全自动洗衣机机电控制系统

题 目： 波轮式全自动洗衣机机电系统设计 姓名学号： 王新波 201004000822 李思莹 201004000706 张 亮201004000628 班 级： 机械1004 班 指导教师： 郑海明

摘 要

尖端洗涤技术的革新，一直是洗衣机行业发展的主导力量。从古到今，洗衣服都是一项难以逃避的家务劳动。在竞争日益激烈的21世纪，时间尤其宝贵，人们想方设法地减少花费在家务劳动上的时间，以争取获得额外的工作、休闲时间。因此，和其他的家用电器一样，洗衣机成为了每个家庭必备的物品。而全自动洗衣机，则为人们节省了日常生活中洗衣服的繁琐，是洗衣机发展历史上的一座里程碑。

此次我们设计的波轮式全自动洗衣机让我们运用机械制图、机械设计、数控技术、微机控制技术、单片机应用基础、机电一体化系统设计等课程的基本理论和有关知识，进行传动系统的设计计算、进/排水系统结构分析、减速离合器结构和工作原理简介概括等，以实现全自动洗衣机的正常运行、强制行停止、故障检测和报警提醒功能。

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目 录

摘要

第1章 绪论····································································1

1.1 机电一体化课程设计目的··························································1

第2章 波轮式全自动洗衣机机电控制系统设计························2

2.1 课程设计任务书·····································································2

2.2 波轮式全自动洗衣机总体结构·····················································2

2.3 进水、排水系统·····································································3

2.4传动系统结构及工作原理···························································8

2.5机械设计系统传动计算······························································19

2.6 控制系统设计·······································································27

第3章 课程设计总结·························································35 参考文献········································································36

波轮式全自动洗衣机机电系统设计

第1章 绪论

1.1、机电一体化课程设计目的

机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，它所涉及的知识领域非常广泛。机电一体化课程设计是属于我们机械电子工程专业的课程设计，是一个重要的实践性教学环节，督促我们综合运用前三年所学的各种专业知识来实现机电一体化的系统设计。它的主要目的是：

1) 通过对带轮的结构设计和传递计算，行星减速器的选择与计算，让我们再次复习了一遍机械设计，并督促我们熟练掌握机械系统的设计，学习机电一体化系统总体设计方案立定，分析与比较的方法。

2) 通过对控制系统的设计，让我们充分运用所学单片机，微机控制技术的知识，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路，了解控制系统选用原则存储器扩展、接口扩展、键盘与现实电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等、

3) 通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移/速度传感器；如交流、逼近伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。

4) 正确树立学生团队合作的基本态度，同时从任务分配到各自完成设计，不仅培养学生分析解决问题的能力，同时也提高学生的团

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队意识和合作精神。

第2章 波轮式全自动洗衣机机电控制系统设计

2.1 课程设计任务书 一、设计参数

最大洗衣重量为：3.8kg 内桶直径为：400mm

洗衣机的转速约为：140～200r/min,托水转速：700～800r/min 要求能自动调节水位

根据衣服类型设定洗衣模式、自动进水、自动排水等功能。

二、具体任务

总体方案确定；

机械系统设计及计算，科学化数据； 绘制装配图及其零件图若干张； 控制部分包括硬件和软件设计； 编写设计说明书（不少于1万字）； 图纸、说明书必须交电子版和纸制文档。

2. 2波轮式全自动洗衣机的总体结构

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波轮式洗衣机是洗衣机的一种，由电动机带动波轮转动，衣物随水不断上下翻滚。洗涤衣物有单桶、套桶、双桶几种。它的结构比较简单，维修方便，洗净率高，对衣物缠绕小，洗涤均匀损衣率低；洗涤缸缸体有全塑、搪瓷、铝合金、不锈钢四大类。

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。

波轮式洗衣机工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正反旋转，带动衣物上下左右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。 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。

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图1 波轮式全自动洗衣机的结构

1—排水管 2—溢水管 3—吊杆 4—脱水桶 5—盛水桶

6—平衡环 7—盖板 8—安全开关 9—控制面板 10—水位控制器 11—进水电磁阀 12—进水接头 13—压力软管 14—贮气室 15—支架

16—电动机 17—离合器 18—波轮 19—脱水轴 20—排水电磁阀 21—法兰盘 22—脱水孔

2. 3、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。

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1.水位开关

水位开关又称压力开关。可以根据水位高低自动控制排水的开启或停止。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。这类空气开关主要由气压传感装置、控制装置、触点开关三部分构成。

图1

气压传感装置由气室11、橡胶膜10、塑料盘9、顶心6等组成；

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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。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

(2)工作原理 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

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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。

水位开关的主要技术参数 配用的程序额定电压 额定电压 气密性 控制器 机械式程序AC220 控制器 微电脑式程DC6 序控制器

接触电阻 绝缘电阻 机气强度 3、1.5A 7.6KPA 《0.03 >100 2500V历时1min 历时1min 10MA 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。

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图3

(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Ⅱ，使控制腔Ⅱ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Ⅱ相通，控制腔Ⅱ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。

当进水电磁阀线圈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Ⅱ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Ⅱ的水又进行补充。但由于加压孔A比泄压

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孔B小，使控制腔Ⅱ内的压力迅速下降。当控制腔Ⅱ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Ⅰ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。 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的部件，两者之间以电磁铁拉杆联接起来。

4 (1)结构 排水阀是由排水阀座图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。

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表1 交流电磁铁的主要技术参数

额定拉力/N 额定行程/mm 额定电流/A 使用电压/V 绝缘电阻/MΩ 电气强度 20 40 50

14 15 16.5 0.2 0.3 0.48 187-242 >100 1500V 历时1min 表2 直流电磁铁的主要技术参数

额定拉力/N 额定行程/mm 电流/A 起动 保持 额定电压/V 电压范围/V 绝缘电阻/ MΩ 电气强度 40 50

16 16 1.7 1.9 0.06 200 0.07 170-220 >100 1500V 历时1min (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。

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2. 4、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。

行星齿轮 （减速比为1/4-1/4.8） 波轮 （约140-200r/min） 脱水桶、波轮 （约700-800r/min） 约700-800r/min V带 （减速比为1/1.7-1/2） 电动机 （约1370r/min） 图6 套筒式全自动洗衣机传动系统示意图 1.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。

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XDL-90 XDL-120 XDS-120 XDL-180 XDS-180 XDL-250 XDS-250 额定功率/W 额定电压/V 额定频率/HZ 电流/A 满 载 时 转速/（r/） 效率（％） 功率因数 堵转电流/A 堵转转矩/N.m 额定转矩/N.m 最大转矩/ N.m 额定转矩/ N.m XDS-90 90 120 220 50 180 250 0.88 1.1 1370 1. 2.0 49 52 0.95 56 5 2.0 0.95 1.7 2.5 0.9 1.7 4.0 0.8 1.7 5.5 0.7 1.7 表3 XD型洗衣机电动机技术参数

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。

(1)单向轴承式减速离合器

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1)基本结构

①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。

图7图（71（）1 ）

图 7 （ 2）

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

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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。 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

图8

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９所示，它由带楔形面的外圈7以及利用保持架3隔

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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。

图9

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

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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。

②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。

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图10

2)工作原理

①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。

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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，

图11

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。

②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

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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。洗涤状态传速比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140～200r／min。

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４所示。

图12

表4 三种工况下零部件工作状态

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工作情况 洗涤 波轮转向 排水电磁铁 顺时针 断电 随脱水轴一单向滚针轴承 起旋转 周 棘爪伸入棘轮齿高三分逆时针 断电 脱水 顺时针 通电，牵引拉杆移动约13mm 零部件状态 制动脱水随脱水轴一起旋转 之二，将棘轮及方丝离合棘爪脱离棘轮，弹簧回转棘爪与棘轮 弹簧向旋松方向拨转一个角度，棘爪指向轴心 在自由旋紧状态，转动时被棘轮旋松并固定，和离方丝离合弹簧 合套分离 到传递转矩作用 因方丝离合弹簧内径被离合套 旋大，故离合套空转 刹车扭簧 置外罩 传动情况 不起作用 装置外罩不起作用 带轮-离合器-方丝离合弹簧-脱水轴-脱水桶 带轮-输入轴-行星减速器离合套转动 抱紧刹车装旋松方向，被拉杆牵引放松，对刹车方丝离合弹簧被旋紧，随更加旋紧。在离合套上起到自由旋紧状态 -波轮轴-波轮 ③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

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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。

图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一致，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。

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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. 5、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．

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表5 波轮式全自动洗衣机基本参数

洗衣量/kg 3.8 4.5 5.0 5.5 6.0

电动机功率/W 180 250 250 370 370 内筒直径/mm φ400-520 φ400-520 φ400-520 φ400-520 φ400-520 脱水转速/（r/） 700-800 700-800 700-800 700-800 700-800 洗衣转速/（r/） 120-300 120-300 120-300 120-300 120-300 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。 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200r/min，脱水转速为750r/min，则传动比为：

i

n113701.826n2750

(1)计算功率Pca 由于载荷变动小，因此取工作情况系数

KA=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)。

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(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=60mm，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.826×60=109.56mm，按表6圆整为dd2=110mm。

图14

表6 V带轮的最小基准值径

槽型 Z SPZ /mm A SPA 75 B SPB 125 C SPC 200 50 63 90 140 224

表7 V带轮的基准直径系列 （单位：mm）

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带型 基准直径 Y Z SPZ A SPA B SPB 外径 C SPC D E 50 63 71 75 80 85 90 95 100 106 112 118 125 132 140 150 53.2 66.2 74.2 83.2 93.2 103.2 115.2 128.2 67 75 79 84 94 104 116 129 144 1 95.5 100.5 105.5 111.5 117.5 123.5 130.5 137.5 145.5 155.5 147 157 ① 仅限于普通V带轮。

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(4)验算带的速度v

vdd1n1601000601370601000m/s4.303m/s

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)119根据洗衣机桶体的安装尺寸，初取a0=140mm，基准长度：

Ld’=2a0+(π/2)(dd1+dd2)+[(dd2-dd1)/4a0]

2

=2×140+(π/2)(60+110)+[(110-60)2/(4×140)]mm =551.49mm

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+[(560-551.49)/2]=144.855mm

取145mm

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8 V带的基准长度系列及长度系数 基准 长度/mm Y Z 普通V带 A B C D 窄V带 E SPZ SPA SPB SPC 26

450 1.00 1.02 0. 0.91 0.94 0.96 0.99 1.00 1.03 500 560 0.81 0.82 0.85 0.87 0.82 0.84 0.86 0.88 630 710 0.81 0.83 800 0.81 900 (6)主动轮上的包角α1

α1=180o-[(dd2-dd1)/a]×57.5o=160.17o＞120o (7)带的根数z 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8、表9、表10和表11，取KL=0.94、Kα=0.95、P0=0.23kW、△P0=0.02kW。

表9 包角系数

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小带轮包角/ （°） 180 175 170 165 160 155 150 1 0.99 0.98 0.96 0.95 0.93 0.92

小带轮包角/ （°） 145 140 135 130 125 120 0.91 0. 0.88 0.86 0.84 0.82 表10 单根普通V带的基本额定功率

小带轮节带型 圆直径400 /mm 50 Z型 63 71 80 0.06 0.09 0.08 0.09 0.14 0.13 0.17 0.20 0.10 0.15 0.20 0.22

表11 单根普通V带额定功率的增量Δ (单位：kW)

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小带轮转速/(r.) 730 800 980 1200 1460 2800 0.12 0.18 0.23 0.26 0.14 0.22 0.27 0.30 0.16 0.25 0.31 0.36 0.26 0.41 0.50 0.56 传动比i 小带轮带转速型 /(r.) 1 400 730 Z型 800 980 1200 1460 2800 4 8 0.00 0.00 0.00 0.01 0.01 0.01 0.02

zPca0.180.806(P0P0)KKL(0.230.02)0.950.941.001.021.051.09--1.0-1.0-1.01.12 1.131.191.251.351.52≥2.-1.1-1.2-1.3-1.5-1.90 8 4 4 1 9 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.01 0.00 0.01 0.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.01 0.00 0.00 0.01 0.01 0.01 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.03 0.04 0.04 0.04 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：

F0500P2.5ca(1)qv2zvK0.182.5(1)0.064.3032N14.3030.9535.236N500

（9）带传动作用在轴上的力FL：

FL2F0zsin(1160.17)235.2361sin()N69.42N2229

表12 V带单位长度的质量

带型 Z SPZ q/(kg.) A B C SPA SPB SPC 0.10 0.17 0.30 0.06 0.07 0.12 0.20 0.37 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

dd12.5d(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：dd22.5d，采用腹板式结构。

1C'B7mm2LC'7mm

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200r／min，脱水转速为750r／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：

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iBAx7503.75 200(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：

iBAx1

ZB ZA初选中心轮齿数zA=20，由上式计算得内齿圈齿数zB=55。 (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：

Zx

取中心轮齿数

(ZBZA)55-2017.5 22Zx为18

调整内齿圈齿数ZB2ZxZA21818

Bi中心轮与行星架的实际传动比Ax1ZB14 ZA18洗衣转速为RBRA750187.5r/min BiAx4最终确定中心轮齿数ZA为20，内齿圈齿数ZB为，行星齿轮齿数Zx

B为18，实际传动比iAX为4，洗衣转速为187.5r/min。

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

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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。 7．传动轴设计

（1）材料：45#钢 （2）转矩的计算

P=180W，n=750r/min=12.5r/s ，取96%

TP018096%13.824Nm n12.5(3)查表可知45#钢的抗扭强度40MPa. 计算输入轴尺寸

dmin35T3513.824Nm12mm []40MPa则脱水轴内径d=13mm

（8）．根据输入轴、脱水轴尺寸选择相应轴承、设计相应套筒。

2. 6、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ATC2051，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ATC205l作CPU，可使洗衣机的控制电路大大简化。

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1.全自动洗衣机的功能要求

(1)强、弱洗涤功能

(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，

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。

(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

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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ATC2051芯片的性能特点，设计出洗衣机的电气控制电路如图 15 所示。电路中选用ATC2051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”

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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。 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。

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10μF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。

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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

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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。

开始 初始化程序

单片机检测水位设定 N 查询启动键是否按下

Y

洗衣机进水

水位是否到达 N Y

电动机“正-停-反-停” N 正反转是否循环5次

Y 排水，脱水 Y 是否洗两遍

N

结束

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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15 全自动洗衣机控制系统的程序流程

从上图中可以看出程序的基本流程，系统上电复位后，首先进行初始化，默认标准洗衣工作程序和强洗衣方式；然后扫描S1、S2和启动键S4,这时洗衣机处于待命状态。通过S1、S2可分别修改强/弱洗衣方式和洗衣工作程序。扫描过程中当发现启动键S4按下时洗衣机即从待命状态进入工作状态。

洗衣机进入工作程序后，系统首先根据RAM中57H单元的特征字判断洗衣机的洗衣工作程序，若特征字符为00H，则为排水程序（01H

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为单独程序，02H为经济程序，03H为标准程序），这时程序直接跳转至排水操作程序段，执行单独的排水操作，否则进入进水操作程序。进水操作将P1.0置位驱动进水阀开启。进水期间系统不断检测水位开关S5的状态，当检测到S5闭合时，说明进水已达到预定的水位。若在规定的4分钟极限时间内未检测到S5闭合，说明进水系统发生故障，此时洗衣机退出洗衣工作状态，程序跳转到FW为标号地址的故障处理程序段进行报警，其处理方法是：将P1.0-P1.3位全部置“0”，终止洗衣机的各种操作，然后蜂鸣器以响1秒、2秒的规律不断地发出报警信号，直到人工干预即按下S1键后为止(按下S1后，程序跳转回主程序起始地址，洗衣机又回到待命的初始状态)。

在正常情况下，进水期间检测到S5闭合时，说明进水已达到预定水位，这时洗衣机进入下一程序即洗涤工作。因为电机在洗涤或漂洗工作时有正、反转和间歇三种状态，所以用P1.2、P1.3两线才能实现对电机这三种状态的控制。其逻辑关系是：P1.3、P1.2为“00”时电机间歇，为“01”时正转为“10”时反转。洗涤时间为6分钟。洗涤结束后，系统通过一条判断指令，判断是否排水。由控制要求可知，若不排水则为单独程序，这时程序直接跳到结束报警程序段，报警三声后跳回主程序，洗衣机进入初始待命状态，单独洗衣工作程序结束，否则，进入排水进程。

排水时间采用动态时间法确定，其原理是：根据常用的空气压力水位开关的特性（即在进水中当水位达到预定水位时，水位开关就接通；在排水中当桶内水位下降11厘米后，水位开关才断开），在排水

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中若从开始到开关断开这段时间所需时间为D，则整个排水所用的时间为2D+50秒。若在规定的1分钟极限时间内，系统检测不到水位开关S5断开，说明排水系统有故障，程序跳转至故障处理程序段发出警告信号，其处理方法与进水系统故障相同。

排水结束后，洗衣机接着执行脱水操作，P1.1维持置位状态，保持排水阀开启，P1.2按5秒置位、2秒清零的规律连续驱动电机高速旋转2分钟，然后脱水结束。

脱水结束后系统通过一条判断指令判断整个洗衣工作是否结束。其原理是：洗衣机在每次洗涤或漂洗工作环节结束后，系统工作程序标志57H单元减1一次，在脱水工作环节结束后，系统即对该单元进行检测，当检测到57H单元为0值时说明整个洗衣工作结束，洗衣机报警三声后，即返回初始待命状态。若洗衣工作尚未结束，洗衣机再次执行进水操作，进入下一环节，直至洗衣工作结束。

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第3章 课程设计总结

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我们所学习的知识，也培养了我们分析问题，解决问题的能力。在设计过程中，我们分工设计，相互探讨，相互学习，相互监督。由最开始的懵然不知到最后将这次的课程设计完整的做出来，过程虽然比较辛苦，却也值得。

正所谓万事开头难，最初以为不可能完成的难题，到最终课程设计结束后，再回过头来看，发现一开始感到的困难现在想想也没有当初 那么的恐怖。只要一开始抱着克服重重困难的决心， 一切都 会迎刃而解的。

在课程设计中，我们不仅要具备自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，更要学以致用。这次的课程设计与以往不同，它更全面，要求我们集合前三年所学的知识，综合运用，并从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。同时，这次课程设计让我们第一次研究设计一个完整的机械系统，是我们大学期间的难忘回忆，为我们以后工作设计做了良好的铺垫。总的来说，这次课程设计使我们受益良多。

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参考文献

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