机械原理糕点切片机分析.docx
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机械原理糕点切片机分析
机械原理课程设计
题目名称
糕点切片机
专业班级
15机制(专升本)
学生姓名
切克闹
学号
66666666666666
指导教师
何华
机械与车辆工程系
二○一六年六月十五日
1执行机构的选型与评价
图1.1运动循环图
注:
该机构采用两把切刀可提高工作效率
方案Ⅰ:
切刀连续运动:
凸轮—连杆机构
糕点间歇运动:
不完全齿轮机构
注:
两者通过齿轮连接
图1.2执行机构运动方案Ⅰ
切刀的往复运动用凸轮—连杆机构实现,刀装在滑块上,利用杠杆定理,当推杆行程增大时,刀具切割糕点,当推杆到达最高点时刀具到达最低点,当推杆行程减小时刀具上升。
另外,采用图1.2的偏置曲柄滑块机构有急回运动特性,可使刀在向下运动即切糕点时速度加快,从而使切口光滑。
糕点的间歇运动采用不完全齿轮实现。
当滑块向上运动即刀向上运动时,不完全齿轮进入啮合区,带动糕点的移动,当滑块向下运动即刀向下运动时,不完全齿轮进入非啮合区即糕点静止,进行切割。
该方案Ⅰ结构简单,但对于不完全齿轮来说,啮合时会有较大冲击,易损坏,同时该方案整体尺寸较大,工作效率较低,结构不紧凑,可调试性较低。
方案Ⅱ:
切刀往复运动:
齿轮机构
糕点间歇运动:
槽轮机构
图1.3执行机构运动方案Ⅱ
对于此结构选刀的运动为连续旋转,而且采用两把刀的情况,这样的话系统的效率将会得到很大的提高,并且由于无论糕点的高低,其放置位置总是与刀切入时刀刃所在的直线存在一定夹角,存在应力集中现象,便于切片过程的实现。
此机构采用多个齿轮连接,传动稳定,传动比可靠,同时整个系统机构设计简单,易于制造。
采用槽轮机构完成糕点的间歇运动,在带动刀的锥齿轮旋转一周的过程中,拨盘旋转四周,完成糕点的切割动作。
对于糕点的厚度,因槽轮的运动确定,采用改变摩擦轮的直径来改变糕点的输送距离达到改变糕点切片的厚度。
槽轮机构的结构简单,外形尺寸较小,其机械效率高,并能较平稳地、间歇地进行转位。
综合比较两个方案的优劣,方案Ⅱ为我们所选的最终方案。
2机械传动系统的速比和变速机构
通过原始数据:
1)糕点厚度:
10~20mm。
2)糕点切片长度(亦即切片高)范围:
5~80mm。
3)切刀切片时最大作用距离(亦即切片宽度方向):
300mm。
4)切刀工作节拍:
40次/min。
5)工作阻力很小。
要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠。
6)电机可选用,功率0.55KW(或0.75KW)、1390r/min。
可以得出:
机构总传动比为:
i总=1390/20=69.5,周期:
T=60/20=3s,故需采用三级减速,选带传动减速和齿轮减速。
传动比的分配:
带传动的传动比为i=n1/n2≤10;锥齿轮传动的传动比为1~15;直齿轮的传动比为1~10,故选择带传动的传动比为i1=6.95,第二级齿轮传动比i2=2.5则第三级中锥齿轮的传动比i3=i总/i1/i2=4,直齿轮的传动比i4=i3=4。
3系统流程分析
首先,电动机连续转动带动同步带转动,通过采用槽轮机构完成糕点的直线间歇运动,在带动刀的锥齿轮旋转一周的过程中,拨盘旋转四周,其次,切刀的旋转运动,完成糕点的切割动作,最后,糕点切割完毕,进入下一个循环。
故如下图所示
图3.1系统流程循环图
4机构运动示意图
图4.1机构运动示意图
序号
名称
1
电动机
2
同步带
3
直齿轮
4
直齿轮
5
锥齿轮
6
锥齿轮
7
锥齿轮
8
锥齿轮
9
直齿轮
10
主动拨盘
11
直齿轮
12
从动槽轮
13
切刀
14
摩擦轮
表4.1
5对机械传动系统和执行机构进行尺寸计算
5.1电动机的选型
题目已知电动机功率0.55KW、转速为1390r/min,查《机械设计手册——机械传动》可以得到电动机的型号为Y801-4。
电动机可放在机架的左侧或下侧。
选用Y系列异步电动机,该电动机一般用与全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机,具有防止灰尘、铁屑或其他杂质物侵入电动机内部之特点,B级绝缘,工作环境温度不超过+40℃,相对湿度不超过95%,海拔高度不超过1000m,额定电压380v,频率50Hz。
适用于无特殊要求的机械上。
表5.1电动机型号参数
电动机型号
额定功率
/kw
满载转速
(r/min)
堵转转距
最大转距
质量
/kg
额定转距
额定转距
Y801-4
0.55
1390
2.4
2.3
17
(a)(b)
图5.1Y801-4安装形式
机座号
级数
A
B
C
D
E
G
H
K
AB
AC
AD
HD
BB
L
80
4
125
100
50
19
+0.009
40
15.5
90
10
165
165
150
170
130
285
表5.2
表5.2Y801-4尺寸参数
5.2同步带的选择
一级减速采用同步带传动。
其优点为缓冲减振,传动比精确,传动轻巧。
同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。
同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力,故带与带轮间无相对滑动,能保证准确的传动比。
传动时的线速度可达50m/s,传动比可达10,效率可达98%。
传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小,耐磨性好,不需油润滑,寿命比摩擦带长。
其主要缺点是制造和安装精度要求较高,中心距要求较严格。
所以同步带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中。
所选电动机为Y系列三相异步电动机(普通转矩鼠笼式),功率为P=0.55KW。
1、由《机械设计手册——机械传动》表12-1-67得工况系数KA=1.5。
传动功率P=0.55KW,得同步带的设计功率Pd=KA*Pd=1.5x0.55KW=0.825KW。
2、小带轮转速n1=1390r/min。
初选同步带为模数制,因带轮转速较高,故同步带模数应选较小值,初定模数m=1.5。
由《机械设计手册——机械传动》表12-1-51
表5.3同步带相关数据
模数
m/mm
节距
Pb/mm
齿形角
2β/°
齿根厚
s/mm
齿高
hf/mm
齿根圆
齿顶圆
齿顶厚
st/mm
节顶距
δ/mm
带宽
bs/mm
角半径
1.5
4.712
40
2.16
0.9
0.15
1.5
0.375
20
3、由《机械设计手册——机械传动》表12-1-68得小带轮最少齿数zmin=12,初定小带轮的齿数为z1=20。
4、小带轮节圆直径d1=mz1=1.5x20=30mm。
5、带速v=
vmax,v=2.18m/s,由vmax=40~50m/s,得v满足条件。
6、传动比i=n1/n2≤10,其中n2为大带轮转速,r/min,定传动比为6.95。
则大带轮齿数z2=iz1=139,其节圆直径d2=mz2=1.5x139=208.5mm。
7、初定中心距a0,0.7(d1+d2) 8、初定带的节线长度L0p及其齿数zb,由Lop≈2a0+π/2(d1+d2) + =1001mm,选取较接近的值则节线长度Lp=980.18mm,则齿数zb=208。 9、实际中心距a,中心距可调整a≈a0+ =290mm。 10、带宽bs≥ =25.82,Fc=mbv2,其中小带轮啮合齿数系数Kz=1.00,由表12-1-67查得代为带宽的许用拉力Fa=5N/mm,带的单位宽度、单位长度的质量mb=1.8 10-3Kg.mm-1.m-1。 11、作用在轴上的力Fr=Pd/v 10-3=378.44N。 根据上表5.3数据可以查得应该选用m×zb×bs(模数×齿数×带宽)=1.5×208×30(mm),其节线长Lp=980.18mm的同步带。 图5.2同步带尺寸参数 5.3对渐开线标准直齿圆柱齿轮3、4的设计 用标准齿轮传动设计简单,使用方便,互换性好。 参照《机械设计手册——机械传动》得渐开线圆柱齿轮传动的参数选择。 根据其不发生根切的最小齿数zmin=2ha*/ =17和传动比i34=i2=2.5要求,拟定直齿轮3、4的参数。 a、初选中心距: 取初始标准安装中心距a=65mm。 b、模数、传动比及中心距确定: (数据和公式来源: 《机械原理》第十章齿轮 机构及其设计表10-1、10-2)。 由《机械设计手册——机械传动》第一章表13-1-3查得: 在一般动力传动中,模数m不应小于2mm。 根据《机械原理》第十章表10-1中取第一系列模数m=2mm。 齿轮8、9的传动比i34=u1=z4/z3=2.5 则由中心距公式a=(z4+z3)m/2,得齿数z8=18.57,z2=46.43 取整后取z3=18,z4=45 则实际标准安装中心距为a=(z3+z4)m/2=63mm 则齿轮1、2的实际传动比i12=u2=z4/z3=45/18=2.5 可得标准支持圆柱齿轮3、4的参数结果如下: ha*=1c*=0.25 模数: m3=m4=2mm 啮合角: α=20° 齿顶高: ha3=ha4=ha*m=2mm 齿根高: hf3=hf4=(ha*+c*)m=2.5mm 齿顶圆直径: da3=(z3+2ha*)m=40mm,da4=94mm 齿根圆直径: df3=(z3-2ha*-2c*)m=31mm,df4=85mm 基圆直径: db3=d3cosα=33.83mm db4=84.57mm 齿距: p=πm=6.28mm 基圆齿距: pb=pcosα=5.90mm 齿厚: s=πm/2=3.14mm 齿槽宽: e=πm/2=3.14mm 标准中心距: a=m(z3+z4)/2=63mm r3=mz3/2=18mm r4=mz4/2=45mm ra3=r3+ha*m=20mm ra4=r4+ha*m=47mm αa3=arccos(r3cosα/ra3)=arccos(18cos20°/20)=32.25° αa4=arccos(r4cosα/ra4)=arccos(45cos20°/47)=25.88° 故两齿轮的重合度: ξα=[z3(tanαa3-tanα)+z4(tanαa4-tanα)]/2π =[18(tan32.25°-tan20°)+45(tan25.88°-tan20°)]/2π =1.63>1, 故所选齿轮满足要求。 5.4直齿锥齿轮5、6、7、8的设计 本设计采用直齿锥齿轮传动,一方面起到了换向的作用,另一方面,锥齿轮传动具有以下主要特点: 1、齿形简单,制造容易,成本较低。 2、承载能力较低。 3、轴向力较小,且方向离开锥顶。 图5.3锥形齿尺寸参数 对于锥齿轮5和6的传动,其传动比为i56=4,对于锥齿轮,其不发生根切的最少齿数为zmin=2ha*×cosδ/sin2a,通常小齿轮的齿数为z=16~30,在此,根据结构强度的要求: 初选锥齿轮5的分度圆直径为36,按照模数第一系列标准选取m=2,则可得锥齿轮5的齿数z5=36/2=18,则锥齿轮6的齿数为z6=i56×z5=72。 则其他相关参数计算如下: 齿顶高系数: ha*=c*=0.25 分锥角: δ5=arctan(z5/z6)=14° δ6=90°-δ5=76° 齿顶高: ha=ha*m=2mm 齿根高: hf=(ha*+c*)m=2.5mm 分度圆直径: d5=m5z5=36mm d6=m6z6=144mm 齿顶圆直径: da5=d5+2hacosδ5=39.88mm da6=d6+2hacosδ6=144.97mm 齿根圆直径: df5=d5-2hfcosδ5=31.15mm df6=d6-2hfcosδ6=142.79mm 锥距: R=d1/2sinδ1=74.22mm 齿根脚: tanθf=hf/R=0.0337 顶锥角: δa5=δ5+θf=15.93° δa6=δ6+θf=77.93° 根锥角: δa5=δ5-θf=12.07° δa6=δ6-θf=74.07° 顶隙: c=c*m=0.25 分度圆齿厚: s=πm/2=3.14 当量齿数: zv5=z5/cosδ5=18.55 zv6=z6/cosδ6=297.62 齿宽: B≤R/3=24 αva5=arccos =31.98° αva6=arccos =21.03° 端面重合度: ξα=[zv5(tanαva5-tanα)+zv6(tanαva6-tanα)]/2π=1.54>1 故直齿锥齿轮5、6满足传动要求。 对于锥齿轮7和8,我们以上面同样的方法可以得到其相关数据。 初选直齿锥齿轮7的分度圆直径为100mm,7、8的传动比为i=1,按照第一系列标准选择直齿锥齿轮7和8的模数均为4,z7=100/4=25,z8=z5×i=25。 分锥角: δ7=arctan(z7/z8)=45°,δ8=90°-δ7=45° 齿顶高: ha=ha*m=4mm 齿根高: hf=(ha*+c*)m=5mm 分度圆直径: d7=m7z7=100mm d8=m8z8=100mm 齿顶圆直径: da7=da8=d7+2hacosδ7=101.414mm 齿根圆直径: da7=da8=d7-2hfcosδ7=98.23mm 锥距: R=d2/2sinδ2=70.71mm 齿根脚: tanθf=hf/R=0.07071mm 顶锥角: δa7=δa8=δ7+θf=49.045° 根锥角: δa7=δa8=δ7-θf=40.96° 顶隙: c=c*m=1mm 分度圆齿厚: s=πm/2=6.28mm 当量齿数: zv7=zv8=z7/cosδ7=35.36 齿宽: B≤R/3=23mm,αva7=αva8=arccos =25.08° 端面重合度: ξα=[zv7(tanαva7-tanα)+zv8(tanαva8-tanα)]/2π=1.17>1 故所选直齿锥齿轮5、6满足传动要求。 表5.4各锥齿轮模数和齿数 序号 模数m 齿数z 锥齿轮5 2 18 锥齿轮6 2 72 锥齿轮7 4 25 锥齿轮8 4 25 5.5对渐开线标准直齿圆柱齿轮8、9的设计 用标准齿轮传动设计简单,使用方便,互换性好。 1、参照《机械设计手册——机械传动》得渐开线圆柱齿轮传动的参数选择。 根据其不发生根切的最小齿数zmin=2ha*/ =17和传动比i89=i总/i1=10要求,拟定直齿轮8、9的参数。 a、初选中心距: 取初始标准安装中心距a=140mm b、模数、传动比及中心距确定: (数据和公式来源: 《机械原理》第十章齿轮机构及其设计表10-1、10-2)按经验公式,m=(0.016~0.0315)a=(0.016︿0.0315)×140=2.24~4.41 根据《机械原理》第十章表10-1中取第一系列模数m=3mm。 齿轮9、11的传动比i=u1=z11/z9=4 则由中心距公式a=(z11+z9)m/2,得齿数z9=18.67,z11=74.67 经取整后取z9=18,z11=72 则实际标准安装中心距为a=(z9+z11)m/2=135mm 可得标准直齿圆柱齿轮8、9的参数结果如下 模数: m9=m11=3mm。 啮合角: α=20° 齿顶高: ha9=ha11=ha*m=3mm 齿根高: hf9=hf11=(ha*+c*)m=3.75mm 齿顶圆直径: da9=(z9+2ha*)m=60mm,da11=222mm 齿根圆直径: df9=(z9-2ha*-2c*)m=46.5mm,df11=208.5mm 基圆直径: db9=d9cosα=50.74mm,db9=202.97mm 齿距: p=πm=9.42mm 基圆齿距: pb=pcosα=8.85mm 齿厚: s=πm/2=4.71mm 齿槽宽: e=πm/2=4.71mm 标准中心距: a=m(z11+z9)/2=135mm r9=mz9/2=27mm r11=mz11/2=108mm ra9=r9+ha*m=30mm ra11=r11+ha*m=111mm αa9=arccos(r9cosα/ra9)=arccos(27cos20°/30)=32.25° αa11=arccos(r11cosα/ra11)=arccos(108cos20°/111)=23.89° 故两齿轮的重合度: ξα=[z9(tanαa9-tanα)+z11(tanαa11-tanα)]/2π =[18(tan32.25°-tan20°)+72(tan23.89°-tan20°)]/2π =1.67>1 故所选齿轮满足要求。 5.6对刀长的设计 由已知条件糕点切片长度(亦即切片高)范围: 5~80mm及切刀切片时最大作 用距离(亦即切片宽度方向): 300mm得知: 根据运动循环图作得刀切割的示意图,得输送带与锥齿轮8之间的距离为92mm>80mm,不至蛋糕与锥齿轮8发生干涉,由于刀是做圆周运动,通过CAD作图可以得到: 刀长L≥156.77mm,糕点的最大宽度为300mm,刀切割过的角度为135°。 故拟定刀的长度L=160mm>156.77mm,满足使用条件。 5.7对槽轮机构的设计和计算 图5.4槽轮机构结构和尺寸 图5.5切刀结构和尺寸 由机械传动系统图4.1所示,我们根据前面的齿轮设计得到槽轮的相关数据: 槽数: Z=4 根据图4.1及各构件尺寸得槽轮中心距,并将摩擦轮尺寸考虑进去得: L>18+40+100+92-135=115mm取L=130mm 从动轮运动角: 2β=360°/Z=90° 主动轮运动角: 2α=360°-2β=90° 从动轮轴心到槽口长度: O2A=Lcosβ=91.92mm 主动曲柄长度: R1=O1A=Lsinβ=91.92mm 滚子半径: r3≈R1/6=91.92/6=15.32mm,取15mm 锁止弧半径: RH≤O1A-r3-h=91.92-15-(0.6~0.8)×15 =64.92mm~67.92mm,取65mm 主动轮上锁止弧所占角度,以O1A为起始线两边各α角中无锁止弧。 槽轮上槽口至槽底深: LS=O2A-(L-O1A)+r3+△ =91.92-(130-91.92)+15+△ =(68.84+△)mm式中△是预留的间隙。 周期: T=3s 从动轮运动时间: td=α×T/π=(1/2-1/Z)T=T/4=0.75s 从动轮停歇时间: tj=T-td=2.25s 总结 在设计过程中,遇到了很多问题,比如传动机构、执行机构的知识,而我所学也只不过是沧海一粟罢了,需要老师的指导和自己在图书馆或是网上查阅资料。 在设计过程中一些必要的公式和内容,更是无从下手,其中的一些内容不只是靠书本的知识就可以掌握完成的,我在设计的时候往往只注意到局部的设计而没有全面的考虑整体的设计。 在本次机械设计过程之中,对于机构整体的设计花费了很多精力,让我修改了很多遍。 如在进行传动机构设计中,我查找了很多资料,每一步设计都是要进行分析,而且都是相互联系的。 在设计中,自知自己的专业知识不够硬,没能够把切糕机的模型图完整的画出来,这是设计中最不足的地方。 本次课题主要是切糕机设计。 利用了圆周运动与直线往复运动的结合,并对其作了进一步改进。 本次设计的切糕机样式美观、大方。 另本次设计的切糕机可以使得切刀和糕点的相互运动更能够完美的相互配合,使切糕机应用得更加的广泛和和灵活。 切糕机可以加工一切(包括软硬)的各种糕点,大大提高了产品的生产效率,从而提高了生产力水平。 降低了由前几代切糕机所生产出来的废品率,从而节约了资源,也节约了人力,物力,为社会创造了更多的财富。 一台切糕机机器是由若干个零部件组成的,并按一定的形式把它们组装起来,本次设计的切糕机里面涉及到许许多多的零部件,它们有电动机,主轴,皮带轮,齿轮机构,齿轮齿条机构,轴承,直齿圆柱齿轮,机架的整体设计等。 任何一台机器或一个零部件都是由若干零件按一定的装配关系和设计、使用要求装配而成的。 切糕机的零部件设计出来还是没有用的,我学机械的,设计的是装配零件整体,在设计的时候,还要考虑好怎样去把这些已经设计好的零部件,一件一件的把它们按照已经设计,规划好的次序把它们组装起来。 所以在画装配图时候,要把它们组装起来成为一个机器的整体,画装配图组装零件,首先考虑这个零部件装在哪里,确定好位置之后再考虑怎么装。 在组装零部件的时候,考虑到几种联接,第一就是螺纹联接,第二是键连接,键连接又分为平键联接和花键联接,我设计的时候大多用的是平键连接,在设计轴承的时候大多用的是带轴瓦的带座轴承,因为它的结构简单,组装方便,而且很牢固,因为带座轴承固定时候,只要用螺栓螺母拧紧锁死就可以了。 当然还可以选用焊接,但我个人认为选用焊接不可靠,不牢固。 参考文献 [1]吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京: 高等教育出版社,2003. [2]成大先.机械设计手册——机械传动[M].化学工业出版社,2003. [3]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理[M].7版.北京: 高等教育出版社,2013. [4]郭继展.C语言程序设计[M].北京: 机械工业出版社,2010. [5]刘伯海,张宗彩,张伟.AutoCAD教程[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2013. [6]孟宪源,姜琪.机构构型与应用[M].北京: 机械工业出版社.2009.
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