畢業(yè)設計（論文）-臺式電風扇搖頭裝置機構(gòu)設計

PAGEPAGEi摘要電風扇搖頭裝置設計是從電風扇設計開始的，也是電風扇設計中最重要的部分，對于電風扇的研究，國內(nèi)外已有不少的研究成果，但在創(chuàng)新這一塊做的還不夠,還有待進一步完善。本文首先對搖頭電風扇的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀以及其類型和特點進行了介紹，然后介紹了設計準則,提出方案擬定,并選擇最優(yōu)方案,主要是現(xiàn)有的電風扇搖頭裝置中平面搖桿機構(gòu)，包括平面搖桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、工作原理、設計原理、設計原則；其次根據(jù)已知原動機的轉(zhuǎn)速,分配傳動比，選擇合適的機構(gòu),如蝸輪蝸桿機構(gòu)以及齒輪機構(gòu),根據(jù)傳動比確定它們的基本參數(shù)，設計計算幾何尺寸,再次采用圖解法,根據(jù)已知條件(極位夾角,搖桿速度等)設計平面四桿機構(gòu),然后在Adams組建仿真機構(gòu)模型,觀察所設計的尺寸是否滿足所需的運動軌跡，通過圖解法研究各桿件的運動,進行運動分析,最后總結(jié)了電風扇的未來展望。關鍵詞：平面搖桿機構(gòu),蝸輪蝸桿,齒輪傳動,運動分析,動態(tài)演示全套圖紙加V信153893706或扣3346389411PAGE30-目錄摘要 i第一章 引言 -1-1.1電風扇發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 -1-1.2電風扇的結(jié)構(gòu)與工作原理 -1-1.2.1電風扇的結(jié)構(gòu) -1-1.2.2電風扇工作原理 -2-第二章電風扇搖頭機構(gòu)的設計 -3-2.1電風扇搖頭機構(gòu)設計概述 -3-2.2電風扇搖頭裝置設計原則[1] -3-2.3電風扇搖頭裝置方案擬定[2] -3-2.3.1方案1(離合式搖頭機構(gòu)) -3-2.3.2方案2(锨撥式搖頭機構(gòu)) -4-2.3.3方案3(平面連桿搖頭機構(gòu))[3] -5-2.3.4方案Ⅳ(另一種平面連桿搖頭機構(gòu))[4] -5-2.3.5對比分析選擇方案 -6-2.4功能分解 -6-3.1鉸鏈四桿機構(gòu)的設計 -8-3.1.1鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和基本形式 -8-3.1.2平面雙搖桿機構(gòu)的分類和極限位置分析 -8-3.1.3四桿位置和尺寸的確定 -9-3.2傳動部分設計 -10-3.2.1傳動比的分配 -10-3.2.2蝸輪蝸桿機構(gòu) -10-3.3.2蝸輪蝸桿機構(gòu)的幾何尺寸計算 -11-3.3.3齒輪機構(gòu)選用原則 -12-3.3.4齒輪機構(gòu)的幾何尺寸計算 -12-第四章平面連桿機構(gòu)的運動分析 -13-4.1概述 -13-4.2平面連桿機構(gòu)的運動分析 -13-4.3位置分析 -13-第五章機構(gòu)運動仿真的總體分析 -15-5.1Solidworks計算機動態(tài)演示 -15-5.2基于ANSYS的受力分析 -16-5.2.1ANSYSworkbench主要分析步驟 -17-5.2.2分析過程 -18-5.3基于ANSYS的模態(tài)分析 -20-5.3.1模態(tài)分析基本理論 -20-5.3.2分析過程 -21-5.4基于ADAMS的運動分析 -22-5.4.1前處理設置定義 -22-5.4.2結(jié)果分析 -24-第六章總結(jié)與展望 -26-參考文獻 -27-致謝 -28-引言1.1電風扇發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望近年來，相較人們對空調(diào)的普遍關注，電風扇市場就有點門庭冷落。但空調(diào)高耗電量且封閉空間的弊端，使得通風效果相對較好、功耗相對較低的電風扇仍然存在很大的市場。所以有必要研究電風扇的發(fā)展。電風扇又稱電扇，用于散熱，夏天用它來清涼為好,還可用來驅(qū)散室內(nèi)熱氣。1882年，美國紐約的克羅卡日卡齊斯發(fā)動機廠的主任技師休伊斯卡茨霍伊拉，最早發(fā)明了商品化的電風扇。1908年，美國的?？税l(fā)動機及電氣公司，研制成功世界上最早的齒輪驅(qū)動左右搖頭的電風扇,這種電風扇防止了不必要的三百六十度轉(zhuǎn)頭送風，而成為以后銷售的主流。如今，電風扇已一改人們印象中的傳統(tǒng)形象，在外觀和功能上都更追求個性化，塔式氣流扇尊貴典雅，卡通臺扇嬌巧可愛，而電腦控制、自然風、睡眠風、負離子功能等這些本屬于空調(diào)器的功能，也被眾多的電風扇廠家拿來做文章，并在此基礎上增加了照明、驅(qū)蚊等更多的實用功能。據(jù)統(tǒng)計，市場成熟度頗高的電風扇行業(yè)在國內(nèi)仍然存在著相當大的市場容量，但由于這個行業(yè)技術(shù)比較陳舊，外觀固定單一，市場上常見的落地扇、轉(zhuǎn)頁扇、臺扇、壁扇、樓頂扇、吊扇這幾個傳統(tǒng)類型電風扇的外觀和功能的同質(zhì)化現(xiàn)象十分嚴重，嚴重影響和制約了這個市場的發(fā)展和提升。但近年來一些主流企業(yè)開始有所覺察，他們通過積極創(chuàng)新，突破老式的傳統(tǒng)設計，紛紛開發(fā)出了一系列更富創(chuàng)新力，更具差異化個性的新產(chǎn)品，以求繼續(xù)做大蛋糕和進行產(chǎn)品升級。1.2電風扇的結(jié)構(gòu)與工作原理1.2.1電風扇的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示,臺扇由扇葉、網(wǎng)罩、扇頭、調(diào)速機構(gòu)、底座等部分組成,扇頭是臺扇中最復雜、最重要的部件，由電動機、前后端蓋及搖頭機構(gòu)等構(gòu)成,而吊扇主要由扇頭、上下罩、吊桿、吊攀以及獨立安裝的調(diào)速器組成。轉(zhuǎn)頁扇由于導風輪的作用，使其送出的風風力柔和，舒適宜人。圖1.1臺扇的基本結(jié)構(gòu)1.2.2電風扇工作原理電風扇工作時（假設房間與外界沒有熱傳遞）室內(nèi)的溫度不僅沒有降低，反而會升高。讓我們一塊來分析一下溫度升高的原因：電風扇工作時，由于有電流通過電風扇的線圈，導線是有電阻的，所以會不可避免的產(chǎn)生熱量向外放熱，故溫度會升高人體的體表有大量的汗液，當電風扇工作起來以后，室內(nèi)的空氣會流動起來，所以就能夠促進汗液的急速蒸發(fā)，結(jié)合“蒸發(fā)需要吸收大量的熱量”，故人們會感覺到?jīng)鏊ｏL扇在轉(zhuǎn)動時，扇葉后面空氣的流速要慢于扇葉前面空氣的流速，這樣后面空氣的壓力就比前面的大，這個壓力差，就推動空氣向前，形成風了。

第二章電風扇搖頭機構(gòu)的設計2.1電風扇搖頭機構(gòu)設計概述搖頭機構(gòu)由減速機構(gòu)、連桿機構(gòu)、控制機構(gòu)與過載保護裝置組成，形式有兩種:離合式與撥式。隨著時代的發(fā)展,電風扇的搖頭機構(gòu)也不僅僅限于這些,例如就有一種電風扇搖頭機構(gòu)，包括電動機、齒箱總成、搖頭連桿，電動機及齒箱總成安裝在Ｙ型支架上，Ｙ型支架固定在連接頭上，其中搖頭連桿一端與Ｙ型支架連接，另一端通過傳動機構(gòu)與齒箱總成連接。所述的傳動機構(gòu)是受齒箱總成控制的做旋轉(zhuǎn)運動的上下曲柄蓋，曲柄蓋與連桿配合推動電風扇做復合搖頭運動。由于采用機械式傳動取代了同步電機，使性能更穩(wěn)定、質(zhì)量更可靠，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。還有一種可調(diào)搖頭角度的電風扇搖頭機構(gòu),包括連于連桿一端的搖臂輪，以及活動連于撥輪墊孔內(nèi)的中心軸,實現(xiàn)了電風扇搖頭擺動角度的方便調(diào)整且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于室內(nèi)放置電風扇不同的位置要求，提高了電風扇的使用效率。所以電風扇搖頭裝置多種多樣,而且是在不斷創(chuàng)新的。2.2電風扇搖頭裝置設計原則[1]1)各構(gòu)件應最簡化,使電風扇尾部裝在小的殼體中;2)各構(gòu)件之間安排合理的位置,以免相互干擾;3)搖頭應平穩(wěn);4)發(fā)動機也應跟隨搖頭裝置搖擺;5)應使整體結(jié)構(gòu)美觀;6)自動擺頭、送風角度可調(diào);7)噪音低、可定時。2.3電風扇搖頭裝置方案擬定[2]考慮到執(zhí)行機構(gòu)的速度較低和電動機的經(jīng)濟性，選用同步轉(zhuǎn)速為1450r/min的電動機。臺式電風扇搖頭裝置的主要機構(gòu)是鉸鏈四桿機構(gòu)的運動?？梢杂卸喾N多樣的設計方案，圖2.1—2.4給出了四種可用于搖頭裝置運動的執(zhí)行機構(gòu)方案。2.3.1方案1(離合式搖頭機構(gòu))該方案如圖所示圖2.1離合式搖頭機構(gòu)該方案(見圖2.1)主要特點：（1）是離合式搖頭機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單;（2）不具有急回作用;（3）不能承載較大載荷;（4）嚙合軸做變速往復運動，特別在空行程中，角速度有較劇烈的變化，使搖頭直齒輪受到很大的慣性沖擊和震動。2.3.2方案2(锨撥式搖頭機構(gòu))該方案(見圖2.2)主要特點：（1）是锨撥式機構(gòu)，結(jié)構(gòu)較前述方案簡單;（2）不具有急回作用;（3）不能承載較大載荷。圖2.2锨撥式搖頭機構(gòu)2.3.3方案3(平面連桿搖頭機構(gòu))[3]圖2.3平面四桿搖頭機構(gòu)圖2.3所示為電風扇搖頭機構(gòu)原理，電動機外殼作為其中的一根搖桿AB，蝸輪作為連桿BC，構(gòu)成雙搖桿機構(gòu)ABCD。蝸桿隨扇葉同軸轉(zhuǎn)動，帶動BC作為主動件繞C點擺動，使搖桿AB帶電動機及扇葉一起擺動，實現(xiàn)一臺電動機同時驅(qū)動扇葉和搖頭機構(gòu)。該方案主要特點：（1）是一種平面連桿機構(gòu)，機構(gòu)簡單，加工方便，能承受較大載荷;（2）有渦輪蝸桿機構(gòu)，傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動性平穩(wěn)，無噪聲，反形成具有自鎖性，但傳動效率低，磨損較嚴重，蝸桿軸向力大;（3）工作行程中，能使搖頭裝置控制符合要求。2.3.4方案Ⅳ(另一種平面連桿搖頭機構(gòu))[4]圖2.4平面四桿搖頭機構(gòu)如圖2.4所示上面一種搖頭機構(gòu)方案和傳動比的大小，方案Ⅳ應用在傳動比大的運動機構(gòu)中。由已知條件和運動要求進行四連桿機構(gòu)的尺寸綜合，計算電動機功率、連桿機構(gòu)設計等，繪出機械系統(tǒng)運動方案的電風扇的搖頭機構(gòu)中，電機裝在搖桿1上，鉸鏈B處裝有一個蝸輪。電機轉(zhuǎn)動時，電機軸上的蝸桿帶動蝸輪,蝸輪與小齒輪空套在同一根軸上,再由小齒輪帶動大齒輪,而大齒輪固定在連桿上,從而迫使連桿2繞B點作整周轉(zhuǎn)動，使連架桿1和3作往復擺動，達到風扇搖頭的目的.它具有方案Ⅲ的特點。2.3.5對比分析選擇方案根據(jù)前述要求，電風扇的應作繞一點的往復擺動，且在工作周期中有急回特性。驅(qū)動方式為電機驅(qū)動，利用《機械原理課程設計指導書》中的表2.1與表2.2的設計目錄，分別選擇相應的機構(gòu)，以實現(xiàn)各項功能。由于要實現(xiàn)大傳動比，且受到電風扇機殼體積大小的限制，結(jié)合《機械原理課程設計指導書》第155頁的附錄2，減速機構(gòu)可選用蝸輪蝸桿機構(gòu)與直齒圓柱齒輪機構(gòu)的組合機構(gòu)。對以上四種方案進行比較,綜合其優(yōu)缺點,本次設計選用方案Ⅳ,原因如下:采用平面連桿機構(gòu),使結(jié)構(gòu)簡單;2)有蝸輪蝸桿機構(gòu)，傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動性平穩(wěn)，無噪聲，反形成具有自鎖性，但傳動效率低，磨損較嚴重，蝸桿軸向力大;3)齒輪的應用使整個傳動系統(tǒng)的傳動比減小;4）整個機構(gòu)簡單，加工方便，節(jié)省成本。2.4功能分解電風扇的工作原理是將電風扇的送風區(qū)域進行周期性變換，達到增大送風區(qū)域的目的。顯然，為了完成電風扇的擺頭動作，需實現(xiàn)下列運動功能要求：左右擺動有三個基本運動：運動軸線變換、傳動比降低和周期性擺動。還要滿足傳動性能要求，風扇需要轉(zhuǎn)換傳動軸線和改變轉(zhuǎn)速，因此需要設計相應的齒輪系機構(gòu)。改變電風扇的送風區(qū)域時，在急回系數(shù)K＝1.01、擺動角度Ψ=80°的要求下，盡量保持運動的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換和減小機構(gòu)間的摩擦，運動循環(huán)圖如下:圖SEQ圖\*ARABIC1運動循環(huán)圖

第三章

機構(gòu)的設計3.1鉸鏈四桿機構(gòu)的設計3.1.1鉸鏈四桿機構(gòu)的組成和基本形式如圖3.1所示，鉸鏈四桿機構(gòu)是由轉(zhuǎn)動副將各構(gòu)件的頭尾聯(lián)接起的封閉四桿系統(tǒng)，并使其中一個構(gòu)件固定而組成。被固定件4稱為機架，與機架直接鉸接的兩個構(gòu)件1和3稱為連架桿，不直接與機架鉸接的構(gòu)件2稱為連桿。連架桿如果能作整圈運動就稱為曲柄，否則就稱為搖桿。其類型可分為:圖3.1鉸鏈四桿機構(gòu)1)曲柄搖桿機構(gòu):在鉸鏈四桿機構(gòu)中,若兩個連架桿中的一個為曲柄,另一個為搖桿,則稱之為曲柄搖桿機構(gòu)。2)雙曲柄機構(gòu):在鉸鏈四桿機構(gòu)中,若兩個連架桿均為曲柄,則稱為雙曲柄機構(gòu).當兩曲柄的長度相等且平行(即其他兩桿的長度也相等)時,稱為平行雙曲柄機構(gòu).若雙曲柄機構(gòu)的對邊桿長都相等,但不平行,則稱為反向雙曲柄機構(gòu)。3)雙搖桿機構(gòu):在鉸鏈四桿機構(gòu)中,若兩個連架桿均為搖桿,則稱之為雙搖桿機構(gòu)，其中在電風扇搖頭裝置中用到了雙搖桿機構(gòu)。3.1.2平面雙搖桿機構(gòu)的分類和極限位置分析按組成它的各桿長度關系可分成兩類，第一類是符合曲柄存在條件,即符合格拉肖夫準則的四桿運動鏈,而以其最短桿對邊的桿為機架組成的雙搖桿機構(gòu)。第二類是不符合曲柄存在條件,即最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和的四桿運動鏈,以其任意一桿為機架構(gòu)成的雙搖桿機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)是鉸鏈四桿機構(gòu)中常見的形式之一,在機械中有特殊曲柄存在的條件,機構(gòu)若成為雙搖桿機構(gòu),可通過兩種途徑來實現(xiàn):(1)各桿長度滿足肖夫判別式,即最短桿與最長桿長度之和小于或等于其它兩桿長度之和。且以最短桿的對邊為機架,即可得到雙搖桿機構(gòu)。根據(jù)低副運動的可逆性原則,由于此時最短桿是雙整轉(zhuǎn)副件,所以,連桿與兩搖桿之間的轉(zhuǎn)動副仍為整轉(zhuǎn)副。因此搖桿的兩極限位置分別位于連桿(最短桿)與另一搖桿的兩次共線位置,即一次為連桿與搖桿重疊共線,如圖3.2所示AB′C′D,另一次為連桿與搖桿的拉直共線即圖中所示ABCD。搖桿的兩極限位置與曲柄搖桿機構(gòu)中搖桿的極限位置的確定方法相同,很容易找到。圖3.2兩極限位置的確定(2)各桿長度不滿足格拉肖夫判別式,即最短桿與最長桿長度之和大于其它兩桿長度之和。則無論哪個構(gòu)件為機架機構(gòu)均為雙搖桿機構(gòu)。此時,機構(gòu)中沒有整轉(zhuǎn)副存在,即兩搖桿與連架桿及連之間的相對轉(zhuǎn)動角度都小于360°。3.1.3四桿位置和尺寸的確定圖3.3極為位夾角為0°的兩極限位置由電扇電動機轉(zhuǎn)速n=1450r/min，電扇搖頭周期T=10s。電扇擺動角度ψ=80o與急回系數(shù)k=1.01的設計要求,可知,急位夾角為180°*(K-1)/(K+1)=0.9°很小,視為0°,如圖3.3所示BC,CD共線,先取搖桿LAB長為260,確定AB的位置,然后讓搖桿AB逆時針旋轉(zhuǎn)80°,即A′B′,再確定機架AD的位置,且LAD取90,注:AD只能在搖桿AB,A′B′的同側(cè)。當桿AB處在左極限時,BC,CD共線,LBC與LCD之和可以得出,即LBC+LCD=309.1①當AB處在右極限時,即圖中A′B′的位置,此時BC,CD重疊,即LC′D′-LB′C′=263②,由①,②式可得LBC為23,LCD為286.1,B點的運動軌跡為圓弧BB′.LBC+LcD=305.25<LAD+LAB=306滿足格拉肖夫判別式,且取最短桿BC的對邊AD為機架,符合第一類平面雙搖桿機構(gòu)。3.2傳動部分設計3.2.1傳動比的分配電風扇的電動機大多數(shù)采用電容運轉(zhuǎn)式交流單相異步電動機，主要由定子、轉(zhuǎn)子、蓋等組成。其設計規(guī)定轉(zhuǎn)速n=1450r/min,搖頭周期T=10s，可得減速機構(gòu)采用二級轉(zhuǎn)速，由此可以把傳動比分配給蝸輪蝸桿與齒輪傳動,其中,第一級蝸渦輪蝸桿的傳動比i1=w1/w2=75，第二級齒輪的傳動比i2=w2/w3=3.2.2蝸輪蝸桿機構(gòu)蝸輪蝸桿機構(gòu)又稱蝸桿傳動機構(gòu),由蝸桿及蝸輪組成,主要用于傳遞兩交錯軸間的傳動及動力的空間嚙合傳動裝置,通常兩軸的交錯角為90°。蝸桿是具有梯形螺紋或接近梯形螺紋的螺桿,而蝸輪則是開式螺母,所以蝸桿傳動可以看成為螺桿螺母的傳動。蝸桿傳動具有以下特點:1)傳動比大,結(jié)構(gòu)緊湊.一般可實現(xiàn)i12=10~100;2)傳動平穩(wěn),無噪聲,其承載能力強;3)反行程具有自鎖性.4)傳動效率較低,磨損較嚴重。3.3.2蝸輪蝸桿機構(gòu)的幾何尺寸計算蝸桿軸向模數(shù)（蝸輪端面模數(shù)）mm=2傳動比ii=75蝸桿頭數(shù)z1z1=1蝸輪齒數(shù)z2z2=iz1=75蝸桿直徑系數(shù)（蝸桿特性系數(shù)）qq=d1/m=9中心距aa=(d1+d2)/2=84蝸桿分度圓導程角γγ=arctan（z1/q）=mz1/d1=6.34°蝸桿節(jié)圓柱導程角γ′γ′=arctan（z1/(q+2x2)）=20.94°蝸桿軸向齒形角αα=20°（阿基米德圓柱蝸桿）蝸桿(輪)法向齒形角αntanαn=tanαcosγ=0.363頂隙cc=c*m=0.2×2=0.4蝸桿蝸輪齒頂高ha1ha2ha1=ha2=ha*m=1/2(da1-d1)=1×2=2(一般ha*=1)蝸桿蝸輪齒根高hf1hf2hf1=hf2=(ha*+c*)m=1/2(d1-df1)蝸桿蝸輪分度圓直徑d1d2d1=qm=9×2=18d2=mz2=150蝸桿蝸輪節(jié)圓直徑d1′d2′d1′=q+m=18d2′=150蝸桿、齒頂圓直徑da1蝸輪喉圓直徑da2da1=d1+2ha1=22da2=d2+2ha2=154蝸桿蝸輪齒根圓直徑df1df2df1=d1-2hf1=13df2=d2-2hf2=145蝸桿軸向齒距pxpx=m=6.283蝸桿軸向齒厚sxsx=0.5m=3.1415蝸桿分度圓法向旋齒高hn1hn1=m=2蝸輪最大外圓直徑da2da2<=da2+1.5m=157蝸輪齒寬bb=0.75da1=15.43.3.3齒輪機構(gòu)選用原則齒輪傳動與其他傳動機構(gòu)相比,有以下優(yōu)點:傳遞運動準確可靠,傳遞的圓周速度范圍較大;傳遞功率范圍可從幾瓦到十萬千瓦;使用效率高,壽命長,結(jié)構(gòu)緊湊;可傳遞在空間任意配置的兩軸之間的傳動。根據(jù)齒輪傳動比i=,以及大小齒輪安裝位置,小齒輪的齒數(shù)小于17容易發(fā)生根切，所以選擇小齒輪齒數(shù)為18.3.3.4齒輪機構(gòu)的幾何尺寸計算分度圓d1d2d1=mz1=36d2=mz2=116齒頂高haha1=ha2==ha*m=2齒根高hfhf1=hf2=(ha*+c*)m=2.5齒高hh1=h2==ha1+hf1=4.5齒頂圓直徑dada1=d1+2ha1=40da2=d2+2ha2=120齒根圓直徑dfdf1=d1-2hf1=31df2=d2-2hf2=111中心距aa=1/2(36+116)=76基圓直徑dbdb1=d1cosα=33.8db2=d2cosα=109齒寬bb1=15mb2=18m

第四章平面連桿機構(gòu)的運動分析4.1概述機構(gòu)運動分析是不考慮引起機構(gòu)運動的外力的影響,而僅從幾何角度出發(fā),根據(jù)已知的原動件的運動規(guī)律,確定機構(gòu)其他構(gòu)件上各點的位移(軌跡)、速度和加速度,或構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度等運動參數(shù)。無論是分析研究現(xiàn)有機械的工作性能,還是優(yōu)化綜合新機械,機構(gòu)運動分析都是十分重要的。4.2平面連桿機構(gòu)的運動分析平面機構(gòu)運動分析的方法主要有圖解法和解析法。圖解法概念清晰、形象直觀。隨著計算機技術(shù)技術(shù)和數(shù)值方法的發(fā)展,不僅解析運算冗繁的困難得以解決,而且采用電算解析法體現(xiàn)出運算速度快,計算精度高的顯著優(yōu)勢。同時經(jīng)過減速后構(gòu)件2連桿的速度也是定值確定四根桿長之后,可知VAB=WABLAB=(80°/180)*260=363mm/s,可得構(gòu)件2頂點C的速度由于電動機的轉(zhuǎn)速是恒定的，可得出渦輪的轉(zhuǎn)速也是恒定的，故構(gòu)件2的上B點的角加速度，故桿2上頂點c的切向加速度為0，只有法向加速度：4.3位置分析由于主動桿件是連桿,所以本文從圖解法考慮,主動桿2從極限位置如圖4.1所示開始,順時針旋轉(zhuǎn)90°,到達圖4.2位置,依次下去,分析如下:圖4.1運動分析的BC起始位置1如上圖所示,AB處在左極限位置,可以得到搖桿AB與機架AD夾角約為130°,用瞬心法求得WAB1/WBC=P12P42/P41P12=0Rad/s(P12與P42重疊)。圖4.2BC順時針旋轉(zhuǎn)90°后的位置2(如上圖所示,BC逆時針旋轉(zhuǎn)90°,可以得到搖桿AB與機架AD夾角為39.5°,用瞬心法求解得,WAB/WBC=P12P42/P41P12=333.2/260，由上面可知WBC=0.628Rad/s,所以求得,WAB=0.8Rad/s。此時角加速度第五章機構(gòu)運動仿真的總體分析5.1Solidworks計算機動態(tài)演示首先，畫出各個機構(gòu)的零件，其次，將零件組裝，再給各個機構(gòu)仿真。1）建立四桿機構(gòu)的仿真如圖5.1所示，四桿機構(gòu)是實現(xiàn)搖頭的關鍵。同時為了齒輪、蝸輪蝸桿等的傳動布置以及風扇等結(jié)構(gòu)，將四缸機構(gòu)制作成如下機架。圖5.1四桿機構(gòu)運動仿真2）建立減速機構(gòu)的仿真如圖5.2所示，減速機構(gòu)包括蝸輪蝸桿機構(gòu)，齒輪機構(gòu)。圖5.2減速機構(gòu)運動仿真通過Solidworks將以上的各個運動副總體運動仿真，下面應用FLASH演示臺式電風扇的搖頭機構(gòu)。制作運動機構(gòu)的各個元件，具體運動情況可觀看Solidworks的仿真，通過對蝸桿軸施加旋轉(zhuǎn)馬達驅(qū)動，觀察其運動狀態(tài)。按照臺式電風扇搖頭機構(gòu)各個狀態(tài)，各元件的不同位置擺放。圖5.9運動的幾種狀態(tài)如上為風扇搖頭的左右極限位置模擬，看見三維效果比較好，適用于立體機構(gòu)的仿真。5.2基于ANSYS的受力分析由于風扇的支架承受大部分零件、傳動系統(tǒng)的重量，所以其承受能力是非常重要進行考慮的，否則支架容易發(fā)生磨損、坍塌等現(xiàn)象。利用solidworks軟件將材料設定為普通碳鋼，將機架部分進行壓縮，初步估算零部件的總體重量。整體重量約9.5千克，考慮其受力不均的影響，將其認為為15千克力加載在支架上。通過將模型轉(zhuǎn)成x_t格式文檔，導入ansys軟件中。5.2.1ANSYSworkbench主要分析步驟定義幾何模型在有限元分析中，有兩種方法可以建立幾何模型。一種是在其他軟件中建立所需的三維模型，然后將其轉(zhuǎn)換為x-t格式，并導入相應ANSYSworkbench的仿真模塊進行有限元分析；二是直接建立ansysworkbench軟件所需的仿真模型。兩種方法都能滿足用戶的需求，用戶可以根據(jù)自己的需求進行合理的設計。網(wǎng)格單元劃分進行ANSYSworkbench有限元仿真時，需要對仿真的結(jié)構(gòu)進行合理的網(wǎng)格單元劃分，以保證仿真結(jié)果的真實性和準確性。比較常用的劃分網(wǎng)格單元的方法有兩種形式，一是選擇自動劃分的方法，此時計算機數(shù)值模擬系統(tǒng)會根據(jù)輸入模型的尺寸和配合形式進行合理的自動劃分，用戶不用考慮不同零部件的單獨劃分；第二，選擇不同形態(tài)的網(wǎng)格單元。例如四邊形單元、六邊形單元、多邊形單元等，根據(jù)結(jié)構(gòu)的復雜性和協(xié)作關系，不同部分的單元劃分不同。施加邊界條件ANSYSworkbench在完成網(wǎng)格劃分后需要對模型施加邊界條件，以確保仿真結(jié)構(gòu)是最真實的模擬其所承受的工況條件，主要的邊界條件包括力、載荷、加速度、約束等等，這也是為后續(xù)求解奠定了基礎。求解求解是有限元仿真的最后一步，也是至關重要的一步，通過設置需要仿真的參數(shù)可以得到相應的仿真結(jié)果，主要仿真參數(shù)包括整體變形、應力、應變、安全系數(shù)等等，用戶可以直觀的看到模型在不同工況條件下的仿真分析結(jié)果。在有限元分析中，在其他軟件中建立所需的三維模型，然后將其轉(zhuǎn)換為x-t格式，并導入相應ANSYSworkbench的仿真模塊進行有限元分析.5.2.2分析過程支架的材料設置為45鋼，材料的彈性模量、泊松比和密度如表5.1所示。表5.1鋼軌材料屬性參數(shù)材料彈性模量泊松比密度45209GPa0.2697890kg/m3網(wǎng)格單元劃分。設置好支架材料后，雙擊主界面Geometry，然后點擊Generate按鈕，可以看到導入進去的支架模型，如圖所示。雙擊主界面Modal，設置支架的網(wǎng)格劃分方法為自動劃分，網(wǎng)格單元的大小設置為默認尺寸，相關度設置為100。網(wǎng)格劃分的單元個數(shù)為5527，節(jié)點數(shù)為10762，支架網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。對底面施加固定約束，對頂部支架的機架板和孔壁分別施加150N的載荷大小，后處理結(jié)果。對支架的機架板結(jié)構(gòu)進行有限元靜力分析，得到支架的整體變形、應力，其仿真結(jié)果如下所示。頂板施加載荷由圖可知，支架的最大應力發(fā)生在頂部橫梁的位置，其最大應力為28.8MPa，因為選擇的材料是45強，所以根據(jù)數(shù)據(jù)，45強的最小屈服應力是355MPa。28.8MPa<355MPa，最大應力遠小于屈服應力，支架設計強度滿足設計要求，如圖所示，支架最大變形發(fā)生在頭部（受力處），支架中間部分變形幾乎相同，其最大變形均為0.06mm，變形量相對于支架本身的尺寸可以忽略不計。因此，支架強度和剛度符合設計要求。支架變形位移分析結(jié)果支架應力分析結(jié)果孔壁施加載荷由圖可知，支架的最大應力發(fā)生在頂部橫梁與孔壁頭部的位置，其最大應力為68.764MPa，因為選擇的材料是45強，所以根據(jù)數(shù)據(jù)，45強的最小屈服應力是355MPa。68.764MPa<355MPa，最大應力遠小于屈服應力，支架設計強度滿足設計要求，如圖所示，支架最大變形發(fā)生在頭部（受力處），支架中間部分變形幾乎相同，其最大變形均為0.1693mm，變形量相對于支架本身的尺寸可以忽略不計。因此，支架強度和剛度符合設計要求。支架變形位移分析結(jié)果支架應力分析結(jié)果5.3基于ANSYS的模態(tài)分析5.3.1模態(tài)分析基本理論（1）模態(tài)分析理論根據(jù)振動理論，多自由度系統(tǒng)將一定固有頻率振動時的振動形式稱為模態(tài)，此時系統(tǒng)各點的位置具有一定的比例關系，稱之為固有振動模式，無論使用何種阻尼，機械結(jié)構(gòu)的對外力響應都是固有頻率的響應。由有頻率、阻尼比和振型等模式參數(shù)組成各階模式。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)振動特性設計的核心，它主要適用于復雜結(jié)構(gòu)的多自由度系統(tǒng)，也是結(jié)構(gòu)動力學研究的重要分析方法，其核心內(nèi)容是固有頻率，確定阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)來描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性，了解結(jié)構(gòu)固有頻率，在設計和改進過程中可以發(fā)生共振，同時可以得到彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的分布情況。構(gòu)架模態(tài)分析的意義為了使與結(jié)構(gòu)連接的零件正常工作，結(jié)構(gòu)必須具有一定的剛度。結(jié)構(gòu)強度應與彈簧裝置的強度結(jié)合考慮，以獲得良好的驅(qū)動性能。在結(jié)構(gòu)的設計和分析中，一般通過模態(tài)分析來研究結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)的模態(tài)計算為新型軌道結(jié)構(gòu)的設計和改造提供了非常重要的理論依據(jù)。通過模態(tài)分析可以測試實際頻率，比較和診斷結(jié)構(gòu)的故障和風險。固有頻率是系統(tǒng)的固有特性，它只涉及系統(tǒng)本身的質(zhì)量和剛度。系統(tǒng)的慣性力和阻尼力與模態(tài)分析的動力學方程密切相關。平衡方程如下。（5-1）式中:——結(jié)構(gòu)質(zhì)量陣；——結(jié)構(gòu)阻尼陣；——結(jié)構(gòu)剛度陣；——結(jié)構(gòu)的載量；——加速度列量；——速度列變量；——位移列變量。模態(tài)分析的基本步驟如下：（1）建立有限元模型；（2）定義邊界條件并施加載荷；（3）進行設置，擴展模態(tài)并求解；（4）觀察結(jié)果和后處理。模式分析的典型定義是將線性定常系統(tǒng)振動微分方程中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，并將形成模態(tài)坐標和模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，從而獲得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，坐標變換的轉(zhuǎn)換矩陣是模態(tài)矩陣，每列是模態(tài)陣型。5.3.2分析過程本章主要是對風扇的搖頭機構(gòu)進行模態(tài)分析，以此來驗證搖頭機構(gòu)在正常工作過程中具有較好的振動特性，不會發(fā)生共振的現(xiàn)象，搖頭機構(gòu)的六階模態(tài)分析結(jié)果如圖所示。（a）第一階振型（b)第二階振型(c)第三階振型(d)第四階振型(e)第五階振型(f)第六階振型通過六階模態(tài)分析完成了風扇的搖頭機構(gòu)的有限元模態(tài)分析，得出風扇的搖頭機構(gòu)的一階固有頻率為390.14hz，其工作頻率與固有頻率相差甚遠。因此，風扇的搖頭機構(gòu)在工作過程中不會產(chǎn)生共振，證明了設計的合理性。5.4基于ADAMS的運動分析5.4.1前處理設置定義將三維模型存為x_t格式存入Adams中，由提前定義好的裝配關系，約束條件同樣也會存入Adams中，方便進行編輯。首先通過布爾操作將零件進行處理、刪除、更名等，然后以中間支架作為承載齒輪副共同速度標記點的載體，分別施加其與蝸桿、渦輪、大齒輪的轉(zhuǎn)動副，同時對于連桿機構(gòu)施加底部支架與中間支架、搖桿及搖桿與連桿的轉(zhuǎn)動副，對于支架施加固定副使其充當大地，然后對其中零件具有共同轉(zhuǎn)動的（通過鍵、過盈配合連接的零件）施加固定副，完成對風扇搖頭機構(gòu)的設置。如下：對于蝸桿軸施加轉(zhuǎn)速為1450r/min的勻速驅(qū)動，將其轉(zhuǎn)為角速度的大小，即303.6°/s，然后以兩個周期20s進行運動仿真：通過ADAMS的后處理分析，可以通過在指定點施加指定形式的測量可得，根據(jù)前文的研究，建立本文的機構(gòu)原理簡圖：5.4.2結(jié)果分析首先觀察風扇中心點的位移變化與角速度，中心點的位置控制在3mm之內(nèi)，隨著一個搖頭周期，呈現(xiàn)兩次上升兩次下降的趨勢，同時可見中心點的角速度大小約在5.3rad/s左右上下波動，隨著風扇從右極限位置轉(zhuǎn)動到左極限位置，角速度先下降后上升然后再下降，同時隨搖頭運動呈現(xiàn)周期性變化。位移變化曲線