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机械毕业设计论文
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机械毕业设计814换向器性能测试台设计,机械毕业设计论文
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1 毕业设计说明书 题 目： 换向器性能测试台设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： XXXXX 姓 名： XXXXX 指导教师： XXXXX 完成日期： 2014-5-4 nts 2 nts 3 目录 第一章、 绪论 10 第二章、 关键零部件的设计与计算 13 1、轴的设计 13 2、联轴器的设计 14 3、轴端挡圈与销孔设计 16 4、轴支撑架的设计 16 5、测试仪探头固定架的设计 17 6、顶尖设计 18 7、轨道设计 20 第三章、 其他零部件的选取 20 1、电机的选取 20 2、耐压测试仪的选取 17 3、直流调速器的选取 25 4、轴承的选取 26 5、螺栓的选取 27 第四章、 校核 27 1、轴的校核 28 2、键的校核 31 3、螺栓的校核 32 总结 33 致谢 35 参考文献 37 附录 30 1、译文原文 38 2、译文 52 nts 4 换向器性能测试台设计 摘要 换向器性能测试台设计实现了换向器超速与耐压实验等多功能平台设计。换向器是组成电机必不可少的部件，也是电机能持续运行的保证。如果没有换向器，电机只能转不到半圈就卡死了。换向器在现代电机中扮演着举足轻重的角色，所以换向器的性能测试是人类科学发展的重要内容。工作平台外型美观，节省材料。可以先安装换向器器，手动顶尖固定转 轴，打开电源转轴即转动即可实现换向器超速实验；当选择表笔固定支撑移向换向器，打开耐压 测试仪，便可取得不同电压，实现其耐压实验，在耐压测试仪上读出其数据。 关键词 换向器 超速 耐压测试 轨道 顶尖 Commutator test bench design Summary： Commutator test bench designed to achieve a commutator speeding and other multi-platform design pressure experiments. Commutator motor is composed of essential components, but also to ensure continuity of operation of the motor. If there is no commutator, the motor can only turn less than a half circle on the card died. Commutator plays an important role in modern motor, so the commutator performance testing is an important part of human science. Working platform appearance, material savings. You can install the commutator, manual top fixed shaft, turn the power shaft that is rotating commutator speeding experiment can be realized; When choosing a fixed support toward the commutator pen, turn pressure tester, you can get a different voltage, achieve its pressure experiments, which reads the data on the pressure tester. nts 5 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 社会发展迅速，科技日新月异。 人类文明经过蛮长发展，科技在历史进程中起着至关重要的作用。不置可否，科学技术是第一生产力。十八、十九、二十世界以来，科学更是以全新面目展现在世界面前，因为科学，这个世界瞬息变迁。马克思在其名著资本论中高度强调了发展科学的重要性。现代化经济、国防及民用生活用品无不需要科学研究作为先驱，我们活在一个充满着活力的世界，我们也一刻不能离开科学产品。无论是今天人们津津乐道的 iphone，还是美国投在长崎、广岛的原子弹，尽管有着不同用途与巨大差别，其实都属于科学研究，都来源于科 学先驱的贡献。我们在享受这个文明时代到来的同时，也要心怀感恩，感谢那些孜孜不倦、贡献社会的先驱者。 受封建社会的影响，中国的现代科技时代貌似来得晚了些。中国从改革开放后，就积极引进国外先进技术与资金，迅速发展国民经济。不论西部大开发，还是深圳从一个小渔村变成现代经济聚焦的贸易大都市，科技力量在其中都扮演者重要角色。 当我们走出去，车水马龙，人来人往。交通工具是人们史无前例地提高了办事速度和效率，我们不再像以往一样寸步难行。然而各种设备中很多都用到了电机驱动，电机包括发电机和电动机，其原理刚好互补。各类水电站 中用到的都是发电机，其利用水的势能驱动电机，使之切割磁感线，达到势能转化为动能的目的。电机也分为很多种类，按交直流形势有交流电机和直流电机，按相角有三相电机、两相或单相电机等等分类。 直流电机的结构由定子和转子两部分组成，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。工作时转动的部分称为转子，其主要作用为产生电磁转矩和感应电动势。换向器是组成电机必不可少的部件，也是电机能持续运行的保证。如果没有换向器，电机转不到半圈就卡死了。换向器在现代电机中扮演着举足轻重的角色，所以换向器 的性能测试是人类科学发展的重要内容。 从十九世界以来，电机及其部件换向器一直在人类文明进程中发挥重大作用。随着工业化进程与国民经济的日益发展以及科学技术与工业的高发展，电机的应用已深入到交通运输、工业、航空航天、农业、办公自动化、医疗器械、国防现代化等领域之中，而换向器性能的鉴定与实验越来越成为换向器继续发展的nts 6 突破性因素。特别是自 20 世界以来，随着设计实验方法的改善，原材料性能和制造工艺水平的提高，利用计算机技术、微电子技术和电力电子技术等高科技领域发展相结合，换向器研究与换向器实验得到了更快更长足的发展， 不断满足国民经济中个行业每日剧增的多样化的需求。 1.2 课题意义 在使用过程中，原本生产的换向器不一定具备完好功能满足于我们的需求，因此我们需要对其性能进行评估。通常我们选择测试耐压性能和做超速实验，而换向器的性能实验工作台就成了必不可少的实验设备。其检测实验必不可少，也为换向器发展、电机发展和经济发展做出重要贡献。 现代信息技术的三大基础是信息的传输、采集和处理，即称为通信技术、传感技术和计算机处理技术。目前国内外关于换向器测试的技术一般都会用到这几种技术，有的公司为了检测换向器性能，自制简单粗糙换向器检 测机器，因此换向器性能检测工作台是一项有开发空间的项目，值得更多经济资金的投入。 国外很多公司在电子测量仪方面已经做到高可靠性、高精度、高分辨率的程度。例如如日本 IMADA 公司与德国的 MAHR 公司和 EPK 公司等等。这些发达国家的相关技术领域研究水平已远远超越于中国，其芯片技术、传感技术均有很先进的发展。 1.3 设计内容 本次换向器性能测试台设计主要完成换向器的超速实验和耐压性能实验的原理及机械部分。了解动力原件及传动机构，选择传感器及一些简单机械机构。 目标设计能自动完成换向器绝缘耐压性能测试实验和 超速实验。 换向器 原理是：当线圈通过电流之后，其就会在永久磁铁作用下，通过排斥和吸引力转动。当它转到与磁铁平衡时，以前通着电的线对着换向器上的触片就和电刷分离开，然而电刷接到符合产生推动力的线圈对应的触片之上，经过不停的重复，直流电动机就会转起来。 绝缘耐压测试的基本原理：把一些高于正常工作的电压加到被测设备的绝缘体上，经过持续一段规定的时间，如果它的绝缘性良好，上面的电压就只产生很小的漏电流。当一个被测设备绝缘体于规定的时间内，如果其漏电电流能保持在规定的范围之内，这个被测设备能在正常的运行条件下 安全运行就可以确定。 超速实验原理：检验电动设备在电动机超过额定转速一定范围时的运行状态而进行的实验。通常情况，超速试验是从小的转速 1500rpm作为开始， 1520秒之内以额定加速度加速到 2000rpm，维持 2 分钟；之后从 2000rpm 开始，以1000rpm为单位均匀加速，在 3000/min,4000r/min,5000r/min 时分别稳定 1 分钟；超过 5000rpm时，再以 500rpm作为单位，于 2025 内进行加速，再稳定半分钟，nts 7 最后试验转速按需要可为发动机额定转速的 2.5 倍。安全系数一般为 K=2.5。 本次设计实验台的针对换向器槽数 33 片；额定转速： 3000rpm；电压 030V；外形尺寸： 140*R50*r30（厚度 *外径 *内径）。 1、搜集资料，了解国内外现有换向器的发展及其性能检测仪的发展情况，分析各种仪器的优劣，找出可以改进的地方；并弄懂其一般的工作原理、工作特性； 2、总体方案设计，包括方案的提出与确定，方案的实现，必要的设计计算及校核； 3、学习软件制图，并完成说明书等。 nts 8 第 2 章 关键零部件的设计与计算 2.1 轴的计算 在超速实验中需要用到转轴承载换向 器转动，轴与电机链接，中间搭配联轴器。轴的材料选取 45 钢，正火处理，由 袖珍机械设计手册 表 10-2 得，当d 100mm 时， b=588， s=294， -1=238， -1=138，【 +1】 =196，【 0】=93，【 -1】 =54.轴的工作图如图一所示： 图一 转动轴 2.1.1 轴 L1 段的计算 L1 为轴插销处的尺寸，根据需要取 D1=20mm， L1=20mm。 2.1.2 换向器承载处轴 L2 的计算 因为考虑到换向器的上紧与拆下，换向器处选择间隙配合，基孔制配合；由于轴不能对换向器造成损害，同时在超速时也不能使换向器打滑，故选择一般精度等级 IT8,；又根据换向器的基本参数：槽 33 片， 额定转速 3000rpm，电压0-30v，外形尺寸 140*100*60（厚度 *外径 *内径），确定轴 L2 的基本尺寸为 60，根据机械精度设计与检测 P46 表 3-4 选择其上偏差为 es=0um，下偏差为ei=-10um。所以轴 L2的直径 D2=600001.0- . l2 长度可根据换向器厚度 140 得 l2=140mm。 2.1.3 轴段 3 处的计算 其直径可根据换向器外径 D=100 确定： D3=100，其长度亦可确定为 5mm，即 L3=5mm。 2.1.4 关于轴 5 段的计算 L4 可根据操作空间的需要定位 20mm，即 L4=20mm。 nts 9 D4 大小需要根据转矩计算，根据所选电机（见第四章 -其他零部件的选取）参数 P=0.035，转矩 T=54.88N.mm，由材料 45 钢查机械设计手册 A=125，因为轴为实心轴，所以 =0，换向器的起始速度为 3000rpm，根据 公式有 84.23000350-11125n-11d 334 PA为了安全起见和轴自身重量考虑，以及轴长期受弯矩等其他各方面因素综合考虑，取 d5=15mm。 L5 的长度根据电机安装尺寸确定为 58mm，即 L5=58mm. 2.1.5 关于轴 4 段部分尺寸确定 轴 4 为台阶轴，作用是和尖顶一起卡紧轴，方便加工。其尺寸可确定为D4=30mm， L4=20mm。 2.1.6 关于轴 6 段尺寸确定 可根据轴与电机轴的相连确定 D6=D5=15mm， L6=16mm. 为了减轻轴的重量，避免给轴造成巨大载荷，轴 2处采取去除多余材料的方法，将轴 2处每隔 20除去 100扇形材料，中心直径为 20 部分不去除材料。这样既能满 足设计需求，又能避免过多材料浪费和减少轴的负载。 2.1.7 轴上键槽的设计 根据 袖珍机械设计手册 P491 表 9-4的直径选取轴上键槽尺寸，选取普通平键，据手册可得轴上键槽尺寸为 轴的基本尺寸为： b=5 mm， h=5 mm， l=10 mm， t=3.0 1.00， r=0.4； 孔的基本尺寸为： t1=2 10.00 mm， b=5,r=0.25 mm. 再由 P496 表 9-9键和键槽尺寸公差表查得键与键槽尺寸公差，故有轴和键槽尺寸如下： 轴的尺寸： b=5003.0- mm,精度选择 h9； h=50075.0- mm,精度选择 h11； l=10 mm,精度选择 h14； r=0.4 mm。 键槽的尺寸为： 1.000.3 t， 1.001 2t， 012.0042.05b，取较紧配合，精度选取P9;l=10 3.00 mm，精度选取 H14. 2.2 联轴器的设计 设计中选取的 55SZ08 号电机的尺寸如下： b=2 005.0015.0- mm;d=7 mm;G=4.3 mm,其精度为 h11;L=12 mm.联轴器工作三维图如图二所示： nts 10 图二 联轴器 2.3 电机键的选择设计 根据 袖珍机械设计手册 491 页表 9-4 选择普通平键作为电机用键，再根据电机键槽的 尺寸确定其尺寸如下： b=2 mm，其精度等级为 h9; h=4 mm，其精度等级为 h11; L=12 mm,其精度等级为 h14; r=0.25 mm. 根据键的尺寸确定键槽公差后有键槽尺寸如下： t=2.5 1.00 mm; t1=1.5 1.00 mm; b=2 015.0- 051.0- mm,取较紧配合，配合精度等级为 P9; L=12 mm，配合精度等级为 H14; R=0.16 mmm; 2、 联轴器尺寸及配合设计 由于国标中很难找到符合此标准配合的联轴器，因此联轴器由自己设计加工，材料选取 45 钢，中间采取环形链接，采用六个螺纹的联接方式，其设计工作图如下所示： 根据图中所示计算各尺寸如下： d1=d6轴=15mm； d2=d机=7mm； nts 11 令 D1=25mm， D2=17mm； 孔 1 的深度 L1=L6轴=16mm； 孔 2 的深度 L2=L机=12mm。 为了轴与联轴器能稳定进行运转，选取间隙配合为轴与联轴器的配合，选用基轴制进行配合，查机械精度设计与检测选择孔 1 配合精度为9h9H，采用精铣加工，表面粗糙度为 Ra=1.6；因为电机轴的精度为 h11，故孔 2 的配合精度选择11h11H ，孔 2采用钻孔加工方法，取 Ra=3.2.根据多选取配合精度确定偏差得： 对于孔 1有： 轴的偏差： es=0mm,ei=0mm; 孔的偏差： ES=+0.10mm， EI=0mm. T1=TD +Td=0+0.01=0.01mm. 对于孔 2有： 轴的偏差： es=0， ei=0； 孔的偏差： ES=+0.080mm,EI=0mmm. T2=TD +Td=0+0.08=0.08mm。 3、螺栓的确定及载荷计算 根据前面计算有 l6=16mm， d6=15mm。选择六角头螺栓 A 级 M3 作为链接螺栓， L为 14mm， b=12， cmax=0.4， dsmax=3， dwmin=4.6， emin =6.07， k公称=2， smax=5.5. 在螺栓的固定中，我们于螺栓尾人为加工销孔如下图所示： 其直径为 d孔=1.2，螺栓采用预紧方法连接。 根据公式fzrTKF N0Kn为可靠系数， Kn=1.11.3,取 1.3； T为转矩 54.88W； f为结合面摩擦系数，依据机械设计手册表 7-3fc 得 f=0.40； z为螺栓数量 6； r为螺栓中心距离载荷中心长度， r1= =r6=15.5mm。 带入数据求得： F0=1.92N 2.4 轴端挡圈与销孔的设计 2.4.1 挡圈设计 为了讲换向器固定在转动轴上，防止加速过程换向器发生偏离或脱落，设nts 12 计轴端挡圈与销孔，用普通铁丝插入销孔使之固定。挡圈的半径可根据换向器外径大小得来，即 R=R外=100mm，挡圈厚度 b=5mm，为了避免加速过程中挡圈对换向器造成一定程度的微笑变形影响，所以挡圈与换向器接触面精度要求较高，挡圈选择七级精度，采用半精铣加工方式进行加工，表面粗糙度去 Ra=1.6； 其他面则无要求。 2.4.2 销孔设计 销孔用普通铁丝插入卡紧，对精度并无要求，取 R=5mm 即可。 4、轴支撑架的设计计算 支撑结构起到支撑转轴和链接轨道的作用，在整个结构中占有重要位置。选取材料为 45 钢，为了方便电机安装 ，整个材料设计为“ 7”字型，既可以支撑轴的转动，也可以方便电机的安装，亦可以节省材料，其工作图如下： 根据前面轴的计算与电机选择，整个孔分为两个部分，一部分与轴 5段接触，另一部分是联轴器处（与联轴器不接触），此处令与轴接触的孔为孔 1，其基本尺寸为轴 5 尺寸，联轴器处的孔为孔 2.轴支撑架工作三维图如下所示： 图三 轴支撑架 nts 13 1、 孔的计算 （ 1）孔 1 的计算 根据前面选取的配合，孔 1 的精度定为 6级精度，采用铰孔加工方式，基本尺寸为 D5=15mm, 配合选取为66gH， 根据机械精度设计与检测表 3-2有公差 T=11um， 再查表 3-5 选取轴的偏差，es=0， ei=-0.003mm，尺寸为 d=150003.0-，根据公差计算公式 T=TD +Td TD =0.008mm。 又根据机械精度设计选取 EI=0.006mm,TD =ES-EI ES=0.006+0.008=0.014 mm，孔 1的完整尺寸为 15 014.0006.0。表面粗糙度选 Ra=1.6.L=L5=58mm. (2)孔 2 的确定 孔 2 无需与轴进行结合，只需留出 联轴器空间即可，故可简单确定其直径为 40mm，长度为轴 6段长度即 16mm。对其表面质量无太大要求。 2、 轴支撑架的外部尺寸 根据电机安装尺寸 P=58mm,确定支撑架宽度 b=58mm， c=l6+l5=28mm，a=l5+l6+l7=58+12+16=86mm；根据设计需要定 h=158mm， h1=158-58=100mm。 支撑材料按对称设计，令下端角 =45， =135，其余尺寸分别是： e=20mm； f=10mm; g=10mm;i=30mm; m= 215 mm;j=15mm; n= 215 mm,k=15mm; u=28mm. 其中以 m、 j、 h、 n、 k为边的整个底面取 6 级精度，采用拉销加工，表面粗糙度 Ra取 1.6；支撑架的其余没确定精度的表面均取 10 级精度，采用半精铣加工，表面粗糙度取 Ra=6.3。 支撑架上端临轴 4 29mm 处设立油孔，直径为 4mm。 5、测试仪探头固定支撑架的设计 测试仪探头固定支 撑架的作用是，换向器进行绝缘耐压测试时，需要用两支探头接触换向器槽的两端，支撑架可以固定两支来自耐压测试仪的探头。支撑架分两部分加工，然后再把其进行结合，上端可以拆下，工作时便插入竖直孔，用边上销孔给固定。其工作图如图四： nts 14 图四 探头支撑架 根据换向器基本尺寸 140*100*60（厚度 *外径 *内径），即有换向器 R=50 换向器为 33槽， = 455.5233360， 两探头固定处中心距 O= 2Rsin =250 sin5.455 =9.5mm。根据所选耐压仪的两支探头直径为确定孔的直径为 8mm，孔的精度选为 8级精度，采用镗孔加工。探头固定孔如图五所示： nts 15 图五 探头固定孔 根据上述数据确定尺寸： a 为 30mm， b 为 16mm，厚度 c=10mm； 根据前面轴的支撑架尺寸确定，采用下面加 压方式可节省材料， h=129-50=79mm， C取 20mm， d3 为 12， q=25mm，加紧孔 d4 取 4mm； L=79-28=51mm； 手柄长度取 22； F、 j、 n、 k、 u、 、 等底端尺寸可以根据前面支撑架的底端尺寸得来，即有： F=10mm； i=30mm； j=15mm； n= 215 mm； k 30mm; u=28mm; =45 ; =135 . 支撑架下半部分厚度取 45mm，取前面对齐的方 式；其中以 m、 j、 h、 n、 k为边的整个底面取 6 级精度，采用拉销加工，表面粗糙度 Ra 取 1.6；支撑架的其余没确定精度的表面均取 10 级精度，采用半精铣加工，表面粗糙度取 Ra=6.3。 nts 16 6、顶尖的设计 设计顶尖的目的是在超速实验时不至于使转动轴滑落出来，属于实验固定部件。 顶尖由轴承、芯轴和外圆筒组成，在各种机床中均有见。本次设计的换向器工作台在进行超速实验时联轴器不能对轴进行轴向固定而设计。选取材料为 45钢。 顶尖顶角取 60，根据前面数据，为了使耐压仪器部分不与顶尖在同一直线上，图中 R定位 35mm， r 的大 小则根据轴承确定。顶尖芯轴图如图五所示： 图六 顶尖芯轴 据 袖珍机械设计手册 表 12-17，选择深沟 球轴承作为顶尖设计轴承，根据实际需求选取 d为 17 的轴承，其基本数据如下： 轴承尺寸 轴承尺寸 /mm 基本载荷/KN 极限转速 /r.min-1 轴承代号 原轴承代号 /mm d D B rminmin 动 静 脂润滑 油润滑 17 30 7 0.3 4.60 2.60 19000 24000 61903 1000903 由 R=35mm， r=d=17mm，设孔的截面尺寸为 3838，空长取 L=120mm，分别将芯轴按照图中标示为 L1、 L2、 L3、 L4，其中 L4 为顶尖对应尺寸， L2 为台阶nts 17 处， L3 为孔对应出轴， L4 为末端轴处。于是有图形分析得： 30tan12 LR=33 L1=30.3mm 设 L2=50mm， L3=180mm， L4=100mm； 故芯轴的总长 L=L1=L2=L3=L4=360.5mm。 顶尖末端轴承安装于孔的末端处，另外一个轴承安装里孔末端 73mm 处，即可实现芯轴的自由伸缩。 根据平台需求取工作图中尺寸 b=80mm， a=35mm。根据下端固定处总宽度为 118，且工作台为对称安装，可得下端尺寸： c=21.5mm; e=30mm; i=10mm; m=15mm; u=28mm; k=30mm; h=129-238=110mm. 顶尖支撑架工作三维图如图六所示： 图七 顶尖支撑架 nts 18 孔的内部取 8 级精度，采用铰孔加工方法进行加工，孔与轴承为间隙配合，轴与轴承为过盈配合。 其他表面去 10 级精度，表面粗糙度为 Ra=3.2. 其中 g、 m、 h 所在的地面均为 6 级精度， 采用拉销加工，表面粗糙度 Ra取 1.6；支撑架的其余没确定精度的表面均取 10 级精度，采用半精铣加工，表面粗糙度取 Ra=6.3，轴承与孔、轴承内部均采用脂润滑。 7、 轨道设计 轨道设计为此次换向器性能测试台的特色之一，采用这种方式可使得测量与拆卸方便，简单易行，使其具备直观、功能齐全等 优点。选取轨道常用钢材Q235 作为设计材料，其初步工作图如图八所示： 图八 轨道 根据前面各部件的计算，知图中 135BA ， a=c= 215 mm，b=15mm，对于 e 相对于上面的移动支撑架把其深度变大些，可取 e=35mm； f=28mm； h=30mm。 记过计算，轨道为转动轴对应部分留 280mm 长度，为耐压测试仪探头部分留120mm，为顶尖部分留 310mm，长度可维持各部件的运行。 nts 19 再根据前面所算各部件长度 L=280+120+310=710mm。 轨道宽度 b=156+28=128mm。 其中 g、 m、 h 所在的地面均为 6 级精度， 采用拉销加工，表面粗糙度 Ra取 1.6；其余各面取 12 级精度，采用冲压得到，表面粗糙度取 Ra=6.3. 第 3 章 其他零部件的选取 在设计过程中除了关键零部件的设计之外还需要选取电机、耐压测试仪、直流调速器、轴承及螺栓等零件或辅助仪器选用。下面将分别列举选取的各部件。 3.1 电机的选取 电机是现代大量应用的一种能量形式，这种能量形式有许多优点，如生产和变换比较经济，传输和分配比较容易 ，使用和控制比较方便等。电机的生产、变换、传输、分配、使用和控制等都必须利用电机作为能量转换或信号变换的几点装置。在电力工业中，发电机和变压器是电站和变电所中的主要设备。在工业企业中，大量应用电动机作为原动机去拖动各类生产机械。如在机械行业、冶金工业、化学工业中，机床、挖掘机械、轧钢机起重机械、抽水机、鼓风机等都要用大大小小的电动机来拖动；在自动控制技术中，各式各样的小巧灵敏的控制电机广泛地被作为检测、放大、执行和结算原件。 本次设计中根据超速实验的速度要求，再根据原换向器基本速度为3000rpm，电机选取 的另一个重要因素就是实际所需转矩。转矩的计算公式如下： ZJT m2121其中 T为实际产生转矩， J为轴的转动惯量， m为电机驱动的所有负载的质量， Z为轴的回转半径， 为转轴的角加速度，根据不同轴段上面公式可化为： ）（换mmmmmmm21 654321 T各质量可以根据公式 nts 20 m= v = lr2 计算。查资料得 45钢密度为 7870kg/m3 ，由此得各质量如下： m1=7870 02.001.0 2 =0.0494kg m2=7870 ）（ 01.003.0 22 -14.014.3360300 =0.80725kg M3=7870 05.0 2 0.005=0.3089kg M4=7870 01.0 2 0.02=0.048794kg M5=7870 015.0 2 0.058=0.322489kg M6=7870 015.0 2 0.016=0.08896kg 换向器质量查阅相关资料得 m换=1.5kg。 各回转半径可根据 z=2R （圆柱） 或 ）（ rR 2221 （圆筒、换向器） 计算。 z 1= 4141 01.0 =0.00707； z 2= 414.1 03.0 =0.021216 z 3= 4141 03.0 =0.03536 z 4= 414.1 01.0 =0.00707 z 5= 414.10075.0 =0.005304 z 6= 414.10075.0 =0.005304 nts 21 z 换 = ）（ 03.005.0 2221 =0.041 角加速度 根据转速最初加速为 2min 从零加到 3000rpm 计算： =120603000=125据以上数据可得： T=）（6 1 5.00 0 0 4 1.00 0 1 7 1.00 0 0 3 4 4 9 4 5.00 1 0 9 3.00 1 7 1 2 6 6.00 0 3 4 9 3 1.0212 5 =0.01991N.m=19.91N.mm 根据以上转矩，又选用额定转速为 6000rpm 的电机，为了达到此转速，根据 袖珍机械设计手册 选用 SZ 系列电磁式直流伺服电动机中的 55SZ08 电机作为本设计的驱动电机， SZ 系列电磁式直流伺服电动机 具有体积小，重量轻，伺服性能好，力能指标高等优点，广泛运用于控制系统中作为执行元件或驱动元件。 其符号含义如下： 55 SZ 05 F1 H1 派生代号 励磁方式代号（ C-串励方式； F-复 励式；不标注表示他励（并励 式） 规格代号（ 0149 表示短铁心； 51 99 表示长铁心； 101149 表示特长铁 心。） 产品名称代号（电磁式直流伺服电 动机。） 机座号 其基本参数如下： 型号 转矩 N.mm 转速r/min 功率 w 电压 v 电流 外形尺寸 mm 重量 /kg 电枢 电磁 电枢 电磁 总长 直径 轴径 nts 22 55SZ08 54.88 6000 35 110 110 0.54 0.09 118 55 5 0.75 前面零部件计算章节电机尺寸取自此表，电机在工作时属于横向安装，端面有安装辅助固定块。所选电机的安装简图和基本安装尺寸如下： nts 23 3.2耐压测试仪的选取 耐压测试仪是测量耐电压强度的 仪器，它可以直观、准确、快速、可靠地测nts 24 试各种被测对象的击穿电压、漏电流等电气安全性能指标，并可以作为交（直）流高电压源用来测试元器件和整机性能。 根据换向器基本参数电压为 030v，选取 ZHZ8耐压测试仪作为实验安装耐压测试仪器。 ZHZ8耐压测试产品系列是按照 IEC、 ISO、 BS、 UL、 JIS 等国际国内的安全标准要求而设计，耐压为 01000v，漏电流从 0200mA，特殊要求另定。适合各种家用电器、电源、电缆线、变压器、接线端子、高压胶木电器、开关电源插头座、电机、电子仪器、仪表、整机等，以及强电系统的安 全耐压和漏电流的测试、同时也是科研实验室、技术监督部门不可少的耐压试验设备。 其技术规格如下： 技术规格 技术规格 ZHZ8 电压测试范围 V AC 05 3% 3 个字 漏电流测试范围 mA AC： 0.12/220 3% 3个字 报警值预置范围 （连续设定） AC（ kV） 0.32/220 5% 3个字 时间测试范围 199s (连续设定和手动 ) 1% 变压器容量 500VA 输出波形 50Hz 正弦波 工作条件 环境温度： 040；相对湿度： 75%；大气压力： 101.25kPa 体积（ mm3） 315165320 重 量 15kg 供电电源 220V 10% 50Hz 2Hz 附 件 资料袋一只；测试探头一副；说明书一 份；电源线一根 nts 25 3.3 直流调速器的选取 超速实验要求电机旋转在不同的速度，并保持一段时间，本设计所选为直流电机，故 选用直流调速器对电机进行调速。实验需要用到小型调速电机，选择依据是直流 110v 和电流大小，根据这两个因素，选择济南科亚电机科技有限公司MMT-DC110RT15BL01。 1、产品性能指标如下： 电源输入范围： VDC 110（ 72-130） 输出电压： VDC 0-110 输出电流： A 20mA 软启动时间： S 0.2-20 软停止时间： S 0.2-20 控制信号： V 0-5 力矩信号： V 0-5 输入阻抗 k 50 转速精度 1% 调速范围 100:1 调速比 80:1 环境温度： 0-50 相对湿度 无结露 重量： kg 0.75 匹配 KZ010 实现使用 0-5v 或 0- 5v 控制速度和方向。 2、产品特点有：脉宽调制，四象限再生运转模式，无触点换向、可频繁正反转，再生制动，使能 /制能 /换向端子，状态指示灯，正反向转速可分别设定，力矩控制功能、输出电流设定功能、制动电流设定功能、转矩补偿功能、标准模拟信号控制、边热保护功能等。 3、外型尺寸： 150*103*34（ mm）。 3.4 轴承的选取 根据 袖珍机械设计手册 表 12-17，选择深沟球轴承 61903，其直径为nts 26 17mm，其工作图如下： 基本尺寸如下： 轴承尺寸 /mm 基本载荷/KN 极限转速 /r.min-1 轴承代号 原轴承代号 /mm d D B rminmin动 静 脂润滑 油润滑 17 30 7 0.3 4.60 2.60 19000 24000 61903 1000903 3.5螺栓的选取 根据孔的直径选取六角头螺栓 A 级， M3号螺栓。 为 14mm， b=12， cmax=0.4，dsmax=3， dwmin=4.6， emin =6.07， k公称=2， smax=5.5.在螺栓的固定中，我们于螺栓尾人为加工销孔如下图所示： 其直径为 d孔=1.2，螺栓采用 预紧方法连接。 nts 27 第 4 章 校核 4.1轴的校核 4.1.1轴的疲劳强度校核 （ 1）轴的受力分析 根据轴的转矩及两端的受力情况，可初步确定轴右端受到轴的自身重量（重量对轴的影响巨大）造成的弯矩，轴的右端因为电机有凸缘安装，故电机的重量可不考虑，另外转轴受到电机输出转矩。 （ 2） 危险截面的确定 根据轴的直径及所处位置，可断定 L5处即与支撑架接触处为危险截面，轴的校核计算即可。 （ 3）轴的受力计算 1）轴的弯矩 轴的受力情况可化为如下图形： 其中 F1为轴的末端孔对轴的作用力， F2为轴与 孔配合出左端对轴的作用力，F3为右端轴的重量对危险截面的作用力，即 L2的自身重力。根据 45钢的质量7870kg/m， G=10轴钢 v8.9 计算轴的质量（ m 前面已计算完毕），得轴的重量G=36.2N，根据公式 00003221ZFZFMYFZFMBA， 代入数据计算得： F3=36.2N,X=58mm， Y=92.5mm， Z=150.5mm， F1=51.35mm，F2=83.55mm， F3=32.22mm。 nts 28 SF1=ZYF2,SF=ZXF2,ZXYFM 2. 带入数据：SF1=-51.35N,SF2=32.20N,M=3N.m。 受力图和弯矩图如下： 2） 轴的转矩 轴的转矩由前面计算得来 T=54.88N.mm。 3） W取值 查 袖珍机械设计手册 表 10-24带 有 平 键 槽 轴 的 截 面 数 据W =0.1d3 =0.1153 =337.5 3mm ， Wp=0.2d3 =675 3mm . 4）、的选择 查袖珍机械设计手册表 10-22得=0.34，=0.21. 5）K、K的选择 由袖珍 机械设计师手册 表 10-15得K=1.30，K=1.20. 6） 的计算 由危险截面轴的表面为拉销加工， Ra=0.4um，由袖珍 机械设计师手册 表 10-18得 =1.。 7）、的选取 由 d=15mm，查袖珍 机械设计师手册 表 10-21得=0.91，=0.87. 8)、 m =WM=5.3373000=8.89MPa, m =0. 9) 、 m 的 计算 = m = a081.0216752 MPWTP 。 nts 29 10）n的计算 n=m1- K，代入数据n=18.74. 11）n的计算 n=m1- K，带入数据n=1264 12） n 的计算 n=nn 220nn，带入数据 n=18.7. 13） 【 n】的确定 查袖珍 机械设计师手册 表 10-14，选取【 n】 =1.5. 结论： n【 n】 =1.5，疲劳强度足够安全。 2、 轴的静强度校核 1） Tmax的计算 Tmax=2T=20.05488=0.10976mm。 2） Mmax的计算 Mmax=2M=23=6N.m 3)W 的计算 查 袖珍 机械设计师手册 表 10-24，由 d=15mm，得 W=0.642 310 m 3m 。 4） Wp 的计算 nts 30 查袖珍 机械设计师手册 表 10-24，由 d=15mm，查得 Wp=1.43 310 m 3m 。 5）sn的计算 sn=2ma x2ma xs)(3pWTwM ）（ ，带入数据， sn =3.37. 6） sn的选择 查袖珍 机械设计师手册 表 10-14，取sn=1.4. 结论：snsn,静强度足够安全。 4.2键的校核 本设计中用到两个键，承受的都是同样的转矩，因电机键较小，只校核吊机键即可。由前面键的设计有： T=19.91N.mm， d=7mm， l=12mm， k=2h=2mm， b=2mm。 键的校核公式 222cblTdklTc 带入数据得 c=0.653， =0.3267. 键在工作中属于微型冲击，属于动联接，根据袖珍机械设计师手册查取c =40, =90. 结论： cc ， ，故键的使用安全。 4.3螺栓的校核 nts 31 本次设计设计所选螺栓为六角头螺栓，采用预紧方式安装，正对单个螺纹，按以下公式进行校核： l01l210166.166.1 dd FF 根据 袖珍机械设计师手册 表 7-11得： 1965.1294n sl ，将数据带入直径公式得 d=0.1275。 结论： dd1（ d1为设计中螺栓的直径），故所有螺栓满足要求，可以安全使用。 nts 32 总 结 生命湍流不止，时间白驹过隙，我们犹如过客。 在学校精明的安排的老师无微不至的指导下，我的设计差不多可以完美出炉。两个多月的设计时间马上过去，随着毕业设计毕业的完成我的大学生涯也将加上完美句号。这些时间是累赘的，却简单而充实，它让我完全沉入书海，它也让我重新对所学知重温数遍。让我再一次体会到孔子老先生说过的“温故而知新，可以为师也”这句话是有极大内涵和说服力的。与平时基础课程不同的是，毕业设计不仅让我回望所学知识，更让我体会到机械工程设计的完 整过程，是一个让人重新认识机械，重新审视学习的机会。他开拓了我的思维，开阔了我的视野，让我在知识的海域艺海拾贝，让我拥有了无穷对知识掌握的愉悦感，让我的学有所用，学有所成。 尽管 每学期都安排了实习或者课程设计，但是没有一次课程设计 可以 与此次毕业设计相提并论。 设计 时间为一学期 ， 并且严格的要求又是一人一个课题 。 这就 要 求 我们 对知识 掌握和实际运用的灵活度 要搞， 充分 理解和 利用在校期间所学的 各门学科 。 并且在设计过程中保持全面的热情和积极态度 。 通过 这 学期毕业设计的 实践 ， 让我深刻的感受到自己的 设计 联想 思维得到 了前所未有的提高与锻炼 锻炼。多留心 思考 观察我们 生活中 的 那些 个机械产品， 如果我们对生活的感性认知提高了 ，我们的 就会拥有极具创造性的设计思路 。 就拿我设计的 换向器性能测试台 来说，最初老师让我 了解 一些关于 换向器在点集中运用的知识 ， 拟定开题报告和设计方案 出来 。经过我的努力、学习和思考，我认为设计机械产品应该再满足各项功能的前提下尽量 使 其造价低 ， 节省材料，结构简单，通用性好 并且达到一定的美观标准 等特点。 换向器性能测试台设计 这一课题作为我的毕业设计 题目，其 对我的四年 所学 知识 运用 能力 进行了 考查 。在设计过程中， 我 不仅努力并 且细心， 尽 量让 自己的设计错误减少，但我知道 因为许多知识和 经验 的欠缺， 设计中 肯定 存在 有一定的错误 ，希望在今后在实践和工作中可以不断完善自己，可以有更多的体会 。 这次毕业设计 让我体会颇多，设计 中同学之间互相帮助，也使我们的同学关系更 加融洽 了， 集思广益 对我们更好的理解知识 很有好处 ，所以在这里 特别 感谢帮助我的同学 ，希望大家今后继续互相学习，互相帮助和进步 。不管学会的还是nts 33 学不会的的 ，从一开始 确 实 觉得困难比较多，不知道如何入手 、有些 万事开头难的感觉 。 在经过自己的努力后， 终于做完了 设计， 有种 直步云霄 的感觉。 另外 外，通过设 计我 还 综合了 一个结论：知识 只有 通过应用才能 体 现其价值！有些东西以前听课考试以为 学会了，但 书到用时方恨少，到实践工作时 才发现 原来 是两 码 事，所以我认为真的学会 知识时是 真正会用的时候。 在整个设计中培养了我独立工作的能力 ，也 我懂得了许多东西，树立了对自己工作能力的信心，相信 这些经历和实践对自己 今后的学习工作生活 将产生非常巨大的影响 。使我充分体会到了在探索 和 创造过程中的艰难 以及 成功时的喜悦 ，而且大大提高了动手的能力 。 在 本次设计 过程中 我学到的不仅 是换向器性能测试方面 这 一 单一方面的 认识 ， 还 让我学会了把自己大学四年 所学的 各门 知识运用到 实践 中 ，并且更加 熟悉机械 设计的 整体 流程 和一般方法 。以前 总 感觉学 习 的 某些 科目没有实际 运用 意义，到
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