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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
啤酒瓶回收清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
DESIGN OF RECYCLING AND WASHING MECHANISM FOR BEER BOTTLE
學(xué)生姓名： 陳 林
學(xué) 號(hào)： 200941634107
年級(jí)專業(yè)及班級(jí)： 2009級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化(2)班
指導(dǎo)老師及職稱： 高英武 教授
學(xué) 院： 工學(xué)院
湖南·長(zhǎng)沙
提交日期：2013 年 5 月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
誠(chéng) 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：陳 林
2013年 5 月 26 日
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………2
1 前言…………………………………………………………………………………2
2 研究課題的提出……………………………………………………………………2
2.1 課題研究的意義及現(xiàn)狀…………………………………………………………2
2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………3
2.3 課題研究方向……………………………………………………………………3
3 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)…………………………………………………………………………4
3.1 設(shè)計(jì)題目及工作原理……………………………………………………………4
3.2 功能原理…………………………………………………………………………5
3.3 啤酒瓶回收清洗機(jī)的技術(shù)要求…………………………………………………6
3.4 設(shè)計(jì)任務(wù)…………………………………………………………………………6
3.5 原始數(shù)據(jù)…………………………………………………………………………6
4 方案設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………6
4.1 分析設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………………6
4.2 推瓶機(jī)構(gòu)的選擇…………………………………………………………………7
4.2.1 自動(dòng)上料裝置中常見(jiàn)的幾種機(jī)構(gòu)……………………………………………7
4.2.2 方案的選擇……………………………………………………………………8
4.3 送料方式確定及數(shù)據(jù)計(jì)算………………………………………………………9
4.3.1 送料方式的確定………………………………………………………………9
4.4 洗瓶機(jī)構(gòu)的選擇…………………………………………………………………10
4.4.1 洗瓶裝置簡(jiǎn)圖…………………………………………………………………10
4.4.2 洗瓶設(shè)計(jì)說(shuō)明…………………………………………………………………10
4.5 洗瓶總體方案設(shè)計(jì)………………………………………………………………11
4.5.1 總體方案及運(yùn)動(dòng)說(shuō)明…………………………………………………………11
4.5.2 方案評(píng)估………………………………………………………………………12
4.6 傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………12
4.6.1 方案確定………………………………………………………………………12
4.6.2 凸輪設(shè)計(jì)………………………………………………………………………12
4.6.3 齒輪設(shè)計(jì)………………………………………………………………………16
4.7 方案的可行性驗(yàn)算………………………………………………………………21
4.8 輸入端方案確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………22
4.8.1 輸入端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………22
4.9 輸入端軸的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………23
4.9.1 軸的材料………………………………………………………………………23
4.9.2 軸的各段直徑的確定…………………………………………………………23
4.9.3 軸的各段長(zhǎng)度的確定…………………………………………………………24
4.9.4 軸上零件的軸向定位…………………………………………………………24
4.9.5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………24
4.9.6 軸的強(qiáng)度校核…………………………………………………………………26
5 結(jié)論…………………………………………………………………………………27
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………28
致謝……………………………………………………………………………………29
29
啤酒瓶回收清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：陳 林
指導(dǎo)老師：高英武
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)
摘 要： 洗瓶設(shè)備主要用于啤酒瓶灌裝前的清洗。機(jī)械生產(chǎn)中，工件的加工和裝配過(guò)程的自動(dòng)化，不僅大大提高了生產(chǎn)率，把人們從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái);而且對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化起到了積極的作用。
該課題是啤酒瓶回收清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。文中針對(duì)課題的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)上料裝置。該自動(dòng)上料裝置采用不完全齒輪和凸輪機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)來(lái)獲得較長(zhǎng)的停歇時(shí)間。方案新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，其清洗時(shí)間與上下料時(shí)間的比值較大，能大大提高清洗的效率。文中詳細(xì)的介紹了該裝置的設(shè)計(jì)思路及步驟。并將其分為3大部分：送料部分、傳動(dòng)部分和動(dòng)力部分。文章主要針對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行方案分析、方案選擇、零件參數(shù)的確定及數(shù)據(jù)計(jì)算、方案驗(yàn)證等。
關(guān)鍵詞:啤酒瓶；洗瓶機(jī)；推瓶機(jī)構(gòu)；凸輪機(jī)構(gòu)；不完全齒輪機(jī)構(gòu)；
Design of Recycling and Washing Mechanism for Beer Bottle
Student: Chen Lin
Tutor: Gao yingwu
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract: The washing bottle cleaning equipment is mainly used for washing beer bottle before filling. Not only could the automatization of the tool’s machining and the fitting improve productivity,but also could it advance the quality of the product and reduce the cost in the mechanical producting.
My project mainly design an equipment which is used for beer bottle washing .This equipmengt use incomplete gears to cease ,and adopt cams for transport bearings.This design is creative.The structure is simple and compact. As the clearing time is more longer than the transporting time,the clearing efficiency could be developed rapidly.In the passage we could find the process of the design.It consist of three part,transporting ,driving and power.My passage primarily tell of scheme analyzing,scheme choosing and data accounting,scheme validating.
Key words: Beer bottles;Rinsing machines; Push bottles of institutions;CAM mechanism; Incomplete gear mechanism.
1 前言
從上世紀(jì)九十年代以來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，啤酒消費(fèi)市場(chǎng)得到急劇擴(kuò)大，啤酒行業(yè)的成品酒包裝形式日益多樣化，已出現(xiàn)瓶裝、罐裝、桶裝及PE瓶灌裝等多種啤酒包裝形式。目前國(guó)內(nèi)啤酒市場(chǎng)受消費(fèi)習(xí)慣及生產(chǎn)成本等因素影響，仍以玻璃瓶容器為啤酒灌裝的主要包裝形式。成品啤酒流入市場(chǎng)銷(xiāo)售前通常有兩類(lèi)滅菌方式，一類(lèi)為高溫(巴氏滅菌法)滅菌，行業(yè)上稱為熟啤酒;另一類(lèi)為低溫膜過(guò)濾滅菌，行業(yè)上稱為純生啤酒?，F(xiàn)階段純生啤酒的市場(chǎng)份額占總啤酒銷(xiāo)售量的百分之五，純生啤酒的灌裝用瓶基本上是第一次投用的全新玻璃瓶或經(jīng)過(guò)預(yù)洗的一級(jí)回收玻璃瓶。熟啤酒是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的主流啤酒，占國(guó)內(nèi)啤酒市場(chǎng)的總銷(xiāo)售份額百分九十五。受生產(chǎn)成本制約，熟啤酒的灌裝用瓶除少量使用新瓶外，基本使用多次回收的舊玻璃瓶。
國(guó)內(nèi)啤酒企業(yè)普遍使用的熟啤酒回收玻璃瓶經(jīng)歷成品消費(fèi)、中轉(zhuǎn)回收、場(chǎng)地儲(chǔ)運(yùn)、清洗再生產(chǎn)、投放市場(chǎng)消費(fèi)及再次回收等多次循環(huán)后，瓶源狀況逐步轉(zhuǎn)差?；厥掌烤胁滑F(xiàn)程度的沾污，需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，分別存放使用。正式生產(chǎn)過(guò)程中必須對(duì)回收舊瓶進(jìn)行堿浸泡消毒滅菌，并要求脫除舊瓶瓶身上的殘留標(biāo)紙及瓶?jī)?nèi)污物等，回收舊玻璃瓶的工藝處理要求較高。舊啤酒瓶在清洗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多的碎玻璃、殘標(biāo)紙、污泥及廢堿液等雜物，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行管理工作量較大，且啤酒瓶的冼凈率低、能耗偏高。通常洗瓶設(shè)備的能物耗消耗量占灌裝生產(chǎn)線全線約百分之四十五。高能耗、低效率等局面成為了困擾啤酒行業(yè)灌裝生產(chǎn)線日常管理的難題。
本論文以啤酒生產(chǎn)企業(yè)的洗瓶設(shè)備為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，從而找出影響啤酒瓶通用洗瓶設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷，為改善啤酒行業(yè)洗瓶設(shè)備的運(yùn)行效率及降低洗瓶設(shè)備的能物耗消耗提供切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。
2 研究課題的提出
2.1 課題研究的意義及現(xiàn)狀
啤酒瓶屬于日用玻璃范圍，是一種常見(jiàn)的普通鈉-鈣-硅酸鹽玻璃，具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)質(zhì)性能。啤酒瓶多為玻璃瓶，頸細(xì)下粗狀，將空氣抽出后釘上瓶蓋，方可出廠。喝完后啤空酒瓶可以被回收利用。在高溫下同類(lèi)汽水瓶容易發(fā)生爆炸。啤酒瓶多用于慶?；顒?dòng)，比如西方流行的開(kāi)酒慶祝儀式正是利用啤酒瓶?jī)?nèi)的氣壓把里面的啤酒噴出來(lái)，表示歡慶。就目前市場(chǎng)而言，啤酒瓶回收還是薄利行業(yè)，主要原因是回收要求高造成的回收成本高。很多啤酒企業(yè)坦言，回收一個(gè)啤酒瓶的成本有時(shí)比買(mǎi)一個(gè)酒瓶成本還高，這就造成很多企業(yè)不愿意進(jìn)行酒瓶的回收再利用，造成大量污染和浪費(fèi)。為此，有效降低回收成本是酒瓶回收的關(guān)鍵。而在啤酒瓶回收的工業(yè)加工過(guò)程中對(duì)成品質(zhì)量影響非常大，輕則降低包裝線的運(yùn)行效率，增加水電汽等運(yùn)行成本；重則影響啤酒的生物穩(wěn)定性甚至?xí)斐赏对V率上升，影響企業(yè)形象。由此啤酒瓶回收清洗機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生。啤酒瓶回收清洗機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：一、降低了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效益。二、清洗徹底，有效提高了衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
上世紀(jì)六、七十年代我國(guó)開(kāi)始引入國(guó)外設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)繪仿制以及改良完善，即消化吸收與自主創(chuàng)新階段。此階段設(shè)備運(yùn)行速度先后經(jīng)歷了8000, 1.2萬(wàn)、2萬(wàn)、2.4萬(wàn)、3.6萬(wàn)、4.4萬(wàn)等多品種及單端、臥式雙端、立式雙端等多種類(lèi)型。上世紀(jì)70年代中期第一代洗瓶機(jī)瓶盒排數(shù)為16排，主鏈瓶盒運(yùn)行間歇?jiǎng)幼?，產(chǎn)量最高為8000瓶每小時(shí)。由于本機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代仍占據(jù)市場(chǎng)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。第一代洗瓶機(jī)是現(xiàn)有洗瓶機(jī)的早期產(chǎn)品，生產(chǎn)速度低，主鏈運(yùn)動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)行程對(duì)能耗浪費(fèi)較大。
上世紀(jì)80年代，德國(guó)SEN、 H&K等公司生產(chǎn)制造出第二代洗瓶機(jī)，該機(jī)的瓶盒排數(shù)為30排，洗瓶機(jī)機(jī)型同樣屬于浸泡噴沖連續(xù)清洗的形式，產(chǎn)量可達(dá)2-2.4萬(wàn)瓶小時(shí)。第二代洗瓶機(jī)已改善了第一代機(jī)型中主鏈空運(yùn)轉(zhuǎn)缺陷，但整體運(yùn)行速度仍然偏低。
上世紀(jì)90年代初期，德國(guó)KHS公司設(shè)計(jì)出第三代洗瓶機(jī)，瓶盒數(shù)量為38排，仍屬浸泡噴沖連續(xù)形式，產(chǎn)量高達(dá)36萬(wàn)瓶每小時(shí)，此機(jī)型目前成為國(guó)內(nèi)主流設(shè)備制造商的基準(zhǔn)機(jī)型，近凡年單端機(jī)型均在它的基礎(chǔ)上不斷地改進(jìn)完善創(chuàng)新。
90年代末期，為了滿足純生啤酒灌裝的需要，國(guó)內(nèi)不少洗瓶制造商研制出臥式雙端洗瓶機(jī)，克服了同一方向進(jìn)出瓶可能出現(xiàn)的交叉污染缺點(diǎn)。
進(jìn)入21世紀(jì)，洗瓶設(shè)備取得了新的技術(shù)進(jìn)步，目前己出現(xiàn)了采用無(wú)軸變頻傳動(dòng)取代萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)傳動(dòng)的新型傳動(dòng)洗瓶機(jī)，除標(biāo)方式上則出現(xiàn)了立式軸流泵噴沖，或?qū)υ须x心泵噴淋進(jìn)行了完善升級(jí)。洗瓶產(chǎn)能、可操作性及設(shè)備運(yùn)行效率得到進(jìn)一步提升。
2.3 課題研究方向
根據(jù)以上課題的產(chǎn)生背景可知，本課題的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
（1）機(jī)構(gòu)的型式組合即用什么機(jī)構(gòu)去完成所設(shè)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。機(jī)構(gòu)的種類(lèi)很多，它們一可以完成許多種運(yùn)動(dòng)，如往復(fù)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)擺動(dòng)、沿直線運(yùn)動(dòng)、沿某一指定的曲線運(yùn)動(dòng)、等速轉(zhuǎn)動(dòng)和不等速轉(zhuǎn)動(dòng)等等。而洗瓶機(jī)是主要又推瓶機(jī)構(gòu)、一甘輥機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)組成。設(shè)計(jì)的推瓶機(jī)構(gòu)應(yīng)使推頭接近均勻的速度準(zhǔn)瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后，推頭快速返回原位，準(zhǔn)備第二個(gè)工作循環(huán)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，推頭在工作行程中應(yīng)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，在工作前后可有變速運(yùn)動(dòng)，回程時(shí)有急回。
對(duì)這種運(yùn)動(dòng)要求，若用單一的常用機(jī)構(gòu)是不容易實(shí)現(xiàn)的，通常要把若干個(gè)基本機(jī)構(gòu)織合起來(lái)，設(shè)計(jì)組合機(jī)構(gòu)。
（2）推瓶機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì) 即怎樣根據(jù)使用要求或工藝要求制定出一個(gè)合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。例如推瓶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如果采用凸輪一連桿機(jī)構(gòu)的功能原理，則需要提出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)完成所運(yùn)動(dòng)的軌跡，來(lái)完成相應(yīng)的實(shí)際功能;如果采用四連桿機(jī)構(gòu)的功能原理，怎樣實(shí)現(xiàn)推頭推瓶的均勻速度和推頭快速返回原位等等。在這些可能的運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，要找出一個(gè)適合客觀規(guī)律的最優(yōu)方案。
（3）進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 洗瓶機(jī)如要進(jìn)行生產(chǎn)，必須要有進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)作為各工序間的連接。另外進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)還起到協(xié)調(diào)瓶流的作用，這意味著性能優(yōu)秀的進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)可以起到提高生產(chǎn)線的產(chǎn)量、效率，甚至降低成本的作用。
（4）機(jī)構(gòu)的分析和綜合綜合出合適的機(jī)構(gòu)類(lèi)型后，怎樣進(jìn)一步確定機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)形狀，也是一項(xiàng)要研究的問(wèn)題。結(jié)合實(shí)際分析連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及外型尺寸最終確定其整體外型尺寸。洗瓶機(jī)設(shè)備只用一個(gè)動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)必須聯(lián)動(dòng)，井且其主要功作必須協(xié)調(diào)。
3 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
3.1 設(shè)計(jì)題目及工作原理
洗瓶機(jī)是由送料機(jī)構(gòu)、推瓶機(jī)構(gòu)、導(dǎo)輥機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)共同來(lái)完成它的工作的。根據(jù)下面洗瓶機(jī)工作情況示意圖，首先是由推瓶機(jī)構(gòu)以均勻的速度將瓶子推上工作臺(tái)（導(dǎo)輥)，推頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使瓶子一個(gè)一個(gè)不間斷的送上工作臺(tái)進(jìn)行清洗工作，由于瓶子是從靜止到具有一定的速度，推頭和瓶子之間必然存在著一定的沖擊，所以就要考慮推頭的材料不能是剛性材料，要用其有一定韌性的塑性材料以保證在工作過(guò)程中不至于將瓶子碰碎。第二，瓶子送到工作臺(tái)的同時(shí)導(dǎo)輥己經(jīng)進(jìn)入了旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)并且噴水機(jī)構(gòu)也開(kāi)始對(duì)瓶子進(jìn)行噴水，使瓶子隨著導(dǎo)輥的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，安裝在導(dǎo)輥上而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)刷能夠?qū)⑵孔拥乃闹芏寄軌蚯逑锤蓛?。如圖所示。
圖1 洗瓶機(jī)工作示意圖簡(jiǎn)圖
Fig 3-1 Bottle washing machine working schematic diagram
3.2 功能原理
在實(shí)際工作中，要設(shè)計(jì)的機(jī)器往往比較復(fù)雜，其使用要求或工藝要求往往需要很多的功能原理組合成一個(gè)總的功能原理。下面我們來(lái)分析一下洗瓶機(jī)是通過(guò)什么功能原理來(lái)實(shí)現(xiàn)它所要完成的工作的。
首先推瓶機(jī)構(gòu)所采用的功能原理是用機(jī)械能迫使瓶子由工作臺(tái)的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)，則要求有一個(gè)工作行程為L(zhǎng)往返運(yùn)動(dòng)的推桿，同時(shí)推頭在工作過(guò)程中要?jiǎng)蛩?，回程時(shí)要快速，能夠滿足此運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以有很多種，如可以設(shè)計(jì)成凸輪連桿機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)其往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成其工作。要運(yùn)用此功能原理來(lái)滿足其工作需要，在運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)方而就要考慮用什么來(lái)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，一般我們都用電機(jī)來(lái)完成此項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)功能。
其次是轉(zhuǎn)輥機(jī)構(gòu)所運(yùn)用的是機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，也是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中比較簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只需要有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與推瓶機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輥機(jī)構(gòu)相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)洗瓶設(shè)各的整體工作功能。它是有兩個(gè)長(zhǎng)圓柱型導(dǎo)輥旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)瓶子旋轉(zhuǎn)并且由導(dǎo)輥的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)的，其中導(dǎo)輥只完成其中的旋轉(zhuǎn)功能，移動(dòng)功能是由推瓶機(jī)構(gòu)來(lái)
實(shí)現(xiàn)的。
最后我們要了解一下轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)所采用的功能原理，它與導(dǎo)輥機(jī)構(gòu)相同運(yùn)用的都是機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，與其不同的是轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)要有很高的速度來(lái)完成其對(duì)瓶子外壁的清洗工作。知道了它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就要進(jìn)一步了解它是由什么機(jī)構(gòu)帶動(dòng)完成其所要求的功能的。推瓶機(jī)構(gòu)、導(dǎo)輥機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)都是由一臺(tái)電機(jī)來(lái)提供所有的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的，這就要求我們對(duì)它們深入分析、研究各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的聯(lián)系，進(jìn)而的設(shè)計(jì)出符合其聯(lián)動(dòng)規(guī)律的整體設(shè)備，來(lái)滿足我們預(yù)期想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
3.3 啤酒瓶回收清洗機(jī)的技術(shù)要求
啤酒瓶尺寸 工作行程 生產(chǎn)率 急回系數(shù)
（長(zhǎng)×直徑） mm 個(gè)/min k
mm, mm
200×60 600 3 3
表1 啤酒瓶回收清洗機(jī)的技術(shù)要求
Tab 1 The technical requirements of beer bottle recycling cleaning machine
3.4 設(shè)計(jì)任務(wù)
（1）啤酒瓶洗瓶機(jī)總體方案的擬定和主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（2）傳動(dòng)方案的確定及設(shè)計(jì)計(jì)算，主要工作部件的設(shè)計(jì)；
（3）主要受力零件的強(qiáng)度或壽命校核計(jì)算；
（4）裝配總圖、部件圖、零件工作圖的繪制；
（5）其他機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。
（6）編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。
3.5 原始數(shù)據(jù)
（1）瓶子尺寸:長(zhǎng)度L=200mm ,直徑D=60mm .
（2）推進(jìn)距離S=600mm,推瓶機(jī)構(gòu)應(yīng)使推移接近均勻的速度推瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后推頭快速返回原位，準(zhǔn)各進(jìn)入第二個(gè)工作循環(huán)。
（3）按生產(chǎn)率每分鐘3個(gè)的要求，推程的平均速度v=45mm/s，返回時(shí)的平均速度為工作時(shí)的平均速度的三倍。
（4）機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，制造方便。
4 方案設(shè)計(jì)
4.1 分析設(shè)計(jì)要求
由題目可知:洗瓶機(jī)主要由推瓶機(jī)構(gòu)、導(dǎo)輥機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)組成。設(shè)計(jì)的推瓶機(jī)構(gòu)推桿應(yīng)以均勻的速度推瓶，平穩(wěn)地接觸和脫離瓶子，然后，快速返回原位，準(zhǔn)備第二個(gè)工作循環(huán)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，推桿在工作行程中應(yīng)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，在工作段前后可有變速運(yùn)動(dòng)，回程時(shí)有急回。
對(duì)這種運(yùn)動(dòng)要求，若用單一的常用機(jī)構(gòu)是不容易實(shí)現(xiàn)的，通常要把若干個(gè)基
本機(jī)構(gòu)組合起來(lái)，設(shè)計(jì)組合機(jī)構(gòu)。
為了完成清洗工藝過(guò)程，需要實(shí)現(xiàn)下列運(yùn)動(dòng)功能要求:
（1）瓶子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的導(dǎo)輥機(jī)構(gòu)。
（2）旋轉(zhuǎn)地瓶子沿導(dǎo)輥的平移運(yùn)動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的推動(dòng)機(jī)構(gòu)。
（3）為實(shí)現(xiàn)瓶子洗刷，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)。
（4）此外，還應(yīng)有相應(yīng)的送料機(jī)構(gòu)和取料機(jī)構(gòu)。
（5）為節(jié)約時(shí)間，提高效率，因此還要考慮推動(dòng)機(jī)構(gòu)的急回特性。
對(duì)三種機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析:
（1）導(dǎo)輥機(jī)構(gòu) 通過(guò)合理的設(shè)計(jì)及計(jì)算，利用學(xué)輥轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力來(lái)
帶動(dòng)瓶子的旋轉(zhuǎn)是可以實(shí)現(xiàn)的。
（2）推動(dòng)機(jī)構(gòu) 通過(guò)對(duì)工作行程、生產(chǎn)率急回系數(shù)等的分析，可以設(shè)計(jì)出
滿足其急回特性的推動(dòng)機(jī)構(gòu)。
（3）轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu) 只需通過(guò)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)刷子即可。
（4）送料機(jī)構(gòu)和取料機(jī)構(gòu) 均采用履帶及導(dǎo)輥傳輸。
此外，還應(yīng)注意:
（1）各機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)速度的協(xié)調(diào)。
（2）應(yīng)通過(guò)計(jì)算，使推桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，避免與轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)接觸。若推頭僅作勻速直接運(yùn)動(dòng)，則不用考慮推桿與轉(zhuǎn)刷機(jī)構(gòu)的接觸。
在設(shè)計(jì)組合機(jī)構(gòu)時(shí)，一般可首先考慮選擇滿足軌跡要求的機(jī)構(gòu)(基礎(chǔ)機(jī)構(gòu))，
而沿軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度要求，則通過(guò)改變基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)滿足，也就是讓與一個(gè)輸出變速度的附加機(jī)構(gòu)組合。
4.2 推瓶機(jī)構(gòu)的選擇
推瓶機(jī)構(gòu)的方案:根據(jù)前述設(shè)計(jì)要求，推瓶機(jī)構(gòu)應(yīng)為一具有急回特性的機(jī)構(gòu)，
為了提高且作效率，一是行程速比變化系數(shù)K盡量大一些;在推程(即工作行程)
中，應(yīng)使推桿作直線運(yùn)動(dòng)，以保證工作的穩(wěn)定性，這些運(yùn)動(dòng)要求并不一定都能得到滿足，但是必須保證推瓶中推桿的運(yùn)動(dòng)軌跡至少為近似直線，以此保證安全性。
運(yùn)用前述設(shè)計(jì)的思想方法，再考慮到機(jī)構(gòu)的急回特性和推頭做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)
的特點(diǎn)，所以根據(jù)要求，本機(jī)構(gòu)采用了凸輪機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)要求的機(jī)構(gòu)方案有很多，我們可用多種機(jī)構(gòu)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.2.1 自動(dòng)上料裝置中常見(jiàn)的幾種機(jī)構(gòu)
自動(dòng)上下料裝置中常見(jiàn)的幾種機(jī)構(gòu)有：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)等。如圖2所示：
4.2.2 方案的選擇
1、 凸輪機(jī)構(gòu) 凸輪機(jī)構(gòu)是最常見(jiàn)的停歇機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，應(yīng)用于各種自動(dòng)上料的場(chǎng)合。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)送料，還能實(shí)現(xiàn)停歇。
2、 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 能實(shí)現(xiàn)送料，且其“偏心距”是凸輪的一半，因此相對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)會(huì)小巧很多。
3、 槽輪機(jī)構(gòu) 槽輪機(jī)構(gòu) 同樣能實(shí)現(xiàn)送料和停歇，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。但由于清洗方式要求豎直方向的壓緊，會(huì)對(duì)槽輪產(chǎn)生相當(dāng)大的翻轉(zhuǎn)力，因此被摒棄。
圖2 自動(dòng)上料裝置中常見(jiàn)的幾種機(jī)構(gòu)
Fig 2 Automatic feeding device in common several kinds of institutions
4、 棘輪機(jī)構(gòu) 棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用也很廣泛。但由于工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。因此也不選用。
五、不完全齒輪機(jī)構(gòu) 不完全齒輪機(jī)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)停歇，工作時(shí)常與其他機(jī)構(gòu)搭配，組成組合機(jī)構(gòu)。
綜上所述，能夠滿足要求的有：凸輪機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與不完全齒輪機(jī)構(gòu)的組合、凸輪機(jī)構(gòu)與不完全齒輪機(jī)構(gòu)的組合。
凸輪機(jī)構(gòu)相對(duì)于組合機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在獲得停歇時(shí)間上會(huì)遜色很多，因此不予考慮。那么，我們只用分析討論后兩者的優(yōu)缺點(diǎn)：
A.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與不完全齒輪的組合機(jī)構(gòu) 若要實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，不完全齒輪機(jī)構(gòu)本身必須用有較大的傳動(dòng)比。即完整的齒輪需要比其大數(shù)倍的不完全齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，這樣會(huì)大大縮短齒輪的使用壽命，這在設(shè)計(jì)過(guò)程中是應(yīng)盡量避免的。此外由于大齒輪的存在，總體結(jié)構(gòu)也會(huì)很大。
B.凸輪機(jī)構(gòu)與不完全齒輪機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu) 雖說(shuō)由于凸輪機(jī)構(gòu)的存在，總體結(jié)構(gòu)較大，但由于該機(jī)構(gòu)的啟停之比等于凸輪的啟停之比與不完全齒輪啟停之比的成積。因此容易獲得較大的停歇時(shí)間。
綜上所述，選取凸輪機(jī)構(gòu)與不完全齒輪機(jī)構(gòu)組合而成的組合機(jī)構(gòu)，如圖3所示：
圖3 凸輪與不完全齒輪組成的組合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig 3 CAM with incomplete gear consisting of a combination structure diagram
4.3 送料方式確定及數(shù)據(jù)計(jì)算
4.3.1 送料方式的確定
由于方案的限制，我們選取如下的送料方式，如圖4所示：
采用并行輸送帶。當(dāng)啤酒瓶到達(dá)A位置時(shí)，凸輪1動(dòng)作，將啤酒瓶推向B位置，在B位置經(jīng)清洗后，再由凸輪2推向C位置，由輸送帶帶走。
兩凸輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原則為：當(dāng)凸輪2推動(dòng)啤酒瓶至輸送帶回到起始位置時(shí)，凸輪1剛好準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)。
圖4 送料的原理圖
Fig 4 Feeding principle diagram
4.4 洗瓶機(jī)構(gòu)的選擇
4.4.1 洗瓶裝置簡(jiǎn)圖
4.4.2 洗瓶設(shè)計(jì)說(shuō)明
我這里推頭特意設(shè)計(jì)成可以洗內(nèi)表面的刷子，它比瓶子的內(nèi)徑稍大一些，瓶子下來(lái)時(shí)，在推頭的作用下，后面又有洗外表面刷子的阻力，內(nèi)刷子就可以很輕松的插入瓶?jī)?nèi)，待到推頭的擋板抵到瓶口后就可以推著瓶子走了。隨著導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，瓶子內(nèi)外表面都得到很好的清洗。
圖5 洗瓶裝置簡(jiǎn)圖
Fig 5 Washing bottle installation diagram
另外，值得注意的一點(diǎn)是，內(nèi)刷子因?yàn)橐斓狡孔永锩?，所以要選用軟一點(diǎn)刷子，方便輕易的伸到瓶里面而不影響瓶子移動(dòng)。還有就是內(nèi)刷子的刷桿也要用軟一點(diǎn)橡膠棒，方便瓶子洗好時(shí)，借助重力好脫離內(nèi)刷子，順著出瓶軌道滑出，滑到裝瓶箱。
4.5 洗瓶機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
4.5.1 總體方案及運(yùn)動(dòng)說(shuō)明
首先需將瓶子放入膠帶上，通過(guò)進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)間歇的送到導(dǎo)輥軌跡上，轉(zhuǎn)動(dòng)的毛刷通過(guò)五桿組合機(jī)構(gòu)帶動(dòng)毛刷插入瓶子，毛刷在導(dǎo)桿的推動(dòng)和旋轉(zhuǎn)下邊前進(jìn)邊清洗內(nèi)表面，推動(dòng)瓶子沿導(dǎo)輥前進(jìn)，再由外面轉(zhuǎn)動(dòng)的刷子將瓶子外表面洗凈。
要實(shí)現(xiàn)上述分功能,有下列工藝動(dòng)作過(guò)程:
(1)凸輪通過(guò)不完全齒輪做間歇運(yùn)動(dòng)；
(2)瓶子由輸送帶到導(dǎo)輥的滑動(dòng)；
(3)內(nèi)表面毛刷勻速推進(jìn)和瓶子自身旋轉(zhuǎn)；
(4)推桿作直線或者近似直線運(yùn)動(dòng),將瓶子沿導(dǎo)輥推到指定的位置;
(5)推桿沿直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)瓶子移動(dòng)的程中,瓶子同時(shí)跟著兩同向轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)輥轉(zhuǎn)動(dòng);
(6)同時(shí),有原動(dòng)件帶動(dòng)的刷子也同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)瓶子沿導(dǎo)輥移動(dòng)時(shí)將瓶子的外表面就清洗干凈;
(7)在瓶子移動(dòng)過(guò)程中,內(nèi)刷子同時(shí)在瓶子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)作結(jié)束,則刷子移出瓶外.
(8)瓶子離開(kāi)輸送帶,而推瓶機(jī)構(gòu)急回至推瓶初始位置,進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán).
(9)洗好的瓶子輸送帶送出.
4.5.2 方案評(píng)估
（1）運(yùn)動(dòng)鏈的長(zhǎng)短:方案比較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)鏈的長(zhǎng)度不多，構(gòu)件數(shù)目少。
（2）機(jī)構(gòu)的排列順序：方案的排列順序不是十分合理。該方案中有帶傳動(dòng)時(shí)（進(jìn)瓶與出瓶機(jī)構(gòu)），這種摩擦傳動(dòng)外廓尺寸較大的機(jī)構(gòu)一般安排在運(yùn)動(dòng)鏈的起始端，而其沒(méi)有，也不是十分合理。
通過(guò)仔細(xì)評(píng)估，該方案設(shè)計(jì)合理，可行性高，而且布局上也合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也比較嚴(yán)謹(jǐn)。在數(shù)據(jù)處理上也清楚明了，所以最終通過(guò)評(píng)估決定選用該方案作為最終選定方案.
4.6 傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.6.1 方案確定
為了使得兩凸輪能夠按照以上要求以上動(dòng)作，兩凸輪間應(yīng)有一定的連接。
兩凸輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原則為：當(dāng)凸輪2推動(dòng)啤酒瓶至輸送帶回到起始位置時(shí)，凸輪1剛好準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)。同時(shí)我們要求兩個(gè)完整齒輪的齒數(shù)必須完全一樣且不完全齒輪齒數(shù)與凸輪升程和回程所包含的齒數(shù)相同。
我們?nèi)〔煌耆X輪齒數(shù)為n,在不全齒輪圓周中占有的角度為a，完整齒輪齒數(shù)為N,我們不妨設(shè)凸輪升程與回程的時(shí)間為T(mén)，則：
凸輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間為360T/120 =3T .而不完全齒輪需旋轉(zhuǎn)3 周，凸輪才能旋轉(zhuǎn)一周。由于不完全齒輪齒數(shù)與凸輪升程和回程所包含的齒數(shù)相同，能不完全齒輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間為360°T/a ，因此不完全齒輪需要經(jīng)過(guò)360T/a x 3=1080T/a時(shí)間，凸輪才能完成一個(gè)循環(huán)（即清洗一個(gè)啤酒瓶）。
這個(gè)數(shù)據(jù)是相當(dāng)樂(lè)觀的，由于該機(jī)構(gòu)的兩部分由一定的制約，還需要除去兩者之間時(shí)間間隔，及清洗設(shè)備的準(zhǔn)備時(shí)間和撤離時(shí)間。在后面的方案可行性驗(yàn)算
中會(huì)提及。
4.6.2 凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）凸輪機(jī)構(gòu)的組成
凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件。凸輪通常作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，但也有作往復(fù)擺動(dòng)或移動(dòng)的。推桿是被凸輪直接推動(dòng)的構(gòu)件。因?yàn)樵谕馆啓C(jī)構(gòu)中推桿多是從動(dòng)件，故又常稱其為從動(dòng)件。凸輪機(jī)構(gòu)就是由凸輪、推桿和機(jī)架三個(gè)主要構(gòu)件所組成的高副機(jī)構(gòu)。
（2）凸輪機(jī)構(gòu)中的作用力
直動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)在考慮摩擦?xí)r，其凸輪對(duì)推桿的作用力 F 和推桿所受的載荷(包括推桿的自重和彈簧壓力等) G 的關(guān)系為
F = G /［cos(α+φ1) - (l+2b/l)sin(α+φ1)tanφ2］ （1）
（3）凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角
推桿所受正壓力的方向(沿凸輪廓線在接觸點(diǎn)的法線方向)與推桿上作用點(diǎn)的速度方向之間所夾之銳角，稱為凸輪機(jī)構(gòu)在圖示位置的壓力角，用α表示
在凸輪機(jī)構(gòu)中，壓力角α是影響凸輪機(jī)構(gòu)受力情況的一個(gè)重要參數(shù)。在其他條件相同的情況下，壓力角α愈大，則分母越小，作用力 F 將愈大；如果壓力角大到使作用力將增至無(wú)窮大時(shí)，機(jī)構(gòu)將發(fā)生自鎖，而此時(shí)的壓力角特稱為臨界壓力角αc ，即
α＝arctan{1/[(1+2b/l)tanφ2]}-φ1 （2）
為保證凸輪機(jī)構(gòu)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)使其最大壓力角αmax小于臨界壓力角αc 。在生產(chǎn)實(shí)際中，為了提高機(jī)構(gòu)的效率、改善其受力情況，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角αmax應(yīng)小于某一許用壓力角[α]。其值一般為：
推程對(duì)擺動(dòng)推桿取[α] ＝35o～45o ；
回程時(shí)通常取[α]′ ＝70o～80o。
凸輪的輪廓主要尺寸是根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)推頭所要達(dá)到的工作行程和推頭工作速度來(lái)確定的，初步定基圓半徑r0=50m，溝槽寬20mm，凸輪厚25mm, 孔r=15mm ,滾子半徑r=10mm。
凸輪的理論輪廓曲線的坐標(biāo)公式為：
， （3）
（4）求凸輪理論輪廓曲線：
a）推程階段=1.2
=
b）遠(yuǎn)休階段 =
7.5
c)回程階段 o
33
d) 近休階段 o=
e)推程段的壓力角和回程段的壓力角
（4）
將以上各相應(yīng)值代入式（A）計(jì)算理論輪廓曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。在計(jì)算中時(shí)應(yīng)注意：在推程階段取，在遠(yuǎn)休階段取，在回程階段取，在近休階段取。
根據(jù)推瓶機(jī)構(gòu)原理，推瓶機(jī)構(gòu)所需達(dá)到的工作要求來(lái)設(shè)計(jì)凸輪，凸輪的基本尺寸在近休時(shí)尺寸為50mm,達(dá)到最遠(yuǎn)距離時(shí)尺寸為180.9mm。
(5)求工作輪廓曲線：
有公式的 （5）
其中： （6）
（7）
a）推程階段
（8）
= （9）
a)遠(yuǎn)休階段
b)回程階段
c)近休階段
（10）
（11）
表2 凸輪工作輪廓曲線各點(diǎn)的坐標(biāo)
Table 2 CAM contour curve of the coordinates of each point
x
y
0o
5o
10o
…
350o
355o
360o
0.0
4.359
8.705
…
-8.682
-4.358
0.0
50.0
49.826
49.370
…
49.246
49.810
50.0
0.0
3.602
7.409
…
-6.946
-3.486
0.0
40.0
39.855
39.455
…
39.392
39.847
40.0
圖6 凸輪結(jié)構(gòu)示意圖
Fig 6 CAM structure diagram
為了計(jì)算上的方便及擁有較長(zhǎng)的停歇時(shí)間，我們?nèi)⊥馆喩膛c回程總的轉(zhuǎn)角為120°,不難設(shè)計(jì)出兩個(gè)凸輪的結(jié)構(gòu)，如圖6所示：升距e=90mm
由上圖可知：凸輪2中心距導(dǎo)槽邊緣最小距離為160+20=180mm
凸輪1中心距導(dǎo)槽邊緣最小距離為175+20=195mm
由凸輪結(jié)構(gòu)及送料裝置的結(jié)構(gòu)，我們不難知道：
凸輪1中心距導(dǎo)槽上A點(diǎn)最小距離為240mm+195mm=435mm
凸輪2中心距導(dǎo)槽上A點(diǎn)最小距離為135mm+180mm=315mm
（在以后章節(jié)中，我們均稱偏心距為115的凸輪為凸輪1，偏心距為90的凸輪為凸輪2）
4.6.3 齒輪設(shè)計(jì)
三個(gè)齒輪均采用腹板式結(jié)構(gòu)。
選擇齒輪材料與熱處理：所設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)屬于閉式傳動(dòng)，通常齒輪采用軟齒面。查閱相關(guān)資料可知，選用價(jià)格便宜便于制造的材料，完整齒輪材料為鑄鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度260HBS；大齒輪材料也為鑄鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為215HBS；
精度等級(jí)：洗瓶機(jī)是一般機(jī)器，速度不高，故選8級(jí)精度。
因?yàn)辇X輪采用軟齒面開(kāi)式傳動(dòng)，齒面不會(huì)發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，因此初步確定按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和尺寸。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式
（12）
式中——齒形系數(shù)，反映了輪齒幾何形狀對(duì)齒根彎曲應(yīng)力的影響
——應(yīng)力修正系數(shù)，用以考慮齒根過(guò)度圓角處的應(yīng)力集中和除彎曲應(yīng)力以外的其它應(yīng)力對(duì)齒根應(yīng)力的影響。
——重合度系數(shù)，是將全部載荷作用于齒頂時(shí)的齒根應(yīng)力折算為載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)上界點(diǎn)時(shí)的齒根應(yīng)力系數(shù)
——許用齒根彎曲應(yīng)
1.完全齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（13）
（14）
式中： ——帶輪的傳動(dòng)效率
——對(duì)滾動(dòng)軸承的傳遞的功率
取，，代入上式，得
所以，
2.載荷系數(shù)的確定
由于值未知，不能確定，故可初選 = 1.1 ~ 1.8 ，這里初選 = 1.3
3.齒寬系數(shù)的確定
選取齒寬系數(shù)
4. 齒數(shù)的初步確定
初選完全齒輪=60，設(shè)計(jì)要求中齒輪傳動(dòng)比，故
不完全齒輪
此時(shí)傳動(dòng)比誤差
5.齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)
查表得，齒形系數(shù)，
應(yīng)力修正系數(shù)，
6.重合度系數(shù)的確定
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)外嚙合齒輪傳動(dòng)，端面重合度
式中 、——齒數(shù)
把= 17 ， = 88，代入上式得
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，確定
7.許用彎曲應(yīng)力的確定
（15）
式中 ——計(jì)入了齒根應(yīng)力修正系數(shù)之后,試驗(yàn)齒輪的齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力；當(dāng)齒輪雙側(cè)工作時(shí)圖中時(shí)值乘以0.7 單側(cè)不用乘系數(shù)
——安全系數(shù)；與疲勞點(diǎn)蝕相比，斷齒的后果更為嚴(yán)重，所以，一般取=1.25
彎曲疲勞極限應(yīng)力
，
取安全系數(shù)
小齒輪與大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可按下式計(jì)算
（16）
式中 n ——齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；
a ——齒輪轉(zhuǎn)一周，同一側(cè)齒面嚙合的次數(shù)；
——齒輪的工作壽命，h（小時(shí)）
代入數(shù)值，分別有
由參考文獻(xiàn)得，彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)
故彎曲應(yīng)力
所以 =0.0244
8.初算模數(shù)
對(duì)于開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，為考慮齒面磨損，要將上式計(jì)算出來(lái)的模數(shù)m后，增大10%~15%，故
1. 計(jì)算載荷系數(shù)K
設(shè)計(jì)要求機(jī)器工作平穩(wěn)，由參考文獻(xiàn)查得
由參考文獻(xiàn)1圖6.7得動(dòng)載荷系數(shù)
由參考文獻(xiàn)1圖6.12得齒向載荷分布系數(shù)
由參考文獻(xiàn)1表6.4得齒間載荷分布系數(shù)，則
K值與初取的 = 1.3差距很小，不須修正
2. 修正m
圓整取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)6。
計(jì)算傳動(dòng)尺寸
中心距
所以
，
完整齒輪結(jié)構(gòu)圖如7圖所示：
圖7 完整齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig 7 Full gear structure diagram
不完全齒輪結(jié)構(gòu)如圖11所示：
4.7 方案的可行性驗(yàn)算
不完全齒輪旋轉(zhuǎn)一周撥動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)120°，即不完全齒輪旋轉(zhuǎn)3周，小齒輪才能旋轉(zhuǎn)一周。
我們假設(shè)凸輪升程與回程總時(shí)間為T(mén)，則凸輪（小齒輪）旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間為3T。由于不完全齒輪齒數(shù)與凸輪升程和回程所包含的齒數(shù)相同，能不完全齒輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間為360°T/100° =3.6T，可知：不完全齒輪需要經(jīng)過(guò)3.6T x 3=10.8T時(shí)間，凸輪才能完成一個(gè)循環(huán)（即清洗一個(gè)啤酒瓶）。
圖 8 不完全齒輪結(jié)構(gòu)圖
Fig 8 Incomplete gear structure
要是得清洗的時(shí)間盡可能的長(zhǎng)，我們僅需使得凸輪2回到初始位置時(shí)，凸輪1剛好動(dòng)作（將啤酒瓶推到指定的位置）。清洗的時(shí)間需要減去滑塊1將啤酒瓶推到指定位置的時(shí)間和滑塊2由指定位置回到初始位置的時(shí)間，即為T(mén)。另外根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況需給一定的時(shí)間用來(lái)使得清洗裝置加緊啤酒瓶及清洗裝置的脫開(kāi)，我們?nèi)∵@段時(shí)間為1.8T.
綜上所述：一個(gè)清洗周期中，啤酒瓶進(jìn)給和推出、清洗裝置到位及清洗裝置脫開(kāi)時(shí)間為T(mén)+1.8T=2.8T，清洗時(shí)間為10.8 T-2.8 T=8T.由此可知清洗時(shí)間所占的比例是相當(dāng)可觀的。
4.8 輸入端方案確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.8.1 輸入端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
由于不完全齒輪所在的軸為立軸，為了便于電動(dòng)機(jī)的安裝，因此需要將扭矩的傳遞方向變?yōu)樗椒较?。即需要安裝兩圓錐齒輪，由于圓柱齒輪的傳動(dòng)比為72:60。因此我們不妨選取兩圓錐齒輪的傳動(dòng)比為36:30。這樣的話，傳動(dòng)比只與輸入端有關(guān)。另外我們?nèi)匀↓X輪模數(shù)為m=6。
4.8.2 輸入端傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇：
我們不妨選啤酒瓶進(jìn)給的時(shí)間T=2.5s，則清洗時(shí)間為8T=20s，滿足要求，
因此凸輪軸3T=7.5S轉(zhuǎn)一周，即其轉(zhuǎn)速為8r/min。
查手冊(cè)知：電動(dòng)機(jī)型號(hào)TYD-永磁低速電動(dòng)機(jī)，滿載轉(zhuǎn)速為60r/min,最大輸入功率180w。電動(dòng)機(jī)中心高為65mm，外伸軸端DXE=28mmx75mm。
查手冊(cè)知 二級(jí)圓柱齒輪減速器 傳動(dòng)比為i=12.5，減速器中心高為160mm，外伸軸端D x E=28mm x70mm。
綜上所述：凸輪軸的轉(zhuǎn)速為60/12.5=4.8r/min 凸輪軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)間為12.5s，
則啤酒瓶進(jìn)給時(shí)間為2.5s，清洗時(shí)間為20s，滿足要求。
4.9 輸入端軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.9.1 軸的材料
選取45鋼調(diào)質(zhì),硬度230HBS，強(qiáng)度極限640MPa ，屈服極限355MPa,彎曲疲勞強(qiáng)度極限275MPa,剪切疲勞強(qiáng)度155MPa,對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的許用應(yīng)力60MPa。
4.9.2 軸的各段直徑的確定
軸的右端與聯(lián)軸器的相連，因此軸端直徑為ф30mm。其結(jié)構(gòu)如圖9所示
圖9 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig 9 Shaft structure diagram
自右向左第一段軸：d1=30 mm
第二段軸d2=35 mm（取定位軸肩高度h=2.5 mm）
第三段軸d3=42 mm（取定位軸肩高度h=3.5 mm）
第四、六段軸相同d4=d5=50 mm（取定位軸肩高度h=4 mm）
第五段軸d3=45 mm（取定位軸肩高度h=2.5 mm）
4.9.3 軸的各段長(zhǎng)度的確定
自右向左第一段軸：L1=60 mm（聯(lián)軸器孔深60 mm）
第二段軸L2=50 mm
第三段軸L3=18+2+2+5=27 mm（螺母厚度為18 mm）
第四軸L=29.25+5=33 mm（圓錐滾子軸承32310 T=29.25mm）
第六段軸L5=54+29.25+5-8=80 mm
第五段軸L4=150-29.25-29.25-5-5=81 mm（取兩軸承兩端之間最大距離為150 mm）
4.9.4 軸上零件的軸向定位
A.輸入端與聯(lián)軸器連接，周向定位采用平鍵連接。按d=30 mm ，查表得：選用圓頭普通平鍵，C8X32 ,，鍵的截面尺寸8x7，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)度為32 mm，同時(shí)為了保證聯(lián)軸器與軸具有良好的對(duì)中性，故選用其配合為H7/k6。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借助齒輪斷面、法蘭及螺母來(lái)保證的。
B.軸間處的倒角 軸間處的倒角為2x1.5，軸的兩端倒角為2x45°。
4.9.5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
(1)軸的受力分析
工作功率為
選=110， dmin==28.2 （17）
考慮到開(kāi)鍵槽，將其軸徑增加10%，故其軸的直徑為30㎜。
軸的轉(zhuǎn)速
n=4.5 r/min
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1=9.55×106=7215N·㎜
d1=30㎜
Ft==1311.2N
（2）計(jì)算軸的彎矩，并畫(huà)出彎矩圖，按M=進(jìn)行彎矩合成，畫(huà)出彎矩圖。
=0
故 M===Ft·55=7215N·㎜
圖10 彎矩圖
Fig 10 Bending moment diagram
（3）計(jì)算并畫(huà)當(dāng)量彎矩圖
轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)變化計(jì)算，取=0.6，則
T1=0.6×7215 =4329N·㎜
按Mca=計(jì)算，并畫(huà)當(dāng)量彎矩圖。
圖11 當(dāng)量彎矩圖
Fig 11 Equivalent bending moment diagram
4.9.6 軸的強(qiáng)度校核
鍵槽處d1=30㎜
鍵槽處當(dāng)量彎矩為
Mca==8414N·㎜
強(qiáng)度校核：考慮鍵槽的影響，查表得
b=8㎜ t=7㎜
==112.68
===243.35
==7.5MPa
顯然，≤ , 故安全。
4.9.7 按安全系數(shù)校核
Ⅰ.判斷危險(xiǎn)截面
在鍵槽處有應(yīng)力集中源，且當(dāng)量彎矩較大，故確定為危險(xiǎn)面。
Ⅱ.疲勞強(qiáng)度校核
.鍵槽處截面上的應(yīng)力：
彎曲應(yīng)力幅： ==6.41MPa
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅： ==1.49MPa
彎曲平均應(yīng)力：=0
扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力：==1.49MPa
.材料的疲勞極限：根據(jù)=650MPa，=360MPa，查表得
=0.2 =0.1
.截面應(yīng)力集中系數(shù)：查表得
k=1.825 k=1.625
.表面狀態(tài)系數(shù)及尺寸系數(shù)：查表得
=0.94 =0.60 =0.60
.分別考慮彎矩或扭矩作用時(shí)的安全系數(shù)：
Sσ==8.7 (18)
Sτ==3.61 (19)
Sca==3.33＞[S]=2.5 (20)
故安全。
5 結(jié)論
作為一名機(jī)械的初學(xué)者，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中我深入的體會(huì)到機(jī)械設(shè)計(jì)的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)的重要性，更加鞏固了我大學(xué)四年所學(xué)到的知識(shí)，總之，受益匪淺。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，手冊(cè)成了我最好的朋友。在我們機(jī)械專業(yè)，所有的設(shè)計(jì)都是建立在標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的基礎(chǔ)上的創(chuàng)新。所有的零部件的設(shè)計(jì)我們都在滿足其機(jī)械性能的基礎(chǔ)上優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)件，在大量的翻閱手冊(cè)的過(guò)程中，我認(rèn)識(shí)到手冊(cè)在機(jī)械的重要性，離開(kāi)手冊(cè)，任何設(shè)計(jì)都是空洞，沒(méi)有依據(jù)的。
在這幾個(gè)月的設(shè)計(jì)中，我對(duì)大學(xué)階段所學(xué)的專業(yè)知識(shí)又有了一次全面而深入的學(xué)習(xí)，在機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)、互換性技術(shù)與應(yīng)用等課本中本來(lái)生疏的的知識(shí)在這一段時(shí)間里又有了實(shí)踐性的認(rèn)識(shí)。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們大學(xué)所學(xué)到的所有課程都被聯(lián)系到了一起，特別是后期設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的書(shū)寫(xiě)，那是對(duì)我大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一次大演練。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我深深體會(huì)到了理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中的難度，我明白了要將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)處還需要付出很多努力與汗水。
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)圓滿完成了。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)以及AutoCAD軟件使用有了更加深入的了解和掌握。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的自動(dòng)上料裝置采用不完全齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)停歇，凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)完成啤酒瓶送給，方案新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擁有相對(duì)較長(zhǎng)的停歇時(shí)間，能大大提高清洗的效率。但由于該機(jī)構(gòu)只針對(duì)特定啤酒瓶所設(shè)計(jì)的，不具有通用性。且由于該機(jī)械僅處于理論階段，可能會(huì)有小部分結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)生產(chǎn)問(wèn)題，該方案需要不斷完善。
在這次的設(shè)計(jì)過(guò)程中，用到了幾乎以前學(xué)過(guò)的所有專業(yè)課的知識(shí)，還有一部分知識(shí)是通過(guò)查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)資料以及得到老師的幫助，才能夠順利掌握并應(yīng)用的。
總之，在這次設(shè)計(jì)中，我學(xué)到的知識(shí)是我這一生寶貴的財(cái)富，我會(huì)在以后