波轮式全自动洗衣机机电系统设计说明书

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：

8.1750

137021===

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 /94.3/1000

601370

551000

601

1=???=

?=

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

545150

4)55100()10055(215024)()(2a 22

212210=?-++?+?=-+

++=π

π

a 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 5.1572

545

5601502'0=-+=-+

≈

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

1206.1635.571801

21>=?--

=a

d 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 。

表6 包角系数K α

表7 单根普通V 带的基本额定功率P 0

表8 单根普通V 带额定功率的增量0P ?

95.096

.0*94.0*)02.019.0(18

.0)(00=+=?+=

L ca K K P P P z α

选取z=1

（8）带的预紧力F 0

V 带单位长度的质量q 。查表9得q=0.06kg ／m 。 单根V 带所需的预紧力为：

N N qv K zv P F ca

1.3887.306.0)196

.05

.2(94.3118.0500)15.2(500

220=?+-??

=+-=α

表9 V 带单位长度的质量

（9）带传动作用在轴上的力F L ：

N

N z F F L 4.75)2

2

.163sin(12.382)2sin(21

0=???==α

4．带轮的结构设计

带轮的结构形式与基准直径有关。电动机端带轮：基准直径

d

d d 5.21≈(d 为安装带轮的轴的直径，mm),所以，所以采

用实心式带轮，利用螺栓紧固带轮和电机轴。

减速器端带轮：

d

d d 5.22>，采用腹板式结构。

mm

C L mm B C 7721

'

'

==== 轮槽与V 带的选择一样，采用Z 型。带轮采用材料为HT150。 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。

（1）洗涤状态传动比 洗涤输入轴与波轮的传动比为：

6.3160

750==Ax

B

i

（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：

A

B Ax B Z Z i +

=1

初选中心轮齿数Z A =19，则计算得内齿圈齿数Z B =71。 （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：

26219

712)(=-=-=A B x Z Z Z

取

16

=X Z

调整内齿圈齿数51191622=+?=+?=A x B Z Z Z

中心轮与行星架的实际传动比68.31951

11=+=+

=A B Ax B

Z Z i

洗衣转速为min /19668.3720

r i R R Ax B A B ===

最终确定中心轮齿数Z A 为19，内齿圈齿数Z B 为57，行星齿轮齿数Zx 为26，实际传

动比i B AX 为3.68，洗衣转速为l60 r/min 。

6．棘爪与棘轮机构设计

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，棘爪要伸入棘轮棘齿高度的三分之二，脱水时棘爪脱离棘轮l.5mm 以上。 7．传动轴设计

（1）材料：45#钢 （2）转矩的计算

P=180W ，n=720r/min=12r/s ，

m N n P T ?=?==

968.1312

%961800η (3)查表可知45#钢的抗扭强度40MPa.

计算输入轴尺寸

mm

MPa m N T d 6.1235968.135][533

min =??==τ

取d0=12mm.

计算脱水轴尺寸

3403

])(1[1]

[5d

d T D --

=τ

脱水轴内径d=13mm,外径D=25mm.

8．根据输入轴、脱水轴尺寸选择相应轴承、设计相应套筒。

五、控制系统设计

1． 全自动洗衣机的功能要求 （1）自动洗涤功能

洗衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱水四个过程组成。全自动洗衣机中，这四个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。

① 按下启动按扭，开始进水直到水满（即水位达到高水位）时停止进水开始洗涤正转 ② 洗涤时，正转30秒，停两秒，然后反转30秒，停2秒 ③ 如此循环5次，总共320秒开始排水

④ 水位下降到低水位时开始脱水并继续排水，脱水30秒 ⑤ 开始清洗，重复（1）到（4），清洗两遍 ⑥ 清洗完成，报警3秒并自动停机

（2）实现“正常运行”和“强制停止”控制要求。

当出现故障或其他情况可以按下停止键，人为停止洗衣机运转。 （3）手动洗涤功能

若按下排水按扭可以实现手动排水，若按下停车按扭，可实现手动停止进水，排水 脱水及报警。

（4）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规定的水位，就说明进、排水系统有故障，故障由控制系统检测后通过响应的程序发出报警信号，提醒操作者进行人工排除。

（5）脱水期间安全保护盒防震动功能

脱水期间若打开机盖，洗衣机就会立即停止脱水操作；若出现衣服缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡，触发盖开关闭合，洗衣机也会自动停止脱水，以免振动过大，待人工处理后恢复工作。

（6）间歇驱动方式

脱水期间采用间歇驱动方式，以便节能。本系统要求脱水时电动机驱动5S ，停止2S ，间歇期间靠惯性力，使脱水轴和内桶保持高速旋转。 （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．控制系统设计思路和流程图 程序流程图见图11。全自动洗衣机电源接通后，控制芯片上电复位，开始初始化工作，设置默认洗衣工作程序和功能模式。接着不断查询“开始/暂停按键”是否按下，等待执行工作程序。在“开始/暂停键”按下前，可以按几个功能选择键产生外部中断0，来修改洗衣机的工作程序和功能模式。“开始/暂停键”按下后产生外部中断1，开始执行预定的工作程序，再次按下开始/暂停键，则会产生暂停效果。按下“继续键”，产生外部中断0，退出暂

停，继续执行工作程序。需要注意的是，为使外部中断0能打断外部中断1，设置外部中断0的优先级为高，外部中断1的优先级为低；为能使控制芯片复位从新执行程序，设置了复位键。

N

Y

N

Y

N

Y

N

开始

初始化程序

排水，脱水 查询启动键是否按下 洗衣机进水

水位是否到达 报警

单片机检测水位设定 电动机“正-停-反-停”

正反转是否循环5次

结束

是否洗两遍

Y

正常运行

按动停止按钮

洗涤电机和脱水桶停止

转动，进水和排水阀闭合

打开手动排水阀

手动排水

打开手动脱水阀

脱水

结束

图11 程序流程图

3．硬件电路设计

（1）选用控制芯片

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的

Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C51单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C51有两个外部中断INT0和INT1,两个定时器中断T0和T1,4个8位双向I/O口，满足系统控制要求。（2）确定输入引脚

输入部件有工作程序选择按钮，排水，停止洗涤功能选择按钮，水位开关，盖开关, 启动/暂停按钮、复位开关等。

输入I/O引脚分配如表10：

P1.4 手动排水

P1.5 停车按钮

P1.6 盖开关

P3.2 暂停开关

P3.4 启动开关

P3.5 水位开关

RST 复位

表10 输入I/O引脚分配

（3）确定输出引脚：

输出部件有电动机,进水阀\排水阀

输出I/O引脚分配如表11：

P1.0 进水控制

P1.1 排水控制

P1.2 电动机正转

P1.3 电动机反转

P3.7 蜂鸣器

表11 输出I/O引脚分配

（4）控制系统电路设计

依照上述I/O口分配，加上复位电路和时钟电路，可以很容易的设计控制电路图。如图11所示

由于工作程序设定按钮，排水、停止选择按钮，盖开关，继续按钮会产生INT0中断，所以，采用7通道与门。同时，在程序设计中采用“负逻辑”，在设计电路时，将所有的I/O 引脚的电平都拉高。

详细电路图，请参考附录电路设计。