机电一体化课程设计-全自动波轮式洗衣机

1 波 轮 式 全 自 动 洗 衣 机 机 电 系 统 设 计 一 、 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 140 200r min， 脱 水 转 速 约 为 700 800r min。 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 。 二 、 波 轮 式 全 自 动 洗 衣 机 的 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 165 185mm之 间 ，转 速 为 320 500r 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 120 300rmin。 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 基 本 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 系 统 、 支 承 机 构 等 5大 部 分 组 成 ， 如 图 1所 示 。 2图 1 3 三 、 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 。 1.水 位 开 关 水 位 开 关 又 称 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 由 压 力 开 关 检 测 的 。 当 洗 衣 机 工 作 在 洗 绦 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 统 有 故 障 ， 水 位 开关 则 发 出 排 水 系 统 受 阻 信 号 。 (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 ， 其 结 构 如 图 2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 ；控 制 装 置 由 压 力 弹 簧 4、 导 套 2、 调 压 螺 钉 3、 杠 杆 l和 凸 轮 5等 组 成 ； 触 点 开 关 由 动 簧 片 8、 开 关 小 弹 簧 7、 动 静 触 点 组 成 ， 其 中 公 共 触 点COM和 常 闭 触 点 NC组 成 动 断 触 点 ， 公 共 触 点 COM和 常 开 触 点 NO组 成 动合 触 点 。 动 簧 片 8是 由 铍 青 铜 板 制 成 ， 其 结 构 如 图 3所 示 。 4图 2 5 在 内 动 簧 片 和 外 动 簧 片 的 a、 b点 安 装一 个 小 弹 簧 ， 即 图 2中 的 开 关 小 弹 簧 7。c点 为 内 动 簧 片 的 力 驱 动 点 ， 位 于 顶 心和 塑 料 盘 的 轴 心 线 上 。 图 3 动 簧 片 结 构 (2)工 作 原 理 当 水 注 入 内 桶 时 ， 气 章 很 快 被 封 闭 。 随 着 水 位 上升 ， 封 闭 在 气 室 内 的 空 气 压 力 也 不 断 提 高 ， 压 力 经 软 管 12传 到 水 位开 关 气 室 11， 水 位 开 关 气 室 ll内 的 空 气 压 力 向 上 推 动 橡 胶 膜 10和 塑料 盘 9， 推 动 动 簧 片 8中 的 内 动 簧 片 向 上 移 动 ， 压 力 弹 簧 4被 压 缩 。 当注 水 到 了 选 定 水 位 时 ， 此 时 内 动 簧 片 移 动 到 预 定 的 力 平 衡 位 置 ， 开关 小 弹 簧 7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 NO与 公 共 触 点 COM闭 合 ，从 而 发 出 关 闭 水 源 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 4回 复 伸 长 ， 推 动 顶 心 6， 使 动 簧 片 8中 的 内 动 簧 片 向 下移 动 ， 当 移 动 到 预 定 的 力 平 稳 位 置 时 ， 开 关 小 弹 簧 7对 外 动 簧 片 产 生 一 个 向 上 的 推 力 ， 使 开 关 的 常 开 触 点 N0与 公 共 触 点 COM迅 速 断 开 ， 常闭 触 点 NC与 公 共 触 电 C0M闭 合 ， 从 而 改 变 控 制 电 路 的 通 断 。 6 2.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 4所 示 。 图 4 7 (2)工 作 原 理 电 磁 阀 线 圈 4断 电 时 ， 铁 心 6在 自 重 和 小 弹 簧 5作用 下 下 压 ， 使 铁 心 6下 端 的 小 橡 胶 塞 7堵 住 泄 压 孔 B， 此 时 如 果 有 水进 入 进 水 腔 I， 水 便 由 加 压 孔 A进 入 控 制 腔 ， 使 控 制 腔 内 水 压 逐渐 增 大 ， 最 终 使 橡 胶 阀 9紧 压 在 出 水 管 的 上 端 口 上 ， 将 阀 关 闭 。 同时 因 铁 心 6上 面 空 间 与 控 制 腔 相 通 ， 控 制 腔 内 水 压 的 增 大 还会 使 铁 心 6上 面 空 间 气 体 压 强 增 大 导 致 橡 胶 阀 9更 紧 地 压 在 泄 压 孔B上 ， 增 加 了 阀 关 闭 的 可 靠 性 。 当 进 水 电 磁 阀 线 罔 4通 电 后 ， 产 生 的 电 磁 吸 力 将 铁 心 6向 上 吸起 ， 泄 压 孔 B被 打 开 。 控 制 腔 内 的 水 迅 速 从 泄 压 孔 B中 流 入 出 水管 ， 同 时 经 加 压 孔 A流 人 控 制 腔 的 水 又 进 行 补 充 。 但 由 于 加 压 孔A比 泄 压 孔 B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 I水 压 时 ， 橡 胶 阀 9被 进 水 腔 I中 的 水 向 上 推 开 ，水 从 进 水 腔 直 接 进 入 出 水 管 ， 进 而 流 人 盛 水 桶 。 水 到 位 后 ， 由 水位 开 关 切 断 进 水 电 磁 阀 线 圈 4的 电 源 ， 进 水 阀 重 新 关 闭 。 8 3.排 水 电 磁 阀 排 水 电 磁 阀 由 电 磁 铁 与 排 水 阀 组 成 ， 如 图 5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 联 接 起 来 。 图5 9 (1)结 构 排 水 阀 是 由 排 水 阀 座 1、 橡 胶 阀 2、 内 外 弹 簧 3与 4、 导 套 5和 阀盖 6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 5。导 套 5内 装 有 内 弹 簧 3， 它 一 端 卡 在 导 套 左 边 槽 口 ， 另 一 端 钩 挂 在 电 磁 铁 拉 杆 7上 ，内 弹 簧 3处 于 拉 紧 状 态 。 在 导 套 5外 装 有 一 个 外 弹 簧 4， 它 的 刚 度 比 内 弹 簧 3小 ,它 的 一 端 与 阀 盖 6接 触 另 一 端 与 导 套 5的 基 座 接 触 外 弹 簧 4处 在 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 。 交 流 电 磁 铁 的 主 要 技 术 参 数 如 表 1所示 ， 直 流 电 磁 铁 的 主 要 技 术 参 数 如 表 2所 示 。 2 10 (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 4把 橡 胶 阀 2紧 压 在 排 水 阀 座 1的 底 部 。 排 水 时 ， 排 水 电 磁 铁 通 电 工 作 ， 衔 铁 13被 吸 入 ， 牵 动 电 磁 铁拉 杆 7。 由 于 拉 杆 7位 移 ， 在 它 上 面 的 挡 套 16拨 动 制 动 装 置 的 刹 车扭 簧 伸 出 端 17， 使 制 动 装 置 处 于 非 制 动 状 态 (脱 水 状 态 )。 另 一 方面 随 着 电 磁 铁 拉 杆 7的 左 端 离 开 导 套 5， 外 弹 簧 4被 压 缩 ， 使 排 水阀 门 打 开 正 常 排 水 时 ， 橡 胶 阀 2离 开 排 水 阀 座 l密 封 面 的 距 离 应 不小 于 8mm， 排 水 电 磁 铁 的 牵 引 力 约 为 40N。 四 、 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 台 器 组 成 。 套 桶 式 全 自 动 洗 衣机 使 用 一 台 电 动 机 来 完 成 洗 涤 和 脱 水 工 作 。 洗 涤 时 ， 波 轮 转 速 较 低(140 200r/min)； 而 脱 水 时 ， 脱 水 桶 转 速 较 高 (约 800r min)。 因此 ， 要 对 电 动 机 1370r min的 输 出 转 速 进 行 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 6所 示 。 111.电 动 机 的 技 术 参 数 电 动 机 是 整 个 洗 衣 机 工 作 的 动 力 来 源 。 我 国 现 阶 段 生 产 的 套 桶式 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 T3758-1996 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 3所 示 。 12 3 2.减 速 离 合 器 的 结 构 和 工 作 原 理 早 期 设 计 的 小 波 轮 全 自 动 洗 农 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 为 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 。 13 1)基 本 结 构 离 合 器 主 要 结 构 如图 7(1)(2)所 示 。 离 合 器中 部 有 两 根 轴 ： 输 入 轴 l和 脱 水 轴 l8。 输 人 轴 1的下 端 加 工 成 四 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 人 轴 1上 ， 由 于 方 轴 与方 孔 的 紧 密 配 合 ， 从 而 带轮 3、 输 入 轴 I和 离 合 套20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 。 (1)单 向 轴 承 式 减 速 离 合 器 图7(1) 147(2) 15 输 入 轴 l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 台 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 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 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 8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 。 8 16 图 7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 l8只 能 向 一 个 方 向 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 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 可 顺 时 针 转 动 ；而 当 脱 水 轴 逆 时 针 转 动 时 ，滚 针 则 卡 紧 在 楔 彤 槽 的 小 端 处 ， 这 时 脱 水 轴 将 无 法转 动 。 9 17 在 图 7中 ， 刹 车 装 置 外 罩 9、 刹 车 扭 簧 lO、 刹 车 带 15、 刹 车 盘 16和 十 宁 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 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 了 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 。 9如何跟16 17 18联系的 1810 19 行 星 减 速 器 结 构 如 图 10所 示 。 减 速 器 外 罩 8和 减 速 器 底 盖 10用螺 钉 紧 固 在 一 起 ， 再 安 装 在 法 兰 盘 12上 ， 法 兰 盘 12和 脱 水 轴 2通 过锁 紧 块 13固 定 在 一 起 ， 因 为 法 兰 盘 12和 脱 水 桶 相 联 接 ， 所 以 减 速 器外 罩 8、 减 速 器 底 盖 10、 法 兰 盘 12和 脱 水 桶 成 一 整 体 。 减 速 器 底 盖10有 上 、 下 两 个 止 口 ?， 从 而 保 证 了 减 速 器 和 脱 水 轴 2安 装 时 的 同 心 度 。对 行 星 减 速 器 来 说 ， 输 入 轴 1是 动 力 的 传 入 轴 ， 其 花 键 端 插 人 中 心 轮l1的 内 孔 中 。 行 星 轮 4其 有 4个 ， 与 中 心 轮 11以 及 内 齿 圈 6相 啮 合 。 内齿 圈 6通 过 其 圆 周 槽 卡 在 减 速 器 底 盖 10上 ， 与 之 联 成 一 体 。 行 星 轮 通过 销 轴 5安 装 在 行 星 架 7上 ， 当 行 星 轮 绕 中 心 轮 公 转 时 ， 将 带 动 行 星架 一 起 旋 转 。 波 轮 轴 9两 端 都 加 工 成 齿 形 花 键 ， 其 下 端 与 行 星 架 7联接 ， 上 端 与 波 轮 相 联 ， 从 而 使 波 轮 以 低 速 旋 转 洗 涤 衣 物 。 2)工 作 原 理 脱 水 状 态 减 速 离 合 器 脱 水 时 的 状 态 及 装 配 戈 系 如 图 11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 动 旋 松 刹 车 弹 簧 ， 使 其 松 开 刹 车 装 置 外 罩 ， 这 时 刹 车 盘 随 脱 水 轴 5一 起 转 动 ，刹 车 不 起 作 用 ； 另 一 方 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 20 状 态 ， 这 时 也 就 抱 紧了 离 合 套 2。 大 带 轮 l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 ， 11 21 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 ， 即 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 l 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 680 800r min。 洗 涤 状 态 如 图 12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 ， 其 下端 与 离 台 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 能 。 输 入 轴 至 波 轮 轴 的 传 动 称 为 二 级 减 速 ， 其 工 作 过 程 为 ： 输 人 轴 通 过 中 心 轮 驱 动 行 星 轮 ， 行 星 轮 既 绕 自 己 的 轴 自 转 又 沿 着 内 齿 圈绕 输 人 轴 公 转 ， 因 为 行 星 轮 固 定 在 行 星 架 上 ， 所 以 行 星 轮 的 公 转 也 22 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 l 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 ， 再 经 减 速比 约 为 4的 行 星 减 速 器 减速 ， 所 以 转 速 约 为 140200r min。 12 23 对 于 洗 衣 机 传 动 系 统 三 种 工 作 情 况 ， 各 零 部 件 工 作 状 态 如 表 所 示 。 4 24 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 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 山 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 9所 示 。 13 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 力 向 转 动 时 ， 单 向 滚 针 轴 承允 许 转 动 的 方 向 与 之 致 ， 所 以 对 脱 水 桶没 有 制 动 作 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 装刹 车 带 两 端 在 哪 ？ 25 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 跟 转 。 刹 车 装 置 工 作 原 理 如 图13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 跟 转 ； 当 波 轮 顺 时 针 方 向 转 动 时 ， 依 靠 刹 车 装 置 来 防 止 内 桶 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)带 制 动 式 减 速 离 合 器 （ 略 ） 五 、 机 械 传 动 系 统 设 计 计 算 波 轮 式 全 自 动 洗 衣 机 的 传 动 系 统 的 设 计 计 算 内 容 较 多 ， 但 大 多数 零 部 件 可 以 选 用 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 。 1.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 26 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 400mm， 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 罔 内 选 择合 适 的 一 级 降 速 传 动 比 和 采 用 带 轮 传 动 。 2.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 验 进 行 设 计 选 用 的 。 表 5是 目 前 常 用 的 波 轮 式 全自 动 洗 衣 机 基 本 参 数 情 况 ， 可 供 设 计 时 参 考 根 据 设 计 任 务 要 求 最 大 洗 衣 量 为 3.8kg， 参 照 表 5选 用 电 动 机 功率 为 180w， 电 动 机 满 载 时 转 速 为 1370r min。 27 3. 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 。 参 照 表 6， 初 步 选 定 电 动 机 功 率 P为 l80W， 洗 衣 转 速 为 180r/min，脱 水 转 速 为 720r/min， 则 传 动 比 为： (1)计 算 功 率 Pca 由 于 载 荷 变 动 小 ， 因 此 取 工 作 情 况 系 数K A=1.0， Pca=KAP=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 (见 图 14)。 (3)带 轮 的 基 准 直 径 d1和 d2 初 选 小 带 轮 的 基 准 直 径 dd1查 表 6和表 7， 选 取 dd1=55mm， 大 于 V带 轮 的 最 小 基 准 直 径 ddmin的 要 求 50mm。 大 带 轮 的 基 准 直 径 dd2为 ：dd2=idd1=l.9 55=104.5mm， 按 表 6圆 整 为 dd2=106mm。 2814 29 67 30 (4)验 算 带 的 速 度 v 普 通 V带 的 最 大 带 速 vmax=25 30m s， 故 满 足 要 求 。 (5)中 心 距 a和 带 的 基 准 长 度 Ld 0.7(dd1+dd2)a02(dd1+dd2) 112.7a0322根 据 洗 衣 机 桶 体 的 安 装 尺 寸 ， 初 取 a0=140mm， 基 准 长 度 ： Ld =2a0+( /2)(dd1+dd2)+(dd2-dd1)2/4a0 =2 140+( /2)(55+106)+(106-55) 2/(4 140)mm =538mm 查 表 8选 取 和 538mm相 近 的 标 准 带 的 长 度 Ld为 560mm， 则 实 际 中心 距 为 ： a a0+(Ld-Ld )/2=140+(560-538)/2=151mm 在 安 装 时 ， 在 结 构 上 要 保 持 V带 有 一 定 的 张 紧 力 ， 安 装 中 心 距会 略 有 所 变 化 。 31 8 (6)主 动 轮 上 的 包 角 1 1=180o-(dd2-dd1)/a 57.5o=160.6o 120o (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 P 、 单 根 V带 额 定 功 率 增 量 P0查 表 8、 表 9、 表 10和 表 11， 取KL=0.94、 K =0.95、 P0=0.16kW、 P0=0.02kW。 32 910 33 11 取 z=1。 (8)带 的 预 紧 力 F0 V带 单 位 长 度 的 质 量 q查 表 l2得 q=0.06kg m，单 根 V带 所 需 的 预 紧 力 为 ： 34 12 (9)带 传 动 作 用 在 轴 上 的 力 FL： 4.带 轮 的 结 构 设 计 带 轮 的 结 构 设 计 可 参 考 有 关 机 械 设 计 于 册 或 机 械 设 计 教 材 。 5.行 星 减 速 器 设 计 已 知 洗 衣 转 速 为 180r min， 脱 水 转 速 为 720r min。 由 于 脱 水时 行 星 减 速 器 中 心 轮 与 内 齿 圈 顺 时 针 等 速 旋 转 ， 故 中 心 轮 与 行 星 架的 传 动 比 为 l， 波 轮 与 内 桶 顺 时 针 等 速 旋 转 ， 因 此 由 洗 涤 状 态 来 进 行 行 星 减 速 器 的 设 计 计 算 。 35 (1)洗 涤 状 态 传 动 比 洗 涤 输 入 轴 与 波 轮 的 传 动 比 为 ： (2)初 选 中 心 轮 和 内 齿 圈 齿 数 洗 涤 时 中 心 轮 旋 转 ， 内 齿 圈 静 止 ，中 心 轮 与 行 星 架 的 传 动 比 按 以 下 公 式 计 算 ： 初 选 中 心 轮 齿 数 zA=19， 由 上 式 计 算 得 内 齿 圈 齿 数 zB=57。 (3)计 算 行 星 轮 齿 数 由 于 洗 衣 机 工 作 扭 矩 不 大 ， 选 择 齿 轮 模数 为 1mm， 如 选 4个 行 星 轮 对 称 布 置 ， 则 可 计 算 出 行 星 齿 轮 齿 数 为 ： 最 终 确 定 中 心 轮 齿 数 z A为 19， 内 齿 圈 齿 数 zB为 57， 行 星 齿 轮 齿数 zx为 19， 实 际 传 动 比 iBAX为 4， 洗 衣 转 速 为 l80r min。 36 6.棘 爪 与 棘 轮 机 构 设 计 由 于 外 桶 尺 寸 已 定 (因 内 桶 直 径 已 知 )， 在 方 案 设 计 时 初 定 位 于外 桶 底 部 的 出 水 口 位 置 ， 则 排 水 电 磁 阀 衔 铁 中 心 与 出 水 口 中 心 位 于同 一 直 线 上 。 根 据 选 定 的 排 水 电 磁 阀 的 行 程 和 初 定 的 棘 轮 顶 圆 直 径来 设 计 棘 爪 机 构 。 要 求 在 洗 涤 时 ， 棘 爪 要 伸 人 棘 轮 棘 齿 高 度 的 三 分之 二 ， 脱 水 时 棘 爪 脱 离 棘 轮 l.5mm以 上 。 棘 爪 与 棘 轮 机 构 的 详 细 设 计可 参 考 相 关 书 籍 。 六 、 控 制 系 统 设 计 电 脑 式 全 自 动 洗 衣 机 上 使 用 的 微 控 制 器 主 要 是 4位 或 8位 的 单 片机 。 本 例 中 控 制 电 路 的 微 控 制 器 选 用 MCS-5l系 列 的 单 片 机 AT89C2051， 该 单 片 机 是 AT-MEL公 司 8位 单 片 机 系 列 产 品 之 一 ， 内 含 2K字 节可 反 复 擦 写 的 程 序 存 储 器 以 及 128字 节 的 RAM单 元 ， 具 有 15条 可 编 程控 制 的 I O线 ， 5个 中 断 触 发 源 ， 其 指 令 与 MCS-51系 列 完 全 兼 容 。选 用 AT89C205l作 CPU， 可 使 洗 衣 机 的 控 制 电 路 大 大 简 化 。 37 1.全 自 动 洗 衣 机 的 功 能 要 求 (1)强 、 弱 洗 涤 功 能 要 求 强 洗 时 ， 正 、 反 转 驱 动 时 间 各 为 4s，间 歇 时 间 为 1s； 弱 洗 时 ， 正 、 反 转 驱 动 时 间 各 为 3s， 间 歇 时 间 为 2s。 (2)4种 洗 衣 工 作 程 序 即 标 准 程 序 、 经 济 程 序 、 单 独 程 序 和 排水 程 序 。 1)标 准 程 序 动 作 顺 序 是 ： “ 进 水 洗 涤 或 漂 洗 排 水 脱 水 ” ，如 此 循 环 三 次 。 每 循 环 一 次 ， 洗 涤 或 漂 洗 时 间 比 上 一 循 环 同 一 环 节减 少 2min， 也 即 ： 第 一 循 环 内 的 洗 涤 时 间 定 为 6min， 第 二 循 环 内 的漂 洗 时 间 减 为 4min， 第 三 循 环 内 的 漂 洗 时 间 减 为 2min； 排 水 时 间 采用 动 态 时 间 法 确 定 脱 水 时 间 规 定 为 2min。 2)经 济 程 序 与 标 准 程 序 一 样 ， 只 是 循 环 次 数 定 为 二 次 。 3)单 独 程 序 是 “ 进 水 洗 涤 (规 定 为 6min) 结 束 (留 水 不 排 不 脱 )” 。 4)排 水 程 序 是 “ 排 水 脱 水 结 束 ” ， 时 间 确 定 与 上 述 程 序 相 应环 节 相 同 。 (3)进 、 排 水 系 统 故 障 自 动 诊 断 功 能 洗 衣 机 在 进 水 或 排 水 过 程中 ， 若 在 一 定 的 时 间 范 围 内 进 水 或 排 水 未 能 达 到 预 定 的 水 位 ， 就 说 明 进 、 排 水 系 统 有 故 障 ， 此 故 障 由 控 制 系 统 检 测 后 通 过 相 应 程 序 发出 报 警 信 号 ， 提 醒 操 作 者 进 行 人 工 排 除 。 38 (4)脱 水 期 间 安 全 保 护 和 防 振 动 功 能 脱 水 期 间 若 打 开 机 盖 ，洗 衣 机 就 会 立 即 停 止 脱 水 操 作 ； 若 出 现 衣 物 缠 绕 引 起 脱 水 桶 重 心偏 移 而 不 平 衡 ， 洗 衣 机 电 会 自 动 停 止 脱 水 ， 以 免 振 动 过 大 ， 待 人工 处 理 后 恢 复 工 作 。 (5)间 歇 驱 动 方 式 脱 水 期 间 采 取 间 歇 驱 动 方 式 ， 以 便 节 能 。本 系 统 要 求 驱 动 5s， 停 止 2s， 间 歇 期 间 靠 惯 性 力 使 脱 水 桶 保 持 高速 旋 转 。 (6)暂 停 功 能 不 管 洗 衣 机 工 作 在 什 么 状 态 ， 当 按 下 暂 停 键 时 ，洗 衣 机 必 须 立 即 停 止 工 作 ， 待 起 动 键 按 下 后 ， 洗 衣 机 又 能 按 原 来所 选 择 的 工 作 方 式 继 续 运 转 。 (7)声 光 显 示 功 能 洗 衣 机 各 种 工 作 方 式 的 选 择 和 各 种 工 作 状态 均 伴 有 声 、 光 提 示 或 显 示 。 2.硬 件 电 路 设 计 洗 衣 机 需 要 控 制 的 工 作 部 件 主 要 有 进 水 阀 、 排 水 阀 和 电 动 机 。进 、 排 水 阀 仅 有 开 启 和 关 闭 两 种 状 态 ， 电 动 机 则 有 正 转 、 反 转 、停 止 三 种 状 态 。 根 据 功 能 要 求 和 AT89C2051芯 片 的 性 能 特 点 ， 设 计出 洗 衣 机 的 电 气 控 制 电 路 如 图 所 示 。 39 电 路 中 选 用 AT89C2051的 P1.0 P1.3共 4根 I 0线 通 过 4块 SPlllO型 固 态 继 电 器 ， 分 别 直 接 驱 动 洗 衣 机 的 进 水 阀 、 排 水 阀 ， 以 及 电 动机 的 正 、 反 转 。 SPlll0是 一 种 交 流 固 态 继 电 器 ， 内 置 发 光 二 极 管 和光 触 发 双 向 可 控 给 硅 ， 10 50mA输 人 电 流 即 可 使 双 向 可 控 硅 完 全 导通 ， 输 出 端 通 态 电 流 为 3A(平 均 值 )， 浪 涌 电 流 15A(不 重 复 )。 选 用交 流 固 态 继 电 器 ， 既 简 化 了 电 路 ， 又 使 强 、 弱 电 完 全 隔 离 ， 保 证 了主 板 的 安 全 。 图 中 的 74LS05为 反 相 器 ， 用 做 中 间 缓 冲 器 ， 其 中 4个 通 道 分 别驱 动 4个 SPl110固 态 继 电 器 ， 另 外 两 个 通 道 用 于 驱 动 指 示 灯 LED5和LED6。 图 中 的 74LSl39为 双 “ 2-4” 译 码 器 ， 选 用 它 可 解 决 CPU中 I 0线数 量 不 足 的 问 题 ,从 功 能 要 求 可 知 ， 洗 衣 机 有 4种 洗 衣 工 作 程 序 ，需 要 用 4种 不 同 的 显 示 来 加 以 区 别 。 74LSl39只 要 CPU的 P3.0和 P3.l两 根 线 即 可 提 供 4种 不 同 显 示 的 驱 动 。 其 逻 辑 关 系 是 ： P3.0、 P3.l为 “ 11” 时 ， LEDl亮 ， 指 示 标 准 程 序 ； 为 “ 10” 时 ， LED2亮 ， 指 示 经 济程 序 ； 为 “ 0I” 时 ,LED3亮 ， 指 示 单 独 程 序 ； 为 “ 00” 时 ， LED4亮 ， 指 示 排 水 程 序 。 40 洗 衣 机 的 暂 停 功 能 (暂 停 键 S6)、 安 全 保 护 与 防 振 功 能 (盖 开 关S3)均 采 用 中 断 方 式 处 理 。 这 两 个 中 断 分 别 对 应 CPU的 外 部 中 断 0(P3.2脚 )和 外 部 中 断 1(P3.3脚 )。 中 断 请 求 信 号 通 过 TC4013BP双 D触 发 器 的 两 个 Q端 ， 分 别 加 到 CPU的 P3.2和 P3.3， 并 由 触 发 器 锁 存 ，直 到 CPU响 应 结 束 为 止 。 开 盖 (安 全 保 护 )或 不 平 衡 (防 振 动 )中 断 信号 (都 会 引 起 盖 开 关 S3的 闭 合 )， 通 过 由 v1和 v2组 成 的 反 相 器 送 至TC4013BP的 CLK端 ， 经 触 发 器 的 Q端 加 到 CPU的 P3.3。 为 了 充 分 利 用 CPU的 I O口 线 ， P3.4和 P3.5采 用 分 时 复 用 技 术 ，每 根 线 具 有 两 个 功 能 。 在 洗 衣 机 未 进 入 工 作 状 态 或 洗 衣 机 处 于 暂 停状 态 期 间 ， P3.4为 输 入 线 ， 用 于 监 测 起 动 键 的 状 态 ； 当 起 动 键 按 下时 ， 洗 衣 机 即 进 入 工 作 状 态 或 从 暂 停 状 态 恢 复 到 原 来 的 工 作 状 态 ；当 洗 衣 机 暂 停 导 致 CPU响 应 中 断 时 ， P3.4为 输 出 线 ， 待 中 断 处 理 完毕 时 ， 由 P3.4发 信 将 D触 发 器 输 出 的 中 断 请 求 信 号 撤 销 。 在 洗 衣 机进 水 或 排 水 期 间 ， P3.5被 用 做 输 入 线 ， 用 于 监 测 水 位 开 关 状 态 ， 为CPU提 供 洗 衣 机 的 水 位 信 息 ； 在 洗 衣 机 高 速 脱 水 期 间 ， 当 发 生 开 盖 或不 平 衡 导 致 CPU响 应 中 断 时 ， P3.5为 输 出 线 ， 待 中 断 处 理 结 束 后 ， 由 P3.5发 信 将 D触 发 器 输 出 的 中 断 请 求 信 号 撤 销。 41 CPU的 P3.7用 于 驱 动 蜂 鸣 器 发 出 各 种 报 警 声 音 。 CPU的 第 4、 第 5脚 外 接 6MHz的 晶 振 。 第 l脚 通 过 10 F电 解 电 容 接 到 +5V电 源 ， 可 实 现上 电 自 动 复 位 ， S7为 强 制 复 位 键 。 洗 衣 机 的 强 、 弱 洗 涤 可 通 过 S1键 进 行 循 环 选 择 。 Sl键 还 具 有 第二 功 能 ， 即 当 洗 衣 机 发 生 故 障 转 入 报 警 程 序 后 ， 按 下 S1键 可 以 退 出报 警 状 态 ， 回 到 初 始 待 命 状 态 。 洗 衣 工 作 程 序 可 通 过 S2键 循 环 选 择 。 洗 衣 机 的 工 作 状 态 可 通 过 LED7 LED9进 行 显 示 。 脱 水 期 间 ， 系统 在 响 应 开 盖 或 不 平 衡 中 断 后 ， CPU采 取 软 件 查 洵 的 方 式 ， 通 过 Pl.6脚 对 盖 开 关 进 行 监 测 ， 以 确 定 洗 衣 机 是 否 继 续 进 行 脱 水 操 作 。 3.控 制 程 序 设 计 根 据 全 自 动 洗 衣 机 的 功 能 要 求 ， 设 计 控 制 系 统 的 程 序 流 程 如 图15所 示 。 42图 15 全 自 动 洗 衣 机 控 制 系 统 的 程 序 流 程