机械设计基础课程设计
设计说明书
剥豆机机构设计
起止日期： 2014 年 5 月28 日至 2014 年 6月28 日
学生姓名郝再坤
班级 2
学号123170210
成绩
指导教师(签字)
装备制造学院（部）
2014年 6月28 日
河北工程大学
课程设计任务书
2010 —2011 学年第2 学期
装备制造学院（系、部）工程机械运用和维护专业 2 班级课程名称：机械设计基础
设计题目：剥豆机机构设计
完成期限：自2014 年5月28日至2014 年 6 月28 日共4周
指导教师：孟彩茹2014 年6 月28 日
系（教研室）主任：王文军2014 年6 月28 日
目录
0.课程设计任务书 (2)
1.设计题目 (4)
2.工作原理和工艺动作分解 (5)
3.豆机的功能分析与设计过程 (7)
4.脱皮机构的选定 (9)
5.剥豆机压紧切皮机构的尺度设计 (13)
6.齿轮机构的设计 (15)
7. 定位切皮凸轮机构及夹紧凸轮机构设计 (17)
8.剥豆机三维图设计 (22)
9.设计总结 (23)
10.参考资料 (24)
1.设计题目：剥豆机机构设计
1.1设计原理：
剥豆机是将干蚕浸胖后放在料斗内，通过振动下料后将蚕豆平放排列成头尾相接，送豆到切皮位置，将豆压住并切开头部的皮，然后用挤压方法将豆挤出。
1.2设计要求：
①蚕豆长度：20-25mm
②蚕豆宽度：15-20mm ③蚕豆厚度：6-8mm ④生产率：每分钟剥80粒
⑤剥豆机要求体积小、重量轻、压紧力可调、工作可靠、外形美观
蚕豆形状如图1-1所示，
图1-1
蚕豆形状图
2. 工作原理和工艺动作分解
2.1 工作原理和工艺动作分解
根据工艺过程，机构应具有一个电动机和四个执行构件（一个料筛、一个推杆、一个定位切皮构件、一个夹紧块和一个双轴轧辊）。五个执行构件的运动形式如下所示：
（1）料筛沿着槽面左右水平往返移动，是蚕豆能够快速地按预定位置落入槽内。因为蚕豆颗粒相对比较大，若没有振动这一过程，蚕豆容易卡在料筛的出豆口，将不能达到预期目的。我们采用的是使蚕豆一粒一粒的落下，所以为了提高工作效率和降低能耗，料筛振动的幅度不宜过大。故其行程约为30mm 其简图和位移线图如图2-1所示：
（2
）推杆沿着槽的内部首先将蚕豆水平推进24mm ，然后停止一段时间，等切皮结束后在往前推52mm
，到达斜槽顶部是蚕豆下滑。若机构完成一个运动循环则其简图和位移线图如图2-2所示：
图2-1振动筛的位移示意图
（3）定位切皮机构是有凸轮机构来实现其运动规律的。它的目的是将蚕豆定位，并且定位于切皮是一个联动组合机构，在回位的同时进行切皮动作其运动简图和位移线图如图2-3示：
（4）夹紧块也是通过凸轮机构来实现其运动规律的。它是将蚕豆固定，利于下一步的切皮运动。其运动简图和位移线图如图2-4所示：
（5）双轴轧辊是用来实现脱皮功能的。由于它的与其它机构的联动性要求不高，而且是匀速转动的，所以对其设计只需着眼于对其功能的实现。
3.剥豆机的功能分析与设计过程
3.1剥豆机的功能分析
由上述分析可知，剥豆机的功能分析可作总结如图4-1所示：
图4-1
剥豆机的功能分析图
将
剥豆机的功能分析图可知，其运动有下料
送料 定位压紧切
皮 脱皮，如图4-2所示：
剥豆机功能分解
振动料筛使蚕豆掉入预定位置 推杆将蚕豆推出的同时封住下料口 将蚕豆定位夹紧，再切皮此时推杆间歇
轧辊对蚕豆进行脱皮并进行清扫
推杆继续推出蚕豆至斜槽
图4-2 剥豆机功能示意图
4.2剥豆机的设计过程：
实现剥豆机切皮运动的机构应有下面几种基本功能：（下料与输送由李小娟负责） ① 在蚕豆输送过程中，此时定位机构要处于停歇状态，在蚕豆即将被定位时，
定位机构也要处于停歇状态，故该机构要有两次间歇功能。 ② 要满足定位功能与切皮功能联动组合 ② 需要定位切皮机构有往复运动
③ 双轴轧辊转向所在的平面于主动件即主动轴转动所在的平面是垂直的，故机
构要有运动转动换向功能，即垂直平面换向
④ 根轧辊间的运动要反向，所以该机构必须要有第二次运动换向功能，即同平
面反向
⑤ 辊脱皮的过程中，因为蚕豆的壳比较软很容易粘在轧辊上，故此机构应该有
个 扫的功能
⑥ 我们设计的剥豆机的生产效率是每分钟剥80粒，并且没脱一粒皮双轴轧辊
就应该旋转一周，故主动轴轧辊的要完成每分钟转80圈
4.脱皮机构的选定
4.1脱皮机构选型
实现夹紧运动的机构应有下面几种基本功能：
①在定位前，夹紧块要处于未夹紧停歇状态，定位之后，夹紧块也要处于夹紧的停歇状态，以利于下一步的切皮动作，故该机构也要有两次停歇功能。
②需要加紧机构要有往复运动。
由上述易知要实现蚕豆脱皮的功能需要将此两种换向的机构串联起来，因此可以先去能使现（1）、（2）两种功能的的机构来组成我们所需要的方案。如果每一功能仅由一类基本机构来实现，如图5-1所示，可以组合成3*3=9种方案。
在按给定所需要的运动条件和空间，时间条件下，选出三种方案。如图5-2所示：
图5-2脱皮机构的三种方案 4.2脱皮机构运动方案的选择和评定
方 案一：圆柱齿轮与直齿圆锥齿轮串联机构
工作原理：直齿圆锥齿轮啮合，实现垂直平面速度换向；圆柱齿轮啮合，实现平
行平面速度反向。两种啮合串联从而使轧辊按要求运动。
优 点： 结构紧凑，稳定性，传动性良好，便于装配。
方 案二： 直齿圆柱与涡轮蜗杆串联机构
工作原理；直齿圆锥齿轮啮合，实现垂直平面速度换向；涡轮蜗杆啮合，实现平
行平面速度反向。两种啮合串联从而使轧辊按要求运动。
优 点： 结构比较紧凑，能实现大传动比传动。 缺 点： 结构复杂，稳定性能不是很好。
方 案三： 双曲柄机构与涡轮蜗杆串联机构
工作原理：涡轮蜗杆啮合，实现垂直平面速度换向；双曲柄机构，实现平行平面
速度反向。两种机构串联从而使轧辊按要求运动。
优 点： 能实现使双轴轧辊反向运动的功能。
缺点：不便与轧辊装配，结构复杂，传动性较差。
结论：在三个方案的比较下，选取方案一作为脱皮机构比较合适。
4.3定位夹紧机构选型
图5-3定位夹紧机构的三种方案
方案一：凸轮机构
工作原理：凸轮匀速转动，带动小凸轮转动，由于圆柱凸轮轮廓的作用，使杆往复运动。
优点：机构简洁，尺寸较小，方便实现与其他机构原动件的串联。可实现在预定位置的较长时间的停歇。运动规律可按自己的需求设定。方便实现所要运动规律。正好可用于此课题中，夹紧、定位切皮运动要求。
方案二：曲柄滑块机构的改装
工作原理：主动导杆匀速转动，带动同时也在凸轮沟槽中运动的滚子，通过连杆使滑块往复移动。
优点：当导杆在一定角范围内转动时，滑块在左极限位置停歇。可实现单侧停歇的歇移动。此机构可实现单侧的较长时间的停歇。
缺点：此机构只可以在左极限位置实现较长时间的停歇，不能在其他位置实现停歇，因而舍弃。结构复杂，且便于实现原动件的串联。
方案三：采用曲柄滑块机构
工作原理：主动导杆匀速转动，通过连杆使滑块往复移动。
优点：此机构结构简洁，设计简单、方便。尺寸较小，
缺点：滑块在行程末端只作瞬时停歇，运动规律不理想，且便于实现原动件的串联。
总结：最终选择方案一，做切夹紧、定位切皮机构。
5.剥豆机压紧切皮机构的尺度设计
.
根据方案一设计双轧辊脱皮机构示意图，如图7-1所示：
图7-1双轧辊脱皮机构示意图
由于蚕豆长度：20-25mm蚕豆宽度：15-20mm蚕豆厚度：6-8mm。我们选用的是平放挤压，所以轧辊的间隙应该稍小于蚕豆的厚度，轧辊的长度应该大于蚕豆的宽度。其具体尺寸设计如下：轧辊的间隙为5-7mm，长度为40-50mm,半径35mm 轧辊的实物图和装配图如图7-2所示：
图7-2轧辊三维图
另外，由于蚕豆的皮很容易粘在轧辊上不利于连续脱皮，故可在斜槽上可以设置一个挡板，该挡板的功能等同于刮刀，防止豆皮粘在轧辊上，不利于下一个蚕豆的挤压。同时，不需要用到其它清扫机构，使该机构更为简洁。其实物图如图7-3：
图7-3清扫器三维图
接下来，需要对四个齿轮尺寸进行分析，其位置关系如图7-4所示：
图7-4齿轮位置关系图
6.齿轮的设计
分度圆直径 d=mz 齿高h=2.2m 齿顶圆直径da=m(z+2cosr) 齿顶高ha=m 齿根圆直径df=(z-2.4cosr) 齿根高hf=1.2m
外锥距R=0.5mz/sinr 齿宽b=（0.2—0.35）R
四个齿轮的尺寸大小，根据辊子大小，选择如表7-1所示：
易知,这四个齿轮构成了一个定轴轮系,锥齿轮4带动锥齿轮3转动,锥齿轮3与圆柱齿轮2固接,圆柱齿轮2又带动圆柱齿轮3转动.其传动比的计算如下:
123430,20,20,20
1422020
140.67431203024320241
43220
z z z z z z i z z z z i z z ωωωω====?=
===??====?
由于： ==0.67i i i 入
总出
第一级传动采用锥齿轮传动，传动比为1
第二级传动采用圆柱齿轮传动，传动比为0.67
1）齿轮传动的计算
切皮加压机构与挤豆机构同步进行，齿轮要求一样，取Z1=16，Z2=i ×16=5×16=80。按钢质齿轮进行强度计算，其模数m=2mm 。则 d1=z1×m=32mm d2=z2×m=160mm
2）变位齿轮的计算
为了满足机构的同步，所以变位齿轮1、2的基本参数相同，所以有： 变位系数x1=-x2=0.186
节园直径d1’=d1=Z4m=213mm d2’=d2=Z5m=748mm 啮合角α’=α=20o
齿顶高h a1=（h a*+x1）mh=18.822mm
H a2=（h a*+x2）mh=12.184mm
齿根高h f1=（h a*+ c *-x1）mh=16.158mm H f2=（h a*+ c *-x2）mh=21.723mm 齿顶圆直径d a1= d 1+2 dh a1=251.523mm d a2= d 2+2 dh a2=809.377mm 齿根圆直径d f1= d 1-2 h f1=189.623mm d f2= d 2-2 h f2=729.368mm 中心距a=（d1+d2）/2=514mm 中心距变动系数y=0 齿顶高降低系数△y=0
3）曲柄滑块的计算
切皮动作由曲柄滑块机构控制，其示意图如图所示：
依据滑块的行程要求以及压切机构的尺寸要求，选取此机构的尺寸如下： 根据蚕豆的尺寸，可定其偏距为e=m ，柄L1=30mm ，连杆L2=100mm 。 根据以上数据设计，计算出滑块的行程为S=60mm ，满足要求 行程速比 K=1.0015 最小传动角 γmin=67.67
曲柄转速为80r/min ，ω=480rad/s 。其位移、速度线图如下：
120 ? 230 ?
切皮的过程曲柄转动的角度为110 ?
2574
7. 定位切皮凸轮机构及夹紧凸轮机构设计
根据前面运动循环图所述，凸轮要满足的位移如图8-1所示：
图8-1凸轮的位移线图
定位切皮凸轮机构的运动简图如图8-2所示，此机构即为一个对心直动滚子从动件盘形凸轮机构，为了安装方便以及简化计算，使其从动件的水平运动状态与滚子的水平运动状态保持一致，即它们的放大系数K=1。
这样设计是因为：此机构是把定位和切皮两种功能联动组合起来的，我们把此凸轮的基圆半径设计为R1=80mm ，滚子的半径设计为r1=15mm 。
夹紧凸轮机构的机构简图如下图8-3所示，此机构相当于一个对心直动滚子从动件盘形凸轮机构和一个运动放大机构串联组合起来的。其放大系数k=s0/s=250/170=1.47。夹紧蚕豆所需要的空间少，S0max=7.35mm 、时间短，t= 125ms ，考虑到这些因素根据此要求，我们设计的基圆半径R2=40mm ，滚子半径
r2=15mm
所示
:
由于豆宽为15——20mm ，槽设定为21mm ，定位机构在理想位移为23mm ，过大会不经济，过小又不会满足工作需求。切皮刀片安装在棒的端口，不易过大，且在运动过程中不应放在槽内，以免挡住蚕豆，而使机器卡死。因而定位切皮棒长度设计为30—40mm 。蚕豆厚度为6-8mm ，定位切皮棒的高度应设计在9—10mm ，过大或过小都不会正好在蚕豆一端将皮切开。定位切皮棒及其装配三维图如图8-6示：
图8-6定位切机构装配三维图
凸轮的实际计算
为了计算方便，采用偏心距为零的机构，根据压头的运动要求取基圆半径为r=60，运动行程为h=35mm 。由于要与切皮的曲柄滑块机构配合，ω=480rad/s ，
凸轮的远休止角为δ。=110 ??
，推程和回程都采用简谐振动分析，为方便运算，推程角、回程角相等，取δ。=110 ?，近休止角30度，按余弦加速度运动规律的运动方程:
将数据带入公式，可得到位移线图、速度、加速度线图：
S=2h [1-cos (πδοδ )],
V=δοπω
2h sin(πδοδ )
δοπω2h δο
δ
根据位移线图可画出凸轮的轮廓曲线：
速度
加速度
位移