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第一章.碎紙機的簡介及其發(fā)展歷史
1.1 簡介
碎紙機是由一組旋轉(zhuǎn)的刀刃、紙梳、驅(qū)動馬達和減速齒輪組成的。紙張從相互咬合的刀刃中間送入，被分割成很多的細(xì)小紙片，以達到保密的目的。碎紙機到現(xiàn)在為止經(jīng)歷了六代的發(fā)展歷程，由最初的帶傳動、塑料齒輪、鏈傳動到現(xiàn)在的金屬齒輪傳動、優(yōu)質(zhì)合金齒輪傳動，功能也由最初的只能碎紙到現(xiàn)在的不僅可以碎紙，同時也可以碎光盤、回形針等硬質(zhì)用品，碎紙機作為一種保密設(shè)備，已逐漸成為辦公室內(nèi)不可缺少的一種簡易裝置，這不僅是因為它具有保密功能，更是因為它可以為現(xiàn)代辦公提供一份環(huán)保清潔的保證。
1.1.1 碎紙方式
碎紙機的碎紙方式共有碎狀、粒狀、段狀、沫狀、條狀、絲狀等六種。這可以通過改變碎紙機刀具而得到。一般的辦公室選用粒狀、段狀、條狀、絲狀就可以了，但是對于保密要求比較高的場合則需要選用沫狀的刀具來切碎。目前采用四把刀來組成的碎紙刀具是比較先進的一種碎紙方式，這種刀具碎出的紙屑保密精度非常之高，當(dāng)然也只是適用于政府、軍事、國防等高級保密機構(gòu)。按照本設(shè)計要求，本設(shè)計只需要設(shè)計出可以碎成粒狀的紙屑，因此采用一組旋轉(zhuǎn)的刀具即可實現(xiàn)。
1.1.2 碎紙效果
碎紙效果是指紙張經(jīng)過碎紙機處理后所形成的廢紙的大小，一般是以毫米(mm)為單位的。粒、沫狀效果最佳，碎狀次之，條、段狀相對效果更差些。例如2*2mm保密效果可將A4紙張切成1500多小塊。不同的場合可根據(jù)實際需要選擇不同碎紙效果的碎紙機。如家庭和小型辦公室不牽涉到保密的場合可選用4mm*50mm、4mm*30mm等規(guī)格的就可以了。而要求保密的場合根據(jù)毀滅資料最低標(biāo)準(zhǔn)，電腦印字文件必須碎至3.8mm以下的紙條。對于高度機密的文件，應(yīng)采用可縱橫切割的碎紙機，最好選用達到3mm*3mm及其以下規(guī)格碎紙效果的碎紙機。本設(shè)計要求碎出的紙屑尺寸為2.5mm*9mm，因此屬于一般保密場合。
1.1.3 碎紙能力
碎紙能力是指碎紙機一次能處理的紙張厚度及紙張最大數(shù)目。一般碎紙效果越好則其碎紙能力則相對差些，如某品牌碎紙機上標(biāo)稱碎紙能力為A4，90g，10-15張，就是說明該碎紙機一次能處理切碎厚度為90g的A4幅面的紙10-15張。普通辦公室選用A4，70g，3-4張的就可以滿足日常工作需要，如果是大型辦公室則要根據(jù)需要選擇合適幅面和較快速度的碎紙機?，F(xiàn)有大型碎紙機一般都能達到每次60-70張。本設(shè)計中碎紙能力為每次6張。
1.1.4 碎紙速度
碎紙速度也就是碎紙機的處理能力，一般用每分鐘能處理廢紙的總長度來度量，如3.5m/min，表示每分鐘可處理的紙張在沒有切碎之前的總長度。當(dāng)然也有用厘米表示的，實際上是一樣的，如本設(shè)計中碎紙速度為20mm/s。
1.1.5 碎紙箱的容積
碎紙箱容積是指盛放切碎后廢紙的箱體體積。碎紙機生成的碎片存放于下列容器中的一種：低端的碎紙機一般放置于廢紙簍的上方，這樣切割完的碎片就簡單地放置在廢紙簍里；稍微貴一些的產(chǎn)品則自帶廢紙簍（碎紙箱）。大多數(shù)辦公用碎紙機一般都是封閉的帶輪子的柜子，能夠方便地在辦公室里移動，這種碎紙機就牽涉到了碎紙箱容積的選擇。普通辦公室和家用碎紙機出于實際需要和占地大小考慮可選擇較小容量的碎紙箱，大小在4升到10升之間為宜；中型辦公室以10-30升為最佳，大型辦公室可選用50升以上的碎紙箱。本設(shè)計則是以中型辦公室為準(zhǔn)設(shè)計的，容積為27L。
1.1.6 碎紙箱的散熱問題
碎紙機作為一種小型的辦公室機器，是放置在紙質(zhì)文件和人流量比較大的地方，因此防止發(fā)生火災(zāi)是非常有必要的。而鑒于碎紙機在碎紙量較大時以及在碎紙過程中出現(xiàn)絞死狀況下電機發(fā)熱量會比較大，因此較多的碎紙機都要有散熱裝置。碎紙機內(nèi)部具有碎紙刀及電機，電機一端具有一高速散熱風(fēng)扇，該散熱風(fēng)扇邊框的四角端分別具有一將散熱風(fēng)扇鎖固在電機一端的固定栓，散熱風(fēng)扇通過電線連接在控制機板上。該散熱風(fēng)扇直接對電機進行散熱，具有較高的散熱效率，提供碎紙機能長時間工作的特性，進而加強碎紙機工作效率。
1.1.7 碎紙機的碎紙寬度
碎紙寬度就是碎紙機所要切碎的紙張在沒有進入碎紙機之前的最大寬度，也就是指碎紙機所能容許的紙張的寬度。通常要切碎的紙張要與切口垂直輸入，否則整行文字有可能完整保留，導(dǎo)致資料盡露；另外如果入紙口太細(xì)，紙張便會折在一起，降低每次所碎張數(shù)，且容易引起紙塞，降低工作效率，所以選擇碎紙機時一定要注意碎紙寬度的選擇。但普通辦公室一般只要能進入A4紙（大約190mm），本設(shè)計為220mm，之所以大于190mm，也是為了防止紙張沒有疊放好出現(xiàn)紙張出現(xiàn)阻塞，從而盡量提高工作效率。
1.1.8 其他特性
其他特性指的是碎紙機除了本身應(yīng)具有的功能外，與一般的碎紙機相比不同之處，如采用超級組合刀具，可碎信用卡、書釘；精密電子感應(yīng)進、退紙功能。有些產(chǎn)品還具有超量、超溫、過載、滿紙、廢紙箱開門斷電裝置，機頭提起斷電保護系統(tǒng)，全自動待機、停機、過載退紙以及主要解決防止溫度升高而加在電機一端的風(fēng)扇的具有特殊功能的碎紙機。
1.2 碎紙機的發(fā)展歷史
第一代碎紙機——傳動機構(gòu)大多是皮帶傳動，噪音低，但長時間工作，皮帶出現(xiàn)變形拉升，甚至斷裂現(xiàn)象，皮帶表面齒易磨損，出現(xiàn)機器運轉(zhuǎn)打滑?！ ?
第二代碎紙機——塑膠齒輪傳動，因塑膠齒輪在注塑、縮水等工藝上較難精確掌握，導(dǎo)致齒輪本身的精確度不高，在高速運行下，噪音大；因塑件較脆，韌性差，易出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象?！ ?
第三代碎紙機——金屬鏈輪，靜音運行，低能損耗，高效切割，切割系統(tǒng)各部件的完美協(xié)調(diào)實現(xiàn)令人信服的功能。
第四代碎紙機——碎紙機傳動機構(gòu)為金屬齒輪傳動，金屬齒輪克服了上述缺陷，但金屬齒輪間很難避免撞擊和摩擦聲音，由于金屬機構(gòu)的安裝精度、齒輪嚙合處潤滑條件、長期運行潤滑效果等技術(shù)和維護上的不可控性，高速運轉(zhuǎn)會出現(xiàn)很大的工作噪音?！ ?
第五代碎紙機——金剛密合機芯，采用合金剛材料，金屬刀具的淬火處理，完全數(shù)控機床加工技術(shù)，工藝上保證傳動部分安裝精度，使磨損降低到最低限度，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、降低噪音。質(zhì)量保證；超強全剛?cè)饘冽X輪，特制鋼材輥刀，優(yōu)質(zhì)高強力馬達?！ ?
第六代碎紙機（現(xiàn)代）——目前高科技多媒體系列粉碎機，技術(shù)含量高；可大量碎光盤、軟盤、磁帶、錄象等；帶有保護膜的嵌鈕面板，保證了前進、后退、停止、滿紙停機等功能。在關(guān)懷生活品質(zhì)的現(xiàn)今，我們對于產(chǎn)品的環(huán)保功能、性能安全方面有了更高的要求，因此，儲紙箱分區(qū)，電機過熱保護功能，超負(fù)載自動停機功能、儲紙箱未關(guān)自動斷電等功能被越來越多地運用了進來。
第七代碎紙機（水冷+風(fēng)冷技術(shù)）——2010年，研發(fā)出最新專利制冷技術(shù)（水冷+風(fēng)冷）碎紙機。全新技術(shù)應(yīng)用N倍效能，連續(xù)碎紙40分鐘以上，六大革新技術(shù)：A.冷卻系統(tǒng)——大幅度增加機器連續(xù)工作時間和快速恢復(fù)待機狀態(tài)，減少人員工作時間，提高工作效率。B.超靜音設(shè)計——工作噪音低于55分貝，創(chuàng)造安靜舒適的辦公環(huán)境。C.防堵卡系統(tǒng)——優(yōu)秀的齒輪設(shè)計有防卡紙現(xiàn)象，使用更放心。D.碎紙量控制系統(tǒng)——能耗直觀的呈現(xiàn)，耗能全在掌握中。E.觸控操作——首次采用觸摸技術(shù)應(yīng)用于碎紙機，敢為人先，操控更人性，使用更方便，科技創(chuàng)造時尚。F.風(fēng)冷系統(tǒng)——水冷系統(tǒng)相輔相成，讓機器更快恢復(fù)最佳狀態(tài)。
第二章.本設(shè)計課題的意義以及設(shè)計任務(wù)
2.1 本課題的研究意義
如今信息科技高速發(fā)達，因此數(shù)據(jù)、信息已經(jīng)成為成功與否的關(guān)鍵因素。如果重要的信息數(shù)據(jù)丟失或落入壞人之手，那一項新的發(fā)明很快就變得一文不值，比如：競爭對手在發(fā)明家的紙簍里發(fā)現(xiàn)了相關(guān)信息。信息保護就是在保護你自己的知識產(chǎn)權(quán)，也就是在保護你自己。因此碎紙機的研究對于各種企業(yè)公司的研究成果的保護以及技術(shù)知識的保密都有著非同一般的意義。
當(dāng)前國內(nèi)的碎紙機市場前景還是很廣闊的，已有一直是國內(nèi)幾家知名碎紙機企業(yè)霸占著國內(nèi)碎紙機市場，但價格偏高，主要針對公司用戶。其實在歐美，日本等國家家庭用戶占了很大比例，隨著國人的保密意識日漸增強，中國碎紙機市場也會朝著這樣的發(fā)展方向去做，尤其是面對家庭用戶的中檔碎紙機，有很大的發(fā)展前景。根據(jù)美國信息產(chǎn)業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2006年，美國碎紙機市場需求超過3000萬臺，全球碎紙機市場容量已經(jīng)超30億美元。從全球碎紙機發(fā)展趨勢可以看到，隨著電子商務(wù)的發(fā)展進入到各企事業(yè)單位的辦公室、家庭或個人用戶，以及隨著人們辦公生活水平的提高以及對個人信息安全保密處理的需求，碎紙機被越來越多的政府機關(guān)、企事業(yè)單位以及個人消費群體的接受認(rèn)可，全球碎紙機市場發(fā)展將呈現(xiàn)加速趨勢，年均增長速度將超過20%，而中國市場則處于快速發(fā)展期，其發(fā)展前景無限。
2.2 本設(shè)計的主要任務(wù)：
首先根據(jù)設(shè)計要求并考慮到碎紙機的工作特性提出三種不同的傳動系統(tǒng)方案，通過對提出的不同傳動系統(tǒng)方案進行分析比較，最終擇優(yōu)選擇二級齒輪減速傳動，并確定好碎紙機的傳動系統(tǒng)簡圖如圖1-1；根據(jù)設(shè)計要求給出的數(shù)據(jù)進行計算各軸的轉(zhuǎn)速以及所傳遞的轉(zhuǎn)矩見表1-1，由此確定電機型號，并通過計算彎曲疲勞強度與接觸疲勞強度完成電機輸出減速齒輪組和碎紙刀傳動齒輪的設(shè)計與校核，以及這兩對齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計；由于碎紙刀軸是主要受力部分，因此又對碎紙刀軸進行最小直徑的計算以及軸上各部件的軸向及周向的固定及其位置進行了分析與確定；接下來又對碎紙刀刀具材料、形狀的選擇以及刀梳的形狀結(jié)構(gòu)進行了簡單介紹，最終形成了碎紙刀軸、碎紙刀、齒輪等零件圖和碎紙機的裝配圖。
2.3 本設(shè)計的設(shè)計要求：
碎紙寬度（毫米）：2.5×9（粒）；
每次碎紙量（張）：6；
碎紙速度（mm/s）：20；
入紙寬度（mm）：220；
額定功率（w）：＜150W；
整機體積：377×218×570mm；
整機重量：13kg
第三章.傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計選擇以及具體設(shè)計計算
3.1 三種傳動方案：
方案一（帶傳動）：電機輸入——帶傳動——減速齒輪——同步齒輪
方案二（鏈傳動）：電機輸入——鏈傳動——減速齒輪齒輪——同步齒輪
方案三（齒輪傳動）：電機輸入——一級減速齒輪——二級減速齒輪——同步齒輪
3.2 三種方案的優(yōu)缺點比較與選擇：
3.2.1 方案優(yōu)缺點介紹：
方案一：帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、傳動平穩(wěn)等特點，并且具有能緩沖吸震、使用維修方便、有良好的撓性和彈性、起過載保護的優(yōu)點；但是帶傳動不能保證定傳動比，易打滑，易磨損壽命短，效率低以及壓軸力大。
方案二：鏈傳動具有平均傳動比準(zhǔn)確、無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象、傳動效率高、整體尺寸小、壓軸力小、過載能力強、成本低、并且可以在惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)點；但是鏈傳動也有不能保持恒定的瞬時傳動比、僅能在兩平行軸之間轉(zhuǎn)動、噪聲大、易跳齒、且工作載荷不可以大范圍內(nèi)變化等缺點。
方案三：齒輪傳動具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠壽命長，且傳動比精確穩(wěn)定的優(yōu)點；但是齒輪的制造和安裝精度要求很高，成本較高，且不宜用于傳動距離過大的場合。
3.2.2 最終方案的選擇
由于本設(shè)計碎紙機為辦公室工作機器，考慮到其工作環(huán)境，不能在工作時發(fā)出較大的聲音，所以鏈傳動不是最優(yōu)選擇；考慮到工作效率的問題，帶傳動也不是最好的選擇；考慮到齒輪傳動綜合就有結(jié)構(gòu)緊湊、噪音小且效率高的優(yōu)點，并且縱觀碎紙機的發(fā)展歷史，我們可以看出碎紙機的傳動設(shè)計正在朝著齒輪傳動發(fā)展，并且齒輪的制造材料也在不斷的優(yōu)化，所以最終選擇了以齒輪傳動為此碎紙機的主要傳動系統(tǒng)。
根據(jù)設(shè)計要求以及課題的設(shè)計任務(wù)可得出傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計如下圖所示：
?
?
④
③
圖2-1 傳動系統(tǒng)簡圖
①-二級減速輸出軸 ②-碎紙刀輸出軸
③-電機輸出軸 ④-一級減速輸出軸
3.3 電機的選擇
3.3.1 電機的轉(zhuǎn)速確定
設(shè)定該碎紙機初定刀具直徑D=48mm,即兩刀具的嚙合長度為L=6mm,減速齒輪的傳動比設(shè)定為i=2，根據(jù)設(shè)計要求碎紙機的碎紙速度為v=20mm/s,即v=1.2m/min,由此可得知碎紙機刀具的輸入與輸出軸?、?的轉(zhuǎn)速分別是：
計算如下：
將、圓整即可得==11r/min
根據(jù)傳動比即可計算出二級減速輸出的轉(zhuǎn)速應(yīng)為：
3.3.2 確定電機的功率
根據(jù)碎紙速度、每次碎紙量以及廢紙箱容量設(shè)定輸出的功率為105w，查《機械設(shè)計手冊》可得滾動軸承效率，齒輪傳動效率。
由此可計算出電機的功率：
圓整為：
3.3.3 電機類型的確定
由上面的計算結(jié)果可得知電機的功率為P=120w,經(jīng)過市場調(diào)查最終選擇了風(fēng)機水泵電機五金專賣所售的120W小型齒輪減速電機/減速電機型號為5IK120GU-C 5GU25K的電機。電機的參數(shù)如下：
電機參數(shù)：
功率
120W
電壓
220V
轉(zhuǎn)速
54rpm
電機的外觀圖如下：
電機的基本尺寸如下圖所示：
3.4 傳動系統(tǒng)中各軸的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩計算
3.4.1 各軸的轉(zhuǎn)速計算：
碎紙刀軸：
一級減速輸出軸：
電機輸出軸：
3.4.2 各軸的功率計算：
由于電機輸出的功率為105w, 則由齒輪傳動以及滾動軸承的效率可以得出：
一級減速輸出的功率是：
碎紙刀輸入軸的輸出功率是：
碎紙刀輸出軸的輸出功率是：
3.4.3 各軸的輸出轉(zhuǎn)矩計算：
由下面的公式：
可得各軸的功率如下：
電機軸的輸出轉(zhuǎn)矩：
一級減速輸出軸即④軸的輸出扭矩：
碎紙刀輸入軸的轉(zhuǎn)矩：
碎紙刀輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩：
3.4.4 傳動系統(tǒng)運動所有參數(shù)如下表1-1所示：
傳動參數(shù)表1-1
軸的名稱
功率（w）
轉(zhuǎn)矩()
轉(zhuǎn)速(r/min)
傳動比
③軸
120
9.97
115
5.2
2
1
④軸
115.26
50.03
22
?軸
105.65
91.72
11
?軸
101.48
88.10
11
3.5 一級減速級齒輪組的設(shè)計計算
3.5.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
①按照圖4.1的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動；
②碎紙機為辦公室工作機器，屬于一般工作機器，并且速度也不高，故選用7級精度（GB 10095—88）；
③材料的選擇：查《機械設(shè)計》表10-1選擇小齒輪的材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS,兩者的硬度差為40HBS，符合大小齒輪的工作狀況；
④選擇小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪的齒數(shù)為；
3.5.2 按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式進行試算，即
接下來確定公式中的各計算數(shù)值：
①試選載荷系數(shù)；
②由表4.1可知電機輸出軸上小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩9.97N.m；
③由《機械設(shè)計》表10-7選取齒寬系數(shù)；
④由《機械設(shè)計》表10-6差得材料的彈性影響系數(shù)；
⑤由《機械設(shè)計》圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞硬度極限
；大齒輪的接觸疲勞硬度極限；
⑥由于設(shè)計要求中沒有給出具體工作年限，設(shè)定此碎紙機工作年限為10年，平均每天工作4小時，每年工作天數(shù)為300天。則大小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：
查《機械設(shè)計》圖10-19可得接觸疲勞壽命系數(shù)
,；
⑦計算接觸疲勞許可應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式
；
3.5.3 計算
①試算電機軸小齒輪分度圓直徑,代入中的較小值
②計算圓周速度v
③計算齒寬
④計算齒寬與齒高的比b/h
模數(shù)
，
齒高
從而可得：
⑤計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.14m/s,7級精度，查《機械設(shè)計》圖10-8可得動載系數(shù)，
直齒輪，，由《機械設(shè)計》可查得使用系數(shù)，表10-4用插值法查得7級精度，小齒輪相對軸承非對稱布置時，。
由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)
；
⑥按實際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑，由下式可得校正后的分度圓直徑：
⑦計算模數(shù) ：
3.5.4 按齒根彎曲強度設(shè)計
彎曲強度的設(shè)計公式為
①由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限。
②由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
③計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則可得以下：
；
④計算載荷系數(shù)K
；
⑤查取齒形系數(shù),由表10-5可得 ,；
⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表10-5可得，；
⑦計算大小齒輪的并加以比較
，；
可得出大齒輪的數(shù)值大
3.5.5 設(shè)計計算
對比結(jié)果可知，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪魔術(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，故可取彎曲疲勞強度算得的模數(shù)1.0022并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5mm，按接觸強度算的分度圓直徑為25.8mm，算得小齒輪的齒數(shù)：
取小齒輪齒數(shù)為18；
從而大齒輪的齒數(shù) ,取為94；
這樣的設(shè)計既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
3.5.6 幾何尺寸計算
①計算分度圓直徑
②計算中心距
③計算齒輪寬度
取，
3.6 一級減速齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過齒輪傳動的強度計算，只能確定出齒輪的主要尺寸，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、分度圓直徑等，而齒圈、輪輻、輪轂等的結(jié)構(gòu)形式以及尺寸大小，通常都要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)。齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與齒輪的幾何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求以及經(jīng)濟性要求等因素有關(guān)。進行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須要綜合考慮上述各方面的因素。通常是先按齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，然后再根據(jù)推薦使用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
參考《機械設(shè)計》齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)直徑很小的鋼制齒輪，當(dāng)為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離小于2m（m為端面模數(shù)），均應(yīng)將齒輪與軸做成一體，叫做齒輪軸；當(dāng)齒輪的直徑時，可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。進行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要進行齒輪和軸的連接設(shè)計，通常采用單鍵連接，但當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，要考慮輪芯的平衡以及對中性，這時應(yīng)采用花鍵連接或者雙鍵連接，而本設(shè)計中齒輪的轉(zhuǎn)速不是很高，齒輪與軸的軸向固定采用單鍵連接即可。
由《機械原理》表10-2漸開線標(biāo)準(zhǔn)支持圓柱齒輪傳動幾何尺寸的計算公式，計算大小齒輪的齒頂圓直徑，,計算如下：
那么這里的大小齒輪都可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。
3.6.2 計算大小齒輪的齒底圓直徑
3.6.3 各計算結(jié)果
3.7 二級減速級齒輪組的設(shè)計計算
3.7.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
①按照圖4.1的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動；
②碎紙機為辦公室工作機器，屬于一般工作機器，并且速度也不高，故選用7級精度（GB 10095—88）；
③材料的選擇：查《機械設(shè)計》表10-1選擇小齒輪的材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS,兩者的硬度差為40HBS，符合大小齒輪的工作狀況；
④選擇小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪的齒數(shù)為；
3.7.2 按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式進行試算，即
接下來確定公式中的各計算數(shù)值：
①試選載荷系數(shù)；
②由表4.1可知電機輸出軸上小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；
③由《機械設(shè)計》表10-7選取齒寬系數(shù)；
④由《機械設(shè)計》表10-6差得材料的彈性影響系數(shù)；
⑤由《機械設(shè)計》圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞硬度極限
；大齒輪的接觸疲勞硬度極限；
⑥由于設(shè)計要求中沒有給出具體工作年限，設(shè)定此碎紙機工作年限為10年，平均每天工作4小時，每年工作天數(shù)為300天。則大小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：
查《機械設(shè)計》圖10-19可得接觸疲勞壽命系數(shù),；
⑦計算接觸疲勞許可應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式得
；
3.7.3 計算
①試算電機軸小齒輪分度圓直徑,代入中的較小值
②計算圓周速度v
③計算齒寬
④計算齒寬與齒高的比b/h
模數(shù) ，
齒高
從而可得：
⑤計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s,7級精度，查《機械設(shè)計》圖10-8可得動載系數(shù)，
直齒輪，由《機械設(shè)計》可查得使用系數(shù)，表10-4用插值法查得7級精度，小齒輪相對軸承非對稱布置時，。
由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)
；
⑥按實際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑，由下式可得校正后的分度圓直徑：
⑦計算模數(shù) ：
3.7.4 按齒根彎曲強度設(shè)計
彎曲強度的設(shè)計公式為：
①由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限
②由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
③計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則可得以下：
；
④計算載荷系數(shù)K
；
⑤查取齒形系數(shù),由表10-5可得,；
⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表10-5可得，；
⑦計算大小齒輪的并加以比較
，；
可得出大齒輪的數(shù)值大
3.7.5 設(shè)計計算
對比結(jié)果可知，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，故可取彎曲疲勞強度算得的模數(shù)1.59并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm，按接觸強度算的分度圓直徑，算得小齒輪的齒數(shù)：；
從而大齒輪的齒數(shù) 。
這樣的設(shè)計既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
3.7.6 幾何尺寸計算
①計算分度圓直徑
②計算中心距
③計算齒輪寬度
取，
3.8 二級減速齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.8.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
參考《機械設(shè)計》齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)齒輪的直徑時，可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。
由《機械原理》表10-2漸開線標(biāo)準(zhǔn)支持圓柱齒輪傳動幾何尺寸的計算公式，計算大小齒輪的齒頂圓直徑，,計算如下：
那么這里的大小齒輪都可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。
3.8.2 計算大小齒輪的齒底圓直徑：
3.8.3 各計算結(jié)果
；
3.9 碎紙刀軸齒輪的設(shè)計
由于外型及刀具方面配合的原因，現(xiàn)各項基本尺寸確定，中心距定為70mm，，m=2mm，采用直齒圓柱齒輪。
僅需要選擇材料和進行齒面接觸疲勞硬度及齒根彎曲疲勞強度校核。
3.9.1 選定齒輪類型，精度等級，齒輪材料
①由于碎紙刀軸所受的扭矩很大，故選用20Cr，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后采用氣體滲氮處理，齒面硬度300HBS；
②由于??軸上的刀具配合有一定的精度要求，故選用六級精度（GB10095-88）
3.9.2 齒面接觸強度和齒根強度校核
①由《機械設(shè)計》圖10-20e及圖10-21e、f查得按齒面的接觸疲勞強度極限、為1460MPa,查得、為625MPa；
②強度條件 ：
③應(yīng)力計算以及許可應(yīng)力計算如下：
因為兩個齒輪的大小和材料一樣，所以；同時由前面的計算查《機械設(shè)計》可得出：，，，。
④校核彎曲疲勞強度
由大小齒輪的齒數(shù)可以查得，；
查《機械設(shè)計》表10-2、10-3、10-4可得出，于是可求得，將數(shù)據(jù)代入可得：
,
，可得出彎曲疲勞強度符合要求
⑤校核接觸疲勞強度
許可接觸應(yīng)力:
從而可得：
由上述計算可得出，校核合格
3.10 碎紙軸齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
參考《機械設(shè)計》齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)直徑很小的鋼制齒輪，當(dāng)為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離小于2m（m為端面模數(shù)），均應(yīng)將齒輪與軸做成一體，叫做齒輪軸；當(dāng)齒輪的直徑時，可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。
進行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要進行齒輪和軸的連接設(shè)計，通常采用單鍵連接，但當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，要要考慮輪芯的平衡以及對中性，這這時應(yīng)采用花鍵連接或者雙鍵連接，而本設(shè)計中齒輪的轉(zhuǎn)速不是很高，齒輪與軸的軸向固定采用單鍵連接即可，且此處碎紙刀兩軸直徑與齒輪的直徑相差不大，故此處兩軸與齒輪可選用齒輪軸的形式。
由《機械原理》表10-2漸開線標(biāo)準(zhǔn)支持圓柱齒輪傳動幾何尺寸的計算公式，計算大小齒輪的齒頂圓直徑,計算如下：
那么這里的大小齒輪都可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。
計算大小齒輪的齒底圓直徑：
那么這里的大小齒輪都可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。
第四章.軸的設(shè)計計算
4.1 電機輸出軸
已知：電機輸出軸所傳遞的扭矩為9.97N.m,傳遞的功率是120w,轉(zhuǎn)速是115rpm。由于此軸傳遞的扭矩不是很大，故選用45鋼，取其許可應(yīng)力40MPa,由此可初步估算軸的最小直徑為：
由于此軸上只有小齒輪，且其直徑為27mm,可選取此段軸的直徑為14mm.齒輪一端用雙螺母固定，另一端用軸肩固定。
4.2 一級減速輸出軸的設(shè)計
此軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩為50.03N.m，轉(zhuǎn)速為22r/min,傳遞的功率是115.26w,其上的零件分布如下圖所示：
4.2.1 碎紙刀輸出軸材料的選擇
碎紙機雖為一般工作機器,但是由于此碎紙刀輸出軸為主要工作機構(gòu)，受力最大，根據(jù)軸的材料與軸的強度之間的協(xié)調(diào)可最后選擇軸的材料為40Cr，并且采用調(diào)質(zhì)處理，查《機械設(shè)計》表15-3可得40Cr的許可扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為55MPa。
4.2.2 先按下式估算軸的最小直徑
代入此軸的相關(guān)數(shù)據(jù)可得
4.2.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
A.根據(jù)軸上各零件的軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度：①最左端為軸承，查機械手冊可選用深溝球軸承61804，其參數(shù)為d*D*B=20*52*15，故可得此軸段的直徑為20mm,寬度為17mm.軸承右端由軸肩定位，取軸肩處直徑24mm.
②右端為軸段，小齒輪左端由雙螺母定位，右端由軸肩定位，軸肩直徑為34mm，此軸段長度為66mm，右端為雙螺母定位大齒輪，大齒輪右端由套筒定位。
③套筒右端即為軸承，型號為61804，深溝球軸承，軸承右端由軸承端蓋定位，且端蓋與箱體相連。
B.軸上零件的軸向固定：
大齒輪與軸的軸向定位可采用單向平鍵連接。由于小齒輪段軸的直徑為28mm，可根據(jù)《機械設(shè)計》查得鍵的幾何尺寸為b*h=14*9，大齒輪段軸的直徑為40mm,可選取鍵的類型為12*8.
4.3 碎紙刀輸入軸
已知：碎紙刀輸入軸的所受的扭矩為91.72Nm,轉(zhuǎn)速為11r/min,傳遞的功率為105.65W，其上構(gòu)件布置如下圖1-3所示：
圖 1-3 碎紙刀軸的結(jié)構(gòu)簡圖
4.3.1 碎紙刀軸的材料選擇
碎紙機雖為一般工作機器,但是由于此碎紙刀輸出軸為主要工作機構(gòu)，受力最大，根據(jù)軸的材料與軸的強度之間的協(xié)調(diào)可最后選擇軸的材料為40Cr，并且采用調(diào)質(zhì)處理，查《機械設(shè)計》表15-3可得40Cr的許可扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為55MPa。
4.3.2 軸的設(shè)計計算
先按下式初步估算軸的最小直徑。
代入碎紙刀軸的相關(guān)數(shù)據(jù)可得：
4.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
A.根據(jù)軸上各零件的軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度：
①由于碎紙機為輕型工作機器，工作量不是很大，由已估算出的軸的直徑只考慮扭矩的作用，并考慮到鍵槽的影響，故選用大齒輪段軸的直徑選為28mm,大齒輪左端可采用軸套支撐，軸套可放在箱體內(nèi)部，大齒輪右端由套筒定位，齒輪的寬度為46mm,為了使套筒能夠緊靠齒輪，使齒輪定位可靠，故使齒輪段軸向長度小于齒輪長度，可選取大齒輪段長度為42mm；
②軸承左端與大齒輪之間可用一個套筒來進行軸向固定，選取此軸段直徑為30mm,套筒長度為12mm；
③初步選定滾動軸承，由于碎紙機為輕型工作機器，工作量不是很大，因此選用常用的深溝球軸承，查《機械設(shè)計手冊》可選取型號為61906的深溝球軸承，其尺寸為d*D*B=30*47*9,故可得此段軸的尺寸為直徑為30mm,寬度為9mm。
④小齒輪的直徑為46mm，齒輪寬度為27mm，因為齒輪的直徑與軸的直徑相差不大，故此齒輪采用齒輪軸形式，齒輪右端使用軸環(huán)定位，軸環(huán)長度為6mm；
⑤軸環(huán)右端即為安裝刀具的軸段，此段軸的軸向長度即為刀具的長度，由設(shè)計題目中要求入紙寬度為220mm，為保證紙可以都被切到，故選取刀具段軸長度為250mm，由刀具的直徑以及估算軸的直徑，可選取刀具段直徑為33mm.
⑥刀具右端選取套筒定位，取套筒所在軸段軸向長度為10mm.
⑦套筒右端為深溝球軸承，其型號仍為61906，尺寸為d*D*B=30*47*9，故此段軸的直徑為30mm,長度為9mm.
B.軸上零件的軸向固定：
大齒輪與軸的軸向定位可采用單向平鍵連接。由于大齒輪段軸的直徑為32mm，可根據(jù)《機械設(shè)計》查得鍵的幾何尺寸為b*h=8*7，小齒輪為齒輪軸，故不需要再考慮周向固定的問題。
第五章.刀具的選用
5.1 刀具材料的簡介
碎紙機的刀具是核心部分，也是技術(shù)含量最高的部分。首先是刀具鋼材的選擇：一副好的刀具通常是選擇國外的高強度鎢鋼來制造，這是一個好的選擇，但也是一個昂貴的選擇，一些廉價的碎紙機因為成本的原因，就只能采用廉價的硬度稍差的鋼材，后果就是碎紙機故障率高和使用壽命短。工業(yè)碎紙機要保持令人滿意的使用壽命除了構(gòu)件質(zhì)量過關(guān)外，刀具的選擇尤為重要。從目前來說強力碳化鋼刀是首選，因為只有經(jīng)過碳化過的刀具才能達到堅固耐用大大減低磨損速度，使得刀具不至于很快就鈍化。而且目前碎信用卡、碎光盤的功能逐漸被消費者關(guān)注，對刀具的要求就會越來越高，因此強力碳化鋼刀是碎紙機必不可少的。
其次碎紙機加工工藝和碎紙機加工成本問題：因為高強度鎢鋼相對較硬，加工難度和成本會比硬度差的鋼材高的多，其成本再次拉大距離，高強度鎢鋼制造出來的刀具鋒利程度和使用壽命會遠遠超出降低成本帶來的效益，加上機器故障率高帶來的聲譽下降，選擇廉價材料確實會得不償失。
最后碎紙機刀具的裝配水平，因為加工高強度鎢鋼的工藝精細(xì)，精確度高，其裝配的難度就高，所以擁有國際認(rèn)證生產(chǎn)流程的廠商就會有保證。
5.2 刀具的選用
考慮到本設(shè)計的要求為一次碎紙量6張，但速度不是很高，因此可選用強力碳化鋼刀，這樣既可以滿足韌性大切削力大并且可以碎CD、回形針的要求，同時又保證了刀具的成本問題。
根據(jù)設(shè)計要求中切削得到的碎紙屑的形狀可選擇碎紙刀具在軸上的周向分布應(yīng)為螺旋形，同時由于紙屑具有一定的寬度，因此要碎紙刀具在軸上軸向具有一定的間隔。
根據(jù)碎紙機的工作要求以及碎紙機的工作特性，同時綜合考慮到市場調(diào)查以及結(jié)合所學(xué)知識，最終選用圓柱形銑刀形狀的刀片。此銑刀是采用薄型刀片間隔分布在碎紙刀軸上。刀軸和刀片組成了碎紙刀軸，刀軸為通過冷拉工藝，冷拉成溝槽狀的刀軸；碎紙刀刀片安裝孔為與刀軸被冷拉成溝槽狀的溝槽尺寸呈凹凸固定配合的相同形狀；刀片與刀軸按所需數(shù)量，固定配合有間隔的依次疊裝在一起。
根據(jù)刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖1-4所示：
圖1-4 刀具外觀結(jié)構(gòu)圖
5.3 刀梳的設(shè)計
由于碎紙機工作時是由一對在平行軸上安裝的碎紙刀來進行切割的，因此在紙張進入時碎紙刀會承受一定的壓力，并且在操作者將需要粉碎的紙從碎紙機面蓋的條形槽口被撐開，條形槽口的過度撐開將形成較大安全隱患，再者由于紙與塑料面蓋易形成的靜電效應(yīng)或塞紙?zhí)嗖幻鈺a(chǎn)生紙阻塞在刀具上的情況，因此在刀刃之間放置刀梳是十分必要的。根據(jù)刀具的形狀與結(jié)構(gòu)，以及在市場上的調(diào)查結(jié)果，可確定刀梳的結(jié)構(gòu)見下圖1-3，由于刀梳與軸的配合要求不嚴(yán)格并且受力不大，故材料選用塑料，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不再進行校核。
圖1-5 刀梳的剖面輪廓圖
第六章.工作中常見問題及解決辦法
碎紙機為辦公室工作機器，工作環(huán)境比較安靜，但是長時間的工作，特別是在碎紙機工作量比較大的地方，碎紙機也不免會出現(xiàn)塞紙、電機堵死、碎紙機發(fā)出異聲等常見的問題，因此了解一些碎紙機常見問題及其解決辦法對使用者也是很有幫助的。
1.碎紙機不進紙
檢查電路板是否工作正常、檢查電機是否工作正常?！?
2.碎紙機卡紙
有倒退功能的話先試試倒退鍵看看是否可自行退出。實在不行就切斷電，然后將碎紙那部分提出來倒一個頭，倒幾下，然后再開。切記要斷電操作。倘若還不行的話，可以嘗試倒過來時用螺絲刀搞掉一些碎紙。
3.不能碎紙,但撥通開關(guān)時電機運轉(zhuǎn)的聲音異?！?
這是碎紙機傳動系統(tǒng)出了毛病,保修期內(nèi)應(yīng)送到指定廠商處修理。
4.碎紙機不通電
請檢查電源是否接好、請檢查是否把開關(guān)打開、檢查保險管是否被擊穿、檢查電路板是否有被擊穿、檢查垃圾筒是否被放好。
5.碎紙機有異響
請檢查刀具是否有損壞、請檢查是否有碎紙末太多，影響刀具正常工作、帶電檢查整機是否有擺動?！?
6.碎紙機工作時有輻射嗎？
有電磁輻射。但碎紙機使用低壓電，屬于低頻輻射，因此電場強度很小，可以忽略不計。它是通電后由電機帶動刀片旋轉(zhuǎn)將紙打碎，它和我們平時用的豆?jié){機原理相同。普通電器利用電機發(fā)電，它的頻段一般維持在赫茲左右，最多也不會超過赫茲，這部分家用電器電磁波很難能輻射出來。但是也要注意人體與辦公設(shè)備的距離，使用時應(yīng)保持一定的安全距離，離電器越遠，受電磁波侵害越小。
第七章.碎紙機的使用注意事項及保養(yǎng)
任何機器只要定期保養(yǎng)與注意使用規(guī)范都可以延長其使用壽命，當(dāng)然碎紙機也不例外，定期地對碎紙機內(nèi)部齒輪、刀具進行清洗和潤滑，并且平時使用的時候可以注意一些安全事項，那么碎紙機的壽命將會延長很多。
① 機器內(nèi)刀具精密、銳利，使用時注意，請勿將衣角、領(lǐng)帶、頭發(fā)等卷入進紙口以免造成意外損傷。
② 碎紙桶紙滿后，請及時清除，以免影響機器正常工作。
③ 請勿放入碎布料、塑料、硬金屬等。
④為了延長機器壽命，每次碎紙量應(yīng)低于機器規(guī)定的最大碎紙量為宜，沒說明 碎光盤、磁盤、信用卡的機器，請勿擅自放入機器碎?！ ?
⑤ 清潔機器外殼，請先切斷電源，用軟布沾上清潔劑或軟性肥皂水輕擦，切勿讓溶液進入機器內(nèi)部，不可使用漂白粉，汽油或稀液刷洗?！?
⑥ 請勿讓鋒利物碰到外殼，以免影響機器外觀。
致 謝
轉(zhuǎn)瞬間四年的大學(xué)生活就要結(jié)束了，四年的大學(xué)學(xué)習(xí)讓我學(xué)到了很多東西，不僅是在專業(yè)方面理論的不斷充實，而且也讓我養(yǎng)成了認(rèn)真謹(jǐn)慎、踏實勤奮的習(xí)慣。在各位老師的指導(dǎo)與幫助下，我對各科知識都有了一定的深入理解，對專業(yè)方面理論也有了一定的基礎(chǔ)了解。在我的畢業(yè)設(shè)計碎紙機結(jié)構(gòu)設(shè)計中我也將大學(xué)所學(xué)到的知識都有了運用，特別是機械設(shè)計方面的知識，在本設(shè)計中都有了很多的體現(xiàn)，比如說減速器的設(shè)計、軸的設(shè)計等，這些都讓我對這些常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更熟練的應(yīng)用，為我以后的學(xué)習(xí)與工作都奠定了很重要的基礎(chǔ)。
在此非常感謝大學(xué)四年期間給予過我?guī)椭约肮膭畹睦蠋焸?，以及在畢業(yè)設(shè)計過程中給過我?guī)椭母魑焕蠋焸?，謝謝你們的不吝賜教，謝謝你們與我商討設(shè)計方案以及提供建議。
在此我也要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師，感謝他在我毫無思路的情況下給我指點，沒有他的細(xì)心指導(dǎo)，我不可能這么順利完成畢業(yè)設(shè)計。
我會在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力，繼續(xù)不斷充實理論知識，并且不斷將理論運用到實踐中，不斷充實自己,不斷取得進步。
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