机械传动综合实验台传动系统结构设计

黄河科技学院毕业设计（论文） 第36页1绪论1.1 机械传动综合试验台的发展现状及趋势机械制造业是现代工业的主体，是装备工业的支柱产业。在工业化中期，国民经济增长主要依赖制造业的高速增长，机械制造业对整个工业的发展起到基础和支撑作用。机械工业是国家工业现代化的基础和经济实力的集中表现，也是实现军事现代化和保障国家安全的基础。因此，尽管当今世界上发达国家向以服务业为重心的工业化社会和知识经济方向发展，但仍然高度重视机械工业的发展，其主导产业和战略产业地位依然牢固，美国、日本、德国拥有世界上最发达的机械工业，包括这三大国在内的许多发达国家都积极采取对策，重塑机械工业以迎接世界新一轮的产业结构调整和更加激烈的竞争。当今世界机械工业的发展呈现全球化、集群化、信息化、服务化、产品高技术化的趋势。一是全球化战略已成为机械工业跨国公司抢占世界市场的首选战略，跨国公司为克服全球性生产能力过剩和产品生产成本不断上升的困难，加快了机械工业结构调整的步伐，纷纷将重心转向国外，掀起了新的兼并浪潮，规模越来越大，规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强1。二是集群化趋势不断增强，同种产业或相关产业的制造企业在同一区域有机地集聚，通过不断创新而赢得竞争优势，具有特色的中小企业发挥着重要作用。三是机械工业正向信息化方向迈进，新趋势主要表现为柔性制造系统、计算机集成制造系统的开发与推广应用，并向制造智能化方向发展，特别是网络技术的应用，进一步加速了机械工业全球化的进程，并正在改变机械工业的生产和流通方式。四是服务个性化，为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要求，先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代管理技术等信息，并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。五是产品高技术化，先进的机械工业是高新技术的重要组成部分，是促进相关产业技术升级和发展的重要依托，随着信息技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果的应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含量已成为市场竞争取胜的关键。在机械系统中，工作机一般都要靠原动机供给一定形式的能量才能工作。但是把原动机和工作机直接连接的情况很少，通常需要在二者之间加入传递动力或改变运动状态的传动方式。机械传动系统是应用最为普遍的传动装置及机器中的重要部件之一，随着科学的发展、技术的进步,机械传动系统的传动方式、方法、承载能力都有了迅速的发展，人们对产品性能和产品质量提出了更高更严格的要求。为了对机械传动系统的性能、寿命进行测试和分析,为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，缩短产品的开发周期和提高产品质量，适应产品小批量、多品种的发展趋势。1.2 国内外对传动实验台研究的差距国外较早地开始了这方面的研究，如美国Gleason公司在五十年代就设计出了用轮系作为加载系统的传动实验台的方案。比较著名的还有美国国家航空航天局(NASA)下属的Lewis研究中心、前苏联中央机械制造与设计研究院、美国通用动力公司、德国RENK公司、日本明电舍动力公司、日本丰田汽车公司、美国伊利诺斯大学机械工程系、法国Skoda公司等。从试验台方案的设计到最终的样品制造他们都进行了大量的研究工作，形成了系列化的设计模式。与国外相比，国内对于传动实验台的研究起步相对较晚。研究工作始于八十年代初期。国内较早从事这方面研究工作的主要单位有重庆大学、郑州机械研究所、长春汽车研究所、西安重型机械研究所、西安理工大学、合肥工业大学、四川工业学院、西安减速机厂、西安公路交通大学等单位。他们先后建立起了各种形式的传动试验台，这些试验台的建立从理论上和实践上都取得了很大的进步，积累了丰富的经验，代表着我国机械传动试验设备的发展水平。因此 ,对机械传动系统多功能试验台的研究具有特别重要的意义。1.3 现代机械传动实验台的发展方向现代的机械传动实验台正朝着电封闭功率流式的方向深入发展。采用电封闭功率流的试验台易于控制，易于设计制造，各组成部分之间逐渐模块化、单元化，以便于使用和维护。在其组成上，原动机采用电动机，负载装置采用发电机。由于直流电动机具有易于控制、运行平稳和机械特性硬等优点，因此在电封闭试验台中处于主导地位，作为负载的发电机也多采用直流发电机，直流发电机发出的电能可以直接回馈给电动机，不需要逆变环节。这样就可以大大地简化试验台的组成，降低系统的复杂程度。在控制系统上，早期建立的试验台没有专门的控制系统，仅靠机构组合及传动零件间的啮合作用来实现特定的加载功能。随着加载技术的不断发展，逐渐开始采用继电器控制来完成简单的控制操作。现代传动试验台已经广泛地应用电子技术和现代控制理论来实现试验过程的自动控制，如电动机的启动、转速调节、力矩调节以及试验过程的自动监测、保护等功能。在数据测量系统上，大多采用计算机自动测量技术来实现数据的自动采集，如湘仪动力测试仪器厂生产的以Z80计算机为核心的JXW-l型机械效率仪，其它还有用Apple计算机、单板机、单片机为核心的数据采集系统。1.4 课题研究的内容机械传动试验台是对常见的传动部件和装置如:链传动、带传动、减速器、变速箱等进行综合性能测试的试验设备。通过试验来检验传动装置设计的合理性，加工、制造、装配和调试的工艺性。对试验结果的深入分析将有助于了解和评定传动部件和装置的综合机械性能同时也为工程设计人员提供实践的参考资料和设计依据。随着机械工业向着高速比、大功率、低噪声等方向飞速发展，人们对于机器传动系统的性能提出了更高的要求，因此，本文对于传动试验台的深入研究将具有重要的实际应用意义。机械传动是利用机械方式传递动力和运动的传动。机械传动在机械工程中应用非常广泛,有多种形式，主要可分为两类：一是靠机件间的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动和摩擦轮传动等。摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比。二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一般要求较高的制造精度和安装精度。由于机械传动在其结构和运动形式上的复杂性和多样性，使得学生在理解和掌握机械传动部分的内容时非常困难。机械传动件的性能是工程界十分重视的一个问题,它直接影响产品成本及能源消耗,每个设计师都希望自己设计的机器是一台高效率,噪声低,振动小,温升低的机械。但是,由于机器结构等因素的影响,实际机器很难达到理想的计算效率及其它设计参数,其原因是计算值是在理想状态下(包括轴承预紧润滑受力及加工精度)给出的。实际机器效率受加工精度和装配精度及使用条件等因素影响将低于计算效率。这就需要测量实际机器的效率值和与其相关的参数,给传动装置的选择及改进设计提供数据。随着机械传动实验台的不断更新和改进，现在用于教学的实验台大多都是多功能实验台，即一个实验台上有多种机械传动的方式，这样可以减少实验台的数量，使学生对机械传动各种不同的传动方式有了解，也可以让学生了解传动之间的连接，为以后复杂的机械系统的设计打下基础。为了让学生对机械传动有更实质上的了解，许多针对机械传动的实验台被应用于教学当中。目前，国内先后有多所大学建立了各自的传动试验台。机械传动试验台是用来对传动装置进行综合性能测试的实验平台，利用它可以模拟出被试传动装置的工作环境，评估和验证其综合性能。本文就是设计一个机械传动综合实验台的传动系统。设计的重点是利用在传动系统的输入和输出两端加转矩转速传感器，利用该转速转矩传感器测量出机械传动系统的输入和输出的功率，转矩，转速以及效率等动力参数。设计的实验台要求机械传动性能综合测试实验台的方便性、实用性，同时也保证了实验教学功能和科研辅助功能。能快速组装多种组合机械传动,测试各种传动的速比、转矩、效率，可恒定加载、恒转速、恒转矩，同步适时或连续采样，能自由进行数据采集处理、工况控制与实验结果自动输出。2 总体设计方案拟定2.1 实验台设计要求2.1.1 实验台特点本实验装置为模块化结构，由四大模块组成，分别为： 动力源模块（电动机部分）； 传动装置模块（减速器及其他传动部件组成传动系统）； 加载模块（磁粉加载器、控制箱）； 测试模块（转矩转速传感器，扭矩测试卡，转矩、转速、效率等测试软件）。本实验台基本组成见图2.1。驱动装置qoi测量装置被试装置测量装置加载装置图2.1 试验台的基本组成从图2.1可以看出，实验动力由驱动装置发出，经测量装置、被试装置传递到加载装置。测量装置用来测量出动力传递过程中的一些基本机械参量，主要有转速、扭矩、功率、效率等。通常用作驱动装置的有发动机、电动机等;用作测量装置的为转速转矩传感器;用作加载装置的有齿轮箱、发电机、液压缸、磁粉制动器、电涡流测功机等。机械传动实验台从工作原理上可以分为开放功率流式实验台和封闭功率流式实验台。下面分别对它们的组成及特点作简要介绍。1) 开放功率流式开放功率流式实验台组成原理如图2.2所示原动机传感器被试装置传感器负载装置测量装置测控台图 2.2 开放功率流式原理实验台的输入功率由原动机提供，经过被试装置传递至负载装置。负载装置采用纯粹的耗能部件，如磁粉制动器、电涡流测功机等，传递到负载装置的功率被负载装置完全消耗掉，同时给被试装置施加了载荷。由于整个实验台的功率流向未形成回路，故称其为开放功率流式。开放式功率流式实验台的主要优点是:结构简单、制造安装方便、加载稳定可靠、能够方便地进行不同功率和各种形式的被试装置的测试实验，但是，由于功率流开放使得动力消耗大，造成能量的巨大浪费，实验费用较高，这类实验大多用于中小功率、非长期运转的实验。2)封闭功率流式封闭功率流式实验台的组成原理如图2.3。该种类型的实验台在结构上与开放功率流式相似，不同之处在于负载装置具有功率回收功能。从原动机发出的功率可以部分地反馈回原动机，既达到了加载的目的，又实现了节能。封闭功率流式实验台除了具有开放功率流式的优点外，还具有节能的优点，节能效果可达50%左右，因而它适用于较大功率的被试装置进行长期的运转实验。原动机传感器被试装置传感器负载装置测量装置控制台能量控制图 2.3 封闭功率流式原理实验台的负载装置是用来对被试装置进行加载的，是实验台重要的组成部分。加载方式的不同对于实验台的性能有着重要的影响。常见的机械传动实验台的加载方式主要有机械加载、液压加载、电力加载。在传动试验台发展的初期阶段，大多采用机械加载方式。常见的机械式加载装置主要有摇摆齿轮箱、轮系、弹性扭力杆等。机械式加载具有较大的力矩放大能力，适用于大功率和大扭矩的场合。其缺点是结构复杂，加载装置中的受力零件易被磨损而引起功率的损失，易产生振动和噪声，且在加载器的设计与制造时对于零件的材料和热处理有较高的要求，制造成本高。随着生产的不断发展，机械加载方式已逐渐被其它的加载方式所取代。液压加载方式是指采用液压泵、旋转液压伺服器等作为负载装置。液压加载可以实现较大的加载功率，利用液压加载控制系统可以在加载过程中改变载荷。液压加载的缺点就是加载过程中载荷是脉动性的，液压缸油路系统的泄漏也易造成加载不平稳，而且由于液体会被压缩，因而在小功率条件下的试验结果不准确。目前，试验台采用液压加载方式的单位有:西安重型机械研究所、广西汽车拖拉机研究所、山东科技大学等单位。电力加载的方式是指利用电涡流测功机、磁粉制动器、发电机等作为负载装置。电力加载具有运行平稳、易于控制、加载精度高等优点，特别是利用发电机作为加载装置，可以将机械能转化为电能并回馈给原动机，实现了能量的回收。目前电力加载的方式得到了广泛采用，国内采用电力加载方式的单位有:重庆大学、郑州机械研究所、吉林工业大学合肥业大学、西安理大学等单位。另外，机械传动试验台的传动系的布置方案有垂直和平行两种。平行传动是指对于整个传动系来说，输入轴和输出轴是平行布置的。平行机械传动方案如图2.4所示。图2.4 平行轴式机械传动而垂直轴式机械传动指传动系统的输入轴和输出轴是垂直布置的图2.5和图2.6是垂直机械传动方案的简图。图2.5 垂直轴式机械传动图2.6 垂直轴式机械传动综合上面介绍的实验台的各个组成模块的优缺点，本次设计选用如图2.7的机械传动综合实验台方案。图上简要给出了实验台的结构示意图，其中传动部分可以根据需要选择不同的传动方式进行组合，共同组装成传动系统。图2.7中所示的带传动和链传动只是示意图，设计时可根据需要进行选择别的传动方式。 图2.7 传动实验台的组成示意图1-磁粉加载器 2-传感器 3-链传动(带传动) 4-输出减速器 5-带传动6-输入传感器 7-电动机 8-计算机及测试软件 9-加载器控制 2.1.2 实验台的实验原理机械传动系统性能分析一般通过观察传动系统工作情况和分析机械性能参数曲线来得到。要观察系统传动是否平稳、有否噪声。要分析系统的传动比、效率在转速不变的情况下，随转矩变化的曲线，转速可在高速、中速范围内取几个恒定的值进行测量；传动比、效率在转矩不变的情况下，随转速变化的曲线，转矩可在大负荷、中负荷范围内取几个恒定的值进行测量。通过对某种机械传动装置和传动方案性能参数曲线的测试、来分析比较机械传动的性能特点。实验台通过转矩转速传感器、测试卡和工控机可以自动测试转速n（r/min）、转矩M(N.m)2。利用实验台配套的测试软件可采集转速、转矩、功率、传动比和效率数据。从图2.1可以看出，从电机发出的转矩和功率等动力可以通过组成部分5来实现动力的传递，而组成部分5输出的动力经过组成部分3传递给磁粉加载器1。在电机输出端接转矩转速传感器，这样可以测试通过传感器测试出所需的转矩，转速等参数。这些参数也是整个传动系统的输入参数。而传动系统的输出端也接入一个转矩转速传感器，这样可以测试出传动系的输出转矩和转速等参数。实验台可替代传统的单一试验台进行有关类型机械传动的基本实验。如，V带传动实验、同步带传动实验、摆线针轮传动实验和进行多级组合传动系统布置优化实验。如：链齿轮及齿轮链组合实验；链蜗轮蜗杆及蜗轮蜗杆链组合实验；链摆线针轮及摆线针轮链组合实验等组机械传动方案测试搭接实验；可作为辅助测试平台，在允许范围内对各种新型齿轮减速器、变速轴承减速器的测试。另外，功率、传动比和效率数据是根据传感器测量数据通过如下关系计算得到。功率：N=Mn / 9550 传动比： i=n1/ n2效率：=N1/N2式中：下标1、2分别表示传动系统中的各个传动方式的主动端和从动端。2.1.3 实验台组成每台实验台可提供设备及零部件如下：1）电动机 1台 2) 转矩转速传感器 2台数据线 4根/台测试卡 2块/台3) 减速器 圆柱齿轮减速机 1台 摆线针轮减速器 1台 蜗轮减速器 1台4) 同步带传动： 同步带4根、同步带轮2个5) V带传动： 带轮4个、V带8根6) 链传动 链轮4个、链条2根7) 磁粉制动器 1台8) 制动器控制箱 1台9) 联轴器若干 10) 组合测试全套软件 1套11) 配套工具（扳手、拉马等） 1套12) 电柜 1台2.1.4 实验方案列举1) 圆柱齿轮减速机传动2) 蜗轮减速机传动3) 同步带传动4) V带传动5) 链传动（用于转速较低状态）6) 圆柱齿轮减速机同步带传动组合7) 圆柱齿轮减速机链传动组合8) 圆柱齿轮减速机V带传动组合9) 摆线针轮减速器同步带传动组合10) 摆线针轮减速器链传动组合11) 摆线针轮减速器V带传动组合12) 链圆柱齿轮减速机传动组合（用于输入转速较低状态）13) 同步带圆柱齿轮减速机传动组合14) V带圆柱齿轮减速机传动组合15) 链摆线针轮减速器传动组合（用于输入转速较低状态）16) 同步带摆线针轮减速器传动组合17) V带摆线针轮减速器传动组合18) 同步带链传动组合19) 同步带V带传动组合20) 链同步带传动组合（用于输入转速较低状态）21) 链V带传动组合（用于输入转速较低状态）22) V带同步带传动组合23) V带链传动组合24) 蜗轮减速机同步带传动组合25) 蜗轮减速机链传动组合26) 蜗轮减速机V带传动组合27) 同步带蜗轮减速机传动组合28) V带蜗轮减速机传动组合2.1.5 整个实验台的总布置设计通过上面介绍的实验台的组成示意图可以确定总布置的方案，动力从电机输出，然后经过转矩转速传感器，再经过传动系统，传动系统输出端接一个转矩转速传感器，由于上面介绍的机械传动的方案有很多种，本次毕业设计主要选择其中的一种，即圆柱齿轮传动带传动的组合机械传动方式。为了能让该实验台实现多功能，即，可以实现除了设计用的圆柱齿轮传动带传动这种组合方式意外，还可以实现上面介绍的其他的组合方式，比如链齿轮组合等。在设计过程中，整个试验台的各个组成部分不是固定安装在底座上，每个组成部分是安装在各自的一个小底座上，这些小底座可以在整个试验台的大底座上沿着滑道滑动，这样就可以实验多功能话。比如：对于本次毕业设计采用的第一级带传动中，可以通过滑道调整两个带轮之间的中心距，这样就可以将带轮换成需要的别的传动方式，比如链传动，齿轮传动等3。 2.2 机械传动系统设计2.2.1 已知条件设计参数：传动系的输入扭矩为300Nm工作条件：载荷冲击小2.2.2 机械传动系统方案设计初选电动机 计算总传动比，确定传动级数 确定传动组成方案 分配各级传动比 画出传动系统简图。1、电动机的选择本次毕业设计，传动系的输入扭矩为300Nm，而且本次设计所用的电机是用于做实验台用的，所以根据需要，选择Y3（IP55）系列中的250M型号的电机，该电机的参数为：功率：p30kw转速：n750r/min根据转速，功率和扭矩的关系，可以计算出电机的输出扭矩为：其中T1扭矩，单位为Nm；P 功率，单位为kw；n1 电机的转速由于从电机输出的功率至传动系统还要经过联轴器，转矩转速传感器。功率经过这些结构时会有功率的损失。假设经过每个结构的效率假定为90。则本次设计的机械传动综合试验台的传动系统的输入扭矩为：T=T10.90.9=3820.90.9=309.42(Nm)由于上面设计计算所用的电机的功率用的是额定功率，电机工作时所发出的实际功率与该额定功率有一定的差额，所以实际上传至传动系统的输入扭矩与本次设计要求的300kw没有冲突。而且本次设计的试验台的目的是用传感器测量传动系统输入和输出的扭矩，功率，转速等参数，所以实际输入至传动系统的功率和扭矩等参数可以由传感器测量，所以本次选择的Y3(IP55)系列中的250M型号的电机符合设计要求。2、总传动比和传动级数的设计与计算（1）总传动比的设计因为输入传动系统的参数为：p=30kw, n=750r/min又本次毕业设计的传动系统综合试验台中传动系统的输出扭矩要求不太高，为了使传动系的输出扭矩小点，传动系的输出转速就要求高一点，设定传动系统的输出转速为1666r/min。所以，整个试验台传动系统的总传动比为：（2） 传动比的分配可以根据前面所列举的实验方案以及分析各种传动的优缺点来选择本次毕业设计所用的传动系统的结构。链传动虽然具有传动效率高，结构较为紧凑。但是，由于链传动一般用于高温，转速较低的情况，而且在两根平行轴间只能用于同向回转的传动，运转时不能保持恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿4-5。工作时有噪声，不宜在载荷变化大和急速反向的传动中。带传动虽然结构大，需张紧，而且传动比不固定，效率较低，但是带传动结构简单，具有良好的挠性，具有过载打滑保护作用，可实现的中心距较大。所以传动系中减速器以外的传动方式选用带传动。对于减速器，齿轮传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定等优点6。而蜗轮传动比大，结构也紧凑，冲击载荷小，传动平稳，噪声低，具有自锁性。但是蜗杆传动由于摩擦与磨损严重，通常都用有色金属制造蜗轮7。这样制造的成本就很高。所以减速器选用齿轮传动的减速器。所以综合可以选用圆柱齿轮减速机V带传动组合。根据各种传动系统的传动比的要求，可以选定第一级带传动的传动比为0.5，第一级带传动后面接减速器，选定减速器的传动比选为0.45，从减速器出来的带传动传动比选为2。2.2.3 机械传动系统的带传动设计计算1、第一级带传动设计计算1) 初始条件 传动功率P1为：24.3（KW） 主动轴转速n1为：750（r/min） 从动轴转速n2为：1500（r/min） 传动比i：0.52) 确定计算功率Pca：查得工作情况系数KA1.11Pca=KA=1.1124.3=26.97(Kw)3) 选定带型和基准直径 由表选择带型为SPA型 取小带轮基准直径dd2140mm 所以大带轮基准直径dd1=dd2/i=140/0.5=2809(mm)4) 验算带的速度所以带的速度合适。5) 确定窄V带的基准长度和传动中心距根据0.7（dd1dd2）a02（dd1dd2）初步确定中心距a0300mm计算带所需的基准长度取带的基准长度Ld1120mm计算实际中心距a：6) 验证主动轮上的包角1所以主动轮上的包角合适。7) 计算窄v带的根数z由n21500r/min，dd2140mm，查表得：另外，查得KL=0.87, K=0.91取z4根8) 计算预紧力F0 查得q0.12kg/m，得F0=376N9) 计算作用在周上的压轴力FP2、第二级带传动的设计计算1) 初始条件 传动功率P1为：21.87（KW） 主动轴转速n3为：3333（r/min） 从动轴转速n4为：1666（r/min） 传动比i：22) 确定计算功率Pca：查得工作情况系数KA13) 选定带型和基准直径由表选择带型为SPA型11取小带轮基准直径dd3150mm所以大带轮基准直径 dd4=dd3i=1502=300(mm)4) 验算带的速度所以带的速度合适。5) 确定窄V带的基准长度和传动中心距根据0.7（dd1dd2）a02（dd1dd2）初步确定中心距a0350mm计算带所需的基准长度取带的基准长度Ld1400mm计算实际中心距a：6) 验证主动轮上的包角1所以主动轮上的包角合适。7) 计算窄v带的根数z由n33333r/min，dd3150mm，查表得：另外，查得KL=1.13,K=0.96512取z2根8) 计算预紧力F0适当的初拉力是保证带传动正常工作的重要因素之一。初拉力小，则摩擦力小，易出现打滑。反之，初拉力过大，会使V带的拉应力增加而降低寿命，并使轴和轴承的压力增大。对于非自动张紧的带传动，由于带的松驰作用，过高的初拉力也不易保持1415。为了保证所需的传递功率，又不出现打滑，并考虑离心力的不利影响时，单根V带适当的初拉力为 查得q0.12kg/m，得9)计算作用在周上的压轴力FP确定作用在轴上的压力Fp，传动带的紧边拉力和松边拉力对轴产生压力，它等于紧边和松边拉力的向量和。但一般多用初拉力F0近似地用下式求得2.2.4 减速器的设计与计算1、齿轮的设计计算输入功率P30kw，大齿轮转速n21500r/min，小齿轮转速n13333r/min, 齿数比u2.22.设工作寿命15年（设每年工作300天，每天工作8小时）(1)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。2）通用减速器为一般工作机器，查表选用7级精度。3）材料选择。小齿轮均选择40Cr（调质）硬度280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度240HBS。两者相差40HBS。4）选小齿轮齿数Z126，大齿轮数Z2Z1u262.2257.72，取Z257。按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 式中d1t小齿轮分度圆直径； Kt载荷系数； T1小齿轮传递的转矩； d齿宽系数； ZE材料的弹性影响系数； H接触疲劳强度极限确定公式内各计算数值(2 )计算齿轮传递的转矩T195.5105P/n1=95.510530/3333=8.60104(Nmm)13；支承相对齿轮作堆成分布，选取齿宽系数d1；大小齿轮均为锻钢材料，选取材料的弹性影响系数ZE189.8MPa1/2；按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1600MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2550MPa；计算应力循环次数N160n1jLh6033331（830015）7.20109N27.20109/2.223.24109式中 j齿轮每转一圈时，同一齿面啮合次数； Lh工作寿命 查表得接触疲劳寿命系数KHN10.90；KHN20.95191)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S1，按许用应力公式得计算试算小齿轮分度圆直径的d1t，代入H中较小值2）计算圆周速度3)计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h模数 mt=d1t/z164.41/26=2.47(mm)齿高 h2.25mt2.252.475.57(mm) b/h64.41/5.5711.56计算载荷系数根据V11.23m/s，7级精度，查表得动载荷系数Kv1.1817；直齿轮，假设KAFt/b100N/mm查表得KH=KF=1.2；KA1；查表得7级精度、小齿轮相对支承对称分布时，将数据代入得；由 b/h11.56，KH=1.31，查表得KF=1.30；故载荷系数K= KAKvKHKH=11.181.21.311.85按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得计算模数mm=d1/z1=72.5/26=2.79(mm)按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式： （2）式中 齿形系数； 应力校正系数； 弯曲疲劳强度极限。确定公式内计算数值小齿轮的弯曲疲劳极限 FE1500MPa； 大齿轮的弯曲疲劳强度极限FE2380MPa；查表得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.4，得4）计算载荷系数KK= KAKvKFKF=11.181.21.301.84查表得齿形系数YF12.60；YF22.31。查表得应力校正系数YS11.595；YS11.715计算大、小齿轮的YFYS/ F,并加以比较大齿轮数值大。设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.98并就圆整为标准值m2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径72.51mm，算出小齿轮齿数大齿轮齿数 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。几何尺寸计算计算分度圆直径 d1=z1m=292.5=72.5(mm) d2=z2m=642.5=160(mm)计算中心距计算齿轮宽度 取B272.5mm，B1=77.5mm验算，合适2、轴的设计计算(1) 输入轴的设计计算 1) 先按轴的设计公式初步估算轴的最小直径。选用轴的材料为45 钢，调质处理16。轴的最小直径应该满足下式： n轴承转速，r/min; P载荷，kW； d轴径,mmA0查表取112功率p=30KW; 输入轴转速n1=1500r/min d130.4mm 又因为有键，所以各轴最小直径应该增加5%左右，所以：输入轴d130.4（1+5%）=31.9(mm ) 2) 轴的强度校核计算T1=9550P/n2=955030/1500=191(Nm)圆周力Ft=2T1/d1=2191103/72.5=5269(N)径向力Fr=Fttg20=52690.364=19189(N)受力图如下： Fr B Ft D C 48 48 水平面：支座反力图： Ft5269NFHB2634.5N FHB2634.5N弯矩图： 最大弯距 即 2634.548mm126456(Nmm)垂直图： Fr=1918N FVB =959N FVB =959N 最大弯距 即 9594846032(Nmm)合成弯距： 扭矩图：T2=191000Nmm当量弯矩取0.3，为不变载荷截面C的强度为：轴的强度安全(2) 输出轴的设计计算 输出轴与输入轴同样的设计步骤。先按轴的设计公式初步估算轴的最小直径。选用轴的材料为45 钢，调质处理。轴的最小直径应该满足下式： n轴承转速，r/min; P载荷，kw； d轴径,mmA0查表取112功率p=30KW; 输出轴转速n2=3333r/min将以上数据带入式中,最后得：d223.3mm又因为有键，所以各轴最小直径应该增加5%左右，所以：输出轴d223.3（1+5%）=24.5(mm)轴的校核方法同上，经校核轴的强度同样满足要求。3、键的设计计算输入轴与齿轮联结采用平键，采用键14X63 GB/T1096-2003首先根据轴直径d=45mm选用b=14,h=9,经计算得：k=0.4h=0.49=3.6,经查表的钢的许用挤压应力P=50MPa，在假定载荷在键的工作面上均匀分布，其动连接强度条件为： 即计算得l47.2mm 47.2+14=61.2(mm)故选用键长为63mm输出轴与齿轮联结采用平键，采用键12X GB/T1096-2003首先根据轴直径d=40mm选用b=10,h=8,经计算得：k=0.4h=0.4*8=3.2,经查表的钢的许用挤压应力P=50MPa，在假定载荷在键的工作面上均匀分布，其动连接强度条件为：即计算得l26.875mm 26.875+10=36.875(mm)故选用键长为40mm4 、轴承的设计计算第一个轴选用30207圆锥滚子轴承：已知扭矩T=191Nm，轴的半径为20mm，Fr = 2804N比值Fa / Fr e=0.37初步计算当量动载荷P根据P=fp(XFr+YF) 取fp=1.2,X=1,Y=0,则 P= fp(XFr+YF)=1.2(12804+0)= 3364(N)，轴承的寿命：合适第二个轴选用30208圆锥磙子轴承：已知扭矩T=86Nm，轴的半径为17.5mm，比值Fa / Fr e=0.37初步计算当量动载荷P根据P= fF(XFr+YF)取fF =1.2,X=1,Y=0,则 P= fF(XFr+YF)=1.2(14914.3+0)= 5897.2(N)，可验算轴承的寿命满足要求3 磁粉制动器选择1、描述磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。磁粉制动器具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点。是一种多用途、性能优越的自动控制元件。磁粉制动器广泛应用于各种机械中不同目的的制动、功率测试加载、放卷张力的控制等。磁粉制动器广泛用于缓冲起动、过载保护、调速、卷绕系统中收卷的张力控制等。2、特性激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小,其特性如图3.1中A图所示。负载特性 磁粉制动器的允许滑差功率,在散热条件一定时,是定值。其实际选用选型时，实用滑差功率需在允许滑差功率以内。使用转速高时，需降低力矩使用。其特性如图3.1中B图所示。(1) 控制功率小：磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，可以用很小的电功率控制很大的传递功率，很容易用电子线路和计算机控制，可以很方便地应用于各行各业中。 (2) 快速响应特性：磁粉制动器因其固有的结构特点确定了该种产品的无响应时间、转矩上升时间及转矩下降时间都极短，此特性决定了磁粉离合器、磁粉制动器可以应用于需频繁启停、换向的应用场合。特殊需要的可以经过进一步的优化机械(3) 部分和改进加载电源提高响应速度。以5kgm的磁粉制动器为例，其无响应时间为25ms，其转矩上升下降时间分别为270ms和350ms图3.1 磁粉制动器的特性曲线图3、外观图及参数图3.2 机座式磁粉制动器外形尺寸图表3.1磁粉制动器的技术参数型号技术参数额定转矩（N.m)激磁电流(A)允许滑差功率(KW)重量（kg)FZJ-1100.60.87FZJ-2200.8215FZJ-5500.8420FZJ-101001845FZJ-202001.61065FZJ-30300212120FZJ-505002.515200表3.2 磁粉制动器的外形尺寸型号外形尺寸dH1LL1L5L4HL2L3d1bFZJ-11210013570155180188241694FZJ-218120165781552002203030115FZJ-5221501601101852402703514116FZJ-10281653151001852743035541.5138FZJ-20351803411252683203356030.51310FZJ-304521034515030035038570231314FZJ-5060240534230340420495100531718可根据要求选择合适的型号。4 传感器的选择本次设计选用的是JSC4动态传感器其外观尺寸为图4.1 传感器的外形尺寸图本传感器为标准型传感器， 适用于所有旋转动力系统扭矩的测量1、产品的特点：1) 可测量非旋转扭矩及过渡过程的旋转扭矩。2) 测量正、反向扭矩时，不需调整零点。3) 信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强。4) 输入电源极性、幅值保护，输出转矩、转速信号保护。5) 扭矩信号的提取方式为应变电测技术。6) 扭矩测量精度与旋转速度、方向无关。7)可测量正反向扭矩、转速及功率。8) 输入、输出信号的传输为非接触的耦合方式。9) 体积小、重量轻、安装方便。10) 可靠性高、寿命长。2、技术参数：1) 测量范围：0.5Nm-5万Nm（分若干档）2) 非线性度：0.1%-0.3%（FS）3) 重 复 性：0.1%-0.2%（FS）4) 滞 后： 0.1%-0.2%（FS）5) 精 度：0.2%-0.5%（FS）6) 环境温度：-20-607) 过载能力：150% FS8) 频率响应：100 s9) 输出信号： 频率方波 (标准产品)，也可以为4-20毫安电流或电压信号零扭矩： 10 KHz 正向满量程： 15 KHz反向满量程： 5 KHz10) 输出电平：5V （可以根据客户的要求作出调整),负载电流10mA11）信号插座： (1)0. (2) +12V. (3) -12V. (4) 转速. (5) 扭矩信号. 12) 绝缘电阻：大于200M13) 相对湿度：90%RH3、外形主要尺寸表表4.1 传感器的尺寸表规格 (Nm)dj6 D ALL1HhEBCF最高转速r/minC型键 bL1m数量 1018 85 150224321235872626.51121000063261 2018 85 150224321235872626.51121000063261 3018 85 150224321235872626.51121000063261 5018 85 150224321235872626.51121000063261 10018 85 150224321235872626.51121000063261 20028 95 152242421336372626.51211000084071 30028 95 152242421336372626.51211000084071 50038 105 154272571446972626.513610000105682 70038 105 154272571446972626.513610000105682 根据课题要求输入端转矩可选择合适的型号注意输出端转矩一定小于输入端。4、传感器安装方法 1) 测量传感器的轴径和中心高，待装。2) 使用两组联轴器，将传感器安装在动力设备与负载之间。3) 分别调整动力设备、负载、传感器的中心高和同轴度，要求小于0.05mm，然后将其固定，并紧固可靠，不允许有松动。小量程或高转速传感器使用时，更要严格保证连接的中心高和同轴度。否则可能造成测量误差及传感器的损坏。4) 传感器可选用刚性或弹性联轴器连接。在震动较大、同轴度小于0.2mm大于0.05mm时，建议选用弹性联轴器，安装同轴度超过0.2mm时，严禁使用。5) 安装底台面应有一定强度，以保证安装的稳定性，避免造成过大的震动，否则可能造成测量数据不稳定，影响测量精度。6) 联轴器应紧靠传感器两端的轴肩安装。结论在设计期间，我完成了实验台的总部置设计以及整个传动系统的设计。设计过程中，针对整个实验台的性能要求对整个试验台进行布置设计，包括电机的选择，传动比的分配等。另外，还对传动系的带传动进行设计计算，对减速器中的齿轮，轴，键，轴承进行设计计算以及强度等的校核计算。最后用AutoCAD软件绘制了这个实验台和传动系统中