学生机械创新设计大赛作品设计说明书 健身洗衣车.docx

东北大学第五届大学生机械创新设计大赛参赛作品学生机械创新设计大赛作品设计说明书健身洗衣车指导老师：何雪浤作者：魏蒙亮杜鹏飞谢中淮付舒婷目 录第一章设计背景2第二章相关产品概况3第三章作品设计概述43.1基本设计思路43.2基本原理概述43.3作品创新点43.4作品技术关键53.5主要技术指标53.6材料6第四章作品科学性详述74.1作品主体结构及工作原理74.2作品可靠性分析84.2.1锥齿轮的可靠性分析94.2.2皮带机皮带轮的可靠性分析104.2.3轴的可靠性分析104.2.4其他构件的可靠性分析14第五章产品使用说明15第六章总结与展望166.1作品优势166.2推广前景16参考文献17第一章设计背景图1-1 环境的不断恶化伴随着现今社会的高速发展，人们对能源的需求在日益的增加，与此同时带来的是地球资源的匮乏和环境的不断恶化当代地球人已开始逐渐认识到这个问题的严重性，纷纷投入“节能环保”的大军中，从我做起，从点滴做起，拯救早已不堪重负的地球母亲现如今的人们越来越追求高效率的生活，生活节奏不断的加快、工作压力不断的加重工作总是坐在电脑前，出门则有各种交通工具代步各种新技术的引人，给我们的生活带来许多便利。

然而体力劳动强度的大幅降低加之体育锻炼的缺乏正在严重威胁着我们的身体健康，因此各种健身设备充斥着市场图1-2 生活压力的加大“健身洗衣车”这个集节能环保、健身锻炼于一体的创新性设计也就孕育而生了第二章相关产品概况健身车洗衣机虽然未被推广上市，但已有一些利用自行车带动洗衣机的创意作品但大多都是国外的作品，国内还很少出现图2-1 某科学家制作的自行车洗衣机1．据《朝鲜日报》报道，美国密西根州科学家发明了一款“自行车洗衣机（如图2-1所示）”，其原理是人踩动脚踏板使车后轮转动，再利用自行车后轮带动发电机，并利用发出的电带动洗衣机的电机，从而使洗衣机工作此项发明的不足之处是：用机械转动带动发电机发电，发的电又经电机转化为转动这样一来一回大大降低工作效率，且装置过于复杂图2-2 Alex Gadsden制作的自行车洗衣机2．这项创造（如图2-2所示）是一个叫Alex Gadsden的人做的，其原理也是利用人踩动自行车使后轮转动，用在后轮经皮带将动力传给洗衣机，由于自行车转速慢自能带动滚筒式洗衣机，而且不能用电带动，只能全靠人力滚筒式洗衣机造价高，改装困难也因而不能在我国广泛使用第三章作品设计概述3.1基本设计思路本机械装置是一种能在人骑健身自行车锻炼的同时又带动洗衣机完成洗衣任务的健身洗衣装置。

可安装在家中供那些因工作压力大而无暇锻炼的人们随时进行健身，同时解决了洗衣的烦恼，更为节能环保做出贡献3.2基本原理概述装置如图3-1所示，当人踏动脚踏板时，经链条传动、棘轮棘爪式超越离合器、锥齿轮传动将人健身时产生的能量传递到输出轴，从而驱动洗衣机工作当电动机转动时，通过滚柱式超越离合器、带轮传动将能量传递给输出轴，驱动洗衣机工作图3-1装置主体结构3.3作品创新点1．巧妙利用健身时产生的能量，并用在居家生活中这样既能做好家务，又能督促自己锻炼身体，同时为环保节能做出贡献2．在自行车后轴和电机轴上各安装一个超越离合器使电机工作时脚踏板不会跟着转动，人踏动脚踏板时电机不会跟着转动这样用两个超越离合器不仅可以实现一个离合器的离合功能，还可以实现人与电机配合工作装置中共设计了五个工作档位：1电机零输出、2电机小功率输出、3电机中等功率输出、4电机大功率输出、5电机全功率输出，其中2、3、4为人与电机合作3．此设计不仅可以安装在洗衣机上，还可安装于各种由小功率单向电机带动的家电上3.4作品技术关键1．洗衣机容量的选择：主要依据普通人健身锻炼时所产生的功率2．电机的配用：根据输出功率和电机转速的要求选择。

3．超越离合器的选用：自行车后轴的沿用原有的飞轮，电机轴上的超越离合器，根据受力特点、转速、传递扭矩尽量选择外径小的4．锥齿轮的选择：符合强度等要求；根据传动比选择两齿轮齿数为整数，且在小齿轮齿数大于17的前提下选择最小齿数5．带轮的尺寸设计：在保证力学性能符合要求的同时，尽量设计节约材料，满足空间和装配要求６．轴的设计：在满足强度要求的前提下，根据其上装配的零件进行合理的设计3.5主要技术指标１．人骑健身自行车的平均输出功率为120w，最大输出功率为1000w，平均转速为60 r/min，最大转速为120 r/min２．容量两千克的波轮式洗衣机洗衣功率为100w，变数箱输入轴转速为450r/min３．电机额定功率为135w，额定转速为1350 r/min４．适用于普通人群3.6材料45钢、HT150、等第四章作品科学性详述4.1作品主体结构及工作原理装置主体结构（如图4-1所示）由1.大链轮、2.小链轮、3.大直齿锥齿轮（详见附图1）、4.连轴锥齿轮（详见附图2）、5.电机轴（详见附图3）、6.小皮带轮（详见附图4）、7.大皮带轮（详见附图5）8.水平轴（详见附图6）、9.棘轮棘爪式超越离合器（如图4-1）、10.滚柱式超越离合器（如图4-1，详细参数见表1）组成。

表1滚柱式超越离合器详细参数图4-1装置工作原理图项目DZTnD1d1dB1bK数据3232.53000454141841.2人单独工作时，人蹬车的方向如图4-1箭头①所示，后链轮的棘轮棘爪式超越离合器外圈转动方向如图4-1箭头④所示，使棘轮棘爪式超越离合器处于接触卡死状态，从而把动力传给内圈进而传递到输出轴，输出轴转向如图4-1箭头⑤所示，动力传递到小皮带轮处其转向如图4-1箭头②所示，滚柱式超越离合器外圈转动方向如图4-1箭头③所示，此时滚柱式超越离合器圆辊到达宽缝一边，从而星轮与外轮分离，不带动电机轴转动电机单独工作时，电机带动滚柱式超越离合器心轮转向如图4-1箭头③所示，此时滚柱式超越离处于楔紧状态把动力传递给外圈，当运动传递到输出轴时其转向如图4-1箭头⑤所示，传递到小链轮棘轮棘爪式超越离合器时其内圈转向如图4-1箭头④所示，棘轮棘爪式超越离合器内圈与外圈处于脱离状态，使脚踏板不会跟着转动，实现电机单独工作的目的人和电机配合工作时，可减小电动机的输出功率人踏动脚踏板将动力传递到输出轴时的转向和电机将动力传递到输出轴时的转向相同且为如图4-1箭头⑤所示此时人和电机的工作状态如同自行车下坡时人踏动自行车脚踏板的状态，人和电动机共同提供动力带动洗衣机工作。

并可根据人的需求适当选择档位，实现在不同强度下健身锻炼的功能共设5个档位；1档位人的输出功率约为120w；2档位人的输出功率约为90w；3档位人的输出功率约为60w；4档位人的输出功率约为30w；5档位为电机单独工作4.2作品可靠性分析4.2.1锥齿轮的可靠性分析校核齿根疲劳强度（3代表大锥齿轮（详见附图１），4代表小锥齿轮（详见附图２））寿命系数YN3=YN4=0.95安全系数SFmin3=SFmin4=1.25弯曲疲劳极限δlim3=220MPaδlim4=300MPa尺寸系数YX3=YX4=1许用应力 [δF]3=2δlim3YN3YX3/SFmin3 =2×220×0.95×1/1.25 =334MPa [δF]4=2δlim4YN44/SFmin4 =2×300×0.95×1/1.25 =456MPa当量齿数cosδ3=0.258cosδ4=0.966ZV3=Z3/cosδ3=75/0.258=291.036ZV4=Z4/cosδ4=20/0.966=20.700齿形系数YFa3=2.12YFa4=2.94应力修正系数Ysa3=1.91Ysa4=1.56可能出现最大扭矩T1=9550N⦁mm载荷系数K=2.37齿根疲劳强度δF的校核 δF3=4KT1YFa3YFa4/ ФR(1-0.5ФR)2Z32m3u2+1代入以上数据的： δF3=151.863 MPa<[δF] =334 MPa δF4= δF3Ysa4YFa4/Ysa3YFa3代入以上数据的： δF4=172.011MPa< [δF]4=456MPa满足弯曲强度。

4.2.2皮带机皮带轮的可靠性分析（6代表小皮带轮（详见附图４），7代表大皮带轮（详见附图５））由传动速度和扭矩计算出大皮带轮直径dd7=238mm小皮带轮直径 dd6=80mmᵤ实际带轮中心距 a=301.8验算包角 α=180°-(dd7-dd6)/a代入数据α=150.38°>120°（可用）确定V带Z数 z=pca/p'=pca/(p0+Δp0)KαKLp0=360KW Δp0=30WKα=0.92KL=1.08代入数据得α=0.135 故α=1确定初拉力 F0=500pcaVZ(2.5Kα-1)+qv2 q=0.06代入数据得F0=22.51N计算带轮轴所受的压力FQ=2zF0sinα12代入数据得FQ=43.52N4.2.3轴的可靠性分析（1）轴5（电机轴（详见附图３））的设计与校核电机轴轴径选择14mm材料选择45号钢键选择：普通平键 GB/T1096 键4×4×4画轴受力简图如图4-2求作用在轴上的力M、FA∑My=0FA=FQ=43.52∑MAF=0 M=FQAB=43.52×24×10-3=1.0445N/mM1=-1.0445N/mT=9550Pn1=95500.1351350=0.955N·mT2=-0.955N·mMvⅠ=TⅠ2+MvⅠ2=1.415N·m按弯扭合成强度条件计算轴的强度设计内容计算结果说明当量弯矩MV(N·m)1.415N·m轴径 14当量弯曲应力σV≈Mv0.1d3×103MPa=5.1567MPa需用弯曲应力σ-1b=55MPa选用轴料45∴σv<σ-1b 安全（2）轴9（水平轴（详见附图３））的设计与校核键C8×7×18轴的受力简图4-3分析竖直面受力Ft1=2T1dm1=2×95.5152.9633×10-3=1250.87Fr=Ft1∙tanα∙cosσ1=1250.87×tan20°×cos75°=117.84NFa=Ft1∙tanα∙sinσ1=1250.87×tan20°×sin75°=439.77NMa=Fa∙dm12=439.77×152.6933×10-32=33.57N∙mFA=-542.84NFB=425.00N分析水平面受力Ft1=1250.87T1=95.5N∙mFA2=961.28NFB2=2212.16N合成危险截面当量矩Ⅰ：MⅠ垂直=28.77N∙mⅠ垂直面内MMⅠ水平=35.02N∙mⅠ水平面内MTⅠ=95.5N∙mMvⅠ=MⅠ垂直2+MⅠ水平2+T2Ⅱ：MⅡ垂直=28.77N∙mMⅡ水平=50.94N∙mT=95.5N∙mMvⅡ=111.99N∙m校核σⅠ=MvⅠ0。