第六届全国大学生机械创新设计大赛

第六届全国大学生机械创新设计大赛主题设计的基本思想大赛主题 “幻 梦课堂 ”内容为 “教室用设备和教具的设计和制作”强调和重视课堂教学启发学生的想象力避免过去雷同作品注意之处：机械类课程 - 含各类机械专业课程，例如：轻工、道路、石油、印刷、动力、农业机械类课程；不包括化学、物理、电器、电子原理类课程课堂 -用于学习机械类课程的教室、实验室等教学场所。不包括化学、电子类、体育、农业、生物等课程的教室和场所。大赛希望作品设计有创新，不希望重复制作各类示教板，创新拼接箱， 不希望重复现有的教学模型（车模，机器人模型，生产线模型） 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃軔。改进设计，则要求说明书中，以及答辩中，指出参考的原教具、原模型。创新作品说明书要求1、参加决赛作品介绍应包括以下几部分：1）题目、设计者、指导教师2）设计目的3）工作原理4）设计计算（突出现代设计与分析、传统设计过程可省略）5）主要创新点与特点（例如“机电结合 ”、 “结构紧凑 ”等属于特点）6）作品外形照片（必须具备）7）参考文献2、篇幅要求以上内容篇幅严格控制在5000 字内（含图片） 不超过 7 页篇幅3、格式要求A4 纸版面，作品名称行距，上下左右页边距留3 号字黑体居中；1 级标题 4 号字黑体；正文小4 号字， 1.25 倍2.5 厘米。用 Word2003 版本编辑，图直接插入正文中混排。聞創沟1 / 9燴鐺險爱氇谴净祸測。参考文献，格式如下：1）专著：主要责任者.书名 .版本（第一版略）.出版地：出版社，出版年2）连续出版物中析出的文献：主要作者. 文献题名 . 杂志名，年，卷（期）起止页码4、图、表的要求1）图的线条要清晰，图的内容、结构必须正确；若为复印图则必须修改清楚；2）必须采用有关制图的最新国家标准，并注意工程插图的零部件的清晰度；3）每图须有图号，图名（用5 号字体）；4）尽量采用三线表格。5、计算公式和过程的筛选与要求1）常规的齿轮、蜗轮、轴的强度计算可以不要，仅写出设计计算结果；2）突出特有的受力分析与计算，但须说明公式中每个符号的意义、公式来源。西瓜果汁机上海理工大学设计者：黄中汶、李佳奕、廖富、姚尚金、袁存虎指导教师：钱炜1、设计背景1）开发背景众所周知， 在炎热的夏天，西瓜无疑是解暑的必备佳品。西瓜因其甜脆多汁的特点，榨取西瓜汁的食用方法在市面上愈发受到各个年龄层次群体的喜爱，各类榨汁机也应运而生。但目前西瓜打汁的方法仍然比较繁琐，需要经过去皮取瓤、切块去籽等步骤才可进行榨汁，效率较低， 并且西瓜汁也不易保鲜。基于市面仍未出现能直接在西瓜内部打汁的机器，并且在此方面的专利仍有缺陷，实用性不足，难以推广。因而制作了一个能解决这些缺陷的机器，即“西瓜果汁机 ”。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟婭骒。2）设计要求为使该机器易于加工装配，同时降低成本， 在设计时应保证机构的简洁性，所用技术的成熟性，以及充分考虑零件的工艺性，有国家标准的零件应优先采用。同时为契合专业优势，该作品应优先考虑以简单可行的机械结构实现功能。酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧荭。3）主要功能2 / 9该 “西瓜果汁机 ”能实现在西瓜内部直接取汁，省却了传统的切瓜，取瓤， 再用榨汁机打汁的繁琐步骤。 极大地提高了效率。为保证西瓜汁的口感，该款西瓜果汁机采用低转速弧形刀片取汁，不会绞碎西瓜籽。从而使得西瓜汁的榨取简单高效、新鲜卫生。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒尔。2、结构设计1）整体展示本实用新型发明提供一种简单机械用于西瓜汁的制作，属于食品加工领域。这款西瓜果汁机是基于压杆原理：即向有一定柔度和刚度的长条形钢片两端施加力的作用时，钢片就会弯曲呈弧形，利用此弧形在西瓜内部旋转，把瓜瓤搅碎成汁。西瓜越大，伸入瓜内的钢片就应越长， 然后弧形的半径就会越大。由此可以适合各种大小的西瓜。此西瓜果汁机的西瓜适用直径设计限定在150mm-400mm 之间。整体结构图以及工作原理解释如下：謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔點鉍。图 1 整体结构图3 / 9图 2 西瓜果汁机实施例正视图1.下机箱7.轴套 8.轴套定位杆9.电机 10.端盖 11.齿轮定位轴承12.固定架 13.支撑杆14.轴肩压刀15.操作把手 17.旋转轴21.推杆 22.底座 23.轴套控制件24.刀片 厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺癩。为了更好地介绍本项目，现结合实例和附图来进一步说明。如西瓜果汁机实施例正视图（图4）所示，西瓜的加工主要由与旋转轴（17）和与其相连的刀片（ 24）完成，在机箱（图1）中电机（ 9）通过带动小齿轮（5），然后带动大齿轮（ 2）旋转，大齿轮又带动与之配合的旋转轴和轴套（ 7）旋转。轴套在轴外面，并通过大齿轮中心孔。由于轴套和旋转轴上都开有长键槽， 所以两者又可以纵向上下相对于大齿轮滑动。茕桢广鳓鯡选块网羈泪镀齐。在加工西瓜之前， 旋转轴和轴套都在机箱上端，如图 5 所示。轴套通过轴套定位杆 （ 8）和定位螺栓 （ 25）定位，旋转轴通过位于轴套控制件（ 23）下方的开合螺母 （ 19）组件定位。西瓜放置在西瓜固定架（12）上，控制旋转轴轴向运动时将推杆（21）推入。给刀片施加力的部件是压刀盘组件（图3），其主要由轴肩压刀（14），压刀轴承（ 4），操作把手（15）和把手盖（ 16）组成。轴肩压刀（ 4）与轴套配合，其上有与旋转轴的方形刀槽相对应的键，未施加力时，刀片贴在旋转轴的方形刀槽中。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴縈诘。旋转轴的下降由开合螺母组件 （图 2）控制。开合螺母主要由开合螺母 （19），推杆（ 21），和连杆组成。因为旋转轴（17）上开有与开合螺母（19）相对应的螺纹，旋转轴在开合螺母组件作用下，旋转下降。刀片连同旋转轴插入西瓜内部，到达预定位置后旋转轴停止下降。松开丝杆螺母的推杆（ 21），将轴套控制件（23）移动到西瓜顶部，通过定位螺栓（25）固4 / 9定轴套定位杆 （ 8）。然后通过压刀盘组件给刀片施加力，刀片在压力的作用下在西瓜内部慢慢打开， 控制好力的大小，同时刀片做较低速度的旋转运动，刀片的切割范围在西瓜内部逐渐扩大，把瓜瓤切割下来。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨槠挞。由于成熟西瓜的西瓜皮的硬度比瓜瓤大得多。刀片又是经过刚度，强度要求选择且适当处理过的， 所以能保证把西瓜瓤较高程度地切割下来，而保留完整的瓜皮。完成之后将压刀盘组件收回顶部，此时刀片（24）贴在旋转轴上通过开合螺母（19）返回原位。一个流程结束。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴買闥。2）零件展示图 3 机箱附图图 4 开合螺母组件5 / 9图 5 压刀盘组件1.下机箱 2.大齿轮 3.轴承齿轮连接件 4.压刀轴承 5.小齿轮 6.上机箱 7.轴套 8.轴套定位杆 10.端盖 11.齿轮定位轴承 14.轴肩压刀 15.操作把手 16.把手盖 17 旋转轴 19.开合螺母 21.推杆 23.轴套控制件 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦鋇絨。压刀盘组件 （图 5）为给刀片施加力的部件，其主要由轴肩压刀（ 14），压刀轴承（ 4），操作把手（ 15）和把手盖（16）组成。轴肩压刀（4）与轴套配合，其上有与旋转轴的方形刀槽相对应的键，未施加力时，刀片贴在旋转轴的方形刀槽中。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡缝勵。开合螺母组件（图4）控制旋转轴的下降。开合螺母主要由开合螺母（19）推杆（ 21），和连杆组成。因为旋转轴（17）上开有与开合螺母（19）相对应的螺纹，旋转轴在开合螺母组件作用下，旋转下降。 刀片连同旋转轴插入西瓜内部，到达预定位置后旋转轴停止下降。松开丝杆螺母的推杆（21），将轴套控制件（23）移动到西瓜顶部，通过定位螺栓（ 25）固定轴套定位杆（8）。然后通过压刀盘组件给刀片施加力，刀片在压力的作用下在西瓜内部慢慢打开，控制好力的大小，同时刀片做较低速度的旋转运动，刀片的切割范围在西瓜内部逐渐扩大，把瓜瓤切割下来。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷報赢。具体操作方法如下：(1）选取正常形状的西瓜，用清水洗净(2）去掉瓜蒂，将西瓜固定在工作台上(3）开启电源，调节调速开关(4）推入开合螺母组件的推杆（25），旋转轴开始旋转下降，插入西瓜内到达一定距离停止(5）松开推杆（ 25），将轴套控制件（23）下移到西瓜顶部，用定位螺栓（25）固定好(6）握住压刀盘操作把手（15），向下压，刀片慢慢打开，根据西瓜大小，控制叶片打6 / 9开程度(7）切下瓜瓤之后，将刀片收回到一个较小弧度，调节调速开关，提高转速，通过反向开关转换旋转方向，将瓜瓤均匀搅碎贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷鯛汉。(8）操作完毕之后，推入开合螺母推杆（21），将压刀盘收回到顶部。然后开启反向旋转开关，将旋转轴抽出西瓜。然后松开定位螺栓（25），将轴套控制件（23）收回到顶部。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚跻馱。3）机构说明（ 1）本设计应用了生活中常见的压杆原理，即向一片具有一定强度，韧性的钢片两端施加力的作用时，钢片会失稳而弯曲。施加的力越大，弯曲的弧度越大。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘籜葦。（ 2）本设计中，将刀片贴在旋转轴的方形槽中上，轴的下端与刀片下端连接刀片上端与轴肩压刀连接， 轴的下半段有丝杆螺纹。 其与开合螺母的啮合使旋转轴实现上下运动。旋转轴同时还在刀片槽的侧面开有两道较小的方形槽，用于轴的轴向定位，以及传递扭矩。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄届嬌。(3）本设计中，旋转轴外面套有轴套，轴套为管状空心轴，在其截面十字方向开有与旋转轴的槽相对应的方形孔。以实现旋转轴的轴向定位和压刀盘的轴向移动。轴套下端加工为轴肩， 与轴承内圈配合。轴套最主要的作用是控制刀片打开的大小，通过控制刀片上端高度从而控制刀片的长度，由此决定刀片的打开的半径。因此可以适用各种正常大小的西瓜。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴飙钪。(4）本设计中，轴套的控制使用轴套控制件，轴承控制件通过与轴套相连的轴承实现轴套的上下运动。 轴套控制件上开有与轴套相连的轴承外圈配合的槽。轴套定位杆与机箱上的定位孔配合， 以实现轴套的定位和上下运动。轴套控制件下端设有开合螺母组件，两个弧形的开合螺母加工有与旋转轴丝杆相同规格的螺纹。螺母通过两个连杆与推杆连接，推杆的推入和弹出控制着开合螺母的打开与闭合。从而实现旋转轴的上升下降。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦諑琼。（ 5）本设计中，控制刀片开合的组件为压刀盘，压刀盘主要由轴肩压刀，操作把手，把手盖组成。 轴肩压刀是与刀片上端相连接的。 其通过轴肩向外与轴承相连。 操作把手和把手盖与轴承外圈配合，以提供刀片下压的着力点。操作把手上安装有调速开关和反向开关，调节旋转轴旋转速度和旋转方向。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑献鵬。（ 6）本设计中，直流减速电机通过机箱里的小齿轮带动大齿轮转动，大齿轮中间开有7 / 9旋转轴的槽和轴套方孔配合的键，与大齿轮相连的轴承齿轮连接件通过螺栓连接大齿轮，另一端通过轴肩与轴承连接。轴承外圈固定在机箱上。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔嗚訝。（ 7）本设计中，机身采用圆弧形状，上端与机箱相连，下端与底座连接，固定架用三个支撑杆固定在在底座上，西瓜就可以放置在固定架上。構氽頑黉碩饨荠龈话骛門戲。（ 8）本设计中，固定架上开有三条互成120 度的长槽，三个固定西瓜的卡子下端开有螺纹孔和销孔， 通过两个孔和长槽的配合实现卡子在槽内滑动，三个卡子运动相对独立，因此可以通过调节这三个卡子很好地固定放上固定架上的西瓜。輒峄陽檉簖疖網儂號泶蛴镧。4）电机功率选择：设最大西瓜直径400mm，搅汁刀片转速取5r/s（ 300r/min ）,刀片旋转所需扭矩 0.8N*m,设因齿轮传动效率，轴承支撑处的摩擦，取传递总效率最小为80%，根据公式 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅瀝纰。T9549 *Pn计算 0.89549 * 0.8P300P31W因此选择电机功率为30 瓦。3、机构优化1）由于工艺难度改进的方案轴套由方管改为圆管，采用键销方式传递扭矩，同时易于材料的购买，加工。2）打汁过程出现的问题考虑到刀片在搅打西瓜过程中可能出现泡沫产生溢出现象，所以采用了西瓜汁边榨边取的形式，增加了平台支撑柱，平台下方能放下盛放西瓜汁的容器。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒侬减。4、应用前景由于目前果汁饮品非常流行，特别是夏天的时候。而西瓜汁以其清凉可口，物美价廉，又消暑解渴而备受人们的青睐。但是，目前西瓜汁制作方法较为繁琐，而且效率很低， 制作一杯西瓜汁，要经过切瓜，取瓤，再放入榨汁机榨汁等繁琐过程。对于炎热的夏天，能轻松地享受到一杯清凉可口的西瓜汁，竟然变得那么奢侈。对于买果汁饮料的商家，提高效率同样亟待解决。因此一种简单，又能较快提高西瓜汁制作效率的装置很有推广价值。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴铍賄。5、参考文献8 / 91 陈晓南、杨培林主编 .吴宗泽主审 .机械设计基础 M. 第一版 .科学出版社， 2007 年 .2 王多、寇尊权主编 .机械设计课程设计 M. 机械工业出版社， 2006 年 .9 / 9