喷涂机说明书

第1章概述

电视机是人们获取信息的主要手段，因此，对电视机的性能要求也越来越高，电视机

正朝着大屏幕、高清晰度、数字化的方向开展，对显像管的清晰度要求越来越高。显像管

的显像是靠电子枪发射电子，通过荫罩板上的荫罩孔射在荧光屏上，使荧光粉发光，但其

中很大一局部电子要射向荫罩板，这样就容易使荫罩板受热变形，由于四周被框架所限制,

荫罩板将收入拱起，直接影响显像的效果。为了防止这一现象的发生，我们可以在蒸铝膜

后的显像管内侧交替喷涂巴利亚液和石墨，使铝膜接受来自荫罩板的热量，使荫罩板的温

度下降，从而抑制其热拱起，同时，由于有了石墨导电层，也可使荧光面电位更稳定，又

吸收减少了电子束漫反射造成的散光，防止了杂散光引起的比照度下降。AD喷涂机就是

为了完成这一项工作而设计的专用设备。AD喷涂机是彩电荧光屏生产过程向荧光屏玻璃

体内侧喷涂巴利亚液和石墨用的专用设备，它涉及到了机、电、气液等方面的知识，是比

拟典型的机电一体化产品。

本次设计是在参考69cm生产线上的AD喷涂机结构的根底上设计生产34寸纯平显像

管的喷涂机，并按照其工艺要求可兼容加工82cm的16：9的纯平显像管。

AD喷涂机整体结构为平台式，左侧管路与电器柜及操作平台并装在一个专用支架上。

有将屏放在AD喷涂机的移载机（前道工序）平台上，屏内外表朝下，平台上有监测元件

进行监测。喷涂时，驱动电机带动凸轮连杆机构使喷枪头沿一定的轨迹左右摆动，整个喷

涂时间及次数可在PLC设备中调整。巴利亚液和石墨的喷涂速度可调。

根据喷涂工艺要求，一个荧光屏喷涂三次，每次喷涂时间要求是：巴利亚液8-10秒（两

次），石墨10秒（一次），每次间隔7-8秒钟。由于荧光屏为长方形，故喷涂路线分为两个

方向：X方向和Y方向。喷涂时，喷枪底部有两个凸轮机构带动分别作X、Y方向的摆动,

凸轮的转动有蜗轮蜗杆按30：1将电机的速度分解而来。此次设计的控制系统其控制器采

用PLC（可编程序控制器），两种不同的喷涂速度由变频器来实现，通过不同的接近开关监

测动作的位置以实现全自动控制。同时，控制系统可以接受外来信号，并发出请求信号。

而喷涂石墨主要作用是防止热拱起。彩色显像管工作时，电子枪发射的电子束中一局

部通过荫罩孔射在荧光屏上，使荧光粉发光，大局部（70%-80%）射在荫罩板上（包括桥、

筋、有效面外），由动能转化为热能，产生大量的热量，由于荫罩板很薄，记忆受热变形，

由于其周围被框架所限制，荫罩板面不能向四周延伸，只能向荧光面方向拱起，使q值变

化引起色纯不良。

为了防止热拱起，设计了以下一些方法：

1.1喷涂石墨

通过在铝膜上喷涂一层遮挡溶液后再喷涂一层石墨，是铝膜吸收来自荫罩热量的能力

增大，使荫罩温度降低，从而抑制了热拱起，同时，由于有了石墨导电层，使荧光面电位

更加稳定，又吸收减少了电子束的漫反射造成的杂散光，防止了杂散光引起的比照度下降。

1.2蒸黑铝

在荫罩朝向电子枪内侧一面喷涂一层氧化祕，氧化祕是重金属氧化物，电子束遇到它

会反射回来而不轰击荫罩板，减少了荫罩上产生的热量，从而防止热拱起。

1.3低熔点玻璃喷涂

在荫罩朝向电子枪内侧一面喷涂一层低熔点并未经烧结使其结晶的玻璃，产生应力，

防止热拱起。

1.4蒸黑铝

有些制管工艺在低真空条件下，在铝膜上在蒸一次铝膜形成黑铝，其作用与喷涂石墨

相同，也是为了吸收来自荫罩板的热量。

1.5黑色陶瓷喷涂

在荫罩朝向电子枪内侧一面喷涂一层黑色体后，像低熔点玻璃一样产生应力防止阴罩

板热拱起。

防止热拱起的方法很多，在此就不一一列举。而本次设计中用的是喷涂石墨来防止热

拱起。为了防止石墨喷涂中渗入铝膜，影响亮度，喷涂石墨前要先喷涂一层名为巴利亚液

的遮挡溶液。巴利亚液在高温时容易成膜，所以在喷涂前要将温度升高到90—110摄氏度,

这是通过预热炉来进行的，为了防止荫罩与荧光屏温差太大而产生变形，屏与荫罩应同时

进行预热。预热的温度对成膜至关重要，达不到规定的温度，巴利亚液成膜前流动太多，

导致膜不均匀，过高那么会引起屏炸裂。屏和荫罩是分别装在传送带吊兰上通过预热炉的。

为了操作方便，预热炉的形状常做成U字形，传送带吊兰是用不锈钢细网或耐高温材料制

成的可防止划伤屏风界面。由于经受住几百度高温，为了加热均匀，炉体内装有热风循环

用的鼓风机。外外表装有保温层，防止热量向外辐射影响坏境温度。

喷涂机工艺流程为：蒸铝后的屏荫罩别离一预热炉投入一预热炉取出一屏投入AD喷

涂机一巴利亚液喷涂一石墨喷涂一巴利亚液喷涂一检验一与配阴罩一一起送往下一个工

序.

本次主要设计内容：AD机的设计大体可以分为机械局部的设计和控制局部的设计。

本设计主要以AD机的机械局部设计为主要设计内容。机械局部的设计，以电机为原动件。

传动局部以齿轮减速和涡轮蜗杆减速为传动件。执行局部是一个凸轮连杆机构带动的四滑

块机构，滑块上带有含有两个料斗的喷枪。除了机械局部以外还对控制局部做了简单的设

计，控制局部是通过变频器在PLC的控制下实现的。

弟2早万案选择

2.1机械局部

根据AD喷涂机工作要求，结合设计参数，以及相关资料，提出以下论证方案：

方案一：用凸轮带动四连杆机构来控制摆杆摆动及停止等，并用行程开关监测位置，

利用速度继电器等控制电机喷涂石墨和巴利亚液时所需的不同速度以及气、液体的开关。

但继电器过多导致电路复杂。

方案二：喷枪的X,Y方向的移动是由X,Y方向的伺服电机来驱动，而整个系统由单片

机或微机控制，可形成完整的闭环监测系统，故障报警等。其缺点是本钱比拟高。

方案三：屏在液压缸的作用下，在Y方向往复运动并设有圆刀开关，可多位，其速度

可由速度阀来控制；而X方向用摆杆的摆动来完成速度。由微机控制，而工作中的起停速

度都是由软件来控制。但其功率损耗较大，有污染，动作不太灵敏，本钱也不低。

方案四：两个凸轮分别带动一个四连杆机构使喷枪在X、Y方向摆动，用蜗轮蜗杆分配

X、Y方向的速度比为30：1,以满足设计要求。用电磁式或光电式接近开关检测喷涂是否

到位。电机选用减速电机，用变频器来控制喷涂巴利亚液和石墨时的不同速度要求，电机

可选用普通型号的电机（功率200W）,起停是由电磁离合器来控制的。而整个系统是由PLC

来控制的，从送屏到取屏以及相关加工和故障报警等。具有结构简单、动作灵敏、控制方

便的特点。

本次设计采用方案四。

所有零件和各种仪表的计量单位全部采用国际单位标准。图纸按照中华人民共和国GB

标准进行绘制。满足AD喷涂机整体机构为平台式，其设计制造严格按照ISO标准进行。为

了满足彩管厂方告诫的精度要求，所有材料均浸铜。设备的平面设计符合要求，关键件清

单完成后，经由买方认可后可购置。在于屏封接的台面上，设计有高质量的橡胶垫，以保

护荧光屏，管路系统均采用SUS材质。

由于巴利亚液与石墨的黏度不同，因此在喷涂时，要求有不同的喷涂速度。这里，我

们通过变频器直接对普通电机进行调速。而且，大大简化了整个机器的机械结构。

传动系统由电机带动一个凸轮连杆机构，在带动喷枪尾部，当电机带动凸轮匀速转动

时，连杆机构带动喷枪左右摆动。同时，电机通过一个蜗轮蜗杆机构带动另一个方向凸轮

连杆机构，实现喷枪前后左右摆动。而喷嘴运行的驱动机构应轻巧、灵活可靠，机构运转

平稳且无明显撞击声。喷涂机后设有抽风管口，使喷涂环境保持干净。

2.2控制局部

电器控制局部采用日本OMRON公司的可编程控制器（PLC）C40P系列机。

方案一：用继电器控制

方案二：用单片机控制

方案三：计算机控制

方案四：PLC控制

由于目前大多采用单片机控制和PLC控制所以以下对这两种方安作论证.

控制逻辑

继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器

的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统

构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4〜8对触

点。因此，灵活性和扩展性很。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内

存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线〃。因此灵活性和扩展性都

很好。

工作方式

电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合,

不该吸合的都因为受某种条件限制不能吸合。它属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中

各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。

可靠性和可维护性

继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，

并由机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关

动由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功

能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况,

为现场调试和维护提供了方便。

控制速度

继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在

几十ms数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路

来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在us数量级，且

不会出现抖动。

定时控制

继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度

不高，定时范围窄，且易受坏境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用

半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环

境的影响，定时范围一般从0.001s到假设干天或更长。用户可根据需要在程序中设置定时

值，然后由软件来控制定时时间。

设计和施工

使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长,

而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完

成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图设计）可以同时进行，周期短，且调试

和维修都很方便。

从以上几个方面的比拟可以看出，PLC在性能上比继电控制器优越，特别是可靠性高、

通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。但在

很小的系统使用时，价格要高于继电器系统。

第3章传动零件的设计

3.1工艺要求与设计参数计算

（1）工艺过程如下列图3-1

屏到位一一次喷涂巴利亚液一延口寸喷涂7秒三次喷涂石墨

延时7秒1一|^次喷涂巴利亚液移走

图3-1喷漆工艺过程

共用时间约45-50秒。

（2）工作参数（喷涂34寸屏幕）

喷涂范围N800x600〃w?；

涂漆时间：42±3秒；

X和Y方向的速度比：30：1；

喷枪在X、Y方向的摆动角度：30。；

主轴最高转速（喷涂石墨时）：X方向15转/8秒=112.5r/min；

Y方向H2.5转/30秒=3.75r/min；

主轴最低转速（喷涂巴利亚液时）：X方向15转/10秒=90r/min；

Y方向90转/30秒=3r/min；

电机功率：200w。

传动系统如图3-2所示，有电机带动两个凸轮-平行四连杆结构，同时带动喷

枪并尾部运动，当电机带动凸轮匀速运动时，连杆机构带动喷枪左右摆动。喷嘴

运行的驱动机构应轻巧、灵活可靠，机构运转平稳且无明显撞击声。同时，本设

备还存在以下一些问题：由于采用气动系统、连杆系统、凸轮系统、蜗轮一蜗杆

机构，使本设备的噪音较大；另外，巴利亚等物质对空气有严重的污染，这势必

要求本设备应具有一套对其废弃余物的回收处理的完善设备。

图3-2传动原理图

3.2电机的类型和结构形式

由于该机器在工作时无特殊的要求，不需要经常启动、自转和反转，故可选择Y

系列三相笼式异步电机。其有结构简单、工作可靠、价格低廉、维护方便等优点，故为

首选。最后决定选用YPE系列三相盘式异步电动机，电压为380V。

根据工艺要求，每一次喷漆需要8-10s,喷枪在X方向喷漆30次，即X向凸轮转

15转，那么电动机减速后的转速为15转/8秒，即112.5转/分。由电机的功率为200W,

转速为112.5r/min,查阅？小功率电动机选择与技术应用？，选择型号为YPE4-200的三

相盘式异步电动机。其技术参数如下表3-1：

表3T

型号功率（W）电压（V）额定电流（A）转速(r/min)效率％最大转矩（N.m）

YPE4-2002003800.581400701.8

搅拌机的选择:

由于搅拌机只需对石墨料箱中的石墨进行搅拌，使其在喷漆中不发生沉淀，功率要

求不大，而且无其他特殊要求故可直接选择带减速器的电机。查阅？小功率电动机选择

与技术应用？，选择90YY40/JB齿轮减速电容运转异步电机，具体参数如下表3-2：

表3-2

型号功率（W）电压（V）转速(r/min)

90YY40/JB20022050

3.3齿轮减速局部的设计

输入功率P=200肌小齿轮转速ni=1400r/min,齿数比u=1400/112.5=12.44,

即传动比i=12.44。传动比拟大，因此采用二级齿轮传动。取ii=iz=V?=3.53,

即UI=U2=3.53。工作寿命15年［设每年工作300天），两班制。

计算齿轮传动局部的运动和动力参数：

（1）各轴转速

1轴）=14OOr/min

2轴n2=n,/i,=1400/3.53=396.6r/min

3轴n,=n,/i=1400/12.44=112.5r/min

2.各轴输入功率

查?机械设计课程设计指导书?表1得，二级圆柱齿轮传动一对齿轮的效率为

0.96-0.99,mn1=0.97；查?机械设计课程设计指导书?第12页，得：每对滚动

轴承的效率为0.98-0.995,取n2=0.98,齿轮联轴器的效率为n1=0.99。

(2)电动机轴Pd=200W

1轴片=《/・%]・%=200x0.99=198W

2轴P?=R.?2=舄%=198x0.97x0.98=188.2W

3轴鸟=鸟・/3=6=188.2x0.97x0.98=178.9W

1轴至3轴的输出功率那么分别为输入功率乘以轴承效率0.98。

(3)各轴输入转矩

663

电动机输出转矩Td=9.55xl0P/n1=9.55x10x0.2/1400=l.36xl0N.mm

1轴TifFoi=136x1()3x0.99=1.34xIO,Mm；%

2轴心=刀”n=l.34xl03x3.53x0.97x0.98=4.5x103N.mm

34

3轴q=T2i2Z23=4.5xIOx3.53x0.97x0.98=1.5xION.mm

1轴至3轴的输出转矩那么分别为输入转矩乘以轴承效率0.98。运动和动

力参数计算结果整理于下表3-3：

表3-3

轴名效率P(kw)转矩T(N.mm)转速n(r/min)转速比i效率〃

输入输出输入输出

电动机轴2001360140010.99

1轴198194.013401313.21400

3.530.95

2轴188.2184.445004410396.6

35.30.95

3轴178.9175.31500014700112.5

选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数:

(1)由于该齿轮传动机构是一般的减速机构，根据传动方案，选用直齿圆柱齿

轮传动。

(2)选取精度等级。此传动机构的速度不高，用7级精度(GB10095-88)。将齿

轮毛坯经过调质处理(即淬火加高温回火)后，再精切，切制后即成成品，可达

7级精度。

(3)材料的选择由？机械设计？课本表10-1选择两个小齿轮的材料都为

40Cr(调质)，硬度280HBs。两个大齿轮的材料都选用45号钢(调质)，硬度为240HBS,

二者的材料硬度差为40HBS.

⑷试选用两个小齿轮的齿数都为zi=23,两个大齿轮的齿数都为

Z2=ii*zi=3.53*23=81.19,圆整后并使其互质为82,即Z2=8

强度校核

由于低速啮合齿轮的转矩较大，容易失效，而两级齿轮的尺寸是一样打的，

因此只用校核第二级啮合齿轮。先按齿面接触强度进行设计，再按齿根弯曲强度

进行校核。

(1)按齿面接触强度设计：

由公式:小,>2.32x3+-x(----)

］的11［(JH］

确定公式内的各计算数值

a试选用载荷系数kt=1.3

b由表1可知小齿轮传递转矩：

c由?机械设计?课本表10-7,选用齿宽系数

d由?机械设计?课本表10-6查得材料的弹性影响系数

e由？机械设计？课本表10-21d,按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限

仍.।=600ME,大齿轮的接触疲劳强度极限为协同2=550MB.

f计算循环次数；

g由？机械设计?课本表10-19查得接触疲劳寿命系数为：

h计算接触疲劳许用应力；

取失效概率为1%，平安系数为s=l.

(2)计算

a试算小齿轮分度圆直径dit,代入［6］中较小的值：

b计算圆周速度v

c计算齿宽b

d计算齿宽和齿高之比b/h

模数为=公&=26/23=1.13,取mit=L13。

齿图h=(2*ha+c*)=2.25町，=2.25x1.13=2.54//W7?

齿宽和齿高之比人//?=23.4/2.54=9.21

e计算载荷系数：

f按实际载荷校正分度圆直径

g计算模数

m=di/zi=28.0/23=1.22

(3)按齿根弯曲强度计算设计：

弯曲强度的设计公式为

确定公式内的各计算数值

a由图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳65=500〃S，大齿轮的弯曲疲劳强度

OFE2-?!S0mpa,

b由图10-18查得kfn\=0.85,kpni=0.88。

c计算弯曲疲劳许用应力：

取弯曲疲劳平安系数为s=1.4,由公式得:

d计算载荷系数：

e查取齿形系数和应力校正系数

以=2.69,%=2.22

由表10-5查得：

匕0=1.575,匕。2=1.77

f计算大小齿轮的并加以比拟:

经比拟大齿轮的较大。

设计计算：

比照计算结果，又齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根疲劳强度计算

的模数，由于齿轮模数m主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接

触疲劳强度所决定的承载能力仅于齿轮的直径有关，可取弯曲强度所计算的模数

m=l,并就近圆整为标准值m=l。按接触强度算得分度圆直径di=28mm,计算小齿轮

的齿数：

大齿轮齿数z2=i2xz1=3.53x28=98.84,圆整后取Z2=99

这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面结出强度的要求，又满足了齿根弯曲

疲劳强度的要求，并做到结构紧凑，防止浪费。

几何尺寸计算及验算：

(1)计算分度圆、齿顶圆、齿根圆直径

(2)计算中心距

(3)计算齿轮宽度

b=6ddi=0.9x28=25.2mm

取B2=26mm,Bl=28mm。

(4)确定与相轴配合的孔直径d；、d2

取4=14mm,d2=40mmo

(5)验算

大小齿轮键连接的设计

根据机械设计手册查知平键连接具有结构简单，安装方便，对中性好等优点，所

以本设计采用平键连接。

由于大齿轮轴直径为40MM齿宽25.2所以选用12X8的平键，小齿轮轴的直

径为14MM所以选用5X5的平键

结构设计与绘制齿轮零件图

根据?机械设计?第228页，因为两齿轮的齿顶圆直径均小于160mm,可以做

成实心结构的齿轮。

绘制齿轮零件图（见图纸）。

3.4蜗轮蜗杆传动的设计

蜗轮蜗杆是在空间交错的两轴之间传递运动的一种传动机构，两个轴线之间

的夹角可能为任意值，通常为90度。采用蜗轮蜗杆机构的传动，具有结构紧凑、

传动比大、传动稳定及在一定条件下具有可靠的自锁性等优点；但缺点就是传动

效率低，消耗有色金属等。P=200w,蜗杆的速率为n3=112.5r/min,传动比为30:1,

工作载荷稳定，但由不大的冲击，要求寿命为15年，每年工作300天，每天工作

16个小时。

由于材料和结构的原因，蜗杆螺旋齿局部的强度总是大于蜗轮轮齿的强度，

所以失效经常发生在蜗轮轮齿上。因此，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算。

在闭式传动中，蜗杆副多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，通常是按齿面接

触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

选择蜗杆传动类型

根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。

选择材料和精度等级

考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度较低，故蜗杆用45钢；因希望效率高

些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求调质处理，硬度为220~300HBS。蜗轮用铸

锡磷青铜ZCuSnlOPl,金属模铸造。为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。根据?零件手册?表16-53,选取蜗轮、蜗杆的精度

等级为7级。

按齿面接触疲劳强度进行设计

根据闭式蜗杆传动的设计准那么，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核

齿根弯曲疲劳强度。由式（11-12）,传动中心距

a确定作用在蜗轮上的转矩T2

按在Zi=l,查?机械设计课程设计指导书?得，

%=0.70-0.75,取2=0.73,%4=小/=0.7154,

b确定载荷系数K

因为工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数K0=l,由表11-5选取使用

系数KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数Kv=1.05；那么

K=KAKpKv=1.15X1X1.05»1.21

C确定弹性影响系数ZE

因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故ZE

d确定接触系数Z。

先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值4/a=0.35,从图11-18中可查

得Z0=2.9。

e确定许用接触应力4“]

根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSnlOPl,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬

度>45HRC,可从表11-7

中查得蜗轮的根本许用应力6/,1=268"2o

应力循环次数

寿命系数K=§/■———-=0.94

HN\1.60xl07

那么\(yH]=KHN-[<TH]'=0.94x268=252.3MPa

f计算中心距

根据?机械设计?表11-2,取a=125,因i=30,取模数m=6.3mm,蜗杆分度圆直径

di=63,这时dl/a=63/125=0.504,从？机械设计？图11-18中可查得接触系数

Z0=2.3,因为Zo<Z。，因此以上计算结果可用。

蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

a蜗杆

由于本蜗杆轴是细长轴，所以不能把蜗杆螺旋局部和轴做成一个整体，而应

将蜗杆和轴分开制作。这样，既节省了制蜗杆的贵重材料，又便于加工，不会因

加工而引起轴的变形。

蜗杆与轴为过盈配合，为实现两者之间的准确牢固定位，可使用插销进行定

位。这样的话，必须在蜗杆上开一个插销孔，并在轴的相应位置也开一个插销孔。

同理，蜗轮和轴之间的配合与定位也可为过盈配合，并用插销定位。

根据?机械设计?表11-2：

轴向齿距P}=m7i=6.37=19.782mm；

直径系数q=10；

齿顶圆直径dai=&+2/i„|=d[+2mh*=63+2x6.3x1=756mm；

齿根圆直径dc=4—2〃八=d[—2m（匕+c"）=63—2x6.3x1.2=47.88mm；

分度圆导程角y=5042'38"；

蜗杆轴向齿厚S=—m7i:=0.5x6.3=9.89\mm

a2o

b蜗轮

根据?机械设计?表11-2：

蜗轮齿数z2=31；

变位系数x2=-0.5；

验证传动比i=z2/Z|=31/1=31；这时传动比误差为卫二型=3.3%,是允许

30

的。

蜗轮分度圆直径d2~mz2=6.3x31=195.3mm

蜗轮喉圆直径

蜗轮齿根圆直径

df2—d2—211f2—d2—2m(h*+c*)=195.3—2x6.3x1.2=180.18mm

蜗轮咽喉母圆直径r2=a—'d"2=125—207.9=21.05Mm

g22

校核齿根弯曲疲劳强度

当量齿数—=.....-......=3115

cos3/(COS5°42'38”)30.995

根据々=-06587,z,，2=31.15,从图11-19中可查得齿型系数％2=3.35。

螺旋角系数Y0=1——乙=1—出-=0.9592

p14001400

许用弯曲应力匕〃]=长硒♦匕/

从表11-8中查得由ZCuSnlOPl制造的蜗轮的根本系用弯曲应力

向「=56"&

寿命系数"=J—=0.734

V1.62xl07

aF<[aF],弯曲强度是满足的。

6.精度等级公差和外表粗糙度确实定

考虑到所设计的蜗杆传动时动力传动，属于通用机械减速器，从

GB/T10098—1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择7级精度，侧隙种类为f,标注为

7fGB/T10098—1988o

绘制工作图[见图纸)。

3.5凸轮的设计:

为实现喷枪的连续运动，可采用曲柄摇杆机构或凸轮-连杆机构。但曲柄摇杆

机构结构不紧凑，设计较复杂，而且为使喷涂均匀稳定，喷枪应等速运动，而曲

柄摇杆机构不能实现等速的摆动，因此不宜采用；用凸轮-连杆机构可容易的实现

喷枪的连续等速来回摆动，且结构紧凑，因此可采用。

（1）材料的选择

选取45#钢，为使凸轮耐磨，应对其进行调质处理，其硬度为HBS220~260。

（2）凸轮设计

a确定行程

根据机构的布局和尺寸，确定大凸轮的行程hi=64mm,小凸轮的行程

h2=40mm.。

b确定从动件位移线图

为使喷漆均匀稳定，必须要求从动件作等速运动，因此可采用运动规律为一

次多项式的从动件位移线图。另外，由于喷枪是来回喷涂的，所以使升程和回程

的从动件位移线图对称。

远休止角和近休止角都取0。当凸轮转动时，从动件重复着升-降-升的运动循

环，从而使连杆喷枪来回摆动。

X向凸轮（即大凸轮）

64

推程（0<夕<180°）§3=—=20.37仍

7T

64

回程（180°<0<360。）§3=64—丝•（/—乃）=64—20.37（科一乃）

其推程运动线图如图3-6：

图3-6

Y向凸轮（即小凸轮）

40

推程（0<0<180°）S=—•%=12.7物

47t

40

回程（<夕）

180°<360"S4=40-------（%一万）=40-12.73®4一4）

兀

其推程运动线图如图3-7：

图3-7

由图%-内可见，在行程开始和终止位置时，会引起加速度无穷大突变，即刚性冲

击。但由于本机构低速轻载，从?机械设计?表4-3可知，等速运动适用于本机构。

c确定凸轮的结构及形状

因为要求从动件作直线往复运动，因此只需选择从动件直动对心盘形凸轮，

并在凸轮内按等速运动规律所确定的轨迹加工出凹槽。于是，从动件使用连杆及

长滚子架连接而成。

由于凸轮结构对称，为了安装方便，把凸轮做成对称的两半，并用螺栓连接。

而且，螺栓连接有轴向及周向定位的作用。为实现凸轮与轴的准确牢固定位，还

用紧固螺钉将凸轮固定在轴上。

d由最大压力角确定基圆半径

驱动力F与有用分力F，之间的夹角a（或接触点与从动件上力作用点速度方

向所夹的锐角）称为凸轮机构在图示位置时的压力角。当压力角增大到某一数值

时，会出现自锁现象，或导致驱动力急剧增大，轮廓严重磨损、效率迅速降低。

因此，实际设计中规定了压力角的许用值［a］。对于直动从动件通常取

㈤=30°-38°o

式中7b分别为凸轮转向系数和从动件偏置方向系数；s为从动件运动位移。

由上式可见，当凸轮机构配置情况、偏距e及从动件运动规律选定以后，基圆半

径，愈小，压力角a愈大，欲结构紧凑应使基圆尽可能小，但基圆太小又会导致

压力角超过许用值。因压力角是机构位置的函数，必有某个位置出现最大压力角。

设计时应在4口1的前提下，选取尽可能小的基圆半径。

X向凸轮（即大凸轮）

因为凸轮从动件是对心的，所以偏距e=0o由2）中式匕=留•必得，

71.

匕/%=64/万=20.37。当s=0时，压力角最大，取%^=38,那么

*a。。、20.37工曰、20.37«「工

tan38>-----，十是r>-------=65.65mm

rQtan38°

取ro=7Omm。

64

于是，从动件的上升公式为p=70+一・93=70+20.37%

371'

64

下降公式为p=134-----（小一兀）=134-20.37（^-万）

371

X向凸轮外观图如图3-8:

图3-8大凸轮

Y向凸轮（即小凸轮）

因为凸轮从动件是对心的，所以偏距e=0o由2）中式七=”・必得，

71

匕/例=40/%=12.73。当s=0时，压力角最大，取%^=38,那么

+、12.73不目、12.73.

tan38>------,JZEr>---------=41.03mm

rctan380

取ro=44mm。

40

于是，从动件的上升公式为24=44+—・％=40+12.73外

71

40

下降公式为04=84——（°4一万）=84—12.37（%一兀）

71

Y向凸轮外观图如图3-9:

图3-9小凸轮

e确定凸轮的外观尺寸

X向凸轮（即大凸轮）

由上面的设计知，基圆半径八=70,行程h=64mm。取凹槽的宽度b=22mm,

槽宽〃'=12相机。根据上述尺寸可取凸轮与轴相配合的孔直径d=30mm,凸轮外径

D=320mm,凸轮宽度B=24mm。包括安装螺栓的凸缘局部，取凸轮的总宽度

B'-54mm。

Y向凸轮（即小凸轮）

由上面的设计知，基圆半径心=44mm,行程h=40mm。取凹槽的宽度b=22mm,

槽宽&'=12如〃。根据上述尺寸可取凸轮与轴相配合的孔直径d=25mm,凸轮外径

D=220mm,凸轮宽度B=20mm。包括安装螺栓的凸缘局部，取凸轮的总宽度

B'=50mm。

3.6蜗杆轴的设计

由于本蜗杆轴是细长轴，所以不能把蜗杆螺旋局部和轴做成一个整体，而应

将蜗杆和轴分开制作。这样，既节省了制蜗杆的贵重材料，又便于加工，不会因

加工而引起轴的变形。查?零件手册?表4-16,蜗杆轴的材料选为45钢，调质处理,

硬度为200-250HBS。

图3-10蜗杆轴

(1)求输出轴的功率P3、转速m、转矩T3

由3.3齿轮减速局部的设计知，居=178.9卬，n3=112.5r/min,

4

T3=1.51X1O^./H/?2

(2)求作用在蜗杆上的力

蜗杆的分度圆直径4=63mm,蜗轮的分度圆直径出=195.3加加。而

查?机械设计?表1知，蜗轮蜗杆传动的效率/=。-70~0.75,取7=0.73,

〃34==0-73X0.98=0.7154。于是

(3)确定轴的最小直径

凸轮对轴有径向力，但凸轮只是起传动作用，而不传力，因此该径向力不大,

可以忽略。初步确定轴的最小直径如下：

先按?机械设计?式(15-2)初步确定轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，

调质处理。根据?机械设计?表15-3,取为=112,于是得

输出轴的最小直径显然是安装离合器处轴的直径向_〃(图3-10)。离合器的

计算转矩乙=七(，查?机械设计?表14-1,考虑到转矩变化很小，故取储=1.3,

那么

(4)轴的结构设计

a拟订轴上零件的装配方案

本轴是一细长轴，可用两个轴承进行支撑。其它零件的装配方案己经在前面

分析过，现选用如图3-5所示的装配方案。

b根据轴向定位的要求确定轴的各断直径及长度

为了保护电机，延长电机的使用寿命，可使用电磁离合器(见总装配图)。这

样，喷枪摆杆可以根据生产要求或工作或停止摆动，而电机那么可以一直转动，

不用经常启动、停止，降低电机的损坏程度。根据轴的最小直径&仙=13.07〃姓，

考虑到键槽对轴强度的影响，取dj=20〃”n。根据总装配图中零件的布局及尺

寸，得/=175mm。

初步选择滚动轴承。因轴承同时受径向力和轴向力的作用，应选用角接触轴

承。查?零件手册?表9-5,根据d〃一0=19的〃，选择角接触轴承7205C其尺寸为

dxDxB=25mmx52nlm义15mm,故H-III轴段和IV-V轴段的直径

dm=dfy_y25IW11,"Be度I//-f//15/77/77o

为实现轴承的轴向定位，可在轴承的旁边加工出一道凹槽，用弹性挡圈定位

（见总装配图）。取凹槽宽度为2mm,凹槽旁边的轴段为20mm,于是，

dt_n=15+2+20=yiirun。

查？零件手册？表9-5得7025C型轴承的轴肩定位高度h=2.5mm,所以

服_〃=25+2.5x2=30mm。由于在设计蜗杆和X向凸轮时已使两者的装配轴直

径相等，且都为30mm,和由轴承定位设计出来的尺寸一样，所以=30/nm。

凸轮设计成对称的两局部，螺栓连接和紧固螺钉同时有轴向定位及周向定位

的作用，所以不用再设计其它定位零件或轴肩。蜗杆与轴为过盈配合，并用插销

同时实现蜗杆的轴向及周向定位，因此也不用再设计其它定位零件或轴肩。

取凸轮距箱体内壁的距离a=16mm,考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动

轴承位置时，应距箱体内壁一段距离s,取s=8mm,所以llv_c.=16+8=24nvn0

为了便于凸轮的安装调整，取=36/”机；

取蜗轮距箱体内壁的距离a=16mm,考虑到箱体的铸造误差,在确定滚动

轴承位置时，应距箱体内壁一段距离s,取s=8mm,蜗轮齿顶圆直径

da2=207.9/WM,那么

lD.._af=207.3/2+16+8—40=87.6〃“〃，取为88mw；

根据零件的尺寸与布局，确定"r=220mm；

凸轮的宽度B=50mm；根据蜗轮的齿顶圆直径=2079%〃，取蜗杆螺旋局

部的长度为80mm；

于是11n_1V=88+80+220+50+36=474mm。

c轴上零件的轴向定位

离合器的轴向定位采用平键连接。按采用基孔制。根据?互换性与技术测量?,

对于根本尺寸小于或等于500mm的较高等级的配合，由于孔比同级轴加工困难，

当标准公差小于或等于IT8时，应使孔比轴低一级相配合。

为了保证蜗杆与轴配合具有良好的对中性，必须使两者为过盈配合，应选择

蜗杆与轴的配合为H7/p6；同样，离合器与轴也应为过盈配合，应选择两者的配

合为H7/k6；滚动轴承与轴的周向定位是借助过渡配合来保证的，查?零件手册?

表9-16得：此处轴的直径尺寸公差为j6,于是两者的配合为H7/j6。

d确定轴上圆角和倒角尺寸

参考?机械设计?表15-2,轴端倒角为1x45。，各轴肩的圆角半径为R10。

(5)求轴上的载荷

首先根据轴的结构图作出轴的计算简图3-9。在确定轴承的支点位置时，查?

零件手册?表9-5得，a=l2.7mmo于是

a确定计算必要的长度

b计算水平方向的载荷

C-+

图3-11

c计算垂直方向的载荷

由FNV2-(/,+幻=工/2得，

d确定合成转矩

(5)确定轴上的扭矩

从轴的结构以及弯矩和扭矩图3-11中可以看出截面D是轴的危险截面。现将

计算出的截面D处的弯矩和扭矩的值列于下表3-4：

表3-4

载荷水平面H垂直面V

支反力%”=%608N,FWI=670.59N,

F加2=133.29NFW2=577.61N

弯矩MMH=45094MVi=87377.8SN.mm

=200541.22N.mm

MV2

总弯矩M=98327.93M2=200541.22N.mm

扭矩TT3=1.51xIO,

(6)按弯扭合成应力校核轴的强度

进行校核时，通常指校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面D)的强

度。根据式(15-5)及上表中的数值，并取。=0.6,轴的计算应力

之前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由？机械设计？表15-1查得

包]]=60Mpao可见crca<,故适用。

(7)精确校核轴的疲劳强度

a判定危险截面

从弯矩、扭矩图图3-11可知，危险截面只可能发生在IV-V轴段。

截面I、II和A只受扭矩作用，虽然键槽及轴肩所引起的应力集中均将削弱

周的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕确实定的，所以上述

截面均无须校核。

从应力集中对轴的疲劳强度的影响，截面II、III、IV和V过盈配合处引起的

应力集中较严重，但其所受载荷较小，故不用校核；截面D上的应力最大，但集

中应力不大(因为过盈配合引起的应力集中在两端)，故不用校核；与截面D，"相

比，截面D'不受扭矩作用，而截面D，"既受弯矩作用，又受扭矩作用，所以,

只需校核截面D'"o

b截面D1"校核计算

抗弯截面系数w=0.1]=0.1X3()3=2700“〃/

3

抗扭截面系数WT=0.2J=0.2x303=5400〃/

截面VD'的弯矩

截面VD'的扭矩(=1.51