卧式高温摩擦磨损试验机的工艺研究及设计

机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩1 前 言1.1 摩擦学概况摩擦学是工程学和科学中最重要的学科之一, 因为它既具有延长产品使用寿命、提高产品的可靠性、节约材料和能源的意义, 又是当今最活跃的交叉科学领域之一。它涉及流体力学、固体力学、化学、物理、材料力学、数学和机械工程等多个学科, 其所研究的对象也十分的复杂, 要求多学科相互配合进行。摩擦学研究的多样性, 加上它对工业的重要性, 迫使我们要特别的注意它的发展概况和趋势, 以便因势利导使摩擦学研究在以后的经济建设中发挥更大的作用。近年来, 摩擦学的研究在全世界范围内得到了很大的发展, 几乎所有的工业化国家都有关于摩擦学的专业杂志期刊、独立的学会和研究所。在各国提供研究基金的研究机构中摩擦学都己得到承认和资助；不少国家已经制定了有关于摩擦学发展的规划；在学术性学会中与摩擦学研究有关的人员数目也在不断的增加，许多工业部门已经认识到摩擦学的重要性 1，世界各国在摩擦学方面的交流也得到了进一步的加强。摩擦学的理念在全世界范围内不仅逐步得到学术界、产业界及政府有关部门的认可, 而且摩擦学学科本身也取得了许多的显著成果。有的企业已经充分认识到摩擦学所能带的经济、技术和环境保护等方面的利益, 已经开始注意进行摩擦学方面的设计, 或者进行具有针对性的研究。尽管在摩擦学研究方面已取得了很大的进展, 但其在应用方面的进展还不是很快, 效益也不够理想,。在机械设计中真正运用摩擦学方面的设计更少, 研究成果转化成的生产力也远没有达到理想的水平。关键可能在于摩擦学方面的教育远远没有普及, 许多企业对摩擦学的认识也不够, 再加上摩擦学的研究课题并不都是企业所急需的，所以造成了现在这种结果。摩擦学研究的对象非常广泛 2，在机械工程中主要包括：动、静摩擦副，如：螺纹联接、滑动轴承、齿轮传动、皮带传动、磁带-录音头等；零件表面受到工作材料的摩擦或碰撞、冲击，例如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺方面的摩擦学问题，如金属的成形加工、切削加工和超精密加工 3等；弹性体摩擦副，例如汽车轮胎与地面的摩擦（见地面车辆力学） 、弹性密封的动力渗漏等；特殊条件下的摩擦学问题，例如高真空、超低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀 4、润滑剂稀释和密封防漏等。此外，还有生物摩擦学的问题，如研究海豚皮肤的结构用来改进船舰设计，研究人体关节的润滑机理来治疗风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以确定最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳的移动、火山爆发和地震，以及山、海、断层形成等。在音乐、体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩1.2 摩擦磨损试验机的分类摩擦磨损试验设计的目的是为了研究摩擦磨损的现象及其本质，进而正确的评价各种因素对摩擦性能的影响，从而得出符合生产条件的摩擦副的最优参数。由于摩擦磨损现的象十分复杂，摩擦磨损的条件也各不相同，所以试验的装置和测试方法的种类也十分的多，如何能够准确、快速的获得摩擦过程中的参数变化，成为了一个十分重要的课题。我国的桂长林等 5提出了一种按摩擦系统的结构、摩擦副的相对运动形式对摩擦磨损试验机进行分类的方法。这种分类的方式突出了摩擦副的特点，同样也突出了对试验特殊功能的要求，从而有利于采用更加合理的设计方法对试验机结构进行设计。这种方法将摩擦磨损试验机分为五大类型：表 1.1 固体- 固体摩擦磨损试验摩擦元素 固体-固体（润滑剂）相对运动形式单项滑动 往复运动 旋转运动 冲击 微动磨损类型 滑动磨损粘着磨损磨粒磨损滑动磨损粘着磨损磨粒磨损旋转滑动磨损粘着磨损磨粒磨损冲击磨损粘着磨损磨粒磨损微动磨损粘着磨损磨粒磨损磨损机理 表面疲劳磨损摩擦化学磨损表面疲劳磨损摩擦化学磨损表面疲劳磨损摩擦化学磨损表面疲劳磨损摩擦化学磨损表面疲劳磨损摩擦化学磨损功能要求 相对单向滑动 相对往复滑动 相对徐昂转滑动 相对冲击 微动试验机类型摩擦磨损试验机往复滑动摩擦磨损试验机旋转滑动摩擦磨损试验机冲击磨损试验机微动摩擦磨损试验机试验机举例动摩擦磨损系数精密测定装置（日本）RFT- 型往复摩擦试验机（日本）AMSLER 试验机（瑞士）冲击磨损试验机（美国）SRW 型标准化微动摩擦磨损试验机（德国）第一类为固体-固体摩擦磨损试验机，如表 1.1。这类试验机又细分为 5 个小类机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩型：单向滑动、往复运动、旋转滑动（包含滚动滑动） 、冲击和微动（根据实际的需要可以在摩擦副元素中添加或不添加润滑剂） 。每一小类的试验机的摩擦副形式又有很多种，所以它们也各有不同类型的试验机。可以这么认为，大部分的摩擦磨损试验机都属于这个大的类型，他们可以重现磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、和摩擦化学磨损等现象。这一大类的摩擦磨损试验机也体现了摩擦磨损试验机的基本结构特点。第二类为固体-固体加磨粒（或固体-磨粒）的摩擦磨损试验机，统称为磨粒磨损试验机。根据摩擦试件的运动特性和磨损特点，又可以分为 3 个小类：三体磨粒磨损、二体磨粒磨损、动载磨粒磨损试验机。与第一大类相比，三体磨粒磨损试验机的不同点为：在摩擦副的摩擦表面上加了磨粒。固定磨粒磨损试验机摩擦副一边固定了磨粒， （一般采用纱布盘） ，另一边可以设计为各种形式。在这一小类的试验机中，摩擦副大多都是销-盘式 6-7（转动）或销- 板式（往复运动） 。为了防止偏磨现象的发生，试样销最好能够自转，但摩擦路线一般不重复。自由磨粒磨损试验机可以设计成试件运动、磨粒运动、试件与磨粒同时运动 3 种不同的形式。第三类为固体-液体加磨粒或固体-液体的摩擦试验机。其特殊功能是使含磨粒或不含磨粒的液体冲刷固体表面。所以，最关键的是要在试件的表面形成具有一定流速的液流。通常是利用泵、势能或离心力来实现这种目的。也可以让试件与液体相对运动。液流和试件之间所形成的冲击角是一个十分重要的参数，通常要求可调。第四类为固体-气体加磨粒的磨损试验机，其功能是使含有磨粒的气流去冲刷固体的表面。这类磨损试验机的特例是单粒磨粒冲击装置。这类试验机有一下三种形式：1、供气系统加磨粒加喷咀加摩擦试件；2、高速运动的试件加供给的磨粒。这种类型的试验机一般都要求抽成真空，以避免转子旋转所产生的空气动力学现象对磨损的影响。3、利用离心力抛出磨粒。对于这种类型的试验机来说，磨粒与试件之间的冲击角也是一个十分重要的参数，同常要求可调。第五类为除了以上叙述的试验机之外的摩擦磨损试验机。可控载荷、可控气氛、高温或低温摩擦试验机都可以归入此种类型。这类试验机在摩擦试验中，摩擦元素所承受的载荷是不断变化的。可控气氛摩擦磨损试验机有抽真空、通入或者不通入特种气体、控制或者不控制湿度等特殊要求。密封性能对这种类型的试验机来说也是十分重要的，非接触式传动：磁力传动，在这类试验机中也得到了充分的利用。高温和低温摩擦磨损试验机要求在高温或低温条件下工作，因而需要考虑高温隔热和低温保护方面的问题，其选材也要能够满足高温和低温的要求。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩1.3 高温摩擦磨损试验机的研究现状(1)MMU-10G 屏显式端面高温摩擦磨损试验机该机是由济南思达测试技术有限公司研制开发的一种高温摩擦磨损试验机，采用滑动摩擦的形式，在规定的试验条件下用评定粉末冶金、工程塑料、合金轴承等部件的使用性能。可在室温到 600（可定做 800）条件下，在无油润滑、浸油润滑以及改变负荷、时间、速度、硬度、摩擦配偶材料、表面粗糙度等参数的情况下进行试验。可用于测量材料温升、摩擦系数等。其技术指标见表 1.2。表 1.2 MU-10G 型屏显式端面高温摩擦磨损试验机主要技术规格及参数参数 参数值轴向试验力工作范围（无级可调）/kN 110试验力示值相对误差/% 1试验力长时自动保持示值误差/(%FS) 1（最大试验力）自动卸除试验力/% 超过最大试验力 2-10摩擦力测量范围/ N 10500摩擦力示值相对误差/% 2主轴转速范围/( r/min) 52000主轴转速范围误差/(r/min) 10试验机测控温范围/ 室温600油盒行程/ mm 45主轴电机功率/ kW 4试验机时间显示与控制范围/ min 1s9999试验机外形尺寸（长宽高）/ mm 约 12008701700试验机净重 / kg 850(2) THT 高温摩擦磨损试验机该机是由瑞士 CSM 仪器公司在其销盘式摩擦磨损试验机的成功基础上添加了高温模式，这种高温摩擦磨损试验机可以在材料的实际使用条件下进行安全的试验。具有：高精度测量，无仪器内部多余摩擦阻力，适应不同试样尺寸和形状，自动停机保护，可控润滑剂、湿度和气体环境，实时磨损深度测量（选件） ，计算机自动控制软件包，实现数据采集、仪器控制、实时图像数据显示、赫兹应力场模拟、摩擦磨损系数自动计算、摩擦寿命等特点。其技术指标见表 1.3。表 1.3 THT 高温摩擦磨损试验机主要技术规格及参数：参数 参数值正向载荷范围/N 最大 60正向载荷精度/mN 30最大摩擦力/ N 10机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩摩擦力分辨率 / mN 5最高温度/C 1000旋转运动模式下速度/ rpm 0.3 - 500 (1500 选件)最大测试半径/ mm 30最大扭矩/ mN.m 450(3) MG-2000 型高温高速摩擦磨损试验机MG-2000 型高温高速摩擦磨损试验机是宣化科华试验机制造有限公司（原宣化试验机厂）研制开发的一种销盘式摩擦磨损试验机。可以在高温条件下做摩擦性能试验及测定摩擦系数，也可以在常温或有液体介质的条件下做常规试验。其主要技术规格及参数见表 1.4。表 1.4 MG-2000 型高温高速摩擦磨损试验机主要技术规格及参数参数 参数值最大负载/N 2000杠杆加载精度/% 1主轴转速 /(r/min) 320-3200最高温度/C 800直流电机无级变速误差/% 2摩擦力矩测量范围/Nm 0-10拉力传感器记录精度/% 1自动化程度 1. 摩擦力矩、转速、转数、摩擦力矩曲线自动显示2. 有测量数据自动打印 3.设有网络接口(4) 高温三体磨粒磨损试验机中国航空材料研究院在 1998 年研制了一种用以模拟和研究高温香花服饰和磨料磨损作用的高温三体磨粒磨损试验机，该机可以在 700C 到 900C 范围内工作，显示出了良好的数据重现性能及鉴别率。其主要技术规格及参数见表 1.5。表 1.5 高温三体磨粒磨损试验机主要技术规格及参数参数 参数值载荷/MPa 0-72温度/C 20-900上、下式样相对转速/(r/min) 30、60、90磨料流量(g/min) 2-60 连续可调(5) UMT-THT 高温摩擦磨损测试仪该机是一种用途广泛的摩擦、磨损实验机及润滑油、添加剂性能评定装置。 主要用于： 1.对材料在室温或高温条件下；有润滑或干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行测试。 2.对润滑介质承载能力、高温减摩性能进行评定。 3.材料在高温下的摩擦机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩和磨损性质评定。该机的特点有：1 多种运动模式： 上/下样品台可以独立的实现多种运动模式：线性运动、旋转运动、振动，还可以通过软、硬件实现各种复杂的复合运动模式； 2独特的动态加载：恒力加载模式、线性增量加载模式，通过软件实现对样品的任意动态加载模式。 这种动态加载方式在高低温控制条件下同样适用； 3 6 D六轴传感器：可同时原位检测三个轴向的力和力矩的动态变化； 4微型金刚石铲子：可实现薄膜与基体准确的结合力测试；5能按照所有的ASTM 的测试标准进行测试；6多种信号同时原位检测：（摩擦力、摩擦系数、负载、扭矩、结合强度、临界载荷、显微硬度、刚度、模量、断裂韧性、蠕变、疲劳、表面接触电阻、电容、表面声波、温度、磨损量、涂层深度等等） ；7加载范围：1N1000N； 8速度：0.1mm/s（或 0.001rpm）到 50m/s（或 10000rpm） 。(6)HT-500 型高温摩擦磨损试验机该机是由中国科学院兰州化学物理研究所研制开发的一种用于研究高温下被测材料摩擦磨损性能的试验装置。由主动电机、高温炉、机械摩擦系统、加载系统四部分组成。该机的基本工作原理是将高温炉内的试样加热到设定值，通过加载系统加上试验所需载荷，驱动式样盘上的试块转动，使其对偶面(球或栓)进行滑动摩擦。最后由计算机检测出试验温度、摩擦系数等数据，并进行图形显示和数据存储。本试验机可在高温环境及不同的气氛中，进行销盘或球盘两组不同摩擦副的试验。具有控制精度高，操作简便的特点。(7) MMW-1 型立式万能摩擦磨损试验机该机是由济南试验机厂设计生产的一种高温摩擦磨损试验机，其主要用途和功能与美国 FALEX 6 型多功能式样测试试验机相似，是研制开发各种中高档系列液压油、内燃机、齿轮油必须的模拟评定试验机。该机引入过程控制原理，将计算机与组态软件技术、网络技术紧密结合起来；并采用一体化结构设计，将嵌入式计算机、组态软件、采集模块、.执行器组合在一个框架内，完成对整个试验过程的控制。所有的实验操作都能在计算机的主界面中进行，是国内首次应用该技术的摩擦磨损试验机，具有摩擦副种类多，调速范围大，组态控制方式灵活，能够模拟高温环境，自动化程度高等特点。1.4 课题研究的基本原理及主要内容1.4.1 试验机基本原理卧式销盘型高温摩擦磨损试验机 8是用于研究高温或常温条件下被测材料摩擦磨损性能的试验装置。其原理是将高温炉内的试样温度加热到设定值，再通过加载机构加上试验所需的载荷值，同时驱动样品盘上的被测试样转动，使其与对偶面(球或栓) 进行摩擦 9，由计算机实时检测出材料的试验温度、摩擦系数等数据。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩1.4.2 课题研究的主要内容(1) 机体结构设计(2) 传动系统设计(3) 横向夹在系统设计(4) 加热系统设计(5)摩擦副装夹具设计机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩2 卧式高温摩擦磨损试验机总体方案设计2.1 卧式高温摩擦磨损试验机总体设计目标我们设计的卧式高温摩擦磨损试验机的具体设计指标如下：1、摩擦副接触和运动形式：面接触，滑动；2、控制调节参数：温度（01200 ） 、时间、加载范围 (5500N）和转速(主轴为无级变速，01500rpm)； 3、实验机具有足够的机械稳定性和调节试件和实验参数的能力；4、实验机应调整方便，实验结果分散度小，重复性好，实验精度高；5、利用力平衡关系测量摩擦力；6、采用砝码杠杆系统加载，利用力平衡关系测量摩擦力。2.2 试验机的功能分析根据试验机的概述，我们可以对其进行功能分析，如图 2.1。 卧式高温摩擦磨损试验机装夹 加热 加载 检测扭矩测量 摩擦力测量 温度测量图 2.1 试验机功能分析机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩建立它的总功能黑箱图，如图 2.2； 摩擦损耗：热、噪声、能量 振动、变形等摩 磨损试样试件 擦副 损耗润滑剂摩 润滑剂 擦 负载信息转速信息温度信息控制信号 摩擦力信息磨损量信息图 2.2 摩擦磨损试验机的总功能黑箱图输入能量转换为式样盘的旋转运动；输入能量转换成加热炉的热能；输入能量转换成进行控制的辅助能量；试件加载；对其对偶面进行贴合；稳定转速；负载调节；测量负载；测量扭矩；测量转速；测量摩擦力；测量摩擦系数；测量摩擦面温度；测量磨损后试件；机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩并由此可以作数这台试验机的功能结构图(图 2.3)磨损后的 试件 装夹 加载 测量分析 摩擦副对偶面 磨屑调温 贴合加热炉220V 电动机 传动系统指令：调温调速 电控器 机控器 显示器 显示加载噪声 发热图 2.3 试验机功能结构图2.3 建立试验机设计模幅箱“设计模幅箱”是一种二维的表格，其中的每一行对应着一种分功能，每一列是根据该行的分功能所选出的分功能的求解。建立“设计模幅箱”是进行方案设计的关键。根据对该试验机的功能分析，可以建立其“设计模幅箱” 。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩表 2.1 试验机设计模幅箱分功能解法分功能TP1F1 摩擦副的基本运动形式F2 能量 运动 电机经齿轮传动带动式样盘旋转运动F3 运动和力的传递 齿轮机构、蜗轮蜗杆机构F4 能量控制 电器开关F5 转速控制 变频电机、调速器调速F6 加载 蜗轮蜗杆自动加载F7 加热 加热炉F8 负载调节 调节电机转动圈数F9 试件夹紧 螺纹链接夹紧F10 调节对偶试件的贴合 调节丝杠上的转轮F11 载荷的测量 测量弹簧压缩长度F12 摩擦力测量 扭矩传感器F13 摩擦系数的测量 由测得的摩擦力和载荷通过计算机自动得出F14 速度的测量 测速电机F15 温度的测量 测量热电偶F16 自动记录和显示 计算机控制机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩3 卧式高温摩擦磨损试验机设计及校核本章介绍了卧式高温摩擦磨损试验机的设计及工作原理，该试验机是由机体、传动系统、横向加载系统、加热系统、摩擦副装夹具这 5 个部分组成，并分别介绍了其结构和功能。3.1 摩擦磨损试验机的总体设计及工作原理摩擦磨损试验机是通过齿轮传动将电机的转动传递给主轴，从而带动式样盘旋转。通过该试验机，主要可以获得试验所产生的摩擦力、摩擦系数、磨损量等数据。试验机的工作原理示意图见图 3.1 所示：1-变频电机 2-齿轮 3-圆弧齿同步带 4-齿轮 5-主轴( 空心) 6- 螺钉 7-圆形盘 8-加热炉 9-式样销 10-摩擦盘 11-主轴 12-止推球轴承 13-施力弹簧 14-蜗轮 15-蜗杆 16-步进电机 17-手轮 18-导轨 19-径向球轴承 20-大螺母 21、22-丝杠 23-螺母施力板图 3.1 摩擦磨损试验机总做原理示意图试验机分为主动、被动、加热三个模块，主动模块：变频电机 1 带动齿轮 2 旋转，通过圆弧齿同步带 3 带动齿轮 4 转动，并带动主轴 5 旋转。主轴上固定有装夹式样销的圆形盘，圆形盘 7 随着主轴旋转而旋转。圆形盘上有螺钉 6，可以调节螺钉的松紧控制式样销固定在圆形盘上。式样销 9 旋转，带动摩擦盘 10 有转动的趋势，机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩主轴 11 上装有扭矩传感器，测量销盘之间的摩擦力。被动模块：步进电机 15 带动涡轮 16 蜗杆 14、丝杠 21 做旋转运动，由一对径向球轴承 19 使螺母施力板 23 左右移动，压缩施力弹簧 13，实现力的加载。12 为力传感器，可以检测施加力的大小，同时，控制电机转数，根据蜗轮蜗杆、丝杠螺母施力板、弹簧的弹性系数和弹簧的压缩长度，也可以控制施加力的大小。施加的力通过主轴 11 添加给摩擦盘 10，实现销-盘之间的加载。通过手轮 17 可以带动丝杠 22 旋转，使固定螺母 20 和被动模块左右移动。加热模块为加热炉 8，实现温度的加载。上面有温度传感器，实现温度的监测 2。3.2 试验机各组成部分设计与其功能3.2.1 传动系统本试验机选用变频电机实现无极调速，带动齿轮及齿轮带传递扭矩，实现主轴旋转运动。这里选用同步齿形带实现齿轮与齿轮间力的传递，其优点是准确同步不打滑，无需润滑，无污染，传动噪声小，效率高，节能，传递负载大，使用寿命长等优点，他可以代替链传动、齿轮传动、三角带和梯形齿同步带 10。在这里选用 YD100L 6/4/2 型变频调速电机。电机的功率为 0.75/1.3/1.8 千瓦，同步转速为 1000/1500/3000 转/分，满载转速为 945/1450/2910。根据主轴的转速要求，传动比为 2。齿轮选用 7 级精度，小齿轮选用材料为 40Cr，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调制） ，硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。选用销齿轮齿数 Z1=24.大齿轮齿数 Z2=2X24=48。1、按齿面接触强度设计：（1）根据公式(3-1)：21312. HEdt ZuKTd（3.1） 1）选定 =1.3；tK2）小齿轮转矩。= =716251510.9nPT248.10.95mN3）由机械设计 10表 10-7 选取齿宽系数 =1；d4）由机械设计 10表 10-6 查得材料的弹性影响系数 ；2189.MPaZE5) 由机械设计 10表 10-21d 按照设计的齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩限 ；大齿轮的接触疲劳极限 。601limHaMP501limHaMP6）由机械设计 10表 10-19 取接触疲劳寿命 ； 。9.NK95.2HN7）取失效概率为 1%，安全系数 S=1，根据公式(3.2)：SNHlim（3.2） MPaSKHN54069.01lim1 H .25.2li2（2）计算小齿轮的分度圆直径 ，带入较小的 。td1H61.28mm mZuKTdHEdt 232131 5.8193762.（3）计算齿宽 b。b= mdt 28.61.1（4）计算齿宽与齿高之比 。h模数 ztt 5.24.1齿高 mmht 73.52. 68073.b（5）计算载荷系数。参考文献 10表 10-8 选取动载系数 ；1AK直齿轮 ；1FHK参考文献 10表 10-2 查使用系数 ；A参考文献 10表 10-4 按插值法查得 7 级精度，小齿轮 。423.1HK机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩由 ， 查得 ，故载荷系数：68.10hb423.1HK35.1FKK= =1.594423.1HVA(6)按照实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由公式(3.3)：（3.3）ttKd31=61.28 =65.589mmttd313.594(7)计算模数 m。 7.24589.61zm2、按齿根弯曲强度设计：1）参考文献 10表 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的MPaFE501弯曲强度极限 ；MPaFE38022）参考文献 10表 10-18 查取弯曲疲劳寿命系数 ， ；8.1FNK8.2FN3)计算弯曲疲劳许用应力。弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式（ 3.4）得:SFENF（3.4） 57.304.185011 SKFENF86.2.22FEF4)计算载荷系数 K。K 51.3.1.FVA5)查取齿形系数。按照参考文献 10表 10-5 查得 ,65.21FaY26.Fa6)查取应力校正系数。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩按照参考文献 10表 10-5 查得 ，57.1SaY5.1Sa7）计算大小齿轮的 ，并加以比较。FaS0137.5.3621FaSY6.8.2FaS大齿轮数值较大。（2）设计计算：FSadYzKTm213（3.5） FSadYzKT213 681.0.24765.3 对比计算结果，由齿面接触疲劳强的计算所得的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，但模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，可取弯曲强度算的模数 1.681，并就近圆整为标准值 m=2mm，按接触强度算的分度圆直径589.61d 2589.61mdz3。2这样设计出来的齿轮传动，满足了齿面接触疲劳强度，也满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免了浪费。4、几何尺寸设计（1）计算分度圆直径：mm6231mzdmm2（2）计算中心距 mda921361机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩（3）计算齿轮宽度 mdb8.1963.01取 B1=20mm，则 B2=22mm。5、齿轮轴的设计计算。（1）输出轴的功率 ，转速kWP8. in/290rn于是 5950TN78491.（2）初步确定轴的最小直径nPAd30min（3.6）按公式（3-6 ）初步估取轴最小直径。取轴的材料为 45 钢，调制处理。按照参考文献 1表 13-5 选取 得120AmnPd49.1028.1330min 联轴器的转矩为 ，参考文献1表 14-1，考虑到转矩变化非常小，选TKAca取 ，得：3.1AK mNAca 102478493.1考虑到电机轴的直径为 28mm，选用凸缘联轴器 GY4 型， GB/T 5843-4862JY2003所以，轴 。md28（3）轴的结构设计1）拟定轴上的零件的装配方案。现在选用图 3.2 所示的装配方案。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩图 3.2 齿轮轴的结构2）根据轴向定位的要求确定轴的各段的直径和长度为了满足联轴器的轴向定位要求，-轴段的左端需要制作出一轴肩，取-段直径 。半联轴器与轴配合的孔长为 L=44mm，取 。md3 ml41（4）初步选择滚动轴承。因轴承有可能收到径向及轴向力，所以选择单列圆锥滚子轴承，根据根据工作要求，取 ，由轴承产品目录中初步选择 0 基本游mdv35隙组，轴承代号为 30207 的轴承，其尺寸为 。)(25.1873TDd故 ，而根据轴承尺寸，取 ,dvv35 mlv，-段左端采用轴肩进行轴向定位，查手册得 30207 得轴承的定位mlv16肩高度 h=3.5mm，因此取 。mv42同理，取 ， 。dv42 llv10中间齿轮部分分度圆直径 ；选择齿宽 B=39.6mm。631zd6、主轴的设计计算。（1）求输出轴上的功率 ，转速 和转矩1P1n1T若取一级齿轮传动的效率 ，则97.0机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩 kWP746.19.081min/52rin5950TN014.（2）初步确定轴的最小直径按公式（3.6）初步估取轴最小直径。取轴的材料为氧化锆，调制处理。参考文献 1表 13-5 选取 得120AmnPd9.14576.12330min 考虑到材料的价格比较高，以及后面一段材料选用陶瓷材料，根据综合以上特点，取轴 ， 。d20l4（3）轴的结构设计为了满足端盖的轴向定位要求， ，左端用周端挡圈定位，取挡圈md26直径 D=30mm。（4）初步选择滚动轴承。因为轴承有可能受到径向及轴向的力，所以最好选择单列圆锥滚子轴承，根据，由轴承产品目录中初步选择 0 基本游隙组，轴承代号为 30206 的轴mdv30承，其他尺寸为 。)(25.17630mTDd故 ，在-段，选用套筒定位，所以该段的长度应大于vv轴承 T 的大小，所以定 , ，右端采用轴肩进行轴向定位，lvlv6查手册得 30206 得轴承的定位肩高度为 3mm，因此取 。 。mlv10dv36中间齿轮部分齿宽 B=22mm，所以 ，mlv21d3其中，-段材料为氧化锆，-段中间材料为陶瓷，后边部分为 45 钢。其结构如图 3.4。根据轴的校正程序，求的-段的剪切应力最大，且满足设计要求。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩图 3.3 主轴结构图3.2.2 横向加载系统设计：3.2.2.1 电机及丝杠螺母机构：本产品选用电机为 Y100 L2-4 型电机，额定功率为 3kw，同步转速为1500r/min。滚珠丝杠，公称直径为 50mm，导程为 5mm，丝杠全长 600mm，螺纹长度为 550mm，精度为 C7，螺母选用内循环双切边法兰单螺母，丝杠一边焊有一圆盘，上有手柄。3.2.2.2 蜗轮蜗杆机构1、蜗杆传动类型：根据 GB/T 10085-1988 的推荐，选用渐开线蜗杆。2、材料选择考虑到蜗杆的传动功率不大，速度中等，蜗杆选用 45 钢；因希望效率更高一些，耐磨性好一些，所以蜗杆螺旋齿要求淬火，硬度为 45-55HRC。涡轮用铸锡磷铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈采用青铜制造，而轮芯采用灰铸铁 HT100 制造。3、按齿面接触疲劳强度进行设计（1）确定蜗轮上的转矩 2T按 ，估取效率 ，则：21z8.0机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩 mNinPnT 3.1820/4.315.9105.9105.9 626262 （2）确定载荷系数 K因为工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 ；由机械设计 （第八版）K表 11-5 选取使用系数 ；由于转速不是很高，冲击不是很大，选取动载系15.A数 ，则：05.1VK 21.05.1.VAK（3）确定弹性影响系数 EZ因选用铸锡磷铜蜗轮和刚蜗杆配对，故 。2/160MPaZE（4）确定接触系数 假设蜗杆分度圆直径与传动中心距的比值 ，查得 =3。31.0adZ（5）确定需用接触应力 H根据蜗轮材料为铸锡磷铜，金属模铸造，蜗杆的螺旋齿面硬度大于 45HRC，参考文献 10表 11-7 查得蜗轮的基本许用应力 =268MPa。H应力循环次数 72 1084.5120460hLjnN寿命系数 .8.57HNK= =0.814 268=218.152（6）计算中心距根据公式 223HEZKTa（3.7）= mm223HEZKTa 09.1352.8603.1.3 取中心距 a=125mm，因传动比为 20，取模数 m=4，蜗杆分度圆直径为 ，401d机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩此时 ， 250N41.0HkCFuc所以满足条件。（2）疲劳强度的验算根据公式 FdKD38（3.12） MPaFdKD15.72605.214378323max 机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩 MPaFdKD615.725.21437833min B0.0疲劳安全系数 maxin075.caS（3.13） Fca SS 1285.5.726075.0maxin所以，要对弹簧进行喷丸处理，喷丸后 MPaB904.5.0210疲劳安全系数 ，满足条件。Fca SS 3.1.7265987.maxin（3）振动验算螺旋角 26.714.35arctnarct Dp展开长度 mL8.526.7cos14弹簧质量 kgdms 024.78.531401.3462 弹簧的自振频率Hz25.104.21sFbkf弹簧的工作频率 Hzfbw68.1.8这样设计的齿轮，满足疲劳强度及载荷等要求，符合设计的标准。3.2.3 加热系统根据试验要求和试验机用途，并考虑到经济性的因素，可以用小型电加热炉 11-12给式样加热，其外轮廓尺寸为 20060mm，炉膛直径为 140mm，炉胆用高铝耐火砖制成，炉丝功率为 1.2kW，电源电压为 220V，最高加热温度可以达到机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩1200。为了让只热量的散失，加热炉的顶端有保温材料，其左端与销的装夹圆盘接触，便于定位，下方装有底座，放置于导轨上，在试样的装夹过程中可以左右滑动。为了使试样处的温度在高温下进行摩擦磨损试验时能维持稳定，还设计了温度控制器和温度显示器，来控制加热炉内的温度 13。为了防止实际温度达到要求温度时，电控器自动断电后炉内温度由热惯性继续上升，影响试验的准确定，也为了防止加热过慢，我们选择了蓄热系数比较大的耐火砖和保温材料，而且在控制器中加入了一个反馈电路，来保证温度的恒定。当温度接近目标温度时，温度数据处理器会把此时的温度以及温升速度传递为调压器，电路可以根据温升速度大小适当的调节输入电压，知道实际温度达到要求温度时，电源控制器断电。当实际的温度低于要求温度时，电源控制器又再次接通，并调整电压，继续工作，温度数据处理器把此时的温度传递给调压器，使其找到核实的总做电压进行工作。其简图如图 3.4图 3.4 加热炉简图3.2.4 摩擦副装夹具1、试样销装夹具试样销夹具为一个开有圆孔的圆盘，上有一螺钉，将加工好的试样销放入圆盘内，通过螺钉就可以实现装夹工作。圆盘中心开有一孔，可以通过螺栓固定在主轴上，实现旋转运动。销的尺寸为 727mm，夹具盘外圆直径为 100mm，内圆直径为 52mm。2、摩擦盘装夹具摩擦盘夹具是一个凹形盘 13，内有突出的圆柱销，因摩擦盘不需要旋转，所以圆柱销足以满足固定的需要。摩擦盘加工时应在其圆心上方 35mm 处开有一直径为52mm 的圆形孔，在圆心下方 54mm 处开有一延伸到摩擦盘下边界的方形孔，孔深都为 10mm。同样，在摩擦盘家具盘上同样开有高为 10mm 的圆柱销。夹具盘外机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩径为80mm，内径为 68mm。夹具盘上方开有一小孔，用开防止热传感器，同样，为了更好的加热，夹具盘内安装有部分电热丝和保温材料。3.2.5 箱体设计该试验机的箱体主要分为 3 个部分 14，分别是箱体本体，箱体上端盖以及箱体侧盖，箱体如图 3.5 所示，箱体左侧及中间分别有放置传动轴的凹槽及放置变频电机的凸台，上边都有螺孔，可以用螺栓固定。箱体右侧防止滚珠丝杠，可以实现加载模块的横向移动。下箱体总长为 1092mm，总高为 328.7mm，箱体侧盖高为380mm，箱体的顶盖高为 165.8mm。长为 234mm。图 3.5 箱体剖视图箱体上方安装有三角形-三角形导轨，其具有导向精度高，承载能力大，对温度变化的不敏感性，工艺性能好等优点，但是它磨损后不能自动调整间隙。材料为 45钢。图 3.6 为导轨的剖视图。图 3.6 导轨剖视图机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩4 试验机整机介绍及其工作过程由于试验机主轴要求在 1200的高温条件下工作，所以通过理论计算以及分析之后，在设计上采取了一些措施：主轴及试样夹具采用了耐高温的材料氧化锆制造，为了节约成本，主轴只有部分段使用氧化锆，中间部分采用陶瓷隔热，剩余部分使用 45 钢制造，为了提高主轴的刚度，我们适当的加粗主轴的直径，以满足各方面力的要求。主轴两端采用一对背对背的圆锥滚子轴承，以承受径向力和来自加载的轴向力，同时，使用四个支撑点，来提高主轴的支撑刚度 15。靠近高温炉的一端采用了陶瓷圆锥滚子高温轴承，以减少高温炉向轴承传递热量。为了进一步的减少高温炉向轴承传递热量，轴承应离主轴的陶瓷部分尽量远一些，以减少从主轴上传递的热量。工作步骤：1、工作前，应先用手轮将加载模块移开，裝夹摩擦盘及式样销，然后使用手轮摇回盘与销接触的位置；2、调节试验温度，开始加热炉开关，并等待加热完成；3、开启无极调速电机，调节电机转速，达到试验要求转速；4、等转速平稳后开启加载电机，根据事先计算好的弹簧压缩长度，控制加载电机的转数，实现力的加载；5、等一段时间，使二者运动平稳后观察与加载轴固定的托盘上的短棍接触压力传感器显示的数值，并记录下来；6、通过加载力与得到的压力大小，计算出摩擦系数值；7、试验完成后，关闭加热炉及无极调速电机，等炉内温度降下来后取出摩擦盘及试样销，对二者承重，算出磨损掉的重量，计算出试样的磨损率。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩5 结 论本次设计，根据卧式高温摩擦磨损试验机的总体设计目标，提出了总体的设计方案，箱体设计方案、传动系统设计方案、加热系统设计方案、加载系统设计方案和设计论证，以及靠近加热炉部分构件的设计方法。对传动部分的齿轮、加载部分的弹簧、蜗轮进行了校核，通过分析，为轴承的选择，联轴器的选择提供了理论的依据。为了保证试验机、摩擦力的读数的准确定，也适当的提高了整机的精度等级，还对关键部位的零部件的加工，材料，装配工艺进行了分析，从而，也保证了各部件的位置的关系，使位置误差给读数带来的影响降低到最小。试验机的电机采用变频电机，以实现主轴的无级、宽范围的调速；主轴与电机之间通过齿轮及圆弧齿同步带连接，来传递动力，使力的传递效率达到最高，同时使机体内更加紧凑，方便各个零部件的配合。主轴及传动轴采用单列圆锥棍子轴承，构成了四个点的支