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摘 要
為了解決易拉罐需求極大但易拉罐即用即廢的矛盾，本次易拉罐環(huán)?；厥昭b置的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。本設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)易拉罐的有償回收，保證鋁資源的循環(huán)利用。易拉罐回收機(jī)工作原理是：當(dāng)易拉罐由入口通過(guò)通道后，傳感器便會(huì)發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一固定角度。步進(jìn)電機(jī)將要驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)有三:其一，帶動(dòng)曲柄壓力機(jī)構(gòu)壓扁易拉罐；其二，帶動(dòng)送料機(jī)構(gòu)完成間歇送；其三，驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)推出紙巾。此回收機(jī)體積小，功能全，可放置在超市等人流量較大的場(chǎng)所。
關(guān)鍵詞：易拉罐有償回收
I
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Abstract
In order to solve the demand for large cans but it's no use running out of pop cans the design of the recycling device was created.The purpose of this design is to achieve the recycling of cans,ensure the recycling of aluminum resources.The theory of this design:When the pop can pass through the channel from the entrance, the sensor sends a pulse signal to the stepper motor to make the stepper motor rotating a fixed angle.The step motor will drive three movements,Firstly, the crank pressure mechanism is used for pressing the pop top can; secondly, the feeding mechanism is driven to complete the intermittent feeding;.Thirdly, the drive cam mechanism is used to roll out paper towels.This machine is small in size, full function, can be placed in supermarkets and other places larger flow.
Keywords:Can recovery
II
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目 錄
摘 要 IV
Abstract V
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 背景和意義 1
1.3 易拉罐回收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù) 1
1.4 研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) 1
2 總體方案設(shè)計(jì) 3
2.1 易拉罐回收機(jī)的基本設(shè)計(jì)思路 3
2.2 主要機(jī)構(gòu)的布局設(shè)計(jì) 3
2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 4
2.3.1 關(guān)鍵傳動(dòng)部件的配合設(shè)計(jì) 5
2.4 易拉罐傳送通道的整體設(shè)計(jì) 5
2.5 紙巾推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
3 曲軸系的計(jì)算 8
3.1 易拉罐壓縮要求和所需壓力 8
3.1.1 易拉罐參數(shù)測(cè)量 8
3.1.2 易拉罐壓扁所需壓力 8
3.2 曲軸壓力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 9
3.2.1曲柄壓力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 9
3.2.2 曲柄壓力機(jī)構(gòu)的受力分析 10
3.3 曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核 10
3.3.1曲軸所受扭矩的計(jì)算 10
3.3.2 曲軸的尺寸設(shè)計(jì) 11
3.3.3 曲軸的強(qiáng)度校核 12
3.4 連桿的設(shè)計(jì) 13
3.4.1 連桿的尺寸設(shè)計(jì) 13
3.4.2 連桿的校核 14
3.5 沖壓頭的設(shè)計(jì) 14
4 傳動(dòng)系的計(jì)算 15
4.1凸輪推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
4.1.1 確定凸輪輪廓形狀和基本尺寸 15
4.1.2 設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)輪廓并確定尺寸 15
4.2 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.2.1 扭矩的計(jì)算 16
4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)齒輪組的設(shè)計(jì)和校核 17
4.2.3 不完全齒輪組的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
4.3 錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.3.1 選擇齒輪材料和精度等級(jí) 20
4.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 20
4.3.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核 21
4.3.4 錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算 21
5 軸系的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
5.1 軸一的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
5.1.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的直徑 23
5.1.2 設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu) 23
5.1.3聯(lián)軸器的選擇 24
5.1.4軸承的選擇和鍵的選擇 24
5.2 軸二的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
5.2.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配方案 25
5.2.2 尺寸設(shè)計(jì) 25
5.2.3 軸承的選擇和鍵的校核 25
5.3 軸三設(shè)計(jì)計(jì)算 25
5.3.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配方案 26
5.3.2尺寸設(shè)計(jì) 26
5.3.3軸承的選擇和鍵的校核 26
5.4送料盤的設(shè)計(jì) 26
6 電機(jī)選擇 28
6.1 電機(jī)型號(hào)的選擇 28
6.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 29
6.3 減速步進(jìn)電機(jī)鍵的選擇 29
7 總結(jié)與展望 30
參考文獻(xiàn) 31
III
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1 緒論
1.1 引言
我國(guó)作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，資源的消耗量也是與日俱增。在石油、天然氣、煤等燃料迅速消耗的同時(shí)，鐵鋁等工業(yè)原料的消耗也是巨大的。近幾十年來(lái)，鋁材料的應(yīng)用在世界范圍內(nèi)都是越來(lái)越廣泛的，鋁及其合金有廣闊的消費(fèi)前景。但在中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，關(guān)于鋁環(huán)境污染愈來(lái)愈嚴(yán)重，人與自然的矛盾愈加尖銳，環(huán)保問(wèn)題已經(jīng)到了不容忽視的程度。因?yàn)殇X及其合金產(chǎn)品有很大的用途，但科學(xué)研究表明鋁對(duì)人是有害的，能夠造成記人體憶力衰退。所以鋁制品的回收，不僅僅是為了經(jīng)濟(jì)效益，也是為了保護(hù)環(huán)境和人體健康。
1.2 背景和意義
世界各地的易拉罐消費(fèi)量大約在1500萬(wàn)左右，約消耗約2000000噸鋁，占世界總鋁消費(fèi)量的15%。與巨大的易拉罐消耗相對(duì)應(yīng)的卻是回收方面的欠缺，事實(shí)上，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)面對(duì)易拉罐已經(jīng)開發(fā)了各種回收設(shè)備，如易拉罐破碎機(jī)，易拉罐切割機(jī)，易拉罐分揀機(jī)等，但是這些機(jī)器面對(duì)的都是已經(jīng)經(jīng)過(guò)商販回收來(lái)的易拉罐，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一道回收工序，這無(wú)疑增加了回收成本，降低了做易拉罐回收企業(yè)的積極性。所以生產(chǎn)一臺(tái)自助式的易拉罐環(huán)?；厥諜C(jī)顯得格外重要，將它安置在人流量較大的地方，行人只需要將易拉罐放入就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)易拉罐回收。易拉罐回收機(jī)對(duì)易拉罐壓縮后，其體積只有原來(lái)的四分之一，這也將大大延長(zhǎng)易拉罐裝滿存儲(chǔ)箱的時(shí)間。
1.3 易拉罐回收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)
本次易拉罐環(huán)保回收裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是，易拉罐壓縮機(jī)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中，壓縮易拉罐采用的是曲柄壓力機(jī)構(gòu)。曲柄壓力機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)的一種演變，在沖壓加工中,曲軸通過(guò)連桿將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)傳遞給滑塊,當(dāng)滑塊在下死點(diǎn)附近時(shí)受到最大的壓力，曲軸所受載荷最大。
曲柄壓力機(jī)構(gòu)由曲軸、連桿、沖壓頭組成，用導(dǎo)軌對(duì)連桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束。對(duì)心式的曲柄機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較偏心式而言，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊。故而，選擇對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
1.4 研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
本課題需要重點(diǎn)研究的對(duì)象包括：曲柄壓力機(jī)構(gòu)，凸輪推送機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是：在獨(dú)立設(shè)計(jì)好這三個(gè)機(jī)構(gòu)的同時(shí)也要協(xié)調(diào)好這三個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，力求做到完美配合。
以往相似的研究中，作者大多采用多動(dòng)力源和很多的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的協(xié)調(diào)。毫無(wú)疑問(wèn)這種設(shè)計(jì)是非常簡(jiǎn)單的，但是實(shí)際上機(jī)械零件繁多，較多的電機(jī)使得不同電機(jī)的運(yùn)動(dòng)很難協(xié)調(diào)，而且容易發(fā)生故障。電機(jī)的轉(zhuǎn)速比有一點(diǎn)小小的偏差就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉，甚至零件直接破壞，帶來(lái)安全隱患。
本次設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處就在于整個(gè)機(jī)器只有一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)三個(gè)機(jī)構(gòu)共同協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并能完美配合、精確定位，這就使機(jī)器的結(jié)構(gòu)緊湊，即使電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)，機(jī)器運(yùn)動(dòng)也不會(huì)受到較大影響，更沒有安全隱患的顧慮。這樣的設(shè)計(jì)思路使得本次設(shè)計(jì)的中心落在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上而不是傳感器電路的設(shè)計(jì)上。
13
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 易拉罐回收機(jī)的基本設(shè)計(jì)思路
本次易拉罐有償回收機(jī)的設(shè)計(jì)包括送料裝置、易拉罐壓扁機(jī)構(gòu)、紙巾推送機(jī)構(gòu)等，其中又以送料裝置和易拉罐壓扁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為主要部分。易拉罐的空罐投入口位于機(jī)器的上表面，易拉罐經(jīng)傳送通道直接落在料斗中
圖2.1 易拉罐回收機(jī)流程圖
當(dāng)易拉罐進(jìn)入送料裝置后，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，給整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，使曲軸系完成易拉罐的壓縮；送料裝置完成間歇送料；推送裝置完成紙巾的推出。間歇送料裝置位于機(jī)架的托盤上，已被壓縮的易拉罐會(huì)隨著送料裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，已被壓扁的易拉罐將通過(guò)機(jī)架托盤上的通孔直接掉落到位于托盤正下方的存儲(chǔ)箱中，由此易拉罐的一次有償回收便完成了。
2.2 主要機(jī)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)
易拉罐有償回收機(jī)主要包括送料裝置、易拉罐壓扁機(jī)構(gòu)、紙巾推送機(jī)構(gòu)等。把上述各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)歸納為機(jī)架系、傳送系、傳動(dòng)系和曲軸系。機(jī)架主要起到固定和支撐各機(jī)構(gòu)和部件的功能。傳送系主要由兩個(gè)可供易拉罐通過(guò)的圓柱通道構(gòu)成，它的作用主要是將易拉罐傳送到指定位置。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和軸一相連，傳遞運(yùn)動(dòng)和能量。軸二通過(guò)錐齒輪和軸一相連，負(fù)責(zé)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)推送紙巾和傳遞間歇運(yùn)動(dòng)。軸三通過(guò)不完全齒輪組和軸二相連，負(fù)責(zé)帶動(dòng)易拉罐的間歇運(yùn)動(dòng)。曲軸系統(tǒng)主要由沖壓頭、連桿和曲軸組成，它與軸一相連，完成易拉罐的壓縮運(yùn)動(dòng)。
2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
可供選擇的常用機(jī)械傳動(dòng)方式有:
帶傳動(dòng)
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，制造和安裝精度要求相對(duì)較低；可以實(shí)現(xiàn)較大中心距之間的傳動(dòng)；振動(dòng)小，噪聲低，傳動(dòng)平穩(wěn)；在高速級(jí)可以起到緩沖吸震、過(guò)載保護(hù)的作用。
缺點(diǎn):由于彈性滑動(dòng)存在，皮帶傳動(dòng)沒有固定的傳動(dòng)比；整體尺寸大，需要安裝大的地方；效率低，壽命短。
齒輪傳動(dòng)
優(yōu)點(diǎn):效率高，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)可靠、穩(wěn)定；傳動(dòng)比固定；不僅可實(shí)現(xiàn)平行軸之間的傳動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)任意角相交軸和交錯(cuò)軸之間傳動(dòng)。
缺點(diǎn):加工和安裝精度高，成本貴；傳動(dòng)距離有限。
因?yàn)榍鷫嚎s機(jī)構(gòu)和間歇送料機(jī)構(gòu)之間有嚴(yán)格的傳動(dòng)比要求，并且還要實(shí)現(xiàn)相交軸之間的傳動(dòng)，故而本次設(shè)計(jì)選用的是齒輪傳動(dòng)。傳動(dòng)示意圖如圖2.2所示：
圖2.2 易拉罐環(huán)?；厥諜C(jī)傳動(dòng)示意圖
本次傳動(dòng)裝置的動(dòng)力源選用能根據(jù)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如圖2.5所示，步進(jìn)電機(jī)和軸一通過(guò)聯(lián)軸器相連，傳遞運(yùn)動(dòng)和能量。軸二通過(guò)錐齒輪和軸一相連，負(fù)責(zé)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)推送紙巾和傳遞間歇運(yùn)動(dòng)。軸三通過(guò)不完全齒輪組與軸2連接，并負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)。曲柄壓力機(jī)構(gòu)與軸一相連，負(fù)責(zé)將易拉罐壓縮至指定厚度。
2.3.1 關(guān)鍵傳動(dòng)部件的配合設(shè)計(jì)
為了保證送料裝置和壓罐裝置嚴(yán)格的相對(duì)位置，必須保證傳動(dòng)系統(tǒng)中嚴(yán)格的傳動(dòng)比。因而本次設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)而放棄了造價(jià)低廉但傳動(dòng)比不穩(wěn)定的帶傳動(dòng)。錐齒輪的傳動(dòng)比為1:1，曲軸和軸一用聯(lián)軸器連接，所以兩軸具有相同的速度，而不完全齒輪組的傳動(dòng)比為1:4。所以，曲軸轉(zhuǎn)一圈，軸三轉(zhuǎn)1/4圈。
圖2.3 關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系圖
如圖2.3所示,回收機(jī)啟動(dòng)時(shí)，沖壓頭位于上止點(diǎn)，不完全齒輪組剛好脫離嚙合；當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)90°，沖壓頭行至中間位置，不完全齒輪組的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)90°，送料裝置禁止不動(dòng)；當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)180度時(shí)，沖壓頭行至下止點(diǎn)，完成罐的壓縮運(yùn)動(dòng)，不完全齒輪組主動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)180度，仍不送料；當(dāng)曲軸軸轉(zhuǎn)270°后，沖壓頭上行至中間位置，不完全齒輪組的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)270°，此時(shí)不完全齒輪組恰好開始嚙合；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)360°后，即完成一個(gè)工作循環(huán)，不完全齒輪組的主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)360°，從動(dòng)輪完成送料，并將已被壓扁的易拉罐經(jīng)機(jī)架托盤上的通孔送走，同時(shí)將未壓縮的易拉罐送至曲柄沖壓頭下方。上述運(yùn)動(dòng)在完成一次沖壓的同時(shí)，也為下次壓縮的送料做好了準(zhǔn)備。
2.4 易拉罐傳送通道的整體設(shè)計(jì)
如圖2.3所示，易拉罐經(jīng)機(jī)器上方的入口放入后，靠自身的重力通過(guò)出口，即識(shí)別旋轉(zhuǎn)臺(tái)的正上方。當(dāng)多個(gè)易拉罐同時(shí)放入機(jī)器時(shí)，為了防止卡死進(jìn)而引發(fā)機(jī)器故障，必須保證每次落入識(shí)別旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的易拉罐只有一個(gè)。因此，在上、下傳輸通道的設(shè)計(jì)都裝有傳感器，分別的作用是：當(dāng)傳感器1檢測(cè)物體的進(jìn)入后發(fā)送信號(hào)給繼電器，繼電器帶動(dòng)擋板密封入口，阻礙物品的再次進(jìn)入。大約3秒后，擋板復(fù)位。傳送道下方傳感器2的主要作用是，當(dāng)物品通過(guò)傳感器2時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)給出口下方識(shí)別裝置，識(shí)別裝置開始工作。經(jīng)過(guò)識(shí)別裝置確認(rèn)是易拉罐后，易拉罐將通過(guò)另一僅含傳感器2的相似通道，步進(jìn)電機(jī)開始工作。
圖2.4 易拉罐傳送通道示意圖
2.5 紙巾推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本次易拉罐綠色回收裝置的設(shè)計(jì)要求是，每回收一個(gè)易拉罐，推送出一包紙巾。紙巾推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案有以下兩種：第一種是另用電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)滾珠絲杠推出紙巾，這是一個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)；如圖2.6 所示
圖2.6 紙巾推送機(jī)構(gòu)示意
第二種設(shè)計(jì)方案是在軸三上設(shè)計(jì)一個(gè)凸輪推出機(jī)構(gòu)，還是由總的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖2.7所示
圖2.7 凸輪推出機(jī)構(gòu)示意圖
最后選擇第二種設(shè)計(jì)方案，將凸輪機(jī)構(gòu)置于軸二上，這減少了電機(jī)數(shù)并且使得各機(jī)構(gòu)之間不會(huì)發(fā)生干涉、卡死等現(xiàn)象。因?yàn)橥馆喩系倪B桿需要將紙巾成功推出，因此，將與連桿相連的活塞設(shè)計(jì)為和紙巾相似的長(zhǎng)方體，活塞厚度等于紙巾厚度。
第3章 曲軸系的計(jì)算
3 曲軸系的計(jì)算
3.1 易拉罐壓縮要求和所需壓力
3.1.1 易拉罐參數(shù)測(cè)量
本次易拉罐有償回收機(jī)的設(shè)計(jì)，主要針對(duì)市場(chǎng)上流通很廣的罐裝飲品如，“可口可樂”，“雪碧”，“紅?！钡?。對(duì)多種易拉罐的參數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)量，結(jié)果見表3.1（單位：mm）：
表3.1 易拉罐罐身參數(shù)表
項(xiàng)目
罐體高
易拉罐直徑
蓋面直徑
底蓋面厚度
側(cè)壁厚度
十次測(cè)量均值
115.60
66.08
53.72
0.28
0.13
本次設(shè)計(jì)的要求是，經(jīng)過(guò)壓縮使易拉罐的高度h=30mm。
3.1.2 易拉罐壓扁所需壓力
由于實(shí)驗(yàn)條件限制，且身邊恰好有體重計(jì)，所以采用人力踩扁易拉罐的方式在體重計(jì)上讀取示數(shù)，估算出易拉罐壓扁所需壓力。易拉罐置于體重計(jì)上，在易拉罐的軸向上施加人的重力，直至易拉罐壓扁。全程用手機(jī)錄制體重計(jì)示數(shù)，方便實(shí)驗(yàn)結(jié)束后讀取示數(shù)。易拉罐從開始受力直至被壓扁，途中易拉罐開始變形的一瞬間，讀數(shù)有一明顯躍遷，該示數(shù)便為本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)力。測(cè)量12只“可口可樂”易拉罐，其讀數(shù)如下表3.2(單位：kg):
表3.2 壓扁易拉罐所需質(zhì)量
讀數(shù)為質(zhì)量，需要換算為力，取g=10N/Kg。
（3.1）
本次實(shí)驗(yàn)只是選用了“可口可樂”易拉罐作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)際生活中卻有各式各樣的易拉罐，為了避免取樣不足，取壓扁力
（3.2）
取壓扁力P=2.1KN。根據(jù)上訴的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，確定Pg(曲柄壓力機(jī)構(gòu)公稱壓力)=1.9P=4KN足以壓扁絕大部分易拉罐。為了計(jì)算方便和增大曲柄壓力機(jī)構(gòu)的可靠性，認(rèn)為易拉罐的罐體高H=120mm，直徑D=70mm。
3.2 曲軸壓力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
曲柄壓力機(jī)構(gòu)是壓縮易拉罐的機(jī)構(gòu)，也是本次易拉罐回收裝置的核心機(jī)構(gòu)之一，其運(yùn)動(dòng)分析和受力分析是設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵，當(dāng)然曲軸、連桿和沖壓頭的設(shè)計(jì)計(jì)算我們也必須考慮在內(nèi)。
3.2.1曲柄壓力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
圖3.1為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，其中連桿通過(guò)鉸鏈A與曲柄相連，通過(guò)鉸鏈B與沖壓活塞相連。該機(jī)構(gòu)通過(guò)連桿連接，將曲柄角速度為ω的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沖壓活塞的瞬時(shí)速度為v的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。曲柄壓力機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)如下：
公稱壓力：Pg=4KN
曲柄半徑：R=50mm
連桿長(zhǎng)度：L=210 mm
活塞行程：S=100 mm
（1） S-曲線的繪制 圖3.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
圖中s代表曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α角度時(shí)，活塞的豎直方向上的位移。行程S與曲柄轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系可表達(dá)為:
（3.3）
式中，R----曲軸半徑
----連桿系數(shù)，
L----連桿長(zhǎng)度
當(dāng)α=0°時(shí)（下死點(diǎn)），
；
當(dāng)α=90°時(shí)，
當(dāng)α=180°時(shí)（上死點(diǎn)），
；
當(dāng)α=270°時(shí)，
；
當(dāng)α=360°時(shí)（下死點(diǎn)），
。
（2） 活塞速度的計(jì)算
（3.4）
ω----曲柄角速度，
當(dāng)=90°，V有最大值，此時(shí)活塞速度最大，
3.2.2 曲柄壓力機(jī)構(gòu)的受力分析
活塞所受導(dǎo)軌正壓力Q（不計(jì)摩擦了），易拉罐對(duì)活塞的反作用力P,連桿對(duì)活塞的壓力三力平衡。受力簡(jiǎn)圖如圖3.3所示：
式中，
由 可知，，λ=0.23。
當(dāng)=90°，β=13.29°因而，可近似認(rèn)為cosβ=1，。所以
（3.5）
（3.6）
圖3.3 曲柄結(jié)構(gòu)受力分析簡(jiǎn)圖
3.3 曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核
3.3.1曲軸所受扭矩的計(jì)算
曲軸在工作時(shí)受兩個(gè)扭矩作用，一個(gè)是連桿上的作用在曲軸上的壓力產(chǎn)生的扭矩，另一個(gè)則是因摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩。我們把不受摩擦力只受工作壓力時(shí)，曲軸所承受的扭矩叫為理想扭矩。
(3.7) 式中， Mgl----理想扭矩
αg----公稱壓力角
可是，在正常的工作條件下，摩擦力矩往往是存在的，且隨著壓力角α的變化而變化，但是這種變化的幅度很小，在非精確計(jì)算時(shí)，認(rèn)為摩擦力矩是定值。
（3.8）
式中， μ----摩擦系數(shù)，取0.04~0.05
do----曲軸支撐頸直徑
當(dāng)壓力角α=αg時(shí)，曲軸上的總扭矩為公稱扭矩Mg，有
（3.9）
將式（3.7）、（3.8）代入（3.9）得：
（3.10）
令，其中mg為當(dāng)量力臂，令αg=30°時(shí)，可得μ=0.04
求得 Mg= 128674N.mm
3.3.2 曲軸的尺寸設(shè)計(jì)
曲軸是本次設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要零件，它在工作時(shí)受到往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力一起作用，使曲軸承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的組合作用，因此要求曲軸的強(qiáng)度和剛度要滿足要求。這對(duì)曲軸的制造提出了較高的要求，在工藝加工過(guò)程中曲軸 一般由45號(hào)鋼鍛制而成，對(duì)于45鋼，[τ]=80MPa，[σ]=（100~140）MPa。曲軸的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算曲軸的尺寸，最后再用理論公式進(jìn)行校核。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，曲軸的直徑。考慮到do的值應(yīng)與曲柄半徑R接近，且便于加工，因此，取do=40mm。曲軸其它部位如圖3.4所示：
圖3.4 曲軸形狀簡(jiǎn)圖
其各個(gè)部分的尺寸參數(shù)如表3.3：
表3.3 曲軸尺寸參數(shù)表
曲軸各部分名稱
代號(hào)
經(jīng)驗(yàn)公式（mm）
取值范圍 (mm)
取值(mm)
曲柄軸軸頸直徑
（1.1~1.4）do
44~56
50
連桿球頭軸徑
32~36
35
支承頸長(zhǎng)度
lo
(1.25~1.8)do
50~72
50
曲柄頸長(zhǎng)度
la
(1~1.5)do
40~60
45
圓角半徑
r
(0.08~0.10)do
3.2~4
3.5
曲柄臂外側(cè)長(zhǎng)度
(2~2.5)do
80~100
82
曲柄臂寬
a
(1.3~1.8)do
52~72
60
3.3.3 曲軸的強(qiáng)度校核
曲軸的校核：可簡(jiǎn)化曲軸所受載荷和其支撐方式。簡(jiǎn)化模型如圖3.5所示：
圖3.4 簡(jiǎn)化模型彎矩圖
危險(xiǎn)截面的計(jì)算，B-B截面
（3.13）
危險(xiǎn)截面C-C的彎矩為
（3.14）
將數(shù)據(jù)分別帶入式（3.13）、（3.14）得，σ=8.4MPa≤[σ]=（100~140）MPa，符合；mg=25.28mm，τ=9.3MPa≤[τ]，符合。
3.4 連桿的設(shè)計(jì)
3.4.1 連桿的尺寸設(shè)計(jì)
連桿用于連接曲柄和沖壓頭，本課題選用柱銷式連桿，采用球墨鑄鐵QT45-5鑄造，[σy]=85MPa。
如圖3.5所示，將連桿設(shè)計(jì)成上連桿和下連桿，上下連桿用4個(gè)螺栓螺母進(jìn)行固定，規(guī)格為M6×40。
圖3.5連桿示意圖
連桿的各尺寸如表3.4所示
表3.4 連桿尺寸參數(shù)表
3.4.2 連桿的校核
連桿的校核，只需要比較連桿的壓縮應(yīng)力和許用應(yīng)力的關(guān)系即可，校核公式如下：
（3.15）
式中:[σy]-----許用壓縮應(yīng)力，[σy]=85MPa
Amin-----最小截面積
最小截面積可用以下公式進(jìn)行近似計(jì)算
（3.16）
將數(shù)據(jù)代入（3.15）以及（3.16），得σy=11.9 MPa≤[σy]，符合
圖3.6 沖壓頭示意圖
3.5 沖壓頭的設(shè)計(jì)
圖3.6為沖壓頭簡(jiǎn)圖，其材質(zhì)為HT200，考慮到易拉罐的上下表面小圓直徑為D=54mm，所以沖壓頭的外徑設(shè)計(jì)為60mm，其余尺寸如表3.5
表3.5 沖壓頭尺寸參數(shù)表
符號(hào)
取值mm
符號(hào)
取值mm
d1
60
a
27
dB
6
b
30
h1
56
c
7.5
h2
15
L
182
L1
22
L2
44
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，沖壓頭無(wú)需校核強(qiáng)度。
39
第4章 傳動(dòng)系的計(jì)算
4 傳動(dòng)系的計(jì)算
4.1凸輪推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
凸輪機(jī)構(gòu)是一種常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成的高副機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)可以通過(guò)改變凸輪輪廓曲線，獲得預(yù)期的任意規(guī)律運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)中，紙巾的推出就是通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
4.1.1 確定凸輪輪廓形狀和基本尺寸
（1） 壓力角α的確定
凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件的受力方向和其速度方向所夾銳角稱為壓力角。壓力角α越大則其有效分力越小，凸輪性能相應(yīng)越差。所以在設(shè)計(jì)中需用規(guī)定壓力角的許用值：移動(dòng)從動(dòng)件，擺動(dòng)從動(dòng)件。
（2） 基圓半徑的確定
基圓半徑越大，壓力角α越小，傳動(dòng)性能也就越好?？梢栽囘x基圓半徑，校核輪廓壓力角，若不滿足要求則增大基圓半徑直至滿足。
（3） 滾子半徑的確定
其中，ρ為曲率半徑
4.1.2 設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)輪廓并確定尺寸
為了使從動(dòng)推桿將紙巾推出，則凸輪機(jī)構(gòu)推運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件的升距必須大于紙巾寬度50㎜，將從動(dòng)件的行程確定為h=70㎜。從動(dòng)件的的推程運(yùn)動(dòng)為等加速等減速，從動(dòng)件的回程運(yùn)動(dòng)為等速運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖4.1所示：
圖4.1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律
初步確定凸輪機(jī)構(gòu)的基圓半徑為50㎜，利用“反轉(zhuǎn)法”繪制凸輪輪廓曲線并確定凸輪推出機(jī)構(gòu)尺寸，如圖4.2：
圖4.2 凸輪送料機(jī)構(gòu)
經(jīng)過(guò)檢查，壓力角，故基圓半徑合適。
4.2 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
不完全齒輪機(jī)構(gòu)是一種間歇機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)中，從動(dòng)輪的齒數(shù)是主動(dòng)輪的四倍，所以主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一圈從動(dòng)輪只會(huì)轉(zhuǎn)四分之一圈。該機(jī)構(gòu)的主要作用是實(shí)現(xiàn)間歇送料。易拉罐的質(zhì)量相對(duì)于送料盤而言可以忽略不計(jì)，故設(shè)計(jì)計(jì)算不需要考慮。
4.2.1 扭矩的計(jì)算
將送料盤簡(jiǎn)化成圓盤 ，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
（4.1）
式中 m----圓盤質(zhì)量
R----圓盤半徑
以料斗半徑和料斗中心所在圓半徑之和為圓盤半徑R,R=100 mm,取圓盤的近似厚度為h2’=60mm,則圓盤的質(zhì)量
（4.2）
為了減小工作時(shí)的慣性力，也為了制造的方便性，送料盤選用聚丙烯制造，聚丙烯材料的大致密度ρ=1.26g/cm3。求得，圓盤的質(zhì)量m≈2kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由前訴可知，各軸轉(zhuǎn)速n1=n2=1r/s=2πrad/s，當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)90°即機(jī)器完成一個(gè)易拉罐回收時(shí)，做功為
（4.3）
圓盤動(dòng)能E為 （4.4）
根據(jù)能量守恒，可知W=E，即Tt=Jω （4.5）
得轉(zhuǎn)矩T=128.4 N ?mm，紙巾提出機(jī)構(gòu)忽略不計(jì)，T2=T3=T。
4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)齒輪組的設(shè)計(jì)和校核
對(duì)于不完全齒輪組的設(shè)計(jì)和校核，可先計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)齒輪，再計(jì)算不完全齒輪。初步擬定其從動(dòng)輪和主動(dòng)輪齒數(shù)相同都為52，先按標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的方法進(jìn)行計(jì)算和校核。齒輪硬度為240HBS≤350HBS（軟齒面），故先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根接觸疲勞強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)公式
（4.6）
式中 ZE---材料彈性系數(shù)，
ZH---節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，
K---載荷系數(shù)
u---齒數(shù)比，1
T1---轉(zhuǎn)矩，N·mm
[σH]---齒輪材料的許用接觸應(yīng)力，Mpa
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》選載荷系數(shù)K=1.3；軟齒面懸臂布置，選Φd=0.5；表查得ZE=189.8；σHlim=550MPa；應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N=60njLH=5475000次；接觸疲勞壽命系數(shù)ZN=1.35，安全系數(shù)SH=1，將以上數(shù)據(jù)代入（4.6）得，d1≥13.8mm。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所需轉(zhuǎn)矩很小，導(dǎo)致齒輪分度圓直徑的最小值不大。為了加工方便，可以在要求范圍內(nèi)選用適當(dāng)?shù)姆侄葓A直徑。選擇d1=75mm，則m=1.5，得出中心距a==75mm，齒寬b=20mm。
4.2.3 不完全齒輪組的設(shè)計(jì)計(jì)算
不完全齒輪組的嚙合方式如圖4.2所示
圖4.2 不完全齒輪齒廓嚙合示意圖
不完全齒輪組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，工作可靠，其主動(dòng)輪上的凸輪止弧與從動(dòng)輪上的凹輪止弧相配合，可以實(shí)現(xiàn)從動(dòng)輪的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。其缺點(diǎn)則是，在從動(dòng)輪剛進(jìn)入和脫開嚙合那一刻，速度突變引起剛性沖擊，故一般只用于低速、輕載場(chǎng)合。
為避免二次沖擊，需要校核首齒與第二齒之間的重合度εa
ε （4.8）
鎖止弧設(shè)計(jì)，其凹弧半徑Ra的計(jì)算公式為
（4.9）
圖4.3 鎖止弧示意圖
如圖4.2所示，鎖止凸弧中點(diǎn)S的確定：即確定通過(guò)S點(diǎn)的向徑01S與首齒中線O1Ms之間的夾角QS。
（4.10）
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得計(jì)算公式，如表4.1所示
表4.1 不完全齒輪組計(jì)算公式
經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算，不完全齒輪組的工作示意圖如圖4.4所示
圖4.4 不完全齒輪組的工作示意圖
4.3 錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算
錐齒輪用來(lái)傳遞垂直分布的軸一和軸二這兩相交軸之間的力和運(yùn)動(dòng)，由上訴條件可知，錐齒輪所要傳遞轉(zhuǎn)矩T=128.4 N ?mm，齒數(shù)比u=1故主從動(dòng)輪的幾何參數(shù)都相等，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1=60r/min，壽命20年（按一年300天計(jì)）。采用一班制工作。
4.3.1 選擇齒輪材料和精度等級(jí)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表11.8，選擇齒輪的材料均為：45鋼調(diào)質(zhì)，硬度為250HBS；精度等級(jí)選為8級(jí)，要求齒輪表面的粗糙度，試選齒輪的齒數(shù)Z1=Z2=40。
4.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，公式11.50有齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式,
(4.13)
式中，齒寬系數(shù)，R為錐距，其余各符號(hào)都與上述直齒輪相同。
試選載荷系數(shù)K=1.3，取寬度系數(shù)=0.30，彈性系數(shù)查表11.11可得ZE=189.8 ，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N=60njLH=60×60×1×20×300×8=1.73×次。查圖11.28可得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN=1.1，查圖11.25=560Mpa，表11.9 SH=1。由式11.15可得
(4.13)
故，
=12.16mm
為了制造和安裝方便，取d=100mm，則mm。
4.3.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核
校核公式為
(4.14)
齒形系數(shù)查表11.12可得，YF=2.41；應(yīng)力修正系數(shù)查表11.13可得，YS=1.67。許用彎曲應(yīng)力查圖11.26可得，；安全系數(shù)查表11.9可得，SF=1.4；彎曲疲勞壽命系數(shù)查圖11.27可得，YN=1。由式11.16可得：
(4.15)
故，
=0.35Mpa≤[σF]
齒根彎曲強(qiáng)度校核合格。
4.3.4 錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算
本次設(shè)計(jì)的錐齒輪中，由于齒數(shù)相等，所以主從動(dòng)輪的幾何參數(shù)全相等。根據(jù)上述計(jì)算所得，m=2.5，z=40。幾何尺寸計(jì)算表如表4.2所示
表4.2 錐齒輪傳動(dòng)（）幾何尺寸計(jì)算參數(shù)表
名稱（符號(hào)）
符號(hào)
計(jì)算公式
取值
分度圓直徑
d
d=mz
100mm
齒頂高
ha
ha=ha*m
2.5mm
齒根高
hf
hf=（ha*+c*）m
3.125mm
分度圓錐角
δ
δ1=δ2=45°
齒頂圓直徑
da
103.5mm
齒根圓直徑
df
95.6mm
錐距
R
70.7mm
齒寬
b
b≤?R
25mm
齒根角
θf(wàn)
2.53°
齒頂角
θa
等齒系收縮齒：θa=θf(wàn)
2.53°
頂錐角
δa
δa=θa+δ
47.53°
根錐角
δf
δf=δ-θf(wàn)
42.47°
當(dāng)量齒數(shù)
zv
56
第5章 軸系的設(shè)計(jì)計(jì)算
5 軸系的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 軸一的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸一通過(guò)聯(lián)軸器連接曲柄壓力機(jī)構(gòu)，通過(guò)錐齒輪連接送料機(jī)構(gòu)。承受較大扭矩，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。軸一的材料選為45鋼。
5.1.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的直徑
軸的設(shè)計(jì)計(jì)算公式： （5.1）
查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表16.2，30MPa≤[τ]≤40MPa，取[τ]=40MPa。由上述計(jì)算可得T總=T+Mg，Mg=128674N.mm，T=128N.mm得，T總=128802N.mm。將上述數(shù)據(jù)帶入式（5.1），求得d≥25.25mm。又因?yàn)檩S上需要開出3個(gè)鍵槽，需要把軸的直徑增大15％。由設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)直徑30mm。
5.1.2 設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)
（1） 作出裝配簡(jiǎn)圖。裝配簡(jiǎn)圖如圖5.1所示：
圖5.1軸一裝配簡(jiǎn)圖
（2） 確定各軸段的直徑
兩端軸徑最小，故ab與ij段的直徑為30mm；gh段上安裝軸承，故取dcd=dgh=35mm；考慮到要對(duì)安裝在ab段與ij段的聯(lián)軸器進(jìn)行定位，取dbc=dhi=32mm；相同的方法確定ef和fg段，def=48mm，dfg=40mm；為滿足左端軸承的軸向定位，de段為軸環(huán)，取dde=44mm。
（3） 確定各軸段的長(zhǎng)度
為了保證齒輪固定可靠，fg段應(yīng)該略小于齒輪輪轂寬度，lfg=23mm；取lab=lij=30·mm；lbc=lhi=15mm；lcd=17mm；取lde=lef=3mm，lgh=70mm。
5.1.3聯(lián)軸器的選擇
ab段同電機(jī)相連，ig段同工作機(jī)構(gòu)軸相連，由于本次設(shè)計(jì)所需轉(zhuǎn)速不高，且工作機(jī)構(gòu)啟動(dòng)頻繁，參考GB/T 5014-2003聯(lián)軸器擬選用HL2型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱扭矩T=325N?m，許用轉(zhuǎn)速5600r/min,軸孔直徑20~35mm。聯(lián)軸器選型的計(jì)算扭矩為：
（5.2）
式中 Tc---計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N?m
T----名義轉(zhuǎn)矩，N?m
K----工作情況系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》可得K=2.5
求得Tc=253N?m＜325N?m，選型合格。軸孔直徑30mm。
5.1.4軸承的選擇和鍵的選擇
1) 選擇軸承
軸一既要承受軸向力又要承受徑向力，根據(jù)GB/T 297-1994選擇圓錐滾子軸承30207，其基本尺寸d×D×T為35×72×18。
2) 鍵的選擇
軸一上承載了較大的扭矩，因此需要對(duì)鍵進(jìn)行校核。查，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表8.2可得，[σp]=100MPa。
校核公式， （5.2）
式中 T---傳遞的轉(zhuǎn)矩
h----鍵高
l----鍵的工作長(zhǎng)度
d----軸徑
軸一上ab和ij段的直徑都是30mm，長(zhǎng)度為52mm，鍵的選型為普通平鍵（A型），查表8.1,得出其主要尺寸為b×h×L=8×7×40mm，l=L-b=32mm。將數(shù)據(jù)帶入公式（5.2），求得σp=60.1MPa≤[σp]=100MPa，擠壓強(qiáng)度滿足要求。fg段直徑dfg=40mm，長(zhǎng)度lfg=40mm，鍵的選型為普通平鍵（A型）查表8.1,得出其主要尺寸為b×h×L=12×8×18` `mm，l=L-b=13mm。將數(shù)據(jù)帶入公式（5.2），求得σp=97.1MPa≤[σp]=100MPa，擠壓強(qiáng)度符合要求。
5.2 軸二的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸二安裝有凸輪推送機(jī)構(gòu)并且連接著軸一和軸三，軸二傳遞扭矩和軸三相似，因而無(wú)需對(duì)其校核，材料和軸一相同。
5.2.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配方案
軸二豎直布置，錐齒輪從動(dòng)輪在上端，凸輪在下。軸上零件的固定方式與軸一相似，軸向采用套筒、臺(tái)階、軸承端蓋等固定，周向采用鍵或過(guò)盈配合。裝配簡(jiǎn)圖如圖所示
圖5.2 軸二的裝配簡(jiǎn)圖
5.2.2 尺寸設(shè)計(jì)
錐齒輪組從動(dòng)輪與軸裝配的孔深h2=33mm，與軸裝配的孔徑dgh=40 mm，不完全齒輪組主動(dòng)輪與軸裝配的孔徑d0=30mm，因此取dab=30mm，dgh=40mm，lfg=33mm，lgh=30mm，又因?yàn)椴煌耆X輪主動(dòng)輪的寬度b=20mm，所以取lab=18mm；cd段用于安裝軸承，所以cd段必須能與軸承完美配合，取dcd=dfg=45mm，lcd=19mm；擋油環(huán)的存在，使得fg段較cd段長(zhǎng)，取lfg=29mm。在ef段上設(shè)置軸肩，滿足了凸輪的軸向定位，取dde=56mm，lde=4mm；相應(yīng)的對(duì)bc段而言，要在bc段上設(shè)置軸肩，取dbc=35mm，lbc=24mm。damin=42mm，因此取def=50mm，lef=45mm。
5.2.3 軸承的選擇和鍵的校核
軸二根據(jù)GB/T 297-1994選擇圓錐滾子軸承30208，其基本尺寸d×D×T為40×80×20。軸二所受扭矩較小，因此鍵的擠壓強(qiáng)度無(wú)需校核。軸二鍵的選型步驟和軸一相同，ab段選型和軸一相同，其主要尺寸b×h×l=6×7×14mm；gh段選型和ab相同，其主要尺寸b×h×l=8×8×24mm；軸二在凸輪處直徑為def=50mm，長(zhǎng)度lef為45mm，任然選擇A型平鍵，其主要尺寸b×h×l=12×9×30mm。
5.3 軸三設(shè)計(jì)計(jì)算
軸三垂直放置，45鋼。通過(guò)上述計(jì)算已經(jīng)求得，軸三所承載轉(zhuǎn)矩約為128N.mm，相較曲柄軸而言是個(gè)很小的負(fù)載，所以軸的尺寸不需要校核。軸三材質(zhì)為45鋼。
5.3.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配方案
軸上零件的固定方式與軸一相似，軸向采用套筒、臺(tái)階、軸承端蓋等固定，周向采用鍵和過(guò)盈配合。裝配簡(jiǎn)圖如圖所示
圖5.3 軸三的裝配簡(jiǎn)圖
5.3.2尺寸設(shè)計(jì)
因?yàn)椴煌耆X輪組從動(dòng)輪和送料盤與軸裝配的直徑相同且都為d0=20，故取dab=dfg=20mm，不完全齒輪組從動(dòng)輪通過(guò)鍵在軸上周向固定，鍵槽的存在使fg段的長(zhǎng)度不能過(guò)小，所以取lfg=18mm，在ab段設(shè)有套筒，以滿足軸向定位，因此取lab=25mm；de段上用于安裝軸承，所以de段必須能與軸承完美配合，因此取dde=dbc=25mm，lde=16mm，lbc=22mm；不完全齒輪組從動(dòng)輪通過(guò)軸肩完成周向定位，取def=24mm，lef=24mm,；根據(jù)GB/T297-1994,中間軸端cd的直徑damin=34mm，所以取dcd=35mm，lcd=45mm。
5.3.3軸承的選擇和鍵的校核
軸二選擇圓錐滾子軸承32005，其基本尺寸d×D×T為25×47×15。軸二所受扭矩較小，鍵的擠壓強(qiáng)度無(wú)需校核。軸三鍵的選型步驟和軸一相同，fg段選擇普通平鍵（A型），其主要尺寸b×h×l=6×6×16mm；ab段是A型平鍵，其主要尺寸b×h×l=10×8×22mm；
5.4送料盤的設(shè)計(jì)
送料盤示意圖如圖5.4所示
圖5.4 送料盤示意圖
送料盤通過(guò)平鍵和軸三連接，和軸三垂直。本次設(shè)計(jì)的送料盤有四個(gè)料斗，均勻分布在圓周上。為了減小送料盤的質(zhì)量和因轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，也為了加工方便，本次送料盤材料采用聚丙烯。料斗的高度過(guò)大容易和壓力機(jī)構(gòu)的沖壓頭發(fā)生干涉，過(guò)小則容易把易拉罐甩出。料斗高度設(shè)計(jì)為適中的90mm，為了易拉罐通道和軸不發(fā)生干涉，d1應(yīng)選擇較大值。送料盤尺寸如表5.1所示
表5.1 送料盤參數(shù)表
第6章 電機(jī)的選擇
6 電機(jī)選擇
6.1 電機(jī)型號(hào)的選擇
本課題選擇的是能識(shí)別特點(diǎn)脈沖型號(hào)進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的步進(jìn)電機(jī)。正常工作條件下，電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號(hào)脈沖數(shù)目的和頻率。所以對(duì)于一個(gè)需要頻繁啟動(dòng)且對(duì)壓力機(jī)沖壓頭位置有精確要求的易拉罐壓扁裝置來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)是個(gè)很好的選擇。
通過(guò)上訴計(jì)算可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的轉(zhuǎn)矩總和為101613N.mm，沒有現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)可以輸出如此轉(zhuǎn)矩，所以選擇在步進(jìn)電機(jī)后加減速器來(lái)增大扭矩，市場(chǎng)上已經(jīng)有這種減速步進(jìn)電機(jī)類型的存在，選用型號(hào)為1303RB197-503減速步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)裝配減速比為5的減速器。
表6.1 減速步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)表
電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為
（6.1）
T’=101×5×0.93=139.5N?m≥T總，所以，該電機(jī)符合要求。電機(jī)的示意圖如圖6.1所示
圖6.1減速步進(jìn)電機(jī)
6.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式
步進(jìn)電機(jī)每接收到一個(gè)來(lái)自傳感器的脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)“步距角”。
其輸出轉(zhuǎn)角
（6.2）
式中 ---減速步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角
N---脈沖個(gè)數(shù)
α---步距角
n---減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速
因?yàn)橐桌藁厥諜C(jī)一次工作需要曲柄軸轉(zhuǎn)一周，減速器的存在使得=360°×5=1800°，n=1r/s，步距角α=1.2°，求得N=1500。當(dāng)傳感器探測(cè)到有物體進(jìn)入，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)射1500個(gè)脈沖信號(hào)給減速步進(jìn)電機(jī)，減速步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后停止，直到接收到下一次脈沖信號(hào)。
6.3 減速步進(jìn)電機(jī)鍵的選擇
電機(jī)軸徑為26mm，查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》,選擇A型平鍵，得出其主要尺寸為b×h×L=8×7×50mm，l=L-b=42mm。將所得數(shù)據(jù)代入公式（5.2），求得σp=38.47MPa≤[σp]=100MPa，擠壓強(qiáng)度滿足要求。
第7章 總結(jié)與展望
7 總結(jié)與展望
經(jīng)過(guò)半年多的艱苦奮斗，我已經(jīng)完成了《易拉罐環(huán)?；厥昭b置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》任務(wù)書的指定內(nèi)容。畢業(yè)設(shè)計(jì)之前，我覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)本科知識(shí)的簡(jiǎn)單總結(jié)，只要復(fù)習(xí)以前的知識(shí)就不會(huì)有太大的難度。但當(dāng)我真正接觸的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)并不是那么簡(jiǎn)單，畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們進(jìn)入社會(huì)參加實(shí)際工程建設(shè)的一次預(yù)演，需要有系統(tǒng)的機(jī)械知識(shí)，不能有任何一處短板，否則將無(wú)法進(jìn)行下去。
我所設(shè)計(jì)的易拉罐環(huán)?；厥諜C(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、壓扁機(jī)構(gòu)、凸輪推送機(jī)構(gòu)、和間歇送料機(jī)構(gòu)組成。單獨(dú)設(shè)計(jì)這幾個(gè)部分都沒有難度，但是要把它們組合在一起設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的機(jī)械，則是非常困難的。如何保證機(jī)構(gòu)的先后運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如何確定各機(jī)構(gòu)某一特定時(shí)間的具體位置，如何保證機(jī)構(gòu)彼此之間不發(fā)生干涉，都是我在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要面對(duì)的難題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我克服了一個(gè)又一個(gè)的困難，最終將這一完整系統(tǒng)做了出來(lái)。
事實(shí)上，我所設(shè)計(jì)的易拉罐環(huán)?；厥諜C(jī)還存在著一些問(wèn)題。主要有以下兩個(gè)方面：一、由于本科階段較少接觸傳感器這一塊，所以本課題的傳感器電路并沒有畫出，這也是我畢業(yè)設(shè)計(jì)的一大遺憾。二、易拉罐存儲(chǔ)箱內(nèi)沒有溢滿警報(bào)，如果溢滿，機(jī)器會(huì)卡死，甚至折斷料斗柄，這就需要及時(shí)清理出存儲(chǔ)箱內(nèi)的易拉罐。
因此，我將在以后的日子里努力解決以上問(wèn)題，爭(zhēng)取能將我的設(shè)計(jì)完善。
參考文獻(xiàn)
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