I課題名稱自動展開曬衣架設(shè)計(jì) 學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班級名稱機(jī)械184 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師Ⅱ文根據(jù)現(xiàn)有曬衣架的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式及其適應(yīng)環(huán)境變化的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一款自動展開曬衣架，該曬衣架可完成伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)三個動作。該曬衣架包括絲桿傳動、三個基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了無人在家時也能自動晾曬衣物的功能，方關(guān)鍵詞曬衣架；懸臂式；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析ABSTRACTAtpresent,theculttomeettherequirementsofdailylife.Therefore,accofhestructure,drivingmodeandadtfrequirements.Thethreebasicinstitutionsarereasonabother,realizingthefunctKEYWORDSSunclothesrack;cantilevertype;structuredesign;I目錄 1.1選題背景及研究意義 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3本文的研究內(nèi)容 72總體方案設(shè)計(jì) 2.1需求分析 82.2總功能與子功能分析 82.3運(yùn)動方案選型及評價 2.3.1方案一 92.3.2方案二 2.3.2方案三 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2滾珠絲桿的選擇 3.2.1滾珠絲桿類別的選擇 3.2.2滾珠絲桿導(dǎo)程的選擇 3.2.3絲桿軸的選擇 3.2.4軸向最大負(fù)荷的計(jì)算 3.2.5工作壽命的計(jì)算 3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 3.4斜齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 213.4.1減速電機(jī)的選擇 213.4.2齒輪精度等級、材料、齒數(shù)的選擇 213.4.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 213.4.4按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 243.4.5幾何尺寸計(jì)算 273.4.6主要設(shè)計(jì)結(jié)論 283.5輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 283.5.1輸入軸的基本條件 3.5.2作用在齒輪上的力 283.5.3初步確定軸的最小直徑 293.5.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 293.5.5軸的載荷分析 3.5.6彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 3.6輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.6.1輸出軸的基本條件 3.6.2作用在齒輪上的力 3.6.3初步確定軸的最小直徑 3.6.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.6.5軸的載荷分析 3.6.6彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 3.7圓錐滾子軸承計(jì)算 3.7.1輸入軸端軸承計(jì)算 3.7.2輸出軸端軸承計(jì)算 3.8水平剪叉臂設(shè)計(jì) 3.8.1電動推桿選型 3.8.2剪叉臂的結(jié)構(gòu)分析 3.8.3剪叉臂的基本尺寸確定 404關(guān)鍵部件的校核 4.1水平剪叉臂的有限元分析 4.2交叉杠的有限元分析 4.3齒輪軸的有限元分析 474.4斜齒輪的校核計(jì)算 5總結(jié)與展望 參考文獻(xiàn) 致謝 1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，并不能自動感應(yīng)伸縮進(jìn)室內(nèi)，不能滿足人們對使用方便、加速晾干、往往需要人工晾收，這必然耗時耗力，不符合現(xiàn)代化生活的需求，嚴(yán)重限制了曬衣架有重要的實(shí)際用途。通過設(shè)計(jì)出一款可實(shí)現(xiàn)伸縮、升降動作的自動展開曬衣架，該曬衣架具備手動和自動兩種切換狀態(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，契合新時代年輕人對便捷進(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出現(xiàn)暴雨暴曬天氣無人在家時不能及時晾收的不足，基于此，國內(nèi)外對曬衣架的多功能化關(guān)注度越來越高，并涌傳統(tǒng)的手動式曬衣架還可以通過手柄手搖的方式使繞線器旋轉(zhuǎn)帶動鋼絲，實(shí)現(xiàn)衣架的上升與下降。但傳統(tǒng)的手動式曬衣架結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、隨用隨收，在衣物較多的羅杰勇等(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，其剪叉臂靠電動機(jī)驅(qū)動導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)伸縮，其結(jié)構(gòu)如圖1.11]。謝浩源等(2020)提出了一種基于STM322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1.2l2]。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方位的移動，其結(jié)構(gòu)如圖1.3。其中圖1.3中各序號1-8分別表示為：底座、太陽能板、葉扇、曬衣板、曬衣3李東亞等(2015)提出了一種可伸縮式自動晾衣架的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其機(jī)械臂采構(gòu)如圖1.44]。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19傳動輪19傳動輪EQ\*jc3\*hps16\o\al(\s\up7(1),O)○圖1.5多功能智能晾曬裝置[5林偉鐸等(2021)提出了一種開閉式衣架轉(zhuǎn)動版設(shè)計(jì)研究，它的工作原理是利用轉(zhuǎn)盤帶動衣服轉(zhuǎn)動來實(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4桿[0]。袁宏常等(2018)提出了一種風(fēng)干式折疊衣架設(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[8態(tài)時節(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第一5當(dāng)然，也有不少國外學(xué)者針對曬衣架的自動化提出了不同的結(jié)構(gòu)。DeborahMuseCarty(2007)提出了一種適合個人使用的衣架，其依靠一個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[ll]。HadiHalawani(2021)其結(jié)構(gòu)如圖1.10。其中圖1.10中各序號分別表示為：102主體、103儲水層、104蒸氣孔、106填隙物、108儲能裝置、109控制器、110可折疊鉤、112端蓋[12]。JosephT.Gubbrud(2011)提出了一種可移動隱藏式衣架，其依靠伸縮纜線使吊示為：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)動裝置、311操作軸、312電動裝置、313控制開6圖1.9個人使用的衣架[]7本文圍繞一種自動展開曬衣架為設(shè)計(jì)對象，使其可以在室內(nèi)家居環(huán)境使用，第2章詳細(xì)介紹了自動展開曬衣架的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行方案的比較，選擇了第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82總體方案設(shè)計(jì)(1)可實(shí)現(xiàn)伸縮、升降動作，有一定的承載能力；(3)伸長后末端承載12kg以上。功能結(jié)構(gòu)方案123絲桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌滑臺剪叉臂連桿伸縮機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動錐齒輪傳動斜齒輪傳動四桿機(jī)構(gòu)9針對自動垂直升降功能，若采用導(dǎo)軌滑臺方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，如圖2.1所示。在過程依靠安裝有電動機(jī)的箱體的作用，絲桿機(jī)構(gòu)的傳動，從而帶動整個曬衣桿的運(yùn)動，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)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，如圖2.4所示。該方案中采用蝸桿轉(zhuǎn)動驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪一邊轉(zhuǎn)動一邊帶動卷線輪轉(zhuǎn)動，從而使鋼絲繩在滑輪上滑動，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+鋼絲繩這種傳動方案。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，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)動時，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)方式這種傳動方案。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為水平剪連接，從而使輸出軸帶動曬衣架整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖2.9如圖2.10所示。綜上所述，最終確定采用斜齒輪3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)動機(jī)構(gòu)。其整體懸掛安裝在陽臺的天花板上。在垂直升降方面，由電動機(jī)輸出動力，電動機(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)螺母上下移動時，帶動支撐板的移動。在水平伸縮方面，由電動推桿輸出動力，電動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)動方面，由于旋轉(zhuǎn)過程要求速度慢和傳動平穩(wěn)，故由減速電機(jī)輸出動力。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，依靠鍵帶動軸的旋轉(zhuǎn)，從而帶動曬衣3.2.1滾珠絲桿類別的選擇初選工作臺質(zhì)量m?=25kg,衣物總質(zhì)量m?=25kg,絲桿螺母移動距離間t?=0.2s,n=5min1,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3000r/min,其慣性扭矩為J?=5×10-?kg·m2,摩擦系數(shù)μ=0.003,在不加載情況下，阻力f?=20N。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，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3000min-'、速度最大極值0.3m/s,電機(jī)與絲桿之間不安裝減速齒輪，傳動比i=1。滾珠絲桿的導(dǎo)程可按下式計(jì)算：(式3-1)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)動距離L=600mm,因此絲桿軸的長度L?=600+200-800mm。絲桿軸直徑與導(dǎo)程的關(guān)系如下表3.1所示：絲桿軸直徑(mm)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)動距離L?=600mm,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f?=20N,工作臺質(zhì)量m?=25kg,衣物總質(zhì)量所需時間t?=0.2s。由此可知，各階段受力情況如下：F?=(m+m?)·g+fi+(m+m?在等速度上升時：F?=(m?+m?)·g+fi-(m?+m?(式3-2)(式3-3)(式3-4)F?=(m?+m?)·g-fi-(m?+m?在減速下降時：F?=(m+m?)·g-f-(m?+m?作用在滾珠絲杠上的最大軸向載荷如下所示：(式3-6)(式3-7)(式3-8)Fmax=Fa=585N(式3-9)考慮到絲杠的容許轉(zhuǎn)速，安裝系數(shù)λ=15.1。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l(xiāng)?=700mm。由溝槽谷徑d?=12.5mm,由下式可得容許轉(zhuǎn)速：由上述可知，可滿足絲杠軸的危險轉(zhuǎn)速及DN值。選擇滾珠絲杠型號BLK1510-5.6(Ca=9.8kN、Coa=25.2kN)。(式3-10)滾珠絲杠在工作時，會受到碰撞或起動時的慣性力等因素的影響。由于在加速和減速過程中會產(chǎn)生碰撞載荷，因此其靜態(tài)安全系數(shù)f?=2,由下式可得：(式3-12)與軸向最大負(fù)荷585N相比，因而此型號沒有問題。3.2.5工作壽命的計(jì)算由速度最大極值Vmx=0.3m/s,加速所需時間t?=0.2s,減速所需時間動作軸方向負(fù)荷Fx(N)運(yùn)行距離l(mm)(式3-18)(式3-19)L?=L?om×P?×10?=23400km(式3-20)從以上可以看出，BLK1510-5.6可以達(dá)到20000小時的期望使用壽命。首先討論轉(zhuǎn)動力矩，由下列公式可以得出，滾珠絲桿需要的轉(zhuǎn)動力矩。由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩：(式3-21)在等速度下降時：(式3-22)J、=3.9×10?×800=0.31kg·cm2=0.31×10*kg·m2(式3-23)(式3-24)(式3-25)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，加速所需要的扭矩如下：在加速上升時：T?=T-T?=900-200=700N·mm(式3-29)在減速下降時：在討論旋轉(zhuǎn)扭矩時，計(jì)算出的加速時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)電動機(jī)的最大扭矩應(yīng)大于或等于1100N·mm。在確定扭矩有效值時，必須充分考慮旋轉(zhuǎn)力矩所得到的力矩。在減速上升時：T?=700N·mm,t?=0.2s在加速下降時：T?=630N·mm,t?=0.2s在停止時(m?=0):T=658N·mm,t?=7.6s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734N·mm:因此，步進(jìn)電機(jī)的慣性力矩必須在1.58×10~kg·m2以上。最終選擇57系列步進(jìn)電機(jī)型號57HBP56AL4,其額定轉(zhuǎn)矩900N·mm。到此，選擇完畢，滾珠絲杠型號選擇BLK1510-5.6。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MY-36G-555-2480。其額定轉(zhuǎn)速16r/min,扭矩105N·m,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)自動展開曬衣架為一般工作機(jī)器，為保證傳動的平穩(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)z?=26,選用齒輪傳動的傳動比為u=3.5,由此可Z?=uz?=3.5×26=91(式3-31)實(shí)際亦取z?=91。(4)初選螺旋角β=14°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：②因?yàn)閭鲃友b置的齒輪軸是用聯(lián)軸器和電動機(jī)相連的，取傳遞的效率N?=60n?jL?=60×16×1×10×300×1×8=2.31×1j為在齒輪轉(zhuǎn)動一周時，同側(cè)齒面的嚙合次數(shù)，j=1。L?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：選取接觸疲勞壽命系數(shù)，對小齒輪選取為KHN?=0.90,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：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：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v;:(式3-45)(式3-47)②齒寬b:b=φ?d??=1×48.45=48.45mm(式3-48)①查取齒輪的使用系數(shù)K?=1.5。②根據(jù)小齒輪的圓周速度v?=0.041m/s,齒輪精度為7級精度，選取得動載(式3-49)(式3-50)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，K=1.455,則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：取標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5mm: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：①對齒輪的載荷系數(shù)試選，選定K=1.3。②計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)：(式3-52)(式3-53)(式3-54)β=arctan(tanβcosa,)=arctan(tan14°cos20.561°)=13.14°(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)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)因?yàn)?所以取2)對齒輪模數(shù)進(jìn)行試算：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v?:小齒輪的分度圓直徑為：③齒高及齒寬比計(jì)算：(式3-64)(式3-65)(式3-66)(式3-67)(式3-70)(式3-71)(式3-72)由,查得齒間載荷分配系數(shù)K=1.4。K=K?K?K??Krp=1.5×1.05×1.4×13)計(jì)算實(shí)際載荷下的齒輪模數(shù)：(式3-73)(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)m。=2mm。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)3.4.5幾何尺寸計(jì)算(式3-76)將中心距圓整得a=145mm。因β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)(式3-80)(式3-80)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：小齒輪模數(shù)(mm)22壓力角(度)螺旋角(度)齒寬(mm)分度圓直徑(mm)40Cr(調(diào)質(zhì))45鋼(調(diào)質(zhì))中心距(mm)3.5.1輸入軸的基本條件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d?=6(式3-81)(式3-82)Fa=Ftanβ=3114.78×tan15.09°=839.85N(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A,=108,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)圖的尺寸為b×h×l=8mm×7mm×16mm。(2)滾動軸承的初步選定。由于軸承同時承受徑向力和軸向力的作用，故初選圓錐滾子軸承，軸承代號為30206,其尺寸為d×D×B=30mm×62mm×16mm。則有dn-m=dv-vm=24mm,ln-m=26mm,lv-vm=16m(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dm-v=40mm,lm-v=5mm。(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b×h×l=12mm×8mm×44mm。齒輪一側(cè)采用軸肩定位，因此可確定div-v=48mm,lv-v=5mm,dvv=40mm,lv.vi(5)齒輪與上側(cè)軸承之間采用套筒定位，故dvi-v=35mm,lvi-v至此，軸的各段尺寸確定完成。3.5.5軸的載荷分析水平面支反力：NFNHBI=F?-FNHDI=3114.78-1420.N(式3-85)(式3-86)(式3-87)齒輪截面C處水平彎矩：齒輪截面C處左側(cè)的水平彎矩：Mvci=FvBIR?=875.11×52=45505.72N·mmMvci=Fvvp?R?=402.07×62=24928.34N·mm(式3-89)(式3-90)(式3-91)(式3-92)軸的載荷分析圖如下圖3.2所示。軸上載荷詳細(xì)見下表。表3.4軸上載荷參數(shù)載荷支反力總彎矩3.5.6彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度在進(jìn)行校核時，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)力是脈動循環(huán)變應(yīng)力，取a?=0.6,則軸的計(jì)算應(yīng)力：由軸的材料為45鋼，[σ_]=60MPa,σ<[o_]。3.6.1輸出軸的基本條件輸出軸上的轉(zhuǎn)矩T?=uTs=3.5×100=350N·m,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d?=225.78mm,圓周力、徑向力、軸向力分別為：由此可得大齒輪上的(式3-96)Fa?=F?tanβ=3100.36×tan15.09°=83選軸的材料為45鋼，調(diào)制處理。取A?=103,得：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。向力和軸向力的作用，故初選圓錐滾子軸承，軸承代號為30207,其尺寸為d×D×B=35mm×72mm×17mm。故有dtm=dyi-vi=35mm,lrn=lyi-V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b×h×l=14mm×9mm×50mm。此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故dy-v=45mm,FNHB?=F?-FNHD?=3100.36-1550.18=1550.18N齒輪截面C處右側(cè)的水平彎矩：McH右2=FNHD?R?=1550.18×79.5=123239.31N·mm齒輪截面C處左側(cè)的水平彎矩：故McH2=123239.31N·mm。Mvc?=FNvB?R4=1177.90×79.5=9364Mvc?=FNvD?R?=1214.65×79.5=9656(5)計(jì)算合成彎矩M,得到如圖3.4(d)所示的合成彎矩圖。(式3-100)(式3-101)(式3-102)(式3-103)(式3-104)(式3-105)(式3-106)(式3-107)(式3-108)(式3-109)軸的載荷分析圖如下圖3.4所示。軸上載荷詳細(xì)見下表。載荷支反力總彎矩扭矩T根據(jù)軸的計(jì)算可知FMvBI=875.11N,FvvDI=402因;R?=fan(XuFn+X?Fa?)=1.1×(1×1906.68+R??=fa?(X??F??+Y??Fa??)=1.1×(0.4×1476.57+1對于30206型軸承，軸承派生軸向力F=eF,為0.37,Y的值為1.6,則：Fa??=Fa?=608.41N,Fa因R?=fa?(X??F???+Y??F?i?)=1.1×(1×1946.92=1.1×(0.4×1969.37+1.6×1444.37)=3因?yàn)镻<R,由此根據(jù)軸承2的計(jì)算進(jìn)行校核：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，占動推桿完成推動動作。根據(jù)常州路易公司電動推桿選型參數(shù)表如下，選擇電動推同步帶款速度mm/速度mm/s推力(N)推力(N)7從上面的表格中，選擇齒輪款的傳動方式，型號BJXL齒輪式電動推桿。電動推桿馬達(dá)在減速齒輪的作用下，將安裝在內(nèi)筒上的小絲桿帶動與其相連的軸向移動螺母，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的沖程時，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)載選擇行程行程桿伸出時總中心距：并選擇安裝方式為安裝在支架上。(式3-125)(式3-126)3.8.2剪叉臂的結(jié)構(gòu)分析為了保證剪叉臂在工作時更加穩(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)，并隨著電動推桿推動連接桿的上下移動而完成伸縮的動作。當(dāng)做伸縮運(yùn)動時，A、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AE=DH=GK=JN=BD=EG=HJ=KM=2x=370mm,MO=NO=x=185mm。為了防止衣物堆疊和防止手指夾傷，取初始位置∠BAE=θ=17°,當(dāng)曬衣架展開到最大時，∠BAE=θ?=45°。剪叉臂收回時，其前端與末端的距離為：剪叉臂展開時，其前端與末端的距離為：S?=9xsinθ?=9×185×sin45°=1177.3mm(式3-127)(式3-128)其展開與收回時的距離差為：S?=S?-S?=1177.3-486.8=690.5mm(式3-129)為了使剪叉臂在伸縮過程中電動推桿有足夠的安裝位置，需滿足：2xcosθ?≥Lmi(式3-130)2xcosθ?≥Lma(式3-131)將上述數(shù)據(jù)代入得：2xcos0=2×185×cos17°=383.2xcosO?=2×185×cos45°=261故剪叉臂的桿長滿足條件。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)度是否滿足使的要求。將其單元總數(shù)劃分為465416個單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)799407個，網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)如圖4.1及4.2所示。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：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。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。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。到安全系,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0.7517mm,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