数控卧式重型车床主传动设计【含CAD图纸、说明书】
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数控车床主传动
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数控卧式车床传动
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题目：数控卧式重型车床主传动设计题目：数控卧式重型车床主传动设计 I 摘要 车床变速箱设计主要，主要包括三方面的设计，即：根据设计题目所给定 的车床用途、规格、主轴极限转速、转速数列公比或级数，确定其他有关运动 参数，选定主轴各级转速值；通过分析比较，选择传动方案；拟定结构式或结 构网，拟定转速图；确定齿轮齿数及带轮直径；绘制传动系统图。其次，根据 车床类型和电动机功率，确定主轴及各传动件的计算转速，初定传动轴直径、 齿轮模数，确定传动带型号及根数，摩擦片尺寸及数目；装配草图完成后要验 算传动件（传动轴、主轴、齿轮、滚动轴承）的刚度、强度或寿命。最后，完 成运动设计和动力设计后，要将主传动方案“结构化” ，设计主轴变速箱装配图 及零件图，侧重进行传动轴组件、主轴组件、变速机构、箱体、润滑与密封、 传动轴及滑移齿轮零件的设计。 关键词：主轴箱，无级调速，传动系统 II Abstract Lathe gearbox design major, mainly includes three aspects of the design, namely: the title given according to the design purpose lathe, specifications, spindle speed limit, the speed or the number of columns common ratio series, other relevant motion parameters to determine the selected spindle levels speed value; analysis and comparison, selecting transmission scheme; prepare formula or network structure, develop speed; determining a gear and pulley diameter; transmission drawn map. Secondly, according to the type of lathe and motor power, determined that the calculated spindle speed and various transmission parts, an initial shaft diameter modulus gear, belt model and determine the number, size and number of friction plates; after the completion of assembly sketch to checking the transmission member (shaft, spindle, gear, bearing) stiffness, strength or lifetime. Finally, after the completion of design and dynamic design movement, to the main drive program “structured“ designed spindle gearbox assembly drawings and part drawings, conduct focus drive shaft assembly, spindle assembly, the transmission mechanism, housing, lubrication and sealing, transmission slip gear shaft and parts of the design. Keywords: headstock, variable speed, drive III 目 录 摘要摘要 I ABSTRACT.II 1 绪论绪论1 1.1 选题背景(含国内外相关研究综述及评价)与意义.1 1.2 国内外相关研究综述1 1.3 数控技术的应用与发展2 1.3.1 数控车床与发展趋势.2 1.3.2 数控技术.3 1.3.3 数控技术发展趋势5 2 设计计算设计计算8 2.1 机床的主参数 8 2.2 主运动参数 8 2.3 切削力的计算 8 3 主动参数参数的拟定主动参数参数的拟定10 3.1 主运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩 10 3.2 主电动机的选择11 4 主传动系统设计主传动系统设计13 4.1 主变速方案拟定13 4.2 变速结构式、结构网的选择13 4.2.1 确定变速组及各变速组中变速副的数目.13 4.2.2 结构网的拟定.14 4.2.3 结构式的拟定.14 4.2.4 结构式的拟定.14 4.2.5 确定各变速组变速副齿数.15 5 传动件的设计传动件的设计16 5.1 带传动设计16 5.2 选择带型 17 5.3 确定带轮的基准直径并验证带速 17 5.4 确定中心距离、带的基准长度并验算小轮包角 18 5.5 确定带的根数Z.19 5.6 确定带轮的结构和尺寸 19 5.7 确定带的张紧装置 19 5.8 计算压轴力 19 5.9 各变速组齿轮模数的确定和校核21 5.9.1 齿轮模数的确定.21 5.9.2 齿宽的确定.25 5.9.3 齿轮结构的设计.25 5.10 传动轴的直径估算27 IV 5.10.1 确定各轴转速.27 5.10.2 传动轴直径的估算：确定各轴最小直径27 5.10.3 键的选择.28 5.11 传动轴的校核28 5.11.1 传动轴的校核.29 5.11.2 键的校核.29 5.12 摩擦离合器的选择和计算 30 5.13 齿轮校验32 5.13.1 校核 a 变速组齿轮.33 5.13.2 校核 b 变速组齿轮.34 5.13.3 校核 c 变速组齿轮.36 5.14 轴承的选用与校核37 5.14.1 各轴轴承的选用.37 5.14.2 各轴轴承的校核.37 5.15 主轴组件设计 38 总结与展望总结与展望48 参考文献参考文献49 致致 谢谢50 1 1 绪论 1.1 选题背景(含国内外相关研究综述及评价)与意义 目前，我国车床的发展不仅从技术水平上已研制出五坐标的数控车床加工 中心，CNC 系统和自动编程系统等。同时，也拥有了一定数量的数控车床的开 发、生产、使用以及拥有量等都与世界上的先进国家有较大差距。要达到世界 先进水平，迅速发展我国数控车床行业势在必行。普通车床虽然可以进行单件、 小批量生产。但解决多品种、特别是形状复杂、精度要求高的零件。就显得力 不从心了。这时只能依赖高素质的技术工人，但产量上不去。如果一般技术工 人就能完成且要上数量，就必须借助数控车床。 本设计为立式车床变速箱设计，它是数控车床机械传动部分的核心。通过 改造，大大改善了车床的加工性能：自动化程度提高，减轻操作者的劳动强度， 改善了劳动条件；提高加工精度，加工质量稳定；提高生产效率；易于建立计 算机通讯网络。 1.2 国内外相关研究综述 数控车床代表着机械制造业现代科学技术发展的方向和水平。目前，我国 数控车床的发展不仅从技术水平上已研制出五坐标的数控车床加工中心，CNC 系统和自动编程系统等。同时，也拥有了一定数量的数控车床的开发、生产、 使用以及拥有量等都与世界上的先进国家有较大差距。要达到世界先进水平， 迅速发展我国数控车床行业势在必行。 经济型数控车床设计的必然性：数控车床能较好地解决形状复杂、精密、 小批多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产率，也具有适应性强、 较高的加工精度。但是应用数控车床还受到其它条件的限制。价格昂贵，一次 性投资巨大，对于中小企业心有余而力不足。 目前各企业都有大量的通用车床，完全用数控车床代替根本不可能，而且 替代下来的车床闲置起来，又会造成浪费。在国内，订购新数控车床的交货期 一般较长，往往不能满足生产急需。通用数控车床对具体生产有多功能。要较 好地解决上述问题，应走经济型数控车床设计之路.经济型车床设计的优点：经 济型数控车床设计一般指对普通车床其某些部位做一定的设计，配上数控装置， 从而使车床具有数控加工能力，其目的有以下几点： 2 从提高资本效率出发，改造闲置旧设备，发挥车床的原有功能和改造后的新增 功能，提高车床的使用价值。 所有这些目的都围绕提高车床的性能价格比，用较少的价格，得到较高的车 床性能。因此，经济型数控车床设计具有以下优点：易于对现有车床实现自动 化，而且专业性强，没有多余功能；减少辅助加工时间，提高车床的生产效率； 降低工人技术等级的要求；费用低，可充分利用原有车床设备；周期短，可满 足生产急需。 1.3 数控技术的应用与发展 1.3.1 数控车床与发展趋势 （1）数控车床：1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创 造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的 那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定 了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了车床上，在美国诞生了第一台 数控车床。从此，传统车床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历 了两个阶段和六代的发展。 数控（NC）阶段（19521970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但 不能适应车床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭“成一台车床 专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC） ，简称为 数控（NC） 。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代- 电子管；1959 年的第二代-晶体管；1965 年的第三代-小规模集成电路。 计算机数控（CNC）阶段（1970 年现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为 数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应 有的“通用“两个字省略了） 。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将计 算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在 一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR） ，又可称为中央处理单元 （简称 CPU） 。 到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控 3 制一台车床能力有富裕（故当时曾用于控制多台车床，称之为群控） ，不如采用 微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度 和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计 算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990 年，PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很 高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代-小型计算机； 1974 年的第五代-微处理器和 1990 年的第六代-基于 PC（国外称为 PC- BASED） 。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍 习惯称数控（NC） 。所以我们日常讲的“数控“，实质上已是指“计算机数控“了。 1.3.2 数控技术 随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速 发展，车床数控技术有了长足的进步。近几年一些相关技术的发展，如刀具及 新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械 产品质量的要求越来越高等，加速了数控车床的发展。目前数控车床正朝着高 速度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。世界数控技 术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面。 高速高效高精度 高生产率。由于数控装置及伺服系统功能的改进，主轴转速和进给速度大 大提高，减少了切削时间和非切削时间。加工中心的进给速度已达到 80m/min120m/min，进给加速度达 9.8m/s219.6m/s2，换刀时间小于 1s。高 加工精度。以前汽车零件精度的数量级通常为 10 m，对精密零件要求为 1 m，随着精密产品的出现，对精度要求提高到 0.1 m，有些零件甚至已达到 0.01 m，高精密零件要求提高车床加工精度，包括采用温度补偿等。微机电加 工，其加工零件尺寸大小一般在 1mm 以下，表面粗糙度为纳米数量级，要求 数控系统能直接控制纳米车床。 柔性化 柔性化包括两个方面的柔性：一是数控系统本身的柔性，数控系统采用模 4 块化设计，功能覆盖面大，便于不同用户的需求；二是 DNC 系统的柔性，同 一 DNC 系统能够依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调 整，从而最大限度地发挥 DNC 系统的效能。 工艺复合化和多轴化 数控车床的工艺复合化，是指工件在一台车床上装夹后，通过自动换刀、 旋转主轴头或旋转工作台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。已经 出现了集钻、镗、铣功能于一身的数控车床，可完成钻、镗、铣、扩孔、铰孔、 攻螺纹等多工序的复合数控加工中心，以及车削加工中心，钻削、磨削加工中 心，电火花加工中心等。此外数控技术的进步也提供了多轴控制和多轴联动控 制功能。 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务， 以确保任务在规定期限内完成。而人工智能，则试图用计算模型实现人类的各 种智能行为。科学发展到今天，实时系统与人工智能已实现相互结合，人工智 能正向着具有实时响应的更加复杂的应用领域发展，由此产生了实时智能控制 这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要 分支发展，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、 前馈控制等。例如，在数控系统中配置编程专家系统、故障诊断专家系统、参 数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统；在高速加工时的综合运 动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能；在压力、温度、位置、速 度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳 控制的目的。 结构新型化 20 世纪 90 年代一种完全不同于原来数控车床结构的新型数控车床被开发 成功。这种新型数控车床被称为“6 条腿”的加工中心或称虚拟轴车床(有的还 称为并联车床)，它能在没有任何导轨和滑台的情况下，采用能够伸缩的“6 条 腿”(伺服轴)支撑并联，并与安装主轴头的上平台和安装工件的下平台相连。 它可实现多坐标联动加工，其控制系统结构复杂，加工精度、加工效率较普通 加工中心高 210 倍。这种数控车床的出现将给数控车床技术带来重大变革和 创新。 5 编程技术自动化 随着数控加工技术的迅速发展，设备类型的增多，零件品种的增加以及零 件形状的日益复杂，迫切需要速度快、精度高的编程，以便于对加工过程的直 观检查。为弥补手工编程和 NC 语言编程的不足，近年来开发出多种自动编程 系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话式自动编程系统、 语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛。图形交互 式编程系统是以计算机辅助设计(CAD)软件为基础，首先形成零件的图形文件， 然后再调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨 迹。其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进的 CAD/CAM 软件所采用的数控编程方法。目前常用的图形交互式软件有 Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA、Solid Works、CATIA 等。 集成化 数控系统采用高度集成化芯片，可提高数控系统的集成度和软、硬件运行 速度，应用平板显示技术可提高显示器性能。平板显示器(FPD)具有科技含量高、 质量小、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大规模显示，成为与 CRT 显示器抗衡的新兴显示器，是 21 世纪显示器主流。它应用先进封装和互 连技术，将半导体和表面安装技术融于一体,通过提高集成电路密度，减小互连 长度和数量来降低产品价格、改进性能、减小组件尺寸、提高系统的可靠性。 开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成的总线式、模块化、开放、嵌入式体系结构，便于裁 减、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭 环控制模式是针对传统数控系统仅有的专用型封闭式开环控制模式提出的。由 于制造过程是一个有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包括诸如加 工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加 工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调 整加工过程变量。在加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式， 易于将计算机实时智能技术、多媒体技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、 自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体， 构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 6 1.3.3 数控技术发展趋势 （1）数控技术装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水 平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息 技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和 最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而 在于怎样生产，用什么劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最 基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当 今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多 变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数 控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产 业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速 经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备 是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电 一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域:(1)机械制造技术; (2)信息处理、加工、传输技术;(3)自动控制技术;(4)伺服驱动技术:(5)传感器技术: (6)软件技术等。 （2）数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工 业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生 的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为 这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及 其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 高速、高精加工技术是装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效 率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先 端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会(CIRP)将其 确定 21 世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆，而且多品种加工是 7 轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多 为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很 小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏 空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺 钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加 工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 目前高速加工中心进给速度可达 80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，己经 采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合车床。美国 CINCINNAT 工公 司的 HyperMach 车床进给速度最大达 60m/min，快速为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的 零件在一般高速车床加工需 3h，在普通车床加工需 8h;德国 DMG 公司的双主轴 车床的主轴速度及加速度分别达 12000r/mm 在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控车床的加工精度已由 l0um 提高 到 5 m，精密级加工中心则从 35um，提高到 1 一 1.5m，并且超精密加工精 度已开始进入纳米级。 在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF 值己达 6000h 以上，伺服系统的 MTBF 值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工， 与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到 了快速的发展，应用领域进一步扩大。 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控 系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自 适应控制，工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前 馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化 编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还 有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 数控设备更注重安全性、操作性 数控设备是集机电一体化的产品，由于其自动化程度高，所以对其安全性 和可操作性有了更高的要求。 8 9 2 设计计算 2.1 机床的主参数 设计一台数控卧式重型车床主传动系统，主轴转速范围 0.571rpm,床身上 工件最大回转直径 2000mm，刀架上最大切削力 15kN,顶尖间最大加工工件重量 200T，顶尖间最大加工工件有效长度 15000mm，主轴前后径向轴承为恒流静压 轴承。 2.2 主运动参数 根据任务书主轴的转速范围为 0.5-71/min. 2.3 切削力的计算 由于切削过程的复杂性，并且影响它的因素又多，因此目前尚未导出简便 计算进给力、径向力、切削力 的理论公式，一般都是通过大量实验，由测力仪 得到切削力后进行数据处理，建立经验公式。在建立经验公式时，大多数都是 将背吃刀量、进给量及切削速度这三个主要因素作为可变因素，而其它影响因 素则用修正系数间接计算，从而得出、 三个分力的计算公式: FX=PafkfvrkvFzkrFzkaFzkvbFzkhFzkuFzkbr1Fz Fy =PfkfFykvFykrFykaFykvbFykhFykuFykbr1Fy Fz =PfkfFxkvFxkrFxkaFxkvbFxkhFxkuFxkbr1Fx 式中及下列各参数均是以实验条件得出, 切削深度、进给量、切削速度以实验 条件中最大值计算, 而不是本机床实际所加工最大允许量, 详见机床设计手 册: P单位切削力 ( kgf /mm2) , 取 P=210kgf /mm2; 切削深度, 15mm, 取 p=5mm; F进给量, 0.10.5mm/r, 取 f=0.5mm/r; v切削速度, 90105m/min, 取 v=105m/min。 以上取值及各修正系数源于机床设计手册。 经计算：P=586.3kgf 据手册，KX=0.350.5，取=0.43 KY=0.350.5，取=0.43 则 Px=252kgf; Py=252kgf 10 总切削 F=1090.5kgf=10697.8N 机床切削总功率: P=10697.8105 /(602000)=18.7kW 按上面所列式求得切削功率后, 还需考虑机床的传动效率, 机床的电机功率为 Pc/m, 式中 m 为机床的传动效率, 一般取为 0.750.85, 取 0.85 计算, 计算得=22kW。 查机械设计课程设计指导书P178 可得，选择电动机型号为 Y180L-4，满载 时，其转速为 1470r/min。 11 3 主动参数参数的拟定 3.1 主运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩 主运动调速范围的确定 （本小节公式除非特别说明，均出自资料12） 数控车床主轴转速范围 0.571r/min 则数控车床总变速范围 max min 140 n n R n 估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式： (2.3) 0.30.3 max min min 71 nn()0.5 ()2.21r / min 0.5 n n A 因为数控机床主轴的变速范围大于计算转速的实际值同时为了便于计算 电机的恒功率变速范围 d 2880 R2 1440 p 由于RnpRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串 联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。 取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒6 f dp R77. 1 lg Rgl Z np f 线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取 Z=4 故前面传动比分配可取。 取 Z=4, ，计算出变速齿轮箱公比，则 4 d 1 a , z fp z fp RR 25 . 2 ff ，取 变速箱有四种传动比： ；1/81 . 2 1/21/41 . 1 ；2/41 . 1 2/11/41. 1 ；81 . 2 /12/141 . 1 /1 ；41. 1/21/241. 1/1 由图 2 主轴功率特性图中可以看出，当主轴在 710.5r/min 的转速范围内，功 率段 abcde 恒功率输出，可以实现恒功率不停车无级调速，故此车床用于加工 12 盘类零件时，可以恒线速度切削，严格保证加工质量，但以上设计没有考虑系 统内传动元件造成的功率损失。 3.2 主电动机的选择 根据前面的切削计算，选择 22KW 的 Y180L-4 型三相异步电动机，参数如下 图表 Y180L-4Y180L-4 型三相异步电动机型三相异步电动机 产品型号：Y180L-4 型 Y180L-4 型三相异步电动机使用条件： 环境温度：-150.5 海拔：不超过 2000m 额定电压：380V，可选 220-760V 之间任何电压值 额定频率：50Hz、60Hz 防护等级：IP44、IP54、IP55 绝缘等级：B 级、F 级、H 级 冷却方式：ICO141 工作方式：S1 连接方式：3KW 及以下 Y 接法、4KW 及以上为接法 Y180L-4 型三相异步电动机特点 Y180L-4 型三相异步电动机功率：22KW 电压：380V 电流：21.8A 绝缘：B 噪 音：87 dB(A) 转速 2900r/min 是全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机，是 全国统一设计的基本系列，它同时是符合 JB/T9616-1999 和 IEC34-1 标准的有 13 关规定， 具有国际互换的特点。 Y180L-4 型三相异步电动机广泛适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场 合和无特殊要求的机械设备上，如金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌 机、农业机械和食品机械等。 14 4 主传动系统设计 4.1 主变速方案拟定 拟定变速方案，包括变速型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个 变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元件、机构以及组成、安排不同 特点的变速型式、变速类型。 变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此， 确定变速方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。 变速方案有多种，变速型式更是众多，比如：变速型式上有集中变速，分 离变速；扩大变速范围可用增加变速组数，也可采用背轮结构、分支变速等型 式；变速箱上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。 显然，可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设计中，我们 采用集中变速型式的主轴变速箱。 4.2 变速结构式、结构网的选择 结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的变速不失为有用的方法， 但对于分析复杂的变速并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。 4.2.1 确定变速组及各变速组中变速副的数目 数为 Z 的变速系统由若干个顺序的变速组组成，各变速组分别有、 Z 个变速副。即 Z 321 ZZZZ 取 Z=4, ，计算出变速齿轮箱公比，则 4 d 1 a , z fp z fp RR 25 . 2 ff ，取 变速箱有四种传动比： ；1/81 . 2 1/21/41 . 1 ；2/41 . 1 2/11/41. 1 ；81 . 2 /12/141 . 1 /1 ；41. 1/21/241. 1/1 由图 2 主轴功率特性图中可以看出，当主轴在 710.5r/min 的转速范围内，功 率段 abcde 恒功率输出，可以实现恒功率不停车无级调速，故此车床用于加工 15 盘类零件时，可以恒线速度切削，严格保证加工质量，但以上设计没有考虑系 统内传动元件造成的功率损失。 4.2.2 结构网的拟定 根据中间变速轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下： 4.2.3 结构式的拟定 主轴的变速范围应等于住变速传动系中各个变速组变速范围的乘积，即： in RRRRR 210 检查变速组的变速范围是否超过极限值时，只需检查最后一个扩大组。因为其 他变速组的变速范围都比最后扩大组的小，只要最后扩大组的变速范围不超过 极限值，其他变速组就不会超过极限值。 1 222 PXR 4.2.4 结构式的拟定 绘制转速图 、选择 Y132S-4 型 Y 系列笼式三相异步电动机。 、分配总降速变速比 16 4.2.5 确定各变速组变速副齿数 齿轮齿数的确定，当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于 定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮 的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和及 z S 小齿轮的齿数可以从【1】表 3-9 中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于 1820。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿 轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于 4，以保证滑移是齿轮外圆不相碰。 根据【1】,查表 3-9 各种常用变速比的使用齿数。 94 P 17 5 传动件的设计 5.1 带传动设计 功率 P=22kW,选择传动比为 i=1.6 计算设计功率 Pd edAd PKP 表表 4 4 工作情况系数 A K 原动机 类 类 一天工作时间/h 工作机 10 1016 1610 1016 16 载荷 平稳 液体搅拌机；离心式水泵； 通风机和鼓风机（ ） ；离心式压缩机；7.5kW 轻型运输机 1.01.11.21.11.21.3 载荷 变动小 带式运输机（运送砂石、 谷物） ，通风机 （） ；发电机；旋 7.5kW 转式水泵；金属切削机床； 剪床；压力机；印刷机； 振动筛 1.11.21.31.21.31.4 载荷 变动较 大 螺旋式运输机；斗式上料 机；往复式水泵和压缩机； 锻锤；磨粉机；锯木机和 木工机械；纺织机械 1.21.31.41.41.51.6 载荷 变动很 大 破碎机（旋转式、颚式等） ； 球磨机；棒磨机；起重机； 挖掘机；橡胶辊压机 1.31.41.51.51.61.8 根据 V 带的载荷平稳，两班工作制（16 小时） ，查机械设计P296表表 4 4， 18 取 KA1.1。即1.1 2224.2kW dAed PK PkW 5.2 选择带型 普通 V 带的带型根据传动的设计功率 Pd 和小带轮的转速 n1 按机械设计 P297 图 1311 选取。 根据算出的 Pd24.2kW 及小带轮转速 n11470r/min ，查图得： dd=80100 可知应选取 A 型 V 带。 5.3 确定带轮的基准直径并验证带速 由机械设计P298表 137 查得，小带轮基准直径为 80100mm 则取 dd1=100mm ddmin.=75 mm（dd1根据 P295表 13-4 查得） 表表 3 3 V 带带轮最小基准直径 mind d 槽型 YZABCDE mind d 205075125200355500 2 12 1 1470 =1.63333,=100 1.63333=163.3mm 900 d d d d id d 所以 由机械设计P295表 13-4 查“V 带轮的基准直径” ，得=160mm 2d d 19 误差验算传动比： （为弹性滑 2 1 160 =1.63265 (1)100 (1 2%) d d d i d 误 动率） 误差 符合要求 1 1 1.63265 1.6333 100%100%1.58%5% 1.63333 ii i i 误 带速 1 100 1470 v=7.43/ 60 100060 1000 d d n m s 满足 5m/s300mm，所以宜选用 E 型轮辐式带轮。 总之，小带轮选 H 型孔板式结构，大带轮选择 E 型轮辐式结构。 带轮的材料：选用灰铸铁，HT200。 5.7 确定带的张紧装置 选用结构简单，调整方便的定期调整中心距的张紧装置。 21 5.8 计算压轴力 由机械设计P303 表 1312 查得，A 型带的初拉力 F0130.59N，上面已得到=153.36o，z=6，则 1 a 1 a153.7 2sin=2 6 130.59 sinN=1526N 22 o o FzF 对带轮的主要要求是质量小且分布均匀、工艺性好、与带接触的工作表面 加工精度要高，以减少带的磨损。转速高时要进行动平衡，对于铸造和焊接带 轮的内应力要小, 带轮由轮缘、腹板（轮辐）和轮毂三部分组成。带轮的外圈 环形部分称为轮缘，轮缘是带轮的工作部分，用以安装传动带，制有梯形轮槽。 由于普通 V 带两侧面间的夹角是 0.5，为了适应 V 带在带轮上弯曲时截面变 形而使楔角减小，故规定普通 V 带轮槽角 为 32、34、36、38（按带 的型号及带轮直径确定） ，轮槽尺寸见表 7-3。装在轴上的筒形部分称为轮毂， 是带轮与轴的联接部分。中间部分称为轮幅（腹板） ，用来联接轮缘与轮毂成一 整体。 表 普通 V 带轮的轮槽尺寸（摘自 GB/T13575.1-92） 槽型 项目 符号 Y Z A B C D E 基准宽度 b p 5.3 8.5 11.0 14.0 19.0 27.0 32.0 基准线上 槽深 h amin 1.6 2.0 2.75 3.5 4.8 8.1 9.6 基准线下 槽深 h fmin 4.7 7.0 8.7 10.8 14.3 19.9 23.4 22 槽间距 e 8 0.3 12 0.3 15 0.3 19 0.4 25.5 0.5 37 0.6 44.5 0.7 第一槽对 称面至端 面的距离 f min 6 7 9 11.5 16 23 28 最小轮缘 厚 5 5.5 6 7.5 10 12 15 带轮宽 B B =( z -1) e + 2 f z 轮槽数 外径 d a 32 60 - - - - - - 34 - 80 118 190 315 - - 36 60 - - - - 475 600 38 对应 的基 准直 径 d d - 80 118 190 315 475 600 轮 槽 角 极限偏差 1 0.5 V 带轮按腹板（轮辐）结构的不同分为以下几种型式： （1） 实心带轮：用于尺寸较小的带轮(dd(2.53)d 时)，如图 7 -6a。 （2） 腹板带轮：用于中小尺寸的带轮(dd 300mm 时)，如图 7-6b。 （3） 孔板带轮：用于尺寸较大的带轮(ddd) 100 mm 时)，如图 7 -6c 。 （4） 椭圆轮辐带轮：用于尺寸大的带轮(dd 500mm 时)，如图 7-6d。 （a） （b） （c） （d） 图 7-6 带轮结构类型 根据设计结果，可以得出结论：小带轮选择实心带轮，如图（a）,大带轮 23 选择腹板带轮如图（b） 5.9 各变速组齿轮模数的确定和校核 5.9.1 齿轮模数的确定 齿轮模数的估算。通常同一变速组内的齿轮取相同的模数，如齿轮材料相 同时，选择负荷最重的小齿轮，根据齿面接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度条 件按【5】表 7-17 进行估算模数和，并按其中较大者选取相近的标准模 H m F m 数，为简化工艺变速传动系统内各变速组的齿轮模数最好一样，通常不超过 23 种模数。 先计算最小齿数齿轮的模数，齿轮选用直齿圆柱齿轮及斜齿轮传动，查 【4】表 10-8 齿轮精度选用 7 级精度，再由【4】表 10-1 选择小齿轮材料为 0.5C (调质)，硬度为 280HBS： r 根据【5】表 7-17；有公式： 齿面接触疲劳强度： 3 22 ) 1( 16020 HPjm H zn KP m 齿轮弯曲疲劳强度：3430 FPjm F zn KP m 、a 变速组：分别计算各齿轮模数，先计算最小齿数 28 的齿轮。 齿面接触疲劳强度： 3 22 ) 1( 16020 HPjm H zn KP m 其中: -公比 ； = 2； P-齿轮传递的名义功率；P = 0.96 7.5=7.2KW； -齿宽系数=； m m 105mb -齿轮许允接触应力，由【5】图 7-6 按 MQ HP lim 9 . 0 HHP limH 线查取; -计算齿轮计算转速; j n K-载荷系数取 1.2。 =650MPa， limH 24 MPaMPa HP 5859 . 0650 mmmH14 . 3 8005852288 32 . 72 . 1 160203 22 1 根据【6】表 10-4 将齿轮模数圆整为 4mm 。 齿轮弯曲疲劳强度：3430 FPjm F zn KP m 其中: P-齿轮传递的名义功率；P = 0.96 7.5=7.2KW； -齿宽系数=； m m 105mb -齿轮许允齿根应力，由【5】图 7-11 按 MQ FP lim 4 . 1 FFP limF 线查取； -计算齿轮计算转速; j n K-载荷系数取 1.2。 ，MPa F 300 lim MPaMPa FP 4204 . 1300 mmmF1 . 2 420288008 2 . 72 . 1 4303 1 根据【6】表 10-4 将齿轮模数圆整为 2.5mm 。 所以 11FH mmmmm4 1 于是变速组 a 的齿轮模数取 m = 4mm，b = 32mm。 轴上主动轮齿轮的直径： 。；mmdmmd aa 140354112284 21 轴上三联从动轮齿轮的直径分别为： ；mmdmmd aa 196494224564 2 1 、b 变速组：确定轴上另两联齿轮的模数，先计算最小齿数 18 的齿轮。 齿面接触疲劳强度： 3 22 ) 1( 16020 HPjm H zn KP m 25 其中: -公比 ； =4； P-齿轮传递的名义功率；P = 0.922 7.5=6.915KW； -齿宽系数=； m m 105mb -齿轮许允接触应力，由【5】图 7-6 按 MQ HP lim 9 . 0 HHP limH 线查取; -计算齿轮计算转速; j n K-载荷系数取 1.2。 =650MPa， limH MPaMPa HP 5859 . 0650 mmmH24 . 5 4005852188 3915 . 6 2 . 1 160203 22 2 根据【6】表 10-4 将齿轮模数圆整为 5mm 。 齿轮弯曲疲劳强度：3430 FPjm F zn KP m 其中: P-齿轮传递的名义功率；P =0.922 7.5=6.915KW； -齿宽系数=； m m 105mb -齿轮许允齿根应力，由【5】图 7-11 按 MQ 线 FP lim 4 . 1 FFP limF 查取； -计算齿轮计算转速; j n K-载荷系数取 1.2。 ，MPa F 300 lim MPaMPa FP 4204 . 1300 mmmF01 . 3 420184008 915 . 6 2 . 1 4303 2 、c 变速组： 齿顶圆直径 ； mhzd a a )2+(= * 1 26 齿根圆直径；mchzd af )22( 1 分度圆直径 ；mzd = 齿顶高 ；mhh a a * = 齿根高 ； mchh a f )+(= * 齿轮的具体值见表 表 5.1 齿轮尺寸表 （单位：mm） 齿轮齿数 z 模数 n m m 分度圆 直径 d 齿顶圆 直径 a d 齿根圆 直径 f d 齿顶高 a h 齿根高 f h 20480887045 51420421219445 42416817615845 30412012811045 30412012811045 42416817615845 52420821619845 2641041129445 2641041129445 52420821619845 22488967845 69427628426645 27 5.9.2 齿宽的确定 由公式得：)105( mmm b 轴主动轮齿轮；mmb3248 一般一对啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮 合齿宽减小而增
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