IV基于ProE的電風扇搖頭機構中蝸輪蝸桿、齒輪和四桿機構的傳動系統設計與仿真目錄TOC\o"1-3"\h\u23375摘要 4430第1章前言 4181681.1電風扇的發展史及發展現狀 4227431.2電風扇的結構與工作原理 574721.2.1電風扇的結構 517588圖1.1臺扇 623511.2.2電風扇的工作原理 61591.3本設計的主要內容和目的 610714第2章電風扇搖頭裝置的設計 794642.1電風扇搖頭裝置設計原則 779002.2電風扇搖頭裝置方案選擇 717383第3章機構的設計 9133933.1鉸鏈四桿機構的設計 985783.1.1鉸鏈四桿機構的基本類型 927743.1.2雙搖桿機構的滿足條件和極限位置分析 11142273.1.3四桿位置和尺寸確定 11176373.2電機選擇 12146593.3傳動比的分配 13169843.4齒輪機構的設計 137603.4.1齒輪機構的結構特點 13169453.4.2齒輪機構的幾何尺寸計算 148143.4.3齒輪校核 14254753.5蝸輪蝸桿機構的設計 15152313.5.1蝸輪蝸桿機構的結構特點 15150283.5.2蝸輪蝸桿機構的幾何尺寸計算 164298第4章傳動機構建模及仿真 1861014.1齒輪建模過程 189644.2裝配圖裝配過程 21169564.2.1組件模式的啟動與環境 21146714.2.2裝配操作頁面 2232306第5章結束語 2425302參考文獻 25摘要隨著時代的發展，人們對生活品質的要求越來越高，電風扇作為夏天常用的工具，因為其成本低，可以滿足降溫的需求，依然深受人們的喜愛。本文主要針對電風扇搖頭機構進行設計。通過對相關理論進行了廣泛的搜索和整理，整合了搖頭機構的設計方案，并從中選取最優的方案，本方案采用蝸輪蝸桿、齒輪和四桿機構的傳動實現機頭的擺動，傳動更加平穩準確。本文對各部分結構進行了參數計算，并使用ProE軟件進行零件三維圖的建模和裝配，并完成了運動仿真。關鍵詞：平面搖桿機構；傳動比，蝸桿傳動；齒輪傳動；建模仿真第1章前言1.1電風扇的發展史及發展現狀電風扇的發明至今已經有100多年了，在炎熱的夏季的電風扇使用非常頻繁，但是隨著空調的降世，電風扇的使用大大縮減。但由于空調耗電量比較大，而且對于空間使用要求較高，對比電風扇通風效果好，耗電低，應用范圍比較廣泛，從節能和方便等方面考慮，電風扇仍舊存在很大的市場。香港叫電扇，日本和韓國叫扇子。1830年，一位名叫詹姆斯.拜倫的美國人從時鐘的構造中得到靈感，發明了一種可以安裝在天花板上的發條帶動式的電扇。扇子的旋轉所產生的涼爽的微風是一件令人愉快的事情，但是要爬上梯子把它拉上，這是一件非常困難的事情。有一個法國人約瑟夫在1872年發明了一種名叫發條發動機式帶動的機械式風扇，它的結構比拜倫的機械風扇要精細得多，而且操作起來也更加方便。1880年，美國人舒樂把葉片直接安裝到馬達上，插上電，葉片高速旋轉，一股股清涼的氣息迎面撲來，這就是世界上的第一個電扇。美國埃克發動機與電子公司在1908年的時候開發出了，由齒輪驅動的第一臺左右擺動式電扇。這款電扇避免了三百六十度無必要的旋轉，從而在未來的銷售中占據主導地位。隨著科技的發展，電風扇制造的技術也一直在發展。比如美國通用公司開發的聲控電扇.該電扇配有一個小型的電子接收機，當你在三公尺外連續拍兩下手掌時，它就會自動啟動；如果再拍三下，扇子就會停止轉動。例如日本三菱公司研發的無噪音電扇，噪音低，配有特殊的鳥翼式葉片，能產生一股旋風，并由直流馬達驅動，無需保護，非常適用于電腦、文字處理機、復印機等。例如日本東芝公司的Fuzza微調電扇，它具有強、平、弱等7種不同的風量，能根據感應器測量到的溫度、濕度，自動選擇最佳的送風方式。一旦觸碰到網，就會自動停止旋轉。比如美國羅伯遜實業公司研制的防傷型手指電扇，一旦觸碰到電扇的外殼，就會發出電脈沖，讓電扇停止旋轉，從而避免手指受到傷害。1.2電風扇的結構與工作原理1.2.1電風扇的結構如圖1.1所示是一種常見的臺扇外形圖，其結構主要由以下部分組成：(1)葉片是由馬達帶動的，帶動氣流，產生氣流。(2)網罩的主要功能是保護室內的風扇等，并能確保人身的安全，并能引導風向。(3)扇葉是電風扇中最關鍵的部件，它的大小和形狀對電風扇的性能有很大的影響。(4)電機是風機的關鍵部件，將電力轉換成機械能，為風機的運轉提供源源不斷的能量。(5)搖頭機構:該系統主要由減速器和連桿機構組成。連桿機構與減速器相連，馬達的軸經蝸輪蝸桿進入減速器，減慢后又由連桿機構轉換成扇形搖擺。(6)前后端蓋用于固定電機的定子，確保電機的定位精度。前部和后部用螺絲固定，能減少震動和噪音。(7)底座內部為風扇的控制線路，用于完成風機的開合、定時等功能，同時也是風機的支承部件。圖1.1臺扇1.2.2電風扇的工作原理電扇的工作機理主要是電機主軸的轉動通過傳動系統傳遞給葉片軸，從而帶動葉片轉動，并利用葉片的形狀使空氣產生高速流動，把從皮膚中排出的汗液排除體外，進而將體溫帶走，進而起到了降溫的作用。為何在電風扇工作后，房間的氣溫就會上升呢？原因是:如果電風扇還處于工作狀態，那么電風扇的線圈就會有電流通過，而由于導線上有電流，因此臥室內的溫度沒有變低，相反會上升。1.3本設計的主要內容和目的本文主要是對電風扇搖頭機構進行設計分析，主要包括以下內容：(1)確定傳動方案。(2)選擇電機，進行傳動比分配，并對各結構零件參數進行設計計算。(3)使用ProE軟件進行三維造型、裝配和運動仿真。通過本次設計，綜合應用了機械設計的專業知識，進一步鞏固和加深了所學知識，通過設計計算，ProE等軟件的繪圖，運用設計手冊等進行全面的機械設計基本技能的訓練。

第2章電風扇搖頭裝置的設計2.1電風扇搖頭裝置設計原則電風扇作為日常使用的工具，應遵循以下設計原則：(1)各構件應盡量簡化；(2)搖頭應平穩，噪音低；(3)各構件之間的的位置應安排合理；(4)發動機也應該隨著搖頭器的擺動而晃動；(5)應使整體結構美觀；(6)可自動擺動，定時，吹氣角度可調節。2.2電風扇搖頭裝置方案選擇普通臺扇轉速一般在500－1500轉/分鐘，與擋位有關。臺式搖頭機構的基本結構是四連桿機構的轉動。有很多種不同的設計方法，設計方案如下：1、方案Ⅰ（平面連桿機構1）圖2.1平面連桿搖頭機構1圖2.1所示是電扇搖頭機構的一種方案，工作時，連桿BC與蝸輪連接在一起，連架桿（即搖桿）與電機相連，組合成了由蝸輪驅動桿件BC為主動件，繞著點C作旋轉運動，電機和葉片來回搖擺的雙搖桿機構。該方案的特點是：(1)平面連桿機構，形狀簡單、制造方便、工作可靠、易潤滑、磨損輕、壽命較長、能承受較大載荷；(2)采用蝸輪蝸桿機構，具有大的傳動比和緊湊的結構，運行更加穩定，噪音也更小，無其它的輔助裝置就可以實現自動鎖定。(3)在工作沖程時，可根據需要進行搖動機構的控制。2、方案Ⅱ（平面連桿機構2）圖2.2平面連桿搖頭機構2如圖2.2所示為電扇搖頭機構的第二種方案。工作時，電動機旋轉，電動機軸上的蝸桿驅動蝸輪，蝸輪與小齒輪裝配在一根軸上，然后用小齒輪驅動大齒輪，大齒輪則緊固在連桿2上，這樣，連桿2就能圍繞D點旋轉，并使連桿1、3來回擺動，實現機頭的搖動。本方案除了具有上述方案的優點外，還增加了齒輪傳動，傳動比更大。通過對上述兩個方案的對比，最終選擇了方案II。

第3章機構的設計3.1鉸鏈四桿機構的設計3.1.1鉸鏈四桿機構的基本類型圖3.1鉸鏈四桿機構從圖3.1可以看出，四連桿鉸鏈是一種四連桿結構，它是一種由旋轉副連接各個部件的頭部和尾部的閉合四連桿體系，并將一個部件緊固起來。機架是桿件4，與機架連接的部件1和3被稱為連架桿，曲柄在機構中是可以360度旋轉的，搖桿可以來回擺動，但是不可以轉動，而不能直接連接機架的部件2就是連桿，連桿通常是平面復合移動。根據連架桿是否能夠整周回轉分為：(1)曲柄搖桿機構:圖3.2所示，桿2為曲柄，可繞固定鉸鏈中心A做整圈轉動，桿3為搖桿，只能繞固定鉸鏈中心，B做往復擺動，故稱此機構為曲柄搖桿機構。該機構可完成整個旋轉和往復運動之間的切換。如果把曲柄作為主動部件，那么把整個曲柄的等速（或非等速度）變成了搖桿的非等速度往復擺動。如果搖桿是主動件，那么搖桿的非等速往復運動就變成了曲軸的等速度（或非等速度）全周旋轉。圖3.2曲柄搖桿機構(2)雙曲柄機構：圖3.3所示，桿件2和4為曲柄，可以繞著點A和D做整周回轉，是雙曲柄機構。雙曲柄機構是一種特殊的結構形式。在一個平行四邊形結構中，兩個相對的構件具有相同的長度并且相互平行。它具有以下特征：第一，兩個曲柄具有完全一致的運動規則；二是，連桿總是作平動，運動軌跡是一樣的，那么，所走的軌跡就是把曲柄作為半徑畫圓。還有一種比較特殊的，是反向平行四邊形機構，特征是：兩個相對的桿，它們的長度相同，但卻不平行，具有不同的旋轉方向和不同的角度速度。圖3.3雙曲柄機構(3)雙搖桿機構：在平面四桿機構中，4個桿，有2個桿是來回擺動的。如果有兩個搖桿長度是一樣的，那么就是等腰梯形結構。圖3.4雙搖桿機構雙搖桿機構用于電扇搖頭裝置。3.1.2雙搖桿機構的滿足條件和極限位置分析按有無曲柄的情況提出：一是機架不與最短桿相鄰，就是雙搖桿機構。二是如果最短桿與最長桿的總和比其他兩桿的總和都大，那么無論采用何桿作為機架，都不會有曲柄，而只有一個雙搖桿機構。雙搖桿機構應用十分廣泛，在機械上有特別的曲柄，如果機構是雙搖桿機構，可以從兩個方面來完成：(1)每根桿長均符合格拉肖夫準則，最短和最長的桿加起來小于另外兩根桿相加之和，令與最短桿相對的那一條桿件為機架，得到的就是雙搖桿機構REF_Ref5912\r\h[2]。當搖桿與連桿共線時，就是雙搖桿機構的死點位置，也就是圖3.5中所示的ABCD和AB1C1D。圖3.5雙搖桿機構的死點位置(2)如果桿的長度不滿足拉肖夫準則，也就是說，最短和最長的桿加起來大于另外兩根桿相加之和，那么，不管是哪一種結構，都是一種雙搖桿機構。3.1.3四桿位置和尺寸確定圖3.6極位夾角0°的兩極限位置在給定風扇電動機轉速，風扇擺動周期，與的設計要求的情況下，可以看出極位夾角，很小可以看作為0°，看圖3.6便知，桿BC與CD在同一條線上，首先讓搖桿，再將AB順時針方向轉動100°，得到A1B1，接下來可以確定機架AD的位置，并取。當桿BC與桿CD共線時，其和可以得到：①，當BC與CD共線時，即②，從①②公式得到，圓弧BB1是B點的運動軌跡，是符合格拉肖夫判別公式要求的，BC為最短桿，AD為機架，屬于雙搖桿機構。圖3.7矢量法分析連桿角速度在確定桿件長度后，繪制平面連桿機構的總體位置，見圖3.7，這時從理論上可以得到桿AB、BC、CD的速度，已知VB=ωABL3.2電機選擇選擇電機的轉速，計算得出。表3-1電動機選擇選用鐵心2級數5功率4的電機。3.3傳動比的分配已知，所以。經過分配，齒輪的傳動比??????????????????????????.????????3??????????????????????????.????????3。3.4齒輪機構的設計3.4.1齒輪機構的結構特點與連桿機構比較，齒輪傳動機構表現出高副傳動精確的優點。齒輪機構是一種利用主動輪齒順序地撥動驅動輪輪齒來實現運動與動力的一種，它是一種最常用的驅動裝置具有結構緊湊，傳動平穩，效率高，壽命長，傳動可靠，傳動比恒定，傳動效率高。但是，由于對傳動裝置的加工和裝配精度的要求比較高，所以其造價也比較高。小齒數在17以下，無法達到標準齒輪的相關要求，只能用變位齒輪。這個齒輪是不會改變m、z、a的，只會改變工件和刀具的位置，db、d和齒形這些加工的參數也是不會改變的，但是d上的s、p、?a和?3.4.2齒輪機構的幾何尺寸計算3.4.3齒輪校核輪齒的彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度校核過程如下：(1)小齒輪傳遞的扭矩(2)查書REF_Ref5912\n\h[2]表8-8可知最小安全系數SHmin=1，SFmin=1.25，最小安全系數，失效概率低于1/100，電風扇的正常使用壽命為16年，每年夏天時長3個月，設定每天使用12個小時，那么齒輪的工作應力循環次數N1=60nγLn=60×(3)查書表8-5可知使用系數KA=1；齒輪圓周速度?=πd1n160000=0.05m/s,齒輪精度，參考表8-6取10級，按圖8-25，動載系數(4)根據齒數與變位系數選擇齒形系數YFa1=3.12，YFa2=2.24，重合度ε(5)齒根彎曲疲勞應力：σF1所以齒根彎曲疲勞強度足夠。注：以上所用的表跟圖都引用于參考文獻[2]。3.5蝸輪蝸桿機構的設計3.5.1蝸輪蝸桿機構的結構特點蝸桿傳動是由蝸桿與蝸輪組合而成的，該機構是在互相交錯的軸上傳遞運動和動力的。兩交錯的角度一般是90度，而蝸桿一般是主動件，蝸桿傳動經常用作減速器使用。蝸桿傳動具有以下特點REF_Ref26234\r\h[12]:由于蝸桿的輪齒是連續不斷的螺旋齒，故蝸桿傳動平穩，沖擊和噪聲較小，因嚙合時線接觸，且具有螺旋機構的特點，故其承載能力強。能以單級傳動獲得很大的傳動比，通常在減速傳動中，傳動比的范圍為在分度機構中傳動比可達10000，故結構緊湊。當蝸桿的導程角γ?小于輪齒間的當量摩擦角時，機構具有自鎖性，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿，故常用在起重機械中，起安全保護作用。蝸桿傳動與交錯軸斜齒輪傳動相似，在嚙合輪齒間有較大的相對滑動速度，易磨損，易發熱，故傳動效率低。為了散熱和減小磨損，常需采用較昂貴的抗磨材料和良好的潤滑裝置，故成本高。3.5.2蝸輪蝸桿機構的幾何尺寸計算

第4章傳動機構建模及仿真4.1齒輪建模過程以齒輪為例，分析建模過程：基礎操作，如圖4.1和4.2所示圖4.1“新建”對話框圖4.2“新文件選項”對話框(2)新建一個【草繪】，選擇FRONT面為基準平面，單擊草繪，首先繪制四個圓，分別是：da、d、db、df，然后在【工具】中選擇參數，依次輸入α、m、z、?a(3)漸開線有兩種創建方法，第一種見圖4.3、4.4、4.5；第二種在【工具】中選擇參數，見圖4.6。圖4.3曲線菜單管理器圖4.4坐標類型“笛卡爾”圖4.5方程法畫漸開線圖4.6參數法生成漸開線(4)添加一個基準點，一個基準軸(RIGHT與TOP)，兩個基準平面。選中漸開線，點擊【鏡像】，點擊基準平面，得到了另一條漸開線，在進行兩次拉伸，得到一個輪齒，進行一些細節修改，繼續選中【陣列】，有88個齒，點擊確定就得到了一個齒輪，如圖4.3所示。小齒輪運用同樣的道理。圖4.7齒輪4.2裝配圖裝配過程4.2.1組件模式的啟動與環境組件模式的啟動與環境如圖4.8、4.9所示：圖4.8“新建”對話框圖4.9組建環境4.2.2裝配操作頁面(1)首先把底板插入，電機與底板是“銷釘”連接，如圖4.10所示。圖4.10電機與底板裝配(2)插入風扇葉片，電機與葉片是“銷釘”連接，如圖4.11所示。圖4.11裝入葉片(3)插入蝸桿與蝸輪，蝸桿與電機的約束類型是“對齊”，蝸桿與蝸輪的約束類型是“銷釘”如圖4.12所示。圖4.12裝入蝸桿與蝸輪(4)依次插入AD桿、小齒輪和AB桿、大齒輪、BC桿、CD桿，AD桿與電機的約束類型是“對齊”；小齒輪和AB桿與電機的約束類型是“對齊”；大齒輪與小齒輪嚙合，與電機的約束類型是“對齊”；BC桿連接大齒輪與小齒輪，約束類型是“對齊”；最后插入CD桿，與AD桿與BC桿相連接，如圖4.13所示。圖4.13裝配圖

第5章結束語經過這幾個月的設計，以“基于ProE的電風扇搖頭機構的仿真設計”為題的電風扇搖頭機構的仿真設計已經完結，在這幾個月的設計中，我充分找到了我關于專業和基礎知識上的不足，通過對電風扇搖頭機構的設計，將大學已經學習過的知識再次進行了鞏固，每一次新的設計都是對前人設計的不斷創新和改造，在老師的幫助下，我對自己的定位更加準確，設計過程的彎路少走了許多，也通過設計對一些軟件（例如：ProE、AutoCAD）更加熟練，在完成整個電風扇搖頭機構的設計后，獲得以下幾點結論：(1)選用鉸鏈四桿機構、蝸輪蝸桿機構、齒輪機構實現電風扇搖頭。(2)在滿足工藝標準和使用要求的前提下，為了使結構簡單化，選用了雙搖桿機構。為了使結構更加緊湊，選用蝸輪蝸桿機構，為了提高工作效率，選用齒輪機構。(3)在計算過程中，運用了ProE制圖軟件算法以及運用基礎機械公式，對所要設計的機構以及裝配圖的尺寸設計進行了細致的計算，使得裝配圖可以完美配合，成功仿真。(4)在進行電風扇搖頭機構建模時，運用的ProE三維建模仿真軟件，高效率的繪制了傳動機構，通過三維圖，將所設計的桿件以及蝸桿、齒輪完美的呈現在眼前，提高了設計的準確性以及產品的質量。在設