立式高温数控摩擦磨损试验机主体设计说明书

优秀本科设计- I -摘 要摩擦学是一门实践性和应用性很强的学科，在国内的相关研究中广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、盘销式摩擦磨损试验机、四球式摩擦磨损试验机、往复式摩擦磨损试验机等。摩擦磨损试验的目的是对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的高温摩擦磨损性能进行测试和评价，是高速切削和新型刀具材料研制开发和应用的必备设备。该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。主要设计内容为：机体结构设计、传动系统设计、纵向加载系统设计、加热系统设计和摩擦副装夹结构设计。关键词：摩擦试验机；高速；高温优秀本科设计- II -ABSTRACTFriction is a very practical application of scientific research in China is widely used in a roller-type testing machine abrasion tester, disc pins and other friction and wear test machine， four-ball friction and wear tester, reciprocating friction and wear test machine,. The purpose of friction and wear tests on the friction and wear in order to study the phenomenon and its essence, the correct assessment of the various factors on the friction and wear properties to determine compliance requirements of the friction pair components using the optimal parameters. High temperature friction and wear tester is heat-efficient high-speed friction and wear test equipment, widely used in various high temperature friction and wear properties of tool to test and evaluation, and new high-speed cutting tool material developed and applied the necessary equipment . The device is a high-speed machining and cutting tool material research studies needed infrastructure, the device can be extended to the subject of basic research and research level.Key words：friction testing machine, high-speed electric power system ； high temperature优秀本科设计- III -目 录摘要. .IABSTRACT.II1 前言.11.1 本课题研究的目的和意义. .21.2 国内外研究概况. .21.3 发展趋势.81.4 小结.82 方案设计分析与比较. .92.1 试验机整体分析. .92.2 方案设计制定.92.3 方案比较.123 摩擦磨损试验机结构设计相关计算.133.1 试验机性能指标确定.133.2 试验机主传动系统相关计算.133.2.1 电机选择.133.2.2 同步带传动计算.153.2.3 主轴计算.193.2.4 主轴上键的强度校核.213.2.5 轴承校核.213.2.6 横梁的强度校核.223.2.7 丝杠螺母副的相关计算.234 摩擦磨损试验机结构设计.254.1 试验机整体结构.254.2 箱体结构设计.264.3 支架设计.264.4 横梁设计.274.5 摩擦销结构设计.284.6 摩擦盘夹持器设计.285 结论.29参考文献.30致谢.31优秀本科设计- 1 -1 前言1.1 本课题研究的目的和意义摩擦学是一门实践性很强的学科，研究材料摩擦磨损性能一般需要借助摩擦磨损试验机测量摩擦副的摩擦磨损特性等一系列参量。在国内的相关研究中广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、四球式摩擦磨损试验机、往复式摩擦磨损试验机、切人式摩擦磨损试验机、盘销式摩擦磨损试验机等。随着冶金、矿山、电力以及工程机械等行业的发展，人们对磨损危害的认识有了相当的提高。为了弄清磨损机理以减少有害的磨损，各国学者对材料在常温下的各种磨损问题均进行了大量的研究，但对于材料在高温下的磨损问题至今却研究的较少，这和高温磨损试验装置的缺乏不无关系。1910 年第一台磨料磨损试验机即以问世，1975 年美国润滑工程师学会（ALSE）编著的“摩擦磨损装置”一书中所公布的不同类型的摩擦磨损试验机也有上百种，但其中大部分都是常温磨损试验机1。近几十年来，磨损试验机和试验方法虽然有了较大的发展，但这些试验机大多还是由企业和研究工作者根据工作需要和实际工况自行设计制造的，如高温磨料磨损试验机，适合高分子及其复合材料试验用的高温摩擦磨损试验机等。只有少数试验机是由专门的试验机厂或仪器制造公司制造和供应的，而且这些试验机大都结构复杂，价格较贵，这说明了磨损问题的复杂性和进行实验室磨损试验研究的困难所在。摩擦磨损问题存在于人类物质活动的各个方面。在汽车、发电、设备、冶金、铁道、宇航、电子和农机等各方面的机械都大量存在着摩擦学的问题。据估计，全世界约有 1/2- 1/3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，如果从摩擦学方面采取正确的措施，就可以大大节约能源消耗。磨损是机械零部件 3 种主要的失效形式之一，所导致的经济损失是巨大的，大约有 80%的机械零件由于各种磨损导致失效。特别是随着物质文明的进步和工业技术现代化的发展，机械设备的开发使用普遍趋于重载、高速、高效率化，如何控制和改善机械的摩擦磨损状况、提高其使用寿命和工作可靠性，已成为机械工业技术人员必须关注的问题，并促使其研究不断的深入和发展。这些摩擦试验机多采用静态选位法观察摩擦试件，虽然简单易行，但不能获得摩擦过程的动态信息，更不能对磨损（摩擦）过程进行动态观测及动态数据记录；另外由于受到试验机转速的限制，摩擦副相对运动的速度大多较低（一般不超过10m/s ） 。然而现代机械装备中许多摩擦副的相对滑动速度相当高，如高速 列车运行时的速度约为 300km/h，制动时制动盘与刹车片之间摩擦速度为 6070m/s.而目前还未曾见到可用于高速条件下数据动态测量所需的商用摩擦磨损试验机。摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种优秀本科设计- 2 -因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。摩擦磨损试验研究的内容非常广泛，如探讨摩擦、磨损和润滑机理以及影响摩擦、磨损的诸因素，对新的耐磨、减磨及摩擦材料和润滑剂进行评定等。由于摩擦磨损现象十分复杂，摩擦磨损条件不同，试验方法和装置种类繁多，如何准确地获取摩擦磨损过程中的参数变化成为一个十分重要的研究课题。为了探索和验证机械工程中摩擦磨损问题的机理以及有关影响因素，在摩擦学研究中开展摩擦磨损测试技术和数据分析研究具有非常重要的作用。高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的高温摩擦磨损性能进行测试和评价，是高速切削和新型刀具材料研制开发和应用的必备设备。该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。1.2 国内外研究概况摩擦试验机对冶金、矿山、电力以及工程机械等行业的发展有着至关重要的作用,随着目前世界各国科技的飞速发展,各个行业在技术上的突飞猛进摩擦试验机对于各行业的重要性也越来越明显.目前，世界只有美国、日本、瑞士等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专业生产企业，而济南试金集团是国内最早研制和生产摩擦磨损试验机的厂家。早在 1964年为了满足我国石油工业和材料工业的发展需要，济南试金集团开始研制 MQ-12 型四球摩擦试验机，1965 年研制成功并投入生产，1966 年又研制成功 MM-200 型磨损试验机，两种试验机的研制成功标志着我国已有了自行研制摩擦磨损试验机的能力。在最近的几年，涌现出了一批新兴生产摩擦磨损试验机的企业，也有不少优质产品面世。济南竟成测试技术有限公司生产的 SFT-2M 销盘式摩擦磨损试验机：图 1.1SFT-2M 销盘式摩擦磨损试验机仪器工作原理：本试验装置适用于材料表面和材料涂层的摩擦磨损测试。可提供较宽的负载范围和旋转速度。可进行球盘、栓（销）盘、盘盘的不同摩擦副的试验，精确测量在不同摩擦方式下，材料的摩擦系数、磨痕深度及耐磨性，操优秀本科设计- 3 -作简便，测量精度高。主要技术指标：载荷范围： 1N200N(100g20kg )旋转速度： 1004500rpm(连续可调)样品尺寸： 8 80mm 厚度： 0.530mm摩擦系数测量精度 0.2 Fs（满量程）样品对偶尺寸：3 6mm磨痕深度测量范围：1mm 精度：0.1m选配件：1. 100g 摩擦力传感器 ( 0.05N1N ) 适用于微小载荷下材料摩擦系数的测试。2. 1000g 摩擦力传感器( 0.1N10N )当然,目前国内还有其他公司的产品一样很成熟了。济南思达测试技术有限公司生产的 MME-2 微机控制摩擦磨损试验机就是一个例子MME-2 微机控制摩擦磨损试验机：图 1.2 MME-2 微机控制摩擦磨损试验机主要用途：本试验机可做各种金属材料及非金属材料（尼龙、塑料等）在滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑复合摩擦和间歇接触摩擦等多种状态下的耐磨性能试验，评定材料的摩擦机理和测定材料的摩擦系数，并可模拟各种材料在干摩擦、湿摩擦、磨料磨损等不同工况下摩擦磨损试验。该机采用计算机控制系统，可实时显示摩擦力矩、试验力、摩擦系数、试验时间等参数，记录实验过程中摩擦系数时间曲线。由于该机优秀本科设计- 4 -功能多，结构简单可靠，使用方便，有多个标准试验方法建立在该机型上，且在国外使用较多，所以在国内摩擦学研究领域也有非常广泛的应用。 技术参数和技术指标表 1-1 序号 项目名称 技术指标1 摩擦力矩测量范围 020N.m2 最大试验力 2500N3 上、下试样轴转速 0600r/min4 试样轴向最大移动距离 4mm5 试验力示值相对误差 在满量程的 10%以上，不超过 2%6 试验力示值重复性相对误差 在满量程的 10%以上，不超过 2%7 摩擦力矩示值相对误差 在满量程的 10%以上，不超过 2%8 摩擦力矩示值重复性相对误差 在满量程的 10%以上，不超过 2%9 时间控制范围 1s-9999min10 温度控制范围 室温-6011 转数控制范围 1-9999999912 时间-摩擦力矩曲线 由计算机实现对各个参数的测量显示及数据处理，可实时显示时间-摩擦力矩曲线。13 试验机的外形尺寸（长宽高） 主机：9706601100以下是对于国外的一些成熟产品介绍：美国 FALEX 公司：FALEX 公司是摩擦磨损测试仪器的专业制造商，具有 75 年的历史，其产品广泛应用在机械，石化、军工等多个领域，目前有超过 300 台四球机试验机在各个国家使用，已被各国政府部门和工业界广泛的认同，FALEX 公司的很多仪器已成为摩擦磨损领域的测试标准，被收录在 ISO、ASTM 等国际和行业的标准中。 FALEX 四球法磨损磨损试验机设计有精密负载以便完成精确的磨损实验，它是唯一通过多个实验室循环实验所得出的精度作为 ASTM 方法中的精度要求的仪器，到目前为止没有其他的仪器展示这个精度，为了符合 ASTM、ISO、DIN 的要求，就一定要使用 FALEX 四球法磨损实验测定仪。优秀本科设计- 5 -图 1.3 FALEX 四球法磨损实验测定仪技术参数：试验负荷: F-1519：可变驱动四球试验机，气动可变负载最大到 180kg F-1520：标准四球试验机，固定砝码和机械杆，最大 50kg 试验速度: F-1520：V 形带和滑轮驱动，提供三种速度选择 600, 1200, 1800 rpm. F-1519：气动连续可变驱动，60 -3600 rpm 连续可调，可选 1 -10,000 rpm 速度转换组件 定时: 数字可编程定时器 (1s-999h) 测量: F-1519：集成测压元件和数字显示摩擦力 F-1520：手动测量 温度控制: 数字温度控制 环境温度-232 自动启动加热，直至设定温度 优秀本科设计- 6 -环境： 固态或液态(润滑油、润滑脂,固态膜涂层等) 可选外罩仓增强温度控制精度 可选压力仓，最大压力 125psi 气源 80 psi 干燥空气 ( F-1519)主要特点： 标准配置 ：1HP 变速马达 60 到 3600 rpm ；DC 马达控制器 ；数字转速指示器 ；数字温度控制器 ；数字计时器 ；数字负载读取 ；加热器（最高 232） ；数字摩擦系统 ；落地柜 ；温度系统自动启动 ；气体压力指示器 ；气动负载（最大到 180kg） ；杯盖拧紧工具；前面板负载调节器 ；前面板有紧情况下切断电源开关； 0- 25 Ib-In 扭矩扳手 ；可装配球盖 ；流量过滤球指示器；热电偶 ；球盘组件 ；空气轴承组件。瑞士 CSM 公司产品图 1.4 瑞士 CSM 公司的摩擦磨损试验机瑞士 CSM 公司是世界知名的表面力学性能测试设备制造商，数十年中，为世界范围的科研院所、工业用户提供了最先进的技术与应用服务。CSM 公司提供多种功能的摩擦磨损实验设备，按不同的载荷以及使用条件可分为以下几类：优秀本科设计- 7 -纳米摩擦测试仪 NTR（Nano-tribometer） ；摩擦试验机 TRB（Tribometer pin-on-disk） ，可升级为真空摩擦试验机；高温摩擦试验机 THT （High temperature tribometer） ，可升级为高温真空摩擦试验机；磨损测试仪 CAW（Calowear） ；膜厚测试仪 CAT（Calotest） ，分为工业与实验室用 2 种型号。CSM 公司的摩擦试验机主要用于测定自润滑涂层的使用寿命，以及表征固体材料或硬质涂层在不同条件下的摩擦磨损行为，用户可以通过改变摩擦时间、接触压力、运动速率、环境温度、湿度、润滑剂等参数得到材料的一系列性能指标。一套完整的摩擦试验机系统包括以下组成：主机（CSM Tribometer） ；计算机通信接口（PC interface box） ；数据处理工作站（Computer workstation） ；仪器操作及数据处理软件（WinXP 平台） ；附件（针式压头支架，球形压头支架，润滑剂容器，砝码，校正模块） ；试验机的尺寸：主机（Tribometer ）：500 320 mm，550 mm height ；计算机接口（PC interface）：500 300 mm，50 mm height；毛重：50 kg；建议安装环境：试验机应安装在振动较小的平台上。图 1-5 是该试验机的测试原理示意图。图 1.5CSM 公司摩擦磨损试验机测试原理。试验机的测试原理是：平头或圆形压头安放在被测样品上，用精确测定质量的砝码施加载荷；针或球安装在一支倔强系数很大的杠杆上，该杠杆被设计为无摩擦切向力传感器；当盘式样品旋转时，压头和样品间产生的摩擦力会使杠杆发生轻微的弯曲，该形变程度可被优秀本科设计- 8 -固定在一起的线性差分位移传感器检测，并由此计算摩擦力的具体数值；通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨损系数。1.3 发展趋势随着现代科学技术的进步，摩擦磨损测试技术呈快速发展之势，摩擦磨损试验机呈以下发展趋势：（1） 、以高性能的电机系统取代机械变速系统：目前，高性能的电机系统己经比较成熟，调速比可以达到一比几百、几千甚至更高。利用这种系统既可以实现转动，也可以实现摆动和直线运动。由高性能电机直接驱动主轴，不仅能使机械结构大大简化，而且还能降低试验机的摩擦损耗，提高整机的寿命和可靠性。但高性能电机系统价格比较昂贵。（2） 、在摩擦磨损试验机上应用微型计算机：微型计算机的价格低廉，操作简单，性能稳定，不仅可以取代以往的二次仪表对试验机进行控制，而且还可以对测试参数进行自动采集和数据处理，因而能使试验机的功能大大加强。（3） 、改进测试手段；（4） 、提高稳定性、测试精度，以使试验结果具有更好的重复性和再现性。1.4 小结本设计主要对销盘式高温高速摩擦磨损试验机进行机械结构部分的设计与计算机三维实体造型以及二维图的绘制。所设计的试验机满足下面的性能要求：（1）主轴转速范围 01500r/min，无级变速；（2）工作的最高温度 1000 ；（3）加载范围：5500 N，采用砝码加载；（4）样品盘最大尺寸为 80 mm，最大厚度 10 mm。本设计要求设计出实现上述要求的较为合理的方案，并进行相关计算。最后对整个试验机进行机械结构设计，用 AutoCAD 绘制整个试验机的二维图。优秀本科设计- 9 -2 方案设计分析与比较2.1 试验机整体分析根据上一章的介绍不难确定，试验机的机械结构部分可以分为如下几个主要的系统：主传动系统、加载系统、摩擦盘夹持系统、摩擦销轴向和径向进给系统、加热及冷却系统等主要部分。对上述各个部分不同的方案进行组合，就可以得到不同的整体设计方案方案。2.2 方案设计制定通过分析，制定下面四种方案：设计方案一：图 2.1 是设计方案一的方案图。图 2.1 设计方案一设计方案一各部分的组成：（1）主传动系统：变频器和三相异步电动机通过齿轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；（2）加载系统：采用伺服控制连续加载；优秀本科设计- 10 -（3）摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；（4）摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动横梁内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过步进电机和编码器带动立柱上的丝杠旋转，通过丝杠螺母副改变横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的轴向位置；（5）加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。设计方案二：图 2.2 是设计方案二的方案图。图 2.2 设计方案二设计方案二各部分的组成：（1）主传动系统：变频器和三相异步电动机通过通过 V 带和带轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；（2）加载系统：采用传统的弹簧加载；（3）摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；（4）摩擦销轴向和径向进给系统：通过步进电机和编码器带动底座支架上的丝杠旋优秀本科设计- 11 -转，通过丝杠螺母副带动立柱和横梁一起水平运动，来控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过手动旋转手轮和分度盘带动立柱内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动带动横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的径向进给；（5）加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。设计方案三：图 2.3 是设计方案四的方案图。图 2.3 设计方案三设计方案三各部分的组成：（1）主传动系统：变频器和三相异步电动机通过 V 带和带轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；（2）加载系统：采用传统的砝码加载；（3）摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；（4）摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动底座内的一根丝杠，丝杠螺母的相互运动控制横梁和立柱的整体的水平位置，来控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过立柱结构上的可旋转结构，使得横梁可以沿立柱上的某一点旋转一定的角度，用旋转来代替移动控制摩擦销的竖直位置；优秀本科设计- 12 -（5）加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。2.3 方案比较方案一采用齿轮，可以保证传动比，制造安装精度要求不是很严格，并且可以防止过载时对电机的损坏。但是齿轮传动噪音大，震动剧烈，况且由于齿轮的金属质地使电动机的产热影响到实验精度。主轴外无冷却装置，使得主轴在工作状态的高温下容易发生变形和损坏，降低了主轴的寿命和装置的测量精度。伺服控制连续加载虽然精确但设备复杂且成本很高，安装维修也不方便。手轮和分度盘控制销子沿盘的径向位移，结构简单，但是横梁刚性较差，对结果误差有较大的影响。立柱上采用步进电机带动丝杠螺母，结构复杂，成本高，降低了整个系统的刚度，但对系统测量精度的作用不大。方案二电机通过 V 带传动，可以缓和载荷冲击而且运行平稳，无噪声，制造安装精度要求不是很严格，并且可以防止过载时对电机的损坏。但是带传动有弹性滑动和打滑，效率低而且不能保持准确的传动比，也就是不能保持主轴以一定的速度转动。而且主轴外无冷却系统，使得在工作情况下，加热炉内的热量通过主轴连轴器直接传递给电机，主传动系统整体的温度较高，不易散热，对系统的刚度和寿命影响大，而且对测量结果会产生很大的误差。采用专用的摩擦盘夹持器结构较为合理。弹簧加载结构简单，但加载不精确，容易受到弹簧性能等外部因素的干扰，对实验结果影响很大。手轮和分度盘控制销子的轴向位移，效率低，速度慢，而且结构复杂。步进电机控制销子沿摩擦盘的轴向位移，结构复杂，成本较高，安装维修不方便。方案三采用电机通过同步带带动主轴，可以缓和载荷冲击而且运行平稳，无噪声，且同步带传动无弹性滑动和打滑，效率高而且能保持准确的传动比，也就是能保持主轴以某一速度稳定地转动。主轴和电机之间的热影响很小。专用的摩擦盘夹持器保证了摩擦盘旋转时的精度，又可以保证其整体性，对于例如三角形硬质合金可专位车刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的试件的夹持又有很大的优势。传统的砝码加载简单易行而且加载准确，误差较小。左边立柱和横梁是相对固定的，可以绕一个轴旋转一定的角度，使系统稳定性好，测量结果较精确，结构简单，而且工作效率比较高。手轮和分度盘控制横梁和立柱的整体位移来控制摩擦销沿摩擦盘的径向位移，结构简单，成本低，维修方便，而且有足够高的精度。设计方案的确定通过上面对三种设计方案的优缺点的分析比较，可以得出结论：方案三是这三种设计方案中比较合理的一种方案。该方案既可以满足设计精度的要求，又具有成本低，结构简单，安装维修方便等特点。优秀本科设计- 13 -3 摩擦磨损试验机结构设计相关计算3.1 试验机性能指标确定参考第一章中的各种试验机的参数，结合设计要求，确定该试验机的主要性能指标如下：主轴转速范围：03000 r/min，无级变速；工作最高温度：1000 ；加载力的范围：020 N,采用砝码加载；摩擦球尺寸：3 mm6 mm；摩擦盘尺寸：最大直径 d=80 mm,最大厚度 h=10 mm 。3.2 试验机主传动系统相关计算由试验机的主轴转速范围和变速方式，可以选择变频调速三相异步交流电动机来实现。因此该试验机的主传动路线为：变频调速三相异步电动机同步带和带轮主轴摩擦盘夹持器摩擦盘。3.2.1 3取摩擦盘和摩擦销之间的动摩擦系数 f=fmax=1，则摩擦产生的最大功率Pm=Fv= fFn2/60R（3.1）其中： Pm 是摩擦产生的最大功率(Kw)； F 是相互作用力 (N)； v:是相对运动速度(m/s)； f 是滑动摩擦系数； Fn 是正压力（N） ； R:是摩擦力作用电相对旋转轴的距离（m） ；Pm 0.251（ Kw）axfFn2/60R120.43/60同步带的传动效率 ： 195%滚动轴承的传动效率 ： 298%则总传动效率： 总 1 20.931 电动机的输出功率 P 出 (3.2)总Pm故 0.2696 Kw出 95.08为使电动机的功率留有余量，负荷率取：0.85PP 出/0.850.261/0.850.317 Kw优秀本科设计- 14 -根据参考资料可知，选择的电机型号为： YVF280M1-4(摘自 JB/T 7118-2004)该电机的主要参数为： 额定功率 P=0.55Kw ；额定转矩 Nm；同步转速 1500 r/min ；电机轴：D=19mm。结构图如图 3.1、3.2 所示图 3.1图 3.2机座号: 80M凸缘号: FF165安装尺寸及公差|A|基本尺寸: 125mm安装尺寸及公差|A/2|基本尺寸: 62.5mm安装尺寸及公差|A/2|极限偏差: 0.50mm安装尺寸及公差|B|基本尺寸: 100mm安装尺寸及公差|C|基本尺寸: 50mm安装尺寸及公差|C|极限偏差: 1.5mm安装尺寸及公差|D|基本尺寸: 19mm安装尺寸及公差|D|极限偏差: (+0.009,-0.004)mm优秀本科设计- 15 -安装尺寸及公差|E|基本尺寸: 40mm安装尺寸及公差|E|极限偏差: 0.310mm安装尺寸及公差|F|基本尺寸: 6mm安装尺寸及公差|F|极限偏差: (0,-0.030)mm安装尺寸及公差|G|基本尺寸: 5.5mm安装尺寸及公差|G|极限偏差: (0,-0.10)mm安装尺寸及公差|H|基本尺寸: 80mm安装尺寸及公差|H|极限偏差: (0,-0.5)mm安装尺寸及公差|K|基本尺寸: 10mm安装尺寸及公差|K|极限偏差: (+0.360,0)mm安装尺寸及公差|K|位置度公差:1.0mm安装尺寸及公差|M: 165mm 安装尺寸及公差|N|基本尺寸: 130mm安装尺寸及公差|N|极限偏差: (+0.014,-0.011)mm安装尺寸及公差|P: 200mm安装尺寸及公差|R|基本尺寸: 0mm安装尺寸及公差|R|极限偏差: 1.5mm安装尺寸及公差|S|基本尺寸: 12mm安装尺寸及公差|S|极限偏差: (+0.430,0)mm安装尺寸及公差|S|位置度公差:1.0mm安装尺寸及公差|T|基本尺寸: 3.5mm安装尺寸及公差|T|极限偏差: (0,-0.120)mm安装尺寸及公差|凸缘孔数: 4mm外形尺寸|AB: 165mm外形尺寸|AC: 175mm外形尺寸|AD: 145mm外形尺寸|HD: 220mm外形尺寸|L: 370mm3.2.2 同步带传动计算1、计算功率：P ( 3.3)AkP= =0.36Kw)98.0251.(4.式中： 是同步带传动的工作情况系数，据机械设计手册可取 1.40Ak2、选择带型和节距：优秀本科设计- 16 -根据计算功率 Pd 和 n1,选择 L 型同步带。齿形如图所示（图 3.3）周节制其节距； Pb9.525（mm）齿形角 2: 40齿根厚 s: 4.65mm齿高 ht: 1.91mm 带高hs: 3.6mm齿根圆角半径 rr: 0.51mm齿顶圆角半径 ra: 0.51mm图 3.3 齿形图3、小带轮齿数 Z1：根据国标(JB/T 7512.2-1994),查取 Zmin=20根据设计方案 Z125；min1Z4、小带轮节圆直径：何以由公式 （3.4）bPZd1计算，也可查询机械设计手册。得小带轮直径为 （mm）8.751d5、大带轮齿数：根据设计方案，同步带只起传动作用，不改变速度，故令两带轮的齿数 Z1、Z2 等，取 Z1Z2 25；6、大带轮节圆直径：由公式 （mm）8.7512dPZb7、带速计算：106ndv（3.5）优秀本科设计- 17 -（m/s）91.10638.75v通常 L 型 （m/s） ，则 符合要求。50maxvmax8、初定轴间距：根据机械手册知 )(2)(7.02121dad（3.6）即 ，取 a= =151.2（mm）2.301.06a21d9、计算带长及齿数：带长 ：0L0212104)(2addaL（3.7） （mm）50查机械设计手册得 (mm） ，齿数 ；6.9pL64Z10、实际轴间距计算：实际轴间距计算分为两种情况，轴间距可调整时200Lap（3.8）轴间距不可调时2cos12da（3.9）1211tan2dLivp(3.10）根据设计要求，轴间距可调则 （mm）05.18629.536.0.1520 Lap11、小带轮啮合齿数：优秀本科设计- 18 -1211ZaPZentbm（3.11） 02m12、基本额定功率：100vTPa（3.12）基本额定功率是个带型基准宽度 的额定功率， (摘自 GB/T 11362-1989)0sb0sb宽度为 的带的需用工作拉力（N） ，查机械手册aT0sb宽度为 的带单位长度的质量（ ） ，查机械手册ms mkg/则 )(75.2101020 KWvmTPa 13、计算带宽：14.0ozbsPKb（3.13）啮合齿数系数，查机械设计手册zK应按表 4.4 选取标准值，一般小于sb 1d则 （mm）27.4.3604.2514.10 ozsPKb式中： （mm） 025.4sb按照以上设计要求要求确定公称带宽 12.7mm，代号 05014、作用在轴上的力：vPFdr10（3.14）优秀本科设计- 19 -NvPFdr 327.091.60115、带轮的结构和尺寸：图 3.4 直边齿带轮的尺寸和公差根据直边齿带轮的尺寸和公差(摘自 GB/T 11361-1989)如图 3.5 查的槽型: L齿槽底宽 bw: 3.050.10齿高 hg: 2.67(0,-0.10)槽半角 1.5 ： 20齿根圆角半径 rf: 1.19齿顶圆角半径 ra: 1.17(+0.13,0)节顶距 2: 0.762外圆直径 da: da d-2外圆节距 pa: pa da/z(z带轮齿数)根圆直径 df: dfda-2hg3.2.3 主轴计算1、主轴输出功率，转速，转矩计算：根据第一部分电机计算可以得出 ，KWPm256.0min/30rn则转矩 NnTm.793959502、轴的最小直径计算：3032.0nPAdT优秀本科设计- 20 -（3.15）主轴的材料选择为 ，查设计手册可得rC40126,50AT则 ，取md5.3.d6即主轴上直径最小处： mm3、轴的结构设计：（1） 拟定轴上的零件装配方案，见图 3.5图 3.5 轴上零件的装配方案（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：见图 3.6图 3.6 主轴结构设计1）为了满足带轮的尺寸要求 ，mL172d2412）初步选择滚动轴承。因轴承受有径向力和轴向力的作用，故选取深沟球轴承和推优秀本科设计- 21 -力球轴承，初步选取 0 基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承 6206 和推力球轴承51206，其尺寸分别为 、mBDd16230，故 ， 。mBDd7523d4L50433）根据结构要求拟定 ， ；L63832， ；1054054， ；m6d6， 。L32727（3） 、轴的强度校核：按钮局强度条件计算，公式如下TTdnPW32.095（3.16）已知 ，25min,/30,256.0TmrnKWP则 3.9814dT根据设计轴的最小直径为 ，d276TT 509.2.03min则其他各段也符合要求。3.2.4 主轴上键的强度校核根据主轴设计，键所在轴的直径为 24mm，查机械设计手册（摘自 GB/T1095-2003，GB/T1096-2003)选取键的尺寸选定为 ，普通平键连接的强度条件为：8714(3.17)3210kldTpp式中： d 是轴的直径； l 是键的工作长度，l=L-b=14-8=6；h 是键的高度；p是许用压力；k 键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h,T 传递的转矩 ,取，则24,7,14,0phl优秀本科设计- 22 -33 3d210102.5101.5610a624kllFTp MPapP :3.2.5 轴承校核该系统三处用到了轴承：主轴、丝杠、以及横梁旋转轴处的轴承。后两处轴承均不用于承受载荷，仅仅起到支撑作用，受到的力很小，可以忽略不计；而且其转速均远远低于轴承的极限转速。因此轴承的校核可以省略，而认为这些轴承的均满足设计要求。下面对主轴上的深沟球轴承和推力球轴承进行寿命校核：（一） 、深沟球轴承寿命校核1 根据主轴设计可知： mNnPTm .7903256.095950由带轮计算可知：d8.7on2o0则 NdTFt 79.108.7592 NFntr 14.763cos20tan79.218cosatan则 0tF查机械设计得深沟球轴承的最小 e 值为 0.22，故此时0eta2、初步计算当量动载荷 P，根据式（3.19）)(arpYFXf（3.18）查机械设计得 ，取 ；2.10pf 2.1pf0,则 NP48597.28.13、根据公式（3.20） ，求轴承应有的基本额定动载荷：610hnLPC优秀本科设计- 23 -（3.19）则4、演算轴承寿命PCnLh601（3.20） hLh 502.148.259137063则该轴承符合设计要求。（二）推力球轴承寿命校核（同上）3.6.2 横梁的强度校核由于横梁受到的轴向和切向力最大均为 20 N，而且摩擦销与横梁不是紧密接触，横梁所受的冲击也很小。因而横梁受到的力很小，横梁强度在满足结构要求的前提下能够满足强度和刚度要求。3.2.7 丝杠螺母副的相关计算该丝杠螺母副主要用于传递运动，来控制摩擦销沿摩擦盘的径向位移。而没有很大的力的传递，因此其传递的力可以忽略不计。下面对丝杠螺母副进行结构设计，强度校核可以不计。螺母的轴向位移： (3.21)2lspx式中： 是螺杆转角，rad；s 是导程，mm；p 是螺距，mm；x 是螺纹线数； 令该螺纹为单线螺纹，则 x1；由于丝杠带动摩擦销的移动距离为 40 mm，又要留下一定的余量，可令螺纹长度L50 mm；设计使螺纹移动 l=40 mm 时，手轮转动 8 圈，即：rad 2816mm (3.22)240516lpx由此可知： mm 51spxN24.1370536148.2596优秀本科设计- 24 -螺纹中径： (3.23)20.8Fdp式中： 是螺母形式参数，整体式螺母取 1.22.5，分体式螺母取 2.53.5；P是螺纹副许用压强，N/mm2；可取 ； ,9带入数据，有： mm 2200.8.843pFd由系统结构特点，取： mm ；.517.丝杆公称直径 d=20,小径：20-5.5=14.5mm螺母高度： mm 2.3Hd丝杆旋动圈数： 57(102)np:基本牙型高度： mm 0.h工作压强： 2110.0143.42.57Fp pdn工作压强满足要求。为了保证自锁，螺纹升角: 0f.9arctnarctn4258osos螺纹牙根部的宽度： mm5bp优秀本科设计- 25 -4 摩擦磨损试验机结构设计4.1 试验机整体结构摩擦磨损试验机用 CAD 装配图的整体外观效果如图 4.1、4.2、4.3 所示。图 4.1 装配图（正视图）图 4.2 装配图（左视图）优秀本科设计- 26 -图 4.3 装配图（俯视图）4.2 箱体结构设计根据计算所得的尺寸来看，为了能够是整体结构紧凑美观设计箱体如图（4.4）所示图 4.4 箱体结构设计4.3 支架设计此试验机用到的的支架有三种形式，它们受的力都很小，满足结构要求的支架就能够满足受力的要求。因此对与丝杆相连的支架进行介绍：优秀本科设计- 27