车床主轴变速箱课程设计说明书new

1、. 车床主轴变速箱设计课程设计计算说明书学 院： 机械工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化班 级： 姓 名： 学 号： 指 导 老 师： 目 录 一、概述11.1课程设计目的11.2设计原始数据系列11.3 设计要求2二、传动设计22.1 主传动方案拟定22.2 传动结构式的选择22.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目32.2.2 传动式的拟定32.3 转速图方案拟定22.3.1 各级转速的计算3三、参数的拟定23.1 确定转速范围23.2 电机选择33.3 各级传动比与计算转矩计算33.3.1 各变速组的传动比33.3.2 计算转速的确定33.3.3 确定传动装置运动简图3四、

2、传动件的估算54.1 齿轮齿数的确定和模数的计算84.1.1 齿轮齿数的确定84.1.2 齿轮模数的计算94.2齿轮其它参数的确定和计算134.3齿轮的校核134.3.1按齿面接触疲劳强度计算134.3.2按齿根弯曲疲劳强度计算13五、最小轴径的计算与轴长的确定155.1最小轴径的计算155.1.1轴最小轴径的计算155.1.2轴最小轴径的计算155.1.3轴最小轴径的计算165.1.4轴最小轴径的计算165.2 轴长的确定18六、轴承和键的选择196.1 轴承的选择196.2 键的选择196.3 片式摩擦离合器的选择206.3.1计算扭矩206.3.2设计计算20七、机构设计及说明217.1

3、 结构设计的内容197.2 展开图及其布置197.3 齿轮块设计20八、总结22九、参考文献22.一、 概述1.1课程设计目的专业课程设计与实践是高等工科院校各专业教学计划中一个重要的实践性教学环节，是学生在教师指导下能独立完成的一份总结性的大作业，是工程技术应用型人才培养目标的重要组成部分。因此，在毕业设计之前集中一段时间组织学生进行课程设计，既能为后继的毕业设计打下良好的基础，又能初步训练学生掌握正确的设计思想和实事求是的工作作风，提高分析和解决工程实际问题的能力。实现由学生向工程技术人员过渡的一步。1. 综合运用专业主干课与专业必选课的理论与生产实际知识进行机械设计训练，从而使这些知识得

4、到进一步的巩固，加深，扩展以及融会贯通；2. 学习和掌握通用语典型的机械装置与零部件，机械传动以及一般机械设计与控制的基本方法与步骤，培养学生工程设计能力，分析问题和解决问题的能力，从而扩大，深化所学的专业知识与技能；3. 初步培养学生的设计计算，工程绘图，数据处理，查阅文献和资料，计算机应用，进行经验估算，考虑技术决策等机械设计方面基本方法和思路，为进行下阶段的毕业设计奠定良好基础；4. 培养学生初步学会调查研究的方法，提高运用国家标准，技术手册等工具书的能力。通过尽可能的工程应用训练，巩固专业思想，强化工程应用意识，培养务实精神，使学生初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想，方法和手段；5

5、. 培养学生撰写符合规范要求的设计说明书和编写相关技术文件的能力。1.2设计原始数据系列普通机床的规格和类型有系列，设计时应该使用其有的系列。本次课程设计我使用的设计原始数据如表1：表1 设计原始数据系列最大功率p系列（kw）变速级数z系列公比系列最小转速n1系列（rpm）7.5121.41601. 3 设计要求1）总装图a0图纸1张；2）零件工作图a3图纸2-3张；3）设计计算说明书一份；4）总结与答辩。二、传动设计2.1 主传动方案拟定拟定传动方案，包括传动型式的选择以及开停、幻想、制动、操纵等整个传动系统的确定。传动型式则指传动和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的传动型式、变速类型

6、。传动方案和型式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此，确定传动方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。传动方案有多种，传动型式更是众多，比如：传动型式上有集中传动，分离传动；扩大变速范围可用增加传动组数，也可用背轮结构、分支传动等型式；变速箱上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然，可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设计中，我们采用集中传动型式的主轴变速箱。2.2 传动结构式的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。2.2.1 确定传动组及各传动

7、组中传动副的数目级数为z的传动系统由若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有、个传动副。即 传动副中由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数z应为2和3的因子： ，可以有三种方案： 12=322；12=232；12=223；2.2.2 传动式的拟定12级转速传动系统的传动组，选择传动组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好。最后一个传动组的传动副常选用2。根据确定转速图的“前多后少”，“前密后疏”，“前缓后急”，“升降有限”的四个原则综上所述，传动式为12=322。2.3转速图方案拟定 2.3.1 各级转速的计算a)

8、根据变速级数、公比以及最低转速就可以确定各级转速，即对第级转速，其计算公式为：=60 rpm =85 rpm =602=120 rpm =170 rpm =1202=240 rpm =339 rpm=2402=480 rpm =679 rpm = 4802=960 rpm =1358 rpm =9602=1920 rpm =2715 rpm 将计算的各级转速对应的标注在输出轴右侧。 图1 12级转速图 三、参数的拟定3.1 确定转速范围查金属切削机床表7-1得：50r/min，80r/min，125r/min，160r/min，200r/min，250r/min，315r/min，400r/m

9、in，500r/min，630r/min，800r/min，1000r/min, 1600r/min.3.2 电机选择合理的确定电机功率，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。根据变速箱要求的功率，考虑传动效率就可计算电动机的功率；再根据转速图中最高转速就可确定电动机的同步转速，最后考虑安装条件与应用场合就可选定电动机的型号。变速箱的最大功率为7.5kw，假设传动效率为97%，查文献2中表12-1即可确定电动机的最小功率为11kw ，由转速图可知，最高转速为2715rpm，可确定电动机的同步转速为2930rpm 。因此确定电机的型号为 y160m1-2

10、 。3.3 各级传动比与计算转矩计算3.3.1 各变速组的传动比根据转速图可以计算各变速组的传动比，设用klm表示第l变速组中第m条转速连线跨越的格数，则该转速连线的传动比ilm为：各级传动比计算出来后，标注在转速图对应的转速连线上。3.3.2 计算转速的确定1） 计算转速的概念：传递动力机全部功率的最低转速称为传动零件的计算转速。2） 机床主轴的计算转速中型通用机床（如车床、铣床）和用途较广泛的半自动机床主轴的计算转速为：式（3）表示，如把主轴的全部转速级数z分成三等份，则从低转速起的第一个三分之一转速级速中的最高一级转速作为主轴的计算转速。由图一可知主轴计算转速为：从计算转速开始的以上各级

11、转速都能传递动力机的全部功率，低于计算转速的各级转速都不能传递动力机的全部功率。3） 其它中间零件的计算转速传动系统中其它中间零件的计算转速为：能实现传递动力机全部功率的各级转速中的最低转速。根据转速图先从主轴的计算转速从右至左，依次推出各轴的计算转速，然后根据各轴的计算转速推出各齿轮的计算转速。对图1转速图，可推出第iv的计算转速，进一步可推出第iii、i的计算转速为、。表2 各变速组中轴的计算转速 单位：r/min 轴序号iiiiiiivv29301358679240170 进一步可推出各变速组中齿轮的计算转速，如表3所示。表3 各变速组中齿轮的计算转速序号轴号变速组齿速序号轴号变速组齿速

12、1v3高4807iii2高6792低1708低6793iv3高67991高13584低24010中96052高67911低6796低24012ii1高135813中135814低1358 表4 各齿轮的计算转速 单位：r/min 齿轮序号1358960135813581358679679240679679679170240480实现工作 实现工作装置预定的运动是拟定传动方案最基本的要求。但满足这个要求可以有不同的传动方式、不同的机构类型、不同的顺序和布局，以及在保证总传动比相同的前提下分配各级传动机构以不同的分传动比来实现的许多方案，这就需要将各种传动方案加以分析比较，针对具体情况择优选定。合

13、理的传动方案除应满足机器预定的功能外，还要求结构简单、尺寸紧凑、工作可靠、制造方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。要同时满足这些要求常常是困难的，设计者首先要保证重点要求。分析和选择传动机构的类型及其组合是拟订传动方案的重要一环，则市应综合考虑工作装置的载荷、运动以及机器的其它要求，在结合各种传动机构的特点和适用范围，加以分析比较，合理选择。3.3.3 确定传动装置运动简图传动系统应有合理顺序和布局。除必须考虑各级传动机构所适应的速度范围外，以下几点可供参考： 带传动承载能力较低，在传递相同转矩时结构尺寸较啮合传动大；但传动平稳，能缓冲吸震，应尽量置于传动系统的高速级； 一般滚子链传动运

14、转不均匀，有冲击，宜布置在低速级； 蜗杆传动的传动比大，承载能力较齿轮低，常布置在传动系统的高速级，一获取较小的结构尺寸；同时，由于有较高的齿面相对滑动速度，易于形成液体动压润滑膜，也有利于提高承载能力及效率； 锥齿轮（特别是大模数锥齿轮）的加工比较困难，一般宜置于高速级，以减小其直径和模数； 斜齿轮传动较直齿轮传动平稳，相对应用于高速级； 制动器通常设在高速轴。传动系统中位于制动装置后面不应出现带传动、摩擦传动和摩擦离合器等重载时可能出现摩擦打滑的装置； 为简化传动装置，一般总是将改变运动形式的机构（如连杆机构、凸轮机构等）布置在传动系统的末端或低速处；对于许多控制机构一般也尽量放在传动系统

15、的末端或低速处，以免造成大的累积误差，降低传动精度； 传动装置的布局应使结构紧凑、匀称，强度和刚度好，并适合于车间步子情况和工人操作，便于装拆和维修； 在传动装置总体设计中，必须注意防止因过载或操作疏忽而造成机器损坏和人员工伤，可视具体情况在传动系统的某一环节加设安全保险装置； 在一台机器中可能有几个彼此之间必须严格协调运动的工作构件，一般采用一台原动机驱动同一工作轴，再由此通过控制机构使传动系统作并联分支。如一台机器中各工作构件的运动彼此无须协调配合，则可由多台原动机分别驱动，也可共用一台原动机通过传动链并联分支驱动各个工作构件。对12级变速传动方案简图采用如图2所示方案 图2 12级变速传

16、动简图 轴i是电机轴，其上的齿轮为；和ii轴上的齿轮相啮合，其传动比为2.82: 1 ；ii轴上的齿轮，分别与轴iii上的，相啮合，其传动比分别为：1.41: 1 ，1: 1 和2: 1 ；轴iii上的和分别与轴iv上的和相啮合，其传动比分别为：2.82: 1和1: 1 ；轴iv上的齿轮和分别与轴v上的齿轮和相啮合，其传动比分别为：4: 1和1: 2。四、 传动件的估算 4.1 齿轮齿数的确定和模数的计算4.1.1 齿轮齿数的确定 同一变速组内的齿轮可以取相同的模数，也可取不同的模数。未了便于制造，减少刀具品种，同一变速组内的齿轮常取相同的模数。但从齿轮的强度考虑，齿轮的模数应与其所承受的载荷

17、相适应，载荷小的齿轮应取较小的模数。在满足齿面接触强度和轮齿弯曲强度的条件下，减小模数、增大齿数，有利于增加齿轮啮合的重合度和改善齿轮传动的平稳性，还可以减少轮齿切削的加工量和提高制造的经济性。当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和及小齿轮的齿数可以从表2-81中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于1820。由于有级变速一般通过滑移齿轮实现，因此一般只能采用直齿传动，故变速组的齿数和一般不能大于100。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三

18、联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4，以保证滑移时齿轮外圆不相碰。取变速组内模数相等。第一组齿轮： 传动比： ， ，选择传动比最大的一对齿轮副的最小齿数和。根据，取，由1中表2-8查得该对齿轮副的最小齿数和；适合，与。因此选择齿数和，则对应的齿数分别为： =25，=30，=20 因为，所以 =35，=30，=40第二组齿轮： 传动比： ， 选择传动比最大的一对齿轮副的最小齿数和。根据，取，由1中表2-8查得该对齿轮副的最小齿数和；适合 ， 。因此选择齿数和，则对应的齿数分别为： =20，=38 因为，所以 =56，=38第三组齿轮： 传动比： ， 选择传动比最大的一对齿轮副的最小齿数

19、和。根据，取，由1中表2-8查得该对齿轮副的最小齿数和；适合 ， 。因此选择齿数和，则对应的齿数分别为： =18，=60 因为，所以 =72，=304.1.2 齿轮模数的计算 -都为直齿圆柱齿轮，选择6级精度，选择小齿轮材料为40（调质），大齿轮材料为45钢（调质）。 1 .按接触疲劳和弯曲强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道 后方可确定，所以在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。 根据齿轮弯曲疲劳的估算： 齿面点蚀的估算： 其中为大齿轮的计算转速，a为齿轮中心距。由中心距a及齿数、求出模数： 根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。

20、第一级传动-中，齿轮和相啮合；和相啮合；和相啮合。其中的齿数最大，将=679rpm和=40带入公式得： = 查文献3中表10-1取模数为 故第二级传动中，齿轮和相啮合；和相啮合。其中的齿数最大，将=240rpm和=56带入公式得： = 查文献3中表10-1取模数 故第三级传动中，齿轮和相啮合；和相啮合。其中的齿数最大，将=170rpm和=72带入公式得： = 查文献3中表10-1取模数 故4.2 齿轮其它参数的确定和计算 （1）计算分度圆直径 （2）计算中心距 （3）计算齿轮宽带 由文献2中公式： 查文献2中表10-7取 取小齿轮比大齿轮宽5mm,通过计算可得： , , , , , , ,同理

21、可计算得到齿轮的其它参数的数值，如下表所示： 表5 齿轮参数表齿轮序号z(i)齿数z齿宽b(mm)模数m(mm)分度圆直径(mm)齿顶高(mm)齿根高(mm)齿顶圆(mm)齿根圆(mm)中心距a(mm)12527.537533.758167.59023522.510511197.533027909682.543027909682.552023606652.564018120126112.5720263.5703.54.3757761.2513385621196203187.2593840133140124.25103840133140124.251118273.5633.54.3757054.

22、25157.5127222252259243.25136031.5210217201.25143036.510511296.254.3 齿轮的校核4.3.1 按齿面接触疲劳强度计算 根据文献4中公式： 查文献4中表3-表11可得各参数的数值，带入后可得： 4.3.2 按齿根弯曲疲劳强度计算 根据文献4中公式： 查文献4中表3-表11可得各参数的数值，带入后可得： 估算时取的m=3.0,满足条件。 同理可校核其它齿轮都符合条件。 五、最小轴径的计算与轴长的确定5.1 最小轴径的计算5.1.1 轴ii最小轴径的计算 1.按扭转强度条件计算：查文献5中公式可得轴的扭转强度条件为： 式中：为扭转切应力

23、，； t为轴所受的扭矩，； 为轴的抗扭截面系数，；n为轴的转速，； p为轴传递的功率，kw； d为计算截面处轴的直径，mm；为许用扭转切应力，。有上式可得轴的直径 查文献5中表15-3取 ，将和代入公式可得： 考虑到轴有两个键槽，轴径应增大因此最小直径，圆整后取 2.按弯扭合成强度条件计算： 5.1.2 轴iii最小轴径的计算 1.按扭转强度条件计算： 查文献5中表15-3取 ，将和代入公式可得： 考虑到轴有三个键槽，轴径应增大因此最小直径，圆整后取 2.按弯扭合成强度条件计算：5.1.3 轴iv最小轴径的计算 1.按扭转强度条件计算： 查文献5中表15-3取 ，将和代入公式可得： 考虑到轴i

24、v有三个键槽，轴径应增大因此最小直径，圆整后取 2.按弯扭合成强度条件计算：5.1.4 轴v最小轴径的计算 1.按扭转强度条件计算： 查文献5中表15-3取 ，将和代入公式可得： 考虑到轴v有两个键槽，轴径应增大因此最小直径，圆整后取 2.按弯扭合成强度条件计算：5.2 轴长的确定 轴的总长是根据传动系统简图，轴上安装的零部件，箱体的厚度等来确定的，因此轴的总长实际上是通过分别计算安装不同零部件的不同段来获得的。因此有些零件的尺寸在装配图设计过程中才能确定，所以实际上轴的总长是画完装配图之后才能确定的。由于采用滑移齿轮变速，因此一个变速组在安装时应注意，个固定齿轮安装的间隔必须保证：滑移齿轮变

25、速时在滑移过程中应完全脱开前一啮合齿轮，才能开始进出另一齿轮，否则无法实现变速。取最外端的齿轮离箱壁的距离为20mm，各齿轮的齿宽都已求出，由变速传动简图可以画出变速箱的装配图，最后的轴长也随之确定。测得轴ii的长度为：432mm ，轴iii的长度为：453mm ，轴iv的长度为：621mm ，轴v的长度为：641mm 。检查后发现没有干涉现象。六、轴承和键的选择6.1 轴承的选择轴ii两端的轴承选用深沟球轴承，两端轴承内径均为20mm，查2中6-1选轴承型号为：6004 轴iii两端的轴承选用深沟球轴承，两端轴承内径均为30mm，查2中6-1选轴承型号为：6006 。轴iv左端安放轴承处的轴

26、颈为45mm，查2中6-1选轴承型号为：6009 ；中间安放轴承处的轴颈为45mm，故轴承型号选6009 ；右端安放轴承处的轴颈为35mm，查2中6-1选轴承型号为：6007 。轴v左端的轴颈为40mm，选用深沟球轴承，查2中6-1选轴承型号为：6008 ；中间部位的轴承承受的轴向力比较大，故选用圆锥滚子轴承，查2中6-7选轴承型号为：30210 ；右端亦选用用圆锥滚子轴承，查2中6-7选轴承型号为：30210 。各轴轴承的型号如表6所示：表6 轴承的型号轴序号ii iii ivv轴承型号600460066007 ，6009302106.2 键的选择 滑移齿轮与轴的配合选择导向滑键，查文献5中

27、表6-1选择键的尺寸。其它的齿轮与键的连接中键的选择根据齿轮的齿宽来选择。与轴连接的键选用；与轴连接的键选用；与轴连接的键选用；与轴连接的键选用；与轴连接的键选用；与轴连接的键选用；与轴连接的键选用。6.3 片式摩擦离合器的选择 片式摩擦离合器目前在机床中应用广泛，因为它可以在运转中接通或脱开，具有结合平稳、没有冲击、结构紧凑的特点，部分零件已经标准化，多用于机床主传动。6.3.1,计算扭矩名义扭矩 ， 取安全系数k=1.3；所以，取6.3.2设计计算（1）离合器轴的直径d=30mm，选用湿式，多片，轴装式外摩擦片，其内径取，则内摩擦片外径（2）计算摩擦面对数z查表，滑动速度修正系数，取每小时

28、结合次数低于100，查表取得 z=12主动片数 被动片数总片数机床反转时消耗功率按正转的30%计算，得出反转摩擦片为9片。，故满足要求，另外两齿轮计算方法如上，均符合要求。七、结构设计及说明7.1 结构设计的内容、技术要求和方案设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴、轴承、带轮、齿轮、离合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱体及其联结件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计由于时间的限制，一般只画展开图。主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题。精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，传动效率要求，主轴前轴承

29、处温度和温升的控制，结构工艺性，操作方便、安全、可靠原则，遵循标准化和通用化的原则。主轴变速箱结构设计时整个机床设计的重点，由于结构复杂，设计中不可避免要经过反复思考和多次修改。在正式画图前应该先画草图。7.2 展开图及其布置展开图就是按照传动轴传递运动的先后顺序，假想将各轴沿其轴线剖开并将这些剖切面平整展开在同一个平面上。i轴上装的摩擦离合器和变速齿轮。有两种布置方案，一是将两级变速齿轮和离合器做成一体。齿轮的直径受到离合器内径的约束，齿根圆的直径必须大于离合器的外径，负责齿轮无法加工。这样轴的间距加大。另一种布置方案是离合器的左右部分分别装在同轴线的轴上，左边部分接通，得到一级反向转动，右

30、边接通得到三级反向转动。这种齿轮尺寸小但轴向尺寸大。我们采用第一种方案，通过空心轴中的拉杆来操纵离合器的结构。齿轮在轴上布置很重要，关系到变速箱的轴向尺寸，减少轴向尺寸有利于提高刚度和减小体积。7.3 齿轮块设计齿轮是变速箱中的重要元件。齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的。也就是说，作用在一个齿轮上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差等，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性。在齿轮块设计时，应充分考虑这些问题。齿轮块的结构形式很多，取决于下列有关因素：1） 是固定齿轮还是滑移齿轮；2） 移动滑移齿轮的方法；3） 齿轮精度和加工方法；变速箱中齿

31、轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于圆周速度。采用同一精度时，圆周速度越高，振动和噪声越大，根据实际结果得知，圆周速度会增加一倍，噪声约增大6db。工作平稳性和接触误差对振动和噪声的影响比运动误差要大，所以这两项精度应选高一级。不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有所不同。7.4 主轴组件设计主轴组件结构复杂，技术要求高。安装工件（车床）或者刀具（车床、钻床等）的主轴参予切削成形运动，因此它的精度和性能直接影响加工质量（加工精度和表面粗糙度），设计时主要围绕着保证精度、刚度和抗振性，减少温升和热变形等几个方面考虑。主轴形状与各部分尺寸不仅和强度、刚度有关，而且涉及多方面的因素。1）内孔直径车床主轴由于要通过棒料，安装自动卡盘的操纵机构及通过卸顶尖的顶杆，必须是空心轴。为了扩大使用范围，加大可加工棒