微型电动食品搅拌机的设计Word格式文档下载.docx
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而且可以搅拌奶油、果酱、蛋糕液等具有一点粘稠度的液体而且可以用来制做面团。
我选择的这个课题是比较综合性的,加上自己专业的经验不足,所以如果想设计一个合理的产品,我必须要熟悉的掌握机械理论力学、机械原理、机械优化设计、机械设计、行星齿轮传动设计、机械制造基础、等方面的理论知识。
这也是对我大学四年所学专业知识的一个综合应用。
通过做此课题,我将能了解这本科四年来我对专业知识掌握的程度,同时也是一个系统的复习。
这将给我以后走向社会起到一个很好的开头作用。
第二章结构及工作原理
2.1、电动食品搅拌机结构方案分析并确定
2.1.1方案一食品搅拌机原理图
图1-1
方案一的食品搅拌机是一款手提式的搅拌机,利用调速电机带动减速器,再带动搅拌器搅拌物体。
这个方案的搅拌机虽然结构简单,操作方便,但是它搅拌出来的食品不均匀。
另一方面,它是手持的,具有一定的危险性。
所以这个方案的食品搅拌机只能用来粗略搅拌食品。
2.1.2方案二食品搅拌机原理图
图2-2
方案二设计的食品搅拌机它是通过调速电机带动锥齿轮,锥齿轮带动轴转动,间接带动搅拌器搅拌,达到搅拌食品的效果。
此方案相对于方案一不同在于它具有一个完整的机架,不需要手持,排除了手持的危险性而且具有一定的平稳性。
但是它的缺点是不能够充分的搅拌食品。
2.1.3方案三食品搅拌机原理图
图3-3
方案三的食品搅拌机是通过调速电机带动锥齿轮,锥齿轮带动传动轴,传动轴带动拨动座,拨动座带动搅拌轴,搅拌轴带动搅拌器。
通过这一系列的传递来充分搅拌食品。
这个方案相对于方案二来说是多了一个行星齿轮的设计,使搅拌器不仅能自转,而且还能绕着传动轴公转。
这样的搅拌方法使得食品能够得到充分的搅拌。
具有良好的搅拌能力和平稳性。
经过对三个方案进行比较,最后选用方案三进行设计。
2.2食品搅拌机的结构图和工作原理
2.2.1食品搅拌机的结构图
图2-4
设计的微型电动食品搅拌机主要是由以下部分构成的:
底座;
支架;
调速电机;
转动心轴;
中心轴;
拨动座;
行星齿轮;
搅拌器;
搅拌桶。
2.2.2食品搅拌机的工作原理
此搅拌机的工作原理是采用行星齿轮的设计原理,首先利用锥齿轮将电动机的速度降低,并且改变传动方向,由原来的水平方向改为竖直方向,锥齿轮带动中心轮,中心轮带动拨动座,拨动座上装有搅拌轴,搅拌轴上的行星齿跟内齿圈配合,内齿圈固定在机架上,是固定不动的,所以拨动座在随着中心轴转动时,搅拌轴也跟着转盘绕中心轴公转,又因为行星齿跟内齿圈啮合,使得搅拌轴绕自身轴线旋转,形成自转。
这样搅拌器在工作过程中即绕着中心轴公转又绕着搅拌轴自转。
这个合成运动实现行星运动,从而满足调和高粘度物料的运动要求。
第三章搅拌器的设计
搅拌器的作用是直接与被搅拌物料接触,并通过自身的运动达到搅拌的目的。
所以搅拌器形状设计就变得尤为重要,并且通过对不同的物体设计不同的搅拌器。
3.1球形搅拌器设计
图3-1
图3-1所示是钢丝球形搅拌器,材料为不锈钢丝,优点是容易使液体湍动,缺点是搅拌球的强度比较低,所以只能适用于一些工作阻力小的稀蛋白液等物料的搅拌。
在设计过程中,考虑到能够充分搅拌因素,又不能跟容器发生碰撞,所以搅拌器的半径不能大于搅拌轴到容器壁的距离,而且搅拌器安装上去后,搅拌器的底部不能碰到容器底部。
所以设计的搅拌球距离容器各1cm。
搅拌器是套在搅拌轴上面的。
利用弹簧的弹性使得搅拌器不会掉下来。
具体的制造尺寸见零件图。
3.2拍型搅拌器的设计
图3-2
图3-2所示为拍形搅拌器,它是由整体铸锻形成的,强度比球形搅拌器高,作用面积大,适用于糖浆、蛋白浆等物料的搅拌。
它的连接部分是跟球形搅拌器一样的。
3.3搅龙搅拌器的设计
图3-3所示为搅龙搅拌器,它是以整体锻造成的。
桨的结构强度比上面两种都高。
这种搅拌器能够借助搅拌的回转运动,使各点在容器内形成复杂的运动,适用于粘度比较高的物料的搅拌。
3.4搅拌容器的设计
考虑到我们搅拌的是食用品,容器是不能生绣,而且具有一定的耐腐蚀性。
所以采用304不锈钢材料,形状类似碗的形状。
容器总高165mm,容器口宽200mm,容器底宽119mm,厚度1mm。
第四章传动系统的设计
4.1搅拌机的功率计算
4.1.1被搅拌物料为拟塑性和涨塑性液体[2]
按字数津流体的搅拌功率计算,计算时使用平均表观粘度μa,由平均梯度计算而得。
即
(4-1)
而平均表观粘度μa为
(4-2)
非牛顿液体在搅拌容器内,平均速度梯度
有如下简单的近似正比关系:
=C´
n(4-3)
由以上式子连解得
=K´
(C´
n)n´
-1(4-4)
式中C,C´
——分别为搅拌容器几何尺寸及非牛顿型液体种类的有关常数;
K´
——与搅拌机结构尺寸有关的比例系数,一般由实验求得;
n——转速。
经过计算求得N=0.15KW。
4.2电动机的选择
任何机器都必须要有动力驱动,以机械化生产力标志的工业革命正是源于最早的机器动力——蒸汽机的发明。
用于驱动机器的机械我们称之为原动机。
在目前常用的原动机中,电动机和内燃机应该广泛,液压传动具有重量轻,体积小,结构紧,驱动力大等特点,但考虑到目前国内状况,液压马达虽然比以前在质量上提高了,但价格昂贵,用一般的搅拌机上,成本太高,不经济,故本设计采用了传统的机械传动。
传动系统由电动机、皮带轮、减速器来传递。
所以本设计选用了电动机。
电动机的合理选择是保证电动机安全可靠、经济运行的最要环节。
电动机的选择包括:
电动机的额定功率(额定转矩)、电动机的种类、电动机的结构形式、电动机的额定电压=电动机的额定转速等。
4.2.1按转速选择电动机
电动机的额定转速的选择要结合电动机和传动系统进行综合选择:
如电机转速选择过高,电机尺寸重量小,成本低,但带来传动系统的传动比较高,传动系统复,成本高;
如电机转速过低,传动系统传动小,结构简单,成本低,但电机尺寸重量大,成本高。
本设计的搅拌机的最大容量是7L,启动负载不大,转速在70~200r/min范围之内,应选择调速电动机;
根据上面求得搅拌机功率为0.15KW,查机械设计课程表12-16,可选用小功率异步电动机,可直接在市场选购,型号为61K180GU-CFW感应电动机,其功率为N=180W,转速为n=1440r/min,电压为U=220v,电流为I=2.8A,频率为f=50Hz。
电机的输出转速为n=466r/min,减速比为i=3。
4.3锥齿轮传动的设计计算[3]
由上面选用的电机可知,输出功率P=0.18KW,电机的输出转速为n=466r/min,即小齿轮转速n1=466r/min。
因为搅拌轴最高转速在200左右,所以选定齿数比u=2.2。
由电动机驱动,工作寿命15年,(设每年工作300天),两班制,转向不变。
以下设计过程,表格及数据均参考《机械设计》。
4.3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
(1)因为传动轴和锥齿轮轴轴线相交且轴交角Σ=90°
,所以选用标准直齿锥齿轮传动,压力角取为20°
。
(2)搅拌机为一般工作机器,由表10-6,选用7级精度。
(3)材料选择。
参考表10-1,选择小齿轮材料为40Cr(调制),齿面硬度280HBS,大齿轮材料为45刚(调制),齿面硬度240HBS。
(4)选小齿轮齿数z1=24,大齿轮齿数z2=uz1=2.2×
24=52.8,取z2=53。
4.3.2按齿面接触疲劳强度计算
(1)由式(4-5)试算小齿轮分度圆直径,即
d1t≥
(4-5)
1)确定公式中的各参数数值。
试选KHt=1.3。
计算小齿轮传递的转矩。
T1=9.55×
106P/n1=9.55×
106×
0.18/466N·
mm=3.688×
103N·
mm(4-6)
③选取齿宽系数ΦR=0.3。
④由图10-20查得区域系数ZH=2.5。
⑤由表10-5查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2。
⑥计算接触疲劳许用应力[σH]。
由图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为
σHlim1=600MPa,σHlim2=550MPa。
由图(10-15)计算应力循环次数:
N1=60n1jLh=60×
446×
1×
(2×
8×
300×
15)=1.927×
109(4-7)
N2=N1/u=1.927×
109/2.2=0.876×
109(4-8)
由图10-23查取接触疲劳寿命系数KHN1=0.9,KHN2=0.95。
取失效率为1%,安全系数S=1,由式(4-9)得
[σH]1=
=
MPa=540MPa(4-9)
[σH]2=
MPa=523MPa(4-10)
取[σH]1和[σH]2中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力,即
[σH]1=[σH]2=523MPa
2)试算小齿轮分度圆直径
(4-11)
mm
=32.068mm
(2)调整小齿轮分度圆直径
1)计算实际载荷系数前的数据准备。
①圆周速度υ
dm1=d1t(1﹣0.5ΦR)=32.068×
(1﹣0.5×
0.3)mm=27.258mm(4-12)
υm=
m/s=0.637m/s(4-13)
②当量齿轮的齿宽系数Φd
b=ΦRd1t
=0.3×
32.068×
mm=11.661mm(4-14)
Φd=b/dm1=0.428
2)计算实际载荷系数KH。
①由表10-2查得使用系数KA=1。
②根据Vm=0.637m/s、8级精度(降低了一级精度),由图10-8查得动载系数Kv=1.103。
③直齿锥齿轮精度较低,取齿间载荷分配系数KHα=1。
④由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂时,得齿向载荷分布系数KHβ=1.207。
由此,得到实际载荷系数
KH=KAKvKHαKHβ=1.331(4-15)
3)由式(10-12),可得按实际载荷系数算得的分度圆直径为
d1=d1t
=32.068×
mm=32.320mm(4-16)
及相应的齿轮模数
m=d1/z1=32.320/24=1.347mm(4-17)
4.3.3按齿根弯曲疲劳强度设计
(1)由式(10-27)试算模数,即
mt≥
(4-18)
1)确定公式中的各参数值。
1试选KFt=1.3。
2计算
由分锥角δ1=arctan(1/u)=arctan(24/53)=24.362°
和
δ2=90°
-24.362°
=65.638°
,
可得当量齿数zv1=z1/cosδ1=24/cos(24.362°
)=26.34,(4-19)
zv2=z2/cosδ2=53/cos(65.638°
)=128.48。
由图10-17查得齿形系数YFa1=2.58、YFa2=2.25
由图10-18查得应力修正系数Ysa1=1.63、Ysa2=1.82
由图10-24c查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为σFlim1=500MPa、σFlim2=380MPa。
由图10-22取弯曲疲劳寿命系数KN1=0.85、KN2=0.88。
取弯曲疲劳安全系数S=1.7,由式(4-20)得
[σF]1=
MPa=250MPa(4-20)
[σF]2=
MPa=197MPa(4-21)
=0.0168(4-22)
=0.0208(4-23)
因为大齿轮的
大于小齿轮,所以取
=0.0208
2)试算模数。
(4-24)
=0.763mm
(2)调整齿轮模数
①圆周速度v。
d1=mtz1=0.763×
24=18.307mm(4-25)
dm1=d1(1-0.5ΦR)=18.307×
(1-0.5×
0.3)=15.561mm(4-26)
=0.363m/s(4-27)
齿宽b。
b=ΦRd1
18.307×
mm=16.137mm(4-28)
2)计算实际载荷系数KF。
①根据v=0.363m/s,8级精度,由图10-8查得动载系数KV=1.03
②直齿锥齿轮精度较低,取齿间载荷分配系数KFα=1。
由表10-4用插值法查得KHβ=1.204,设计的是直齿锥齿轮,于是KFβ=KHβ=1.204。
则载荷系数为
KF=KAKvKFαKFβ=1×
1.03×
1.204=1.240
3)由式(4-29),可得按实际载荷系数算得的齿轮模数为
m=mt
=0.763×
=0.751mm(4-29)
按照齿根弯曲疲劳强度计算的模数,就近选择标准模数=0.8mm。
按照接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=32.320mm,算出小齿轮齿数z1=d1/m=32.320/0.8=40.4。
取z1=41,则大齿轮齿数z2=uz1=2.2×
41=90.2。
为了是两齿轮的齿数互质,取z2=90。
4.3.4几何尺寸计算
(1)计算齿顶圆直径
d1=z1m=41×
0.8=32.8mm(4-30)
d2=z2m=90×
0.8=72mm
(2)计算分度圆直径
dm1=d1(1-0.5ΦR)=32.8×
0.3)=27.88mm(4-31)
dm2=d2(1-0.5ΦR)=72×
0.3)=61.2mm
(3)计算分锥角
δ1=arctan(1/u)=arctan(41/90)=24°
49′19″(4-32)
-24°
49′19″=65°
50′81″
(4)计算齿轮宽度
32.8×
mm=11.87mm(4-33)
取b1=b2=12mm。
(5)计算锥距
R=
=39.56mm(4-34)
(6)齿顶高
ha=1m=0.8mm(4-35)
(7)齿根高
hf=1.2m=0.96mm(4-36)
4.3.5结构设计及绘制齿轮零件图
(1)小锥齿轮
图4-1
(2)大锥齿轮
图4-2
4.3.6主要设计结论
齿数z1=41、z2=90,模数m=0.8mm,压力角α=20°
,变位系数x1=0、x2=0,分锥角δ1=24°
49′19″、δ2=65°
50′81″,齿宽b1=b2=46mm。
小齿轮选用40Cr(调质),大齿轮选用45钢(调质)。
齿轮按7级精度设计。
4.4轴的设计与校核[2,3,5,7]
4.4.1轴的设计
轴是轴系零、部件中的核心零件,其设计的好坏对整个轴系乃至整个机器都至关重要。
一般地说,轴的结构越简单,工艺学越好。
因此,在满足使用要求的前提下,轴的结构形式应尽量简化。
轴的设计包括轴的合理外形和全部结构尺寸。
本设计中有三条轴,一根高速轴,一根中心轴,一根搅拌轴。
轴上零件的装配方案,中心轴上装有锥齿轮,轴承端盖,轴承,拨动座。
搅拌轴上有行星齿,套筒,轴承,弹簧,挡片,搅拌器。
高速轴上装有联轴器和锥齿轮。
4.4.1.1搅拌轴的设计
如图4-3所示
图4-3
(1)确定各轴段的直径
①轴段Ⅰ装的是行星齿,轴的选用材料为45号钢,调质处理。
查表可得计算系数A0=126则dmin≥
轴的最小直径为8.6mm.整个轴的直径不能小于该值。
考虑到行星齿的外径为25mm,所以选d1=9mm。
②轴段Ⅱ和Ⅳ为轴承配合和套筒配合的轴段,就按轴承内径的标准系列来取,取d2=10mm,无特殊情况时尺寸系列按正常宽度、中系列选,由此,可以初选轴承型号为7000C。
③轴段Ⅲ的轴段,定位轴肩高度为a=(0.07~0.1)×
9=0.63~0.9,取a=1mm,则d3=12mm。
(2)确定各轴段的长度
①锥齿轮的最大宽度为10mm,考虑压紧空间,轴段Ⅰ的长度比大带轮毂长度小0.5~1mm,因为轴套会多出0.5mm,则该段的长度为L1=10mm。
②轴段Ⅱ和Ⅳ的宽度可以按轴承的宽度来取,查相关手册,轴承的宽度为8mm,轴段Ⅱ还有一个轴套,所以加上轴套的长度,L2=21.5mm。
③结合整个结构,轴段Ⅲ的宽度取L3=20mm。
如图4-4所示轴的尺寸及相关:
图4-4搅拌轴
4.4.1.2中心轴的设计
如图4-5所示
图4-5
①轴段Ⅰ装的是锥齿轮,轴的选用材料为45号钢,调质处理。
查表可得计算系数A0=120则dmin≥
轴的最小直径为10.7mm.整个轴的直径不能小于该值。
考虑到锥齿轮的外径为25mm,所以选d1=11mm。
②轴段Ⅱ为轴承配合的轴段,就按轴承内径的标准系列来取,取d2=12mm,无特殊情况时尺寸系列按正常宽度、中系列选,由此,可以初选轴承型号为7001C。
③轴段Ⅲ的轴段,定位轴肩高度为a=(0.07~0.1)×
11=0.77~1.1,取a=1mm,则d3=14mm。
④轴段Ⅳ为轴承配合的轴段,就按轴承内径的标准系列来取,取d2=12mm,无特殊情况时尺寸系列按正常宽度、中系列选,由此,可以初选轴承型号为7001C。
⑤轴段Ⅴ与拨动座连接,取d5=10mm。
①锥齿轮的最大宽度为22.5mm,考虑压紧空间,轴段Ⅰ的长度比锥齿轮毂长度小0.5~1mm,则该段的长度为L1=22mm。
②轴段Ⅱ为跟小锥齿轮连接,考虑结构要求,L2=42.5mm。
③结合整个结构,轴段Ⅲ的长度取L3=16mm。
④为了结构的紧凑性,轴段Ⅳ就放一个轴承,根据选用的联轴器来决定,查相关手册,所以该轴段的长度取L4=14mm。
⑤轴段Ⅴ连接拨动座,该轴段长度取L5=12mm。
如图4-6所示轴的尺寸及相关:
图4-6
4.4.1.3高速轴的设计
如图4-7所示
图4-7
如图4-5,该轴是用来装联轴器和小锥齿轮的,电动机伸出的轴的直径是φ14mm,设计用套筒联轴器来连接,所以跟套筒连接的轴段直径选用d1=14mm。
另一端轴可以选小一点。
所以d锥=12mm。
左端长度与选用是联轴器决定,取L1=24mm,右端装小带轮,考虑到压紧空间,该轴段的长度应比小带轮长度小0.5~1mm,小锥齿轮轮毂长度为14.5mm,则该轴段长为L锥=14mm。
最终所得的轴的尺寸如图4-8
图4-8
4.4.2轴的校核
轴的强度校核计算有3种常的方法:
①按扭矩变形强度条件进行计算;
②按弯扭组合变形强度条件进行计算;
③按疲劳强度条件进行精确计算。
对于仅仅承受扭矩的传动轴,只需按扭转强度条件计算;
对于只承受弯矩的心轴,只需按弯曲强度计算;
对于既承受弯矩又承受扭矩的轴(转轴),应按弯扭合成强度条件进行计算。
由于该轴为转轴,应按弯扭合成强度条件进行计算。
(1)作轴的受力简(图4-9(a))
(2)作轴的垂直面受力简图(图4-9(b))
(3)绘制垂直面弯矩图
图4-9
求垂直面的支反力
(4-37)
由前面计算锥齿轮得:
Q=346.5N,所以
(4-38)
(4-39)
求垂直面弯矩:
(4-40)
绘制弯矩图(图4-7(d))
(4)绘制扭矩当量弯矩图(图4-7(c))
轴单向转动,扭转切应力为脉动循环变应力,取α≈0.6,则扭矩当量弯矩:
(4-41)
(5)绘总当量弯矩图
计算总当量弯矩
(4-42)
绘总当量弯矩图(图4-7(e))
(6)校核轴的强度
轴的材料为45号钢,调质处理,由设计手册查得:
从总当量弯矩图可以看出,截面C为危险面。
截面锥齿轮A为处d=12mm
30MPa(4-43)
强度足够。
4.5轴承的选择
轴承是轴系中的重要部件,其功用是支承轴及轴上零件并保证轴的旋转精度,减少转动轴与固定支承间的摩擦和磨损。
4.5.1轴承的型号
根据轴承中摩擦性质的不同,可把轴承分为滑动轴承和滚动轴承两大类。
滚动轴承摩擦阻力
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