毕业设计54苏州职业技术学院中型加工中心刀具库系统设计

1 中型加工中心刀具库系统设计 系 部： 机电工程系 学生姓名： 陈 清 专业班级： 模具 04C1 学 号： 0403C0117 指导教师： 肖 洪 波 2007 年 4 月 15日 2 一 .课题简介 ： 题 目： 中型加工中心刀具库系统设计 摘 要 ： 随着科学技术的发展世界先进制造技术的兴起和不断成熟，而对作为现代制造业非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的各种组成部分提出了更高的性能指标。由于加工中心备有刀具库，大大增加了刀具的储存容量。有利于提高主轴的刚度，独立的刀库，大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好的隔离各种影响加工精度的干扰因素 本设计采用 PLC 对刀具库系统的自动控制，自动换刀装置在随机换刀时只识别刀具不识别刀套，因此可以把刀 具编号，并且按顺序将刀具插入刀库中对应号和刀套上。由数控系统的 PLC 设定刀号，使刀具号和刀库中的刀套地址对应的记在 PLC 上，一经设定，机床在以后的使用中，不论刀具在哪个刀套上 PLC 始终记忆着它的踪迹。简化了控制系统的硬件和界限，减小了控制器的体积，提高了控制系统的灵活性，同时， PLC有较完善的自诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性。应用表明， PLC 的简洁、快捷在自动换刀装置中得到了广泛的应用。 关键词：刀库；存储；功能；自动控制 ， 二 .选题来源 、背景极其目的意义 希望通过这次毕业 设计能巩固、扩大和强化自己所学到的知识与技能，提高自己的设计计算、制图、编写技术文件的能力，学会正确使用技术资料、标准、手册、等工具书，并在设计中培养自己理论联系实际、严肃认真的工作作风和独立分析解决问题的能力，为以后的设计及从事技术工作打下一个良好的基础。 三 . 可根据实际情况撰写（校内、校外） 校外 四 .工作进程： 阶段 日期安排 收集资料 2007.1.5 2007.1.25 制图 2007.2.1 2007.2.15 写论文 2007.2.15 2007.3.15 修改到完善 2007.3.20 2007.4.20 3 五、主要参考文献： 1邱宣怀 .机械设计 北京：高等教育出版社 2000： 194-267 2吴踪泽 罗圣国 .机械课程设计手册 北京：高等教育出版社 1992 3杨黎明 黄凯 李恩至 陈仕贤 .机械零件设计手册 北京：高等教育出版社 1986：194-603 4徐圣群 . 简明机械加工工艺手册 上海科学技术出版社 1991 5李洪 .机械加工工艺手册 北京：北京出版社 1990： 506-507. 6艾兴 肖诗纲 .切削用量手册 北京：机械工业出版社 1993： 42-107. 7郁汉琪机床电气及可编程控制器实验、课程设计指导书 北京：高等教育出版社2001 8王兆义 小型可编程控制器实用技术 北京：机械工业出版社 1997： 5-179 9东北重型机械学院 洛阳工学院 .机床夹具设计手册 上海科学技术出版社 10白成轩 . 机床夹具设计原理 机械工业出版社 11王炳实 . 机床电气控制 机械工业出版社 12单辉祖 . 材料力学教程 北京：国防工业出版社 13哈尔滨工业大学理论力学教研室 . 理论力学高等教育出版社 14方若余 周昌泰 . 金属机械加工工艺人员手册 .上海科学技术出版社 15贾亚洲 .金属切削机床概论 . 机械工业出版社 .2004 4 目 录 前言 （ 1） 1、估算刀具的重量 （ 2） 2、电动机的选择 （ 4） 3、计算传动装置的运动与动力参数 （ 6） 3.1各轴的转速 （ 6） 3.2各轴的输入功率 （ 6） 3.3各轴的输入转矩 （ 6） 4、减速器齿轮的设计 （ 7） 4.1选择齿轮材料及精度等级 （ 7） 4.2按齿面接触疲劳强度设计 （ 7） 4.3齿轮传动的主要尺寸设计 （ 9） 4.4按接触疲劳强度校核 （ 10） 4.5验算齿轮的圆周速率 （ 11） 5、轴的设计 （ 12） 5.1轴的设计 （ 12） 5.2轴的设计与计算 （ 13） 5.3轴的设计与计算 （ 16） 5.4轴的设计与计算 （ 20） 6、键的选用与计算 （ 23） 7、轴承的选用与计算 （ 24） 8、链轮的设计 （ 27） 总结 谢词 （ 28） 1 前言 毕业设计是我们学完了全部课程之后 的一次全面的综合性的练习，是我们在校期间最后一次作业和考试，是检查我们能否运用所学的基础课理论和专业课知识的最有效的形式，是对我们进行的最好的一次训练。 随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和成熟，而对作为现代制造业非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的组成部分提出了更高的性能指标。 加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件多工序的数字控制机床，其主要特点是具有自动换刀的刀具库，工件经一次装夹后，通过更换各种刀具，在同一台机床，对工件各加工面连续进行铣 （车）、镗、钻、攻螺纹等各种工序。 由于加工中心备有刀具库，大大增加了刀具的存储数量。有利于提高主轴的刚度；独立的刀库，大大增加了刀具的存储熟量，有利于扩大机床的功能，并能较好的隔离各种影响加工精度的干扰因素。 加工中心利用刀库实现换刀，按换刀过程有无机械手参与，分成机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴拔出，与此同时，另一个机械手将在刀具库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置，完成换刀过程。无机械手换刀时，刀具库存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可达到的位置。换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置的上方，利用主轴 Z 方向将加工完毕刀具插入刀库中要求的空位处，然后刀库待命换刀具转到待命位置， Z 方向运动将待命的刀具从刀库中取出，并将刀具插入主轴。有机械手的系统在刀库配置，与主轴的相对位置及刀具的数量都比较灵活，换刀的时间短。无机械手方式结果简单，只是换刀时间更长。 加工中心有多种形式，常见的有盘式、链式两种刀库。 盘式结构中，刀具可以沿着主轴的轴向、径向、斜向按放，刀具轴向的按装的结构最为紧密，但为了换到时与主轴同向，有的刀具库中刀具需要在换刀位作 90 度翻转。在刀库 容量较大时，为在存放方便的同时保持结构紧凑，可采用弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机车立柱的顶面或侧面，在刀库较大时，也有安装在专门的地基上，以隔离刀库转动造成的震动。 链式刀库存放刀具容量比盘式大，设计题目刀具较多，为 32 把刀，所以特选用链式刀库设计。链式刀库结构比较灵活，可以采用加长链带方式加大刀库容量，也可以采用链带折叠回绕的方式提高空间利用率，在需要刀具容量较大时，还利用采用多链带结构。 提高可编程控制器的运行速度，来满足数孔机床高速加工的要求，新型的 PLC 具有专用的 CPU，基本指令执行的时间可达到 0.2us/步，编程步数达到 16000 步以上，利用 PLC 的高速处理功能，使 CNCPLC 之间有机的结合起来，满足数控机床运行中的各种时控要求。 2 1、估算刀具库的重量 1.1 设定链片的尺寸结构如图所示 ： 1. 2 设定链节的尺寸如图所示： 图 1 . 1 ） 图 1 . 2 ）1.3 整个链片的体积为： 221 9 0 7 4 5 2 3 . 1 4 3 7 3 . 1 4 2 6 5 8 8 1 9 . 9 6v 3mm 1. 4 链片的重量为： （材料为 45钢） 由参考文献 2表 1-1得 该材料的密度为 =7.85 即 5 8 8 1 9 . 9 6 7 . 8 5 0 . 4 6mv 1. 5 链节的体积 2 2 33 . 1 4 ( 2 6 2 4 ) 1 0 5 3 2 9 7 0v m m 1. 6 链节的重量 3 2 9 7 0 7 . 8 5 0 . 2 6mv 1.7 32把刀具链片链节的总重量为 3 2 0 . 4 6 0 . 2 6m 总 （ ） =23.04 1.8 32 把刀具的总重量为 3 3 2 5 1 . 2m 总 =192 （式中 1.2为安全系数） 1. 9 整个刀库的总重量 m 总 192+23.04+8.4=223.44 （式中 8.4为一些标准件及其它零件） 4 2、电动机的选择 由参考文献 3得 拨销的转速 n 设槽轮的停留时间为 4.5S 1 2 3 2 322 4 . 5zn r/min 则槽轮的转速2132nnr/min 槽轮的角速度 3 . 1 4 3 23 . 3 53 0 3 0zn rad/s 链轮的角速度 1 7 0 3 . 3 5 0 . 5 7vr m/s 电动机的输出功率 1000d aFVp 2 1 0 9 . 8 2 0 5 8F k g N 为电动机所驱动的载荷 ,V=0.57m/s 为链条的速度， 341 2 3 4a , 1 轴套传动效率取 0.99， 2 链传动效率取 0.93， 3 齿轮传动效率取 0.98，4 滚动轴承效率取 0.98，则 341 2 3 4 0 . 7 9 9a ，则 2 0 5 8 0 . 5 7 1 . 4 61 0 0 0 1 0 0 0 0 . 7 9 9d aFVp kw 取电动机的功率为1.5kw 由参考文献 3附表 F1-7 选用 Y90L-4 型电动机，其额定功率为 1.5kw，同步转速为 1500rn r/min 满载转速 1390wn r/min 总传动比11390 4332wni n 总因为齿轮的总传动比 40i 总，所以该减速机构应采用三级传动，在该减速器中把总传动比平均分配及各级传动比均为 3.5。 5 （ 图 3 . 1 ） 6 3、计算传动装置的运动与动力参数 3.1 各轴的转速 1390IVnn= r/min 1390 3 9 7 . 1 43 . 5II Ann i= = =r/min 3 9 7 . 1 4 1 1 3 . 53 . 5III Bnn i= = = r/min 1 1 3 . 5 3 2 . 43 . 5IIII Cnn i= = = r/min 3.2 各轴的输入功率（整个减速器的效率 =0.96） 200Ip = kw 2 0 0 0 . 9 6 0 . 1 9 2I I Ipp h= ? ?kw 0 . 1 9 2 0 . 9 6 0 . 1 8 4I I I I Ipp h= ? ?kw 0 . 1 8 4 0 . 9 6 0 . 1 7 6I V I I Ipp h= ? ?kw 3.3 个轴的输入转矩 电动机输入转矩： 9 5 5 0 9 5 5 0 0 . 2 1 . 3 81390d W PT n = = =N.m 1 .3 8IdTT= N.m 1 . 3 8 3 . 5 0 . 9 6 4 . 6I I IT T i h= 创 = 创 = N.m 4 . 6 3 . 5 0 . 9 6 1 5 . 8I I I I IT T i h= 创 = 创 = N.m 1 5 . 8 3 . 5 0 . 9 6 5 2 . 2I V I I IT T i h= 创 = 创 = N.m 7 4、减速器齿轮的设计 （根据参考文献 1） 4.1 选择齿轮材料及精度等级 在这个减速器齿轮传动中， 所有主动轮（小齿轮）的材料都选用 45钢调质，硬度为 220 250HBS，所有大齿轮都选用 45钢正火，硬度为 170 210HBS。因为是加工中心刀具库减速器，由表 10.21选用 7级精度，要求齿面粗糙度为 aR 1.6 3.2 m. 4.2 按齿面接触疲劳强度设计 因齿轮均为刚质齿轮，可以运用式 10.22 求出大小齿轮的分度圆直径，确定有关参数及系数。 4.2.1 转矩 T 由前面计算可知： 1T =1.38NM 2T =4.6NM 3T =15.8NM 4T =52.2NM 4.2.2 载荷系数 K 查表 10.11取 K=1.0 4.2.3 齿数 Z 和齿宽系数 dy 小齿轮的齿宽系数取为 1 3 5Z Z Z= = =18，则大齿轮的齿数为 2 4 6Z Z Z= = =63.由表10.20选用 dy =1.0 4.2.4 许用接触应力 Hs 由图 10.24查得： l i m 1 l i m 3 l i m 5 560H n H n H ns s s= = = Mpa l i m 2 l i m 4 l i m 6 530H n H n H ns s s= = = Mpa 由表 10.10查得安全系数： 1.0Hs = 1 6 0 6 0 1 3 9 0 1 ( 2 0 5 2 4 0 ) 3 . 5 1 0 9N n j L h= 创创 ? 12 3 . 5 1 0 9 1 1 0 93 . 5ANN i = = = ? 8 3 6 0 6 0 3 9 7 . 1 4 1 ( 2 0 5 2 4 0 ) 1 1 0 9N n j L h= 创创 ? 34 1 1 0 9 3 1 0 83 . 5BNN i = = = ? 5 6 0 6 0 1 1 3 . 5 1 ( 2 0 5 2 4 0 ) 2 . 8 1 0 8N n j L h= 创创 ? 56 2 . 8 1 0 8 8 1 0 73 . 5CNN i = = = ? 由图 10.27得接触疲劳寿命系数为： 1 1.0NZ = 2 1.0NZ = 3 1.0NZ = 4 1.05NZ = 5 1.04NZ = 6 1.25NZ = 由式 10.13可得： 111 1 . 0 5 6 0 5 6 0N L i m nHHZHSs = = ? Mpa 222 1 . 0 5 3 0 5 3 0N L i m nHHZHSs = = ? Mpa 333 1 . 0 5 6 0 5 6 0N L i m nHHZHSs = = ?Mpa 444 1 . 0 5 5 3 0 5 5 6 . 5N L i m nHHZH Ss = = ? Mpa 555 1 . 0 4 5 6 0 5 8 2 . 4N L i m nHHZH Ss = = ? Mpa 666 1 . 2 5 5 3 0 6 6 2 . 5N L i m nHHZH Ss = = ? Mpa 由于齿轮材料都选用钢，由公式 10.22 得： 1 331 2( 1 ) 1 1 . 3 8 ( 3 . 5 1 )7 6 . 4 3 7 6 . 4 3 1 3 . 6 1 5 6 0dHKTd mys+ 创 +炒 =? 9 2 333 2( 1 ) 1 4 . 6 ( 3 . 5 1 )7 6 . 4 3 7 6 . 4 3 2 0 1 5 6 0dHKTd mys+ 创 +炒 =? 3 335 2( 1 ) 1 1 5 . 8 ( 3 . 5 1 )7 6 . 4 3 7 6 . 4 3 3 0 1 5 8 2 . 4dHKTd mys+ 创 +炒 =? 即 1110 .7 5dm Z= 3331 .1dm Z= 5551 .7dm Z= 由表 10.3选用标准模数为： 1 1m = 3 1m = 5 2m = 4.3 齿轮传动的主要计算 1 3 3 1 1 8 1 8d d m Z= = ? ? 2 4 4 1 6 3 6 3d d m Z= = ? ? 2 4 1 1 1 8 1 8db b dy= = ? ? 经圆整后为 4 20b = 135 2 5bb= + = 55 2 1 8 3 6d m Z= = ? 66 2 6 3 1 2 6d m Z= = ? 66 1 3 6 3 6dbdy= ? ? 经圆整后为 6 40b = 56 5 4 5bb= + = 1 2 3 4 3 41 ( ) 0 . 5 8 1 4 0 . 52a a m Z Z= = + = ? 5 6 5 61 ( ) 1 8 1 8 12a m Z Z= + = ? 4.4 接触疲劳强度的校核 由公式 10.24得 Fs ， FFss 则校核合格 确定有关参数与系数： 4.4.1 齿形系数 FY ： 由表 10.13 得 1 3 52 . 1 9F F FY Y Y= = = 246 2 . 3 0F F FY Y Y= = = 4.4.2 应力修正系数 SY ： 由表 10.14得 1 3 5 1 . 5 4S S SY Y Y= = = 10 246 1 . 7 5S S SY Y Y= = = 4.4.3 许用弯曲应力 Fs ： 由表 10.25得 l i m 1 l i m 3 l i m 5 220F F Fs s s= = = Mpa l i m 2 l i m 4 l i m 6 190F F Fs s s= = = Mpa 由表 10.10 得： 1.3FS= 由图 10.26 得1 2 3 4 5 6 1 . 0N N N N N NY Y Y Y Y Y= = = = = = 由公式 10.14得齿根弯曲疲劳许 用应力公式为：lim NFFFY S ss = 则 5 l i m 51 3 55220 1 6 2 . 91 . 3NFF F F FY S ss s s = = = = = Mpa 6 l i m 62466190 1 4 6 . 21 . 3NFF F F FY S ss s s = = = = = Mpa 11 2212 2 1 1 . 3 8 1 0 0 0 2 . 9 1 1 . 5 4 3 4 . 42 0 1 1 8F F SKT YYb m zs 创 ?= 创 =创 Mpa 1 2 22113 4 . 4 2 . 3 1 . 7 5 3 0 . 82 . 9 1 1 . 5 4F F SF FSYYYYss 创创= = = Mpa 23 2432 2 1 4 . 6 1 0 0 0 2 . 9 1 1 . 5 4 1 1 4 . 62 0 1 1 8F F SKT YYb m zs 创 ?= 创 =创 Mpa 3 2 24111 1 4 . 6 2 . 3 1 . 7 5 1 0 2 . 42 . 9 1 1 . 5 4F F SF FSYYYYss 创创= = = Mpa 35 2652 2 1 1 5 . 8 1 0 0 0 2 . 9 1 1 . 5 4 4 9 . 24 0 4 1 8F F SKT YYb m zs 创 ?= 创 =创 Mpa 5 2 26114 9 . 2 2 . 3 1 . 7 5 442 . 9 1 1 . 5 4F F SF FSYYYYss 创创= = = Mpa 故 11 113 4 . 4 M p a 1 6 2 . 2 M p aFFss=? 223 0 . 8 M p a 1 4 6 . 2 M p aFFss=? 331 1 4 . 6 M p a 1 6 2 . 2 M p aFFss=? 441 0 2 . 4 M p a 1 4 6 . 2 M p aFFss=? 554 9 . 2 M p a 1 6 2 . 2 M p aFFss=? 664 4 M p a 1 4 6 . 2 M p aFFss=? 即齿根弯曲强度校核合格 4.5 验算齿轮的圆周速率 v 111 3 . 1 4 1 8 1 3 9 0 1 . 3 16 0 0 0 0 6 0 0 0 0dnv p 创= = =m/s 333 3 . 1 4 1 8 3 9 7 . 1 4 0 . 1 46 0 0 0 0 6 0 0 0 0dnv p 创= = =m/s 555 3 . 1 4 1 8 1 1 3 . 5 0 . 2 06 0 0 0 0 6 0 0 0 0dnv p 创= = =m/s 由表 10.22可得， 10v m/s，选 7级精度是合适的 . 由上可知所选用的参数又是合格的。 12 5、轴的设计 （根据参考文献 1） 5.1 轴的设计 5.1.1 选择轴的材料，确定许用应力 由以上条件知减速器传递的功率 属小功率，对材料无特殊要求，故选用 45号钢并调质处理。由表 13.4 查得强度极限 650Bs = Mpa，再由表 13.2 得许用弯曲应力 1bs- =60Mpa。 5.1.2 按扭转强度估算轴的直径 根据表 13.1得 C=118 107. 又由式（ 13.2）得轴的最小直径 33 0 . 2( 1 0 7 1 0 8 ) 5 . 6 61390pdc n炒 =?: 考虑到轴的最小直径处要按装制动器，会有键槽的存在，故将估算直径加大3% 5%，取 5.58 6.3d : ，由参考文献表 3.13-4取标准直径 1 10d = 。 5.1.3 设计轴的结构并绘制结构草图 5.1.3.1 确定轴上零件的位置和固定方式 要确定轴的结构形状，必须先确定周上零件的装拆顺序和固定方式。参考图，由于齿轮的轴径较小所以要采用齿轮轴的形式。轴上制动器从轴的左端装入，轴的左端尺寸为最小直径，制动器的轴采用平键作轴向固定，采用轴套与右轴肩作周向固定。 13 5.1.3.2 定各轴段的直径 如图所示，轴段（ 1）的最小直径 1 10d = ，轴段上要安装轴承，轴段（ 2）必须满足轴承内径的标准，故取轴段（ 2）的直径 2 15d = 。由参考文献 2表 61选用 6002型深沟球滚子轴承，轴承与轴向采用过盈配合固定，轴向采用弹性挡圈固定。 5.1.3.3 各段轴的长度 齿轮轮毂宽度为 24，为了保证齿轮能够顺利的加工所以要在齿轮的左端开个退刀槽长度为 5，为了保证齿轮端面与箱 体内壁不相碰，齿轮端面与箱体内壁间应有一定的距离，取该距离为 10 ，为了保证轴承安装在箱体轴承座孔中（轴承宽度为 8 ），并考虑轴承的润滑，取轴承端面距箱体内壁的距离为 5 ，制动器的总长 L=100（制动器安装在轴（ 1）与（ 2）上）轴（ 1）的长度为 75，轴（ 2）的长度取为 62 。 5.1.4 由于该轴所受的弯矩较小故不需要进行弯曲合成强度校核轴径 5.2 轴的设计与计算 5.2.1 选择轴的材料确定许用应力 由已知条件知减速器传递的功率属于小功率，对材料无特殊要求，故选用 45号钢并调质处理。由表 13.4查得强度 极限 650Bs = Mpa，在由表 13.2 地许用弯曲应力 1bs- =60Mpa 。 5.2.2 按扭转强度估算轴的直径 根据表 13.1得 C=118 117。又由式（ 13.2）得轴的最小直径 33 0 . 1 9 2( 1 0 7 1 0 8 ) 8 . 4 9 . 33 9 7 . 1 4pdc n炒 =?: 考虑到轴上会有键槽存在，故将估算直径加大 3% 5%，取 8.8 9.8d : 。由参考文献 3表 3.13 4取标准直径 1 15d = 。 5.2.3 设计轴的结构并绘制结构草图（ a） 14 5.2.3.1 确定轴上零件的位置和固定方式 要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的装拆顺序和固定方式。参考图，齿轮从轴的右端装入，齿轮的左右端均用轴套固定。这样齿轮在轴上的轴向位置被完全确定。齿轮的周向固定采用平键联接。轴承对称安装于齿轮的两侧，其轴向用轴肩固定。 5.2.3.2 各轴段的直径 如图所示，左轴段安装轴承，轴段必须满足轴承的内径标 准，故取轴的直径为 15。由参考文献 2表 6 1选用 6202 型深沟球滚子轴承，轴承与轴周向采用过盈配合固定，轴向采用弹性挡圈固定。 5.2.3.3 确定各轴段的长度 齿轮的轮毂宽度为 24 ，为了保证齿轮的端面与箱体内壁不相碰，齿轮端面间与箱体内壁间应留有一定的距离，该间距为 10 ，为了轴承安装在箱体轴承座孔中（轴承宽度为 8 ），并考虑轴承的润滑，取轴承端面距箱体内壁的距离为 5，齿轮左右轴套的长度均为 12，左轴承的左段伸出 14，所以左轴段的长度取 80，轴承支点距离 L=56，键槽的长度比相应的轮毂宽度 小约 5 10，键槽的宽度按轴段直径查手册得到，详见 13.6 节。该轴段最右端是齿轮轴，其齿宽为 25。 5.2.4 按弯曲合成强度校核轴径 5.2.4.1 画出轴的受力图，如图（ b）所示： 圆周力为：1212 0 0 0 2 1 3 8 0 1 5 3 . 318tTF d = = =N 2332 0 0 0 2 4 6 0 0 5 1 1 . 118tTF d = = =N 15 径向力为： 022 2 0 1 5 3 . 3 0 . 9 4 1 4 4rtF F t g= ? ?N 033 2 0 5 1 1 . 1 0 . 9 4 1 8 6rtF F t g= ? ?N 5.2.4.2 作水平面内的弯矩图（ C）支点的反应力为： 2 1 5 3 . 3 7 6 . 722tHA FF = = =N 2 3 7 6 . 7 5 1 1 . 1 5 8 7 . 82tH B tFFF= + = + =N 截面的弯矩为： 7 6 . 7 2 8 2 1 4 7 . 6HIM =? N 截面的弯矩为： 5 8 7 . 8 1 4 8 2 2 9 . 2HIM =? N 5.2.4.3 作垂直面内的弯矩图（ e）支点反力为： 2 144 7222rVA FF = = =N 23 114V B r V A rF F F F= - - = -N 截面左侧弯矩为： 2 8 7 2 2 8 2 0 1 6VAVIMF= ? ?左N 截面右侧弯矩为： 2 8 1 1 4 2 8 3 1 9 2HBVIMF= ? - ? -右N 截面处的弯矩为： 1 4 1 1 4 1 4 1 5 9 6V I I V BMF= ? - ? -N 5.2.4.4 合成弯矩 22HVM M M=+ 截面： 2 2 2 27 8 4 2 1 4 7 . 6 2 1 5 5 . 5HII V IM M M= + = + =左 左N 2 2 2 23 1 9 2 2 1 4 7 . 6 3 8 4 7 . 2HII V IM M M= + = - + =右 右 （ ）N 截面 : 2 2 2 21 5 9 6 8 2 2 9 . 2 8 3 8 2 . 5I I V I I H IM M M= + = + =N 5.2.4.5 转矩 9 5 5 0 0 0 0 9 5 5 0 0 0 0 0 . 2 48123 9 7 . 1 4PT n 创= = =N 5.2.4.6 求当量弯矩 取修正系数为 0.6 截 面 ：右 （ ） （ ）2 2 2 23 8 4 7 . 2 0 . 6 4 8 1 2 4 8 1 0eI IM M Ta= + = + ?N 截面 : （ ） （ ）2 2 2 28 3 8 2 . 5 0 . 6 4 8 1 2 8 8 6 5 . 8e I I I IM M Ta= + = + ? 16 N 5.2.4.7 确定危险截面及校核强度 截 面：334 8 1 0 4 8 1 0 1 4 . 30 . 1 0 . 1 1 5eIeI MWds = = = = Mpa 截面 :338 8 6 5 . 8 8 8 6 5 . 8 2 6 . 30 . 1 0 . 1 1 5e I Ie I I MWds = = = = Mpa 查表 13.2 得 1 60bs - =Mpa，满足 1ebss-的条件，故设计的轴有足够的强度，并有一定裕度。 5.2.5 修改轴的结构 因为所设计轴的强度裕度不大，此轴不必在做修改。 5.3 轴的设计与计算 5.3.1 选择轴的材料确定许用应力 由已知条件知减速器的传递的功率属与小功率，对材料无特 殊要求，故选用 45号钢并经调质处理。由表 13.4查得强度极限 650Bs = Mpa，再由表 13.2得许用弯曲应力 1 60bs - =Mpa。 5.3.2 按扭转强度估算轴的直径 根据表 13.1得 C=118 117。又由式（ 13.2）得轴的最小直径 ( ) 33 0 . 1 8 41 0 7 1 0 8 1 2 . 3 3 1 41 1 3 . 5pdc n炒 =?: 考虑到轴的最小直径处会有键槽的存在，故将估算直径加大 3% 5%，取为13 14.7d : 。由参考 文献 3表 3.13 4取标准直径 1 15d = 。 5.3.3 设计轴的结构并绘构结构草图（ a） 17 5.3.3.1 确定轴上零件的位置和固定方式 要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的装拆顺序和固定方式。参考图，齿轮从轴的左端装入，齿轮的左端用轴套与垫片定位，左端用弹性挡圈固定，这样齿轮在轴上的位置被完全确定，齿轮的周向固定采用平键联接。轴段的最右是齿轮轴。轴两端最小直径（轴）处安装轴承，其轴向均用轴 套固定，周向采用过盈配合固定。 5.3.3.2 确定各段轴的直径 如土所示，轴段上应安装轴承，轴段上必须满足轴承内径的标准，故取轴段的直径的直径为 10；用相同的方法确定轴段的直径为 17 ；由参考文献 2表 6 1可查得轴段上安装轴承为 6000 型深沟球滚子轴承。 5.3.3.3 确定各轴段的长度 左端齿轮轮毂的宽度为 30，为了保证齿轮的端面与箱体内壁不相碰，齿轮端面间与箱体内壁间应留有一定的距离，该间距为 10 ，为了轴承安装在箱体轴承座孔中（轴承宽度为 9 ），并考虑轴承的润滑，取轴承端面几距箱体内壁 的距离为 5，取轴段长度为 62，轴段长度为 20。轴承支点距离为 L=141；轴段的键槽的长度比相应的轮毂宽度小约 5 10，键槽的宽度按轴段直径查手册得到，详见 13.6 节。 5.3.4 按弯曲合成强度校核轴径 5.3.4.1 画出轴的受力图，如图（ b）所示： 圆周力为：24332000 5 1 1 . 1ttTFF d= = =N 35652 0 0 0 2 1 5 8 0 0 8 7 7 . 836ttTFF d = = = =N 18 径向力为： 02 4 3 2 0 0 5 1 1 . 1 0 . 9 4 4 8 0 . 4r r rF F F t g= = = ?N 05 6 6 2 0 0 8 7 7 . 8 0 . 9 4 8 2 5 . 1r r tF F F t g= = = ?N 5.3.4.2 作水平面的弯矩图（ c） 由平衡条件可得 AB轴的平衡方程式为： 0ZF = 45 0t r H A H BF F F F- - + + = 0XF = 45 0t r V A V BF F F F+ + + = () 0ZFM =452 8 1 0 8 1 4 1 0t t B XF F R- ? ? ? () 0XFM =452 8 1 0 8 1 4 1 0r r B ZF F R- ? ? ? 上式得 水平面内支点的反力为： 223.8=HAF N 281.7=HBF N 截面的弯矩为： 2 2 3 . 8 2 8 6 2 6 6 . 4HIM =? N. 截面的弯矩为： 2 8 1 . 7 1 0 2 8 1 7H I IM =?N. 截面的弯矩为： 2 2 3 . 8 1 6 . 5 3 6 9 2 . 7H I I IM =? N. 5.3.4.3 作垂直面内的弯矩图（ d），支点反力为： 615VAF = N 774VBF =- N 截面左侧弯矩为： 2 8 6 1 5 2 8 1 7 2 2 0VAVIMF= ? ?左N. 截面右侧弯矩为： 1 1 3 7 7 4 1 1 3 8 7 4 6 2HBVIMF = ? - ? -右N. 截面处的弯矩为： 1 0 7 7 4 1 0 7 7 4 0V I I V BMF= ? - ? -N. 截面的弯矩为： 6 1 5 1 6 . 5 1 0 1 4 7 . 5V I I IM =? N. 5.3.4.4 合成弯矩 22HVM M M=+ 截面： 2 2 2 21 7 2 2 0 2 6 6 . 4 1 8 3 2 4 . 7HII V IM M M= + = + =左 左N. 2 2 2 28 7 4 2 6 6 2 6 6 . 4 8 7 6 8 6HII V IM M M= + = - + =右 右 （ ）N. 19 截面： 2 2 2 27 7 4 0 2 8 1 7 8 2 3 6 . 7I I V I I H IM M M= + = - + =（ ）N. 截面： 2 2 2 21 0 1 4 7 . 5 3 6 9 2 . 7 1 0 7 9 8 . 5I I I V I I I H IM M M= + = + =N. 5.3.4.5 转矩 9 5 5 0 0 0 0 9 5 5 0 0 0 0 0 . 1 9 2 154821 1 3 . 5PT n 创= = =N. 5.3.4.6 求当量弯矩 取修正系数为 0.8 截面：右 （ ） （ ）2 2 2 23 8 4 7 . 2 0 . 6 4 8 1 2 4 8 1 0eI IM M Ta= + = + ?N. 截面： （ ） （ ）2 2 2 28 2 3 6 . 7 0 . 8 1 5 4 8 2 1 4 8 7 4 . 4e I I I IM M Ta= + = + ?N. 截面： （ ） （ ）2 2 2 21 0 7 9 8 . 5 0 . 8 1 5 4 8 2 1 6 4 3 2e I I I I I IM M Ta= + = + ?N. 5.3.4.7 确定危险截面及校核强度 截面：3338 8 5 5 6 8 8 5 5 6 570 . 1 0 . 1 2 5eIeIMWds = = = = Mpa 截面：3331 4 8 7 4 . 4 1 7 8 7 4 . 4 9 . 5 20 . 1 0 . 1 2 5e I Ie I IMWds = = = = Mpa 截面：3331 6 4 3 2 1 6 4 3 2 1 0 . 50 . 1 0 . 1 2 5e I I Ie I I IMWds = = = = Mpa 查表 13.2得 1 60bs - =Mpa，满足 1ebss-的条件，故设计的轴有足够的强度，并有一定裕量。 5.3.5 修改轴的结构 因为所设计轴的强度裕度不大，此轴不必在做修改。 5.4 轴的设计与计算 5.4.1 选择轴的材料确定许用应力 由已知条件知减速器传递的功率属于小功率，对材料无特殊要求，故选用 45号钢并调质处理。由表 13.4查得强度极限 650Bs = Mpa，在由表 13.2 地许用弯曲应力 1bs- =60Mpa 。 5.4.2 按扭转强度估算轴的直径 20 根据表 13.1得 C=108 107。又由式（ 13.2）得轴的最小直径 ( ) 33 0 . 1 7 61 0 7 1 0 8 1 8 . 5 2 13 2 . 4pdc n炒 =?: 考虑到轴的最小直径处会有键槽存在，故将估算直径扩大 3% 5%，取为19.4 22d : 。由参考文献 3表 3.13 4去标准直径 1 20d = 。 5.4.3 设计轴的 结构并绘构结构草图（ a） 5.4.3.1 确定轴上零件的位置和固定方式 要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的装拆顺序和固定方式。参考图，轴段（ 1）上的齿轮从轴的左端装入，齿轮的左端均用轴套定位，右端采用轴肩固定，这样齿轮在轴上的轴向位置被完全确定。齿轮的周向固定采用平键联接。轴承对称安装与齿轮两侧（齿轮右端轴承安装与轴段（ 2）上），其轴向用轴套、弹性挡圈及轴承端盖固定。轴段（ 3）上的主动曲柄从轴的右端装入，其周向固定采用平键联接，轴向采用挡环固定，这样曲柄在轴上的轴向位置被完全确定。 5.4.3.2 确 定各轴段直径 如图所示，轴段（ 1）上安装轴承，轴段（ 1）必须满足轴承内径标准，故取轴 21 段（ 1）的直径为 20 ；用相同的方法确定轴段（ 2）的直径为 25。由参考文献2表 6 1 可查出轴段（ 1）上安装的轴承为 6004 型深沟球滚子轴承，轴段（ 2）上安装的轴承为 6005 型深沟球滚子轴承。 5.4.3.3 确定各轴段的长度 左端齿轮轮毂的宽度为 45 ，为了保证齿轮的端面与箱体内壁不相碰，齿轮端面间与箱体内壁间应留有一定的距离，该间距为 10 ，为了轴承安装在箱体轴承座孔中（轴承宽度为 9 ），并考虑轴承的润滑，取轴承端面几 距箱体内壁的距离为 5 ，所以轴段长度为 65 ，取轴段长度为 25 ，。轴承支点距离为L=70；在轴段、上分别加工出键槽，使键槽处于轴的同一圆柱母线上，键槽的长度比相应的轮毂宽度小约 5 10，键槽的宽度按轴段直径查手册得到，详见13.6节。 5.4.4 按弯曲合成强度校核轴径 5.4.4.1 画出轴的受力图（ b），如图所示： 圆周力为：3652000 8 7 7 . 8tTF d=N 径向力为： 066 2 0 0 8 7 7 . 8 0 . 9 4 8 2 5 . 1rtF F t g= = ? N 5.4.4.2 作水平面内的弯矩图（ c） 支点 反力为： 6 8 7 7 . 8 4 3 8 . 922tH A H A FFF= = = =N 截面的弯矩为： 4 3 8 . 9 3 5 1 5 3 6 1 . 5HIM =? N. 截面的弯矩为： 4 3 8 . 9 6 2 6 3 3 . 4H I IM =?N. 5.4.4.3 作垂直面内的弯矩图（ d）支点反力为： 6 3 1 9 . 5 1 5 9 . 822rVA FF = = =N 6 1 5 9 . 8V B r V AF F F= - =N 截面左侧弯矩为：左 3 5 1 5 9 . 8 3 5 5 5 9 1 . 3VAVIMF= ? ?N. 截面右侧 弯矩为：右 3 5 1 5 9 . 8 3 5 5 5 9 1 . 3HBVIMF= ? ?N. 截面处的弯矩为： 6 1 5 9 . 8 6 9 5 6V I I V BMF= ? ? N. 5.4.4.4 合成弯矩 22HVM M M=+ 截面：左 左2 2 2 25 5 9 1 . 3 1 5 3 6 1 . 5 1 6 3 4 7 . 2HII V IM M M= + = + =N. 右 右2 2 2 25 5 9 1 . 3 1 5 3 6 1 . 5 1 6 3 4