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小型垃圾智能压缩箱的设计,小型,垃圾,智能,压缩,设计
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湖 南 农 业 大 学全日制普通本科生毕业设计 小型垃圾智能压缩箱的设计DESIGN OF SMALL INTELLIGENT COMPRESSION BOX FOR GARBAGE DEALING学生姓名： 学 号：年级专业及班级：指导老师及职称：讲师学 院： 工学院湖南长沙提交日期： 2013 年 5 月湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 2013 年 5 月 26 日目 录摘要1关键词11前言22试验方案设计及参数确定43产品设计原理及其机构选择43.1产品设计原理43.2机构的选择53.2.1齿轮减速机构的选择53.2.2同步带轮机构的选择5 3.2.3螺旋传动机构的选择63.2.4其他辅助零件的选择64产品设计计算说明书74.1电动机的选择74.1.1选择原动机的类型74.1.2选择电动机的功率84.1.3选择电动机的转速94.2直齿锥齿轮减速箱的设计计算104.2.1选用材料，热处理方法，定精度等级104.2.2初步设计114.2.3几何尺寸计算114.2.4校核齿面接触疲劳强度134.2.5齿根弯曲疲劳强度校核134.3同步带轮的传动设计计算134.3.1同步带传动设计144.3.2同步带轮的基本结构形式154.3.3带传动的张紧164.4丝杠传动的设计计算164.4.1耐磨性计算164.4.2螺杆的强度计算174.4.3螺母螺纹牙的强度计算184.4.4螺杆的稳定性计算184.5轴系零部件的选择194.5.1轴承类型的选择194.5.2圆锥滚子轴承的设计计算204.6回力弹簧的设计计算215键连接的设计计算226箱体材料选择及其尺寸227电器控制228结论23参考文献24致谢25小型垃圾智能压缩箱的设计学 生： 指导老师：(湖南农业大学工学院 ,长沙 410128) 摘 要：在城市化高速发展的进程中，垃圾的处理是城市建设过程中需要妥善解决的一大问题。当前，垃圾的处理普遍采用填埋、堆肥、焚烧和分选回收等方式，对于高速发展的城市物质生活水平而言，这些处理方式还存在着垃圾运输成本高、处理效率低、高污染等系列问题，难以适应城市化发展的要求。针对这一情况，设计出一款小型的垃圾压缩箱可以在很大程度上缓解城市垃圾的处理压力，加快城市垃圾低污染低成本化处理的进程。本垃圾压缩箱采用伸缩式的压缩结构，减小了垃圾箱的占用空间；同时采用电器控制系统，实现了垃圾处理的智能化；其次，采用环槽结构，实现了对垃圾压缩过程中所产生废水的处理。本小型智能垃圾压缩箱主要从源头上减小了垃圾占用体积，增加了垃圾箱的存储能力，从而在一定程度上降低了城市垃圾的运输成本和缓解城市垃圾的处理压力。关键词：城市化；垃圾处理；垃圾压缩箱；伸缩式；电器控制；智能化；环槽Design of Small Intelligent Compression Box for Garbage DealingStudent: Yu JihongTutor:Chen Lihang(College of Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128，China)Abstract: The high speed of development in the city, the disposal of garbage is a big problem to properly address the need in the construction of city. At present, the disposal of garbage landfill, composting, incineration is widely used and the recovery mode for city, material life level high speed development, the processing mode still has a garbage high transport costs, low treatment efficiency, high pollution and other series of problems, it is difficult to adapt to the development of the citys requirements. In view of this situation, design pressure is a small garbage compression box can ease the city garbage to a great extent, accelerate the city garbage of low pollution and low cost process. The garbage compression box adopts the compressed structure of telescopic, reduces the space junk box; and the electric control system, realizes the intelligent garbage disposal; secondly, the ring groove structure, the realization of processing waste water generated in the process of garbage compression. This small intelligent garbage compression box reduces the waste volume occupied from the source, increasing the storage capacity of the garbage, which to a certain extent, reduce the city garbage transportation cost and ease the pressure of city garbage.Key words: City; Garbage; Garbage compression box;Telescopic; Electrical control; Intelligent; Ring groove1 前言1.1 本设计研究的背景和意义随着改革开放的进程不断推进，中国城市化进程的脚步不断加快，城市的数量及其城市人口也不断增加，在人们生活水平不断提高的情况下，生活垃圾也随之不断增加。对于目前而言，处理垃圾的方式主要有回收、填埋、堆肥和焚烧，对于垃圾处理厂而言，要处理这些成分越来越复杂的垃圾也很难实现。为了减小垃圾的占用体积，增加垃圾桶容纳能力，同时也为了便于垃圾的搬运、储存和处理，这种小型智能式垃圾压缩箱很好的解决了这些现实生活中存在的问题。该小型垃圾智能压缩箱，结合红外延时装置、磁力锁装置、回力弹簧等装置，实现家用垃圾的自动压缩、自动推出、自动装袋，不仅实现了无人情况下机器的自动工作，节约了人为垃圾处理得时间，而且减少了城市垃圾的周转量和处理成本。就目前而言，垃圾桶大部分还需要人工控制，对于那些智能的垃圾桶，不仅垃圾桶的占用空间大，而且只实现了对垃圾的压缩，对于既能实现对垃圾的智能压缩、又能实现对垃圾的装袋，同时结构也紧凑的垃圾桶而言，目前市场上还是一片空白。本小型智能垃圾压缩箱的设计，为垃圾的处理智能化提供了一个新思路。1.2 国内外垃圾压缩处理的现状目前市场上垃圾桶的种类千奇百态，就根据垃圾桶制造的材料而言主要有塑料垃圾桶，木制垃圾桶，钢制垃圾桶这三类，而就功能而言有自动感应垃圾桶、脚踏式垃圾桶、分类垃圾桶、压缩垃圾桶等种类。自动感应垃圾桶主要是自动控制垃圾桶桶盖的开闭,而无垃圾压缩功能如图1、图2；而脚踏式垃圾桶虽然是当前使用最普遍的一类垃圾桶，但全部需要人工控制，如图4；图三所示的垃圾桶，虽然能实现对垃圾的压缩，却需要靠人力控制，缺少当今自动化发展需要的要求。图5的无接触式智能垃圾压缩桶，虽然能实现对垃圾的智能压缩和机器工作的自动化控制，但是该机器结构不紧凑，占用空间较大，而且不能实现垃圾的自动装袋；图6，虽然充分的利用了太阳能，但不适合于家庭内使用，而且生产成本好高。而本次设计的小型垃圾智能压缩箱，适合于当今机器自动化发展的需求，不仅能够实现对垃圾的智能化压缩和污水的合理排放，而且能够实现对压缩后的垃圾自动装袋和推出，基本上能实现机器的无人操作，适合家庭和小区使用。 图1 电子感应垃圾桶 图2 分类电子感应垃圾桶 Figure 1 Trash electronic induction Figure 2 Classification of electronic induction dustbin 图3 压缩垃圾桶 图4 脚踏式翻盖垃圾桶 Figure 3 Compression dustbin Figure4 Pedal turning-lid garbage bin 图5 无接触智能垃圾压缩箱 图6 太阳能垃圾压缩桶Figure5 Non-contact intelligent garbage box Figure 6 Solar garbage compressing bin2 试验方案设计及参数确定为了后续的设计计算，需要有必要的原始数据，考虑到家用垃圾的种类，以八宝粥易拉罐作为实验的原材料。实验设备：SANS微机控制电子万能试验机实验材料：娃哈哈八宝粥空罐、王老吉凉茶空罐实验方案：分析家用垃圾的种类，确定以易拉罐作为试验的材料；将八宝粥易拉罐正向至于试验台上，调整好试验机的各项参数后对其进行正向压缩，压缩技术后得到压缩曲线如图1；将同种类的易拉罐侧向至于试验台上，利用试验台对易拉罐的底部进行测压，测压结束后得到另一压缩曲线；用同样的方法，对汽水易拉罐进行试验；对压缩曲线进行分析，得到设计计算所需原始参数,如下图7、图8。图7 正压试验数据 图8 侧压试验数据Figure 7 Positive pressure test data Figure 8 Lateral pressure test data3 产品设计原理及其机构选择3.1 产品设计原理该小型垃圾智能压缩箱是机电一体化技术的结晶，首先为了减小垃圾箱的总体占用空间，使垃圾箱结构尽可能紧凑，将垃圾箱的内箱设计成伸缩式结构；同时为了实现平稳减速，在电动机的下一级通过联轴器与螺旋伞齿轮减速机转向器的连接实现一级减速和转向，然后再通过同步带轮机构实现二次减速，从而得到所需的转速比；再次，通过丝杆机构将机构的转动转化为直线运动，从而实现对垃圾的压缩；而垃圾箱内箱底板的开闭则是通过磁力锁和回力弹簧来实现的，在垃圾箱内箱底板合闭时，实现将压缩后的垃圾推出并装袋。而对于智能化则是通过电器系统控制来实现的，首先，通过单片机和红外传感技术将机器的传动系统有机的结合起来，当红外线被遮挡的时间超过10秒时将信号反馈给控制系统，控制系统将信号传给电动机，使电动机开始工作从而开始垃圾的压缩，当压缩板触碰到行程开关时，电动机开始反转，当压缩板再次碰到另一行程开关时，机器停止工作，垃圾箱内箱复位，这样就实现了垃圾智能压缩的全过程。其传动原理图如下图9所示。图9 原理图Figure 9 Schematic3.2机构的选择3.2.1 齿轮减速机构的选择对于齿轮减速机构，需要实现减速和转向的双重功能，同时由于电动机的转速较高，所以所需的润滑效果也要较好，综合以上考虑，选用螺旋伞齿轮减速机转向箱来以上功能和技术要求。同时螺旋伞齿轮减速机转向箱具有在低速或高速时均运转平稳，噪声低，振动小，承载能力大等优点，同时该减速箱还可实现正反转且传动比和速度范围变化大，再次，该减速箱的主轴采用优质高纯净合金钢40Cr调质加工，具备高悬重负荷的能力，以上这些都能满足机器的工作性能要求且与设计要求相吻合。3.2.2 同步带轮机构的选择 考虑到机器使用的场所多为家庭或社区，所以要求机器工作时的噪声尽可能小，而对比带传动、链传动及其齿轮传动，带传动具有噪声小、不需润滑，而且带传动传动比和线速度范围大，传动功率大，且耐冲击振动较好，维修简便经济等优点，所以在链传动、齿轮传动和带传动中优先选择带传动。而对于带传动有分为V带传动、多楔带传动、平带传动和同步带轮传动等类型，结合机器工作原理及结构同时对比各种带传动的特点与应用，同步带轮更适合该机器的传动。而同步带轮中的圆弧形同步带，由于其靠齿啮合传动，传动比准确，传动效率高，初张紧力在带轮中最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大，同时圆弧齿齿根应力集中小，寿命更长，传递功率比梯形齿高1.2-2倍。综上所述，采用同步带轮更满足机器设计要求，同步带轮的型号将在后续的设计计算中得出。3.2.3 螺旋传动机构的选择螺旋传动一般是将旋转运动变成直线运动，或反过来将直线运动变为旋转运动，并同时进行能量和力的传递，在本次设计中，是将同步带轮的旋转运动转化为垃圾压缩箱压板的直线运动。而螺旋传动按用途可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋，而按螺纹间的摩擦状态，螺旋传动又可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。三种螺旋传动均能实现相应的运动，但考虑到经济性要求，选择滑动螺旋则更为合适，首先机器的传动精度要求不高，同时滑动螺旋的装配更简单，且成本最低。综合以上所述，对于螺旋传动机构的选择，选用滑动螺旋机构则更为合适。3.2.4 其他辅助零件的选择张紧方法及安装要求张紧轮是为改变带轮的包角或控制带的张紧力而压在带上的随动轮，是带传动的张紧装置，当带的中心距不能调节时，可以采用张紧轮将带张紧。而在本次设计中，同步带轮呈三角形布置，带轮之间的包角过大，不利于平稳传动，所以在设计中引入了张紧轮来减小带轮之间的包角。在同步带轮安装时，必须注意带轮轴线的平行度，使个带轮的传动中心平面位于同一平面内，偏差不能过大，同时同步带轮的张紧力要适度。磁力锁的选择磁力锁的设计和电磁铁一样，是利用电生磁的原理，当电流通过硅钢片时，电磁锁会产生强大的吸力紧紧的吸附铁板以达到锁紧的效果。因为只要小小的电流电磁锁就会产生极大的磁力，所以从能耗方面来说是相当小的，同时磁力锁也有不同的规格，可以根据所需产生的力的大小灵活选择。在本次设计中，磁力锁是作为底板的合闭装置而选用的；当垃圾压缩底板产生的压力大小超过磁力锁产生的两倍电磁力大小时，磁力锁断开，电磁力消失，内箱底板在压板继续下压的过程中随之打开。在本设计中磁力锁能很好的实现了垃圾箱内箱底板的开闭。回力弹簧的选择弹簧是利用材料的弹性和结构特点，使变形与载荷之间保持规定关系的一种弹性元件。对于回力弹簧，我们可以参照夹书夹的夹紧功能而运用到此垃圾压缩箱底板的关闭功能上。通过在底板一端安装足够量的回力弹簧，利用回力弹簧的回弹力将机器底板关闭，重新被磁力锁吸住。行程开关的选择行程开关适用于交流50HZ、电压至380V或直流电压至220V控制电路中，用来控制运动机构的行程和变换运动的方向和速度。在该小型智能垃圾压缩箱中，行程开关主要用于控制压板下压的极限位置及其上行时机器停止工作的位置。控制压板下压极限位置的行程开关可以安装在下部内箱箱体的外部，当压板触碰行程开关时，电机反转，压板开始上行，当触碰到上部的行程开关时，电机停止工作，恢复初始状态。联轴器的选择联轴器主要分为挠性联轴器和刚性联轴器，两者存在一定的区别，首先刚性联轴器结构简单，价格便宜，适用于两个轴同心度好的情况。而弹性联轴器结构相对复杂，价格较高，适用于两个轴同心度不很好的情况，适用于有扭转振动的情况，有减振的效果。而在本次设计中，两个轴的同轴度难以保证，所以为了降低装配难度，选用弹性联轴器则更为合适。动力装置的选择常见的动力装置主要分为气液压驱动式和电力驱动式两种，气液压驱动多用于大型机械，同时气液压传动还需要油箱或者空气压缩机，不适合于家庭使用；而考虑到电动机驱动，由于其工作过程中下压速度较小，只存在轻微冲击，同时电动机还需要经常起动、制动、及其正反转，还有较小的转动惯量和较大的过载能力的要求，再者结合经济性要求，选用交流的Y型的三相异步电动机更为合适。对于功率及其转速的选择还要综合考虑机器工作时所受的最大作用力及其各传动机构的传递效率,根据压缩试验的结果,确定电动机的功率和转速。4 产品设计计算说明书4.1 电动机的选择4.1.1 选择原动机的类型原动机主要包括电动机、液压马达、气动马达和内燃机等几种类型，对于电动机而言，与被驱动的工作机械连接简便，其种类和型号较多，可满足不同类型的工作要求；而对于液压马达而言，虽然结构尺寸小，但其必须具有高压油的供给系统，而且容易漏油；对使用成本低，但工作稳定性差且噪声较大，只适合小轻型机械；而内燃机污染比较大，适合野外作业。综合以上分析，该小型智能垃圾压缩箱采用电动机作为原动机。对于Y系列的电动机，适合于无特许要求的机械上，价格相对来说较低,但不适合需频繁正反转的场合，但对于正反转频率不大的场合可以适用；而对于YZ或YZR系列的三相异步电动机，具有较大的过载能力和较高的机械强度，特别适用于短时或断续周期运行，适合于电机需经常启动、制动和正反转的场合。考虑到机器的工作性能，在工作中压缩箱需经常启动、反转和制动，综合比较分析，选用YZ或YZR系列。同时考虑到经济性要求，Y系列的三相异步电动机相比YZ或YZR系列电动机的价格要低，同时Y系列电动机的正反转可以通过单片机技术实现，综合以上考虑，选用Y系列的三相异步电动机更为合适。4.1.2 选择电动机的功率对于垃圾压缩机而言，计算选用电动机的功率时首先要通过试验估测垃圾压缩机工作时压板下压时可能需要的最大压力，所以我们也通过试验进行了这方面的工作，其试验的相关情况如下：（详细情况见压缩试验图纸，见上图）试验结果： 用压缩试验机将娃哈哈八宝粥空罐正压，其压力峰值为2950.624N，用压缩试验机压缩平放的八宝粥空罐一端，其压力峰值为1626.586N。考虑到生活垃圾种类及其各种类垃圾的可能数量，在本设计计算中采用将八宝粥空罐同时下压时所收到的最大力为设计时所用的计算力。工作件（压板）的输入功率P1：取试件侧压时所受到的力为工作压力，则由试验可知压板所能承受的最大压力为F， 则 F=F峰3=2950.6243=8851.872（N） (1)若使用承受最大为500kg的磁力锁根据力矩平衡计算，有：50002D=FD (2)则F=1000N8851.872N,满足机器工作的压力条件。取压板下压的速度V=1.5m/min由 =FV/（100060） (3)知 =88511.5/（100060）=0.2212（KW）又因为电动机的输出功率P=/由机械设计课程设计手册表1-7可以查得：梯形丝杠的传动效率 =0.30.6同步带传动的传动效率=0.92-0.98，取=0.96锥齿轮传动中加工齿的开式齿轮传动效率=0.92-0.95而在此机器中的张紧轮不仅在传动系统中对同步带起到张紧作用，而且可以减少同步带的振动，但是基本上不会影响机器的传动效率，所以不需要考虑张紧轮对其传动效率的影响。所以 =0.40.40.960.92=0.141312 (4) = =0.2212/0.141312=1.57（KW） (5)又因为电动机的效率为80.5，所以应选用的电动机功率为： =1.57/0.805=1.95kW查询机械设计手册选用功率为2.2 kW的电动机。又因为标准电动机的功率为额定功率，所选用的电动机的功率应等于或稍大于工作要求的功率，同时该机器工作为短时、频繁起动和制动的工作性质，同时考虑到传动比要求及其速度要求，又Y型三相异步电动机为常用电动机，所以参照机械设计课程设计手册表12-1知选用Y90L-2型号的电动机，其额定功率为2.2KW,转速为2840r/min。4.1.3 选择电动机的转速根据电动机的转速越高，磁极越少，尺寸重量越小，价格也越低，同时其传动装置的总传动比也要越大，传动级数增多，尺寸及重量增大的规律，同时综合工作机转速要求和传动机构的合理传动比范围，可以推算出电动机转速的可选范围。又因为丝杠移动速度V=丝杠转速n螺距P线数查机械设计手册可得：公称直径d=840时，梯形螺纹的螺距P主要有1.5,2,3,4,6,7,10类型，估算梯形螺纹丝杆公称直径18、32、34，取丝杆的公称直径为32，则梯形丝杆的螺距有3、6、10三种类型，取螺距为6又因为 =d-0.5P，则d=32，=29，则查询机械设计手册知外螺纹小径=25 (6)因为压板下压速度为1.5m/min，又因为丝杆螺距为6mm，所以丝杆的转速 =1500606=4.16r/s，取4r/s综合电机转速和丝杆的转速，可以确定总传动比为12,又因为带传动的传动比= 2 5直齿锥齿轮的传动比= 2 3估算出=（28002880）r/min取电动机转速为2840 r/min，链轮转速为240 r/min，则传动比为12取带传动传动比为4，直齿锥齿轮传动比为3在传动比范围之内，满足条件要求。所以确定电动机选用转速为2840 r/min的类型。综合以上计算，可知电动机的基本参数如下表1所示。表1 电动机基本参数Table 1 Basic parameters of motor型号功率（kW）电流（A）转速（r/min）效率()功率因素重量(kg)噪声A(dB)Y90L-22.24.8284080.50.86 27754.2 直齿锥齿轮减速箱的设计计算图10 直齿锥轮轮尺寸示意图Figure10 Straight bevel wheel size diagram锥齿轮传动用来传递两相交轴之间的运动和动力，在一般机械中，锥齿轮两轴之间的交角=90，而在本次设计中使用直齿锥齿轮的目的也是为了将水平方向的运动转变为垂直方向的运动，所以直齿锥齿轮能满足运动的方向和传动性要求。4.2.1 选用材料，热处理方法，定精度等级。对于齿轮的要求是齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求齿面硬、芯部韧。齿轮常用的材料包括优质碳素钢、合金钢、铸钢和铸铁等，经比较，大小齿轮的材料均为40Cr，并经过表面淬火处理，齿面硬度均为241286HBW,齿芯硬度为48-55HRC。又查图10-21d知，接触疲劳强度极限Hlim=600Mpa，又因为垃圾压缩机为一般工作机器，转速不高，一般选用7级精度（GB 10095-88）.4.2.2 初步设计。选用直齿锥齿轮，按接触疲劳强度进行初步设计，即：由机械设计教材表10-6查得：弹性影响系数=189.8Mpa载荷系数K=1.83，取K=2.4额定转矩=9549=95492.2/2840=7.397Nm (7)齿数比u=2840/947=3 (8)锥齿轮传动的齿宽系数R=0.250.35，取R=0.3许用接触应力，取失效概率为1，安全系数S=1，由式=0.9=0.9600=540 Mpa (9)初步计算结果：d54.2mm4.2.3 几何尺寸计算齿数：因为一般取=1430，所以取=15，=u=315=45 分锥角：=arctan（）= arc/u= arc/3=18.43 (10) =-=90-18.43=71.57模数： m=54.2/15=3.61,取m=3.75分度圆直径 =3.7515=56.25mm (11) =3.7545=168.75mm齿宽中点分度圆直径 (1-0.5R)=56.25(1-0.50.3) = 47.8125 (12) (1-0.5R)=168.75(1-0.50.3)=143.4375 锥距：R=m/2 =88.939mm (13)中锥距：=R（1-0.5R）=88.939（1-0.50.3）=75.598mm (14)齿宽： b=RR=0.385.38=26.6817，取b=26 (15)齿顶高：=m（1+x1）=3.75 （16) =3.75齿根高：=m(1.2-)=3.751.2=4.5 (17) =4.5齿顶圆直径：=+2cos=56.25+23.75cos18.43=63.365 (18) =+2cos=168.75+23.75cos71.57=171.12齿根圆直径：=-2cos=56.25-23.750.949=49.1325mm (19) =-2cos=168.75-23.750.316=166.38mm齿根角：=arctan/R=2.172 (20)= arctan/R=2.172齿顶角：=2.172 (21)=2.172顶锥角：=+=20.602 (22) =+=73.742根锥角：=-=16.258 (23) =-=69.398分度圆齿厚：s=m/2=5.8875 (24)当量齿数：=15.81，取zv1=16 (25) =142.4顶隙：c=c*m=0.23.75=0.75 (26)齿宽：BR/3=29.65,取B=26表2 直齿锥齿轮基本参数Table 2 Basic parameters of straight bevel gear名称代号小 齿 轮大 齿 轮分锥角18.4371.57齿顶高ha3.75 3.75齿根高hf6.5 6.5分度圆直径d56.25168.75齿顶圆直径da63.365171.12齿根圆直径df49.1325166.38锥距R88.939 88.939齿根角f2.172 2.172顶锥角a 20.602 73.742根锥角f 16.258 69.398顶隙c0.75 0.75分度圆齿厚s5.8875 5.8875当量齿数zv16142.4齿宽B26 264.2.4 校核齿面接触疲劳强度强度条件：令接触线长度L=b，对于=20的直齿锥齿轮，ZH=2.5，可得接触疲劳强度： (27) 查询机械设计手册可得：ZE=189.8Mpa (28)又因为 K=KAKVKK查机械设计表10-2知，因为是电动机均匀平稳的载荷状态，所以使用系数KA=1查机械设计图10-8知，Vm=2nd=23.1447.355=16.337m/s,齿轮精度等级为7级，又因为是直齿锥齿轮传动，应按低一级的精度线及锥齿轮平均分度圆处的圆周速度查询，动载荷系数KV=1.12查询机械设计教材，知齿间载荷分配系数KH=1 齿向载荷分配系数KH=1.423K= KAKVKK=11.1211.423=1.59376 (29)=0.9=0.9600=540 Mpa (30)=17.5399，满足接触疲劳强度要求。4.2.5 齿根弯曲疲劳强度校核直齿锥齿轮的弯曲疲劳强度可以近似的按平均分度圆处的当量齿轮进行计算，从而齿根弯曲疲劳强度校核公式： (31)因为K=1.59376=2T/ T=7.397Nm 又因为=d（1-0.5R） (32)=55(1-0.15)=46.75 =165(1-0.15)=140.25 (33)=0.316 =0.105按当量齿数查机械设计教材表10-5，由=10知齿形系数=2.76，应力校正系数=1.56由=85知齿形系数=2.13，应力校正系数=1.848齿宽b=20，m=6，R=0.3=0.0344 =0.0104因为 ，满足齿根弯曲疲劳强度要求。 因为减速换向器采用外购，其实物图片如下图11所示图11 直齿锥齿轮减速箱实物图Figure 11 Straight bevel gear reducer physical map4.3 同步带轮的传动设计计算对于同步带可以根据所传递的功率的范围来进行选择，首先，同步带齿形有梯形齿和圆弧齿两大类，目前梯形齿应用最为广泛，价格也相对来说较为便宜，但圆弧齿同步带因其承载能力和疲劳寿命高于梯形齿而应用日趋广泛。考虑到圆弧齿带轮和圆弧齿同步带的经济型问题，本设计中选用梯形齿周节制同步带。4.3.1 同步带传动设计因为同步带轮所传递的功率P=2.20.8050.92=1.63KW由此得设计功率Pd=，查询同步带的工况系数知本工作机的工况系数，由此知设计功率因为直齿锥齿轮通过3：1的传动比进行减速，所以同步带轮中小带轮转速，根据设计功率大小及其小带轮转速，查阅同步齿形带选型图知应选择型号为L型的同步带。由此可以查阅H型周节制梯形齿同步带的相关参数，如下表3所示：表3 同步带轮基本参数Table 3 Synchronous belt wheel basic parameters型号节距齿形角齿根厚齿高带高齿根圆角半径齿形圆角半径L9.525404.651.913.61.021.02由小带轮的转速可知，取 (34)大带轮齿数 (35)带速初定中心距 (36)所以带的节线长 (37)所以 (38)基本额定功率 (39)其中为带宽为因为由上可知v=，计算可得=3.48KW （40）L型带的基准宽度=25.4mm，小带轮啮合齿数系数计算可得带宽=19mm，所以选用带宽型号为075，公称尺寸为19.1mm作用在轴上的力，所以=144.4N （41） 图12 同步带轮实物图Figure 12 Synchronous belt wheel physical map4.3.2 同步带轮的基本结构形式同步带轮的材料为45号钢，发黑处理，其实物图如上图12所示。装配时带轮与轴之间通过键连接，同时通过销钉对轴向进行定位4.3.3 带传动的张紧带传动的张紧程度对其传动能力、寿命和轴压力都有很大的影响，为了产生一定的初拉力，带传动需要张紧，另外，带传动工作一段时间后会由于塑性变形而松弛，使初拉力减小、传动能力下降，需要重新张紧。张紧的方式主要分为定期张紧、自动张紧和张紧轮张紧三种方式，在本次设计中采用张紧轮进行张紧。因为机器带轮之间的中心距不能调节，所以可采用张紧轮，其可任意调节预紧力的大小，容易装卸。张紧轮的轮槽尺寸同带轮，张紧轮的直径，采用自动张紧，张紧轮置于松边外侧，增大了带在小带轮上的包角。4.4 丝杠传动的设计计算对于丝杠传动的设计在该设计中主要考虑到经济性要求，所以才欧诺个滑动螺旋的丝杠传动，该传动的主要特点是摩擦阻力大，传动效率低，结构简单，加工方便，运动平稳。在本设计中丝杠的螺纹种类选用梯形螺纹，牙型角=30。同时对于滑动螺旋传动，滑动螺旋的基本尺寸（即螺杆直径和螺母高度），通常根据耐磨性条件确定，对于受力较大的传力螺旋，还应校核螺杆的危险截面以及螺纹牙的强度，以及防止塑性变形或断裂；对于长径比很大的螺杆，还应校核其稳定性，以防止螺杆受压后失稳。在设计时应根据螺旋传动的类型、工作条件、及失效形式等，选择设计准则。4.4.1 耐磨性计算滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力p。已知作用于螺杆的轴向力F=5000N，螺纹的中径为d2，螺纹的承压面积为A，螺纹中径为d2，螺纹的工作高度为h，螺纹的螺距为p，螺母高度为H，螺纹工作圈数为u。因为丝杠螺旋传动选用梯形螺纹，所以螺杆中径d2由d2FP/hp =0.8F/p （42）因为螺杆-螺母的材料为钢-铸铁，滑动速度V2.4mmin,所以材料的许用应力p=1318Mpa对于部分螺母和兼做支承的螺母，可取=2.53.5由上面已知条件计算可以得出=9.92mm查询机械设计课程设计手册表3-7选用丝杠公称直径d=12mm，螺距P=3mm则由表3-8查得外螺纹小径=12-3.5=8.5，外螺纹中径为=10.5mm内螺纹大径=12+0.5=12.5mm，内螺纹小径=12-3=9mm螺母高度H=2.510.5=26.25mm （43）旋合圈数zZ=H/p=26.25/3=8.7512，所以取Z=8.75 （44）螺纹工作高度hh=0.5p=0.53=1.5 （45）梯形螺纹牙底宽度b=0.65p=0.653=1.95 （46）工作压强PP=F/hzp，用于螺旋升角（螺旋升角=arctanS/ （47）当量摩擦角=arctanf/（cos/2） （48）因为查询机械设计手册知f=0.120.15，S=2所以计算可知：=8.826 =3.64443 4.4.2 螺杆的强度计算因为受力较大的螺杆工作时承受轴向压力F和扭矩T的作用，螺杆危险截面上既有压缩应力，又有切应力，在校核螺杆强度时，应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力ca。其强度条件为：ca= （49）或已知螺杆所受的轴向压力F=5000N螺杆螺纹小径d1=8.5mm螺杆螺纹段危险截面面积A=56.71mm （50）螺杆螺纹段的抗扭截面系数WT=A=120.52 （51）螺杆所受的扭矩T=9549P/n=203.6Mpa （52）螺杆材料的许用应力=5286.7Mpa （53）=88.18Mpa4.4.3 螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。假设平均压力作用在螺纹的中径D2为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面的剪切强度条件为 （54）螺纹大径D=12.5螺纹牙根部的厚度b=0.65P=1.95螺纹工作圈数u=8.75,取整数u=8=8.165Mpa=40Mpa螺纹牙危险截面的弯曲强度条件 （55）弯曲力臂l=1 （56）=25.13Mpa=4555Mpa4.4.4 螺杆的稳定性计算对于长径比比较大的受压螺杆，当轴向压力F大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性，而在此机器设计方案中丝杆的长径比较大，所以要进行稳定性的计算。螺杆的稳定性条件为：S （57）临界载荷= （58）螺杆危险截面的惯性矩 I=1197.8 （59）丝杠传动相关参数列表：表4 丝杆参数Table 4 Parameters of wire rod参数名称参数大小螺杆中径d2105螺母高度H26.25旋合圈数z8螺纹的工作高度h1.5螺纹升角3.644螺纹牙底宽b1.95为了适合机器总体要求，丝杠直径选用公称直径（外螺纹大径）为22mm的丝杠，相关参数如下：表5 丝杆关键参数Table 5 Key parameters of wire rod公称直径d螺距P外螺纹小径外、内螺纹中径内螺纹大径内螺纹小径22819.5202314其丝杆结构形式如下图所示:图13 丝杆三维图Figure 13 Screw three-dimensional map4.5 轴系零部件的选择4.5.1 轴承类型的选择首先分析轴承的受力情况可知，轴承受径向力和轴向力的联合作用，所以选择向心推力轴承；而从承载能力来说，滚子轴承和尺寸系列较大的轴承能承受较大载荷，球轴承和尺寸系列较小的轴承承载能力较小；从工作转速对轴承的要求来看，球轴承有较高的极限转速，故在高速时优先选用球轴承，同时在高速时，宜选用同一直径系列中外径较小的轴承，而外径较大的轴承宜用于低速重载荷的场合；当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴向力弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生倾斜，这时可采用有一定调心能力的调心球轴承，调心球轴承和调心滚子轴承能满足一定的调心要求。根据以上分析，选用推力调心滚子轴承和圆锥滚子轴承比较适合。在本次设计中，选用圆锥滚子轴承。轴承在许多应用场合，常常同时承受径向载荷，在进行轴承寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷。当量动载荷角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受径向载荷时，要产生派生的轴向力，为了保证这类轴承正常工作，通常是成对使用的。所以两个派生轴向力设外加轴向载荷为，则轴承1和2所受的轴向载荷为 （60）4.5.2 圆锥滚子轴承的设计计算由已知可得，轴承的径向载荷,作用于轴承的轴向载荷为5000N，转速n=237r/min,工作中有振动，要求轴承寿命，要求轴承的内径大于10，由螺旋传动设计计算中可知，螺杆大径D=22mm。查询机械设计手册可咱选定30203 329/22型轴承其计算系数e=0.32，Y=1.9，当量载荷， （61）查询机械设计手册可知 （62）其中，计算可得C=30861N, 30203 329/22型轴承的。求直齿锥齿轮上输出轴上的功率P、转速n和转矩T =1.629KWn =28403=946.7r/minT=9549=16.43N mm 初步确定轴的最小直径因为根据式dA （63）选取轴的材料为45钢，调质处理。根据机械设计教材表15-3知A=103126，取A=120所以计算可得直齿锥齿轮上轴的直径d14.379，取d=17查询机械设计课程设计手册表6-8知，选用圆锥滚子轴承代号为30203，表5 轴承参数Table 5 Bearing parameters轴承代号D D T B C 30203174013.251211114.6 回力弹簧的设计计算圆柱形弹簧可以分为压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧三类，而回力弹簧是属于扭转弹簧中的一种。圆柱形螺旋扭转弹簧材料直径，其中现取C=6，许用弯曲应力有效圈数,刚度 （64）最小工作扭矩最大工作扭矩时的扭转角 （65）工作极限扭矩 （66）工作极限扭转角 （67）间距 （68）自由长度 （69）螺旋角 （70）对于弹簧的设计计算还需要内筒底板的设计参数，这些将在做实际样机中测得，然后可按照以上的设计计算方法设计求得弹簧的大小。5 键连接的设计计算因为在本设计方案中，键的作用主要是用来传递转矩，而在轴向不需要承受轴向力，所以选用普通平键能满足要求。由于在做轴的设计计算时，键的相关尺寸已经确定。所以由公式 （71）因为平键截面尺寸bh=87，平键长度L=32mm，另一平键尺寸尺寸为bh=87，键长L =10mm，又k=0.5h，圆头平键l=L-b。所以传递的转矩大小：T=117.6N m T=87.5 N m6 箱体材料选择及其尺寸对于箱体材料的选择可分为内部箱体材料的选择、外部覆盖件材料的选择和箱体架材料的选择，对于内部箱体由于承受的压力比较大同时要防腐蚀，同时考试采用钣金方法获得箱体，综合考虑，采用45号钢作为内箱材料，而对于外部覆盖件，由于只起覆盖作用，强度要求不大，所以使用工程塑料作为覆盖件材料。而对于箱体箱架材料的选择考虑到经济性要求采用Q235作为其制作材料。图14 伸缩内筒三维图Figure 14 Three-dimensional map of inner telescopic cylinder7电器控制在本次设计中的电控部分主要作用是控制电机的正反转及其电动机的启动与停止两部分,对于电机正反转的控制可以通过三相电机正反转控制固态继电器（如下图所示）来实现,而对于电机的启动与停止的控制可通过带延时的红外传感器（如下图所示）和行程开关来实现。当红外传感器的信号遮挡时间超过设置的延时时间时，其固态控制模块发出信号使电动机开始工作，当压缩箱压板触及下部箱体行程开关时，电动机开始反转，当触及箱体上部行程开关时，电动机停止工作。图15 固态继电器 图16 红外传感器Figure 15 The solid state relay Figure 16 Infrared sensor8结论通过压缩试验，得到了设计计算的基本参数，并通过设计计算，得到了垃圾智能压缩箱的整体结构。整个设计主要包括资料查询、压缩试验、设计方案选择、设计计算、图形绘制、设计修改、初审修改等阶段，这其中最难的是设计方案的选择，因为不同的结构有不同的优劣，同时这其中还要考虑经济性与实用性，特别是这其中还需考虑装配问题、减振问题降低噪声及其实验数据处理等问题，所以对于相关零部件的应用也许对比做出选择，当然这个过程收获也很大，不仅学到了更多的专业知识也在这实践过程中对设计有了更深的体会。由于知识储备的欠缺，同时由于工作与毕业设计实践的相重叠，所设计的小型垃圾智能压缩箱还存在一些缺陷，比如：如何设计一种机构代替丝杆传动，以防止由于丝杆的不完全一致性而引起的运动卡套；如何在减小垃圾智能压缩箱整体体积的情况下提升垃圾压缩箱的稳定性并降低工作过程中的震动；如何在保证机器工作性能要求的前提下降低其生产成本等，这些在后
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