金属压缩试验机设计说明

1、.金属压缩试验机的设计摘要金属压缩试验机作为精密检测仪器，需要测量控制力、变形、试验速度、应力-应变率等各种参数，可适用于各种金属材料的物理、工艺性能的检测和分析。广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造、汽车制造、门窗建材、金属制品等行业。本课题金属压缩试验机的设计主要涉及拉压试验机机械部分的设计，主要包括减速机的设计、同步带的设计、滚珠丝杠的设计、治具的设计，设计各部分的验证分析。关键词：压缩试验机、减速机、同步带、滚珠丝杠、校准。摘要_金属拉压试验机作为精密仪器测量控制、变形、试验速度、应力应变率等参数。金属拉压试验机可用于金属材料的各种物理性能、工艺性能的检测和分析。广泛应用于石油化工、

2、航空航天、机械制造、汽车制造、门窗建材、金属制品等行业。本课题金属拉压试验机主要针对机械零件的拉压试验而设计，包括减速机设计、同步带设计、滚珠丝杠设计、夹具设计、各部分的设计验证。关键词:压缩试验机, 减速机, 皮带, 滚珠丝杠, 校核.目录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc358215401 1简介 PAGEREF _Toc358215401 h 1 HYPERLINK l _Toc358215402 2金属压缩试验机结构设计概述 PAGEREF _Toc358215402 h 2 HYPERLINK l _Toc358215403 2.1金属压缩试验机工作原

3、理及概述 PAGEREF _Toc358215403 h 2 HYPERLINK l _Toc358215404 2.2设计原则 PAGEREF _Toc358215404 h 2 HYPERLINK l _Toc358215405 3标本分析 PAGEREF _Toc358215405 h 3 HYPERLINK l _Toc358215406 4滚珠丝杠设计 PAGEREF _Toc358215406 h 4 HYPERLINK l _Toc358215407 4.1滚珠丝杠的工作原理 PAGEREF _Toc358215407 h 4 HYPERLINK l _Toc358215408

4、4.2滚珠丝杠设计计算 PAGEREF _Toc358215408 h 4 HYPERLINK l _Toc358215409 4.3滚珠丝杠副的保养 PAGEREF _Toc358215409 h 8 HYPERLINK l _Toc358215410 5减速机设计 PAGEREF _Toc358215410 h 10 HYPERLINK l _Toc358215411 5.1整体设计 PAGEREF _Toc358215411 h 10 HYPERLINK l _Toc358215412 5.2传动部件设计计算 PAGEREF _Toc358215412 h 14 HYPERLINK l

5、_Toc358215413 6结论 PAGEREF _Toc358215413 h 41 HYPERLINK l _Toc358215414 7参考文献 PAGEREF _Toc358215414 h 42 HYPERLINK l _Toc358215415 8至 PAGEREF _Toc358215415 h 43.1 简介材料试验机在国外已有200多年的历史，从最简单的代码去除和加载到各种以数字技术为特征的材料试验机。试验机制造已经成为一个独立的产业，试验机技术也成为一个国家工业发展水平的标志。材料试验机是用于测量金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等在各种条件和环境下的力学性能、工艺

6、性能、局部缺陷，以及验证材料动不平衡的精密测试仪器。旋转部件。在研究和探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，材料试验机是不可或缺的重要试验仪器。不同行业的材料抗压强度不同，所以压力试验机的测量范围也不同。虽然测试范围向下兼容以最大测试力为上限，但使用大范围的设备来测试抗压要求不高的样品。 ，很难保证测试结果的准确性。因此，各试验机厂家都会在技术指标上注明力值测量范围，如：范围为4%-100%FS。选择压力试验机的正确方法是：根据样品的材质和规格，向厂家询问压力试验机的型号和适用范围，也可以将样品提供给厂家进行测试方便压力试验机的选择。金属压缩试验机作为精密检测仪器，需要测量控制力、变形、

7、试验速度、应力-应变率等各种参数，可适用于各种金属材料的物理、工艺性能的检测和分析。广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造、汽车制造、门窗建材、金属制品等行业。本金属压缩试验机采用先进技术，全数字放大、采集、闭环控制，显示稳定、精度高、使用方便。主机采用伺服电机、伺服驱动器、减速机、高精度滚珠丝杠、电子传感器，具有传动平稳、噪音低、转速精度高、调速范围广、使用寿命长等特点。实验数据曲线。处理、存储、打印、绘制曲线、打印完整报告、进行过程调整和生产控制。本课程设计了金属压缩试验机的设计。主要设计用于低碳钢和铸铁的金属拉压试验机。整个设计主要包括电机的选型、减速机的设计、螺杆体的设计等。此外，还包

8、括考虑整个设计的合理性，检查各关键部位的刚度和强度。2 金属压缩试验机结构设计概述2.1 金属压缩试验机工作原理及概述本设计中，三角带与电机相连，三角带与减速机相连，再由同步带带动两根丝杠同步转动，使横杆垂直运动，从而实现水平梁向下压缩试验材料的压缩实验。本次设计主要包括电机的选型、减速机的设计、丝杠的设计、压缩机机架的设计。2.2 设计原则金属压缩试验机的所有零部件应考虑以下三个基本原则：(1) 尽可能满足工艺要求，便于操作；(2)强度和刚度合理，使用可靠，不易损坏。(3)经济性好，重量轻，维修操作方便。3 标本分析表 3-1压缩试验试样尺寸和最大载荷低碳钢铸铁直径横截面面积长度承受最大负荷

9、10.00mm78.54毫米30.00mm42.6kN10.00mm78.54毫米30.00mm51.4kN数据分析：根据以上两个表中的数据，如果要完成抗压试验，梁所能提供的最大载荷必须大于51.4kN。因此，提出本设计金属压缩试验机的最大输出载荷为60kN，梁的最大速度为500mm/min。4滚珠丝杠设计4.1滚珠丝杠的工作原理滚珠丝杠副具有放置在丝杠和螺母之间的滚珠。当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺旋滚道滚动，使丝杠与螺母之间产生滚动摩擦，提高了传动效率和传动精度。螺母上有回球装置，使滚珠通过该装置自动返回其入口，形成循环回路。4.2 滚珠丝杠的设计计算(1) 滚珠丝杠副载荷静摩擦力(4-1)

10、在公式中- 摩擦系数，找到= 0.2- 光束重力代入参数得到：最大负载(4-2)最小负载(4-3)式中梁的最大输出压力- 光束重力- 抓手重力代入参数得到：等效负载(4-4)代入参数得到：(2) 预期动载荷根据滚珠丝杠副的预期行程计算：(4-5)式中， 预期运行距离， =800mm- 精度系数。根据精度等级检查= 1.0- 可靠性因素。根据可靠性检查= 1.0- 负载系数。由于滚珠丝杠基本无冲击，选择=代入参数得到：(3)确定最小内容螺纹底径螺杆最大内容轴向变形量(4-6)式中，定位精度得到的定位精度为代入参数得到：丝杠最小螺纹底径(4-7)其中： - 最小螺纹底径- 螺杆的最大内容轴向变形-

11、 静摩擦力(4-8)其中， 滚珠丝杠的螺距，已知代入参数得到：(4)确定滚珠丝杠的规格代号根据计算，选择相应规格的滚珠丝杠副BNFN4010-3，及其对应参数： ， ，公称直径， 。(5) 滚珠丝杠副预紧(4-9)在公式，代入参数得到：(6) 滚珠丝杠副的预紧力(4-10)代入参数得到： (7)滚珠丝杠副的最高转速(4-11)(8) 滚珠丝杠副的轴向载荷轴承最大轴向载荷：(4-12)式中滚珠丝杠副的预紧力-最大负载代入参数得到：(9)滚动轴承轴承类型的确定选择带固定端的支撑形式，60角接触推力球轴承， 760 3 0 40 TVP轴承，对应参数如下： ，最大轴向力。(10) 滚珠丝杠副传动系统

12、的刚性最小抗压刚度(4-13)式中， （根据型号BNFN4010-3得到）代入参数得到：最大抗压刚度(4-14)在哪里：代入参数得到：(11) 支撑轴承的组合刚度一对预紧轴承的组合刚度：(4-15)在公式中， 球直径，检查760 3040 T V P 得到： 球数，根据型号 BNFN4010-3 轴承接触角，- 最大轴向工作载荷(4-16)代入参数得到：支撑轴承组合刚度：(4-17)代入参数得到：滚珠和滚道的接触刚度：(4-18)式中，根据型号BNFN4010-3，可得：代入参数得到：(12) 滚珠丝杠副刚度验证(4-19)代入参数得到：因此，符合滚珠丝杠副的刚性要求。4.3 滚珠丝杠副的保养

13、(1) 滚珠丝杠副的润滑滚珠丝杠润滑不良会同时导致数控机床的各种进给动作出现误差。因此，滚珠丝杠的润滑是日常维护的主要内容。使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐磨性和传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损系统中使用的油，润滑脂可以是锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的外壳空间内，而润滑油则通过外壳上的油孔注入螺母空间。每六个月更换一次滚珠丝杠上的润滑脂，清除丝杠上的旧润滑脂，并涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副可在每次机床运行前加油一次。(2)螺杆支撑轴承的定期检查定期检查丝杆支座与床身的连接是否松动，连接件是否损坏，以检查丝杆支座轴承的工作状态和润滑状态。(3

14、) 滚珠丝杠副的保护滚珠丝杠副与其他滚动摩擦传动装置一样，应避免硬尘或切屑污垢的进入，因此必须配备保护装置。如果滚珠丝杠副外露在机床上，应采用封闭式保护罩，如螺旋弹簧钢带套、伸缩套、折叠套等。安装时，将保护盖的一端连接到滚珠螺母的一侧，另一端连接到滚珠丝杠的轴承座上。如果滚珠丝杠副处于隐藏位置，可以用密封圈保护，密封圈安装在螺母的两端。接触式弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其孔做成与螺纹滚道相匹配的形状；接触式密封圈防尘效果好，但由于接触压力，摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，由硬质塑料制成，其孔与螺纹滚道形状相反，有微小间隙，可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中避免撞击保护

15、装置，保护装置损坏应及时更换。5 减速机设计5.1 整体设计图5-1减速机结构图5.1.1电机的选择(1) 电机类型的选择根据电源和工况，选用Y系列三相异步电动机。(2)电机功率的选择工作机所需的有效功率为：(5-1)(5-2)式中滚珠丝杠副的导程-滚珠丝杠副的预紧力-滚珠丝杠副的效率，由于滚珠丝杠副的精度是1级，可以发现工作效率，取1-滚珠丝杠副的切向力-同步皮带线速度r丝杠半径(5-3)式中步进皮带轮直径- 滚珠丝杠最大速度(5-4)定步带轮的齿数为40，根据机械设计基础第二版确定带型为H型，对应的节距为（同步带的具体设计将在第 6 章有更详细的说明）。代入参数得到：代入(5-3)得：将参

16、数代入(5-2)得到：将参数代入(5-1)得到：为了选择电机所需的功率，需要确定传动装置的总功率，可参见机械设计：皮带传动；滚动轴承；圆柱齿轮传动、锥齿轮传动；那么传输设备的总功率为(5-5)代入参数得到：电机所需功率：(5-6)代入参数得到：根据电机所需功率：选择三相异步电动机Y100L2-4，功率为3kw，转速为由于螺杆的转速(5-7)式中梁的最大速度- 滚珠丝杠螺距代入参数得到：选择同步带的传动比为1，得到减速机输出轴的转速，得到总传动比5.1.2传动比分布总传动比，V带传动比选为；因此，得到减速器的传动比(5-8)代入参数得到：由于圆锥圆柱齿轮减速机，根据公式(5-9)(5-10)代入

17、参数得到：5.1.3传输计算(1) 各轴转速的计算(2) 各轴输入功率的计算(3) 各轴输入扭矩的计算5.2 传动件设计计算5.2.1V带传动设计(1) 确定算力(5-11)式中电机所需功率- 工况系数，查看机械手册代入参数得到：根据选用A型窄V带。(2)确定皮带轮的基准直径主动轮参考直径，从动轮参考直径调整为。皮带速度基于以下公式：(5-12)代入参数得到：(3)确定三角带的基准直径和传动中心距根据中心距的初步确定，(5-13)代入参数得到：皮带的参考长度由“机械设计”选择。实际中心距(5-14)代入参数得到：(4)检查驱动轮包角(5-15)代入参数得到：因此，驱动轮上的包角是合适的。(5)

18、 计算窄V波段的数Z(5-16)从; ; ;检查“机械设计”表中的线性关系： ; ; .代入参数得到：取 z=3 个根。(6) 计算预紧力(5-17)查看教科书机械设计 ，代入参数得到：(7) 确定带宽皮带轮宽度取自机械设计教科书。5.2.2锥齿轮的设计(1)选择锥齿轮的精度等级、材料和齿数因为速度不高。因此选择7级精度材料选择 根据机械设计表10-1，小齿轮材料为45钢，调质处理，平均硬度为235HBS。大齿轮材质为45钢，正火，硬度190HBS，两者硬度差45HBS。选择小齿轮的数量，然后选择齿轮比(5-18)代入参数得到：(2)根据齿面接触强度设计按设计计算公式试算(5-19)确定参数值

19、如下：试载系数小齿轮扭矩选择齿宽系数可根据齿面硬度求出小齿轮的接触疲劳强度极限和大齿轮的接触疲劳强度极限。材料的弹性影响系数取自机械设计根据公式（10-31）计算应力循环次数：接触疲劳寿命系数取自机械设计 。计算接触疲劳应力安全系数，根据公式：(5-20)(5-21)(5-22)代入参数得到：接触强度载荷系数根据机械设计找出动态恐怖载荷系数； ; .根据大齿轮两端的支承和小齿轮的悬臂布置，由机械设计表得出轴承系数，按公式：(5-23)代入参数得到：接触强度载荷系数(5-24)代入参数得到：将得到的参数代入(5-18)(3)计算锥齿轮的参数计算圆周速度V(5-25)代入参数得到：修正实际载荷系数

20、计算出的分度圆直径(5-26)代入参数得到：计算模数(5-27)代入参数得到：拿 4.5计算齿轮的其他相关参数分度圆直径(5-28)(5-29)分度锥角(5-30)(5-31)锥距(5-32)附录高度(5-33)根高(5-34)补角( 5-35)根角(5-36)附录直径(5-37)(5-38)根圆直径(5-39)(5-40)齿宽(5-41)代入参数得到：分度圆直径分度锥角锥距附录高度根高补角根角附录直径根圆直径齿宽拿。(4)检查齿根弯曲疲劳强度计算等效齿数(5-42)(5-43)代入参数得到：, , 和应力修正系数： , ,取自“机械设计”表。大齿轮从“机械设计”中找到。, ,取自机械设计教科

21、书 ，取弯曲疲劳安全系数计算弯曲疲劳许用应力，按下式：(5-44)(5-45)代入参数得到：检查弯曲强度(5-46)(5-47)代入参数得到：因此，满足抗弯强度要求。5.2.3圆柱齿轮的设计(1)选择圆柱齿轮的类型、精度等级、材料和齿数根据传动方案选择圆柱斜齿轮传动。由于速度不高，选择7级精度。选择的小齿轮材料为45钢，调质处理，平均硬度为250HBS。大齿轮材质为45钢，正火，硬度220HBS，两者硬度差30HBS。选择小齿轮的数量，然后， 。螺旋角的初步选择。(2)按齿面接触疲劳强度设计(5-48)确定公式的参数尽量选择负载系数。从教材机械设计的10-30中选择区域系数。 查自教材机械设计

22、10-26 ，；然后。小齿轮传递扭矩。 取自教材机械设计表10-7 。材料的弹性影响系数取自机械设计表10-6 。大齿轮的计算可参见机械设计教科书的图10-21d 。 按公式（10-31）计算应力循环次数； ;从机械设计教科书的图10-19中找出寿命系数，计算接触疲劳所需的应力安全系数，根据公式：(5-50)(5-51)代入参数得到：将得到的参数代入(5-47)(3)计算圆柱齿轮的参数计算圆周速度(5-52)代入参数得到：计算齿宽和模数(5-53)(5-54)代入参数得到：齿高(5-55)代入参数得到：代入参数得到：(5-56)代入参数得到： 计算负载率机械设计教科书10-2 ，根据7年级的精

23、度，见被引教科书图10-8：动载荷系数，见被引教科书表10-3：从被引教科书表 10 -4 求精度 7 级，调质小齿轮相对于支座不对称排列时： ，根据负载系数 实际载荷系数修正计算出的分度圆直径(5-57)代入参数得到：计算模量(5-58)代入参数得到：摘 要(4)圆柱齿轮其他参数的计算 计算中心距代入参数得到：圆角为 EMBED Equation.DSMT4 130 毫米。根据圆角后的中心距计算螺旋角(5-59)代入参数得到： 计算大小齿轮分度圆的直径(5-60)(5-61)代入参数得到：计算齿轮宽度(5-62)代入参数得到：圆形,(5)按齿根弯曲疲劳强度设计(5-63)计算负载率(5-64

24、)代入参数得到： 、根据纵向重合程度，查机械设计教科书10-28对螺旋角的影响系数 计算等效齿数(5-65)(5-66)代入参数得到： 齿数系数和应力修正系数取自机械设计教科书的表10-5 ， ， ， 。“机械设计”的图10-20中可以找到大齿轮。弯曲疲劳寿命系数取自机械设计教科书的图10-18 。 计算弯曲疲劳的许用应力 取弯曲疲劳弯曲系数，按公式：(5-67)(5-68)代入参数得到： 检查弯曲强度(5-69)(5-70)代入参数得到：因此，满足抗弯强度要求。低速齿轮传动的尺寸：5.2.4轴设计(1) 轴的材料选择和最小直径估算根据工况，主轴材质为45钢，经调质处理。纽扣强度法用于估计最小

25、直径，即：(5-71)在轴径的初始计算中，如果最小直径轴的末端有键槽，还应考虑键槽对轴强度的影响。根据机械设计教材表15-3，确定高速轴、中间轴和低速轴。高速轴：如果在高速轴最小直径处安装大皮带轮，并提供键槽，则,整数中间轴：由于滚动轴承安装在中间轴的最小直径处，因此取其为标准值低速轴：由于联轴器安装在低速轴的最小直径处，有键槽，则：(2) 轴的结构设计高速轴设计：最小直径，因要求，取：轴承处的轴截面，滚动轴承选用30306，其尺寸为，：由于轴肩用于轴向定位，30306轴承定位肩的高度为，所以：滚动轴承处的轴截面，滚动轴承为30306，尺寸为，：安装齿轮的轴部分，取：由V带轮毂孔的宽度决定：由

26、于滚动轴承选为30306，其尺寸为，所以：由箱体结构、轴承端盖及装配关系决定：由于滚动轴承选为30306，其尺寸为，所以：根据锥齿轮轮毂的宽度，选择中间轴设计：轴承30306因要求，取：根据肩段，取：根据轴齿轮直径：安装肩部: 安装锥齿轮：摘 要：根据设计安装要求，选择：齿轮轴段，：根据设计安装要求，取：安装锥齿轮，取： 低速轴结构设计：根据31310型轴承的定位要求，取：根据大齿轮的定位要求，取: 肩，拿过渡轴，：根据31310型轴承的定位要求，取：摘 要：摘 要：根据轮宽，选择： 肩膀过渡轴：取按31310型轴承：摘 要5.2.5轴校准(1)高速轴的校准锥齿轮：(5-72)(5-73)代入

27、参数得到：垂直面支座反作用力5-2高速轴垂直面受力分析图从支点 B 周围的矩的总和：得到：从支点 A 周围的矩的总和：得到： 水平面上的反作用力5-3高速轴水平面受力分析从支点 B 周围的矩的总和：得到：同样，从支点 A 周围的矩的总和：得到：A点总支路反作用力B点总支路反作用力垂直面弯矩水平弯矩 复合弯矩 等效力矩由于是单向旋转轴，因此将扭剪应力视为脉动循环变应力，换算系数为地点 B： 弯矩组合强度检查时，通常只检查承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面B）的强度根据选用的轴材料45钢，调质，在机械设计表15-1中发现，强度足够。(2) 中间轴的校准锥齿轮：(5-74)(5-75)(5-76)

28、代入参数得到：圆柱小齿轮：(5-77)(5-78)(5-79)代入参数得到：垂直面支座反作用力中间轴垂直面受力分析图由围绕支点 B 的矩的总和，我们得到得到：同理，围绕支点 A 的力矩之和为：得到：水平支撑反作用力中间轴水平面受力分析图从支点 B 周围的矩的总和，我们得到：得到：同理，从支点 A 周围的矩之和，我们得到：A点总支路反作用力B点总支路反作用力垂直面弯矩C处的弯矩D处的弯矩水平面弯矩C处的弯矩D处的弯矩 复合弯矩地点 C 等效力矩由于是单向旋转轴，因此将扭剪应力视为脉动循环变应力，换算系数为地点 C：丁：弯扭复合强度校核检查时，通常只检查轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面D）

29、的强度(5-80)代入参数得到：根据选用的轴材料45钢，调质，在机械设计表15-1中发现，强度足够。(3) 低速轴的校准大圆柱齿轮：(5-81)(5-82)(5-83)代入参数得到：垂直面支座反作用力5-6低速轴垂直面受力分析图由围绕支点 B 的矩之和，我们得到同理，由围绕支点 A 的力矩之和：得到：水平支撑反作用力低速轴水平面受力分析从支点 B 周围的矩的总和，我们得到：同理，从支点 A 周围的矩之和，我们得到：得到：A点总支路反作用力B点总支路反作用力垂直面弯矩水平面弯矩地点 C： 复合弯矩 等效力矩由于是单向旋转轴，因此将扭剪应力视为脉动循环变应力，换算系数为地点 C：弯扭复合强度校核检

30、查时，通常只检查轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面D）的强度(5-84)代入参数得到：根据选用的轴45钢材质，调质处理，见机械设计表15-1，正因为如此，实力才足够。5.2.6密钥选择和验证(1) 高速轴键的选择与验证已选：高速轴键1是，标注： 10 。高速轴键 2标有： 。由于是同一轴上的键，因此传递的扭矩是相同的，所以只需检查短键 1. 齿轮轴段；键工作长度、键接触高度、传递扭矩；根据“机械设计”表6-2静态求出键的许用挤压应力。(5-85)代入参数得到：因此，高速轴键的连接强度是足够的。(2) 中间轴键的选择和检查选中：中间轴键 1 为，标记： 。齿轮轴段；键工作长度、键接触高度、

31、传递扭矩；根据“机械设计”表 6-2静态求出键的许用挤压应力。因此，中间轴键的结合强度是足够的。(3) 低速轴键的选择与验证选中：低速轴键 1 为，标记： 。低速轴键 2标有： 。由于是同一轴上的键，因此传递的扭矩是相同的，所以只需检查短键 1. 齿轮轴段；键工作长度、键接触高度、传递扭矩；根据“机械设计”表6-2静态求出键的许用挤压应力。因此，低速轴键的连接强度是足够的。5.2.7滚动轴承的选择(1) 高速轴滚动轴承的选择根据载荷和转速，计划选用圆锥滚子轴承。根据，选择轴承30306，其基本参数： 、 、 、 、 。(2)中间轴滚动轴承的选择根据载荷和转速，计划选用圆锥滚子轴承。根据，选择轴承30306，其基本参数： 、 、 、