少来选择脱水时间。普通型洗衣机洗涤时，洗涤、漂洗和脱水各功能之间的转换需要手工来完成，其机构简单，使用方便，价格便宜，是目前国内销售量最大的洗衣机。b. 半自动型洗衣机 根据我国家用电动洗衣机的标准规定：在洗涤、漂洗、脱水各功能之间，其中任意两个功能之间转换不用手工操作而能自动进行的洗衣机称为半自动型洗衣机。半自动型洗衣机有洗涤侧半自动型和脱水侧半自动型。半自动型洗衣机结构比普通型复杂，但使用方便灵活，价格较高。c. 全自动型洗衣机 全自动型洗衣机按照国家标准定义为：洗衣机工作时，具有洗涤、漂洗和脱水之间转换不需要手工操作而自动完成。其特点是省时省力，体积小，洗衣容量大，磨损小。 （2）洗涤方式分类 a. 波轮式洗衣机 波轮式洗衣机在洗涤桶中装有一个波轮，波轮上有几条突起的筋，波轮以每分钟数百转的速度转动，带动桶中的洗涤液和衣物作旋转和翻滚运动来洗涤衣物。波轮式洗衣机根据水流的方式可分为小波轮涡卷式和大波轮新水流两种。新水流洗衣机具有低转速，频繁转、停等特点，使得衣物不易被缠绕，提高了衣物的洗净度，降低了磨损率。b. 搅拌式（摆动式）洗衣机 搅拌式洗衣机是依靠搅拌器往复摆动的方式来进行洗涤的洗衣机，搅拌式洗衣机在洗衣桶中间竖直安装搅拌器，搅拌器绕轴心在一定角度范围内正反向摆动，搅动洗涤液和衣物好似人工手洗洗涤的揉搓，衣物受力均匀，一次洗衣量较多，搅拌式洗衣机多为全自动型。c. 滚筒式洗衣机 滚筒式洗衣机是依靠滚筒连续转动或定时正反向转动来进行洗涤的洗衣机。滚筒式洗衣机有一个盛水的圆柱形外桶，外桶中有一个可以旋转的内桶，内桶壁上有许多排列规则的小孔，并有几条突起的筋，衣物就投放在内桶中，内桶有规律的正反旋转，突起的筋将衣物带起，到一定的高度又将衣物抛落在洗涤液中，来达到洗涤衣物的目的。上述三种洗衣机的特点见下页表一类别优 点缺 点主 要 市 场波轮式洗净率高，洗涤时间短，耗电少，材料要求不高，易于塑料化，结构简单，制造容易，维修方便，可制成小容量或便携式，成本低。磨损率高，用水量大，不易造成大容量，噪声大。中国、日本等亚洲国家，中东、中南美洲部分国家。搅 拌 式洗净率较高，磨损率较低，洗涤容量大，洗涤衣物不易缠绕。三叶搅拌器的回转机构复杂，制造困难，修理技术难度较高。洗涤时间较长，噪声稍大，机体大而重。美国、墨西哥、加拿大、智利、阿根廷等北美、中美、南美国家。滚 筒式磨损率低，洗涤剂用量少，节省水，洗衣容量大，衣物不易产生扭角，可洗吸水性较强的厚重织物。洗涤时间较长，耗电量大，洗净率较低，结构较复杂，体积大，不易做小容量，滚筒体要求不锈钢制作。欧洲各国如法国、英国、荷兰、意大利等。表2-1波轮式、搅拌式、滚筒式洗衣机性能比较d. 其他洗涤方式洗衣机 除了常见的波轮式、搅拌式和滚筒式洗衣机以外，还有多种常用的洗衣机，依照其洗涤方式的不同，还有以下几种： 喷流式洗衣机 超声波洗衣机 真空洗衣机 高温泡沫洗衣机 喷射式洗衣机 振动式洗衣机 旋转桶形洗衣机 压力式洗衣机 压缩式洗衣机23洗衣机的驱动分类（1）间接驱动：通过皮带连接电机轴和离合器输入轴来传递动力。（2）电容式单向感应电机+离合器（3）双速电机+离合器（4）三相交流变频电机+减速离合器（5）直接驱动（DD）（6）电机输出轴直接和负载连接。（7）电机的输出轴和离合器的输入轴连在一起，通过离合器的输出轴和负载连接。 表2-2 直接驱动和间接驱动的各项性能比在此设计中考虑到洗衣机的内部结构和功能要求选择第一种驱动方式。为满足洗涤脱水转速的要求，电机设计成2P/8P，采用电容式感应电机。电机输出两种（高，低）转速，通过皮带减速便可得到所需洗涤脱水转速。（3）缺点：1）皮带减速传递效率低，故障率高。2）由于电机偏置，易震动，需加配。3）皮带易打滑磨损。 第三章 电动机的选择31概论目前在家用电器中使用的电机分为直流电机、单相串激式电机。直流电机使用干电池供电，通常在电动剃须刀、录音机、电动儿童玩具等小型器具中。单相串激式的电机结构上与直流电机相似。由于其转子上带有换向器，电机运转时使得换向器极易磨损，因而寿命短，常用在转速要求较高而单次使用时间短的电动器具上，如吸尘器、食品加工机等。单相感应电机应用最广，根据起动方式的不同又分为罩极式、分相起动式、电容起动式及电容运转式，分别用于电冰箱、电风扇、微波炉、洗衣机等家用电动器具上。由于电容运转式电机具有起动扭矩大、运行稳定、功率因数高、过载能力强等特点，并能较好的满足洗衣机正反两个方向运转的工作要求，所以被广泛的应用于洗衣机中。洗衣机在正常工作状态洗涤桶内应装有水和衣物，因此，洗衣机的电动机总是在有负载的条件下运行，由于洗衣机工作时要求波轮正反转，这就要求电动机带载正反频繁起动，洗衣机电动机的负载不能看成恒转矩负载，因为洗衣机的波轮直接接触水和衣物，在起动的初始时刻，阻转矩较小。但是，这个负载又不能简单的看成是风机水泵类负载（与转速的平方成正比的负载特性），由于桶内衣物位置和水流的变化，在正常的工作条件下，负载的大小可能经常发生变化，由于洗衣机的负载特点和工作是频繁起动的需要，对电动机的起动转矩和最大转矩都要求比较高。32洗涤电动机（1）电动机的选用。洗衣机中使用的电动机可分为单向异步电动机、永磁式直流电动机、单向串激式和直线型驱动电机。单向异步电动机根据启动方式不同又可分为电容运转式电动机和罩极式电动机，而电容式电动机又派生出双速变极式电动机。洗衣机根据各自的工作特点采用不同的电动机。国家标准对洗衣机的主要性能指标作了相应的规定，表一就是波轮洗衣机用的XD型洗衣机电动机的性能指标。根据我国条件，电动机的电源电压为220V，频率为50Hz，同步转速为1500r/min，额定转速为1350r/min，表3-1 XD型洗衣机电动机的性能指标输入功率（W）堵转转矩倍数堵转电流（A）最大转矩倍数效率（%）功率因数900.952.01.7490.951200.92.51.7520.951800.84.01.7560.952500.75.51.7590.95洗衣机电动机的功率应根据洗衣机的规格而定，洗衣机的规格大小是按每次最大洗涤的量配用的电容器。衣物重量来确定的，表二列出了不同规格的洗衣机所配用的电动机的功率及电动机所配用的电容器。洗衣机的洗衣量（）1.5-22-33-44-5配用电动机（W）90,120120180250配置电容器（F）6,88,1010,1216 表3-2 洗衣机所配用的电机设计以2.5千克为容量进行设计，所以选用电机功率为120W，配置电容器为8F。其中，堵转转矩倍数为0.9，堵转电流为2.5A，最大转矩倍数为1.7，效率为52%，功率因素为0.95。（2）双速变极电机结构双速变极电动机是采用改变极数来获得两种速度的电容运转式电动机。接通12级绕组，电动机低速运转，完成洗涤、漂洗功能。接通两极绕组，电动机高速运转，完成脱水功能。洗涤电机的结构简图如下图一所示：图3-1 洗涤电动机的结构简图（3）主要技术参数 项目 内容分类性能指标2极12极效率（%）3025功率因数0.840.90堵转电流（A）7.01.8堵转转据（Nm）1.01.7最大转矩（Nm）1.82.4温升（K）8080噪音（dB）7460 洗衣机在洗涤运转时，受力极大。因此对传动机构的波轮轴、轴承套等零件要求具有一定的强度、刚度、耐疲劳性能。同时，传动机构上部分在洗涤时，长期受水的侵蚀，使得各零件要求有很高的耐腐蚀性和耐冷热冲击性能。YXG162/2/12型双速变极电动机为中国济南洗衣机厂生产，主要技术指标见上表。启动和运转配用14微法/450伏电容器，2极额定输出功率200瓦；12极输出功率为120瓦。第四章 整机设计41波轮的分类1.常见的几种波轮形式：掌形波轮碟形波轮塔形波轮搅拌棒形波轮转桶式大波轮（盒式波轮）2.较有特点的新水流波轮:(1) 日本公司的棒式波轮(2) 三洋公司的手搓式波轮(3) 松下公司的碟形波轮(4) 夏普公司的“帽式”波轮(5) 日电公司的撬杆式波轮(6) 三菱公司的搅拌式波轮(7) 东芝公司的偏心波轮42波轮的参数及性能波轮形状和尺寸与洗涤性能的关系如下图所示：1波轮直径：波轮直径与洗净比、织物磨损、织物缠绕和洗涤不均匀度的关系见图一。波盘直径（mm）图一 波盘直径与洗涤性能的关系 如图所示，增大波轮直径对洗涤物的洗净比、织物缠绕和洗涤不均匀度都有利，仅对织物磨损略有增大。2波轮叶片筋：它的作用是在波轮正反旋转时，产生水平和上下回转的复合水流，使洗涤物受到三维冲击力的作用。波筋宽度在2025mm时，洗涤性能较好。除波筋宽度外，波筋的高度和条数也对洗涤性能有所影响，但波筋高度对洗涤电动机的输入功率影响更大。波筋条数一般设计成38条，实验表明，波筋6条时洗涤性能较好。43带传动的设计（一） 在此部分主要对洗衣机中主要传动机构包括两个带传动和一个螺纹传动以及波轮轴的设计及计算。 此部分将完成连接洗衣机内筒的带传动计算。 1.双速电动机功率为120W，转速，波轮轴转速，传动比确定计算功率由表8-6查得工作情况系数，故2.选取V带带型根据，由图8-9确定选用Z型3.确定带轮基准直径由表8-3和表8-7取主动轮基准直径根据式（8-15），从动轮基准直径根据表8-7，取按式（8-13）验算带的速度4.确定V带的基准长度和传动中心距根据式，初步确定根据式（8-20）计算带所需的基准长度 由表8-3选带的基准长度按式（8-21）计算实际中心距5.验算主动轮上的包角由式（8-6）得主动轮上的包角合适。6.计算带的根数Z由式（8-22）知由查表8-5c和8-5d得 查表8-8得，查表8-2得，则取根。7.计算预紧力由式（8-23）知 由表8-4 ，故8.计算作用在轴上的压轴力Q由公式（8-24）得 9.带轮的结构设计波轮式洗衣机洗涤部分的传动方式，均采用三角皮带传动，其中，小皮带轮与电机转轴的伸出部分连接，其转速较高，因此要求强度高，有较好的耐磨性能。所以，在选择小皮带轮时，一般优先选用金属制件，而大皮带轮则不宜采用金属制件。因为三角传动皮带吸水能力较强，假如由于受潮或溅水，而使传动皮带绝缘性能降低，或变成导体，一旦电机发生故障而漏电，将使漏电流传至小皮带轮，经传动皮带大皮带轮波轮轴传入洗涤液中，洗涤时容易造成触电伤亡事故，如果采用塑料皮带轮，就能起到良好的绝缘作用。再者，由于大皮带轮的转速较低，选用塑料皮带轮就能够满足要求了。带轮的具体结构尺寸见零件图。44带传动的设计（二）此部分将要完成与螺纹轴连接的带传动设计。 电动机功率为25W，转速，螺纹轴转速，传动比 1.确定计算功率由表8-7查得工作情况系数，2.选取V带带型根据，由图8-8确定选用Z型3确定带轮基准直径由表8-8和表8-4取主动轮基准直径根据式（8-15），从动轮基准直径根据表8-8，取按式（8-13）验算带的速度所以带的速度合适。4.确定V带的基准长度和传动中心距根据式，初步确定根据式（8-20）计算带所需的基准长度由表8-3选带的基准长度按式（8-21）计算实际中心距5.验算主动轮上的包角由式（8-6）得主动轮上的包角合适。6.计算带的根数Z由式（8-2）知由查表8-6a和8-6b得 查表8-9得，查表8-10得，则取根。7.计算预紧力由式（8-23）知 由表8-5，故8.计算作用在轴上的压轴力45螺纹轴的设计1. 初步确定轴径选取轴的材料为40Cr，调质处理。根据表15-3，取。于是得2螺纹轴的结构设计1).拟订轴上零件的装配方案 采用下图所示的装配方案 图5-1 螺纹轴的装配方案2）.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了使螺纹盘获得较高的移动速度，螺距P应取大值，此处取P=2mm，对应的公称直径.2面左端装轴承，根据手册选用202的深沟球轴承，其尺寸为故，而取安装皮带轮处的轴径，为了保证轴端挡圈压在皮带轮上，取。3）.轴上零件的周向定位皮带轮与轴的周向定位采用平键联接。按由手册查得平键截面（GB1095-79）。键槽用键槽铣刀加工，长为10mm（标准键长见GB1096-79），同时为了保证皮带轮与轴配合有良好的对中性，故选择皮带轮轮毂与轴的配合为H7/k6，滚动轴承与轴的周向定位是借过度配合来保证的，故此处选轴的直径公差为6mm。2. 求轴上的载荷对各支点进行受离分析如下图所示：图5-2 轴的载荷分析图由皮带传动的计算知Q=12.2N ， 各截面处M及T列于下表：表5-1 截面处的弯距和扭距M（Nmm）T（Nmm）（Nmm） 2 5.77505.775 3268.3303324.1 497.6303206.33. 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大计算弯矩的截面的强度。则由式（15-5）可得前以选定轴的材料为40Cr，调质处理，由表15-1查得，因此，故安全。4. 精确校核轴的疲劳强度 判断危险截面截面2、3的应力集中影响相当，轴径也相同，但3截面受载的情况远大于2截面，故应校核3截面的右侧，同样，4截面的右侧也应校核。 截面3右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面3 右侧的弯矩 截面3 上的扭矩为 截面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力 轴的材料为40Cr，调质处理。由表15-1查得截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按附表3-2查取。r/d=0.8/15=0.053,D/d=20/15=1.33,经插值后可查得 又由附图3-1可得轴的材料的敏性系数为 由附图3-2得尺寸系数；由附图3-3得扭转尺寸系数，轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即，则按式（3-10）（3-10a）得综合系数值为又由第三章第二节得材料特性系数 取 取于是，计算安全系数值，按式（15-6）（15-8）则得 故可知其安全。截面4右侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面3 右侧的弯矩 截面3 上的扭矩为 截面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力 轴的材料为40Cr，调质处理。由表15-1查得截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按附表3-2查取。r/d=0.8/11=0.073,D/d=15/11=1.36,经插值后可查得 又由附图3-1可得轴的材料的敏性系数为 由附图3-2得尺寸系数；由附图3-3得扭转尺寸系数，轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即，则按式（3-10）（3-10a）得综合系数值为又由第三章第二节得材料特性系数 取 取于是，计算安全系数值，按式（15-6）（15-8）则得 故可知其安全。46波轮轴的设计1初步确定轴的最小直径先按式15-2初步估算轴的最小直径。选取材料为3Cr13，调质处理。根据表15-3，取A=112，于是得波轮轴的最小直径显然是装波轮处的致敬，此外，此处截面为正方形。2轴的结构设计（1） 拟定装配方案选用如图所示的装配方案（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度取装波轮处的截面,。要满足从方形截面到圆形截面的过渡，圆形截面出的直径，取圆轴处的直径， 皮带轮与轴为键连接，初定波轮地最大上升高度，取键长为；装螺纹盘处的轴径。3求轴上的载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图作用在轴上的扭距：作用在轴上的最大弯距：4校核危险截面A面为危险截面，对其进行弯扭校核：故安全。前以选定轴的材料为3Cr13,调质处理，由表15-1查得，因此，故安全。5精确校核轴的疲劳强度（1）判断危险截面截面1、2只受扭矩作用，虽然轴肩所引起的应力集中将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕而确定的，所以1、2截面无需校核，故只校核3面。（2）精确校核3面右侧抗弯截面系数：截面上的弯矩弯曲应力 轴的材料为3Cr13,调质处理。由表15-1查得 ，截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数按附表3-2查取。因r/d=1.0/14=0.071,D/d=18/14=1.286,经插值后可查得： 又由附图3-1可的轴的材料的敏感系数为：按附图3-2的尺寸系数：轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数：轴未经表面强化处理，即则按式（3-10）及（3-10a）得综合系数值为：又由第三章第二节的材料特性系数 所以取：于是，计算安全系数：故可知其安全。第五章 电气部分设计5. 1设计概述1. 采用常见的物美价廉的ATMEL单片机AT89C2051作为控制核心。2. 为防止因电源过低或电源间断性供电而引起电脑工作状态混乱,设置了欠压检测保护电路。3. 设计蜂鸣电路,如有脱水误开盖或脱水不平衡等状况,蜂鸣器鸣叫,提示用户进行处理,保证洗衣机及人身安全。4. 由于本设计按键较少,所以采用单段直接输入方式,使电路简单。5. 功率驱动电路先由晶体管进行电流放大后再加到可控硅的控制极上,作为可控硅的触发信号。由可控硅实施对电动机、进水阀、排水阀的控制。6. 本设计采用了时基电路,作用有二:一是定时向电脑提供一个计时的基准信号,二是使输出的控制脉冲与电网交流电同相位,实现对可控硅的过零触发。7. 显示电路只采用三只发光二极管作程序选择键功能显示。8. 电源电路经变压,整流,滤波后分成两路,一路约为10V的直流电压提供给蜂鸣电路,另一路经三端集成稳压器7805输出稳定的5V直流电压,作为程序控制器的主电源。9. 通过软、硬件的配合设计,控制器具有较强的功能。5. 2系统总体框图 AT89C2051稳压电源安全控制水位低压检测开关安全开关启动/暂停程序选择电机正转电机反转进水阀排水阀蜂鸣器LED显示图3.1:系统总体框图5. 3 元器件介绍5.3.1 AT89C2051 AT89C2051引脚图如图5.1所示AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS 8位单 片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。89系列单片机是ATMEL公司的8位单片机系列产品，其最大特点是片内含有Flash存储器（取代MCS51中的ROM），并且和MCS51兼容（AT89的片内含有51系列的8031）。89系列单片机共有7种型号，而AT89C2051是其中的低档型、低电压产品AT89C2051的产品. 单片机系统，应包括相应的硬件和软件。软件是指编程用的指令系统；硬件即芯片提供的硬件资源和与外部结构配置的器件，两者缺一不可。 信号引脚功能 AT89C2051是一种20引脚的双列直插式IC芯片，引脚是单片机的硬件外特性，用户通过引脚连接外部器件就能组建单片机系统。 （1）P1口：它是8位双向口线，即P1.0P1.7。口引脚P1.0（12脚）和P1.1（13脚）用于外部接口工作时，要求配置外部的上拉电阻；P1.2P1.7内部设有上拉电阻，用于外部接口工作时，由外部负载工作方式决定是否配置上拉电阻。P1口带有输出缓冲器，可吸收20mA的电流并能直接驱动LED显示。P1口的功能之一是在闪速编程和程序校验期间接收代码数据（即编程的数据输入口）。 （2）P3口：它是带有内部上拉电阻的7位双向口线，即P3.0P3.5和P3.7。P3.6因内部功能的需要，它虽是通用的I/O口引脚但不可访问。P3口的其它特性与P1口相同，此外P3口还具有第二功能。 （3）复位端RST（1脚）：当1脚加“H”高电平时芯片内部的功能电路复位，此时I/O口线引脚复位到“1”电平。 （4）XTAL1（5脚）：振荡器外接晶振，内部时钟发生器输入。 （5）XTAL2（4脚）：振荡器外接晶振、反相放大器输出。 （6）电源端20脚（2.76V）和10脚（地端）。 引脚的复用功能 由上述对AT89C2051引脚介绍可见： P1和P3口共占用15个引脚，外加复位、振荡（时钟）和电源端等已把芯片的引脚全部占完。然而单片机在执行各种功能时还需要更多的引脚才能受控或与外界交换的信息，为解决这种矛盾，生产厂家给芯片的某些引脚设置了第二功能，通过它可完成单片机的多种控制功能。例如要给AT89C2051编程，需由P3口的P3.3、P34、P3.5和P3.7端加控制信号以完成闪速编程；AT89C2051要完成串行的输入、输出，外中断功能和外部输入定时，需P3.0P3.5端提供端口（功能表从略）。再有P1.0、P1.1是内部比较器输入端口。 表5.1 AT89C2051引脚的复用功能 兼容MCS51指令系统 2k可反复擦写(1000次）Flash ROM 15个双向I/O口 6个中断源 两个16位可编程定时/计数器 2.7-6.V的宽工作电压范围 时钟频率0-24MHz 128x8bit内部RAM 两个外部中断源 两个串行中断 可直接驱动LED 两级加密位 低功耗睡眠功能 内置一个模拟比较放大器 可编程UARL通道 软件设置睡眠和唤醒功能5.3.2 CW7805图5.2 CW7805外型图CW7805为三端固定正输出电压集成线性稳压器,它是7800系列的一种，7805代表正5V输出，元件外型如图5.2所示，其中第一脚为输入，第二脚输出，第三脚为地。输出电压最小值为4.8V,而最大值为5.2V,输出功率不大于15W。 表5.2 CW7805集成稳压器的主要参数（TA=25 C）参数名称输入电压V1输出电压V0电压调整率Sv（V0）电流调整率S1（V0）偏置电流 Ia最小输入电压Vmin温度变化率S（V0）单位VVmVmAmAVmV/C测试条件Io=0.5AVtVoIo10mA1.5AIo=0Io=1.5AVo=50mACW7805104.8-5.28-18V725871.05.3.3 74LS139 74LS139为双D译码器（2/4）。它是74LS 系列的一种，目前主要有下列一些型号：M-74LS139、HD-74LS139、DM-74LS139、SN-74LS139。在本书中所选择的是SN-74139。它的外观和引脚图分别如图5.3，5.4所示。图5.3 74LS139外型图 图5.4 74LS139引脚图双D译码器的真值表如表5.5所示 表5.5 74LS139真值表 其中：H高电平、L低电平、X状态不定5. 4 洗衣机功能分析由于AT89C2051的引脚少，内存容量不大，所以所控制的洗衣机的功能有一定的限制，但是由于洗衣机的基本功能是实现对衣物的洗涤，所以，关键在于洗衣程序的控制。从这一角度出发，对洗衣机的功能进行分析，确定其最优化的功能.（1）、洗衣机的状态功能：强、弱洗涤。在衣服多而脏的时候，可以选择强洗涤功能，此时洗衣机的洗衣强度增加，水流的速度增大，促进污渍的清除，但在洗涤羊毛类的衣物不宜选择此功能。当衣物少而较干净或是丝织品时，可以选择此功能，可以保护衣物。（2）、洗衣程序功能：含有4种程序功能，即标准洗衣程序、经济洗衣程序、单次洗衣程序、排水程序。各程序的时间分配表如下： 表5.1全自动洗衣机程序功能 单位：分钟过程选择程序选择洗涤漂洗脱水标准程序约15约3约2经济程序约10约2约2单次程序约15无无排水程序约5约5无（3）、特殊功能：故障诊断、安全保护、防振、暂停、间歇工作功能，声光显示功能。5. 5 全自动洗衣机的控制功能洗衣机要完成洗衣机工作，除了一般洗衣过程的人工工作及效能进行模拟之外，还要根据洗衣机的机械电子性质进行有关控制和检测。对于一台套桶式单缸波轮全自动洗衣机而言，首先要求能完成洗衣功能；同时还要根据用户的不同要求设置几种不同的洗衣程序，还要考虑水流的情况决定洗涤的弱强情况；另外，还要对洗衣过程出现的故障进行诊断；保证高速运转时脱水的安全性等。所以，对全自动洗衣机，一般要求具有如下基本功能。（1）、强、弱洗涤功能。要求强洗时正、反转驱动时间各为4 s，间歇时间为1 s；弱洗时正、反转驱动时间各为3 s，间歇时间为2 s。（2）、4种洗衣工作程序，即标准程序、经济程序、单独程序和排水程序。标准程序是进水洗涤漂洗排水脱水，如此循环3次，每循环一次洗涤或漂洗环节时间比上一循环同一环节时间减少2 min，具体是：第一循环为洗涤，时间为6 min，第二、第三次循环为漂洗，时间分别为4 min和2 min。排水时间采用动态时间法确定，脱水时间为2 min。经济程序与标准程序一样，只是循环次数为二次。单独程序是进水洗涤（6 min）结束（留水不排不脱）。排水程序是排水脱水结束，时间确定与上述程序相应环节相同。（3）、进、排水系统故障自动诊断功能。洗衣机在进水或排水过程中，若在一定的时间范围内进水或排水未能达到预定的水位，就说明进、排水系统有故障，此故障由控制系统测知并通过警告程序发出警告信号，提醒操作者进行人工排除。（4）、脱水期间安全保护和防振动功能。洗衣机脱水期间，若打开机盖时，洗衣机就会自动停止脱水操作。脱水期间，如果出现衣物缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡，洗衣机也会自动停止脱水，以免振动过大，待人工处理后恢复工作。（5）、间歇驱动方式。脱水期间采取间歇驱动方式，以便节能。本系统要求驱动5 s，间歇2 s，间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转。（6）、暂停功能。不管洗衣机工作在什么状态，当按下暂停键时，洗衣机需停止工作，待启动键按下后洗衣机有能按原来所选择的工作方式继续工作。（7）、声光显示功能。洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均有声、光提示或显示。洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断：从而实现自动控制的。电磁进水阀起着通、断水源的作用。如图5.1所示，当电磁线圈1断电时，移动铁芯2在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片3上，并将膜片的中心小孔4堵塞，这样阀门关闭，水流不通。当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔5的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。水位开关实际上是一个压力开关。如图5.2所示，气室1的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片2受压而胀起，推动顶杆3运动而使触点4改变，从而实现自动通断。智能型模糊控制的全自动洗衣机还可以自动判断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗涤程序。当洗衣桶内衣物的多少和质地不同，而注入水使其达到相同的水位时，其总重量是不同的。利用这一点，通过对洗衣电动机低速转动后的惯性测量，可以判断衣质和衣量。方法是：在洗衣桶内注入一定量水后使电机低速运转，平稳后快速断电，洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动。此时，电机绕组产生反电动势，对其半波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列。通过分析脉冲个数和脉冲宽度。就能得到衣质衣量情况。衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。脱水时采用压电传感器。当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转。5. 6 电路图中各部件的分析（1）、全自动洗衣机的工作部件全自动洗衣机的工作部件有3个，就是电机、进水阀和排水阀。 、电机电机是洗衣机的动力源，它的转动带动洗衣桶和波轮的转动。电机的状态有3种，即正转、反转和停止状态。他是由AT89C2051的14脚和15脚控制的，AT89C2051的15脚是控制它的正转，14脚控制它的反转，当AT89C2051的14和15脚呈高电平时，电机进入停止状态。电机一般工作在这3种状态的不断转换之中，从而实现洗涤，但在脱水时，只工作在高速正转状态。 、进水阀进水阀是用来控制洗衣机的进水量的，他只有开关两种状态。进水阀是有AT89C2051的12脚控制的，当AT89C2051的12脚输出低电平时，洗衣机进水，当水位达到一定高度时，则给AT89C2051的12脚一个高电平使进水结束。 、排水阀它是用来控制排水的，他只有开关两种状态。他是由AT89C2051的13脚控制的，当AT89C2051的13脚输出低电平时，洗衣机进入排水状态，当洗衣机内的水位到达一定程度时，它给AT89C2051的13脚一个高电平，使洗衣机停止排水。（2）、SP1110它是一种交流固态继电器，内有发光二极管及双向可控硅，1050mA输入电流即可使双向可控硅完全导通，输出端通态电流为3A（平均值），浪涌电流为15A。全自动洗衣机之所以选用这个器件，是因为它一方面可使电路进一步简化，另一方面还可使强弱两类电完全隔离，保证主板的安全。（3）、74S05 它是六反相器，他在全自动洗衣机中作为中间缓冲器，其中的四个反相器可分别驱动四个SP1110继电器，剩余两反相器用于驱动两个发光二极管。它是一个双2-4线译码器，用它可解决CPU I/O线数量不足。从控制要求可知，洗衣机有四种洗衣工作程序，因此必须有四种不同的显示来加以区别。74LS139双2-4线译码器占用CPU的2脚和3脚即可提供四种不同显示的驱动，其逻辑关系是2脚和3脚为“11”时就指示标准程序；为“10时”指示经济程序为；为“01”时指示单独程序；为“00”时指示排水程序。（5）、AT89C2051它是全自动洗衣机实现智能化的心脏和大脑，选用它设计制作洗衣机控制电路，电路的组成相对简单，工作原理清晰。5. 7全自动洗衣机的部分电路分析全知道洗衣机的控制逻辑电路如附录所示。它有单片机AT89C2051为核心加上有关集成电路及元器件组成。由附录可知：（1）、洗涤和脱水电路洗涤和脱水电路是由A