自动回转分度工作台毕业设计

1、自动回转分度工作台毕业设计 图书分类号:密级:毕业设计论文自动分度回转工作台设计THE DESIGN OF AUTO-INDEXING ROTARY TABLE 学生姓名学院名称专业名称指导教师72014年5月28日徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名: 日期: 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书

2、本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定,即:本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝,允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容,可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘要 分度回转工作台是机械加工中常用的机床附件,用于镗床,铣床,钻床等需要多面转位加工的工件。传统分度回转工作台操作不便,而且分度只限

3、于某些规定的角度,难以满足一些特殊分度工件的加工要求。本课题利用单片机控制技术、步进电动机控制技术对分度回转工作台进行了数控化改造,设计了一种自动分度回转工作台。它以单片机为控制核心,通过控制脉冲分配器向步进电机发送脉冲, 驱动步进电动机带动蜗轮蜗杆实现对工件的回转分度,相对于传统机械分度头,操作方便,分度精度高。 关键词 自动分度回转工作台;齿轮传动;蜗杆传动;单片机控制AbstractIndexing rotary table is commonly used in machining machine tool accessories, for boring, milling, drill

4、ing, etc. need more processing of the workpiece surface translocation. Traditional indexing rotary table to maneuver, but only some of the provisions of sub-degree angle, it is difficult to meet some special requirements indexing workpieces. Control technology for the use of this topic, stepper moto

5、r control technology to sub-degree rotary table for the NC transformation, design of an automatic indexing rotary table. It MCU to control the core, by controlling the pulse distributor to send pulses to the stepper motor, stepper motor drives the worm gear drive to achieve sub-degree rotation of th

6、e workpiece, as opposed to traditional mechanical dividing head, easy operation, high precision indexingKeywords Auto-Indexing Rotary TableGear TransmissionWorm driveSCM control 目 录 1 绪 论1 1.1 历史背景1 1.2 发展前景12 工作台方案设计2 2.1 工作台原理及总体框图2 2.2 工作台传动系统方案2 2.3 工作台控制系统方案33 工作台传动系统设计5 3.1 工作台箱体设计5 3.2 传动比及参数

7、确定6 3.2.1 传动比设定6 3.2.2 步进电机最大回转速度及频率73.2.3 步进电机分度精度7 3.3 步进电机选择7 3.3.1 步进电机启动力矩计算8 3.3.2 步进电机最大转速9 3.2.3 步进电机最大频率9 3.3.4 步进电机型号9 3.4 齿轮传动设计9 3.4.1 齿轮的材料及类型10 3.4.2 按齿面接触疲劳强度设计尺寸10 3.4.3 确定齿轮的主要参数与主要尺寸11 3.4.4 校核齿根弯曲疲劳强度12 3.5 蜗杆传动设计13 3.5.1 蜗杆传动类型13 3.5.2 蜗轮蜗杆的材料14 3.5.3 按齿面接触疲劳强度设计14 3.5.4 蜗轮蜗杆主要参数

8、与几何尺寸15 3.5.5 校核齿根弯曲疲劳强度16 3.5.6 蜗杆传动温度计算17 3.6 轴的设计18 3.6.1 蜗杆轴的设计18 3.6.2 蜗杆轴的计算18 3.7 键的选择21 3.7.1 键联接类型21 3.7.2 键连接的尺寸22 3.7.3 键联接的强度验算22 3.8 轴承的选择23 3.8.1 轴承的类型23 3.8.2 轴承的尺寸24 3.8.3 滚动轴承的密封装置24 3.9 联轴器的选择24 3.9.1 联轴器的类型25 3.9.3 联轴器的尺寸254 工作台控制系统设计27 4.1 控制系统元器件选择27 4.1.1 单片机选择27 4.1.2 I/O接口芯片选

9、择28 4.1.3 存储器选择29 4.1.4 译码器选择30 4.1.5 地址锁存器选择31 4.2 控制系统电路设计32 4.2.1 主控电路设计32 4.2.2 I/O接口电路设计33 4.2.3 步进电机电路设计34结论35致谢36参考文献37附录38 附录138 附录2481 绪论1.1 历史背景 中国数控分度回转工作台产业发展出现的问题中,许多情况不容乐观,如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品;技术密集型产品明显落后于发达工业国家;生产要素决定性作用正在削弱;产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大;企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 从

10、什么角度分析中国数控分度回转工作台产业的发展状况?以什么方式评价中国数控分度回转工作台产业的发展程度?中国数控分度回转工作台产业的发展定位和前景是什么?中国数控分度回转工作台产业发展与当前经济热点问题关联度如何诸如此类,都是数控分度回转工作台产业发展必须面对和解决的问题?中国数控分度回转工作台产业发展已到了岔口;中国数控分度回转工作台产业生产企业急需选择发展方向。 中国数控分度回转工作台产业发展研究报告阐述了世界数控分度回转工作台产业的发展历程,分析了中国数控分度回转工作台产业发展现状与差距,开创性地提出了“新型数控分度回转工作台产业” 及替代品产业概念,在此基础上,从四个维度即“以人为本”、

11、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型数控分度回转工作台产业” 及替代产品的内涵。根据“新型数控分度回转工作台产业” 及替代品的评价体系和量化指标体系,从全新的角度对中国数控分度回转工作台产业发展进行了推演和精准预测,在此基础上,对中国的行政区划和四大都市圈的数控分度回转工作台产业发展进行了全面的研究。1.2 发展前景 60 年代以来,跨国公司推动的产业全球化发展使得国际分工和国际贸易格局发生了改变,加工贸易成为全球化产业发展的本质要求。在全球化背景下,对于发展中国家而言,产业升级成为在全球化产业链条中由劳动密集环节向资本和技术密集环节逐步提升的过程。由跨国公司推动的加工贸

12、易的发展,为发展中国家切入全球高新技术产业链条,实现产业升级提供了便捷路径。其中分度回转工作台的运用得到了广泛推广,各种新型工作台不断被引进,同时我国也自主研制和开发了一批适用、高效性的分度回转工作台。本次设计的意义是设计出一套结构简单、实用性强、精度系数比较高的自动分度回转工作台,并能满足生产和加工的需要。 分度回转工作台作为数控机床中的一个非常大的部分,研究其设计、制造过程是非常有实际的工程应用价值。数控工作台的应用非常多,而数控工作台像自动分度回转工作台的研究必然有着其实际的意义。2 工作台方案设计2.1 工作台原理及总体框图 工作台工作原理是采用单片机控制步进电机带动工作台回转,通过键

13、盘和显示屏幕发送指令给单片机,控制脉冲分配器向步进电机发送脉冲,步进电机直接带小齿轮,大齿轮在蜗轮轴上,经过蜗轮轮杆运动传动后,将工作台分度到设定好的角度。 自动回转分度主要由两部分组成,工作台传动系统部分和控制系统部分。传动系统部分主要由步进电机、齿轮副传动和蜗杆传动组成;工作台控制系统部分主要由单片机、键盘显示屏、I/O接口芯片和驱动器组成。工作台总体框图见图2-1。 图2-1 工作台总体框2.2 工作台传动系统方案 分度回转工作台主要用于数控镗床和铣床,其外形和通用工作台几乎一样,但它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给轴联动。整个传动系统由,步进电机、轴、齿轮副、蜗轮蜗杆和

14、工作台组成。 图2-2为自动分度回转工作台。它的回转、分度转位和定位锁紧都是由给定的指令进行控制的。工作台的运动是由伺服电动机,经齿轮减速后由蜗轮蜗杆带动工作台回转分度。图2-2自动分度回转工作台 1)工作台箱体;2)回转工作台;3)步进电机;4)齿轮传动;5)调整套;6)圆锥滚子轴承;7)深沟球轴承;8)蜗轮轴;9)蜗杆传动。 工作台回转分度工作时候,由控制系统发送指令给步进电机,步进电机带动齿轮副转动,由大齿轮带动蜗轮轴回转,并由蜗轮带动工作台回转分度;工作台停止时,通过蜗轮蜗杆的自锁和步进电机的自锁保证工作台的自锁。2.3 工作台控制系统方案 工作台控制系统电路由单片机主控电路、I/O扩

15、展电路、步进电机接口电路和键盘显示电路组成。工作台控制系统元件主要单片机,外部RAM,ROM,I/O接口,光电隔离,功率放大,键盘,显示屏和驱动器等组成。由键盘输入参数,通过I/O接口芯片到进行单片机处理,然后一面通过I/O芯片输出到显示屏,另一面输出通过光电隔离与功率放大到驱动器,再由驱动器驱动步进电机。控制系统硬件结构如图2-3。 图 2-3 控制系统硬件结构3 工作台传动系统设计3.1 工作台箱体设计 自动分度回转工作台箱体起着支承并包容各种传动零件,如齿轮、轴、轴承等,使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂,实现各种运动零件的润滑。安全保护和密封作用,使箱体内的零

16、件不受外界环境的影响,又保护机器操作者的人生安全,并有一定的隔振、隔热和隔音作用。使机器各部分分别由独立的箱体组成,各成单元,便于加工、装配、调整和修理。改善机器造型,协调机器各部分比例,使整机造型美观。 自动分度回转工作台主要用于镗床,铣床,钻床等需要多面转位加工的工件,是机械加工中常用的机床附件,因此尺寸不易过大,要能配合机床的使用。考虑箱体内零件的布置及与机床上的工件关系,设计尺寸图3-1所示: 自动分度回转工作台尺寸:长 宽 高 550mm 500mm 160mm 工作台右端盖部分尺寸:长 宽 高 240mm 50mm 160mm 图3-1 工作台尺寸 自动分度回转工作台的箱体蜗轮设计

17、,考虑到蜗杆传动的装卸,设计成上端放置蜗轮,在蜗轮上面放置回转工作台,而蜗轮由蜗轮上的轴与箱体用轴承固定。蜗轮箱体布置如3-2图所示。 图3-2 自动分度回转工作台箱体图1 自动分度回转工作台的蜗杆及轴的设计,考虑蜗杆轴的拆卸不便,将箱体后方和右边放置蜗杆轴与蜗轮配对。蜗杆箱体布置如图3-3所示。 图3-3 自动分度回转工作台箱体图23.2 传动比及参数确定3.2.1 传动比设定 系统要实现的参数:工作台回转速度最大为20度/秒,工作台分度精度为0.25度。 总传动比为各级传动比、的乘积,即 分配总传动比,即各级传动如何取值,是设计中的重要问题。传动比分配得合理,可使传动装置得到较小的外廓尺寸

18、或较轻的重量,以实现降低成本和结构紧凑的目的;也可以使传动零件获得较低的圆周速度以减小动载荷或降低传动精度等级;还可以得到较好的润滑条件。要同时达到这几方面的要求比较困难,因此应按设计要求考虑传动比分配方案,以满足某些主要要求。 为了保证工作台分度精度,传动比需要很大,同时为了保证结构尺寸,将蜗杆传动比设定在120,齿轮传动比设定为3,即传动系统的总传动比为360。3.2.2 最大回转速度 工作台最大回转速度为20度/秒;即: 根据系统总传动比为360,可得 3.2.3 分度精度 工作台的分度精度保证主要靠步进电机的转速和系统的总传动比来确定,工作台分度精度为0.25度,既蜗轮最小的转动单位为

19、0.25度,系统的总传动比为360,即 可得步进电机最小分度精度为90度,即步进电机每次回转的度数为90度的倍数。3.3 步进电机选择 步进电动机是专门工厂批量生产的标准部件,设计时要选出具体型号以购置。选择步进电动机包括确定型号、结构、步距角、功率和转速,并在产品目录中查出其尺寸和型号。 步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机,步进电机有三大部分组成:步进电动机本体,步进电动机控制器及步进电动机驱动器。如图3-4所示。 选择步进电机时,首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时,首先要计算机械系统的负载转矩,电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠

20、。在实际工作过程中,各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。应使步距角和机械系统匹配,这样可以得到工作台所需的脉冲当量。图3-4 步进电机3.3.1 步进电机启动力矩计算 步进电机选用三相步进电动机,初选步进电机步距角b3。 设步进电机等效负载力矩为T,负载力为P,根据能量守恒原理,电机做的功与负载力做的功有如式(3.1)关系: 式(3.1)式中 ? 电机转角; S ? 转动部件的相应位移; ? 机械传动效率。 若取b,则Sb,且P Pz +(G+ W2),所以 式(3.2)式中G?转动部件负载,N; W?转动部件重量,N; Pz?与中立方向一致的作用在转动部件上的负载力,N; ?摩擦

21、系数; b?步进电机步距角,rad; T?电机轴负载力矩,N?cm。 取0.03,0.96,Pz500N。 可求得不考虑启动时运动部件的惯性影响,启动力矩为TmT/(0.30.5)10N?m(取安全系数0.5)步进电机为三相六拍的电机 3.3.2步进电机最大转速 根据工作台最大转速与系统总传动比i360,可得 所以,步进电机的选择的最大转速 3.2.3步进电机最大频率 根据步进电机的步距角,可得 所以步进电机选择最高的频率 3.3.4 步进电机型号 由于步进电机步距角,步进电机最高转速,步进电机最高频率,步进电机最大转矩,选择的步进电机型号参数如表3-1所示。表3-1步进电机参数型号主要技术参

22、数外形尺寸/mm重量/KN步距角/保持转矩/ N?cm相数电压/V电流/A外径长度轴径130BC3100312327310016822103.4 齿轮传动设计 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。在所有的机械传动中,齿轮传动应用最广,可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。 齿轮传动的特点是:齿轮传动平稳,传动比精确,工作可靠、效率高、寿命长,使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很

23、小至几十万千瓦;速度最高可达300m/s;齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备,啮合传动会产生噪声。 根据两轴的相对位置和轮齿的方向,可分为以下类型:圆柱齿轮传动;锥齿轮传动和交错轴斜齿轮传动。根据齿轮的工作条件,可分为:开式齿轮传动式齿轮传动,齿轮暴露在外,不能保证良好的润滑;半开式齿轮传动,齿轮浸入油池,有护罩,但不封闭;闭式齿轮传动,齿轮、轴和轴承等都装在封闭箱体内,润滑条件良好,灰沙不易进入,安装精确,齿轮传动有良好的工作条件,是应用最广泛的齿轮传动。3.4.1 齿轮的材料及类型 由于前述所选电机可知:T5N?m,齿轮传动比设定为i3,效率0.97工作日安排每年

24、300工作日计,寿命为10年。 根据整体传动的要求,传动效率不大、速度中等和使用寿命长,需要在封闭条件下工作,因此设计为闭式齿轮传动,采用圆柱直齿轮传动的形式。 齿轮材料应具备下列条件:1)齿面具有举个的硬度,以获得较高的抗点蚀、抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动的能力;2)在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度;3)具有良好的加工和热处理工艺性;4)价格较低。 考虑到齿轮传动效率不大,速度只是中等,故齿轮用45号钢;为达到更高的效率和更好的耐磨性,进行整体淬火后再低温回火,使齿轮面硬度达到45-55HRC。3.4.2 按齿面接触疲劳强度设计尺寸 先按齿面接触疲劳强度进行设计,在校核齿根弯曲疲劳

25、强度。按齿面接触疲劳强度设计公式如式(3.3)。 式(3.3)式中 d1?小齿轮直径; K ?载荷系数 T1?小齿轮转矩; H?许用接触应力; d?齿宽系数; ZE?弹性系数; ZH?节点区域系数; Z?重合度系数。取:小齿轮转矩 ; 载荷系数 因载荷平稳,取; 齿宽系数 ; 摩擦系数 ; 许用接触压力 ; 查图表得试验齿轮的接触疲劳极限; 接触强度的最小安全系数; 接触疲劳强度计算的寿命系数; 弹性系数 查表得; 节点区域系数 查表得; 重合度系数 ;将以上参数代入公式 3.4.3 确定齿轮的主要参数与主要尺寸 齿数 取,则。 模数 取标准值。 中心距 标准中心距 其他主要尺寸 分度圆直径:

26、 齿顶圆直径: 齿宽:取齿宽系数, 3.4.4 校核齿根弯曲疲劳强度 齿根弯曲疲劳强度校核公式如式3.4所示。 式3.4式中 ?载荷系数; ?小齿轮转矩; ?齿轮齿宽; ?齿形系数; ?应力修正系数; ?重合度系数。取:载荷系数 ; 小齿轮转矩 ; 齿轮齿宽 重合度系数 齿形系数 应力修正系数 所以 许用弯曲应力计算公式如式(3.5)所示。 式(3.5)式中 Flim?齿轮的齿根弯曲疲劳极限; SFmin?弯曲疲劳强度的最小安全极限;YN?弯曲疲劳强度计算的寿命系数YX?尺寸系数。取:齿轮的齿根弯曲疲劳极限Flim 400MPa 弯曲疲劳强度的最小安全极限SFmin1.4 弯曲疲劳强度计算的寿

27、命系数YN1 尺寸系数YX0.8所以根据计算,FF所以齿轮齿根弯曲强度足够。3.5 蜗杆传动设计 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动,两轴线间的夹角可为任意值,常用的为90。蜗杆传动用于在交错轴间传递运动和动力。蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成,一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分蜗杆传动,分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆,即蜗杆转一周,蜗轮转过一齿,若蜗杆上有两条螺旋线,就称为双头蜗杆,即蜗杆转一周,蜗轮转过两个齿。按蜗杆形状的不同可分:圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。 蜗杆传动特点:传动比大,结构紧凑。蜗杆头数用Z1表示(一般Z1

28、14),蜗轮齿数用Z2表示。从传动比公式IZ2/Z1可以看出,当Z11,即蜗杆为单头,蜗杆须转Z2转蜗轮才转一转,因而可得到很大传动比,一般在动力传动中,取传动比I10-80;在分度机构中,I可达1000。这样大的传动比如用齿轮传动,则需要采取多级传动才行,所以蜗杆传动结构紧凑,体积小、重量轻。 传动平稳,无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿,它与蜗轮齿啮合时是连续不断的,蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程,因此工作平稳,冲击、震动、噪音小。蜗杆传动。具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时,蜗杆只能带动蜗轮传动,而蜗轮不能带动蜗杆转动。蜗杆传动效率低,一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有自锁性

29、的蜗杆传动,其效率在0.5以下,一般效率只有0.70.9。发热量大,齿面容易磨损,成本高。3.5.1 蜗杆传动类型 由于前述所选电机可知T5N?m,蜗杆传动比设定为i120,效率0.8,工作日安排每年300工作日计,寿命为10年。 根据本次传动场合用于机床上的工作台,整体传动要求传动精度高,所以蜗杆采用渐开线蜗杆;根据整体传动比需要设计比较大,蜗轮蜗杆的传动比也需比较大,而且工作台的在工作中需要有自锁功能,蜗杆采用单头蜗杆;为了工作台在工作中需要受力平衡与工作平稳,蜗杆的旋向采用右旋。3.5.2 蜗轮蜗杆的材料 考虑到蜗杆传动效率不大,速度只是中等,故蜗杆用45号钢;为达到更高的效率和更好的耐

30、磨性,要求蜗杆螺旋齿面淬火,硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10Zn2,金属铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。3.5.3 按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则,先按齿面接触疲劳强度进行设计,在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距公式如式(3.6): 式(3.6)式中 T2?蜗轮转矩;k ?使用系数;ZE?弹性系数;Z?接触系数; H?许用应力。确定作用在蜗轮上的转距T2 按Z11,估取效率0.9,则确定载荷系数k 因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均系数K1;见表3-2查得使用系数KA而选取KA1.15;由于转速不高,冲击不大

31、,可取动载系数KV1.2;则 表3-2 使用系数 KA动力机工作特性动力机工作特性均匀平稳轻微冲击中等冲击严重冲击均匀平稳1.001.251.501.75轻微冲击1.101.351.601.85中等冲击1.251.501.752.0严重冲击1.501.752.02.25确定弹性影响系数ZE 选用的铸锡青铜蜗轮和蜗杆相配,见表3-3可查得ZE152表3-3 蜗轮材料的力学性能蜗轮材料力学性能ZEHlimFlimMPaMPaZCuSn10Zn2152350165确定接触系数Z 先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a1:11,从而可算出Z3.6。确定许用应力H 根据蜗轮材料为铸锡青铜Z

32、CuSn10Zn2,砂型铸造,蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,从而可查得蜗轮的基本许用应力H260MPA。 因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的,故初步定位、其寿命系数为KHN0.85,则H KHNH0.85260221MPa计算中心距根据d1/a1:11,取蜗轮齿数Z2120, m取标准模数,所以中心距。3.5.4 蜗轮蜗杆主要参数与几何尺寸 传动比: 蜗轮齿数:,变位系数; 蜗轮分度圆直径: ; 蜗轮喉圆直径: ; 蜗轮喉母圆直径 蜗杆直径系数;分度圆直径,蜗杆头数;分度圆导程角,齿形角; 蜗杆轴向齿距: 蜗杆齿顶圆直径: 蜗杆轴向齿厚: 3.5.5 校核蜗轮轮齿弯曲疲劳强度 蜗轮轮齿的弯曲

33、疲劳强度取决于轮齿模数的大小,由于轮齿齿形比较复杂,且在距中间平面的不同平面上的齿厚也不同,都相当于具有不同变为系数的正变位齿。距中间平面愈远,齿愈厚,变位系数也愈大。因此蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度难于精确计算,只好进行条件性的概略估算。 蜗轮轮齿弯曲疲劳强度条件公式为式(3.5) 式(3.7) 式中 KA?齿形系数; T2?蜗轮转矩; b2?蜗轮齿宽; d2?蜗轮直径; 取齿形系数KA1.15; 蜗轮转矩T21440N?m, 蜗轮齿宽; 所以 许用应力计算公式如式(3.8)所示。 式(3.8)式中 Flim?齿根弯曲疲劳极限; SFmin?弯曲疲劳强度的最小安全极限。取:弯曲疲劳强度的最小安全极

34、限SFmin1.4; 根据蜗轮材料铸锡青铜ZCuSn10Zn2,查得齿根弯曲疲劳极限Flim 165MPa。所以 根据以上结果得出, 所以弯曲强度是满足要求的。3.5.6 蜗杆传动温度计算 蜗杆传动的效率一般比齿轮传动和其他几种机械传动都要低,工作时会产生较多的热量。闭式箱体若散热条件不足,则易于造成润滑油工作温度过高而导致使用寿命降低,甚至有使蜗轮蜗杆副发生胶合的危险,因此对蜗杆传动有必要进行温度计算。箱体工作温度计算公式如(3.8)所示。 式(3.9)式中 P?蜗轮蜗杆效率; A?箱体的散热面积,; t1?箱体工作温度; t0?工作环境温度,通常取20; w表面传热系数,系单位箱体面积、单

35、位温度差时由箱体传给大气的热量。取:传动啮合效率搅油效率 轴承效率 总效率 散热面积 表面传热系数 在中等通风环境,所以故邮箱工作温度合格3.6 轴的设计 轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状,各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。根据轴线形状的不同,轴可以分为曲轴和直轴两类。根据轴的承载情况,又可分为:转轴,工作时既承受弯矩又承受扭矩,是机械中最常见的轴,如各种减速器中的轴等。心轴,用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩,有些心轴转动,如铁路车辆的轴等,有些心轴则不转动,如支承滑轮的轴等。传动轴,主要用来传递扭矩而不承受弯矩,如起

36、重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢,也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度,转速高时还取决于振动稳定性。 功用相同的轴却有各不相同的结构形状。因为,影响轴的结构形状因素很多,这些因素是:载荷的大小、方向、性质及其分布状态,轴上零件的数量及安装位置、定位方法。轴的制造工艺和生产规模等。3.6.1 蜗杆轴的设计 轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸,为轴设计的重要步骤。它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式,载荷的性质、方向、大小及分布情况,轴承的类型与尺寸,轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输,对轴的变形等因素有关。

37、设计者可根据轴的具体要求进行设计,必要时可做几个方案进行比较,以便选出最佳设计方案,以下是一般轴结构设计原则: 1)节约材料,减轻重量,尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状; 2)易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整; 3)采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施; 4)便于加工制造和保证精度。 本次设计的轴用于传递扭矩,通过齿轮副到蜗轮蜗杆,不需要承受弯矩,所以用到的为传动轴。轴的材料的选择,考虑到轴的材料的经济性,一般使用45碳素钢,碳素钢对应力集中的敏感性较小,而且使用广泛;为保证其力学性能,会进行调制或正火处理。本次设计选用轴的材料为正火处理的45钢。3.6.2 蜗杆

38、轴的计算蜗杆上轴受力: 轴向力 径向力 圆周力 大齿轮上轴受力:圆周力 径向力 根据结构上的考虑及轴上零件的布置给出支承间跨距l181mm,蜗杆中央截面至左支承的距离l1110mm,大齿轮中央截面距离右支承的距离l290mm,如图3-5所示。 图3-5 轴的受力图 由图3-5可知,Fa1产生的力矩为: 根据给定条件作轴在xoy平面的受力图,如图3-6 a所示,支反力及弯矩图如图3-6 b所示。分别对支承点1及2取矩可求得xoy平面的支反力 做xoz平面的受力图,如图3-6 c所示,求支反力,做弯矩图,如图3-6 d所示,分别向两支点取矩得: 作合成弯矩图,如图3-6 e所示;合成弯矩的计算结果

39、示于图3-6 f所示,其中截面1和2的合弯矩为轴的最小直径计算公式如下式3.10 式3.10式中 M?当量弯矩-1b ?对称循环应力状态下的许用弯曲应力。取:对称循环应力状态下的许用弯曲应力-1b90MPa; 当扭转应力对称循环变化时,a1 当量弯矩所以蜗杆轴最小直径图3-6 蜗杆轴的弯矩、扭矩图3.7 键联接的选择 设计键联接时,通常被联接件的材料、构造和尺寸已初步决定,联接的载荷也已求得。因此可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件来选出键的类型,再根据轴径从标准中选出键的截面尺寸,并参考轮毂长选出键的长度,然后用适当的校核计算公式作强度验算。3.7.1 键联接的类型 键主要用于轴和带毂零

40、件(如齿轮、蜗轮等),实现周向固定以传递转矩的轴毂连接。其中,有些还能实现轴向固定以传递轴向力;有些则能构成轴向动联接。键的类型有平键、半圆键、斜键和花键,其各有特点。因其轴上键的作用是传递扭矩,并且要求一定的定心性,因此应用平键连接就可以了。3.7.2 键联接的尺寸 根据小齿轮上轴径,小齿轮轮毂长度为,见表3-4表可查得当时,键截面尺寸为:宽,高。参考毂长选键长。则键的接触长度 表 3-4 平键尺寸表轴径键键 槽dbh宽 度深 度半径b偏 差轴毂较松一般较紧轴H9毂D10轴N8毂JS9轴毂P9t偏差t1偏差最大最小68222+0.0250+0.060+0.020-0.004-0.0290.0

41、125-0.006-0.0311.2+0.101+0.100.080.168103331.81.41012444+0.0300+0.078+0.0300-0.0300.015-0.012-0.0422.51.812175553.02.30.160.2517226663.52.83.7.3 键联接的强度验算 对于平键联接,如果忽略摩擦,则当联接传递转矩时键轴一体的受力时,可能的实效有:较弱零件(通常为轮毂)的工作面被压溃(静联接)或磨损(动联接,特别是在载荷作用下移动)和键的剪断等。因此在要验算键的强度。 键标准考虑了联接中各零件的强度,按照等强度设计的观点,视毂材料的不同,规定键在轴和轮毂中的

42、高度也不同。但一般来说,毂常是较弱零件,所以按轮毂计算公式 3.10所示。 式3.11式中:d?小齿轮轴的直径; h?键的高度 l ?键的接触长度 p ?许用挤压应力 T?传递的最大转矩取:小齿轮轴的直径: 键的高度: 键的接触长度: 许用挤压应力:键、轴和连轴器的材料都是钢,联接工作方式为静联接,在轻微冲击载荷下,因而由表3-5可查得许用挤压力p 100120MPa,取其平均值p110MPa。带入公式所以平键的强度满足条件。 表 3-5 键联接的许用挤压应力p 或压强p联接的工作方式联接中较弱零件的材料p或p静载荷轻微冲击载荷冲击载荷静联接用p锻钢、铸钢125-150100-12060-90

43、铸铁70-8050-6030-45动联接用p锻钢、铸钢5040303.8 轴承的选择 滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比,滚动轴承摩擦力小,功率消耗少,启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化,因此使用滚动轴承时,只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。3.8.1 轴承的类型 轴承是支承轴颈的部件,有时也用来支承轴上的回转零件。按照承受载荷的方向,轴承可分为径向轴承和推力轴承两类。轴承上的反作用力与轴中心线垂直的称为径向轴承;与轴

44、中心线方向一致的称为推力轴承。根据轴承工作的摩擦性质,又分为滚动轴承和滑动轴承两类。本次设计中要采用的是滚动轴承。 滚动轴承是标准件,应用广泛,安装、维修方便,价格也比较便宜。滚动轴承主要由内圈、外圈、滚动体和保持架组成,内圈和外圈分别与轴颈及轴承座孔装配在一起。 本次设计中齿轮传动采用的是直齿圆柱齿轮传动,无轴向力存在,所以轴承选用主要考虑的是蜗杆传动。蜗杆与大齿轮在同一轴上,整个轴存在轴向力,所以在选用廉价的深沟球轴承支持蜗杆回转的同时,应在大齿轮处采用角接触球轴承承受轴向力;蜗轮所在的轴需要承受蜗轮、工作台和工件的重力,轴上所受轴向力方向应该与重力方向相反,承受较大的轴向载荷,而且需要对

45、中精度高,因此选择有调心性能好的推力调心滚子轴承。 考虑到电动刀架工作时转速很高,并且是不间断工作,温度也很高。故采用油润滑,转速越高,应采用粘度越低的润滑油;载荷越大,应选用粘度越高的。3.8.2 轴承的尺寸 轴承的基本代号包括三项内容:类型代号、尺寸系列代号和内径代号。支持蜗杆回转的轴径分别为30mm和35mm,滚动轴承为深沟球轴承,因此轴承的代号为62206和62207;大齿轮上轴的直径为35,滚动轴承为角接触球轴承,因此轴承的代号为72207;蜗轮上轴的直径为40mm,滚动轴承为推力调心滚子轴承,轴承的代号为22208。3.8.3 轴承的密封装置 轴承的密封装置是为了阻止灰尘,水,酸气

46、和其他杂物进入轴承,并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。此处,采用接触式密封,唇形密封圈。 唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上,以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封,密封唇应朝内;如果主要是为了防止外物浸入,蜜蜂唇应朝外。3.9 联轴器的选择 用来联接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中,有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成,分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。 联轴器的用途

47、很广泛,一般情况下只要有电机或减速机就要用联轴器,大型联轴器在冶金机械上用的比较多。不同的联轴器有不同的作用,综合各种联轴器的作用如下: 1)是把原动机和工作机械的轴联接起来并传递扭矩。2)是可以适当补偿两根轴因制造、安装等因素造成的径向轴向和角向误差。3)安全联轴器当发生过载时,联轴器打滑或销子断开以保护工作机械。4)弹性联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用 联轴器有些已经标准化。选择时先应根据工作要求选定合适的类型,然后按照轴的直径计算扭矩和转速,再从有关手册中查出适用的型号,最后对某些关键零件作必要的验算。3.9.1 联轴器的类型 联轴器种类繁多,按照被联接两轴的相对位置和位置的

48、变动情况,可以分为:1固定式联轴器。主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方,结构一般较简单,容易制造,且两轴瞬时转速相同,主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。2可移式联轴器。主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方,根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联轴器。刚性可移式联轴器利用联轴器工作零件间构成的动联接具有某一方向或几个方向的活动度来补偿,如牙嵌联轴器(允许轴向位移)、万向联轴器(用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方)等,弹性可移式联轴器(简称弹性联轴器)利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移,同时弹性元件也具有缓冲和减振性能

49、,如弹性圈栓销联轴器、尼龙栓销联轴器等。 本次联轴器使用在小齿轮所在的轴与电机的联接。考虑到两轴能严格对中并在工作中不发生相对唯一,联轴器可选用刚性联轴器中的有凸缘联轴器,由铰制孔和受剪螺栓对中如图3-7所示。 凸缘联轴器可以分为基本型凸缘联轴器GY、有对中摔凸缘联轴器GYS和有对中环凸缘联轴器GYH三类。考虑到电机与轴的对中精度要可靠,所在轴受到的转矩不是很大,同时电机转速不大,选用有对中环凸缘联轴器GYH,凸缘联轴器的材料使用中等强度的铸铁HT200。图 3-7 有对中环凸缘联轴器3.9.2 联轴器的尺寸 联轴器类型为有对中环凸缘联轴器GYH。根据电机转速,电机的最大转矩,而小齿轮所在的轴,电机轴径,根据凸缘联轴器参数表3-6所示选得对中环凸缘联轴器型号为。 表3-6 凸缘联轴器参数表型号公称转矩Nm许用转速(r/min)轴孔直径d1、d2轴孔长度LDD1bbsS转动惯量J(kgm2)