机械设计毕业论文3

第第 1 章章 数钞机构结构设计数钞机构结构设计 3 13 1 电机选择电机选择 1 1 1 电机类型的选择电机类型的选择 电动机是一种将电能转换为机械能的能量转换装置 通过控制其电压 电 流 频率等 来实现定速 变速驱动或反复起动 停止的增量驱动以及复杂的 驱动 数钞机构中所用到控制电动机主要是指能提供回转运动的电机 目前在 驱动系统中常用的驱动电机有异步电机 直流伺服电机 交流伺服电机等 所 以我们对这三种电机的各项性能进行了比较分析 1 异步电机 它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件 每当 输入一个电脉冲时 转子就转过一个相应的步距角 转子角位移的大小及转速 分别与输入的电脉冲数及频率成正比 并在时间上与输入脉冲同步 只要控制 输入电脉冲的数量 频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角 转速及 转向 其特点是工作状态不易受各种干扰因素的影响 没有累积误差 控制性能 好 在起动 停止 反转时不易 丢步 但一般为开环控制 精度低 转速较 低且效率较低 2 直流伺服电机 直流电动机是将直流电能转换为机械能的装置 它有着 很宽的功率调节范围 适应性强 具有很高的性价比 另外 它的启动转矩大 过载能力强 适用范围很广 很多机器人都采用的直流电机 到目前为止 直 流电机仍是输出功率最强劲的电机 数十年的研究使的直流电机变得更快 更 强 更高效 优质的直流电机效率可达 90 其特点是体积小 重量轻 出力大 响应快 速度高 惯量小 转动平滑 力矩稳定 控制简单 容易实现智能化 其电子换相方式灵活 可以方波换相 或正弦波换相 电机免维护 效率很高 运行温度低 电磁辐射很小 长寿命 可用于各种环境 其结构简单 成本较低 加上增量式编码器反馈控制 可以 实现很高的控制精度 3 交流伺服电机 交流伺服电动机包括同步型 感应型两种 在小功率伺 服系统中 一般使用永磁式同步电动机 因为它有优良的动态性能 过载能力 大等优点 感应型交流伺服电动机结构简单 质量轻 价格低 可用做主轴电 机 近年来交流驱动技术有了飞速的发展 由于它坚固耐用 经济可靠及动态 响应好 交流伺服系统已在很大程度上取代了直流伺服系统 目前的交流伺服 驱动装置一般采用 DSP 的全数字化控制 其特点结构较简单 体积较小 运行可靠 使用维修方便 无电刷和换向 器 因此工作可靠 对维护和保养要求低 适应于高速大力矩工作状态 价格 高于直流伺服电机 综上 由于本次设计中 要求功率小 转速高 而且要求成本费用比较低 根据以上的分析 相比之下异步电机更加相对符合要求 1 1 2 确定设计功率确定设计功率 纸币复点机的技术参数为 100 张纸币 4 秒复点完毕 开机时间为 2 秒 也 就是回转体的加速时间为 2 秒 再 2 秒内回转体的速度达到最大值 回转体的 半径 R 高度 H 质量 M 已知 根据转动惯量 J 和转动力矩 K 的关系可算出回转体功率 P 的值 然后根据工况系数和带传动的效率来近似确 定电机的效率 已知参数如表 3 1 所示 表 3 1 计算已知参数 半径 R mm 高度 H mm 质量 M g 转速 N r s 加速时间 T s R 35H 23 5M 450N 5T 2 转动惯量 J 与回转体的半径 R 质量 M 与高度 H 所对应的关系 为式 3 1 1 转动力矩 K 与转动惯量 J 的关系为式 3 1 4 为角加速度 角 加速度又与角速度有关 他们的关系为式 3 1 3 角速度与转速 N 存在 一定的关系 关系为式 3 1 2 这样一来转动力矩 K 为已知量 最后根据公式 3 1 5 可计算得回转体的实际功率 P 的值 计算过程如下 转动惯量 J 与 M 158521 9 2 mmg 3 1 22 3 12 LR M J 角速度与转速的关系 0 14 3 2 R N 角加速度与角速度的关系 0 07 3 3 T 转矩与转动惯量的转系 07 0 106 158 6 3 4 JK 功率与转动力矩的关系 18 W 3 5 9550 NK P 根据皮带传动的效率值和工况系数可以算得电机的额定输出功率 A K m P 再根据额定功率 额定电压及产品效率来确定电机的基本型号 mAd PKP 1 1 3 具体型号选择具体型号选择 根据以上的计算得到了电机的基本参数 根据这些参数查表可得电机的型 号 选取的电机的标准参数如表 3 1 所示 表 3 2 异步电机技术参数 品牌威特 型号YN70 20 70JB20G 额定功率20 W 额定电压24 V 额定电流0 95 A 额定转速3000 rpm 额定转矩800 NM 产品认证CCC 效率83 1 2 皮带传动皮带传动 1 2 1 带型的选择带型的选择 带的选型 V 型带传动是由一条截面为 v 型的环形皮带和具有相应 V 型槽 的带轮所组成 运行时 带与带轮靠摩擦传递运动和动力 带传动具有较为准 确的传动比 可获得恒定的速比 传动平稳 能吸振 噪音小 传动比范围大 允许线速度高 传动效率高 结构紧凑 还适于多轴传动 不需要润滑 无污 染 因而可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场合下正常工作 而且具有 耐屈挠性好 伸长率低 高强力 耐热 耐寒 耐老化 耐臭氧 抗龟裂的优 点 1 2 2 带轮的设计带轮的设计 带轮的设计的基本步骤如下所示 首先根据电机的功率来确定带轮的设计功 率 根据设计功率和小轮转速来确定带型 再由表查的小带轮的直径 根据带 轮之间的传动比来设计大带轮的直径 再计算带速 确定中心距 再根据计算 基准长度来确定实际中心距 通过 3 1 电机的选择我们确定了电机的额定功率与额定转速 n 通过这 m P 两个已知条件和工况系数由表 3 3 选取 我们可以由公式 计算 A K mAd PKP 出计算功率 再根据和 n 参照表 3 4 选取带型 由表选取选取小带轮直径 d P d P d 传动比 i n N 因为 n N 都为已知所以 i 可求 大带轮直径 diD 2 表 3 3 普通 V 带工况系数选取 A K A K 空 轻载启动重载启动 每天工作小时数 h 工况 10 10 16 16 10 10 16 16 载 荷变动 最小 液体搅 拌机 通风机 和鼓风 机 1 01 11 21 11 21 3 载 荷变动 小 带式输 送机 发电机 和金属 切削机 1 11 21 31 21 31 4 载 荷变动 较大 斗 式提升 机 往 复式水 泵 1 21 31 41 41 51 6 普通 V 带 载 荷变动 很大 破 碎机 磨碎机 1 31 41 51 51 61 8 表 3 4 带型的选取 类型传动比 带速 1 sm 传动效率 特点与应用 普通 V 带 20 30 最佳 20 带两侧与轮槽附着较好 摩擦因数较大 允许包 角小 传动比较大 中 心距较小 预紧力较小 窄 V 带 10 最佳 20 25 极限 40 50 85 95 带定呈弓形 两侧呈内 凹形 与轮槽接触面积 增大 柔性增加 强力 层上移 受力仍保持整 齐排列 带轮的整体设计计算过程如表 3 5 所示 表 3 5 带轮的设计过程 计算项目 单位 公式及数据结果 设计功率 d P w mAd PKP 27 5 d P 带型 根据和 n 由 d P 图 3 3 2 选取 传动比 i N n i i 5 小带轮基准 直径 d mm 由表 3 2 3 选取d 20 大带轮基准 直径 D mm idD D 98 带速 V m s max 1 100060 V nd V p 3025 max V V 0 03 初定中心距 0 a mm 2 7 0 21021dddd ddadd 150 0 a 基准长度 0a l mm 0 2 12 2100 4 2 2 a dd ddaL dd ddd 486 0d L 实际中心距 a mm 2 0 0 dd LL aa 132a 表 3 5 续 带轮的设计过程 小带轮包 角 1 3 57180 12 1 a dd a dd 141 1 a 单根 V 带 额定 功率 1 P w 根据带型 1 n 照表 3 2 4 选 取 160 1 P 时单1 i 根带 额定功率 增量 w 根据带型 1 n 照表 3 2 4 选 取 1 P 50 V 带根数 z LV d KKPP P Z 1 1 Z 1 单根 V 带 初 张紧力 0 F N 2 0 0 2 1 5 2 500mv v p k F d 0 F 41 4 作用在轴 上 的力 r F N 2 sin3 1 0max FFr 117 maxr F 1 3 内啮合齿轮传动内啮合齿轮传动 为满足设计需求 在回转体与吸钞杆的传动中选择内啮合齿轮传动 这样 一来就可以实现回转体逆时针公转而吸钞杆顺时针自转的要求 但内啮合齿轮 的设计比较繁琐 本科范围内接触较少 这里只做粗略简单的设计工作 图 3 1 为内啮合齿轮的结构图 图 3 1 内啮合齿轮结构图 现已知的技术参数有大齿轮的转动速度 它和回转体的转动速度是相同的 1 n 小齿轮的转动速度可求 功率 P 已知 初始设计参数 n1 300 r min 12 3nn n2 900 r min P 20 1 15 kW 23 kW 原动机载荷特性 SF 均匀平稳 工作机载荷特性 WF 轻微振动 设计过程如下 1 3 1 材料选择材料选择 大齿轮 铝合金 材料名称 ZAlSi12Cu1Mg1 合金代号 ZL108 标准 GB T1173 1995 特性及适用范围 可热处理强化 具有较高的室温和高温力学 性能 该合金密度下 热胀系数低 耐热性好 其铸造性能优良 无热裂倾向 气密性高 线收缩小 但有较大的吸气倾向 切削加工性较差 需要变质处理 化学成分 硅 11 13 铜 1 2 锰 0 3 0 9 镁 0 4 1 0 铝 余量 铁 0 0 7 力学性能 抗拉强度 255MPa 硬度 90 5 250 30 HB 小齿轮 尼龙 1010 是我国独创的一种新型聚酰胺品种 它具有较好的减 摩 耐磨和自润滑性 且抗霉 抗菌 无毒 半透明 吸水性较其他尼龙品种 小 有较好的刚性 力学性能和介电稳定性 耐寒性也很好 可在 60 到 80 长期使用 作为零件有较好的吸音性 运转时噪声小 耐油性良好 能耐 弱酸 耐碱及醇类溶剂 但不耐苯酚 浓硫酸及低分子有机酸的腐蚀 尼龙是一种新型材料是美国杰出的科学家卡罗瑟斯 Carothers 及其领导下 的一个科研小组研制出来的 是世界上出现的第一种合成纤维 尼龙的出现使 纺织品的面貌焕然一新 它的合成是合成纤维工业的重大突破 同时也是高分 子化学的一个重要里程碑 尼龙材料的性能参数表 3 6 示 表 3 6 尼龙材料的基本性能参数 项目尼龙 1010尼龙 66玻纤增强尼龙 6 密度1 04 1 051 10 1 141 30 1 40 抗拉屈服强度49 5959 79118 断裂强度41 49 相对伸长率160 320 拉伸弹性模量 44 1022 01018 0 抗弯强度67 8098 118196 表 3 6 续 尼龙材料的基本性能参数 弯曲弹性模量 44 1014 0 1011 0 44 103 0102 0 抗压强度470 57079137 抗剪强度400 420 布氏硬度7 3 8 51012 冲击韧度 缺 口 15 25915 冲击韧度 无 缺口 不断50 10050 80 按 MQ 级质量要求 查图 3 2 和图 3 3 得大小齿轮的齿面接触疲劳极限 Hlim 齿根弯曲疲劳极限 Flim及基本值 FE为 Hlim1 1180N mm2 Hlim2 1200 N mm2 Flim1 360 N mm2 Flim2 370 N mm2 FE1 700 N mm2 FE2 720 N mm2 图 3 2 齿根弯曲疲劳极限 图 3 3 齿面接触疲劳极限 1 3 2 初选主要参数初选主要参数 因为是硬齿面齿轮 所以优先考虑齿根弯曲强度 用下面的人字齿轮简化 设计计算公式以齿根弯曲强度初步确定模数 3 6 FEFasa F YYYY Bd KT m 2 式中参数 大齿轮传递的转矩 T 3 7 mNmN n P T 63603 1485 9890 95499549 1 载荷系数 K 考虑到齿轮对称轴承分布 传递功率较大 原动机为电动机等因素 取 K 1 4 大齿轮齿数 z1 根据高速齿轮传动推荐的模数和齿数范围表 3 7 所示 表 3 7 模数齿数范围表 传递功率 kW模数 mm推荐齿数 3 0001 6 3 000 6 0005 7 6 000 10 0006 10 一般 z1 28 透平齿轮 z1 30 应尽量使 z1和 z2 互为质数 初步设定小齿轮齿数为 z2 32 所以大齿轮齿数为 3 8 96 300 900 32zz 1 2 21 n n 取整并考虑到尽量使得 z1 z2互为质数 取 z1 96 复合齿形系数 YFS 根据 20 n 1 mh nap 1 25 mh nfp 23 831zv1 等条件 查得 YFS1 3 95 齿宽系数取值 25 m m 大齿轮许用弯曲应力 FP 设抗弯强度计算的最小安全系数 SFmin 1 4 则大齿轮许用弯曲应力简化计 算值为 3 9 22 min 1 500 4 1 700 mmNmmN SF FE FP 将以上参数代入式得 3 10 3 1 2 FEFasa F YYYY Bd KT m 中心距为a 3 11 32mm 2 3296 1 2 21 mm zzm a 取 标准中心距 mmm1 32mm a 1 3 3 校核齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度 计算接触应力 式中参数 HHVA t EHH KKKK u u bd F ZZZ 1 1 使用系数 KA 考虑到原动机是电机 均匀平稳 工作机是风机 轻微震 动 故而查表得 KA 1 25 齿数比 0 333 96 32 1 2 z z u 动载系数 3 12 2 2 1 2 1 1100 1 u uvz K b F K K K t A V 其中 3 13 smsm nd v 8 85 100060 1485882 1103 100060 11 根据齿轮的圆周速度 参考本增速器的用途 查表选择齿轮的精度等级为 5 5 5 GB10095 1988 并因此查得系数 K1 6 7 K2 0 0087 将相关的参数值代入动载系数的计算式得 V K 3 14 1 544 277 0 1 277 0 100 8 85119 0087 0 200 115239 25 1 7 6 1 2 2 V K 齿向载荷分布系数查表得 3 15 13 1 1012 018 0 1 1 3 2 1 b d b KH 径向载荷分布系数 H K 按照查表 3 8 得 22 720 200 11523925 1 mmNmmNbFK tA 1 H K 表 3 8 齿间载荷分配系数 H K F K b FK tA 100mmN 100mmN 精度等级组 567895 级以下 H K 2 1 1 2 Z 经表面硬化的 直齿轮 F K 1 01 11 2 2 1 1 Y H K 经表面硬化的 斜齿轮 F K 1 01 11 21 4 4 1 cos2 b 根据大小齿轮的材料 查表 3 9 得材料弹性系数 2 8 189mmNZE 表 3 9 材料弹性系数 E Z 小齿轮材 大齿轮材料 料 钢铸钢球墨铸 铁 铸铁锡青铜铸锡青 铜 织物层 压塑料 钢 铸钢 球墨铸铁 铸铁 189 8188 9 188 0 181 4 180 5 173 9 162 0 161 4 156 6 143 7 159 8155 056 4 计算安全系数 式中 寿命系数 先计算应力循环次数 H XWLVRNTH H ZZZZ S lim 8 11 1091 8 10000114856060 ktnN 3 16 9 22 1023 3 10000153906060 ktnN 3 17 根据算得的 N1 N2值 查得接触强度的计算寿命系数为 92 0 1 NT Z88 0 2 NT Z 润滑油膜影响系数 LVR Z 按照 硬齿面 5 级精度 查图 3 4 得 smv 8 85 98 0 LVR Z 图 3 4 软齿面齿轮的 LVR Z 工作硬化系数 3 18 14 1 1700 130 2 1 HBS ZW 接触强度计算的尺寸系数 查图 3 5 得 X Z97 0 X Z a 调制钢 正火钢疲劳强度 静强度所有材料 b 短时间液体或气体氮化 长时间气体氮化钢 c 渗碳淬火 感应或火焰淬火表面硬度刚 图 3 5 接触强度计算的尺寸系数 X Z 将以上数值代入安全系数的计算公式得 20 3 1 554 56 736 97 0 14 198 088 0 1200 19 3 1 597 56 736 97 014 1 98 092 01180 11lim 2 11lim 1 H XWLVRNTH H H XWLVRNTH H ZZZZ S ZZZZ S 查表 选较高可靠度 取 故安全 3 1 min H S minHH SS 1 3 4 校核齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度 齿根弯曲疲劳强度的计算应力为 式中 为 YYKKKK bm F FSFFVA n t F 了安全考虑 弯曲强度计算的载荷分布系数 载荷分配系数13 1 HF KK 1 HF KK 复合齿形系数 YFS 根据 20 n 1 mh nap 1 25 mh nfp 等条件 查得 YFS1 3 95 YFS2 3 98 86 851zv1 54 51zv2 弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数 按 30 24 42 Y45 1 v 查图 3 6 得575 0 Y 图 3 6 抗弯强度计算的重合度与螺旋角系数 Y 将以上数值代入式得 21 3 3