动态监测双直线电机同步推力结构设计说明

动态监测双直线电机同步推力的结构设计摘要图1-4此方案采用机构设计关键之处是发现了恒转矩电机，它是用日本orientalmotor公司生产的BX系列的无刷直流电机。次电机最大的特点就是除了能像普通电机一样工作外，还能产生再生磁力，提供一个恒定的转矩，比如在上下驱动时可控制均匀的速度。试想如果以次电机去提供一个恒定的转矩通过机构的变化使之变成一个恒定的阻力，在与测力仪连接的同时，即可得到电机从运动到静止时力的变化情况。如何将恒定的转矩转变为恒定的力，并且在这一过程中还可以实现将转动变为直线运动这一运动方向的改变。如图1-4所示：对于换向机构，常用的有齿轮齿条机构，斜齿轮机构，与丝杠螺母机构等。首先，斜齿轮机构可以实现换向，但在此试验的测试中，要实现动态测量，即在直线电机运动的过程之中要时刻监测到力的变化情况，斜齿轮显然不能满足要求。第二，齿轮齿条机构，如果将齿轮与电机相连，齿条固定，电机提供了恒定的转矩，齿轮与齿条啮合滚动的同时又可进行动态的测量。此方案，看似已经满足了要求，但仔细想一下还是存在许多问题：齿轮与电机相连，齿轮在滚动的同时电机也要运动，那么对于电机的放置又存在了问题。如果齿轮与电机相连，齿轮固定，齿条运动，在测试的过程中看似也能实现一动态测量，但也有很严重的问题：测力仪如何与齿条连接起来，齿条的刚度肯定不能承受所测的力的大小；由于齿条在运动，所测的直线电机运行的距离为2m左右，在电机运动到端点时，则齿条会伸出很长一段距离，由于齿条不能弯折，伸出的长度如何处理又存在很多问题。如此看来，齿轮齿条换向机构也不是很好的选择。最后，看一下丝杠螺母机构。如果将丝杠固定不动，转动丝杠可以实现螺母的直线运动。反之，如果推动螺母，也可以实现丝杠的转动。试想，可以选定一种合适类型的丝杠，我们选用的测力仪信号尺寸很小，长度只有3cm左右，完全可以方便的装到螺帽上。丝杠固定住，一端与电机相连，用电机提够恒定的转矩，通过丝杠与螺母的转换，即可提供一个恒定的阻力。测力仪左端与螺母相连，右端与直线电机相连，即可实现一动态的测量。由于此电机的不能承受很大的轴向力，故加一齿轮箱，使轴向力不要直接作用与电机轴上。恒转矩电机与齿轮箱可固定于台架上。同理，这个台架也是可移动，也调节高度的台架。比较两种方案的优缺点对于液压控制方案，可实现动态的测量，但是不容易提供稳定的阻力，液压缸的伸长量也有一定限制。对于机构控制方案，机构简单，使用安装都非常方便，可以用简单的方法解决问题，因此本设计决定采用第二种方案。参数的计算本直线电机的设计参数是最大速度不超过100m/s,最大推力为4000N。则对于丝杠螺母传动，齿轮传动首先要达到零件的性能要求，使零件在试验的过程中保持最小的变形，试验精度达到最高。初步估计，所要测试的刚度有丝杠的变形程度，齿轮的齿根弯曲强度与齿面接触强度轴承的寿命计算等等，具体将在后面章节做详细介绍。测力原理直线电机的工作原理如图2-1所示,直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展开成平面而成。

图2-1直线电机的转变过程由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程围初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。恒转电机的工作原理本试验采用的电机为BX系列的无刷直流电机[11]，它可以提供恒定的转矩,在上下驱动的场合也可以控制恒定的速度，同理，在此次试验中，我们只是将上下运动的场合改为水平运动用于提供一个恒定的阻力。恒转矩电机的工作特性（1）广泛的速度控制围·均匀转矩在30r/min～3000r/min广泛的可变速度控制围、发挥低速至高速的均匀转矩。通过更高的起动转矩时可在起动、停止时，使用较大的转矩。（2）卓越的速度稳定性其速度变动率为±0.05%（对负载）时，实现了高精度的速度控制。此外，可在中高速时、大幅减低运行的不均匀现象。（3）上下驱动时可控制速度使用带电磁制动电动机进行上下驱动（下降运行）时，仍可稳定的控制速度。也可以通过驱动器进行自动控制电磁制动。请注意∶上下驱动时，产生再生能量。请务必使用另售的再生器。（4）系统升级套件可提升性能加上另售的系统升级套件并经数字设定后，可大幅提高速度控制的功能与特性。扩大速度控制围3～3000r/min；改善速度变动率对温度∶±0.05%（基本型∶±0.5%）；最多可设定8段速度数据（基本型∶2段）。图2-2系统升级套件样板（5）转矩限制功能使用系统升级套件，即可使用转矩限制功能。对应用途或使用状况，转矩限制功能可控制电动机输出转矩。图2-3说明了它的使用情况。图2-3（6）定位控制模式只需以系统升级套件设定数据，即可控制定位。分辨率达0.72˚（500脉冲／1转）节，最多可设定6点的定位数据，其中可设定至2点为连续运行用。此外，也可以设定机械原点返回、电原点返回运行。恒转矩电机的系统构成如图2-4所示：此电机的组成设备有电机，弹性联轴器，驱动器，中继电缆线，速度可设定变阻器，系统升级套件，再生器（由于上下驱动或大惯性的急剧起动时释放出大量能量，此仪器起到一定散热作用，在上述场合中使用时必须必备）。图2-4系统构成图速度控制规格速度控制规格分为基本型和系统升级时两种类型。对于基本型，电机驱动器的基本组合产品在使用时适用产品。它的速度控制围为30-3000r/min(模拟信号设定)。缓慢起动、缓慢减速时间（3000r/min）所有速度数据通用，模拟信号（部缓慢起动·缓慢减速时间设定器）设定时0.1～15s。转速设定方法是由模拟信号设定，2段速度。转速控制指令有两种：部速度设定用可变电阻器（1个）；外部模拟信号设定外部速度设定用可变电阻器（20kΩ，1/4W）或外部直流电压（DC0～5V、输入阻抗15kΩ）。速度变动率针对的对象不同，变动率也不同。对负载速度变动率为±0.05%（3000r/min额定转矩时）；对电压的速度变动率为±0.05%（电源电压输入围3000r/min无负载时）；对于温度的速度变动率为±0.5%（环境温度0～＋50℃3000r/min无负载时）。在系统升级时，要使用适用于使用另售之系统升级套件(OPX-1A)时的规格。(速度控制模式与定位控制模式通用)它的速度变化围在模拟信号设定时为30-3000r/min,在数字设定时以1r/min单位设定为3～3000r/min。缓慢起动、缓慢减速时间（3000r/min时）为两种情况：一种为模拟信号（部缓慢起动·缓慢减速时间设定器）设定时0.1～15s；一种为数字设定时0～30s（以1s单位设定）。转速设定方法也有两种：一种为模拟信号设定2段速度；一种为数字设定8段速。转速控制指令有三种情况，分别为：数字设定（由系统升级套件进行设定）；部速度设定用可变电阻器（1个）；外部模拟信号设定，外部速度设定用可变电阻器（20kΩ，1/4W）或外部直流电压（DC0～5V、输入阻抗15kΩ）。速度变动率同样分三种情况，具体情况与基本型一样。恒转矩电机转矩控制功能这种功能是在系统升级时适用，因追加另售的系统升级套件(OPX-1A)，可在速度控制模式与定位控制模式下，对电动机的输出转矩设定限制。对于转矩限制指令可按以下条件、设定任何1种转矩限制。数字统一设定∶对于全部数据设定统一的转矩限制值。数字个别设定：8点数据分别设定不同的转矩限制值。外部模拟信号统一设定∶外部速度设定用可变电阻器（20kΩ，1/4W）、或以外部直流电压（DC0～5V）任意设定。对全部数据设定统一的转矩限制值。如将电动机的瞬间最大转矩视为100%时，可以设定其围以下的转矩限制值。转矩限制围数字设定时∶1～100%（1%单位设定）；外部模拟信号设定时∶外部速度设定用可变电阻器（20kΩ，1/4W）、或以外部直流电压（DC0～5V）1～100%设定。这时应注意∶因设定速度或电源电压电动机电缆线、延长距离等因素可能造成设定值与产生转矩的最大误差约为20%左右。但特别按同一条件的反应精度约可达到10%左右。建议转矩限制值设定在20%以上。恒转矩电机的规格恒转矩电机的规格可分为通用规格和一般规格。对于通用规格电动机绝缘等级为A种（105℃），控制方式为正弦波PWM方式。速度定位控制检测方式为光学编码器（500P/R），速度定位控制检测方式是光学编码器（500P/R）。输入信号经由光耦合器输入方式，等效输入电阻2.3kΩ藏电源＋15V即可工作，顺时针方向运转（起动）、可作运行数据选择、电动机控制解除、制动或警报解除。其输出信号为开路集电极输出，外部电源为DC4.5V～DC26.4V在警报、运行中（转矩限制中），警报脉冲为40mA以下，速度输出为20mA以下。保护功能有输出警报信号，此时电动机会自然停止或带电磁制动自动停止，还有过载保护、过压保护、位置偏差过大保护、过流保护、速度过快保护、EEPROM数据错误、编码器异常、低压保护等。对于一般规格的电动机除编码器外，它的绝缘电阻为外壳线圈间以DC500V高阻表测试，其值大于100MΩ以上，驱动器的绝缘电阻以DC500V高阻表测试，其值也大于100MΩ以上。对于绝缘耐压的要求，电动机是外壳到线圈间施加50Hz或1.5kV，电压1分钟无异常，驱动器所要满足的是以下列条件，施加1分钟后亦无异常,外壳－电源输入端子间AC1.5kV50Hz，信号输入或输出端子至电源输入端子间为AC1.8kV50Hz。电机的使用工作环境为温度是0℃～＋50℃（无结冻），湿度是85%以下（无结露）。2.2.6转速转矩特性如图2-5所示：电机有两种运行领域，一种是连续运行领域，还有一种是短时间运行领域，它主要为加速时使用的领域。当负载超过额定转矩持续约5秒时，电动机会因过负载保护功能工作而自然停止，一定要特别注意。由于计算下来，我们选用的电机为BX5120CM-A。图2-5电机的转矩转速图测力仪测量原理ICP传感器的测力原理图ICP传感器是由PCBPIEZOTRONICS公司生产，这种传感器包括一个置MOSFET的微电子放大器。它的原理是将转换的高阻抗电荷输入到一个低阻抗电压信号进行分析或记录。这种测力传感器，经过能够长期使用的普通同轴电缆或带状无信号衰减电缆线，因此这种低阻抗电压信号不会受到电缆噪音或周围环境的干扰。图2-6传感器部原理图需要驱动ICP传感器的能量很低，需要的电压为24-27VDC，电流为2-20mA去恒定供应。对于图2-6（Figure1）,它直观的说明了ICP传感器系统。PCB公司提供了许多交流或电池供电，单一或多个信道功率的信号条件下，使用力传感器能够获得更多功能。此外，PCB公司也为这种动态力传感器配置了许多数据采集系统。图2-7详细描绘了一个完整的2线路ICP传感器系统配置图2-7传感器系统配置图ICP测力仪的连接方式根据之前对测力仪的选择，本试验已选择了221B系列的传感器。221B系列至2227系列的传感器被设计为能承受的拉力为44.8N到222.4KN,能承受的压力为44.8N,至133.4KN。这种连接是由两个六角螺母，预装在ICP传感器的环上。所有的六角螺母为了便于安装均采用国标准。外部安装不适用于这种传感器，因为它们是由制造商生产的部安装。拧松或拧紧六角螺母将会改变传感器部的预紧。在这里，提供灵敏度校准的说明书将不在出现在这里。图2-8传感器的连接方式ICP测力仪的安装说明在这种安装条件下，用来预紧的螺栓不会分解有效力。传感器顶部的平板有一个通孔，是为了让螺栓传入。如图2-9所示：在这种安装条件下，由于螺栓的螺线不是直接的作用于这个顶部的平台，所以它是一种典型的安装，不会分解任何力。这种安装方法包括了一系列的传感器在平面条件下的安装。图2-9测力仪安装方式如果以下条件任何一种情况用于预紧力的应用，它的灵敏度和线性能力将不会与此传感器相匹配。使用的螺栓不是由铍铜合金的螺栓。不用螺栓预紧力超出了许用围。使用了非标准的安装。2.3.4测力仪疑难问题的解决如图2-10所示：当所有的安装条件均满足时，这是我们可以连接好线路，打开电源，观察输出的信号变化。输出的电压将会从从黄灯慢慢的变为绿灯知道变化稳定。附加的AC信号条件需要足够的时间去调整部的耦合电容器。图2-10测力调试说明结构设计整体结构的规划前面已经简单的介绍过，对于本设计将采用螺母丝杠传动机构，至于优缺点与合理性前面均已做过说明，本章将详细介绍结构上的细节问题。如图3-1所示：将测力仪的左端接在丝杠传动的螺母上，测力仪右端装在直线电机上，侧端接出数据线。右端可以做个肋板，在板上嵌磁吸盘，便可方便的装在实现电机上。丝杠的右端装有一对齿轮啮合。对于齿轮的啮合工作时有一定的润滑要求，因此齿轮要装在齿轮箱中。另一个齿轮轴的一端用联轴器与电机连接起来。图3-1测力结构装配图丝杠传动的结构设计图3-2具有高精度，高效率的滚珠丝杠副，现已成为传动中较为新型的传动元件之一。概括的讲它又如下优点：1、摩擦损失小，传动效率高。由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动的效率可达90~96%，约为滑动螺旋机构效率的2~3倍。2、磨损小，寿命长。通常，滚珠丝杠副的主要零件，如丝杠、螺母与滚珠都是经过淬硬的，并有很低的表面粗糙度，因而具有良好的耐磨性。3、轴向高度高，由于滚珠丝杠副可以完全地消除传动间隙，而不影响丝杠运动的灵活性，因而可获得较高的轴向刚度。通常，通过预紧来提高轴向刚度。4、阻力小，运动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且静止摩擦系数极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动较平稳，启动力矩与运动力矩近于相等。5、不能自锁。滚珠丝杠没有自锁能力，故运动具有可逆性。本设计正是利用这一原理。丝杠传动的工作原理如图3-2所示：滚珠丝杠副[12]是在丝杠与螺母之间放入适量的滚珠，使丝杠与螺母之间有滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传动。丝杠运动副在机械传动中，同样是可以将旋转运动变为直线运动，也可以讲直线运动变为旋转运动。滚珠丝杠副一般是有丝杠，螺母，滚珠（钢球），与滚球循环返回装置四个部分组成。滚珠丝杠副是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间，连续填满滚珠作为中间体的螺旋传动。当螺母（或丝杠）转动时，在丝杠与螺母间布置的滚珠一次沿螺纹道滚动，同时滚珠促使丝杠（或螺母）做旋转运动（直线运动）。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置（反相器），构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道运动后，经通道自动的返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断的参与工作。为了消除见习和提高传动精度与刚度，滚珠螺母常有两段组成。一段为外循环，一段为循环。滚珠丝杠的结构尺寸由于丝杠传动副逐渐趋于标准化，本设计决定使用由HIWIN公司生产制造的丝杠传动副。HIWIN生产的丝杠有两种等级一是精密制造，一是超精密制造，根据试验的要求和成本因素，本设计决定采用精密制造。如图3-3所示：根据实验的参数，考虑到丝杠的长度对刚度的形象，本设计才用的是公称直径为40，导程为20的右旋丝杠。图3-4丝杠的尺寸要求图3-3丝杠的尺寸系列对于丝杠结构轴端尺寸设计，可参考图3-4。图3-5对丝杠进行三维建模丝杠的两端装有角接触轴承。轴承作用于箱体固定于升降台的台面上。在丝杠的左端装有键槽，由于安装齿轮。滚珠丝杠的螺母结构尺寸图3-6螺母的外形尺寸和相应数据图3-7按照尺寸对螺母进行三维建模结合图3-6螺母的外形尺寸和相应的数据即可对螺母进行相应的三维建模。建模图形如图3-7所示。3.3齿轮箱的结构设计3.3.1箱体的构造分析齿轮箱的机构设计结合了减速箱箱体的结构设计[11]箱体是用来支撑和固定部保证传动件啮合精度的重要几件，其重量约占整个机构的50%，对部零件的性能、尺寸、重量和成本均有很大影响。箱体的具体结构与减速器传动件、轴系和轴承部件与润滑密封等密切相关，同时还应综合考虑使用要求、强度、刚度与铸造、机械加工和拆装方便等多方面因素。当一对齿轮的中心距、齿宽和齿顶圆直径确定之后，箱体结构最原始的构；上下箱体做成具有一定壁厚，接合面相应设两排半圆形轴承座孔的长方体；箱体壁侧与小齿轮两端面有间距△2；与齿顶圆有间距△1（小齿轮处有时因为总体机构需要放大）；上箱体顶壁与大齿轮齿顶圆亦有间距△1；下箱体底壁与大齿轮顶圆的间距应不小于30~50mm，按结构或油的容量确定。为使上下箱体可靠的定位和连接，其结合面均向外作出一定厚度的凸缘，凸缘宽度由其连接螺栓所需要的扳手空间尺寸c1,c2而定。为适应轴承宽度和安防轴承盖，不是加大箱体两侧壁厚而是采取在座孔周围箱壁外扩成具有一定宽度L的轴承座，并在轴承座两旁设置凸台结构，使连接的螺栓能仅靠座孔以提高连接刚性。凸台的结构应设计为两边的螺栓尽量考的近些，但对有输油沟的箱体以避免漏油和油沟失去供油作用，常取S=D2(D2为轴承外径)。此外，还要注意连接螺栓不要与端盖螺钉发生干涉。箱体结构应具有良好的工艺性。铸造箱体应力求形状简单，为便于造型时取模铸件表便沿拔模方向应有斜度，对长度为25~500mm的铸件，拔模吸毒为1:10~1:20。铸造箱体不可太薄，否则易出现铸件充填不满的缺陷。铸造箱体还应力求壁厚均匀，防止金属积聚，以免铸件因冷却不均早成应力、裂纹或气孔等；箱壁从较厚过度到交薄部分时，应采用平缓过度结构，铸造过度。3.4升降台台架的结构设计3.4.1升降台台架的作用由于此设备只是用于对直线电机进行测力试验，故不是经常使用的场合。在做完试验后就想将此升降台推走，由于考虑到试验时的推力很大，为了保证刚度故将升降台的厚度做的大了一些，这样就增加了它的重量，为了保证移动的方便，特在升降台上装有轮子，试验时推到适应的地方，做好试验以后在从这个地方推走。装了轮子是方便于推动，但是又考虑到升讲台与底面的固定问题，特在升降台的的三面装有支撑，在底部装有地脚螺栓，将升降台推到合适的地方用地脚螺栓固定住。水平方向的问题以解决，应为测试的是水平推力，为了调节丝杠安装时的平行度，就要求在竖直方向上最好也能实现微调。3.4.2升降台台架的结构此设计总体来讲有两部分组成：升降台+台架图3-8台架，图3-9升降台+台架如上图3-8与3-9所示在一个推车的上部有一个升降台，通过调节升降台下端的螺母可实现上下微调运动。升降台的下端有耳板，用于固定于升降台上。升降台的上台面和下台面分别装有凸块和凹槽，其中凸块可在凹槽滑动，以便调节它的上下高度，当调至合适的位置时，拧紧螺母即可。由于竖直方向上只需承受齿轮箱和电机的重力，所以台架的刚度足以支撑。将升降台固定与台架上是为了让台架能够承受大的推力，这是关键的地方。由于台架是可推动的故设置了一个空间三角形结构，在底部装有地脚螺栓（图中未画出来）由于台架的凹槽底部是球体，可以是三个支架在不用的时候收回去放入凹槽部，以便节省空间。如图3-10支架是一个直径为60mm的长杆，在底部的球体是直径为70mm，而台架的凹槽是直径为70mmm的多半圆，这样可以将支架从顶部装上去，由于下端的球体比较大，所以不会掉出来，又会比较灵活的收放。具体细节图见下图。图3-10凹槽的设计尺寸3.5肋板的结构设计肋板的设计目的是为了将测力仪的一端固定在直线电机上。由于直线电机上不能打孔用螺丝固定，故想起用磁吸盘来固定上面，这种方法在拆装使用时方便又不会损坏电机。3.5.1永磁吸盘的工作原理与状况（1）永磁吸盘的工作原理永磁吸盘是以高性能的稀土材料钕铁硼（N>40）为核，通过手扳动吸盘手柄转动，从而改变吸盘部钕铁硼的磁力系统，达到对需要搬运的工件的吸持或释放。如图3-11所示，它的原理是利用磁通的连续性原理与磁场的叠加原理设计的，永磁吸盘的磁路设计成多个磁系，通过磁系的相对运动，实现工作磁极面上磁场强度的相加或相消，从而达到吸持和卸载的目的。图3-11磁吸盘的结构原理永磁吸盘的工作特点a、采用高性能永磁材料钕铁硼（Nd-Fe-B）为产品核，使产品体积更小，起重吊装力更强，且磁力恒久不衰。b、具备最高大额定起重力3.5倍的安全系数。c、不用电即可使用，省去供电麻烦。d、优化的磁路设计，使剩磁几乎为零。e、专业设计的外观造型使产品更加美观。根据它的工作条件，永磁吸盘常用于重型起重的场合，会有很大的吸力，在本次试验中的最大推力只有4000N，用四个磁吸盘去连接固定电机，推力足够满足。3.5.2肋板的结构设计图3-22筋板的结构设计图如图3-22所示，筋板的一端上挖有槽，设计好的磁吸盘就是固定这里。筋板的另一端上有一直径为42mm的通孔，安装时丝杠从次端插入，将测力仪的凸台固定于这个台面上。这样，直线电机在运动时受到的推力变通过筋板传入测力仪。3.5.2筋板与磁吸盘的配合设计图3-23筋板与磁吸盘的配合如图3-23所示，筋板的一端安装上了磁吸盘，旋转磁吸盘上的放心按钮，即可实现吸力的松放。筋板的另一端，做了三个螺孔。可将测力仪另一端的断面固定在那里。3.6测力仪的安装结构设计前面已经介绍了测力仪的测力原理与安装方法，现根据说明书上提供的方法，对测力仪的安装进行结构设计。为了将测力时的弯矩消除抵消，用了三个测力仪安装在端面上。在进行数据分析时，将测力仪的参数汇总一下。3.6.1测力仪的左端连接图3-24测力仪右端零件如图3-24所示，是对测力仪左端零件按尺寸设计后进行的三维建模。测力仪分别装于三个凸台上，对凸台的加工精度要求很高。在平板上有三个相聚角度为120度的通孔，安装时螺钉穿过通孔固定于筋板上。3.6.2测力仪的右端连接图3-25测力仪右端零件前面图3-26测力仪右端零件后面上面两图3-25与3-26分别是测力仪右端零件的前后两个面。左边一副图上面做了六个螺纹孔，用于和丝杠传动中的螺母连接起来。右边一副图上是三个螺纹孔，用于和测力仪的右端连接起来。下图3-27是测力仪的左端零件和右端零件与筋板装在一起后的三维建模。三个测力仪均匀分布在中间位置。图3-27测力仪与筋板与螺母的配合第4章参数计算4.1滚珠丝杠螺杆的参数计算4.1.1滚珠丝杠的刚度校核（1）拉伸压缩变形(一端固定，一端自由)[14]==N/m（公式4-1-1）式中：F最大轴向载荷l丝杆计算长度d滚珠丝杠副的公称直径d滚珠直径E丝杠材料弹性模量（钢的弹性模量，E=2.1m/mm）（2）螺纹滚道的接触变形无预紧力时接触变形可采用如下公式计算：=0.0038=0.0038=1.2N/m（公式4-1-2）F轴向力d滚珠直径ZA，j为圈数，k为列数。（3）轴向变形角接触球轴承==（公式4-1-3）=0.17N/mZ===20（公式4-1-4）F轴向力Z滚动体数目d轴承接触角l有效长度轴承的轴向变形=（4）总应力由此可见，丝杠满足刚度性能的要求。4.1.2丝杠传动的工作力矩（1）逆传动时的工作力矩与产生的功率在传动的过程中，是由螺母的直线运动，推动丝杠的传动，那么对于螺母的一个推力，是如何转换为转矩的，下面将详细计算。M=F.tg()=（公式4-1-5）==1746.50N87.5（公式4-1-6）=0.942（公式4-1-7）螺纹升角逆传动效率P===56wP逆传动时所产生的功率n丝杠转动的速度V螺母移动的线速度M工作力矩（2）正传动时的驱动力矩与所需的功率（公式4-1-8）M===1709.5（公式4-1-9）=0.926（公式4-1-10）F中经d处的圆周率F轴向工作载荷螺纹升角无预紧时的正传动效率当量摩擦角，一般正传动时=12，逆传动时=8.6P==55P驱动螺杆所需功率M正传动时的驱动力矩对比1，2两种情况，由此可见，逆传动时的驱动力矩和功率是能够驱动丝杠螺母做正传动运的。4.2齿轮的参数计算4.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数1、根据试验条件与要求采用直尺圆柱齿轮传动[13]。2、实验室速度不高，故采用7级精度等级。3、材料选择，两个齿轮均选用45Cr（调质），硬度为280HBS.4、选两齿轮的齿数Z=Z=40；4.2.2按齿面强度计算由设计计算公式（10-9a）进行计算，即d≥2.32（公式4-2-1）1、确定公式的各项系数值试选定载荷系数K=1.3齿轮1传递的扭矩T=M===1709.5N（公式4-2-2）由表10-7选取齿宽系数=0.56由表10-6查的材料的弹性影响系数Z=189.8MPa由图10-21d按齿面接触强度查的两齿轮的接触疲劳强度极限为580MPa接触疲劳寿命系数K=0.90；K=0.95按接触疲劳许用应力，取失效损失率为1%，安全系数S-1，由公式得2、计算1）计算齿轮分度圆直径，带入中较小的值d≥2.32=120mm（公式4-2-3）2）计算圆周速度V==3.29m/s（公式4-2-4）3）计算齿宽b==704）设计齿宽与齿高之比模数m==2.5齿高h=2.25=5.625b/h=70/5.625=12.45）计算载荷系数根据v=3.29m/s,七级精度，由图10-8查的动载荷系数K=1.12；直齿轮K=K=1；由表10-2查得使用系数K=1；由表10-4用插值法查的7级精度，K=1.423由b/h=12.4,K=1.423，查图10-13得K=1.35,故载荷系数K=KKKK=1=1.594（公式4-2-5）6)按实际的载荷系数校正所算的的分度圆直径，由式（10-10a）得d=（公式4-2-6）计算模数m=2.54.2.3按齿根弯曲强度计算由公式（10-5）得弯曲强度的设计公式为m（公式4-2-7）1、确定公式的各计算参数1）由图10-20c查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限=400MPa2）由图10-18取弯曲疲劳寿命系数K3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳系数S=1.4由公式得[]=[]=0.86*400/1.4=245.71MPa4）计算载荷系数KK=KKKK=11.5125)查取齿形系数由表10-5查得；Y=2.2266)查取应力校正系数7)设计计算m=2.05（公式4-2-8）4.2.4几何尺寸计算1、计算分度圆直径dmm（公式4-2-9）2、计算中心距a=0.5(d+d)=125mm（公式4-2-10）3、计算齿轮宽度B==0.56=70（公式4-2-11）第5章总结毕业设计即将结束，在这一段时间的学习中收获颇多，总结概括下来有以下几点：1、使我对大学里专业课的知识有了更进一步的了解，尤其是机械结构设计，三维建模等等，对于一些标准件的尺寸，结构的整体布局也更加熟练。2、学会了查阅资料的能