1、机械专业课程设计论文 本科课程论文（普通高等教育）设计题目波轮式全自动洗衣机机电系统设计学 院工学院专业名称机械设计制造及其自动化成 员机械09-2 汪亚男 091014228机械09-3 刘雨丝 091014323机械09-3 陈雨晴 091014324目录波轮式全自动洗衣机机电系统 1摘要： 1关键字：洗涤、脱水、进排水系统、控制系统 11.课程设计要求 11.1 机电一体化课程设计目的 11.2设计任务 22 波轮式全自动洗衣机机电系统设计 22.1 波轮式全自动洗衣机总体结构 22.2进水、排水系统 42.21水位开关 42.22进水电磁阀 52.23.进水电磁阀 62.3、传动系统的
2、结构及其工作原理 82.31电动机的技术参数 92.32减速离合器的结构和工作原理 102.4、 机械传动系统设计计算 172.41方案设计 172.411基本参数的选择 172.412 V带传动设计计算 172.413 带轮的结构设计 192.414行星减速器设计 192.415棘爪与棘轮机构设计 203.控制系统设计 203.1 全自动洗衣机电动程控器的基本结构及工作原理 203.2 电路工作过程 213.3 控制系统程序流程图 22参考文献 24摘要：2003年的北京洗衣机市场，以海尔双动力洗衣机为代表的第四种洗衣机正在悄悄改变北京洗衣机市场原有的滚筒、波轮两强对垒的格局。有关市场专家在
3、盘点2003年家电市场时发现，高档洗衣机市场50的市场份额都被双动力型洗衣机所占据。除了具有杀菌、消毒功能的保健双动力洗衣机之外，不用洗衣粉的环保双动力、能够洗涤羊绒等高档衣料的变速双动力等产品也受到了消费者的青睐。专家认为，未来洗衣机的发展方向将是超声波洗衣机，运用超声波原理振动洗衣，从概念上彻底更新洗衣机洗涤原理，不再使用洗衣粉，是真正的环保型洗衣机。到时，人们不仅从洗衣机里拿出衣服就能穿，而且完全不用考虑清洗剂会对衣料带来的损害，更不存在化学洗涤剂的环境污染问题了。关键字：洗涤、脱水、进排水系统、控制系统1.课程设计要求1.1 机电一体化课程设计目的机电一体化系统课程设计是一个重要的实践
4、性教学环节。要求学生做那个和运用说学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练，主要目的是：1) 学习机电一体化系统总体设计方案立定，分析与比较的方法。 2) 通过对机械系统的设计，掌握集中典型传动晚间与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。如齿轮/同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。3) 通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动 方式，学会选用典型的位移/速度传感器；如交流、逼近伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。 4) 通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的
5、设计思路；如控系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与现实电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等、1.2设计任务任务：设计一种波轮式全自动洗衣机的机电系统，要求最大洗衣质量为3.8kg，内桶直径为400mm，洗衣转速约为140200rmin，脱水转速约为700800rmin。要求具有自动调节水位、根据衣服种类设定洗涤模式、自动进水、排水和自动脱水等功能。2 波轮式全自动洗衣机机电系统设计2.1 波轮式全自动洗衣机总体结构目前在我国生产的洗衣机中，波轮式洗衣机占了80%以上。早期生产的波轮式洗衣机波轮较小，直径都在165185mm之间，
6、转速为320500r/min。现在基本都是大波轮洗衣机，其中又以碟形波轮应用最广，波轮直径约为300mm，转速约为120300r/min。一般来说，波轮式全自动洗衣机具有洗涤、脱水、水位自动控制，以及根据不同衣物选择洗涤方式和洗涤时间等功能。其结构主要由洗涤和脱水系统、进排水系统、电动机和传动系统、电气控制技术、支承机构等5大部分组成，如图626所示。 图626 波轮式全自动洗衣机的结构 1排水管 2溢水管 3吊杆 4脱水桶 5盛水桶 6平衡环 7盖板 8安全开关 9控制面板 10水位控制器 11进水电磁阀 12进水接头 13压力软管 14贮气室 15支架 16电动机 17离合器 18波轮 1
7、9脱水轴 20排水电磁阀 21法兰盘 22脱水孔波轮式全自动洗衣机多采用套桶式结构，波轮装在内桶的底部，内桶为带有加强筋和均匀小孔的网状结构，并可绕轴旋转。外桶弹性悬挂于机箱外壳上，主要用于盛水，并配有一套进水和排水系统，用两个电磁阀控制洗衣机的进、排水动作。外桶的底部装有电动机减速离合器，以及传动机构、排水电磁阀等部件。动力和传动系统能提供两种传递，低速用于洗涤和漂洗，高速用于脱水，通过减速离合器来实现两种转速的切换。2.2进水、排水系统全自动洗衣机的进、排水系统主要由进水电磁阀、排水电磁阀和水位开关等组成。2.21水位开关水位开又称为压力开关。洗衣机洗涤桶进水时的水位和洗涤桶排水时的状况是
8、压力开关检测的。当洗衣机工作在洗涤或漂洗程序时，若桶内无水或水量不够，压力开关则发出供水信号。当水位达到设定位置时，压力开关将发出关闭水源的信号。微电脑全自动洗衣机工作在排水程序时，若排水系有故障，水位开关则发出排水系统受阻信号。图627 水位开关结构及其水压软管传递系统（1）结构 波轮式全自动洗衣机上使用最多的水位开关是空气压力式。如图627所示。这类压力开关按其功能可大致分为气压传感装置，控制装置及触点开关三部分。 气压传感装置由气室11，橡胶膜10，塑料盘9，顶心6等组成；触点开关由动弹簧8、开关小弹簧7、动静触点组成。其中公共触点和常闭触点组成动断触点。公共触点COM和常开触点NO组成
9、动合触点。动弹簧8是由铍青铜板制成，其结构如图628所示。 图628 动弹簧结构 （2）工作原理 当水注入内桶时间气室封闭，随着水位上升封闭在气室内的空气压力不断提高，压力经过软管传到水位开关气室，水位开关气室内的空气压力向上推动橡胶膜和塑料盘，推动动簧片中的内动簧片向上移动，压力弹簧被压缩。当注水到选定水位时，此时内动簧片移动到预定的平衡位置开关小弹簧将拉动外动簧片并产生一个向下的推力，使开关的常闭触点NC与公共触点COM迅速断开，常开触点与公共触点闭合从而发出关闭水源的信号。排水时当水位下降到规定的复位水位时，水位产生的压力减小。压力弹簧恢复伸长，推动顶心，使动簧片中的内动簧片向下移动，当
10、移动到预定的力平稳位置时开关小弹簧对外动片产生一个向外的推力。使开关的常开触点NO与公共触点COM迅速断开，常闭触点NC与公共触点COM闭合。从而改变控制电路的通断。水位开关的主要技术参数配用的程序控制器额定电压额定电压气密性接触电阻绝缘电阻机气强度机械式程序控制器AC2203、1.5A7.6KPA历时1min0.031002500V历时1min微电脑式程序控制器DC610MA 2.22进水电磁阀 （1） 结构 进水电磁阀也称为进水阀或注水阀。其结构如图629所示。 图629 进水阀结构图 (2) 工作原理 电磁阀线圈断电时，铁心在自重和小弹簧作用下下压，使铁心下端的小橡胶塞堵住泄压逐渐增大，
11、最终使橡胶阀紧张在出水管的上端口，将阀关闭。同时，因铁心上面空间与控制腔相通，控制腔内水压的增大还会使铁心上面空间气体压强增大，导致橡胶阀更紧地压在泄压孔上，增加了阀关闭的可靠性。 当进水电磁阀线圈通电后，产生的电磁吸力将铁心向上吸起，泄压孔被打开。控制腔内的从迅速从泄压孔中流入出水管，同时经压孔流入控制腔的水又进行补充。但由于加压孔比泄压孔小，使控制腔内的压力迅速下降。当控制腔中的水压降到低于进水腔谁呀时，橡胶阀被进水腔中的水向上推开，水从进水腔直接进入出水管，进而流入盛水桶。水到位后，由水位开关切断进水电磁阀线圈的电源，进水阀重新关闭。 2.23.进水电磁阀 排水电磁阀由电磁铁与排水阀组成
12、，如图630所示。电磁铁和排水阀是两个独立的部件，两者之间以电磁铁拉杆连接起来。 图630 排水阀的结构与电磁铁的装配关系 （1） 结构 排水阀是由排水阀座，橡胶阀，内外弹簧，导套和阀盖等组成排水阀门采用橡胶材料制成，内有一个由硬质塑料制作的导套。导套内装有内弹簧，它一端卡在导套左边槽口，另一端钩挂在电磁铁拉杆上，内弹簧处于拉紧状态。在倒要外装有一个外弹簧，它的刚度比内弹簧小，它的一端与阀盖接触，另一端与导套的基座接触，外弹簧出租压缩变形状态。电磁铁有交流和直流两种，机械式全自动洗衣机一般采用交流电磁铁，而电脑式全自动洗衣机一般采用直流电磁铁的主要技术参数表。交流电磁铁的主要技术参数额定拉力N
13、额定行程mm额定电流A使用电压V绝缘电阻机电强度20140.2187-2421001500V历时1min40150.35016.50.48直流电磁铁的主要技术参数额定拉力N额定行程MM电流A额定电压V电压范围V绝缘电阻电气强度启动保持40161.70.06200170-2201001500V历时1min60161.90.07 (2) 工作原理 洗衣机处在进水和洗涤时，排水阀处于关闭状态。此时主要由外弹簧吧橡胶阀紧压在排水阀座的底部。排水时，排水电磁铁通电工作，衔铁被吸入，牵动电磁铁拉杆，由于拉杆位移，在它上面的挡套拨动制动装置的刹车扭簧伸出端，使制动装置处于非制动状态。另一方面随着电磁铁拉杆的
14、左端离开导套，外弹簧被压缩，使排水阀门打开。正常排水时，橡胶阀离开排水阀座密封面的距离应不小于8mm，排水电磁铁的牵引力约为40N。2.3、传动系统的结构及其工作原理传动系统主要由电动机、减速离合器组成。套桶式全自动洗衣机使用一台电动机完成洗涤和脱水。洗涤时，波轮转速较低（140200 r/min）；而脱水时，脱水桶转速较高（约800r/min）。因此，要对电动机1370r/mim的输出转速经常减速处理，以适应两项工作的不同要求，这主要由洗衣机的传动系统来完成，传动系统的工作示意如图631所示。图631 套桶式全自动洗衣机传动系统示意图 2.31电动机的技术参数 电动机是整个洗衣机工作的动力来
15、源。我国现阶段生产的套筒式洗衣机大多采用的是电容运转式电动机，产品遵循中华人民共和国机械行业标准JB/T37581996家用洗衣机用电动机 通用技术条件。目前常用的电容运转式电动机技术参数如表所示。 表 XD型洗衣机电动机技术参数XDL90XDS90XDL120XDS120XDL180XDS180XDL250XDS250额定功率/W90120180250额定电压/V220额定频率/Hz50满载时电流/A0.881.11.542.0转速/（rmin-1）1370效率（%）49525659功率因数0.95堵转电流/A2.02.54.05.5堵转转矩/Nm：额定转矩/Nm0.950.90.80.7最
16、大转矩/Nm：额定转矩Nm1.71.71.71.72.32减速离合器的结构和工作原理早期设计的小波轮全自动动洗衣机的离合器没有减速功能，故洗涤和脱水转速相同。新型大波轮全自动洗衣机的离合器都具有洗涤减速功能，称为减速离合器，其种类很多，但主要结构和工作原理基本相同。目前应用最广泛的有两种：单向轴承式减速离合器与带制动式减速离合器。这里我们选用单向轴承式减速离合器1）基本结构 单向轴承式减速离合器主要由离合器和行星减速器两部分组成，其具体结构如书插页的设计装配图6-32.图6-33和图6-34所示。 离合器主要结构 如图6-35所示，离合器中部有两根轴：输入轴1和脱水轴18。输入轴的下端加工成四
17、方形，与之相配的带轮3和离合套20的内孔也是方形。离合套20和带轮3被螺母2固定在输入轴1上，由于方轴与方孔的紧密配合，从而带轮3、输入轴1和离合套30联成了一体。输入轴1的上端加工成齿形花键，和行星减速器的中心轮内孔配合联接输入轴1的外部是脱水轴18。在衣服洗涤时，脱水轴静止不转；而洗涤结束后，脱水轴应将带轮3的高转速直接传递给脱水桶，完成脱水功能。这种转换功能是由方丝离合弹簧4完成的。方丝离合弹簧的形状呈锥形，上端几圈的直径比下端略小一些。由于脱水轴18和离合套20的外径比方丝离合弹簧的内径略大，在自由状态时，方丝离合弹簧就抱紧在离合套20和脱水轴18的外壁上。当带轮带动离合套向弹簧旋紧方
18、向旋转时，通过方丝离合弹簧就将带轮3的转动由离合套20传递到脱水轴18，这就是“合”时的脱水状态。在洗涤时，可以就将方丝离合弹簧向反方向旋松，使其内径变大，从而与离合套20脱离接触，这就是“离”时的洗涤状态。实现弹簧旋松的机构是棘轮棘爪装置，图6-36是其工作原理简图。方丝离合弹簧下端的弹簧卡2卡在棘轮3的内槽中，通过棘爪5的摆动使棘轮3转动，从而带动方丝离合弹簧向旋松方向转动。图6-35中的8是单向滚针轴承部件，它的内圈与脱水轴18相接触，它的外圈与齿轮轴承座过盈配合成一体，齿轮轴承座嵌在支撑架19中，支撑架用螺栓和离合器外罩14固定在一起。在单向滚针轴承8的作用下，脱水轴18只能向一个方向
19、自由旋转。单向滚针轴承是滚针轴承产品领域中一种科技含量较高的产品，其结构紧凑，径向截面小。因为其外圈工作面是楔形，所以只允许一个方向的转动，可以起到单向离合器的作用。洗衣机单向滚针离合器的工作原理如图6-37所示。它由带楔形面的外圈7以及利用保持架3隔开的一系列滚针6组成，轴承直接套在脱水轴5上。当脱水轴5顺时针转动时，滚针落入楔形槽的大端中，此时脱水轴课顺时针转动；而当脱水轴逆时针转动时，滚针则卡紧在楔形槽的小端处，这时脱水轴将无法转动。在图6-35中，刹车装置外罩9、刹车扭簧10、刹车带15、刹车盘16和十字轴套17等组成了脱水轴18的刹车装置。十字轴套17用两颗紧定螺钉和脱水轴18固定在
20、一起刹车盘16又和十字轴套17用螺栓固定在一起，所以刹车盘16和脱水轴18联成一体。刹车装置外罩9安装在脱水轴18上，为间隙配合，它对脱水轴的作用由刹车扭簧10控制。刹车扭簧10套装在刹车装置外罩9的外圆上，其下端固定在离合器外罩上，它的上端则嵌在拉杆21的一个方孔中，由排水电磁铁带动拉杆控制其状态。洗涤时，排水电磁铁断电，刹车扭簧处于自由旋紧的状态。当脱水轴18顺时针旋转时，由于刚性刹车带15紧紧抱住刹车盘16，而其一端又卡在刹车装置外罩9的方槽中，所以刹车盘、刹车带以及刹车装置外罩9都将一起顺时针旋转。刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中，刹车扭簧10将被迅速旋紧，强大的摩擦力使刹车装置外罩9
21、无法动作此时刹车带15和刹车盘16将发生剧烈摩擦，对脱水轴18产生制动作用，防止脱水桶产生跟转现象。在脱水时，排水阀通电，排水电磁铁带动拉杆使刹车扭簧处于放松状态。由于刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中，与旋松的刹车扭簧之间可以自由滑动，刹车不起作用，因此刹车装置外罩9、刹车盘16、刹车带15都将与脱水轴18一起高速旋转，完成脱水功能。2）工作原理脱水状态 减速离合器脱水时的状态及装配关系如图6-39所示，脱水状态下，排水电磁铁通电吸合，牵引拉杆移动约13mm，使排水阀开启。拉杆在带动阀门开启的同时，一方面拨打旋松刹车弹簧，使其松开刹车装置外罩，这是刹车盘随脱水轴5一起转动，刹车不起作用；另一方
22、面又推动拨叉旋转，致使棘爪18脱开棘轮4，棘轮被放松，方丝离合弹簧3在自身的作用力下回到自由旋紧状态，这是也就抱紧了离合套2.。大带轮1在脱水时是顺时针旋转的，由于摩擦力的作用，方丝离合弹簧3将会越抱越紧。这样脱水轴5就和离合套2联在一起，跟随大带轮1一起做高速运转。由于此时脱水轴5做顺时针运动，和单向滚针轴承7的运动方向一致，因此单向滚针轴承7对它的运动无限制。由于脱水轴5通过锁紧块与法兰盘9联接，而内桶12与行星减速器10均固定在法兰盘9上，所以脱水轴5带动内桶12以及减速器内齿圈的转速，与输入轴带动减速器中心轮的转速相同，这样致使行星轮无法自转而只能公转，从而行星架的转速与脱水轴是一样的
23、，即使波轮与脱水桶以等速旋转，保证了脱水桶内的衣物不会发生拉伤。脱水状态传动路线是：电动机小带轮大带轮1输入轴6离合套2方丝离合弹簧3脱水轴5法兰盘9内桶12。由于电动机输出转速只经带轮一级减速，所以内桶转速较高，约680800r/min。洗涤状态 如图6-40所示，洗涤状态下排水电磁铁断电，排水阀关闭，拉杆复位。这时刹车扭簧16被恢复到自然旋紧状态，扭簧抱紧刹车装置外罩，刹车装置8起作用；同时拨叉回转复位，棘爪18伸入棘轮4，将棘轮拨过一个角度，方丝离合弹簧3被旋松，起下端与离合套2脱离，这时离合套只是随输入轴空转。大带轮1带动输入轴6转动，经行星减速器减速后，带动波轮轴11转动，实现洗涤功
24、能。输入轴至波轮轴的传动称为二级减速，其工作过程为，输入轴通过中心轮驱动行星轮，行星轮既绕自己的轴自转又沿内齿圈绕输入轴公转。因为行星轮固定在行星架上，所以行星轮的公转也将带动行星架转动；行星架以花键孔与波轮轴下端的花键相联接，带动波轮轴和波轮转动。行星减速器的减速比i计算公式为：i=1+内齿圈齿数/中心轮齿数。洗涤状态传动路线是：电动机小带轮大带轮1输入轴6中心轮行星轮行星架波轮轴11波轮。其间，电动机输出转速经带轮一级减速后，又经减速比约为4的行星减速器减速，所以转速约为140200r/min。 内桶跟转现象的解决 洗涤时防止内桶出现跟转是设计中一个非常重要的问题。洗涤时，波轮将传动力矩传
25、递给水和洗涤物，而转动的水和洗涤物又将转矩传递给内桶。因此，内桶如果不固定或固定不可靠，就要随之转动，这就是跟转现象。洗涤时，内桶跟转现象将减弱洗涤效果并对洗衣机不利，所以要防止内桶出现跟转。因为内桶和脱水轴是连成一体的，所以只要将脱水轴可靠固定，就可使内桶不跟转。为此，除了刹车装置外，在脱水轴上还安装有单向滚针轴承，其工作原理如图6-37所示。 三种工况下的零部件工作状态工作情况零部件状态洗涤脱水波轮转向顺时针逆时针顺时针排水电磁铁断电断电通电，牵引拉杆移动约13mm单向滚针轴承谁脱水轴一起旋转制动脱水轴随脱水轴一起旋转棘爪与棘轮棘爪伸入棘轮齿高三分之二，将棘轮及方丝离合弹簧向旋松方向拨转一
26、个角度，棘爪指向轴心棘爪脱离棘轮，弹簧回转到自由旋紧状态方丝离合弹簧被棘轮旋松并固定，和离合套分离在自由旋紧状态，转动时更加旋紧在离合套上，起到传动转矩的作用离合套因方丝离合弹簧内径被旋大，故离合套分离方丝离合弹簧被旋紧，随离合套转动刹车扭簧抱紧刹车装置外罩旋松方向，不起作用被拉杆牵引放松，对刹车装置外罩不起作用传动情况带轮输入轴行星减速器波轮轴波轮带轮离合套方丝离合弹簧脱水轴脱水桶 当波轮逆时针方向旋转时，内桶有逆时针方向跟转的倾向，这时与内桶成一体的脱水轴被单向滚针轴承卡住，不能转动，所以内桶也就不能转动。但在波轮顺时针方向转动时，单向滚针轴承允许转动的方向与之一致，所以对脱水桶没有制动作
27、用。当波轮顺时针方向转动时，内桶有顺时针方向跟转的倾向，这时自然状态的刹车扭簧将被旋紧，紧紧抱住刹车装置外罩的轴端，相互之间产生足够的摩擦力使两者成为一整体。刹车装置外罩的顺时针旋转摩擦力将刹车带拉紧，刹车带对刹车盘转动产生摩擦阻力，这样就阻止了内桶的跟转。刹车装置工作原理如图6-41所示。综合所述，当波轮逆时针转动时，依靠单向滚针轴承来防止内桶的跟转；当波轮顺时针方向转动时，依靠刹车装置来防止内桶的跟转。脱水过程中突然打开洗衣机上盖，排水电磁铁失电，方丝离合弹簧恢复到洗涤状态，由于脱水是顺时针旋转，刹车扭簧将抱紧，刹车装置起作用，刹车带将使内桶迅速制动。2.4、 机械传动系统设计计算 波轮式
28、全自动洗衣机的传动系统的设计计算内容较多，当大多数零部件可以选用而无需进行设计，一般设计内容主要有：方案设计、电动机选用、带传动设计、行星减速器设计等。2.41方案设计波轮式洗衣机常用布局为输入轴布置在内桶的中心处,整个传动系统基本上同轴布置,电动机只能偏置一边,为了保持平衡,可将排水电磁阀和排水管与电动机对称布置,必要时可加平衡块。根据设计任务中给出的内桶直径为400 mm则外桶直径约为470mm,电动机轴与洗涤输入轴之间中心距只能为150mm左右，在此范围内选择合适的一级降速传动比和采用带轮传动。2.411基本参数的选择目前洗衣机的洗衣量、电动机功率、内桶直径等基本参数，大多数企业是通过实
29、验进行设计选用的。根据目前常用的波轮式全自动洗衣机基本参数情况， 选用电动机功率为180W，电动机满载时转速为1370rmin。2.412 V带传动设计计算因为V带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，在同样的张力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，所以这里选用了最常用的V带作为第一级降速。初步选定电动机功率P为180W，洗衣转速为180r/min，脱水转速为720r/min，则传动比为： （1） 计算功率 由于载荷变动小，因此取工作情况系数 =0.18kW（2） 选择带型 根据小带轮转速为1370r/min，以及小带轮安装尺寸的大概范围，选取普通V带Z型。（3） 带轮的基准直径初选小带轮的
30、基准直径，查表得，选取=55mm，大于V带轮的最小基准直径的要求50mm。大带轮的基准直径为：=，圆整为=106mm。（4）验算带的速度普通V带的最大带速，故满足要求。（5）中心距和带的基准长度Ld 根据洗衣机桶体的安装尺寸，初取0=140mm，基准长度： 查表选取和538mm 相近的标准带的长度Ld为560mm，则实际中心距为：在安装时，在结构上要保持V不定期有一定的张紧力，安装中心距会略有所变化。（6）主动轮上的包角1 （7）带的根数z 长度系数KL、包角系数K、单根V带基本额定功率P0、单根V带额定功率增量P0查表6-18、表6-19、表6-20a和表6-20b，取另KL=0.94、K=0.95、P0=0.16Kw、P0=0.02kW。 取z=1。（8） 带的预紧力 V带单位长度的资料q 查表6-21得q=0.06kg/m，单根V带所需的预紧力为：=（9）带传动作用在轴上的力：2.413 带轮的结构设计带轮的结构设计可参考有关的机械设计手册或机械设计教材
