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1 目录目录 摘要 3 Abstract 4 第一章绪论 5 1 1 土豆的制作历史 5 1 2 市面薯塔机的市场背景研究 6 1 2 1 薯塔机的选题背景 6 1 2 2 薯塔机的国内外研究情况 6 1 2 3 薯塔机的应用前景 7 1 3 本文的主要研究内容 7 第二章薯塔机的总体结构设计 8 2 1 薯塔机草图的结构分析 8 2 2 薯塔机的工作原理 9 2 3 薯塔机的内部结构设计 9 2 3 1 动力给定的方案设计 9 2 3 2 切刀的方案设计 9 2 3 3 制作螺旋状食物串的方案设计 10 2 3 4 内部传动机构的方案设计 10 2 3 5 切刀的固定方案设计 11 2 3 6 食材定位推坐的方案设计 11 2 3 7 食材定位器的方案设计 12 2 3 8 移动拉杆的支撑方案设计 12 2 3 9 防止竹签前端因重力弯曲的方案设计 13 2 4 薯塔机的传动机构的设计 13 2 4 1 确定传动装置的总传动比和分配传动比 13 1 总传动比 13 2 分配传动装置的各级传动比 14 2 4 2 运动参数计算 14 1 各轴的转速 14 2 各轴的输出 输入功率 14 3 各轴的输入转矩 15 2 4 3 圆锥齿轮的参数设计 15 1 选定高速级齿轮类型 精度等级 材料及齿数 16 2 按齿面接触疲劳强度设计 16 按齿根弯曲疲劳强度设计 18 4 几何尺寸计算 19 2 4 4 蜗轮蜗杆计算 19 2 4 5 旋转刀架的齿轮设计 23 2 4 6 拉伸结构的齿轮齿条设计 23 2 5 本章小结 24 2 第三章薯塔机的数字化设计过程 25 3 1 数字化设计概念 25 3 2 UG 软件的简介 25 3 2 1 UG 软件的作用及地位 26 3 2 2 UG 软件的主界面介绍 26 3 3 薯塔机蜗杆轴建模 26 3 4 锥齿轮悬臂轴的创建 31 3 5 蜗轮轴的创建 35 3 6 壳体与底板的设计 36 3 7 壳体内部的部件进行组装 37 3 8 壳体上部壁板的设计 38 3 9 划移齿轮的拨叉设计 40 3 10 总装图 42 第四章薯塔机的操作方法 43 4 1 制作用于加工的土豆 43 4 2 制作薯塔的步骤 43 第五章 维修与维护 44 5 1 维修方法 44 5 2 维护方法 44 结论 45 参考文献 46 致谢 47 3 摘要摘要 随着人们生活水平的提高 越来越多的创新设计应用到了人们的衣食住行 极大的 方便了我们的生活 伴随着经济社会的迅猛发展过程中 由于人类过分追求发展所带来 的满足和发展的速度而忽视或淡薄了其所带来的负面效应 即使在极大满足自身物欲的 同时 也给自身未来的发展埋下了诸多隐患 这些问题随着时间的推移暴露越来越明显 直至威胁到人类自身的生存 如温室效应的出现 水污染等问题 在某种程度上 这些 问题都归于人们对发展的片面理解 认为只要经济发展了 一切问题都可以迎忍而解 忽视了环境保护 随着人们生活水平的不断提高 人们对食品的口感也越来越挑剔 随之一些大型的生产食品的机械厂都纷纷对机械进行改进 生产了各种家用的食品生产 机器 众所周知 事实上 只有科学的发展才能不断解决人类所面对的问题 薯塔机便 是其中的一例 通过使用薯塔机 可以很方便的做出样式美观还有美味的薯塔 不但节 省了时间和体力 而且压出的小吃也不错 我根据我大学所学的知识 对一种薯塔机进行深入的介绍和分析 设计了一款全新 的薯塔机 利用我们在学所学的 UG 和 CAD 软件对薯塔机进行结构设计 并用 CAD 对薯 塔机进行工程出图 薯塔机 采用手动作为动力源 具有结构简单 质量可靠 方便维 修等特点 量生产可获得比较高的经济效益 关键词 关键词 薯塔机薯塔机 设计 设计 UGUG 软件软件 4 Abstract With the improvement of people s living standards more and more innovative design applied to people s basic necessities greatly facilitate our lives With the rapid development of economic and social development process due to the excessive pursuit of human development brought about by the speed of development and neglect or light of the negative effects brought about by their own even in the great satisfaction of their own materialism but also to their own The future development of buried a lot of hidden dangers these problems with the passage of time exposed more and more obvious until the threat to the survival of mankind such as the emergence of greenhouse effect water pollution and other issues To some extent these problems are attributed to the development of one sided understanding that as long as the economic development and all problems can be satisfied ignoring the environmental protection With the continuous improvement of people s living standards people s taste of food is also increasingly picky followed by some large scale production of food machinery plants have to improve the machinery the production of a variety of household food production machines As we all know in fact only the development of science can continue to solve the problems faced by mankind Potato tower machine is one of the cases through the use of potato tower crane you can easily make a beautiful style and delicious potato tower not only save time and physical but also out of the snack is also good I am based on the knowledge I have learned a potato tower crane in depth introduction and analysis the design of a new potato tower crane Using our learning UG and CAD software on the potato tower crane structural design and the use of CAD on the potato tower crane project Potato tower machine using manual as a power source with a simple structure reliable quality easy maintenance and other characteristics the amount of production can be relatively high economic efficiency Keywords pressing machine design UG Software 5 第一章第一章绪论绪论 1 1 土豆的制作历史 土豆即马铃薯 马铃薯原产于南美洲安第斯山区 人工栽培历史最早可追溯到大约 公元前 8000 年到 5000 年的秘鲁南部地区 所以距今已有一万年左右的历史了 马铃薯 属茄科多年生草本植物 块茎可供食用 是全球第三大重要的粮食作物 仅次于小麦和 玉米 马铃薯又称地蛋 土豆 洋山芋等 茄科植物的块茎 与小麦 玉米 稻谷 高粱并成为世界五大作物 随着西班牙殖民者对安第斯山区的征服 马铃薯也被殖民者作为一种 战利品 带回了 欧洲 在登陆欧洲之后差不多整整一个世纪 马铃薯还只限于园圃栽植 人们对其食用 价值几乎一无所知 马铃薯作为粮食作物在欧洲大陆得以广泛传播 很大一部分功劳要 归于一位平凡的法国农学家巴曼奇 是他认识到马铃薯良好的食用价值 它可以制作面 包 而且容易蒸煮 当历史迈过 19 世纪的门槛时 马铃薯已经传遍了全欧洲 现代科 学证明 除了碳水化合物所具有的能量外 马铃薯还能提供相当多的蛋白质和维生素 它所缺乏的只是维生素 A 这通过喝牛奶就可以补充了 马铃薯还在无意中终结了坏血 病 随着马铃薯自动削皮机的发明 马铃薯片从小规模制作变成销售量最大的零食 一 个美国南方的旅行推销员赫尔曼 莱带着皮箱在美国南部的杂货店叫卖此机器 之后他 更创立了公司 令他的名字 乐事 Lay s 几乎成为马铃薯片的同义词 从上世纪 60 年代开始 通过遍布世界的麦当劳连锁店 薯条开始在全世界流行起来 大约在 16 世纪中期 马铃薯从南北两条路线传入中国并广布于大部分地区 第一 路 马铃薯可能由荷兰从海路引进京津和华北地区 第二路 马铃薯由荷兰人从东南亚 引种到台湾后传入闽粤沿海各省 在广东 福建一带 并向江浙一带传播 在这里马铃 薯又被称为荷兰薯 约在 16 世纪末到 17 世纪初 由外国传教士把马铃薯带入我国 在 中国约有 400 多年的栽培历史 现已遍布全国 由于其分布广泛 除了马铃薯学名外 各地还有许多土名 北方多叫土豆 南方多称洋芋 由于制条 调味的不同 从而使中国各地出现了数以千计的土豆烹饪做法 遍及各 地 例如 土豆泥 青椒土豆丝 酸辣土豆丝 土豆烧牛肉 土豆烧排骨 嘛辣土豆 烤土豆片 炸土豆巴 土豆烧汤 由于土豆营养丰富 粮菜兼用 含有丰富的维生素及 钙 钾等微量元素 且易于消化吸收 老少皆宜 功能齐全 颇受人们称赞 有的称誉 它为 第二面包 有的赞扬它是 植物之王 如图 1 1 图 1 2 6 图 1 1图 1 2 1 2 市面薯塔机的市场背景研究 1 2 1 薯塔机的选题背景 随着人们生活水平的不断提高 人们对食品的口感也越来越挑剔 随之一些大型的 生产食品的机械厂都纷纷对机械进行改进 生产了各种家用的食品生产机器众所周知 马铃薯是我们日常生活的主食之一 土豆不仅含有含有丰富的维生素及钙 钾等微量 元素 而且易于消化吸收 增强免疫力 平衡营养吸收等功效 所以土豆备受人们的喜 爱 然而 土豆制作方法单一 没有创新 为了满足人们日常生活的需求 让人们方便 快捷地制作出有创新价值的土豆制品 市面上出现了对土豆进行旋切的机器 这类产品 不仅具有使用功能和相应的审美形式 又具有物质功能和文化功能的双重属性 路边的 街边小吃都出现的薯塔机这种机器 所以如何把土豆加工成独具特色的食品成为一个热 点 薯塔机就这样应运而生 然而现在市面上的食品成型机种类繁多 可将土豆 魔芋 红薯等块状食品制成各种形状 来满足人们的饮食需求 其中的大多数螺旋状成型设备 在切削时不能在旋切同时将食物在竹签上均匀拉开 只能是旋切完毕后 再手工拉开 因 此 易造成食品切削片螺距不均匀 不整齐 不美观 且费工费时 有些食品成型设备将 传动部件与切削部件设计在同一壳体内 容易对食品造成污染 达不到生产食品所需的 卫生要求 所以设计新型薯塔机有很大的市场需求 1 2 2 薯塔机的国内外研究情况 本次设计的薯塔机主要面向的市场是小吃店 目前现有市场同类型的土豆旋切机 体积都比较大 操作也比较复杂 或者无法清洁安全的制作食品 从经济实用角度上来 看大多不太适合商用 现有的薯塔机在美观方面考虑地一直较少 且重量较大 不易携带 不适合小吃店 的经营 这些薯塔机工序复杂 笨重不方便 清洁不便 设计的薯塔机应尽量改善这些 7 1 2 3 薯塔机的应用前景 现在市面上的食品旋切机种类繁多 可将土豆 魔芋 红薯等室块类果蔬食材制成 各种姓票旋状形状 丰富人们的美食样式 满足人们的美食需求 但是 以往的螺旋串旋 切机所采用的切刀均为直线移动式 令食材进行旋转 此种机型存在诸多问题 要么只有 旋切功能 需手工拉串 外观失雅 不卫生 安装和加工费时 费力 要么虽旋切与拉仲可以 同步 但旋切的食材和竹签的规格尺寸受到严格限定 食材选择面小 浪费较大 且切刀和 卡扣多暴漏在外 存在使用安全隐患等诺多问题 要求此次设计的薯塔机具有结构紧凑 体积小 造型新颖 操作简单 维修方便 光洁卫生 可流动作业等特点 能够制作不同样式的旋切样式 土豆在我国食品类很受 欢迎 农副产品深加工是中国十五期间重点扶持行业 随着经济条件的改善和人们对绿 色新颖的食品的需求与日俱增 该课题市场前景广阔 具有重要的应用价值 1 3 本文的主要研究内容 为了满足人们日常生活的需求 让人们方便快捷 地制作出别具一格的土豆样式 为此开展了薯塔机的三维设计研究 传统的通用机械产品的设计是先将产品以二维平面 图的形式表达出来 然后进行反复校核和修改 最后由加工者把图样上的内容转化为 成形的产品 这样不仅设计周期长 成本高 而且当产品制造出来后 零部件之间相互 干涉 经常会出现无法安装或装配不到位等问题 反复修改势必会延长产品投放市场的 周期 应用 ug proE 等高端三维设计软件就可以很好地解决这些问题 直接采用三维设 计 使设计者能够了解产品的每一个细节 并利用其参数化设计的思想 使零件的设计 修改变得简单易行 并在后期使用 CAD 制图画出二维图纸用于加工 这样就可以完成 产品的系列化设计 8 第二章第二章薯塔机的总体结构设计薯塔机的总体结构设计 2 1 薯塔机草图的结构分析 多功能薯塔机 包括机売 机売的上部设置环形的刀座 刀座上设置螺纹和切刀 切刀 随刀座旋转 刀座的外周设置传动圈与机売内传动组件啮合 机売上设置贯通窜梭的移动 拉杆 移动拉杆的上部安装竹签定位器 机売的上面设置手动的弹性食材定位推座 夹子 的中心 切刀的中心和卡爪盘的中心三心同线且依此序固定排列机壳内部使用锥齿轮传 动 蜗轮蜗杆还有齿轮传动 实现旋切与拉伸的同步进行 如图 2 1 所示 包括机壳 机売的上端设置环形的刀座 刀座上设置切刀 切刀能够 相对刀座旋转 如图所示 切刀的旋转中心处开设通孔 切刀上开设条形刀口 条形刀口 的一端与通孔相通 条形刀口的一侧为切刀的刀刃 切刀上设置传动圏齿轮 机売上设 置移动拉杆 机壳上设有为移动拉杆直线移动导向的轨道 移动拉杆与轨道之问可以是 通过燕尾槽结构配合滑动 移动拉杆的上安装竹签定位器 用夹紧插在土豆等食材上的 竹签或金属签 其夹持位置是定位点 机壳的上设置食材定位推座 为确保食材定位推 座压紧食材的方向 机売的上可设有滑轨 食材定位推座能直接沿或滑轨配合相对机壳 滑动 食材定位推座的一端设置带竹签槽的卡爪盘 卡爪盘朝向切刀的一侧设有卡爪 竹签定位器的定位点 切刀的旋转中心和卡爪盘的中心三点共线 以确保旋切出螺旋状 食物串时 食物不易断裂 移动拉杆和食材定位推座分别能相对切刀直线移动 其移动方向与切刀旋转方向垂 直 以分别实现竹签定位器拉动竹签远离切刀和卡爪盘推动食材压紧切刀 机壳上安装 传动机构 传动机构分别为切刀的旋转和移动拉杆的直线移动提供动力 此方案旋切过 程中竹签定位器是夹紧并拉动竹签前端直线移动 此方案中竹签定位器可以是普通的 夹子 用于夹紧固定竹签 其夹紧点为定位点 图 2 1 薯塔机草图 9 2 2 薯塔机的工作原理 薯塔机是通过手柄的转动带动锥齿轮及其与之配合的蜗杆轴 使之旋转 带动在上 方的刀座顺时针旋转 蜗杆带动蜗轮轴 把动力传递到下方的齿条上 使之左右移动 这为竹签的拉伸运动 机売上安装的传动机构为旋切和拉伸实现了同步有机联动和动力 传递 多功能食品旋切机 实现了以旋刀方式对食材进行同步的旋切与拉伸 实现了对任 意规格的食材和竹签的选用 也实现了旋切螺旋串和长丝的多功能组合 2 3 薯塔机的内部结构设计 2 3 1 动力给定的方案设计 传动机构分别为切刀的旋转和移动拉杆的直线移动提供动力 所述传动机构可以是 两个独立的驱动机构 分别驱动切刀转动和移动拉杆直线移动 例如 其中一个可以由电 机和齿轮构成 传动圈齿轮为外齿圏 电机和齿轮通过与传动圏啮合带动切刀旋转 另一 个可以是电动推杆或气缸驱动移动拉杆直线运动 移动拉杆也可采手动直接推拉实现直 线移动 经过考虑传动机构采用手动操作 2 3 2 切刀的方案设计 所述切刀可如图所示为盘形切刀 为节省材料切刀的外形也可为条形 但旋切的稳 定性相对盘形切刀较差 将食材旋切成螺旋状的切刀为平刀刃 条形刀口的刀刃一側可 略高于另一側直边 使整个盘型平面形成微螺旋面样式 旋面布局 条形刀口与通孔相通 便于食材的旋切挤出和竹签的拉伸穿越 所以选择盘形切刀 如图 2 2 图 2 2切刀 10 2 3 3 制作螺旋状食物串的方案设计 制作螺旋状食物串时 先将土豆等块状食材沿其中轴位置穿上竹签或金属签 竹签 两端位于食材外 再将食材插于卡爪上 竹签穿过通孔且位于竹签槽 并使竹签经过卡爪 盘的中心 将竹签一端夹紧锁定于竹签定位器上 然后 可手动推动食材定位推座 在旋 切过程中使食材始终与切刀紧密配合 最后 通过传动机构带动切刀转动 同时拉动移动 拉杆 如此 切刀对食材进行连续旋切 同时 移动拉杆通过竹签将食材被旋切掉的部分 逐渐出拉出并拉伸 卡爪盘不断推动食材进给 从而将食材加工成如弹簧般的螺旋形 状 如图 2 3 图 2 3 薯塔 2 3 4 内部传动机构的方案设计 为确保螺旋状食材的螺距相等 且食材旋切部分宽度相等 并进一步保证连续旋切 食材不断 则必须确保切刀旋切和移动拉杆同步动作 为此设计以下方案 所述传动机构 包括主传动轴 主传动轴安装于机壳内 在主传动轴上安装主动齿轮和第一锥齿轮 传动 圏是外齿轮圈 主动齿轮与传动圈啮合 机売上安装锥齿轮轴 锥齿轮轴上安装第二锥齿 轮 第一锥齿轮齿合第二锥齿轮 锥齿轮轴穿出机壳外部与摇柄连接 揺柄输入动力 主传动轴上设置蜗杆 蜗杆啮合蜗轮 蜗轮的蜗轮轴与机売配合 蜗轮轴上设置滑动 离合齿轮 滑动离合齿轮与蜗轮轴为导向键连接 移动拉杆的侧部设置导向齿条 当滑 动高合齿轮与导向齿条齿合时输出拉伸分动力 机売上安装手动的拨又 拨叉能够拨动 滑动离合齿轮在蜗轮轴上轴向滑动 以实现滑动离合齿轮与导向齿条之间啮合 分离状 态的切换 上述传动机构为一个动力输入两个个动力输出 使切刀的旋切与移动拉杆的拉伸实 现了同步有机联动 为了在一次旋切完成后快速推动移动拉杆复位 通过拨又调整滑动 高合齿轮的位置 使滑动离合齿轮与导向齿条分离 此时 可直接推动移动拉杆反向移动 复位 即在移动拉杆复位时不会带动切刀旋转 減小复位阻力 提高复位的速度 主动齿 11 轮的主动轴连接揺柄以实现手动驱动 如下图 2 4 图 2 4 薯塔机俯视草图 2 3 5 切刀的固定方案设计 为方便根据不同食材的体积和形状而更換不同规格的刀 所述切刀可有螺纹与刀架 连接构成 在刀架内部打上螺纹孔 在切刀的外圈打上螺纹 两者可以旋转的安装在一 起 切刀通过螺社或其他可拆装的结构连接 以便更换 例如 可配套加工出平刀刃的 刀片和带刀齿的长丝刀片 平刀刃的刀片与换刀卡环连接固定 可将食材切成螺旋状 将 平刀刃的刀片拆下 并将带刀齿的长丝刀片与换刀卡环连接固定 可将食材切成长丝 2 3 6 食材定位推坐的方案设计 所述的食材定位推座与切刀位于机壳同侧 食材定位推座上设有滑动条 滑动条是 一根倒扣在机売平面上的横断面为型的曹杆 滑动条另一端被套装在一个固定于机壳上 远离切刀的弹簧盖板内 在滑动条内设置一根弹簧 弹簧的一端顶住滑动条的内端壁 另 一端顶在弹簧盖板内的内壁上 弹簧为滑动条提供向切刀移动的弹力 滑动条在弹簧盖 板内只能做直线弹拉不能转动 滑动条的外端设置手持拉动部位 固定食材时 先将食 材定位推座克服弹簧的弹力拉开 再食材放于卡爪盘和切刀之间 最后 弹簧可通过滑动 条和食材定位推座推动食材顶紧切刀同时 卡爪盘上的卡爪会在弹力作用下插入食材内 防止食材在旋切过程中转动 所述的食材定位推座上设有滑动条 机売上可设有为滑动条导向的道轨 滑动条上 设置弹性挤圧装置 以对卡爪盘始终施加圧力 所述的弹性挤压装置由弹簧 滑动条和 12 弹簧盖板组成 弹簧套装在滑动条外周 滑动条上设置挡块 弹簧盖板固定安装在机壳内 弹簧的两端端分别与挡块和弹簧盖板配合 弹簧盖板可以为保护箱体 有效保护弹簧 如图 2 6 图 2 5 食材定位推座 2 3 7 食材定位器的方案设计 在如图 1 的方案中 所述的竹签定位器还可为弹簧卡或夹片 夹片可以两个片之间 两个个片之间通过螺纹 栓较接 并装有扭簧 两个个片也可以采用一个固定片一个活动 片 活动片连接带有弧形边的翻转杆 翻转杆翻转后可以将活动片与固定片配合 竹签 定位器还可以是现有的其他快速夹持或松开的夹持或锁定机构 其他竹签定位器 不限 于上述实施例 竹签定位器与竹签的夹紧处可设置数条凸纹或者摩擦片 以提高与竹 签连接的稳定性 2 3 8 移动拉杆的支撑方案设计 竹签通常采用移动拉杆移动 机壳固定的方式 此时 移动拉杆的端部下側设置支撑 轮 支撑轮与机壳的底部平齐 能够支撑移动拉杆 若为移动拉杆固定 机売移动时 则应在 机壳下安装滑轮 如图 2 6 13 图 2 6 移动拉杆 2 3 9 防止竹签前端因重力弯曲的方案设计 为确保竹签前端带动被旋切掉的部分伸出后竹签不会因重力而弯曲 如图 8 所示 所述切刀 卡爪盘和竹签定位器依次排列时 移动拉杆上设有定位架 定位架上设有定位 孔或槽 定位孔或槽 切刀 卡爪盘和竹签定位器依次排列 且定位孔或槽 竹签定位器 的定位点 切刀的旋转中心和卡爪盘的中心四点共线 定位架和竹签定位器在移动拉杆 的带动下同步移动 2 4 薯塔机的传动机构的设计 2 4 1 确定传动装置的总传动比和分配传动比 1 总传动比 输入参数初步处理 设人手的操作手柄的作用力 10KG 而手柄的长度为 60mm 则 输入转矩为 6N m 转速为 m n60r min 即 1r s 薯塔机要求旋切速度 3mm s 刀具旋转 速度为 旋转 n1r s a 旋切传动链的总传动比为 1 1 1 旋转 n n i m a 机器拉伸的速度为 15mm s 拉伸工作的齿轮 齿条变速组初定齿轮半径为 45mm 则 14 齿轮转速为20 1n 拉伸 r s b 拉伸传动链的总传动比为 20 2 拉伸 n n i m a 2 分配传动装置的各级传动比 a 按直齿锥齿轮的传动比一般不大于 3 故取i锥 1 实际总传动比 111 1 柱锥 iiia b 蜗轮蜗杆的传动比取20 蜗轮蜗杆 i 滑移齿轮与齿条的传动比为1i 齿轮齿条 实际总传动比 20120 2 齿轮齿条蜗轮蜗杆 iiia 2 4 2 运动参数计算 1 各轴的转速 锥齿轮轴是 1 轴 蜗杆轴是 2 轴 蜗轮轴是 3 轴 那么各轴的转速为 min r60 1 m nn min 60 1 60 1 2 r i n n 锥 min 3 20 60 2 3 r i n n 蜗轮蜗杆 2 各轴的输出 输入功率 锥齿轮的传动功率96 0 1 齿轮的传动效率97 0 2 滚动轴承传动效率 99 0 3 蜗轮蜗杆传动效率73 0 4 人手的输入功率为 d p 15 KwPP d 0314 0 1 入 2 3 11 入出 pp0 0314 0 98 0 0307kw 轴 的输入 输出功率 112 出入 pp 0 0307x0 96 0 0294kw 3 322 入出 pp0 0294x 2 99 0 0 0285kw 轴 的输入 输出功率 423 2 1 出入 pp0 0285x0 5x0 73 0 0104kw 2 333 入出 pp0 0104 2 99 0 0 01kw 3 各轴的输入转矩 6 1 MNT mN n p T 00049 0 60 0294 0 95509550 2 2 2 mN n p T 00346 0 3 0104 0 95509550 3 3 3 2 4 3 圆锥齿轮的参数设计 圆锥齿轮设计过程参考下列计算 设计的图形经过建模如图 2 7 所示 16 图 2 7 锥齿轮 1 选定高速级齿轮类型 精度等级 材料及齿数 a 按传动方案选用直齿锥齿轮传动 b 薯塔机为一般工作机械 速度不高约为 1m s 故选用 9 级精度 c 材料选择 有表 10 1 查选齿轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS d 选小齿轮齿数 38 1 z 则 38z38381 212 取 锥z iz 2 按齿面接触疲劳强度设计 按参考文献 1 式 12 39 计算即 3 2 1 2 1 5 01 7 4 u KTZZZ d RR H HE t a 确定公式内的各项数值 使用寿命 A K由表 12 9 A K 1 1 锥齿轮的转矩 1 T6MN 17 齿间载荷分布系数 K 由表 12 10 估计 mm 1001 1N b FK TA 2 2 11 1 1 u cos 22 1 u 2 2 11 1 1 u cos 22 2 u 74 53 707 0 38 1 1 1 COS Z ZV 表 12 19 74 53 707 0 38 1 1 2 COS Z ZV 76 1cos 11 2 388 1 21 v vv zz 86 0 3 4 AV Z 32 1 1 2 Z KH 齿向载荷分布系数 K 由表 12 20 及其注 3 取 K 1 9 载荷系数 K 39 132 109 11 1 KKKKK HVA 弹性系数 E Z 由表 12 12 2 1 8 189MPZE 节点区域系数 H Z 由表 12 16 H Z 2 5 接触疲劳强度极限 由图 12 17c 1limH 680MPa 18 接触最小安全系数 由表 12 14 05 1 1lim H S 接触寿命系数 由题意知 1 21 NN ZZ 接触许用应力 lim 1lim1 1 H HN H S Z 676MPa lim 2lim2 2 H HN H S Z 676MPa b 计算 计算齿轮分度圆直径 t d1 3 2 1 2 1 5 01 7 4 u KTZZZ d RR H HE t 35 0 33 05 013 0 10637 4 648 87 0 x5 2x8 189 3 2 3 2 mm 计算圆周速度 v 100060 11 nd t 3 0 60000 609514 3 m s 按齿根弯曲疲劳强度设计 a 确定计算参数 计算载荷系数 81 2 K 由图 12 23c 查出 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 1FE 500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极限 2FE 380MPa 由参考文献 1 查表弯曲疲劳寿命系数 1FN K 0 92 2FN K 0 95 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 F S 1 4 F FEFE F S K 11 1 4 1 50092 0 328 57MPa 19 F FEFE F S K 22 2 4 1 38095 0 257 86MPa 由参考文献 1 图 12 30 和图 12 31 查取齿形系数及应力校正系数 查表得 1Fa Y 2 61 1Sa Y 1 60 计算 01270962 0 1 11 F SaFaY Y b 校核强度 由式 10 22 10 23 得 m t d T F 1 2 MPa Rbm YYKT SF F 91 99 5 01 2 22 2 2 45HRC 蜗轮材料砂型造型110 u PSZC n 2 参数的计算 当量摩擦系数设 s m s m v15 0 3 055 0 v v u 根据表 13 6 机械设计 P265 选 a d5 值根据图 13 11 机械设计 P265 2 13 88 0355 0 1 5 Z a d 3 中心距计算 蜗轮转矩mmNT 49 0 4 使用系数 A K 根据表 13 9 机械设计 P2151 1 A K 转速系数 8 1 8 1 4 1 8 3 1 8 n Zn961 0 n Z 弹性系数根据表 13 2 机械设计 P260 aE MPZ147 寿命系数 6 6 163602 2500025000 n h L Z 6 114 1 h Z 21 接触系数根据图 13 12 机械设计 P271 85 2 Z 接触疲劳极限根据表 13 2 机械设计 P260 aH MP265 lim 接触疲劳最小自定 3 1 lim H S 安全系数 中心距 a 3 2 3 2 lim 4 265 85 2147 49 01 1 H E A ZZ TKa 64 1 1取 a 4 传动基本尺寸 蜗杆头数根据图 13 11 机械设计 P270 213 5 Z 蜗杆齿数 202 26 iZZ40 6 Z 模数 72 224 2 40 647 14 1 7 14 1 2 Zam mmm5 2 蜗杆分度圆直径 6345 0 5 5 a a d d 23 35 28 2 取标准值 d 蜗轮分度圆直405 2 66 mZd100 6 d 蜗杆导程角 28 5 22 tan 5 5 d mZ 28710 蜗轮宽度 1 5 2 28 5 05 22 15 02 5 6 m d mb mmb20 6 蜗杆圆周速 100060 18028 100060 35 5 nd v s m v264 0 5 相对滑动速 31 10cos 264 0 cos 5 v vs s m vs268 0 22 当量摩擦系数根据表 13 6 机械设计 P268 013 09 0 v v u 5 齿面接触疲劳强度验算 许用接触应力 3 1 265 14 175 0 min lim H H hnH S ZZ aH MP174 最大接触应力 3 3 4 200 49 01 1 85 2147 a TK ZZ A EH aH MP1 0 6 齿根弯曲疲劳强度验算 齿根弯曲根据表 13 2 机械设计 P260 aF MP115 lim 疲劳极限 弯曲疲劳最小自取4 1 lim F S 安全系数 许用弯曲 4 1 115 lim lim F F F S aF MP82 疲劳应力 轮齿最大 320628 49 01 122 66 4 dmb TKA F aF P6 弯曲许用应力合格 7 蜗杆轴挠度验算 轴惯性矩 64 80 64 44 5 d I 6 1001 2 I 允许蜗杆挠 8004 0004 0 m mm032 0 蜗杆轴挠度 63 22 3 23 1001 21020648 01331 11tan20tan 320 320 49 02 48 tan 2 EI lF vt 6 Dl取 合格 mm 9 103 23 2 4 5 旋转刀架的齿轮设计 1 选择齿轮类型 设计选用直齿圆柱齿轮传动 薯塔机是一般的工作机器 速度不高 根据 机械设计 P207 表 12 6 选用 8 级精度 材料选择 根据 机械设计 P211 表 11 7 齿轮用钢45调质处理 硬度 229HB 286HB 取 240HB 2 传动主要尺寸实际分度圆直径 中心距根据设计需要中心距定位 120mma120 小齿轮直径485 2 11 mzdmmd120 1 大齿轮直径485 2 22 mzdmmd120 2 齿宽 b8016 0 1 db d mmb20 1 3 齿轮弯曲疲劳强度计算与齿面接触疲劳强度校核 根据上面的锥齿轮与蜗轮蜗杆的校核计算 强度完全满足 故根据经验 齿轮弯 曲 疲劳强度计算与齿面接触疲劳强度校核无需校核 2 4 6 拉伸结构的齿轮齿条设计 1 选择齿轮类型 设计选用直齿条与圆柱齿轮传动 薯塔机是一般的工作机器 速度不高 根据 机械设计 P207 表 12 6 选用 8 级精度 材料选择 根据 机械设计 P211 表 11 7 齿轮用钢45调质处理 硬度 229HB 286HB 取 240HB 齿条使用 45 钢调质处理 硬度 229HB 286HB 取 240HB 2 传动主要尺寸实际分度圆直径 中心距根据设计需要中心距定位 64mma64 小齿轮直径365 2 11 mzdmmd90 1 齿条长度根据需要定为mmL450 齿宽 b903 0 1 db d mmb20 1 3 齿轮弯曲疲劳强度计算与齿面接触疲劳强度校核 根据上面的锥齿轮与蜗轮蜗杆的校核计算 强度完全满足 故根据经验 齿轮弯曲 24 疲劳强度计算与齿面接触疲劳强度校核无需校核 2 5 本章小结 本章对薯塔机的总体结构进行了设计计算 重点对其中的锥齿轮配合和蜗轮蜗杆配 合进行了尺寸计算 并联系实际依靠机械设计手册等参考工具对其中的参数进行优化设 计 25 第三章第三章薯塔机的数字化设计过程薯塔机的数字化设计过程 3 1 数字化设计概念 数字化技术是以计算机软硬件 周边设备 协议和网络为基础的信息离散化表述 感知 传递 存贮 处理和联网的集成技术 其具体应用包括数字化制造与数字化产品 两方面 即将数字化技术用于支持产品生命周期的制造活动和企业的全局优化运作就是 数字化制造技术 将数字化技术注入工业产品就形成了数字化产品 数字化制造技术是 在制造技术 计算机技术 网络技术与管理科学的交叉 融和的背景下 在虚拟现实 计算机网络 快速原型 数据库和多媒体等技术的支持下 根据用户的需求 迅速对产 品信息 工艺信息和资源信息进行分析 规划和重组 实现对产品设计和功能的仿真以 及原型制造 进而快速生产出用户所需要产品的整个过程 数字化设计 DD 是以实现新产品设计为目标 以计算机软硬件技术为基础 以数字 化信息为辅助手段 支持产品建模 分析 修改 优化以及生成设计文档的相关技术的 有机集合 广义的数字化设计技术涵盖以下内容 1 利用计算机进行产品的概念化设计 几何造型 虚拟装配 工程图生成及设计相 关文档 2 利用计算机进行产品外形 结构 材质 颜色的优选及匹配 以满足顾客的个性 化需求 实现最佳的产品设计效果 3 利用计算机分析产品公差 计算质量特性 计算体积和表面积 分析干涉现象 等 4 利用计算机对产品进行有限元分析 优化设计 可靠性设计 运动学及动力学仿 真验证等 以实现产品拓扑结构和性能特征的优化 3 2 UG 软件的简介 UG 是西门子公司集成 CAD CAM CAE 软件集成系统的功能 UG 是国标库的缩写 是一个贸易的名字 这是一个交互式 CAD CAM 计算机辅助设计和计算机辅助制造 系 统 其强大的 可以很容易地实现各种复杂的实体和形状的建设 它主要基于工作站 CAD 是计算机辅助设计的英文缩写 是行业的通用名称 它不包括 CAM 计算机辅助 制造 有很多可以实现 CAD 软件 UG 的功能是其中之一 有 AutoCAD 思美创 Pro 工程 师 SOLIDWORKS 计算机辅助设计等等 和 AutoCAD 是另一个由欧特克 Autodesk 公司开 发的主要基于 PC 的 CAD 软件 UG 软件的熟悉全球认证和证书 颁发的全球认可 UG 全名国标库 是西门子 PLM 解 决方案 私人股本拥有的子公司 UGS 集成 CAD CAM CAE 集成软件系统 UG 系统 主要用于汽车 航空 航天 机械 电子 医疗设备和其他工业生产 是世界上使用最 广泛的高端的工业软件系统 在 1990 年初在中国 通用汽车 general motors 和迅速以其 先进的管理理念 强大的工程背景 完善的技术能力和专业的技术服务团队赢得了广大中 国用户的赞扬 用户也扩大每年近 40 的增长 26 3 2 1 UG 软件的作用及地位 众所周知 UG 是当今世界最先进的高端 CAD CAM CAE 软件之一 其各大功能高 度集成 UG 自身的优势 一方面 UG CAM 功能强大 可以实现对极其复杂零件和特 别零件的加工 另一方面 对使用者而言 UG CAM 又是一个易于使用的编程工具 UG CAM 可以为数控铣 数控车 数控电火花线切割机编程 3 2 2 UG 软件的主界面介绍 UG 软件的主界面包括以下几个部分 工具栏 菜单栏 状态栏 窗口题栏 图形 区 提示栏 当前图层设置区和工作坐标系等等 如图 3 1 生成的各种几何图形都显 示在图形区 窗口标题显示当前的工作部件名称和显示部件名称信息等信息 菜单栏主 要是 UG 的各种功能菜单 提示栏提示下一步如何操作 状态栏显示 UG 当前的各种状 态 当图层设置区用于显示当前各种层 工具栏包括常用工具栏和建模工具栏 建模工 具栏会随着建模方式的不同而变化 如下图所示 图 3 1ug 页面 3 3 薯塔机蜗杆轴建模 薯塔机内部最重要的零件就是里面的传动零件 与支撑轴的建模 下来先讲解蜗杆 轴的建模 第一步 在菜单中打开 UG NX10 然后点新建 输入文件名 可以使中文 点 击开始 建模 草图 选择草图平面的对象 如图 3 2 27 图 3 2 第二步 在草图环境中把设计的涡杆轴的样式画出来 由于在涡杆轴上我设计有锥 齿轮的安装和蜗杆的位置 还有一对角接触轴承的安装与一个深沟球轴承的安装 根据 机械设计手册 查到各个轴承的安装尺寸 与计算的锥齿轮还有蜗杆的尺寸 对轴的 尺寸进行了设计 如图 3 3 图 3 3 草图 28 第三步 点击完成草图 然后选择旋转命令选择需要旋 转的曲线 在选择所依据的旋转轴 X 轴 完成旋转命令 完成如图 3 4 图 3 4 第四步 在轴上需要安装齿轮与锥齿轮的位置画出键槽 需要点击插入 基准点 平面 基准平面 如图 3 5 选择需要安装键槽的位置所在的曲面 然后选择插入 设计 特征 键槽 选择刚才所选的平面 按照提示栏的介绍一步一步的进行下去 画出键槽 3 6 所示 图 3 5 29 图 3 6 第五步 另外创建一张零件图 把所需在键槽里装配的键画出 采用与上图一样的 草图方式 采用拉伸命令 建出的模型如图 3 7 所示 图 3 7 第六步 将创建的两个键块安装在蜗杆轴上 在所画的蜗杆轴的建模图纸上 选择 添加组件选项 把刚才创 建的键块安装在蜗杆轴上 选择装配选项 选择接触对齐 把键块安装在轴上的应有位 置上 如图 3 8 图 3 8 30 第七步 在轴上创建一个紧定螺钉的定位孔 采用与第四步一样的步骤 选择孔命 令 创建的定位孔如图 3 9 所示 图 3 9 第八部 创建在轴的两端所要安装的锥齿轮固定挡圈如图 3 10 和轴承端盖如图 3 11 与套筒如图 3 12 图 3 10图 3 11图 3 12 31 第九步 把需要安装的轴承在界面左端的重用库里搜出 安装在蜗杆轴上 如图 3 13 图 3 13 再把第八步创建的固定挡圈与轴承端盖和轴承套筒还有与之一起创建的挡油环安装在 相应位置上 如图 3 14 图 3 14 第十步 把在第二章中创建的蜗杆安装在蜗杆轴的右端 采用合并命令 把他与 蜗杆轴结合在一起 如图 3 15 至此 蜗杆轴的创建完毕 图 3 15 3 4 锥齿轮悬臂轴的创建 第一步 在菜单中打开 UG NX10 然后点新建 输入文件名 可以使中文 点击开始 建模 草图 选择草图平面的对象 32 第二步 在草图环境中把设计的锥齿轮悬臂轴的样式画出来 由于在轴上我设计 有锥齿轮的安装位置 还有一对角接触轴承的安装位置 根据 机械设计手册 查到各 个轴承的安装尺寸 与计算的锥齿轮尺寸 对轴的尺寸进行设计 如图 3 16 图 3 16 第三步 点击完成草图 然后选择旋转命令选择需要 旋转的曲线 在选择所依据的旋转轴 X 轴 完成旋转命令 在对轴进行细节处理倒圆角 和倒斜角的操作 完成如图 3 17 图 3 17 第四步 在轴上需要安装锥齿轮的位置画出键槽 需要点击插入 基准点 平面 基准平面 选择需要安装键槽的位置所在的曲面 然后选择插入 设计特征 键槽 选择 刚才所选的平面 按照提示栏的介绍一步一步的进行下去 画出键槽 如图 3 18 所示 33 图 3 18 第五步 另外创建一张零件图 把所需在键槽里装配的键画出 采用与上图一样的 草图方式 采用拉伸命令 建出的模型 第六步 将创建的键块安装在锥齿轮悬臂轴上 在所画的锥齿轮悬臂轴建模图纸 上 选择添加组件选项 把刚才创建的键块安装在轴上 选择装配选项 选择接触对齐 把键块安装在轴上的应有位置上 如图 3 19 图 3 19 第七部 创建在轴的两端所要安装的锥齿轮轴端挡圈如图 3 19 和轴承端盖如图 3 20 与套筒如图 3 21 图 3 19 34 图 3 20 图 3 21 第八步 把需要安装的轴承在界面左端的重用库里搜出 安装在锥齿轮悬臂轴上 再把第七步创建的轴端挡圈 轴承端盖 轴承套筒和油封安装在相应位置上 把在第二 章创建的锥齿轮一起进行安装 如图 3 22 至此完成锥齿轮悬臂轴的创建 35 图 3 22 3 5 蜗轮轴的创建 建模过程与上述类似 具体步骤从略 把所建模型样式进行展示 图 3 23 图 3 24 图 3 25 图 3 23 图 3 2 4 36 图 3 2 3 6 壳体与底板的设计 在上面一些机构的创建中已经把壳体的规格尺寸进行了计算 把尺寸定出 然后 壳体采用角钢焊接出框架 再在框架的外围进行壁板的连接 壁板的底部使用螺钉连接 壁板的上部使用螺栓螺母连接 把壁板固定在支架上 下来对其建模的过程进行讲解 第一步 在菜单中打开 UG NX10 然后点新建 输入文件名 可以使中文 点击开始 建模 草图 选择草图平面的对象 第二步 查找 机械设计手册 中关于型钢的部分 查出关于角钢的尺寸 对框 架的尺寸进行绘制 采用拉伸命令 对草图进行拉伸 绘出支架如图 3 26 图 3 26 第三步在支架的底部和上部进行框架的绘制 拉伸之后的图形如图 3 27 37 图 3 27 第四步 在框架的外部绘制壁板与底板的创建 上壁板留空 创建之后的图形如图 3 28 图 3 28 3 7 壳体内部的部件进行组装 由于要对壳体上部的上壁板盖设计 所以要先对壳体内部件进行组装 具体过程 参考上面的讲解 把组装的内部结构展示如下图 3 29 图 3 30 38 图 3 29 图 3 30 3 8 壳体上部