家用一体式头追吹风机的结构设计

PAGE8家用一体式头追吹风机的结构设计摘要对于普通家庭用户而言，在使用传统手持式吹风机时，较长时间的手持吹风造型，会导致手臂酸痛、造型效果不理想等体验。家用一体式头追吹风机是一种可结合头部追踪技术与传统吹风功能的新型家电，旨在提升吹发效率与用户体验。本文提出了一种紧凑、轻量化的设计方案，集成红外传感器、微型伺服电机和自适应风嘴的结构设计方案，能够实现实时头部运动追踪与风向自动调节。采用耐高温ABS+PC复合材料，并运用人机工程学原理优化手柄握持角度，对两轴摆头机构、升降机构、动力机构等关键模块进行了设计优化。基于传统设计计算方法或有限元法针对齿轮、步进电机、伺服电机、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆等关键零部件进行了选型或强度校核。最终完成的作品能够在提升吹风效率、降低长时间吹发的不良体验，方便用户闲时护发等方面具有显著的优势，以期为智能家用小家电的提供一种可行的产品设计方案。关键词立式吹风机；一体式设计；头部追踪；结构优化DesignofHouseholdIntegratedHeadChasingHairDryerAbstractThehouseholdintegratedhairdryerisanewtypeofhomeappliancethatcombinesintelligenttrackingtechnologywithtraditionalhairblowingfunctions,aimingtoimprovehairblowingefficiencyanduserexperience.Thisarticlefocusesonitsstructuraldesignandproposesacompactandlightweightintegratedsolutionthatintegratesinfraredsensors,microservomotors,andadaptivenozzlestoachievereal-timeheadmotiontrackingandautomaticwinddirectionadjustment.Thestructureadoptshigh-temperatureresistantABS+PCcompositematerialandoptimizesthegripangleofthehandleusingergonomicsprinciples.Theoveralldesignoftheheadchasinghairdryeriscarriedout,andadesignschemeisformulated.Andconductin-depthanalysisofthekeycomponentsoftheheadchasinghairdryer,suchasthetwoaxisswingheadmechanism,liftingmechanism,powermechanism,andothertechnicaldetails.Next,thisarticlewilldesignandverifythestrengthofthekeycomponentsoftheheadchasinghairdryer,includinggears,steppermotors,servomotors,screws,andwormgears.Finally,completethe3Dmodelingoftheentireelectricinjectionmoldingmachine.Thisprovidesafeasiblepathforthestructuralinnovationofsmarthairdryers..KeywordsHeadchasinghairdryer;Integrateddesign;Intelligentsensing;Structuraloptimization目录TOC\o"1-3"\h\u目录 V第1章绪论 11.1 研究背景与意义 11.2 国内外研究现状 11.3 论文研究目的和内容 21.3.1研究目的 21.3.2研究内容 3第2章头追式吹风机的总体方案设计 42.1整体结构设计方案 42.2摆头装置设计 52.3升降机构设计 52.4吹风筒设计 6第3章摆头装置的设计与计算 73.1 步进电机的选型 73.2齿轮的设计与校核 83.2.1齿轮的计算 83.2.2齿轮的有限元分析 93.3轴的设计和校核 113.3.1轴的弯扭合成计算 113.3.2轴的有限元分析 133.3.3轴承选型 143.4本章小结 15第4章升降装置的设计与计算 164.1升降模块结构设计 164.2升降模块的定位 164.3伺服电机的选择 174.4电机的校核 174.5蜗轮蜗杆的设计 184.6滚珠丝杠的设计 194.7垂直升降机构滚珠丝杠副性能研究 224.8本章小结 24第5章升降机构有限元分析 255.1有限元理论的概述 255.2有限元法的分析过程 255.3升降机构有限元模型建立的流程 265.5升降机构有限元模型的前处理 265.6网格质量的控制 275.7计算结果及分析 285.8本章小结 28第6章结论 296.1总结 296.1.1关键设计 296.1.2现存挑战 296.2展望 29致谢 30参考文献 31绪论研究背景与意义伴随着科技飞速发展，智能化浪潮席卷家电领域，吹风机作为个护小家电，不仅体现在产品功能持续优化，消费者需求也在朝多元化与个性化发展。目前，用户注重的不再是产品的实用属性，而是在产品的细枝末节处所感受到的情感属性REF_Ref23795\r\h[1]。传统吹风机在使用时，用户需要手动调整送风角度，以确保吹干头发，但忽略了用户可能因双手拿着其他用品（如毛巾、手机等）而难以调整吹风机位置。因此，设计研发一款能够实现自动优化吹风角度和距离的动态调整的家用一体式头追吹风机是实现人机交互体验、推动家电智能化发展、适应用户需求转变、提升产品竞争力的必然要求。传统吹风机作为普及型家用电器，在基础干发功能上较为成熟，但在用户体验、能效比及智能化等方面仍存在明显不足，主要体现在以下几个方面：1）用户需一手持吹风机，另一手拨动头发，长时间操作易疲劳。2）出风口角度需手动调节，难以均匀覆盖头发不同区域（如后脑勺），导致局部过热或吹干不均。3）传统电阻丝加热方式易造成出风口温度波动（±5℃以上），高温区域可能损伤发质。4）多数产品依赖大功率（1800~2200W）实现快速干发，能源利用率不足60%，长时间使用浪费电力。因此，设计一款可以动态追踪用户头部并自动调节风向的智能头追吹风机是智能小家电领域的发展方向。国内外研究现状吹风机是一种常用的家用电器，用于吹干头发或其他物品。随着人们生活水平的提高，对外观和功能的要求也越来越高。目前市场上的吹风机种类繁多，价格各异，消费者选择的余地大。根据市场调研数据显示，全球吹风机市场规模正在逐年增长，预计未来几年内吹风机市场将依然保持稳步增长的态势。其中，像欧美地区等发达国家，由于人们对外观和功能需求更高，吹风机市场增长较快。目前，吹风机市场竞争较为激烈，主要的竞争者包括飞利浦，松下，Dyson等。国内外知名品牌。而随着科技的不断发展，一些新兴品牌也开始崭露头角，加剧了市场的竞争格局。近年来，人们对吹风机的需求也发生了一些变化，除了满足基本的干发需求外，人们对外观设计，智能功能等方面也提出了更高的要求。例如，一些品牌推出了负离子，负离子干燥等功能，得到了消费者的广泛关注。在市场调研分析中可以看出，未来吹风机市场的发展趋势是多样化，智能化，不仅仅是外观上的创新，更多的是从技术和功能上进行改进。例如，智能控制，电子温控等功能将为市场带来更大的发展空间。对能耗和节能技术，吹风效果优化，静音和噪音控制，头发护理功能，设计和人体工程学，智能化和连接性，环保和可持续性等方面的研究是国内外吹风机研究的一些主要现状和趋势。而国内外在实现立式智能摇头吹风机方面少有研究。吹风机市场具有较大的发展潜力，未来将以多样化，智能化为主要的发展方向。随着技术和功能的不断创新，吹风机市场将迎来更广阔的发展空间，而立式智能摇头吹风机将可以成为其中的一个发展方向。通过市场调研发现，吹风机多数是手持或半手动的，大部分吹风机需要单手手持吹风机，即使不需要手持也需要手动调整吹风方向。结合企业对不同群体消费者的调研结果，大多数长发女性在使用吹风机时占据时间长达10分钟以上，传统吹风机存在使用易疲劳、干发不均匀及能耗高的主要痛点。针对上述问题，本节将从以下四个方面研究国内外研究现状。立式吹风机结构设计国内外对于立式吹风机的研究大致分为两种：一种是将支架与吹风机本体进行一体式设计，吕晶鑫REF_Ref24226\r\h[2]等人于吹风机本体底部设置把手，把手上端通过阻尼连接头与吹风机本体之间转动连接实现上下角度的调整，且将环形灯以及外接口集成到吹风机本体以及底座外侧，闲置时无需单独的将吹风机本体悬挂放置，还可以采用内置蓄电池配合无线充电实现电力补给以及便携使用，但该设计忽略了用户造型需求、身高以及使用环境（站立或坐姿、浴室或盥洗台）差异；权海平REF_Ref24269\r\h[3]则采用设置有均匀分散出风口的聚风罩代替传统吹风机风道与喷嘴，将聚风罩通过活动杆与吹风机本体固定相连，同时吹风机本体的出风口通过导管与聚风罩相连，实现均匀地吹干用户头发，同时将多个万向轮装于底座的边缘下方，便于用户整体调整吹风机左右的偏转角度，但存在占地面积大、单向造型困难和稳定性（由于加装万向轮）难以保证的缺点。俞建华等人[4]通过在吹风机支撑立杆上连接转动机构，使吹风机本体在水平方向上可以转动，在竖直方向则采用铰接手动调整角度，一定程度上解决了用户姿态对吹风效果的影响。第二种则是采用分离式设计，以利于发挥吹风机本体和吹风机支架各自的技术优势，杜宇萌REF_Ref24390\r\h[5]通过置于底座的伸缩杆来控制吹风机支架的尺寸，极大程度上减少了储物空间，同时在伸缩杆的顶部安装旋转轴承，旋转轴承一侧设置连接杆，连接杆的末端又装有能够上下左右摆动的支架头，既能灵活摆放，又轻巧方便。陈锡鸿REF_Ref24429\r\h[6]等人则采用壁挂式设计，从支架使用寿命角度出发，在转动枢纽处采用弹性阻尼旋转组件连接从而克服弹性摩擦阻尼阻力以实现转动的稳定性，这与美国的WilliamC.Smith""\t":8118/patent/_blank"WilliamC.SmithREF_Ref24478\r\h[7]利用一对圆形支撑柔性构件实现角度调整的想法有异曲同工之妙。风道优化设计对风道进行优化能够提高送风效率、减少气流噪声，这对增强用户体验、满足多场合下使用需求有着重要意义。其中，流速与湍流强度的大小是风道优化的重点REF_Ref24530\r\h[8]。从导风叶片的布置角度出发，梁仕林REF_Ref24589\r\h[9]团队率先将导风叶片的侧面与出风口的出风方向呈锐角设置，使入风口处的湍动能有效减少、出风口的出风方向发散，不仅实现了静音设计，同时扩大了送风面积，效率大大提高。姜晨龙REF_Ref24641\r\h[10]在大量的模拟实验中得出叶片安装角对风机性能有着显著影响，当叶片数为9，叶片安装角63.5°时为最优。在考虑连通风腔的结构设计上，蒋思琪REF_Ref24700\r\h[11]与梁仕林都将风腔分隔为第一子区和第二子区，使空气形成循环紊流，与加热模组进行至少两次的热交换，提高了加热与散热效率，并在两个子区下方设置挡板，实现烘吹两用。LAUCHET,Nicolas""\t":8118/patent/_blank"LAUCHET,NicolasREF_Ref24729\r\h[12]则设计了一套能够将外部空气从风腔上游输送到下游出风口的空气循环系统，有效消除了空气湍流。在可拆卸风机喷嘴外形设计上，李敏REF_Ref24768\r\h[13]等人在喷嘴的第一风道设计一呈锥形的收束面，并使第二风道的出口端宽度大于第一风道的入口端宽度，气流便能更好地从末端出口吹出，便于用户造型;除此之外，MATSUNAGA,NAKAHIRO""\t":8118/patent/_blank"MATSUNAGA,NAKAHIROREF_Ref24801\r\h[14]团队将负离子发生器与具有导流构件的负离子发生器有机结合，能够在短时间内喷出大量阴极离子，有效消除发丝静电。电动机相比传统的有刷直流电机，采用无刷直流电机将使得高速吹风机在原理、性能上与传统吹风机差异明显，如更小噪声、更多档位、更多保护、精准控温等REF_Ref24850\r\h[15]。现市面上大多数吹风机品牌都已淘汰有刷直流电机而采用无刷直流电机，而如戴森、徕芬、飞科、康夫等都已经采用无刷直流电机。王雪莲REF_Ref24879\r\h[16]等人设计的一款基于涡扇电动机的吹风机，通过涡扇发动机的输出轴传动连接于涡轮风扇提供动力，并于外壳外壁设有输水管，配合电热丝与涡扇工作产生的热能进行雾化，有利于防止用户头发干枯分叉。头位跟踪技术头位跟踪技术已广泛应用于军事、监控、勘探等多行业，将头位跟踪与家用吹风机相结合能够实现吹风角度的精准调整，从而确保送风温度的精准把控，真正迈入人机交互的智能化家居时代REF_Ref25082\r\h[17]。现头位跟踪技术可通过超声波测量法、光电法（CCD、红外扫描法）、头部图像跟踪法、眼踪法（瞳孔—眼珠反射法）REF_Ref24951\r\h[18]来实现。其中，视觉跟踪技术已然成为一个热点，多数产品在相关行业得到了应用，各种研究成果更是相继见诸于相关刊物，并获得了广泛的重视。通过机器视觉来获取被跟踪目标的运动轨迹、位置等信息是目标跟踪技术的主要任务。论文研究目的和内容1.3.1研究目的针对传统手持吹风机操作不便、长时间使用易疲劳等问题，本研究旨在开发一种基于头戴追踪技术的智能吹风系统，实现解放双手、智能定向送风的吹发体验。1.3.2研究内容论文的主要研究内容为：对头追式吹风机的研究及市场需求进行了分析，并对国内外追踪技术的研究现状进行了探讨，确定设计方案并选定可行的技术路线。确定吹风机横向摆动角度、纵向摆动角度、升降行程、和风速的实现途径，经过理论计算并对关键零部件进行校核。通过SolidWorks软件对各装置进行绘制，并在各装置中完成标准件选型的步进电机、伺服电机等来驱动动力装置。头追式吹风机的总体方案设计在相关设计的参考下，本章以步进电机、伺服电机和升降机构作为设计主干，通过简便又高效的驱动结构的实现头追等各种动作。其中，伺服马达自如地进行转速调节，使升降机构稳定性得到有效提高。通过伺服马达驱动的蜗轮蜗杆来执行升降机构，然后通过滚珠丝杠带动吹风机的升降。滚珠丝杠具有很高的定位精度和配合数码传感的精确控制，从而达到滚珠丝杠位置的极高精度，使得容易达到高精度的目的。2.1整体结构设计方案为了高精度的控制头追式吹风机的摆动，选择步进电机带动小齿轮的方式进行传动。步进电机可以快速的启停和相应，配合视觉传感器以及算法控制可以保证快速高效的定位。齿轮可以稳定的进行功率传递：可传递数瓦至数万千瓦的功率。具有精确的速比与同步性齿轮啮合无滑动，速比严格由齿数比决定，确保输入/输出转速同步。这点可以确保吹风机摆动的精确控制。结构紧凑，承载能力强，在相同体积下，齿轮可传递的扭矩远高于带传动或链传动。抗冲击载荷：金属齿轮可承受重载和频繁启停。并且还具有长寿命与可靠性和润滑，可满足吹风机长时间工作和频繁的摆动的工况。整体结构思路如图2-1所示。图2-1整体结构图一般采用旋转伺服马达带动蜗轮蜗杆驱动滚珠丝杠旋转带动升降机构进行升降，并配合其内部的位置传感器，来精确的实现吹风机升降部分的准确升降。这种传动模式，能够充分满足大多数高精度升降作业的需求。蜗轮蜗杆机构的结构紧凑，单级传动即可实现较大的传动比（通常5~100，甚至更高），无需多级齿轮组合。并且具有自锁性，当蜗杆导程角小于摩擦角时，机构只能由蜗杆驱动蜗轮，反向无法驱动（可以有效防止升降机构负载下滑）。并且运行平稳低噪声，振动和噪音远小于齿轮传动，适合安静环境。蜗轮通常采用耐磨材料（如青铜），与钢制蜗杆配合，接触面积大，能承受较高载荷。在突发过载时，蜗轮蜗杆间可能打滑，避免其他部件损坏（需权衡效率与安全性）。所以选择蜗轮蜗杆作为驱动传动。2.2摆头装置设计摆头机构组合了步进电机、齿轮传动机构、轴承，齿轮轴等部件。马达被稳固地安装在吹风机外壳上，而齿轮轴则通过键槽与马达的输出轴相接。齿轮轴外侧套两个轴承，再通过轴承座和螺栓将轴承固定在外壳上。在摆头过程中，马达的输出轴旋转，带动齿轮转动，最后通过轴与键槽将动力传递到吹风筒上，从而实现头追式吹风机的两轴摆动。其结构如图2-2所示：图2-2摆头装置设计思路2.3升降机构设计至于升降机构则是由伺服电机、底座、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠等装置所组成。伺服电机和底座通过螺栓保持固定连接，同时在吹风机底座固定蜗轮装置。蜗轮装置嵌入到底座装置，传动轴通过螺纹连接升降部分。在升降过程中，伺服电机作为动力源，将动力通过蜗轮蜗杆传递到滚珠丝杠轴上，并且是实现水平旋转转换到垂直旋转，并且可以实现机械自锁，防止升降过程受力下降，精确地实现头追式吹风机的升降。图2-3升降装置设计思路2.4吹风筒设计为满足智能高效的需求，吹风筒的设计应满足高风速，快升温，低噪声，多功能等要求。在吹风筒后端为高速无刷电机，转速可达10万~11万转/分钟，通过高转速直接驱动风叶，省去传统传动结构，减少能量损耗和噪音。气流通道的设计，进风口：位于风筒后部，采用蜂窝状网格防止头发吸入。出风口：采用椭圆形喷口，搭配导流风嘴（可拆卸），集中气流。风叶：采用航空级叶轮设计，优化气流路径，提升风速。加热元件与温控，加热丝：位于风筒中部，镍铬合金材质，配合陶瓷或玻璃珠隔热。附加功能模块，负离子发生器：位于出风口附近，释放负离子中和头发静电。智能感应：自动测量人体头部与吹风筒的距离，实时跟踪。图2-4吹风筒设计思路第3章摆头装置的设计与计算步进电机的选型头追式吹风装置采用电机驱动实现摆动功能。该系统的核心在于对出风口部位进行精准的角度调节，在改变方向的过程中必须确保动作流畅。以维持图像采集设备的稳定工作状态。基于此需求，最终选定步进电机作为该摆动机构的核心驱动部件。步进电机在工业自动化和高精度运动控制领域具有重要应用价值。其核心优势体现在五个方面：1)具备出色的定位精度特性，能够完美适配头部追踪系统的技术要求。2）采用数字化脉冲信号即可实现精准调控，无需额外配置复杂的编码器组件或闭环反馈系统。3）良好的启动、停止和反转响应。4）宽广的速度调节范围。5）在低速时仍保持较高的扭矩。上述有点保证了作品功能的实现。电机转速为：n=ω电机转速约为3r/min。要达成每分钟3转的转速目标，关键在于精确调控脉冲发生器的输出频率。该频率需与电机固有步距角及目标转速保持协调。已知步距角1.8°，电机需完成200个步进动作才能旋转完整一周（360°）。当设定转速为3转/分钟时，经计算得出每分钟需执行600个步进动作，将此数值换算为秒级单位后，可确定所需的脉冲频率应为每秒10个步进信号。步进电机经齿轮组驱动摆头机构，初始齿轮速比设定为1:1.5。根据已知条件，头部负载质量m=3kg，考虑安全系数1.2的情况下，经换算得出电机轴端需提供的理论扭矩值为：T=mg最终得到步进电机所需输出扭矩约为6.5N·m。最终选择电机型号为86BYG250D。其具体参数如表3.1所示。表3-186BYG250D电机参数步距角(°)保持转矩(N·m)驱动电压(V)额定电流(A)径向跳动(mm)轴向跳动(mm)重量(kg)1.88605.8<0.02<0.084.83.2齿轮的设计与校核3.2.1齿轮的计算依据电动机标定转速与最终输出转速的对应关系。初步确定齿轮传动装置的速比参数为i=在摆头机构中，齿轮系统不仅承担动力传输任务，更关键的作用是实现方向转换。由于安装空间完全位于机构内部，设计过程中必须严格控制其外形尺寸。针对实际工作条件，最终确定采用8级精度的直齿圆柱齿轮。并选用软齿面结构方案。主动轮选用40Cr合金钢材料，经过调质热处理后硬度达到280HBS。从动轮采用45号钢制造，调质处理后齿面硬度控制在220HBS水平。首先确定小齿轮的齿数参数，再依据传动比计算公式确定大齿轮齿数。确保最终传动比偏差不超过3%的允许范围。按齿面接触疲劳强度设计计算：初定主动齿轮分度圆直径为：d1≥195.1式中：K——计算载荷系数。依据轴承配置形式与载荷冲击特性，选取系数K值为1.8。结合齿轮材质及热处理工艺，确定驱动齿轮的接触疲劳强度极限限σHliml=600MPa。同时得出从动齿轮的接触疲劳强度极限分别计算接触疲劳许用应力：σ许用接触应力应取小值为σH根据公式（3-4）计算小齿轮的分度圆直径d1其中：齿数比μ=按齿根弯曲疲劳强度设计计算：m≥3.2K计算当量齿数并查取齿形系数，计算得齿形系数为：YF依据齿轮材质及热处理工艺。可得出小齿轮的弯曲疲劳强度极限值为：σFlim1=280MPa。计算弯曲疲劳许用应力：σF根据YFYF比值越大，说明齿轮强度越低，因此，大齿轮数值大，代入公式（3-5）计算齿模数：m≥3.2由计算结果取标准模数，m=1.5mm，则重新计算配对齿轮齿数：z1=d1t2.5Z2=Z1×μ3.2.2齿轮的有限元分析1.双齿轮几何模型的建立对齿轮传动系统轮系建模结束后．保存成step格式文件，在AnsysWorkbench仿真平台的StaticStructural组件中启动计算流程。构建数值模拟所需的有限元模型。完成各部件材料参数设置，网格离散化处理。边界条件施加等预处理工作后，执行求解运算。首先，在建模软件SW中利用模型干涉功能对装配好的模型进行干涉检查，以保证装配后的模型各连接处无缝隙。通过SW软件与ANSYS的无缝嵌套接口将模型直接导入ANSYS中的DesignModeler板块，利用DM板块中具有较全面的兼容数据接口，强大的模型处理以及修补能力对装配图进行处理和修补，然后在ANSYS中直接对模型进行有限元分析。其次，在齿轮齿条几何模型的离散化处理环节。离散单元的质量直接决定了有限元仿真结果的可靠性。为确保计算结果的精确性，必须对离散单元质量实施严格把控。但需注意的是，追求过高的离散精度将显著提升计算难度。同时对硬件设备的性能需求也会相应提高。本研究采用渐进式加载策略，运用贴体网格生成技术。在考虑大变形效应的前提下，将传动系统各级齿轮模型离散为四面体单元。具体参数设置方面，基础单元尺寸定为10毫米。针对齿轮啮合区域实施局部加密处理，将接触区域的单元尺寸缩减至1毫米。图3-1展示了经过上述处理后的离散化模型效果。图3-1齿轮有限元模型在齿轮传动系统的各级轮系中，将主动轮设定为接触几何主体。主从动齿轮啮合的工作齿面作为接触区域进行参数配置。接触副属性界面中，选取摩擦接触类型。将摩擦系数调整为0.15，法向刚度系数设为1。刚度更新方式指定为迭代更新，其他参数保持默认设置。齿轮传动系统各级轮系的接触副配置情况详见图示。最终仿真结果显示在图3-2中，测得最大形变量为0.058毫米，峰值应力达到278兆帕。完全符合实际工况的技术指标要求。。图3-2齿轮接触有限元分析结果3.3轴的设计和校核3.3.1轴的弯扭合成计算首先，按扭转强度条件，初步估计轴径：d0其中：材料系数A0计算功率P转速n=161.857r/min。代入公式（3-6）计算可得：d由于轴上设有键槽，所以轴径适当放大：d≥(1+0.07)d0最后，根据弯扭合成强度进行强度校核：绘制出轴的受力简图轴所受的载荷分别由吹风筒的重力和下摆的扭矩以及直齿轮的力传递给轴，并由中间的轴承来承受，两个轴承为紧密安装可视为一个轴承。因此，根据结构尺寸，做出其受力简图如图3-3所示：图3-3轴的受力简图水平面受力分析轴系构件在运转时会呈现三维受力特征。为此需依据载荷作用方向将其分解为水平与垂直两个基准平面分别开展力学计算与承载能力验证。第一步需要确定水平支承反力，并绘制该平面的弯矩分布曲线，具体结果参见图示3-4。图3-4水平面的支反力根据力矩平衡，对B点取矩。有MF(B)=0：求得根据上面的计算结果，画出水平面的弯矩图。如图3-5所示。图3-5轴的弯矩示意图②求垂直面内的支反力。其受力分析图如图3-6所示。图3-6垂直面支反力图根据力矩平衡关系，对B点取矩。有MF(B)=0;其中：MA=F0F0为吹风筒重力，d为吹风筒长度。对C点求矩，有MF(C)=0：FAt⋅lAB+图3-7垂直面支反力弯矩图③做合成弯矩图，图3-5和图3-7分合成弯图。图3-8合成弯矩图④校核危险截面综上分析，B点所在截面，由于弯矩最大，为计算危险截面：M其中，由于扭转切应力为静应力，T=则弯曲应力为：σ计算σCa3.3.2轴的有限元分析依据设计参数构建传动轴的三维几何模型，将该零件文件转换为x_t格式后导入ANSYS分析系统。在前处理阶段，首先定义材料属性为钢材，随后完成网格离散化处理。分别在两齿轮分度圆齿宽中心位置对应的有限元节点处施加啮合载荷，这些节点与直齿轮齿宽中点精确对应。同时，在相应位置设置约束条件。通过数值模拟分析，获取了该载荷工况下传动轴的变形特征与应力场分布，详见图3-9所示。分析数据表明，轴体承受的最大应力值为0.57兆帕，最大变形量为毫米量级。这些计算结果显著低于材料的许用应力阈值，完全满足传动轴在正常工作状态下的强度与刚度要求。图3-9变形云图3.3.3轴承选型选用GB6302型深沟球轴承进行轴系安装，该型号轴承具备多项显著特性：首先其构造设计简洁高效，其次能够同时承担径向载荷与部分轴向载荷，此外还具有传动精确度优异、旋转阻力矩较低等优势。GB6302深沟球轴承具体参数如表3-2所示。表3-2GB6302深沟球轴承参数D1(mm)D2(mm)B(mm)r(mm)额定动载荷(N)额定静载荷(N)许用转速(rpm)重量(kg)1542130.2112005100180000.073 设定轴承的设计寿命为2万小时，为确保其性能达标，需进行承载能力验证。滚动轴承等效动态载荷P的表达式如下：P=XR+YA(3-7)其中：X—径向动载荷系数。Y—轴向动载荷系数。 设定轴承的设计寿命为2万小时，为确保其性能达标，需进行承载能力验证。滚动轴承等效动态载荷P的表达式如下：P=f参照机械设计规范，fp取值为1。轴承额定动态载荷的公式为：C=Pft其中：ft—温度系数，取值1。Lh'—预期寿命。ε—寿命指数，取值3。 经计算得出轴承实际动态载荷约7.75N，显著低于该型号轴承1920N的额定承载值，故选用GB6302型轴承完全满足使用需求。3.4本章小结为了响应多角度准确追踪和实时定位，本章设计了B、C两轴可同时摆动的摆头装置。并且对摆头装置的驱动电机进行选型，可实现摆头过程的快速响应和低噪声。摆头装置对传动精度的要求非常高，本设计选择一级齿轮传动的方式。首先分别对大小齿轮进行设计，并对齿轮进行校核计算，使齿轮在尽可能小型化的同时，满足传动需求。同时轴的设计也至关重要，本文先预估传动轴的直径，紧接着对轴整体进行设计，并使用有限元仿真的方式对轴进行校核验证，发现轴的变形和应力可以满足设计需求，最后完成轴承的选型。第4章升降装置的设计与计算4.1升降模块结构设计升降装置的整体构造如图4-1所示，其动力系统由单一电机提供，通过蜗轮蜗杆传动机构实现双套筒升降功能。该装置主要由动力电机、传动联轴器、蜗轮蜗杆升降轴、内外套筒、基座平台以及顶部云台等部件组成。特别在套筒外壁设置了导向键槽，与两套伸缩导向套筒配合使用，显著增强了升降过程的平稳性。设计方案选用具有自锁特性的蜗轮蜗杆传动（即蜗杆可驱动蜗轮旋转，但蜗轮无法反向带动蜗杆），在常规运行状态下，借助蜗轮蜗杆的自锁特性，能够有效阻止滚珠丝杠的转动，此时蜗轮蜗杆机构相当于一个滚珠丝杠的锁紧装置。升降装置的核心工作原理如下：动力源由电动机提供，经由传动轴与蜗杆组件驱动蜗轮旋转；蜗轮通过键连接方式与精密丝杠形成刚性配合，其底部与支撑基座紧固，丝杠的旋转运动转化为平台的垂直位移；伸缩机构采用双重套筒设计，各层套筒间通过耐磨衬套实现滑动配合，并配置防脱挡圈确保安全，主套筒上端与基座相连，末端套筒直接固定工作平台，整套伸缩组件可实现同步展开或收缩运动。图4-1升降机构结构设计4.2升降模块的定位升降行程控制在1米范围内，伺服电机虽然具备较高的定位精度.但头追式吹风机在垂直运动过程中仍存在定位偏差风险。鉴于该设备对升降位置有严格要求，必须确保其能准确到达预定位置，本方案特别引入了距离测量装置进行实时位置反馈。在现有技术中，常用的距离检测设备包括红外传感装置、激光测距仪和超声波探测器等多种类型。经过对升降行程特性和设备工作环境的综合评估，最终确定采用基于激光测距原理的检测方案。该技术通过发射激光束并测量其反射时间差来计算实际距离，具有响应迅速、测量精确等显著优势。本系统采用的GLS-C2型激光传感器（技术参数详见表4-1）被安装在升降平台底部，即升降基座的上方位置，专门用于实时跟踪和记录吹风机的升降位移数据。表4-1激光测距传感器参数型号测量范围（m）测量精度（mm）分辨率（mm）测量时间（ms）GLS-C20.02-20.50.11004.3伺服电机的选择考虑到实际测量工作的精确度和控制方式，最终选用伺服交流电机作为升降机构的动力源。伺服交流电机可对控制工件的行走方式实现可逆运动，正是升降工作所需。伺服电机所需的最大功率，即负载加速功率计算公示如下P=2πN602⋅J其中，N为蜗杆的转速，取值115.38r/min。J为蜗杆的转动惯量，取值0.984kg·m2。t1蜗杆4.4电机的校核匀速状态下扭矩的校核在验证匀速运动状态下的扭矩时，关键在于先估算蜗轮蜗杆组件的传动效能。同时，在安装的过程中，不可避免地需要进行预紧处理。即便在无轴向载荷的情况下，为了确保能够顺畅地连续转动，也必须施加一定程度的扭矩。蜗轮蜗杆副的机械效率为：η=tanαtanα+β=1−μtanα式中：η——蜗轮蜗杆副的机械效率。α——导程角。β——摩擦角。μ——摩擦系数，该蜗轮蜗杆摩擦系数选取0.006由此可得机械效率为：η=1−0.006×0.0521+0.006/0.052=0.9由此可得匀速状态下电机所需的扭矩Ta为：Ta=Tη小于电机额定扭矩50N∙m此外，暂时选定电机后，应先检视有效扭矩值，也应留意过载特性的加速时间常数及检视。重复起动和停止时，电动机的过热容许值也要保证有足够的余量。4.5蜗轮蜗杆的设计表4-2蜗轮蜗杆参数表值2.4蜗杆头数z11蜗轮齿数z22732蜗轮变位系数x2ADDINCNKISM.UserStyleσH=14783d2Kd将T2、d2、K的值代入式（4-5）计算可得σH=128.8MPaσF=2000T式中：d1′为蜗杆节圆直径d2′Y2为蜗轮齿形系数。取Y2=0.455。将d1′、d2′、Y2、T2、m、Y的值代入式（44.6滚珠丝杠的设计在垂直运动系统中，升降装置通过蜗轮蜗杆机构驱动，其中精密滚珠丝杠的螺母与垂直升降台刚性连接，二者的协同运作能够实现工作台在Z轴方向的多位置精确定位。这种高效传动机构主要由丝杠主轴、配套螺母、精密钢珠及循环回路四大核心组件组成。其独特之处在于钢珠被精密排列于丝杠与螺母之间形成滚动接触，为获得连续运转特性，必须借助循环装置构成闭合回路。该机构巧妙地将丝杠的旋转运动与螺母的直线位移进行双向转换，实现动力传递与运动形式的转变。根据实际应用场景需求，最终确定采用管道式循环结构的滚动体设计方案，同时选定双端固定支撑的丝杠轴装配工艺。鉴于该工作环境下存在定位精度波动较大的特点，经过综合评估后决定选用R型搬运专用滚珠丝杠作为最终解决方案。确定导程PaPa≥V选择导程大于8mm的丝杠轴。丝杠轴长度：丝杠轴的总尺寸由有效工作行程段、螺母装配区域以及两端余量部分共同决定，通过将各分段参数代入计算公式可得出最终长度值L₀:L₀推荐L₀/d≤70。因此，丝杠轴外径为d≥23mm。根据生产要求及控制物料的最大重量要求，确定出升降丝杠螺母的型号为RNFBL2806A2.5S,其技术参数如表4-3所示。表4-3RNFBL2806A2.5S型滚珠丝杠及螺母技术参数丝杠轴外径d(mm)法兰直径A(mm)导程Pa(mm)滚珠直径Dp(mm)有效圈数(圈数*列数)丝杠轴底径d,(mm)额定动负载Ca(N)滚珠节圆直径dm(mm)额定静负载Coa(N)螺母外径D(mm)轴向刚度Kn(N/μm-¹)法兰厚度B(mm)基本安全性的确认丝杠竖直安装时，匀加速上升状态为负载最大值。轴向载荷许可范围在分析轴向载荷前，需预先测算运动状态下的作用力强度，将加速阶段、恒速运行及减速过程中的力学参数依据公式(4-9)、(4-10)、(4-11)、(4-12)计算。a=v60t=10mmFMax=mg+maFMean=mgFMin=ma最小直径drdr≥P计算极限压曲负载P:P=mdr计算极限负载p0P0=C2)极限转速在高速运转状态下，若设备其他部件的固有频率与丝杠轴接近，将显著削弱其负载承受性能。为确保滚珠运行时的可靠度，必须符合临界转速dr值的特定要求。dr≥n⋅危险速度的计算：ne=fd寿命根据实际工作情况，建立丝杠轴负载表，如表4-4所示。表4-4丝杠负载情况运转条件轴向负荷(N)平均转速(r/min)使用时间(S)启动2326.62255000.5保持2451.6225100010停止2576.62255000.5平均负载FmFm=F平均转速NmNm=nCa=60式中：Fmfw疲劳寿命计算Lt:L=CaLt=L式中：L——额定疲劳寿命(rev)。Le——寿命时间(h)Ls——运行距离寿命(km)Ca——基本额定动负载(N)。Fa——轴向负载(N)。n——转速(r/min)。L——导程(mm)。4.7垂直升降机构滚珠丝杠副性能研究针对垂直方向承受重载的滚珠丝杠传动系统，在负载上升阶段，考虑到驱动电机存在瞬时变速过程，现对该工况下丝杠螺母副的运动特性进行建模分析。滚珠丝杠传动组件中的钢球与丝杠滚道、螺母滚道均呈现点接触形态，这属于典型的非线性接触力学问题。滚珠丝杠传动性能的评估，关键在于分析钢球与滚道间的相互作用特性，这是研究传动性能的核心途径。滚动体作为丝杠与螺母间载荷传递的中间介质，当承受轴向力时，滚动体与丝杠、螺母滚道的接触区域会产生弹性形变。基于赫兹接触理论，在特定假设前提下，可推导出接触区域的应力分布与变形量。具体假设条件包括：丝杠与钢球相互作用时仅发生弹性变形，符合线弹性本构关系；丝杠与钢球接触表面理想光滑无摩擦。以滚珠丝杠传动副中的丝杠为研究对象。当系统处于无外部载荷状态时，钢球与滚道之间的相互作用仅由预紧单元产生的初始应力维持，此时二者的接触形态表现为单点对单点的接触模式，接触部位仅会出现极其微小的形变。一旦螺母受到轴向载荷Fa的作用，如图(5-1)a所展示的力学关系，这种接触状态会在钢球表面形成Pn方向的接触力，其中α代表压力角参数，γ则表示丝杠轴线的螺旋上升角度。当滚动体受到Q方向的外力作用时，原本的点状接触区域会逐渐演变为面状接触，此时零件接触面的曲率特性发生改变，引发弹性形变现象，其应力场分布呈现出典型的半椭圆形态特征。椭圆接触应力的最大值σmax、接触椭圆的长半轴2a与短半轴2b及接触变形值δσmax=3Qa=mab=mbδQ=2K式中：Q——法向压力(N)。σmax——最大接触应力(Pa)ma——接触椭圆长半轴系数mb——接触椭圆短半轴系数δQ——接触变形(mm)p——曲率半径(mm−1E'——当量弹性模量(GPa)。K(e)——第一类完全椭圆积分e——椭圆离心率(0,1)。假设滚珠受力均等，工作轴向载荷Fa与滚珠所承受的法向载荷Q的关系为：Fa=zn∙Qsinacosλ法向载荷Q的计算公式为：Q=FaznSina⋅cosλFa=Zn式中：Zn——工作滚珠数量a——接触角。λ——丝杠的螺旋升角。曲率和Σp的表达式为Σp=P11+P曲率的计算公式如下：ρ11=ρ12ρ21=−1Rρ22=2cosa⋅cosλD式中：Db——滚珠直径R——滚道直径。D0——公称直径β——接触角。λ—螺旋升角。当量弹性模量E'的表达式为：E​'=2×1−式中：E₁,E₂——两接触物体的弹性模量(GPa);H₁,μ₂——两接触物体的泊松比。在轴向作用力Fa与接触压力Q的关联性分析中，通过给定公式可确定单个接触点的压力分布Q。基于此计算结果，进一步推导出接触区域椭圆的长轴a、短轴b以及接触变形量δg等关键参数。求解出接触面的最大应力值σMax,代入相关数据计算得4.8本章小结由于室内储藏空间的局限性和不同人群的身高可能存在差异化。考虑提高设计的兼容性和普适性，故在头追式吹风机的底座上设计一套升降装置。本章对升降装置的结构进行设计，选用蜗轮蜗杆作为传动机构设计，将电机的动力传递给滚珠丝杠，滚珠丝杠再带动整体进行升降。并且对伺服电机进行选择和校核，以及对蜗轮蜗杆，滚珠丝杠进行设计和校核，最终得出所设计的升降装置可满足要求。

第5章升降机构有限元分析5.1有限元理论的概述有限元分析技术是解决工程领域复杂问题的数值模拟手段。该方法针对连续介质（包括固体材料、流体介质及气体物质）采用离散化处理策略。将研究对象划分为若干相互关联的单元网格。这些离散单元通过特定节点建立联系，从而将连续介质的整体求解问题转化为单元层面的局部计算。通过整合各单元计算结果，最终可获得整个连续介质的宏观特性。由于连续介质内部物理场的精确描述存在困难，研究者采用近似处理方案。在保持整体特性的前提下引入逼近函数。这些数学函数通过节点参数与单元连接关系建立联系，能够渐进式地逼近真实物理场分布。当研究目标为原始连续介质时，问题的核心转化为节点参数的确定。一旦获取节点数值，即可基于近似函数关系推导出介质内部场的完整分布规律。5.2有限元法的分析过程图5-1有限元法的分析过程升降机整体架构的刚度控制方程建立在两个核心准则之上：首先，各相邻组件在共享连接点处必须保持位移协调性；其次，节点作用力与外部载荷需达成力学平衡。具体实施过程分为两个关键环节：运用适当方法将各分体单元的刚度特性整合为系统整体刚度矩阵[K]，同时将分散的单元节点载荷归并为结构总载荷向量{P}。最终通过矩阵运算获得控制方程，其表达式为：[K]×{∆}={P}（5-1）在分析结构受力状态时，通常从变形量着手更为便捷。利用变形量与内力的数学关联性，将求得的变形结果代入相应公式就能得到整个物体的应力分布。当前主流的数值模拟工具都能以彩色图谱方式直观呈现应力场，操作者还能自定义色阶范围等可视化参数来满足特定需求。5.3升降机构有限元模型建立的流程在构建升降机构有限元模型的过程中，通过合理组合不同软件的优势特点，能够显著提升工作效能。例如，在创建升降机构的三维模型阶段，相较于ANSYSWorkbench内置的DesignModeler组件，采用SolidWorks作为建模工具更为便捷高效。同时，SolidWorks平台建立的模型更便于后续转化为生产所需的工程图纸。本文根据前文所预定的设计方案，在SolidWorks中进行了升降机构零件与装配体的CAD建模，之后通过ANSYSWorkbench中的第三方导入接口，将所建立的几何模型导入ANSYSWorkbench中进行后续操作，而在模型的导入时存在两软件之间数据交互标准的问题，既ANSYSWorkbench仿真分析的第三方导入接口在识别不同标准的CAD模型时，将产生一定的数据偏差，这对后续的分析结果将产生一定的影响。如图5-2既表示在Geometry中已成功导入模型。图5-2采用parasolid格式导入分析模块5.4升降机构有限元模型的前处理在三维建模过程中，由于构件在长宽高三个方向上的尺寸相近，因此选用立体单元进行离散化处理。初始接触阶段，两个相互作用的物体处于静摩擦状态；当外部载荷增加到足以引发相对位移时，则依据F=μΝ公式计算动摩擦力。考虑到基座与两侧支柱是由型钢和钢板焊接而成的组合件，为兼顾计算精度与运算速度，最终对基座部分采用智能网格划分技术，并将关联度参数调整为精细级别。实施网格划分的主要目标是为了在后续装配体模态分析中，准确评估整体结构是否会产生与高速搅拌主轴的共振效应。下图展示了经过离散处理的模型，共计形成480081个离散点和181052个计算单元。图5-3底座网格的划分5.5网格质量的控制在分析升降机构各部件时，针对精度需求特别关注了托架、提升座及安装座的网格划分质量。评估过程中选用倾斜度[Skewness]作为主要衡量指标，将最大允许值设定为0.8。该参数作为网格质量的重要评判依据，其计算公式表述为：偏斜率=（理想单元尺寸-实际单元尺寸）/理想单元尺寸借助网格划分软件生成的Skewness分布图可以观察到，托架、提升座和安装座经过网格划分后主要形成tet10、Hex20、Wed15和Pyr13四种单元类型。虽然检测到个别网格的Skeness值达到0.95峰值，但绝大多数网格的Skeness数值均控制在0.8以下，完全符合既定的网格质量标准。图5-4Skewness图表5.6计算结果及分析基于具体设备的约束条件，施加对应的荷载参数，将数据输入计算程序执行数值模拟运算，经过系统处理后获得如下解析结论：1、升降机构的应力、位移云图，由下图所示：图5-5升降机构变形云图由图5-10可看出最大变形发生在升降机构转角接缝处，最大位移为0.0034345mm,。综合考虑可知局部应力集中等因素造成了局部变形的集中。图5-6升降机构应力云图5.7本章小结本章基于ANSYS仿真平台，系统阐述了优化设计的基本原理与实施流程，为升降机构优化过程中数学模型的构建及变量筛选奠定了技术基础。针对该机构特性，采用参数化有限元分析方法，结合实体单元与壳单元混合建模策略，建立了精确的有限元模型。在施加必要边界条件与载荷工况后完成数值求解，重点考察极限工况下的应力集中现象与结构变形特征。分析结果表明，该升降机构在刚度性能与承载能力方面均满足设计要求。第6章结论本文设计的头追式吹风机经过查阅相关资料，以及对吹风筒市场的调研。完成头追式吹风机整机的总体方案设计，并对摆头机构和升降机构进行详细设计，对关键零部件计算，选型和校核。由于升降