毕业设计（论文）-数控镗主轴箱系统结构设计.doc

毕业论文摘 要毕业设计是大学学习过程中的重要环节,也是学生在学校学习的最后一个重要环节。这次设计是为了进一步检验学生在学校期间的学习情况，培养学生综合运用所学的专业知识和基础理论知识的能力，独立解决一般机械类技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。经过将近历时一个学期的毕业设计，我学到了许多课堂上学不到的知识，使所学的理论知识与动手设计有机结合，提高了自己的设计能力和实践能力。本论文设计中主要是对数控机床主轴箱的结构设计。在设计时，主要以主轴箱结构设计为重点。此次设计，本着力求使所设计的工件实际、实用的原则来指导设计。在整个设计过程中，尽量是设计内容向实际靠拢，使设计更具科学性，更具合理性，其中所用的很多数据与参数均来自工厂一线的工具用书。通过系统的动手设计，本人已初步掌握了数控机床主轴箱的结构，并掌握了主轴箱的结构特点和工作原理。在此次毕业设计过程中，得到了老师的悉心指导与帮助，还有很多同学对我的设计也提出了许多宝贵的意见。在此，对老师的指导以及同学的帮助一并表示衷心的感谢。由于编者水平有限，且此次设计涉及面广，内容覆盖面广，时间仓促，错误和不足之处在所难免，恳请老师批评指正。关键词：主轴；齿轮传动；数控机床 abstractgraduation project is an important link in university of the learning process, also is the student in the school study last important link. the test is designed to further student learning in the school situation during, students to learn the integrated use of the expertise and theoretical knowledge based on the ability of, independent solution to the technical issue of the general mechanical ability to, sets up the correct design concept and the work style. after will be near the lasted semester the graduation project, i have learned the knowledge which in many classrooms cannot learn, makes the theory knowledge which studies with to begin to design the organic synthesis, improve the design of their own ability and practical ability.in this paper, the design of cnc machine tools mainly for the structural design of spindle box. when design, mainly take the headstock structural design as the key point. this design,in line with makes every effort the work piece reality which causes to design、the practical principle instructs the design. in entire design process, as far as possible to the actual content is designed to move closer to, causes the design to have the scientific nature, more rationality, which used a lot of data and parameters are first-line tool from the factory with book. begins the design through the system, i have an initial grasp of the nc machine tool spindle box structure,and has grasped the headstock unique feature and the principle of work.in this graduation project process, was under mrs. ma chunfeng devotedly instruction and the help,also had very many schoolmates also to give many precious comments to my design. in this, one and expresses the heartfelt gratitude to the mr./mrs. ma instruction as well as schoolmates help.limited due to the editor, and this design affected area is broad,the content coverage is broad, the time is hasty,the mistake and the deficiency are unavoidable, requests earnestly teacher to criticize points out mistakes. key words：spindle；gear drive；cnc machine tools目 录摘 要iabstractii目 录iii前 言11 机床的性能参数22 传动方案42.1 原动机的选择42.1.1 选择原则42.1.2 选择步骤42.2 传动装置的选择52.3 主传动82.3.1 与普通机床相比数控机床机械结构的特点82.3.2 对主传动系统的要求92.3.3 主传动的变速方式92.3.4 主轴箱与主轴组件102.4 齿轮设计122.4.1 高速级齿轮传动的设计计算122.4.2 低速级齿轮传动的设计计算162.5 轴的设计202.6 轴承的设计212.7 键的选择与校核213 电动机的选择233.1 类型和结构形式的选择233.1.1 单极性步进电机233.1.2 单极性步进电机的步进方式233.1.3 双极性步进电机233.1.4 双极性步进电机的步进方式243.1.5 步进驱动方式的相似之处243.1.6 通用步进电机243.2 电动机功率计算244 传动系统的运动和动力参数264.1 计算总传动比264.2 各级传动比的分配264.3 分配各级传动比264.4 计算传动装置的运动和动力参数274.4.1 各轴转速(rmin)274.4.2 各轴功率(kw)284.4.3 各轴转矩（n m）285 润滑和密封形式的选择29致 谢31参考文献3233前 言在现代机械制造领域中，数控机床与机床数控技术已经成为最基本概念之一。数控是数字控制技术的简称，是用数字化代码实现自动控制技术的总称。数控机床是采用数字化代码程序控制，能完成自动化加工的通用机床，其组成包括：cnc装置、操作面板、可编程逻辑控制器、进给伺服系统、主轴驱动系统和机床本体。特点包括：实现柔性自动化；具有广泛的适应性；加工精度高；质量稳定；生产效率高；能实现复杂零件的加工；减轻劳动强度；改善劳动条件；有利于现代化生产和管理。随着科学技术的发展、新材料和新零件的出现，对加工技术和效率提出了更高的要求。现代数字机床呈现出高精度化、高速化、高柔性化、高自动化、智能化、复合化、高可靠性、网络化和具有开放式体系结构等发展趋势。我本次毕业设计的题目是数控镗床主轴箱结构设计，数控机床主轴箱是由电动机带动主轴高速旋转，再通过各轴间不同齿数的齿轮相互换位啮合，实现大范围变速输出的。不同的转速适应不同的机械加工要求，主轴箱的装配要求具有很高的配合精度和稳定性。是机床的核心部分。下面就是我设计的数控镗主轴箱结构。限于本人的经验，一定会有不足之处，望老师和同学们批评指正。1 机床的性能参数机械部分矩形工作台尺寸（长*宽）1250*1000毫米任意分度数控转台尺寸（长*宽）900*900毫米工作台最大移动距离（x轴）1000毫米主轴箱最大移动距离（y轴）730毫米立柱最大移动距离（z轴）750毫米主轴中心线至数控转台台面距离0-730毫米主轴轴端到数控转台中心距离250-1000毫米主轴中心线到工作台台面距离300-1030毫米主轴前端孔锥度7：24主轴转速范围有级11.5-1600转/分；无级0-1000转/分主轴转速级数自动27级；手动27级或无级主轴最大输出扭矩70公斤力米x、y、z轴最大移动速度5米/分x、y、z轴工作进给速度5-1250毫米/分数控转台回转速度2转/分x、y、z轴定位精度0.02/300毫米x、y、z轴重复定位精度0.005毫米数控转台分度精度10（b轴）工作台重复定位转位精度5（b轴）刀库容量60把送刀方式任意刀具尺寸（最大）长400毫米；直径125毫米刀具重量约12公斤主轴驱动电机（直流电机）7.5千瓦机床高度约3200毫米机床占地尺寸（长*宽，包括各部分）约6850*6250毫米机床重量约15吨数控部分可控制轴数4轴（同时1轴）运动控制方式开环轨迹控制方式点位-直线位置值数字显示（x、y、z、b轴）绝对值脉冲当量：x、y、z轴0.01毫米/脉冲 b轴5秒/脉冲运动指令方式增量值纸带代码eia或iso纸带形式可变程序段文字地址码形式纸带阅读机光电式有卷带盘辅助机能s、t、f、m、g机能刀具长度和直径补偿10组；最大补偿量9.99毫米2 传动方案2.1 原动机的选择2.1.1 选择原则在进行机械系统方案设计时，主要根据以下原则选择原动机。1、 应满足工作环境对原动机的要求。如能源供应，降低噪声和环境保护等要求。2、 原动机的机械特性和工作制度应与机械系统的负载特性（包括功率、转矩、转速等）相匹配，以保证机械系统有稳定的运行状态。3、 原动机应满足工作机的启动，制动、过载能力和发热的要求。4、 应满足机械系统整体布置的需要。5、 在满足工作机要求的前提下，原动机应具有较高的性能价格比，运行可靠、经济性指标（原始购置费用、运行费用和维修费用）合理。2.1.2 选择步骤1、 确定机械系统的负载特性 机械系统的负载由工作负载和非工作负载组成。工作负载可根据机械系统的功能由执行机构或构件的运动和受力求得；非工作负载指机械系统所有额外消耗，如机械内部的摩擦消耗，可用效率加以考虑；辅助装置的消耗，如润滑系统，冷却系统的消耗等。2、 确定工作机的工作制度 工作机的工作制度是指工作负载随执行系统的工艺要求而变化的规律，包括长期工作制、短期工作制和断续工作制三大类，常用载荷时间曲线表示。有恒载和变载、断续和连续运行、长期和短期运行等形式。由此来选择相应工作制度的原动机。原动机实际工作制度和工作机是相同的，但在各种不同的工作制度下，原动机的允许功率是完全不同的，如国家标准对内燃机的标称功率分为四级，分别为15分钟功率、1小时功率、12小时功率和长期运行功率，其中15分钟输出功率最大。3、 选择原动机的类型 影响原动机类型选择的因素较多，首先应考虑能源供应及环境要求，选择确定原动机的种类，再根据驱动效率、运动精度、负载大小、过载能力、调速要求、外形尺寸等因素，综合考虑工作机的工况和原动机的特点，具体分析，以选得合适的类型。需要指出的是，电动机有较高的驱动效率和运动精度，其类型和型号繁多，能满足不同类型工作机的要求，而且还具有良好的调速、启动和反向功能，因此可作为首选类型，当然对于野外作业和移动作业时，宜选用内燃机。4、 选择原动机的转速 可根据工作机的调速范围和传动系统的结构和性能要求来选择。转速选择过高，导致传动系统传动比增大，结构复杂、效率降低；转速选择过低，则原动机本身结构增大、价格较高。一般原动机的转速范围可由工作机的转速乘以传动系统的常见总传动比得出。 5、 确定原动机的容量 原动机的容量通常用功率表示。在确定了原动机的转速后，可由工作机的负载功率（或转矩）和工作制来确定原动机的额定功率。机械系统所需原动机功率pd可表示为式中，pg为工作机所需功率；pf为各辅助系统所需的功率；i为从工作机经传动系统到原动机的效率；j为从各辅助装置经传动系统到原动机的效率；k为考虑过载或功耗波动的余量因数，一般取1.11.3。需要指出的是，所确定的功率pd是工作机的工作制度与原动机工作制度相同前提下所需的原动机额定功率。2.2 传动装置的选择1、与原动机和工作机相互匹配 三者应在机械传动特性上相互协调，使机器在最佳状态下运转。2、满足功率和速度的范围要求3、考虑传动比的准确性及合理范围4、考虑结构布置和外廓尺寸的要求5、考虑质量很多机器对自重都有较为严格的限制，如航空机械、机动车辆、海上钻 井平台机械等。此时，传动装置的质量常以质量功率比（kg/kw）表示。6、 经济性因素传动装置的费用包括初始费用（即制造和安装费用）、运行费用和维修费用。初始费用主要决定于价格，它是选择传动类型时必须要考虑的经济因素。运行费用则与传动效率密切相关，特别是大功率以及需要长期连续运转的传动，由于对能源消耗产生的运行费用影响较大，应优先选用效率较高的传动。在选择传动类型时，同时满足以上各原则往往比较困难，有时甚至相互矛盾和制约，因此在选择传动类型时，应对机器的各项要求综合考虑，以选择较合理传动型式。将总传动比合理分配给每级传动，不仅对传动系统的结构布局和外廓尺寸，而且对传动的性能、传动件的质量和寿命以及润滑等都有着重要的影响。分配传动比时应注意以下几点：(1) 各种传动的传动比，均有其合理应用的范围，通常不应超过。(2) 分配传动比时，应注意使各传动件尺寸协调、结构匀称，避免发生相互干涉。如设计二级齿轮减速传动时，若传动比分配不当，可能会导致中间轴大齿轮与低速轴发生干涉，如图2.1所示。图2.1 齿轮与轴的干涉在图2.2中，图a为i10的一级齿轮减速器，由于传动比较大，两轮尺寸不协调，外廓尺寸也较大。若改为二级传动，如图b所示，尺寸和质量都较小。因此当一级传动的传动比过大时，宜采用两级或多级传动。齿轮传动的传动比i810时，通常采用两级传动；i40时，常设计成两级以上的传动。图2.2 传动比分配对外廓尺寸的影响(3) 对于多级减速传动，可按照“前小后大”（即由高速级向低速级逐渐增大）的原则分配传动比，且相邻两级差值不要过大。这种分配方法可使各级中间轴获得较高转速和较小的转矩，因此轴及轴上零件的尺寸和质量下降，结构较为紧凑。增速传动也可按这一原则分配。(4) 在多级齿轮减速传动中，传动比的分配将直接影响传动的多项技术经济指标。例如：传动的外廓尺寸和质量很大程度上取决于低速级大齿轮的尺寸，低速级传动比小些，有利于减小外廓尺寸和质量。闭式传动中，齿轮多采用溅油润滑，为避免各级大齿轮直径相差悬殊时，因大直径齿轮浸油深度过大导致搅油损失增加过多，常希望各级大齿轮直径相近。故适当加大高速级传动比，有利于减少各级大齿轮的直径差。此外，为使各级传动寿命接近，应按等强度的原则进行设计，通常高速级传动比略大于低速级时，容易接近等强度。由以上分析可知，高速级采用较大的传动比，对减小传动的外廓尺寸、减轻质量、改善润滑条件、实现等强度设计等方面都是有利的。展开式或分流式二级圆柱齿轮减速器，其高速级传动比i1和低速级传动比i2的关系通常取i1 = (1.21.3) i2分配圆锥圆柱齿轮减速器的传动比时，通常取锥齿轮传动比i10.25i（i为总传动比），一般i13.55。（5）某些传动系统常要求有较高的传动精度，故分配传动比时应尽可能减小系统的传动比误差。以齿轮传动和蜗杆传动串联使用为例，设齿轮传动比为ig，传动比误差为g，蜗杆传动比为i，其误差为，两种方案如表中蜗杆齿轮减速器的传动简图所示。由以上分析可知，在多级减速传动中，前面任何一级传动的传动比误差都将依次向后传递，直至最后一级。因此最后一级传动比越大，系统的总传动比误差越小，传动精度也越高。（6） 对于要求传动平稳、频繁起停和动态性能较好的多级齿轮传动，可按照转动惯量最小的原则设计。 以上几点仅是分配传动比的基本原则，而且这些原则往往不会同时满足，着眼点不同，分配方案也会不同。因此具体设计时，应根据传动系统的不同要求进行具体分析，并尽可能作多方案比较，以获得较为合理的分配方案。2.3 主传动2.3.1 与普通机床相比数控机床机械结构的特点1、在主传动系统方面，具有下列特点：（1）目前数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，它们已逐步被新型的交流调速电动机和直流调速电动机所代替。（2）转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。（3）变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般rn100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。（4）主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。2、在进给传动系统方面，具有下列特点：（1）尽量采用低摩擦的传动副。如采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。（2）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。（3）缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度。如采用大转矩宽调速的直流电动机与丝杠直接相连，应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器(如用加锥销固定的联轴套、用键加紧定螺钉紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等)，采用有消除间隙措施的传动副等。2.3.2 对主传动系统的要求（1）具有更大的调速范围，并能实现无级调整。（2）有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。要提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应高频感应加热淬火以增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用精度高的轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚性。（3）良好的抗振性和热稳定性。主轴组件要有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。2.3.3 主传动的变速方式1、具有变速齿轮的主传动 这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮减速，增大输出转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求，如图7一l所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的转矩。在带有齿轮变速的主传动系统中，液压拨叉和电磁离合器是两种常用的变速操纵方法。（1）图2.3是三位液压拨叉的作用原理图图2.3 三位液压拨叉的作用原理图.液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进行，但停车时拨动滑移齿轮啮合又可能出现“顶齿”现象。液压拨叉变速必须将数控装置送来的信号先转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素（2）电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。2.3.4 主轴箱与主轴组件1、主轴箱对于一般数控机床和自动换刀数控机床(加工中心)来说，由于采用了电动机无级变速，减少了机械变速装置，主轴箱的结构较普通机床简化，但主轴箱材料要求较高，一般用ht250或ht300，制造与装配精度也较普通机床要高。对于数控落地铣镗床来说，主轴箱结构比较复杂,主轴箱结构通常有两种方案，即滑枕式和主轴箱移动式（1）圆形滑枕 圆形滑枕又称套筒式滑枕，这种圆形断面的滑枕和主轴箱孔的制造工艺简便，使用中便于接近工件加工部位。但其断面面积小，抗扭惯性矩较小，且很难安装附件，磨损后修复调整困难，因而现已很少采用。（2）矩形或方形滑枕 滑枕断面形状为矩形，其移动的导轨面是其外表面的四个直角面。这种形式的滑枕，有比较好的接近工件性能，其滑枕行程可做得较长，端面有附件安装部位，工艺适应性较强，磨损后易于调整。抗扭断面惯性矩比同样规格的圆形滑枕大（3）棱形、八角形滑枕 棱形、八角形滑枕的断面工艺性较差。与矩形或方形滑枕比较，在同等断面面积的情况下，虽然高度较大，但宽度较窄。这对安装附件不利，而且在滑枕表面使用静压导轨时，静压面小，主轴在工作过程中抗振能力较差，受力后主轴中心位移大。2、主轴箱移动式这种结构又有两种型式，一种是主轴箱移动式，另一种是滑枕主轴箱移动式。（1）主轴箱移动式 主轴箱内装有铣轴和镗轴，镗轴实现轴向进给，主轴箱箱体在滑板上可作沿镗轴轴线方向的进给，箱体作为移动体，其断面尺寸远比同规格滑枕式铣镗床大得多。这种主轴箱端面可以安装各种大型附件，使其工艺适应性增加，扩大了功能。缺点是接近工件性能差，箱体移动时对平衡补偿系统的要求高，主轴箱热变形后产生的主轴中心偏移大（2）滑枕主轴箱移动式这种形式的铣镗床，其本质仍属于主轴箱移动式，只不过是把大断面的主轴箱移动体尺寸做成同等主轴直径的滑枕式而已。滑枕断面尺寸比同规格的主轴箱移动式的主轴箱小，但比滑枕移动式的大。其断面尺寸足可以安装各种附件。这种结构型式不仅具有主轴箱移动式的传动链短、输出功率大及制造方便等优点，同时还具有滑枕式的接近工件方便灵活的优点，克服了主轴箱体移动式的具有危险断面和主轴中心受热变形后位移大等缺点。3、主轴组件数控机床主轴组件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。（1）主轴轴承的配置形式 目前主轴轴承的配置形式主要有三种:1)前支承采用双列圆柱滚子轴承和双列60角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承。此种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴中。2)采用高精度双列角接触球轴承。角接触球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达4000rmin，但它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。在加工中心的主轴中，为了提高承载能力，有时应用3个或4个角接触球轴承组合的前支承，并用隔套实现预紧。3)采用双列和单列圆锥轴承。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。但这种轴承配置限制了主轴的最高转速和精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。（2）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构4主轴准停装置 在自动换刀数控铣镗床上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，因此在每一次自动装卸刀杆时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴上的端面键，这就要求主轴具有准确周向定位的功能。在加工精密坐标孔时，由于每次都能在主轴固定的圆周位置上装刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而提高孔径的正确性，这是主轴准停装置带来的另一个好处2.4 齿轮设计2.4.1 高速级齿轮传动的设计计算1、齿轮材料，热处理及精度考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用硬齿面渐开线斜齿轮（1）齿轮材料及热处理 大小齿轮材料为20crmnti。齿面渗碳淬火，齿面硬度为5862hrc，有效硬化层深0.50.9mm。经查图，取1500mpa，500mpa。（2）齿轮精度按gb/t100951998，选择级，齿根喷丸强化。2、初步设计齿轮传动的主要尺寸因为硬齿面齿轮传动，具有较强的齿面抗点蚀能力，故先按齿根弯曲疲劳强度设计，再校核持面接触疲劳强度。（1）计算小齿轮传递的转矩knm（2）确定齿数z因为是硬齿面，故取z19，zi z6.319120传动比误差 iuz/ z120/196.316i0.255，允许（3）初选齿宽系数 按非对称布置，由表查得0.6（4）初选螺旋角 初定螺旋角 15（5）载荷系数k使用系数k 工作机轻微冲击，原动机均匀平稳，所以查表得k1.25动载荷系数k 估计齿轮圆周速度v0.75m/s 查图得k1.01;齿向载荷分布系数k 预估齿宽b40mm 查图得k1.17，初取b/h6，再查图得k1.13齿间载荷分配系数 查表得kk1.1载荷系数kkk k k=1.251.011.11.131.57 （6）齿形系数y和应力修正系数y当量齿数 zz/cos19/ cos21.08 zz/cos120/ cos133.15查图得y2.8 y2.17 y1.56 y1.82（7）重合度系数y端面重合度近似为【1.88-3.2（）】cos【1.883.2（1/191/120）】cos151.63arctg（tg/cos）arctg（tg20/cos15）20.6469014.07609因为/cos，则重合度系数为y0.25+0.75 cos/0.696（8）螺旋角系数y轴向重合度 1.024,取为1y10.878（9）许用弯曲应力安全系数由表查得s1.25工作寿命两班制，7年，每年工作300天小齿轮应力循环次数n160nkt60271.4717300285.47310大齿轮应力循环次数n2n1/u5.47310/6.3160.86610查图得寿命系数 ;实验齿轮的应力修正系数,查图取尺寸系数 许用弯曲应力 比较, 取(10)计算模数 按gb/t1357-1987圆整为标准模数,取(11) 初算主要尺寸初算中心距,取a=355mm修正螺旋角分度圆直径 齿宽,取,齿宽系数(12) 验算载荷系数圆周速度查得按，查得，又因，查图得，则k1.6，又y=0.930，y=0.688，。从而得满足齿根弯曲疲劳强度。3、校核齿面接触疲劳强度（1）载荷系数，（2）确定各系数材料弹性系数 查表得节点区域系数 查图得重合度系数 查图得螺旋角系数 （3）许用接触应力试验齿轮的齿面接触疲劳极限寿命系数 查图得，；工作硬化系数 ；安全系数 查表得；尺寸系数 查表得，则许用接触应力为：取（4）校核齿面接触强度 ，满足齿面接触疲劳强度的要求。2.4.2 低速级齿轮传动的设计计算1、齿轮材料，热处理及精度考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用硬齿面渐开线斜齿轮（1）齿轮材料及热处理大小齿轮材料为45钢。调质后表面淬火，齿面硬度为4050hrc。经查图，取1200mpa，370mpa。（2）齿轮精度按gb/t100951998，选择级，齿根喷丸强化。2、初步设计齿轮传动的主要尺寸因为硬齿面齿轮传动，具有较强的齿面抗点蚀能力，故先按齿根弯曲疲劳强度设计，再校核持面接触疲劳强度。计算小齿轮传递的转矩 knm确定齿数z因为是硬齿面，故取z33，zi z3.9233129传动比误差 iuz/ z129/333,909i0.285，允许初选齿宽系数按非对称布置，由表查得0.6初选螺旋角初定螺旋角 12 载荷系数k使用系数k 工作机轻微冲击，原动机均匀平稳，所以查表得k1.25动载荷系数k 估计齿轮圆周速度v0.443m/s 查图得k1.01;齿向载荷分布系数k 预估齿宽b80mm 查图得k1.171，初取b/h6，再查图得k1.14齿间载荷分配系数 查表得kk1.1 载荷系数kk k k k=1.251.011.11.141.58齿形系数y和应力修正系数y当量齿数 zz/cos19/ cos35.26 zz/cos120/ cos137.84查图得y2.45 y2.15 y1.65 y1.83重合度系数y端面重合度近似为【1.88-3.2（）】cos【1.883.2（1/331/129）】cos121.72arctg（tg/cos）arctg（tg20/cos12）20.4103111.26652因为/cos，则重合度系数为y0.25+0.75 cos/0.669螺旋角系数y轴向重合度 1.34,取为1y10.669许用弯曲应力安全系数由表查得s1.25工作寿命两班制，7年，每年工作300天小齿轮应力循环次数n160nkt6043.0917300288.68710大齿轮应力循环次数n2n1/u8.68710/3.9092.2210查图得寿命系数, ;实验齿轮的应力修正系数,查图取尺寸系数 许用弯曲应力 比较, 取计算模数按gb/t1357-1987圆整为标准模数,取初算主要尺寸初算中心距,取a=500mm修正螺旋角分度圆直径 齿宽,取,齿宽系数验算载荷系数圆周速度查得按，查得，又因，查图得，则k1.611，又y=0.887，y=0.667，。从而得 满足齿根弯曲疲劳强度。3、校核齿面接触疲劳强度（1）载荷系数，（2）确定各系数材料弹性系数 查表得节点区域系数 查图得重合度系数 查图得螺旋角系数 （3）许用接触应力试验齿轮的齿面接触疲劳极限寿命系数 查图得，；工作硬化系数 ；安全系数 查表得；尺寸系数 查表得，则许用接触应力为：取（4）校核齿面接触强度 ，满足齿面接触疲劳强度的要求。2.5 轴的设计1）大齿轮的输入功率p=425kw；2）链轮轴的转速n=33r/min；3）每根运输链的张力s=4650n；4）齿轮的圆周力ft=4790n；5）齿轮的径向力ft=1740；6）短时过载为正常工作载荷的两倍。 1、选择轴的材料 选择轴的材料为45钢，调质处理。由表查得：b=590mpa，s=295mpa，1=255mpa， 1=140mpa 2、初步确定轴端直径 取a=103（按表选取1，因转速低且单向旋转故取小值）轴的输入端直径 d=a 考虑轴端有键槽，轴颈应增大4%5%，取d=55mm。 3、轴的结构设计 取轴颈处的直径为60mm，与标准轴承h2060（jb/t2561 1991）的孔径相同；其余各直径均按5mm放大。 各轴段配合及表面粗造度选择如下：轴颈处为h9/f9,ra0.8m 链轮配合处为h8/t7，ra3.2m；齿轮配合处为h9/h8， ra3.2m。 齿轮的轴向固定采用轴肩。第三重轴强度校核 4、键联接的强度校核 选用a型平键（gb/t10961979），与齿轮联接处键的尺寸 bhl=161090与链轮联接处键的尺寸bhl=181190。 因与齿轮联接处键的尺寸及轴径均较小且受载大，故只需校验此键。链轮处键也可齿轮处相同，以便统一加工键的刀具。键联接强度校核按表公式计算，式中各参数为pp=12.n/mm2， k0.5h=0.510=5mm，l=lb=9016=74mm。2.6 轴承的设计工作装置轴承的种类繁多，按其材料可分为铜轴承、钢轴承、复合轴承等；按其润滑方式可分为干摩擦轴承、含油轴承、不完全油膜轴承、流体膜轴承等：使用轴承的润滑方式为不完全油膜润滑，先后使用过铜、钢、铜基钢背自润滑等多种轴承。铜轴承韧性良好，耐磨性一般，对轴有较好的保护作用，但抗变形能力较差，长时间使用后易变形，造成轴承内径扩大，导致结构件晃动；钢轴承强度高，耐磨性好，抗变形能力强，但表面热处理的工艺要求高；铜基钢背自润滑轴承兼有钢轴承和铜轴承的优点，同时油槽润滑和自润滑相结合，能有效避免轴承的烧焦，但其工艺复杂，成本较高。轴承的设计首要考虑的是轴承的使用寿命，其寿命除烧焦外由轴承内径的磨损量来决定。磨损量主要受摩擦条件的影响，而摩擦又受承载、速度、杂质、表面粗糙度、工作温度、不同运行方式、所使用润滑剂等条件影响，因此，磨损量只能是一个理论估计值，轴套的寿命取决于各种复杂的条件。若因供油不良，杂质渗入而使磨损急剧变化，就很难预测磨损情况。在正常情况下，铜轴承（）磨损量可由下式近似得出： ：磨损量（） ：摩擦系数【（）】 ：承载能力（） ：线速度（） ：磨损时间（）式中，为理想状态下的摩擦系数，k（15）108【（n2）】 1、cc0c1c2c32、承载压力 通常所谓承载压力是指轴承承受载荷时，轴承支撑的最大载荷除以受压面积，所谓受压面积，当轴承为圆筒形时，取与轴承接触部分的载荷方向的投影面积。2.7 键的选择与校核1、 键的选择：键一般采用抗拉强度极限ss 600 mpa的碳钢制造，通常用45钢。 （1） 类型选择：键的类型应根据键联接的结构、使用特性及工作条件来选择。选择时应考虑以下各方面的情况：需要传递转矩的大小；联接于轴上的零件是否需要沿轴滑动及滑动距离的长短；对于联接的对中性要求；键是否需要具有轴向固定的作用；以及键在轴上的位置（在轴的中部还是端部）等。 （2）尺寸选择： 键的剖面尺寸bh按轴的直径d由标准中选定。键的长度l一般按轮毂宽度定，要求键长比轮毂略短510 mm，且符合长度系列值。 2、平键联接的强度校核 平键联接的主要失效形式是工作面的压溃和磨损（对于动联接）。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断（如图2.4所示，沿aa面剪断）。 图2.4 设载荷为均匀分布，由图2.4可得平键联接的挤压强度条件 对于导向平键、滑键组成的动联接，计算依据是磨损，应限制压强，即 式中：t为转矩（nmm）； d为轴径（mm）； h为键的高度（mm）； l为键的工作长度（mm）； p为许用挤压应力（mpa）； p为许用压强（mpa）3 电动机的选择3.1 类型和结构形式的选择 3.1.1 单极性步进电机这种步进电机之所以称为单极性是因为每个绕组中电流仅沿一个方向流动。它也被称为两线步进电机，因为它只含有两个线圈。两个线圈的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。单极性步进电机还被称为4相步进电机，因为它有4个激励绕组。单极性步进电机的引线有5或6根。如果步进电机的引线是5根，那么其中一根是公共线(连接到v+)，其他4根分别连到电机的4相。如果步进电机的引线是6根，那么它是多段式单极性步进电机有两个绕组，每个绕组分别有一个中间抽头引线。3.1.2 单极性步进电机的步进方式单极性步进电机可以来用三种步进方式：单拍、双拍、半拍方式。单拍步进方式是指每次仅给一个绕组通电，结果导致转子旋转，并运动到转子永磁体与具有相反极性的绕组对齐的位置。双拍方式同时给两个绕组通电，这样就导致转子旋转，并在永磁体到达两个通电绕组的中间位置点时平衡。双拍方式的优点是比单拍方式多获得41.4的输出力矩，不过代价是需要花费后者两倍的能量，因为它有两相绕组同时通电。最后，半拍方式工作时则让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替地进行。半拍方式的输出力矩比双拍方式小，随设计不同，在1530之间变化，不过它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率(每周两倍的步数)。3.1.3 双极性步进电机双极性步进电机之所以如此命名，是因为每个绕组都可以两个方向通电。因此每个绕组都既可以是n极又可以是s极。它又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电机，因为具有两个分离的线圈。双极性步进电机有四根引线，每个绕组两条。与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比，双极性步进电机具有更大的驱动能力，原因在于其磁极(不是中间抽头的单一线圈)中的场强是单极性步进电机的两倍。双极性步进电机的每个绕组需要一个可逆电源，通常由h桥驱动电路提供。由于双极性步进电机比单极性步进电机的输出力矩大，因此总是应用于空间有限的设计中。这也是软盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动之所以总是采用双极性步进电机的原因。可以相当简单地使用数字万用表来查找两个绕组。如果在某两根引线之间能够测量到阻值，那么这两根引线之间就属于一个绕组，其他两根线之间是另外一个绕组。双极性步进电机的步距通常是1.8，也就是每周200步。3.1.4 双极性步进电机的步进方式双极性步进电机具有和单极性步进电机相同的步进方式，仅仅由于绕组配置的不同，在实现上存在一些差别。3.1.5 步进驱动方式的相似之处如果读者是聪明的，或者在实践时很细心，也许就会注意到单极性步进电机和双极性步进电机在步进驱动方式上是极其相似的。以前面介绍的单极性步进电机的步进方式表格为例，交换列b和列c的位置，将所有的“通”替换为“+”，然后在与状态为“+”的引线同一绕组的另一列中补上“-”，就将看到和上面双极性步进电机同样格式的表格，只是电机的转向相反。这说明控制单极性步进电机的任何逻辑也可以用来驱动双极性步进电机。注意是逻辑，而非驱动电路。双极性步进电机的绕组需要h桥电路，而单极性步进电机仅仅需要一个简单的晶体管开关。做到在控制单极性步进电机和双极性步进电机之间切换，惟一需要的变化是交换