基于ProE的电风扇摇头机构中蜗轮蜗杆、齿轮和四杆机构的传动系统设计与仿真7000字【论文】

IV基于ProE的电风扇摇头机构中蜗轮蜗杆、齿轮和四杆机构的传动系统设计与仿真目录TOC\o"1-3"\h\u23375摘要 4430第1章前言 4181681.1电风扇的发展史及发展现状 4227431.2电风扇的结构与工作原理 574721.2.1电风扇的结构 517588图1.1台扇 623511.2.2电风扇的工作原理 61591.3本设计的主要内容和目的 610714第2章电风扇摇头装置的设计 794642.1电风扇摇头装置设计原则 779002.2电风扇摇头装置方案选择 717383第3章机构的设计 9133933.1铰链四杆机构的设计 985783.1.1铰链四杆机构的基本类型 927743.1.2双摇杆机构的满足条件和极限位置分析 11142273.1.3四杆位置和尺寸确定 11176373.2电机选择 12146593.3传动比的分配 13169843.4齿轮机构的设计 137603.4.1齿轮机构的结构特点 13169453.4.2齿轮机构的几何尺寸计算 148143.4.3齿轮校核 14254753.5蜗轮蜗杆机构的设计 15152313.5.1蜗轮蜗杆机构的结构特点 15150283.5.2蜗轮蜗杆机构的几何尺寸计算 164298第4章传动机构建模及仿真 1861014.1齿轮建模过程 189644.2装配图装配过程 21169564.2.1组件模式的启动与环境 21146714.2.2装配操作页面 2232306第5章结束语 2425302参考文献 25摘要随着时代的发展，人们对生活品质的要求越来越高，电风扇作为夏天常用的工具，因为其成本低，可以满足降温的需求，依然深受人们的喜爱。本文主要针对电风扇摇头机构进行设计。通过对相关理论进行了广泛的搜索和整理，整合了摇头机构的设计方案，并从中选取最优的方案，本方案采用蜗轮蜗杆、齿轮和四杆机构的传动实现机头的摆动，传动更加平稳准确。本文对各部分结构进行了参数计算，并使用ProE软件进行零件三维图的建模和装配，并完成了运动仿真。关键词：平面摇杆机构；传动比，蜗杆传动；齿轮传动；建模仿真第1章前言1.1电风扇的发展史及发展现状电风扇的发明至今已经有100多年了，在炎热的夏季的电风扇使用非常频繁，但是随着空调的降世，电风扇的使用大大缩减。但由于空调耗电量比较大，而且对于空间使用要求较高，对比电风扇通风效果好，耗电低，应用范围比较广泛，从节能和方便等方面考虑，电风扇仍旧存在很大的市场。香港叫电扇，日本和韩国叫扇子。1830年，一位名叫詹姆斯.拜伦的美国人从时钟的构造中得到灵感，发明了一种可以安装在天花板上的发条带动式的电扇。扇子的旋转所产生的凉爽的微风是一件令人愉快的事情，但是要爬上梯子把它拉上，这是一件非常困难的事情。有一个法国人约瑟夫在1872年发明了一种名叫发条发动机式带动的机械式风扇，它的结构比拜伦的机械风扇要精细得多，而且操作起来也更加方便。1880年，美国人舒乐把叶片直接安装到马达上，插上电，叶片高速旋转，一股股清凉的气息迎面扑来，这就是世界上的第一个电扇。美国埃克发动机与电子公司在1908年的时候开发出了，由齿轮驱动的第一台左右摆动式电扇。这款电扇避免了三百六十度无必要的旋转，从而在未来的销售中占据主导地位。随着科技的发展，电风扇制造的技术也一直在发展。比如美国通用公司开发的声控电扇.该电扇配有一个小型的电子接收机，当你在三公尺外连续拍两下手掌时，它就会自动启动；如果再拍三下，扇子就会停止转动。例如日本三菱公司研发的无噪音电扇，噪音低，配有特殊的鸟翼式叶片，能产生一股旋风，并由直流马达驱动，无需保护，非常适用于电脑、文字处理机、复印机等。例如日本东芝公司的Fuzza微调电扇，它具有强、平、弱等7种不同的风量，能根据感应器测量到的温度、湿度，自动选择最佳的送风方式。一旦触碰到网，就会自动停止旋转。比如美国罗伯逊实业公司研制的防伤型手指电扇，一旦触碰到电扇的外壳，就会发出电脉冲，让电扇停止旋转，从而避免手指受到伤害。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所示是一种常见的台扇外形图，其结构主要由以下部分组成：(1)叶片是由马达带动的，带动气流，产生气流。(2)网罩的主要功能是保护室内的风扇等，并能确保人身的安全，并能引导风向。(3)扇叶是电风扇中最关键的部件，它的大小和形状对电风扇的性能有很大的影响。(4)电机是风机的关键部件，将电力转换成机械能，为风机的运转提供源源不断的能量。(5)摇头机构:该系统主要由减速器和连杆机构组成。连杆机构与减速器相连，马达的轴经蜗轮蜗杆进入减速器，减慢后又由连杆机构转换成扇形摇摆。(6)前后端盖用于固定电机的定子，确保电机的定位精度。前部和后部用螺丝固定，能减少震动和噪音。(7)底座内部为风扇的控制线路，用于完成风机的开合、定时等功能，同时也是风机的支承部件。图1.1台扇1.2.2电风扇的工作原理电扇的工作机理主要是电机主轴的转动通过传动系统传递给叶片轴，从而带动叶片转动，并利用叶片的形状使空气产生高速流动，把从皮肤中排出的汗液排除体外，进而将体温带走，进而起到了降温的作用。为何在电风扇工作后，房间的气温就会上升呢？原因是:如果电风扇还处于工作状态，那么电风扇的线圈就会有电流通过，而由于导线上有电流，因此卧室内的温度没有变低，相反会上升。1.3本设计的主要内容和目的本文主要是对电风扇摇头机构进行设计分析，主要包括以下内容：(1)确定传动方案。(2)选择电机，进行传动比分配，并对各结构零件参数进行设计计算。(3)使用ProE软件进行三维造型、装配和运动仿真。通过本次设计，综合应用了机械设计的专业知识，进一步巩固和加深了所学知识，通过设计计算，ProE等软件的绘图，运用设计手册等进行全面的机械设计基本技能的训练。

第2章电风扇摇头装置的设计2.1电风扇摇头装置设计原则电风扇作为日常使用的工具，应遵循以下设计原则：(1)各构件应尽量简化；(2)摇头应平稳，噪音低；(3)各构件之间的的位置应安排合理；(4)发动机也应该随着摇头器的摆动而晃动；(5)应使整体结构美观；(6)可自动摆动，定时，吹气角度可调节。2.2电风扇摇头装置方案选择普通台扇转速一般在500－1500转/分钟，与挡位有关。台式摇头机构的基本结构是四连杆机构的转动。有很多种不同的设计方法，设计方案如下：1、方案Ⅰ（平面连杆机构1）图2.1平面连杆摇头机构1图2.1所示是电扇摇头机构的一种方案，工作时，连杆BC与蜗轮连接在一起，连架杆（即摇杆）与电机相连，组合成了由蜗轮驱动杆件BC为主动件，绕着点C作旋转运动，电机和叶片来回摇摆的双摇杆机构。该方案的特点是：(1)平面连杆机构，形状简单、制造方便、工作可靠、易润滑、磨损轻、寿命较长、能承受较大载荷；(2)采用蜗轮蜗杆机构，具有大的传动比和紧凑的结构，运行更加稳定，噪音也更小，无其它的辅助装置就可以实现自动锁定。(3)在工作冲程时，可根据需要进行摇动机构的控制。2、方案Ⅱ（平面连杆机构2）图2.2平面连杆摇头机构2如图2.2所示为电扇摇头机构的第二种方案。工作时，电动机旋转，电动机轴上的蜗杆驱动蜗轮，蜗轮与小齿轮装配在一根轴上，然后用小齿轮驱动大齿轮，大齿轮则紧固在连杆2上，这样，连杆2就能围绕D点旋转，并使连杆1、3来回摆动，实现机头的摇动。本方案除了具有上述方案的优点外，还增加了齿轮传动，传动比更大。通过对上述两个方案的对比，最终选择了方案II。

第3章机构的设计3.1铰链四杆机构的设计3.1.1铰链四杆机构的基本类型图3.1铰链四杆机构从图3.1可以看出，四连杆铰链是一种四连杆结构，它是一种由旋转副连接各个部件的头部和尾部的闭合四连杆体系，并将一个部件紧固起来。机架是杆件4，与机架连接的部件1和3被称为连架杆，曲柄在机构中是可以360度旋转的，摇杆可以来回摆动，但是不可以转动，而不能直接连接机架的部件2就是连杆，连杆通常是平面复合移动。根据连架杆是否能够整周回转分为：(1)曲柄摇杆机构:图3.2所示，杆2为曲柄，可绕固定铰链中心A做整圈转动，杆3为摇杆，只能绕固定铰链中心，B做往复摆动，故称此机构为曲柄摇杆机构。该机构可完成整个旋转和往复运动之间的切换。如果把曲柄作为主动部件，那么把整个曲柄的等速（或非等速度）变成了摇杆的非等速度往复摆动。如果摇杆是主动件，那么摇杆的非等速往复运动就变成了曲轴的等速度（或非等速度）全周旋转。图3.2曲柄摇杆机构(2)双曲柄机构：图3.3所示，杆件2和4为曲柄，可以绕着点A和D做整周回转，是双曲柄机构。双曲柄机构是一种特殊的结构形式。在一个平行四边形结构中，两个相对的构件具有相同的长度并且相互平行。它具有以下特征：第一，两个曲柄具有完全一致的运动规则；二是，连杆总是作平动，运动轨迹是一样的，那么，所走的轨迹就是把曲柄作为半径画圆。还有一种比较特殊的，是反向平行四边形机构，特征是：两个相对的杆，它们的长度相同，但却不平行，具有不同的旋转方向和不同的角度速度。图3.3双曲柄机构(3)双摇杆机构：在平面四杆机构中，4个杆，有2个杆是来回摆动的。如果有两个摇杆长度是一样的，那么就是等腰梯形结构。图3.4双摇杆机构双摇杆机构用于电扇摇头装置。3.1.2双摇杆机构的满足条件和极限位置分析按有无曲柄的情况提出：一是机架不与最短杆相邻，就是双摇杆机构。二是如果最短杆与最长杆的总和比其他两杆的总和都大，那么无论采用何杆作为机架，都不会有曲柄，而只有一个双摇杆机构。双摇杆机构应用十分广泛，在机械上有特别的曲柄，如果机构是双摇杆机构，可以从两个方面来完成：(1)每根杆长均符合格拉肖夫准则，最短和最长的杆加起来小于另外两根杆相加之和，令与最短杆相对的那一条杆件为机架，得到的就是双摇杆机构REF_Ref5912\r\h[2]。当摇杆与连杆共线时，就是双摇杆机构的死点位置，也就是图3.5中所示的ABCD和AB1C1D。图3.5双摇杆机构的死点位置(2)如果杆的长度不满足拉肖夫准则，也就是说，最短和最长的杆加起来大于另外两根杆相加之和，那么，不管是哪一种结构，都是一种双摇杆机构。3.1.3四杆位置和尺寸确定图3.6极位夹角0°的两极限位置在给定风扇电动机转速，风扇摆动周期，与的设计要求的情况下，可以看出极位夹角，很小可以看作为0°，看图3.6便知，杆BC与CD在同一条线上，首先让摇杆，再将AB顺时针方向转动100°，得到A1B1，接下来可以确定机架AD的位置，并取。当杆BC与杆CD共线时，其和可以得到：①，当BC与CD共线时，即②，从①②公式得到，圆弧BB1是B点的运动轨迹，是符合格拉肖夫判别公式要求的，BC为最短杆，AD为机架，属于双摇杆机构。图3.7矢量法分析连杆角速度在确定杆件长度后，绘制平面连杆机构的总体位置，见图3.7，这时从理论上可以得到杆AB、BC、CD的速度，已知VB=ωABL3.2电机选择选择电机的转速，计算得出。表3-1电动机选择选用铁心2级数5功率4的电机。3.3传动比的分配已知，所以。经过分配，齿轮的传动比𝐸𝑀𝐵𝐸𝐷𝐸𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛.𝐾𝑆𝐸𝐸3𝐸𝑀𝐵𝐸𝐷𝐸𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛.𝐾𝑆𝐸𝐸3。3.4齿轮机构的设计3.4.1齿轮机构的结构特点与连杆机构比较，齿轮传动机构表现出高副传动精确的优点。齿轮机构是一种利用主动轮齿顺序地拨动驱动轮轮齿来实现运动与动力的一种，它是一种最常用的驱动装置具有结构紧凑，传动平稳，效率高，寿命长，传动可靠，传动比恒定，传动效率高。但是，由于对传动装置的加工和装配精度的要求比较高，所以其造价也比较高。小齿数在17以下，无法达到标准齿轮的相关要求，只能用变位齿轮。这个齿轮是不会改变m、z、a的，只会改变工件和刀具的位置，db、d和齿形这些加工的参数也是不会改变的，但是d上的s、p、ℎa和ℎ3.4.2齿轮机构的几何尺寸计算3.4.3齿轮校核轮齿的弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度校核过程如下：(1)小齿轮传递的扭矩(2)查书REF_Ref5912\n\h[2]表8-8可知最小安全系数SHmin=1，SFmin=1.25，最小安全系数，失效概率低于1/100，电风扇的正常使用寿命为16年，每年夏天时长3个月，设定每天使用12个小时，那么齿轮的工作应力循环次数N1=60nγLn=60×(3)查书表8-5可知使用系数KA=1；齿轮圆周速度ϑ=πd1n160000=0.05m/s,齿轮精度，参考表8-6取10级，按图8-25，动载系数(4)根据齿数与变位系数选择齿形系数YFa1=3.12，YFa2=2.24，重合度ε(5)齿根弯曲疲劳应力：σF1所以齿根弯曲疲劳强度足够。注：以上所用的表跟图都引用于参考文献[2]。3.5蜗轮蜗杆机构的设计3.5.1蜗轮蜗杆机构的结构特点蜗杆传动是由蜗杆与蜗轮组合而成的，该机构是在互相交错的轴上传递运动和动力的。两交错的角度一般是90度，而蜗杆一般是主动件，蜗杆传动经常用作减速器使用。蜗杆传动具有以下特点REF_Ref26234\r\h[12]:由于蜗杆的轮齿是连续不断的螺旋齿，故蜗杆传动平稳，冲击和噪声较小，因啮合时线接触，且具有螺旋机构的特点，故其承载能力强。能以单级传动获得很大的传动比，通常在减速传动中，传动比的范围为在分度机构中传动比可达10000，故结构紧凑。当蜗杆的导程角γ₁小于轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，故常用在起重机械中，起安全保护作用。蜗杆传动与交错轴斜齿轮传动相似，在啮合轮齿间有较大的相对滑动速度，易磨损，易发热，故传动效率低。为了散热和减小磨损，常需采用较昂贵的抗磨材料和良好的润滑装置，故成本高。3.5.2蜗轮蜗杆机构的几何尺寸计算

第4章传动机构建模及仿真4.1齿轮建模过程以齿轮为例，分析建模过程：基础操作，如图4.1和4.2所示图4.1“新建”对话框图4.2“新文件选项”对话框(2)新建一个【草绘】，选择FRONT面为基准平面，单击草绘，首先绘制四个圆，分别是：da、d、db、df，然后在【工具】中选择参数，依次输入α、m、z、ℎa(3)渐开线有两种创建方法，第一种见图4.3、4.4、4.5；第二种在【工具】中选择参数，见图4.6。图4.3曲线菜单管理器图4.4坐标类型“笛卡尔”图4.5方程法画渐开线图4.6参数法生成渐开线(4)添加一个基准点，一个基准轴(RIGHT与TOP)，两个基准平面。选中渐开线，点击【镜像】，点击基准平面，得到了另一条渐开线，在进行两次拉伸，得到一个轮齿，进行一些细节修改，继续选中【阵列】，有88个齿，点击确定就得到了一个齿轮，如图4.3所示。小齿轮运用同样的道理。图4.7齿轮4.2装配图装配过程4.2.1组件模式的启动与环境组件模式的启动与环境如图4.8、4.9所示：图4.8“新建”对话框图4.9组建环境4.2.2装配操作页面(1)首先把底板插入，电机与底板是“销钉”连接，如图4.10所示。图4.10电机与底板装配(2)插入风扇叶片，电机与叶片是“销钉”连接，如图4.11所示。图4.11装入叶片(3)插入蜗杆与蜗轮，蜗杆与电机的约束类型是“对齐”，蜗杆与蜗轮的约束类型是“销钉”如图4.12所示。图4.12装入蜗杆与蜗轮(4)依次插入AD杆、小齿轮和AB杆、大齿轮、BC杆、CD杆，AD杆与电机的约束类型是“对齐”；小齿轮和AB杆与电机的约束类型是“对齐”；大齿轮与小齿轮啮合，与电机的约束类型是“对齐”；BC杆连接大齿轮与小齿轮，约束类型是“对齐”；最后插入CD杆，与AD杆与BC杆相连接，如图4.13所示。图4.13装配图

第5章结束语经过这几个月的设计，以“基于ProE的电风扇摇头机构的仿真设计”为题的电风扇摇头机构的仿真设计已经完结，在这几个月的设计中，我充分找到了我关于专业和基础知识上的不足，通过对电风扇摇头机构的设计，将大学已经学习过的知识再次进行了巩固，每一次新的设计都是对前人设计的不断创新和改造，在老师的帮助下，我对自己的定位更加准确，设计过程的弯路少走了许多，也通过设计对一些软件（例如：ProE、AutoCAD）更加熟练，在完成整个电风扇摇头机构的设计后，获得以下几点结论：(1)选用铰链四杆机构、蜗轮蜗杆机构、齿轮机构实现电风扇摇头。(2)在满足工艺标准和使用要求的前提下，为了使结构简单化，选用了双摇杆机构。为了使结构更加紧凑，选用蜗轮蜗杆机构，为了提高工作效率，选用齿轮机构。(3)在计算过程中，运用了ProE制图软件算法以及运用基础机械公式，对所要设计的机构以及装配图的尺寸设计进行了细致的计算，使得装配图可以完美配合，成功仿真。(4)在进行电风扇摇头机构建模时，运用的ProE三维建模仿真软件，高效率的绘制了传动机构，通过三维图，将所设计的杆件以及蜗杆、齿轮完美的呈现在眼前，提高了设计的准确性以及产品的质量。在设