手动两自由度回转工作平台设计-齐齐哈尔大学毕业设计.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）摘 要本次课题设计的是手动两自由度回转工作平台，回转工作台是铣床上的主要附件之一，它不仅可以辅助铣床完成各种曲线零件的铣削，和分度划线工作，还可以用于镗床、钻床、插床、刨床以及其他机床以配合完成上述范围的各种加工。回转工作台主要结构由底座、转盘、蜗轮、蜗杆、分度盘等组成，其中蜗轮蜗杆副除起传动作用以外，还配合分度盘上粗刻线起机械分度的作用。此次设计的手动两自由度回转工作平台，要求工作台直径400mm，最大承载量为300Kg，第一自由度回转精度及回转角度范围：2、0360，第二自由度回转精度及回转角度范围：5、-10100。本文主要介绍了手动两自由度回转工作平台设计方法及过程，包括第一自由度回转工作平台的结构设计，回转精度和蜗杆传动设计，第二自由度回转工作平台的结构设计，回转精度和蜗杆传动设计等其他零部件的设计。主要是针对弥补了手动立式一自由度回转工作平台的不足，继承了数控转台的优点，大大地节约了多次调整和装夹的辅助时间，在提高加工零件尺寸精度的同时，提高了劳动生产率，从而降低了产品的制造成本，增强了产品在市场上的竞争能力。关键词：两自由度；回转工作台；蜗杆传动；精度；生产率；AbstractThis design is a manual rotary working platform with two degrees of freedom, the rotary table is one of the main accessories of milling machine, it can not only milling assisted milling machine to complete various curve parts, and dividing lines, all kinds of processing can also be used for boring machine, drilling machine, planer, slotting machine and other machine tools to complete the range . Rotary table is mainly composed of a base seat, rotary, worm and gear, dividing disc components, where in the worm gear transmission, but also with the indexing disc of graduations mechanical indexing function.Manual rotary working platform with two degrees of freedom of the design requirements, the diameter of the working table is 400mm, the maximum capacity of 300Kg, the first degree of freedom rotational accuracy and rotating angle range: 2 , 0 degrees to 360 degrees, second degrees of freedom rotation accuracy and rotating angle range: 5, -10 degrees to 100 degrees.This paper introduces the manual two degrees of freedom rotary working platform design method and process, including the design of the first degree of freedom rotary working platform, design of rotary precision and worm transmission, structure design of second degrees of freedom rotary working platform, design of rotary precision and worm drive design of other parts . The main disadvantage of manual vertical offset is a freedom revolving work platform, inherits the advantages of NC rotary table, greatly saves many adjustments and clamping of the auxiliary time, in improving the processing parts size precision at the same time, improve labor productivity, thereby reducing the manufacturing cost of the product, enhance the competition ability of products in the on the market.Keywords: Two degrees of freedom; Rotary table; Worm drive; Precision; Productivity;目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.3 课题研究的内容以及采取的方法2第2章 设计方案的确定及性能分析32.1 传动方案的确定32.2 性能分析42.2.1 使用性能的要求42.2.2 经济性的要求4第3章 第一自由度回转工作平台系统设计5 3.1 分度精度划分.53.2 确定传动比53.3 承载力分析53.3.1 摩擦力计算53.3.2 切削力计算63.4 蜗杆传动的设计计算6 3.4.1 选择蜗杆的传动类形.6 3.4.2 材料的选择.6 3.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计.6 3.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸.7 3.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度.8 3.4.6 验算效率.9 3.4.7 精度等级公差及表面粗糙度的确定.9第4章 第二自由度回转工作平台系统设计9 4.1 分度精度划分.104.2 确定传动比104.3 承载力分析104.3.1 重力矩计算104.3.2 切削力矩计算104.4 蜗杆传动的设计计算10 4.4.1 选择蜗杆的传动类形.11 4.4.2 材料的选择.11 4.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计.11 4.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸.12 4.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度.13 4.4.6 验算效率.14 4.4.7 精度等级公差及表面粗糙度的确定.14第5章 第一自由度蜗杆轴部分的设计计算165.1 轴的类型165.2 轴的结构设计及材料的选择165.3 轴直径及各段轴的长度和直径的确定175.3.1 确定轴的最小直径175.3.2 轴上各段长度和直径的初步确定175.4 轴的载荷分析175.4.1 轴的受力确定175.4.2 支反力的计算185.4.3 弯矩扭矩的计算195.5 轴的校核205.5.1 按弯扭合成应力校核轴的强度215.5.2 精确校核轴的疲劳强度21第6章 第二自由度蜗杆轴部分的设计计算236.1 轴的类型236.2 轴的结构设计及材料的选择236.3 轴直径及各段轴的长度和直径的确定246.3.1 确定轴的最小直径246.3.2 轴上各段长度和直径的初步确定256.4 轴的载荷分析186.4.1 轴的受力确定186.4.2 支反力的计算206.4.3 弯矩扭矩的计算206.5 轴的校核216.5.1 按弯扭合成应力校核轴的强度21 6.5.2 精确校核轴的疲劳强度.30第7章 轴承的选择与校核247.1 轴承的选择327.2 轴承的校核32第8章 附件设计318.1 芯轴锁紧机构的设计31 8.2 第一自由度蜗杆轴端键的设计. 328.2.1 选择键连接的类型和尺寸32 8.2.2 校核键连接的强度33 8.3 机座的设计.33 8.3.1 机架的设计.33 8.3.2 对机座的要求.33 8.3.3 结构尺寸.33 第9章 模具设计34 第10章 三维设计.37 第11章 运动仿真.40 第12章 数控加工.41结论57参考文献58致谢60V第1章 绪论1.1 课题背景在社会主义市场经济的今天，产品的市场竞争日趋激烈，在保证产品质量的前提下，如何扩大产品的加工范围和降低制造成本是提高产品竞争力的关键所在，产品成本一般包括原材料、工具损耗、机床折旧、工人工资和各项管理等费用，他们与劳动生产率密切相关，因此扩大机床加工范围，提高产品加工效率是降低产品成本最有效的途径。回转工作台是镗床、铣床、钻床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，加工时转动工作台，则可加工圆弧面和圆弧槽等，回转工作台可分为分度工作台和数控回转台，目前常用的立式一自由度回转工作平台，只能实现水平方向旋转，不易加工有特殊要求的零件，不能一次性完成多工序加工，应用范围比较窄，而数控回转工作台成本非常高，鉴于此种情况，两自由度回转工作台的设计不仅可以满足水平回转，也可以侧向旋转以满足零件侧面加工，此装置在满足精度要求的基础上操作更加简单，应用范围更加广泛，此装置的设计能够满足市场和客户的要求，会被广泛认可。1.2 国内外研究现状目前，回转工作台在国内外研究状况多为普通机床所用的手动立式一自由度回转工作平台和数控回转工作台，手动立式一自由度回转工作平台，一次装卡无法完成多个面的加工需要，只能逐个装夹，这样不但影响了加工效率也影响加工精度；数控转台，像美国、德国、日本这样的发达国家在数控转台方面已经有了成熟的技术，其表现为：具有较好的可靠性，耐用度和精度保持性等。而手动两自由度回转工作平台的设计弥补了普通平台的不足，继承了数控转台的优点，大大地节约了多次调整和装夹的辅助时间，在提高加工零件尺寸精度的同时，提高了劳动生产率，从而降低了产品的制造成本，增强了产品在市场上的竞争能力，然而数控转台市场价格非常昂贵，普通机床所用的一自由度回转工作台应用范围受限，因此作为回转工作台的研发与生产企业，在近期应该进一步开发研制高精度的多功能手动回转工作平台。1.3 课题研究的内容以及采取的方法设计内容：本课题主要完成手动两自由度回转工作平台整个装置系统设计，包括：1、第一自由度回转工作平台的结构设计；2、第一自由度回转工作平台的回转精度及蜗杆传动设计；3、第二自由度回转工作平台的结构设计；4、第二自由度回转工作平台的回转精度及蜗杆传动设计；5、锁紧装置设计。采用方法：1、先收集资料，确定方案，确定选材；2、再拟定结构方案，进行设计计算并校核；3、绘制装配草图，校核有关技术参数；4、运用AUTOCAD、Proe4.0等软件绘制装配图和相关零件图，并通过模具设计、运动仿真、数控编程及有限元分析对有关零件进一步分析。第2章 设计方案的确定及性能分析2.1 传动方案的确定 在手动两自由度回转工作平台的设计中，依照结构简单，制造容易、操作、维护方便、安全的要求来选择回转工作台的工作方式，所以选择机械传动，并要充分考虑各种传动形式的特点，选择适当的传动形式。常用的传动形式可分为：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。带传动的主要特点：结构简单、传动平稳，能吸振缓冲，价格低廉。但带传动的承载能力小，传递相同转矩时，机构尺寸较其它传动形式大，由于手动两自由度回转工作平台各工作部件的距离较小，若用带传动，其中心距会较小，包角较小，带传动会发生打滑现象，固不选用带传动。齿轮传动的主要特点：传动比稳定、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长。但是其制造及安装精度要求较高，且价格昂贵。链传动主要的特点：链传动和带传动相比，链传动无整体打滑和弹性打滑现象，能保持准确的传动比，相对传动效率较高，能在高温、潮湿的情况下工作；因为链条不需像带那样绷的很紧，所以轴的径向力较小；链传动与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低，成本也低。但是由于链传动不能保持恒定的瞬时传动比，工作时有噪声，主要应用在两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣的场合中，故不选用链传动。蜗轮蜗杆传动用于两轴交错成90度，通常在蜗杆传动中，蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。蜗轮蜗杆传动有以下特点：1) 结构紧凑、能获得大的传动比；2) 工作平稳无噪音；3) 传动功率范围较大；4) 可以自锁。综合以上的比较，根据传动形式的需要，在本次毕业设计中选用蜗轮蜗杆传动最为合适。2.2 性能分析2.2.1 使用性能的要求正确选择机器的工作原理和精确的设计，机器要具备能够全面实现功能要求的执行机构及传动装置，并且进行合理的配置、安装必要的辅助系统。这样才能使机器具备预定的使用功能。2.2.2 经济性的要求在设计和制造使用的过程中进行综合的分析。设计的经济性表现为低成本，而使用经济性表现为高生产率，高效率，少耗能及维修管理费用低等方面。所以，提高设计机器的经济性的主要途径有：1. 运用现代设计方法，加快设计速度，尽可能的采用CAD技术，以降低设计的成本。2.采用新技术、新结构，并且最大限度的采用标准化、系列化以及通用化的零件、零部件机构，并且在允许的情况下多运用新材料，尽可能采用标准化机构及尺寸。3.合理运用新工艺，力求改变零件的结构工艺性，使零件的使用量少，易加工，易装配。4.组织设计和制造过程，考虑实际情况使其具有合理性。而提高机器使用经济性指标的主要途径有：1.在实际应用情况前提下提高机器自动化和机械化的水平，以提高产品的生产效率和质量。2.选用高效率的传动系统，在不影响传递效果的情况下，尽可能减少传动和中间环节，以减少机械效率的降低，能源的消耗和生产成本。3.低成本、使用维修方便，经常进行正确的维护和保养，适当的采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命，减少机器出现故障。第3章 第一自由度回转工作平台系统设计3.1 分度精度划分由于手动两自由度回转工作平台的设计，要求第一自由度回转工作平台的回转精度及回转角度范围为：2、0360，故可采用在回转平台外表面进行360的等刻度划分，以便于读取整刻度值，在手柄处安放刻度轮进行刻度划分，以便于读取小数部分。3.2 确定传动比由于手动两自由度回转工作平台的设计，要求第一自由度回转工作平台的回转精度及回转角度范围为：2、0360，采用将刻度轮进行90个格的等刻度划分，每两个格之间度数为2，则刻度轮转动一周，回转工作台转动180(3)，若取蜗杆头数为1，则蜗轮齿数可取为:360/3=120,因此第一自由度回转工作台的蜗杆蜗轮传动比可取为1:120。3.3 承载力分析3.3.1 摩擦力计算在手动两自由度回转工作平台的设计中，摩擦力主要考虑工作台在负载回转工作情况下与底盘的摩擦力，根据设计要求手动两自由度回转工作台直径400mm，最大承载量为300Kg，取工作台质量10Kg，由于手动两自由度回转工作平台材料选择钢质材料，与底盘之间进行喷砂处理可取摩擦系数 =0.5，g=9.8N/kg,则手动两自由度回转工作平台在工作过程中，产生的摩擦力为：F=N =0.5（10+300）9.8/N=1519N则由摩擦力产生的摩擦力矩为：T=FR=15190.4/2=303.8Nm3.3.2 切削力计算由以往计算可知，铣削加工消耗功率最大，故以铣削加工为例，计算切向铣削力的计算公式为：F切=F0apaefzz/(D) 式中：F0为单位铣削力，根据铸铁试件（HT200），由手册查得F0=2059N/mm2，ae为铣削宽度，ae=100mm，ap为铣削深度，ap=5mm，fz为每齿进给量，fz=0.35mm，z为铣刀刀数，z=8，D为铣刀直径，D=160mm，因此： 切削力矩M=F切R=5737.660.4/2=1147.5Nm3.4 蜗杆传动的设计计算3.4.1 选择蜗杆的传动类形根据GB/10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆ZI。3.4.2 材料的选择 考虑到蜗杆传动功率不大，因传动速度较低，是较重要传动，所以蜗杆选用45钢；齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜（ZCuSn10P1）,金属模铸造。为了节约较贵重金属，以及工作台主要承受轴向力，故采用仅齿圈用青铜制造，轮芯用灰铸铁HT100制造。3.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校齿根弯曲疲劳强度。由式（11-12），传动中心距： （1）计算作用在蜗轮上的转矩由表11-17取蜗杆头数，由表5.7-16取ZI传动效率。蜗轮承受主要力矩为摩擦力矩及切削力矩，则T2=145130Nmm。4（2）确定载荷系数因工作载荷较稳定，取分布不均匀系数K=1；查表11-57选取使用系数KA=1；蜗轮圆周速度m/s时，取KV=1.01.1，取KV =1.05。则 （3-1）（3）确定弹性影响系数ZE因为是钢蜗杆与铸锡磷青铜蜗轮相配，所以ZE=160MPa。（4）确定接触系数Z从图11-187查，先假设蜗杆分度圆直径和转动中心距的比值，得Z=2.9。（5）确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜（ZCuSn10P1），金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从表11-77查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。其中取n2=50r/min，Lh=43800h。应力循环次数 N=60jn2L=6015043800=1.3107寿命系数 则 =KHN =0.8134268MPa=218MPa（6）计算中心距mm （3-2）取中心距mm，查阅表11-26，取模数，蜗杆分度圆直径mm。此时。从图11-187得出，即，以上计算结果符合要求。3.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1） 蜗杆由表5.7-96查得，表3-1蜗杆尺寸表3-1 蜗杆尺寸名称 代号尺寸轴向齿距 3.14mm直径系数 40分度圆柱导程角 蜗杆轴向齿厚 1.57mm齿顶圆直径 42mm齿根圆直径 38.75mm（2）蜗轮由表11-27查得蜗轮齿数：;验算传动比:;传动比误差为:，是允许的;蜗轮分度圆直径：mm；蜗轮喉圆直径：=mm；蜗轮齿根圆直径：=mm；蜗轮变位系数：；蜗轮咽喉母半径：=-9mm。3.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度 （3-3）当量齿数： （3-4）根据，从图11-197中查得齿形系数螺旋角系数： （3-5）从表11-87中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力=MPa。由图5.7-106取寿命系数 则许用弯曲应力:=MPa （3-6）由于MPa （3-7）弯曲强度满足要求。3.4.6 验算效率 已知=；与相对滑动速度有关。 从表11-18中用插值法查得=0.0204、=1.1687；代入式中得=0.86，大于原估计值，因此不用重算。3.4.7 精度等级公差及表面粗糙度的确定从GB/T10089-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标准为8f GB/T10089-1988。由表2.4-527齿轮面表面粗糙度为。第4章 第二自由度回转工作平台系统设计4.1 分度精度划分由于手动两自由度回转工作平台的设计，要求第二自由度回转工作平台的回转精度及回转角度范围为：5、-10100，故可采用万能角度尺原理，主刻度盘-10100的等刻度划分，小刻度盘01的等刻度划分，要求小刻度盘进行12个格的等刻度划分，并且与主刻度盘的第11个格相对应，则回转精度可保证为5。4.2 确定传动比 对于第二自由度回转平台的蜗杆传动部分，初定传动比1:40。4.3 承载力分析4.3.1 重力矩计算在手动两自由度回转工作平台的设计中，重力矩主要考虑工作台在负载回转工作情况下总质量产生的力矩，根据设计要求手动两自由度回转工作台直径400mm，最大承载量为300Kg，取工作台质量10Kg，工件高度300mm，则手动两自由度回转工作平台在工作过程中，由工作台及工件质量产生的重力矩为：F=（10+300）9.8/N=1519NT=FH=15190.3/2=227.8Nm4.3.2 切削力矩计算由以往的计算可知，铣削加工时消耗的功率最大，故以铣削加工为例，计算切向铣削力的计算公式为：F切=F0apaefzz/(D) 式中：F0为单位铣削力，根据铸铁试件（HT200），由手册查得F0=2059N/mm2，ae为铣削宽度，ae=100mm，ap为铣削深度，ap=5mm，fz为每齿进给量，fz=0.35mm，z为铣刀刀数，z=8，D为铣刀直径，D=160mm，因此： 切削力矩M=F切H=5737.660.3/2=860.6Nm。4.4 蜗杆传动的设计计算4.4.1 选择蜗杆的传动类形根据GB/10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆ZI。4.4.2 材料的选择 考虑到蜗杆传动功率不大，因传动速度较低，是较重要传动，所以蜗杆选用45钢；齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜（ZCuSn10P1）,金属模铸造。为了节约较贵重金属，以及工作台主要承受轴向力，故采用仅齿圈用青铜制造，轮芯用灰铸铁HT100制造。4.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校齿根弯曲疲劳强度。由传动中心距公式得： （1）计算作用在蜗轮上的转矩由表11-17取蜗杆头数，由表5.7-16取ZI传动效率。蜗轮承受主要力矩为重力矩及切削力矩，则T2=108840Nmm。（2）确定载荷系数因工作载荷较稳定，取分布不均匀系数K=1；查表11-57选取使用系数KA=1；蜗轮圆周速度m/s时，取KV=1.01.1，取KV =1.05。则 （4-1）（3）确定弹性影响系数ZE因为是钢蜗杆与铸锡磷青铜蜗轮相配，所以ZE=160MPa。（4）确定接触系数Z从图11-187查，先假设蜗杆分度圆直径和转动中心距的比值，得Z=2.5。（5）确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜（ZCuSn10P1），金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从表11-77查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。其中取n2=50r/min，Lh=43800h。应力循环次数 N=60jn2L=6015043800=1.3107寿命系数 则 =KHN =0.8134268MPa=218MPa（6）计算中心距mm （4-2）取中心距mm，查阅表11-26，取模数，蜗杆分度圆直径mm。此时。从图11-187得出，即，以上计算结果符合要求。4.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1）蜗杆由表5.7-96查得，表4-1蜗杆尺寸表4-1 蜗杆尺寸名称 代号尺寸 轴向齿距 6.28mm直径系数 15分度圆柱导程角 蜗杆轴向齿厚 3.14mm齿顶圆直径 34mm齿根圆直径 25.2mm （2）蜗轮由表11-27查得:蜗轮齿数：；验算传动比；传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径：mm；蜗轮喉圆直径：=mm；蜗轮齿根圆直径：=mm；蜗轮变位系数：；蜗轮咽喉母半径：=17mm。4.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度 （4-3）当量齿数： （4-4）根据，从图11-197中查得齿形系数螺旋角系数： （4-5）从表11-87中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力=MPa。由图5.7-106取寿命系数则许用弯曲应力=MPa （4-6）由于 MPa （4-7）弯曲强度满足要求。4.4.6 验算效率 已知=；与相对滑动速度有关。 从表11-18中用插值法查得=0.0214、=1.1577；代入式中得=0.78，大于原估计值，因此不用重算。4.4.7 精度等级公差及表面粗糙度的确定从GB/T10089-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标准为8f GB/T10089-1988。由表2.4-527齿轮面表面粗糙度为。第5章 第一自由度蜗杆轴部分的设计计算5.1 轴的类型轴按照轴线形状的不同，分为直轴和曲轴两大类。直轴根据外形的不同，可分为光轴与阶梯轴两种。光轴形状较简单，加工容易，应力集中少，但轴上零件不容易装配和定位；阶梯轴则正好和与光轴相反。因此光轴多用于心轴和传动轴，阶梯轴常用于转轴。直轴一般制成实心轴，在那些因为机器结构要求需在轴中装其他零件或减少轴质量且具有特别重大作用的场合，则将轴制成空心的。空心轴的内径与外径的比值通常为，以保证轴的刚度及扭转的稳定性。曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或做相反的运动变换。轴还可以按照承受载荷的不同，可分为心轴、转轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴，心轴分为传动心轴和固定心轴两种。只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。轴作为组成机器的主要零件，一切做回转运动的传动零件（例如齿轮、蜗轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。由于本设计中，其既承受弯矩又承受扭矩，所以是转轴。由于轴上零件只须回转运动，故选用直轴，为了方便定位选用阶梯轴。5.2 轴的结构设计及材料的选择5.2.1 轴的结构选择在本设计中主轴类型选择之后，按照以下因素决定轴的结构：1.轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及与轴连接的方法；2.轴在机器中的安装位置及形式；3.载荷的性质、大小、方向及分布情况和轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，随着具体情况的不同其结构形式因时而异，所以轴没有标准的结构形式。在面对不同情况时进行具体的设计分析，但无论什么情况下，轴的结构都应该满足：1.轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；2. 轴应具有良好的制造工艺性等；3. 轴上的零件应便于拆装和调整。5.2.2 轴的材料选择及其上零件的定位轴的材料主要是碳钢和合金钢，合金钢比碳钢具有更高力学性能与更好淬火性能。因此，在传递大的动力，并要求减少尺寸和质量，提高轴颈耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常用合金钢。由于碳钢较合金钢价廉，应力集中敏感性比较低，同时可以用热处理或化学处理的办法来提高耐磨性与抗疲劳强度，故采用碳钢制造较为广泛。其中较常用的是45钢，不太重要及受载较小的轴可用Q235-A、Q275等普通碳素钢。各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴抗疲劳强度有着显著效果。而在本设计中轴主要传递运动，且受力较小，固选择45钢作为轴的材料，调质处理。周向定位常用的零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，本设计中用键和销及紧定螺钉来实现周向定位。轴向定位一般用轴肩、轴套、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证。本设计中主要用轴肩、轴端挡圈和圆螺母来实现轴向定位。5.3 主轴直径及各段轴的长度和直径的确定5.3.1 确定主轴的最小直径取手柄处施加的转矩T=30000Nmm,手柄转速n=50r/min。查阅表，由于弯矩较小，载荷平稳，取较小值,mm2，则轴的最小许用直径为：mm轴上键槽对轴有削弱作用，所以本次设计选取最小主轴直径mm。5.3.2 轴上各段长度和直径的初步确定如图5-1所示，根据总体分析取主轴总长mm，在根据轴上各段的作用，分别确定各段的尺寸如下：轴上E-F段为蜗杆，初定尺寸：mm；轴上A-B段安装轴端螺母，初定尺寸：mm，轴上B-C段安装手轮，初定尺寸：mm，轴上D-E段安装套筒，初定尺寸mm，轴的另一半与箱体连接。图5-1 主轴示意图5.4 主轴的载荷分析5.4.1 轴的受力确定首先根据轴的结构图5-1，做出轴的载荷分析图，如图5-2所示:图5-2 主轴的载荷分析5.4.2 支反力的计算 首先计算蜗杆所受各力：其中蜗杆所受转矩T1=30000Nmm,d1=mq=40mm,则 水平面： 又 对D点取矩则 对B点取矩则 竖直平面内： 5.4.3 弯矩扭矩的计算手轮输入的扭矩：Nmm则B-E段轴所受的扭矩:Nmm水平作用在C点的弯矩： 垂直作用在C点的弯矩： 由图5-2可知,可以看出轴的危险截面在C处5.5 轴的校核5.5.1 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面E）的强度。根据轴单向旋转，扭转切应力为不对称循环变应力，取，轴的计算应力MPa前已选轴的材料为45钢，调质处理。由表查得，MPa。因此，故安全。5.5.2 精确校核轴的疲劳强度截面C左侧：抗扭截面系数：mm抗弯截面系数：mm截面C上的扭转应力：MPa截面C左侧的弯矩M为： Nmm截面C上的弯曲应力：MPa轴的材料为45钢，调质处理。由表查得：MPa，MPa，MPa截面上由于轴肩而形成的理论主应力集中系数及按表查得，因，可查得：，又由附图3-1可查得，轴的材料的敏感系数为，故有效应力集中系数为由附图查得，尺寸系数；由附图查得，扭转系数，轴按精车加工，由附图查得，表面质量系数为:轴未经表面强化处理，即，则得，综合系数为:又由附图得，低碳钢的特性系数 ，取;，取于是计算安全系数的值，得:故可知其安全。因无过大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性,故略去静强度的校核。截面C右侧的校核和截面C左侧的校核类似。 所以满足要求。第6章 第二自由度蜗杆轴部分的设计计算6.1 轴的类型轴按照轴线形状的不同，分为直轴和曲轴两大类。直轴根据外形的不同，可分为光轴与阶梯轴两种。光轴形状较简单，加工容易，应力集中少，但轴上零件不容易装配和定位；阶梯轴则正好和与光轴相反。因此光轴多用于心轴和传动轴，阶梯轴常用于转轴。直轴一般制成实心轴，在那些因为机器结构要求需在轴中装其他零件或减少轴质量且具有特别重大作用的场合，则将轴制成空心的。空心轴的内径与外径的比值通常为，以保证轴的刚度及扭转的稳定性。曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或做相反的运动变换。轴还可以按照承受载荷的不同，可分为心轴、转轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴，心轴分为传动心轴和固定心轴两种。只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。轴作为组成机器的主要零件，一切做回转运动的传动零件（例如齿轮、蜗轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。由于本设计中，其既承受弯矩又承受扭矩，所以是转轴。由于轴上零件只须回转运动，故选用直轴，为了方便定位选用阶梯轴。6.2 轴的结构设计及材料的选择6.2.1 轴的结构选择在本设计中轴类型选择之后，按照以下因素决定轴的结构：1.轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及与轴连接的方法；2.轴在机器中的安装位置及形式；3.载荷的性质、大小、方向及分布情况和轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，随着具体情况的不同其结构形式因时而异，所以轴没有标准的结构形式。在面对不同情况时进行具体的设计分析，但无论什么情况下，轴的结构都应该满足：1.轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；2. 轴应具有良好的制造工艺性等；3. 轴上的零件应便于拆装和调整。6.2.2 轴的材料选择及其上零件的定位轴的材料主要是碳钢和合金钢，合金钢比碳钢具有更高力学性能与更好淬火性能。因此，在传递大的动力，并要求减少尺寸和质量，提高轴颈耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常用合金钢。由于碳钢较合金钢价廉，应力集中敏感性比较低，同时可以用热处理或化学处理的办法来提高耐磨性与抗疲劳强度，故采用碳钢制造较为广泛。其中较常用的是45钢，不太重要及受载较小的轴可用Q235-A、Q275等普通碳素钢。各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴抗疲劳强度有着显著效果。而在本设计中轴主要传递运动，且受力较小，固选择45钢作为轴的材料，调质处理。周向定位常用的零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，本设计中用键和销及紧定螺钉来实现周向定位。轴向定位一般用轴肩、轴套、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证。本设计中主要用轴肩、轴端挡圈和圆螺母来实现轴向定位。6.3 轴直径及各段轴的长度和直径的确定6.3