课程设计说明书

机械原理课程设计说明书

摇头装置

设计者：xxx

学号：xxxxx

院系：工学院机械工程及自动化

班级：机械三班

同组人：xxxx

指导教师：xxx

时间：xxxxxx

·目录·

一．设计题目……………………………………

二．设计任务……………………………………

三．设计提示……………………………………

四．功能分解……………………………………

五．机构选用……………………………………

减速机构设计……………………………

离合机构设计……………………………

摇头机构设计……………………………

凸轮机构设计…………………………………

动力机构设计……………………………

俯仰运动（支座）………………………

六．机构组合设计………………………………

七．传动方案设计及计算………………………

八．方案对比及评价……………………………

九．设计体会……………………………………

十．参考资料……………………………………

一．设计题目

设计台式电风扇的摇头机构，使电风扇作摇头动作（在一定的

仰角下随摇头摆动）。图1所示为电风扇的外形图。

图1电风扇外形图

风扇的直径为300mm，电风扇电动机转速n=1450r/min，电风

扇摇头周期t=10s。电风扇摆动角度、仰俯角度与急回系数K的设

计要求及任务分配见下表1。

表1台式电风扇摆头机构设计数据

电风扇摇头转动电风扇仰俯转动

方案号

摆角

ψ

（。）

急回系数K

仰角

φ

（。）

A801.0110

B851.01512

C901.0215

D951.02520

E1001.0322

F1051.0525

我选择方案E作为设计数据，摆角为

ψ

=100。，急回系数K为

1.03。

二．计划任务

（1）按给定的主要参数，拟定机械传动系统总体方案。

（2）画出机构运动方案简图。

（3）分配蜗轮蜗杆、齿轮传动比，确定它们的基本参数，设计

计算几何尺寸。

（4）确定电风扇摇摆转动的屏幕、平面连杆机构的运动学尺寸，

它应满足摆角及急回系数K条件下使最小传动角最大。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。

三．设计提示

（1）常见的摇头机构有杠杆式、滑板式和揿拔式等。可以将电

风扇的摇头动作分解为风扇左右摆动和风扇上下俯仰运动。风扇要摇

摆转动克采用平面连杆机构实现。以双摇杆机构的连杆作为主动件

（即风扇转子通过蜗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）。机架可取80~90

mm。风扇的上下俯仰运动可采取连杆机构、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。

四．功能分解

显然为完成风扇左右俯仰的吹风需要实现下列运动功能要求：

在扇叶旋转的同时扇头能左右摆动一定的角度，因此，需要设计相应

的功能的摆动机构。我设计方案为双摇杆机构。

为实现风扇的可摇头，可控摇头的吹风过程。因此必须设计相

应的离合器机构对电风扇进行控制。针对此我所应用的方案为滑销离

合器机构。

扇头的仰俯角调节，这样可以增大风扇的吹风范围。因此需要

设计扇头俯仰角调节机构。在我设计的方案中为外置条件手动按钮。

五．机构的选用

驱动方式采用电动机驱动。为完成风扇的左右俯仰的吹风过程，

据上述功能分解，可以分别选用以下机构。如下表一：

执行机构功能执行构件工艺动作

锥齿轮机构减速减速构件周向运动

离合机构执行摇头滑销上下运动

双摇杆机构左右摆动连杆左右往复运动

凸轮机构辅助左右摆动凸轮周转运动

滑块机构俯仰撑杆上下运动

表一：机构选型表

1．减速机构的设计

图2：锥齿轮减速机构

减速机构：在此我采用一对锥齿轮来实现减速，锥齿轮可以用

来传递两相交的运动，相比其他的减速机构而言成本较低，而且锥齿

轮有比较稳定的传动比。

2．离合器的设计和选用

图3离合器机构

离合器机构：用了一个滑销离合器实现风扇是否摇头的控制。通

过齿轮轴的上下移动实现滑销离合器的结合与断开，同时也伴随锥齿

轮之间的连接与脱离，实现了对电风扇摇头动作的控制。在脱离时，

运动不能传到摇头装置，因而此时风扇不能左右摇头；相反，当连接

时，通过锥齿轮的传动动力，带动摇头装置的运动，这样就实现了风

扇左右摇头的控制。

3．凸轮机构

图4凸轮机构

4．摇头机构的设计及选用

图5：摇头机构

摇头装置：通过离合器将运动传到凸轮，以此作为动力带动四杆

机构的运动，通过双摇杆四杆机构的运动完成实现风扇的左右摇头运

动。

5．动力机构（电动机）

图6电动机

电动机参数：

额定电压220v输入总功率55W额定电

流0.3A额定频率50HZ

6.俯仰装置

图7：外置手调俯仰角按钮图

设计一个外置手调俯仰角按钮，将其置于风扇立柱与扇头相接

处，顺时针转动调节为增大仰角，逆时针旋转为增大俯角。可以任意

的对电风扇俯仰角进行手动调节。

六．机构组合设计（见图9）

我设计的摇头风扇组合由电机、锥齿轮机构、摇头连杆机构、

离合机构及扇叶等组成。具体可以分为：

1．减速机构：采用锥齿轮机构实现，用电机轴高速旋转的降速

来带动曲柄摇杆机构的摇头转动。

2．摇头机构：将电机输出的转动经过双摇杆连杆传动机构，最

终转化为扇头的摆动。

3．控制机构：由一个滑销离合器实现风扇是否摇头的控制。曲

柄齿轮轴的上下移动实现了滑销离合器的结合与断开。同时也伴随锥

齿轮与脱离，实现了摇头动作的控制。

4．扇叶旋转：扇叶直接安装于电动机主轴之上，可实现其高速

旋转运动。

5．俯仰运动：设计了一个外置手调俯仰角按钮，将其置于风扇

立柱与扇头相接处，顺时针转动调节为增大仰角，逆时针旋转为增大

俯角。

七．传动方案的设计及计算

经过电动机的运转，所有动力都来源于电动机，在经过一对锥

齿轮的传动，实现减速将动力传给摇头机构，在由一个锥齿轮将动力

传到凸轮机构上，最后传到双摇杆机构实现左右摇头运动。滑销离合

器实现风扇摇头的控制，当滑销下滑实现摇头，上提则停止摇头。外

置手调俯仰角按钮置于风扇立柱与扇头相接处，顺时针转动调节为增

大仰角，逆时针旋转为增大俯角。

计算：（1）根据速比系数K计算极位角

θ

。

由式1

1_

180

+

°=

K

K

θ

知，其中K=1.025

（2）选择合适的锥齿轮齿数

由齿轮传动比i

12

=w

1

/w

2

=z

2

/z

1，即可求得用于减速的锥齿轮2

的齿数，最终要达到将1450r/min的转数降至10r/min的转数的目的。

而在设计时，齿轮3和齿轮2的齿数可以设计成相同，也就是传动比

为1，齿轮3只是用于将传动动力由竖直转成水平方向。

（3）凸轮的轨道设计

图8：凸轮轨迹的展开图

八．方案的对比及评价（最后的组合方案）

图9：组合图（方案一）

图10：组合对照立体图

我设计的是方案一，它最大的特点是它只采用一对锥齿轮机构

就实现了改变和减速作用。采用锥齿轮机构可以使扇头结构紧凑，有

确定的传动比等优点。其次，采用滑销离合器实现是否摇头控制，结

构比较简单，使用方便，经济又实惠，还有制作起来也比较的简单。

同时，采用双摇杆机构实现扇头的左右摆动，可以实现较大范围的转

动。制作起来经济且精度要求不是很高便于制造。我自己认为我的设

计不足之处是电风扇的俯仰运动要靠手动来调节，在此我采用的是外

置手调俯仰角按钮，不过实际操作起来也很简单，他可根据自己的需

要来任意角度的调节俯仰角。

图11组装图（方案二）

对于方案二，此方案的特点是它采用两对普通的直齿圆柱齿轮

机构就实现了减速作用，圆柱直齿轮易于制造，有确定的传动比等优

点。其次，采用滑销离合器实现是否摇头控制，结构比较简单，使用

方便，经济又实惠，还有制作起来也比较的简单。而且圆弧轨道的制

造也很容易。

缺点：电风扇的俯仰运动要靠手动来调节，在此我采用的是外

置手调俯仰角的旋钮。此外如果风扇的摆角需要很大的时，所需的圆

弧轨道长，所需的空间大。

图12：为风扇运动机构简图（方案三）

1-同步电机；2-曲柄；3-俯仰连杆；4-俯仰摇杆（兼风扇电机架）；

5-扇叶；6-主电动机；7-蜗杆；8-蜗轮（偏心轮）；9-左右摇头摇杆。

对于方案三，我觉得用了两个电动机，虽然运动较为简单化了，

可是在加工制作时两个电动机的位置不好排版，还有就是用了两个电

动机振动肯定会加大，产生一定的噪音。另外此方案由于蜗轮蜗杆啮

合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦磨损大，传动效率低，易出现发

热现象，常需要用较贵的减磨耐磨材料来制作涡轮，结构比较的复杂，

制作精度要求高，使用的工具费用昂贵，成本高。两个电动机的使用，

增加了制造成本，比较耗能，连杆机构有急回性质，摇头速度不均匀，

所占空间比较大，影响视觉美感。

综合考虑，最后我选择方案一作为此次设计的最后方案。

九．设计体会

这次设计经历了一个多星期，在这段时间里我各方各面都得到

了训练，对机械原理更加深入了解，使我们的阅历增加了很多。我们

通过自己亲手设计摆脱了以往书本上学习的约束。

这次设计使我们明白了想要做好课程设计必须要有深厚的基

础，不然做起来真的很麻烦，设计刚开始时因为基础不牢固我们走了

很多的弯路。这次设计成功后，我仿佛经过了一次长途旅程到达终点，

感觉眼前一亮，特别的舒服。这次设计让我明白干任何事都要有耐心，

要仔细，课程设计有很多次让我感到心烦，但我们还是坚持下来了。

短短一周课程设计，使我们发现了自己掌握的知识如此缺乏，

自己综合应用所学的专业知识能力如此不足，以后我会更加努力学

习。机械原理课程设计是我们较全面系统的掌握和深化机械原理课程

的基本原理和方法的重要环节，是培养我们学生机械运动方案设计创

新设计和应用计算机对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的

一门课程。

经过这几天的学习，让我们初步了解了机械设计的全过程，可

以初步的进行机构选型组合和确定运动方案；使我们将机械原理课程

各章节的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深了所学的理论

知识；并对动力分析与设计有了一个较完整的概念；培养了我们综合

运用所学知识，理论联系实际独立思考与分析问题的能力和创新的能

力。

在这几天的机械设计中，我们深感自己的不足，认识到理论与

实际的差别，只要理论与实际相结合，充分发展多动手，多进行锻炼，

才能终有所得。

机械原理课程设计结合一种简单机器功能分析、工艺动作确定、

执行机构选择、机械运动方案评定、机构尺寸综合、机械运动方案设

计等，使我们学生通过一台机器的完整的运动方案的设计过程，进一

步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，对分析、运算、绘

图、文字表达及技术资料查询等诸方面的独立工作能力进行初步的训

练，培养理论与实际相结合、应用计算机完成机构分析和设计的能力，

更为重要的是培养开发和创新能力。机械原理课程设计在机械类学生

的知识体系训练中，具有不可替代的重要作用。

在此设计中，小组各成员之间积极配合、共同努力，在加深了

对专业理解掌握的同时，也加深了我们的友谊，与此同时，我们也学

会了运用自己所学的知识用于实践生活中，更好的知道我们学习。

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.《机械原理设计课程设计指导书》裘建新主编

高等教育出版社