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1 前言 .............................................................................................................................................................3 2 設計思想 .....................................................................................................................................................4 2.1 總體方案設計 .................................................................................................................................5 2.1.1 總體結構 .............................................................................................................................5 2.1.2 傳動路線 .............................................................................................................................5 4.傳動部分的設計 ........................................................................................................................................9 4.1 齒輪設計 .........................................................................................................................................9 4.1.1 設計功率 .............................................................................................................................9 4.1.2 選定帶型 .............................................................................................................................9 4.1.3 確定齒輪的基準直徑 dd1并驗算帶速 V............................................................................9 4.1.4 確定齒輪的中心距 a 和基準長度 .....................................................................................9 4.1.5 包角計算 .............................................................................................................................9 4.1.6 齒輪根數計算 ...................................................................................................................10 4.1.7 計算單根齒輪的初拉力得最小值 ...................................................................................10 4.1.8 計算壓軸力 Fp..................................................................................................................10 4.2 齒輪設計 .......................................................................................................................................10 4.2.1 試算小齒輪分度圓直徑 ...................................................................................................10 4.2.2 確定公式內的各計算數值 ...............................................................................................10 4.2.3 計算圓周速度 ...................................................................................................................11 4.2.4 計算齒寬與齒寬齒高之比 bh.......................................................................................11 4.2.5 計算載荷系數 ...................................................................................................................11 4.2.6 按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑 ...............................................................11 4.2.7 按齒根彎曲強度設計 .......................................................................................................11 4.3 軸的設計與強度校核計算 ...........................................................................................................13 4.3.1 求作用在齒輪上的力 .......................................................................................................13 4.3.2 按扭轉強度條件效核 .......................................................................................................14 4.3.3 選擇軸承 ...........................................................................................................................17 4.3.4 初步計算當量動載荷 .......................................................................................................17 4.3.5 求基本額定動載荷 ...........................................................................................................17 4.3.6 滾動軸承的驗算 ...............................................................................................................17 5 背架的設計及其他部件的選擇 ..............................................................................................................18 6 結論 ..........................................................................................................................................................19 參考文獻 ......................................................................................................................................................19 致 謝 ......................................................................................................................................................20 Comment [A1]: Comment [A2]: Comment [A3]: Comment [A4]: Comment [A5]: 1 電動茶園修剪機的設計 摘要：為實現修剪工作的現代化，國內外研制了不少電動茶園修剪機。然而在茶園修剪機系 列中，對電動茶園修剪機的研究尚處于薄弱環(huán)節(jié)，為了減輕廣大茶園工作者的工作強度，提高工 作效率，研究一種用動力代替人工清除的電動茶園修剪機具有重要的意義。為了解決以上的問題， 我們以電動機為動力源，動力通過軸傳給錐齒輪然后帶動圓盤鋸修剪電動，切削力度大；采用支 撐桿，效果好。 關鍵詞：茶園修剪機；電動；設計；高效率 Comment [A6]: 2 Abstract: To realize the modernization of cutting work at home and abroad, many cutting machines are developed. However, in cutting machine series, the study of shrubs cutter remains weak links, to reduce the mountain forest workers work strength and improve work efficiency, So studying a kind of with the power to replace artificial clear mountain shrub cutting machine has the vital significance.In order to solve the above problems, we use petrol engine to power sources, the power through the shaft to bevel gear and then drive disc curium cut shrubs, cutting strength big, can cut Ф 40 shrub; Using support bar, the effect is good. Keyword: knapsack; shrubs cutting machine; shrubs; design; efficient Comment [A7]: Comment [A8]: Comment [A9]: 不通順 Comment [A10]: 機械化 Comment [A11]: Comment [A12]: Comment [A13]: Comment [A14]: Comment [A15]: Comment [A16]: Comment [A17]: Comment [A18]: Comment [A19]: 3 1前言 在當今社會，追求效率已經是市場經濟主宰下的一個普遍的現象。正如工廠會追求效率以求 達到最大的利潤，政府會追求政府官員辦事效率以求在最短的時間內滿足群眾的需求來塑造一個 服務性政府……所以，在效率至上的社會中，節(jié)省辦事所耗費的時間就是金錢，就是生命。在現 實生活中，維護茶園的綠化正是一件耗費大量人力物力的事情，同時也是一件復雜無比的工作。 電動修剪，除蟲等，這些過程是一個都不能省的，因此，如何在這些過程中提高電動茶園修剪機、 等工具的科技含量，工作效率，操作性能等，這些都是當今時代所重點研究的課題。 為實現修剪工作的現代化，國內外研制了不少茶園修剪機。這些修剪切機可以應用于廣大茶 園插場所。然而在茶園修剪機系列中，對電動茶園修剪機的研究尚處于薄弱環(huán)節(jié)，而現代化電動 修剪要求越來越強烈。一是因為樹木本身生長的需要，二是因為電動有些影響總體美觀，對茶園 工作者的工作造成了一定的影響，故這些電動必須除去。而現有的電動清除技術仍不夠效率，人 工勞動強度大，清除效果也不太好（容易殘留一些電動） 。由此可見，研究一種用動力代替人工清 除的電動茶園修剪機具有重要的意義。 就電動茶園修剪機的研制而言，現在尚未發(fā)現國外的定型產品及有關研究資料。國內某些園 林實業(yè)公司曾生產過一些電動茶園修剪機，使用性能欠佳，達不到使用要求，沒有被廣泛使用， 現在廠家已經停產。本設計在一定程度上更加提高了電動茶園修剪機的科技含量，因此，該電動 茶園修剪機的設計目的，一方面，是為了能夠盡可能的進一步將物理原理和傳感、人工智能等的 新科學技術應用到各種行政領域和密切的我們的日常生活。這樣，在普通的生活中，我們就能夠 與新科技更加接近，這樣在一方面也能促進更多的人進行科學研究，有一定的教育意義。 本人從電動茶園修剪機出發(fā)，是因為電動茶園修剪機是我們生活中十分普通的一件機器，但 在現實中，卻往往忽略了最大化地去發(fā)揮電動茶園修剪機的功能，為實現修剪工作的現代化，國 內外研制了不少電動茶園修剪機。這些修剪切機可以應用于公共綠化場所、賓館機關、學校、企 業(yè)、高尚住宅等。然而在電動茶園修剪機系列中，對電動茶園修剪機的研究尚處于薄弱環(huán)節(jié)，而 現代化電動修剪要求越來越強烈。一是因為樹木本身生長的需要，二是因為電動有些影響總體美 觀，對園林工作者的工作造成了一定的影響，故這些電動必須除去。而現有的電動清除技術仍不 夠效率，人工勞動強度大，清除效果也不太好（容易殘留一些電動） 。由此可見，研究一種用動力 代替人工清除的園林電動茶園修剪機具有重要的意義。 為了解決以上的問題，我們以電動機為動力源，動力通過軸傳給錐齒輪然后帶動圓盤鋸修剪 電動，切削力度大，可剪 Ф40 的電動；采用支撐桿，效果好。 Comment [A20]: 系統(tǒng)的設計方案 Comment [A21]: Comment [A22]: 畫出兩方案示意圖 4 2設計思想 這里所設計的電動茶園修剪機首先要通過一個動力源將動力傳遞出去。為了讓往復式剪刀片 達到所需要的速度，傳遞出去的動力應通過減速機構繼續(xù)傳遞。經前面減速機構傳遞過來的動力 需再經過轉換機構傳遞到執(zhí)行構件。通過分析得到電動茶園修剪機的組成框圖，如圖所示 圖 2-1電動茶園修剪機的結構組成 此機可用的方案有電瓶電機、電動機作動力兩大類，而電瓶電機又可分為電機置于工作桿上 和置于背架上兩種，蓄電池動力源式可分為軟軸類傳動和軸類傳動，因此該機器有以下幾種可能 的方案可供選擇。 a電瓶電機組合，且電瓶電機都置于背架上的方案,；由于電瓶電機由于電瓶的能量密度不 高不適于較長時間的工作，且電機的尺寸又受重量限制因此扭矩的大小也因此而受到限制，從而 影響切削的進行。 b電瓶電機組合，將電機置于背架上的軟軸傳動方案,；由于軟軸傳動效率不如軸，且國內 外軟軸應用較少，所以此方案不合適 c動力源采用電動機，將電動機置于背架上的軸傳動方案；電動機由于功率大、體積小、質 量小且能輸出大的扭矩。相對電瓶電機的動力源有明顯的優(yōu)勢，考慮到使用時的方便性，采用軸 傳動的方案。將減速器置于背架上的以電動機為動力源的方案為最優(yōu)的方案。 執(zhí)行機構的方案 最終的方案： Comment [A23]: 刪除 Comment [A24]: 總體布置圖 5 2.1總體方案設計 2.1.1總體結構 總體結構由以下幾個方面組成（結構示意圖如下所示）： （1）動力源：指電動機 （2）減速機構：指減速器; （3）轉換機構：由聯(lián)軸器，軸，錐齒輪軸組成； （4）執(zhí)行機構：剪刀機構 （5）支撐件：主要指電動茶園修剪機機身及背架； （6）電動茶園修剪機高度調節(jié)機構：由控制桿和背架帶組成； （7）傳動機構：主要是轉動軸； 2.1.2傳動路線 手提式電動茶園修剪機的傳動路線如圖 6所示，由１（電動機）產生的動力經過齒輪傳動到 ２（減速機）上，在經３（聯(lián)軸器）傳遞到主軸上，再經過一對６（錐齒輪）傳動將動力傳遞到 執(zhí)行機構８（往復式剪刀盤）上。 從此種傳動方案上可以看出有以下幾種優(yōu)點： （1）傳動路線簡單，緊湊，而且還能很好的保證大小齒輪的傳動比，從而保證修剪的速度。 （2）使用齒輪機構，傳動效率高。 Comment [A25]: 茶園參數，切割速度 6 2.1.3主要技術參數 剪切力 F=4.2N， 剪切最大直徑 50mm， 效率：2 畝/小時 1.動力源 2.齒輪 3.減速器 4.聯(lián)軸器 5.主軸 6.執(zhí)行機構 圖 6 傳動簡圖 7 3 動力選取 修剪過程中的功率： 本機采用電動機為動力，往復式剪刀鋸片，最高轉速約在 1000r/min 左右， 總效率 η=η 1η 2η 3η 4η 5η 6η 7=0.87，η 1η 2η 3η 4η 5η 6η 7為從動力源到往復式剪刀片之間傳 動機構和軸承效率，由 查的齒輪傳動 η1=0.96。滾動軸承 η 2=η 4=η 6=0.97，圓柱齒輪傳動][ η 3=0.97，齒輪傳動 η 5=η 7=0.96。 故 Pd=P/η=2.56/0.87=2.8 電動機轉速在 3000-6500r/min 左右，因此傳動比選 3-5 之間，取 4 為合適 電機的選擇 電機是把電能轉換為機械能的裝置，廣泛的說，所有依靠電能工作的動力源都是電機。電機 的運動形態(tài)可以是直線的也可以是旋轉的，還可以是震動的，無論如何運動，都是因為電機能夠 產生電磁力。從供電形式上電機可分為交流電機和直流電機，本此設計采用的電機為直流旋轉式 電機。它由轉子和定子兩大部分組成。 所選電機型號：10DK230-12 圖 3 電機外形圖 圖 3-1 電機外形圖 8 計算傳動裝置傳動比和分配各級傳動比 1）傳動裝置總傳動比 i=nm/nw=4000/1000=4 n2=n1/i=4000/4=1000r/min n3=n2=1000r/min 各軸輸出功率 按電動機額定功率 Ped計算各軸輸入功率 P Po=Ped=2.8 P1=P0×η 1=2.8×0.96=2.43KW P2=P1η 2η 3=2.430.97×0.97=2.21KW P3=P2η 4η 5=2.21×0.97×0.96=2.04KW P4=P3η 6η 7=2.04×.96×0.97=1.98KW 各軸的轉矩 T0=9550P0/no=9550×2.8/4000=6.65N·m T1=9550P1/n1=9550×2.43/4000=6.43N·m T2=9550P2/n2=9550×2.21/4000=6.65N·m T3=9550P3/n3=9550×2.04/4000=6.65N·m T4=9550P4/n4=9550×1.98/4000=6.65N·m 9 4.傳動部分的設計 4.1 齒輪設計 電動機與減速器之間用普通齒輪傳動，電動機額定功率為 0.8kw，轉速 n1=4000r/min,減速器 的輸入轉速 n2=1000r/min，沖擊較小，每天工作 8 小時。 4.1.1 設計功率 根據工作情況由 [1]表 8--7 查的工況系數 KA=1.1， Pd=KA·P=1.1×2.8=2.96KW （4-1） 4.1.2 選定帶型 根據 Pd=2.96KW 和 n1=4000r/min，由圖 8-11 選定 Z 型 計算傳動比 i i=n1/n2=1 4.1.3 確定齒輪的基準直徑 dd1并驗算帶速 V 小齒輪基準直徑 dd1由 [1]表 8--6 和 [1]表 8--8 取小齒輪基準直徑 dd1=50mm 帶速 v=πd 1n1/60×1000=π×50×4000/60×1000=1.05m/s （4-2） 大齒輪基準直徑 dd2=60mm 4.1.4 確定齒輪的中心距 a 和基準長度 初定軸間距 0.7(dd1+dd2) ≤a 0≤2(d d1+dd2) （4- 3） 0.7(dd1+dd2) ≤a 0≤2(d d1+dd2) 取 a0=100mm 所需齒輪基準長度 Ld0=2a0+π/2(d d1+dd2)+( dd2- dd1)/4a0=357mm (4- 4) 查 [1]表 8--2 選取 Ld=400mm mLd4? 實際軸間距 a≈a 0+(Ld-Ld0)/2=100+(400-357)/2=121mm (4-5) 10 4.1.5 包角計算 α 1=180°(dd2- dd1)×57.3°=180° (4-6) 4.1.6 齒輪根數計算 單根齒輪的基本額定功率： 根據 dd1=50mm 和 n1=4000r/min 由 [1]表 8—4a 得 Z 型齒輪的 P1=0.26kw 額定功率的增量 ΔP 根據 n1=4000r/min 和 i=1 由 [1]表 8—4b 得 Z 型齒輪的 10P?? 根據 α 1=180°查 [1]表 8-5 得 Kα=1 根據 Ld=400mm 查 [1]表 8-2 的 K=0.87 所以齒輪的根數 Z Z= Pd/((P1+ΔP1)×K α ×KL ) =2.96/0.98=3 (4-7) 所以取 3 根. 4.1.7 計算單根齒輪的初拉力得最小值 F0=500(2.5/ Kα -1) Pd/(zv)+mv2 (4-8) 由 [1]表 8--3 查得 Z 型帶 m=0.06kg/m，所以 F0=500(2.5/ Kα -1) Pd/(zv)+mv2 =165N (4-9) 4.1.8 計算壓軸力 Fp 壓軸力的值為 Fp=2Z sina/2=990N0 4.2 齒輪設計 該機一天工作 8 小時，工作年限為 10 年，鋸切工作較平穩(wěn)，轉向不變。齒輪傳動有直齒和圓錐齒。 電動茶園修剪機為往復式剪刀切，沖擊較小，工作速度不是很高，故可選用 7 級精度。根據 選]2[ 擇直齒圓柱齒輪為４５號鋼。硬度為 240HBS，而齒輪的材料為 20Cr，并經調質及表面淬火，齒 面硬度為 56-60HRC，精度等級為 7 級。按硬度下限值，由 中圖 10-21（d）中的 MQ 級質量指]2[ 標查的 Б lim1=Б lim2=600MPa；由 [2]圖 10-20（d）中的 MQ 級質量指標查得 Б EF1=Б EF2=420Mpa, Б Flim1=Б Flim2=200MPa 選小齒輪齒數 Z1=18，大齒輪齒數 Z2=4×18=72 4.2.1 試算小齒輪分度圓直徑 由 中設計計算公式（10－9a） 進行試算。既]1[ d1t≥2.32 3(KtT1/?d·u+1/u·ZHZE/[БH]) ? (4-10) 11 4.2.2 確定公式內的各計算數值 1) 試選載荷系數 Kt=1.3 2) 小齒輪傳遞的轉矩 T1=9550P1/n1=9550×2.43/4000=6.43N·m 3) 由 [1]中表 10-7 選取齒寬系數 Φ d=0.5 N1=60×n1jLh=60×1000×(8×300×10)=5.76×109 (4-11) 由 [1]圖 10-19 查得接觸疲勞系數 KNH1=0.90，K NH2=0.95 4) 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%，安全系數 S=1，由 式（10-12）得]1[ [δ H]1= KNH1δ Hlim1/S=0.90×600=540MPa [δ H]2= KNH2δ Hlim2/S=0.95×600=570MPa d1t≥2.32 3(KtT1/Φ d·u+1/u·ZHZE/[БH]) ?=22.34mm (4-12) 4.2.3 計算圓周速度 V=3.14×22.34×4000/60×1000=4.68m/s (4-13) 4.2.4 計算齒寬與齒寬齒高之比 bh b=0.5×22.34=11.17mm 模數 m=22.34/18=1.24mm (4-14) 齒高 h=2.251.24=2.79mm b/h=11.17/2.79=4.00 4.2.5 計算載荷系數 根據 V=4.68m/s，7 級精度，由 圖 10-8 查得動載荷系數 Kv=1.14]1[ 直齒輪 KHa=KFa=1.2,由 表 10-2 查得使用系數 K×a=2]1[ 由 表 10-4 查得 7 級精度，小齒輪相對于支承非對稱布置時，K Hb=1.423]1[ 由 b/h=11.17/2.79=4.00，K Hb =1.423 查 [1]圖 10-13 得 KFb=1.38 故載荷系數 K=Ka×Kv×KHa×KHb=2×1.14×1.2×1.423=3.89 4.2.6 按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑 由式 [1]（10-10a）得 m=d1/z1=26.46/18=1.47 (4-15) 12 4.2.7 按齒根彎曲強度設計 由式 [1]（10-5）得彎曲強度的設計公式為 m≥(2KT1/Φ d·(YFaYsa/[Б F]))1/3 (4-16) 確定公式內的各計算數值 1）由 [1]圖 10-2c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 Б FE1=420MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限 Б FE2=420MPa； 2）由 [1]圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數 KFN1=0.87；K FN2=0.90； 3） 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數 S=1.4，由式（10-12）得 [δ F]1= KFN1δ FE1/S=(0.87×420)/1.4=261 [δ F]2= KFN2δ FE2/S=(0.90×420)/1.4=270 載荷系數 K=3.77 4）查取齒形系數 YFa1= 2.91；Y Fa2=2.236； 5）查取應力校正系數 由 表 10-5 查得]1[ Ysa2=2.45 Ysa1=1.53； 6）計算大、小齒輪的[Б F]并加以比較 YFa1Ysa1/[δ F]1=(2.91×1.53)/261=0.01956 YFa2Ysa2/[δ F]2=(2.236×1.754)/270=0.01453 小齒輪的數值大 設計計算 m≥(2KT1/Φ d·(YFaYsa/[Б F]))1/3 (4-17) =0.889 綜合分析考慮，取 m=1.5 d1=27mm 算出小齒輪齒數 Z1=d1/m=27/1.5=18 13 大齒輪的齒數 Z2=u Z1=4×14=72 這樣設計出來的齒輪傳動，即滿足了接觸疲勞強度，又滿足了齒根疲勞強度。 幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 d1=z1m=18×1.5=27 d2=z2m=72×1.5=108 計算中心距 a=(d1+d2)/2=67.5 計算齒輪寬度 b=Φ dd1=0.5×27=13.5 B1=15 B2=20 驗算 Ft=2T1/d1=2×1380/27=102.22N KaFt/b=2×102.22/13.5=15.14N/mm24000h (4-25) 由此可見，軸承的壽命高于預期計算壽命，符合要求。 18 5 背架的設計及其他部件的選擇 1）根據減速器和電動機得尺寸來初步確定背架的外型。 2) 保護罩 為了起安全和避免木屑的飛濺，在圓盤鋸的外圍加上一工程塑料的保護罩。 3) 齒輪罩 為了防止灰塵和避免油污弄臟衣物，在齒輪外圍加上一工程塑料的齒輪罩。 4) 背帶 為了使工作者能舒適的使用此機器，在工作桿上加一背帶，工作者可以通過背帶將整個機器背負 肩上。 5) 控制架 為了便于操控工作桿，特在其上加以控制架，并置一開關在控制架上，用來控制電動機的工作與 否。 6) 離合器的設計 采用電磁離合器，通過開關來控制電動機的工作。 7) 鋸片的選擇 選擇長度為 650mm 的往復式剪刀片。 8）蓄電池的選擇 電池滿足相應標準的要求。密封鉛酸蓄電池滿足 JB/T10262 的要求。電動茶園修剪機配備 10Ah 電池。 圖 5 配電接線 19 6 結論 畢業(yè)設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一 個必不少的過程。“千里之行始于足下”，通過這次畢業(yè)設計，我深深體會到這句千古名言的真 正含義。我今天認真的進行畢業(yè)設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大 潮中奔跑打下堅實的基礎。 說實話，畢業(yè)設計真的有點累。然而，當我一著手清理自己的設計成果，慢慢回味這幾個月的 心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消。雖然這是我剛學會走完的第一步，也是人生的 一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟的許多，另我有了一中“春眠不知曉”的感悟。 通過 畢業(yè)設計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心，細致。畢業(yè)設計過程中，許多計算有時不免 令我感到有些心煩意亂：有幾次次因為不小心我計算出錯，只能毫不留情地重來．但一想起全臘 珍教授平時對我們耐心的教導，想到今后自己應當承擔的社會責任，想到世界上因為某些細小失 誤而出現的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提示自己，一定呀養(yǎng)成一種高度負責，認真對待 的良好習慣。這次畢業(yè)設計使我在工作作風上得到了一次難得的磨練， 短短幾個月的畢業(yè)設計， 使我發(fā)現了自己所掌握的知識是真正如此的缺乏，自己綜合應用所學的專業(yè)知識能力是如此的不 足，幾年來的學習了那么多的課程，今天才知道自己并不會用。想到這里，我真的心急了，老師 卻對我說，這說明畢業(yè)設計確實使你有收獲了。老師的親切鼓勵了我的信心，使我更加自信。 最后，我要感謝我的指導老師教授，是您嚴厲批評喚醒了我，是您的敬業(yè)精神感動了我，是您 的教誨啟發(fā)了我，是您的期望鼓勵了我，我感謝老師您今天又為我增添了一幅堅硬的翅膀。今天 我為你們而驕傲，明天你們?yōu)槲叶院馈?參考文獻 20 [1]西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室.機械設計第八版.高等教育出版社.2002：395-773 [2]吳宗澤，羅圣國.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社.2006. 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[18] F．Maria．A．Jimenez．Multisensor fusion：An Antonornous Mobile Robot[J]．Journal ofIntelligent and Robotic Systems．1998．22(3)：129—141 致 謝 21 畢業(yè)設計是對我們知識運用能力的一次全面的考核，也是對我們進行科學研究基本功的訓練， 培養(yǎng)我們綜合運用所學知識獨立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學術論文和工作 打下良好的基礎。 本次設計能夠順利完成，首先我要感謝我的母校，是她為我們提供了學習知識的土壤，使我 們在這里茁壯成長；其次我要感謝工學院的老師們，他們不僅教會我們專業(yè)方面的知識，而且教 會我們做人做事的道理；尤其要感謝在本次設計中給與我大力支持和幫助的老師，每有問題，老 師總是耐心的解答，使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設計中去；還要感謝我的同學們，他們熱心 的幫助，使我感到了來自兄弟姐妹的情誼；最后還要感謝相關資料的編著者和給予我們支持的社 會各界人士，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€良好的環(huán)境，使本次設計圓滿完成。