Z3040摇臂钻床进给箱三维设计

ee ee 毕 业 论 文 设计 说 明 书 题 目 Z3040 摇臂钻床进给箱三维设计 学生姓名 ee 学号 ee 所在院 (系) 机械工程学院 专业班级 ee 指导教师 ee 2011 年 6 月 13 日 ee Z3040 摇臂钻床进给箱三维设计 ee （ee） 指导老师：ee 【摘要】：本设计的主要任务是对 Z3040 摇臂钻床进给箱三维设计。Z3040 摇臂钻床主要用于加工中小 型零件。可以进行钻孔、扩孔、绞孔及攻螺纹等工作。设计重点在于了解 Z3040 钻床并掌握 Z3040 型摇臂钻 床进给箱的工作原理及其结构特点；对各主要零件进行设计计算，从而掌握一种设计的方法；对整个进给系统 进行三维建模及导出工程图。同时此次设计，使我了解实际产品设计过程，将大学四年所学的各项专业知识进 行汇总和展示，学会将理论知识运用于实际情况中。加深、巩固和扩大所学基本理论、基本知识和基本技能。 【关键词】：摇臂钻床 钻孔 进给传动系统 建模 ee Z3040 Radial drilling feed box three-dimensional design Ee (ee) Tutor: ee 【Abstract】: The design of the main task is to feed drilling machine Z3040 rocker box three-dimensio nal design. Z3040 Radial drilling machine mainly used for processing small parts. Drilling, reaming, reaming an d tapping. The design focus is to understand the Z3040 drilling and master Z3040 radial drilling machine work ing principle and structural characteristics of the feed box; major parts designed so as to equip a design approa ch; built the entire feed system for three-dimensional mold and export drawings. The design, so I understand th e actual product design process, the expertise learned in four years of college are summarized and presented, le arn to apply theoretical knowledge to actual situation. Deepen, consolidate and expand the basic theory, basic k nowledge and basic skills. 【Key words】: radial drilling machine drilling feed drive system modeling ee I 目 录 1.1.概述概述 1 1 1.1 本论文研究的目的及意义 1 1.1.1 研究的目的.1 1.1.2 研究的意义 1 1.2 摇臂钻床的国内发展动态及应用领域 2 1.2.1 研究现状及发展趋势.2 1.2.2 应用领域.3 1.3 将要解决的主要问题及解决问题思路 4 1.4 拟定技术路线及设计方案 5 1.5 Z3040 摇臂钻床的简介 7 1.5.1 钻床及特点 7 1.5.2 Z3040 摇臂钻床的主要结构和运动形式.8 1.5.3 摇臂钻床的主要参数及设计要求10 2 2 机械传动设计方案和传动系统图的拟定与比较机械传动设计方案和传动系统图的拟定与比较1212 2.1 主运动的设计 .12 2.1.1 原动机的选择 .12 2.1.2 运动参数的确定15 2.1.3 绘制主轴进给箱转速图17 2.2 传动过程 .17 ee II 2.3 传动设计方案评价的目的 .18 2.4 机械传动设计方案评价的原则 .18 2.5 系统设计方案的比较与确定 .19 3 3 主要零件设计主要零件设计2121 3.1 齿轮材料的选择 21 3.1.1 齿轮材料的基本要求21 3.2 齿式离合器的设计 23 3.3 齿轮模数初步计算 .23 3.4 传动轴及其组件结构设计 .25 3.4.1 传动轴直径的估算及轴间中心距的确定25 3.4.2 齿轮强度验算27 3.5 过渡轴的设计 .29 3.5.1 轴的失效形式29 3.5.2 轴的材料29 3.5.3 过渡轴的强度校核30 4 4 轴承的选择与校核轴承的选择与校核3434 4.1 轴承的分类 .34 4.2 滚动轴承及类型 .34 4.3 滚动轴承的失效形式 35 4.4 轴承的选择计算 .36 5.5.润滑与密封润滑与密封 3737 ee III 5.1 润滑及冷却系统 .37 5.2 润滑系统的要求 .38 5.3 润滑剂的选择 .38 5.4 润滑方式 .39 6.6.基于基于 PRO/EPRO/E 的三维设计建模的三维设计建模 4141 6.1 零件三维建模 .41 6.1.1 轴承的三维建模41 6.1.2 双联滑移齿轮三维建模42 6.2 三维装配 .49 结论结论 5252 致谢致谢 5353 参考文献参考文献 5454 ee I 1.概述 1.1 本论文研究的目的及意义本论文研究的目的及意义 1.1.1 研究的目的 本课题的主要任务是对 Z3040 钻床进给箱设计。首先，我要了解 Z3040 钻床， Z3040，大写字母 Z 是钻床的简称， 30 为摇臂、后面 40 为钻孔直径， Z3040 摇臂 钻床适用于在中、大型零件的钻孔、扩孔、铰孔、平面及攻螺纹等工作，在具有工 艺装备的条件下可以进行镗孔。 Z3040 摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，它 具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有 多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用高的机床。让我了解并掌握 Z3040 型摇臂钻床进给箱的工作原理及其结构特点。其次，通过这次的设计对我来说在各个 方面的收获。根据这年来在学校的专业课程知识的学习与掌握情况，选择这个课题就 是为了掌握一种设计的方法，从而提高自身对以前所学知识的一个系统的运用能力， 如巩固和强化了我对 CAD，PRO/E 软件实际运用能力，同时也充分加深了我的设计能力 和对以后我的机械生涯做好了准备。通过该课题的设计，能够掌握里面的一些设计环 节，充分理解里面的工程实际问题，如钻床夹具设计及机床的数控 plc 控制等，从而 有助于深刻认识设计该课题的思路，锻炼自己的工程实践能力。该课题是一个涉及知 识面比较全面的设计，精密车床设计里面具有复杂的传动系统，不但要求设计者能够 对传统的机床设备要很好的掌握理解，还要能够对新型机床设备能够理解，所以该课 程的设计具有一定的难度。 1.1.2 研究的意义 通过对此号摇臂钻床的研究开发，随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对 机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来越多，中大批量的产品需求越来越少， 而单件小批量生产模式迅速增加，作为实现单件小批量加工自动化的数控摇臂钻床， 由于其突出的优点而得到广泛应用： (1)可以加工出传统摇臂钻床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由于计 算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就 可以加工复杂的曲线和曲面。 (2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，效率可比以往摇臂钻床提高 3 到 ee II 7 倍。 (3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要”修配” 。这是由于 加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命 管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。最近，数控系统中增加了摇臂钻 床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。 (4)可实现多工序的集中，减少零件在摇臂钻床间的频繁搬运。这是自动化带来的 效果(可以自动更换刀具)，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩 孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的 加工精度。现已出现其他工序集中的摇臂钻床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。 1.2 摇臂钻床的国内发展动态及应用领域摇臂钻床的国内发展动态及应用领域 1.2.1 研究现状及发展趋势 随着经济的飞速发展和工业现代化的需要，各种自动化生产设备应用而生，钻床 广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽 车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的钻孔加工得到应用。 目前国内摇臂钻床生产厂家有许多家，但是在这个行业做的较好的厂家不是很多。 其中沈阳机床股份有限公司中捷摇臂钻床厂的产品国内市场占有率高达 70，出口产 品遍及中东、北美、西欧等 86 个国家和地区。进入市场经济后，国内机床行业竞争日 趋激烈，与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有 40 多家，中捷摇臂钻厂产品领先 优势受到挑战。为了应对挑战，中捷摇臂钻厂在产品卖得正火的时候，提出了进行跨 越产品结构调整。第一，用先进技术改造传统产品。如普通摇臂钻床实现了五轴联动， 价格由几万元上升到几十万元，达到中国摇臂钻床最高水平。第二，向国际先进水平 靠拢，不断扩大产品领先优势。ZK 系列、桥式和动桥系列产品，十几项技术居国内领 先地位。 高速高精度 PCB 数控钻床伺服进给系统的控制研究。专用钻床结构设计中的若干 关键技术研究。精密微小孔加工技术的现状、应用和发展方向,并列举了多种加工方法,包 括传统机械加工、特种加工和复合加工。基于 PLC 技术的 Z3040 摇臂钻床控制系统设 计，针对 Z3040 摇臂钻床的工作特点,设计了摇臂钻床的 PLC 新式控制系统,给出了钻 ee III 床控制改造方案和控制程序。本文详细论述了系统的设计方案,各部分硬件的构成,完 成了软硬件及外围电路的设计开发,并结合实际运行情况对系统做了进一步的改进和扩 展,减少了系统布线,投资少,控制稳定,具有较好的推广价值。该控制方法简单易行、 动态响应快、系统控制效果好。实际应用表明,该系统具有加工精度高、抗干扰性好、 自动化程度高、实用性强的特点。基于 Pro/E4.0 的钻床夹具的三维仿真设计等。 摇臂钻床和大多数机床一样，将向数控自动化、机电一体化和智能化方向发展。 摇臂钻床未来的发展趋势是：应用电子计算机技术，简化机械结构，提高和扩大自动 化工作的功能，使机床适应于纳入柔性制造系统工作；提高功率主运动和进给运动的 速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高 加工精度并发展超精密加工机床，以适应电子机械、航天等新兴工业的需要。 1.2.2 应用领域 Z3040 摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，在机械行业中得到了广泛应用。 可广泛应用于机械加工中的钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及锪平面等。钻削加工时，通 过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，可以沿摇臂径向运动，摇臂紧固在外立柱上，外 立柱紧固在内立柱上。摇臂借助于丝杠，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一 起，沿内立柱旋转。机械加工机床的加工运动往往是机械与电气配合实现的。Z3040 摇 臂钻床设有 4 台电动机，即主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电 动机。主轴电动机提供主轴转动的动力，是钻床加工主运动的动力源，但主轴电动机 只有正转工作模式，反转由机械方法实现。冷却泵电动机用于提供冷却液，只需正转。 摇臂升降电动机提供摇臂升降的动力，需正反转。液压泵电动机提供液压油，用于摇 臂、立柱和主轴箱的夹紧和松开，也需要正反转。 Z3040 摇臂钻床的操作主要通过手轮及按钮实现，手轮用于主轴箱在摇臂上的移动， 这是手动的。按钮用于主轴的启动停止、摇臂的上升下降、立柱主轴箱的放松及夹紧 等操作，再配合限位开关完成机床调节的各种动作。 1.3 将要解决的主要问题及解决问题思路将要解决的主要问题及解决问题思路 （1）传动系统 为满足改进后的加工及工作要求，在做出相应的计算后对传动系 统进行改进和调整。 （2）进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、 齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机 ee IV 床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。 机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内 运动。为了实现自动化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：主轴旋转运动依然由 电动机传入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进 给动作。 （3）夹紧系统 传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实 现自动化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统 来实现夹紧动作的自动化。 （4）送料系统 在生产过程中，钻床的送料主要由人工输入，这使得投入了大量 的生产力，消耗了大量的工时，使的生产率不高，为此我们通过导入自动送料系统来 减少生产力的投入和工时的消耗。自动送料系统机构传动要根据生产的需求作出相应 的设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，二者均可实现自动化控制。 （5）控制系统 当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和 PLC 控 制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响 正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而 PLC 控制系统可靠性好、造价低、抗干 扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用 PLC 控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制。 （6）三维建模本次设计最终是要通过各种三维软件如 Pro/e 进行三维建模然后装 配最后再导成二维工程图。在工程实际中也是一样，设计人员要正确的建立三维模型 导出二维图，然后工人们才能加工出合格的工件。所以要求我们在三维建模方面，要 熟练掌握三维软件的实际运用能力，另外还有读图能力看图能力，最后就是画图能力。 1.4 拟定技术路线及设计方案拟定技术路线及设计方案 1、参数拟定：根据机床类型、规格和其他特点，了解典型工艺的切削用量，结合 实际条件和情况，并与同类型机床对比分析后确定：极限转速和公比(或级数)，主传 动电机功率。 钻床的选型 钻床选择 Z3040 型摇臂钻床 1）、 钻床的设计 2）、Z3040 型摇臂钻床结构与运动形式 ee V 摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成，如果 3-3 所示。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内柱上，并可绕内立柱回转 360。摇臂 的一端为套筒，塔套在外立柱上，借助于升降丝杆的正反向旋转，摇臂可沿外立柱上 下移动。由于升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主 轴箱式一个复合的部件，它由主电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及 机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，通过手轮操作可是主 轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。这样，主轴 5 可通过主轴箱在摇臂上的水平移动及 摇臂的回转可方便的调整至机床尺寸范围内的任意位置。为适应加工不同高度工件的 需要，可调节摇臂在立柱上的位置。Z3040 钻床中，主轴箱沿摇臂的径向运动和摇臂的 回转运动为手动调整。 钻削加工时，主轴旋转为主运动，主轴的纵向运动为进给运动， 即转头一面旋转一面作纵向进给。此时主轴箱夹紧在摇臂的水平导轨上，摇臂与外立 柱加紧在内立柱上。辅助运动有：摇臂沿外立柱的上下垂直移动；主轴箱沿摇臂水平 导轨的径向移动；摇臂的回转运动。 2 进给系统概述与分析 传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条 和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被 装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加 工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。 由总体方案可知，自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统，由液压缸驱动替代 齿轮齿条的手动进给，来实现主轴的快进、工进和快退动作。钻床在加工时，主轴要 作高速的旋转运动和直线的进给运动。导入液压缸进给系统后，因此，我们要结合合 适的轴承和结构来实现主轴的高速旋转。往复进给运动由液压缸来完成动作。进给系 统方案图的确定。 3 切削力的计算 切削刀具及相关参数的选择 目前在钻孔加工中，由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法 TiN 涂层处理后，其耐 用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用极广。所以，在本文的钻削加工过程 中，选择高速钢麻花钻头。查金属切削手册选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第 一系列，刀具直径为 12mm,钻头与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为 1 号莫氏锥孔。 ee VI 由于被加工材料为 Q235 钢，其切削性能较好，所以查金属切削手册选择加工 时进给量f为：f=0.2mm/r；其对应的切削速度V=32m/min。 4、动力计算和结构草图设计：估算齿轮模数和直径；将各传动件及其它零件在展 开图和剖面图上做初步的安排、布置和设计。 5、轴和轴承的验算：在结构草图的基础上，对一根传动轴的刚度和该轴的轴承寿 命进行验算。 6 进给箱装配设计：进给想装配图是以结构草图为“底稿”，进行设计和绘制的。 图上各零件要表达清楚，并标注尺寸和配合。并应用 Pro/E 软件进行三维建模以及生 成三维装配图。 1.5 Z3040 摇臂钻床的简介摇臂钻床的简介 1.5.1 钻床及特点 钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形 式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、台式钻床、深孔钻床、多 轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。 Z3040 摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，它具有性能完善、适用范围广、 操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是 一般机械加工车间常用高的机床。Z3040，大写字母 Z 是钻床的简称，30 为摇臂、后面 40 为钻孔直径，Z3040 摇臂钻床适用于在中、大型零件的钻孔、扩孔、铰孔、平面及 攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔。钻床是一种孔加工设备，可 以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。 钻床的特点 1.双立柱设计，使摇臂更轻巧，便捷！工作效率大大起高 2.操纵系统集中在主轴箱上，变速灵活、方便、 3.进给机械电器双保险，安全。避免误操作 4.基础大件采用优质材料成型铸造，经时效处理后，用高精度机床加工，具有极高精 度 5.各导轨面均经淬硬处理，主轴采用氮化处理，延长使用寿命。 6.主轴正反转采用手把控制，钻孔，攻丝更加方便快捷！ 7.臂长 1.3 米，加工范围更大，更便捷 ee VII 8.摇臂导轨加宽未定性更好 9.进给涡轮自动润滑 1.5.2 Z3040 摇臂钻床的主要结构和运动形式 1、主要结构 Z3040 摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床， 适用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、 刮平面及改螺纹等多种形式的加工，增加适当的工 艺装备还可以进行镗孔。主要有底座、内外立柱、 摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。最大钻 孔直径为 40mm，跨距最大 1200mm,最小 300mm。 2、摇臂钻床主要运动形式为： 摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下 移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上,可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。 加工时，根据工件的高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。 在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧 在外立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动 （主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动） ；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横 向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床 的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴 箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。 （1）主轴带刀具的旋转与进给运动 主轴的转动与进给运动有一台三相交流异步电动机（3kw）驱动，主轴的转动方向 由机械及液压装置控制。 （2）各运动部分的移位运动 主轴在三维空间的移位运动有主轴箱沿摇臂方向的水平移动（平动） ；摇臂沿外立 柱的升降运动（摇臂的升降运动由一台 1.1kw 笼型三相异步电动机拖动） ；外立柱带动 摇臂沿内立柱的回转运动（手动）等三种，各运动部件的移位运动用于实现主轴的对 刀移位。 3）移位运动部件的夹紧与放松 图 1.1 Z3040 摇臂钻床结构示意图 1 底座 2 内立柱 3、4 外立柱 5 摇臂 6 主轴箱 7 主轴 8 工作台 ee VIII 摇臂钻床的三种对刀移位装置对应三套夹紧与放松装置，对刀移动时，需要将装 置放松，机加工过程中，需要将装置夹紧。三套夹紧装置分别为摇臂夹紧（摇臂与外 立柱之间） ；主轴箱夹紧（主轴箱与摇臂导轨之间） ；立柱夹紧（外立柱和内立柱之间） 。 通常主轴箱和立柱的夹紧与放松同时进行。摇臂的夹紧与放松则要与摇臂升降运动结 合进行。 Z3040 摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理如下图所示。图中液压泵采用双向定量泵。 液压泵电动机在正反转时，驱动液压缸中活塞的左右移动，实现夹紧装置的夹紧与放 松运动。电磁换向阀 HF 的电磁铁 YA 用于选择夹紧与放松的现象，电磁铁 YA 的线圈不 通电时电磁换向阀工作在左工位，接触器 KM4、KM5 控制液压泵电动机的正反转，实现 主轴箱和立柱（同时）的夹紧与放松；电磁铁 YA 线圈通电时，电磁换向阀工作在右工 位，接触器 KM4、KM5 控制液压泵电动机的正反转，实现摇臂的夹紧与放松。 图 1.2 Z3040 摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理图 1.5.3 摇臂钻床的主要参数及设计要求 1.主要技术参数见下表 表 1 主要技术参数 主要技术参数 最大钻孔直径 40 毫米 主轴中心线到立柱母线距离350-1250 毫米 主轴箱水平移动距离900 毫米 主轴端面到底座面间距离 350-1250 毫米 ee IX 摇臂升降距离 600 毫米 摇臂升降速度1.2 米/分 摇臂回转角度360 度 主轴前端孔锥度莫氏 4 号 主轴转速范围（16 级）25-2000 转/分 进给量范围（16 级）0.04-3.2 毫米/转 主轴行程315 毫米 刻度盘每转钻孔深度122.5 毫米 主轴允许最大扭矩40 公斤力*米 主轴允许最大进给抗力1600 公斤力 功率 3 千瓦主电机 转速 1430 转/分 功率 1.1 千瓦摇臂升降电机 转速 1500 转/分 功率 0.6 千瓦液压系统电机 转速 1500 转/分 功率 0.125 千瓦冷却泵电机 转速 3000 转/分 机床重量3200 公斤 机床外形尺寸2170*1013*2625 毫米 2、对电气控制的要求 （1）根据工件的大小、位置及夹紧，为了减少辅助工作时间，要求配备一台 主轴运动电动机、一台摇臂升降电动机和一台液压泵电动机。 （2）钻孔时产生的高温，可有一台普通冷却泵电动机加以控制。 （3）根据整个生产线状况，要求配备一套局部照明装置及必要的工作状态指示灯。 ee X ee XI 2.电机选择电机选择 2.1 电动机选择电动机选择 2.1.1 选择电动机类型选择电动机类型 2.1.2 选择电动机容量选择电动机容量 电动机所需工作功率为： ； w d P P 工作机所需功率为： w P ； 1000 Fv Pw 传动装置的总效率为： ； 4321 传动滚筒 96 . 0 1 滚动轴承效率 96 . 0 2 闭式齿轮传动效率 97 . 0 3 联轴器效率 99 . 0 4 代入数值得： 8 . 099. 097 . 0 99. 096 . 0 224 4321 所需电动机功率为： kWkW Fv Pd52.10 6010008 . 0 4010000 1000 略大于 即可。 d P d P 选用同步转速 1460r/min ；4 级 ；型号 Y160M-4.功率为 11kW 2.1.3 确定电动机转速确定电动机转速 取滚筒直径mmD500 min/ 6 . 125 500 100060 r v nw 1.分配传动比 （1）总传动比 62.11 6 . 125 1460 w m n n i (2)分配动装置各级传动比 ee XII 取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比 03. 44 . 1 01 ii 则低速级的传动比 88. 2 03 . 4 62.11 01 12 i i i 2.1.4 电机端盖组装电机端盖组装 CAD 截图截图 图 2.1.4 电机端盖 2.2 运动和动力参数计算运动和动力参数计算 2.2.1 电动机轴电动机轴 mN r kW n P T nn pp m d 81.689550 min/1460 52.10 0 0 0 0 0 2.2.2 高速轴高速轴 ee XIII mN r kW n p T nn pp m d 09.68 1460 41.10 95509550 min/1460 41.10 1 1 1 1 41 2.2.3 中间轴中间轴 mN rr kW n p T i n n ppp 6 . 263 2 . 362 10.10 95509550 min/ 2 . 362min/ 03 . 4 1460 10.1097. 099 . 0 52.10 2 2 2 01 1 2 3200112 2.2.4 低速轴低速轴 mN r kW n p T i n n ppp 8 .7359550 76.125 69 . 9 9550 min/76.125 88 . 2 2 .362 69 . 9 97. 099 . 0 10.10 3 3 3 12 2 3 3210223 2.2.5 滚筒轴滚筒轴 mN r kW n p T i n n ppp 720 76.125 49. 9 95509550 min/76.125 49 . 9 99 . 0 99. 069 . 9 4 4 4 23 3 4 4220334 ee XIV ee XV 3.齿轮计算齿轮计算 3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。 2绞车为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度（GB 10095-88） 。 3材料选择。由表 10-1 选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280 HBS，大齿 轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240 HBS，二者材料硬度差为 40 HBS。 4选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取24 1 z76.9603 . 4 24 2 z 97 2 z 5 初选螺旋角。初选螺旋角 14 3.2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由机械设计设计计算公式（10-21）进行试算，即 3 0 1 12 H EH d t t ZZTK d 3.2.1 确定公式内的各计算数值确定公式内的各计算数值 （1）试选载荷系数1。6 . 1 t k （2）由机械设计第八版图 10-30 选取区域系数。433. 2 h z （3）由机械设计第八版图 10-26 查得，则 78 . 0 1 87. 0 2 。 65. 1 21 （4）计算小齿轮传递的转矩。 mmNmmN n p T.108 . 6. 1460 41.1010 5 . 9510 5 . 95 4 5 1 0 5 1 （5）由机械设计第八版表 10-7 选取齿宽系数1 d （6）由机械设计第八版表 10-6 查得材料的弹性影响系数MPaZe8 .189 （7）由机械设计第八版图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极 限 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 。MPa H 600 1lim MPa H 500 2lim 13 计算应力循环次数。 9 11 103 . 61530082114606060 h jLnN 91 2 1056 . 1 03. 4 N N （9）由机械设计第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数;90 . 0 1 HN K 。95 . 0 2 HN K ee XVI （10）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由机械设计第八版式（10-12）得 MPaMPa S KHN H 5406009 . 0 1lim1 1 MPaMPa S KHN H 5 . 52255095. 0 2lim2 2 （11）许用接触应力 MPa HH H 25.531 2 21 3.2.2 计算计算 （1）试算小齿轮分度圆直径d t 1 =4 0 3 1 21 tHE t d H K TZ Z d 324 86 . 0 1046.16 34 1046.167396 . 0 10738.121 3 9.56mm （2）计算圆周速度v0 sm ndt /78 . 3 100060 56.491460 100060 11 （3）计算齿宽及模数 1 1 cos 49.56 t nt mm d m z =2mm z d m t nt 1 1 cos 24 14cos56.49 24 97. 056.49 h=2.252.25 2=4.5mm nt m 49.56/4.5=11.01 h b （4）计算纵向重合度 0.318 1 24 tan=20.73 tan318. 0 1z d 14 （5）计算载荷系数 K。 已知使用系数根据 v= 7.6 m/s,7 级精度，由机械设计第八版图 10-8 , 1 KA 查得动载系数 ;11. 1 Kv 由机械设计第八版表 10-4 查得的值与齿轮的相同，故 KH ;42. 1 KH 由机械设计第八版图 10-13 查得 35 . 1 f K 由机械设计第八版表 10-3 查得.故载荷系数4 . 1 HH KK 1 1.11 1.4 1.42=2.2 HHVA KKKKK （6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得 ee XVII 3 11 K dd t t K mm11.55375 . 1 56.49 6 . 1 2 . 2 56.49 3 3 （7）计算模数 z d mn 1 1cos mm22. 2 24 11.5597 . 0 24 14cos11.55 3.3 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 由式（10-17） 3 2 2 1 1 2 cos F SaFa d n YY z YT m K 3.3.1 确定计算参确定计算参数数 （1）计算载荷系数。 =2.09 ffVA KKKKK35 . 1 4 . 111. 1 （2）根据纵向重合度 ，从机械设计第八版图 10-28 查得螺旋 903 . 1 角影响系数 88 . 0 Y （3）计算当量齿数。 37.26 91 . 0 2424 14 24 97 . 0 coscos 333 1 1 z zV 59.106 91 . 0 97 14 97 coscos 33 2 2 z zv （4）查齿形系数。 由表 10-5 查得 18 . 2 ;57 . 2 21 YYFaFa （5）查取应力校正系数。 由机械设计第八版表 10-5 查得 79. 1; 6 . 1 21 YYSaSa （6）由机械设计第八版图 10-24c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ； MPa FE 500 1 MPa FE 380 2 （7）由机械设计第八版图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 ， 85 . 0 1 KFN ； 88 . 0 2 KFN （8）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S1.4,由机械设计第八版式（10-12）得 ee XVIII MPaMPa S F MPaMPa S F FEFN FEFN K K 86.238 4 . 1 38088 . 0 57.303 4 . 1 85500 . 0 22 2 11 1 （9）计算大、小齿轮的 并加以比较。 F YYSaFa 13630 57.303 596 . 1 592 . 2 1 11 F YYSaFa = F YYSaFa 2 22 01642 . 0 86.238 774. 1211 . 2 由此可知大齿轮的数值大。 3.3.2 设计计算设计计算 mmmmmm mn 59 . 1 085 . 4 342 . 4 01642 . 0 65 . 1 * 88 . 0 8 . 610 . 2 2 3 3 2 3 2 2 4 97 . 0 24 )14(cos 10 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲 mn 劳强度计算 的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强 mn 度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径 100.677mm 来计算应有的齿数。于是由 73.26 2 14cos11.55 cos 1 1 m d z n 取 ，则 取 27 1 z 81.10803 . 4 27 2 z ;109 2 z 3.4 几何尺寸计算几何尺寸计算 3.4.1 计算中心距计算中心距 a= mm mzz n 2 . 140 97 . 0 136 14cos2 2)10927( cos2 21 将中以距圆整为 141mm. 3.4.2 按圆整后的中心距修正螺旋角按圆整后的中心距修正螺旋角 06.1497 . 0 arccos 2 .1402 2)10927( arccos 2 )( arccos 21 a mzz n 因值改变不多，故参数、等不必修正。 k ZH ee XIX 3.4.3 计算大、小齿轮的分度圆直径计算大、小齿轮的分度圆直径 mm mm mz d mz d n n 224 97. 0 218 14cos 2109 cos 55 97 . 0 54 14cos 227 cos 2 2 1 1 mma dd 5 .139 2 22455 2 21 3.4.4 计算齿轮宽度计算齿轮宽度 mmb d d 5567.551 1 圆整后取.mmmm BB 61;56 12 低速级 取 m=3;30 3 z 由88 . 2 3 4 12 z z i 取 4 2.88 3086.4 z 87 4 z mmm mm zd zd 261873 90303 44 33 mmmma dd 5 . 175 2 26190 2 43 mmmmb d d 90901 3 圆整后取mmmm BB 95,90 34 表表 1高速级齿轮： 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m22 压力角2020 分度圆 直径 d =2 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齿顶高 ha 221 21 m hhh aaa 齿根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a )2( * 21 齿顶圆 直径 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 ee XX 表表 2低速级齿轮： 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m33 压力角2020 分度圆 直径 d =3 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齿顶高 ha 12 1 22 aaamhhh 齿根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a )2( * 21 齿顶圆 直径 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 ee XXI 4. 轴的设计轴的设计 4.1 低速轴低速轴 4.1.1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p3 n3T3 若取每级齿轮的传动的效率,则 mN r kW n p T i n n ppp 842.7359550 76.125 69 . 9 9550 min/76.125 88 . 2 2 . 362 69 . 9 97.990 . 0 10.10 3 3 3 12 2 3 3210223 4.1.2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 4041014 44 N N N FF FF d T F ta n tr t 90814tan3642tan 1366 97. 0 3639 . 0 3642 14cos 20tan 3642 cos tan 3642 404 10008 .7352 2 4 3 圆周力 ,径向力 及轴向力 的 FtFrFa 4.1.3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为 45 钢,调质处理.根据机械设计 第八版表 15-3,取 ,于是得 112 0 A mm n p Ad 64.47077 . 0 112 76.125 69 . 9 112 3 33 3 3 0min 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号. 联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则: TKTAca3 3 . 1 KA mmNmmN TKTAca 6 . 9565947358423 . 1 3 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准 GB/T 5014-2003 或手册, Tca ee XXII 选用 LX4 型弹性柱销联轴器,其公称转矩为 2500000 .半联轴器的孔径 mmN ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔 mm d 55 1 mm d 50 21 长度. mm L 84 1 4.1.4 轴的结构设计轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案 图 4-1 （2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2 轴 ;84,50 1212 mmmml d 段右端需制出一轴肩,故取 2-3 段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取 mm d 62 32 挡圈直径 D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在 mm L 84 1 半联轴器上而不压在轴的端面上,故 1-2 段的长度应比 略短一些,现取. L1 mm l 82 21 2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚 子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙 mm d 62 32 组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30313。其尺寸为 d D T=65mm 140mm 36mm， 故 ；而。 mm dd 65 7643 mmmm dl 82,5 .54 6565 3）取安装齿轮处的轴段 4-5 段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间 mm d 70 54 采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为 90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴 段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 mm l 85 54 ，故取 h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ， dh07. 0 mm d 82 65 hb4 . 1 取。 mm l 5 .60 65 ee XXIII 4）轴承端盖的总宽度为 20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定） 。根据轴承 端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距 离 l=30mm，故取 mm l 57.40 32 低速轴的相关参数： 表 4-1 功率 p3 kW69 . 9 转速 n3 min/76.125r 转矩 T3 mN 842.735 1-2 段轴长 l 21 84mm 1-2 段直径 d 21 50mm 2-3 段轴长 l 32 40.57mm 2-3 段直径 d 32 62mm 3-4 段轴长 l 43 49.5mm 3-4 段直径 d 43 65mm 4-5 段轴长 l 54 85mm 4-5 段直径 d 54 70mm 5