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1、定时自动关窗器的设计摘要：本文主要了介绍我和洪志伟同学组队参加浙江大学第十三届机械设计竞赛时所设计制作的定时自动关窗器。考虑到屋内屋外环境的变化而人不一定可以方便地关窗，我们设计了这套定时自动关窗装置，可以极大的方便人们的生活。本文对整个设计过程进行了简单的总结概述，包括定时器选择，传动部件设计，控制电路设计。最后对制作的实物进行了展示与设计总结，设计达到了预期定时自动关窗的目的。关键词：关窗；定时；自动；定力矩；离合器0.前言人们在天气多变的时候会遇到这样的问题，晚上睡觉的时候，前半夜刚睡的时候，房间的温度比较高，需要开窗流通空气，而到了后半夜，室外温度已经较低，如果不关窗睡觉，人很有可能会
2、着凉感冒，这个时候就需要关闭窗户。因此，人就需要半夜起床去关窗，不利于睡眠。在这种背景下，我们采用机械和电子的原理设计了该定时自动关窗的装置。该装置有如下特点：能够实现窗户的定时自动关闭，适用能力强，能对普通的各种窗（滑动）实现其自动关闭功能 ，适时关窗，方便人们的生活，成本低，结构简单，市场前景广阔 。1.总体方案设计在产品的设计过程中，单一的功能往往是容易实现的，但多功能的满足需要的产品不是几种简单产品的简单叠加，而是一种更加复杂的“加法”有机的组合。尤其是机械产品，多功能的实现要求各个简单功能的相互协调，巧妙的衔接。本产品的设计就是运用这种特殊的“加法原理” ，将各个简单的功能巧妙地整合
3、到一起。整个设计过程不仅用到了机械机构的知识，同时也运用了电子控制的知识。该装置的总体功能概括如下：通过人工定时器定时，时间长短根据定时器可调，当期望时间到了后电路自动接通，电机通过皮带拉动窗户关闭，当窗户关好之后触动限位开关，电路自动切断，电机停转。将该装置功能分解为以下几部分：(1).定时：采用机械式定时方式 ，也可以考虑电子式定时方式。(2).限位：采用限位开关，当窗户关闭好之后窗户边上的限位挡杆碰到限位开关，通过电路控制，电机自动停止。(3).关窗：电机转动带动皮带盘转动，皮带一端固定在皮带盘上，另一端固定在窗户上,通过皮带拉动窗户关闭。(4).开窗：开窗需要手动进行。通过功能分解我们
4、确定了一套设计方案，首先对关窗装置的核心进行了设计，集成控制箱体结构如图 1 所示：图 1 控制箱结构示意图2.定时器的选用定时器选择用机械式定时器，如图 2 所示为传统的机械式定时器。 定时器内部结构主要有三部分： 第一部分是动力部件，由发条、上发条的单向机构，使人工拧转时，只能上紧，不会松。拧紧发条就提供了整个系统的动力。第二部分是释放部件。由一系列的齿轮变速，使发条松弛时的旋转周数增加，在齿轮系的末端有擒纵轮、擒纵爪和游丝，保证齿轮系在发条的驱动下旋转的速度恒定。游丝上有调整游丝长度的装置，以调整擒纵爪摆动的频率，保证齿轮按设定的转速旋转，不会将已拧紧的发条一下子就松完，也不受发条松紧的
5、影响而导致转速的变化。第三部分是定时触发装置，使齿轮系中某个齿轮转到一定角度后发出一个电信号或机械信号，停止供电或发出铃声。 当人手动拧动定时器到某个刻度，就拧紧了发条，给定时器提供动力，使定时器开始工作，同时也设定了触发机构的触发位置。然后整个结构在擒纵轮的控制下，慢慢释放发条的动力，各级齿轮开始按恒定的转速旋转，直到触发机构动作，从而达到定时的目的。该定时器的特点是，在定时的状态下，连接定时器两端的两根导线的电路在定时器处是连通的，当预定时间到了以后，定时器内部的开关自动断开，电路断开。图 2 传统机械式定时器3.传动连接部件的设计由于考虑到关窗之后要开窗，而电机的输出轴在不通电的情况下是
6、不可以随意转动的，所以缠绕在皮带盘上的皮带就不能轻易释放，这样会导致自动关窗之后不能开窗，因此缠绕皮带的带盘是整个设计中比较关键的一部分，本文提出了两种设计方案。3.1 定力矩转盘该方案的灵感来源于机械设计课本中的定力矩扳手。根据定力矩扳手的原理设计的皮带盘结构如图 3 所示。 其立体图参见图 1。图 3 定力矩带盘内部结构图带盘由内外圈组成，内圈上有均布的圆槽，直径与圆柱销相同，滑块与调节螺钉之间有压紧弹簧，通过调节螺钉的拧紧位置可以控制预紧力的大小。当外圈承受力矩超过规定值时，弹簧被压紧，内圈与圆柱销之间打滑，如果继续转动外圈，内圈即不再转动。工作时，带盘内圈孔与电机轴相连，外圈与皮带一端
7、固定，皮带另一端与窗户固定。利用上述原理，可以选择合适转矩的电机，该转矩小于上述通过调节螺钉设定的额定转矩，自动关窗时内外圈同时转动，电机通过带轮拉动皮带关窗，皮带自动缠绕在带盘上。当开窗的时候，需要人工拉动窗户打开，此时，由于电机的轴不会在不通电的情况下不可以转动，传递到带盘外圈的力矩需大于上述额定转矩，此时，内外圈打滑，窗户移动带动盘的外圈转动，皮带自动释放，达到开窗的目的。3.2 离合器考虑只要皮带盘的内外圈满足关窗时二者同时转动，开窗时二者分开，我们又想到了另外一种方案，即采用离合器。离合器的主动部分和从动部分可以分离，两部分产生相互转动；又可以接合，通过一定作用（啮合、摩擦或电磁力等
8、）来传递转矩，共同转动。我们选择了可能的两种离合器，即牙嵌式离合器与电磁粉末离合器。3.2.1 牙嵌式离合器牙嵌式离合器的三维模型示意如图 4 所示：图 4 牙嵌式离合器结构示意图我们设计的牙嵌式离合器由两个端面上有牙的半离合器组成。其中一个半联轴器固定在从动轴（带盘）上，另一个半联轴器用导键与电机轴联接，通过轴上的曲柄滑块机构使该半联轴器作轴向移动，曲柄与一旋钮相固结，通过旋动旋钮控制曲柄滑块机构，从而控制离合器的分离与接合。在需要自动关窗之前，需要人工将离合器接合，而在开窗的时候，也同样需要人工将离合器分离。3.2.2 电磁粉末离合器电磁粉末离合器的结构示意图如图 5 所示：图 5 电磁粉
9、末离合器示意图金属外筒 1 为从动见，嵌有环形励磁线圈 3 的电磁铁 4 与主动轴联接，1 与 4 间留有少量间隙，内装适量的铁和石墨的粉末 2。当励磁线圈中无电流时，散的电磁粉末不阻碍主、从动件之间的相对运动，离合器处于分离状态；当通入电流时，电磁粉末即在磁场作用下被吸引而聚集，从而将主、从动件联接起来离合器即接合。电磁粉末离合器的电源端可以跟电机串联接在电路里，当电机动作自动关窗的时候，离合器接合，电机可以带动窗户运动从而顺利关窗，当需要手动关窗的时候，电机所在的回路里没有电流通过，所以离合器处于分离状态，这时人可以毫无故障地的开窗而不受电机轴不能随意转动的限制。4.控制电路的设计由于我们
10、选用的普通机械式定时器在定时状态的时候定时器所在的回路是接通的，而此时根据功能要求是不可以让电机转动的，相反在定时器断开（即定时到了）之后才要求电机转动，并且还要求窗户关好之后电机停转。根据要求我们设计了如图 6 所示的电路。图 6 自动定时控制电路图自动定时控制电路是由机械定时器、限位开关、继电器和电机等组成的，开关 K 断开时，KM1 线圈不带电，KM1 动合开关断开,KM2 线圈不带电，KM2 动合开关断开，电机 M 不工作。开关 K 闭合，定时时，定时器开启，KM1 线圈带电，KM1 动断开关断开，而 KM1 动合开关闭合，KM2(KM3)线圈带电，KM2(KM3)动合开关闭合，但电机
11、不工作。当定时时间到时，定时器断开，KM2（KM3）线圈仍然带电，KM2(KM3)动合开关仍然闭合，但 KM1 线圈掉电，KM1 动断开关闭合，从而电机 M 工作，拉动窗户。窗户关闭到位，限位挡杆碰到限位开关（常闭） ，限位开关断开，整个电路断开，电机停转。5.实物制作 最终我们根据设计方案进行了实物的制作，实现了预期的功能，制作的实物如图 7 所示：图 7 关窗装置整体结构图6.设计小结 总的来说，最终设计的结果还不错，达到了预期的自动定时关窗的目的，因为考虑到定力矩转盘的力矩大小可能难以控制，相关的文献对这方面的研究也很少，我们最终选择的传动部件是离合器。但是由于技术简单，所以还不能实现推广或者应用，考虑如果可能的话还可以在该装置上加温度湿度等传感器自动检测环境的变化对装置进行改进，从而更加合理的去控制开关窗户。此外定时器也可以选择用电子式的，可以减小装置的体积。参考文献1 璞良贵,纪名刚.机械设计M.第 8 版.北京:高等教育出版社,2006. 424.2 叶挺秀,张伯尧.电工电子学M.第 2 版.北京:高等教育出版社,2004.418.3 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.第 7 版.北京:高等教育出版社,2006.297.4 张培君. 家电用机械定时器的检修J. 家电检修技术：电脑办公室设备手机版,2005,(6): 48-48.限位挡杆限位开关皮带皮带盘集成控制箱
