波轮式全自动洗衣机机电系统设计设计说明书(2012 -- 2013年度第一学期)院系：机械工程及自动化班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数： 2波轮式全自动洗衣机机电系统设计一、设计任务设计一种波轮式全自动洗衣机的机电系统，要求最大洗衣机质量为 3.8kg，内桶直径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、自动进水、排水、自动脱水和手动排水、停止等功能。
二、总体设计全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。
外桶固定，作盛水用。
内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。
内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。
该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。
进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。
排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外，洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正反转来实现，此时，脱水桶并不旋转。
脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。
高低水位开关分别用来检测高低水位。
启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来手动停止进水、排水、脱水及报警，排水按钮用来手动排水。
图1 自动洗衣机示意图一般来说，波轮式全自动洗衣机具有进水、洗涤、漂洗、排水、脱水、水位自动控制等基本功能，其结构主要有进水系统、洗涤系统、排水系统、脱水系统、电动机控制和传动系统、电气控制系统、支承机构等5大部分组成。
详细结构如图2所示。
图2 波轮式全自动洗衣机结构波轮式全自动洗衣机采用套筒式结构，波轮装在内桶的底部。
内桶为带有加强筋和均布小孔的网状结构，并可绕轴旋转。
外筒弹性悬挂在机箱外壳上，主要用于盛水，并配有一套进水和排水系统，用两个电磁阀控制洗衣机的进、排水动作。
外筒的底部装有电动机、减速离合器，以及传动机构等部件。
动力和传动系统能提供两种转速，低速用于洗涤和漂洗，高速用于脱水，通过减速离合器来实现两种转速的切换。
三、机械结构设计1．进水、排水系统设计全自动洗衣机的进、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态是由压力开关检测的。
当洗衣机工作在洗涤和漂洗程序时，若桶内无水或水量不够，压力开关则发出供水信号。
当水位达到设定值时，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，水位开关将发出排水受阻信号。
进水排水信号，控制系统自动关闭或打开进水阀与排水阀。
如果在极限时间内，水位没有达到预定要求，蜂鸣器就会自动报警。
波轮式全自动洗衣机上使用最多的水位开关是空气压力开关，其结构如图3所示。
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。
水位开关主要有气压传感装置、控制装置、触点开关三部分构成。
气压传感装置由气室、橡胶模、塑料盘、顶心组成；控制装置由压力弹簧、导套、调压螺钉、杠杆和凸轮组成；触点开关由动簧片、开关小弹簧、动静触电组成。
水位开关的作用原理，当进水电磁阀向洗涤桶内注水时，桶内的水平面会不断升高，在它超过盛水外桶底部的气室入口时，气室内的空气就被封住了出口。
随着水平面的不断升高，桶底的压力就越来越大，气室、导气管和水位开关内部的空气被压缩，气压也随之增大。
当桶内的水位逐渐下降时，也就是水量减少时，气压也跟着下降。
因此，桶内的水位高低，就转换成桶底压力的变化，水压力的变化导致了气室内气压的变化，同时，气压的变化又引起了水位开关内橡皮膜的机械动作，这种机械运动在牵动触点簧片的上下移动，最后起了通、断电路的功能，完成了预定的水位控制工作。
所以说，水位开关也可以称之为“启动开关”。
当气室内的压力逐渐升高时，气室上方的橡皮膜被逐渐向上推起，使得顶芯就克服弹簧的压力被推向上方，同时带动动簧片中间的部分一起向上移动。
当它超过两侧部分的位置时，中间小簧片上的压力方向会突然改变，两侧会快速地向下方弯曲，动簧片上的触电与下方的静触点接触，NO触点和COM闭合，NC和COM断开。
经过这一过程后，再单片机使电磁进水阀的电路被切断，进水停止，同时接通了洗涤电机的电路，波轮开始运转，洗涤工作开始。
洗涤工作完成后，排水电磁阀被打开，洗涤桶内的水位下降，气室内的水压降低，水位开关的阀心在弹簧的压力下向下移动，达到一定的位置后，动簧片中间不分低于两侧部分，小簧片的压力方向又迅速改变，动簧片两侧被推向上方，NO触点和COM断开，NC和COM 闭合。
这时单片机输入状态已经发生改变，控制电路接通电机，进入脱水程序。
图3 空气开关结构及其水压传递系统（2）进水电磁阀进水电磁阀的结构，如图4所示。
图4 进水电磁阀线圈得电，进水电磁阀打开，开始进水；线圈失电，进水电磁阀闭合，停止进水（3）排水电磁阀排水电磁阀的结构，如图5所示。
排水电磁阀由电磁铁与排水阀组成。
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 排水电磁阀电磁铁为交流电磁铁。
排水电磁铁通电时，电磁阀打开，开始排水；排水电磁铁断电时，电磁阀断开，关闭排水口。
2．减速离合器设计全自动洗衣的设计采用单向轴承式减速离合器。
脱水和洗涤状态的选择，实际上由排水阀控制。
在排水电磁铁得电时，离合器工作，进入高速脱水工作状态；在排水电磁铁失电时，离合器无效，进入低速洗涤工作状态。
离合器主要结构如图6所示。
离合器中部有两根轴：输入轴和脱水轴。
图6 离合器的主要结构输入轴的外部是脱水轴。
在衣服洗涤时，脱水轴静止不转；而脱水时，脱水轴将带轮的高转速直接传递给内桶。
这种转换功能是通过控制刹车装置是否起作用，由方丝离合弹簧完成的。
当方丝离合弹簧向旋紧方向旋转时，通过刹车装置就将带轮的转动由离合套传递到脱水轴，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，刹车装置无效，从而使脱水轴与离合套脱离接触，这时输入轴经过行星齿轮的变速，传动波轮，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7是其工作原理简图。
方丝离合弹簧下端的弹簧卡卡在棘轮的内槽中，通过棘爪的摆动使棘轮转动，从而带动方丝离合弹簧向旋松方向转动。
图7 离合棘轮工作原理图在洗涤状态，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。
图8是单向滚针离合器。
当脱水轴顺时针转动时，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，滚针则卡紧在楔型槽的小端处，这时脱水轴将无法转动。
所以只允许一个方向的转动．可以起到单向离合器的作用。
图8 单向滚针离合器整个传动系统的组成示意图如图9所示。
图9 整个传动系统的组成示意图四、机械传动系统设计传动系统的设计计算内容较多，但大多数零部件无需进行设计，可以直接选用。
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．方案设计波轮式全自动洗衣机的整个传动系统基本上与套筒同轴布置，电动机则偏置一边。
为保持平衡，可将排水系统与电动机对称布置，必要时也可加平衡块。
根据设计任务中给出的内桶直径为400mm，则外桶直径约为470mm，电动机轴与传动轴之间中心距只能为150mm 左右。
传动系统主要由电动机、减速离台器组成。
波轮式全自动洗衣机使用一台电动机来完成洗涤和脱水工作。
洗衣转速为160r/min，脱水转速为750r/min。
因此，要对电动机的转速进行减速处理，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10所示。
图10 传统系统工作示意图2．电动机选用电动机是整个洗衣机工作的动力来源。
我国现阶段生产的波轮式洗衣机大多采用的是电容式电动机，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，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1是常用波轮式全自动洗衣机的基本参数情况。
表1 常用波轮式全自动洗衣机的基本参数根据设计任务要求，最大洗衣量为3.8kg ，参照图2选用电动机功率为180w ，电动机满载时转速为1370r ／min 。
3．带传动设计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，所以选用V 带作为第一级降速。
一级传动比为：8.1750137021===n n i （1）确定计算功率Pca 由于载荷变动小，因此取工作情况系数K A =1.0。
所以，kW P K P A ca 18.0=•=。
（2）选择带型表2 普通V 带选型根据小带轮转速为1370r/min ，以及计算功率Pca 为0.18 kW ，参照表2，选取普通V 带Z 型。
（3）带轮的基准直径d d1和d d2根据表3，初选小带轮的基准直径d d1，选取d d1=55mm ，满足大于V 带轮的最小基准直径d dmin 的要求50mm 。
大带轮的基准直径d d2为d d2=i ˙d d1=l.8×55=99mm ，按表4圆整为d d2=100mm 。
表3 V 带轮最小基准直径表4 V 带轮的基准直径系列（4）验算带的速度s m s m n d v d /94.3/10006013705510006011=⨯⨯⨯=⨯=ππ一般地，普通V 带的最大带速Vmax=25～30m ／s ，故满足要求。
（5）确定中心距a 和选择带的基准长度L d根据)d 2(d )d 0.7(d d2d10d2d1+<<+a ，得到mm a mm 3088.1070<<。
再根据洗衣机桶体的安装尺寸，初步选定中心距mm a 1500=。
基准长度：mm 5451504)55100()10055(215024)()(2a 220212210=⨯-++⨯+⨯=-+++=ππa d d d d L d d d d d ’查表5选取和545mm 相近的标准带的长度L d 为560mm 。
则实际中心距为：mm L L a a d d 5.15725455601502'0=-+=-+≈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。
表 5 V 带的基准长度系列及其长度系数K L（6）主动轮上的包角1206.1635.57180121>=⨯--=ad d d d α（7）带的根数 查表5、表6、表7和表8，确定长度系数K L 、包角系数K α、单根V 带基本额定功率P ０、单根V 带额定功率增量0P ∆。
取K L =0.94、K α=0.95、P 0=0.16kW 、△P 0=0.02kW 。
