毕业设计（论文）-拉扭组合试验机及拉伸试验.doc

拉扭组合试验机及拉伸试验Tension tprsion test machine and tensile test 作者姓名： 专业名称：机械工程及自动化指导教师：学位类别：答辩日期：2015年6月13日 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 学士学位论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日摘 要材料试验机是一种对金属、非金属，零部件机构件的强度、刚度、弹性、塑性、韧性和延展性等性能在拉压弯扭等工况下，可以测试出其具体数值的基本测试设备1。可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。然而，材料试验机发展至今，对于试验机夹头，经历从手动夹紧到液压夹紧，夹紧力不断提升，结构不断改进，自动化水平逐渐提高。但是既能实现拉伸实验，又能进行扭转实验的组合式的试验机的研究还不是很多。这篇文章我们先是简要阐明了试验机的名词解释、种类介绍以及中国外国的比较有名的试验机制造厂的产品。而后列出了材料试验机上的两类负荷的加力方式、传递动力的形式等，并对两者的长处与短处进行对比和取舍。再是文章的核心部分，对于拉扭组合试验机的重要的工作零部件的选择、设计，同时还要有校核阶段，以验证设计得是否合理。蜗轮蜗杆、带传动、滚珠丝杠传动共同组建了拉扭试验机的传动系。经过校核检验的设计都在许用范围内。本文的最后则是对于此试验机作了一些总结与展望。关键词 试验机；蜗轮蜗杆；齿形带；滚珠丝杆；全套图纸加扣 3012250582ABSTRACTMaterial testing machine is a basic testing device by stretching, compressing, bending, twisting, etc. to detect the strength, stiffness, elasticity, ductility, toughness, ductility of metal materials, non-metallic materials, parts, components., such as materials tension, compression, bending, shear, reversing, impact, fatigue, creep, lasting and relaxation, wear, hardness tests. However, so far as material testing machine develops, for the testing machine chuck, from manual to hydraulic clamping, clamping force continues improving,the structure improves,too. Detection of high-precision, high sensitivity, smooth motion, easily operated test machine is the main development direction presently.This paper first summarizes the test machines basic definition, classification, and some important domestic and foreign manufacturers results. The second part, discussing about the experiences of the four projects as well as advantages and disadvantages of these projects are analyzed and compared . In comparison with each other decide the first option. The third part is the experiment, the major part of the mechanical drive design and the process of checking them. The main drive system of the test machine includes the worm, toothed belts, ball screw three components. After checking all the design had complied with the request. In the end concisely introduce the meeting and what had learned in the graduate design experiences. Keywords: Test Machine, Worm Gear & Worm，Toothed Belts，Ball Scre2目录第1章 概述11.1课题的提出11.1.1课题产生的背景11.1.2 课题的意义11.2国内外实验机研究的回顾、现状及发展趋势21.2.1国内外试验机发展及其趋势21.2.1试验机种类的介绍51.3课题的重点和难点：7第2章 万能材料试验机方案选择102.1加载方式的选择102.1.1液压式102.1.2机械式102.2传动方式10第3章 动力设计与验算163.1滚珠丝杠副的运动动力设计计算163.1.1 静态负载条件173.1.2丝杠寿命计算173.1.3丝杠强度计算183.1.4丝杠的稳定性193.1.5丝杠的刚度193.1.6丝杠的传动效率功率213.1.7滚珠丝杠几何参数213.2电机的选择223.2.1步进电机的选择223.2.2导步电动机选择233.2.3电动机的参数233.3各轴功率，转速，转矩的计算243.4各级传动的设计计算243.4.1带传动设计计算243.4.2蜗轮蜗杆减速器的计算263.5 支撑滚珠丝杠的轴承的选择及验算293.6动静横梁变形的验算313.6.1动横梁变形的验算313.6.2静横梁变形的验算323.7离合器的选择计算34第4章 轴类零件工艺分析36第5章 总结38参考文献394第1章 概述1.1课题的提出1.1.1课题产生的背景在工业化飞速发展的过程里，随着新材料、新产品、新工艺的层出不穷。要用一定的工作装置和检测材料的手段，来对材料的力学特性，制造出的商品的构造特性进行专门的分析，所以材料试验机就这样出现了1。制造业作为一个国家民生的占大比重的经济产业，如果想要获得更理想的机械特性、工艺特性以及高强度的结构，更进一步的使得制造出的商品合格率更高。则应该去做更为精准的抗拉强度、抗压强度和抗弯曲、抗扭转强度的验证，从而获得未知的材料在多种恶劣工况中的参数值。1.1.2 课题的意义材料展现的多种多样的力学特性会因为负载的不一样而有变化，像是强度、硬度、塑性、韧性以及疲劳等特征。在零部件的设计、材料选定和制造工艺的估计过程中要参照材料的力学特征。在外载荷加载的情况下，材料会有弹性、塑性以及断裂变形等阶段，这也就说明了对于材料的力学特性的探索在工程测试领域有很好的实践意义2。拉力试验机是对材料做拉伸动作来检验金属材料、非金属材料、零部件、构件的强度、刚度、弹性、塑性、韧性、延展性等的基本检测装置，拉力试验机所检测的实验参数，对以后进行实际的设计与验证商品的安全性有很好的参照根据 3。对于没有经过拉伸扭转试验的材料，不进在商品制造中会浪费过多的材料，有可能还会有重大的安全隐患。拉力试验机广泛应用于航空、机械、交通、运输、建筑、冶金、化工、轻纺、能源开发、新型材料、医疗卫生以及国防科技、大专院校等国民经济的各个领域和部门4，一个国家的基础工业和装置设备的好坏，对拉力试验机能否快速、准确的测量以及能否进行先进的控制具有决定性因素，另外作为一种精准的测量装置，拉力试验机在推动材料科学加速进步，在工业产品和机械构造的设计合理性，在商品特性的提升和花费减少，在一个国家制造业水平提升等方面有着举足轻重的地位 5。一般，材料试验机的定义是检测材料机械特征的装置或器具。不过，有些国家对试验机的定义更为宽泛，检测物理特性或者化学特征的装置也被包含在内。在基础制造业发展较为完善的其它国家，在试验机的探索与制造方面都关注得较多。究其原因，材料是作为制造商品的基础原料，材料性能的好坏，直接对产品与研发工作造成不可避免的困难。但其实相较于制造业和研发设计，材料试验机对于各种汽车、工程机械和各种商品设计的合理性以及工作的安全性方面都有保障。这是由于根据材料试验机检测出的材料的各项特性，可以对产品的合理设计与运转安全性进行检验。不然，要么会浪费原料，要么会有较大的安全隐患。这些材料的许多特性，都要靠材料试验机的测定来完成。通常要对各式各样的材料或者零部件，甚至是机体来做测验，来使得商品满足质量的要求，这在装备制造业，尤其是要求严格的军事产品上，是很有必要的。在很多产品需要热处理的元件中，规定要严格的做硬度特性的测试。例如：应用在轧钢机中的辊子，机械主轴或者车辆连杆。在科学技术繁荣发展的进程中，冶金行业的制造遇到了非常多的困难。对于现代科技的探索，经常会用到一些在恶劣环境中，如高温、低温、高压、高速等运转的材料，这也导致了新型材料与合金材料的诞生。钢铁厂制造出的型钢，都会应用材料试验机进行测试。很明显的，如果没有材料试验机，很多设计、研发与制造都是不能完成的。对于以上所阐明的，可以充分地验证材料试验机的好坏会制约着航空、冶金、机械建筑及造船等行业，并且会对设计合理性、结构简化、材料利用、工艺改善、产品质量以及成本控制等因素产生深远的影响。另一方面，因为材料试验机在高温领域、低温领域、真空领域、液压等技术方面都会产生作用，而且材料试验机由许多检测、标记与显示装置组成，因此材料试验机发展的好坏，通常会与其他学科的发展息息相关。1.2国内外实验机研究的回顾、现状及发展趋势1.2.1国内外试验机发展及其趋势第一台拉伸试验机诞生于200年前的西欧，采用的机械杠杆，砝码加荷原理制成，用以测定钢铁和其他金属材料的抗拉强度试验6。而在材料科学与力学的繁衍过程中，材料试验机作为能够检测多种材料机械、工艺以及结构上的特性的装置。第二次世界大战之后，伴随着科技的急剧进步，发达国家在材料试验机的产品和研究上有了相当大的变化。同时又因为工业化的脚步继续前进，新型材料的发现及产生，使得对于新材料进行分析检测的装置以及测试的手段的探索迫在眉睫。因此才有了材料试验机的出现，世界上首台材料试验机是1792年在法国生产出来的。到十八世纪中叶，材料试验机逐渐地有了较大的改进，例如在加载机构中采用了刀口结构等。十九世纪初，液压技术的进步促进了液压材料试验机的研究与应用。第一台液压材料试验机于1827年制成，采用杠杆原理测量载荷。在上个世纪五十年代，出现了电子式材料试验机，它是试验机历史上的一次革命，得益于方兴未艾的电子技术大量应用于材料试验机的控制、测量和记录系统中，使材料试验机的整体性能得到很大提高。随着机械设计的进步和微电子伺服控制技术的应用，现代静态试验机已经把拉、压、弯、剪等集合于一身，称之为电子万能试验机，它通过变换夹具、附件和改变试验机运行参数就能自动完成材料试验，并将试验结果以数据打印和曲线描绘的方式输出，电子万能试验机已经成为世界上目前应用最广、最普遍的机种之一，基本取代了传统的老式机械拉力试验机、压力试验机和专用的弯曲试验机。拉伸试验机主要由机械部分，数据采集部分，伺服驱动部分，数据处理部分等组成。随着科技的发展，拉伸试验机经历了机械式拉力试验机，电液伺服拉力试验机，到今天的微机控制拉力试验机主要的三个阶段。国外拉力试验机经过一百多年的发展沉淀，在拉力试验机的控制、测量和记录系统中，广泛采用了电子技术、计算机技术，使拉力试验机的整体性能得到很大提高。比较有代表性的是德国申克（Schenck）公司、MFL公司、沃尔伯特（Wolpert）公司和美国的MTS公司、奥尔森（Olsen）公司、英斯特朗（Instron）公司、茨维克（Zwick）公司和日本的岛津公司、东京横机公司、东洋精机公司以及松泽公司等等。目前国际上公认的电子万能材料试验机有美国的INSTRON、美国的MTS和日本的岛津7。这些国际知名厂家都开发了诸多系列的材料试验机，电子万能材料试验机是应用最广的一种，这些试验机基本上可划分为立柱式（单立柱、双立柱）、台式、卧式等，并依据加载负荷的大小来分档使之成为一个能满足不同需求的系列产品，这些产品基本上代表这材料试验机领域的先进水平,其中较具代表性的产品为INSTRON公司生产的电子万能材料试验机和美国MTS电子万能材料试验机,在这些系列的试验机的技术指标中，负荷精度能达到指示值的0.5(或每级量程的士0.25%)，横梁速度控精度达 0.1%9。国内拉力试验机的研究发展也有50多年的历史，我国比较有代表性的有以济南试金试验机为基础的山东地区，以长春试验机研究所为代表的东北地区，是国内试验机的两大发展基地。结合的国外的先进技术，和国内健全的生产设施。以及建国之初大环境的支持，目前国内拉力也已到达先进水平。我国有代表性的公司的产品是长春试验机研究所开发的CSS-220系列电控试验机，该产品技术指标已达到上世纪八十年代末国际先进水平，居国内领先地位9。此外还有广州试验仪器厂WD系列，长春市第二试验机厂三思公司CMT5000系列等等。2012年10月28日，我国第一台1500KN电子式试验机在长春机械科学研究院研制成功。该系列试验机创造了国内电子式试验设备的最大试验力记录，打破了国外企业在大吨位电子式试验设备方面的垄断局面，为我国尖端制造业发展提供了技术保证，代表了我国当前在电子式试验设备方面的较高技术水平10。但是由于我国在开发技术水平、元器件品质、工艺设备手段等多方面的条件制约，致使我国的拉力试验机水平同发达国家相比还有比较大的差距3。近几年以来，国内在试验机方面研究的厂家也很多，涌现了诸如深圳新三思公司和济南试金集团等生产多种类型的成套试验设备的生产商，国产电子万能试验机的典型代表如图 1-1 所示。图1-1、国产材料试验机与国际产品相比，国产品牌凭借其相对低廉的价格和售后服务的优势，产品的认可度在不断的提高但是，国产试验机与国外试验机在精度和可靠性方面还存在一定差距，尤其是与国外高端试验机产品方面仍有较大的差距。客观来说，国内试验机行业还处在一个仿制为主和创新研发为辅的阶段，鉴于试验机行业不可限量的市场前景和在整个国家工业体系中的特殊地位，国产试验机还是大有可为的。现代电子万能材料试验机的发展趋势体现在以下几个方面：( 1 ) 高精度 试验机对载荷、加载速率、状态控制精度要求越来越高；对如载荷传感器等各种传感器的精度、灵敏度、稳定性等要求也越来越高。( 2 ) 智能化 实时的数据测量与记录，便捷的试验结果显示和打印输出，借助如工业 CT 技术、PDA 等更前沿的检测手段和仪器，使试验机的操作和应用更简便自如。( 3 ) 模块化、组合式 万能试验机上带有各种自动控制和自动测量装置,大都采用组件形式，可以随意增加以扩大试验机的使用范围和功用。( 4 ) 通用性、专门化 通用性质的试验机功能会更强大，各种原理相通功能近似的试验机会相会整合和趋同，同时满足最大多数的需求是其发展方向；与此相对，试验机的专门化也是一个很重要的趋势，有些应用场合在精度、试验条件、功能、专业化方面都有别于一般的试验机，这就对试验机的专门化提出了要求；更专业、更高端的试验机在一些诸如国防、新材料研究等领域的需求也是很急迫的。( 5 ) 现场化 传统试验机的常规应用方式是在实验室条件来测试试样的性能。但这种检测方式并不能完全反映常常作为一个构件使用的材料的某些性能。为了弥补这种先天的缺憾，很多试验机会采用诸多手段来模拟现场以实现在线测试和试验，目前很多这方面的技术还处于探索和研究阶段，离真正实现现场测试还有很大的距离。1.2.1试验机种类的介绍试验机是用来进行材料力学性能指标测定的设备，在各类材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都需要应用试验机来进行力学性能测试。而其中在静态万能材料试验机上的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验尤为广泛11。我国静态万能试验机为数众多，遍布于全国各地，大部分不具备电测能力，以手动调整进、回油阀的方式运行，试验手段落后，有劳动量大和测试结果不准确等缺点。若对其指示、记录系统及控制系统进行适当的技术改造，则可以充分地发挥设备的潜能，大大提高其技术性能及使用价值，更好地为材料研究、质量控制和实验教学服务。 本系统将先进的虚拟仪器技术、传感技术、测试技术和控制技术相结合并应用于静态试验机，来实现力学性能参数的自动检测，其中试验数据的实时采集、自动处理分析和试验中的加载速率控制是本系统研究的重点。 本系统在充分掌握大量试验机的动态信息的基础上，采用虚拟仪器技术，进行了静态万能材料试验机数控化系统的硬件搭建及软件设计。下面对各种试验机作简单介绍：1液压万能材料试验机传统的材料试验机是液压式的, 这种材料试验机存在一些不足之处。它通过油泵向油缸输油加压, 由流量调节阀控制流量。油泵和测力油缸的液压系统容易发生故障, 不但影响试验机的运行和试验质量, 而且增加了维修工作量; 它的液压夹具的钳口座比较笨重, 容易损坏; 采用摆锤测力计测量试验力,摆锤的惯性大, 对载荷的测量精度低, 且量程范围小。2电子万能试验机电子材料试验机的特点是能够实现应力、应变、位移的闭环控制; 试验中无须选择量程, 可实行全过程自动控制; 装卸夹具和附件方便; 软件包功能强大, 用户通过PC 可直接存储数据、计算并输入测试结果和打印试验报告。计算机控制整个试验过程, 保证了试验的质量。电子万能试验机是先进的机械技术与现代的电子技术相结合的产物，是充分发挥了机、电技术各自特长而设计成的大型精密测试仪器，它具有高科技特点，其设计方法是模块化的。采用集散技术，有效地利用了微机功能对各种附件和功能单元进行组合管理、控制、实现多种功能试验。材料试验机测试装置包括机身、横梁及其支撑部件、钳口和引伸计等。其中机身、横梁及支撑装置只需满足强度、刚度和稳定性要求即可, 而引伸计和试验钳口则是试验机的关键测量装置和部件。电子材料试验机由计算机控制系统进行自动控制。首先, 通过计算机可完成试验阶段的设置。对于金属材料的常规拉伸试验, 通常划分为三个阶段, 即弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。在三个试验阶段设置中, 均要选择速率控制类型和最大存储频率等主要参数值。同时, 计算机可实现测量数据的存储, 并由计算软件对试验数据进行处理, 给出检测结果,最后, 完成试验报告的打印。3扩大试验机试验吨位的机械增力装置该装置属于材料试验设备，能在一定的试验条件下解决小吨位高频拉压试验机不能进行大吨位试验的问题。它利用弹性内封闭力系的原理，通过改变装置系统内部的约束尺寸来实现增力，运用实验应力分析技术通过电阻、电桥、应变仪、指示器、光标及“动态静标法”来实现检测。该装置能确保原试验机的各项性能指标及使用寿命，能达到“以小改大、一机多用”的目的，具有结构紧凑、工艺简单、测试精确、使用方便等优点。4机械式带传动万能材料试验机 基于主机架采用门式结构，使得造型匀称美观大方结构简单、成本低。尤其配以滚珠丝杠与同步齿型带的传动系统，使得整机运行平稳，响应快、噪声低、效率高。对测量系统，微机可以对其进行自动调零，自动标定、自动换档，从而保证了测量系统的稳定可靠性，并大大地提高了工作效率。通过对传统材料试验机的分析, 发现其不足主要表现在以下几个方面:(1) 无法保证角度及位移测量的精度。现代位移测量系统普遍采用光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测量系统, 利用增量测量方法来确定位、置和材料延伸率, 精度达到011m, 速度可达16m / s ; 传统试验机多通过游标卡尺人工测量, 无法满足这一要求。(2) 数据人工生成。采用人工读取的形式获得数据, 数据无法即时汇总和分析。(3) 速度调节为机械的有级调速, 速度控制为开环控制, 不能构建转速闭环。(4) 不能测量材料的屈服强度s、弹性模量E、硬化指数n和塑性应变比r等参数。事实上, 多功能材料试验机、万能材料试验机等, 其实验原理与当前主流的计算机控制材料试验机并没有实质性的变化, 其被控对象都比较相似, 对控制效果的要求也相似。计算机控制材料试验机主要是在控制系统上引入了CAT (Computer Aided Test, 计算机辅助测试) , 具有液压伺服或者交直流电机伺服驱动、高精度的位移传感器、数据采集与控制装置等。1.3课题的重点和难点：然而，正如其名称所述一样，拉力试验机还是有一定的局限性，因其只能对试样受拉力的力学性能进行试验分析，却不能对材料的受压、弯曲及扭转等力学性能进行测定。因此万能试验机应运而生，然而，称其为万能试验机，真实情况下却不是万能的。现在市场上出现的万能试验机大多数只是对于拉伸试验、压缩试验以及弯曲试验可以在同一台试验机上实现。而对于扭转试验，需要专门的扭转试验机来进行。所以从严格意义上来说，还没有一台试验机可以称得上是真正的万能试验机。所以本设计希望能够设计出一种拉扭组合试验机，这种试验机既能实现拉伸、压缩试验，又能实现扭转试验。方案的确定，传动系统设计、计算:材料试验机( 泛指压力试验机、拉力试验机及万能试验机等试验机) 广泛地用于建筑、建材、公路桥梁、机械加工,检测、质检等行业或机构；在这些行业或机构中, 材料试验机一般均是用来对材料或产品的机械性能进行检测,通过检测所得到的数据来判定所购买的或生产的产品的质量,通过优化组合进而达到对生产质量的过程控制；另一方面,许多质检机构或检测公司都是以材料试验机试验所得到的数据来进行质量判别和质量监督的。因此如何正确地使用材料试验机, 如何正确地评定材料试验机的检定结果,特别是如何正确地评定测量结果中示值误差的不确定度就显得特别重要。材料试验机示值误差不确定度最主要的来源是标准测力仪、检测时数据的不重复性、指示装置的分辨率等三项,而温度波动、温度修正系数、温度计读数误差等三项相比而言属于高阶无穷小,可以忽略不计。另外,在确定不确定度来源时本文没有考虑示值进程误差和零点相对误差所带来的影响,一方面因为材料试验机主要是使用进程示值,因此考虑此误差意义不大,另一方面零点相对误差主要是衡量回零点的情况,而回零点的好坏情况间接地包含在了重复性误差中,因此若再考虑零点相对误差就会在不确定度来源上导致重复。对于材料试验机要关注以下一些性能参数：1 承载能力与尺寸这些指标对选择万能材料试验机至关重要。承载能力的选定，要根据所测试的材料被拉断所需的最大力来决定。对尺寸来说，要求测试时存在可用的足够空间，包括横向与纵向的空间都应该合适。一些材料，试验时延伸得较长，所以试验机垂直的尺寸必须有足够的长度，以满足材料延伸的需要。另外还应考虑特殊的夹具，固定装置和环境箱所占据的空间。2 横梁的刚性这个指标往往被过高的要求了。只有在使用十字头运动作为引伸计或进行挠性测试时横梁的刚度才会显得极为重要。用于评价横梁刚度的因素很多，可以总结为以下几条：丝杠直径，圆螺母的匹配，丝杠轴承的匹配等。一些低刚度的机械制造商提供标准设备，数据采集和程序直接测试应变和挠度的机器。实际上，如果承载横梁用作挠度测试时，这个方法可以用来校正测试结果。3 驱动系统的指标这些指标是重要的，它用以保证系统是否按有关国际标准来进行试验。4 满载的最大速度5 电控系统6 数据记录速度和带宽7 测力系统系统必须精确并要求重复性好，精确度在0.5%-0.01%范围内。0.25%的读数重复性要求95%符合，在同一系统中自标定的载荷码要比其他载荷码方便。8 应变测量系统对于一台试验机的评价首先是仔细地评价机器在特定要求下的特性和指标。在不同应用方面要求也会有所不同。一台万能材料试验机最重要的是应该符合应用需要和标准要求，对一些特别的和华而不实的指标将不可避免地使价格升高。下面介绍该万能材料试验机的运行原理：万能材料试验机的工作原理：利用力源对串联同轴安装的标准传感器和被检试件施加载荷，从而测定试件的各方面力学性能。显然作为承载和测力元件的传感器受到的负荷是弹性力，而传感器和被检试件，加载系统都可分别看作弹性元件，因此可简化为一弹性系统。力源施加装置由粗加载和精密加载有机部分组成。粗加载系统是采用普通机械或液压传动方式产生位移对测力系统施加负荷的装置，精密加载则由压电陶瓷力发生装置完成。压电陶瓷力发生装置是根据物理学中的逆压电效应原理，运用压电陶瓷材料，使用专门的工艺方法制作成的施力装置，作为力值精密调节器，压电陶瓷力发生装置与标准传感器和被测试件一起串联安装于测力系统中，当试验机工作时，在施加粗负荷后，通过特殊研制的控制装置控制施加于压电陶瓷力发生装置上的电场强度，改变它产生的微小变形量，从而达到精密调节力值的目的。控制装置运用微型计算机和微电子控制技术，以标准测力仪的输出作为反馈信号，实现对施加负荷和力值稳定调节的闭环控制和工作过程自动化。万能材料试验机共由五部分组成，即主机，压电陶瓷力发生装置，控制器和工作仪表以及数据处理系统。其中主机包括机架（机器的结构主体），驱动机构（用以实现粗加载的传动系统），控制器，工作仪表。第2章 万能材料试验机方案选择2.1加载方式的选择材料试验机通常有两种典型的载荷加力方式：液压式加载与机械式加载。两者各自都有利弊。2.1.1液压式对于液压加载式的材料试验机其优点是手动加载比较容易，产生较大的加载力比较方面，可以实现平衡加载，在加载速度方面调控很便捷。而它的缺点表现在很难去实现试验机的自动控制，对于有些场合需要小距离微调不容易做到。并且采用液压加载的方式，液压油的泄漏问题不能忽视，这会对周围环境造成环境。2.1.2机械式对于机械加载式的材料试验机，它具有的优点可以实现对材料试验机的自动控制。并且由于没有液压油等介质，所以对与环境是没有污染的。但是机械加载式的材料试验机的缺点通常是对于较大的负载加载力很难达到，一般情况下的机械加载式的材料试验机最大的加载力在1000kN左右。终上所述，对上面两种负载加力方式的优缺点的比较，由于本设计的规格为50kN，因此应用机械加载方式比较合理。2.2传动方式 对于材料试验机，其传递动力的形式有多种，主要有单丝杠形式、双丝杠形式以及多丝杠形式等。单丝杠式由于只有一侧有丝杠的缘故，在加载力时，力的作用点容易偏离试件中心，不能很好的确保检测的精确度；但是多丝杠形式的构造又过于繁琐。所以应用双丝杠传动方式，结构相对简单，同时又能够确保试件检测对于精确度的要求。本文针对材料试验机上所使用的两种传递动力方式进行的对比。直线式传动方案（图2-1）和U型传动方案（图2-2），其对比结果如下表2-1。图2-1直线式传动方案对于直线式传动方案，其最突出的优点为加载机构的输入直接连接减速机构的输出，这么做的原因是能够使试验机的整体传动系相对简洁、紧凑，动力传递平稳，精确度高，各轴传递的转矩小。不过它也有缺点，这种结构，试验机的夹具是悬置在传动系的一侧，这回影响到加载时的稳定度以及精确度，而且直线式传动方案的传动系轴向的距离较远，在立式的材料试验机上会带来试件的夹持以及试验机本身结构带来一定影响。图2-2 U型传动方案U型传动方案中将最后以及减速装置改为同步带，考虑带传动的柔性化以及可以改变传动的方位，U 型传动方案也很好的满足了测量要求。结合上述两种传动方式的优缺点，最后还是确定选用U 型传动方案。表 2-1 传动方案对比方案优点缺点直线式传动结构简单传动稳定压头偏置受力不好跨度太大布局空难外观不够美观U型传动结构对称受力情况好组合方便便于扩展整体布局美观大方结构较复杂对部分加工件要求高系统的稳定性有所下降本文所设计的材料试验机的传动方式为丝杠螺母的螺旋传动、蜗轮蜗杆传动以及同步带传动。而对于带传动则要关注带的张紧装置，这里是对一个张紧轮的位置关系的变化来满足张紧的。对于其它的传动系，因为受试验机外形约束，我们用电机张紧方式来满足。螺旋传动包括蜗轮蜗杆以及滚珠丝杠螺母。由于蜗轮蜗杆传动的自锁性，安装的时候一定要确保其旋转方向不能反了。滚珠丝杠副则利用垫片消隙的方法来达到预紧目的，在安装的过程中还要调节预紧力，使得滚珠丝杠的工作顺滑。图2-3 双电机传动设计方案假设在考虑成本较低的设计方法，我们可以尝试两个电机来驱动，一个是异步电机，另一个是伺服步进电机。它的工作原理如图2-3所示。假设对与材料测试的精确度有严格的要求，应用一个电机来驱动比较合理，对于采取两个电机驱动的方案，它的花费虽然比较少，不过相对于一个电机的方案，两个电机的方案繁琐，并且不能保证较高的精确度。一个电机的方案使用的是伺服电机，它具有构造简单、精确度好的优点。图2-4 单电机传动设计方案这里我们应用的丝杠是滚珠螺母副丝杠，它有自锁特性，但是自锁的方式多种多样，在这里我们是采取蜗轮蜗杆来实现材料试验机的自锁功能的。在材料试验机的设计与研制的过程中，还要关注试验机的结构大小和合理的安装空间的限制，并且还要考虑长途运输的因素。对于材料试验机中螺纹连接的部分，防松问题也是需要考虑的，在冲击，振动或变载荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能减小或瞬间消失，经过长时间的循环作用后，螺纹连接也许会出现松动或者松脱的现象。所以做一些放松的保障还是有必要的。本试验机中采用的防松措施为：双螺母防松与加防松垫片。图2-5 工作示意图(1)图2-6 工作示意图(2)本试验机使用的润滑方式为脂润滑。所以在材料试验机长时间工作一段时间后，根据试验机的磨损，涂抹上适量的润滑脂，从而使得机构在一个良性的环境下工作。而对机构能否良好运转有决定性因素的就是轴承的预紧力大小。如果预紧力太小，机构则会愿意发生振动现象，从而使得零部件失效。如果预紧力太大，就会出现机构难以平顺地转动。本试验机中多采用了焊接连接方式。因此，焊接的方法，质量就直接影响试验机的整机性能和寿命。第3章 动力设计与验算3.1滚珠丝杠副的运动动力设计计算从第二章论述可知，本材料试验机应用的是双螺母结构来消除轴向间隙，从而调节预紧力。这也可以使得试验机的传动系有较高的定位精确度，也可以保证重复定位产生的精确度，同时对于轴向刚度问题也会有所保障。预紧力一般为最大轴向载荷的1/3。采取加垫片的方式来进行预紧。抗疲劳的特性是制约滚珠丝杠承载力大小的决定因素，所以要通过寿命以及选取额定的动载荷，并且进行校验，来得到它的基本参数。之后便应该验证其能否大于额定静载荷，验证材料的强度、刚度以及稳定度。滚珠丝杠副的循环方式为内循环，采用垫片来消除间隙并进行预紧。预紧参数：双圆弧：接触角比值滚道圆弧偏心距丝杠参数：公称直径50mm 导程旋向：右旋 精度等级：三级 钢球直径：圈数：jk列数=1x3 承载能力系数N N滚珠螺旋传动由于精度要求较高，比较复杂，因此普通的厂商生产的产品不能满足要求。转速很低时可仅按额定静载荷确定或校核其尺寸。3.1.1 静态负载条件公式里：载荷系数 查机械设计手册表6.2-11，=，取=1.2静载荷硬度影响系数 查机械设计手册表6.2-14，=1.0 丝杠载荷加20%余量 计算= 即丝杠满足静载荷条件。3.1.2丝杠寿命计算公式里：工作寿命 查表6.2-10，寿命系数 =载荷系数 查表，= 动载荷硬度影响系数 查表，短行程系数 查表，转速系数 n-工作转速（） ，加载时，则计算 即丝杠寿命符合条件。3.1.3丝杠强度计算丝杠转矩：（）公式里： 当量摩角 =，取 丝杠公称直径 丝杠螺旋角 计算（） 采用预紧，因此预紧产生的转矩也要计算，预紧力为最大轴向力的1/3，则丝杠合转矩当量应力公式里： 丝杠螺纹底径 计算 查机械设计手册表，根据强度条件，即丝杠满足强度条件。3.1.4丝杠的稳定性柔度计算公式里： 长度系数 查表， 丝杠最大工作长度 临界载荷计算时， 弹性模量 丝杠的危险截面面积 计算 稳定的合格条件丝杠符合稳定性条件。3.1.5丝杠的刚度轴向载荷产生的轴向变形量: 丝杠的计算长度，指F和T作用处到固定支撑端的距离， 丝杠材料弹性模量， 丝杠的计算截面面积，直径 计算转矩T产生的轴向变形: 丝杠的螺纹导程， 丝杠材料的切变模量， 计算=轴向载荷F使钢球与螺纹滚道间产生的轴向变形量:（有预紧） 钢球直径， 工作台螺母中的钢球数， 载荷分布不均匀系数，取 预紧力（N），取 计算支撑滚珠丝杠的轴承的轴轴向变形:圆锥滚子轴承的轴向变形量为： 轴承接触角， 轴承轴向载荷 轴承滚去体数， 轴承有效长度，计算有预紧情况下轴向变形为接触变形的1/2，即总的轴向变形:，丝杠刚度符合条件。3.1.6丝杠的传动效率功率由转动变为移动: 见图，丝杠的驱动功率:3.1.7滚珠丝杠几何参数公称直径 导 程螺 旋 角 珠直径循环列数圈数 额定静载荷滚珠丝杠螺纹外径 滚珠丝杠累纹底径滚珠丝杠轴颈直径由结构确定滚珠丝杠螺纹长度由结构确定滚珠螺母螺纹底径，滚珠螺母螺纹内径滚珠螺母外径具体螺母确定每圈中的钢球数工作螺母中的钢球总数滚珠丝杠设计中应该注意的一些问题：1）受力合理为了保证定位精度，除考虑丝杠刚度外，还应在结构布杠上尽可能使用圆螺母和丝杠同样受拉或受压，以使两者轴向变形方向一致减少螺母与丝杠之间的导程式变形量之差。此外，滚珠螺旋传动应尽量避免随径向载荷，以免使丝杠弯曲，若丝杠上有齿轮等产生径向载荷的元件，则应使其尽可能靠近丝杠的径向轴承处。另外，要尽量减少丝杠，螺母所受的倾覆力矩，力求部件移动阻力的合力通过丝杠轴线。由于本试验机采用双丝杠，其阻力通过两丝杠中心线，这要靠定位安装及加工的尺寸精度。2）防止逆转滚珠丝杠传动反行程不能自锁，为了使用权螺旋传动受轴向中力后不发生逆转，在此试验机中采用了轮蜗杆的传动比，这种传动比的蜗轮蜗杆可以起到自锁作用。3）安全装置本试验机是采用垂直安装的滚珠丝杠传动，容易发生螺母从丝杠螺纹上脱出而造成事故，因此，在设计时采用限位挡块以保证安全运行。4）密封与润滑为防止尘埃和污物进入螺纹滚道，妨碍钢球运转的流畅性并且加速钢球与滚道的磨损，设计中必须考虑防护设施与密封。此试验机根据结构特点采用防尘罩密封。由于转速较慢，采用高压的高粘度润滑剂进行脂润滑。3.2电机的选择3.2.1步进电机的选择初取各级传动比带传动蜗轮蜗杆传动带传动总传动比总的传动效率公式里： 丝杠传动效率 各轴承传动效率 同步弧齿带传动效率 自锁蜗轮蜗杆传动效率 离合器传动效率 步进电机3.2.2导步电动机选择由于变速范围为丝杠最大转速成导步电动机转速3.2.3电动机的参数步进电机型号电压频率转速输入电流110TD-1220V50Hz60r/min0.6A输入功率转矩外形尺寸110W2.92Nm导步电机型号额定功率额定电流额定转速效率Y2-631-20.18kW0.53A2720r/min65%功率因数最大转矩外形尺寸极数电压0.802.2Nm2380V3.3各轴功率，转速，转矩的计算工进时，丝杠的转速，功率，二轴转速二轴功率二轴转矩同理可得其它轴上的转速，转矩和功率：一轴（电动机轴）： 3.4各级传动的设计计算3.4.1带传动设计计算同步带传动利用带与带轮上齿之间的啮合进行传动。由于带的抗拉强度高，受载后变形小，能保持齿的节距不变，所以传动比较准确，传动平稳，速度高，噪声小，且无需润滑清洁，维护简单。适用速度范围宽，传动比可到10，功率由几十瓦到几百千瓦，结构紧凑，效率可达98%99%，张紧力和