机电产品创新设计

任务书

XX：

学号：

指导老师：

时间：2011.01.11

学院：飞行器工程学院目录

1、引言---------------------------------------3

2、创新方案的提出----------------------------4-5

3、产品概念以及原理介绍----------------------5

3.1、产品原理图----------------------—--6

3.2、零、部件草图----------------------—-—-6-9

4、产品具体参数及结构计算-------------------9-19

5、实训总结与心得----------------------—-—20

6、参考资料及文献----------------------—-———--21

7、附录：运动简图1.引言

为期两周机电产品创新实训拉开了帷幕，我们小组经过三次小组会议讨论，总共规划了三种方案，经过与老师的讨论和论证，最终确定创新产品为“多功能行星轮搅拌机”。经过分工与讨论，初步确定了机构的原理图，并且设计出了整套传动机构的方案，并且论证了其可行性，符合机电产品创新设计要求。

小组成员：

组长：

组员：2.方案提出：

在现今日益发展当今社会，到处林立着高楼大厦，而在混凝土结构中，混凝土的制造工艺和水平，往往直接影响着房屋结构的质量，而在混凝土的制造中，混凝土搅拌机的性能，起着决定性的作用。

一方面，旧式搅拌机在结构设计上有很多不合理之处：1 )结构型式过于粗糙，传动支架与上横梁采用灰口铸铁，这种薄壁支架强度低，在复杂的施工现场极易在碰撞中断裂，没有配件则整机瘫痪。2 )皮带轮安装在传动支架内部轴承座与上横梁之间，而上横梁与支撑架为螺栓连接，这种不稳定的支架结构对设备损害极大，两轴承之间的纵向位移将使轴卡死或损失动力能。对于常规单铲叶片式搅拌机，在冲击载荷大和单纯双螺带式搅拌装置中易出现“抱轴”现象，这会会严重影响电动机的工作，甚至出现烧毁电动机的事故。

另一方面，尽管搅拌机的种类繁多，但目前使用最多的是带有一个或两个固定在垂直轴上的三叶螺旋桨搅拌机。这种螺旋桨搅拌机旋转时，形成沿搅拌容器的内壁由下向上和中心由上向下的连续翻转液流．同时悬浮体还进行旋转运动。搅拌机运行时，在螺旋桨与搅拌容器的底部之问，构成一个搅拌强度最小的区域因此，需要较长时间才能达到必要的混合质量，从而浪费了电能，降低了搅拌机的工作效率。

所以在这基础上，我们创新开发了“新型多功能行星轮式搅拌机”，这种新式搅拌机主搅拌轴由行星轮带动，可根据需要选用单个或者多个搅拌轴（即加装行星轮），可以达到充分混合物料的目的，而另一个创新之处，在于利用电动机输出的动能，到一个竖直方向上的副搅拌机构，可以最大限度的减小搅拌低强度区域，最大限度的使物料混合均匀。

3.产品概念及原理

依据《GBJ107-87混凝土强度检验评定标准》，混凝土的标号和强度必须达到一定要求，这就决定了混凝土搅拌机的结构和混合效果。所以我们为了使混凝土的搅拌效果更加合理均匀，并且能够符合GBJ107-87的要求，在现有的搅拌机基础上，改进设计了此款新型多功能行星轮式搅拌机。

产品的设计理念是基于在充分利用电动机动能的情况下，使得搅拌效果达到最大化，并且能够有效的避免“抱轴”现象的出现，而且能够在副搅拌机构的辅助下，更加充分的将混凝土搅拌均匀。此产品不仅可以很好的利用能源，而且能将混凝土的生产提高效率，在同等条件和水品下，能够加工质量更加优良的混凝土。

3.1.产品原理图

3.2零、部件草图

（1）V带：

（小带轮工程图） (大带轮工程图) （2）蜗杆传动装置：

（蜗杆工程图）（蜗轮工程图）（3）行星轮：

4.产品具体参数及结构计算：

一、输入机构：（电动机的选用）

电机频率：40Hz

电机额定电流：19.2A

电机工作电压：380V

电机转速：2400r/min

电机功率：10.5Kw

二、主搅拌机构设计：

(一)行星轮设计尺寸：

电动机功率P1=10.5kW，转速n1=2400 r/min，载荷平稳单向回转。

1.根据行星轮系中心轮1与行星架H的相对转速关系：

n1=N=2400r/min 同时n H=1/4N(即n1=4n H)

（n1-n H）/(n3-n H)=-z3/z1

令n1=4n H，n3=0，z1=30,得z3=90。

2.根据行星轮同轴条件mz3/2=mz2+mz1/2

由z 1=30,z 3=90得z 2=30

3. 根据行星轮系中心轮1与行星轮2的相对转速关系： （n 1-n H ）/(n 2-n H )=-z 2/z 1

代入z 1=30,z 2=30,n 1=4n H 得，n 2=-2n H n H =600r/min,方向与n 1相同 n 2=1200r/min ，方向与n 1相反 4.模数的确定：

（1）选择材料及确定需用应力：

1轮用40MnB 调质，齿面硬度241~286HBS ，

1

lim 730H MPa σ=，1

600FE MPa σ= 2轮用40MnB 调质，齿面硬度241~286HBS ，2

lim 730H MPa σ=，2

600FE

MPa σ=

3轮用ZG35SiMn ，齿面硬度241~269HBS ，

lim3620H MPa σ=，3

510FE MPa σ= 由表11-5，取S H =1.1，S F =1.25，

1

12lim

730

61.1

H H H H

MPa MPa S

σσσ⎡⎤⎡⎤===

=⎣⎦⎣⎦ 3620

51.1H MPa MPa σ⎡⎤==⎣⎦

112600

4801.25FE F F F

MPa MPa

S σσσ⎡⎤⎡⎤====⎣⎦⎣⎦ 3510

4081.25F MPa MPa σ⎡⎤==⎣⎦

(2)按齿面接触强度设计：

设齿轮按6级精度制造。取载荷系数K=1.3，齿面系数φd =0.8，1齿轮上的转矩

T 1=9.55×106×P/n 1=9.55×106×10.5/2400N m ⋅=4.18×104N m ⋅

d

≥

1

=52.5mm

暂取d1=105mm

又齿数z1=15，

模数 m=d1/z1=105/15=3.5mm

齿宽 b=φd d1=0.8×105mm=84mm，取b1=84mm，b2=84mm d1=105mm,d2=105mm

中心距 a1，2=d1+d2/2=105mm

又z3=90，m=3.5mm，d3=mz3=315mm

中心距 a2,3=（d2+d3）/2=210mm

(3)验算轮齿弯曲强度

齿形系数Y Fa1=2.6，Y Sa1=1.63

Y Fa2=2.6，Y Sa2=1.63

Y Fa3=2.23，Y Sa3=1.8

由式（11-5）

σF1=σF2=2KT1Y Fa1Y Sa1/bm2z1

=2×1.3×4.18×104×2.6×1.63/（84×3.52×30）MPa =14.9MPa＜[σF1]=480MPaσF3=σF2Y Fa3Y Sa3/Y Fa1Y Sa1=14.9×2.23×1.8/2.6×1.63MPa

=14.1MPa＜[σF3]=408MPa

(4）齿轮的圆周速度

v=πd1n1/60×1000=3.14×105×2400/60×1000m/s

=13.2m/s

对照表11-2可知选用6级精度是合宜的。

h a=h a*m

h f=( h a*+c*)m

又h a*=1.0，c*=0.25得 h a=m, h f=1.25m

d a1=d1+2h a=105+2×3.5mm=112mm

d f1=d1-2h f=105-2.5×3.5mm=96.25mm

d a2=105+2×3.5mm=112mm

d f2=105-2.5×3.5mm=96.25mm

d a3=315+2×3.5mm=322mm

d f3=315-2.5×3.5mm=306.25mm

（二）搅拌刀头的选用：

根据使用功能的不同，可以选用多种不同的刀头，以实现多功能的效果：

如图所示：

三：副搅拌机构设计：

（一）、V 带结构设计

1、带型的确定

由110.5,2400/min c P Kw n r ==,在结合表13-5，选取B 型带 确定带轮得基准直径d1并验算带速v

（1）、初选小带轮得基准直径d1.

由书本表13-9可知

d1应不小于125mm,现取d 1 = 140mm

⇒()2113140(10.02)411.6d i d mm ξ=⨯-=⨯⨯-=

再由表13-9 取d 2=425mm

（2）、验算带速v 由11

1402400

17.6/601000601000d n V m s ππ⨯⨯===⨯⨯

在525/m s 之间，因此符合要求。

2、确定中心距，确定中心距a 和基准长度d L

（1）、()()0121.5 1.5140425847.5a d d mm =+=⨯+=

取0850a mm =且符合()()120120.72d d a d d +<<+

由式（13-2）得带长

()

()21212

002261024d d d d L a mm a π++=++=

查表13-2，对B 带选用2800d L mm =

⇒()09452d L L a a mm -=+=

（3）、 验算小带轮上的包角α

()12

157.3180163120()o o o o d d a α-⨯=-=>合适

（4）、 确定带得根数z

由12400/min n r =，1140d mm =

查表13-3得0 3.70P Kw =,且 i=3

故查13-5得00.76P Kw ∆=

再由163o α=

查表13-7得 0.95K α=

查表13-2得 1.05L K =

()003c L P Z P P K K α⇒==+∆⨯⨯⎡⎤⎣⎦

⇒取代根数Z=3

综上所述：⇒12140

425

2800 945

Z 3

d d d L a =====

3．轴的设计

①轴的材料的选择

轴选用45号钢

②轴尺寸的选择

轴径d min ≥110³√P/n ×1.03=110׳√10.6/800×1.03mm=26.0mm

取d s =30mm

4．带轮结构设计

①带轮材料的选择：

v=17.6m/s<25m/s 所以材料选择HT150

又d 1=140 d 2=425 L d =2800 a=945 Z=3

再由 小轮：d 1=140>120 故 选取 腹板式

结构及尺寸如下：

f=14 φ=34º ha=4 e=19.5 hf=11

大轮：d2=425>350 故选取轮辐式

结构及尺寸如下：

f=14 φ=38º ha=4 e=19.5 h f=11

b0=15 h=11 d h=60 d r=375

（二）涡轮蜗杆结构设计

电动机功率P1=10.5kW，转速n1=800r/min，传动比i=25，载荷平稳单向回转。

1、选择材料并确定其许用应力

蜗杆用45钢，表面淬火，硬度为45~55HRC；蜗轮用ZCuAl10Fe3，砂模铸造。

（1）许用接触应力，查表12-4得[σH]=200MPa;

（2）许用弯曲应力，查表12-6得[σF]=80MPa。

2、选择蜗杆头数z1并估计传动效率η

由i=25查表12-2，去z1=2，则z2=iz1=25×2=50；

由z1=2查表12-8，估计0.8

η=。

3.确定蜗轮转矩T2

66 221

69.5510P 9.5510P 25

9.551010.50.8N mm 8002506875 N mm

i

T n n η

η=⨯⋅=⨯⋅=⨯⨯⨯⨯⋅=⋅

4.确定使用系数k A 、综合弹性系数z E

取k A =1.1；取z E =150（钢配锡青铜）

5．确定接触系数z P

假定d 1/a=0.4,由图12-11的z P =2.8

6.计算中心距a

236.73a mm

≥==

7.确定模数m ，蜗杆头数z 2，蜗杆直径系数q ，蜗杆导程角γ，中心

距a 等参数由式12-10得

d 1≈0.68a 0.875 =0.68×236.730.875mm=82mm

m=（2a-d 1）/z 2=(2×236.73-82)/50mm=7.8mm

由表12-1，若取m=8mm ，q=10，d 1=80mm ，

由式（12-4）

a=0.5m （q+z 2）=0.5×8×（10+50）mm=240mm ≥236.73mm

导程角arctan 0.211.3099o γ==

8.校核弯曲强度

（1）蜗轮齿形系数

由当量齿数

z v =z 2/（cos γ）3=50/（cos11.3099°）3=53 查图11-8得Y Fa2=2.35

（3） 蜗轮齿根弯曲应力

[]22121.53()Y cos 1.53 1.12506875 2.3580400cos11.30997980a a F F F K T d d m MPa MPa MPa

σγ

σ=⋅⨯⨯⨯=⨯⨯=<=

弯曲强度足够

圆柱蜗杆传动各几何尺寸：

齿顶高，齿根高：h a =m=4mm h f =1.2m=4.8mm

蜗杆齿顶圆直径，蜗轮喉圆直径：d a1=m(q+2)=96mm, d a2=m(z 2+2)=416mm

齿根圆直径：d f1=m(q-2.4)=60.8mm, d f2=m(z 2-2.4)=380.8mm 蜗杆轴向齿距：P a1=P t2=P x =πm=25.13mm

径向间隙c=0.20m=1.6mm

中心距a=240mm

（三）槽轮的主要参数是槽数Z和拔盘圆销数K

为了让槽轮在开始和终止转动时的瞬时角速度为零，以避免圆销和槽发生撞击，圆销进入或脱落径向槽的瞬时，槽的中心线应相互垂直。设Z为均匀分布的径向槽数目，则槽轮2转过2φ2=2π/Z弧度时，拔盘I的转角2φ1=π-2φ2=π-2π/Z=90°

在一个运动循环内，槽轮2的运动时间T1 对拔盘I的运动时间T之比τ称为运动特征性系数。当拔盘I等速转动时，这个时间之比可用转角之比来表示。

τ=t m/t=2φ1/2π=（z-2）/2z=1/4

设均匀分布的圆销数目为K则一个循环中，槽轮2的运动时间为只有一个圆销时的K倍，

τ=K（z-2）/2z＜1，所以K＜2z/（z-2）=4 一次满足条件

附图：副搅拌机构：

5.实训总结与心得：

此次多功能搅拌机的设计涉及到行星轮，V带，蜗杆传动以及间歇机构等机械结构。这个实践一开始时我们想到了一个行星轮的减速装置，利用行星轮控制正反转，后来发现想要实现这一方面的问题有些困难。于是进行了一些拓展思考，最终将方案定为搅拌机方面的创新，在装置中连接一个间歇机构实现搅拌机内搅拌物品的上下翻转，这样就加上了一个V带传动，一个蜗杆传动以及一个槽轮机构利用这些机构实现了所设计搅拌机的上下翻转功能，这样一个可以在xoy平面做旋转的同时实现在xoz平面旋转的新型搅拌机就出世了。

同时在这次实践中我获益颇多：首先此次创新设计拓展了自己的知识面，也培养了我们敢想，敢说，敢做的意识，这些对自己的创新思维有着很大的帮助，对于创新思维有着一些浅显的认识，自己也能够做出一些简单的创新！同时对一些简易的机械机构都有了一些了解，并掌握了这些机构各自在机械中的具体作用，在具体的设计过程中进一步加深了对所学课程的一些理解，对行星轮及蜗杆机构各尺寸参数的选取都能明了。对于书本上讲解不怎么详细的间歇机构也有了一定的了解！由于时间的关系可能各机构间的衔接还略有不足。这次创新实践在各组员之间的配合完成了，我觉得这很好的培养了我们的团队合作精神，分工明确，大家有了各自的目的做起来也就快了。有了这次的创新训练我想以后的一些类似的问题也能够很好的完成！6.参考资料及文献：

（1）《机械设计基础》杨可桢程光蕴李仲生主编——第五版——：高等教育，2006.5

（2）《机电工程创新训练课程指导书》封立耀王云主编

（3）《机械创新设计》黄纯颖主编——高等教育，2000.7

（4）《机电创新设计》吕仲文主编——机械工程，2004.1

（5）《机电创新训练讲义》——航空航天大学工程训练中心，2001.7 （6）《GBJ107-87混凝土强度检验评定标准》

（7）《多功能搅拌机传动装置的创新设计》朱秀娟———XXXX职业技术学院