畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-自動(dòng)展開曬衣架設(shè)計(jì)

前言1.1選題背景及研究意義 隨著生活品質(zhì)的提升，人們對智能家居的感興趣程度逐漸增加，自動(dòng)展開曬衣架屬于智能家居的一部分。然而日常生活中，人們使用的普遍仍是傳統(tǒng)類型的曬衣架，例如晾曬時(shí)自行牽曬衣繩或安裝晾曬桿。傳統(tǒng)的曬衣架僅有單一的支撐衣物功能，當(dāng)天氣發(fā)生變化時(shí)，并不能自動(dòng)感應(yīng)伸縮進(jìn)室內(nèi)，不能滿足人們對使用方便、加速晾干、管理衣物等使用舒適度的追求，且由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的限制，當(dāng)天氣狀況發(fā)生變化時(shí)，往往需要人工晾收，這必然耗時(shí)耗力，不符合現(xiàn)代化生活的需求，嚴(yán)重限制了曬衣架的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)曬衣架不能滿足市場環(huán)境和居民需求的變化，因此研究可自動(dòng)展開的曬衣架具有重要的實(shí)際用途。通過設(shè)計(jì)出一款可實(shí)現(xiàn)伸縮、升降動(dòng)作的自動(dòng)展開曬衣架，該曬衣架具備手動(dòng)和自動(dòng)兩種切換狀態(tài)，以完成適應(yīng)環(huán)境變化和惡劣天氣可自動(dòng)收縮進(jìn)室內(nèi)的任務(wù)要求，以此來減輕人工作業(yè)量，方便人們的生活，契合新時(shí)代年輕人對便捷化、時(shí)尚化、智能化的潮流追求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)今社會(huì)生活節(jié)奏快，住戶常不居家、陽臺(tái)空間不足問題突出，日常室內(nèi)家居環(huán)境進(jìn)行晾曬衣物成為快節(jié)奏生活的今天的難題。盡管在清洗衣物過后部分群體會(huì)選擇使用烘干機(jī)對衣物進(jìn)行烘干，但烘干機(jī)占用空間且烘干衣物的種類受限，國內(nèi)大多數(shù)家庭仍選擇自行晾曬的方式晾曬衣物。而自行晾曬的方式會(huì)出現(xiàn)暴雨暴曬天氣無人在家時(shí)不能及時(shí)晾收的不足，基于此，國內(nèi)外對曬衣架的多功能化關(guān)注度越來越高，并涌現(xiàn)出米家、好太太、歐蘭特等國內(nèi)晾衣架主要品牌的公司。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對不同應(yīng)用場景對曬衣架做了各種各樣的研究。曬衣架主要分為手動(dòng)式和自動(dòng)式，手動(dòng)式曬衣架包括立式曬衣架，其可以直接置于地上。除此之外，傳統(tǒng)的手動(dòng)式曬衣架還可以通過手柄手搖的方式使繞線器旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼絲，實(shí)現(xiàn)衣架的上升與下降。但傳統(tǒng)的手動(dòng)式曬衣架結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、隨用隨收，在衣物較多的情況下較為耗時(shí)耗力，靈活性不足。因此，有不少學(xué)者針對曬衣架的自動(dòng)化做了研究。羅杰勇等（2021）等提出了一種多元控制懸臂式晾衣架的設(shè)計(jì)與制作，其剪叉臂靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)伸縮，其結(jié)構(gòu)如圖1.1REF_Ref28262\r\h[1]。謝浩源等（2020）提出了一種基于STM32的智能晾衣架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其矩形框架支架還可通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的位置調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖1.2REF_Ref28660\r\h[2]。白福由等（2021）提出了一種智能翻轉(zhuǎn)式晾曬裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其晾曬裝置通過齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)衣架的前后上下四個(gè)方位的移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖1.3。其中圖1.3中各序號(hào)1-8分別表示為：底座、太陽能板、葉扇、曬衣板、曬衣桿、滾輪、消毒裝置和電機(jī)REF_Ref28728\r\h[3]。這三種曬衣裝置彌補(bǔ)了大多數(shù)曬衣架當(dāng)場手工操作的不足，維護(hù)較為簡便，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，但是其大量占用陽臺(tái)空間，可拓展面相對狹窄。圖1.1懸臂式晾衣架REF_Ref28262\r\h[1]圖1.2智能晾衣架REF_Ref28660\r\h[2]圖1.3智能翻轉(zhuǎn)式晾曬裝置REF_Ref28728\r\h[3]李東亞等（2015）提出了一種可伸縮式自動(dòng)晾衣架的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其機(jī)械臂采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，即依靠齒輪帶動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)而確定吊鉤的位置，其結(jié)構(gòu)如圖1.4REF_Ref29013\r\h[4]。魯楊洋等（2020）提出了一種多功能智能晾曬裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析，其主體采用導(dǎo)槽滑軌式結(jié)構(gòu)，依靠傳動(dòng)輪帶動(dòng)滑軌在導(dǎo)槽內(nèi)水平移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)伸出與收回，其結(jié)構(gòu)如圖1.5REF_Ref29049\r\h[5]。這兩種結(jié)構(gòu)較為巧妙，但是其只在水平方向一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，不能在垂直方向做升降動(dòng)作，對兒童老人等存在身高劣勢的人群提高了操作難度。圖1.4可伸縮式自動(dòng)晾衣架REF_Ref29013\r\h[4]圖1.5多功能智能晾曬裝置REF_Ref29049\r\h[5]林偉鐸等（2021）提出了一種開閉式衣架轉(zhuǎn)動(dòng)版設(shè)計(jì)研究，它的工作原理是利用轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)衣服轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)快速烘干，其結(jié)構(gòu)如圖1.6。其中圖1.6中各序號(hào)1-6分別表示為：衣架掛鉤、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、開閉部分、左右臂桿、支撐臂桿和晾衣桿REF_Ref29251\r\h[6]。袁宏常等（2018）提出了一種風(fēng)干式折疊衣架，其將衣架主體鏤空，且吹風(fēng)機(jī)配置到衣架頂部加速空氣流動(dòng)REF_Ref29287\r\h[7]。這兩種裝置結(jié)構(gòu)簡單、材質(zhì)輕巧，但晾曬容量較低，承重不大，需要購置多個(gè)才能滿足日常生活的使用。圖1.6開閉式衣架REF_Ref29251\r\h[6]此外，國內(nèi)還有不少其他學(xué)者提出了結(jié)構(gòu)類別不同的曬衣架裝置。姜浩磊等（2020）通過對自動(dòng)旋轉(zhuǎn)晾衣架功能的研究，提出了一種多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)晾衣架設(shè)計(jì)與實(shí)踐，通過模塊化理念設(shè)計(jì)了圓盤式晾衣臺(tái)REF_Ref29538\r\h[8]。李彪恒等（2020）提出了一種基于絲桿伸縮機(jī)構(gòu)的樹形晾衣架設(shè)計(jì)，通過有限元分析綜合分析了主要受力部件曬衣桿在預(yù)設(shè)載荷下的應(yīng)力情況REF_Ref29571\r\h[9]。王妙玉等設(shè)計(jì)了一種伸縮托架，該伸縮托架收縮后位于晾衣機(jī)主機(jī)的底部。采用剪叉臂的伸縮機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，收攏狀態(tài)時(shí)節(jié)約空間，如圖1.7和1.8所示。其中圖1.7和1.8中各序號(hào)分別表示：10主機(jī)、20伸縮托架、21第一連接桿、22第二連接桿、23第三連接桿、24第一支撐桿、25第二支撐桿、30晾衣桿、40第一滑軌、60第二滑軌REF_Ref28277\r\h[10]。圖1.7伸縮托架展開示意圖REF_Ref28277\r\h[10]圖1.8伸縮托架收攏示意圖REF_Ref28277\r\h[10]當(dāng)然，也有不少國外學(xué)者針對曬衣架的自動(dòng)化提出了不同的結(jié)構(gòu)。DeborahMuseCarty（2007）提出了一種適合個(gè)人使用的衣架，其依靠一個(gè)附加的水平桿懸掛附加的衣物，其結(jié)構(gòu)如圖1.9。其中圖1.9中各序號(hào)分別表示為：12掛鉤、14上衣吊架框架構(gòu)件、16衣襪橫桿和18附加橫桿REF_Ref29653\r\h[11]。HadiHalawani（2021）提出了一種蒸氣衣架，其依靠多個(gè)可伸縮管道和蒸氣孔保持衣物的新熨燙外觀，其結(jié)構(gòu)如圖1.10。其中圖1.10中各序號(hào)分別表示為：102主體、103儲(chǔ)水層、104蒸氣孔、106填隙物、108儲(chǔ)能裝置、109控制器、110可折疊鉤、112端蓋REF_Ref29685\r\h[12]。JosephT.Gubbrud（2011）提出了一種可移動(dòng)隱藏式衣架，其依靠伸縮纜線使吊桿能下降到手能夠夠到的位置，其結(jié)構(gòu)如圖1.11。其中圖1.11中各序號(hào)分別表示為：10定位支架、11安裝底座、12支撐臂、20衣架單元、21懸掛桿、31可伸縮裝置、32加長元件、33驅(qū)動(dòng)裝置、311操作軸、312電動(dòng)裝置、313控制開關(guān)、313’遙控器、314驅(qū)動(dòng)輪、315驅(qū)動(dòng)桿、321伸縮電纜、331殼體REF_Ref29724\r\h[13]。但這三種衣架結(jié)構(gòu)只適合于室內(nèi)使用，若置于室外當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)容易由于不穩(wěn)定而晃動(dòng)。圖1.9個(gè)人使用的衣架REF_Ref29653\r\h[11]圖1.10蒸氣衣架REF_Ref29685\r\h[12]圖1.11可移動(dòng)隱藏式衣架REF_Ref29724\r\h[13]1.3本文的研究內(nèi)容本文圍繞一種自動(dòng)展開曬衣架為設(shè)計(jì)對象，使其可以在室內(nèi)家居環(huán)境使用，且該曬衣架尤其適合應(yīng)用于陽臺(tái)空間不足、住戶常不居家的狀況；要求可實(shí)現(xiàn)伸縮、升降動(dòng)作；具備手動(dòng)和自動(dòng)兩種切換狀態(tài)；可適應(yīng)環(huán)境變化，在惡劣天氣可自動(dòng)收縮進(jìn)室內(nèi)；自動(dòng)展開曬衣架總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易。本文的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)主要有：第1章介紹了本課題的選題背景及研究意義，曬衣架的國內(nèi)和國外發(fā)展現(xiàn)狀。第2章詳細(xì)介紹了自動(dòng)展開曬衣架的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行方案的比較，選擇了一種最優(yōu)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。第3章對自動(dòng)展開曬衣架的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，確定各機(jī)構(gòu)的具體尺寸。第4章對晾衣架的主要零件進(jìn)行了有限元分析，以確保其可以調(diào)整、維護(hù)容易，結(jié)構(gòu)剛度滿足實(shí)際要求。第5章對本文所完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行了歸納，并對本文中存在的問題及有待完善之處做了簡單的闡述，為以后的研究指明了方向。2總體方案設(shè)計(jì)2.1需求分析以現(xiàn)有曬衣架為參考，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)展開曬衣架，要求其可以在室內(nèi)家居環(huán)境使用，尤其適合應(yīng)用于陽臺(tái)空間不足、住戶常不居家的狀況。還要求可實(shí)現(xiàn)伸縮、升降動(dòng)作。另外需具備手動(dòng)和自動(dòng)兩種切換狀態(tài)。可適應(yīng)天氣狀況變化，如在惡劣天氣可自動(dòng)收縮進(jìn)室內(nèi)。自動(dòng)展開曬衣架總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易。 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求：可實(shí)現(xiàn)伸縮、升降動(dòng)作，有一定的承載能力；收縮狀態(tài)總體尺寸為；伸長后末端承載12kg以上。2.2總功能與子功能分析 根據(jù)需求分析可知，自動(dòng)展開曬衣架的總功能是實(shí)現(xiàn)衣物的自動(dòng)晾收。通過對總功能的分析，可以將總功能分解成以下幾個(gè)部分，即垂直升降、水平伸縮、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)三個(gè)子功能。針對垂直升降功能，要求其執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為曬衣架在垂直運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)構(gòu)；針對水平伸縮功能，要求其執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為衣物在陽臺(tái)側(cè)伸出與縮回的主要機(jī)構(gòu)；針對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功能，要求其執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為曬衣架整體空間角度調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)的主要機(jī)構(gòu)。其中各子功能獨(dú)立工作，互不影響。2.3運(yùn)動(dòng)方案選型及評價(jià) 由對各子功能的性能特征進(jìn)行分析可得子功能的方案選擇形態(tài)學(xué)矩陣，如表2.1所示。表2.1子功能的方案選擇形態(tài)學(xué)矩陣功能結(jié)構(gòu)方案123垂直升降絲桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌滑臺(tái)齒輪齒條水平伸縮剪叉臂滑輪+鋼絲繩連桿伸縮機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)錐齒輪傳動(dòng)斜齒輪傳動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)2.3.1方案一針對自動(dòng)垂直升降功能，可以使用絲桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌滑臺(tái)、齒輪齒條三種方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。針對自動(dòng)垂直升降功能，若采用導(dǎo)軌滑臺(tái)方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，如圖2.1所示。在利用導(dǎo)軌滑臺(tái)進(jìn)行垂直升降時(shí)性能會(huì)不及絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫@兩個(gè)機(jī)構(gòu)在垂直安裝時(shí)的承載能力比絲桿機(jī)構(gòu)在垂直安裝時(shí)的承載能力要低，導(dǎo)軌滑臺(tái)更適合在水平方向的移動(dòng)。故不選用導(dǎo)軌滑臺(tái)這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2.1導(dǎo)軌滑臺(tái)傳動(dòng)方式針對自動(dòng)垂直升降功能，若采用齒輪齒條方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，雖然齒輪齒條方式的傳動(dòng)更多地運(yùn)用于手動(dòng)垂直升降功能，但我們可以把此時(shí)的手柄驅(qū)動(dòng)提取出來并改善為蝸輪蝸桿與齒輪齒條傳動(dòng)的升降裝置模型，然后應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的曬衣架的垂直升降機(jī)構(gòu)中。采用蝸輪蝸桿與齒輪齒條傳動(dòng)的方式，這是因?yàn)閱为?dú)的齒輪齒條無法在豎向移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)自鎖，機(jī)械自鎖通常依賴于摩擦力。要使齒輪齒條在垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)自鎖的功能，可以添加一個(gè)蝸輪蝸桿。這是由于蝸輪蝸桿具有自鎖性，從而實(shí)現(xiàn)齒輪齒條傳動(dòng)的自動(dòng)鎖定，如圖2.2所示。但該傳動(dòng)方案缺點(diǎn)較為明顯，其一為齒輪齒條的配合方式磨損較快、壽命較短；其二為該方案的升降距離與齒條的長度有關(guān)，過長的齒條使曬衣架安裝的外殼過大。故不選用導(dǎo)軌滑臺(tái)這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2.2蝸輪蝸桿與齒輪齒條傳動(dòng)方式針對自動(dòng)垂直升降功能，如果采用絲桿傳動(dòng)的方法進(jìn)行傳動(dòng)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，絲桿分為滾珠絲桿和梯形絲桿兩種，這兩種方法都是把轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性位移。其中，滾珠絲桿的工作原理是將螺桿的一端或兩端在軸向上緊固，用電機(jī)帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，沿著絲桿軸線移動(dòng)帶鋼球的螺母，如圖2.3所示。其次，如果沿豎直方向使用滾珠絲杠，那么，在停電的時(shí)候，要考慮不能自我鎖定，要求附加額外的結(jié)構(gòu)或裝置。例如，馬達(dá)上有制動(dòng)器組件，也就是說，當(dāng)斷電時(shí)，可以握住電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，防止其轉(zhuǎn)動(dòng)作為保護(hù)，使螺母保持在原處而不脫落，這是安全的一個(gè)關(guān)鍵因素。另外，滾珠絲杠軸一般是用不銹鋼或者合金鋼，而螺母一般用銅制，因?yàn)殂~可以承受較大的載荷，同時(shí)摩擦系數(shù)小，有一定的自潤滑作用。圖2.3滾珠絲桿傳動(dòng)方式總而言之，要達(dá)到豎直提升的功能，最終采用的是滾珠絲桿傳動(dòng)方式。該運(yùn)動(dòng)階段由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通電后電動(dòng)機(jī)工作，帶動(dòng)絲桿機(jī)構(gòu)工作，從而實(shí)現(xiàn)曬衣架的升降與伸縮。該方案的工作原理為：電動(dòng)機(jī)——絲桿機(jī)構(gòu)——曬衣桿。該過程依靠安裝有電動(dòng)機(jī)的箱體的作用，絲桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)曬衣桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曬衣架晾曬衣物的工作狀態(tài)。2.3.2方案二要實(shí)現(xiàn)水平伸縮功能，可使用剪叉臂、滑輪+鋼絲繩、連桿伸縮機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。針對水平伸縮功能，若采用滑輪+鋼絲繩方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，如圖2.4所示。該方案中采用蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊帶動(dòng)卷線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鋼絲繩在滑輪上滑動(dòng)，鋼絲繩末端固定著曬衣桿，即可實(shí)現(xiàn)曬衣桿的伸縮功能。該方案采用鋼絲繩的方式，鋼絲繩雖具有柔韌性、耐磨的優(yōu)點(diǎn)，但在繞線過程中會(huì)發(fā)生纏繞現(xiàn)象或鋼絲繩斷裂的現(xiàn)象。故不選用滑輪+鋼絲繩這種傳動(dòng)方案。圖2.4滑輪+鋼絲繩驅(qū)動(dòng)方式針對水平伸縮功能，若采用連桿伸縮機(jī)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，如圖2.5所示。該方案中安裝在支架上的推桿一端與交叉杠相連接，當(dāng)該推桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，剪叉桿實(shí)現(xiàn)展開與收攏的狀態(tài)。剪叉桿的末端安裝有限位器，該限位器限制剪叉桿的交叉角度。該連桿伸縮機(jī)構(gòu)雖可實(shí)現(xiàn)剪叉臂的伸縮，但其推桿水平安裝，占用水平方向的空間較大。故不選用連桿伸縮機(jī)構(gòu)方式這種傳動(dòng)方案。圖2.5連桿伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式綜上所述，最終選擇的是水平剪叉臂伸縮機(jī)構(gòu)。該方案可以把此時(shí)的伸縮托架提取出來并改善為水平伸縮剪叉臂裝置模型。該剪叉臂為一組平行的交叉杠，并采用兩桿夾一杠的形式提高穩(wěn)定性，然后應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的曬衣架的水平伸縮機(jī)構(gòu)中，如圖2.6和圖2.7所示。圖2.6為水平剪叉臂收攏示意圖，圖2.7為水平剪叉臂展開示意圖，剪叉型結(jié)構(gòu)便于折疊，占用空間小，結(jié)構(gòu)牢固。其次，要驅(qū)動(dòng)剪叉臂的伸縮，可以采用同步帶滑軌的機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以將剪叉臂收到體積最小，但缺點(diǎn)是推出的瞬間需要的力較大。要驅(qū)動(dòng)剪叉臂的伸縮，亦可采用液壓機(jī)構(gòu)，但液壓機(jī)構(gòu)體積較大、占用空間、不易于安裝在曬衣架上。要驅(qū)動(dòng)剪叉臂的伸縮，最終采用電動(dòng)推桿的執(zhí)行方式，因電動(dòng)推桿體積小、價(jià)格不高，其作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅減少了氣動(dòng)原件，也減輕了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量，且控制較為方便。且與傳統(tǒng)推桿相比，電推桿具有自動(dòng)過載及過載防護(hù)作用，行程控制比傳統(tǒng)的精確平穩(wěn)。該方案的原理為：電動(dòng)推桿接收到執(zhí)行指令后向下推出，使剪叉臂處于收縮狀態(tài)，待衣物掛上后，其再次接收到執(zhí)行指令后向上推回，使剪叉臂處于展開狀態(tài)，即晾曬衣物的狀態(tài)。圖2.6水平剪叉臂收攏示意圖圖2.7水平剪叉臂展開示意圖2.3.2方案三針對自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功能，可以使用錐齒輪傳動(dòng)、斜齒輪傳動(dòng)、四桿機(jī)構(gòu)三種方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。針對自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功能，若采用四桿機(jī)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)?？梢允褂秒p搖桿裝置，當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)至死點(diǎn)，搖桿可在露臺(tái)外安裝作原動(dòng)件，起到伸出窗外的功能需求，如圖2.8所示。圖2.8四桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置示意圖針對自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功能，若采用錐齒輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。其中一個(gè)錐齒輪與一根橫軸相連，橫軸的兩端與軸承相結(jié)合，作為支撐。另一個(gè)錐齒輪與輸出軸連接，從而使輸出軸帶動(dòng)曬衣架整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2.9所示。圖2.9錐齒輪傳動(dòng)方式示意圖針對自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功能，若采用斜齒輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。在此，小齒輪的安裝軸與馬達(dá)相連；大齒輪的安裝軸兩端裝有軸承，使其與曬衣架的外殼固定在一起。馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使曬衣架整體旋轉(zhuǎn)，如圖2.10所示。綜上所述，最終確定采用斜齒輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。圖2.10斜齒輪傳動(dòng)方式示意圖

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出于實(shí)用性和多功能性等方面的考慮，自動(dòng)展開曬衣架由三部分組成，即垂直升降機(jī)構(gòu)，水平伸縮機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其整體懸掛安裝在陽臺(tái)的天花板上。在垂直升降方面，由電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)輸出軸依靠聯(lián)軸器與絲桿軸連接。絲桿軸下端由軸承固定在外殼上，軸承通過鎖定螺母固定防止松脫，絲桿軸上端也由軸承固定。絲桿軸上安裝由絲桿螺母，絲桿螺母上安裝有支撐板，當(dāng)螺母上下移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)支撐板的移動(dòng)。在水平伸縮方面，由電動(dòng)推桿輸出動(dòng)力，電動(dòng)推桿的工作使得剪叉桿能夠伸展和收回。為了確保穩(wěn)定性，采用一組平行的剪叉結(jié)構(gòu)，通過中間的曬衣桿連接在一起。剪叉桿之間的節(jié)點(diǎn)通過銷釘固定，剪叉臂末端的剪叉桿長度是其余剪叉桿長度的一半。在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方面，由于旋轉(zhuǎn)過程要求速度慢和傳動(dòng)平穩(wěn)，故由減速電機(jī)輸出動(dòng)力。通過控制減速電機(jī)的開停達(dá)到齒輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)的目的，通過控制減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)達(dá)到曬衣架收回和伸出窗外的目的。減速電機(jī)依靠聯(lián)軸器與齒輪的輸入軸連接，由于要承受軸向力，齒輪選擇斜齒輪。輸出軸與大齒輪連接，輸出軸的兩端通過軸承卡緊在外殼上，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，依靠鍵帶動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)曬衣架的旋轉(zhuǎn)。3.2滾珠絲桿的選擇3.2.1滾珠絲桿類別的選擇初選工作臺(tái)質(zhì)量，衣物總質(zhì)量，絲桿螺母移動(dòng)距離，速度最大極值，加速所需時(shí)間，減速所需時(shí)間，，定位精度±0.7mm/600mm。電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為3000，其慣性扭矩為，摩擦系數(shù)=0.003，在不加載情況下，阻力。為了選擇滾珠絲桿的類別，由于其作用為使得曬衣架上下移動(dòng)，即搬運(yùn)作用，故選用軋制滾珠絲桿。再加上它的定位精度是每600毫米±0.7毫米，因此可以選用更便宜的C10精度。3.2.2滾珠絲桿導(dǎo)程的選擇由于步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000、速度最大極值0.3m/s，電機(jī)與絲桿之間不安裝減速齒輪，傳動(dòng)比i=1。滾珠絲桿的導(dǎo)程可按下式計(jì)算： (式3-1)理論上滾珠絲桿導(dǎo)程應(yīng)取6mm，實(shí)際上取即可滿足使用要求。3.2.3絲桿軸的選擇設(shè)定螺母和絲桿軸端的長度均為100mm，又螺母運(yùn)動(dòng)距離，因此絲桿軸的長度=600+200=800mm。絲桿軸直徑與導(dǎo)程的關(guān)系如下表3.1所示：表3.1滾珠絲桿軸直徑與導(dǎo)程對應(yīng)表絲桿軸直徑(mm)152025絲桿導(dǎo)程(mm)101010從上表中可以看出，絲桿的直徑是15毫米，導(dǎo)程是10毫米。由于螺母運(yùn)動(dòng)距離，因此，螺桿的支承固定方法是固定支承式。3.2.4軸向最大負(fù)荷的計(jì)算在不加載情況下，阻力，工作臺(tái)質(zhì)量，衣物總質(zhì)量，絲桿螺母運(yùn)動(dòng)距離，速度最大極值，加速所需時(shí)間。由此可知，各階段受力情況如下：加速度： (式3-2)在加速上升時(shí)： (式3-3)在等速度上升時(shí)： (式3-4)在減速上升時(shí)： (式3-5)在加速下降時(shí)： (式3-6)在等速度下降時(shí)： (式3-7)在減速下降時(shí)： (式3-8)作用在滾珠絲杠上的最大軸向載荷如下所示： 由絲杠軸直徑：15mm，導(dǎo)程，速度最大極值，最高轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算： (式3-9)考慮到絲杠的容許轉(zhuǎn)速，安裝系數(shù)。按固定方法可分為固定固定式、固定自由式和固定支撐式。為了滿足使用要求，采用固定支撐式安裝，安裝間距。由溝槽谷徑，由下式可得容許轉(zhuǎn)速： (式3-10)容許轉(zhuǎn)速可由下式得： (式3-11)由上述可知，可滿足絲杠軸的危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速及DN值。選擇滾珠絲杠型號(hào)BLK1510-5.6()。滾珠絲杠在工作時(shí)，會(huì)受到碰撞或起動(dòng)時(shí)的慣性力等因素的影響。由于在加速和減速過程中會(huì)產(chǎn)生碰撞載荷，因此其靜態(tài)安全系數(shù)，由下式可得： (式3-12)與軸向最大負(fù)荷585N相比，因而此型號(hào)沒有問題。3.2.5工作壽命的計(jì)算由速度最大極值，加速所需時(shí)間，減速所需時(shí)間，可得加速時(shí)的運(yùn)行距離： (式3-13)等速時(shí)的運(yùn)行距離： (式3-14)減速時(shí)的運(yùn)行距離： (式3-15)由上述計(jì)算結(jié)果可得下表3.2：表3.2軸向載荷和運(yùn)行距離的關(guān)系動(dòng)作軸方向負(fù)荷運(yùn)行距離在加速上升時(shí)58530在等速度上升時(shí)510540在減速上升時(shí)43530在加速下降時(shí)39530在等速度下降時(shí)470540在減速下降時(shí)57530在滾動(dòng)絲桿上施加的軸向荷載變化時(shí)，必須先確定其平均軸向荷載，然后才能進(jìn)行壽命估算。根據(jù)各階段的不同載荷，用下式可求出平均軸向載荷：(式3-16)動(dòng)額定載荷，負(fù)荷系數(shù)，平均負(fù)荷。在實(shí)際工作中，由于運(yùn)行過程中往往伴隨著震動(dòng)和沖擊，使得工作載荷經(jīng)常發(fā)生變化，難以準(zhǔn)確把握。鑒于上述情況，可根據(jù)下式來計(jì)算額定壽命，其中包括： (式3-17)考慮到使用條件的系數(shù)：每分鐘往返次數(shù)，行程，導(dǎo)程，得每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)： (式3-18)由額定壽命，可根據(jù)下式計(jì)算工作壽命時(shí)間： (式3-19)根據(jù)額定壽命，導(dǎo)程，運(yùn)行距離壽命的計(jì)算公式如下： (式3-20)從以上可以看出，BLK1510-5.6可以達(dá)到20000小時(shí)的期望使用壽命。3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇首先討論轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，由下列公式可以得出，滾珠絲桿需要的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩：在等速度上升時(shí)： (式3-21)在等速度下降時(shí)： (式3-22)絲杠軸的慣性扭矩為，那么從下列公式得出絲杠軸的整個(gè)長度的慣性力矩： (式3-23) (式3-24)角加速度： (式3-25)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，加速所需要的扭矩如下： (式3-26)因此，所需扭矩如下：在加速上升時(shí)： (式3-27)在等速度上升時(shí)： (式3-28)在減速上升時(shí)： (式3-29)在加速下降時(shí)：在等速度下降時(shí)：在減速下降時(shí)：在討論旋轉(zhuǎn)扭矩時(shí)，計(jì)算出的加速時(shí)的扭矩等于最大扭矩：馬達(dá)需要的最大扭矩等于或低于電機(jī)最大扭矩。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大扭矩應(yīng)大于或等于。在確定扭矩有效值時(shí)，必須充分考慮旋轉(zhuǎn)力矩所得到的力矩。在加速上升時(shí)：，在等速度上升時(shí)：，在減速上升時(shí)：，在加速下降時(shí)：，在等速度下降時(shí)：，在減速下降時(shí)：，在停止時(shí)()：，用下式計(jì)算出力矩的有效值，馬達(dá)的額定力矩應(yīng)該大于或等于：(式3-30)因此，步進(jìn)電機(jī)的慣性力矩必須在以上。最終選擇57系列步進(jìn)電機(jī)型號(hào)57HBP56AL4，其額定轉(zhuǎn)矩。到此，選擇完畢，滾珠絲杠型號(hào)選擇BLK1510-5.6。3.4斜齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算3.4.1減速電機(jī)的選擇按實(shí)際需求分析，選擇名揚(yáng)電機(jī)公司行星齒輪直流減速電機(jī)，型號(hào)MY-36G-555-2480。其額定轉(zhuǎn)速16r/min，扭矩105，行星齒輪減速比為516。3.4.2齒輪精度等級、材料、齒數(shù)的選擇(1)自動(dòng)展開曬衣架為一般工作機(jī)器，為保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性，選用的齒輪為標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪，齒輪采用8級精度。(2)材料選擇：小齒輪的材質(zhì)選擇為40Cr，調(diào)質(zhì)并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度280HBW。由45鋼制成大齒輪，調(diào)質(zhì)并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度240HBS。其中，調(diào)質(zhì)處理的目的是為了加強(qiáng)兩齒輪的硬度。(3)初部選擇小齒輪的齒數(shù)=26，選用齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為，由此可計(jì)算出大齒輪齒數(shù)為： (式3-31)實(shí)際亦取。(4)初選螺旋角(5)壓力角3.4.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)(1)對斜齒圓柱齒輪的主動(dòng)齒輪，先試算其分度圓直徑，其計(jì)算公式為： (式3-32)1)確定公式中的各參數(shù)值：①對齒輪的載荷系數(shù)試選，選定=1.3。②因?yàn)閭鲃?dòng)裝置的齒輪軸是用聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)相連的，取傳遞的效率。故小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩計(jì)算得，實(shí)際取。③確定齒輪的齒寬系數(shù)，選取齒寬系數(shù)=1。④對于齒輪的區(qū)域系數(shù)，可由下式計(jì)算： (式3-33) (式3-34) (式3-35)⑤確定材料的彈性影響系數(shù)。⑥對接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：對于齒輪的端面重合度，可由下式進(jìn)行計(jì)算： (式3-36) (式3-37) (式3-38)對于齒輪的軸向重合度，可由下式進(jìn)行計(jì)算： (式3-39)由此可得，重合度系數(shù)可由下式計(jì)算： (式3-40)⑦計(jì)算確定齒輪的螺旋角系數(shù)： (式3-41)⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：通過對齒輪的接觸疲勞極限進(jìn)行選取，小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為。對齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，規(guī)定其工作年限為10年，一年按300天計(jì)算，一天工作8小時(shí)。由小齒輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，即，故小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由下式得： (式3-42)其中：j為在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，同側(cè)齒面的嚙合次數(shù)，j=1。為齒輪的工作壽命。大齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由下式可得： (式3-43)選取接觸疲勞壽命系數(shù)，對小齒輪選取為，對大齒輪選取為。取失效概率為1%，選擇齒輪的安全系數(shù)S=1，得到小齒輪的接觸疲勞應(yīng)力為： (式3-44) (式3-45)以兩者中的較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即：2)試算小齒輪分度圓直徑： (式3-46)(2)調(diào)整小齒輪分度圓直徑：1)計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的準(zhǔn)備：①計(jì)算小齒輪的圓周速度： (式3-47)②齒寬b： (式3-48)2)計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)：①查取齒輪的使用系數(shù)。②根據(jù)小齒輪的圓周速度，齒輪精度為7級精度，選取得動(dòng)載系數(shù)=1.05。③齒輪的圓周力： (式3-49) (式3-50)由，查得齒間載荷分配系數(shù)。④采用插值方法求出7級的精度，當(dāng)小齒輪不對稱支撐時(shí)，=1.455，則由此計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)為： (式3-51)3)用實(shí)際載荷系數(shù)求出小齒輪的分度圓直徑及其對應(yīng)的齒輪模數(shù)，可以得到： (式3-52) (式3-53)取標(biāo)準(zhǔn)值。3.4.4按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)(1)先對小齒輪的齒輪模數(shù)進(jìn)行試算，即： (式3-54)1)確定公式中的各參數(shù)值：①對齒輪的載荷系數(shù)試選，選定。②計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)： (式3-55) (式3-56) (式3-57)③計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的螺旋角系數(shù)： (式3-58)④計(jì)算。小齒輪和大齒輪的當(dāng)量齒數(shù)計(jì)算如下： (式3-59) (式3-60)通過對小、大齒輪的齒形系數(shù)進(jìn)行查取，查得兩者的齒形系數(shù)分別為、。通過對小、大齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)進(jìn)行查取，查得兩者的應(yīng)力修正系數(shù)分別為、。通過對小、大齒輪的彎曲疲勞極限進(jìn)行查取，查得兩者的彎曲疲勞極限分別為、。通過對小、大齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)進(jìn)行查取，查得兩者的彎曲疲勞壽命系數(shù)分別為、。采用S=1.4的彎曲疲勞安全系數(shù)，按下列公式求出小齒輪及大齒輪許用應(yīng)力： (式3-61) (式3-62) (式3-63) (式3-64)因?yàn)榇笥?，所以?)對齒輪模數(shù)進(jìn)行試算： (式3-65)(2)調(diào)整齒輪模數(shù)：1)計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：①計(jì)算圓周速度：小齒輪的分度圓直徑為： (式3-66) (式3-67)②齒寬b： (式3-68)③齒高及齒寬比計(jì)算： (式3-69) (式3-70)2)計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)：①根據(jù)圓周速度，齒輪的精度為7級精度，查取得動(dòng)載系數(shù)=1.05。②齒輪的圓周力： (式3-71) (式3-72)由，查得齒間載荷分配系數(shù)。③用插值法查得齒向載荷分布系數(shù)，結(jié)合，得,則由此計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)為： (式3-73)3)計(jì)算實(shí)際載荷下的齒輪模數(shù)： (式3-74)對比齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，可知前者的法面模數(shù)大于后者的法面模數(shù)。由于齒面接觸疲勞強(qiáng)度與中心距及齒寬有關(guān)，而齒根彎曲疲勞強(qiáng)度與模數(shù)及齒寬有關(guān)，故為了滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，按彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)就近選取標(biāo)準(zhǔn)值模數(shù)。為了滿足接觸疲勞強(qiáng)度，按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑計(jì)算小齒輪的齒數(shù)，即： (式3-75)取，則，取，兩者互為質(zhì)數(shù)。3.4.5幾何尺寸計(jì)算(1)計(jì)算中心距： (式3-76)將中心距圓整得。(2)按圓整后的中心距修正螺旋角： (式3-77)因值改變不大，故不必再做強(qiáng)度驗(yàn)算。(3)計(jì)算大、小齒輪的分度圓直徑： (式3-78) (式3-79)(4)計(jì)算齒輪寬度： (式3-80)取、。3.4.6主要設(shè)計(jì)結(jié)論 齒輪的主要參數(shù)結(jié)論如下：表3.3齒輪主要參數(shù)結(jié)論參數(shù)小齒輪大齒輪模數(shù)(mm)22齒數(shù)31109壓力角(度)20螺旋角(度)15.09齒寬(mm)6865分度圓直徑(mm)64.21225.78材料40Cr(調(diào)質(zhì))45鋼(調(diào)質(zhì))中心距(mm)1453.5輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.5.1輸入軸的基本條件輸入軸上的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，功率。3.5.2作用在齒輪上的力由于小齒輪的分度圓直徑已計(jì)算得到，由此可算得小齒輪上的圓周力、徑向力、軸向力分別為： (式3-81) (式3-82) (式3-83)3.5.3初步確定軸的最小直徑選軸的材料為45鋼，調(diào)制處理。取，得： (式3-84)3.5.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)圖3.1中所示的預(yù)設(shè)軸的大小，并決定了各部分的直徑和長度。圖3.1輸入軸結(jié)構(gòu)圖(1)軸的最小直徑是連接聯(lián)軸器的直徑，為確保其最小直徑與聯(lián)軸器的孔尺寸相符，故取，。與聯(lián)軸器連接處采用圓頭平鍵連接，鍵的尺寸為。(2)滾動(dòng)軸承的初步選定。由于軸承同時(shí)承受徑向力和軸向力的作用，故初選圓錐滾子軸承，軸承代號(hào)為30206，其尺寸為。則有，，。(3)軸承采用正裝，即面對面安裝。安裝在下側(cè)的軸承的內(nèi)圈采用軸肩定位，外圈依靠外殼上的支座定位。由此可確定，。(4)由齒輪的孔徑為40mm，齒寬68mm，齒輪與軸采用圓頭平鍵連接，鍵的尺寸為。齒輪一側(cè)采用軸肩定位，因此可確定，，，。(5)齒輪與上側(cè)軸承之間采用套筒定位，故，。至此，軸的各段尺寸確定完成。3.5.5軸的載荷分析(1)作出軸的受力簡圖，如圖3.2(a)所示。(2)求支反力。水平面支反力： (式3-85) (式3-86)垂直面支反力： (式3-87) (式3-88)(3)作彎矩圖水平彎矩圖，如圖3.2(b)所示。齒輪截面C處水平彎矩： (式3-89)齒輪截面C處左側(cè)的水平彎矩： (式3-90)故。(4)作彎矩圖垂直彎矩圖，如圖3.2(c)所示。C點(diǎn)左邊： (式3-91)C點(diǎn)右邊： (式3-92)(5)計(jì)算合成彎矩M，得到如圖3.2(d)所示的合成彎矩圖。C點(diǎn)左邊： (式3-93)C點(diǎn)右邊： (式3-94)(6)作扭矩圖，如圖3.2(e)所示。 軸的載荷分析圖如下圖3.2所示。圖3.2軸的載荷分析圖軸上載荷詳細(xì)見下表。表3.4軸上載荷參數(shù)載荷水平面H垂直面V支反力彎矩M總彎矩扭矩T3.5.6彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度在進(jìn)行校核時(shí)，一般僅對軸上承受最大彎矩和扭矩的部分進(jìn)行校核，也就是危險(xiǎn)截面C的左邊。從上述數(shù)據(jù)，以及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，則軸的計(jì)算應(yīng)力： (式3-95)由軸的材料為45鋼，，。因此，軸的設(shè)計(jì)具有足夠的強(qiáng)度和一定的余量。3.6輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.6.1輸出軸的基本條件輸出軸上的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，功率。3.6.2作用在齒輪上的力由于大齒輪的分度圓直徑已計(jì)算得到，由此可得大齒輪上的圓周力、徑向力、軸向力分別為： (式3-96) (式3-97) (式3-98)3.6.3初步確定軸的最小直徑選軸的材料為45鋼，調(diào)制處理。取，得： (式3-99)3.6.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)圖3.3中所示的預(yù)設(shè)軸的大小，并決定了各部分的直徑和長度。圖3.3輸出軸結(jié)構(gòu)圖(1)軸的最小直徑是連接軸承的直徑，初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)承受徑向力和軸向力的作用，故初選圓錐滾子軸承，軸承代號(hào)為30207，其尺寸為。故有，。(2)軸承采用正裝，即面對面安裝。下側(cè)軸承內(nèi)圈采用軸肩定位，外圈過盈配合固定在外殼上。故，。(3)考慮材料和加工的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)將大齒輪和軸分開設(shè)計(jì)與制造。已知大齒輪的齒寬為65mm，孔徑45mm。齒輪與軸采用圓頭平鍵連接，鍵的尺寸為。此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故，。(4)齒輪下側(cè)采用軸肩定位，齒輪與上側(cè)軸承之間采用套筒定位，因此可以得到，，，。至此，軸的各段尺寸確定完成。3.6.5軸的載荷分析(1)作出軸的受力簡圖，如圖3.4(a)所示。(2)求支反力。水平面支反力： (式3-100) (式3-101)垂直面支反力： (式3-102) (式3-103)(3)作彎矩圖水平彎矩圖，如圖3.4(b)所示。齒輪截面C處右側(cè)的水平彎矩： (式3-104)齒輪截面C處左側(cè)的水平彎矩： (式3-105)故。(4)作彎矩圖垂直彎矩圖，如圖3.4(c)所示。C點(diǎn)左邊： (式3-106)C點(diǎn)右邊： (式3-107)(5)計(jì)算合成彎矩M，得到如圖3.4(d)所示的合成彎矩圖。C點(diǎn)左邊： (式3-108)C點(diǎn)右邊： (式3-109)(6)作扭矩圖，如圖3.4(e)所示。 軸的載荷分析圖如下圖3.4所示。圖3.4軸的載荷分析圖軸上載荷詳細(xì)見下表。表3.5軸上載荷參數(shù)載荷水平面H垂直面V支反力彎矩M總彎矩扭矩T3.6.6彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度在進(jìn)行校核時(shí)，一般僅對軸上承受最大彎矩和扭矩的部分進(jìn)行校核，也就是危險(xiǎn)截面C的右邊。從上述數(shù)據(jù)，以及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，則軸的計(jì)算應(yīng)力： (式3-110)由軸的材料為45鋼，，。因此，軸的設(shè)計(jì)具有足夠的強(qiáng)度和一定的余量。3.7圓錐滾子軸承計(jì)算3.7.1輸入軸端軸承計(jì)算根據(jù)情況來估算軸承的使用壽命：=10×1×8×300=24000h。參考軸設(shè)計(jì)中所選的軸承類型，查設(shè)計(jì)手冊REF_Ref29252\r\h[14]可知30206軸承的基本額定動(dòng)載荷=43.2KN，基本額定靜載荷=50.5KN。軸承采用正裝。將派生軸向作用力方向與施加軸向負(fù)荷的方向一致的支座稱為軸承2，另一端則表示為軸承1。(1)求徑向載荷和。根據(jù)軸的計(jì)算可知，，，。則： (式3-111) (式3-112)(2)求兩軸承的計(jì)算軸向力和。對于30206型軸承，軸承派生軸向力，其中e為判斷系數(shù)，e的值為0.37，Y的值為1.6，則： (式3-113) (式3-114)因?yàn)橛膳缮S向力計(jì)算得到，故，。(3)求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和。因，。由計(jì)算手冊REF_Ref29252\r\h[14]得，對軸承1：，，對軸承2：，，=1.0~1.2，取=1.1。則： (式3-115) (式3-116)(4)驗(yàn)算軸承壽命。因?yàn)?，由此根?jù)軸承2的計(jì)算進(jìn)行校核： (式3-117)故所選軸承滿足壽命要求。3.7.2輸出軸端軸承計(jì)算根據(jù)情況來估算軸承的使用壽命：=10×1×8×300=24000h。參考軸設(shè)計(jì)中所選的軸承類型，查設(shè)計(jì)手冊REF_Ref29252\r\h[14]可知30207軸承的基本額定動(dòng)載荷=54.2KN，基本額定靜載荷=63.5KN。軸承采用正裝。將派生軸向作用力方向與施加軸向負(fù)荷的方向一致的支座稱為軸承2，另一端則表示為軸承1。(1)求徑向載荷和。由軸計(jì)算可知，，，。則： (式3-118) (式3-119)(2)求兩軸承的計(jì)算軸向力和。對于30206型軸承，軸承派生軸向力，其中e為判斷系數(shù)，e的值為0.37，Y的值為1.6，則： (式3-120) (式3-121)因?yàn)橛膳缮S向力計(jì)算得到，故，。(3)求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和。因，。由計(jì)算手冊REF_Ref29252\r\h[14]得，對軸承1：，，對軸承2：，，=1.0~1.2，取=1.1。則： (式3-122) (式3-123)(4)驗(yàn)算軸承壽命。因?yàn)?，由此根?jù)軸承2的計(jì)算進(jìn)行校核： (式3-124)故所選軸承滿足壽命要求。3.8水平剪叉臂設(shè)計(jì)3.8.1電動(dòng)推桿選型由初始條件，衣物載重25Kg，伸縮速度0.2m/s，由于液壓機(jī)構(gòu)體積大，占用空間且需要液壓站，并不適用與實(shí)際需求。而電動(dòng)推桿體積小，其作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅減少了氣動(dòng)原件，也減輕了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量，且控制較為方便，故選用電動(dòng)推桿完成推動(dòng)動(dòng)作。根據(jù)常州路易公司電動(dòng)推桿選型參數(shù)表如下，選擇電動(dòng)推桿型號(hào)。表3.6電動(dòng)推桿選型參數(shù)表齒輪款同步帶款速度mm/s9-36V速度mm/s12V推力(N)推力(N)7500152001225025250從上面的表格中，選擇齒輪款的傳動(dòng)方式，型號(hào)BJXL齒輪式電動(dòng)推桿。電動(dòng)推桿馬達(dá)在減速齒輪的作用下，將安裝在內(nèi)筒上的小絲桿帶動(dòng)與其相連的軸向移動(dòng)螺母，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的沖程時(shí)，螺母觸頭按壓極限開關(guān)，切斷電源，使馬達(dá)停止工作。該電動(dòng)推桿工作電壓36V，該推桿最大載荷可滿足最大載荷要求，最大負(fù)載250N，工作速度12mm/s。由安裝距離(行程300mm以下)，安裝距離(行程300mm以上)，，因此安裝距離： (式3-125)選擇行程行程桿伸出時(shí)總中心距： (式3-126)并選擇安裝方式為安裝在支架上。3.8.2剪叉臂的結(jié)構(gòu)分析為了保證剪叉臂在工作時(shí)更加穩(wěn)定，剪叉臂在伸展?fàn)顟B(tài)下剪叉桿與豎直位置的極限角度為45度。剪叉臂的機(jī)構(gòu)簡圖如圖3.5所示，其臂AE、DH、GK、JN、BD、EG、HJ、KM的臂長均一致，MO與NO長度亦一致，剪叉桿AE與BD通過鉸接點(diǎn)C鉸接，其他桿與之同理分別鉸接于F、I、L、O點(diǎn)。桿BD與連接桿鉸接于B點(diǎn)，并隨著電動(dòng)推桿推動(dòng)連接桿的上下移動(dòng)而完成伸縮的動(dòng)作。當(dāng)做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，A、D、G、J、M在同一水平線上。圖3.5水平剪叉臂機(jī)構(gòu)簡圖3.8.3剪叉臂的基本尺寸確定如圖3.6所示，取，。為了防止衣物堆疊和防止手指夾傷，取初始位置，當(dāng)曬衣架展開到最大時(shí)，。圖3.6水平剪叉臂參數(shù)圖由幾何關(guān)系得：剪叉臂收回時(shí)，其前端與末端的距離為： (式3-127)剪叉臂展開時(shí)，其前端與末端的距離為： (式3-128)其展開與收回時(shí)的距離差為： (式3-129)為了使剪叉臂在伸縮過程中電動(dòng)推桿有足夠的安裝位置，需滿足： (式3-130) (式3-131)將上述數(shù)據(jù)代入得： 故剪叉臂的桿長滿足條件。4關(guān)鍵部件的校核4.1水平剪叉臂的有限元分析水平剪叉臂是晾曬衣物的主要部件，其臂長的具體尺寸在第三章已計(jì)算得到。該剪叉臂每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過銷釘連接三條交叉杠，交叉杠使用鈦合金。在此運(yùn)用Solidworkssimulation功能對其進(jìn)行有限元分析，校驗(yàn)其強(qiáng)度是否滿足使用安全的要求。將其單元總數(shù)劃分為465416個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)799407個(gè)，網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)如圖4.1及4.2所示。圖4.1水平剪叉臂網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)圖圖4.2水平剪叉臂局部放大網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)圖對于交叉杠的材料，選擇的是鈦合金，其材料的具體參數(shù)如下：屈服強(qiáng)度：張力強(qiáng)度：彈性模量：泊松比：0.37質(zhì)量密度：抗剪模量:：熱擴(kuò)張系數(shù)：若將衣物間隔均勻晾曬在曬衣桿上，晾曬衣物的總重量為12kg，即120N，運(yùn)行此算例得其應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4.3和圖4.4所示。圖4.3水平剪叉臂應(yīng)力云圖圖4.4水平剪叉臂位移云圖若將晾曬衣物的總重量增加到為25kg，即250N，運(yùn)行此算例得其應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4.5和圖4.6所示。圖4.5水平剪叉臂應(yīng)力云圖圖4.6水平剪叉臂位移云圖4.2交叉杠的有限元分析依據(jù)上述4.1水平剪叉臂的有限元分析，若將衣物間隔均勻晾曬在曬衣桿上，晾曬衣物的總重量為12kg，即120N，運(yùn)行該算例，對交叉杠進(jìn)行單獨(dú)分析，得其應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4.7和圖4.8所示。圖4.7交叉杠應(yīng)力云圖圖4.8交叉杠位移云圖由上圖4.7所示的應(yīng)力云圖可得，最小應(yīng)力為，最大應(yīng)力為，而該材料的許用應(yīng)力為。根據(jù)以上結(jié)果可以得到安全系數(shù)，故滿足安全條件。由上圖4.8所示的位移云圖可得，其最大位移為，其最大位移是符合要求的。依據(jù)上述4.1水平剪叉臂的有限元分析，若將衣物間隔均勻晾曬在曬衣桿上，晾曬衣物的總重量為25kg，即250N，運(yùn)行該算例，對交叉杠進(jìn)行單獨(dú)分析，得其應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4.9和圖4.10所示。圖4.9交叉杠應(yīng)力云圖圖4.10交叉杠位移云圖由上圖4.9所示的應(yīng)力云圖可得，最小應(yīng)力為，最大應(yīng)力為，而該材料的許用應(yīng)力為。根據(jù)以上結(jié)果可以得到安全系數(shù)，故滿足安全條件。由上圖4.10所示的位移云圖可得，其最大位移為，其最大位移是符合要求的。4.3齒輪軸的有限元分析(1)輸入軸的有限元分析齒輪的輸入軸一端連接聯(lián)軸器，作為動(dòng)力的輸入端，軸上安裝有軸承，軸承內(nèi)圈卡緊在軸上，外圈卡緊在外殼上。輸入軸通過鍵連接與齒輪相互作用。運(yùn)用Solidworkssimulation功能對該軸進(jìn)行仿真，劃分單元總數(shù)為188694個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為270309個(gè)，最大高寬比例5.0303，網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)如圖4.11所示。圖4.11輸入軸網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)圖對于軸的材料，選擇的是45鋼，其材料的具體參數(shù)如下：屈服強(qiáng)度：張力強(qiáng)度：彈性模量：泊松比：0.3質(zhì)量密度：抗剪模量:：熱擴(kuò)張系數(shù)：軸上通過聯(lián)軸器輸入的扭矩為，運(yùn)行此算例得該軸的應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4.12和圖4.13所示。圖4.12輸入軸應(yīng)力云圖圖4.13輸入軸位移云圖由上圖4.12所示的應(yīng)力云圖可得，最小應(yīng)力為，最大應(yīng)力為，而該材料的許用應(yīng)力為。根據(jù)以上結(jié)果可以得到安全系數(shù)，機(jī)械零件的安全系數(shù)一般不得低于1.5，故滿足安全條件。由上圖4.13所示的位移云圖可得，其最大位移為，其最大位移是符合要求的。(2)輸出軸的有限元分析齒輪的輸出軸上安裝有軸承，軸承內(nèi)圈卡緊在軸上，外圈卡緊在外殼上。輸出軸通過鍵連接與齒輪相互作用。運(yùn)用Solidworkssimulation功能對該軸進(jìn)行仿真，劃分單元總數(shù)為240980個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為342242個(gè)，最大高寬比例4.2541，網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)如圖4.14所示。圖4.14輸入軸網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)圖對于軸的材料，選擇的是45鋼，其材料的具體參數(shù)如下：屈服強(qiáng)度：張力強(qiáng)度：彈性模量：泊松比：0.3質(zhì)量密度：抗剪模量:：熱擴(kuò)張系數(shù)：由于齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為3.5，故輸出軸的扭矩為，運(yùn)行此算例得該軸的應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4.15和圖4.16所示。圖4.15輸入軸應(yīng)力云圖圖4.16輸入軸位移云圖由上圖4.15所示的應(yīng)力云圖可得，最小應(yīng)力為，最大應(yīng)力為，而該材料的許用應(yīng)力為。根據(jù)以上結(jié)果可以得到安全系數(shù)，機(jī)械零件的安全系數(shù)一般不得低于1.5，故滿足安全條件。由上圖4.16所示的位移云圖可得，其最大位移為，其最大位移是符合要求的。4.4斜齒輪的校核計(jì)算(1)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核上述第三章已經(jīng)對齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，由于齒輪傳動(dòng)的中心距經(jīng)過了圓整，故在此重新對其進(jìn)行校核，以確保齒輪的使用安全達(dá)到設(shè)定的要求。類似于第三章斜齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)選擇，在此給出齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核要使用到的各參數(shù)：，，，，，，，，。并將他們代入下式計(jì)算得： (式4-1)(2)按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核上述第三章已經(jīng)對齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，由于齒輪傳動(dòng)的中心距經(jīng)過了圓整，故在此重新對其進(jìn)行校核，以確保齒輪的使用安全達(dá)到設(shè)定的要求。類似于第三章斜齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)選擇，在此給出齒根疲勞強(qiáng)度校核要使用到的各參數(shù)：，,，，，，，，，，，。并將他們代入下式計(jì)算得： (式4-2) (式4-3)由計(jì)算結(jié)果可知，齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度是滿足許用值的，并且小齒輪抵抗彎曲疲勞破壞的能力更大。5總結(jié)與展望本次關(guān)于自動(dòng)展開曬衣架的設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。與現(xiàn)有的曬衣架比對，該曬衣架具有三個(gè)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)的功能優(yōu)點(diǎn)。從選題到設(shè)計(jì)，一