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世界最新機(jī)械設(shè)計(jì)理念 來源:中國科技期刊 摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的主要思維特點(diǎn)，將產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)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(shí)和智能。這幾種方法的特點(diǎn)及其相互間的有機(jī)聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的努力方向。 關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)方法發(fā)展趨勢(shì) 設(shè)計(jì)文件是將語義設(shè)計(jì)網(wǎng)作為設(shè)計(jì)工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計(jì)網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點(diǎn)和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計(jì)，結(jié)點(diǎn)表示元件化的單元(如設(shè)計(jì)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(diǎn)間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計(jì)過程中的所有活動(dòng)和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計(jì)要求的定義到每一個(gè)結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程由抽象到具體的飛躍。 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)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(jì)的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計(jì)工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會(huì)在這一設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)和零件設(shè)計(jì)、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(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。 2. 將產(chǎn)品看作有機(jī)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(jì)過程劃分成功能需求層次、實(shí)現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)層次。同時(shí)采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)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(jī)械設(shè)計(jì)中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個(gè)基本問題：一是把要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)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(jì)過程看成一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計(jì)中各個(gè)方面的工作和各個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段。 由于每個(gè)設(shè)計(jì)者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點(diǎn)不同，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)方法。 4. 設(shè)計(jì)元素法 用五個(gè)設(shè)計(jì)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(rèn)為一個(gè)產(chǎn)品的五個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)劃分成輔助方法和信息交換兩個(gè)方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號(hào)、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(shí)現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)方法解與信息技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)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(jì)”法 將產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)分成“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”兩個(gè)階段。“構(gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計(jì)”階段的工作則是具體實(shí)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(jì)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(shí)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(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)。方案的“設(shè)計(jì)”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(jì)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(dòng)參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡(jiǎn)圖，把設(shè)計(jì)專家憑直覺設(shè)計(jì)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(shí)的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”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(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)或幾個(gè)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(gè)系統(tǒng)。 本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jì)與組合設(shè)計(jì)相結(jié)合，根據(jù)分級(jí)模塊化原理，將加工中心機(jī)床由大到小分為產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)和元件級(jí)，并利用專家知識(shí)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(jì)為目錄作為選擇變異機(jī)械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計(jì)的解元素進(jìn)行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計(jì)目錄。并在解集設(shè)計(jì)目錄中列出評(píng)論每一個(gè)解的附加信息，非常有利于設(shè)計(jì)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(jì)與制造，以及從用戶對(duì)產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計(jì)→加工→裝配→成品這一并行工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達(dá)國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運(yùn)用文中四種類型設(shè)計(jì)方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計(jì)算機(jī)軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識(shí)，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)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(jì)學(xué)者也已意識(shí)到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應(yīng)當(dāng)采取的措施。 基于產(chǎn)品特征知識(shí)設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識(shí)庫及推理機(jī)，再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知識(shí)和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。 機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推量和決策，完成機(jī)構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實(shí)現(xiàn)這一階段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，必須研究知識(shí)的自動(dòng)獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒論…………………………………………………………………………………………1 1.1 概述:炒栗栗子機(jī)食品機(jī)械的應(yīng)用前景和發(fā)展現(xiàn)狀……………………………………1 1.2 炒栗栗子機(jī)的相關(guān)介紹、研制意義和目標(biāo)、未來的發(fā)展方向…………………………1 2 機(jī)械系統(tǒng)總體方案的擬定………………………………………………………………… 3 2.1動(dòng)力系統(tǒng)的擬定……………………………………………………………………………3 2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的擬定……………………………………………………………………………3 2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的擬定……………………………………………………………………………3 3 工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需求分析及初步設(shè)計(jì)………………………………………………………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(jì)…………………………………………………………………4 3.3 橫、豎蛟龍的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………5 3.4 供栗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………6 3.5 出栗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………6 4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………………………7 4．1 傳動(dòng)比的分配……………………………………………………………………………7 4.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………7 4.3 直齒圓錐齒輪傳動(dòng)副的傳動(dòng)設(shè)計(jì)………………………………………………………9 4.4 鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………11 4.5 出栗機(jī)構(gòu)直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)及校核……………………………………………………12 4.6 豎絞龍直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)及校核………………………………………………………13 5 分流軸及其附件的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………15 5.1 分流軸的設(shè)計(jì)與校核……………………………………………………………………15 5.2 軸承的設(shè)計(jì)與校核………………………………………………………………………20 5.3 鍵聯(lián)接的設(shè)計(jì)與校核……………………………………………………………………25 5.4 花鍵連接的設(shè)計(jì)與校核…………………………………………………………………28 6結(jié)論…………………………………………………………………………………………39 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………30 致 謝…………………………………………………………………………………………31 炒栗栗子機(jī)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 炒栗栗子機(jī)(食品機(jī)械的應(yīng)用前景和發(fā)展現(xiàn)狀 炒栗栗子機(jī)(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(jì)的迅速增長、人民生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，對(duì)食品行業(yè)提出了新的要求。而本人認(rèn)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(gè)矛盾要求的辦法便是實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，通過機(jī)械動(dòng)作可以極大程度的提高食品的生產(chǎn)率；采用環(huán)保的機(jī)械材料和嚴(yán)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(jī)(食品機(jī)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(jī)、包栗子機(jī)、餛沌機(jī)、湯圓機(jī)、月餅機(jī)以及自動(dòng)化程度更高的全自動(dòng)萬能炒栗栗子機(jī)機(jī)。 因東西方飲食文化的差異，目前國外炒栗栗子機(jī)成型類機(jī)械主要為日本所生產(chǎn)，如日產(chǎn)的自動(dòng)萬能炒栗栗子機(jī)機(jī)，其最大生產(chǎn)能力可達(dá)每小時(shí)8000個(gè)，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(shí)現(xiàn)快速更換餡料，內(nèi)置的無級(jí)變速調(diào)控裝置可以實(shí)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(jī)械雖然在自動(dòng)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(jìn)步。以上海滬信飲料食品機(jī)械有限公司生產(chǎn)的水餃機(jī)為例：配備1.1Kw的電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)效率達(dá)每小時(shí)7000個(gè)。已相當(dāng)接近日產(chǎn)餃栗子機(jī)的生產(chǎn)水平。 1.2 炒栗栗子機(jī)的相關(guān)介紹、研制意義和目標(biāo)、未來的發(fā)展方向 1.2.1 炒栗栗子機(jī)的介紹 “炒栗栗子機(jī)”顧名思義是以機(jī)械動(dòng)作代替手工操作來進(jìn)行炒栗栗子的機(jī)械。按照食品機(jī)械的分類應(yīng)屬于食品炒栗栗子機(jī)成型類機(jī)械，其能實(shí)現(xiàn)的功能均為通過機(jī)械動(dòng)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(dāng)前該類機(jī)械中比較成熟的有餃栗子機(jī)、包栗子機(jī)、餛飩機(jī)、湯圓機(jī)。而其他特殊類型的食品炒栗栗子機(jī)成型機(jī)械一般通過借鑒以上四類機(jī)械的某些結(jié)構(gòu)并加以改良設(shè)計(jì)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(jì)的自動(dòng)栗子機(jī)便屬于后者。 1.2.2 炒栗栗子機(jī)的研制意義和目標(biāo)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(dú)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(jī)械動(dòng)作代替人工勞動(dòng)的機(jī)器，那么除了可以節(jié)約大量的時(shí)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(duì)購物之苦，一舉多得。 炒栗栗子機(jī)的初步目標(biāo)確定為能夠?qū)崿F(xiàn)栗子炒栗栗子機(jī)工藝的機(jī)械化。未來可在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和擴(kuò)展，以實(shí)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(dòng)化與多功能化。 2 機(jī)械系統(tǒng)總體方案的擬定 2.1動(dòng)力系統(tǒng)的擬定 動(dòng)力系統(tǒng)可按原動(dòng)機(jī)的類型分為電動(dòng)式、氣動(dòng)式、液壓式等。炒栗栗子機(jī)功率小、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、產(chǎn)品無嚴(yán)格精度要求，因此對(duì)動(dòng)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(xiàng)交流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置。經(jīng)比較國內(nèi)眾多相關(guān)機(jī)械的電機(jī)型號(hào)及結(jié)合本設(shè)計(jì)自身特性，選用2.2Kw三相交流電動(dòng)機(jī)Y112M-6。 2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的擬定 傳動(dòng)系統(tǒng)按傳動(dòng)件的不同可分為帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、等幾大類。炒栗栗子機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)屬于復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)，綜合了鏈、齒輪、蝸輪蝸桿以及槽輪機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的最優(yōu)化。 具體傳動(dòng)系統(tǒng)見下圖。 圖2-1 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的擬定 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括三個(gè)大部分： 其一是實(shí)現(xiàn)餡料輸送的供餡機(jī)構(gòu)。即供栗機(jī)構(gòu)。 其二是實(shí)現(xiàn)輸送的供面機(jī)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(dāng)餡料輸送的通道，即餡管。 其三是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分--成型機(jī)構(gòu)。由兩個(gè)同向運(yùn)動(dòng)的成型盤構(gòu)成。 3 工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需求分析及初步設(shè)計(jì) 3.1栗子模型的建立與分析 根據(jù)家鄉(xiāng)栗子的實(shí)物研究，初步選定: 使用體積測(cè)量功能測(cè)得栗子總體積為，其中空心部分(即餡部分)體積為，實(shí)心部分體積（即部分）。 3.2 生產(chǎn)效率與成型盤的設(shè)計(jì) 因本設(shè)計(jì)為地方特殊食品的生產(chǎn)機(jī)械，故沒有完善的理論計(jì)算方面的支持，因此在參考了國內(nèi)外眾多成型機(jī)械后擬定生產(chǎn)效率為個(gè)每小時(shí)，且由于成型盤每旋轉(zhuǎn)一周可生產(chǎn)栗子一個(gè)，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(shí)速度大約為。因考慮到機(jī)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(jì)計(jì)算 橫、豎蛟龍的作用主要是輸送，即上述三維分析中的實(shí)心部分。 3.3.1 豎絞龍的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知每個(gè)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(rèn)定每個(gè)導(dǎo)程內(nèi)螺旋帶所占體積近似為一個(gè)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(yùn)動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，且該導(dǎo)程內(nèi)的恰好能供成型盤生產(chǎn)一個(gè)栗子，為。則螺旋管的導(dǎo)程可按下式近似計(jì)算: （3-1） 代入數(shù)據(jù)有: 考慮到壓實(shí)體積需要收縮,故將導(dǎo)程圓整為。 3.3.2 橫絞龍的設(shè)計(jì)計(jì)算 初選設(shè)計(jì)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(shí)體積需要收縮，將導(dǎo)程圓整為。 3.4 供栗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 因?yàn)轲W料需要在底部搓制完成時(shí)方可送入，故需要間歇輸送，擬定采用槽輪機(jī)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(jī)構(gòu)為雙滑片偏心泵的結(jié)構(gòu)可確定。 3.5 出栗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 為了避免在搓制成型過程中產(chǎn)生撕裂，應(yīng)當(dāng)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(duì)滑動(dòng)，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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4．1 傳動(dòng)比的分配 4.1.1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定 Y112M-6型電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為。 4.1.2 傳動(dòng)比的總體分配及各軸轉(zhuǎn)速的確定 根據(jù)總體傳動(dòng)系統(tǒng)圖和各執(zhí)行部件所需的轉(zhuǎn)速可確定出各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)比。 最大傳動(dòng)比； 最小傳動(dòng)比； 確定減速器的傳動(dòng)比為； 確定錐齒輪副的傳動(dòng)比為； 確定橫絞龍鏈輪副的傳動(dòng)比為； 確定成型盤鏈輪副的傳動(dòng)比為； 確定面嘴齒輪副的傳動(dòng)比為； 確定豎絞龍齒輪副的傳動(dòng)比為； 確定槽輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為； 列出各個(gè)軸的轉(zhuǎn)速： 電機(jī)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(gè)執(zhí)行部件所需的功率 根據(jù)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求分配其所占的比例： 成型機(jī)構(gòu)40%； 橫絞龍 25%； 豎絞龍 15%； 出栗機(jī)構(gòu) 12%； 供栗機(jī)構(gòu) 8%。 4.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的設(shè)計(jì) 4.2.1 設(shè)計(jì)要求 蝸桿要求右旋；輸入功率；輸入轉(zhuǎn)速；傳動(dòng)比；工作時(shí)單向運(yùn)轉(zhuǎn)；載荷較平穩(wěn)；要求累計(jì)工作時(shí)間不小于；可靠性要求一般；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；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(duì)應(yīng)的蝸輪的齒數(shù)，變位系數(shù)，傳動(dòng)效率,蝸輪使用系數(shù)，蝸輪動(dòng)載系數(shù)，減速器散熱系數(shù)。 蝸桿材料：45鋼淬火，要求達(dá)到齒面硬度45HRC。 蝸輪材料：ZCuSn10P1離心鑄造。 疲勞接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù) 彎曲疲勞強(qiáng)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(jì)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(qiáng)度條件設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿副 根據(jù)設(shè)計(jì)公式有： （4-1） 據(jù)查表數(shù)據(jù)圓整，并查得；；。 計(jì)算可得： 蝸輪分度圓直徑：； 實(shí)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(dāng)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(qiáng)度和熱平衡 根據(jù)彎曲疲勞強(qiáng)度校核條件有： （4-2） 可見齒根彎曲疲勞強(qiáng)度合格。 根據(jù)熱平衡計(jì)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(jì)算 ； ； 。 4.3 直齒圓錐齒輪傳動(dòng)副的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4.3.1 設(shè)計(jì)要求 輸入功率；輸入轉(zhuǎn)速；傳動(dòng)比；工作時(shí)單向運(yùn)轉(zhuǎn)；載荷較平穩(wěn)；要求累計(jì)工作時(shí)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(diǎn)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(dá)到齒面硬度230HBS。 材料系數(shù)；、； 4.3.3 初步計(jì)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(qiáng)度條件設(shè)計(jì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)副 根據(jù)設(shè)計(jì)公式有： （4-4） 圓整后取； 選取模數(shù)：，齒數(shù)：； 錐距：； 齒寬：，圓整后取； 圓整齒寬系數(shù)：。 4.3.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 根據(jù)校核公式有： （4-5） 可見齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。 4.3.6 圓錐齒輪受力計(jì)算 4.4 鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4.4.1 橫絞龍鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求：輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比。 橫絞龍鏈傳動(dòng)采用單排滾栗子鏈結(jié)構(gòu)，查手冊(cè)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(dòng)比可計(jì)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(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求：輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比。 成形機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)亦采用單排滾栗子鏈結(jié)構(gòu)，查手冊(cè)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(dòng)比可計(jì)算得。 鏈速：； 工作拉力：； 選取壓軸力系數(shù)； 軸壓力：。 4.5 出栗機(jī)構(gòu)直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)及校核 4.5.1 設(shè)計(jì)要求 輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)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(jì)算 計(jì)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(jìn)行初步計(jì)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(dá)到230HBS； 節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度條件 校核齒面解除疲勞強(qiáng)度條件： （4-6） 齒面解除疲勞強(qiáng)度合格。 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： （4-7） 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件合格。 4.5.5 受力計(jì)算 4.6 豎絞龍直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)及校核 4.6.1 設(shè)計(jì)要求 輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)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(jì)算 計(jì)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(jìn)行初步計(jì)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(dá)到230HBS； 節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度條件 校核齒面解除疲勞強(qiáng)度條件： （4-8） 齒面解除疲勞強(qiáng)度合格。 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： （4-9） 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件合格。 4.6.5 受力計(jì)算 5分流軸及其附件的設(shè)計(jì)計(jì)算 5.1 分流軸的設(shè)計(jì)與校核 5.1.1 設(shè)計(jì)要求 軸上分布有4個(gè)以鍵聯(lián)接的傳動(dòng)件，位置已固定。軸末端加工成花鍵軸。軸靠三個(gè)軸承支撐固定。軸材料采用45鋼調(diào)質(zhì)。各個(gè)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(jiǎn)圖及扭矩圖 5.1.3 計(jì)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(xiǎn)截面）扭矩大小計(jì)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(qiáng)度，故將軸徑擴(kuò)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(jìn)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(gè)未知數(shù)，而根據(jù)受力平衡可直接列出下列5個(gè)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(diǎn)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(diǎn)至位置1的距離；b代表力或力矩作用點(diǎn)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(jiǎn)化計(jì)算過程，設(shè)各個(gè)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(jì)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(xiǎn)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(qiáng)度合格。 5.2 軸承的設(shè)計(jì)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(gè)軸徑選取具體軸承型號(hào)： 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(dòng)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(dāng)量動(dòng)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(dòng)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(dāng)量動(dòng)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(dòng)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(dāng)量動(dòng)載荷 軸承壽命。 軸承壽命要求合格。 5.3 鍵聯(lián)接的設(shè)計(jì)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(qiáng)；；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(qiáng)度要求均合格。 5.4 花鍵連接的設(shè)計(jì)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(qiáng)。 花鍵強(qiáng)度要求合格。 6 結(jié)論 本設(shè)計(jì)是以家鄉(xiāng)實(shí)情為出發(fā)點(diǎn)，在參考國內(nèi)外各種類似機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成型原理后設(shè)計(jì)而成，其作用為以機(jī)械動(dòng)作替代手工勞動(dòng)來生產(chǎn)栗子。使之成為一能實(shí)現(xiàn)特定功能動(dòng)作的機(jī)械實(shí)體。由于該次設(shè)計(jì)為僅為畢業(yè)設(shè)計(jì)，無論是時(shí)間方面還是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面均有很大的欠缺，設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàn) 1 普通圖書 [1] 朱理,機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2004. 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