I摘要本設(shè)計一種小型菠蘿削皮機(jī)，由電動機(jī)為動力源，采用正-停-反控制電路以實現(xiàn)菠蘿削皮。本機(jī)器使用齒輪減速機(jī)構(gòu)，絲杠和刀具等切削部件，同時設(shè)計了一個方便上料的卡盤作為菠蘿夾具，而且該卡盤可以有一定的退讓效果，能使刀具繞過難以切削的部分。本設(shè)計計算、校核了軸的各項數(shù)據(jù)，計算了齒輪的各項參數(shù)，設(shè)計了控制電路，繪制出了整機(jī)的裝配圖。本設(shè)計目的為：在“一果一上料” 間歇工作前提下，實現(xiàn)菠蘿削皮的機(jī)械化，代替小批量加工者手動勞動，操作簡便，實用性強(qiáng)，可以很好的提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：菠蘿削皮;齒輪傳動;絲杠;電氣控制;間歇工作IIAbstractThis is the design of a small pineapple peeling machine, the main source of power comes from the motor. It uses a run and stop relay circuit to efficiently peel pineapples. The machine works by using cutting tools that are powered by the gears to swiftly peel pineapples. The machine is also designed to have a mechanism that feeds in chunks of pineapple to make the process work adequately.The cutting tool can also provide more advanced maneuvers that could make harder cuts easily accessible. The pineapple peeling machine works by calculating the data of pineapple. It uses smart camera technology to calculate the pineapple’s size, shape, and the axis of how the pineapples are being placed in. That’s not all about this machine, this machine can be used on many types of fruits. The design of this machine is to help by greatly lowering the need of manual labor. This machine is easy to operate, it would also be very cost efficient, and would greatly improve production efficiency.Key words: Pineapple peeling; gear drive; screw; electrical control; intermittent workIII目 錄1 引言 12.菠蘿削皮機(jī)的研究現(xiàn)狀 .22.1 手動去皮 22.2 機(jī)械加工去皮 33.菠蘿去皮機(jī)的設(shè)計與校核 .63.1 菠蘿的各項數(shù)據(jù) 63.2 菠蘿削皮機(jī)的方案確定 63.3 刀具設(shè)計 73.4 計算與校核 73.4.1 螺旋副 73.4.2 傳動系統(tǒng) 123.4.3 電動機(jī)功率計算和電機(jī)選擇 143.4.4 齒輪設(shè)計校核 143.4.5 聯(lián)軸器的選用 213.4.6 軸的設(shè)計計算 223.4.7 軸承的校核 284. 電氣控制原理闡述和電氣原理圖 .30結(jié)論 31總結(jié) 32致謝 33參考資料 3411 引言菠蘿在生活中為人們所喜愛，不僅因為它外形獨特味道甜美，更因為它富含A、B、 C 等多種維生素，還有鈣、磷、菠蘿酶等多種對人體有益的成分。中醫(yī)認(rèn)為，菠蘿可以健胃、去熱、解暑、加快酒精代謝。而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也證明了適量食用菠蘿對高血壓、腎炎患者有益。菠蘿有這么多的優(yōu)點，卻需要削皮食用或加工，而菠蘿的外皮構(gòu)成比較復(fù)雜，除了硬質(zhì)表皮包裹，在表面還均勻分布有深深的果眼，在日常生活中，人們已經(jīng)習(xí)慣手動削皮，一般在削皮過程中，需要用特制的 V 型刀具沿著果眼的分布螺旋線來運動以去除果眼，或者先用削皮刀削去果皮，再用特制刀具去除果眼，而隨著人們生活水平的提高，這種低效率的加工方式已經(jīng)逐漸不被接納。大型加工廠如罐頭廠果脯廠有專用的菠蘿加工流水線，占地面積大設(shè)備造價高昂，不適合小批量加工者使用，但手動去皮也很難滿足飯店、酒店、零售商快速去皮的加工需要。因此，設(shè)計一臺能快速安全削皮且方便搬運的小型菠蘿削皮機(jī)，對市場而言，意義重大。22.菠蘿削皮機(jī)的研究現(xiàn)狀近年來，我國菠蘿種植和加工業(yè)都取得顯著成果，物流運輸?shù)陌l(fā)展，也為菠蘿的運輸銷售保駕護(hù)航，更有優(yōu)良產(chǎn)品早已遠(yuǎn)銷海外，然而菠蘿加工過程中使用的機(jī)器研究進(jìn)展卻無法與連年增長的菠蘿產(chǎn)量與加工量相匹配，以下將列舉日常生活中經(jīng)常采用的菠蘿加工方式。2.1 手動去皮手工去皮主要是利用各種去皮刀來進(jìn)行加工，圖 2.1 中的 V 型刀使用時是沿著菠蘿果眼分布的螺旋線走刀，挖出一道溝槽，將果眼和連帶的果肉一起挖掉，可以一次性去除果皮和毛眼但是加工用時長、效率低，稍不注意就會劃傷手，安全性很差。圖 2.2 中的刀具是用來去除果眼的，使用時，使用者只需將刀具尖端插入菠蘿果眼位置，捏緊向外拉即可將果眼去除，缺點是需要逐個動作，每次只能去除一個果眼。圖 2.3 中為水果削皮刀，不僅僅用于菠蘿削皮，還可以用于其他薄皮水果的削皮，該刀具無法單一使用，一般都要配合 2.1 和 2.2 中的 V 型刀或者去果眼刀。圖 2.4 中快速去皮刀使用時只需將菠蘿頂端削平，再將削皮刀按照逆時針方向旋入菠蘿，待切削到恰當(dāng)?shù)臅r候向外拉就能將切削好的果肉帶出，這種加工方式對菠蘿果肉的切削并不充分，浪費很大。除此之外，還有很多手動加工單個菠蘿的方式和工具，都擺脫不了安全性不高、原料利用率不高、效率低、衛(wèi)生條件差的缺陷。圖 2.1 V 型去皮刀及去皮后菠蘿3圖 2.2 菠蘿去釘?shù)? 圖 2.3 水果削皮刀圖 2.4 旋轉(zhuǎn)快速去皮刀及去皮后菠蘿 2.2 機(jī)械加工去皮由于手工加工方式耗時長、浪費人力、衛(wèi)生條件差，現(xiàn)有市場又發(fā)展快速，對加工的效率和可靠性要求都越來越高，而且在城市生活中，年輕的父母們都很想從繁重的家務(wù)中解脫出來，所以各種去皮機(jī)應(yīng)運而生，以下將列舉市場上已有的機(jī)械設(shè)備，并闡述加工方式。圖 2.5 中電動菠蘿去皮機(jī)，一果一上料，人工上料取料，加工速度在 15s/個，加工時，工人手動將待加工產(chǎn)品橫向放置在機(jī)器中部的空間中，開動機(jī)器后，機(jī)器自動夾緊原料，刀具貼近原料進(jìn)行切削，該機(jī)器還兼具通芯功能，然而設(shè)備較大，不宜安放，不適合小型加工者采用，并且小型加工場景中常用的加工速度要求為100 個/小時，如果采用本機(jī)器，那么多余的生產(chǎn)力將浪費，不符合改善生產(chǎn)力、提高生產(chǎn)效率的設(shè)計目標(biāo)。4圖 2.6 中全自動菠蘿去皮通芯生產(chǎn)線，只需管理者在上料口上料，機(jī)器會有傳送帶自動運輸原料至加工位置，加工位置有 4 或 5 個旋轉(zhuǎn)工位，可以實現(xiàn)不間斷加工，處理能力為 80 個/分鐘，加工效率極高，除了去皮通芯，還兼具碎皮、清洗等功能，這種全自動菠蘿生產(chǎn)線，機(jī)器龐大，占地面積大，耗能高，適合大加工廠使用，對小批量加工者來說造價昂貴且不利于安放，故不采用此方案。圖 2.7 中小型立式菠蘿削皮機(jī)，加工者只需將原料立式放置在加工的爪盤上，開動機(jī)器后機(jī)器自動壓緊原料，刀具運動至原料附近進(jìn)行切削，切削完畢需要人工下料，該設(shè)備便于搬運，耗能小，加工效率基本滿足小批量加工的要求，但是可改進(jìn)空間也很大，可以使機(jī)器更小更方便，本設(shè)計課題也從這方面著手，設(shè)計一臺方便加工、挪運的小型菠蘿削皮機(jī)。圖 2.5 電動菠蘿去皮機(jī)5圖 2.6 全自動菠蘿去皮通芯產(chǎn)線圖 2.7 立式電動菠蘿去皮機(jī)63.菠蘿去皮機(jī)的設(shè)計與校核3.1 菠蘿的各項數(shù)據(jù)圖 3.1 菠蘿果眼分布如圖 3.1 所示，菠蘿果眼為螺旋線分布，分布螺旋與水平面夾角范圍為 40°-60°,分布條數(shù)為 7-13 條，每條螺旋線所占圓周的比例為 3/5，而菠蘿的高度 H 與直徑 D的比例關(guān)系一般為 ，菠蘿高度范圍在 160 毫米至 280 毫米之間。??/??=1.53.2 菠蘿削皮機(jī)的方案確定本方案設(shè)計的小型菠蘿去皮機(jī)，以電動機(jī)作為動力源，鏈轉(zhuǎn)動或皮帶傳動、齒輪傳動結(jié)合作為傳動系統(tǒng)，仿行刀具作為切削工具，絲杠和菠蘿裝夾部分通過齒輪傳動作為刀具運動的動力，用多用夾具來固定原料，需要手工上下料。其中仿行刀具后端與絲杠螺母部分相連，以這種方式來實現(xiàn)加工時刀具的上下運動，切削刀具的仿行運動來源于刀具的刀桿，刀桿采用彈性材料，這樣在加工原料時，刀具就會根據(jù)原料的外形自動調(diào)整，減少加工時原材料的浪費。切削時因為螺紋絲杠副上絲杠螺母的運動帶動刀具，只要切削時的速度選用得當(dāng)，去皮刀就會沿著菠蘿上果眼分布的螺旋線來切削，最大限度的利用原料，在兩者運動到上限或下限時，需要按動按鈕使電機(jī)往初始旋轉(zhuǎn)方向的相反方向旋轉(zhuǎn)，以便完整的為菠蘿削皮、去毛眼。原料的裝夾部分，可以設(shè)計一個多用夾具，初步方案是使用一個有插齒的圓形轉(zhuǎn)盤來作為原料加工時的放置位置，且該裝置由兩部分組成，上下部分都帶有插齒，上半部分為可以上下活動的彈性機(jī)構(gòu)，以達(dá)到自動夾緊的目的，并且兩部分都需要在加工時可以旋轉(zhuǎn)。7使用本機(jī)器時，上料過程，需要人工將菠蘿兩端削平，提起菠蘿夾具的上半部分，再插在插齒上，上半部分會在松開時自動壓緊菠蘿，削皮刀具的位置應(yīng)處于最上端或最下端，切削時放置菠蘿的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)運動，帶動與其相連的螺紋絲杠，絲杠轉(zhuǎn)動又帶動（推動）絲杠螺母上下運動，連帶的刀具也會運動，在菠蘿旋轉(zhuǎn)的同時刀具上下運動在菠蘿上留下的軌跡即為一條螺旋線，這種加工方式可以最大程度的減少果肉的浪費。3.3 刀具設(shè)計首先確定菠蘿削皮機(jī)所用削皮刀具的樣式：刀具后端和螺紋絲杠螺母相連，以便于讓螺母運動帶動刀具運動，切削部分與絲杠螺母連接可以使用彈性金屬材料，這樣在進(jìn)行切削時，X 軸方向上的作用力推動刀具左右搖擺，而中段連接部分的彈性材料使刀桿形變維持在一定范圍內(nèi)，這也是刀具等仿行能力的來源。如下圖所示 切 削 刃刀 桿緊 固 旋 鈕圖 3.2 切削刀具3.4 計算與校核3.4.1 螺旋副削皮機(jī)工作時，絲杠螺母在絲杠上運動帶動刀具上下運動，刀具位置在菠蘿一側(cè)，刀具只做上下運動，菠蘿旋轉(zhuǎn)時即可完成切削。因為是小型機(jī)械，對于加工精度并無太大要求，選擇滾珠絲杠代價高昂，沒有必要，因此選擇結(jié)構(gòu)簡單成本低廉加工方便的螺紋絲杠作為切削部分的組成。螺桿的螺紋類型有梯形、矩形、鋸齒形等，在此選用常用的梯形螺紋，梯形螺紋的牙型為等腰梯形，牙型角 30°，其內(nèi)外螺紋以錐面貼近不易松動，與其它牙形相比雖然傳動效率不占優(yōu)勢，但是易于制造，牙根強(qiáng)度很高，工藝性好，比其它類型的螺紋8更耐磨，是一種非常常用的傳動螺紋。1.螺旋傳動材料的選擇螺旋傳動的常用螺桿材料有Q235、Q275、45、50、42Cr、65Mn、T1、18CrMnTi 等，考慮到本機(jī)械工作場景腐蝕性較低，受力不大，轉(zhuǎn)速較低，兼具加工工藝性，故選擇 45 鋼作為螺桿材料。螺母材料常用的有 ZCu10P1、ZCuA19Mn2 等，這兩種材料適用于一般傳動，在此選擇 ZCuA19Mn2 作為螺母材料。45 鋼屈服強(qiáng)度 ，抗拉強(qiáng)度????≥355??????,抗剪強(qiáng)度為 178MPa（ ，單位為 N） ，螺母材料????≥600?????? 剪切力 =178×??22??ZCuA19Mn2 的許用壓強(qiáng) 。??=15??????2.螺桿相關(guān)的計算刀具的切削寬度為 10 ，意為菠蘿轉(zhuǎn)過一周，刀具的移動距離應(yīng)為 10 ，???? ????而螺桿旋轉(zhuǎn)一圈刀具移動一個螺距的距離。根據(jù)耐磨性計算數(shù)據(jù)初步確定螺紋中徑， 的值查機(jī)械設(shè)計手冊表 12-1-4 得剖??分式螺母的取值范圍為 2.5~3.5，故在此取 ，故螺母所受力 F=刀具重量和螺??=2.5母重量之和=40N，由公式（3·1）??2≥0.8????[??]代入數(shù)值可得??2≥0.8????[??]=0.8 402.5×15≈2.6????按照螺桿抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)選擇螺紋內(nèi)徑。根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，其強(qiáng)度條件為（3·2）??????=??2+3??2=1????2+3(4????1)2≤[??]因為對于中尺寸或小尺寸的螺桿，可認(rèn)為 ，故??≈0.5??（3·3）??????=??2+3(4????1)2=1.3??=1.3????≤[??]=??????由上文計算數(shù)據(jù)所示（3·4）??=????214????----------------------螺紋中徑??2---------------------復(fù)合應(yīng)力，包含拉伸和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力??????------------------------常數(shù)值??F ----------------------作用于絲杠上的力A ----------------------螺紋段危險截面積S ---------------------- 螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)傳力螺旋 ，傳導(dǎo)螺旋 ，調(diào)整螺旋(精密或水平螺桿) ，??=3.5~5.0 ??=2.5~4.0 ??49所以在此取值 ，所以螺桿螺紋小徑：??=5（3·5）??2≥4×1.3?????????? = 4×1.3×5×4003.14×300≈3.32????3.絲杠各項數(shù)據(jù)的確定綜上所述，比較兩種計算結(jié)果，本課題應(yīng)以抗壓強(qiáng)度所計算的結(jié)果為準(zhǔn)選擇大、中、小徑，查機(jī)械設(shè)計手冊 5-22 頁 GB/T5796.3-2005 選擇，螺紋小徑 ，??3=20.5????螺紋中徑 ，螺紋大徑 ，螺紋公稱直徑 ，螺紋線??2=23.5???? ??4=26.5???? ??=26????數(shù) ，螺距 。??=1 ??=5????4.校核該螺旋副自鎖能力 FFa FaNFR|?v'|Dd2S圖 3.3 螺旋副受力示意圖如圖 3.4 所示，傳力螺旋需要確保自鎖性，以避免事故發(fā)生。在此我選擇的螺桿材料為 45 鋼，螺母材料為青銅，由機(jī)械設(shè)計手冊表 12-1-7 得兩者的摩擦系數(shù)，此處選取 。??=0.08~0.10 ??=0.09且梯形螺紋的牙型角為，??=30°??=??2=15°螺桿自鎖條件： ??3承是，當(dāng)只有徑向約束是，是鉸支；當(dāng)徑向和軸向都有約束時，是固定端。螺桿危險面慣性半徑（3·11）??=??14=5.625????螺桿兩端固定，根據(jù)表 3.4 可得 ??=0.5??1=4.730螺桿柔度：因為螺桿材料為 45 鋼，由表 3.5 可得， ，??=461????????=0.2568????????=??1??=102.85因 ??≥??1所以采用歐拉公式求實際穩(wěn)定性系數(shù) ：????（3·12）????=??3????4364(??1)2=1927????????=??????=19270.5=3854??=3.5~5.0滿足穩(wěn)定性要求。12因為螺桿的一端要連接齒輪，另一端要連接軸承，為便于選擇零件和加工，螺桿和齒輪連接段加工成 。查機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)表 14-1 選擇齒輪連接端的鍵為?=20????A 型鍵 。??×?=6×6表 3.5 材料直線公式系數(shù) [11]a b材料（ 、 的單???? ????位為 N/cm2）????????2 ??1 ??2Q235????≥37200????=2350030400 112 105 61優(yōu)質(zhì)碳鋼????≥47100 ????=3060046100 256.8 100 60硅鋼????≥51000 ????=3530057800 374.4 100 60鉻鉬鋼 98070 529.6 ≥55鑄鐵 33220 145.4硬鋁 37300 215 ≥50松木 3870 19 ≥593.4.2 傳動系統(tǒng)作為小型機(jī)械，可選的傳動方式很多，比如齒輪傳動帶傳動鏈傳動等，為了保證傳動平穩(wěn)，本人決定以齒輪傳動作為傳動系統(tǒng)的主要組成，齒輪傳動的傳動速度和功率可調(diào)節(jié)性大，傳動平穩(wěn)且效率高，和螺旋副組成刀具傳動的部分非常合適，裝配和更換零件都極為方便，所需空間比帶傳動、鏈傳動少，平穩(wěn)性也比其它傳動方式好，能夠在削皮機(jī)的制造、使用、維修過程中發(fā)揮重要作用。因為菠蘿最高為 280 ，為了保證課題要求的 100 個/ 小時的切削速度，單個????菠蘿的切削時長不能超過 36s，則絲杠螺母的運動速度為： 280????36?? =7.78????/??取整數(shù)值運動速度為 ，螺距 ，所以在切削時，螺桿的轉(zhuǎn)速為8????/????=5????，因為刀具的切削部分寬度為 ，那么刀具每運動 ，菠蘿至少96??/?????? 10???? 10????要旋轉(zhuǎn)一圈，所以可以算出菠蘿裝夾部分旋轉(zhuǎn)一周的時間不得多于 ，10÷8=1.25??即轉(zhuǎn)速至少為 。在此我選擇角接觸球軸承作為菠蘿夾具的所用軸承，因為48??/??????該處轉(zhuǎn)速低，角接觸球軸承也可以少量承受軸向力，并且摩擦阻力小、轉(zhuǎn)動效率高、成本低。螺桿和菠蘿裝夾部分的傳動比：??=9648=2此處傳動比數(shù)據(jù)意為，按照菠蘿果眼分布的螺旋線切削果眼，絲杠轉(zhuǎn)速和原料13裝夾處的轉(zhuǎn)速比為 2。該機(jī)械運行時，菠蘿夾具的旋轉(zhuǎn)軸會有較大的運行靜阻力，這個運行阻力可以近似的等于摩擦的總阻力。運行靜阻力 Pm[11]。（3·13）????=2????0(??+??2)????---------------- 菠蘿+旋轉(zhuǎn)軸重量前文計算得出為 400N??0K----------------- 滾動摩擦系數(shù)， ??=0.04----------------- 軸承摩擦系數(shù)?? ??=0.02------------------附加阻力系數(shù)，?? ??=2????=2×2×400×（ 0.04+0.02×0.022）0.15 =1130??發(fā)動機(jī)和主動軸的動力傳輸采用聯(lián)軸器，減速器和菠蘿裝夾部分、菠蘿裝夾部分和螺桿之間都為齒輪傳動，并且因為傳動需要在一個平面內(nèi)，所以應(yīng)該選擇圓柱形齒輪。傳動原理圖如下： A213圖 3.5 齒輪傳動裝配關(guān)系各傳動部分效率查機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)表 2-4 得：聯(lián)軸器 ??1=0.99開式圓柱齒輪傳動14,此處取 0.95??2=0.94?0.96傳動系統(tǒng)總效率： ??=??1??2=0.99×0.95=0.94053.4.3 電動機(jī)功率計算和電機(jī)選擇求實際輸入總功率 ????（3·14）????=??????1000??????=1130× 11000×0.9405≈1.063????所需的最小電機(jī)功率（3·15）????=??????=1.063????0.9405=1.13????表 3.6 Y 型異步電動機(jī)數(shù)據(jù)摘錄 [11]型號 功率（kW）馬力（hp）電流（A）轉(zhuǎn)速（r/min）效率η（%）功率因數(shù)（cosφ）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)電流額定電流Y90S-6 0.75 1 2.2 910 72.5 0.70 2.0 6.8Y90L-6 1.1 1.5 3.2 910 73.5 0.72 2.0 6.9Y100L-6 1.5 2 4.0 940 77.5 0.74 2.0 5.5Y112M-6 2.2 3 5.6 940 80.5 0.74 2.0 5.5Y132S-6 3 4 7.2 960 83 0.76 2.0 6.0Y132M2-64 5.5 9.4 960 84 0.77 2.0 6.0由表 6 可選擇電機(jī)型號為 Y100L-63.4.4 齒輪設(shè)計校核菠蘿削皮機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)主動軸輸入功率為 ，設(shè)計工作1.5×0.99=1.485????壽命 10 年，每年工作 300 天，每天工作時間 10 小時。已知單級齒輪減速器總傳動比為 8-60。上文已計算得出絲桿轉(zhuǎn)速為 ，原料裝夾處轉(zhuǎn)速為??2=96??/??????。因為所需的減速器為低速級，所以可以采用直齒輪，總傳動比范圍??3=48??/??????較大，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性廣。而 Y100L-6 電動機(jī)轉(zhuǎn)速 。取單級齒輪??=940??/??????減速,原料裝夾處轉(zhuǎn)速/主動軸轉(zhuǎn)速 ，絲杠處轉(zhuǎn)速/ 主動軸轉(zhuǎn)速 。=4 =2可得出如下數(shù)據(jù)：①主動齒輪轉(zhuǎn)速 ??1=940??/??????⒈選擇齒輪傳動類型、精度等級、齒數(shù)和材料，并確定許用應(yīng)力。⑴齒輪傳動類型 使用正常齒制直齒圓柱齒輪傳動，壓力角 。??=20°⑵精度等級確定 該機(jī)械為小型農(nóng)用機(jī)械，查《機(jī)械設(shè)計》表 10-3 可知應(yīng)選擇精度15等級為 8⑶選擇齒數(shù) 初選主動齒輪齒數(shù) ，則可得 ，??1=20 ??2=80??3=40⑷選擇材料 由機(jī)械設(shè)計書表 10-1 選擇各齒輪均用 40Cr 調(diào)質(zhì)后淬火，齒面硬度為48~55??????⑸許用應(yīng)力的確定①查機(jī)械設(shè)計書圖 10-23d 和圖 10-25d 得齒輪彎曲疲勞極限 ，接觸??????????=600??????疲勞極限 。??????????=1100??????②應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由公式（3·16）??1=60??1?????------------------應(yīng)力循環(huán)次數(shù)??1------------------轉(zhuǎn)速??1j-------------------每年工作天數(shù)------------------每天工作時長???代入數(shù)值求得??1=60??1?????=60×940×10×300×10=1.692×109??2=??1??2??1=16×1.692×109=2.82×108③查機(jī)械設(shè)計書圖 10-24 得 , 。??????1=0.91??????2=0.94查圖 10-26 得 , 。??????1=0.92??????2=0.98④彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) SF、接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) SH，取 ， 。????=1.3????=1⑤許用應(yīng)力 計算，由公式[??]（3·17）[????1]=??????1??????????????（3·18）[????1]=??????1??????????????、 -----------許用應(yīng)力[????1] [????1]、 -----------常數(shù)??????1 ??????2SF、 ---------------常數(shù)????代入數(shù)值計算可得：[????1]=??????1?????????????? =0.91×6001.3 ??????=546??????16[????2]=??????2?????????????? =0.94×6001.3 ??????=564??????[????1]=??????1?????????????? =0.92×11001 =1012??????[????2]=??????2?????????????? =0.98×11001 ??????=1078??????1. 按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算⑴計算模數(shù)（3·19）??≥32????1?????????21?????????????[????]------------------齒輪模數(shù)??------------------重合度系數(shù)????------------------齒輪轉(zhuǎn)矩??1-----------------齒寬系數(shù)???------------------齒數(shù)??1-----------------齒形系數(shù)??????-----------------應(yīng)力修正系數(shù)??????⑵確定各數(shù)值①載荷系數(shù)初選 ????=1.3②主動輪轉(zhuǎn)矩 。??1??1=9.55×106??1??1=9.55×106×1.485940???????=1.5087×104???????③齒寬系數(shù) ，該處齒輪為非對稱分布，硬齒面，查機(jī)械設(shè)計手冊表 14-1-69 得??????=0.5④彎曲疲勞強(qiáng)度重合度系數(shù) ????（3·20）????=0.25+0.75????（3·21）????=12??[??1（ ??????∝??1?????????， ） +??2（ ??????????2?????????， ） ]計算齒頂圓壓力角，由公式17（3·22）????=????????????????????????????+2??????代入數(shù)值：????1=????????????????1????????????1+2??????=????????????20×??????20°20+2 =31.325°????2=????????????????2????????????2+2??????=????????????120×??????20°120+2 =22.438°????3=????????????????3????????????3+2??????=????????????60×??????20°60+2 =24.580°嚙合角 ??,=??=20°重合度系數(shù)，由公式（3·23）????1=12??[??1(??????????1?????????,)+??2(??????????2?????????,)]代入數(shù)值計算可得：????1=12??[??1(??????????1?????????,)+??2(??????????2?????????,)]=12??[20(??????31.325°???????20°)+80(??????22.438°???????20°)]=1.7141????2=12??[??1(??????????1?????????,)+??3(??????????3?????????,)]=12??[20(??????31.325°???????20°)+40(??????24.580°???????20°)]=1.6710重合度系數(shù)????1=0.25+0.75????1=0.25+0.751.7141=0.6875????2=0.25+0.75????2=0.25+0.751.6710=0.6988⑤齒形系數(shù) 、應(yīng)力修正系數(shù) 。查機(jī)械設(shè)計書圖 10-17 得 ，??????1 ?????? ??????1=2.65， ；查圖 10-18 得 ， ， 。??????2=2.18??????3=2.22 ??????1=1.55??????2=1.78??????3=1.75??????1??????1[????1] =2.65×1.55546 =0.00752??????2??????2[????2] =2.18×1.78564 =0.00688可知主動齒輪和螺桿處齒輪相比，數(shù)值較大，彎曲疲勞強(qiáng)度低，應(yīng)代入計算；而主動齒輪和絲杠處齒輪相比數(shù)值較小，所以也應(yīng)將絲杠處齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度代入計算。18⑶初算模數(shù)????≥32??????1????1?????21 ???????1??????1[????1] =32×1.3×1.5087×104×0.68750.5×202 ×0.00752=1.0046????⑷修正模數(shù)，計算載荷系數(shù)所需的數(shù)據(jù)。①根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算主動齒輪分度圓直徑 ??1??=??????1=1.0046×20=20.092????②圓周速度 υ??= ????1????160×1000=??×20.092×94060×1000??/??=0.9889??/??⑸計算載荷系數(shù)。①查機(jī)械設(shè)計書表 10-4 得使用系數(shù) 。????=1②由圖 10-11 可得，速度 0.9889m/s，8 級精度，動載系數(shù) 。????=1.06③由公式（3·24）??????????=2??????1?????2??1-----------------使用系數(shù)????b------------------齒寬-----------------分度圓上的圓周力????計算可得 ?????????? =2??????1?????2??1=2×1×1.5087×1040.5×20.0922 ??/????=149.49??/????100??/????可查機(jī)械設(shè)計書表 10-5 得，8 級精度，直齒輪齒面硬化應(yīng)選齒間載荷分配系數(shù)。????=1.2④由公式（3·25）????1??計算可得： ????1??=???=0.5齒輪非對稱布置，硬齒面，軸的剛度較小，由圖 10-14b 可得齒向載荷分布系數(shù)。????=1.0319計算載荷系數(shù)公式（3·26）??=????????????????代入數(shù)值計算： ??=????????????????=1×1.06×1.2×1.03=1.310--------------------載荷系數(shù)??-------------------使用系數(shù)????-------------------動載系數(shù)????-------------------齒間載荷分配系數(shù)????-------------------齒向載荷分配系數(shù)????⑹按照實際載荷系數(shù)修正模數(shù)。按照公式（3·27）??=????3??????代入數(shù)值求得??=????3??????=1.004631.311.3????=1.0072????查機(jī)械設(shè)計手冊表 14-1-5 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) ??=2????⑺小齒輪分度圓直徑。 ??1=????1=2×20=40????4．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算⑴計算式（3·28）??1≥32????1??????+1??(????????????[????])2------------------分度圓直徑??1-------------------常數(shù)??------------------節(jié)點區(qū)域系數(shù)????------------------彈性影響系數(shù)????------------------接觸疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)????⑵確定各值 數(shù)據(jù)同前所述，齒寬系數(shù) 。??1 ???=0.5①計算載荷系數(shù) K。查機(jī)械設(shè)計書表 10-4 得使用系數(shù) ????=1②速度??= ????1????160×1000=??×40×94060×1000??/??=1.969??/??208 級精度，查機(jī)械設(shè)計書圖 10-11 可得動載系數(shù) ????=1.13③由 ?????????? =2??????1?????2??1=2×1×1.5087×1040.5×402 ??/????=37.7175??/????100??/????可查機(jī)械設(shè)計書表 10-5 得，8 級精度，直齒輪齒面硬化應(yīng)選齒間載荷分配系數(shù)。????=1.2④ ????1??=???=0.5齒輪非對稱布置，硬齒面，軸的剛度較小，由圖 10-14b 可得齒向載荷分布系數(shù)。????=1.03計算載荷系數(shù)： ??=????????????????=1×1.13×1.2×1.03=1.3967⑶材料的彈性影響系數(shù) 。查機(jī)械設(shè)計書表 10-6 得 。???? ????=189.8??????⑷節(jié)點區(qū)域系數(shù) 。由圖 10-20 得 。.???? ????=2.5⑸齒面接觸疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù) 。由公式????（3·29）????=4?????3代入數(shù)值可得：????= 4?????3 = 4?1.71413 =0.8729⑹許用應(yīng)力 [????]=??????{[????1]， [????2]}=1012??????⑺主動齒輪分度圓直徑??1≥32????1??????+1?? (????????????[????] )2=32×1.3967×1.5087×1040.5 ×3.1905+13.1905(2.5×189.8×0.87291012 )2=26.46????5.確定齒數(shù)既滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的模數(shù) ，同時又滿足接觸疲勞強(qiáng)度的主動齒輪分度??=2????圓直徑 ，可確定主動齒輪齒數(shù)??1=26.46??????1=??1??=26.462 =13.23取 ， ，??1=24??2=????1=4×24=96??3=2×24=48216.計算傳動比誤差???1=|4?9624|4 ×100%=03%???2=|2?4824|2 ×100%=03%7.計算幾何尺寸⑴分度圓直徑 ，因為 48 大于接觸疲勞強(qiáng)度計??1=????1=2×24????=48???? ????算出的 26.46mm，故滿足接觸疲勞強(qiáng)度。 ??2=????2=2×96????=192??????3=????3=2×48????=96????⑵齒寬 ??=?????1=0.5×48????=24????取 ， ，取??2=??3=25??????1=??2+(5~10)????=29~34??????1=30????齒數(shù)大于初選值，齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)的乘積 減小、重合度增大其系?????????????數(shù) 減小、齒寬圓整后實際齒寬系數(shù)增大，這些因素均有利于傳動，關(guān)于分度????(????)圓致敬增大引起圓周速度增大對動載系數(shù) 的影響很小，可以忽略不計。故無需修????正計算。⑶中心距 ??1=??2(??1+??2)=22(24+96)????=120??????2=??2(??1+??3)=22(24+48)????=72????根據(jù)中心距確定的方案，優(yōu)先選用 0、5 作為個位數(shù)，或就近選擇 2、4、6、8，此處兩組中心距數(shù)據(jù)均符合要求，無需通過變位加工或改變齒數(shù)等方式實現(xiàn)湊配中心距。8.計算圓周速度??= ????1????160×1000=??×48×94060×1000??/??=2.3625??/??參照機(jī)械設(shè)計書表 10-2 可得直齒圓柱齒輪圓周速度≤6 /s 選用 8 級精度是合適的。??9.變位齒輪設(shè)計⑴變位系數(shù)此處兩組中心距數(shù)據(jù)均符合要求，無需通過齒輪變位或改變齒數(shù)等方式實現(xiàn)湊配中心距。所以變位系數(shù) ??1=??2=0⑵計算幾何尺寸22①齒頂圓直徑由公式（3·30）????=????1+2(????+??1????)??-------------------齒頂圓直徑????-------------------齒頂高系數(shù)????-------------------變位系數(shù)??1-------------------降低齒頂高系數(shù)???代入數(shù)據(jù)可得：????1=????1+2(????+??1????)??=2×[24+2×(1+0?0)]????=52????????2=????2+2(????+??2????)??=2×[96+2×(1+0?0)]????=196????????3=????3+2(????+??3????)??=2×[48+2×(1+0?0)]????=100????②齒根圓直徑由公式（3·31）????1=????1?2(????+??????1)??---------------------齒根圓直徑????---------------------頂隙系數(shù)???代入數(shù)據(jù)可得：????1=????1?2(????+??????1)??=2×[24?2×(1+0.25?0)]????=43????????2=????2?2(????+??????2)??=2×[96?2×(1+0.25?0)]????=187????????3=????3?2(????+??????3)??=2×[48?2×(1+0.25?0)]????=91????因為沒用使用齒輪變位的方式湊配中心距，也沒有改變嚙合參數(shù)、幾何尺寸等，因此不需要重新校核齒輪強(qiáng)度。10.齒輪設(shè)計計算結(jié)果采用直齒圓柱齒輪傳動，三個齒輪均選用 40Cr 調(diào)質(zhì)后淬火；精度等級為 8 級；齒數(shù) ， ， ；模數(shù)為 ,壓力角 ；無變位；中心距??1=24??2=96??3=48 ??=2???? ??=20°， ；齒寬 ， 。??1=120??????2=72??????1=30??????2=??3=25????11.結(jié)構(gòu)設(shè)計及制圖由機(jī)械設(shè)計書圖 10-32a 可知， 的適合選用實心式結(jié)構(gòu)，????160????的，適合選用腹板式結(jié)構(gòu)。相關(guān)零件圖請見圖紙《齒輪零件160????????500????圖》 。233.4.5 聯(lián)軸器的選用上文計算得出適用的電機(jī)型號為 Y100L-6，查機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)表 20-2 得 Y100L 型電機(jī)，伸出端長度 E=60,伸出端直徑為 D=28，因為電動機(jī)軸和高速軸轉(zhuǎn)速較高，聯(lián)接兩者的聯(lián)軸器應(yīng)選用具有緩沖吸震作用的彈性聯(lián)軸器，如彈性柱銷聯(lián)軸器或彈性套柱銷聯(lián)軸器，對比兩者可得，彈性柱銷聯(lián)軸器適用于載荷平穩(wěn)、啟動頻繁、對緩沖要求不高的中低速軸系傳動，彈性套柱銷聯(lián)軸器一般用于高速級中小功率軸系傳動，適合經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的場合，菠蘿削皮機(jī)在使用過程中，經(jīng)常會停止上料后再啟動，在一次切削不干凈的情況下，還需反轉(zhuǎn)再次切削，所以適合使用彈性套柱銷聯(lián)軸器。查機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)表 17-2 選用聯(lián)軸器型號為 TL5，公稱扭矩 ，許用轉(zhuǎn)????=125?????速 ，Y 型軸孔，軸孔直徑主動端 ，從動端 ，??=3600??/?????? ????=28???? ??2=25????軸孔長度 。??=62????3.4.6 軸的設(shè)計計算1.軸的材料軸并無特殊要求，因此選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，機(jī)械設(shè)計書表 12-1 可得，軸的表面硬度為 217HBW， 。????=650??????2.初算軸徑按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的最小軸徑。根據(jù)公式 可計算出主動軸輸入功率：??1=????為聯(lián)軸器的效率， 。則 ；輸入軸轉(zhuǎn)速?? ??=0.99??1=1.5????×0.99=1.485??????=940??/??????表 3.7 常用材料的 值和[ ]摘錄 [11]??0 ????軸的材料 Q235/20 Q235、35 45 40Cr、35SiMn[ ]MPa???? 12~20 20~30 30~40 40~52??0 160~135 135~118 118~107 107~98查表可取 45 鋼的 ，所以由公式??0=110(3·32)????????≥??03??1??1------------------最小軸徑????????--------------------常數(shù)??0---------------------軸的輸入功率??1---------------------軸的轉(zhuǎn)速??1代入計算可得24????????≥??03??1??1=11031.485940=12.81????得出此處軸徑最小為 12.81 ，因為已經(jīng)確定電動機(jī)和聯(lián)軸器型號，且已知聯(lián)軸????器從動端孔徑 ，滿足 的條件，所以可以確定安裝聯(lián)軸器處??2=25????????????≥??03??1??1軸徑 。??=25????2. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)需要安裝的零件，以及上文算出的最小軸徑 d，確定各軸段的軸徑和軸長。⑴因為本設(shè)計中菠蘿削皮機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)，在軸的放置位置上，應(yīng)選用豎直放置的方式，因為原定齒輪安裝處軸徑為 38 ，齒根圓直徑 43 ，選用鍵???? ????,??×?=10×8，43??????2=39??????≤2????故應(yīng)采用齒輪軸方案。軸的豎直方向定位，上端軸承只承受很少的徑向載荷，不承受軸向載荷，軸的下端承受軸向載荷和少量徑向載荷，所以選用角接觸球軸承。⑵各軸段直徑 如圖所示，按照機(jī)械設(shè)計書中所述，定位軸肩 、非定位?≥3~5????軸肩 ，以及標(biāo)準(zhǔn)件如鍵、軸承、軸承座、聯(lián)軸器的選取原則，從下至?=1~2????上軸徑由小變大，軸徑最小端為?25 （標(biāo)準(zhǔn)件聯(lián)軸器從動端孔徑）??????33 （聯(lián)軸器上部軸肩）?? 35 （軸承安裝處，孔徑? 35 ）???? ???? ??????43 （軸承座上部軸肩、齒輪齒根圓、角接觸球軸承軸肩）??35 （角接???? ????觸球軸承孔徑?35 ） 。????⑶各軸段長度 ?25 軸段，因為安裝 TL5 型聯(lián)軸器，此聯(lián)軸器 L=62 ，所以取此軸段長度 60???? ????。?????35 軸段，中間隔板厚度 30 ，隔板和聯(lián)軸器從動端端面空隙留 6 ，軸承???? ???? ????安裝處凸臺高度 50 ，取此段長度 86 。???? ?????43mm 齒輪軸段，齒寬 30 ，齒面和上部箱體壁間距取 30 ，和下部軸承端???? ????面間距取 43 ，取此段長度 103 。???? ?????35 軸段，角接觸球軸承安裝段，選用 7207C 型軸承，B=17 ，故此段軸長???? ????19 。????⑷軸上各零件的周向定位 各零件與軸的周向定位，均選用平鍵連接。聯(lián)軸器與軸連接，選用 C 型平鍵，查機(jī)械設(shè)計手冊表 14-1 得 ，長度 。??×?=8×7 ??=50????為兼顧平穩(wěn)傳動和方便安裝等方面的因素，聯(lián)軸器與軸的配合選用 H7/k6。⑸軸的結(jié)構(gòu)工藝性 取軸的軸端倒角為 C2，軸承安裝位置需要磨削加工，因此上端安裝軸承處需要砂輪越程槽。結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖所示。25圖 3.6 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計3. 按照彎扭合成校核軸強(qiáng)度軸的力學(xué)模型如圖 3.4.7-1 所示，集中載荷所用于齒輪中點，因為聯(lián)軸器和軸的連接采用的是鍵連接，鍵承受橫向剪切力，在此處不需考慮，兩個滾動軸承的受力點位置為滾珠處，所以 ， 。??????=53.5??????????=66.5????⑴計算齒輪上的作用力，由公式（3·33）??1=??????1????????------------------分度圓直徑??1-----------------齒輪模數(shù)????------------------齒數(shù)??1-------------------分度圓螺旋角??代入計算可得??1=??????1????????=2×24??????????0° =48??????1=9.55×106??1??1=9.55×106×1.485940???????=1.5087×104???????????1=2??1??1=2×1.5087×10448 ??=628.625??????1=????1????????=628.625??×??????0°=0????1=????1????????????????=628.625×??????20°??????0°=228.799??各處的受力方向見圖 3.4.7-1。⑵求軸的水平支反力 、 ，作水平面彎矩 圖(圖 3.4.7-2)。因為軸豎直放置，???????????? ????沒有壓軸力， ????=0??26??????=????1×???????????1×??12?????×(??????+??????)??????+??????=228.799×66.5?0?053.5+66.5 =135.36????????=????1????????????=228.799?135.36=153.439????????=????×??????=0??????右 =??????×??????=153.439×66.5=123.36×102?????????????左 =??????右 ?????1??12=12336????????0=123.36×102???????⑶求軸的垂直面支反力 、 ，和彎矩 ，作垂直平面彎矩 圖(圖 3.4.7-3)。???????????? ???? ??????????=????153.5135.9=628.625×53.5135.9??=256.723????????=????166.5135.9=628.625×66.5135.9=371.902????????=??????×??????=371.902×66.5=2.5559×104?????????????=??????×??????=256.723×53.5=1.4248×104???????⑷合成彎矩的計算和作合成彎矩 M 圖(圖 3.4.7-4)。????=??????2+??????2= 0+??????2=2.5559×104???????????左 =??????2+??????2= 0+??????2=1.4248×104???????????右 =??????2+??????2= 0+??????2=1.4248×104???????A 處和 C 處直徑一樣，B 處直徑較大，不需要再另選截面計算。⑸計算轉(zhuǎn)矩，作轉(zhuǎn)矩 T 圖(圖 3.4.7-5).??=??1=1.5087×104???????⑹計算當(dāng)量轉(zhuǎn)矩，作當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 圖(圖 3.4.7-6)。因為菠蘿削皮機(jī)切削時有可能因為????一次切削不充分，致使需要二次切削，所以軸會頻繁正反轉(zhuǎn)， 為對稱循環(huán)變應(yīng)力，????取 ，各截面當(dāng)量彎矩為??=1??????= 02+(????)2=1.5087×104?????????????左 =??????右 =????2+(????)2= 1.42482×104+(1.5087×104)2???????=4.3062×104?????????????=????2+(????)2= 2.55592×104+(1.5087×104)2???????27=8.8088×104???????⑺按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度。綜合以上計算，截面 C 當(dāng)量彎矩最大，故截面C 可能為危險截面。查機(jī)械設(shè)計書表 12-1， [???1??]=60????????????=??????????=4.3062×1040.1×433??????=5.416??????[???1??]所以軸的強(qiáng)度足夠。