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J IANGSU UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 論 文
小麥桔桿打捆機設計
學院名稱： 機械工程學院
專業(yè)班級： 機械
學生姓名：
指導教師姓名：
指導教師職稱： 副教授
2013年 06 月
小麥桔桿打捆機設計
摘要：通過對目前市場上廣泛應用的曲柄搖桿式打捆機的工作過程和運動特性分析，發(fā)現將原有的曲柄搖桿機構轉變?yōu)闄E圓齒輪驅動的轉臂式打捆機構，可以獲得更高的工作效率和運動平穩(wěn)性。本文設計了一種橢圓齒輪行星系打捆機構，設計的思路是將輸入動力傳遞給齒輪箱內的橢圓齒輪，使行星橢圓齒輪帶動摟草爪達到預期的運動軌跡。通過建立其運動學分析模型，在給定安裝尺寸下獲得了滿意的結構參數和工作參數，并利用PRO/E5.0軟件對其零件進行三維建模、裝配與分析，取得了滿意的結果。最后，完成了該打捆機構的二維總裝配圖以及非標件的二維零件圖。
關鍵詞：打捆機，打捆機構，橢圓齒輪，機構設計
Design of Raking-straw Mechanism Based on Elliptic Gears Planetary System
Abstract： Through the analysis of the working process and motion characteristic of the crank rocker type is widely used at present on the market bundling machine, we found that change the original of the crank rocker mechanism into rotary bundling mechanism of elliptical gear drive, can obtain higher working efficiency and smooth movement.This paper describes the design of a planetary elliptic gears binding mechanism,the design idea is to divide the input power to the elliptic gears in the gear box，then the planetary elliptic gear driving raking claws reached the desired trajectory。Through the establishment of the kinematic analysis model, I obtained the satisfactory structural parameters and operating parameters in the given dimension, and the use of PRO/E5.0 software for 3D modeling, the assembly and analysis, then achieved satisfactory results .Finally, I finished the 2D assembly drawing the binding mechanism and non-standard pieces of the 2D part drawing.
Keyword：Baler, Raking-straw mechanism, Elliptic gear, Mechanism design
目 錄
摘要 2
Abstract 2
第一章 緒 論 6
§1.1 本研究的目的和意義 6
§1.2 打捆機的功能要求與發(fā)展概況 6
§1.2.1 打捆機的功能要求 6
§1.2.2打捆機的發(fā)展概況 8
第二章 打捆機構的工作原理 8
§2.1結構設計與工作原理 8
§2.2設計參數 9
第三章 打捆機構結構設計 9
§3.1 傳動路線 9
§3.2 打捆機構動力傳入系統的設計 9
§3.2.1 傳入系統的總體結構 10
§3.2.2 傳入系統主要零件的結構設計 10
§3.3 打捆機橢圓齒輪系統主要零件的結構設計 12
§3.3.1 橢圓齒輪系統的總體結構 13
§3.3.2 橢圓齒輪系統主要零件的結構設計 13
§3.4 打捆機工作部分系統主要零件的結構設計 15
§3.4.1 工作部分系統的總體結構 15
§3.4.1 工作部分系統主要零件的結構設計 15
§3.5 打捆機定位系統主要零件的結構設計 16
§3.5.1 定位系統的總體結構 16
§3.5.2 定位系統主要零件的結構設計 17
第四章 打捆機構的三維建模 17
§4.1 應用軟件的介紹 18
§4.2 典型零件的三維建模 19
總 結 20
致 謝 21
參考文獻 22
第一章 緒 論
§1.1 本研究的目的和意義
我國是一個農業(yè)大國，小麥桔桿資源豐富，但目前大量的桔稈被焚燒或皮棄，不但造成嚴重的 環(huán)境污染，破壞了農村的生態(tài)環(huán)境，而且還浪費了寶貴的可再生資源，因此，分析桔桿的利用價值，探討桔桿利用的途徑和對策，對搞好桔稈綜合利用具有十分重要的現實意義。但由于我國收獲機械起步較晚，加之研究經費不足、生產手段較為落后，產品性能及可靠性偏低，另外，與之配套的設備嚴重不足， 除摟集設備國內有少量生產外，其他相關設備基本屬于空白。因此， 小麥秸稈的綜合利用瓶頸是收獲機械化問題， 發(fā)展適合我國國情的秸稈收獲機械是我國的當務之急。
針對我國農業(yè)配套動力（拖拉機）較小、田塊較小、農民購買力較低的情況，完全照搬發(fā)達國家的發(fā)展思路是不可行的。 根據我國實際情況，發(fā)展適合國情的秸稈收獲機械是秸稈綜合利用的必由之路。 為了解決小型化所帶來的一些問題， 還需要研發(fā)相關成套設備加以解決。本次設計是在我國這種國情下，研究打捆機打捆機構的改進，探索來獲得相關的經驗和知識。
§1.2 打捆機的功能要求與發(fā)展概況
§1.2.1 打捆機的功能要求
打捆機作為在秸稈收集機械中占重要地位的收獲機械。因此，我們必須要保證機械的正常運行。因此，在工作過程中，摟草爪的軌跡和姿態(tài)必須有如圖1-1要求。圖中線框左側為集草室右側為壓縮室中間2曲線分別是前爪和后爪的運動軌跡。
圖 1-1 摟草機構前后爪運動軌跡
§1.2.2打捆機的發(fā)展概況
在發(fā)達國家， 小麥秸稈收獲機械已經有將近100 年的發(fā)展歷史，目前國際上最大的三家設備制造商分別是德國 CLAAS（克拉斯）公司、美國 CNH（凱斯-紐荷蘭）公司、美國 JOHNDEERE（約翰迪爾）公司。 他們生產的裝備種類齊全，配套性能高，可實現秸稈收獲的全程機械化。
我國小麥秸稈收獲機械化程度和機械裝備發(fā)展程度均處于初期發(fā)展階段， 加大研發(fā)力度和推廣力度，才能解決秸稈綜合利用的收獲瓶頸問題，更好地做好秸稈綜合利用工作。 發(fā)展小型化適合農業(yè)需求的成套設備是我國該類裝備發(fā)展的趨勢。
第二章 橢圓齒輪行星系摟草機構的工作原理
§2.1結構設計與工作原理
如圖2-1， 在一個回轉的殼體里(相當于輪系機構的行星架)安裝5個全等的橢圓齒輪, 5個橢圓齒輪的回轉中心均在橢圓齒輪的焦點上，且相位相同，。工作時，齒輪箱作為一個原動件繞中心輪1的回轉中心的轉動，而中心輪1作為另一個原動體，最終通過齒輪箱和爪座的不等速轉動的合成，從而使爪獲得所需的軌跡。
圖2-1 橢圓齒輪行星系摟草機構三維裝配圖
§2.2設計參數
橢圓齒輪模數m=4；齒數z=35，兩輪之間的中心距=2*長半軸a：=140.7952
偏心率e=c/a：0.15，偏心距c：10.5596
齒輪盒初始安裝角75度，前爪初始安裝角148度，前爪長度（行星輪軸心到前爪尖的距離）440mm，后爪初始安裝角205度，后爪長度368mm。
第三章 橢圓齒輪行星系摟草機構的結構設計
§3.1 傳動路線
1。鏈輪-輸入軸-錐齒輪-錐齒輪-中心軸-輸入卡爪-輸出卡爪-機箱
2。鏈輪-輸入軸-錐齒輪-錐齒輪-中心軸-中心橢圓齒輪-惰輪-輸出橢圓齒輪-輸出軸-爪座卡爪-爪座-前后爪
§3.2 打捆機構動力傳入系統的設計
§3.2.1 傳入系統的總體結構
傳入系統包括鏈輪，輸入軸，錐齒輪，輸入卡爪，輸出卡爪，2個軸承座。輸入軸通過兩端的螺紋用螺母墊圈左右固定，通過2軸承座上下前后定位；鏈輪通過焊接固連在輸入軸上；錐齒輪通過平鍵與軸連接；輸入卡爪通過焊接與中心軸固連，再通過卡爪與輸出卡爪相連；輸出卡爪通過螺母與齒輪箱固連；軸承座都通過螺栓與機箱固連。
§3.2.2 傳入系統主要零件的結構設計
1. 鏈輪的設計
假設鏈輪大小約d=200，齒數z=40，中心孔d=40查表可得，基本參數z=40，p=15.875，dr=10.1600，pt=18.11，通過公式可得如圖3-1鏈輪的其他主要尺寸:d=p/sin（180°/z）=202;damax=d+1.25p-dr，damin =d+(1-1.6/z)p-dr,取da=210;df=d-dr=191.84;hamax= (0.625+0.8/z)p-0.5dr,hamin = 0.5(p-dr) ,取ha=3；Lx=df=191.84。其他詳細設計見二維cad零件圖。
圖3-1 鏈輪的主要參數
2. 輸入軸的設計
圖 3-2 輸入軸最終裝配狀態(tài)
如圖3-2，左右兩側都為M12的螺紋，左側與錐齒輪用6x6的平鍵正常連接，中間與滑動軸承正常連接。軸的各個表面的粗糙度，形位公差見二維cad零件圖。軸與各零件的配合見裝配圖。
3. 錐齒輪的設計
大端面模數me=2，齒數z=60，中心孔d=20，齒厚30.其他參數查表可得如圖3-3
圖3-3錐齒輪主要參數
4. 軸承座的設計
近錐齒輪端軸承座：輸入軸配合軸承為：GB/T276-1994滾動軸承6001內徑d=50，外徑d=80，配合代號H7/d11。中心軸配合軸承為：GB/T276-1994滾動軸承6218內徑d=90，外徑d=180，配合代號H7/d11。
靠近鏈輪端軸承座：軸承為GB/T276-1994滾動軸承6208 內徑d=40，外徑d=80，配合合代號H7/d11.
軸承定位表面粗糙度均為Ra 1.6，各端面相對其軸有相信的垂直度數值查表可得，詳細數值與其它尺寸，數值，要求等見二維cad圖。
5. 輸入卡爪
通過與中心軸焊接在一起，將傳入的運動傳遞到輸出卡爪上再傳到機箱。兩側定位分別是一側用于焊接在中心軸上，一側與軸承定位?？ㄗπ螤钊鐖D3-4：
圖3-4 輸入卡爪
上下左右對稱設置4個寬為20，相對軸心對稱度為0.025的槽，與輸出卡爪卡死。中間為d=50的孔與中心橢圓齒輪軸H7/h10配合，外側與GB/T276-1994滾動軸承6218配合。其余尺寸，形狀，公差等見二維cad圖。
6. 輸出卡爪
設置對應輸入卡爪的4個寬為20的槽的凸出與輸入卡爪卡死，將輸入卡爪的運動傳遞給輸出卡爪，再通過4個在一大小為120的正方形4個角上的M10的螺栓與橢圓齒輪箱連接，將運動傳遞給齒輪箱.其余尺寸，形狀，公差等見二維cad圖。
§3.3橢圓齒輪系統主要零件的結構設計
§3.3.1 橢圓齒輪系統的總體結構
齒輪系統包括5個橢圓齒輪，及相應的配合軸，軸承，齒輪箱等。具體結構如圖3-5
圖3-5 橢圓齒輪箱內橢圓齒輪安裝狀態(tài)
設置5個完全相同的橢圓齒輪，分別用軸（平鍵軸，花鍵軸，光軸），軸承，套筒等連接在橢圓齒輪箱上。橢圓齒輪箱用12個M10的螺栓連接。
§3.3.2 橢圓齒輪系統主要零件的結構設計
1.橢圓齒輪的設計
1） 橢圓齒輪由老師給的cad圖，導入proe拉伸得到，他們分別被做成中心橢圓齒輪，橢圓惰輪，橢圓行星輪三種不同的結構。
1.1）中心橢圓惰輪
通過平鍵與中心橢圓齒輪軸相連，由橢圓齒輪的大小預設軸的直徑50，查表可得平鍵尺寸為14x9的平鍵，輪轂深為3.8。
1.2）橢圓惰輪
主要是為了改變齒輪旋轉方向。它的軸孔設計成光軸，與軸采用H7/f8配合，
1.3）橢圓行星輪
通過矩形花鍵與橢圓行星輪連接，傳遞動力到行星輪軸。花鍵設小徑為50-60左右，查表可得花鍵規(guī)格用8x56x62x10輕系列，設置對心的對稱度0.015
1.4）橢圓安裝初始位置
5個齒輪回轉中心的連線與水平線75°，現將齒輪與齒輪箱連接只有保證齒輪箱的初始安裝位置即可。
2. 各齒輪軸的設計
1）.中心橢圓齒輪軸
圖3-6 中心橢圓齒輪軸
如圖3-6，右側設置M36的螺紋，通過M36的螺母與橢圓齒輪箱相連，右側用平鍵14x9與中心橢圓齒輪連接，查表可得軸槽深5.5。左側有6x6的平鍵連接錐齒輪，及M16的螺紋固定。設有臺階面與輸入卡爪焊接傳遞運動到齒輪箱。
2).橢圓惰輪軸
設置成光軸左右對稱布置，中間設置d=50與橢圓惰輪相連，兩側設置d=40用于定位。
3).橢圓行星輪軸（輸出軸）
圖3-7 橢圓行星輪軸（輸出軸）
如圖3-7，左側設置軸承臺階，中間用8x56x62x10的花鍵與橢圓行星輪連接右側設置圖示形狀與爪座卡爪相連，傳遞運動給爪座卡爪，通過爪座卡爪傳給爪座。
3. 橢圓齒輪箱的設計
壁厚設置為20，齒輪箱對稱布置，由中心橢圓齒輪軸，橢圓惰輪軸，橢圓行星輪軸設置時，內部預留軸承定位臺階，為保證壁厚均勻設置外部臺階，由連接在齒輪箱的各零件設置螺紋孔或光孔，具體設計見二維cad圖。
§3.4 工作部分系統主要零件的結構設計
§3.4.1 工作部分系統的總體結構
工作部分包括爪座卡爪，爪座，前爪，后爪等，如圖，通過輸出軸見動力傳給爪座卡爪，再通過卡爪卡死，傳給爪座帶動前后爪運動。
§3.4.2 工作部分系統的主要零件的結構設計
1.爪座卡爪的設計
圖 3-8 爪座卡爪
如圖3-8，設置寬度為20的4個對稱布置的槽，與爪座卡死傳遞運動。中間又d=50的孔及特殊形狀的孔與輸出軸配合傳進運動。左側端面及圓周用于與橢圓齒輪箱定位擋板固定及定位。
2.爪座的設計
如圖3-9，左側有卡爪與爪座卡爪卡死。設置凸出用于與爪的螺栓連接。中間螺栓的高度由老師給出的cad初始安裝位置可測量出為162，螺栓用M10的螺栓。
圖3-9爪座
3.前后爪的設計
通過老師給出的cad初始安裝位置圖，及設計參數通過cad可求出到爪尖倒爪座上用于安裝前爪的中間螺栓的長度，再給以寬度，高度即可。后爪可以同樣的方法求出尺寸，考慮到安裝時的干涉問題可以改變后爪現狀。將后爪通過螺栓固定在前爪上。具體前后爪數值可以參考二維cad圖。
§3.5 定位系統主要零件的結構設計
§3.5.1 定位系統的總體結構
定位系統包括爪座定位擋板（與爪座靠近的擋板)，橢圓齒輪箱定位板（與機箱靠近的擋板），定位銷，固定銷，端蓋等。
通過在機箱上開兩個有角度要求的定位銷孔，與橢圓齒輪箱定位板上兩銷孔定位，以此來保證橢圓齒輪箱定位板的初始安裝角度。由于定位板上2孔都是與爪座卡爪相連的，而爪座卡爪與輸出軸位置固定的，輸出軸位置與橢圓齒輪箱確定的，因此確定了定位板的位置就可以保證橢圓齒輪箱的位置。從而達到確定齒輪箱的初始安裝角度位置。
通過爪座定位擋板與爪座焊接在一起，來保證前后爪相對橢圓齒輪箱的位置。焊接時，保證爪座定位板中心線與爪座中心線的角度關系。由圖3-10可見爪座定位擋板與橢圓齒輪箱定位板位置角度是一樣的，這樣就可以保證了爪的初始安裝角度位置。
通過固定銷與橢圓齒輪箱定位板配合來確定位置，端蓋用4個M10的螺栓與機箱夾緊，中間設有螺紋孔用以頂死固定銷來固定機構。
圖3-10 定位系統三維裝配
§3.5.2定位系統的主要零件的結構設計
1.定位板的設計
橢圓齒輪箱定位板：上下左右對稱設計，2端分別設有2孔與爪座卡爪配合，對稱各有1個d=20的定位銷孔。
爪座定位擋板：對稱設置兩孔與爪座配合，再和爪座焊接在一起。
2.固定銷
設有一臺階用于橢圓齒輪箱定位板的定位，另一側端面通過螺母頂死。
3.端蓋
如下圖3-11，用4個M10的螺栓與機箱連接，中間設有M16的螺紋孔用于安裝螺紋以壓緊固定機構。
圖3-11 端蓋
第四章 橢圓齒輪行星系摟草機構的三維建模
§4.1 應用軟件的介紹
本次畢業(yè)設計本人采用的三維建模軟件為proe。Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。
Pro/E第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。
Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。主要有下面三個主要特征。
1.參數化設計
相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數完全約束，這就是參數化的基本概念。
2． 基于特征建模
Pro/E是基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。
3． 單一數據庫（全相關）
Pro/Engineer是建立在統一基層上的數據庫上，不像一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。
§4.2 典型零件的三維建模
在Pro/E中，零件實體建模的基本操作大致分為以下三類:
(l)標準幾何形體如長方體、圓柱體等，通過長方形、圓的拉伸得到.
(2)簡單幾何形體在二維線框的基礎上通過拉伸、旋轉、掃描和放樣等操作形成三維幾何形體。
(3)復雜幾何形體由簡單幾何體通過長凸臺、切除、抽殼、鏡像、陣列等操作得到三維幾何形體。
下面我們列舉出了幾個本次畢業(yè)設計中的典型零件的三維建模。
1.橢圓齒輪的建模
在利用Pro/E進行橢圓齒輪的設計過程中一般采用表達式生成方法，首先要確定驅動參數和計算參數。所謂驅動參數，就是要進行齒輪計算時的一些基本參數，包括齒數、模數、壓力角、齒頂高系數等。所謂計算參數，則是指利用驅動參數計算獲得的一些參數，包括基圓直徑、齒頂圓直徑、分度圓直徑等。但由于老師給出了二維橢圓齒輪圖（圖4-1），因此我們可以將它直接導入到proe中，通過拉伸就可以直接獲得橢圓齒輪模型（圖4-2），再通過不同的拉伸，去除材料等就可以獲得所需的中心橢圓齒輪（圖4-3），橢圓惰輪（圖4-4），橢圓行星輪（輸出輪）（圖4-5）。
圖4-1 二維橢圓齒輪 圖4-2 三維橢圓齒輪
圖4-3 中心橢圓齒輪 圖4-4橢圓惰輪 圖4-5橢圓行星輪（輸出輪）
2.軸類的建模
軸的建模分為兩種，簡單軸比如惰輪光軸我們可以通過旋轉獲得，復雜軸如中心橢圓齒輪軸我們可以將其一段段的拉伸出來，軸上的鍵槽孔可以通過查表先確定草繪平面再由表中軸上槽深去除材料拉伸獲得，軸上的螺紋可以通過插入-修飾-螺紋獲得。
3. 箱體類的建模
以橢圓齒輪箱為例，為保證壁厚均勻可以先計算出所需尺寸，再通過拉伸曲面的到箱體外箱壁（由于本次設計中基本對稱的可以先拉伸出一半的外箱壁在通過鏡像得到整個外箱壁）（圖4-6），然后通過插入-加厚得到箱體大致形狀（圖4-7）。再根據所需要求加工通孔，盲孔，螺紋孔，然后設計倒角，圓角等細節(jié)最終得到箱體三維模型（圖4-8）。
圖4-6外箱壁曲面（去除前后面）
圖4-7 加厚后的大致箱體模型
圖4-8 最終的箱體三維模型
總 結
通過三月中旬開始到六月初為期兩個月的畢業(yè)設計，我從最開始對打捆機的一無所知漸漸有了相對比較深刻的認識，了解了其結構，作用，發(fā)展等等。在設計期間，學會了各種尺寸要多查表多思考，并且設計尺寸零件時要考慮到后續(xù)的加工和安裝。通過proe的三維建模，鞏固和加深了對proe這種三維軟件的運用。通過三維轉二維圖后的修改和標注，讓我更加熟悉了cad這種二維軟件的操作運用。
總的來說，這次畢業(yè)設計教會了我在設計產品時，要先了解產品的現狀，設計意義，優(yōu)缺點，明確設計方向，設計目的，這樣才能更好的來設計。設計時，要考慮到各方面的因素，比如零件材料，零件的加工難易，零件的安裝，現有的技術，經濟性等。通過這次畢業(yè)設計，我在proe與cad軟件使用技能上有了一個很大的提升，設計零件時參數設計有了初步想法，為以后的工作生活可以起到很大幫助。
致 謝
本次畢業(yè)設計能夠順利完成，首先要感謝尹建軍導師的精心指導。設計之初，導師就給我們提供了很多相關資料，讓我能更快的熟悉我所要設計的產品的現狀意義，設計中間，老師帶我們參觀了現有的打捆機，通過實物教我設計的方向要求，并且對我們設計中間的疑問積極熱心的解答。所以說沒有導師的精心指導，本次畢業(yè)設計是不能保質保量及時完成的，在此向尹建軍導師致以誠摯的敬意和感謝。還有感謝本次畢業(yè)設計中對我?guī)椭耐瑢W，每次有疑問時都能耐心的幫我解答或教我思路。
我還有感謝大學四年來教過我的幫過的老師們。謝謝你們的無私奉獻。在這里我要說：老師是這世上最偉大的職業(yè)，為了學生你們可以傾囊相授，不想社會上的留一手，特別是對于我這種直性子的人，真的很感謝你們，你們辛苦了。
最后，感謝江蘇大學，是你給了我難忘的四年大學生涯，在這里我學到了很多生活技能，處事方法，人生道理等。
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