毕业论文-JIZ-10A型电钻的设计.doc

）摘 要电钻是一种切削类电动工具，它适用于在金属材料和非金属材料上作钻孔加工。其特点是体积小、质量轻、便于携带、操作灵活及使用安全等，因此，在机械、建筑、维修、家居装修等领域得到了广泛应用。近年来，随着建筑装潢业的发展，电钻的应用更加普及。电钻由电动机、齿轮减速机构、钻夹头、外壳、开关和电源联接装置等组成，其工作原理是：电动机的高速旋转通过一对圆柱斜齿轮减速后，驱动工作头作钻孔加工。本文首先通过对国内外电钻的比较和对电钻发展趋势的分析，确定了电钻的总体设计方案及主要技术参数，然后对电钻各个部分的设计进行了详细说明，如电动机及其辅助元件的选型、齿轮传动装置的设计、外壳的设计和控制电路设计等，其中着重介绍了齿轮传动装置的分析、设计与计算过程，并运用了大量的图表对其进行说明。另外，本文还特别介绍了人体工程学技术以及它在电钻外壳设计中的运用；电子无级调速技术在电路中的应用使电钻具有钻孔和拧螺钉两种功能。关键词：电钻，设计，人体工程学技术，电子无级调速VABSTRACTThe electric drill is a kind of electric metal-cutting tools which is applied to the metal and non-metallic materials for drilling. It has many characteristics such as the small cubage, the light quality, easy to carry, safety and reliability .Therefore, it has been widely used in the machinery, metallurgy, transport and other fields. In recent years, with the construction and decoration development, the electric drill will be applicated more widely. Electric drill consists of the electric motor, the speed reducer gear, drill chuck, the outer covering, the switch and the power connecting devices. The working principle is : The electric motor rotating with a high-speed ,through the speed reducer gear, to drive the drill bit for drilling. This article has first analyzed the electric drill, determined the overall design of the electric drill program and the main technical parameter. Then the design of each part has been introduced, such as the selection of the electric motor and its auxiliary components, the design of gear wheel actuator, the outer covering and the control circuit. Among them, this paper has introduced the analysis, the design and the calculate process of the gear wheel actuator. And this paper has used a lot of graphics and charts to explain it. Additionally, this paper has also introduced a special ergonomic technology and how to use that in an electric drill casing design; The application of electronic variable speed technology in circuit design make the electric drill has two functions of drilling hole and scerw. Keywords: Electric drill，Design，Ergonomic technology, Electronic variable speed technology目 录第1章 概述11.1 电钻及其应用11.2 电钻的基本结构11.3 电钻的发展概况21.4 存在的问题与解决方案2第2章 电钻的总体设计方案42.1 电钻的结构及工作原理42.2 主要技术参数的确定42.3 电钻的传动装置4第3章 电动机及电器元件的选择53.1 电动机的选择5 3.1.1 单向串励电动机的结构和规格5 3.1.2 单向串励电动机型号的选择63.2 风扇的选择73.2.1 风扇的直径73.2.2 叶片数73.2.3 叶片形状73.3 换向器的选择73.4 电刷装置的选择83.5 开关的选择93.6 电源线及护套的选择9第4章 传动装置的设计104.1 齿轮传动的设计104.1.1 斜齿轮的强度计算104.1.2 斜齿轮的结构设计154.2 齿轮轴的设计164.2.1基本参数的计算164.2.2轴的结构设计164.2.3轴的强度计算174.3 主轴的设计204.3.1基本参数的计算204.3.2轴的结构设计204.3.3轴的强度计算21第5章 其他零部件的设计255.1 钻夹头的设计255.2 钻头的选择265.3 外壳的设计265.3.1 人体工程学的概述265.3.2 外壳的结构设计275.4 零件的紧固和联接31第6章 控制电路的设计32第7章 三维建模结构设计补充说明34结论40参考文献41致谢42附录43湖南工业大学本科毕业设计（论文）第1章 概述1.1 电钻及其应用手持式电钻通常称为手电钻，亦称电钻，是开发最早、使用最广泛的电动工具。它适用于金属材料上钻孔，也可在木材、塑料、砖等非金属构件上钻孔加工。其特点是：体积小、质量轻、便于携带、操作简单、使用灵活等。电钻的种类繁多，按使用电源可分为：单相串励、三相工频和永磁直流电钻；按速度可分为：单速、双速和无级电子调速电钻；按电气安全方式可分为：单绝缘、双重绝缘和特低安全电压电钻；按手柄类型可分为：直筒式、手枪式、后直手柄（D型柄）+ 侧手柄电钻等类型。电钻广泛应用于机械制造、冶金、造船、车辆等领域，随着建筑装潢业的不断发展，电钻的应用更加普遍，并开始进入家庭。1.2 电钻的基本结构电钻的基本结构如图1.1所示，它由电动机、齿轮传动机构、外壳、钻夹头和电源联接装置等组成。图片来源：汪镇国主编.电机工程手册（第二版）6应用卷（一）图6.2.11-电动机 2-外壳 3-齿轮传动机构 4-钻夹头 5-手柄 6-电源开关图1.1电钻的基本结构图1.3 电钻的发展概况世界上最早的电动工具出现在欧洲，1985年，一台采用直流电动机驱动钻头的手电钻在德国Fein厂诞生，其外壳是铸铁的，重达7.5kg，能在钢铁件上钻直径4mm的孔。它虽然简单而且显得笨重，但它已具备电动工具的典型结构和基本特征，使手工劳动实现机械化。 随着科学技术的进步，电钻在不断的改进。1900年，出现了采用三相异步电动机的电钻；1905年，电钻外壳开始采用铝合金，减轻了整机重量。19121913年间，第一批交直流两用单相串激电钻问世，这使电钻的单位重量出力有了很大提高。1914年，美国Blacr&Decker厂枪式手柄电钻正式申请专利。为提高电钻的使用安全性，1946年，美国出现采用热固性酚醛塑料外壳的电钻；从1950起，英国Wolf、德国AEG等欧洲电动工具厂开始生产双重绝缘结构的电钻。随后为扩大使用范围、提高钻孔精度，又出现角向电钻、调速电钻、磁座钻等。1961年，美国Blacr&Decker厂制造出用电池做电源的永磁直流电钻。我国电动工具制造史也是由电钻开始的。1941年，上海大威电机厂开始仿造美国香宾牌电钻。新中国成立后，上海华生和亚美电器厂分别仿制生产英国狼牌电钻。1954年，大威电机厂明确为电动工具专业生产厂，试制了生产6、13、19、23mm单相串激和三相工频电钻。1965年，沈阳电动工具厂试制成功JIZ-10型双重绝缘电钻；1988年，上海宇宙电动工具厂开发成功JOD-SZ01-6型电池式双速多能电钻。近年来，我国电动工具产品在品种、规格、产量、质量上都有较大发展。1.4 存在的问题与解决方案由于我国电动工具生产起步较晚，因此我国的产品始终与国外先进水平有着一定的差距。过去我国产品存在着品种少、外观差、噪音大、有电磁干扰、单位重量输出低和使用寿命短等问题，且大量的产品及原材料依赖于进口，经过不断的发展，我国在电动工具生产上取得了可喜的成绩，如今已成为世界电动工具的生产大国和出口大国，逐渐缩小了与发达国家之间的差距，但是我国的产品在质量与水平上仍存在一些问题：一是单位重量出力低。国产的电钻单位重量出力大都在120w/kg以下，国外电钻都在150w/kg，有的甚至超过200w/kg。二是国外电钻大都采用电子调速，还有不少采用电子控制，除了调速功能外，还有起动保护、过载保护、电刷自停保护量显示等。国内仅有部分产品采用电子调速，电子控制产品则刚开发。三是噪声、振动比较大。据了解，国产电钻噪声约比国外高2分贝以上，有的还有高频尖叫声，国外先进产品声音柔和，对人体健康危害小。并经振动实验，表明振动指标，我国尚未开展此项研究。四是在外壳设计上不够完美。国外先进水平产品的外壳均采用人体工程学原理设计，其外形美观，操作舒适，低疲劳，避免了长期手持操作而产生腕管综合症等。此外，我国产品的平均使用寿命也较国外低。针对以上提出的问题，本文将从以下几个方面来解决：一、提高单位重量出力。可以通过提高电动机额定转速，使额定负载转速与空载转速基本相同来提高单位重量出力，还可采用深槽定子结构、提高绝缘结构的耐热等级、提高电动机额定转速等技术措施。二、采用电子无级调速开关装置，使电钻能够实现从0额定负载转速之间无级调速，并有正反转和自锁功能。三、减小噪声和振动。噪声、振动是影响电动工具正常使用的重要质量指标，要减小振动和噪声，取决于选用的材料及零部件的质量和加工工艺水平，可在齿轮的加工精度、换向器的质量、轴绝缘工艺等方面采取技术措施。此外，电钻在工作时会干扰无线电和电视，应安装无线电干扰抑制电容器。四、使外壳具有外表美观、质轻、操作舒适等特点。故采用人体工程学原理设计电钻的外壳，具体包括材料的选择、结构的设计、手柄的设计等。本设计说明书总共分为六个章节，包括电钻的总体设计方案、电动机及其电器元件的选择、传动装置的设计、外壳的设计等等。其中第四章传动装置的设计是本次设计的核心，也是本设计最困难、工作量最大的一部分，汇集了大量的计算公式和图表说明，轴承、键等标准件的参数均通过严格查表而得。设计过程中经常用到UG、Auto CAD和公式编辑器等辅助软件。35第2章 电钻的总体设计方案2.1 电钻的结构及工作原理电钻由电动机、齿轮传动机构、钻夹头、外壳、开关、电源联接装置等部分构成。电钻的工作原理是电动机的高速旋转运动通过两级齿轮减速后，驱动工作头作钻孔等加工。2.2 主要技术参数的确定 根据1单相串励电钻性能数据表，初步选定所设计的电钻主要技术参数列于表2.1中。表2.1电钻主要技术参数型号规格最大钻孔直径/ mm额定电压/V输入功率/W空载转速/(r/min)额定输出功率/WJIZ-10A钢材10木材25220350028001602.3 电钻的传动装置电钻的传动装置采用一级齿轮传动。其传动装置简图如下：1齿轮 2轴齿轮 3风扇 4电动机图2.1 电钻传动装置简图第3章 电动机及电器元件的选择3.1 电动机的选择电动机是电钻的驱动源，可谓电钻的“心脏”。不同的电钻使用的电动机种类规格不尽相同，通常采用以下三种电动机：单相串励电动机、三相工频电动机和三相中频电动机。其中使用最广泛的是单相串励电动机，据统计在交流电动工具中有95% 使用这种电动机，其特点是：转速高、体积小、重量轻、启动转矩大、过载力强等，适用于交、直流两种电源。因为它的特点符合电钻体积小、重量轻等特点，故采用单相串励电动机。3.1.1单相串励电动机的结构和规格单相串励电动机由定子、转子、电刷装置及风扇等部件组成，其中定子由定子铁心和定子绕组构成，定子铁心是由硅钢片冲制成具有凸级的定子片叠压而成的，一般为2极，凸级上绕有励磁绕组。转子由转子铁心、电枢绕组、换向器及转轴等构成，转子铁心也是由硅钢片冲制成具有槽的圆片叠压而成，转子冲片的槽形一般是半闭口槽，在槽内放置绝缘材料后，在铁心上叠绕电枢线圈，线圈的进、出线端与整流子铜片相焊接。为简化工艺，转子铁心的槽，一般与转轴轴线相平行，也可以叠装成斜槽形式。斜槽结构可使极面和电枢间的磁组变化较小，在运行时可减小电动机噪声。1冷却风扇也装置在转子的转轴上。为了赶超世界先进水平，我国早在60年代对电动工具用单相串励电动机进行了大量的试验研究工作，设计制造了电动工具用DT系列单相串励电动机，共有7种定子、转子冲片，15个功率等级，此外，每种冲片还派生一个正反转规格，共计22个规格。1974年，电动工具行业在DT系列单相串励电动机中择优选取了、mm三挡冲片进行了单相串励电动工具的设计，本次设计的电钻所用的电动机将从这三档冲片中选择。这三挡冲片设计的电动机性能数据列于表3.1中。表中数据来源于1 单相串励电动机性能数据表。表3.1电动机性能数据表定子冲片输出功率 电压频率电流转矩转速效率功率因数定子每级匝数转子每元件匝数实槽节距561402205010.096140002473642041.570.1361430062.30.9524197274712752.10.221210063.80.9391852053852.710.27813200680.955138175905504.10.53990068.20.9171341397705.420.55713200690.93611610912508.050.93812500750.94888定子冲片定子绕组线规转子绕组线规风扇直径换向器直径换向器片数电刷长度电刷宽度定子内径转子直径560.330.234822270.650.43.13.030.380.27710.490.336426330.80.53.93.810.550.389020.490.49819033381.250.85.14.9820.550.5720.640.64定子冲片转子内径铁心长度气隙长度槽数转子齿宽定子轭高560.93.80.03590.2690.465711.154.40.045110.3260.6855.2901.65.20.06190.2580.97.63.1.2单相串励电动机型号的选择因为电钻的规格为10A（普通型），根据电钻输入功率较低、转速快、体积小、质量轻等特点，综合表3.1和1单相串励电钻系列性能数据表，可得到电动机的基本参数如表3.2所示。表3.2定子冲片输出功率电压频率电流转矩转速效率71385220502.710.2781320068功率因数风扇直径换向器直径换向器片数电刷长度电刷宽度定子内径转子直径0.9556426330.80.53.93.81转子内径铁心长度气隙长度槽数转子齿宽定子轭高1.155.20.045110.3260.6853.2 风扇的选择通常在电动机转轴上装有风扇，用以进行冷却。风扇分为轴轮式和离心式，电钻所采用的是离心式风扇。为减轻重量，采用工程塑料制造风扇。在选择电钻用离心式风扇时应考虑：3.2.1 风扇直径串励电动机的风扇外径应比定子铁心外径小68mm。在本章3.1电动机的选择中已确定风扇的外径为64mm,定子铁心外径为71mm，符合要求。3.2.2 叶片数由于单相串励电动机转速高，为减小叶片间的涡流，风扇外径处的叶片数以选取较多的叶片为佳。风扇底板有平板式和倾斜式两种。根据1单相串励电动工具常用离心式风扇主要尺寸表2-4，选择该风扇的尺寸列于表3.3中：表3.3风扇直径叶片形状片数底板形状64复合式371312.8平板式3.3 换向器的选择转子上与风扇对立的一端是换向器。换向器由铜或银等材料制成梯形换向片、塑料、内衬套、云母片组成。换向器按片间绝缘分为半塑性和全塑性两种。半塑性换向器是在换向片间用云母片隔开，其下部压入玻璃纤维酚醛塑料，不但使换向片、云母片、铜衬套等固定，使之构成圆柱体，而且起到绝缘作用。全塑性换向器是在梯形换向片间采用耐弧酚醛塑料绝缘。云母片不允许高于换向器的圆柱面，以免凸出的云母绝缘会使电刷和换向片接触不良而在换向器上形成火花，并加快电刷磨耗。换向器按其每一换向片与绕组相应的线圈联接的形式可分为槽形换向器和钩形换向器。沟形换向器的换向片端部有一舌形小沟，转子绕组引线绕在小钩上，点焊，连接质量好。换向器内孔有金属衬套，与塑料压在一起，与轴配合结为一体；无套则结构简单，精度不高，金属衬套与轴配合较差。换向片燕尾槽内设有钢制加强环，或用无纬玻璃带绕制的绝缘加强环，机械强度较高；无环则强度一般。综合以上特点选择沟形加固型换向器，内孔结构有衬套。其规格尺寸如表3.4。（该换向器为瑞安安固电器有限公司产品）。表3.4 型号结构片数内径外径总高片高沟长钩外径DZQD-RA-D-441钩型加固241025.518.517.33.0303.4 电刷装置的选择电刷装置由电刷、刷握和弹簧等组成，其结构应能保证电刷能在正确的位置与换向器保持连续不断的全面的良好接触，使其接触电压降保持恒定。电刷装置按其结构形式可分为卡式、辫式和芯式。卡式结构是盘簧通过导电片把电刷压在换向器表面，随着电刷的磨短，盘簧、导电片和电刷下移，当电刷磨损使得盘簧、导电片被凹槽底部挡住，电刷就不再受压，电流不再导通，此时需更换新电刷。这种结构的电刷产生火花等级在二级以内。辫式结构是压缩弹簧作用于电刷上，使之与换向器表面接触，弹簧随着电刷磨短而伸长，同时电刷辫也逐渐伸直，当电刷磨至刷辫完全伸直时，弹簧不再对电刷施压，此时电刷与换向器面脱离接触，电动机停转。芯式结构是在电刷内部埋有带反力弹簧的圆柱塑料芯。当电刷磨到某一位置时，反力弹簧作用力使塑料芯冲破电刷面，同时电刷脱离换向器表面，电动机停转。4上述三种结构中，前两种结构简单、易制作且成本低，但是电刷磨短至一定程度时，电刷与换向器之间的火花就会增大，从而损坏换向器。芯式结构能弥补这一不足，但是加工要求较高，成本也高。由于辫式结构较卡式结构可靠耐用，故选择辫式结构。电刷也称为“碳刷”，一般采用电化石墨制成，形状为长方形，上装有弹簧及引线。它由刷架定位，用弹簧加一定压力使其与换向器面接触。电刷除接通转子绕组与定子绕组外还起到电流换向作用。单相串励电动机有两个电刷，其位置相差。电刷与高速旋转的换向器面接触是热动接触，且有一定压力，故电刷与换向器间存在着机械磨损的振动，电流换向时产生火花使用不当时，火花会很严重，从而使换向器寿命大大缩短，影响电动工具正常工作。选用电刷主要考虑它的温升，而温升与电刷电流密度及其与换向器之间压降密切相关，此外还要考虑电刷硬度、磨损性能和惰性等因素。电动工具用电刷常用的型号为D374L，由表3.2可知电刷长度为8mm,宽度为5mm，根据电刷规格、结构形式及性能表，查出所选电刷的规格及性能数据列于表3.5中，电刷的结构如图3.1所示。 表3.5型号/mm规格/mmlar导线截面/mm2导线长度/mm电阻率/mWm硬度/HRC电流密度/Acm-2允许圆周速度/ms-1使用压力/kPaD374L0.3295090125019.639.21-电刷 2-引出线 3-弹簧 4-引线铜片图3.1电刷结构简图3.5 开关的选择开关是电钻控制电动机的元件，其主要功能是接通和断开电源。为操作方便，开关一般装在手柄内，因此要求开关结构紧凑、体积小、安全可靠、操作方便。由于开关直接与人接触，为防止触电，开关、手柄、自锁按钮均采用绝缘塑料制造。目前电动工具常用的开关有普通电源开关、正反转开关和无级调速开关三类。手柄的规格有倒板式、推动式、手枪式等。 电钻按照规格10mm可将手柄设计为手枪式。为使电钻不仅用于钻孔之外，还具备拧螺钉功能，可采用正反转开关，正反转开关的原理是保持定子或转子中的一个电流方向不变，另一个电流改变方向，电动机的转向也就改变了。电钻在不同材料上钻孔所需的转速也不同，如在钢材上钻孔要求转速较高，而在塑料、玻璃等脆性材料上，则要求转速较低，因此为了扩大电钻的使用范围，可采用电子无级调速开关，转速可以在零至最大值之间无级调速。调速开关是通过改变加于电动机上的电压来调节转速的，改变电压的方法最常用的是改变晶闸管的导通角进行调压。另外电钻开关还应设有自锁机构（闭合锁定），锁定开关闭合、断开状态。自锁按钮装置在开关手柄的适当部位。综合以上内容，选择的开关类型为电子调速开关，并具有正反转功能，带自锁机构。根据1表2-5和2表1-15得到开关的规格及性能数据如表3.6所示：表3.6型号额定电压/V额定电流/A接线方式触点类型手柄类型揿手种类通断能力/ADZKE-A3802205接线柱单级单断扳机式1353.6 电源线及护套的选择电钻在使用时经常移动，连接电源与工具的软电缆或软线要承受频繁的弯曲和扭转。因此，工具的电源线在工具进线处除采用橡胶护套外，选用的软电缆或软线应柔软、不易扭结的有较高的耐磨性。此外，还要求电源线轻便、色泽鲜艳。1软电缆采用QY型轻型橡套软电缆，常用的规格有两芯电缆、三芯电缆和四芯电缆。电钻是由单相电源供电，故采用两芯电缆，其规格见表3.7。护套用在电源线进线处对软电缆或软线进行保护。护套采用橡胶等弹性绝缘材料制造，它能承受20000次弯曲后不发生裂纹的撕裂等缺陷；能承受试验电压为2500V、频率为50Hz、历时1min的耐电压试验。电动工具电源线护套有A型和B型两种，该电钻选择B型护套，尺寸列于表3.7中。表3.7配用的电源线abcd芯线标称截面平均外径上限芯线股数第4章 传动装置的设计4.1 齿轮传动的设计电钻采用的齿轮一般要求速比大，体积小、重量轻、强度高、使用寿命长，故其特点为模数小，按国家机械标准JB111-60选用，一般为0.52mm范围内；齿数少，小齿轮最少齿数为5齿；材质好，一般采用铬锰钛钢、铬钢和镍铬钢等。精度较高，一般为67级精度。寿命长，齿面经高频淬火、氯化或氮化等热处理，以便形成表面硬化、耐磨损、芯部有韧性，不易折断齿。圆柱齿轮在电动工具中应用较为普遍，圆柱齿轮分为直齿和斜齿。直齿圆柱齿轮的特点是设计计算比较简单，无轴向力，易制造；不足之处是冲击负荷较大、噪音大。斜齿圆柱齿轮的特点是啮合性能好、噪音低、运转平稳；不足之处是有轴向力，且齿的倾斜角越大，轴向力越大。为减小轴向力，齿的倾斜角一般取。相比较而言，选择质量较好的斜齿轮。4.1.1 斜齿轮的强度计算4.1.1.1选择齿轮的材料、精度等级、齿数、传动比及螺旋角。(1) 材料及热处理。由5表10-1选择齿轮的材料为40Cr，经调质和高频淬火后具有较好的强度和韧性，齿面硬度为4855HRC。(2) 选择齿轮的精度等级为6级。(3) 选择小齿轮的齿数，传动比，则大齿轮的齿数，取整；齿数比。由于小齿轮的齿数少，为避免根切，选择高度变位齿轮，其最小变位系数用公式计算。(4) 螺旋角初选。4.1.1.2按齿面接触强度设计。按5式（10-21）试算，即： （4.1）（1）确定公式内各计算数值：1) 试算载荷系数。2) 计算小齿轮传送的转矩 （4.2） 3) 由5表10-7选取齿宽系数。4) 由6图13-1-7查得0.58，则端面重合度1.38。5) 由5图10-30选取区域系数。6) 由5表10-6查得材料弹性影响系数。7) 由5式10-13计算应力循环系数 （4.3）8) 由5图10-19查得接触疲劳寿命系数，。9) 由5图10-21e按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。10) 计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数S=1，由5式10-12得： （4.4） （2）计算1) 试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得2) 计算圆周速度 （4.5）3) 计算齿宽及模数 （4.6） （4.7） 4) 计算齿宽与齿高之比齿高 5) 计算纵向重合度 （4.8） 6) 计算载荷系数K 由5表10-2查得使用系数 根据，6级精度，由5图10-8查得动载系数。 由5表10-3查得。 由5表10-4查得硬齿面齿轮6级精度，小齿轮作悬臂布置，时，代入数据后得： 由，查5图10-13得。故载荷系数 （4.9）7) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由5式（10-10a）得 (4.10)8) 计算模数 4.1.1.3 按齿根弯曲强度设计由5式（10-17）得设计计算公式为 （4.11）（1）确定各计算参数1) 计算载荷系数 2) 根据纵向重合度，从5图10-28查得螺旋角影响系数。3) 由5图10-20c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。4) 由5图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，。5) 计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数，由5式（10-12）得 （4.12） 6) 计算当量齿数 （4.13） 7) 由6图13-1-38查得齿形系数为；由图13-1-43查得应力校正系数为。8) 计算大、小齿轮的并加以比较 小齿轮的数值较大。（2）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，故可取由弯曲强度算得的模数0.65并就近圆整为标准值，为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由 （4.14） 取，则。4.1.1.4 几何尺寸的计算(1) 计算中心距 （4.15） 将中心距圆整为17.4mm。(2) 按圆整后的中心距修正螺旋角 （4.16） (3) 根据螺旋角修正以下参数；(4) 计算大、小齿轮的分度圆直径 （4.17） (5) 计算齿轮宽度 （4.18） 由于齿轮过窄会降低它的承载能力，所以应对齿宽作适当的圆整，并且常将小齿轮的齿宽在圆整值的基础上加宽。故圆整后取，。(6) 计算该斜齿轮的变位系数 （4.19） (7) 计算齿顶高（取标准值） （4.20） (8) 计算齿根高（取标准值） （4.21） (9) 计算齿高 （4.22） (10) 计算齿顶圆直径 （4.23） (11) 计算齿根圆直径 （4.24） (12) 计算基圆直径 （4.25） (13) 计算齿顶圆压力角 （4.26） (14) 计算总重合度 4.1.2 斜齿轮的结构设计由于小齿轮的直径很小，其齿顶圆直径小于2倍的轴的最小直径，故将小齿轮和轴做成一体，即齿轮轴。齿轮轴的设计详见4.2。大齿轮则因为其齿顶圆直径，故以选用实心结构为宜。其结构尺寸如附图（大齿轮零件图）所示。4.2 齿轮轴的设计4.2.1基本参数的计算4.2.1.1求轴上的功率、转速和转矩。由已知可得： ；4.2.1.2求作用在齿轮上的力。已知小齿轮的分度圆直径为，则圆周力，径向力及轴向力为 （4.27）4.2.1.3初步确定轴的最小直径。选取齿轮轴的材料为40Cr，调质热处理。根据5表15-3查取 ，于是按式（15-2）初步估算轴的最小直径得 （4.28） 轴的最小直径应当与所安装零件的孔径相适应，根据小齿轮分度圆直径，换向器、转子及风扇的内径可初步确定轴的最小直径为。4.2.2轴的结构设计。4.2.2.1拟定轴上零件的装配方案该齿轮轴上零件的装配方案如图4.1所示：图4.1齿轮轴的结构与装配4.2.2.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(1) 初步选择滚动轴承。因轴承同时受到径向力和轴向力的作用，且作用力不大，故选用深沟球轴承。根据，查7表6-2-53选择左端轴承代号为608-Z（一面带防尘盖的深沟球轴承），其尺寸为，故可确定，。左端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由9表1-31查得608-Z型轴承定位轴肩高度为，则，而滚动轴承到换向器之间的距离设为8mm，即。(2) 已知换向器内径为10mm，总高18.5mm，取换向器到转子端的距离为4mm。于是得到，。(3) 已知转子内径为11.5mm，铁心长度为52mm，取转子总长度约为74mm,可得到，。取转子到风扇间的距离为4mm，已知风扇内径为13mm，厚度12.8mm，可得，。(4) 由于小齿轮齿顶圆直径为9.44mm，故查8表1-5选择右端的滚动轴承代号为6000-Z，其尺寸为。右端滚动轴承也采用轴肩定位，轴肩高度为，则，。风扇到右端轴承的距离定为4mm，故可知。(5) 已知小齿轮的齿宽为18mm，故可计算出齿轮轴的总长度为由于小齿轮的直径很小，其齿顶圆直径小于2倍的轴的最小直径，故将小齿轮和轴做成一体，即齿轮轴。齿轮轴的设计详见4.2。大齿轮则因为其齿顶圆直径，故以选用实心结构为宜。其结构尺寸如附图（大齿轮零件图）所示。4.2.2.3轴上零件的周向定位 换向器、转子和风扇均采用胶粘合的方法将其固定在轴上。滚动轴承与轴的周向定位借过渡配合来保证，此处选轴的直径尺寸公差为j5。4.2.2.4确定轴上圆角和倒角尺寸 参考5表15-2，取轴左端倒角为，各轴肩处的圆角半径如附图（齿轮轴零件图）所示。4.2.3 轴的强度计算4.2.3.1求轴上的载荷首先根据轴的结构图（图4.1）作出轴的计算简图（图4.2），轴承的支点位置根据轴承的类型和布置方式确定，参照5图15-23得深沟球轴承的支承点在中点位置。已知608-Z型轴承宽7mm，6000-Z型轴承宽8mm。因此，作为外伸梁的轴的支承跨距为。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图（如图4.2）。水平面： 垂直面： 合成弯矩： 从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看出截面D是轴的危险截面，将计算出的截面D处的各项值列于下表。表4.1载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T图4.2齿轮轴的载荷分析图4.2.3.2按弯扭合成应力校核轴的强度。进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面D）的强度。根据5式（15-5）及上表中的数值，并取，轴的计算应力 （4.29） 前面已选定轴的材料为40Cr，调质处理，由5表15-1查得=70。因此小于，故安全。轴疲劳强度的精确校核在此省略，轴的零件图见附图。4.3 主轴的设计4.3.1基本参数的计算4.3.1.1求轴上的功率、转速和转矩。取齿轮传动的效率（包括轴承效率在内），则根据 （4.30） 4.3.1.2求作用在齿轮上的力。 因已知大齿轮的分度圆直径为，根据（4.27）则4.3.1.3初步确定轴的最小直径。 按式（4.28）初步估算主轴的最小直径。选取主轴的材料也为40Cr，调质处理。故，于是得4.3.2轴的结构设计。4.3.2.1拟定轴上零件的装配方案主轴上零件的装配方案如图4.3所示：图4.3主轴的结构与装配4.3.2.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(1) 由图4.3可知轴的最小直径是安装轴承处的轴的直径，轴承选用深沟球轴承，参照工作要求并根据查7表6-1-64选择轴承代号为628/8，其尺寸为。故取。(2) 由于齿轮亦安装在轴段-，故取齿轮的内径为8mm。已知齿轮轮毂的宽度为10mm，齿轮左端采用套筒固定，套筒长为3mm，内径为8mm。则轴段-的长度为。齿轮右端采用轴肩定位。(3) 初步选择滚动轴承。由计算可知轴承同时受有径向力和轴向力的作用，且受力不大，故选用一面带防尘盖的深沟球轴承。根据并参照齿轮的直径，查7表6-2-53初步选取标准滚动轴承代号为6001-Z，其尺寸为，故，取轴承左端面到齿轮右端面间的距离为5mm,则。滚动轴承左端采用弹性挡圈固定，根据，查9表5-5选择内径11mm、厚度1mm的弹性挡圈，其材料为65Mn,热处理44-57HRC。轴承左端采用轴肩定位，查得6001-Z型轴承定位轴肩高度为，则轴环处直径，取轴环宽度为8mm，即。(4) 轴段-为螺纹，为满足轴的结构工艺性，切制螺纹的轴段应留有退刀槽。取螺纹公称直径D为12mm,螺纹长为20mm。由9表3-1查得螺距，再根据螺距p查表3-25得到螺纹退刀槽的尺寸：，。故可得，；，。综上可计算出主轴的总长度为。4.3.2.3轴上零件的周向定位 齿轮与轴的周向定位采用平键联接，按由9表4-1查得圆头普通平键的截面，键槽用键槽铣刀加工，长为6mm。为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位采用过渡配合，选择轴的直径尺寸公差为H7。4.3.2.4确定轴上圆角和倒角尺寸参考9表1-27，取轴左端倒角为，轴右端倒角为。各轴肩处的圆角半径如附图（主轴零件图）所示。4.3.3轴的强度计算4.3.3.1求轴上的载荷。首先根据轴的结构图（图4.3）作出轴的计算简图（图4.4），参照5图15-23得向心轴承的支承点在中点位置，因此该滑动轴承和滚动轴承的作用点均取其中点。已知滑动轴承宽8mm，6001-Z型轴承宽8mm。因此，作为简支梁的轴的支承跨距为。再根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图（图4.4）。水平面： 合成弯矩： 图4.4主轴的载荷分析图从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看出截面C是轴的危险截面，将计算出的截面C处的各项值列于下表。表4.2载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M4.开关按键与键孔的间隙设计：周围单边间隙要求0.3mm0.5mm，如下图：前端避空