全自动波轮式洗衣机传动系统设计

 目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪 论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2 洗衣机国内外研究现状 1
1.3 本设计主要内容 2
2波轮式全自动洗衣机传动系统结构 3
2.1传动系统的组成 3
2.2洗衣机的原理 3
2.3电机的选择及技术参数 4
2.4减速离合器的结构及工作原理 5
3机械传动系统设计及计算 7
3.1传动方案的拟定 7
3.2带传动的类型和结构 8
3.3带传动的设计计算 9
3.4带轮的结构设计 14
3.5行星减速器的设计 15
结 论 16
参考文献 17
致 谢 18

摘 要
目前，洗衣机已成为我们生活中不可缺少的家用电器。随着洗衣机的发展和改进，它对我们的生活越来越方便。对洗衣机的发展，有必要对其传动系统进行不断的研究和改进。如今，自动化的应用越来越广泛。其体积小、响应快等优点已成为自动家电的主流之一。对机械结构的研究也导致了传统控制技术的快速变化。同样，在当今的洗衣机中，自动洗衣机作为家庭标准的应用已成为洗衣机应用的主流，也是目前洗衣机应用的发展趋势之一。
本文主要通过波轮式洗衣机传动系统的设计，实现了对洗衣机工作过程的仿真，为洗衣机的进一步发展提供经验和思路。

关键词：洗衣机；波轮；滚筒；传动系统

ABSTRACT
At present, washing machine has become an indispensable household appliances in our life. With the development and improvement of washing machine, it is more and more convenient for our life. To the development of washing machine, it is necessary to carry on the continuous research and improvement to its transmission system. Nowadays, automation is more and more widely used. Its small size, fast response and other advantages have become one of the mainstream of automatic home appliances. The study of mechanical structure also leads to the rapid change of traditional control technology. Similarly, in todayundefineds washing machines, the application of automatic washing machine as home standard has become the mainstream of washing machine application, and it is also one of the development trends of washing machine application at present. In this paper, through the design of the driving system of the wave-wheel washing machine, the simulation of the working process of the washing machine is realized, which provides the experience and thought for the further development of the washing machine.
Key words: washing machine; wave wheel; roller; drive system

1 绪 论
1.1研究背景和意义
目前，洗衣机已成为我们生活中不可缺少的家用电器。随着洗衣机的发展和改进，它对我们的生活越来越方便。对洗衣机的发展来说，改进其控制方式是唯一的途径。目前，自动化设备的应用越来越广泛。其体积小、响应速度快等诸多优点已成为主流控制芯片之一。
自动化设备的应用也导致了传统控制技术的快速变化。同样，在当今的洗衣机中，应用自动化设备作为控制系统已成为洗衣机控制器的主流，也是目前洗衣机应用的趋势之一。与此同时，中国洗衣机市场正进入一个更新期。市场潜力巨大。人们对洗衣机的要求越来越高。目前的洗衣机在许多方面不能满足人们的需要。为了进一步促进洗衣机的改进，方便日常洗衣，洗衣机的仿真是一项必不可少的工作。通过对洗衣机工作过程的仿真，可以快速了解洗衣机的控制，建立工作改进方法。在当今科技飞速发展的时代，物理模拟也可以进一步节省工作。时间，加快我们的工作效率。
1.2 洗衣机国内外研究现状
当前国内市场上的洗衣机主要分两种形式，波轮式和滚筒式全自动洗衣机，其工作原理都是通过电动机驱动滚筒的转动从而产生水流，在由水流及滚筒产生的力来洗涤衣物，不同的电动机决定不用的滚筒转速，从而决定洗涤的质量以及洗衣机的运行状态。洗衣机已大量普及，以波轮式洗衣机最广，以城镇居民为例，保有量已达90.20台，农村居民的保有量也高达84台，波轮式洗衣机洗衣机进入千家万户，2018年洗衣机总销量6453万台，同比增长9.8%，近两年行业销量增速的回升主要得益于产品的结构升级，国内最常用的波轮洗衣机已改为改进的蛛形波轮、塔形大波轮以及转桶式大波轮。洗衣机目前在国内的市场各式各样，由于现阶段技术的提高和进步，新技术为家电行业带来了生机。
在国外，美国洗衣机工业在世界上处于领先地位，美国洗衣机的主要生产企业为通用电器公司，现如今，美国洗衣机的品种和规格有30多种，以搅拌式为主，少量滚筒式。1998年日本松下推出了“离心力洗衣机”即桶转，波轮不转，使得水流在高速旋转的离心力作用下穿透衣物的纤维质，磨损率小，随着人们的卫生意识逐步提高,健康型洗衣机开始出现，日本在八十年代开始采用铝合金箱体和无污染的喷塑箱体，九十年代中期小天鹅、海尔的部分套桶洗衣机也用铝合金箱体，如今有的厂家已开始应用喷塑箱体。外观采用先进的丝网印刷工艺，不脱落。目前，人们对环保型、智能型的洗衣机需求量越来越大，同时洗衣机也在我们的家庭生活中扮演重要角色，现阶段全自动洗衣机也在从材料、外观、节能环保、程序设计上正在不断创新，在向着智能化，多样化，创新化设计更加趋人性化发展。
1.3 本设计主要内容
主要对全自动波轮式洗衣机传动系统的组成、传动系统的结构、电机参数的选择、减速离合器的设计及工作原理；并掌握机械传动系统设计计算、传动方案的设计、基本参数的选择、V带传动的设计计算、带轮的结构设计、行星减速器的设计、棘爪与棘轮机构的设计。
本文主要内容如下：
（1）介绍波轮式全自动洗衣机的工作原理和分类，以及波轮式全自动洗衣机的国内外研究现状，将来波轮式全自动洗衣机的发展趋势，以及全自动波轮洗衣机的用途和意义。
（2）对全自动波轮洗衣机的四种传动方案进行了比较分析，选择其中一种方案进行设计。
（3）概述了全自动波轮洗衣机传动系统的结构和基本原理。对传动系统的主要部件如电机、三角带和行星齿轮减速器等进行了详细的选型和计算。
（4）设计了洗衣机离合器和行星齿轮减速器的结构，并对主要零部件进行了检验。

2波轮式全自动洗衣机传动系统结构
全自动洗衣机主要由机械系统、控制系统、进水排水系统和支撑吊杆系统等组成。其中最主要的部分为其传动结构部分，其他的各个部分(如支撑部分、控制部分)均是为了更好实现全自动洗衣机的功能为传动部分服务的。
2.1传动系统的组成
传动系统主要由电动机、减速离合器、三角皮带等组成。全自动波轮式洗衣由一台电动机来完成洗涤和脱水两大功能。其洗涤和脱水状态的转换通过离合器来控制。洗涤时，波轮转速较低（120~300 r/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，传动系统的工作见图2-1。

图2-1全自动洗衣机传动系统示意图
2.2洗衣机的原理
全自动波轮式洗衣机输入轴布置内桶中心处，整个传动系统同轴布置。为了让洗衣机具有良好的机械传动性能且有较大的传动比，使用V带传动作为第一级减速传动机构，同时考虑到洗衣机整体结构的紧凑性与传动的可靠性，采用行星减速装置作为第二级减速装置。洗衣机洗涤状态与脱水状态的切换通过离合器来实现。

图2-2工作原理图
洗涤：A制动，B放开，运动经电机、带传动、中心齿轮、行星轮、行星架、波轮
脱水：A放开，B制动，运动经电机、带传动、内齿圈（脱水桶）、中心齿轮、行星架、波轮与脱水桶等速旋转。
2.3电机的选择及技术参数
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2-1所示。
XDL-90
XDS-90 XDL-120
XDS120 XDL-120
XDS-180 XDL-250
XDS-250
额定功率/W 90 120 180 250
额定电压/V 220
额定频率/Hz 50
电流/A 0.88 1.1 1.54 2.0
转速/（r/min） 1370
效率（％） 49 52 56 59
功率因数 0.95
2.4减速离合器的结构及工作原理
减速离合器可以说是全自动波轮式洗衣机的“心脏”，洗衣机的洗涤和脱水均由减速离合器控制，在洗涤状态时，要求波轮以较低的速度（约140r/min）转动，在脱水状态时，要求洗涤脱水桶以较高的速度（700r/min-800r/min以上）转动，通过对电动机的不同转速和转换，来实现洗涤和脱水动作。
早期设计的小波轮全手动洗衣机的离合器没有减速功能，故洗涤和脱水转速相同。新型大波轮式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。
单向轴式减速离合器
1）基本结构 单向轴式减速离合器主要由离合器和行星减速器两部分组成，其具体结构如下。

图2-3全自动洗衣机离合器结构图
1—输入轴 2—螺母 3—带轮 4—方丝离合器 5—棘轮 6—棘爪 7—拨叉 8—单向滚针轴承 9—刹车装置外罩 10—刹车扭簧 11、12—密封圈 13—支架 14—离合器外罩 15—刹车带 16—刹车盘 17—十字轴套 18—脱水轴 19—支撑架 20—离合套
2）工作原理
① 脱水状态 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，一方面波动旋松刹车弹簧，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脱开棘轮，棘轮被松开，方丝离合弹簧在自身作用下回到自由旋紧状态，这时也就抱紧了离合套。大带轮在脱水时是顺时针旋转的，由于摩擦力的作用，方丝离合弹簧将会越抱越紧。这样脱水轴就和离合套联在一起，跟随大带轮一起做高速运转。
脱水状态传动路线是：电动机→小带轮→ 大带轮→ 输入轴→ 离合套→ 方丝离合弹簧→ 脱水轴→ 法兰盘→ 内桶。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。
由于此时脱水轴做顺指针运动，和单向滚针轴承的运动方向一致，因此单向滚针轴承对它的运动无限制。由于脱水轴通过锁紧块与法兰盘联接，而内桶与行星减速器均固定在法兰盘上，所以脱水轴带动内桶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。
②洗涤状态 洗涤状态下，排水电磁铁断电，排水阀关闭，拉杆复位。这时刹车弹簧被恢复到自然旋紧状态扭簧抱紧刹车装置外罩，刹车装置其作用；同时拨叉回转复位，棘爪伸入棘轮，将棘轮拨过一个角度，方丝离合弹簧被松开，其下端与离合套脱离，这时离合套只是随输入轴空转。大带轮带动输入轴转动，经过行星轮减速器减速后，带动波轮轴转动，实现洗涤功能。输入轴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着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。
洗涤状态转动路线是：电动机→小带轮→大带轮→输入轴→中心轮→行星轮→行星架→波轮轴→波轮。其间，电动机输出转速经带轮一级减速后，又经减速比约为的行星减速器减速，所以转速约为120-300r/min。

图2-4洗涤工作状态示意图

3机械传动系统设计及计算
3.1传动方案的拟定
一个合理的传动方案，既要满足工作机的功能要求，又要满足工作可靠、传动精度高、体积小、结构简单、尺寸紧凑、重量轻、成本低、工艺性好、使用和维护方便等要求。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3-1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。
3.2带传动的类型和结构
带传动由主动带轮1、从动带轮2和挠性带3组成，借助带与带轮之间的摩擦或啮合，将主动轮1的运动传给从动轮2，如图3-1所示。

图3-1 带传动示意图
根据工作原理不同，带传动可分为摩擦带传动和啮合带传动两类。
1.摩擦带传动
摩擦带传动是依靠带与带轮之间的摩擦力传递运动的。按带的横截面形状不同可分为四种类型，如图3-2所示。

a) b) c) d)
图3-2 带传动的类型
(1)平带传动。平带的横截面为扁平矩形（图a），内表面与轮缘接触为工作面。常用的平带有普通平带(胶帆布带)、皮革平带和棉布带等，在高速传动中常使用麻织带和丝织带。其中以普通平带应用最广。平带可适用于平行轴交叉传动和交错轴的半交叉传动。
(2)V带传动。V带的横截面为梯形，两侧面为工作面（图b），工作时V带与带轮槽两侧面接触，在同样压力FQ的作用下，V带传动的摩擦力约为平带传动的三倍，故能传递较大的载荷。
(3)多楔带传动。多楔带是若干V带的组合(图c),可避免多根V带长度不等,传力不均的缺点。
(4)圆形带传动。横截面为圆形(图d), 常用皮革或棉绳制成, 只用于小功率传动。

2.啮合带传动
啮合带传动依靠带轮上的齿与带上的齿或孔啮合传递运动。啮合带传动有两种类型，如图3-3所示。

a)同步齿形带传动 b)齿孔带传动
图3-3 啮合带传动
(1)同步带传动。利用带的齿与带轮上的齿相啮合传递运动和动力，带与带轮间为啮合传动没有相对滑动，可保持主、从动轮线速度同步（图a）。
(2)齿孔带传动。带上的孔与轮上的齿相啮合，同样可避免带与带轮之间的相对滑动，使主、从动轮保持同步运动（图b）。
3.3带传动的设计计算
1. 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3-1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。
洗衣量/kg 电动机功率/W 内桶直径/mm 脱水转速/（r/min） 洗衣转速/（r/min）
3.5 180 Φ400～520 700～800 120～300
4.5 250 Φ400～520 700～800 120～300
5.0 250 Φ400～520 700～800 120～300
5.5 370 Φ400～520 700～800 120～300
6.0 370 Φ400～520 700～800 120～300
表3-1 波轮式全自动洗衣机基本参数

2. 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3-1，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 初选小带轮的基准直径，查表3-2和表3-3，选取=55mm，大于V带轮的最小基准直径的要求50mm。
槽型 Z
SPZ A
SPA B
SPB C SPC
50 63 75
90 125
140 200
224
表3-2 V带轮的最小基准直径
大带轮的基准直径为：
=，按表4-3圆整为=106mm。

表3-3 V带轮的基准直径系列
（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α0=140mm，基准长度：

查表4-4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带有一定的张紧力，安装中心距会略有所变化。
（6）主动轮上的包角α1

⑺ V带的根数z　

则取 z = 1
式中长度系数KL、包角系数Kα、单根V带基本额定功率P0、单根V带额定功率增量∆P0查表3-4、表3-5、表3-6a和表3-6b，取KL=0.94、Kα=0.95、P0=0.16 kW、∆P0=0.02kW。

表3-4 V带的基准长度系列及长度系数KL

小带轮包角／(°) 小带轮包角／(°)
180 1 145 0.91
175 0.99 140 0.89
170 0.98 135 0.88
165 0.96 130 0.86
160 0.95 125 0.84
155 0.93 120 0.82
150 0.92
表3-5 包角系数

表3-6a单根普通V带的基本额定频率 （单位：kW）

表3-6b单根普通V带额定功率的增量（单位：kW）
（8） 带的预紧力 V带单位长度的资料q 查表3-7得q=0.06kg/m，单根V带所需的预紧力为：

=

表3-7 V带单位长度的质量
（9）带传动作用在轴上的力：
：

3.4带轮的结构设计
带轮由三部分组成：轮缘、轮毂、轮辐或腹板（联接轮缘与轮毂）。轮缘结构尺寸、带轮沟槽尺寸取定。V带带轮按轮辐结构不同划分为实心、腹板、孔板和椭圆轮辐四种结构型式。
当带轮直径dd<(5-6)r 时（r为轴半径），可采用实心式。当dd<300 mm时，若d2-d1<100 mm，采用腹板式；若d2-d1>100 mm,采用孔板式。当dd>300 mm时，应采用椭圆轮辐式。如图3-6各种型号V带轮的轮缘宽B、轮毂孔径d和轮毂长L的尺寸。
带轮应具有足够的刚度，无过大的铸造内应力；质量小且分布均匀，结构工艺性好；带轮表面应光滑，以减少带的磨损。V≥25m/s时带轮应进行动平衡。带轮的材料采用球墨铸铁，带轮的结构形式及腹板厚度的确定可参考有关手册。

图3-4 带轮机构

3.5行星减速器的设计
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1，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。
（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，由式计算得内齿圈齿数。
（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个行星轮对此布置，则可计算出行星齿轮齿数为：

最终确定中心轮齿数为19，内齿圈齿数为57，行星齿轮齿数为19，实际传动比为4，洗衣转速为180r/min。

结 论
本论文在设计中，以自动波轮波轮机结构核心，对其传动系统做了初步设计。本设计给出了传动系统的整体计算与绘图。对于本次设计主要做了一下内容的工作：
简要介绍了波轮洗衣机国内外发展的现状，对本论文的目的-波轮洗衣机传动系统进行了介绍，其次对该系统进行了总体的设计，实现了系统的模块化、层次化。主要有总之， 本次设计通过对波轮机传动系统的工作过程进行模拟，实现了波轮机的控制和运行，但对于设计来说，依然存在相对简单等问题，但是相信通过这次的经验以及积累定会为以后的波轮机设计和改进提供帮助，也定会使我们的科技进一步的上升和进步。
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致 谢
四年的征途，是光荣的荆棘路，我们一路走来，此时此刻，站在希望的门前回首张望，那一路的荆棘竟然都变成了盛开的蔷薇，此刻，我的心情是复杂的，既有喜悦，也有告别母校的不舍。
在这个金色六月，伴着和煦的暖风，满载着大学四年的收获，告别辛勤培育我们的老师，即将离开生活了四年的校园，路上的人生征途，四年的征途，既漫长又短暂，在这里认识了很多同学，建立了一道坚不可摧的友谊之墙，别了我敬爱的老师，别了可爱的兄弟姐妹。
在老师的精心指导和帮助下，向母校递上了最后的一份答卷，在写论文的过程中，老师耐心的为我们解答问题，并且提供我们大量的专业资料以及和设计有关的重要信息，我们那广阔的知识面使我们受益匪浅，在本次毕业论文中，我们学到了很多知识，理论和实践方面都有了很大的提高，培养了我们严谨的学习态度，对我们以后有深远的影响，感谢老师在这次毕业设计过程中给我的细心指导。
然而该设计中仍存在不足之处，还请老师谅解我知识有限。
最后，再次感谢老师对我设计过程中的帮助，感谢帮助过我的老师及同学们。