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2024年6月13日发(作者：)
半自动苹果套袋机
设计说明书
前 言
苹果是世界四大水果之一, 同时也是中国第一大水果，其产量和栽培面积均居我国第
一。苹果生产在我国水果业中占有最重要的地位,其发展状况对果区经济振兴、市场供应和
出口创汇影响巨大。
苹果作为我国栽培面积和产量最大的树种,在促进农民脱贫致富,改善农村经济状况,促
进农业产业化方面起到了重大作用;苹果作为我国第一大果品,在繁荣果品市场,满足消费者
需求方面起到了基础作用;苹果作为我国少数具有国际市场竞争优势的农产品,无论鲜食苹
果还是苹果浓缩汁出口均取得了骄人的成绩,在国际市场上显示了举足轻重的作用。目前,
我国苹果产业正进入一个由传统产业转变为现代产业、 由世界苹果生产大国转变为苹果业强
国的重大历史阶段。
随着苹果产业的迅速扩大，中国已成为世界最大的苹果及苹果汁生产国和出口国。加入
WTO 进一步促使中国苹果走出国门，在世界水果市场上占有愈加重要的地位，对国内外的果
品市场均产生了较大的影响。而且，在物质生活水平的不断提高的今天，人们对苹果的要求
已经从单纯的数量转向质量，求的是“精” ，不光是苹果本身质量上要精，而且要求包装要
精美，携带要方便。
所以要对苹果进行套袋，而塑料发泡网套无疑是最好的选择，主要因其可以改善水果在
运输中的碰撞和挤压等机械破损。
但是，在当前，对如此庞大数量的苹果进行套袋还是人工套袋，这就大大降低了生产效
率，而且增加了人们的劳动，也增加了苹果的成本，为此，本文致力研发一种半自动套袋机，
该机简单并且容易操作，在保证作业要求（对苹果无损伤）的前提下，尽量降低成本，让果
农容易接受，以达到减轻工作人员劳动强度，降低劳动危险系数和提高劳动生产率的目的。
关键词：
半自动苹果套袋机；发泡网；槽轮机构；凸轮机构；平型带
目 录
1 绪论..............................................................................................................................................1
1.1 苹果的意义.......................................................................................................................1
1.2 我国苹果的发展...............................................................................................................1
1.3 苹果套袋的意义...............................................................................................................1
2 设计内容......................................................................................................................................2
2.1 设计的内容.......................................................................................................................2
2.2 设计的依据.......................................................................................................................3
2.3 设计的要求.......................................................................................................................3
2.4 设计任务...........................................................................................................................3
3 设计简介......................................................................................................................................3
3.1 套袋机样机.......................................................................................................................3
3.2 工作原理...........................................................................................................................5
3.3 主要零件介绍...................................................................................................................5
4 电动机的选择...............................................................................................................................6
4.1 电动机类型和结构的选择................................................................................................6
4.2 选电动机类型...................................................................................................................7
4.3 选择电动机容量...............................................................................................................7
4.4 确定主动轴工作转速........................................................................................................8
5 传动比的确定...............................................................................................................................8
5.1 总传动比...........................................................................................................................8
5.2 分配传动比.......................................................................................................................8
6 计算传动装置运动.......................................................................................................................8
6.2 计算各轴的输入功率........................................................................................................9
6.3 计算各轴的转距...............................................................................................................9
6.4 各轴的输入转矩计算........................................................................................................9
6.5 运动和动力参数计算结果整理......................................................................................10
7 齿轮的设计计算.........................................................................................................................10
7.1 减速器箱内的圆柱齿轮传动的设计计算......................................................................10
7.2 高速斜齿圆柱齿轮的设计计算......................................................................................10
......................................................................................12
7.3 低速直尺圆柱齿轮的设计计算
7.4 设计汇总.........................................................................................................................13
..............................................................................13
7.5 执行机构直齿圆柱齿轮的设计计算
8 轴的设计计算.............................................................................................................................15
8.1 主动轴的设计.................................................................................................................15
8.2 求中间轴的功率和扭矩..................................................................................................15
8.3 选择材料.........................................................................................................................16
8.4 对输入轴进行设计校核..................................................................................................16
8.5 主动轴的计算.................................................................................................................16
8.6 主动轴的校核.................................................................................................................17
9 套袋机的缺陷及改进.................................................................................................................18
总 结..............................................................................................................................................19
致 谢..............................................................................................................................................20
参考文献........................................................................................................................................21
1 绪论
1.1 苹果的意义
苹果是世界四大水果之一, 同时也是中国第一大水果，其产量和栽培面积均居我国第
一。苹果生产在我国水果业中占有最重要的地位,其发展状况对果区经济振兴、市场供应和
出口创汇影响巨大。
苹果作为我国栽培面积和产量最大的树种,在促进农民脱贫致富,改善农村经济状况,促
进农业产业化方面起到了重大作用;苹果作为我国第一大果品,在繁荣果品市场,满足消费者
需求方面起到了基础作用;苹果作为我国少数具有国际市场竞争优势的农产品,无论鲜食苹
果还是苹果浓缩汁出口均取得了骄人的成绩,在国际市场上显示了举足轻重的作用。目前,
我国苹果产业正进入一个由传统产业转变为现代产业、 由世界苹果生产大国转变为苹果业强
国的重大历史阶段。
1.2 我国苹果的发展
根据我国农业部统计的数据，2005 年我国苹果栽培面积为 189 万
hm
，苹果产量达到
2400 万 t，分别占世界苹果总量的 2/5和 1/3，我国已经成为世界最大的苹果生产国。我国
苹果栽培经历了自 1985—1995年 10 年大发展时期， 从 1997 年进入调整阶段,非适宜区和适
宜区内的非适宜品种，以及管理技术落后、长期不结果的果园面积持续减少，但苹果优生区
2
及经济效益较高的地区苹果面积稳定发展，单位面积产量持续增长,由 1995 年的
4.7t/ hm
2
提高到了近年平均的12
t/ hm
。苹果产量持续稳步增长,10年间苹果总产量增长了 71.5%。
从 1995年至 2005 年我国苹果产量已连续 13 年稳居世界首位。 近 5 年来,我国苹果产量
在 2 000 万 t 上波动, 2005 年达到 24011081t 创历史新高,占世界苹果总产 35.8%以上。近
年，我国苹果生产经调整，面积、产量逐渐稳定;果品质量逐年提高，优质果率已从 30%提
高到 40%以上;价格回升,出口增加，再现生机，开始步入稳步发展的轨道。
2008年全世界苹果栽培面积和产量分别为484.76×104
hm
和6960.34×104,t仅次于
2 2
柑橘(871.6×104
hm
,12 208.8×104t)、香蕉(481.7×104
hm
, 9070.6×104t)，居第三
位。 而中国是世界第一大苹果生产国， 栽培面积和产量分别占世界总面积和总产量的41.09%
和 42.88%。
近 20 年来，中国苹果产业发展迅猛。据农业部统计，2008 年全国苹果栽培面积和产量
为 199.22×104
hm
和 2984.66×104.t 占全国水果总面积和总产量的 18.56%和26.32%， 面
积和产量均居水果生产的首位。与 2007 年相比,2008 年苹果面积和产量分别增加 3.04×
104
hm
和 198.67×104.t同比增长了 1.55%和 7.13%。
2010 年，中国苹果生产总量为 3326.33 万 t，占全国水果总产量的 15.54%，是 1990 年
苹果产量的 7.7 倍。
2011 年，据国家苹果产业体系统计，我国苹果栽植面积和总产量分别达到 214 万公顷
和 3500 万吨，均占世界苹果面积和产量的 50%，居各国首位，已经是世界苹果生产、出口
和消费大国。
1.3 苹果套袋的意义
随着苹果产业的迅速扩大，中国已成为世界最大的苹果及苹果汁生产国和出口国。加
入 WTO 进一步促使中国苹果走出国门，在世界水果市场上占有愈加重要的地位，对国内外的
果品市场均产生了较大的影响。而且，在物质生活水平的不断提高的今天，人们对苹果的要
求已经从单纯的数量转向质量，求的是“精” ，不光是苹果本身质量上要精，而且要求包装
要精美，携带要方便。
因此，给苹果进行包装，不仅可以提高苹果美观程度，吸引消费者的眼球，更能提高果
农的收入，增强我国苹果在全球市场的竞争力。好的包装是商品的终身广告和免费广告，包
装直接针对产品，能兼起品牌商标、广告宣传等作用，是果品质量的有机组成部分。新颖美
2
2
2
2
观、迎合消费者心理的包装，不仅能传达商品内涵，而且能增加产品价值，提高产品附加值。
根据权威资料统计，有 50%-60%的消费者是受包装影响而产生购买兴趣的。所以，好的包装
对于推广品牌、增加苹果附加值具有重要作用。在苹果销售中清楚认识到包装的作用，树立
包装是商品第二质量的意识，自然有助于苹果产业的发展。
如今，苹果包装的有以下几个显著特点：
一是方便小巧型。目前，城镇水果消费已逐步趋向买新吃鲜、少量多次的特点，方便是
消费者永恒的追求，因此 10 公斤以上箱装的水果已不能满足消费者的需求，取而代之的是
3-5 公斤，甚至更少含量的小包装水果。
二是精美高档型。国产优质水果包装高档化将是占领国内市场、走出国门参与国际竞争
的必然选择。
三是信任透明型。在包装时采用部分透明材料，设计出一些可以透视的窗口，以吸引消
费者的眼球，让消费者能够对水果的外形、大小、颜色等一目了然，增强了自然亲和力，促
使消费者在进行同类比较后，较快地做出倾向性选择，提高了消费者的购买欲和信任感。
四是绿色环保型。果品的包装势必向绿色包装转变。回归自然，追求健康，不单单是消
费者对果品品质的要求，也是对其包装的必然要求。 目前果品包装材料已突破了普通纸箱包
装的单一格局，向精美竹编、藤制、木制、可回收瓦楞纸箱等绿色环保、生态性能的包装材
料发展。
而想要在低成本的情况下达到以上包装效果，使用塑料发泡网无疑是最好的选择。
塑料网套主要应用于怕挤压、需隔离的水果、瓜类和蔬菜等包装。由于其造价低廉，包
装效果好，已逐渐取代纸包装，成为水果储运包装中的潮流。而且塑料网套包装不仅有利于
水果的储运，对其货架保鲜期也有较大的贡献。
塑料发泡网套在水果包装特别是单果包装中应用非常广泛， 主要因其可以改善水果在运
输中的碰撞和挤压等机械破损。其主要优点有：
(1)具有一定的弹性和柔软度，可以有效地起到缓冲和防振作用，从而避免水果在储运
中由于碰撞和挤压造成的破损。
(2)重量轻，成本低，便于运输，减少了运输成本。
(3)塑料网套的色泽可以选择洁白色，也可以通过加色料而改变其色泽，这样有利于与
水果形成颜色对比，增加了美观效果，促进消费者购买。
(4)塑料网套是由塑料经过发泡得到的，包装使用很方便。一般采用发泡 LDPE，因其具
有较好的拉伸强度和弹性。
但是，在当前，对如此庞大数量的苹果进行套袋还是人工套袋，这就大大降低了生产效
率，而且增加了人们的劳动，也增加了苹果的成本，为此，研发一种全自动套袋机或半自动
套袋机势在必行！
通过对手工套袋过程的研究，本课题提出研究制造一种小型轻便的半自动水果套袋机，
简单并且容易操作。在保证作业要求（对苹果无损伤）的前提下，尽量降低成本，让果农容
易接受，以达到减轻工作人员劳动强度，降低劳动危险系数和提高劳动生产率的目的。
2 设计内容
2.1 设计的内容
本设计是针对小型果农使用的，机械式的，不使用机电自动控制及编程技术，是纯机械
式机器，采用纯机械设计，是为了降低成本，使用方便，维修简便，本设计原理可靠，结构
简单，减低人工劳动强度，提高工作效率。并且保证不损伤苹果。
(1)总体设计：使用电动机，减速器，轴，齿轮，槽轮机构，凸轮机构平带等简单机械
的组合，通过槽轮机构实现先后运动，从而保证苹果可以连续包装。(绘制总装图、绘制
soildworks装配图呈现整机结构)
(2)零部件设计:半自动苹果套袋机机架 传动轴、齿轮
2.2 设计的依据
(1)苹果物理特性:苹果为近似球形，直径在 40～80mm,厚度在35～60mm，质量在 150～
200 克。
(2)发泡网的特性：发泡网具有弹性，因此可以套在圆通外，发泡网是连续的，因此可
以实现苹果的连续套袋
(3)理论依据：槽轮机构是间歇运动机构，因此可以实现套袋机中剪断及套袋的先后作
业
2.3 设计的要求
(1)对象为小规模的农户，因此需要产品体积小,体积小,移动方便,操作简单,成本低
(2)部件设计时应尽量避免焊接及刚性固定,应多采用灵活的螺栓等方式固定， 以方便安
装和拆卸，并有利于维修。
(3)设计时考虑加工工艺性和装配工艺性,尽量使用标准件,通用件,降低制造成本。
(4)采用较为人性化的设计理念，方便劳动者的操作和使用,减少劳动者的体力消耗。
2.4 设计任务
(1)根据工艺动作要求拟定运动循环图；
(2)根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，分配传动比，并在报
告上画出传动方案图；
(3)进行轴的设计及校核
(4)进行齿轮的设计及校核
(5)选择合适的材料使苹果从高处无损伤的落下
(6)使苹果套袋，发泡网剪断，苹果运出，毛刷筒的运动之间相协调，时间差计算精确
(7)对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算；
(8)编写设计计算说明书。
3 设计简介
3.1 套袋机样机
如图 3-1 所示
图 3-1 总装图
图 3-2 槽轮机构
3.2 工作原理
半自动苹果套袋机是一种手工结合机器实现苹果套袋的机器。首先将发泡网套在套管
上，并将套管安装在机架上，运输带将苹果送入套筒中，当苹果落入底部后，凸轮机构运动，
带动绑在剪刀上的绳子运动，将泡网剪断；然后苹果滚出来，手工将套好的苹果拿出；两个
毛刷筒转动，促使发泡网向下运动包装一个苹果所需发泡网的长度；此时第二个苹果落下，
至此完成一个苹果的套袋过程。其中，剪刀的运动由凸轮机构实现；毛刷筒的运动由平带实
现；剪刀和毛刷筒运动的先后顺序由槽轮机构实现。
3.3 主要零件介绍
(1)槽轮机构
如图 3-2 所示,槽轮机构由槽轮和圆柱销组成的单向间歇运动机构,又称马尔他机构。 它
被用来将主动件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。槽轮机构结构简
单，易加工,工作可靠,转角准确,机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮
在起、停时的加速度大,有冲击,并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧,故不宜用于高
速，多用来实现不需经常调节转位角度的转位运动。
槽轮机构的工作原理，如图 3-3所示，它是由具有径向槽的槽轮 2、带有圆销 A 的拨盘
1 和机架组成的。拨盘1 作匀速转动时，驱使槽轮2作时转时停的间歇运动。拨盘 1上的圆
销 A 尚未进入槽轮 2 的径向槽时，由于槽轮 2 的内凹锁住弧β被拨盘 1 的外凸圆弧ɑ卡住,
故槽轮 2 静止不动。图中所示位置是当圆销 A 开始进入槽轮 2 的径向槽时的情况。这时锁住
弧被松开，因此槽轮 2 受圆销 A 驱使沿逆时针转动。当圆销 A 开始脱出槽轮的径向槽时，槽
轮的另一内凹锁住弧又被拨盘1 的外凸圆弧卡住， 致使槽轮 2 又静止不动， 直到圆销A 再进
入槽轮 2 的另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。
图 3-4 凸轮机构
图 3-3 槽轮机构原理示意图
(2)凸轮机构
凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线
轮廓或凹槽的构件,一般为主动件,作等速回转运动或往复直线运动。
本凸轮机构(如图 3-4)是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。本凸轮
是一个具有凹槽的构件，为主动件,等速回转运动。
从动件为杆,与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律,一般做往复直线运
动。杆的末端加一滚子，以减少凸轮与从动件的摩擦,延长使用寿命。
凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。 因为从动件的运
动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓
曲线就可以了。本凸轮机构所要实现的功能是拉动剪刀剪断发泡网为苹果套袋。
凸轮机构由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构， 本机
构中采用回转运动。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，本土论采用凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和
移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点
接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸
轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。
本凸轮机构结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，由于凸轮容易磨
损，主要原因之一是接触应力较大，可在从动杆件轴端加一滚轮来减小磨损。
4 电动机的选择
4.1 电动机类型和结构的选择
本套袋机用于带式运输机上的二级圆柱齿轮减速器，工作有轻微震动，经常满载，空载
启动，单向运转，单班制工作，每年工作 300 天,使用寿命 15 年,运输带允许速度误差±5%。
原始数据为：运输带拉力：F=0.1KN，主动轴圆周速度 v=0.20m/s 轴直径Ｄ=30mm
因为本传动的工作状况是：工作机空载启动，有轻微振动，经常满载，单向运转,单班
制工作，使用期限 15，每年工作 300 天,运输机允许速度误差 5%。
4.2 选电动机类型
按工作要求和条件,选用三相笼形异步电动机,封闭式结构,电压 380V,YS 型。
4.3 选择电动机容量
电动机所需工作功率按式：P
d
=
p
w
kW
h
a
(4-1)
FV
P
w
=
1000
kW (4-2)
因此： P
d
=
FV
kW
1000
h
a
2 4
2
(4-3)
由电动机至运输带的传动总效率为：
h
a
=
h
1
h
2
h
3
h
4
式中：
h
1
,
h
4
,
h
4
,
h
4
,
分别为联轴器、轴承、齿轮传动和卷筒的传动效率。
(4-4)
取
h
，
h
2
=0.98（承轴），
h
3
=0.97（齿轮传动），
h
4
=0.96（主动轴）
1
=0.99（联轴器）
则
h
a
=(0.99)´(0.98)´(0.97)´0.96= 0.82
所以
P
d
=
242
FV0.188
==0.024kW
1000
h
a
1000´ 0.82
(4-5)
由 《机械设计课程设计手册》 P176 表 12－12 查出的电动机型号 YS5014， 其主要性能如表 1：
表 1 电动机性能
型号
YS5014
额定 转速 满载 功率
效率/%
因数(
cos
j
)
功率/W /(r/min) 电流/A
25W 1400 0.17 42 0.53
最大
转矩
2.3
该电动机的主要外型和安装尺寸如表 2：
表 2 电动机安装尺寸
中心
高
50
外形尺寸
地脚安
装尺寸
地脚螺
栓孔直
径
5.8
轴伸尺 装键部
寸 位尺寸
9×20 3×7.2
155×110×
80×63
125
4.4 确定主动轴工作转速：
n =
60 ´ 1000 v 60 ´ 1000 ´ 0 . 188
= = 120
r
min
p
D 3 . 14 ´ 30
(4-6)
按《机械设计课程设计设计指导书》P2表 1，二级圆柱齿轮减速器的传动比 Ia=8-40
故电动机的转速的可选范围为：
n
d
)
´ 120
r
min
= 960
r
min
- 4800
r
min
= i × n =
(
8 - 40
符合这一范围的同步转速为：查《机械设计课程设计手册》第 155 页表 12-1 可知:
750r/min,1000r/min,1500r/min 根据容量和转速,所选电动机为小功率电动机，功率为
0.03kW，转速为 1500r/min。
5 传动比的确定
5.1 总传动比
由选定的电动机满载转速
n
m
和工作机的主轴的转速 n，可得传动装置的总的传动比
是：
i
a
=
5.2 分配传动比
n
1430
m
== 11.92
n 120
(5-1)
i
a
=i = 11.92
查《机械设计课程设计指导书》图 12 P17 得：
i
1
= 4
i
2
=
i 11.92
== 2.98
i
1
4
6 计算传动装置运动
6.1 计算各轴的转速
I 轴
n
I
= n
m
= 1430r / min
n 1430
I
== 357.5r /min
i
1
4
n 357.5
II
== 120r /min
i
2
2.98
(6-1) II 轴
n
II
=
III 轴
n
III
=
主动轴
n=n
III
=120r /min
IV 轴
n
n
IV
=
i
=
120
2
= 60r /min
3
V 轴
n
V
=n
IV
= 60r /min
6.2 计算各轴的输入功率
I 轴
p
I
=p
d
h
1
=0.024´0.99= 0.0238kW
II 轴
p
II
=p
II
h
2
h
3
=0.0238´0.98´0.97= 0.0226kW
III 轴
p
III
=p
II
h
2
h
3
=0.0226´0.98´0.97= 0.0215 kW
主动轴
p=p
III
´
h
3
h
4
=0.0215´0.98´0.99= 0.0209kW
IV 轴
p
IV
=p´
h
2
h
3
=0.0209´0.98´0.97= 0.0199kW
V 轴
p
V
=p
IV
= 0.0199 kW
6.3 计算各轴的转距
T
d
=9550´
P
d
n
=9550´
0.024
=1.603 N× m
I
1430
6.4 各轴的输入转矩计算
(1)电动机输出转矩
I 轴
T
I
=T
d
´
h
1
=1.603´0.99=1.587 N× m
II 轴
T
II
=T
I
´
h
2
h
3
i
1
=1.603´0.98´0.97´4=6.095N × m
III 轴
T
III
=T
II
´
h
2
h
3
i
2
=6.095´0.98´0.97´2.98=17.266 N× m
主动轴输入转矩
T=T
III
´
h
2
h
4
=17.266´0.98´0.99=16.751 N× m
IV 轴
T
IV
=T´
h
2
h
3
i
3
=17.266´0.98´0.97´2=32.826N× m
V 轴
T
v
=T
IV
=32.826 N× m
(2)各轴输出转矩：
I 轴
T
¢
I
=T
d
´
h
2
=1.587´0.98=1.555 N× m
II 轴
T
¢
II
=T
II
´
h
2
=6.095´0.98=5.973N × m
III 轴
T
¢
III
=T
III
´
h
2
=17.266´0.98=16.291 N× m
主动轴输入转矩
T
¢
=T´
h
2
=16.751´0.98=16.416 N×m
(6-2)
(6-3)
IV 轴
T
IV
=T
IV
´
h
N× m
2
=32.826´0.98=32.169
V 轴
T
V
=T
IV
=32.169 N× m
6.5 运动和动力参数计算结果整理于表 3：
表 3 运动和动力参数
''
'
轴名
效率 P（kW）
输入 输出
转矩 T（
N× m
） 转速n 传动
效率η
r/min 比 i
输入 输出
1.603 1430
电动
机轴
Ⅰ轴
0.024
0.02
0.0226 1.587
38
0.02
0.0215 6.095
26
1.555 1430 1.00 0.99
Ⅱ轴 5.973 357.5 4.00 0.95
Ⅲ轴
0.02
0.0209 17.27 16.29
15
主动 0.02
0.0205 16.751 16.416
轴 09
0.02
0.0199 32.826 32.169
05
0.02
0.0109 32.826 32.169
05
120
120
60
2.98
1.00
1.00
0.95
0.97
0.99 IV 轴
V 轴 60 1.00 0.99
7 齿轮的设计计算
7.1 减速器箱内的圆柱齿轮传动的设计计算
由于斜齿轮的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合，所以高速
级用斜齿圆柱齿轮传动，低速级用直尺圆柱齿轮传动。
7.2 高速斜齿圆柱齿轮的设计计算
(1)选择材料及确定许用应力，采用硬齿面的组合：
查《机械设计基础》表 11-1 得：
小齿轮用 20CrMnTi 渗碳淬火， 齿面硬度为 56～62HRC，
s
Hlim1
=1500MPa,
s
FE
= 850MPa
;
大齿轮用 20Cr 渗碳淬火，齿面硬度为 56～62HRC，
s
Hlin1
=1500MPa,
s
FE
= 850 MPa
。
查《机械设计基础》表 11-5：取
S
F
=1.25,S
H
= 1
查《机械设计基础》表 11-4：取
Z
H
=2.5,Z 189.8
E
=
[
s
F1
]
=
[
s
F 2
]
=
s
FE 1
850
=MPa= 680 MPa
S
1.25
F
s
H lim1
1500
=MPa= 1500 MPa
S
1
H
(7-1)
[
s
H1
]
=
[
s
H 2
]
=
(7-2)
(2)按齿轮弯曲强度设计计算
齿轮按 8 级精度制造。查《机械设计基础》表 11-3，表 11-6，
取载荷系数 K＝1，齿宽系数
f
。
d
= 0.8
小齿轮上得转矩
T
1
=9.55´10
6
´
初选螺旋角
0.0238
N×mm=158.94 N× mm
1430
(7-3)
b
= 15
o
齿数取
Z
，则
4´ 19=76，取 Z
2
=76.
1
= 19
齿形系数
Z
v1
=
1976
=21.08,Z
== 84.33
v 2
cos
3
15
o
cos
3
15
o
(7-4)
查《机械设计基础》图 11-8 得：
Y
Fa1
=2.88,Y
Fa
2
= 2.24
由图 11-9 得：
Y
Sa1
=1.57,Y
Sa
2
= 1.78
。
因
Y
Fa1
Y
Sa1
[
s
F1
]
=
YY
2.88´ 1.57
=0.0066>
Fa2Sa 2
= 0.0059
680
[
s
F 2
]
(7-5)
故应对小齿轮进行弯曲强度计算。
法向模数：
3
m
n
³
2 KT
Sa 1
1
Y
Fa1
Y
cos
2
b
=
2
f
d
Z
[
s
F 1
]
1
3
4
2´1´1.6´ 10
cos
2
b
´0.0066´cos
2
15
o
mm= 0.96 mm
2
0.8´ 19
由表 4-1 得，取
m
n
= 1mm
。
中心距
a=
m
n
(z
1
+ z
2
)
= 49.17 mm
。取 a=50mm．
2cos
b
m
n
(z
1
+ z
'''
2
)
= 18
o
1151
2 a
(7-6) 确定螺旋角
b
=arccos
齿轮分度圆直径
d
1
=
m
n
z
1
= 20 mm
cos
b
m
n
z
2
=80 mm
cos
b
d
2
=
齿宽
取
b=
f
d
d
1
= 16mm
b
2
=20mm,b
1
= 25mm
(3)验算齿面接触强度
将各参数代入式 11-8得
3
f
d
=Z
E
Z
H
Z
b
(4)齿轮的圆周速度
2 KT 1
1
u +
=1163.40Mpa<
[
s
H 1
]
= 1500 MPa
bd
1
2
u
(7-7)
v=
p
d
1
n
1
60´ 1000
= 1.5m/ s
(7-8)
对照表 11-2，选 8 级制造精度是合宜的。
7.3 低速直尺圆柱齿轮的设计计算
(1)选择材料及确定许用应力：
查《机械设计基础》表 11-1 得：
小齿轮用 45Cr 调质，齿面硬度为 217~286HRC，
s
Hlim1
=700MPa,
s
FE 1
= 590MPa
;
大齿轮
用 45 钢调质，齿面硬度为 197~286HRC，
s
Hlin1
=580MPa,
s
FE
= 310 MPa
。
查《机械设计基础》表 11-5：取
S
H
=1.1,S 1.25
F
=
[
s
F 1
]
=
[
s
H 2
]
=
s
H lim1
700
=MPa= 636.36 MPa
S
H
1.1
580
MPa= 527.27 MPa
1.1
(7-9)
[
s
F 1
]
=
[
s
F 2
]
=
s
FE 1
590
=MPa= 472 MPa
S
1.25
F
310
Mpa= 248 MPa
1.25
(2)按齿面接触强度设计
齿轮按 8 级精度制造。查《机械设计基础》表 11-3，表 11-6，表11-4
取载荷系数Ｋ＝１，齿宽系数
f
，
Z
E
= 188
d
= 0.8
小齿轮上得转矩
T
1
=9.55´10´
3
2
6
0.0226
N×mm=922 N× mm
234.04
(7-10)
d
1
³
2 KT
1
u + 1
æ
Z
1
Z
H
ö
´
ç÷
÷
= 71.55mm
f
d
u
ç
s
[ ]
è
H
ø
齿数 取
Z
1
= 24
，则
Z
2
=2.98´24»72.
模数
m =
d
1
Z
=2.98mm
1
齿宽
b=
f
d
d
1
=0.8´71.55= 57.24mm
取
b
2
=60mm,b
1
= 65mm
由表 4-1 取
m
n
= 3mm
。
实际的
d
1
=Z´m=72mm,d
2
= 216 mm
中心距
a=
d
1
+ d
2
2
= 144 mm
。
(3)验算轮齿弯曲强度
查图 11-8，11-9 得：齿形系数
Y
Fa1
=2.74,Y
Sa
1
= 1.75
Y
Fa2
=2.22,Y
Sa
2
= 1.83
s
2 KT
1
Y
Fa1
Y
Sa 1
F1`
=
b
m
2
Z
=179.3Mp a £
[
s
F 1
]
= 472 MPa
1
s
Y
Fa1
Y
Sa 1
F2
=
s
F1
Y
Fa2
Y
=163.5Mpa £
[
s
F 2
]
= 248MPa
Sa
2
(4)齿轮的圆周速度
v=
p
d
3
n
3
60´ 1000
= 1.03m/ s
对照表 11-2，选 8 级制造精度是合宜的。
7.4 设计汇总
表 4 齿轮参数
项目 低速级 高速级
大齿轮 小齿轮 大齿轮 小齿轮
z 72 24 76 19
d 216 72 80 20
b 94 98 25 20
df 208.5 64.5 79 19
da 222 84 82 22
a 144 50
m 3 1
7.5 执行机构直齿圆柱齿轮的设计计算
(1)选择材料及确定许用应力，采用硬齿面的组合：
(7-11)
查《机械设计基础》表 11-1 得：
小齿轮用 20CrMnTi 渗碳淬火，齿面硬度为 56~62HRC，
s
Hlim1
=1500MPa,
s
FE
= 850MPa
;
大齿轮用 20Cr 渗碳淬火，齿面硬度为 56~62HRC，
s
Hlin1
=1500MPa,
s
FE
= 850 MPa
。
查《机械设计基础》表 11-5：取
S
F
=1.25,S
H
= 1
查《机械设计基础》表 11-4：取
Z
H
=2.5,Z 189.8
E
=
[
s
F1
]
=
[
s
F 2
]
=
[
s
H1
]
=
[
s
H 2
]
=
s
FE 1
850
=Mpa= 680 MPa
S
1.25
F
s
H lim1
1500
=Mpa= 1500 MPa
S
1
H
(2)按齿轮弯曲强度设计计算
齿轮按 8 级精度制造。查《机械设计基础》表 11-3，表 11-6，
取载荷系数 K＝1，齿宽系数
f
。
d
= 0.8
小齿轮上得转矩
T
1
=9.55´10
6
´
初选螺旋角
0.0199
N×mm=1583.9 N× mm
120
b
= 15
o
齿数 取
Z
，则
2´ 32 =64，取 Z
2
=64.
1
= 32
齿形系数
Z
v1
=
3264
=35.51,Z
== 71.01.
v 2
cos
3
15
o
cos
3
15
o
查《机械设计基础》图 11-8 得：
Y
Fa1
=2.53,Y
Fa
2
= 1.75
由图 11-9 得：
Y
Sa1
=1.57,Y
Sa
2
= 1.78
。
因
Y
Fa1
Y
Sa1
[
s
F1
]
=
YY
2.88´ 1.57
=0.0066>
Fa2Sa 2
= 0.0059
680
[
s
F 2
]
故应对小齿轮进行弯曲强度计算。
法向模数：
3
3
m
n
³
YY
1
2 KT
2
1
Fa1Sa
cos
b
=
2
f
d
Z
[
s
F 1
]
1
4
2´1´1.6´ 10
22
o
cos
b
´0.0066´cos15mm= 0.96 mm
2
0.8´ 19
由表 4-1 得，取
m
n
= 1mm
。
中心距
a=
m
n
(z
1
+ z
2
)
2cos
b
= 49.69 mm
。取 a=50mm．
确定螺旋角
b
=arccos
m
n
(z
1
+ z
2
)
2 a
= 16
o
15
'
37
''
齿轮分度圆直径
d
m
n
z
1
1
=
cos
b
= 33 mm
d
m
n
z
2
2
=
cos
b
= 67 mm
齿宽
b=
f
d
d
1
= 26mm
取
b
2
=30mm,b
1
= 35mm
(3)验算齿面接触强度
将各参数代入式 11-8得
3
f
2 KT
1
u + 1
d
=Z
E
Z
H
Z
b
bd
2
=1163.40MPa<
[
s
H 1
]
= 1500 MPa
安全。
1
u
(4)齿轮的圆周速度
v=
p
d
1
n
1
60´ 1000
= 0.21m/ s
对照表 11-2，选 8 级制造精度是合宜的。
8 轴的设计计算
8.1 主动轴(II 轴)的设计
拟定输入轴齿轮旋向为右旋
8.2 求中间轴的功率
P
2
和扭矩
T
2
P = 0.0209kW
Z = 64
Z
d
1
= 33
1
= 32
d
= 67
(1)
T = 16.751N/m
b = 35
b = 30
b
= 9.9
°
a
= 20
°
1
b
= 8.10
°
(2)求作用在齿轮轴上的力
F
t
=
2T
d
=
2´ 16.751
67
= 0.50 N
F
2T
t 4
=
d
=
2´ 16.751
= 1.052
4
33
N
FF
tan x
n
tan20
°
r
=
t
cos
b
=0.50´
cos9.9
°
= 0.185 N
(8-1)
(8-2)
F
t 4
=
2T 2´ 16.751
== 1.052 N
d 33
4
(8-3)
F
a
=F
t
´tan
b
=0.50´tan9.9
°
= 0.087 N
8.3 选择材料
没有特殊要求，轴的材料选用 45 钢，调质处理 HBS 为 217-255MPa，取 210MPa
(8-4)
A
0
= 117~126
取 120
所以
d
2
t
³A
0
´
3
p 0.0238
n
=120´
3
= 6.998 mm
2
120
轴上有一个键糟
d
min
=d
t
´(1+13%)=6.998´1.13= 7.907 mm
查手册，取标准值，
d
min
= 10mm
8.4 对输入轴进行设计校核
(1)初步确定轴的最小直径
d
P
1
a1
=A
0
3
n
= 15 . 08 mm
1
(2)输入轴的计算
取
A
o
= 126
d
p
1
min
=A
3
n
=126´
3
2.41
o
1430
= 15.08mm
1
T
3
ca
=K
A
×T
1
=1.5´9550´
1430
=30.05 N× m
(3)输出轴的计算
取
A
o
= 112
d
p
3
min
=A
o
3
n
=112´
3
0.0226
24
= 11.76 mm
TT
0.0226
ca
=K
A
×
3
=1´9550´
24
=0.899N× m
8.5 主动轴的计算
(1)各力的大小
(8-5)
(8-6)
(8-7)
圆周力
F
t
=
2 T 2´ 16.751
1
N ==1.15N
d
1
30
o
(8-8)
径向力
F
r
=F
t
×tant
a
N=16.751´tan15= 4.49 N
法向力
F
n
=
(8-9)
(8-10)
(8-11)
T
16.751
1
N== 17.34 N
cos
a
cos15
T T
1
=10
6
1
为小齿轮上的转矩，
PP
=9.55´10
6
(N× mm )
w
1
n
1
P 为所传递的功率 kW，
w
为小齿轮上的角速度
1
w
1
=
2
p
n
1
rad/ s
60
n
1
为小齿轮的转速（r/min）
d
1
为小齿轮的分度圆直径，mm;
a
为压力角。
圆周力
F
t
的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同。径向力
F
r
的方
向与齿轮回转方向无关，对两轮都是由作用点指向各自的轮心。
8.6 主动轴的校核
(1)求垂直面的支承反力
F
1v
=
F
r
×
L d 20030
2
-F 4.49×-17.34 ×
n
×
22
=
22
= 0.94 N
L 200
(8-12)
F
2v
=F
r
-F
1
v
=4.49- 0.94=3.55N
(2)求水平面的支承反力
F
1H
=F
2
H
=
F
1.15
t
= =0.575N
22
(8-13)
(3)F 力在支点产生的反力
F
1 F
=
F× K
= 100 N
L
F
2F
=F+F
1 F
= 200 N
外力 F 作用方向与带传动的布置有关，在具体布置尚未确定前，可按最不利的情况考虑
(4)绘垂直面的弯矩图
M
aV
=F
2 V
×
M
'
aV
L
=3.55´0.1=0.355 N× m
2
L
=F
1 V
×=0.94´0.1=0.094 N× m
2
L
=0.575´0.1=0.058 N× m
2
(8-14)
(5)绘水平面的弯矩图
M
aH
=F
1 H
×
(8-15)
(6)F 力产生的弯矩图
M
2 F
=F×K=100´0.1=10 N× m
a-a 截面 F力产生的弯矩图为：
M
aF
=F
1 F
×
L
=100´0.1=10 N× m
2
2
aV
(7)求合成弯矩图
考虑到最不利的情况，把
M
aF
与
M + M
2
aH
直接相加
(8-16)
M
a
=M
2
aV
+M
2
aH
+M
aF
=10.68 N× m
M
'
a
=(M
'
aV
)
2
+(M
aH
)
2
+M
aF
=10.11N × m
M
2
=M
2F
=10N× m
(8)求轴传递的转矩
T=F
t
×
d
2
=1.15´0.15=0.173 N× m
2
22
M
a
+ (
a
T
)
(9)求危险截面的当量弯矩
最危险截面的当量弯矩为
M
e
=
如认为轴的扭切应力是脉动循环变应力，取折合系数
a
=0.6
，代入上式可得
M
e
=10.68
2
+(0.6´0.173)
2
N×m»10.68 N× m
(10)计算危险截面处轴的直径
轴的材料选用 45 钢，调制处理，由表 14-1 查得
s
B
= 650 MPa
，由表 14-3 查得
[
s
- 1b
]
= 60MPa
，则
3
M
e
10.68´ 10
d³
3
=
3
mm= 12.12 mm
0.1
[
s
- 1 b
]
0.1´ 60
考虑到键槽对轴的消弱，将 d值加大 5%，故
d=1.05
´
12.12mm
»
13mm
9 套袋机的缺陷及改进
虽然本套袋机能够实现苹果的套袋，并且保证苹果不受损伤，在一定程度上降低了人工
劳动强度，但是本套袋机仍有不足之处，由于苹果套袋和发泡网的特殊性，本套袋机无法实
现苹果的无限连续套袋，此套袋机在工作一定时间后，就必须重新更换圆筒或者重新将发泡
网套在圆筒上；此外，当苹果套好袋以后，不能运用机构将苹果送出，还是要依靠人工将包
装好的苹果运出，所以苹果的输送机构有待改进；除此之外，在苹果的进料口处，可通过输
送带实现苹果的连续进入。
总 结
在毕业设计的二十四周时间里， 我学习到了很多书本外的知识，深刻的理解了实践和理
论的区别。 本设计主要根据现有的知识理论设计半自动苹果套袋机， 以实现苹果的机器套袋，
并进行轴，齿轮等的计算和校核。通过毕业设计，我学到了以下几点:
1、综合运用机械设计及其他先修课的知识，进行机械设计训练，使已学知识得以巩固、
加深和扩展；
2、学习和掌握通用机械零件、部件、机械传动及一般机械的基本设计方法和步骤，培
养学生工程设计能力和分析问题，解决问题的能力；
3、提高在计算、制图、运用设计资料（手册、图册）进行经验估算及考虑技术决策等
机械设计方面的基本技能和机械 CAD 技术以及 solidworks 技术
在设计中也出现了很多问题，但学习就是一个不断发现问题和不断解决问题的过程， 出
现问题然后寻找原因，再想办法解决，最终提升自己。
各种各样的机械设备一般都要实现生产工艺过程和操作过程的自动化， 这就要求进行各
种机构的创新设计和常见机构的组合应用。因此，毕业设计对于培养学生对机械运动机构的
构思和设计能力起到至关重要的作用。
通过此次毕业设计，我在学到新知识的同时，还深刻感受到自己知识储备的不足，在今
后的工作和学习中我会继续努力，不断提升自己，力争自己运用机械知识有所作为！
致 谢
经过近六个个月的努力，毕业设计终于可以截稿了，半自动苹果套袋机的三维图，二维
图，以及设计说明明书都完成了，在此期间，我查阅了大量的相关资料，不断进行实践尝试
和理论计算，在进行设计，画图及说明书的写作过程中遇到了很多的困难和障碍，但在自己
不懈的努力和老师、同学的帮助下顺利解决了。尤其要感谢我的设计指导老师——马少辉老
师，他在我的设计过程中给予我耐心的指导和深刻的教诲，因此我在设计中始终能保持正确
的方向，并最终顺利完成，在此，对于不厌其烦帮助我修改和改进的老师和同学再次表示诚
挚的感谢！
本设计从选题、方案论证到课题的研究都是在指导老师马少辉的全面、悉心指导下完成
的。在设计期间，导师在论文研究方面和设计过程中给予认真指导，大力支持和帮助。尤其
是导师严谨的科学研究精神，认真负责工作态度深深地影响了我，使我受益匪浅。在此表示
衷心感谢，并致以崇高的敬意。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素
材，并在说明书的撰写和排版过程中提供热情的帮助。本次毕业设计的顺利完成离不开老师
和同学的协助指导,借此只言片语,对他们热心而无私的帮助表示衷心的感谢。
最后，所写设计与说明书难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
参考文献
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[5] 葛晓棠.半自动苹果套袋机器人的研究[D].中国农业大学.2005(08).
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[10] 周亮.袋成型自动包装机控制系统的设计与研究[D].武汉理工大学.2009(04).
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