关 键 词：

分级 变速箱 传动系统 设计

资源描述：

分级变速箱主传动系统设计3,分级,变速箱,传动系统,设计

内容简介：

哈尔滨理工大学荣成学院机械工程系机械系统设计课程设计指导书机械电子工程系二一四年 十二月 机械系统设计课程设计计算书分级变速主传动系统设计摘 要本说明书着重研究机床主传动系统的设计步骤和设计方法，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。设计机床的主传动变速系统时首先利用传动系统设计方法求出理想解和多个合理解。根据数控机床主传动系统及主轴功率与转矩特性要求，分析了机电关联分级调速主传动系统的设计原理和方法。从主传动系统结构网入手，确定最佳机床主轴功率与转矩特性匹配方案，计算和校核相关运动参数和动力参数。本说明书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 分级变速；传动副；结构网；结构式；齿轮模数；传动比III目 录摘 要I第1章 绪论11.1课程设计的目的11.2课程设计的内容11.2.1理论分析与设计计算11.2.2 图样技术设计11.2.3编制技术文件11.3 课程设计题目、主要技术参数和技术要求21.3.1课程设计题目和主要技术参数21.3.2技术要求21.3.3任务分配2第2章 运动设计32.1运动参数及转速图的确定32.1.1转速范围32.1.2转速数列32.1.3确定结构式32.1.4确定结构网32.1.5绘制转速图和传动系统图42.2 确定各变速组齿轮传动副齿数52.3 核算主轴转速误差5第3章 动力计算63.1带传动设计63.2 计算转速的计算73.3 齿轮模数计算及验算83.4 主轴合理跨距的计算10第4章 主要零部件的选择124.1电动机的选择124.2 轴承的选择124.3变速操纵机构的选择12第5章 校核135.1 主轴的校核135.2 轴承寿命校核14第6章 结构设计及说明156.1 结构设计的内容、技术要求和方案156.2 展开图及其布置15结论16参考文献17致谢18第1章 绪论1.1课程设计的目的机械系统设计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。1.2课程设计的内容机械系统设计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。1.2.1 理论分析与设计计算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。1.2.2 图样技术设计1、选择系统中的主要机件。2、工程技术图样的设计与绘制。1.2.3编制技术文件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。1.3 课程设计题目、主要技术参数和技术要求1.3.1课程设计题目和主要技术参数题目30：分级变速主传动系统设计技术参数：Nmin=63r/min；Nmax=630r/min；Z=6级；公比为1.58；电动机功率P=4kW；电机转速n=1440r/min1.3.2技术要求1、利用电动机完成换向和制动。2、各滑移齿轮块采用单独操纵机构。3、进给传动系统采用单独电动机驱动。1.3.3任务分配成员学号任务崔仕海1130060303组长马俊1130060318绘图于坤1130060328计算李旦1130060314计算第2章 运动设计2.1运动参数及转速图的确定2.1.1转速范围Rn=102.1.2转速数列查机械系统设计表2-9标准数列表，首先找到63r/min、然后每隔5个数取一个值（1.58=1.15），得出主轴的转速数列为63r/min、100r/min、160r/min、250r/min、400r/min、630r/min，共6级。2.1.3确定结构式对于Z=6级的结构式可分解为：Z=3123。2.1.4确定结构网根据“前多后少,先降后升,前密后疏,结构紧凑”的原则,选取传动方案Z=3123,易知扩大组的变速范围,因，=4，所以满足条件，=。满足要求，结构网如图2-1所示。图2-1结构网 2.1.5绘制转速图和传动系统图1、选择电动机：采用Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。2、绘制转速图，如图2-2所示：图2-2 转速图3、画主传动系统图。根据系统转速图及已知的技术参数，画主传动系统图如图2-3：图2-3 主传动系统图1-2轴最小中心距：A1_2min1/2(Zmaxm+2m+D)轴最小齿数和:Szmin(Zmax+2+D/m)2.2 确定各变速组齿轮传动副齿数1、Sz100-120,中型机床Sz=70-1002、直齿圆柱齿轮Zmin18-203、齿轮齿数的确定。据设计要求Zmin1820,由表4.1，根据各变速组公比，可得各传动比和齿轮齿数，各齿轮齿数如表2-1。表2-1 齿轮齿数传动比基本组扩大组1:1.581:11:2.491:11:4代号ZZZZZZZ4Z4Z5Z5齿数386049492870505020802.3 核算主轴转速误差实际传动比所造成的主轴转速误差，一般不应超过,即对Nmax=630r/min，实际转速：Nmax=1440=884r/min 则有 =44.1因此满足要求。各级转速误差如表2-1所示。表2-2 转速误差分析表n 63040025016010063n88439324915799.5463.15误差41.70.41.80.490.02所有计算结果都小于4.1，因此不需要修改齿数。第3章 动力计算3.1带传动设计输出功率P=4kw,转速n1=1440r/min,n2=1000r/min 1、确定计算功率: 按最大的情况计算P=4kw，K为工作情况系数，查1表3.5，取kA=1.1，Pd=kAP=1.14=4.4kw。 2、选择V带的型号: 根据Pd,n1=1440r/min参考1图表3.16及表3.3选小带轮直径，查表选择A型V带。 3、确定带轮直径d1,d2小带轮直径d1=100mm，验算带速 从动轮直径取d2=140mm查1表8-8，计算实际传动比 4、定中心矩a和基准带长Ld（1）初定中心距a0：0.7(d1+d2)a02(d1+d2)155.4a0444取ao=300mm（2）带的计算基准长度：650mm查1表3.2取Ld0=650mm（3）计算实际中心距：aa0+300+290mm（4）确定中心距调整范围：amax=a+0.03Ld=290+0.03630=308.9mmamin=a-0.015Ld=290-0.015630=280.55mm5、验算包角：1=6、确定V带根数：确定额定功率：P0，由查表并用线性插值得P0=0.15kw查1表37得功率增量P0=0.13kw。查1表38得包角系数K=0.99，查1表3得长度系数Kl=0.81。确定带根数：Z=4.07取Z=53.2 计算转速的计算 1、主轴的计算转速 由机械系统设计表3-2中的公式 100r/min取计算转速为100r/min 2、传动轴的计算转速 在转速图上，轴在最低转速63r/min时经过传动组传动副，得到主轴转速为63.15 r/min。这个转速高于主轴计算转速，在恒功率区间内，因此轴的最低转速为该轴的计算转速即nj=250r/min,同理可求得轴的计算转速为nj=630r/min 3、确定各传动轴的计算转速。 由机械设计知识可知，一对啮合齿轮只需要校核危险的小齿轮，因此只需求出危险小齿轮的计算转速。可求得其余两对啮合齿轮中危险齿轮的计算转速即 =100r/min，=100r/min各计算各轴转速如表3-1。表3-1 各轴转速轴 号 轴 轴 轴计算转速 r/min6302501004、 确定齿轮副的计算转速。齿轮Z装在主轴上转速，其中只有90r/min传递全功率，故Zj=90 r/min。依次可以得出其余齿轮副转速如表3-2。表3-2 齿轮副转速序号ZZZZZZ6n35035018018090903.3 齿轮模数计算及验算1、计算各传动轴的输出功率2、轴径设计及键的选取轴一：=3.80Kw，取=带入公式：有，d=26.03mm,圆整取d=26mm，选花键：626306轴二：=3.65kw，=取带入公式：有，d=25.7mm,圆整取d=26mm，选花键：832366主轴：选择主轴前端直径D1=80mm，后端直径D2=（0.78-0.85）D2，则可以取D2=65mm，则平均直径D=72.5mm。,故本例之中主轴内孔直径取为d=40mm。支承形式选择两支撑，初取悬伸量，支撑跨距。选择平键连接bh=2214，l=100mm，。因为=0.501.0所以取值较大，计算的轴的直径为最小直径，经计算也是危险直径，所以实际装配时可选用轴径更大的轴。3、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=16338可得各组的模数，如图3-3所示。表3-3 模数组号基本组扩大组模数 mm2345号钢整体淬火， 按接触疲劳计算齿轮模数m 1-2轴由公式=16338可得mj=1.29，取m=2mm2-3轴由公式=16338可得mj=2.75，m=3mm基本组齿轮计算：基本组齿轮几何尺寸如表3-4所示表3-4 基本组齿轮几何尺寸齿轮Z1Z1Z2Z2Z3Z3、齿数386049492870分度圆直径76120989856140齿顶圆直径80124102102100144齿根圆直径71115939351145齿宽161616161616按基本组最小齿轮计算。小齿轮用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取260HB，大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取240HB。计算如下：齿面接触疲劳强度计算： 接触应力验算公式为 弯曲应力验算公式为： 式中N-传递的额定功率（kW），这里取N为电动机功率，N=4kW；-计算转速（r/min）. =630（r/min）；m-初算的齿轮模数（mm）, m=2（mm）；B-齿宽（mm），B=16（mm）；z-小齿轮齿，；z=28；u-小齿轮齿数与大齿轮齿数之比,u=0.4；-寿命系数； =-工作期限系数；T-齿轮工作期限，这里取T=15000h. ；-齿轮的最低转速（r/min）, =630（r/min）-基准循环次数，接触载荷取=，弯曲载荷取=m-疲劳曲线指数，接触载荷取m=3，弯曲载荷取m=6；-转速变化系数，查上，取=60；-功率利用系数，查上，取=0.78；-材料强化系数，查上，=0.60；-工作状况系数，取=1.1；-动载荷系数，查上，取=1；-齿向载荷分布系数，查上，=1 Y-齿形系数，查上，Y=0.386；-许用接触应力（MPa）,查中表4-7，取=650 Mpa；-许用弯曲应力（MPa），查中表4-7，取275 Mpa；根据上述公式，可求得及查取值可求得：=600 Mpa =220 Mpa3.4 主轴合理跨距的计算由于电动机功率P=4KW，根据表3.20，前轴径应为6090mm。初步选取d1=80mm。后轴径的d2=（0.70.9）d1，取d2=64mm。根据设计方案，前轴承为NN3016K型，后轴承为圆锥滚子轴承。定悬伸量a=90mm，主轴孔径为40mm。轴承刚度，主轴最大输出转矩T=9550=382N.m假设该机床为车床的最大加工直径为300mm。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240mm，故半径为0.12m；切削力（沿y轴）Fc= =3183.3N背向力（沿x轴）Fp=0.5 Fc=1591.7N总作用力F=3559N此力作用于工件上，主轴端受力为F=3559N。先假设l/a=2，l=3a=240mm。前后支承反力RA和RB分别为RA= = =2669.25NRB= = =889.75N根据 文献式3.7得：Kr=3.39得前支承的刚度：KA= 750 N/mm ；KB= 530 N/mm；=1.42 主轴的当量外径de=(90+70)/2=80mm，故惯性矩为I=19210-8m4=4.48查图3-38 得=2.2，与原假设接近，所以最佳跨距=1202.2=264mm合理跨距为，取合理跨距l=360mm。 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度，增大轴径：前轴径D=100mm，后轴径d=80mm。前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。第4章 主要零部件的选择4.1电动机的选择转速n1440r/min，功率P4kW选用Y系列三相异步电动机 4.2 轴承的选择I轴：与带轮靠近段安装深沟球轴承6208，另一端安装深沟球轴承6207II轴：对称安装深沟球轴承6209 III轴：轴径64端采用圆锥滚子轴承代号30313，轴径80端采用两个圆柱滚子轴承代号N216E4.3变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II轴上的三联滑移齿轮和二联滑移齿轮。第5章 校核5.1 主轴的校核图5-1主轴的校核1、跨距前后轴承都是圆锥滚子轴承l实=l+e1+e2=418+38tan13+46.5tan13420mm2、当量外径= =82.3mm3、作用在主轴上的扭矩=34849N.m4、作用在B点上的力为 2292.70N0.51146.355、作用在D点上的力为 774.2N0.5387.21N6、挠度计算取断面惯性矩 I2552499mm4 E2.1105 N/mm27、按文献中公式用变形叠加法、向量合成法，计算B点和C点的挠度yb和yc如表5-1所示；表5-1 B点和C点的挠度yb和yc 单位：mm挠度 坐标 方向 作用在B点的力的挠度作用在D点的力的挠度叠加后的挠度 合成后的挠度 计算值 允许值 x 0.0038 -0.0086 -0.00480.0050.04y 0.0019-0.0043-0.0024 x -0.00130.0035 0.022 0.0050.04y -0.00650.0017 -0.0048注：表5-1中的计算值由公式 计算合成由表5-1中的计算结果知，挠度满足要求. 8、倾角的计算 由文献中的公式叠加合成计算A.B.C.D的计算结果如表5-2所示；表5-2 叠加倾角倾角 坐标 作用B点上的力产生的倾角作用B点上的力产生的倾角叠加倾角合成后的倾角 计算值 允许值 x 0.00001 -0.00001 0 00.0006y 0.00005-0.000050 x 0.0000970.00004 0.0001370.000150.001 y 0.000049 0.00002 0.000069 x -0.00003 -0.00002 -0.000060.0000650.0006 y -0.000015 -0.00001 -0.000025 x 00.0000370.0000370.000040.001 y 00.0000190.000019注：表5-2中的计算值由公式 计算合成计算结果表明，轴刚度满足要求。5.2 轴承寿命校核1、主轴采用中窄系列圆锥滚子轴承，对于圆锥滚子轴承来说，K=5m，S=5m 一般能够满足要求。2、传动轴对花键轴上的轴承进行校核轴上：3559N，0轴承型号：6407Cr由文献表2.5-1差得Cr=43.8kN，=3轴承寿命：=23016.5满足使用要求，经验算其他两组深沟球轴承也满足使用要求。 第6章 结构设计及说明6.1 结构设计的内容、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。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。6.2 展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。轴上装的摩擦离合器和变速齿轮。有两种布置方案，一是将两级变速齿轮和离合器做成一体。齿轮的直径受到离合器内径的约束，齿根圆的直径必须大于离合器的外径，负责齿轮无法加工。这样轴的间距加大。另一种布置方案是离合器的左右部分分别装在同轴线的轴上，左边部分接通，得到一级反向转动，右边接通得到三级反向转动。这种齿轮尺寸小但轴向尺寸大。我们采用第一种方案，通过空心轴中的拉杆操纵离合器的结构。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。结论1.本次课程设计是针对机械系统设计专业基础课程基础知一次综合性应用设计，设计过程中应用了基础学科机械制图、机械原理、工程力学、机械工程材料 以及机械设计课程中的相关知识。 2.本次课程设计充分应用了以前所学的知识，并应用这些知识来分析和解决实际问题，进一步巩固和深化了以前的所学的专业基础知识， 同时也是对机械系统设计学习的一个深入认识和理解的过程。 3.本次课程设计进一步掌握了一般设计的设计思路和设计切入点，过程中培养了正确的设计思想和分析解决实际问题的本领，同时对机械部件的传动设计和动力计算也提高了应用各种资料和实际动手的能力。 4.本次课程设计进一步规范了制图要求，学会应用标准，规范，和查阅相关资料的本领，掌握了机械设计的基本技能。参考文献金属切削机床设计.戴曙主编.大连理工大学.北京.机械工业出版社.1991 机械系统设计.段铁群主编.哈尔滨.科学出版社. 机械设计第四版.邱宣怀等主编.北京.高等教育出版社.2002 金属切削机床设计戴曙主编.大连工学院.工业出版社机械设计手册 2.零件设计上、下册.机床设计手册编写组. 北京.机械工业出版社.1980 金属切削机床设计课程设计指导书.刘易新主编.哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社.机械设计课程设计.哈尔滨理工大学零件教研室. 致谢在本次课程设计过程中，采取分组合作方式，让我深刻的体会到的团队的力量和重要性，在此感谢指导老师王仲文和丁艳艳老师的帮助，让我顺利的完成了次课程设计任务，让我对系统设计的流程有了更加深刻的体会，通过本次设计让我重新将所学到的知识进行了组合，让这些知识真正的变成了工具，尤其是在这种小组模式当中