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世界最新機械設(shè)計理念 來源:中國科技期刊 摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。 關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法發(fā)展趨勢 設(shè)計文件是將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計，結(jié)點表示元件化的單元(如設(shè)計任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽象到具體的飛躍。 系統(tǒng)化設(shè)計方法 系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。 系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標準VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。 1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。 2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 3. 將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題：一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段。 由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。 4. 設(shè)計元素法 用五個設(shè)計元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。 5. 圖形建模法 研制的“設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。 將設(shè)計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設(shè)計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。 6. “構(gòu)思”—“設(shè)計”法 將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段。“構(gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。“設(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。 將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設(shè)計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計”階段。 7. 鍵合圖法 將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。 提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。 本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標準化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。 以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準STEP，以及標準虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。 機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設(shè)計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設(shè)計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機械設(shè)計的領(lǐng)域知識有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設(shè)計學(xué)者也已意識到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應(yīng)當采取的措施。 基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。 機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。 炒栗栗子機設(shè)計 目 錄 1 緒論…………………………………………………………………………………………1 1.1 概述:炒栗栗子機食品機械的應(yīng)用前景和發(fā)展現(xiàn)狀……………………………………1 1.2 炒栗栗子機的相關(guān)介紹、研制意義和目標、未來的發(fā)展方向…………………………1 2 機械系統(tǒng)總體方案的擬定………………………………………………………………… 3 2.1動力系統(tǒng)的擬定……………………………………………………………………………3 2.2傳動系統(tǒng)的擬定……………………………………………………………………………3 2.3執(zhí)行機構(gòu)的擬定……………………………………………………………………………3 3 工作機構(gòu)運動需求分析及初步設(shè)計………………………………………………………4 3.1模型的建立與分析……………………………………………………………………4 3.2 生產(chǎn)效率與成型盤的設(shè)計…………………………………………………………………4 3.3 橫、豎蛟龍的設(shè)計計算…………………………………………………………………5 3.4 供栗機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………………………………………6 3.5 出栗機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………………………………………6 4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算………………………………………………………………………7 4．1 傳動比的分配……………………………………………………………………………7 4.2 蝸輪蝸桿傳動副的設(shè)計…………………………………………………………………7 4.3 直齒圓錐齒輪傳動副的傳動設(shè)計………………………………………………………9 4.4 鏈傳動設(shè)計………………………………………………………………………………11 4.5 出栗機構(gòu)直齒圓柱齒輪設(shè)計及校核……………………………………………………12 4.6 豎絞龍直齒圓柱齒輪設(shè)計及校核………………………………………………………13 5 分流軸及其附件的設(shè)計計算……………………………………………………………15 5.1 分流軸的設(shè)計與校核……………………………………………………………………15 5.2 軸承的設(shè)計與校核………………………………………………………………………20 5.3 鍵聯(lián)接的設(shè)計與校核……………………………………………………………………25 5.4 花鍵連接的設(shè)計與校核…………………………………………………………………28 6結(jié)論…………………………………………………………………………………………39 參考文獻………………………………………………………………………………………30 致 謝…………………………………………………………………………………………31 炒栗栗子機設(shè)計 1 緒論 1.1 炒栗栗子機(食品機械的應(yīng)用前景和發(fā)展現(xiàn)狀 炒栗栗子機(食品在我國歷史悠久，伴隨著幾千年的文明的發(fā)展已經(jīng)成為我國食品文化中的代表，如餃栗子、包栗子、餛沌是主食的一部分；湯圓、月餅、粽栗子是傳統(tǒng)節(jié)日中必不可缺的食物。如今，經(jīng)濟的迅速增長、人民生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，對食品行業(yè)提出了新的要求。而本人認為這些要求可以歸納為兩大類： 其一是食品的質(zhì)量：如食用口感、衛(wèi)生狀況、營養(yǎng)含量等。 其二便是食品供應(yīng)的速度。 而解決這兩個矛盾要求的辦法便是實現(xiàn)食品生產(chǎn)的機械化和自動化，通過機械動作可以極大程度的提高食品的生產(chǎn)率；采用環(huán)保的機械材料和嚴格的密封技術(shù)可以很好的保證食品衛(wèi)生；而合理的工藝編排更能改善食品的口感。 目前國內(nèi)外廠家在炒栗栗子機(食品機械化上的研究已經(jīng)取得了一定的成果,成功研發(fā)了餃栗子機、包栗子機、餛沌機、湯圓機、月餅機以及自動化程度更高的全自動萬能炒栗栗子機機。 因東西方飲食文化的差異，目前國外炒栗栗子機成型類機械主要為日本所生產(chǎn)，如日產(chǎn)的自動萬能炒栗栗子機機，其最大生產(chǎn)能力可達每小時8000個，且加工范圍極廣，能生產(chǎn)各式饅頭、包栗子、餃栗子、夾餡餅干、壽司、等等近百種產(chǎn)品，采用可拆卸料斗能實現(xiàn)快速更換餡料，內(nèi)置的無級變速調(diào)控裝置可以實現(xiàn)皮和餡的任意配比。廣泛用于各種帶餡食品的加工。 而國內(nèi)相關(guān)機械雖然在自動化和多功能方面較之日本產(chǎn)品還有一定的差距，但是通過改革開放以后二十余年的發(fā)展亦取得了很大的進步。以上海滬信飲料食品機械有限公司生產(chǎn)的水餃機為例：配備1.1Kw的電動機，生產(chǎn)效率達每小時7000個。已相當接近日產(chǎn)餃栗子機的生產(chǎn)水平。 1.2 炒栗栗子機的相關(guān)介紹、研制意義和目標、未來的發(fā)展方向 1.2.1 炒栗栗子機的介紹 “炒栗栗子機”顧名思義是以機械動作代替手工操作來進行炒栗栗子的機械。按照食品機械的分類應(yīng)屬于食品炒栗栗子機成型類機械，其能實現(xiàn)的功能均為通過機械動作將某一類帶餡并且有特定外型要求的食品生產(chǎn)出來。當前該類機械中比較成熟的有餃栗子機、包栗子機、餛飩機、湯圓機。而其他特殊類型的食品炒栗栗子機成型機械一般通過借鑒以上四類機械的某些結(jié)構(gòu)并加以改良設(shè)計從而使之適應(yīng)本類食品生產(chǎn)加工的需求。本課題所設(shè)計的自動栗子機便屬于后者。 1.2.2 炒栗栗子機的研制意義和目標及未來的發(fā)展方向 栗子是我的家鄉(xiāng)修水縣的一種特色小吃，以其獨特外型和口感在全縣乃至周邊地區(qū)博得人們的欣賞，但長期以來它只能通過手工生產(chǎn)，既費時費力，又難以保證衛(wèi)生，而且無法長期在常溫下保存。因此如果能研究開發(fā)一種能夠以機械動作代替人工勞動的機器，那么除了可以節(jié)約大量的時間、降低栗子的生產(chǎn)成本、提高利潤之外，更可以免除人們冬日里冒寒排隊購物之苦，一舉多得。 炒栗栗子機的初步目標確定為能夠?qū)崿F(xiàn)栗子炒栗栗子機工藝的機械化。未來可在此基礎(chǔ)上加以改進和擴展，以實現(xiàn)橫縱兩方向發(fā)展。即炒栗栗子全過程的無人干預(yù)自動化與多功能化。 2 機械系統(tǒng)總體方案的擬定 2.1動力系統(tǒng)的擬定 動力系統(tǒng)可按原動機的類型分為電動式、氣動式、液壓式等。炒栗栗子機功率小、結(jié)構(gòu)較簡單、產(chǎn)品無嚴格精度要求，因此對動力源亦沒有過多限制，且通過從便捷性和適用性方面的考慮決定選用兩相或三項交流電動機作為動力輸出裝置。經(jīng)比較國內(nèi)眾多相關(guān)機械的電機型號及結(jié)合本設(shè)計自身特性，選用2.2Kw三相交流電動機Y112M-6。 2.2傳動系統(tǒng)的擬定 傳動系統(tǒng)按傳動件的不同可分為帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、等幾大類。炒栗栗子機的傳動系統(tǒng)屬于復(fù)合傳動系統(tǒng)，綜合了鏈、齒輪、蝸輪蝸桿以及槽輪機構(gòu)以實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的最優(yōu)化。 具體傳動系統(tǒng)見下圖。 圖2-1 傳動系統(tǒng)圖 2.3執(zhí)行機構(gòu)的擬定 執(zhí)行機構(gòu)包括三個大部分： 其一是實現(xiàn)餡料輸送的供餡機構(gòu)。即供栗機構(gòu)。 其二是實現(xiàn)輸送的供面機構(gòu)。分為橫、豎絞龍兩小部分。其中豎絞龍為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔充當餡料輸送的通道，即餡管。 其三是整個設(shè)計的核心部分--成型機構(gòu)。由兩個同向運動的成型盤構(gòu)成。 3 工作機構(gòu)運動需求分析及初步設(shè)計 3.1栗子模型的建立與分析 根據(jù)家鄉(xiāng)栗子的實物研究，初步選定: 使用體積測量功能測得栗子總體積為，其中空心部分(即餡部分)體積為，實心部分體積（即部分）。 3.2 生產(chǎn)效率與成型盤的設(shè)計 因本設(shè)計為地方特殊食品的生產(chǎn)機械，故沒有完善的理論計算方面的支持，因此在參考了國內(nèi)外眾多成型機械后擬定生產(chǎn)效率為個每小時，且由于成型盤每旋轉(zhuǎn)一周可生產(chǎn)栗子一個，故而確定成型盤的轉(zhuǎn)速為。 通過觀察手工炒栗子過程了解到速度越快越易成型，手工生產(chǎn)時速度大約為。因考慮到機器生產(chǎn)效率高的影響，決定將搓制速度提高一倍，初步確定為。 則成型盤的基礎(chǔ)直徑應(yīng)為，圓整后取。 3.3 橫、豎蛟龍的設(shè)計計算 橫、豎蛟龍的作用主要是輸送，即上述三維分析中的實心部分。 3.3.1 豎絞龍的設(shè)計計算 已知每個栗子部分體積為, 栗子內(nèi)腔壁直徑，即豎絞龍螺旋管的外徑為，初步擬定豎絞龍的套筒內(nèi)徑為，螺旋帶厚度為，螺旋帶最外緣半徑，且忽略因螺旋帶扭曲所帶來的體積增加（即認定每個導(dǎo)程內(nèi)螺旋帶所占體積近似為一個內(nèi)徑，外徑，厚度的圓環(huán)體所占的體積），則： 設(shè)豎絞龍的轉(zhuǎn)速與成型盤轉(zhuǎn)速相同，即豎絞龍每旋轉(zhuǎn)一周，垂直向下運動一個導(dǎo)程，且該導(dǎo)程內(nèi)的恰好能供成型盤生產(chǎn)一個栗子，為。則螺旋管的導(dǎo)程可按下式近似計算: （3-1） 代入數(shù)據(jù)有: 考慮到壓實體積需要收縮,故將導(dǎo)程圓整為。 3.3.2 橫絞龍的設(shè)計計算 初選設(shè)計參數(shù)： 橫絞龍螺旋管外徑；橫絞龍導(dǎo)料槽內(nèi)徑；螺旋帶厚度；螺旋帶最外緣半徑；考慮到橫絞龍采用單端固定的形式，不適合承受過大彎矩，因此決定增大轉(zhuǎn)速縮小導(dǎo)程以減小作用在螺旋管上的徑向分力。擬定轉(zhuǎn)速為成型盤轉(zhuǎn)速的倍，即。 則有: 同理考慮到壓實體積需要收縮，將導(dǎo)程圓整為。 3.4 供栗機構(gòu)的設(shè)計 因為餡料需要在底部搓制完成時方可送入，故需要間歇輸送，擬定采用槽輪機構(gòu)與雙滑片泵組合使用。輸送頻率在數(shù)值上等同于成型盤每秒的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，即有Z=1Hz。 根據(jù)供栗機構(gòu)為雙滑片偏心泵的結(jié)構(gòu)可確定。 3.5 出栗機構(gòu)的設(shè)計 為了避免在搓制成型過程中產(chǎn)生撕裂，應(yīng)當使面嘴轉(zhuǎn)速等于或接近于在成型盤中的轉(zhuǎn)速。設(shè)與成型盤之間沒有相對滑動，則轉(zhuǎn)速可由下式確定： （3-2） 給公式變形并代入數(shù)據(jù)有： 4. 傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 4．1 傳動比的分配 4.1.1 電動機轉(zhuǎn)速的確定 Y112M-6型電動機額定轉(zhuǎn)速為。 4.1.2 傳動比的總體分配及各軸轉(zhuǎn)速的確定 根據(jù)總體傳動系統(tǒng)圖和各執(zhí)行部件所需的轉(zhuǎn)速可確定出各傳動部件的傳動比。 最大傳動比； 最小傳動比； 確定減速器的傳動比為； 確定錐齒輪副的傳動比為； 確定橫絞龍鏈輪副的傳動比為； 確定成型盤鏈輪副的傳動比為； 確定面嘴齒輪副的傳動比為； 確定豎絞龍齒輪副的傳動比為； 確定槽輪機構(gòu)的傳動比為； 列出各個軸的轉(zhuǎn)速： 電機軸轉(zhuǎn)速； 蝸桿軸轉(zhuǎn)速； 蝸輪軸轉(zhuǎn)速； 分流軸轉(zhuǎn)速； 4.1.3 確定各個執(zhí)行部件所需的功率 根據(jù)各個執(zhí)行機構(gòu)的運動要求分配其所占的比例： 成型機構(gòu)40%； 橫絞龍 25%； 豎絞龍 15%； 出栗機構(gòu) 12%； 供栗機構(gòu) 8%。 4.2 蝸輪蝸桿傳動副的設(shè)計 4.2.1 設(shè)計要求 蝸桿要求右旋；輸入功率；輸入轉(zhuǎn)速；傳動比；工作時單向運轉(zhuǎn)；載荷較平穩(wěn)；要求累計工作時間不小于；可靠性要求一般；電動機驅(qū)動；工作環(huán)境通風(fēng)良好，減速器有效散熱面積A不小于；平均室溫；工作油溫不高于。 4.2.2 初選參數(shù)及材料 根據(jù)使用要求，選用ZA型阿基米德蝸桿，蝸桿頭數(shù)，對應(yīng)的蝸輪的齒數(shù)，變位系數(shù)，傳動效率,蝸輪使用系數(shù)，蝸輪動載系數(shù)，減速器散熱系數(shù)。 蝸桿材料：45鋼淬火，要求達到齒面硬度45HRC。 蝸輪材料：ZCuSn10P1離心鑄造。 疲勞接觸強度最小安全系數(shù) 彎曲疲勞強度最小安全系數(shù) 材料彈性系數(shù) 則有： 蝸輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力； 蝸輪材料彎曲疲勞極限應(yīng)力； 4.2.3 初步計算 轉(zhuǎn)速系數(shù)； 壽命系數(shù)； 蝸輪材料許用接觸應(yīng)力： ； 蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力： ； 蝸桿轉(zhuǎn)矩； 蝸輪轉(zhuǎn)矩； 工作系數(shù) 4.2.4 根據(jù)齒面接觸疲勞強度條件設(shè)計蝸輪蝸桿副 根據(jù)設(shè)計公式有： （4-1） 據(jù)查表數(shù)據(jù)圓整，并查得；；。 計算可得： 蝸輪分度圓直徑：； 實際中心距：； 蝸桿速度：； 蝸桿齒頂圓直徑：； 蝸桿齒根圓直徑：； 導(dǎo)程角：； 導(dǎo)程角系數(shù)：； 當量齒數(shù)：； 蝸輪輪齒齒形系數(shù)：； 螺桿螺紋部分長度：； 蝸輪喉圓直徑：； 蝸輪齒頂圓直徑：； 蝸輪齒根圓直徑：； 蝸輪輪緣寬度：，圓整取。 4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度和熱平衡 根據(jù)彎曲疲勞強度校核條件有： （4-2） 可見齒根彎曲疲勞強度合格。 根據(jù)熱平衡計算條件有： （4-3） 可見減速器熱平衡條件亦滿足要求。 4.2.6 蝸輪蝸桿受力計算 ； ； 。 4.3 直齒圓錐齒輪傳動副的傳動設(shè)計 4.3.1 設(shè)計要求 輸入功率；輸入轉(zhuǎn)速；傳動比；工作時單向運轉(zhuǎn)；載荷較平穩(wěn)；要求累計工作時間不小于；可靠性要求一般。 4.3.2 初選參數(shù)及材料 工作載荷系數(shù)：、、； 壽命系數(shù)：、； 齒寬系數(shù)：； 分度錐角：； 齒形系數(shù)：； 應(yīng)力修正系數(shù)：； 節(jié)點區(qū)域系數(shù)：； 最小安全系數(shù)：、； 錐齒輪選擇材料45鋼調(diào)質(zhì)，要求達到齒面硬度230HBS。 材料系數(shù)；、； 4.3.3 初步計算 許用齒面接觸應(yīng)力：； 許用齒根彎曲應(yīng)力：； 輸入轉(zhuǎn)矩： ； 工作系數(shù)：。 4.3.4 根據(jù)齒面接觸疲勞強度條件設(shè)計直齒圓錐齒輪傳動副 根據(jù)設(shè)計公式有： （4-4） 圓整后??； 選取模數(shù)：，齒數(shù)：； 錐距：； 齒寬：，圓整后??； 圓整齒寬系數(shù)：。 4.3.5 校核齒根彎曲疲勞強度 根據(jù)校核公式有： （4-5） 可見齒根彎曲疲勞強度滿足要求。 4.3.6 圓錐齒輪受力計算 4.4 鏈傳動設(shè)計 4.4.1 橫絞龍鏈傳動設(shè)計 設(shè)計要求：輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動比。 橫絞龍鏈傳動采用單排滾栗子鏈結(jié)構(gòu)，查手冊可知需選用08A型滾栗子鏈，鏈節(jié)距。初選小鏈輪齒數(shù)。由傳動比可計算得。 鏈速：； 工作拉力：； 選取壓軸力系數(shù)； 軸壓力：。 4.4.2 成形機構(gòu)鏈傳動設(shè)計 設(shè)計要求：輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動比。 成形機構(gòu)鏈傳動亦采用單排滾栗子鏈結(jié)構(gòu)，查手冊可知需選用08A型滾栗子鏈，鏈節(jié)距。初選小鏈輪齒數(shù)。由傳動比可計算得。 鏈速：； 工作拉力：； 選取壓軸力系數(shù)； 軸壓力：。 4.5 出栗機構(gòu)直齒圓柱齒輪設(shè)計及校核 4.5.1 設(shè)計要求 輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動比，要求中心距，齒寬。 4.5.2 模數(shù)、齒數(shù)及分度圓直徑的計算 計算大小齒輪分度圓直徑： 初選模數(shù)，齒數(shù)；。 4.5.3 選擇參數(shù)與材料并進行初步計算 工作系數(shù)：、、、。 壽命系數(shù)：、； 最小安全系數(shù)：、； 齒形系數(shù)：； 應(yīng)力修正系數(shù)：； 。 。 材料選擇：大小齒輪材料均為45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度要求達到230HBS； 節(jié)點區(qū)域系數(shù)：； 材料系數(shù)：； 重合度系數(shù)：、 齒數(shù)比 、； 許用齒面接觸應(yīng)力：； 許用齒根彎曲應(yīng)力：； 4.5.4 校核齒輪強度條件 校核齒面解除疲勞強度條件： （4-6） 齒面解除疲勞強度合格。 校核齒根彎曲疲勞強度： （4-7） 齒根彎曲疲勞強度條件合格。 4.5.5 受力計算 4.6 豎絞龍直齒圓柱齒輪設(shè)計及校核 4.6.1 設(shè)計要求 輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動比，要求中心距，齒寬。 4.6.2 模數(shù)、齒數(shù)及分度圓直徑的計算 計算大小齒輪分度圓直徑： 初選模數(shù)，齒數(shù)；。 4.6.3 選擇參數(shù)與材料并進行初步計算 工作系數(shù)：、、、。 壽命系數(shù)：、； 最小安全系數(shù)：、； 齒形系數(shù)：； 應(yīng)力修正系數(shù)：； 。 。 材料選擇：大小齒輪材料均為45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度要求達到230HBS； 節(jié)點區(qū)域系數(shù)：； 材料系數(shù)：； 重合度系數(shù)：、 齒數(shù)比 、； 許用齒面接觸應(yīng)力：； 許用齒根彎曲應(yīng)力：； 4.6.4 校核齒輪強度條件 校核齒面解除疲勞強度條件： （4-8） 齒面解除疲勞強度合格。 校核齒根彎曲疲勞強度： （4-9） 齒根彎曲疲勞強度條件合格。 4.6.5 受力計算 5分流軸及其附件的設(shè)計計算 5.1 分流軸的設(shè)計與校核 5.1.1 設(shè)計要求 軸上分布有4個以鍵聯(lián)接的傳動件，位置已固定。軸末端加工成花鍵軸。軸靠三個軸承支撐固定。軸材料采用45鋼調(diào)質(zhì)。各個軸端軸向尺寸如下圖（5-1）a所示。 5.1.2 分流軸扭矩圖的繪制 各軸段扭矩大小分別為： ；；；；。 扭矩圖如下圖（5-1）b。 圖5-1軸結(jié)構(gòu)簡圖及扭矩圖 5.1.3 計算初選軸徑 由扭矩圖上可見從左向右數(shù)第二鍵槽左側(cè)位置（設(shè)為位置1）與末端花鍵左側(cè)位置（設(shè)為位置2）受扭情況最壞，故以該兩位置（定位受扭危險截面）扭矩大小計算初選軸徑。由于軸選用45鋼，確定扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù) （5-1） 。 考慮到軸上開鍵槽影響軸的強度，故將軸徑擴大并圓整數(shù)據(jù)得。 。 考慮到軸徑太小不利于花鍵的加工，因此選取末端軸徑，為花鍵軸的大徑。 5.1.4 分流軸各段軸徑的確定 因軸段5需要安放軸承，故在軸段6的基礎(chǔ)上略微增大軸徑，確定該段軸徑為； 因軸段5上的軸承需要軸段4來進行軸向定位，故確定軸段4軸徑為； 軸段1與軸段5同樣需要安放軸承，則該段軸徑亦為； 軸段2上開鍵槽以便安裝圓錐齒輪，且兼有給軸段1上軸承做軸向定位之功用，故確定該段軸徑為； 軸段3為錐齒輪定位軸環(huán)，尺寸選定為。 5.1.5 軸的受力分析 軸上所有力分布如下圖所示： 圖5-2軸受力示意圖 將所有受力情況繪制成如下三線表（5-1）： 表5-1軸受力狀態(tài)表（含未知數(shù)） 力名稱 力大小() 509.5 -1979.5 -509.5 -2341.5 115.3 316.7 289.7 795.8 11141.7 可見表中有7個未知數(shù)，而根據(jù)受力平衡可直接列出下列5個方程。故該結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)。需要根據(jù)軸承處（即3位置）撓度為0列變形協(xié)調(diào)方程方可求解出表中全部未知數(shù)。 受力平衡條件方程： （5-2） （5-3） （5-4） （5-5） （5-6） 其中（60為圓錐齒輪齒寬中點分度圓半徑值）。 變形協(xié)調(diào)方程： （5-7） （5-8） 其中 ； （5-9） ； （5-10） ； （5-11） ； （5-12） 注：上述4式中x代表位置3至位置1的距離；l代表位置1至位置7的距離；a代表力或力矩的作用點至位置1的距離；b代表力或力矩作用點至位置7的距離；E為材料的彈性模量，I為材料截面的極慣性矩（為簡化計算過程，設(shè)各個軸徑極慣性矩I均相同）。 則有： 聯(lián)立方程 聯(lián)立方程 根據(jù)計算結(jié)果重新繪制如下三線表： 表（5-2）軸受力狀態(tài)表 力名稱 力大小() 5.1.6 軸的校核 根據(jù)上節(jié)內(nèi)容繪制如下彎矩圖 圖（5-3）軸彎矩圖 確定危險截面為4位置左側(cè)，復(fù)合彎矩大小為，該段軸徑為，鍵槽寬度，入軸深度，抗彎截面系數(shù)，許用彎曲應(yīng)力。 （5-13） 可見軸強度合格。 5.2 軸承的設(shè)計與校核 5.2.1 軸承的選擇 根據(jù)轉(zhuǎn)速及載荷初選1、3位置為圓錐滾栗子軸承，7位置為深溝球軸承。 根據(jù)各個軸徑選取具體軸承型號： 1、3位置選取圓錐滾栗子軸承329/32，7位置選取深溝球軸承6005。 5.2.2 1位置軸承的校核 徑向力 ；軸向力 ；軸頸直徑 ；轉(zhuǎn)速 ；要求壽命；溫度系數(shù) ；潤滑方式：脂潤滑；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉(zhuǎn)速 ；壽命系數(shù)。 查表可得判斷系數(shù)；軸向載荷系數(shù),；載荷系數(shù)； 當量動載荷 軸承壽命。 軸承壽命要求合格。 5.2.3 3位置軸承的校核 徑向力 ；軸頸直徑 ；轉(zhuǎn)速 ；要求壽命；溫度系數(shù) ；潤滑方式：脂潤滑；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉(zhuǎn)速 ；壽命系數(shù)。 查表可得判斷系數(shù)；軸向載荷系數(shù),；載荷系數(shù)； 當量動載荷 軸承壽命。 軸承壽命要求合格。 5.2.4 7位置軸承的校核 徑向力 ；軸頸直徑 ；轉(zhuǎn)速 ；要求壽命；溫度系數(shù) ；潤滑方式：脂潤滑；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉(zhuǎn)速 ；壽命系數(shù)。 查表可得判斷系數(shù)；軸向載荷系數(shù),；載荷系數(shù)； 當量動載荷 軸承壽命。 軸承壽命要求合格。 5.3 鍵聯(lián)接的設(shè)計與校核 5.3.1 鍵的選型 根據(jù)2、4、5、6位置軸徑大小選取鍵，2位置鍵尺寸；4、5、6位置鍵尺寸。 5.3.2 鍵的校核 材料選用：Q235鋼；許用壓強；；鍵校核公式： （5-13） 位置2鍵的校核：； ； 位置4鍵的校核：； ； 位置5鍵的校核：； ； 位置6鍵的校核：； ； 鍵強度要求均合格。 5.4 花鍵連接的設(shè)計與校核 根據(jù)軸末端尺寸查表可得花鍵尺寸為，最小接觸長度；校核參數(shù)；；許用壓強。 花鍵強度要求合格。 6 結(jié)論 本設(shè)計是以家鄉(xiāng)實情為出發(fā)點，在參考國內(nèi)外各種類似機械的結(jié)構(gòu)特點和成型原理后設(shè)計而成，其作用為以機械動作替代手工勞動來生產(chǎn)栗子。使之成為一能實現(xiàn)特定功能動作的機械實體。由于該次設(shè)計為僅為畢業(yè)設(shè)計，無論是時間方面還是設(shè)計經(jīng)驗方面均有很大的欠缺，設(shè)計內(nèi)容亦不甚完善，較之國內(nèi)外主流類似產(chǎn)品有很大差距。亦望本設(shè)計中失誤之處能得到師長或同行的不吝指正，甚為感謝。 參考文獻 1 普通圖書 [1] 朱理,機械原理[M].北京:高等教育出版社,2004. 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