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寧 XX 大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 長距離勻速往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計 所 在 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 老 師 年 月 日 I 摘 要 本文介紹一種新型的長距離輸送裝置 與以前常見的輸送方式相比較 往復(fù)距離很長 比如 1M 2M 那么曲柄機(jī)構(gòu)就不能實現(xiàn) 在兩軸之間安裝皮帶或鏈條作為傳動機(jī)構(gòu) 那么往復(fù)距離 就可以設(shè)計的相當(dāng)?shù)拇?在皮帶或鏈條上安裝一傳動銷 與工作臺上的滑動長孔相配合 那么 就可以帶動工作臺長距離往復(fù)運(yùn)動 此系統(tǒng)的特點(diǎn)是不但往復(fù)距離可以相當(dāng)?shù)拈L 并且往復(fù)兩 端的加速和減速是相當(dāng)平穩(wěn)的 至于驅(qū)動電機(jī)則可以使用無級變速電機(jī) 本文對這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計與計算 經(jīng)過分析該機(jī)構(gòu)是可行和合理的 對以后選擇 長距離輸送機(jī)構(gòu)有了新的一種選擇方案 關(guān)鍵詞 長距離 輸送裝置 往復(fù)運(yùn)動 機(jī)構(gòu)設(shè)計 II Abstract This paper introduces a new type long distance conveying device With the previously common conveying means photograph is compared reciprocating long distance such as 1M 2M then the crank mechanism cannot be achieved In between the two shafts mounted belt or chain as the transmission mechanism so the reciprocating distance can design is quite large In a belt or chain is mounted on a drive pin and the working table with sliding long Kong Xiang then it can drive the reciprocating movement of long distance The characteristic of this system is not only the reciprocating distance can be quite long and back ends of the acceleration and deceleration is quite smooth can be used as driving motor stepless speed variable motor The organization has carried on the detailed design and calculation through the analysis of the mechanism is feasible and reasonable to select after long distance conveying mechanism is a new kind of options Key Words Long distance conveying device the reciprocating motion mechanism design III 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第 1 章 緒論 5 1 1 課題研究的背景及意義 5 1 2 本課題的研究內(nèi)容 6 第 2 章 長距離勻速往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)總體方案 7 2 1 設(shè)計方案分析與比較 7 2 2 設(shè)計方案確定 8 2 2 1 往復(fù)運(yùn)動工作機(jī)構(gòu)傳動方式的確定 8 2 2 2 傳動方式的選擇 9 2 2 3 電動機(jī)起動方式的確定 9 第 3 章 主要傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 10 3 1 電機(jī)的選型 10 3 2 蝸輪蝸桿減速器的選型 10 3 3 帶傳動計算 12 第 4 章 主軸組件要求與設(shè)計計算 14 4 1 主軸的基本要求 14 4 1 1 旋轉(zhuǎn)精度 14 4 1 2 剛度 14 4 1 3 抗振性 15 4 1 4 溫升和熱變形 15 4 1 5 耐磨性 15 4 2 主軸組件的布局 16 4 3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 18 4 4 主軸的材料與熱處理 18 4 5 主軸的技術(shù)要求 19 4 6 主軸直徑的選擇 19 4 7 主軸前后支承軸承的選擇 20 4 7 1 主軸前支承軸承的選擇 20 4 7 2 主軸后支承軸承的選擇 21 4 8 主軸前端懸伸量 21 IV 4 9 主軸支承跨距 21 4 10 主軸結(jié)構(gòu)圖 22 4 12 主軸組件的驗算 22 4 12 1 支承的簡化 22 4 12 2 主軸的撓度 23 4 12 3 主軸傾角 24 第 5 章 機(jī)架的設(shè)計 27 5 1 機(jī)架的基本尺寸的確定 27 5 2 架子材料的選擇確定 27 5 3 主要梁的強(qiáng)度校核 27 總結(jié) 29 參考文獻(xiàn) 30 致 謝 31 5 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的背景及意義 長距離帶式輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)作為整機(jī)的樞紐 這就使得長距離帶式輸送機(jī)的膠帶張力控制 和帶動力都是極為重要的 因此 在提高輸送機(jī)所用膠帶性能的同時 長距離帶式輸送機(jī)的驅(qū) 動系統(tǒng)必須能夠滿足各種綜合動力的技術(shù)要求 以適應(yīng)輸送各種物料的需要 1 驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)要求 長距離帶式輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)必須從加 減 速度 過載 負(fù)荷分配 輸送帶張力控制等方 面有效地對輸送機(jī)進(jìn)行全程控制 1 加 減 速度控制 在小于最大設(shè)計載荷的任何載荷情況下 驅(qū)動系統(tǒng)都必須前后均勻地給輸送帶加 減 速 且加速段要長 以防止物料滑落 膠帶在滾筒上打滑和過度張緊運(yùn)動 2 過載控制 驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)能防止輸入功率和扭矩越過安全設(shè)施進(jìn)入輸送機(jī) 以免產(chǎn)生故障 同時 還應(yīng) 具備隨時排除輸送機(jī)阻卡現(xiàn)象的功能 3 負(fù)荷分配 多機(jī)驅(qū)動情況下 載荷應(yīng)根據(jù)設(shè)計規(guī)范合理地分配給各驅(qū)動裝置 避免因?qū)е聜€別或多個 驅(qū)動裝置過載而影響輸送機(jī)各部件運(yùn)行質(zhì)量 造成不必要的運(yùn)行故障 4 輸送帶張力控制 輸送帶的正確張力是保證輸送機(jī)安全 可靠運(yùn)行的首要條件之一 但帶式輸送機(jī)起止瞬間 形成的帶張力會給輸送機(jī)的運(yùn)行和控制帶來很大的不利影響 嚴(yán)重的破壞性張力波可能會使長 距離帶式輸送機(jī)迅速減速乃至停機(jī) 因此 驅(qū)動裝置必須按要求控制住進(jìn)入輸送機(jī)的輸送功率 使 輸送帶隨時保持良好的張力 2 輸送機(jī)驅(qū)動性能 驅(qū)動系統(tǒng)是輸送機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備 它的各部件都應(yīng)具備最佳的可靠性 都必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn) 和規(guī)范精心設(shè)計和制造 在使用期間 要配備良好的監(jiān)控設(shè)備 隨時了解掌握輸送機(jī)運(yùn)行情況 避 免突然事故和阻卡現(xiàn)象給輸送機(jī)造成的損失 減少維修和停機(jī)次數(shù) 提高長距離帶式輸送機(jī)的 使用效率 3 最小電應(yīng)力 對長距離帶式輸送機(jī)來說 如果所有電機(jī)同時啟動 電源系統(tǒng)中的電壓負(fù)荷急劇增大 導(dǎo) 致電壓下降 使電機(jī)啟動時間延長乃至困難 對電機(jī)產(chǎn)生應(yīng)力 因此 當(dāng)在最小電壓時 驅(qū)動 系統(tǒng)也必須能使主要電機(jī)及時啟動 同時 電機(jī)每次啟動時產(chǎn)生的極大電流會使電機(jī)溫度增高 而 電機(jī)啟動所需時間越長 電流持續(xù)時間越長 溫度也越高 電機(jī)的熱化損壞也越快 從而使絕 緣體的耐熱性能下降 并最終在絕緣體內(nèi)進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的變化 使絕緣體完全失去功能 最后 毀壞電機(jī) 因此 要盡量以最小電應(yīng)力進(jìn)入電機(jī) 且啟動次數(shù)盡可能減少 啟動時間盡可能縮 短 使電機(jī)有良好的使用環(huán)境 4 最小機(jī)械應(yīng)力 6 由于驅(qū)動系統(tǒng)的載荷分配不均 特別是急速啟動情況下 包括不可控制的啟動情況 以及不 能逆止輸送機(jī)的情況 直接影響輸送機(jī)的主要驅(qū)動裝置及其他部件上的應(yīng)力 針對產(chǎn)生的原因 必 須對長運(yùn)距帶式輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計 在恰當(dāng)分配各驅(qū)動裝置載荷的情況下 設(shè) 立適長的啟動斜面并采用 S 型啟動斜面以減少輸送帶應(yīng)力 同時 實行軟啟動以對輸入功率和 扭矩進(jìn)行最大程度的限制 提高輸送機(jī)的安全性 而減少對輸送帶的要求因素 這樣就有效地 降低輸送機(jī)的成本 5 膠帶強(qiáng)度要求 膠帶要正常運(yùn)行必須是封閉環(huán)路 將一個以上的膠帶端部連接起來才能形成無極膠帶同路 而 接頭強(qiáng)度只能達(dá)到該膠帶強(qiáng)度的 70 90 因此 膠帶的最薄弱處就是它的接頭 所以如何 確定接頭的最佳連接方法就成為提高膠帶實際強(qiáng)度的關(guān)建 對膠帶的安全性 現(xiàn)主要基于四項不同的設(shè)計規(guī)范 即運(yùn)行張力 起動張力 膠帶延伸性 和壽命的遞減 接頭動態(tài)效能的損失 對運(yùn)行張力雖通常按最高張力條件確定 但由于造成接 頭疲勞的額定運(yùn)行張力約占最高設(shè)計張力的 80 故很難達(dá)到 對起動張力是一種不常出現(xiàn)的 周期性條件 可根據(jù)停機(jī)和啟動的頻率來確定是否應(yīng)視為持續(xù)起作用的疲勞因素 對膠帶延伸 應(yīng)力和性能退化應(yīng)該視為一種持續(xù)負(fù)荷加到運(yùn)行數(shù)值中 由于利用新技術(shù) 膠帶接頭間的動態(tài) 強(qiáng)度達(dá)到了一個新水平 現(xiàn)在鋼繩的耐用性倒成了限制接頭高效能的因素 橡膠性能的改進(jìn)使 無淪何種強(qiáng)度的膠帶均能獲得效果良好的高效能接頭 基于上述問題 急需探索一種新的結(jié)構(gòu)形式來代替當(dāng)前的長距離勻速往復(fù)運(yùn)動 1 2 本課題的研究內(nèi)容 自動化控制技術(shù)被引入工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有一百多年的歷史了 隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展自動化控 制技術(shù)更加日新月異 伴隨著數(shù)學(xué) 控制理論計算機(jī) 電子器件的發(fā)展 出現(xiàn)了自動化控制技 術(shù)系統(tǒng) 并作為一門應(yīng)用科學(xué)已發(fā)展成熟 形成了自己的體系和一套行之有效的分析和設(shè)計方 法 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展 機(jī)械在品種 規(guī)模 設(shè)計與制造技術(shù)等方面也得到了迅速的 發(fā)展和提高 目前全國各地均建有機(jī)械制造廠 并逐步走向?qū)I(yè)化生產(chǎn) 以能獨(dú)立自主地進(jìn)行 從單機(jī)到成套設(shè)備乃至自動生產(chǎn)線的設(shè)計與制造 皮帶式輸送機(jī)具有輸送量大 結(jié)構(gòu)簡單 維修方便 部件標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn) 廣泛應(yīng)用于礦山 冶金 煤炭等行業(yè) 用來輸送松散物料或成件物品 可由于長距離帶式輸送機(jī)總會產(chǎn)生各種問 題 談到往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu) 人們首先想到的是曲柄機(jī)構(gòu) 但是如果往復(fù)距離很長 比如 1M 2M 那么曲柄機(jī)構(gòu)就不能實現(xiàn)啦 在兩軸之間安裝皮帶或鏈條作為傳動機(jī)構(gòu) 那么往復(fù)距離就可以 設(shè)計的相當(dāng)?shù)拇?在皮帶或鏈條上安裝一傳動銷 與工作臺上的滑動長孔相配合 那么就可以帶動工作臺長距 離往復(fù)運(yùn)動 此系統(tǒng)的特點(diǎn)是不但往復(fù)距離可以相當(dāng)?shù)拈L 并且往復(fù)兩端的加速和減速是相當(dāng) 平穩(wěn)的 至于驅(qū)動電機(jī)則可以使用無級變速電機(jī) 7 第 2 章 長距離勻速往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)總體方案 2 1 設(shè)計方案分析與比較 輸送機(jī)的設(shè)計方案比較 主要是輸送機(jī)中動力部分的設(shè)計比較 方案一 傳動滾筒采用驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置主要是由安裝在驅(qū)動裝置架上的電動機(jī) 高速 軸連器 減速器 低速軸連器組成 如下圖 從上圖中我們可以看出這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 結(jié)構(gòu)也不夠緊湊 而且在巷道中占有空間比較 大 方案二 傳動滾筒采用電動滾筒 電動滾筒是把電動機(jī)減速器裝入滾筒內(nèi)的傳動滾筒 本 身結(jié)構(gòu)緊湊 外形尺寸小 易于安裝布置 如圖 8 方案三 通過電機(jī)帶動減速器 通過聯(lián)軸器連接帶輪 帶輪帶動帶傳動 皮帶上安裝有銷 釘帶動上面的工作臺移動 經(jīng)過比較 本課題采用第三種方案 2 2 設(shè)計方案確定 2 2 1 往復(fù)運(yùn)動工作機(jī)構(gòu)傳動方式的確定 對于僅有一兩個簡單往復(fù)動作的普通機(jī)械 可采用三相鼠籠式異步電動機(jī)拖動 經(jīng)齒輪減 速后用螺旋傳動機(jī)構(gòu)來傳動 如果機(jī)械設(shè)備具有多個往復(fù)運(yùn)動工作機(jī)構(gòu) 而且往復(fù)動作的調(diào)速 性能和自動化程度有一定要求時 應(yīng)采用電磁換向閥控制的液壓傳動或氣壓傳動系統(tǒng) 若往復(fù) 運(yùn)動的調(diào)速性能要求比較高 應(yīng)采用電液比例控制系統(tǒng)來傳動 對于往復(fù)運(yùn)動位移控制和速度 控制要求比較高時 應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī) 直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)家滾珠絲杠副來驅(qū)動和控 制 選擇三相鼠籠式異步電動機(jī)拖動 Y 系列電動機(jī)是籠型轉(zhuǎn)子電動機(jī) 符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)和 DIN42673 標(biāo)準(zhǔn) 本系列采用 B 級絕緣 外殼防護(hù)等級為封閉式 IP44 或防護(hù)式 IP23 Y 系 列電動機(jī)額定電壓 380V 額定頻率 50HZ 主要參數(shù)如表 2 1 實物圖如圖 2 2 表 2 1 選定電機(jī)的型號參數(shù) 滿載時 堵轉(zhuǎn) 電流 堵轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)矩 最大 轉(zhuǎn)矩 型號 額定 功率 KW 轉(zhuǎn)速 r mi n 電 流 A 效 率 功率因數(shù) cos j額定 電流 額定 轉(zhuǎn)矩 額定 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動 慣量 Kg m 2 躁 聲 凈 重 kg 同步轉(zhuǎn)速 1500r min 90S 4 1 1 1440 6 3 9 82 0 87 7 0 2 2 2 2 0 00 29 79 33 9 圖 2 2 電機(jī) 2 2 2 傳動方式的選擇 調(diào)速性質(zhì)是指電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 功率與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系 負(fù)載特性是指機(jī)械設(shè)備的負(fù)載屬于恒 功率負(fù)載 即功率不隨轉(zhuǎn)速變化而變化 還是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 即轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化而變化 設(shè) 計任何一個電力拖動系統(tǒng) 必須使調(diào)速性質(zhì)與負(fù)載特性相適應(yīng) 也就是說 恒功率負(fù)載必須采 用恒功率調(diào)速性質(zhì)的傳動方式 而轉(zhuǎn)矩負(fù)載則必須采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)的傳動方式 2 2 3 電動機(jī)起動方式的確定 對于起動性能要求不高的機(jī)械設(shè)備 電動機(jī)的起動可根據(jù)其容量決定 當(dāng)電動機(jī)總?cè)萘坎?超過供電變壓器容量的 20 時 一般采用直接起動 當(dāng)容量大于該值時 可采用星 三角形降壓 起動或在定子中串電阻降壓起動 也可采用自耦變壓器降壓起動 如果機(jī)械設(shè)備要求電動機(jī)軟 起動 應(yīng)采用軟起動器起動或變頻器控制的加速起動 10 第 3 章 主要傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算 根據(jù)實際 工作臺移動距離在 1m 到 1 5m 3 1 電機(jī)的選型 參考市場上同類產(chǎn)品 考慮到本機(jī)器體積小 功率消耗不大 只是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 初步選擇電動機(jī)為普通三相異步電動機(jī) Y90S 4 型 用于一般場合和無特殊要求 90S 4 型三相異步電機(jī) 功率 1 1KW 電壓 380V 電流 2 7A 絕緣 B 噪音 67 dB A 轉(zhuǎn)速 1440 r min 廣泛適用于不含易燃 易爆或腐蝕性氣體的一般場合和無特殊要求的機(jī)械設(shè)備上 如金屬 切削機(jī)床 泵 風(fēng)機(jī) 運(yùn)輸機(jī)械 攪拌機(jī) 農(nóng)業(yè)機(jī)械和食品機(jī)械等 Y90S 4 型三相異步電動機(jī)廣泛適用于不含易燃 易爆或腐蝕性氣體的一般場合和無特殊要求 的機(jī)械設(shè)備上 如金屬切削機(jī)床 泵 風(fēng)機(jī) 運(yùn)輸機(jī)械 攪拌機(jī) 農(nóng)業(yè)機(jī)械和食品機(jī)械等 Y90S 4 型三相異步電動機(jī)是全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機(jī) 電動機(jī)基本系列 符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定 Y90S 4 型三相異步電動機(jī)具有高效 節(jié)能 起動轉(zhuǎn)矩大 噪聲低 震動 小 可靠性高 使用維護(hù)方便等特點(diǎn) 3 2 蝸輪蝸桿減速器的選型 根據(jù)結(jié)構(gòu)布置形式 需要選擇輸入軸與輸出軸垂直的減速器 常見的有蝸輪蝸桿減速器和圓 錐齒輪減速器 由于前節(jié)選擇的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 1440 r min 轉(zhuǎn)速比較高 而本設(shè)計的包邊機(jī)要 求的轉(zhuǎn)速非常的低 比較二種減速器可知 圓錐齒輪減速器的傳動比一般小于或等于 5 來自 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊 吳宗澤編寫 而蝸輪蝸桿減速器的傳動比在 15 60 之間 顯然在這 選擇蝸輪蝸桿減速器 由于該課題對工作機(jī)的轉(zhuǎn)速要求并沒有特別嚴(yán)格的要求 我們?nèi)∫话闱闆r 從市場類型選擇一 種減速器 對于蝸輪蝸桿減速機(jī)的選型首先要考慮減速機(jī)本身的作用 其次是相對應(yīng)使用設(shè)備上的尺 寸大小 然后是蝸輪蝸桿減速機(jī)的速比 安裝方式 裝配形式 最后還要注意相對應(yīng)的電機(jī)功 率 以及電機(jī)的使用環(huán)境 1 蝸輪蝸桿減速機(jī)的簡要介紹 蝸輪蝸桿減速機(jī)是減速機(jī)行業(yè)一個涵蓋很廣泛的術(shù)語名詞 在減速機(jī)行業(yè)的發(fā)展中可以說 11 蝸輪蝸桿系列減速機(jī)的發(fā)展歷程中是一主要的推動力 蝸輪蝸桿減速機(jī)是一種為穩(wěn)定 改變傳 動速度的傳動設(shè)備 利用齒輪的不同速比 從而實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸 改變速度 調(diào)節(jié)電機(jī)和機(jī)床等 設(shè)備的速度適合 在目前的傳動設(shè)備中 減速機(jī)的使用很廣泛 人們也許并不了解減速機(jī) 但 是減速機(jī)早已經(jīng)被使用在人們生活中的方方面面 交通工具上的汽車 輪渡 飛機(jī) 機(jī)械生產(chǎn) 上的傳動設(shè)備更少不了減速機(jī)的身影 人們?nèi)粘Ｉ钪械募译?鐘表 洗衣機(jī)等 這些機(jī)械設(shè) 備的使用都少不了減速機(jī)的幫助 2 蝸輪蝸桿減速機(jī)的作用 1 減速機(jī)減速的同時提高輸出扭矩 扭矩輸出比例按電機(jī)輸出乘減速比 2 減速同時降低了負(fù)載的慣量 慣量的減少為減速比的平方 蝸輪蝸桿減速機(jī)主要型號有 WP 系列蝸輪蝸桿減速機(jī) WH 系列蝸輪蝸桿減速機(jī) CW 系列蝸輪蝸 桿減速機(jī) RV 系列蝸輪蝸桿減速機(jī)同時還包括 C 系列包絡(luò)蝸輪蝸桿減速機(jī) TP 系列平面包絡(luò)環(huán) 面蝸桿減速機(jī) ZC1 型雙級蝸桿及齒輪 蝸桿減速機(jī)等小系列減速機(jī) 12 根據(jù)情況在這選擇 CWS63 型號的減速器 3 3 帶傳動計算 1 確定設(shè)計功率 公式 1 確定設(shè)計 V 帶的功率 c 根據(jù) V 帶傳動工作條件 查表 7 7 可得工作情況系數(shù) 2 1 AkkwAc 3 12 2 選取 V 帶型號 根據(jù) 查圖 7 10 可知 選用 A 型 V 帶 c n 3 確定帶輪基準(zhǔn)直徑 1d2 由表 7 8 根據(jù) 故選 150mm1dmin1d 帶輪 的基準(zhǔn)直徑為 mnd502 50 2 根據(jù)表 7 8 選 d12 4 驗算帶速 snd 03 76094 3601 在 5 25 范圍內(nèi) 故帶速合適 sm 5 確定 V 帶基準(zhǔn)長度和傳動中心距 初選中心距 ma10 13 根據(jù)式 7 12 計算所需基準(zhǔn)長度 maddaL 6 2094201210 由表 7 2 選取帶的基準(zhǔn)長度為 Ld5 按式 7 13 計算實際中心距 Lad 2 9026 01200 6 驗算主動輪上的包角 a 由式 7 14 得 1209 37 518012 da 故主動輪包角合適 7 計算 V 帶的根數(shù) z 由式 7 15 得 Lack0 由 150mm 查表 7 3 并根據(jù)內(nèi)插法求得min960r 1d kw63 10 查表 7 4 查表 7 5 查表 7 6 kw 8 aL 故 9 03 18 0631 z 故取 z 1 根 8 設(shè)計 V 帶合適的初拉力 oF 由 215 0qvkzvFaco 查表 7 1 得 mgq No 7 103 18 0523 7562 9 計算作用在帶軸上的壓力 QF 由式 7 16 得 NazFoQ 3 16529 37sin 1752sin 14 第 4 章 主軸組件要求與設(shè)計計算 主軸組件是機(jī)床的執(zhí)行件 它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn) 完成表面成形運(yùn)動 同時還起傳遞運(yùn)動和扭矩 承受切削力和驅(qū)動力等載荷的作用 由于主軸組件的工作性能直接 影響到機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率 因此它是機(jī)床中的一個關(guān)鍵組件 主軸和一般傳動軸的相同點(diǎn)是 兩者都傳遞運(yùn)動 扭矩并承受傳動力 都要保證傳動件和 支承的正常工件條件 但主軸直接承受切削力 還要帶動工件或刀具 實現(xiàn)表面成形運(yùn)動 因 此對主軸有較高的要求 4 1 主軸的基本要求 4 1 1 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動或低速 空載時 主軸前端定位面的徑向跳動 r 端面跳 動 a 和軸向竄動值 o 如圖 2 1 所示 圖中實線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線 虛線表示實際的旋轉(zhuǎn) 軸線 當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時 主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運(yùn)動精度 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各主要件 如主軸 軸承及支承座孔等 的制造精度和 裝配 調(diào)整精度 運(yùn)動精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速 軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動態(tài)特性 各類通用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定 專用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精 度則根據(jù)工件精度要求確定 a o r 圖 4 1 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差 4 1 2 剛度 主軸組件的剛度 K 是指其在承受外載荷時抵抗變形的能力 如圖 4 2 所示 即 K F y 單位 為 N m 剛度的倒數(shù) y F 稱為柔度 主軸組件的剛度 是主軸 軸承和支承座的剛度的綜合 反映 它直接影響主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度 顯然 主軸組件的剛度越高 主軸受力后的變形就越 小 如若剛度不足 在加工精度方面 主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度 在傳動質(zhì)量 方面 主軸的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況 并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力 從而使這些零件 的磨損加劇 壽命縮短 在工件平穩(wěn)性方面 將使主軸在變化的切削力和傳動力等作用下 產(chǎn) 生過大的受迫振動 并容易引起切削自激振動 降低了工件的平穩(wěn)性 15 圖 4 2 主軸組件靜剛度 主軸組件的剛度是綜合剛度 影響主軸組件剛度的因素很多 主要有 主軸的結(jié)構(gòu)尺寸 軸承的類型及其配置型式 軸承的間隙大小 傳動件的布置方式 主軸組件的制造與裝配質(zhì)量 等 4 1 3 抗振性 主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力 在切削過程中 主軸組件不僅受靜載荷的作用 同時也受沖擊載荷和交變載荷的作用 使主軸產(chǎn)生振動 如果 主軸組件的抗振性差 工作時容易產(chǎn)生振動 從而影響工件的表面質(zhì)量 降低刀具的耐用度和 主軸軸承的壽命 還會產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境 隨著機(jī)床向高精度 高效率方向發(fā)展 對抗振 性要求越來越高 評價主軸組件的抗振性 主要考慮其抵抗受迫振動和自激振動能力的大小 4 1 4 溫升和熱變形 主軸組件工作時因各種相對運(yùn)動處的摩擦和攪油等而發(fā)熱 產(chǎn)生了溫升 溫升使主軸組件 的形狀和位置發(fā)生畸變 稱為熱變形 熱變形應(yīng)以主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)一定時間后各部分位置的變化 來度量 主軸組件溫升和熱變形 使機(jī)床各部件間相對位置精度遭到破壞 影響工件加工精度 高 精度機(jī)床尤為嚴(yán)重 熱變形造成主軸彎曲 使傳動齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞 熱變形還使主 軸和軸承 軸承與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化 影響軸承正常工作 間隙過小 將加速齒輪和軸承等零件的磨損 嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象 影響主軸組件溫升 熱變形的主要因素有 軸承的類型和布置方式 軸承間隙及預(yù)緊力的 大小 潤滑方式和散熱條件等 4 1 5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力 即精度的保持性 因此 主軸組件各 個滑動表面 包括主軸端部定位面 錐孔 與滑動軸承配合的軸頸表面 移動式主軸套筒外圓 表面等 都必須具有很高的硬度 以保證其耐磨性 為了提高主軸組件的耐磨性 應(yīng)該正確地選用主軸和滑動軸承的材料及熱處理方法 潤滑 16 方式 合理調(diào)整軸承間隙 良好的潤滑和可靠的密封 4 2 主軸組件的布局 主軸組件的設(shè)計 必須保證滿足上述的基本要求 從而從全局出發(fā) 考慮主軸組件的布局 機(jī)床主軸有前 后兩個支承和前 中 后三個支承兩種 以前者較多見 兩支承主軸軸承 的配置型式 包括主軸軸承的選型 組合以及布置 主要根據(jù)對所設(shè)計主軸組件在轉(zhuǎn)速 承載 能力 剛度以及精度等方面的要求 并考慮軸承的供應(yīng) 經(jīng)濟(jì)性等具體情況 加以確定 在選 擇時 具體有以下要求 1 適應(yīng)剛度和承載能力的要求 主軸軸承選型應(yīng)滿足所要求的剛度和承載能力 徑向載荷較大時 可選用滾子軸承 較小 時 可選用球軸承 雙列滾動軸承的徑向剛度和承載能力 比單列的大 同一支承中采用多個 軸承的支承剛度和承載能力 比采用單個軸承大 一般來說 前支承的剛度 應(yīng)比后支承的大 因為前支承剛度對主軸組件剛度的影響要比后支承的大 表 4 1 所示為滾動軸承和滑動軸承的 比較 表 4 1 滾動軸承和滑動軸承的比較 滑動軸承 基本要求 滾動軸承 動壓軸承 靜壓軸承 旋轉(zhuǎn)精度 精度一般或較差 可在無隙或預(yù)加載 荷下工作 精度也 可以很高 但制造 困難 單油楔軸承一般 多油楔軸承較高 可以很高 剛度 僅與軸承型號有關(guān) 與轉(zhuǎn)速 載荷無關(guān) 預(yù)緊后可提高一些 隨轉(zhuǎn)速和載荷升高 而增大 與節(jié)流形式有關(guān) 與載荷轉(zhuǎn)速無關(guān) 承載能力 一般為恒定值 高 速時受材料疲勞強(qiáng) 度限制 隨轉(zhuǎn)速增加而增加 高速時受溫升限制 與油腔相對壓差有 關(guān) 不計動壓效應(yīng) 時與速度無關(guān) 抗振性能 不好 阻尼系數(shù) D 0 029 較好 阻尼系數(shù) D 0 055 很好 阻尼系數(shù) D 0 4 17 速度性能 高速受疲勞強(qiáng)度和 離心力限制 低中 速性能較好 中高速性能較好 低速時形不成油漠 無承載能力 適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速 摩擦功耗 一般較小 潤滑調(diào) 整不當(dāng)時則較大 f 0 002 0 008 較小 f 0 001 0 08 本身功耗小 但有 相當(dāng)大的泵功耗 f 0 0005 0 001 噪聲 較大 無噪聲 本身無噪聲 泵有 噪聲 壽命 受疲勞強(qiáng)度限制 在不頻繁啟動時 壽命較長 本身壽命無限 但 供油系統(tǒng)的壽命有 限 2 適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求 由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因 不同型號和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的 軸承的 規(guī)格越大 精度等級越低 允許的最高轉(zhuǎn)速越低 在承受徑向載荷的軸承當(dāng)中 圓柱滾子軸承 的極限轉(zhuǎn)速 比圓錐滾子軸承的高 在承受軸向載荷的軸承當(dāng)中 向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)速最 高 推力球軸承的次之 圓錐滾子軸承的最低 但承載能力與上述次序相反 因此 應(yīng)綜合考 慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式 3 適應(yīng)精度的要求 起止推作用的軸承的布置有三種方式 前端定位 止推軸承集中布置在前支承 后端定位 集中布置在后支承 兩端定位 分別布置在前 后支承 采用前端定位時 主軸受熱變形向后延伸 不影響軸向定位精度 但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜 調(diào) 整軸承間隙較不便 前支承處發(fā)熱量較大 后端定位的特點(diǎn)與前述的相反 兩端定位時 主軸 受熱伸長后 軸承軸向間隙的改變較大 若止推軸承布置在徑向軸承內(nèi)側(cè) 主軸可能因熱膨脹 而彎曲 4 適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求 當(dāng)要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力 而在結(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時 則可在一個支承 尤其是前支承 中配置兩個或兩個以上的軸承 對于軸間距很小的多主軸機(jī)床 由于結(jié)構(gòu)限制 宜采用滾針軸承來承受徑向載荷 用推力 球軸承來承受軸向載荷 并使兩軸承錯開排列 5 適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求 確定主軸軸承配置型式 除應(yīng)考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外 還應(yīng)作經(jīng)濟(jì)性分析 使經(jīng) 濟(jì)效果好 在中速和大載荷情況下 采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合配置型式成 18 本低 因為前者節(jié)省了兩個軸承 而且箱體工藝性較好 綜合考慮以上因素 本設(shè)計的主軸采用前 后支承的兩支承主軸 前支承采用雙列向心短 圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合 D 級精度 后支承采用圓柱滾子軸承 E 級精度 其中前支 承的雙列圓柱滾子軸承 滾子直徑小 數(shù)量多 50 60 個 具有較高的剛度 兩列滾子交錯布 置 減少了剛度的變化量 外圈無擋邊 加工方便 軸承內(nèi)孔為錐孔 錐度為 1 12 軸向移動 內(nèi)圈使之徑向變形 調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊 黃銅實體保持架 利于軸承散熱 前支承的總體特 點(diǎn)是 主軸靜剛度好 回轉(zhuǎn)精度高 溫升小 徑向間隙可以調(diào)整 易保持主軸精度 但由于前 支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 前 后支承的溫升不同 熱變形較大 此外 裝配 調(diào)整比較麻煩 4 3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具 夾具 傳動件 軸承和密封裝置等的類型 數(shù)目 位置和安裝定位的方法 同時還要考慮主軸加工和裝配的工藝性 一般在機(jī)床主軸上裝 有較多的零件 為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配 常把主軸設(shè)計成階梯 軸 即軸徑從前軸頸起向后依次遞減 主軸是空心的或者是實心的 主要取決于機(jī)床的類型 此次設(shè)計的主軸 也設(shè)計成階梯形 同時 在滿足剛度要求的前提下 設(shè)計成空心軸 以便通 過刀具拉桿 主軸端部系指主軸前端 它的形狀決定于機(jī)床的類型 安裝夾具或刀具的形式 并應(yīng)保證 夾具或刀具安裝可靠 定位準(zhǔn)確 裝卸方便和能傳遞一定的扭矩 4 4 主軸的材料與熱處理 主軸材料主要根據(jù)剛度 載荷特點(diǎn) 耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇 主軸的剛度與材料的彈性模量 E 值有關(guān) 鋼的 E 值較大 2 1 10 N cm 左右 所以 主72 軸材料首先考慮用鋼料 鋼的彈性模量 E 的數(shù)值和鋼的種類和熱處理方式無關(guān) 即不論是普通 鋼或合金鋼 其彈性模量 E 基本相同 因此在選擇鋼料時應(yīng)首先選用價格便宜的中碳鋼 如 45 鋼 只有在載荷特別重和有較大的沖擊時 或者精密機(jī)床主軸需要減少熱處理后的變形時 或 者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時 才考慮選用合金鋼 當(dāng)主軸軸承采用滾動軸承時 軸頸可不淬硬 但為了提高接觸剛度 防止敲碰損傷軸頸的 配合表面 不少 45 鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火 HRC48 54 有關(guān) 45 鋼主軸熱處理情況如下 表 4 2 所列 表 4 2 使用滾動軸承的 45 鋼主軸熱處理等參數(shù) 材 料 牌 號 工 作 條 件 使 用 機(jī) 床 常 用 代 用 熱 處 理 硬 度 輕中負(fù)載 車 鉆 銑 磨 45 50 調(diào)質(zhì) HB220 250 19 床主軸 輕中負(fù)載局部要求 高硬度 磨床的砂輪軸 45 50 高頻淬火 HRC52 58 輕中負(fù)載 PV 40 N m cm 2 s 車 鉆 銑 磨 床的主軸 45 50 淬火回火高頻淬 火 HRC42 50 HRC52 58 此次設(shè)計的機(jī)床主軸 考慮到主軸材料的選擇原則 選用價格便宜的中碳鋼 45 鋼 查表 2 2 中 因工作中承受輕 中負(fù)荷 且要求局部高硬度 故熱處理采用高頻淬火 HRC52 58 4 5 主軸的技術(shù)要求 主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度 主軸和軸承 齒輪等零件相連接處的表面幾 何形狀誤差和表面粗糙度 關(guān)系到接觸剛度 零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)確 表面粗糙度愈低 則 受力后的接觸變形愈小 亦即接觸剛度愈高 因此 對主軸設(shè)計必須提出一定的技術(shù)要求 1 軸頸 此次設(shè)計的主軸 應(yīng)首先考慮軸頸 支承軸頸是主軸的工作基面 工藝基面和測量基面 主軸工作時 以軸頸作為工作基面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 加工主軸時 為了保證錐孔中心和軸頸中心 同軸 一般都以軸頸作為工藝基面來最后精磨錐孔 在檢查主軸精度時 以軸頸作為測量基面 來檢查各部分的同軸度和垂直度 采用滾動軸承時 軸頸的精度必須與軸承的精度相適應(yīng) 軸 頸的表面粗糙度和硬度 將影響其與滾動軸承的配合質(zhì)量 對于普通精度級機(jī)床的主軸 其支承軸頸的尺寸精度為 IT5 軸頸的幾何形狀允差 圓度 圓柱度等 通常應(yīng)小于直徑公差的 1 4 1 2 2 內(nèi)錐孔 內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面 在檢驗機(jī)床精度時 它是代表主軸中心線的基準(zhǔn) 用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度 如主軸與導(dǎo)軌的平行度等 由于刀具和頂尖要經(jīng)常 裝拆 故內(nèi)錐孔必須耐磨 錐孔與軸承軸頸的同軸度 一般以錐孔端部及其相距 100 300 毫米處對軸頸的徑向跳動表 示 其形狀誤差用標(biāo)準(zhǔn)檢驗錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗 此乃綜合指標(biāo) 還要求一定的 表面粗糙度和硬度等 4 6 主軸直徑的選擇 主軸直徑對主軸組件剛度的影響很大 直徑越大 主軸本身的變形和軸承變形引起的主軸 前端位移越小 即主軸組件的剛度越高 但主軸前端軸頸直徑 D1 越大 與之相配的軸承等零件的尺寸越大 要達(dá)到相同的公差則制 造越困難 重量也增加 同時 加大直徑還受到軸承所允許的極限轉(zhuǎn)速的限制 甚至為機(jī)床結(jié) 構(gòu)所不允許 20 通常 主軸前軸頸直徑 D1 可根據(jù)傳遞功率 并參考現(xiàn)有同類機(jī)床的主軸軸頸尺寸確定 查 金屬切削機(jī)床設(shè)計 第 506 頁表 5 12 中 幾種常見的通用機(jī)床鋼質(zhì)主軸前軸頸的直徑 D1 可 供參考 如下表 2 3 所示 已知主電機(jī)功率 Pe 4KW 機(jī)床類型是銑床 查上表中對應(yīng)項 初取 D1 80 主軸后軸頸直徑 D2和前軸頸直徑 D1的關(guān)系 可根據(jù)下列經(jīng)驗公式來定 D2 0 7 0 85 D 因此 有 D2 0 7 0 85 D 1 0 7 0 85 80 56 68 取 D2 65 表 4 3 主軸前軸頸直徑 D1的選擇 機(jī)床功率 千瓦 機(jī)床 1 47 2 5 2 6 3 6 3 7 5 5 5 6 7 3 7 4 11 11 14 7 車床 60 80 70 90 70 105 95 130 110 145 140 165 銑床 50 90 60 90 60 95 75 100 90 105 100 115 外圓磨床 50 90 55 70 70 80 75 90 75 100 4 7 主軸前后支承軸承的選擇 4 7 1 主軸前支承軸承的選擇 根據(jù)前述關(guān)于軸承的選擇原則 查 金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊 第 375 頁 選取主軸前 支承的雙列向心短圓柱滾子軸承型號為 3182116 其中 d 80 D 125 B 34 D 1 91 D 2 117 D 3 117 r 1 具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 2 4 所示 圖 2 4 雙列向心短圓柱滾子軸承 GB285 87 結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸 再查 金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊 第 365 頁 選取主軸前支承的推力球軸承型號為 8215 其中 d 75 d 1 5 2 D 110 H 27 D 1 86 D2 99 r 1 具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 4 5 所示 21 圖 4 5 推力球軸承 GB301 84 結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸 4 7 2 主軸后支承軸承的選擇 查 金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊 第 368 頁 選取主軸后支承的圓柱滾子軸承型號為 2213 其中 d 65 D 120 B 23 D 1 77 D 2 110 rg 1 5 具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 2 6 所示 圖 4 6 圓柱滾子軸承 GB283 87 結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸 4 8 主軸前端懸伸量 主軸前端懸伸量 a 指的是主軸前支承支反力的作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離 它對主軸組件剛度的影響較大 懸伸量越小 主軸組件剛度越好 主軸前端懸伸量 a 取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸 一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取 有時為了提高 主軸剛度或定心精度 也可不按標(biāo)準(zhǔn)取 另外 主軸前端懸伸量 a 還與前支承中軸承的類型及組合型式 工件或夾具的夾緊方式以 及前支承的潤滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān) 因此 在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下 應(yīng)盡可能減小懸伸量 a 以利于提高主軸組件的剛度 初算時 可查 金屬切削機(jī)床設(shè)計 第 158 頁 如下表 2 4 所示 表 4 4 主軸的懸伸量與直徑之比 類型 機(jī) 床 和 主 軸 的 類 型 a D1 通用和精密車床 自動車床和短主軸端銑床 用滾動軸承支承 適用 于高精度和普通精度要求 0 6 1 5 中等長度和較長主軸端的車床和銑床 懸伸量不太長 不是細(xì)長 的 1 25 2 5 22 精密鏜床和內(nèi)圓磨 用滾動和滑動軸承支承 適用于絕大部分普通生產(chǎn)的 要求 孔加工機(jī)床 專用加工細(xì)長深孔的機(jī)床 由加工技術(shù)決定需要有長的 懸伸刀桿或主軸可移動 由于切削較重而不適用于有高精度要求的機(jī)床 2 5 根據(jù)上表所列 所設(shè)計的機(jī)床屬于 型 所以取 a D1為 1 25 2 5 即 4 9 主軸支承跨距 主軸支承跨距 L 是指主軸前 后支承支承反力作用點(diǎn)之間的距離 合理確定主軸支承跨距 可提高主軸部件的靜剛度 可以證明 支承跨距越小 主軸自身 的剛度越大 彎曲變形越小 但支承的變形引起的主軸前端的位移量將增大 支承跨距大 支 承的變形引起的主軸前端的位移量較小 但主軸本身的彎曲變形將增大 可見 支承跨距過大 或過小都會降低主軸部件的剛度 有關(guān)資料對合理跨距選擇的推薦值可作參考 1 L 4 5 D 1合 理 2 L 3 5 a 用于懸伸長度較小時 合 理 3 L 1 2 a 用于懸伸長度較大時 合 理 根據(jù)此次設(shè)計的機(jī)床剛性主軸的懸伸量較大 取 L 2a 為宜 即此次設(shè)計的主軸兩支承合 理 的合理跨距 L 2a 2 110 220合 理 初取 L 220 4 10 主軸結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)以上的分析計算 可初步得出主軸的結(jié)構(gòu)如圖 4 7 所示 4 7 主軸結(jié)構(gòu)圖 23 4 12 主軸組件的驗算 主軸在工作中的受力情況嚴(yán)重 而允許的變形則很微小 決定主軸尺寸的基本因素是所允 許的變形的大小 因此主軸的計算主要是剛度的驗算 與一般軸著重于強(qiáng)度的情況不一樣 通 常能滿足剛度要求的主軸也能滿足強(qiáng)度的要求 剛度乃是載荷與彈性變形的比值 當(dāng)載荷一定時 剛度與彈性變形成反比 因此 算出彈 性變形量后 很容易得到靜剛度 主軸組件的彈性變形計算包括 主軸端部撓度和主軸傾角的 計算 4 12 1 支承的簡化 對于兩支承主軸 若每個支承中僅有一個單列或雙列滾動軸承 或者有兩個單列球軸承 則可將主軸組件簡化為簡支梁 如下圖 4 8 所示 若前支承有兩個以上滾動軸承 可認(rèn)為主軸 在前支承處無彎曲變形 可簡化為固定端梁 如圖 4 9 所示 圖 4 8 主軸組件簡化為簡支梁 圖 4 9 主軸組件簡化為固定端梁 此次設(shè)計的主軸 前支承選用了一個雙列向心短圓柱滾子軸承和兩個推力球軸承作為支承 即可認(rèn)為主軸在前支承處無彎曲變形 可簡化為上圖 4 9 所示 4 12 2 主軸的撓度 查 材料力學(xué) I 第 188 頁的表 6 1 對圖 4 9 作更進(jìn)一步的分析 如下圖 2 10 所示 根據(jù)圖 4 10 可得此時的最大撓度 24 maxB EIF3 l 其中 F 主軸前端受力 此處 F F 1213 1NZ l A B 之間的距離 此處 l a 12cm 圖 4 10 固定端梁在載荷作用下的變形 E 主軸材料的彈性模量 45 鋼的 E 2 1 10 N cm72 I 主軸截面的平均慣性矩 當(dāng)主軸平均直徑為 D 內(nèi)孔直徑為 d 時 I 此處 D 13364d D2138 故可計算出 主軸端部的最大撓度 1 87 10 mmmaxB 4 4 12 3 主軸傾角 主軸上安裝主軸和安裝傳動齒輪處的傾角 稱為主軸的傾角 此次設(shè)計的主軸主要考慮主 軸前支承處的傾角 若安裝軸承處的傾角太大 會破壞軸承的正常工作 縮短軸承的使用壽命 根據(jù)圖 4 10 可得此時的最大傾角 B 2EI lF 其中 F 主軸前端受力 此處 F F z 1213 1N l A B 之間的距離 此處 l a 12cm E 主軸材料的彈性模量 45 鋼的 E 2 1 10 N cm72 I 主軸截面的平均慣性矩 當(dāng)主軸平均直徑為 D 內(nèi)孔直徑為 d 時 I 此處 D 13364d D2138 25 故可計算出 主軸傾角為 2 3 10 radB 6 查 機(jī)床設(shè)計 第一冊中機(jī)械部分的第 670 頁 可知 當(dāng) x 0 0002L mm最 大 0 001 rad最 大 時 剛性主軸的剛度滿足要求 此處的 x 即為最大撓度和最大傾角 L 為主軸支承跨距 最 大 最 大 將已知數(shù)據(jù) 和 代入 即可得 maxB 初步設(shè)計的主軸滿足剛度要求 3 按彎矩復(fù)合強(qiáng)度計算 求轉(zhuǎn)矩 已知 T2 34747 5N mm 求圓周力 Ft 根據(jù) 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 式得 Ft 2T2 d2 69495 40 1737 375N 求徑向力 Fr 根據(jù) 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 式得 Fr Ft tan 1737 375 tan200 632N 因為該軸兩軸承對稱 所以 L A LB 50mm 1 繪制軸受力簡圖 如圖 a 2 繪制垂直面彎矩圖 如圖 b 軸承支反力 FAY FBY Fr 2 316N FAZ FBZ Ft 2 868N 由兩邊對稱 知截面 C 的彎矩也對稱 截面 C 在垂直面彎矩為 MC1 FAyL 2 235 3 50 11 765N m 3 繪制水平面彎矩圖 如圖 c 26 截面 C 在水平面上彎矩為 MC2 FAZL 2 631 61455 50 31 58N m 4 繪制合彎矩圖 如圖 d MC MC12 MC22 1 2 11 7652 31 582 1 2 43 345N m 5 繪制扭矩圖 如圖 e 轉(zhuǎn)矩 T 9 55 P 2 n2 10 6 35N m 6 繪制當(dāng)量彎矩圖 如圖 f 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪力按脈動循環(huán)變化 取 1 截面 C 處的當(dāng)量彎矩 Mec MC2 T 2 1 2 43 3452 1 35 2 1 2 55 5N m 7 校核危險截面 C 的強(qiáng)度 由式 6 3 e Mec 0 1d33 55 5 0 1 353 12 9MPa 1 b 60MPa 27 該軸強(qiáng)度足夠 第 5 章 機(jī)架的設(shè)計 5 1 機(jī)架的基本尺寸的確定 機(jī)架是支撐及其機(jī)構(gòu)所有附件的可移動機(jī)構(gòu) 要保證拆裝機(jī)構(gòu)方便 安全 重量要輕 便 于移動 架子要有足夠的空間安裝 而且機(jī)構(gòu)每個總成之間要考慮它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 考慮 到這些方面的因素后要確定的一些機(jī)構(gòu)尺寸根據(jù)這些數(shù)據(jù) 大概確定架子的長高 這樣架子的 地面的結(jié)構(gòu)就確定了 支撐機(jī)構(gòu)的部件是支撐板 支撐板固定在支承軸上 支承軸安裝在機(jī)架 上 5 2 架子材料的選擇確定 架子的結(jié)構(gòu)確定后 就需要準(zhǔn)備材料 買材料時要考慮鋼材的性能 同時也要考慮成本 再者還要考慮到其美觀 通過到市場調(diào)查分析后 臺架選用 60 60 的方鋼和 50 50 的角鋼 組合制作 其規(guī)格如表一所示 5 3 主要梁的強(qiáng)度校核 機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為 25 250N 考慮到一些外在壓力 按照重量為 600N 進(jìn)行校核 支承軸 160 查機(jī)械工程材料 P105 頁表 5 2 得 Q235 鋼材的屈服強(qiáng)度 b 375 460MPa 取 b 375 MP a 解 和軸一樣建立如圖所示的坐標(biāo)系 以軸心為 x 軸 垂直上平面的直線為 y 軸 一端點(diǎn)為圓點(diǎn)建立如圖 6 1 所示的平面直角坐 標(biāo)系 因為 FRD 600N 把 RDE 從 D 點(diǎn)移到 E 后的受力情況如圖 6 1 所示 圖 5 1 28 得到一個 F 和一個力矩 M Fab Lbe 600 0 300N M 180 N m 計算軸的集慣性矩 Ip和抗彎截面系數(shù) Wz 因為材料和軸的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 所以 max M max W 180 6773 69 10 6 P a 0 26MP a 也設(shè)安全系數(shù) K 5 故 K max 5 0 26MP a 1 5 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為 5 的情況下也是安全的 所以可以進(jìn)行制作 解 以軸心為 x 軸 垂直上平面的直線為 y 軸 一端點(diǎn)為圓點(diǎn)建立如 圖 2 2 1 所示的平面直角坐標(biāo)系 軸的受力分析 軸的軸心受力簡圖如圖 2 2 1 b 所示 通過 受力圖可以明顯看出軸的最大彎矩是在 BE 點(diǎn)之間 把 F 從 C 點(diǎn)移到 B 后的受力情況如圖 2 2 1 b 所示 得到一個 F 和一個力矩 M F Lbe 600 0 3N M 180 N m 因為 F ba Fde 2F 1200N 由于軸的受力完全對稱 故 Fba Fde F 600N B 點(diǎn)和 F 點(diǎn)的彎矩為 M B WF Fba Lde M 600 0 01 180 N m 601 8N m 受力情況如圖 6 1 所示 計算軸的極慣性矩 Ip 和抗彎截面系數(shù) Wz 因為材料和軸的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 所以 max M max W 305 6773 69 10 6 P a 0 45MP a 也設(shè)安全系數(shù) K 5 故 K max 5 0 45 MP a 2 25 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為 5 的情況下也是安全的 所以可以進(jìn)行制作 29 總結(jié) 我覺得這次設(shè)計是對過去所學(xué)專業(yè)知識的一個全面的綜合的運(yùn)用 在設(shè)計的過程中我全面 地溫習(xí)了以前所學(xué)過的知識 包括機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)和機(jī)械制圖方面的基礎(chǔ)知識 還有剛學(xué)過這門 課 經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識使得設(shè)計思路清晰系統(tǒng) 通過設(shè)計使我更加接近生產(chǎn)實際 鍛煉了將理論運(yùn)用于實際的分析和解決實際問題的能力 鞏固 加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計方面的知 識 還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會到了一個設(shè)計者的精神 在設(shè)計過程中既要自己不斷思考 創(chuàng)造 又要注意借用現(xiàn)有的資料 掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)范 手冊 圖冊 及相關(guān)技術(shù)資 料的基本技能以及計算 繪圖 數(shù)據(jù)處理等方面的能力 通過對通用機(jī)械零件 常用機(jī)械傳動或簡單機(jī)械的設(shè)計 掌握了一般機(jī)械設(shè)計的程序和方 法 有助于樹立正確的工程設(shè)計思想 培養(yǎng)獨(dú)立 全面 科學(xué)的機(jī)械設(shè)計能力 30 參考文獻(xiàn) 1 機(jī)械工程手冊 第二版 傳動設(shè)計卷 機(jī)械工業(yè)出版社 2000 2 實用機(jī)械設(shè)計手冊 吳相憲 王正為 黃玉堂 主編 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 2001 3 機(jī)械設(shè)計 濮良貴 紀(jì)名剛 主編 高等教育出版社 1996 4 機(jī)械制造工藝學(xué) 趙志修 主編 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1984 2 5 機(jī)械制造工藝及專用夾具設(shè)計指導(dǎo) 孫麗媛 主編 北京 冶金工業(yè)出版社 2002 6 機(jī)械加工工藝手冊 李洪 主編 北京 北京出版社 1990 12 7 金屬工藝學(xué) 鄧文英 主編 北京 高等教育出版社 2000 8 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計 華中理工大學(xué) 王昆 同濟(jì)大學(xué) 高等教育出版社 1986 9 齒輪手冊 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 10 機(jī)械加工余量與公差手冊 馬賢智 北京 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 1994 11 高等學(xué)校畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo) M 周永強(qiáng) 北京 中國建材工業(yè)出版社 2002 12 機(jī)械制造工藝學(xué)習(xí)題集 李益民 主編 黑龍江 哈兒濱工業(yè)大學(xué)出版社 1984 31 致 謝 畢業(yè)設(shè)計是將大學(xué)所學(xué)的知識融合在一起 綜合運(yùn)用所有的相關(guān)專業(yè)知識 是課本知識在 實際中的應(yīng)用 通過這次畢業(yè)設(shè)計 使我的專業(yè)知識在原有的基礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高 這離不開老師和同學(xué)們的幫助 本設(shè)計分析是在老師的指導(dǎo)下完成的 在分析的過程中 XX 老 師給了我很大的鼓勵 在設(shè)計分析中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計思路 增強(qiáng)了我的學(xué)習(xí)能力 與我們一起討論問題 使我對分析有了更清晰明確的認(rèn)識 使我受益非淺 畢業(yè)設(shè)計是我們專業(yè)知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練 這是我們邁向社會 從事職業(yè)工作前一個 必不可少的過程 千里之行始于足下 通過這次課程設(shè)計 我深深體會到這句千古言的真正 含義 我今天認(rèn)真地進(jìn)行課程設(shè)計 學(xué)會腳踏實地地邁開這一步 就是為明天能穩(wěn)健地在社會 大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ) 說實話 畢業(yè)設(shè)計真是有點(diǎn)累 然而一著手清理自己的設(shè)計結(jié)果 仔細(xì)回味畢業(yè)設(shè)計的心 路歷程 一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消 雖然這是我剛學(xué)會走完的第一部 是我人生 中的一點(diǎn)小小的勝利 然而它令我感到自己成熟了許多 通過畢業(yè)設(shè)計 使我深深體會到 干任何事都必須耐心 細(xì)致 課程設(shè)計過程中 許多計 算有時不免令我感到有些心煩意亂 有時應(yīng)為不小心計算出錯 只能毫不留情地重做 但一想 起老師平時多耐心的教導(dǎo) 想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會責(zé)任 想到世界上因為某些細(xì)小失誤 而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故 我不禁時刻提醒自己 一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé) 一絲不茍 的良好習(xí)慣 經(jīng)歷了畢業(yè)設(shè)計 使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正的貧乏 自己綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè) 知識的能力是如此的不足 幾年來學(xué)習(xí)了那么多的課程 今天才知道自己并不會用 想到這里 我真的有點(diǎn)心急了 由于畢業(yè)時間的倉促 很多本來應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒有時間去細(xì)細(xì)追究來源 比如網(wǎng) 格劃分的控制 坐標(biāo)系的理解 求解器的選擇等 這使我明白了大學(xué)里學(xué)的只是一個大體上的 方向 離實際應(yīng)用還有太遠(yuǎn)的距離 但我相信方向才是最重要的 因為方向確定了 就會用最 少的精力做好事情 這對于我以后的工作至關(guān)重要 因為在實際生產(chǎn)生活中 要從事的工種是 千差萬別的 只有從中找到自己最拿手 最有發(fā)展前途的崗位 個人才有更多的熱情 也最可 能在自己的崗位做出一些貢獻(xiàn)