课程设计《台式电风扇摇头装置》讲解

一、题目：台式电风扇摇头装置
二、设计题目及任务
2.1设计题目
设计台式电风扇的摇头机构，使电风扇做摇头动作（在一定的仰角下随摇杆摆动）。

风扇的直径为300mm，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，仰俯角度φ与急回系数K的设计要求及任务分配表见表2.11.
表2.11 台式电风扇摆头机构设计数据
此次选择的是方案C：摆角为ψ=90°，急回系数K=1.02，仰角φ=15°。

2.2设计任务
（1）按给定主要参数，拟定机械传动系统总体方案。

（2）画出机构运动方案简图。

（3）分配涡轮蜗杆、齿轮传动比。

确定它们的基本参数，设计计算几何尺寸。

（4）确定电扇摇摆转动的平面连杆机构的运动学尺寸，它满足摆角ψ及急回系数K条件下使最小传动比角γmin最大。

并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图，验算曲柄存在条件。

（5）编写设计计算说明书。

（6）学生可进一步完成台式电风扇摇头机构的计算机动态演示或模型试验验证。

2.3设计提示
（1）常见的摇头机构有杠杆式、滑板式和揿拔式等。

可以将风扇的摇头动作分解为风扇的左右摆动和风扇的上下俯仰运动。

风扇摇摆转动可以采用平面连杆机构实现。

以双摇杆机
构的连杆为主动件（即风扇转子通过涡轮蜗杆带动连杆传动），则其中一个连架杆的摆动即实现风扇的左右摆动（风扇安装在连架杆上）。

机架可选取80~90mm。

风扇的上下仰俯运动可采用连杆机构、凸轮机构等实现。

（2）还可以采用空间连杆机构直接实现风扇的左右摆动和上下仰俯的复合运动。

三、功能分解
现市售电风扇的机头一般只是做单一的左右摆头动作，可结合手动调节机头俯仰角度来改变受风区域，但正常工作时机头的俯仰角往往是固定的，只依靠机头自身左右摆动来送风，因此受风区域、面积有限。

本台式电风扇是立体送风电风扇，该电风扇有两种实现方式。

即风扇左右摆动和风扇上下俯仰运动。

3.1风扇的左右摇摆运动
风扇在开启后，需要调整受风区域时，则自然希望风扇能摇头，增加、改变受风的区域。

一般是风扇在启动摇头时，风扇是左右摇摆的。

当然，风扇的左右摇摆一般是在一个平面内，并且是有范围限制的。

但也有一些摆角是大于180°的，甚至更大的。

3.2风扇的上下俯仰运动
随着科技的发展，很多风扇能在风扇左右摇摆的同时，能借助相应的构件作上下俯仰运动，实现立体宽区域送风。

四、机构的选用
根据前述设计要求，并且根据技术、经济及相容性要求，确定两种运动的执行元件——机头，选用相应的机构来实现各项运动的功能，见表4.1。

表4.1 台式电风扇的机构选型
仅对表4.1的基本结构进行组合，就可以得到2×2=4种运动方案。

初步选出结构简单又较为可行的方案为：左右摇摆运动采用凸轮机构中带有凹槽的圆柱凸轮机构，上下俯仰运
动采用连杆机构中的双摇杆机构。

双摇杆机构：结构简单，制造容易，工作可靠，传动距离较远，传递载荷较较大，可实现急回运动规律。

一般用于从动件行程较大或承受重载的工作场合，可以实现移动、摆动等复杂运动规律或运动轨迹。

利用双摇杆机构实现电风扇的俯仰运动，优点在于它以运动副元素为面接触，压力小，能承载较重的机头，使其上下俯仰运动可靠。

并且可根据杆长的改变来实现仰角改变。

使用双摇杆机构实现风扇的左右摆头时，所需空间也较大。

凸轮机构：结构紧凑，工作可靠，调整方便，可获得任意运动规律，但动载荷较大，传动效率较低。

用于从动件行程较小和载荷不大以及要求特定运动规律的场合。

故凸轮不适合作为带动风扇作俯仰运动的机构。

而风扇的左右摇摆又是特别有规律的，所以实现风扇的左右摆头还是选用凸轮机构。

五、机构组合
由上述选用的机构组合，根据动力源驱动方式，实现该类电风扇有两种实现方案。

5.1方案一
由两个动力分别驱动机头左右摆头和上下摆头。

其中一个来自专用同步电机或经齿轮箱减速的主电动机动力驱动上下摆头，另一个同步电动机专门驱动机头做左右摆头，两种动作组合成一种非特定的立体运动轨迹，实现立体送风。

5.2方案二
单动力驱动，即直接利用主电动机的动力，经减速后同时驱动两套不同的机构分别完成左右和上下摆头两个互成90°的动作。

其中上下摆头是由齿箱输出曲柄盘直接驱动曲柄四杆机构即第一机构来实现；左右摆头是由凸轮摆动机构即第二机构来实现。

实施时来源于曲柄盘的动力必须经过一个传动机构传递给第二机构，但齿箱跟随第一机构摆动而第二机构不跟随摆动，这时动力的传递只要通过特定的位置才能保持传动中心距不变。

此电风扇的第一机构摆动轴线即所谓关节，不管如何摆动，曲柄盘轴线相对摆动轴线即关节的距离始终不变，而第二机构驱动凸轮的传动轴线与第一机构的摆动轴线重合。

因此，动力从驱动盘传递到凸轮时，传动中心距不产生任何变化，从而选用同步齿型带传送动力，实现了电风扇循环宽域送风。

5.3方案比较选择
方案一，虽然实现了立体宽区域送风，但同步电动机的使用使动力源增多，电路复杂，且偶然的超载也会导致同步电动机的损坏，使电风扇的整机可靠性和寿命大大的降低，因而
市场对该类电风扇认同率低，无法普及。

方案二则可以有效避免这样的不足。

单动力驱动，即直接由主电动机单齿箱驱动，实现上下和左右摆头，这时主电动机跟随一级转动副摆动，但对于传统设计，同一动力用于驱动另一组转动副时，动力传动机构的传动距离——一般为中心距必然作周期性的变化，无法直接采用传统成熟的机构。

但方案二有效克服了立体送风电风扇传动机构设计上的缺陷，使结构简单可靠，成本低，维修保养方便，实现了单动力关节转换恒中心距双驱动结构俯仰水平立体送风。

因此，综上所述，选择方案二。

六、方案详述
下面结合附图1，对方案二进行详述。

参照附图1。

电风扇机头整体，即电动机5、减速箱2、风叶、索母、网罩，和安装、固定机头的固定座11等。

其中，电动机前壳10用螺丝与电动机前端盖7连接，电动机支承板8安装在电动机后端盖4上，减速箱与电动机后端盖固接，电动机后壳6通过螺丝与电动机连接，支承板借助铰轴12活动铰接在支承假9上，支承架与减速箱上的输出曲柄盘20之间连接有上下摇头连杆1，曲柄盘与左右摆头驱动凸轮机构中的从动齿轮19之间由同步皮带3传输动力，驱动凸轮主体靠轴套21配套定位并运作。

图6.1 上下俯仰运动的传动原理示意图
这样，电风扇机头整体、减速箱曲柄盘、上下摇头连杆及支承架构成一个四杆机构，参照图6.1传动原理示意图。

在图中，AB 代表机头整体，BC 为盘状曲柄，CD 为上下摇头连杆，DA 表示U 型支承架，铰接点A 处铰接有铰轴及其上的驱动凸轮机构，铰接点B 处铰接与盘状曲柄，铰点C 位于盘状曲柄的盘周，铰接啦上下摇头连杆的一端，铰点D 是上下摇头连杆另一端的铰接点。

点B ’、B ’’分别表示AB 绕铰点A 摆动到两个极限位置时的位置点，α1和α2表示机头整体向两侧的极限摆角，而机头整体的上下摆动范围α1+α2可通过调整BC 的尺寸来实现。

参照附图2和4。

所述的凸轮驱动机构可以贯穿其中的铰轴转动，铰轴上套有驱动凸轮主体18，而驱动轮上有供拔销滑动的倾斜环形封闭槽，拔销位于中心盘17的盘变附近，中心盘安装在固定座上。

中心盘与其中心轴14铆接，中心轴插入固定座的定位孔中，止定螺钉15止入的压力下，其上端的棘齿与中心盘下端的棘齿齿合；同时花键套又与固定座为花键盘连接，可相对上下滑动而不可相对转动。

上述中心轴套件构成了角度调节及过载保护结构，在正常工作时中心盘相对固定座不能转动，并与固定座配合限制支承架上下移位，使支承架只能绕中心轴转动。

而当强行扭动电风扇机头时，活动花键套推压弹簧片并脱离与中心盘下的齿的齿合，发生跳齿起到位置调节及机构保护作用。

工作时，减速箱在电动机驱动下，通过输出曲柄盘带动上下摇头连杆推动机头作上下摆头动作；同时，曲柄盘带动其上的同步皮带将动力传递到外套在铰轴上的驱动凸轮主体，驱动凸轮主体在转动过程中迫使拔销连同中心盘作相对摆动，由于中心盘的固定，所以安装在支承架上的机头整体绕中心盘作左右来回摆动，由此两个互为垂直的摆动组合成机头的立体循环运动。

七、机构设计
7.1凸轮机构设计
摆动从动件圆柱凸轮机构（如图7.11）是一种空间凸轮机构，这种机构是把旋转运动改变为平行于旋转轴线的平面内的摆动运动。

此凸轮机构是用来带动风扇机头作左右来回摆头运动的。

可知风扇的摆角是ψ=90°，根据摆动从动件圆柱凸轮机构的运动原理，见图7.12摆动从动件圆柱凸轮运动简图，由公式：
L 1cos )22
ψα=+（
式中：α——凸轮机构的中心距
L ——摆动从动件的长度
ψ——摆动从动件的最大摆角
则经计算得：凸轮机构的中心距α= 25.6mm ，L = 30 mm ， ψ=90°。

驱动凸轮主体倾斜封闭环形槽的平面展开图如下图7.13所示。

图7.11 摆动从动件圆柱凸轮机构 图7.12 摆动从动件圆柱凸轮运动简图
图7.13
7.2双摇杆机构设计
如图6.1为电扇实现上下俯仰运动的传动原理示意图。

在满足杆长条件且最短杆是连杆的情况下，该机构为双摇杆机构。

现假设图中杆BC 为最短杆且（设AB l 最长） BC AB CD AD l l l l +≤+;……………………………………………………○1
又因为
222222
12()()arccos arccos 2**2**AB AD BC CD AB AD CD BC AB AD AB AD
l l l l l l l l l l l l αα+-++--+=-…………○2 1215αα+=………………………………………………○3
假设BC AD CD AB l l l l <<<…………………………………○4
综合○1○2○3○4式可设计为：85,22.5,127.5,165AD BC CD AB l mm l mm l mm l mm ====。

八、传动方案设计
（1）根据风扇电动机转速n=1450r/min ，电风扇摇头周期t=10s ，确定系统总传动比i 为
1450/60241.672421/10
i =≈≈ （2）传动比分配 （根据国家标准198810087/--T GB ）
减速箱采用二级转速，第一级采用涡轮蜗杆传动，选取传动比为80.第二级采用单级齿轮减速，齿轮传动比为3.
由齿轮传动强度确定齿轮的标准模数m=0.6。

齿轮齿数：z 1=20，z 2=98。

具体见表8.1传动方案的一些参数
表8.1
曲柄盘带动其上的同步皮带将动力传递到外套在铰轴上的驱动凸轮主体时，曲柄盘的转速和凸轮机构中的从动齿轮的转速是相等的，即带有槽的圆柱凸轮的转速和曲柄盘的转速是相等的。

九、小结
为期一周的机械原理课程设计结束了，回望这短暂的几天时间学习，自己学到了不少。

在真正开始设计这个电风扇摇头装置之前，自己也曾经有过很多想法和方案，有的很简
单，有的很复杂。

在这么多方案中选择一种较好的，确实要考虑很多东西。

平时学到的机械
原理知识还是有限，在抉择中有点头大。

但是通过上网、去图书馆查资料以及小组成员的讨
论，确定了本次设计的方案。

当然此次设计还有很多不足和需待改进的地方。

这次课程设计，是第一次将本学期《机械原理》这门课程中所学的知识综合运用到实际
中某一具体实例中，另外对于机械设计也有了初步的认识和实践经验。

这次课程设计，从最
初的毫无头绪到逐渐做出雏形，然后进一步改进。

虽然总共仅用了几天的时间，但在这整个
设计过程中，自己在实践中摸索成长，在理论中分析探讨，更加清晰地认识到只有灵活地掌
握好理论知识，在实际应用中才能够得心应手，才能真正将理论用于实践，从中学到更多的
知识和技能。

一个巴掌拍不响，一个人的力量是有限的，想像力、创新力也如此。

小组成员通过分析
思考、查找资料、再分析思考、小组讨论、确定初步方案、分工协作、组织成型、改进和确
定最终方案。

“书上得来终觉浅，需知事事要躬行”。

书本的知识不可能面面具到，而又由
于在学习过程中的不慎不断遗失，使我们的知识结构十分不完整。

于是系统地进行实践操作
对我们完善知识体系有莫大的帮助。

与此同时，在具体实践时，往往会遇到很多事先没预测到的困惑，这成为我们完成设计
的一大障碍，但最终还是通过求教和自己摸索中解决了。

从这些过程中我们又锻炼了自己遇
到问题，分析问题，解决问题的能力。

同时也感受到了群众的智慧是不可估量的。

“三人行
则必有我师焉。

”
在此设计中，小组各成员之间积极配合、共同奋斗，在加深了对专业理解掌握的同时，也加深了我们的友谊。

同时也要感谢石端虎和张元越两位老师的耐心指导。

以后这样的实践学习的课程，学校要多加开设。

从中我们学生能学到很多书本上学不到
的东西，学会了运用自己所学的知识用于实践生活中，更好的指导我们学习。

十、参考资料
1.《机械原理》（第七版）孙桓陈作模主编高等教育出版社
2.《机械设计课程设计》（第二版）朱文坚黄平编华南理工大学出版社
3.《机械设计基础课程设计》孙德志张伟华邓子龙编科学出版社
4.《机械设计与理论》李柱国主编科学出版社
5.《机械原理设计课程设计指导书》裘建新主编高等教育出版社。