碎纸机卡纸堵住了怎么办

碎纸机——1

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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

AbstractThepurpoofthisdesignforofficepapershredderstransmission

eshredder,theevolutionhistoryoftheshredderisatotalof

sixtypicalgeneration,nowtheshreddertechnologyalreadyquitemature.

Throughtheanalysisofshreddersperformance,letwecanbetterchoothe

shredderandgoodmaintenance,atthesametimeweshouldalsonotethatthe

shredderworkoccursfault,the

qualityoflifeoftoday,ourenvironmentalprotectionfortheproductfunction,

performance,signbycomparingthe

prosandconsofatransmission,soastodeterminethetransmissionschemedesign.

Thisdesignforthegeneraldesignprocessofdrivesystem,thedesignof

transmissionsystemhasacertainreferencevalueforthefuture.

Keywordsshredderstransmissiongea

碎纸机——2

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目录

1.碎纸机简介.......................................................................................................................................4

1.1碎纸机的原理.......................................................................................................................4

1.2保密等级...............................................................................................................................4

1.3我的碎纸机设计任务.........................................................................................................5

2.碎纸机方案设计...............................................................................................................................6

2.1碎纸原理...............................................................................................................................6

2.2碎纸方案一...........................................................................................................................6

2.3.碎纸方案二...........................................................................................................................6

2.4.碎纸方案三...........................................................................................................................7

3.碎纸机传动方案...............................................................................................................................8

3.1传动方案..............................................................................................................................8

3.2.最终方案的选择..................................................................................................................8

4.传动系统方案的设计选择以及具体设计计算......................................................................10

4.1电机的选择.........................................................................................................................10

4.2传动系统中各轴的转速以及转矩计算........................................................................11

4.3一级减速级齿轮组的设计计算.....................................................................................12

4.4一级减速齿轮结构设计..................................................................................................17

4.5二级减速齿轮组的设计计算.........................................................................................18

4.6二级减速齿轮结构设计..................................................................................................23

4.7碎纸刀轴齿轮的设计......................................................................................................24

4.8碎纸轴齿轮结构设计......................................................................................................26

4.9电机输出轴........................................................................................................................27

4.10一级减速输出轴的设计...............................................................................................27

4.11碎纸刀输入轴..................................................................................................................28

5.刀具的选用.....................................................................................................................................31

碎纸机——3

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5.1刀具.....................................................................................................................................31

5.2刀具的选用........................................................................................................................31

6.致谢..................................................................................................................................................33

7.参考文献..........................................................................................................................................34

碎纸机——4

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1.碎纸机简介

1.1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6-10.5x40-80mm)

c.三级(条状1.9mm/粒状3.9-6x25-53mm)

d.四级保密(粒状:1.9-2x15mm)

e.五级保密(粒状:0.78x11mm)

f.六级保密(粒状:1x5mm)

碎纸机——5

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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。

碎纸机——6

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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。

碎纸机——7

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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。

碎纸机——8

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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、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。

碎纸机——9

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碎纸机——10

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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：



min/62.10

5.224114.3

min/mm1200

221

r

mmLD

v

nn











将1

n

、2

n

圆整即可得2

n

=1

n

=11r/min

根据传动比即可计算出二级减速输出的转速应为：

min/22112

4

rn

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

99.0

3



，

齿轮传动效率

98.0

21



。

由此可计算出电机的功率：



w

w

5.118

99.098.0

105

p

p

636

3

3

1









输出

电机

圆整为：

w120p

电机

碎纸机——11

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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：

min/11

21

rnn

一级减速输出轴：

min/22

4

rn

电机输出轴：

min/115rn

电机

4.2.2各轴的功率计算：

由于电机输出的功率为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：

w6.21159.908.901202

2

214



电机

pp

碎纸刀输入轴的输出功率是：

w5.61059.908.9012062

6

2

2

11



电机

pp

碎纸刀输出轴的输出功率是：

w8.41019.908.9012062

8

2

3

12



电机

pp

4.2.3各轴的输出转矩计算：

由下面的公式：

n

p

T9550

碎纸机——12

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电机轴的输出转矩：

m7.99

115

2.10

9550TN

电机

一级减速输出轴即④轴的输出扭矩：

m3.050

22

1526.10

9550T

4

N

碎纸刀输入轴的转矩：

mN

n

p

T72.91

11

10565.0

*95509550

1

1

1

碎纸刀输出轴输出的转矩：

mN

n

p

T10.88

11

10148.0

*95509550

1

1

2

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(

mN

)

转速(r/min)传动比

③轴1209.971155.2

2

1

④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

①按照传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动；

②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（GB10095—88）；

碎纸机——13

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③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；

④选择小齿轮的齿数为

20

3

Z

，大齿轮的齿数为

104

4

Z

；

4.3.2按齿面接触强度设计

由设计计算公式进行试算，即

3

2

1

1

1

32.2





















H

E

d

t

t

Z

u

u

TK

d



接下来确定公式中的各计算数值：

①试选载荷系数

1.1

t

K

；

②由表4.1可知电机输出轴上小齿轮传递的转矩9.97N.m；

③由《机械设计》选取齿宽系数

1

d



；

④由《机械设计》查得材料的弹性影响系数2

1

8.189MPaZ

E



；

⑤由《机械设计》按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳硬度极限

MPa

H

600

1lim



；大齿轮的接触疲劳硬度极限

MPa

H

550

2lim



；

⑥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：

7

11

10584.11

h

jLnN

6

1

2

1092.7

i

N

N

查《机械设计》可得接触疲劳寿命系数

碎纸机——14

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27.1

1



HN

K

,

22.1

2



HN

K

；

⑦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



S

K

Nlim





MPaMPa

H

762600*27.1

1



；

MPaMPa

H

671550*22.1

2



4.3.3计算

①试算电机轴小齿轮分度圆直径t

d

1,代入



H



中的较小值



mm

Z

u

u

TK

H

E

d

t6.23

671

8.189

2.5

12.5

1

100097.91.1

32.2

1

2.32d3

2

3

2

1











































②计算圆周速度v

s

dn

v/m4.10

100060

115.6234.13

100060











电机



③计算齿宽

mmdb

d

6.23

④计算齿宽与齿高的比b/h

模数

18.1

20

6.23



z

d

m

，

齿高

mmh655.218.125.2

从而可得：

89.8

655.2

6.23



h

b

碎纸机——15

|

⑤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

01.1

v

K

，

直齿轮，

1

FH

KK

，由《机械设计》可查得使用系数

1

A

K

，用插值法查

得7级精度，小齿轮相对轴承非对称布置时，

419.1

H

K

。

由

89.8

h

b

，

419.1

H

K

查得

36.1

F

K

；故载荷系数

4332.11419.101.11

HHvA

KKKKK

；

⑥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：

mm

K

K

dd

t

8.25

1.1

4332.1

6.233

3

3



⑦计算模数：

29.1

20

8.25

3

3

z

d

m

4.3.4按齿根弯曲强度设计

弯曲强度的设计公式为

3

2

1

1

2



















F

SaFa

d

YY

z

KT

m





①查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限

MPa

FE

500

1



，大齿轮的弯曲疲劳强度极限

MPa

FE

380

2



②查得弯曲疲劳寿命系数

95.0

1



FN

K

，

98.0

2



FN

K

；

③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：

碎纸机——16

|

MPaMPa

S

K

FEFN

F

28.339

4.1

50095.0

11

1











MPaMPa

S

K

FEFN

F

266

4.1

38098.0

22

2











；

④计算载荷系数K

3736.136.1101.11

FFVA

KKKKK

；

⑤查取齿形系数,由200

P

表10-5可得

8.2

3



F

Y

,

17.2

4



F

Y

；

⑥查取应力校正系数，由200

P

表10-5可得

55.1

3



S

Y

，

8.1

4



S

Y

；

⑦计算大小齿轮的



F

SaFa

YY



并加以比较



0128.0

28.339

55.18.2

3

33





F

FS

YY





，



0147.0

266

8.117.2

4

44





F

FS

YY





；

可得出大齿轮的数值大

4.3.5设计计算

mmm0022.10147.0

201

100097.93736.12

3

2









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：

2.17

5.1

8.25

3

3



m

d

Z

碎纸机——17

|

取小齿轮齿数为18；

从而大齿轮的齿数

6.932.518

34

iZZ

,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

①计算分度圆直径

mmmzd275.118

33



mmmzd1415.194

24



②计算中心距

mm

dd

a84

2

14127

2

43









③计算齿轮宽度

mmdb

d

27

3



取

mmBmmB27,27

43



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。

碎纸机——18

|

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

mmd

a

160

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21

,

aa

dd

,计算如下：

mmmhZd

aa

305.112182

33



mmhZd

aa

1445.112942

44



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

mmmchZd

af

25.235.125.02121822

33





mmmchZd

af

25.1375.1*25.0*21*29422

44





4.4.3各计算结果

,141,27,84

43

mmdmmdmma

94,18,5.1,27,27

4343

ZZmmmmmBmmB

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

①按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动；

碎纸机——19

|

②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（GB10095—88）；

③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；

④选择小齿轮的齿数为

22

1

Z

，大齿轮的齿数为

4422*2

2

Z

；

4.5.2按齿面接触强度设计

由设计计算公式进行试算，即

3

2

1

1

1

32.2





















H

E

d

t

t

Z

u

u

TK

d



接下来确定公式中的各计算数值：

①试选载荷系数

1.1

t

K

；

②可知电机输出轴上小齿轮传递的转矩

mNT75.47

1；

③由《机械设计》选取齿宽系数

1

d



；

④由《机械设计》查得材料的弹性影响系数2

1

8.189MPaZ

E



；

⑤由《机械设计》按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳硬度极限

MPa

H

600

1lim



；大齿轮的接触疲劳硬度极限

MPa

H

550

2lim



；

⑥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：

7

11

10584.11

h

jLnN

碎纸机——20

|

6

1

2

1092.7

i

N

N

查《机械设计》可得接触疲劳寿命系数

27.1

1



HN

K

,

22.1

2



HN

K

；

⑦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



S

K

Nlim





得

MPaMPa

H

762600*27.1

1



；

MPaMPa

H

671550*22.1

2



4.5.3计算

①试算电机轴小齿轮分度圆直径t

d

1,代入



H



中的较小值



mmmm

Z

u

u

TK

d

H

E

d

t

t

86.42

671

8.189

2

3

1

1075.471.1

32.2

1

32.23

2

3

3

2

1

1











































②计算圆周速度v

sm

nd

vt/05.0

100060

2286.42

100060

1















电机

③计算齿宽

mmdb

td

86.42

1



④计算齿宽与齿高的比b/h

模数

948.1

22

86.42

1

1

mm

z

d

mt

t

，齿高

mmmmh383.4948.125.2

从而可得：

78.9

383.4

86.42



h

b

⑤计算载荷系数

碎纸机——21

|

根据v=0.05m/s,7级精度，查《机械设计》可得动载系数

01.1

v

K

，

直齿轮，

1

FH

KK

，由《机械设计》可查得使用系数

1

A

K

，插值法查得7

级精度，小齿轮相对轴承非对称布置时，

419.1

H

K

。

由

78.9

h

b

，

419.1

H

K

查图得

36.1

F

K

；故载荷系数

4332.11419.101.11

HHvA

KKKKK

；

⑥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：

mm

K

K

dd

t

t

81.46

1.1

4332.1

86.423

3

11



⑦计算模数：

mmmm

z

d

m13.2

22

81.46

1

1

4.5.4按齿根弯曲强度设计

弯曲强度的设计公式为：

3

2

1

1

2



















F

SaFa

d

YY

z

KT

m





①由查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限

MPa

FE

500

1



，大齿轮的弯曲疲劳强度极

限

MPa

FE

380

2



②由查得弯曲疲劳寿命系数

95.0

1



FN

K

，

98.0

2



FN

K

；

③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：

碎纸机——22

|

MPaMPa

S

K

FEFN

F

28.339

4.1

50095.0

11

1











MPaMPa

S

K

FEFN

F

266

4.1

38098.0

22

2











；

④计算载荷系数K

3736.136.1101.11

FFVA

KKKKK

；

⑤查取齿形系数,由表10-5可得

72.2

1



F

Y

,

36.2

2



F

Y

；

⑥查取应力校正系数，由表10-5可得

57.1

1



S

Y

，

678.1

2



S

Y

；

⑦计算大小齿轮的



F

SaFa

YY



并加以比较



01259.0

28.339

57.172.2

1

11





F

SaFa

YY



，



01489.0

266

678.136.2

2

22





F

SaFa

YY



；

可得出大齿轮的数值大

4.5.5设计计算

mmm59.101489.0

221

1075.473736.12

3

2

3









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

mmd86.42

1



，算得小齿轮的齿数：

23

2

81.46

1

1



m

d

z

从而大齿轮的齿数

46232

2

z

碎纸机——23

|

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

①计算分度圆直径

mmmzd46223

11



mmmzd92246

22



②计算中心距

mm

dd

a69

2

9246

2

21









③计算齿轮宽度

mmdb

d

46

1



取

mmB46

1



，

mmB51

2



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》齿轮的结构设计，当齿轮的直径

mmd

a

160

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21

,

aa

dd

,计算如下：

mmmhZd

aa

5021223)2(*

11



mmhZd

aa

962)1246(2*

22



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：

mmmchZd

af

41225.02122322*

*

11



碎纸机——24

|

mmmchZd

af

87225.02124622*

*

22



4.6.3各计算结果

mmdmmdmma92,46,69

21



；

46,23;2,51,46

2121

ZZmmmmmBmmB

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,

23

21

ZZ

,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

①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；

②由于轴上的刀具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

①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1limH



、

2limH



为1460MPa,查得1limF



、2limF



为625MPa；

②强度条件：



S

K

N





③应力计算以及许可应力计算如下：

碎纸机——25

|

u

u

bd

KT

bdm

YKTY

H

SaFa

F

12

.52

;

2

2











：接触疲劳强度计算公式

：弯曲疲劳强度计算公式

因为两个齿轮的大小和材料一样，所以21HH



；同时由前面的计算

6

1

2

1092.7

i

N

N

查《机械设计》可得出：

1,05.1,1,25.1

NHNFHF

KKSS

④校核弯曲疲劳强度

由大小齿轮的齿数可以查得

575.1,69.2

SaFa

YY

；

查《机械设计》表10-2、10-3、10-4可得出

102.1,1.1,007.1,1



KKKK

VA,

于是可求得

22.1102.11.1007.11



KKKKK

VA,将数据代入

bdm

YKTY

SaFa

F

2



可得：

MPa

bdm

YKTY

SaFa

F

56.49810

75.125.4027

575.169.272.9122.12

2

3







MPa

S

K

F

NFF

F

525

25.1

05.1625

lim













,



FF



,可得出弯曲疲劳强度符合要求

⑤校核接触疲劳强度

MPaMPa

u

u

bd

KT

Z

EH

149910

175.4027

272.9122.12

8.1895.2

12

5.23

22













许可接触应力:

MPa

S

K

F

HFH

H

1533

1

05.11460

lim













碎纸机——26

|

从而可得：



HH



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

mmd

a

160

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21

,

aa

dd

,计算如下：

mmmhZd

aa

75.4375.112232*

11



mmdd

aa

75.43

12



那么这里的大小齿轮都可以做成实心结构的齿轮。

计算大小齿轮的齿底圆直径：

mmmchZd

af

875.3575.125.02122322

11



mmmchZd

af

875.3575.125.02122322

22



那么这里的大小齿轮都可以做成实心结构的齿轮。

碎纸机——27

|

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：



mm

n

d

T

76.10

2.0

120*9550

3



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

3

2.0

9550000

n

P

d

T





碎纸机——28

|

代入此轴的相关数据可得

mmd6.16

22552.0

26.1159550

3







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：①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.

②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，右端为双螺母定位大齿轮，大齿轮右端由套筒定位。

③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

mN72.91

,转速为11r/min,传递的功率为

105.65W，其上构件布置如下图所示：

碎纸机——29

|

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。

3

2.0

9550000

n

P

d

T





代入碎纸刀轴的相关数据可得：

mmd20

11552.0

10565.09550000

3







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：

①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，可选取大齿轮段长度为42mm；

②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；

③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。

碎纸机——30

|

④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；

⑤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.

⑥刀具右端选取套筒定位，取套筒所在轴段轴向长度为10mm.

⑦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。

碎纸机——31

|

5.刀具的选用

5.1刀具

碎纸机的刀具是核心部分，也是技术含量最高的部分。

5.2刀具的选用

考虑到本设计的要求为一次碎纸量18张，但速度不是很高，因此可选用高速

钢刀具，这样既可以满足韧性大切削力大的要求，同时又保证了刀具的成本问题。

根据设计要求中切削得到的碎纸屑的形状可选择碎纸刀具在轴上的周向分

布应为螺旋形，同时由于纸屑具有一定的宽度，因此要碎纸刀具在轴上轴向具有

一定的间隔。

根据碎纸机的工作要求以及碎纸机的工作特性，同时综合考虑到市场调查以

及结合所学知识，最终选用圆柱形铣刀形状的刀片。此铣刀是采用薄型刀片分布

在碎纸刀轴上。刀具结构见图纸。

碎纸机——32

|

碎纸机——33

|

6.致谢

转瞬间四年的大学生活就要结束了，四年的大学学习让我学到了很多东西，

不仅是在专业方面理论的不断充实，而且也让我养成了认真谨慎、踏实勤奋的习

惯。在各位老师的指导与帮助下，我对各科知识都有了一定的深入理解，对专业

方面理论也有了一定的基础了解。在我的毕业设计碎纸机设计中我也将大学所学

到的知识都有了运用，特别是机械设计方面的知识，在本设计中都有了很多的体

现，比如说减速器的设计、轴的设计等，这些都让我对这些常见的结构设计可以

更熟练的应用，为我以后的学习与工作都奠定了很重要的基础。

在此非常感谢大学四年期间给予过我帮助以及鼓励的老师们，以及在毕业设

计过程中给过我帮助的老师，谢谢你们的不吝赐教,谢谢你们与我商讨设计方案

以及提供建议。

我会在以后的工作和学习中继续努力，继续不断充实理论知识，并且不断将

理论运用到实践中，不断充实自己,不断取得进步。

碎纸机——34

|

7.参考文献

[1]张黎骅、郑严.新编机械设计手册[M].北京，人民邮电出版社，2008.

张晓玲,沈韶华.实用机构设计与分析.北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[2]曹惟庆,徐曾荫.机构设计[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]金国光.机械原理[M].北京:电子工业出版社,2009.

[4]东华大学.画法几何及工程制图[M].上海:上海科学技术出版社,2003.

[5]杨可桢,程光蕴.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6]甘永立.几何量公差与检测[M].上海:上海科学技术出版社,2001.

[7]戴枝荣,张远明.工程材料[M].北京:高等教育出版社,2006.

[8]濮良贵,纪名刚.（机械设计第七版）[M].北京:高等教育出版社,2001.

[9]张秉荣.工程力学[M].北京:机械工业出版社,2005.