蜗轮蜗杆传动微耕机设计--毕业论文.doc

小型微耕机摘 要发动机功率小于4.5kw的微耕机定义为小型微耕机。小型微耕机主要由发动机、工作部件和传动系统几个部分组成。它具有重量轻，体积小，结构简单，耕作灵活等特点，具有很好的市场潜力。本文设计的传动内置式独轮微耕机的耕幅为0.55m，配套采用的动力为3.6kw的垂直轴发动机。传动方式采用蜗轮蜗杆传动和皮带传动。设计的小型微耕机不仅能保证安全性能和舒适性能，并且具有很好的经济性。此次设计的微耕机采用压紧轮控制开关，当压紧轮压紧皮带时，皮带传动能够实现。当压紧轮放松时，皮带轮空转，不能实现传动。采用这种开关控制方式，能使机子的传动更加简单，经济性更好。关键词：小型微耕机 发动机 旋耕刀片 蜗轮蜗杆 皮带轮 Transmission built-in single wheel micro tillage machineAbstractDefinition of small tillers for : engine power tillers less than 4.5kw defined for small tillers . Tiller is mainly composed of small engines， working parts ， chassis and transmission of several parts. It is light weight ， small size， simple structure ， flexible features farming ， with good market potential. The design of micro-farming tractor width of 0.55m， supporting the use of force is 3.6kw vertical shaft engine . Transmission using worm drive and belt drive . Designed to ensure the safety of small tillers confidential performance and comfort ， and to have a good economy. The design of micro-farming machine pressed wheel control switch， when pressed pinch roller belt ， belt drive can be realized. When the pinch roller relax， idle pulley ， drive can not be achieved . With this switch control， make the machine easier to drive ， better economy . Focus of the design lies in choosing the right rotary blades， engine ， worm ， pulleys ， and the spatial distribution of these parts . Key Words: Small Tiller engine rotary blade worm pulleys目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1.1国外微耕机发展趋势11.1.2国内微耕机发展趋势32 微耕机的总体设计62.1 整体的主要结构与工作原理72.2 主要参数的选择与计算82.2.1 动力部分参数计算82.2.2 工作部件参数计算92.2.3 刀片的选择及刀片的设计93 微耕机传动部分的设计与计算153.1 选择传动方式173.2 传动系统的运动和动力参数183.3 皮带传动的设计与计算193.3.1 皮带传动203.3.2 V带传动的设计计算203.3.3 皮带轮的设计223.4 蜗轮蜗杆的设计与计算243.4.1 选择蜗杆传动类型253.4.2 选择蜗轮蜗杆材料253.4.3 确定蜗杆蜗轮齿数253.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸264. 主要部件的设计和校核284.1轴的设计和校核计算284.1.1 蜗杆轴的设计及校核284.1.2 蜗轮轴的设计计算及校核324.2 轴承的设计和校核计算374.2.1 蜗杆轴轴承的计算及校核374.2.2 蜗轮轴轴承的计算394.3键连接设计计算404.3.1 发动机轴键404.3.2 蜗杆轴键414.3.3 蜗轮轴键415 微耕机技术要求425.1 润滑形式425.2 密封形式的选择435.3 技术要求445 结论47致谢50IV1 绪论微耕机一般是指主机功率小于7.5 kW，长度不超过1.8m，整机结构重量不超过300斤，可以直接驱动旋转部件旋耕和土壤处理，除草，施肥等作业，也可以形成一套完整的专用旋转耕作机，用于开沟，垄沟，垄沟，铺床，建筑苗床，覆膜，喷施施肥，精细播种等田间管理性作业的农机。微耕机通常是以柴油机、汽油机为动力来源，具有重量轻，体积小，结构简单，操作方便等特点。广泛适用于平原、山区、丘陵的旱地、水田、果园等。由于微耕机可以在田间自由行使，便于用户使用和储存，避免了大型机械无法进入山区田块的限制，是广大农民替代牛耕的最佳选择。1.1 微耕机的研究背景及意义随着我国经济发展越来越好，农民的收入大大提高，微耕机以其价格低廉，结构轻巧和能适应多种作业环境等优点，被广泛应用于农村市场，替代牛耕。随着农业结构的改革，农村里身体强壮的男性劳动力大部分都到城市里打工，农村留下了大批力气较小的老人、妇女、小孩等，该群体由于身体条件的限制，很多农活需要在农用机械的帮助下才能完成，故这个群体对微耕机的需求量在不断地提升。1.1.1国外微耕机发展趋势上世纪初美国福特公司第一次大规模生产农用拖拉机以来， 农用机械已经发展了近百年。上世纪五十年代，英国、匈牙利等国家率先研究出了用于农田的微耕机 1-3 。对于欧美、日本等老牌工业强国由于他们工业基础比较好，其对于微耕机研发的水平引领全球，产品制造技术相对成熟，微耕机的配套机具的种类也比较多。现阶段，这些国家在微耕机机械相关的研究方向主要集中在改善人工环境、新材料和保护环境等方面 4-6 。S .Karoon boonyanan 等对微耕机旋耕刀具的热磨损问题进行了研究，为减轻旋耕刀具的磨损情况，其在旋耕刀具表面喷涂特殊的涂料，并且对两种涂料(HVOFsprayedWC/Co 和plasma-sprayed Al2O3-TiO2/NiAl)的效果进行了试验对比1。P .S .Tiwari 等记录了旋耕机操作者的生理状况，研究操作者在不同工作环境下身体的舒适度，比较了微耕机的使用者在微耕机上是否安装座位这两种工况情况下的生理反应。结果显示，使用者在没有座位的微耕机操作情况下的心率明显比在有座位的情况下高，进而对提高使用微耕机舒适度提出了建议2。K .S .Lee 等基于实际的稻田对比了不同运转形式的刀具安装在农用拖拉机和小型微耕机上的使用情况， 结果表明，安装在小型微耕机上的效果要比安装在农用拖拉机上的效果要好；其还对盘式碎土耕刀是否适用于比较干旱的稻耕图地进行了深入的分析5 。美国的R .E .John 工程师基于其多年防护技术的经验， 近几年与S .C.Richard 致力于研究一种新型增强型玻璃纤维塑料并将其应用在小型微耕机上3 。A .Senanarong 等通过配合相应的旋耕刀具改装了一台手扶拖拉机，该微耕机的功率为7 kW， 可应用于大型的果园。当这个小型微耕机行驶速度为1 .8 km/h 进行耕作时， 其作业效率可以高达百分之九十以上 6 。印度农业研究所K .Adarsh 通过对农用拖拉机的结构进行优化，开发出了一套适用于小型微耕机的性能测评装置 7。P .Vincent 则是通过改进双轮农用拖拉机的结构使其可以更加适用于甘蔗地作业8 。V .Goglia等研究了小型微耕机在作业时的振动对微耕机使用者的影响 4。O .O .Fashola 等研发出了一套特别适合在小面积的水田里作业的小型稻田微耕机，并且在尼日利亚得到了广泛推广 9 。国外小型微耕机械发展要比我们国内的发展提前了很多，主要是以老牌工业发达国家的产品为代表，配套动力为1.47-5.88 kW汽油机或柴油机。欧洲国家的小型微耕机主要用于园艺方面，其主要的功能为粉碎树枝、运输、剪草、清雪等；而亚洲国家的小型微耕机主要应用于农业方面，如日本生产的微耕机既可以在水地工作，也可以再旱地工作；而韩国、台湾畅销的微耕机则以旱地作业为主。欧洲微耕机常用的发动机动力轴多向后输出，在它的结构中，通过与刀轴齿轮箱相连接的，是一对伞齿轮。通过刀轴驱动相应的配套旋耕刀具如割草机，雪机和磨床等。其中，微耕机的扶手在发动机的前部，因此微耕机结构紧凑，但驱动一些农机和工具时不方便，工作部位的安装位置不好安排。具有发动机输出轴向一侧布置这一特点的微耕机，多为产自于日本、韩国的微耕机，在它的结构里，与刀轴齿轮箱联接的，一般是多为通过两根胶带。进而，用这两根胶带或链条驱动不同的刀具。台湾制造的微耕机的结构很简单，在外形上也和日韩的不同。亚洲功率在3.7kW以上的微耕机在旱地深旋作业时多采用搅刀，这种类型的特点是挖掘性能好，挖掘土壤深，可以有效避免接触石头或硬物，不会损坏切割工具。但其碎土性能稍差、比较费功，并不适合安装在小动力的微耕机上。通过比较发现，国外微耕机的优点是：外形漂亮，方便使用；动力来源一般为排放量较低的小型汽油机或柴油机；可方便快捷的更换配套的刀具，完成不同的田间作业7-10。1.1.2国内微耕机发展趋势我国的工业基础较弱，起步晚，上世纪五十年代才具备生产制造20 kW以上的农用拖拉机的能力；上世纪七十年代，我国才自行研发出农用微耕机11-15。直到上世纪90年代初，随着改革开放的推进，中国经济的强速增长， 农民收入不断提高， 以及我国小型柴油机和汽油机制造水平也在不断增长，我国农用微耕机才逐渐发展起来 16。现阶段， 我国和印度等发展中国家，由于对微耕机研究起步较晚，这个阶段还主要研究微耕机的制造工艺、整体性能及配套刀具的方向上16 -21 。（1）起步阶段上世纪五十年代我国就开始研发微耕机，但由于各种原因，并没有形成产品。直到九十年代中期，随着我国国产的钢板、发动机、刀具等相关技术和制造工艺趋于成熟等，我国国产的多功能农用微耕机开始得到发展。在这阶段，微耕机的设计主要是参考国外的产品，但由于我国材料、热处理工艺的基础较差，所以刚开始时微耕机的传动的齿轮箱和配套的微耕机的刀具部分存在的问题比较多。其中典型的问题是，微耕机工作即使工作了较短时间，它的齿轮箱也会发生温度升高、漏油的情况，同时还存在着旋刀工作过程中进入不了土地、微耕机的刀片容易发生断裂等故障22 -24。（2）发展阶段上世纪九十年代中期至2001年，伴随着经济形势的一片大好， 农业相关工厂化设施的快速发展。由于食物的大大丰富，人们越来越倾向于购买不同季节的水果、蔬菜来满足自己的食欲，在这趋势下，经济类作物种植面积在逐步增加，农民收入的也在大大提高，我国功能性农用微耕机有了较快发展。各厂家依据自身擅长领域，结合微耕机的应用市场，分别开发制造了不同类型的微耕机。有的厂家还依托当地农作物的种植特点给农用微耕机增加了一些新功能，更加适合当地应用，比如开发了一些用于套种的配套机具等25-30。（3）成熟阶段本世纪之初，我国的微耕机的设计制造就应该处于了成熟阶段。微耕机的畅销机型的类型比较稳定，同时，由于国内材料、发动机等相关技术的发展，微耕机的质量得到了很大的提升，主要的微耕机的生产厂家也比较固定。现阶段，国内厂家生产的农用微耕机产品主要分为南方型微耕机和北方型微耕机。南方微耕机的结构形式主要借鉴了欧洲的微耕机，同时在旋耕刀具的选择方面又借鉴了日本微耕机的优点，微耕机的初期设计以水田作业为主，后逐步优化成水田旱田兼用。南方型微耕机的主要代表为广西蓝天和重庆合盛等微耕机产品。北方微耕机则主要借鉴和吸取了韩国和我国台湾的微耕机设计优点。微耕机从具备的性能和功能上分也有两种类型：一类是简单型微耕机，这种微耕机的功能少使用起来不够方便，但由于其价格低廉，一般一台小型微耕机的售价不超过三千，销售量在逐步增加；另一类微耕机为标准型微耕机，其功能较多，可靠性高，使用方便。对于丘陵和山区这种面积小、起伏不平的土地，不适合采用大型机械；此外，由于农村的种植是以家庭为主，也不太适合购买大型农用机械；随着农业种植结构的优化调整，由于食物的大大丰富，人们越来越倾向于购买不同季节的水果、蔬菜来满足自己的食欲，在这趋势下温室果蔬大棚的迅猛发展，棚内作业受到地理位置的约束只能依靠小型微耕机。由上述分析可知，我国拥有较大的微耕机应用市场 31 -37，同时配套刀具、机具的市场也将十分巨大。微耕机市场的壮大与农民收入的增加紧密先关。农民购买微耕机的主要目的是为了提高种地的效率，增加农作物的产量，进而提高劳动收入，而不仅仅是用来减轻劳动量。现在看来，现阶段，尽管农民的收入增加了一些，但还远远未达到无压力购买微耕机的阶段，所以微耕机的生产厂家，必须有足够的耐心，等待微耕机市场快速发展的阶段。1.2 主要研究内容本文的主要目的：是设计一种传动装置内置式的独轮微耕机，使设计的小型微耕机整体结构紧凑，重量轻，搬移方便。本文的主要内容如下：（1）确定传动内置式独轮微耕机的工作参数，选择发动机的类型；（2）设计传动内置式独轮微耕机的总架结构，根据设计要求设计传动装置；（3）完成传动内置式独轮微耕机的整体设计，绘制出完整并合乎规范的电子版图纸；2 微耕机的总体设计微耕机是一种手扶操作的农业机械。按照微耕机的主机功率的大小，可将农用微耕机分为小型微耕机、中型微耕机、大型微耕机这三大类。（1）小型微耕机对于主机功率小于4.5kW的微耕机机型称其为小型微耕机。小型微耕机的主要特点是整体重量轻，几何尺寸小巧，方便移动搬运，也便于存储。适合用于果蔬大棚、高度比较低的果树林，进行喷洒农药、施肥或者除草等田地作业，也适合用于地瓜、马铃薯等地下生长的作物，或者类似大葱等低矮一些的农作物的开沟或者作梗及种植等相关的田地作业。小型微耕机的主要组成部件包括三个部分：微耕机动力来源、微耕机行走装置及微耕机刀具。（2）中型微耕机对于主机功率大于4.5而又小于6.0 kW 之间的微耕机机型，我们称之为中型微耕机。中型微耕机的工作效率要比小型微耕机高很多，主要用于相对较大区域的田地，或者相对高度比较高的果树林，比如苹果树林或者梨树林等，或者较大面积的马铃薯种植地，大面积的种茶区域。它可以完成施肥、起垄等田地作业。中型微耕机与小型微耕机相比，增加了切换档位，一般为四个档位，分为档、档、档和倒退档。并且可以通过控制发动机的油门，获取不同的行进速度，完成不同的作业要求，不受各种自热环境、田地地理条件的制约。与此同时，中型微耕机为更便于操作者使用，与小型微耕机相比，一般都增加了转向机构，使得在使用的过程中，微耕机更加便于操作，不费力。同时，由于中型微耕机的主机功率加大，所以一般采用风冷式的汽油机，或者采用水冷式的柴油机作为其动力的来源。（3）大型微耕机对于主机功率在大于6.0 kW但小于7.5 kW 的机型称之为大型微耕机。大型微耕机的作业区域主要为中型大小的田地，田地的地理特征可以是丘陵、水田或者是梯田。主要作业功能是土地深翻或者是深松。大型微耕机结构的主要包括三部分：传动部分、行走部分和工作部分。大型的微耕机一般只有一个档位设置，分两个前进档、一个倒退档，只能转位不能转向。2.1 整体的主要结构与工作原理根据小型微耕机的定义为：发动机的功率小于4.5kw的微耕机定义为小型微耕机。本文的设计方法如下：（1）人体工程学设计。根据中国人的特点和地理特点进行设计，且设计过程必须保证微耕机具有良好的功能性和经济性，而且具有良好的安全性，可操作性，维修保养方便性。（2）结构优化。在不影响使用微耕机的主要功能的前提下进行优化，通过整体结构和部件优化等措施实现发动机，齿轮箱等部件及各部件连接采用紧凑型设计。（3）轻量化设计。微耕机的自身重量降低，将会减少柴油、汽油的消耗，降低使用成本。通过使用汽油发动机，选择便携式的微耕专用刀和操作扶手等轻型部件，实现整个微耕机的轻量化设计，从而确保操作者的在使用微耕机的过程中操作是灵活的。（4）标准化设计。根据微耕机的主体模块化组合，关键部件通用，串行选择，实现微耕机设计的标准化，来保证制造、使用、维护和维修的经济性和多功能性。传动内置式微耕机主要由发动机、工作部件、机架和驱动系统组成。现在设计的传动内置式微耕机采用3.6kw LCIP70FA垂直轴汽油机作为配套动力，采用V型皮带传动和蜗轮蜗杆传动相结合的方式进行传动。本文设计的作业领域为南方的水田，进行施肥、松土等作业，故选用的配套的旋耕刀具为II型旋耕刀片，并且这些刀片按照一定规律排列在刀轴上。传动内置式微耕机工作时，发动机的动力输出轴通过传动系统带动旋耕刀轴旋转，刀轴上的刀片则由上而下的切削土壤。随着微耕机的前进，旋耕刀片依次进入未耕土壤，同时使切下的土壤抛向微耕机的后方，抛出的土壤与挡泥板相撞，土壤被撞击破碎落到地面，最终达到松土碎土的目的。小型传动内置式微耕机适用于丘陵地区，体积小，重量轻，好耕作等特点，具有非常好的市场潜力。结构见图如图1。1.机架 2.发动机 3.手把 4.阻力杆 5.挡泥板 6.旋耕刀组 7.传动机构 8.独行轮图1 微耕机的整体结构简图2.2 主要参数的选择与计算2.2.1 动力部分参数计算动力部分是整机的核心，发动机功率的大小决定着传动内置式微耕机工作时速度、幅宽和耕深等，因此需要根据传动内置式微耕机的工作需要来确定发动机的功率。选择发动机时，重点应放在两个方面：一是发动机的选择通常要求发动机的可靠性，动力和经济性，烟雾等噪声排放等指标满足国家要求; 二是在保证发动机动力有足够的牵引力的前提下，提高经济效益。 基于上述分析，本设计使用3.6kw LC1P70FA垂直轴汽油机作为传动内置式传动内置式微耕机的动力来源，本文选择的微耕机的发动机参数如表1所示。表1 微耕机的发动机参数发动机类型单缸、四冲程、强制风冷、顶置式气门排量 196cc缸径行程 70mmx51mm净功率3.6kw/3600rpm净扭矩10.5N.M（7.7lbf.ft)/2500rpm)怠速转速1800150r/min压缩比8.4:1输出旋转方式逆时针（从输出轴端看）点火系统晶体管无触点点火启动方式手拉反冲启动润滑方式飞溅润滑空滤器半干，双滤芯机油容量0.6L(0.16gal)燃油箱容积1.0L净重12.8kg(28lb)外形尺寸（长宽高）3853582782.2.2 工作部件参数计算（1）微耕机的行进速度 本文设计的传动内置式微耕机应该可以自由的在平原、山区、丘陵的旱地、水田、果园等使用。而传动内置式微耕机在农田作业时，其行进速度主要受到微耕机操作者行走的速度、以及微耕机所从事的作业要求的影响，另外，微耕机也会受到农田地址环境这个外部条件的部分影响。依据正常成人在田间的步行速度及不同农作业的要求，本文设计的传动内置式微耕机的前进速度大小一般控制在0.550.88m/s之间。（2）微耕机的耕幅B 查资料可知，微耕机耕幅的大小与所选择的发动机输出轴的额定功率之间的关系式为B=0.260.29(m) (2-1)式中 N微耕机发动机的额定功率（kW)本文已知传动内置式微耕机发动机的额定功率N=3.6kw，则微耕机耕幅B=0.490.55m。（3）微耕机的耕深 查资料可知，依据设计经验及农艺技术要求，一般情况下，设计的微耕机的耕深应该在10cm以上。（4）微耕机刀辊的转速 查阅相关资料可知，微耕机上通常配套使用的旋耕刀辊的转速为190280r/min 1。2.2.3 刀片的选择及刀片的设计 常用微耕机所配套使用的刀片的主要形式有直刀、弯形刀片以及L 形刀片等。它们有各自适用的范围：直刀刀片比较适合在杂草较少、草根土壤、新开垦的农田；弯刀刀片比较适合南方的土壤；L形刀片则比较适合在沼泽、湿草原及植物残留比较多的田地作业。微耕机刀片在确定刀片尺寸时，主要参考指标是刀片的回转半径R。回转半径的大小将会直接影响到微耕机的刀辊受到的阻扭矩。在满足微耕机作业要求的条件下，为了降低刀辊受到的阻扭矩，在选择微耕机刀片时，应该选用比较小的刀片半径。由于南方丘陵田地的土壤及作业特点：残留的稻茬麦茬较多，且微耕机主要作业时水田施肥。依据上述条件，选择了刀座式II型旋耕刀。为了使设计的传动内置式微耕机的外形小巧、结构紧凑，同时满足微耕机耕深的需要，本文选择了刀轴回转半径R为195mm的旋耕刀片，型号为IIT195。（1）刀座式旋耕刀的刀柄的结构形式如图2所示。刀座式旋耕刀的刀柄尺寸选择如表2所示。图2 刀座式旋耕刀刀柄尺寸表2 刀座式旋耕刀刀柄尺寸刀柄类型尺寸ABDEFS25100.510.555225T30100.512.570230（2）刀座式旋耕刀中刀座的结构形式如图3所示。刀座式旋耕刀的刀座尺寸选择如表3所示。 图3 精密铸造刀座表3 刀座的尺寸刀柄类型尺寸KPGDYZCHMN精密铸造焊合S75572011211142462616.519T9567251347513118.521.4（3）刀座式旋耕刀的刀身结构形式见图4所示。刀座式旋耕刀的刀身尺寸的选择见表4所示。图4 刀座式旋耕刀刀身尺寸表4刀座式旋耕刀刀身尺寸刀型号刀身尺寸RR0maxR1bharC1C2lIIS19519512537185235454050203042521203.55.01.02.012IIT1954555注:侧切刃曲线推荐采用公式：Rn=R0+Kn旋耕刀和刀座的符号及名称见表5所示。表5 符号及名称序号符号名称1A刀柄宽度2B刀柄厚度3D孔径4E回转中心到刀柄孔中心的距离5F孔中心到刀柄顶部的距离6R刀辊回转半径7R0侧切刃起始半径8Rn侧切刃上任意点的半径9max侧切刃的包角10R1侧切刃终点半径11b工作幅宽12h正切面端面刀高13a正切面顶部宽度14r正切面弯折半径15侧切刃终点半径与弯折线之夹角16正切面弯折角17c1正切面侧面宽度18c2刃口厚度19l刃口宽度20S刀身长度尺寸21e孔中心到刀背距离22g孔中心到边缘距离23L刀柄固定孔中心距24K回转中心至刀座底部的距离25P刀座长度26G刀座孔至刀座顶部距离27Y刀座厚度28Z刀座内腔宽度29C刀座宽度30H刀座内腔长度31M六角对边宽度32N六角对角宽度其中，刀片技术要求与质量指标如表6所示。表6 技术要求与质量指标 单位（mm)序号项目指标刀座式旋耕刀1刀柄硬度38HRC45HRC2刀身厚度48HRC54HRC3金相组织刀柄回火屈氏体刀身回火马氏体4单边脱碳层厚度0.25弯刀回转半径偏差R195上极限为0，下极限为-4R195上极限为0，下极限为-36刀身长度尺寸偏差7工作幅度偏差48刀柄厚度100.59刀柄厚度偏差10刀柄宽度S25T3011刀柄固定孔对称度0.512刀柄固定孔孔径S10.5T12.513刀柄固定孔中心距偏差14正切面弯折角偏差215刃口宽度12216刃口宽度偏差17刃口厚度1.02.018刃口线质量刃口线应光滑19防锈措施进行防锈处理20单刀功率消耗样刀功率消耗21表面质量刀面不应有裂纹（5）微耕机刀片的组合方式 本文设计的微耕机中，采用螺旋线排列的刀片组合方式。其中，微耕机刀辊每次转过360/Z就会有一把弯刀入土，从而来保证微耕机受到的扭矩比较均衡，进而保证微耕机受到的扭矩波动幅度较小。同时呢，由于微耕机刀轴左、右的弯刀轮流切入土壤里，减少了旋耕刀对传动内置式微耕机重心的转矩，保持了微耕机机架工作的直线型。同时左、右弯刀轮流切入土壤里，这种方式可减少微耕机刀辊轴受到的来自侧面的压力；为了保证微耕机作业时切割区处几把弯刀的切土量相同，可以适当增加轴向相邻两把弯刀间的夹角的大小，以避免出现堵塞。旋耕刀片的排列组合如图5所示。 图5 弯刀排列3 微耕机传动部分的设计与计算根据传动模式，可以将机械传动分为啮合类传动（如齿轮传动，蜗杆传动，链传动及蜗杆传动等），摩擦类传动（如带传动，摩擦传动等）和推压累传动（凸轮机构，棘轮机构等）三大类。按照传动装臵的结构可分为直接接触传动（如齿轮传动）、有中间挠性件的传动（如带传动）或有中间刚性件的传动（如连杆机构）。各种机械传动的优缺点如表7所示。表7 传动方式对比传动类型优点缺点齿轮传动1、可在任何两轴（平行轴，十字轴，十字轴）之间传递运动和动力； 2、传动比精确； 3、结构紧凑，比较适合距离较近的传动； 4、传动效率高； 5、传递的功率和速度范围大； 6、工作时间长。1、需在专用的机床和设备上生产制造，成本高； 2、为了保证齿轮工作平稳，需较严格的加工、安装精度； 3、不适用于远距离传动。 4、齿轮材料一般是铸铁等蜗轮蜗杆传动1、传动比大2、传输平稳，噪声低3、可实现自锁 4、结构紧凑 5、蜗轮蜗杆传动的主要特点是反向自锁功能，与其他传动比较具有较大的比例，蜗轮蜗杆的输入和输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一平面上。1、齿面滑动速度大； 2、传动效率低； 3、工作时温度升高，造成齿面磨损； 4、为了减磨，蜗轮齿圈需要用青铜制造，成本高；5、轴向力大； 6、传动效率低，精度差；带传动1、适合较大的传输中心距。 2、具有弹性，可减缓振动吸收，传输平稳。 3、过载防滑，过载保护作用。 4、结构简单，价格低1、传动比不稳，有弹性滑动； 2、对工作环境要求严格，带的使用时间较短，传动效率较低； 3、传尺寸较大；需要张紧装置对轴压力比较大； 链传动1、无弹性滑动，平均速度准确； 2、需要的张紧力小，降低对轴承的磨损；3、传动效率较高； 4、适应性好，对工作环境要求少； 1、链条不恒定，行驶稳定性差； 2、冲击和噪声大； 3、不应在大负载变化和快速反向传输应用； 4、安装和维修条件严苛 传统的微耕机的传动方式主要可以分为齿轮传动和皮带型传动两种类型。采用齿轮传动的方式比较稳定可靠，安全系数高。采用齿轮传动的微耕机的整机的质量适中，可广泛适用于地质较硬、田间土地或者浅水稻田等领域，但与皮带传动的微耕机相比，由于其制造成本高，最终导致其售价较高。使用皮带传动微耕机通常是指发动机功率输出使用横向布置，通过皮带到传动，离合器的动力通过皮带张力来实现。传动单元一般是整体结构，上部变速，下部动力输出部分，大部分两部分之间链传动。使用皮带传动可以减少对发动机的冲击，具有一定的保护作用。该机具有重量轻，结构简单，制造成本低廉，价格低廉的特点，适用于山区，丘陵地区或平原等不同地区。传动装置中传动零件的参数、尺寸和结构，对其他零部、件的设计起决定性的作用，因此，应首先设计计算传动零件。3.1 选择传动方式根据发动机的转速为3600r/min.刀辊转速为190280r/min。减速方式选择以皮带减速和蜗轮蜗杆两级减速。传动组合方式如图6所示。1.垂直轴发动机 2.皮带 3.皮带轮 4.蜗轮蜗杆图6 传动结构简图3.2 传动系统的运动和动力参数(1) 总传动比i(2) 分配传动装置各级传动比皮带轮蜗轮蜗杆传动比取(3) 各轴功率参数的计算计算得到0轴（电机轴）的功率参数为计算得到1轴（蜗杆轴）的功率参数为计算得到2轴（蜗轮轴）的功率参数为计算得到各轴的功率参数如表8所示。表8 各轴的功率参数轴名功率 P / Kw转矩T /Nm转速r/min传动比i效率0轴3.69.553600111轴3.31213.17924001.50.922轴2.95114.5222469.750.893.3 皮带传动的设计与计算皮带传动是一种摩擦传动，由柔性带和带轮组成传递运动和（或）动力的机械传动。皮带传动可以分为摩擦传动和啮合传动。皮带传动是利用皮带上皮带的张力进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同，必须依靠皮带和皮带轮之间的摩擦传动力传动的摩擦型带传动，也有靠皮带和皮带轮上的齿齿相互啮合传动的同步带传动。根据工作原理的不同，带传动分为摩擦型和啮合型两大类。V带也称三角带。V带传动是由一条或数条V带和V带轮组成的摩擦传动。V 带传动是靠V带的两侧面与轮槽侧面压紧产生摩擦力进行动力传递的。V带传动具有以下优点：1）三角带是弹性体，能够缓冲冲击载荷，运行稳定，无噪音。2）当过载会导致皮带在滑轮上滑动，从而可以保护机器。3）制造和安装精度不如啮合传动严格，维修方便，无需润滑。4）可以增加增加带的长度来适应中心距离的长度以适应工作条件。3.3.1 皮带传动 选择带型 根据机器需要，查机械设计手册选择齿形V带，承载层为绳芯结构，内周制成齿形的三角带。特点是散热性好，与轮槽粘附性好，是曲挠性最好的三角带。 带传动的效率 帘布结构的三角带的传动效率为 0.870.92；绳芯结构的三角带的传动效率为0. 920.96。3.3.2 V带传动的设计计算根据带传动的工作情况分析可知，三角带传动的主要失效形式是：根据皮带传动分析的工作条件分析表明，三角带皮带传动的主要失效形式是：1）三角带疲劳断裂： V带任何横截面的应力将随着小带轮的运行而变化。当应力达到一定次数后，即运行一段时间后，V带在部分疲劳裂纹 层，所得松散状态甚至破裂，发生疲劳损坏，传输能力损失。2）滑移：当工作负荷超过V带传动的最大有效牵引力时，带动整个面和小滑轮，相对滑动导致驱动滑脱故障。因此，无滑动，确保皮带具有一定的疲劳强度和使用时间是V带传动设计计算规则的工作能力。（1）设计功率Pd 功率是根据需要设计的，考虑功率负载特性，以原动机类型和日常工作的名义连续因素，如时间长度决定Pd=KAP （3-1）式中 P所需传递的名义功率（kW）； KA工作情况系数。 由于传动内置式微耕机的载荷变动较大，故选取KA =1.2，那么Pd =1.23.6kW=4.32kW（2）选择V带的型号 V带的型号可根据设计功率Pd和小带轮转速n1由机械设计手册中图7.11选取。本文中因为设计功率位4.32 kW、小带轮的转速为710 r/min，所以选取A型带。（3）带轮的基准直径因V带传动的传动比i （3-2）式中 n2大带轮转速（kW）； dd1小带轮的基准直径（mm）；dd2大带轮的基准直径（mm）； 弹性滑动率。小带轮的基准直径d d1按机械设计手册中表14.1-18、表14.1-19，选定d d1=100mm。大带轮的基准直径d d2 由式d d2=id d1（1-）可得d d2 =148.5mm，为提高V带的使用时间，宜选取较大的直径，按表14.1-18，14.1-19选取标准值150mm。（4）带速v 由机械设计手册可知，V带 的带速计算公式如下。（5）初定轴间距中心距过大或者过小都会带来相应的利弊，所以根据经验一般初选带传动的中心距。由机械设计手册可知，初定轴间距a0需满足以下条件将具体参数带入可知 计算可得 175mm a0 500mm最终取 a0 = 250mm。（6）V带基准长度Ld由机械设计手册可知，V带所需基准长度Ld0计算公式如下 （3-3）查机械设计手册中基准长度系列，选取相近的Ld = 900mm。（7）实际轴间距a由机械设计手册可知，实际轴间距a应为（8）小带轮包角由机械设计手册可知，小带轮包角计算公式如下（9）V带的根数Z由机械设计手册可知，V带的根数Z为式中 Ka小带轮包角修正系数KL带长修正系数查表可得Ka=0.97，KL=0.87，取整后可知V带的根数Z=2。（10）单根皮带的预紧力F0 由机械设计手册可知，单根皮带的预紧力F0 的计算公式如下因V带的密度（11）作用在轴上的力Fr由机械设计手册可知，作用在轴上的力Fr为（12）压紧轮所需要的总的压紧力G0由机械设计手册可知，载荷G的值可由下式算出故压紧轮所需要的总的压紧力G03.3.3 皮带轮的设计（1）小皮带轮的设计小皮带轮的轮缘的几何特征如图7所示，小皮带轮轮缘的具体尺寸如表9所示。图7 小皮带轮轮缘表9 小皮带轮轮缘尺寸项目符号A基准宽度bd11基准线上槽宽hamin2.75基准线下槽宽hfmin8.7槽间距e150.3第一槽对称面至端面9最小距离fmin9槽间距累积极限偏差0.6带轮宽B=(Z-1)e+2f外径da=dd+2ha轮槽角34（2）大皮带轮的设计大皮带轮轮缘的几何特征如图8所示，大皮带轮轮缘的具体尺寸见表10所示。图8 大皮带轮轮缘表10 大皮带轮轮缘尺寸项目符号A基准宽度bd11基准线上槽宽hamin2.75基准线下槽宽hfmin8.7槽间距e150.3第一槽对称面至端面9最小距离fmin9槽间距累积极限偏差0.6带轮宽B=(Z-1)e+2f外径da=dd+2ha轮槽角363.4 蜗轮蜗杆的设计与计算蜗轮传动在两轴传动运动与传动机构动力之间的空间交错，两轴相交角度可以是任意值，通常采用直角，即蜗轮轴与蜗杆轴正交。由于蜗轮蜗杆传动时，空间结构小，传动比大，工作稳定，具有可靠的自锁性和广泛应用的优点。蜗杆传动通常用于减速，但也可用于增速。蜗杆传动具有以下特点：1) 能实现大的传动比。蜗轮蜗杆传动在传动动力时传动比i=580；蜗轮蜗杆传动在机械传动时最大为300。由于传动比大，所以蜗轮蜗杆的结构非常紧凑。2）在蜗杆传动中，蜗轮为连续螺旋齿，蜗轮齿逐渐进入啮合，逐渐退出啮合，由于同时啮合的齿轮较多，故蜗轮受到的冲击载荷小，蜗轮蜗杆的传动平稳， 声音小。3）当蜗杆螺旋角度当网孔小于等效摩擦角时，具有自锁蜗杆传动。4）蜗轮传动和斜齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当啮合处的滑动速度很大时，由于蜗轮蜗杆的工作条件不好，可造成很大的磨损，造成啮合处的蜗轮蜗杆温度过高，使润滑状况更差。当蜗轮蜗杆的磨损很大时，传动效率降低低；当蜗轮蜗杆处于自锁驾驶时，他们的传动效率不到百分之四十。3.4.1 选择蜗杆传动类型根据蜗杆的形状不同，蜗杆传动可分为圆柱、圆弧面、圆锥面等类型。其中，圆柱蜗杆按刀具同又分为阿基米德蜗杆（za）、渐开线蜗杆(zi)、法向直齿廓蜗杆 (zn)等。根据GB/10085-1988的推荐，本文中采用渐开线蜗杆（ZI)。3.4.2 选择蜗轮蜗杆材料由失效形式知道，蜗轮蜗杆传动材料的需求不仅具有足够的强度，更重要的是具有良好的磨合（跑合），耐磨性，耐磨性和粘结性等。蜗杆通常由碳钢 或合金钢：一般不太重要的在蜗杆的低速，40，45钢可以使用，并进行调理处理。过载蜗杆常用15 Cr或20 Cr， 20CrMnTi 等，并经渗碳淬火。本文考虑到蜗杆传动功率不大，传动速度不高，运动的精度等级为8级，故蜗杆用45钢。本文设计中，为了保证蜗轮蜗杆的传动效率高些，啮合处齿面的耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮选用铸锡磷青铜（ZCuSn10P1），一般采用砂模铸造；为了节约贵重有色金属，仅本文中设计方案为，蜗轮的齿圈用青铜铸造，而轮芯采用灰铸铁（HT100）制造。3.4.3 确定蜗杆蜗轮齿数因蜗轮蜗杆传动的传动比 i1=9.75，取z1=4，则z2=i2z1=39蜗轮转速为：3.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由机械设计手册可知，传动中心距a的计算公式如下由前面的设计可知蜗轮转速为 n2=246 r/min，又因z1=4，估取效率=0.8，则作用在蜗轮上的转矩T2为（1）确定载荷系数因蜗轮蜗杆工作比较稳定，取载荷分布不均系数；选取使用系数；由于转速不大，工作冲击不大，可取动载系；则确定载荷系数K（2）确定弹性影响系数因选用的是45钢的蜗杆和蜗轮用ZCuSn10P1匹配的缘故，故弹性影响系数为（3）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径 和中心距的比值为，查表可到（4）确定许用接触应力根据选用的蜗轮材料为ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆的螺旋齿面硬度45HRC，查表可得蜗轮的基本许用应力应力循环次数N为 使用时间系数KHN为 则确定许用接触应力（5）计算传动中心距圆整后取中心距a=80mm，传动比i=9.75。取模数，蜗杆分度圆直径d1=35.5mm，此时。查表可得接触系数。可以发现因为，所以以上计算结果可用。（6）蜗杆尺寸（7）蜗轮尺寸（8）校核齿根弯曲疲劳强度所以齿根的弯曲强度是满足的。（9）验算效率大于原估计值，因此不用重算。4. 主要部件的设计和校核4.1轴的设计和校核计算轴用于支撑旋转运动部件，如皮带轮，齿轮，蜗轮等，并实现同轴的旋转运动和动力传递，在不同部位之间的重要部件。为了实现完全可靠 设计机械产品时，轴的设计应考虑材料选择，结构，强度和刚度要求。并且应对材料或设备的轴向力学性能进行试验和调整，轴的强度检查应根据 轴承受的具体负载和应力条件，采取相应的计算方法，并适当选择允许的应力。最后确定设计可以满足轴的使用要求，轴的设计非常重要。4.1.1 蜗杆轴的设计及校核（1）蜗杆轴的材料选择蜗杆轴的材料为45钢，热处理方式为正火，蜗杆轴的硬度为HB=170217。（2）蜗杆轴的直径按扭转强度估算轴径 ，按与大带轮配合的标准原则，取直径d0=20mm。（3）初步确定蜗杆轴的结构将支撑布置成两端固定式结构，轴承初选33205（一对)，d=25mm，D=52mm，B=22mm。（4）分析蜗杆轴的空间受力情况轴的空间受力如图9所示。图9 蜗杆轴的受力图（5）蜗杆轴剪切力及其弯矩的计算垂直面受力如图10所示。图10 垂直方向蜗杆轴的受力图求得由以上计算可知，蜗杆轴在垂直面内的剪力图如图11所示，弯矩图如图12所示。图11 垂直方向蜗杆轴的剪力图图12 垂直方向蜗杆轴的弯矩图蜗杆轴在水平面受力图如图13所示。图13 水平方向蜗杆轴受力图求得由以上计算可知，剪力图如图14所示及弯矩图如图15所示。图14水平方向蜗杆轴剪力图图15水平方向蜗杆轴弯矩图最终可计算得到蜗杆轴的合成弯矩计算得到蜗杆轴的合成弯矩图如图16所示。图16蜗杆轴总弯矩图计算得