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题目 47 普通 车床 传动系统 设计 数控车床 主轴 结构设计 机械制造 课程 原创

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1 宁学 课程设计 (论文 ) 数控机床主轴箱设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 2 摘 要 根据已确定的运动参数以变速箱展开图的总中心距最小为目标，拟定变速系统的变速方案，以获得最优方案以及较高的设计效率。在机床主传动系统中，为减少齿轮数目，简化结构，缩短轴向尺寸，用齿轮齿数的设计方法是试算，凑算法，计算麻烦且不易找出合理的设计方案。本文通过对主传动系统中三联滑移齿轮传动特点的 分析与研究，绘制零件工作图与主轴箱展开图及剖视图。 关键词 传动系统设计 ,传动副，结构网，结构式，齿轮模数，传动比 4 目 录 摘 要 . 2 目 录 . 4 第 1 章 绪论 . 6 程设计的目的 . 6 程设计的内容 . 6 论分析与设计计算 . 6 样技术设计 . 6 制技术文件 . 6 程设计题目、主要技术参数和技术要求 . 6 程设计题目和主要技术参数 . 6 术要求 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 运动设计 . 8 动参数及转速图的确定 . 8 定结构网 . 8 制转速图和传动系统图 . 9 定各变速组此传动副齿数 . 10 第 3 章 动力计算 . 11 步带计算选 型 . 11 算转速的计算 . 14 轮模数计算及验算 . 14 轴合理跨距的计算 . 19 轴材料的选择及尺寸、参数的计算 . 20 轴箱体的截面形状和壁 厚计算 . 22 第 4 章 主要零部件的选择 . 22 动机的选择 . 22 承的选择 . 22 速操纵机构的选择 . 22 5 第 5 章 校核 . 22 的校核 . 22 承寿命校核 . 25 第 6 章 结构设计及说明 . 26 构设计的内容、技术要求和方案 . 26 开图及其布置 . 27 结 论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 6 第 1 章 绪论 程设计的目的 课程设计是在学完本课程后，进行一次学习设计的综合性练习。通过课程设计，使学生能够运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及生产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的目的。通过课程设计，分析比较机械系统中的某些典型机构，进行选择和改进；结合结构设计，进行设计计算并编写技术文件；完成系统主传动设计，达 到学习设计步骤和方法的目的。通过设计，掌握查阅相关工程设计手册、设计标准和资料的方法，达到积累设计知识和设计技巧，提高学生设计能力的目的。通过设计，使学生获得机械系统基本设计技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行机械系统设计创造一定的条件。 程设计的内容 课程设计内容由理论分析与设计计算、图样技术设计和技术文件编制三部分组成。 论分析与设计计算 （ 1）机械系统的方案设计。设计方案的分析，最佳功能原理方案的确定。 （ 2）根据总体设计参数，进行传动系统运动设计和计算。 （ 3）根据设计方案和零部件选择情况，进行有关动力计算和校核。 样技术设计 （ 1）选择系统中的主要机件。 （ 2）工程技术图样的设计与绘制。 制技术文件 （ 1）对于课程设计内容进行自我经济技术评价。 （ 2）编制设计计算说明书。 程设计题目、主要技术参数和技术要求 程设计题目和主要技术参数 技术参数： 7 数控车 床主 轴箱结构设计 同步带变速 : 1、 主轴转速 :： 35 3500 计算转速为 120 2、 主电机 （ 交 流主轴伺服电机）：额定 转速 为 1500最高 转速 为 4500低 转速 为 35 主电机功率 :11 8 第 2 章 运动设计 动参数及转速图的确定 技术参数： 数控车 床主 轴箱结构设计 同步带变速 : 1、 主轴转速 :： 35 3500 计算转速为 120 2、 主电机 （ 交 流主轴伺服电机）：额定 转速 为 1500最高 转速 为 4500低 转速 为 35 主电机功率 :11 1)无级变速传动系统的恒功率调速范围 1203500 =2)交流调速电动机的恒功率调速范围 15004500 =3 (3)分级变速传动的转速级数 Z： Z= Z=3 定结构网 主轴的计算转速为 120r/转速得 ,选用齿轮精度为 8级精度 9 图 2构网 制转速 图和传动系统图 （ 1）绘制转速图： 10 转速图 （ 2）画主传动系统图。根据系统转速图及已知的技术参数 1 (m+D) 轴最小齿数和 :+D/m) 定各变速组此传动副齿数 (1)100型机床 02)直齿圆柱齿轮 18 2主传动系统图 （ 7） 齿轮齿数的确定。 据设计要求 18 20,由表 据各变速组公比，可得各传动比和齿轮齿数，各齿轮齿数如表 2 11 齿轮 1 2 3 齿数 73 47 40 80 17 103 第 3章 动力计算 步带计算选 型 设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时间长短等因素共同确定的，表达式如下： d A P 式中 需要传递的名义功率 工作情况系数，按表 2工作情况系数 取 表 K 12 d 确定带的型号和节距 可根据同步带传动的设计功率 小带轮转速 同步带选型图中来确定所需采用的带的型号和节距。 其中 1表 3 313 选同步带的型号为 H：，节距为： 择小带轮齿数 根据同步带的最小许用齿数确定。查表 3 查得小带轮最小齿数 14。 实际齿数应该大于这个数据 初步取值 4故大带轮齿数为： z2=i 8。 故 4， 8。 确定带轮的节圆直径 带轮节圆直径 =34/带轮节圆直径 =34/证带速 v 由公式 v= 0000计算得， s 0m/s， 确定带长和中心矩 根据机械设计基础得 )(2)(1021 所以有： 1 0 现在选取轴间间距为取 0a 2240、同步带带长及其齿数确定 0L = 22 0a (21 ) =1、带轮啮合齿数计算 有在本次设计中传动比为 1，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即 17。 14 12、基本额定功率 0P 的计算 1000 )(20a 查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表 4m=m。 所以同步带的基准额定功率为 0P = 1 0 0 0 0( 2 = 3准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量 13、计算作用在轴上力 =算转速的计算 （ 1） 传动件的计算转速)1( mi n/12 0 主轴的计算转速 , :各轴的计算转速如下 轮模数计算及验算 轴 序 号 电动机 (0) 计算转速r/500 750 120 15 1、计算各传动轴的输出功率 44( 2 )1 1 0 . 9 6 0 . 9 9 1 0 . 8 01 0 . 8 0 . 9 7 0 . 9 9 1 0 . 6 5( 3 ) :1 0 . 89 5 5 1 0 2 8 2 2 5 ( )7501 0 . 6 59 5 5 1 0 1 6 2 9 8 7 ( )1500I r I r n n K n n K m m m 1;:(91)4(4该轴的计算转速该轴的传递功率注由公式择轴径的计算以及键的选 : 2 . 6 6 ; 9 0 0 / m i n ; 12 . 6 69 1 2 1 . 2 2 ; 2 59 0 0 12 . : 2 . 5 6 ; 1 5 0 / m i n ; 12 . 5 69 1 3 2 . 8 9 ; 3 51 5 0 1 I K W n rd m m d m P K W n rd m m d m m 轴 取 代 入 公 式 得圆 整 取轴 取 代 入 公 式 得圆 整 取 4、模数计算， 一般同一变速组内的齿轮取同一模数，选取负荷最重的小齿轮，按简化的接触疲劳强度公式进行计算，即 63383 221 )1( 可得各组的模数，如表 3 45号钢整体淬火， 1 1 0 0j 按接触疲劳计算齿轮模数 m 16 6338mm i n/250;4;10:6338mm i n/772;4;10:0;104;m i n )/();()1(16338取轴取轴小齿轮齿数大小齿轮齿数比齿轮计算转速驱动电机的功率（ 2） 齿轮计算 。 齿轮几何尺寸见下表 齿轮 1 2 3 齿数 73 47 40 80 17 93 模数 3 3 3 3 3 3 分度圆直径 219 141 120 240 51 279 齿顶圆直径 225 147 126 246 57 285 齿根圆直径 宽 24 24 24 24 24 24 按基本组最小齿轮计算 。 小齿轮用 40质处理，硬度 241286均取260齿轮用 45 钢，调质处理，硬度 229286均取 240算如下： 齿面接触疲劳强度计算： 接触应力验算公式为 P n )()1(102088 3218弯曲应力验算公式为： 17 P )(101 9 12 3215 式中 这里取 N=4r/. , ; u=2; K 里取 T=15000h.; 1n r/ 1 n =500（ r/ 0触载荷取0C= 710 ，弯曲载荷取0C= 6102 触载荷取 m=3；弯曲载荷取 m=6; 【 5】 2 上，取 【 5】 2 上，取 【 5】 2 上 ,K 3K =K 【 5】 2 上，取 2K =1 1K 【 5】 2 上， 1K =1 18 【 5】 2 上， Y= j ,查 【 4】，表 4 j =650 w 查 【 4】，表 4 w =275 根据上述公式，可求得及查取值可求得： 合格；弯曲应力校核：合格接触应力校核：M P aM p aM p (按扩大组最小齿轮计算 。 小齿轮用 40质处理，硬度 241286均取 260齿轮用 45 钢，调质处理，硬度 229286均取 240 同理根据基本组的计算， 查文献 【 6】， 可得 : K= 2K =1， 1K =1， m=355；可求得： 合格；弯曲应力校核：合格接触应力校核：M P aM p aM p ( 19 轴合理跨距的计算 由于电动机功率 P=11据【 1】表 轴径应为 6090步选取0轴径的 0据设计方案，前轴承为 轴承为圆锥滚子轴承。定悬伸量 a=120轴孔径为 30 轴承刚度，主轴最大输出转矩 T=95509550设该机床为车床的最大加工直径为 300床身上最常用的最大加工直径，即经济加工直径约为最大回转直径的 50%，这里取 60%，即 180半径为 切削力（沿 y 轴） 4716N 背向力（沿 x 轴） c=2358N 总作用力 F= 22F =力作用于工件上，主轴端受力为 F= 先假设 l/a=2， l=3a=240后支承反力 B 分别为 40240120 =B=F40120=据 文献 【 1】式 得： iz 前 支承的刚度： ； N/ m ； 轴的当量外径 80+60)/2=70惯性矩为 I=64 )4 =10 =38 9 = 【 1】图 3 原假设接近，所以最佳跨距 0l =120 40理跨距为（ 0l ，取合理跨距 l=360 根据结构的需要，主轴的实际跨距大于合理跨距，因此需要采取措施增加主轴的刚 20 度，增大轴径：前轴径 D=100轴径 d=80轴承采用双列圆柱滚子轴承，后支承采用背对背安装的角接触球轴承。 轴材料的选择及尺寸、参数的计算 主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。 主轴内孔直径 主轴的内孔用来安放棒料、刀具夹紧装置固定刀 具、传动气动或液动卡盘等。主轴孔径越大，同时主轴部件的相对重量也越轻。主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。 根据设计要求。此设计选用的主轴材料是 45#钢。 表 35#钢热处理和参数表 因为选用的主轴电机功率为 P=11定转速 500r/以主轴功率 p= 1 2 3= 因为主轴是空心转轴，所以 3122 )(3 411 21 查表得3 411= 所以 3mm d3= 82 d4= 54 d5= 58 d6=a。 a (0.1)以 0 根据选用的轴承确定 8轴的疲劳强度安全系数校核，危险截面安全系数 s 的校核计算： s=22 s _只考虑扭距作用是的安全系数； s _许用安全系数； 在此查表所得 s= 1 1 查表得出 70 55 = = = m= M= )1(32 43 d )1(16 43 d 所以： s=22 s=所以主轴设计符合要求。 22 轴箱体的截面形状和壁厚计算 传动装置箱体的典型纵截面形状为矩形或圆形。箱体壁厚 N 的计算 : N= 330002 第 4 章 主要零部件的选择 动机的选择 1500r/用调速电动机 承的选择 带轮靠近段安装双列角接触球轴承代号 7007C 另一安装 深沟 球轴承 6012 称布置 深沟 球轴承 6009 端安装双列角接触球轴承代号 7015C 另一安装端角接触球轴承代号 7010C 中间布置角接触球轴承代号 7012C 速操纵机构的选择 选用左右摆动的操纵杆使其通过杆的推力来控制 第 5 章 校核 的校核 （ 1）主轴刚度符合要求的条件如下： （ a） 主轴的前端部挠度 0 . 0 0 0 2 5 2 5 0 . 1 0 5 （ b） 主轴在前轴承处的倾角 0 . 0 0 1 r a d容 许 值 轴 承 23 （ c） 在安装齿轮处的倾角 0 . 0 0 1 r a d容 许 值 齿 6 5 1 6 7 0 7 8 7 5 5 0 8 0 2 3 6 8 5 1 6 0 9 0 1 5 0D 1 . 0 7 8 7690D i l 平 均总2 0E M P a ， 44 40 8 7 4 5( 1 ) ( 1 ) 1 3 5 6 9 0 4 ( )6 4 6 4 8 7m 43 432 9 5 5 1 0 0 . 9 9 5 2 9 5 5 1 0 3 . 3 7 0 . 9 9 5 12684 0 0 1 2 5 主 计件 （ ）0 . 4 5 0 7 ( ) N， 0 . 2 5 2 1 7 ( ) N 由于小齿轮的传动力大，这里以小齿轮来进行计算 4 42 9 5 5 1 0 2 9 5 5 1 0 3 . 3 7 8 5 8 2 )3 2 0 1 2 5z n 主计主 主 （将其分解为垂直分力和水平分力 由公式,t a n t a nQ y Q y n Q Q z Q y F F F 可得 2 1 0 5 ( ) , 6 4 7 7 ( )Q z Q F N22 1 2 6 8 1 6 0 1 3 5 2 5 3 ( )33 l N m m 件22 5 0 7 1 6 0 5 4 0 8 0 ( )33 l N m m 件11 3 1 7 1 3 0 2 0 6 0 5 ( )22 d N m m 件主轴载荷图如下所示： 24 由上图可知如下数据： a=364mm,b=161mm,l=525mm,c=87算（在垂直平面） 1()6a b c l l , 22 ()3 l l,3 ( 2 3 )6 l 1 2 3 0 . 0 0 1 7 3y y y ()3a b l 齿 1 ， ( 2 3 )6 ZF 齿 2 ， ( 3 )3 ZM 齿 3 56 . 9 1 0 齿 Z 齿 1 齿 2 齿 3 ()6a b l l轴 承 1，3 zF 轴 承 2，3 轴 承 352 . 9 1 0 轴 承 Z 轴 承 1 轴 承 2 轴 承 3 计算（在水平面） 1()6a b c l l , 22 ()3 l l,3() ( 2 3 )6 cy l 25 1 2 3 0 . 0 1 7y y y ()3a b l 齿 1 ， ( 2 3 )6 yF 齿 2 ， ()( 3 )3齿 3 51 3 . 8 6 1 0 齿 y 齿 1 齿 2 齿 3 ()6a b l l轴 承 1，3 yF 轴 承 2， ()3 轴 承 353 2 . 8 1 0 轴 承 y 轴 承 1 轴 承 2 轴 承 3 合成： 22 0 . 0 1 8 0 . 1 0 5s s z s yy y y 22 0 . 0 0 0 1 5 0 . 0 0 1 齿 齿 y 齿 y 22 0 . 0 0 0 3 3 0 . 0 0 1 轴 承 轴 承 Z 轴 承 Y 承寿命校核 轴选用的是深沟球轴承轴承 6006,其基本额定负荷为 轮越小越靠近轴承，对轴承的 要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的轴承进行校核。 轴传递的转矩 550T=3 轮受力 18 4025 23*22 据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为 14522111 ll 8 71 4 5 21 8 4 02 轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，按 机械设计表 10 0.1有： 26 1 4 5 21 4 5 p N 3 8 73 8 p N 故该轴承能满足要求。 由 轴 最小轴径可取轴承为 7008C 角接触球轴承 ,=3； P=， Y=0。 对轴受力分析 得：前支承的径向力 由轴承寿命的计算公式：预期的使用寿命 15000h )18016670 3)= 31 6 6 7 0 3 6 . 3 1 0 0 0( ) 2 8 8 1 4 2 . 9 41 5 0 2 6 4 2 . 3 2h 15000h 轴承寿命 满足要求。 第 6 章 结构设计及说明 构设计的内容、技术要求和方案 设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴、轴承、带轮、齿轮、离合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱体及其联结件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计由于时间的限制，一 0般只画展开图。 主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题。 精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，传动效率要求，主轴前轴承处温度和温升的控制，结构工艺性，操作方便、安全、可靠原则 ，遵循标准化和通用化的原则。 27 主轴变速箱结构设计时整个机床设计的重点，由于结构复杂，设计中不可避免要经过反复思考和多次修改。在正式画图前应该先画草图。目的是： 1 布置传动件及选择结构方案。 2 检验传动设计的结果中有无干涉、碰撞或其他不合理的情况，以便及时改正。 3 确定传动轴的支承跨距、齿轮在轴上的位置以及各轴的相对位置，以确 定各轴的受力点和受力方向，为轴和轴承的验算提供必要的数据。 开图及其布置 展开图就是按照传动轴传递运动的先后顺序，假想将各轴沿其轴线剖开并将这些剖切面平整展开在同一个平 面上。 总布置时需要考虑制动器的位置。制动器可以布置在背轮轴上也可以放在其他轴上。制动器不要放在转速太低轴上，以免制动扭矩太大，是制动尺寸增大。 齿轮在轴上布置很重要，关系到变速箱的轴向尺寸，减少轴向尺寸有利于提高刚度和减小体积。 28 结 论 经过这次课程设计，使我对机械系统设计这门课当中许多原理公式有了进一步的了解，并且对设计工作有了更深入的认识。在设计过程中，得到 师的精心指导和帮助，在此表示衷心的感谢。 分级变速主传动系统设计的结构及部分计算，到这里基本结束了，由于笔者水 平有限，加之时间仓促，仅对分级变速主传动系统主要部分进行设计和校核，定有许多地方处理不够妥当，有些部分甚至可能存在错误，望老师多提宝贵意见。 29 参考文献 【 1】 科学出版社 【 2】 科学出版社 【 3】 机械工业出版社 【 4】 上海科学技术出版社 【 5】 四版） 高等教育出版社 【 6】 高等教育出版社 【 7】、郑文经 主编 机械原理 高等教育出版社 第七版 【 8】、于惠力 主编 机械设计课程设计 科学出版社 30 致 谢 本 次设计 是在我的导师 严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持， 在此 ，谨向教师表示衷心的感谢和崇高的敬意！ 。 此外，在毕业设计过程中，也得到