糕点切片机机械原理课程设计说明书分析.doc

机械原理课程设计

题目名称
专用钻床液压系统
专业班级
机制（升本）
学生姓名
刘备
学 号
XXXXXXXX
指导教师
诸葛亮

机械与电子工程系

二○一四年 6 月 16 日

机械原理课程设计任务书

1． 设计题目：糕点切片机
2． 工作原理及工艺动作过程
糕点先成型（如长方体、圆柱体等）经切片后再烘干。糕点切片机要求实现两个动作：1糕点的直线间歇移动； 2切刀的往复运动。通过两者的动作配合进行切片。改变直线间歇移动速度或每次间歇的输送距离，以满足糕点的不同切片厚度的需要。
3． 原始数据及设计要求
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。
4. 设计任务
1.按工艺动作顺序和协调要求拟定机构运动循环图。
2.进行间歇运动机构和切口机构的选型，实现上述动作要求。
3.机械运动方案的评定和选择。
4.根据选定的原动机和执行机构的运动参数撰写机械传动方案。
5.画出机械运动方案简图（机械运动示意图）。
6.画出运动循环图。
7.按蚌埠学院格式要求编写设计说明。

一 执行机构的选型与评价

运动循环图

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

切刀的往复运动我们用凸轮—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，采用图示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。
糕点的间歇运动我们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，运动带动糕点的移动，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， 同时该系统整体尺寸较大，工作效率较低，结构不紧凑，调试性较低。

方案Ⅱ：
切刀往复运动：齿轮—曲柄导杆机构
糕点间歇运动：不完全齿轮机构

切刀的往复运动我们采用摆动导杆机构和齿轮机构实现，利用导杆机构使摇杆产生一定角度的摆动，控制导杆机构的尺寸，可使刀的摆角达到一定角度，产生一定的齿轮啮合比，可以在此安装刀具使其来回往复切割。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。
糕点输送的机构我们采用不完全齿轮机构，在非啮合区，糕点静止，切刀开始切割；进入啮合区，输送带带动糕点输送，切刀停止切割。
但此机构中刀的运动具有急回运动特性，为了满足糕点厚度的均匀，我们必须考虑到来改变机构的自由度的数目，结构过于复杂，较难制造和计算。
方案Ⅲ：
切刀往复运动：齿轮机构
糕点间歇运动：槽轮机构

对于此结构我们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。
我们采用槽轮机构来完成糕点的间歇运动，在带动刀的齿轮旋转一周的过程中，拨盘旋转四周，来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。
综合比较三个方案的优劣，方案三为我们所选的最终方案。

二 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；
故我们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。

三 系统流程分析

切刀的旋转运动

糕点的直线间歇运动
糕点停止输送，切刀切割

电动机连续旋转

切割完毕，进入下一循环

四 机构结构简图

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

五 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》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，它具有国际互换性。该电动机一般用途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。

同步转速 1500 r/min,4极
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

Y801-4的尺寸极其安装：（单位mm）
机座号
级数
A
B
C
D
E
F
G
H
K
AB
AC
AD
HD
BB
L
80
4
125
100
50
19
+0.009
40
6
15.5
90
10
165
165
150
170
130
285

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。

5.2 同步带的选择

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》（单行本-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=KaxPd=0.55x1.5KW=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，则同步带相关数据，由《机械设计手册》表12-1-51可得：

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
带高
hs/mm
齿顶厚
st/mm
节顶距
δ/mm
带宽
bs/mm
角半径rγ rα
1.5
4.712
40
2.16
0.9
0.15
1.65
1.5
0.375
20
3、由《机械设计手册》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）<a0<2(d1+d2),即166.95<a0<477,选定中心距为a0=300mm。
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=mbv 2，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=1.8Kg.mm-1.m-1
11、作用在轴上的力Fr=Pd/v=378.44N。
根据上表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。

β

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。
1、参照《机械设计手册 单行本 机械传动》成大先主编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》孙桓、陈作模、葛文杰主编 第七版 高等教育出版社 第十章 齿轮机构及其设计 P180 表10-1、10-2)
由《机械设计手册》（单行本 机械传动）成大先 主编第一章13-12 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*=1，c*=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=arc cos(r3cosα/ra3)=arccos(18cos20°/20)=32.25°
αa4=arc cos(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。（摘自《机械设计手册 单行本 机械传动》成大先 主编 第三章 锥齿轮传动）

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：
ha*=1，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=m(z52+z62)1/2/2=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=[24.74]=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=m(z72+z82)1/2/2=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=1 mm
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=[23.57]=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。
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 单行本 机械传动》成大先主编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》孙桓、陈作模、葛文杰主编 第七版 高等教育出版社 第十章 齿轮机构及其设计 P180 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=arc cos(r9cosα/ra9)=arccos(27cos20°/30)=32.25°
αa11=arc cos(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

由机械系统图，我们根据前面的齿轮设计得到槽轮的相关数据：
槽数：Z=4
根据结构简图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

5.8 采用三种摩擦轮满足三种切片厚度

由条件得：档位1：π×r1/2=10mm，得r1=6.37mm
档位2：π×r2/2=15mm，得r2=9.55mm
档位3：π×r3/2=20mm，得r3=12.74mm
其中r1、r2、r3分别为三个档位的摩擦轮的半径。

六 设计小结

机械原理课程设计是我们机械类专业学生第一次较全面的机械设计训练，是机械原理和机械设计课程重要的综合性与实践性环节。
(1) 通过这次机械原理课程的设计，综合运用了机械原理课程和其他有关先修课程的理论，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展。
(2) 学习机械设计的一般方法，掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的设计原理和过程。
(3) 进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据，进行经验估算和数据处理等。
(4）综合运用了计算机中C语言等相关知识，同时也是自己意识到了我们所存在的不足与缺点，在以后的学习、生活和工作中，我们会积极改正。

参 考 文 献
（1） 《机构构型与应用》 孟宪源 姜琪编著 机械工业出版社
（2） 《机械设计课程设计手册》 吴宗泽 罗圣国主编 高等教育出版社
（3） 《机械设计手册——机械传动》 成大先主编 化学工业出版社
（4） 《机械原理》（第七版）孙桓 陈作模 葛文杰主编 高等教育出版社
（5） 《C语言程序设计》 郭继展编著 机械工业出版社
（6） 《机械原理课程设计手册》
（7） 《AUTOCAD教程》 主编：陈敏 刘晓叙
（8） 《机构构型与应用》 孟宪源 姜琪 编著 机械工业出版社