完整设计——碎纸机03版本

1、碎纸机的工艺设计及改进创新摘要 本设计为设计办公室碎纸机的传动系统。从碎纸机的发展史展开，碎纸机共有典型六代，现在碎纸机的技术已经相当成熟。通过对碎纸机性能的分析，来让我们可以更好选着碎纸机并对其进行较好的保养，同时我们也应该注意到碎纸机工作时会出现的故障，而且我们应该知道怎么排除故障。在关怀生活品质的现今，我们对于产品的环保功能、性能安全方面有了更高的要求。本设计通过比较个传动的优劣，从而定出本设计的传动方案。本设计为传动系统的一般设计过程，对今后的设计传动系统有一定参考价值。关键词 碎纸机 传动 齿轮Abstract The purpose of this design for offic

2、e paper shredders transmission system. From the shredder, the evolution history of the shredder is a total of six typical generation, now the shredder technology already quite mature. Through the analysis of shredders performance, let we can better choose the shredder and good maintenance, at the sa

3、me time we should also note that the shredder work occurs fault, and we should know how to troubleshoot. Care in the quality of life of today, our environmental protection for the product function, performance, security have higher requirements. This design by comparing the pros and cons of a transm

4、ission, so as to determine the transmission scheme design. This design for the general design process of drive system, the design of transmission system has a certain reference value for the future. Keywords shredders transmission gea目录1.碎纸机简介41.1碎纸机的原理41.2保密等级41.3我的碎纸机设计任务52.碎纸机方案设计62.1碎纸原理62.2碎纸方案

5、一62.3.碎纸方案二62.4.碎纸方案三73.碎纸机传动方案83.1 传动方案83.2.最终方案的选择84. 传动系统方案的设计选择以及具体设计计算104.1电机的选择104.2 传动系统中各轴的转速以及转矩计算114.3 一级减速级齿轮组的设计计算124.4 一级减速齿轮结构设计174.5 二级减速齿轮组的设计计算184.6 二级减速齿轮结构设计234.7 碎纸刀轴齿轮的设计244.8 碎纸轴齿轮结构设计264.9 电机输出轴274.10 一级减速输出轴的设计274.11碎纸刀输入轴285.刀具的选用315.1 刀具315.2 刀具的选用316.致谢337.参考文献341.碎纸机简介1.1

6、碎纸机的原理 碎纸机是由一组旋转的刀刃、纸梳、驱动马达和减速齿轮组成的。纸张从相互咬合的刀刃中间送入，被分割成很多的细小纸片，以达到保密的目的。碎纸机到现在为止经历了六代的发展历程，由最初的带传动、塑料齿轮、链传动到现在的金属齿轮传动、优质合金齿轮传动，功能也由最初的只能碎纸到现在的不仅可以碎纸，同时也可以碎光盘、回形针等硬质用品，碎纸机作为一种保密设备，已逐渐成为办公室内不可缺少的一种简易装置，这不仅是因为它具有保密功能，更是因为它可以为现代办公提供一份环保清洁的保证1.2保密等级注：a.一级保密(条状:6.3-12mm)b.二级(条状3.9-5.8/粒状6-10.5 x 40-80mm)c

7、.三级(条状1.9mm/粒状3.9-6 x 25-53mm)d.四级保密(粒状:1.9-2 x 15mm)e.五级保密(粒状:0.78 x 11mm)f.六级保密(粒状:1 x 5mm)1.3我的碎纸机设计任务 通过碎纸机的设计任务，了解碎纸机的工作原理及其应用，通过对齿轮及轴系的设计，熟悉设计过程与步骤，为我们以后以后步入社会的正常工作打下坚实的基础。 通过与老师与同学的协商，分配给我的主要任务是碎纸机的轴系结构的设计与创新。2.碎纸机方案设计2.1碎纸原理 碎纸机是由刀具、电机和传动系统组成的。纸张从相互咬合的刀刃中间送入，被分割成很多的细小纸片。2.2碎纸方案一 闸纸方案 刀具由一组锋利

8、的闸刀组成，模仿大型闸纸机，通过电机驱动，传动系统传动带动闸刀上下来回往复运动，从而达到碎纸效果。 这种方案只能做条形碎纸，对刀具、电机、传动轴、装配要求太高。安全性不好，容易发生事故。 2.3.碎纸方案二 剪纸方案 刀具由一组分布在轴上的剪刀组成。剪刀的一个手柄固定在固定轴上，另一端连接传动系统，由电机驱动使其上下运动，从而啮合刃口达到碎纸目的。 这种方案只能做条形碎纸，对传动轴要求过高，装配不易，容易卡纸，吸灰，噪音大，且只能做保密等级低的碎纸。2.4.碎纸方案三 旋转刀具碎纸刀具由一组互相啮合的圆形刀片组成。刀具固定在两根旋转轴上，旋转轴连接传动系统，由电机驱动使其旋转，啮合刀刃。从而达

9、到碎纸效果。 考虑到碎纸机为办公室用品，使用环境需要安静和安全，故选择三号碎纸方案。3.碎纸机传动方案3.1 传动方案方案一（带传动）：电机输入带传动减速齿轮同步齿轮方案二（链传动）：电机输入链传动减速齿轮同步齿轮方案三（齿轮传动）：电机输入一级减速齿轮二级减速齿轮同步齿轮方案优缺点介绍：方案一：带传动具有结构简单、价格低廉、传动平稳等特点，并且具有能缓冲吸震、使用维修方便、有良好的挠性和弹性、起过载保护的优点；但是带传动不能保证定传动比，易打滑，易磨损寿命短，效率低以及压轴力大。方案二：链传动具有平均传动比准确、无弹性滑动和整体打滑现象、传动效率高、整体尺寸小、压轴力小、过载能力强、成本低、

10、并且可以在恶劣环境下工作的优点；但是链传动也有不能保持恒定的瞬时传动比、仅能在两平行轴之间转动、噪声大、易跳齿、且工作载荷不可以大范围内变化等缺点。方案三：齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠寿命长，且传动比精确稳定的优点；但是齿轮的制造和安装精度要求很高，成本较高，且不宜用于传动距离过大的场合。3.2.最终方案的选择 由于本设计碎纸机为办公室工作机器，考虑到其工作环境，不能在工作时发出较大的声音，所以链传动不是最优选择；考虑到工作效率的问题，带传动也不是最好的选择；考虑到齿轮传动综合就有结构紧凑、噪音小且效率高的优点，并且纵观碎纸机的发展历史，我们可以看出碎纸机的传动设计正在朝着齿轮传动发

11、展，并且齿轮的制造材料也在不断的优化，所以最终选择了以齿轮传动为此碎纸机的主要传动系统。4. 传动系统方案的设计选择以及具体设计计算 初步确定碎纸要求如下： 碎纸宽度（毫米）：4×27； 每次碎纸量（张）：18； 碎纸速度（mm/s）：20； 入纸宽度（mm）：225 ；4.1电机的选择4.1.1 电机的转速确定设定该碎纸机初定刀具直径D=48mm,即两刀具的啮合长度为L=6mm,减速齿轮的传动比设定为i=2，根据设计要求碎纸机的碎纸速度为v=20mm/s,即v=1.2m/min,由此可得知碎纸机刀具的输入与输出轴、的转速分别是：计算如下：将、圆整即可得=11r/min根据传动比即可

12、计算出二级减速输出的转速应为：4.1.2 确定电机的功率由于条件中没有给出输出功率，因此可以根据碎纸速度、每次碎纸量以及废纸箱容量设定输出的功率为105w，查机械设计手册可得滚动轴承效率，齿轮传动效率。由此可计算出电机的功率：圆整为：4.1.3 电机类型的确定由上面的计算结果可得知电机的功率为P=120w,选择了电机型号为5IK120GU-C 5GU25K的电机。电机的参数如表4.1：功率120W电压220V转速54rpm表4.1 电机参数4.2 传动系统中各轴的转速以及转矩计算4.2.1 各轴的转速计算：碎纸刀轴： 一级减速输出轴：电机输出轴：4.2.2 各轴的功率计算：由于电机输出的功率为

13、105w, 则由齿轮传动以及滚动轴承的效率可以得出：一级减速输出的功率是：碎纸刀输入轴的输出功率是：碎纸刀输出轴的输出功率是：4.2.3 各轴的输出转矩计算：由下面的公式： 电机轴的输出转矩：一级减速输出轴即轴的输出扭矩：碎纸刀输入轴的转矩：碎纸刀输出轴输出的转矩：4.2.4 传动系统运动所有参数如表4.2所示：轴的名称功率（w）转矩()转速(r/min)传动比轴1209.971155.2 2 1轴115.2650.0322轴105.6591.7211轴101.4888.1011表4.2 传动参数4.3 一级减速级齿轮组的设计计算4.3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按照传动方案，选用

14、直齿圆柱齿轮传动；碎纸机为办公室工作机器，属于一般工作机器，并且速度也不高，故选用7级精度（GB 1009588）；材料的选择：查机械设计选择小齿轮的材料为40Cr(调质)，硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,两者的硬度差为40HBS，符合大小齿轮的工作状况； 选择小齿轮的齿数为，大齿轮的齿数为；4.3.2 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 接下来确定公式中的各计算数值：试选载荷系数；由表4.1可知电机输出轴上小齿轮传递的转矩9.97N.m；由机械设计选取齿宽系数；由机械设计查得材料的弹性影响系数；由机械设计按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳硬度极限；大

15、齿轮的接触疲劳硬度极限；由于设计要求中没有给出具体工作年限，设定此碎纸机工作年限为10年，平均每天工作4小时，每年工作天数为300天。则大小齿轮的应力循环次数为：查机械设计可得接触疲劳寿命系数,；计算接触疲劳许可应力取失效概率为1%，安全系数为S=1，由式；4.3.3 计算试算电机轴小齿轮分度圆直径,代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽计算齿宽与齿高的比b/h模数 ，齿高 从而可得： 计算载荷系数根据v=0.14m/s,7级精度，查机械设计可得动载系数，直齿轮，由机械设计可查得使用系数，用插值法查得7级精度，小齿轮相对轴承非对称布置时，。由，查得；故载荷系数；按实际的载荷系数校正所算的分度圆直

16、径，由下式可得校正后的分度圆直径：计算模数 ：4.3.4 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限查得弯曲疲劳寿命系数，；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则可得以下：；计算载荷系数K；查取齿形系数,由表10-5可得 ,；查取应力校正系数，由表10-5可得，；计算大小齿轮的并加以比较，；可得出大齿轮的数值大4.3.5 设计计算对比结果可知，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮魔术的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，故可取弯曲疲

17、劳强度算得的模数1.0022并就近圆整为标准值m=1.5mm，按接触强度算的分度圆直径为25.8mm，算得小齿轮的齿数： 取小齿轮齿数为18；从而大齿轮的齿数 ,取为94这样的设计既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.3.6 几何尺寸计算 计算分度圆直径 计算中心距 计算齿轮宽度 取4.4 一级减速齿轮结构设计4.4.1 结构设计 通过齿轮传动的强度计算，只能确定出齿轮的主要尺寸，如齿数、模数、齿宽、分度圆直径等，而齿圈、轮辐、轮毂等的结构形式以及尺寸大小，通常都要通过结构设计来实现。齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求以及

18、经济性要求等因素有关。进行齿轮的结构设计时，必须要综合考虑上述各方面的因素。通常是先按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，然后再根据推荐使用的经验数据来进行结构设计。 参考机械设计齿轮的结构设计，当直径很小的钢制齿轮，当为圆柱齿轮时，若齿根圆到键槽底部的距离小于2m（m为端面模数），均应将齿轮与轴做成一体，叫做齿轮轴；当齿轮的直径时，可以做成实心结构的齿轮。进行齿轮的结构设计时，还要进行齿轮和轴的连接设计，通常采用单键连接，但当转速过高时，要要考虑轮芯的平衡以及对中性，这这时应采用花键连接或者双键连接，而本设计中齿轮的转速不是很高，齿轮与轴的轴向固定采用单键连接即可。由机械原理渐开线标准支持圆

19、柱齿轮传动几何尺寸的计算公式，计算大小齿轮的齿顶圆直径,计算如下： 那么这里的大小齿轮都可以做成实心结构的齿轮。4.4.2 计算大小齿轮的齿底圆直径 4.4.3 各计算结果4.5 二级减速齿轮组的设计计算5.5.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动；碎纸机为办公室工作机器，属于一般工作机器，并且速度也不高，故选用7级精度（GB 1009588）； 材料的选择：查机械设计选择小齿轮的材料为40Cr(调质)，硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,两者的硬度差为40HBS，符合大小齿轮的工作状况； 选择小齿轮的齿数为，大齿轮的齿数为；4

20、.5.2 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 接下来确定公式中的各计算数值：试选载荷系数；可知电机输出轴上小齿轮传递的转矩；由机械设计选取齿宽系数；由机械设计查得材料的弹性影响系数；由机械设计按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳硬度极限；大齿轮的接触疲劳硬度极限；由于设计要求中没有给出具体工作年限，设定此碎纸机工作年限为10年，平均每天工作4小时，每年工作天数为300天。则大小齿轮的应力循环次数为：查机械设计可得接触疲劳寿命系数,；计算接触疲劳许可应力取失效概率为1%，安全系数为S=1，由式得；4.5.3 计算试算电机轴小齿轮分度圆直径,代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽计算齿宽与齿高的

21、比b/h模数 ，齿高 从而可得： 计算载荷系数根据v=0.05m/s,7级精度，查机械设计可得动载系数，直齿轮，由机械设计可查得使用系数，插值法查得7级精度，小齿轮相对轴承非对称布置时，。由，查图得；故载荷系数；按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径，由下式可得校正后的分度圆直径：计算模数 ：4.5.4 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为： 由查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限由查得弯曲疲劳寿命系数，；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则可得以下：；计算载荷系数K；查取齿形系数,由表10-5可得 ,；查取应力校正系数，由表10-5可得，；计算大小齿轮的并加

22、以比较，；可得出大齿轮的数值大4.5.5 设计计算对比结果可知，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，故可取弯曲疲劳强度算得的模数1.59并就近圆整为标准值m=2mm，按接触强度算的分度圆直径，算得小齿轮的齿数：从而大齿轮的齿数 这样的设计既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.5.6 几何尺寸计算 计算分度圆直径 计算中心距 计算齿轮宽度 取，4.6 二级减速齿轮结构设计4.6.1 结构设计参考机械设计齿轮的结构设

23、计，当齿轮的直径时，可以做成实心结构的齿轮。由机械原理渐开线标准支持圆柱齿轮传动几何尺寸的计算公式，计算大小齿轮的齿顶圆直径,计算如下： 那么这里的大小齿轮都可以做成实心结构的齿轮。4.6.2 计算大小齿轮的齿底圆直径： 4.6.3 各计算结果；4.7 碎纸刀轴齿轮的设计由于外型及刀具方面配合的原因，现各项基本尺寸确定，中心距定为40.25mm,m=1.75mm,采用直齿圆柱齿轮。仅需要选择材料和进行齿面接触疲劳硬度及齿根弯曲疲劳强度校核。4.7.1 选定齿轮类型，精度等级，齿轮材料由于碎纸刀轴所受的扭矩很大，故选用20Cr，经过调质处理后采用气体渗氮处理，齿面硬度300HBS；由于轴上的刀具

24、配合有一定的精度要求，故选用六级精度（GB10095-88）4.7.2 齿面接触强度和齿根强度校核由机械设计图10-20e及图10-21e、f查得按齿面的接触疲劳强度极限、为1460MPa,查得、为625MPa；强度条件 ：应力计算以及许可应力计算如下：因为两个齿轮的大小和材料一样，所以；同时由前面的计算查机械设计可得出：校核弯曲疲劳强度由大小齿轮的齿数可以查得；查机械设计表10-2、10-3、10-4可得出,于是可求得,将数据代入可得：,可得出弯曲疲劳强度符合要求校核接触疲劳强度许可接触应力:从而可得：由上述计算可得出，校核合格4.8 碎纸轴齿轮结构设计 参考机械设计齿轮的结构设计，当直径很

25、小的钢制齿轮，当为圆柱齿轮时，若齿根圆到键槽底部的距离小于2m（m为端面模数），均应将齿轮与轴做成一体，叫做齿轮轴；当齿轮的直径时，可以做成实心结构的齿轮。 进行齿轮的结构设计时，还要进行齿轮和轴的连接设计，通常采用单键连接，但当转速过高时，要要考虑轮芯的平衡以及对中性，这这时应采用花键连接或者双键连接，而本设计中齿轮的转速不是很高，齿轮与轴的轴向固定采用单键连接即可，且此处碎纸刀两轴直径与齿轮的直径相差不大，故此处两轴与齿轮可选用齿轮轴的形式。由机械原理表10-2渐开线标准支持圆柱齿轮传动几何尺寸的计算公式，计算大小齿轮的齿顶圆直径,计算如下： 那么这里的大小齿轮都可以做成实心结构的齿轮。计

26、算大小齿轮的齿底圆直径： 那么这里的大小齿轮都可以做成实心结构的齿轮。 4.9 电机输出轴已知：电机输出轴所传递的扭矩为9.97N.m,传递的功率是120w,转速是115rpm。由于此轴传递的扭矩不是很大，故选用45钢，取其许可应力40MPa,由此可初步估算轴的最小直径为：由于此轴上只有小齿轮，且其直径为27mm,可选取此段轴的直径为16mm.齿轮一端用双螺母固定，另一端用轴肩固定。4.10 一级减速输出轴的设计此轴所传递的转矩为50.03N.m，转速为22r/min,传递的功率是115.26w,其上的零件分布如下图所示：4.10.1 碎纸刀输出轴材料的选择碎纸机虽为一般工作机器,但是由于此碎

27、纸刀输出轴为主要工作机构，受力最大，根据轴的材料与轴的强度之间的协调可最后选择轴的材料为40Cr，并且采用调质处理，查机械设计表15-3可得40Cr的许可扭转切应力为55MPa。4.10.2 先按下式估算轴的最小直径 代入此轴的相关数据可得 4.10.3 轴的结构设计A.根据轴上各零件的轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：最左端为轴承，查机械手册可选用深沟球轴承61804，其参数为d*D*B=20*52*15，故可得此轴段的直径为20mm,宽度为7mm.轴承右端由轴肩定位，取轴肩处直径24mm.右端为轴段，小齿轮左端由双螺母定位，右端由轴肩定位，轴肩直径为34mm，此轴段长度为66mm，右端

28、为双螺母定位大齿轮，大齿轮右端由套筒定位。套筒右端即为轴承，型号为61804，深沟球轴承，轴承右端由轴承端盖定位，且端盖与箱体相连。B.轴上零件的轴向固定：大齿轮与轴的轴向定位可采用单向平键连接。由于小齿轮段轴的直径为28mm，可根据机械设计查得键的几何尺寸为b*h=14*9，大齿轮段轴的直径为40mm,可选取键的类型为12*8.轴的结构如图： 4.11碎纸刀输入轴已知：碎纸刀输入轴的所受的扭矩为,转速为11r/min,传递的功率为105.65W，其上构件布置如下图所示：4.11.1 碎纸刀轴的材料选择 碎纸机虽为一般工作机器,但是由于此碎纸刀输出轴为主要工作机构，受力最大，根据轴的材料与轴的

29、强度之间的协调可最后选择轴的材料为40Cr，并且采用调质处理，查机械设计表15-3可得40Cr的许可扭转切应力为55MPa。4.11.2 轴的设计计算先按下式初步估算轴的最小直径。 代入碎纸刀轴的相关数据可得： 4.11.3 轴的结构设计A.根据轴上各零件的轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：由于碎纸机为轻型工作机器，工作量不是很大，由已估算出的轴的直径只考虑扭矩的作用，并考虑到键槽的影响，故选用大齿轮段轴的直径选为28mm,大齿轮左端可采用轴套支撑，轴套可放在箱体内部，大齿轮右端由套筒定位，齿轮的宽度为46mm,为了使套筒能够紧靠齿轮，使齿轮定位可靠，故使齿轮段轴向长度小于齿轮长度，可选取

30、大齿轮段长度为42mm；轴承左端与大齿轮之间可用一个套筒来进行轴向固定，选取此轴段直径为30mm,套筒长度为12mm；初步选定滚动轴承，由于碎纸机为轻型工作机器，工作量不是很大，因此选用常用的深沟球轴承，查机械设计手册可选取型号为61906的深沟球轴承，其尺寸为d*D*B=30*47*9,故可得此段轴的尺寸为直径为30mm,宽度为9mm。小齿轮的直径为46mm，齿轮宽度为27mm，因为齿轮的直径与轴的直径相差不大，故此齿轮采用齿轮轴形式，齿轮右端使用轴环定位，轴环长度为6mm；轴环右端即为安装刀具的轴段，此段轴的轴向长度即为刀具的长度，由设计题目中要求入纸宽度为225mm，为保证纸可以都被切到，故选取刀具段轴长度为250mm，由刀具的直径以及估算轴的直径，可选取刀具段直径为33mm.刀具右端选取套筒定位，取套筒所在轴段轴向长度为10mm.套筒右端为深沟球轴承，其型号仍为61906，尺寸为d*D*B=30*47*9，故此段轴的直径为30mm,长度为9mm.B.轴上零件的轴向固定：大齿轮与轴的轴向定位可采用单向平键连接。由于大齿轮段轴的直径为32mm，可根据机械设计查得键的几何尺寸为b*h=8*7，小齿轮为齿轮轴，故不需要再考虑周向固定的问题。5.