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世界最新機械設計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據目前國內外設計學者進行機械產品設計時的主要思維特點，將產品方案的設計方法概括為系統化、結構模塊化、基于產品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯系，提出產品方案設計計算機實現的努力方向。
關鍵詞：機械產品方案設計方法發(fā)展趨勢
設計文件是將語義設計網作為設計工具，在其開發(fā)的活性語義設計網ASK中，采用結點和線條組成的網絡描述設計，結點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調整和定義結點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。
系統化設計方法
系統化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。
系統化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221技術系統和產品的開發(fā)設計方法。
1. 將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎，從產品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質量功能布置方法，系統地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發(fā)各階段的技術目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產品看作有機體層次上的生命系統，并借助于生命系統理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統結構。
3. 將機械設計中系統科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關系；二是將產品設計過程看成一個系統，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。
由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統化設計方法。
4. 設計元素法
用五個設計元素（功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數）描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設計分析和引導系統”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯接。
將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現關系間的任意結合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。
6. “構思”—“設計”法
將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段?！皹嬎肌彪A段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解?！霸O計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。
將方案的“構思”具體描述為：根據合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現，并將“結構元素”間的物理聯接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方法。
提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統。
本結構應該具有標準化的接口(聯接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合，根據分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設計為目錄作為選擇變異機械結構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。
網絡技術的蓬勃發(fā)展，異地協同設計與制造，以及從用戶對產品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現產品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產品的方案設計中，虛擬現實技術以及多媒體、超媒體工具也在產品的方案設計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術、產品數據交換標準STEP，以及標準虛擬現實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產品設計中的應用。
機械產品的方案設計正朝著計算機輔助實現、智能化設計和滿足異地協同設計制造需求的方向邁進，由于產品方案設計計算機實現方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網絡技術等各方面的領域知識，但仍然是產品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。
基于產品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。
機械系統的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。欲實現這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協調、管理和使用。為此，國內外設計學者針對機械系統方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
炒栗栗子機設計
目 錄
1 緒論…………………………………………………………………………………………1
1.1 概述:炒栗栗子機食品機械的應用前景和發(fā)展現狀……………………………………1
1.2 炒栗栗子機的相關介紹、研制意義和目標、未來的發(fā)展方向…………………………1
2 機械系統總體方案的擬定………………………………………………………………… 3
2.1動力系統的擬定……………………………………………………………………………3
2.2傳動系統的擬定……………………………………………………………………………3
2.3執(zhí)行機構的擬定……………………………………………………………………………3
3 工作機構運動需求分析及初步設計………………………………………………………4
3.1模型的建立與分析……………………………………………………………………4
3.2 生產效率與成型盤的設計…………………………………………………………………4
3.3 橫、豎蛟龍的設計計算…………………………………………………………………5
3.4 供栗機構的設計……………………………………………………………………………6
3.5 出栗機構的設計……………………………………………………………………………6
4 傳動系統的設計計算………………………………………………………………………7
4．1 傳動比的分配……………………………………………………………………………7
4.2 蝸輪蝸桿傳動副的設計…………………………………………………………………7
4.3 直齒圓錐齒輪傳動副的傳動設計………………………………………………………9
4.4 鏈傳動設計………………………………………………………………………………11
4.5 出栗機構直齒圓柱齒輪設計及校核……………………………………………………12
4.6 豎絞龍直齒圓柱齒輪設計及校核………………………………………………………13
5 分流軸及其附件的設計計算……………………………………………………………15
5.1 分流軸的設計與校核……………………………………………………………………15
5.2 軸承的設計與校核………………………………………………………………………20
5.3 鍵聯接的設計與校核……………………………………………………………………25
5.4 花鍵連接的設計與校核…………………………………………………………………28
6結論…………………………………………………………………………………………39
參考文獻………………………………………………………………………………………30
致 謝…………………………………………………………………………………………31
炒栗栗子機設計
1 緒論
1.1 炒栗栗子機(食品機械的應用前景和發(fā)展現狀
炒栗栗子機(食品在我國歷史悠久，伴隨著幾千年的文明的發(fā)展已經成為我國食品文化中的代表，如餃栗子、包栗子、餛沌是主食的一部分；湯圓、月餅、粽栗子是傳統節(jié)日中必不可缺的食物。如今，經濟的迅速增長、人民生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，對食品行業(yè)提出了新的要求。而本人認為這些要求可以歸納為兩大類：
其一是食品的質量：如食用口感、衛(wèi)生狀況、營養(yǎng)含量等。
其二便是食品供應的速度。
而解決這兩個矛盾要求的辦法便是實現食品生產的機械化和自動化，通過機械動作可以極大程度的提高食品的生產率；采用環(huán)保的機械材料和嚴格的密封技術可以很好的保證食品衛(wèi)生；而合理的工藝編排更能改善食品的口感。
目前國內外廠家在炒栗栗子機(食品機械化上的研究已經取得了一定的成果,成功研發(fā)了餃栗子機、包栗子機、餛沌機、湯圓機、月餅機以及自動化程度更高的全自動萬能炒栗栗子機機。
因東西方飲食文化的差異，目前國外炒栗栗子機成型類機械主要為日本所生產，如日產的自動萬能炒栗栗子機機，其最大生產能力可達每小時8000個，且加工范圍極廣，能生產各式饅頭、包栗子、餃栗子、夾餡餅干、壽司、等等近百種產品，采用可拆卸料斗能實現快速更換餡料，內置的無級變速調控裝置可以實現皮和餡的任意配比。廣泛用于各種帶餡食品的加工。
而國內相關機械雖然在自動化和多功能方面較之日本產品還有一定的差距，但是通過改革開放以后二十余年的發(fā)展亦取得了很大的進步。以上海滬信飲料食品機械有限公司生產的水餃機為例：配備1.1Kw的電動機，生產效率達每小時7000個。已相當接近日產餃栗子機的生產水平。
1.2 炒栗栗子機的相關介紹、研制意義和目標、未來的發(fā)展方向
1.2.1 炒栗栗子機的介紹
“炒栗栗子機”顧名思義是以機械動作代替手工操作來進行炒栗栗子的機械。按照食品機械的分類應屬于食品炒栗栗子機成型類機械，其能實現的功能均為通過機械動作將某一類帶餡并且有特定外型要求的食品生產出來。當前該類機械中比較成熟的有餃栗子機、包栗子機、餛飩機、湯圓機。而其他特殊類型的食品炒栗栗子機成型機械一般通過借鑒以上四類機械的某些結構并加以改良設計從而使之適應本類食品生產加工的需求。本課題所設計的自動栗子機便屬于后者。
1.2.2 炒栗栗子機的研制意義和目標及未來的發(fā)展方向
栗子是我的家鄉(xiāng)修水縣的一種特色小吃，以其獨特外型和口感在全縣乃至周邊地區(qū)博得人們的欣賞，但長期以來它只能通過手工生產，既費時費力，又難以保證衛(wèi)生，而且無法長期在常溫下保存。因此如果能研究開發(fā)一種能夠以機械動作代替人工勞動的機器，那么除了可以節(jié)約大量的時間、降低栗子的生產成本、提高利潤之外，更可以免除人們冬日里冒寒排隊購物之苦，一舉多得。
炒栗栗子機的初步目標確定為能夠實現栗子炒栗栗子機工藝的機械化。未來可在此基礎上加以改進和擴展，以實現橫縱兩方向發(fā)展。即炒栗栗子全過程的無人干預自動化與多功能化。
2 機械系統總體方案的擬定
2.1動力系統的擬定
動力系統可按原動機的類型分為電動式、氣動式、液壓式等。炒栗栗子機功率小、結構較簡單、產品無嚴格精度要求，因此對動力源亦沒有過多限制，且通過從便捷性和適用性方面的考慮決定選用兩相或三項交流電動機作為動力輸出裝置。經比較國內眾多相關機械的電機型號及結合本設計自身特性，選用2.2Kw三相交流電動機Y112M-6。
2.2傳動系統的擬定
傳動系統按傳動件的不同可分為帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、等幾大類。炒栗栗子機的傳動系統屬于復合傳動系統，綜合了鏈、齒輪、蝸輪蝸桿以及槽輪機構以實現傳動系統的最優(yōu)化。
具體傳動系統見下圖。
圖2-1 傳動系統圖
2.3執(zhí)行機構的擬定
執(zhí)行機構包括三個大部分：
其一是實現餡料輸送的供餡機構。即供栗機構。
其二是實現輸送的供面機構。分為橫、豎絞龍兩小部分。其中豎絞龍為中空結構，內腔充當餡料輸送的通道，即餡管。
其三是整個設計的核心部分--成型機構。由兩個同向運動的成型盤構成。
3 工作機構運動需求分析及初步設計
3.1栗子模型的建立與分析
根據家鄉(xiāng)栗子的實物研究，初步選定:
使用體積測量功能測得栗子總體積為，其中空心部分(即餡部分)體積為，實心部分體積（即部分）。
3.2 生產效率與成型盤的設計
因本設計為地方特殊食品的生產機械，故沒有完善的理論計算方面的支持，因此在參考了國內外眾多成型機械后擬定生產效率為個每小時，且由于成型盤每旋轉一周可生產栗子一個，故而確定成型盤的轉速為。
通過觀察手工炒栗子過程了解到速度越快越易成型，手工生產時速度大約為。因考慮到機器生產效率高的影響，決定將搓制速度提高一倍，初步確定為。
則成型盤的基礎直徑應為，圓整后取。
3.3 橫、豎蛟龍的設計計算
橫、豎蛟龍的作用主要是輸送，即上述三維分析中的實心部分。
3.3.1 豎絞龍的設計計算
已知每個栗子部分體積為, 栗子內腔壁直徑，即豎絞龍螺旋管的外徑為，初步擬定豎絞龍的套筒內徑為，螺旋帶厚度為，螺旋帶最外緣半徑，且忽略因螺旋帶扭曲所帶來的體積增加（即認定每個導程內螺旋帶所占體積近似為一個內徑，外徑，厚度的圓環(huán)體所占的體積），則：
設豎絞龍的轉速與成型盤轉速相同，即豎絞龍每旋轉一周，垂直向下運動一個導程，且該導程內的恰好能供成型盤生產一個栗子，為。則螺旋管的導程可按下式近似計算:
（3-1）
代入數據有:
考慮到壓實體積需要收縮,故將導程圓整為。
3.3.2 橫絞龍的設計計算
初選設計參數：
橫絞龍螺旋管外徑；橫絞龍導料槽內徑；螺旋帶厚度；螺旋帶最外緣半徑；考慮到橫絞龍采用單端固定的形式，不適合承受過大彎矩，因此決定增大轉速縮小導程以減小作用在螺旋管上的徑向分力。擬定轉速為成型盤轉速的倍，即。
則有:
同理考慮到壓實體積需要收縮，將導程圓整為。
3.4 供栗機構的設計
因為餡料需要在底部搓制完成時方可送入，故需要間歇輸送，擬定采用槽輪機構與雙滑片泵組合使用。輸送頻率在數值上等同于成型盤每秒的旋轉次數，即有Z=1Hz。
根據供栗機構為雙滑片偏心泵的結構可確定。
3.5 出栗機構的設計
為了避免在搓制成型過程中產生撕裂，應當使面嘴轉速等于或接近于在成型盤中的轉速。設與成型盤之間沒有相對滑動，則轉速可由下式確定：
（3-2）
給公式變形并代入數據有：
4. 傳動系統的設計計算
4．1 傳動比的分配
4.1.1 電動機轉速的確定
Y112M-6型電動機額定轉速為。
4.1.2 傳動比的總體分配及各軸轉速的確定
根據總體傳動系統圖和各執(zhí)行部件所需的轉速可確定出各傳動部件的傳動比。
最大傳動比；
最小傳動比；
確定減速器的傳動比為；
確定錐齒輪副的傳動比為；
確定橫絞龍鏈輪副的傳動比為；
確定成型盤鏈輪副的傳動比為；
確定面嘴齒輪副的傳動比為；
確定豎絞龍齒輪副的傳動比為；
確定槽輪機構的傳動比為；
列出各個軸的轉速：
電機軸轉速；
蝸桿軸轉速；
蝸輪軸轉速；
分流軸轉速；
4.1.3 確定各個執(zhí)行部件所需的功率
根據各個執(zhí)行機構的運動要求分配其所占的比例：
成型機構40%；
橫絞龍 25%；
豎絞龍 15%；
出栗機構 12%；
供栗機構 8%。
4.2 蝸輪蝸桿傳動副的設計
4.2.1 設計要求
蝸桿要求右旋；輸入功率；輸入轉速；傳動比；工作時單向運轉；載荷較平穩(wěn)；要求累計工作時間不小于；可靠性要求一般；電動機驅動；工作環(huán)境通風良好，減速器有效散熱面積A不小于；平均室溫；工作油溫不高于。
4.2.2 初選參數及材料
根據使用要求，選用ZA型阿基米德蝸桿，蝸桿頭數，對應的蝸輪的齒數，變位系數，傳動效率,蝸輪使用系數，蝸輪動載系數，減速器散熱系數。
蝸桿材料：45鋼淬火，要求達到齒面硬度45HRC。
蝸輪材料：ZCuSn10P1離心鑄造。
疲勞接觸強度最小安全系數
彎曲疲勞強度最小安全系數
材料彈性系數
則有：
蝸輪材料接觸疲勞極限應力；
蝸輪材料彎曲疲勞極限應力；
4.2.3 初步計算
轉速系數；
壽命系數；
蝸輪材料許用接觸應力：
；
蝸輪材料許用彎曲應力：
；
蝸桿轉矩；
蝸輪轉矩；
工作系數
4.2.4 根據齒面接觸疲勞強度條件設計蝸輪蝸桿副
根據設計公式有：
（4-1）
據查表數據圓整，并查得；；。
計算可得：
蝸輪分度圓直徑：；
實際中心距：；
蝸桿速度：；
蝸桿齒頂圓直徑：；
蝸桿齒根圓直徑：；
導程角：；
導程角系數：；
當量齒數：；
蝸輪輪齒齒形系數：；
螺桿螺紋部分長度：；
蝸輪喉圓直徑：；
蝸輪齒頂圓直徑：；
蝸輪齒根圓直徑：；
蝸輪輪緣寬度：，圓整取。
4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度和熱平衡
根據彎曲疲勞強度校核條件有：
（4-2）
可見齒根彎曲疲勞強度合格。
根據熱平衡計算條件有：
（4-3）
可見減速器熱平衡條件亦滿足要求。
4.2.6 蝸輪蝸桿受力計算
；
；
。
4.3 直齒圓錐齒輪傳動副的傳動設計
4.3.1 設計要求
輸入功率；輸入轉速；傳動比；工作時單向運轉；載荷較平穩(wěn)；要求累計工作時間不小于；可靠性要求一般。
4.3.2 初選參數及材料
工作載荷系數：、、；
壽命系數：、；
齒寬系數：；
分度錐角：；
齒形系數：；
應力修正系數：；
節(jié)點區(qū)域系數：；
最小安全系數：、；
錐齒輪選擇材料45鋼調質，要求達到齒面硬度230HBS。
材料系數；、；
4.3.3 初步計算
許用齒面接觸應力：；
許用齒根彎曲應力：；
輸入轉矩：
；
工作系數：。
4.3.4 根據齒面接觸疲勞強度條件設計直齒圓錐齒輪傳動副
根據設計公式有：
（4-4）
圓整后??；
選取模數：，齒數：；
錐距：；
齒寬：，圓整后??；
圓整齒寬系數：。
4.3.5 校核齒根彎曲疲勞強度
根據校核公式有：
（4-5）
可見齒根彎曲疲勞強度滿足要求。
4.3.6 圓錐齒輪受力計算
4.4 鏈傳動設計
4.4.1 橫絞龍鏈傳動設計
設計要求：輸入功率，輸入轉速，傳動比。
橫絞龍鏈傳動采用單排滾栗子鏈結構，查手冊可知需選用08A型滾栗子鏈，鏈節(jié)距。初選小鏈輪齒數。由傳動比可計算得。
鏈速：；
工作拉力：；
選取壓軸力系數；
軸壓力：。
4.4.2 成形機構鏈傳動設計
設計要求：輸入功率，輸入轉速，傳動比。
成形機構鏈傳動亦采用單排滾栗子鏈結構，查手冊可知需選用08A型滾栗子鏈，鏈節(jié)距。初選小鏈輪齒數。由傳動比可計算得。
鏈速：；
工作拉力：；
選取壓軸力系數；
軸壓力：。
4.5 出栗機構直齒圓柱齒輪設計及校核
4.5.1 設計要求
輸入功率，輸入轉速，傳動比，要求中心距，齒寬。
4.5.2 模數、齒數及分度圓直徑的計算
計算大小齒輪分度圓直徑：
初選模數，齒數；。
4.5.3 選擇參數與材料并進行初步計算
工作系數：、、、。
壽命系數：、；
最小安全系數：、；
齒形系數：；
應力修正系數：；
。
。
材料選擇：大小齒輪材料均為45鋼調質，齒面硬度要求達到230HBS；
節(jié)點區(qū)域系數：；
材料系數：；
重合度系數：、
齒數比
、；
許用齒面接觸應力：；
許用齒根彎曲應力：；
4.5.4 校核齒輪強度條件
校核齒面解除疲勞強度條件：
（4-6）
齒面解除疲勞強度合格。
校核齒根彎曲疲勞強度：
（4-7）
齒根彎曲疲勞強度條件合格。
4.5.5 受力計算
4.6 豎絞龍直齒圓柱齒輪設計及校核
4.6.1 設計要求
輸入功率，輸入轉速，傳動比，要求中心距，齒寬。
4.6.2 模數、齒數及分度圓直徑的計算
計算大小齒輪分度圓直徑：
初選模數，齒數；。
4.6.3 選擇參數與材料并進行初步計算
工作系數：、、、。
壽命系數：、；
最小安全系數：、；
齒形系數：；
應力修正系數：；
。
。
材料選擇：大小齒輪材料均為45鋼調質，齒面硬度要求達到230HBS；
節(jié)點區(qū)域系數：；
材料系數：；
重合度系數：、
齒數比
、；
許用齒面接觸應力：；
許用齒根彎曲應力：；
4.6.4 校核齒輪強度條件
校核齒面解除疲勞強度條件：
（4-8）
齒面解除疲勞強度合格。
校核齒根彎曲疲勞強度：
（4-9）
齒根彎曲疲勞強度條件合格。
4.6.5 受力計算
5分流軸及其附件的設計計算
5.1 分流軸的設計與校核
5.1.1 設計要求
軸上分布有4個以鍵聯接的傳動件，位置已固定。軸末端加工成花鍵軸。軸靠三個軸承支撐固定。軸材料采用45鋼調質。各個軸端軸向尺寸如下圖（5-1）a所示。
5.1.2 分流軸扭矩圖的繪制
各軸段扭矩大小分別為：
；；；；。
扭矩圖如下圖（5-1）b。
圖5-1軸結構簡圖及扭矩圖
5.1.3 計算初選軸徑
由扭矩圖上可見從左向右數第二鍵槽左側位置（設為位置1）與末端花鍵左側位置（設為位置2）受扭情況最壞，故以該兩位置（定位受扭危險截面）扭矩大小計算初選軸徑。由于軸選用45鋼，確定扭轉應力系數
（5-1）
。
考慮到軸上開鍵槽影響軸的強度，故將軸徑擴大并圓整數據得。
。
考慮到軸徑太小不利于花鍵的加工，因此選取末端軸徑，為花鍵軸的大徑。
5.1.4 分流軸各段軸徑的確定
因軸段5需要安放軸承，故在軸段6的基礎上略微增大軸徑，確定該段軸徑為；
因軸段5上的軸承需要軸段4來進行軸向定位，故確定軸段4軸徑為；
軸段1與軸段5同樣需要安放軸承，則該段軸徑亦為；
軸段2上開鍵槽以便安裝圓錐齒輪，且兼有給軸段1上軸承做軸向定位之功用，故確定該段軸徑為；
軸段3為錐齒輪定位軸環(huán)，尺寸選定為。
5.1.5 軸的受力分析
軸上所有力分布如下圖所示：
圖5-2軸受力示意圖
將所有受力情況繪制成如下三線表（5-1）：
表5-1軸受力狀態(tài)表（含未知數）
力名稱
力大小()
509.5
-1979.5
-509.5
-2341.5
115.3
316.7
289.7
795.8
11141.7
可見表中有7個未知數，而根據受力平衡可直接列出下列5個方程。故該結構屬于超靜定結構。需要根據軸承處（即3位置）撓度為0列變形協調方程方可求解出表中全部未知數。
受力平衡條件方程：
（5-2）
（5-3）
（5-4）
（5-5）
（5-6）
其中（60為圓錐齒輪齒寬中點分度圓半徑值）。
變形協調方程：
（5-7）
（5-8）
其中
； （5-9）
； （5-10）
； （5-11）
； （5-12）
注：上述4式中x代表位置3至位置1的距離；l代表位置1至位置7的距離；a代表力或力矩的作用點至位置1的距離；b代表力或力矩作用點至位置7的距離；E為材料的彈性模量，I為材料截面的極慣性矩（為簡化計算過程，設各個軸徑極慣性矩I均相同）。
則有：
聯立方程
聯立方程
根據計算結果重新繪制如下三線表：
表（5-2）軸受力狀態(tài)表
力名稱
力大小()
5.1.6 軸的校核
根據上節(jié)內容繪制如下彎矩圖
圖（5-3）軸彎矩圖
確定危險截面為4位置左側，復合彎矩大小為，該段軸徑為，鍵槽寬度，入軸深度，抗彎截面系數，許用彎曲應力。
（5-13）
可見軸強度合格。
5.2 軸承的設計與校核
5.2.1 軸承的選擇
根據轉速及載荷初選1、3位置為圓錐滾栗子軸承，7位置為深溝球軸承。
根據各個軸徑選取具體軸承型號：
1、3位置選取圓錐滾栗子軸承329/32，7位置選取深溝球軸承6005。
5.2.2 1位置軸承的校核
徑向力 ；軸向力 ；軸頸直徑 ；轉速 ；要求壽命；溫度系數 ；潤滑方式：脂潤滑；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉速 ；壽命系數。
查表可得判斷系數；軸向載荷系數,；載荷系數；
當量動載荷
軸承壽命。
軸承壽命要求合格。
5.2.3 3位置軸承的校核
徑向力 ；軸頸直徑 ；轉速 ；要求壽命；溫度系數 ；潤滑方式：脂潤滑；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉速 ；壽命系數。
查表可得判斷系數；軸向載荷系數,；載荷系數；
當量動載荷
軸承壽命。
軸承壽命要求合格。
5.2.4 7位置軸承的校核
徑向力 ；軸頸直徑 ；轉速 ；要求壽命；溫度系數 ；潤滑方式：脂潤滑；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉速 ；壽命系數。
查表可得判斷系數；軸向載荷系數,；載荷系數；
當量動載荷
軸承壽命。
軸承壽命要求合格。
5.3 鍵聯接的設計與校核
5.3.1 鍵的選型
根據2、4、5、6位置軸徑大小選取鍵，2位置鍵尺寸；4、5、6位置鍵尺寸。
5.3.2 鍵的校核
材料選用：Q235鋼；許用壓強；；鍵校核公式：
（5-13）
位置2鍵的校核：；
；
位置4鍵的校核：；
；
位置5鍵的校核：；
；
位置6鍵的校核：；
；
鍵強度要求均合格。
5.4 花鍵連接的設計與校核
根據軸末端尺寸查表可得花鍵尺寸為，最小接觸長度；校核參數；；許用壓強。
花鍵強度要求合格。
6 結論
本設計是以家鄉(xiāng)實情為出發(fā)點，在參考國內外各種類似機械的結構特點和成型原理后設計而成，其作用為以機械動作替代手工勞動來生產栗子。使之成為一能實現特定功能動作的機械實體。由于該次設計為僅為畢業(yè)設計，無論是時間方面還是設計經驗方面均有很大的欠缺，設計內容亦不甚完善，較之國內外主流類似產品有很大差距。亦望本設計中失誤之處能得到師長或同行的不吝指正，甚為感謝。
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致謝
在此大學四年學習即將結束之際,借本次畢業(yè)設計之機向設計期間給予我?guī)椭完P心的導師教授致以崇高的敬意和誠摯的謝意，感謝導師對本設計的完成和完善提出的寶貴意見；
對互審本設計的老師表示感謝；
對父親給與本設計許多關于結構方面的設想表示感謝；
對高中同學為本設計立題創(chuàng)意的提出表示感謝。