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智能窗戶的機械系統(tǒng)設計 摘要 窗戶作為室內與外界交流的通道，與人們的健康生活息息相關。而智能窗戶的出現(xiàn)，給人們的生活帶來更大的方便和安全。它是智能家庭的重要組成部分。隨著科技的發(fā)展，在未來幾年智能窗戶會在普通家庭中得到普及。本文著重介紹了一種智能窗戶機械部分的結構，它和現(xiàn)有的智能窗戶比較，在結構和功能上有一些改動和創(chuàng)新。本次設計對機構尺寸的選擇，軸的設計計算，強度剛度的校核計算，都給出了詳細的說明，還包括典型零件的加工與機構模型的制作，并通過專業(yè)三維軟件繪出機構的3D圖以及裝配方式。 關鍵詞:窗戶；智能；結構設計。 Intelligent window of mechanical system design Abstract Windows as a channel of communication with the outside-world. It is closely related to peoples healthy life. And the emergence of intelligent window, bring to peoples life more convenient and safe. It is an important part of intelligent family. With the development of science and technology, smart Windows in the coming years will get popular in ordinary families. This paper introduces the structure of the mechanical part of a smart Windows, compare it with existing intelligent window, there are some changes on the structure and function and innovation. The design for the selection of body size, check the strength stiffness, the calculation in the design of shaft, all details are given, it also include the establishment of typical parts processing and production of the model. Through 3D software to drew the drawing and assembly methods. Key Words: The window; Smart; The structure design. 85 目錄 摘要 1 Abstract 2 1 緒論 1 1.1 前言 1 2 方案設計 6 2.1分析、擬定傳動方案 6 2.1.1齒輪齒條傳動介紹 6 2.2機構結構與尺寸 8 2. 3減速器電動機的選擇 15 2.3.1選擇電動機類型 15 2.3.2選擇電動機功率 15 2.3.3選擇電動機 16 2.3.4減速電動機的介紹 17 3齒輪齒條設計 19 3.1選擇材料 19 3.2按齒面接觸強度計算設計 19 3.3按齒面接觸強度計算設計 21 4 軸的結構設計 25 4.1軸上零件的定位固定和裝配 25 4.2軸的計算 27 5 軸的加工 36 5.1加工工藝 36 5.2軸的加工 37 6 整體結構設計 40 6.1整體結構 40 7 預期達到的功能 43 總結 45 致謝 46 參考文獻： 47 1 緒論 1.1 前言 時間進入到21世紀以來，科技水平提高的速度十分迅猛。隨著環(huán)保、節(jié)能日益受到重視，能源的合理利用、節(jié)能產品的研制和開發(fā)取得很大的進展。人們對生活所在的家居條件要求越來越高，在這種情況下智能窗戶也就應運而生。智能家居系統(tǒng)在經(jīng)歷了早期混亂的概念紛爭之后，目前已經(jīng)逐漸進入理性時代。如今的智能家居市場已經(jīng)不再是海爾、微軟等專業(yè)家電控制和IT廠家的天下，越來越多的樓房對講廠商開始涉及并深入到智能家居行業(yè)，猛烈的沖擊著樓房對講市場格局，從而使得市場競爭更加激烈。盡管這樣，用戶的需求仍是第一位的，所以各廠家的產品研發(fā)主要以市場需求為導向。 隨著我國房地產行業(yè)的迅速發(fā)展，這就帶動了我國門窗幕墻行業(yè)的迅速發(fā)展，消費者生活水平的提高，使智能化的產品如雨后春筍，正逐步發(fā)展和壯大。而智能窗戶就是在這樣的環(huán)境下應運而生的，因此具有廣闊的市場空間和應用前景。 1.2 研究背景及意義 窗戶是房屋不可缺少的構成部分。早在春秋時期人們就學會了筑屋開窗。《詩經(jīng)幽風鷗鵑》寫老鳥筑巢養(yǎng)雛就有這樣的詩句:“徹彼桑土，綢繆牗戶?！盃ā本褪谴暗墓欧Q。不過那時的“牗”也只是些墻壁上的小洞罷了。到后來，權貴們用牛角薄片來遮住這樣的洞孔，窮苦人家就用破甕堵塞牗洞借以抵擋寒風冷雨。用木扉為窗扇則是秦代以后的事了，那時的窗扇是從下往上推開的。東漢紙張出現(xiàn)后，人們就用幾根木條做成窗權，然后糊上紙，掛在窗孔上方處，依然是往上推開的，必須有根木棍撐住才行，很麻煩。到了明代窗戶才改進成從中間開縫向兩邊推開，這就方便了許多。一直到了14世紀，第一面玻璃窗才由法國的技師克萊發(fā)明出來。玻璃窗傳入中國也就更晚了。 現(xiàn)代的窗式樣越來越多了，通常都安裝了玻璃。有人為了好看，窗戶的邊緣鑲上金邊，還在玻璃上刻畫漂亮的圖案，配上色澤協(xié)調的窗簾就更加美觀了。隨著高新科技的發(fā)展，窗也越發(fā)現(xiàn)代化了。有人用上了自動窗。只要一德電鈕，窗就會自動開啟;再媳開關，它又會自動緊緊關閉，甚至連窗簾都是自動開闔的。有的窗是多功能的，窗面有一層灰色的涂料，可以擋住強烈的光輻射。有的窗戶上可以放錄像，只要把放映機鏡頭對準窗戶，影像就活潑生動地顯現(xiàn)在窗戶上。有的窗戶設置著消音層，可以擋住室外60分貝以下的噪音，保證室內人安靜地生活。窗戶的變化真是越來越大，越來越稱人心愿。 而智能窗戶的出現(xiàn)，給人們的生活帶來更大的方便和安全。它是智能家庭的重要組成部分。例如在炎熱的夏天，學生更多的是依靠自然通風來降溫。良好的氣流組織形式，不但有助于人體健康，提高學習效率，而且可以降低建筑物能耗。再例如住在機場附近或生活在運輸繁忙的公路旁的居民，都有說不盡的煩惱。頻繁起落的飛機和疾馳而過的載重行車會產生噪音。長期受噪音干擾,有害于身心健康。對付噪音,人們似乎只有緊閉窗戶,把噪音盡量擋在外面?？墒?一直關窗,總是一個消極的辦法。如果有一種窗戶能夠自動感應噪音，當外界聲音分貝達到噪音時能夠自然關閉使人能夠安心的休息，這樣就使窗戶的功能得到優(yōu)化從而改善人們的生活。 還有許多類智能窗戶，像可以檢測有害氣體自動關閉的窗戶，檢測溫度濕度自動開窗調節(jié)的窗戶，檢測刮風下雨自動關閉的窗戶等等。隨著科技的發(fā)展，在未來幾年智能窗戶會在普通家庭中得到普及。 1.3 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著人們生活水平的提高，智能化、自動化的科技產品被越來越多的應用于人們的日常生活中，而智能門窗就是其中的代表之一。智門窗產品起源于上世紀70年代的美國，隨后逐步被歐美等發(fā)達國家所廣泛采用。自21世紀以來，智能門窗產品在新加坡、韓國、日本、及中國等地也開始逐步被用戶所采用。 輕輕的一按開關，窗戶就變得不透光了，遮陽具有了全新的含義。這就是所謂的第一代智能窗戶，多年來一直處于開發(fā)之中，現(xiàn)在終于可以隨時向用戶提供了。市場上第一個可用開關控制明暗程度的窗戶是美國明尼蘇達州沃羅德的Marvin窗戶制造公司制造的。隨著環(huán)保、節(jié)能日益受到重視，能源的合理利用、節(jié)能產品的研制和開發(fā)取得很大的進展。在這種背景下，80年代前期C．M．Lampert、C．G．Granqvist等首先提出將電致變色材料應用于建筑物、汽車、飛機等節(jié)能采光系統(tǒng)中，形成能動態(tài)調節(jié)太陽輻射能透過率的“智能窗”(Smart window)。近年來，智能窗的研究及應用一直是研究的熱點。 一種防雨窗戶。不需要改變窗戶的結構，不用插電流，一旦沾染水滴，窗戶在幾秒鐘內就會自動關閉。日前在西安落幕的第五屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽決賽中，華中農業(yè)大學學生設計的“防雨自動窗”榮獲一等獎。指導老師王樹才介紹，在窗戶上安裝防雨自動關窗裝置后，當人們打開窗戶時彈性元件為關窗儲存能量，下雨時，SAP吸水材料遇水膨脹，觸發(fā)鎖緊機構解除鎖緊，彈性元件釋放能量驅動窗戶運動，實現(xiàn)窗子的自動關閉。“這件作品把現(xiàn)代高分子化學材料與巧妙的機械原理相結合，可以解決雨天不關窗的后顧之憂，再也不用擔心無人在家或忘記關窗時遭遇大雨的襲擊?！?目前已經(jīng)有成品制作出來了，安徽電視臺給這種智能窗做了一個專訪。 詳情請看http://www.56.com/u73/v_MjM4NjAxMTg.html 這個窗戶的優(yōu)點足夠智能化，能夠檢測刮風、下雨、有害氣體、防盜等諸多功能，我發(fā)現(xiàn)這個產品的一個缺點就是在窗戶的智能控制和手動控制之間切換的時候，齒輪和齒條不能準確的嚙合，這會造成產品使用壽命變短。這個課題我要做的改進地方是在智能和手動切換的時候不用抬起齒輪裝置，使用離合器完成智能開啟和手動開啟的轉換，從而減少不必要的磨損，將使用壽命加長。 1.4本課題來源及研究內容 本課題來源于我校與三菱數(shù)控系統(tǒng)公司合作建設三菱電機CNC技術培訓中心。2007年6月24日，經(jīng)北方工業(yè)大學和三菱電機雙方共同努力正式簽署建立“北方工業(yè)大學——三菱電機CNC技術培訓中心” 合作協(xié)議。培訓中心位于我校第一實驗樓104實驗室，占地約為90平方米，配計算機、投影儀等實現(xiàn)多媒體教學，可同時容納30人。數(shù)控系統(tǒng)由三菱公司贈予我校，控制對象由07中央專項立項，經(jīng)招標確定北京一川數(shù)控設備有限公司作為控制對象的生產廠家，實驗室設備及建設于2008年5月下旬配套安裝調試完成，并投入教學使用。并于2008年6月3日舉行培訓中心落成典禮。 我的這個課題可以改變三菱實驗室的窗戶打開方式，使它由老式的推拉窗戶變成現(xiàn)代化的智能窗戶，在刮風或者下雨的天氣，如果不能及時的關閉窗戶，可能會使實驗室里的機床等設備有損壞，所以在使窗戶智能化之后，會使機床等設備更加安全，希望這個設計可以為實驗室的智能化做出一點點努力。這次智能窗戶的課題共有三人分別完成控制、仿真、機械結構三部分，我這次的任務是完成機械結構部分，下面我對這次設計的機械結構部分做詳細的介紹。 2 方案設計 2.1分析、擬定傳動方案 自動開關床任務分析：智能窗戶的傳動任務是由動力源通過傳動機構帶動窗扇在滑移槽內來回滑動。齒輪齒條傳動較為準確、可靠，并且機械效率高，因此，選定齒輪齒條傳動能滿足多功能窗傳動任務的要求。傳動形式見圖1。 圖2.1 齒輪齒條傳動 2.1.1齒輪齒條傳動介紹 齒輪齒條是能互相齒合的有齒的機械零件，它在機械傳動及整個機械領域中的應用極其廣泛?，F(xiàn)代齒輪技術已達到：齒輪模數(shù)0.004~100毫米；齒輪直徑由1毫米~150米；傳遞功率可達十萬千瓦；轉速可達十萬轉/分；最高的圓周速度達300米/秒。 齒輪齒條簡稱齒，是齒輪上每一個用于嚙合的凸起部分，這些凸起部分一般呈輻射狀排列，配對齒輪上的輪齒互相接觸，可使齒輪持續(xù)嚙合運轉；齒槽是齒輪上兩相領輪齒之間的空間；端面是圓柱齒輪或圓柱蝸桿上，垂直于齒輪或蝸桿軸線的平面；法面指的是垂直于輪齒齒線的平面；齒頂圓是指齒頂端所在的圓；齒根圓是指槽底所在的圓；基圓是形成漸開線的發(fā)生線作純滾動的圓；分度圓是在端面內計算齒輪幾何尺寸的基準圓。齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。 齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位，漸開線齒輪比較容易制造，因此現(xiàn)代使用的齒輪中，漸開線齒輪占絕對多數(shù)，而擺線齒輪和圓弧齒輪應用較少。在壓力角方面，小壓力角齒輪的承載能力較小；而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉矩相同的情況下軸承的負荷增大，因此僅用于特殊情況。而齒輪的齒高已標準化，一般均采用標準齒高。變位齒輪的優(yōu)點較多，已遍及各類機械設備中。齒條也分直齒齒條和斜齒齒條，分別與直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪配對使用； 齒條的齒廓為直線而非漸開線（對齒面而言則為平面），相當于分度圓半徑為無窮大圓柱齒輪 齒條的主要特點 (1) 由于齒條齒廓為直線，所以齒廓上各點具有相同的壓力角且等于齒廓的傾斜角，此角稱為齒形角，標準值為20。 (2)與齒頂線平行的任一條直線上具有相同的齒距和模數(shù)。 (3)與齒頂線平行且齒厚等于齒槽寬的直線稱為分度線（中線），它是計算齒條尺寸的基準線。 圖2.2 運動原理圖 2.2機構結構與尺寸 機構的外殼設計 第一次的機構與外殼設計如下圖： 圖2.3 第一次外殼設計 這種外殼的設計初衷是為了安裝方便，在找到老師看這種設計的合理性時，老師及時指出了我的錯誤。這種設計的外殼在生產加工時很不方便，會浪費很大的加工時間和經(jīng)費。這種設計是不可取的。為了解決這個問題，后來采用板材拼接而成的外殼，板上有定位槽，用來確定位置，側板和底板用較小的定位槽確定位置然后用螺釘連接。板材示意圖如下圖： 圖2.4 側板 圖2.5 底板 圖2.6 頂板 圖2.7前板 外殼就是用這幾塊板材拼接而成，這種方法拼接可以省去大量的加工時間。 機構的尺寸要做到小而且不能影響功能，所以在尺寸設計上要細心考慮到外觀的合理性。 機構的設計原理前面已經(jīng)說到了，這里要說的是機構外殼的設計?？紤]到加工工藝性，機構的外殼不能整體銑削出來，所以機構外殼使用板材拼接而成。板材使用pvc板料經(jīng)過切割銑削打孔出來，進行拼接。 pvc板材的優(yōu)點很多，下面介紹其優(yōu)點： a.pvc板材穩(wěn)定性、介電性好，耐用、抗老化，易熔接及粘合。 b.pvc板材質量輕、隔熱、保溫、防潮、阻燃、耐酸堿、抗腐蝕。 　　c.通過捏合、混煉、拉片、切粒、擠壓或壓鑄等工藝pvc板材pvc板材極易加工成型，可滿足各種型材規(guī)格的需要。 　 d.pvc板材表面光滑、色澤鮮艷、極富裝飾性，裝飾應用面較廣。 　　e.施工工藝簡單，安裝較為方便。 　　f.pvc板材抗彎強度及沖擊韌性強，破裂時延伸度較高。pvc板材被廣泛用于化工、環(huán)保、電渡、電子、食品、裝修、醫(yī)藥等行業(yè)，比如化工塑料容器制作安裝，設備防腐加工制造，水處理工程等。 pvc板材具有輕質、隔熱、保溫、防潮、阻燃、施工簡便等特點。規(guī)格、色彩、圖案繁多，極富裝飾性，可應用于居室內墻和吊頂?shù)难b飾，是塑料類板材中應用最為廣泛的裝飾材料之一。 機構外形尺寸： 圖2.8機構尺寸a 圖2.9機構尺寸b 運動流程： 圖2.10 運動流程圖 2. 3減速器電動機的選擇 2.3.1選擇電動機類型 為了能夠控制智能窗戶的開關，所以選擇電動機為執(zhí)行元件。對于窗戶，就一般而言，每扇窗戶的質量m估算在8Kg左右，加上裝置后 G=mg=10X10=100N （式2.1） 由于電動機帶動窗戶的運動過程往復滑動為滑動摩擦，所以摩擦系數(shù)f=0.3在 電動機上施加的力約為： F=f G=0.3X100N （式2.2） 力矩約為 T=F? r（r為齒輪半徑） （式2.3） =30X0.01=0.3N m 估取最大工作速度V=0.06m／S （式2.4） 由于裝置的體積不能太大，電動機在選擇時應盡量選擇小尺寸型號的電動機。 2.3.2選擇電動機功率 由電動機輸出軸至齒輪的總效率為: ηa=η1 η23 η3 （式2.5） 式中η1η2η3分別為聯(lián)軸器、軸承和齒輪的傳動效率。 取η1=0.97 η2=0.98 η3=0.96 則η=0.970.9830.96=0.876 電動機所需輸入功率： Pd=Fv1000ηw =300.0610000.87 （式2.6） =2.06W 2.3.3選擇電動機 由于考慮電動機尺寸的大小和輸出扭矩選取60KTYZ減速機馬達。 60KTYZ的主要參數(shù)如下表： 表2.1減速電動機參數(shù) 電壓 額定轉速 輸出扭矩 外形尺寸 重量 AC220V 60r／min 3.5Kg cm Φ6060 0.55Kg 圖2.10 減速電動機 2.3.4減速電動機的介紹 減速馬達是指減速機和馬達(電機)的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達或齒輪電機。通常由專業(yè)的減速機生產廠進行集成組裝好后成套供貨。減速馬達廣泛應用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè)等。使減速電機的優(yōu)點是簡化設計、節(jié)省空間。減速機一般是通過把電動機.內燃機或其它高速運轉的動力通過減速機的輸入軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的。 減速馬達的特點 1、減速馬達結合國際技術要求制造,具有很高的科技含量。 2、節(jié)省空間,可靠耐用,承受過載能力高,功率可達95KW以上。 3、能耗低,性能優(yōu)越,減速機效率高達95%以上。 4、振動小,噪音低,節(jié)能高,選用優(yōu)質段鋼材料,鋼性鑄鐵箱體,齒輪表面經(jīng)過高頻熱處理。 5、經(jīng)過精密加工,確保定位精度,這一切構成了齒輪傳動總成的齒輪減速電機配置了各類電機,形成了機電一體化,完全保證了產品使用質量特征。 6、使用了系列化、模塊化的設計思想,有廣泛的適應性,本系列產品有極其多的電機組合、安裝位置和結構方案,可按實際需要選擇任意轉速和各種結構形式。 3齒輪齒條設計 3.1選擇材料 這里將齒條選擇用40Cr（調質）,它的材料硬度是280HBS，齒輪的材料選擇為45鋼（調質），硬度為240HBS，它們的精度等級選6級精度，選擇齒輪齒數(shù)Z=20。 3.2按齒面接觸強度計算設計 即d1t≧2.323KT?du1u（ZEδH）2 （式3.1） （1） 確定各計算值 1） 試選K=1.3 ，齒寬系數(shù)?d=0.8 2） 由表差得此材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa12 3） 查圖10-21d：齒輪的接觸疲勞強度極限δHlim1=550MPa 齒條的接觸疲勞強度極限δHlim2=600MPa 4） 計算應力循環(huán)次數(shù) 設每天窗戶打開次數(shù)為10次 N=60njLn=606011036510 （式3.2） =1.314108 5） 由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.95 6） 計算接觸疲勞許用應力 取失效率為1%，安全系數(shù)S=1，由式10-12得： δH1=KnN1 δlim1S=0.95550 （式3.3） =522.5MPa δH2=KnN2 δlim2S （式3.4） =0.95600=570MPa 7）計算齒輪傳遞的分度圓直徑d1t，帶入δH中較小的值 d1t≥2.3232KT?d∈αu1uZH ZEδH2=20.47 （式3.5） 8) 計算圓周速度V V=nπd1t 601000=3.1420.475260000=5.57cms （式3.6） V=nπd1t601000=3.1420.476060000=6.42cms （式3.7） 9） 計算齒寬b b=?d d1t=0.820.47=16.376 （式3.8） 10) 計算齒寬與齒高之比bh 模數(shù)mt=d1tZ=20.4720=1.02mm （式3.9） 齒高h=2.25mt=2.251.02=2.29mm bh=1.632.29=7.15 （式3.10） 11) 計算載荷系數(shù) 根據(jù)V=0.06ms 6級精度，由圖查得動載系數(shù)Kv=1.09 直齒輪KHα=KFα=1 由表查得使用系數(shù)KA=1 由表用插值法查得KHβ=1.423 由bh=7.15 ， KHβ=1.423 查圖得KFβ=1.35 故載荷系數(shù) K=KAKvKHαKHβ （式3.11） =11.0911.423=1.55 12）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 所以 d1=d1t3KKt=20.4731.551.3=21.67 （式3.12） 13）計算模數(shù)m m=d1Z=21.6720=1.08mm （式3.13） 3.3按齒面接觸強度計算設計 (1)按齒根彎曲強度設計 彎曲強度設計公式為： m≥32KT ?dZ2YFαYSαδF （式3.14） 確定公式內的各計算值 1)由圖查得：齒條的彎曲疲勞強度的極限是： δFE1=500MPa 齒輪的彎曲疲勞強度的極限是： δFE2=380MPa 2)由圖取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.95 KFN2=0.98 3）計算彎曲疲勞許用應力，取彎曲疲勞完全系數(shù)S=1.4得： δF1=KFN1δFE1S=0.955001.4MPa=339.3MPa （式3.15） δF2=KFN2δFE2S=0.983801.4MPa=266MPa （式3.16） 4）計算載荷系數(shù)K K=KAKVKFαKFβ （式3.17） =11.0911.35=1.47 5）查取齒形系數(shù) 查得YFα1=2.06 YFα2=2.97 6）查取應力校正系數(shù) 查得YSα1=1.97 YSα2=1.52 7）計算齒輪齒條的YFαYSαδF并加以比較 YFα1YSα1δF1=2.061.97339.3=0.012 (式3.18) YFα2YSα2δF2=2.971.52266=0.017 （式3.19） 比較得出齒輪的數(shù)值大 設計計算 m≥32KnZ2YFα2YSα2δF2=1.17mm （式3.20） 對比結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載力，僅與齒輪直徑有關，可取彎曲強度計算所得的模數(shù)1.17 。并就近圓整為標準值m=1mm，按接觸強度算得的分度圓直徑d1=21.67mm,算出齒輪齒數(shù)Z=d1m=21.671≈20。 （3）幾何尺寸計算 1）計算分度圓直徑 d=Z m=201=20mm （式3.21） 2)計算齒輪寬度 b=?d?d=0.820=16mm （式3.22） 齒輪傳動特點： 1）瞬時傳動比恒定。非圓齒輪傳動的瞬時傳動比能按需要的變化規(guī)律來設計。 2）傳動比范圍大，可用于減速或增速。 3）速度（指節(jié)圓圓周速度）和傳遞功率的范圍大，可用于高速（v>40ms）、中速和低速（v<25ms）的傳動；功率可從小于1W到105KW。 4）傳動效率高。一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達99%以上。 5）結構緊湊，適用于近距離傳動。 6）制造成本較高。某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用的或高精度的機床、刀具和測量儀等，故制造工藝復雜，成本高。 7）精度不高的齒輪，傳動時噪聲、震動和沖擊大，污染環(huán)境。 8）無過載保護作用。 齒輪傳動類型選擇的原則: 1）滿足使用要求，如對傳動結構尺寸、重量、功率、速度、傳動比、壽命、可靠性的要求等。對以上要求應作全面的深入分析，滿足主要的要求，兼顧其他。如對大功率長期運轉的固定式設備，則著重于齒輪的壽命長和提高齒輪的傳動效率；對短期間歇運移的移動式設備，應要求結構緊湊為主；對重要的齒輪傳動，則要求可靠性高。 2）考慮工藝條件，如制造廠的工藝水平、設備條件、生產批量等。 3）考慮合理性、先進性和經(jīng)濟性等。 4 軸的結構設計 4.1軸上零件的定位固定和裝配 為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動和空轉的要求外，還必須進行軸向和周向定位，以保證準確的工作位置 （1）主動軸 主動軸與電動機連接，通過剛性聯(lián)軸器使電動機動力傳給主動軸。主動軸靠一對深溝球軸承支撐。 圖 4.1 主動軸 Ⅰ段:軸的最小直徑為安裝聯(lián)軸器處的直徑d1，故同時選用聯(lián)軸器的轉矩 計算TCa=KAT1 （式4.1） 查教材可知，考慮到轉矩變化很小 取Ka=1.3 則TCa=1.30.3=0.39N?m 因此選?、穸危篸1=7mm ，長度L1=15mm Ⅱ段：因為 h=（0.07~0.1）d （式4.2） 為了便于配合軸承，此處dⅡ=10mm 度LⅡ=12mm 查機械手冊初選用61900型號深溝球軸承 dDB=10226 Ⅲ段：h=（0.07~0.1）d 取h=2 dⅢ=12m LⅢ=20mm Ⅳ段：此處需連接傳遞動力的卡子，所以在長度選擇上要考慮卡子的厚度B=10mm 此處dⅣ=10mm LⅣ=25mm （2）從動軸 圖4.2 從動軸 從動軸需要在軸套中滑動，所以從動軸與軸套必須是間隙配合。 1段：d1選擇的尺寸需和卡子裝配，所以d1與主動軸dⅣ應相同，此處d1=10mm。 2段：此處軸肩根據(jù)公式h=（0.07~0.1）d 取h=2mm ，所以d2=12mm L2=5mm。 3 段：軸的這一端與齒輪連接，因為之前選定齒輪為1模20齒的臺階齒輪，所以此處d3=10mm，L3的長度定為92mm。 兩軸均不存在鍵槽，因為考慮到扭力不是很大，所以選取的聯(lián)軸器卡子和齒輪由緊定螺絲、抱緊的方式固定。 4.2軸的計算 已知前面選擇電動機功率2.06W，轉速n1=60rmin (1)計算主動軸 1）計算主動軸上的功率P1 轉速n1和轉矩T1 P1=P?η=2.060.97=1.99W （式4.2） 又知n1=60rmin （式4.3） T1=9550000P1n1=95500001.9960≈318046N?mm （式4.4） 2）初步確定軸的最小直徑 先按教材上式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調制處理根據(jù)表15-3選取A0=103，于是： dmin=A03P3n3=6.21mm （式4.5） 主動軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器孔徑相適應，選取聯(lián)軸器孔徑為7mm。 聯(lián)軸器的計算轉矩TCa=KAT1 （式4.6） 查表14-1，考慮到轉矩變化很小，所以取KA=1.3 則TCa=KA?T1=1.3318046 =413459.8 N?mm 選用ZQ鋼性聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的孔徑為7mm，故選取主動軸為7mm，剛性聯(lián)軸器的長度L=20mm。 聯(lián)軸器圖片如下： 圖4.3 剛性聯(lián)軸器 聯(lián)軸器介紹： 聯(lián)軸器屬于機械通用零部件范疇，用來連接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接，是機械產品軸系傳動最常用的連接部件。20世紀后期國內外聯(lián)軸器產品發(fā)展很快，在產品設計時如何從品種甚多、性能各異的各種聯(lián)軸器中選用能滿足機器要求的聯(lián)軸器，對多數(shù)設計人員來講，始終是一個困擾的問題。常用聯(lián)軸器有膜片聯(lián)軸器，齒式聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，鼓形齒式聯(lián)軸器，萬向聯(lián)軸器，安全聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器及蛇形彈簧聯(lián)軸器。 a.凸緣式聯(lián)軸器 特點：構造簡單，成本低，可傳遞較大轉矩。不允許兩軸有相對位移，無緩沖。 用途：在轉速低，無沖擊，軸的剛性大，對中性較好的場合應用較廣。 b.滑塊聯(lián)軸器 半聯(lián)軸器上的凹槽與中間滑塊的凸榫移動副可補償兩軸偏移 特點、應用：無緩沖，移動副應加潤滑,用于低速傳動 c.彈性聯(lián)軸器 特點：緩沖吸振，可補償較大的軸向位移，微量的徑向位移和角位移。 應用：正反向變化多，啟動頻繁的高速軸。 d.安全聯(lián)軸器 在結構上的特點是，存在一個保險環(huán)節(jié)（如銷釘可動聯(lián)接等），其只能承受限定載荷。當實際載荷超過事前限定的載荷時，保險環(huán)節(jié)就發(fā)生變化，截斷運動和動力的傳遞，從而保護機器的其余部分不致?lián)p壞，即起安全保護作用。 起動安全聯(lián)軸器：除了具有過載保護作用外，還有將機器電動機的帶載起動轉變?yōu)榻瓶蛰d起動的作用。 e.剛性聯(lián)軸器 剛性聯(lián)軸器不具有補償被聯(lián)兩軸軸線相對偏移的能力，也不具有緩沖減震性能；但結構簡單，價格便宜。只有在載荷平穩(wěn)，轉速穩(wěn)定，能保證被聯(lián)兩軸軸線相對偏移極小的情況下，才可選用剛性聯(lián)軸器。 f.撓性聯(lián)軸器 具有一定的補償被聯(lián)兩軸軸線相對偏移的能力，最大量隨型號不同而異。 無彈性元件的撓性聯(lián)軸器：承載能力大，但也不具有緩沖減震性能，在高速或轉速不穩(wěn)定或經(jīng)常正、反轉時，有沖擊噪聲。適用于低速、重載、轉速平穩(wěn)的場合。 非金屬彈性元件的撓性聯(lián)軸器 在轉速不平穩(wěn)時有很好的緩沖減震性能；但由于非金屬（橡膠、尼龍等）彈性元件強度低、壽命短、承載能力小、不耐高溫和低溫，故適用于高速、輕載和常溫的場合 。 金屬彈性元件的撓性聯(lián)軸器：除了具有較好的緩沖減震性能外，承載能力較大，適用于速度和載荷變化較大及高溫或低溫場合。 具體分類可分為：萬向聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器、輪胎式聯(lián)軸器、星形彈性聯(lián)軸器、梅花形彈性聯(lián)軸器、彈性套柱銷聯(lián)軸器。 3）軸的設計如前面所述 a.根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 為了滿足聯(lián)軸器的連接需求, Ⅰ-Ⅱ段的直徑dⅠ-Ⅱ=7mm，現(xiàn)?、?Ⅱ段的長度LⅠ-Ⅱ=15mm。 Ⅱ-Ⅲ段和軸承配合（過渡配合） 因為軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承，參照工作要求并根據(jù)dⅡ-Ⅲ=10mm，選擇標準精度級的深溝球軸承61900，右端采用軸肩進行定位，軸肩高度h>0.07d，取h=2，則取dⅢ-Ⅳ=12mm，LⅢ-Ⅳ=20mm Ⅲ-Ⅳ段取dⅢ-Ⅳ=10mm，此處安裝和Ⅱ-Ⅲ段一樣的深溝球軸承61900，軸承dDB=10226 。所以LⅢ-Ⅳ=25mm。至此，已經(jīng)初步確定了軸的各段直徑和長度。 b.軸上零件的周向定位 聯(lián)軸器卡子與軸的連接方式分別采用緊定螺釘和抱緊的方式。聯(lián)軸器與軸的配合公差為H7K6，深溝球軸承與軸的軸向定位是由過渡配合來保證的。 c.確定軸上倒角尺寸 參考教材表15-2，取軸端倒角為0.545 。 （2）計算從動軸 1)計算從動軸上的功率P2轉速n2和轉矩T2 P2=P1?η=1.990.97=1.93W （式4.7） n2=60rmin T2=9550000P2n2=95500001.9360≈307191N?mm （式4.8） 2）初步確定軸的最小直徑 先按教材上式（15-2）初步估算軸的最小直徑選取軸的材料為45鋼，調制處理根據(jù)表15-3選取A0=103，于是 dmin=A03P2n2=9.61mm （式4.9） 從動軸的最小直徑是安裝卡子處和齒輪處的直徑，為了使所選的軸直徑與卡子孔徑為10mm 卡子的計算轉矩TCa2=KAT2 （式4.10） 查表14-1，考慮到轉矩變化很小，所以取KA=1.3 則TCa2=KA?T2=1.3307191=399348.3 N?mm 3）軸的設計如前面所述 a.根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。為了滿足卡子的安裝需求，現(xiàn)取 1段長度為35mm，直徑為d1=10mm 2段處為軸肩，在3段上需要加裝軸承，軸承型號和主動軸上所用的軸承相同，同是深溝球軸承型號為61900 尺寸 dDB=10226 軸肩高度h>0.07d 取h=2 2段長度不用很長，只需要用來定位和固定 軸承的一個軸向定位，現(xiàn)取2段軸肩處的長度為5mm， d2=12mm 3段需安裝齒輪、軸承和軸承卡簧，軸承卡簧用來固定軸和軸承，使軸承不能在軸上軸向滑動，這個設計是使整套機構具有離合的功能，考慮到軸承的厚度和安裝齒輪的需要，選擇3段長度為92mm。 b.軸上零件的周向定位 卡子與軸的連接方式為抱緊方式，齒輪和軸的連接方式為抱緊，齒輪和軸的連接方式由緊定螺釘固定，齒輪和卡子與軸的配合公差為H7K6，深溝球軸承與軸的軸向定位是由過度配合固定，軸承卡簧卡住軸承使軸承在軸向不能滑動。 c.確定軸上倒角尺寸 參考教材表15-2，取軸端倒角為0.545 d.從圖上看可以看出從動軸比主動軸更容易受到損害，所以在校核的時候，這里的校核軸只校核從動軸，首先根據(jù)軸的結構圖做出軸的計算簡圖。 圖4.4 軸的載荷分析圖 從圖中可以看出截面2是危險截面?，F(xiàn)將計算出的截面2處的各數(shù)值列出。 支持力與反支持力 FNH1=33.2N FNH2=16.7N FNV1=18.6 FNV2=-9N 彎矩 MH=2362.1N?mm MV1=1326.9N?mm MV2=-41N?mm 總彎矩 M1=2362.12+1326.92=4815.2 N?mm M1=2362.12+412=2362.4 N?mm 扭矩T=960000 N?mm e.按彎曲合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（危險截面） 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，取α=0.6，軸的計算應力 σCa=M12+（αT3）2W=4815.22+（0.6960000）20.1603=15.3MPa （式4.11） 前面已經(jīng)說到選擇的材料是45鋼，調制處理，由教材表15-1查得σ-1=60MPa。因此σCa<σ-1，所以，安全。 5 軸的加工 5.1加工工藝 由于細長軸本身剛性差（L/d值愈大，剛性愈差），在車削過程中會出現(xiàn)以下問題： 1 工件受切削力、自重和旋轉時離心力的作用，會產生彎曲、振動，嚴重影響其圓柱度和表面粗糙度。 2 在切削過程中，工件受熱伸長產生彎曲變形，；車削就很難進行，嚴重時會使工件在頂尖間卡住。 因此，車細長軸是一種難度較大的加工工藝。雖然車細長軸的難度較大，但它也有一定的規(guī)律性，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀等三個關鍵技術，問題就迎刃而解了。 3 使用中心架支承，車細長軸在車削細長軸時，可使用中心架來增加工件剛性。一般車削細長軸使用中心架的方 法有： 1）中心架直接支承在工件中間 當工件可以分段車削時，中心架支承在工件中間， 這樣支承，L/d值減少了一半，細長軸車削時的剛性可增加好幾倍。在工件裝上中 心架之前，必須在毛坯中部車出一段支承中心架支承爪的溝槽，表面粗糙度及圓柱 度誤差要小，否則會影響工件的精度。車削時，中心架的支承爪與工件接觸處應經(jīng) 常加潤滑油。為了使支承爪與工件保持良好的接觸，也可以在中心架支承爪與工件 之間加一層砂布或研磨劑，進行研磨抱合。 2）用過渡套筒支承車細長軸 ：用上述方法車削支承承中心架的溝槽是比較困難 的。為了解決這個問題，可加用過渡套筒的處表面接觸。過渡套筒 的兩端各裝有四個螺釘，用這些螺釘夾住毛坯工件，并調整套筒外圓的軸線與主 軸旋轉軸線相重合，即可車削。 3）使用跟刀架支承車細長軸：跟刀架固定在床鞍上，一般有兩個支承爪，跟刀架可以跟隨車刀移動，抵消徑向切 削時可以增加工件的剛度，減少變形。從而提高細長軸的形狀精度和減小表面粗糙度。 從跟刀架的設計原理來看，只需兩只支承爪就可以了，因車刀給工件的 切削抗力F`r，使工件貼住在跟刀架的兩個支承爪上。但是實際使用時，工件本身有一個向下重力，以及工件不可避免的彎曲，因此，當車削時，工件往往因離心力瞬時離開支承爪、接觸支承爪而產生振動。如果采用三只支承爪的跟刀架支承工件一面由車刀抵住，使工件上下、左右都不能移動，車削時穩(wěn)定，不易產生振動。因此車細找軸時一個非常關鍵的問題是要應用三個爪跟刀架。 4）減少工件的熱變形伸長：車削時，由于切削熱的影響，使工件隨溫度升高而逐漸伸長變形，這就叫“熱變形”。 在車削一般軸類時可不考慮熱變形伸長問題，但是車削細長軸時，因為工件長，總 伸長量長，所以一定要考慮到熱變形的影響。 5.2軸的加工 這次的設計需要制作出模型，這個模型要具有離合功能，所以在制作時必須要使用到軸。在軸的加工過程中，使我對數(shù)控加工工藝有了更深刻的理解。 主動軸加工程序： 主程序： N10 G54 G90 G94 G23 N20 M03 T1 N30 G00 X1 Z5 R1=0.5 ABC: N40 G158 X=R1 N50 (子程序) N60 R1=R1-1 N70 IF R1>0.05 GOTOB ABC N80 G158 N90 (子程序) N100 GOO X5 N110 Z20 N120 M05 M02 子程序 N10 G00 X5 Z5 N20 G42 G01 Z0 F100 N30 X7 Z-1 N40 Z-15 N50 X10 N60 Z-27 N70 X12 N80 Z-47 N90 X10 N100 Z-71 N110 Z-71 N120 G40 G00 X40 N130 G00 Z-5 N140 M17 6 整體結構設計 6.1整體結構 窗戶也許是建筑物外圍護結構中最復雜、最有趣的基本要素。從居住者的角度來看，窗戶提供的基本功能除采光、景觀、通風之外，還要使使用者感到舒適。玻璃占整個窗戶面積最高可達80%以上，在滿足窗戶的基本功能之外，還直接影響建筑整體的節(jié)能效果。 家是的棲息之所，是自己營造的一個相對獨立的小環(huán)境，擋風避雨，遮陽隔音，保護自己不受到任何來自外界的因素侵擾。說是相對的獨立，是因為不可能完全脫離外界的環(huán)境而獨自生活，需要室內室外能有一個合理的交流與互換。在這個小環(huán)境中，需要有合適的溫度、濕度、空氣和光線，還要有適合自己的聲音環(huán)境。 所以機構在窗戶上的安裝方式和機構的體積大小也很重要。機構的大小決定了用戶窗戶的采光好壞。機構在窗戶上的安裝位置如下圖： 圖6.1機構在窗戶中位置示意 關于窗戶打開方式及優(yōu)缺點的介紹： 1)推拉窗 窗戶沿軌道上下或者左右推拉 優(yōu)點：不占用室內外空間，操作輕便，特別適用于陽臺。 缺點：最大開啟度只能達到整個窗戶面積的1/2；在風雨天，窗戶只能關閉，無法換氣；要清潔朝外的玻璃面較困難；密封性差，濕氣、灰塵容易進入；窗框下滑軌來回滑動，上有較大的空間，下有滑輪間的空隙，造成較大的熱損失。 2)平開窗 ：是一種傳統(tǒng)的窗型，應用范圍最廣，分內開、外開兩種。 優(yōu)點：窗扇和窗框間均有橡膠密封壓條，封閉性能好； 外平開窗防水性能好，且開啟時不占用室內空間；內平開窗便于經(jīng)常擦洗，保持窗戶潔凈。 缺點：外開式窗會占用室外空間；內開式窗容易撞到小孩的頭而且容易造成雨水、沙塵侵襲室內。 3)平開上懸窗：這是德國應用得最廣泛的窗型，其技術含量相對較高。它通過轉動執(zhí)手選擇門窗的關閉，向內平開及頂部向內上懸，從而達到密封、通風、適量通風及防盜的目的。其五金件多為國外進口，價格相對較高。 優(yōu)點：具有良好的保溫隔音性能；通風時，新風回旋進入室內；刮風下 雨時，也可以開啟窗戶，保持室內空氣清新；便于清潔朝外的玻璃面。 缺點：其技術含量較高，五金件多為國外進口，價格相對較高。 4)射窗：射窗的結構與平開窗相似，只是鉸鏈（合頁）安裝的位置不同，安裝在頂部。射窗較適合廚房、衛(wèi)生間等小窗戶或有中央空調的賓館、寫字樓，有時是與平開窗、推拉窗配套使用的。 每種打開方式都有有點和缺點，目前我國使用最廣泛的窗戶是推拉窗，所以這次設計的基礎是以推拉窗為載體，安裝在推拉窗上實現(xiàn)機構的功能。 7 預期達到的功能 這個課題所設計的機構需要達到的功能主要有以下幾點： 1)晴天轉換成降雨天氣：當天氣處在晴空的時候，窗戶將保持自己的狀態(tài)，當天氣由晴空變成降雨的時候，若窗戶處在開啟的狀態(tài)，那么窗戶會根據(jù)溫度傳感器等一系列傳動裝置的作用下關閉，如果處在關閉狀態(tài)，則不發(fā)生變化。 2）晴天轉換成降雪天氣：當天氣處在晴空的時候，窗戶將保持自己的狀態(tài)，當天氣由晴空變成降雪的時候，若窗戶處在開啟的狀態(tài)，那么窗戶會根據(jù)溫度傳感器等一系列傳動裝置的作用下關閉，如果處在關閉狀態(tài)，則不發(fā)生變化。 3）晴天轉換成刮風天氣：當天氣處在晴空的時候，窗戶將保持自己的狀態(tài)，當天氣由晴空變成降雨的時候，若窗戶處在開啟的狀態(tài)，那么窗戶會根據(jù)溫度傳感器等一系列傳動裝置的作用下關閉，如果處在關閉狀態(tài)，則不發(fā)生變化。 4）晴天轉換成刮風天氣：當天氣處在晴空的時候，窗戶將保持自己的狀態(tài)，當天氣由晴空變成降雨的時候，若窗戶處在開啟的狀態(tài)，那么窗戶會根據(jù)溫度傳感器等一系列傳動裝置的作用下關閉，如果處在關閉狀態(tài)，則不發(fā)生變化。 5）噪音感應系統(tǒng)：若窗戶處在開啟狀態(tài)，若外界噪音過大，將對室內主人產生影響，則窗戶自動關閉，當噪音程度達標，則窗戶自動關閉，此時窗戶可以隨意控制。這個控制系統(tǒng)可以自己開啟或關閉。 模型圖： 圖7.1 機構模型 總結 時間一點點過去，畢業(yè)離我們一點點近了。經(jīng)過幾個月的努力，我們的畢業(yè)設計也進入了收尾階段，現(xiàn)在回想這幾個月的勞動過程，有困難，有汗水，有痛苦也有快樂。當遇到問題的時候，我會靜下來平心靜氣的想問題出在哪里，是不是我有的地方做錯了，越是不懂得東西越要去學習，在這個過程中，我收獲很多。 在設計過程中，加工零件對我來說是一個挑戰(zhàn)，特別是細長軸的加工，需要很大的耐心和很高的加工水平。在加工過程中，一個小小的疏忽，切削進給量大了哪怕是零點五毫米，也可能把軸做費。還有就是其他零件和軸的配合安裝，一定要考慮到實際尺寸和設計尺寸的差別，有些標準件的精度不是很高，這就要改變軸的尺寸。這鍛煉了我對大局掌握的方法，考慮事情要面面俱到。 在整個畢業(yè)論文設計的過程中我學到了不少東西，做任何事情都要有正確的態(tài)度和良好的心態(tài)。有些輕微的差錯都有可能會造成嚴重的后果。當問題苦思未果時，要適當?shù)恼埱髱椭灰獮榱怂^的面子羞于向他人請教，充實自己才是最重要的。同學之間要互相幫助，幫助別人的同時自己也在加深記憶。在完成任務的過程中耐心和毅力是很重要的，同時也要善于聽取他人的意見，取長補短，這樣做起事情來才會事半功倍。 致謝 參考文獻： [1] 孫桓, 陳作模, 葛文杰. 機械原理(第七版) [M ]. 北京: 高等教育出版社, 2006. 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