机械创新设计实践

江南大学第1页共12页机械创新设计实践简易自动清扫马路装置说明书学院：机械工程学院专业：机械工程及自动化班级：机自1205班设计者：2014年5月20日第2页共12页目录1、设计题目简易自动清扫马路装置2、设计目的目前道路清扫主要靠人力扫把、铁锹等完成，体力消耗大，效率低下，且在马路上清扫危险性高。先进的汽车清扫，造价高、费用大、维修困难，且对道路有一定的要求。不经济，不实用。为了解决耗费人力物力，满足经济实用的要求，特设计这款简易自动清扫马路装置。其具有节省人力物力，操作简单，工作原理简单等优点。可以直接把该装置连在前进的车上，实现清扫的功能。该装置主要适合于路面清扫面积大，主要杂物为砂石难于清扫的路面。该设备采用简单的齿轮传动机构实现转动的功能，省时省力，经济适用。3、工作原理该装置利用锥齿轮实现了力的传递，同时运用的轴承，等构件组成该装置。装置的主体是一根轴相连的两个大车轮，轮轴上焊接上框架，增强转置的稳定性，在机架上焊接拉杆，用于连接在前进的车上。机架上部装有固定转轴的机第3页共12页架，用于固定带动清扫的转轴，且该架上要有两个用于安放轴承的位置，能够将带动清扫的转轴固定，且减小了摩擦。连接两个轮子的轴的靠近中间部位装有一个固定于轴上的锥齿轮，其随车轮的转动而转动，该齿轮与装在树枝面内的用于带动清扫装置转动的轴上的另外一个同模数的锥齿轮相啮合，可以实现将车轮的转动传递到带动扫把清扫的转轴的转动。在带动清扫的轴上装上一个能够安装扫把的大圆盘，用于安装扫把，同时可以实现调整扫把的长度及数量的功能。通过简单的几个构件，这样一款自动清扫马路装置就课一实现预期的功能。在使用时将其连接在前进车辆的后部，前进车辆带动装置前进，装置上的车轮转动，并同时带动与其通过锥齿轮啮合传动的竖直轴转动，竖直周带动清扫圆盘，清扫圆盘上的扫把转动起来，将地面上的杂物清扫到路边。为了实现不同的转动方向的要求，在连接轮子的杆上装有两个齿轮，可以实现不同方向的转动要求。当前进车辆的行进速度加快时，装置的轮子同样加快速度，实现加快清扫速度的功能。当装置停止清扫时，但车辆还会继续前进，为了停止清扫圆盘的转的，课一将互相啮合的锥齿轮分离，实现停止清扫的功能。装置的结构简图及主要零件件见下图。4、机构简图第4页共12页1、车轮2、车轴3、锥齿轮（固连与轴上）4、锥齿轮（带动圆盘转动）5、锥齿轮（转换方向用）6、圆盘轴7、圆盘（装扫把）8、机架9、拉杆（用于连接车辆）机构简图解析：该装置主要用于打扫有很多砂石难于清扫的路面。使用时将该装置连接在前进的车辆上，将连杆9连接于车辆上，第5页共12页车辆前进同时带动装置前进，装置的轮子1随之转动，轮子的轴2随着轮子转动，其上与竖直杆啮合的锥齿轮3、4转动，带动圆盘7上的扫把转动，转动的扫把与地面接触，将路面上难于清扫的砂石扫向路边。为了实现圆盘7的不同转向，在轴上装有备用锥齿轮5，用于装换方向。竖直轴与机架之间装有轴承，减小摩擦。为了固定圆盘，使装置工作时候更加稳定，可以用连杆把横轴与竖轴连接加固。不工作时，为了防止圆盘转动，可以把相互啮合的齿轮分开，让圆盘停止转动。同时圆盘所固定的扫把同样可以利用连杆机构将其收起。相关方便灵活的实现打扫的功能。圆锥齿轮的相关参数及传动比参考查阅相关资料，锥齿轮资料见附件。5、装置零件图（2）第6页共12页（3）（4）第7页共12页轴承锥齿轮啮合传动示意图：第8页共12页7、附录（资料）：锥齿轮的设计与计算14.3弧齿锥齿轮几何参数设计计算弧齿锥齿轮各参数的名称如图14-6所示。弧齿锥齿轮的轮坯设计，就是要确定这些参数的计算公式和处理方法。第9页共12页14.3.1弧齿锥齿轮基本参数的确定在进行弧齿锥齿轮几何参数设计计算之前，首先要确定弧齿锥齿轮副的轴交角、齿数、模数、旋向、螺旋角，压力角等基本参数：1）弧齿锥齿轮副的轴交角∑和传动比i12，根据齿轮副的传动要求确定。2）根据齿轮副所要传动的功率或扭矩确定小轮外端的节圆直径d1和小轮齿数z1[格里森二文集]，z1一般不得小于5。弧齿锥齿轮的外端模数m可直接按公式m＝11zd(14-34)确定，不一定要圆整。弧齿轮齿轮没有标准模数的概念。3）大轮齿数可按公式Z2＝i12Z1(14-35）计算后圆整，大轮齿数与小轮齿数之和不得少于40，本章后面介绍的非零变位设计可突破这一限制。4）根据大轮和小轮的工作时的旋转方向确定齿轮的旋向。齿轮的旋向根据传动要求确定，它的选择应保证齿轮副在啮合中具有相互推开的轴向力。这样可以增大齿侧间隙，避免因无间隙而使齿轮楔合在一起，造成齿轮损坏。齿轮旋向通常选择的原则是小轮的凹面和大轮的凸面为工作面。5）为了保证齿轮副传动时有足够的重合度，设计弧齿锥齿轮副应选择合适的螺旋角。螺旋角越大，重合度越大，齿轮副的运转将越平稳，但螺旋角太大会增大齿轮的轴向推力，加剧轴向振动，同时会使箱体壁厚增加，反倒引起一些不利因素。因此，通常将螺旋角选择在30º~40º之间，保证轴面重合度不小于1.25。图14-6弧齿锥齿轮齿坯参数第10页共12页6）弧齿锥齿轮的标准压力角有16º、20º、22.5º，通常选20º。压力角太小会降低轮齿强度，并容易发生根切；压力角太大容易使齿轮的齿顶变尖，降低重合度。7）锥齿轮的齿面宽b一般选择大于或等于10m或0.3Re。将齿面设计得过宽并不能增加齿轮的强度和重合度。当负荷集中于齿轮内端时，反而会增加齿轮磨损和折断的危险。14.3.2弧齿锥齿轮几何参数的计算基本参数确定之后可进行轮坯几何参数的计算，其过程和步骤如下：小轮、大轮的节圆直径d1、d2d1＝mZ1d2＝mZ2(14-36）外锥距ReRe＝22sin2d(14-37）为了避免弧齿锥齿轮副在传动时发生轮齿干涉，弧齿锥齿轮一般都采用短齿。格里森公司推荐当小轮齿数z１≥12时，其工作齿高系数为1.70，全齿高系数为1.888。这时，弧齿锥齿轮的工作齿高hk和全齿高ht的计算公式为hk＝1.70m(14-38)ht＝1.888m(14-39)当z112时齿轮的齿高必须有特殊的比例，否则将会发生根切。工作齿高系数、全齿高系数的选取按表14-1进行。表14-1z1＜12的轮坯参数（压力角20º，螺旋角35º）小轮齿数67891011大轮最少齿数343332313029工作齿高系数fk1.5001.5601.6101.6501.6801.695全齿高系数ft1.6661.7731.7881.8321.8651.882大轮齿顶高系数fa0.2150.2700.3250.380.04350.490在弧齿锥齿轮的背锥上，外端齿顶圆到节圆之间的距离称为齿顶高，节圆到根圆之间的距离称为齿根高，由图14-6可以看到，全齿高是齿顶高和齿根高之和。为了保证弧齿锥齿轮副在工作时小轮和大轮具有相同的强度，除传动比i12＝1的弧齿锥齿轮副之外，所有弧齿锥齿轮副都采用高度变位和切向变位。根据美国格里森的标准，高度变位系数取为x1＝-x2=0.39(1－1221coszcosz)(14-40)大轮的变位系数x2为负，小轮的变位系数x1为正，它们大小相等，符号相反。因此，小轮的齿顶高hae1和大轮的齿顶高hae2为hae1＝mxhk121(14-41)hae2＝mxhk221(14-42）用全齿高减去齿顶高，就得到弧齿锥齿轮的齿根高第11页共12页hfe1＝ht－hae1hfe２＝ht－hae２(14-43)当z112时，齿顶高、齿根高的计算，按表14-1选取大轮齿顶高系数进行。弧齿锥齿轮副在工作时，小轮（大轮）的齿顶和大轮（小轮）的齿根之间必须留有一定的顶隙，用以储油润滑油和避免干涉。由图14-6可知，顶隙c是全齿高和工作齿高之差c＝ht－hk(14-44）弧齿锥齿轮一般都采用收缩齿，即轮齿的高度从外端到内端是逐渐减小的，其中最基本的形式如图14-6所示，齿轮的节锥顶点和根锥顶点是重合的。这时小轮的齿根角θf1和大轮的齿根角θf２可按下面的公式确定e1fe1fRhtge2fe2fRhtg(14-45）这样，小轮的根锥角δf1和大轮的根锥角δf２的计算公式是δf1＝δ1－θf1δf２＝δ2－θf２(14-46）为了保证弧齿锥齿轮副在工作时从外端到内端都具有相同的顶隙，小轮（大轮）的面锥应该和大轮（小轮）的根锥平行。小轮的齿顶角θa1与大轮的齿顶角θa2应该由公式θa1＝θf２θa2＝θf1(14-47）选取。因此，小轮的面锥角δa1和大轮的面锥角δa2的计算公式是δa1＝δ1+θa1δa2＝δ2+θa2(14-48）图14-6上的A点称为轮冠，齿轮在轮冠处的直径de1、de2称为小轮和大轮的外径。由图14-6可以直接推得外径的计算公式de1＝d1+2hae1cosδ1de2＝d2+2hae2cosδ2(14-49）轮冠沿齿轮轴线到齿轮节锥顶点的距离称为冠顶距，由图14-6可知小轮冠顶距Xe1和大轮冠顶距Xe2的计算公式为Xe1＝Recosδ1－hae1sinδ1Xe2＝Recosδ2－hae2sinδ2(14-50）弧齿锥齿轮理论弧齿厚的确定。如果齿厚不修正，小轮和大轮在轮齿中部应该有相同的弧齿厚，都等于21p。但除传动比i12＝1的弧齿锥齿轮副之外，所有弧齿锥齿轮副都采用高度变位和切向变位。使小轮的齿厚增加Δ=xt1m，大轮的齿厚减少Δ，这样修正以后，可使大小轮的轮齿强度接近相等。xt1是切向变位系数，对于α=20º，β=35º的弧齿锥齿轮，切向变位系数选取如图14-7所示。z1＜12切向变位系数按表14-2选取,格里森公司称切向变位系数为齿厚修正系数。选定径向变位系数和切向变位系数后，可按下式计算大小齿轮的理论弧齿厚mxtgxSte112cos22(14-51)表14-2z1＜12大轮弧齿厚系数xt1（压力角20º，螺旋角35º）z1z267891011300.9110.9570.9750.9971.0231.053400.8030.8180.8370.8600.8880.94850—0.7570.7770.8280.8840.94660——0.7770.8280.8830.945第12页共12页221SmStS(14-52）式中，S2、S1分别大齿轮及小齿轮的大端端面理论弧齿厚。βe为大端螺旋角，按公式(14-5)计算。弧齿锥齿轮副的法向侧隙与齿轮直径、精度等有关。格里森公司推荐的法向侧隙如表14-3所示。表14-3法向侧隙推荐值模数侧隙模数侧隙0.64~1.270~0.057.26~8.470.20~0.281.27~2.540.05~0.108.47~10.160.25~0.332.54~3.180.08~0.1310.16~12.700.31~0.413.18~4.230.10~0.1512.70~14.510.36~0.464.23~5.080.13~0.1814.51~16.900.41~0.565.08~6.350.15~0.2016.90~20.320.46~0.666.35~7.260.18~0.2320.32~25.400.51~0.76