内曲线径向柱塞马达（导轨设计）.doc

2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计重庆三峡学院毕业设计（论文）题目 内曲线径向柱塞马达（导轨设计）院 系 应用技术学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2009 级（1） 学生姓名 程 双 霜 学生学号 200915144160 指导教师 何晶昌 职称 副教授 完成毕业设计（论文）时间 2013 年 1 月1目录内曲线径向柱塞马达（导轨设计）1一 总述2（一） 机械设计目的2（二） 机械设计内容2（三） 机械设计要求2二 液压马达的总体设计3（一） 初定液压马达材料3（二） 初定液压马达结构参数3（三） 绘制马达导轨理论曲线（径向变化轨迹）6（四） 验算导轨最小向径9（五） 滚轮与导轨进、回油区段的运动受力分析11（六）校核液压马达结构参数13（七） 计算导轨寿命14三 马达壳体设计15（一） 马达壳体结构尺寸设计15（二） 马达壳体材料与加工17结论17致谢18参考文献18Abstract19附录20 内曲线径向柱塞马达（导轨设计）程双霜 CHENG Shuang-shuang重庆三峡学院应技院机械设计制造专业2009级（1） 重庆万州 404000摘要 本设计是关于轴转整体式径向内曲线柱塞马达。包含的内容有马达导轨设计，整体式马达外壳设计，还有整体式马达外壳、柱塞副、缸体、配流轴这四个部分的装配。导轨设计采用的是等加速曲线，通过合理的导轨作用次数与柱塞数的选取，以及导轨作用幅角的分配使设计的马达径向力和输出脉动率都为零，在低速大扭矩的工作情况下，具有较高的工作效率。 关键字 内曲线 柱塞 马达 导轨 一 总述（一） 机械设计目的 1培养我们综合运用所学的机械设计课程的知识去解决机械工程问题的能力，并使所学知识得到巩固和发展2学习机械设计的一般方法和步骤。3进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范（二） 机械设计内容1拟定和分析液压马达的设计方案。2选择合适的液压马达结构参数。3进行液压马达的设计计算，结构设计，校核导轨与滚轮的接触强度。4 绘制导轨图样以及马达装配图。（三） 机械设计要求 1 理论联系实际，力求设计合理，同时鼓励创新。 2 认真阅读教材中与课程有关的内容，认真查阅有关资料。 3 正确运用课程设计指导书，按步骤进行设计和计算，不要急于求成；按时完成全部设计任务。 4 编写设计计算说明书，准备答辩。二 液压马达的总体设计（一） 初定液压马达材料 根据设计要求,输出转数T=5000Nm , n=150r/min=2.5r/s=900度/s。,虽然其转速大于100r/min,但其仍可设计为 低速大扭矩液压马达。初定设计的液压马达为多作用轴转整体式衡横梁传力结构。导轨材料选择低碳合金铸钢，滚轮采用碳钢。（二） 初定液压马达结构参数1转速与扭矩 T=5000N.M , n=150r/min=2.5r/s2初定基本参数x,z,y,d,h, 根据径向力平衡以及为使拥有较大的容积效率初选取作用数x=6，柱塞数z=8，排数y=2。由低速大扭矩液压马达理论、计算与设计(以下简称低速)公式2-2可得 q=(排量)为了使马达有紧凑的径向尺寸，参考低速P66， h/d=0.50.7，选取h=0.6d。原式变为又由液压传动与气压传动（以下简称液压）一书中公式（4.45）、（4.49）、（4.50）可得n= (Q为流量)输入功率Pi=PQ（P为工作压力）输出功率 PO=2nT设其输入功率与其输出功率约等（忽略其功率损失），则PQ=2nT，将2-2带入式中，化简得到2T P2T，将数值带入式中，计算得PP5000P2500/36694.4 （P单位MPa,d单位cm） （1-1）其排量为 q=45.216 （1-2）综合（1-1）和（1-2），可得Pq45.216694.4=30945.8304，因为压力值越大对材料以及其密封性要求越高，泄漏量也可能会增大，所以压力值不宜太大。但若压力值取值小，会增大排量，这会增大马达外形。所以要合理选择P与q。 参考机械设计手册（单行本，液压传动）（以下简称机械）一书表1.1及1.2，选择合理的工作压力，能合理增大柱塞直径d以及减少柱塞行程，借以降低，缩短柱塞长度，减小马达外形尺寸。（1）若选取公称压力为31.5MPa将P=31.5MPa代入式（1-1）中，计算的到d2.8cm，所以h=1.647cm将d2.8带入式（1-2）中，计算得到q984.41ml/r，参考机械表1.2，可选取q=1000ml/r，但d值取得偏小，会影响其寿命。（2） 若选取公称压力为25MPa将P=25MPa代入式（1-1）中，计算的到d3.03m，所以h1.82cm将d3.03带入式（1-2）中，计算得到q1257.83ml/r，参考机械表1.2，若选取q=1250ml/r，考虑到输入功率应大于输出功率，所以不宜去1250ml/r，但若选取1600ml/r又相差太大。（3）若选取公称压力为20MPa将P=20MPa代入式（1-1）中，计算的到d3.27cm，h1.99cm将d3.27带入式（1-2）中，计算得到q1581.01，参考机械表1.2，考虑到马达的输入功率应比输出功率大，可以选取选取公称排量q=1600ml/r。（4） 若选取公称压力为16MPa将P=16MPa代入式（1-1）中，计算的到d3.514cm，h2.12将d3.514带入式（1-2）中，计算得到q2005.87ml/r，参考机械表1.2，考虑到马达的输入功率应比输出功率大，但若选取选取公称排量q=2500，则排量相差太大。 经过比对，初选定为第3种方案。重新计算柱塞直径d，h 3 初定导轨最小向径 根据已初定的x,y,z,h,d,根据结构紧凑要求,所以取得80mm160，取=120mm。4 初定横梁宽度b由于柱塞排数初定设计为双排，参照液压式2-163，当d=32.8540mm时，选取B=2.9d=2.932.85=95.265mm，化整为b=95mm。5 初定滚轮尺寸在内曲线液压马达中，采用外圈加厚的滚针轴承作为滚轮，内圈固定。初定滚针轴承的宽度B=20mm，直径D=45mm。6 液压马达导轨的幅角分配所谓幅角分配系数是指定子曲线各区段所包含的幅角(夹角)与脉动周期角之比值。初定x=6,z=8,其最大公约数m=2其作用幅角 = 脉动周期角 所以总的幅角分配系数为 因为分配系数K较小，所以选用幅角修正曲线的分配方法。初定 所以 将上两式相加得 而=（零速区作用幅角）现有三种方案（1）取=，则，则=，（2） 取=，则，则=，（3） 取=，则，则=，考虑到其幅角利用率 ,应尽量在合理的情况下，选取较小的，初定为第一种方案。（三） 绘制马达导轨理论曲线（径向变化轨迹）1 导轨曲线的运动方程（1） 零速区 （2） 加速区 速度 由第二节选择的幅角分配方案，计算加速区的加速度。由液压式2-87带入数值得位移所以当时，mm（3） 幅角修正区 由于初选 （C为幅角分配不对称系数，C=1时，为对称分配）（4） 减速区 （5） 零速区 （）2柱塞组在一个作用幅角内的加速度、速度、位移公式表由上面计算出来的导轨方程，列出下表1表1 方程角度（区段） （零速区） 0 0 0（加速区） （等速区） 0 （减速区） -0.1212 （零速区） 0 0 203 柱塞组的折算速度和折算加速度 根据以上得出的各个区段的方程，可作出以下柱塞组的折算加速度折算速度和路径轨迹图。其中导轨理论曲线是（四） 验算导轨最小向径由液压式2-155得其中，P为一个柱塞的液压推力 (p为进油口压力),，i=2,y=2,将上述数值带如公式计算，原式变换为由于根据x,z,h,d初选出来的值取值小于按接触强度计算的到的值，所以导轨最小半径改为根据第三节计算出来的，可由，得到各个区段的等式，画出其理论导轨曲线。（以下操作在UG中完成）以为半径，x=0,y=0,z=0为圆心作圆，做出两个零速区段的轮廓曲线。再利用“表达式”，在UG中输入在一个作用幅角内，加速区，修正幅角区，减速区的的径向公式（），用规律曲线作出这一个作用幅角的曲线图，将这一个作用幅角经过几次镜像之后，就得到范围的封闭导轨曲线，即为滚轮中心的运动轨迹（理论导轨曲线）。如下图所示（五） 滚轮与导轨进、回油区段的运动受力分析 进入进油区段后，在高压下滚轮紧贴导轨，对导轨产生冲击，易导致导轨与滚轮迅速损坏。在回油区段中，由于惯性力的影响，可能出现滚轮脱离导轨的情况。因此需要对滚轮与导轨进、回油区运动进行受力分析，得出马达在工作中滚轮不脱离导轨的条件。在进油区段上，虽然柱塞加速度运动的惯性力和相对运动摩擦力都使柱塞副背离导轨，大由于高压也压力远大于上述二力，滚轮不可能脱离导轨。但在回油区段中被压较小，转速达一定值时，可能出现加速度惯性力大于背压力、摩擦力和离心力之和的情况，滚轮脱离导轨。下面计算各力。计算中假定压向导轨的力为正，背向导轨的力为负。初定液压系统背压，柱塞副质量约为20kg。1 液压力进油区段 回油区段 2 离心力柱塞副做回转牵连运动的时候，柱塞副因存在向心加速度而产生的力。其中表示牵连运动加速度，为柱塞副中心所在的向径。，其中因为在第三小节计算滚轮导轨加速度，速度，路径时使用的单位是，所以在转化单位时。滚轮在进油区段向径不断增加，离心力渐增，在回油区段工作时，向径不断减小，离心力也随之减小。由于最后是校核是否大于等于零，所以当计算时，向径取为70mm；而，当计算时，向径取为90mm。减速区 加速区 3 相对加速度惯性力因为在计算此惯性力的时候，即w=6n。也可以将化为但当带入公式中相乘以后，也会得到与进油区段的加速区和回油区段的减速区中的惯性力 进油区段的减速区和回油区段的加速区 4 柱塞副与缸体相对运动时的摩擦力根据单位相同原则（与计算离心力是时单位相符合），此式中 进油区段 回油区段 式中f为摩擦系数，缸体加工良好，且浸在壳体油中，取其摩擦系数f=0.07对各力进行分析，在进油区段减速区的终点处存在着导轨与滚轮的最大作用力，在回油区段的加速区终点处，因惯性力背向导轨，且向径最小，是压向导轨的离心力最小，故具有最小作用力。所以当计算时，选取。因为，所以，所以进油区段 回油区段根据以上1、2、3、4步算出的结果，校核=1270.665+345.086-1963.44+53.6-293.689N0，滚轮无法正常工作，即滚轮在运动过程中会脱离导轨，所以增大其被压值。则。由于相对于原来背压值取为1.5MPa时，增大了423.56N，且也会随着的增大略微有增大，所以重新计算出来的值一定大于0。所以当背压值滚轮能在导轨上正常工作，即滚轮在工作过程中不会脱离导轨。校核=16942.223+443.682-1963.44+0=15422.465N（六）校核液压马达结构参数 由于滚轮选用锻钢，导轨选铸钢，且它们的接触方式为线接触，参考液压式2-128 设计的马达导轨为整体式铸钢导轨，采用高频淬火，淬硬层一般2mm,表面硬度HRC5055。根据液压 图2-33，取接触疲劳强度极限为1300MPa，即导轨的接触强度为1300MPa。所以，上式应小于等于导轨的接触强度,即为在内曲线液压马达中，当采用速度连续增长的导轨曲线时，只需计算加速区起点处的接触应力在该点处存在最小的导轨曲线曲率半径，因而具有最大的接触应力。根据资料低速，其中各参数单位：，为一个柱塞所产生的液压推力。P=加速区起点接触应力校核 （）（七） 计算导轨寿命根据液压式2-127可得其中，n为液压马达转速，z为柱塞数，为导轨实际接触应力，为导轨许用应力。 三 马达壳体设计（1） 马达壳体结构尺寸设计马达壳体设计为整体式，分为三部分。如下图所示第一部分是壳体与导轨以低碳合金钢铸成的一个整体。配流轴，缸体，柱塞副均装配在这个整体中。第二部分右端盖1，是作为封闭外壳的一个零件之一，与调心滚子轴承接触，为输出轴提供径向支持力。第三部分是右端盖2，与右端盖1组合，将整个马达整体形成一个密封的空间。三者之间用螺纹连接。 1 壳体与导轨组合体的设计 根据第二章第二节的第二小节x,z,h,d初选出来的导轨最小半径为。根据此第三节计算出来的，由，得到各个区段的等式，画出其理论导轨曲线。以为半径，x=0,y=0,z=0为圆心作圆，做出两个零速区段的轮廓曲线。即为滚轮中心的运动轨迹（理论导轨曲线）。实际马达导轨曲线为理论导轨曲线向外偏移距离22.5mm（滚轮半径），如下图所示。缸体壁厚初设为15mm。最左边孔1与配流轴相配合，其宽度为20mm，直径115mm。孔2是为了挡住深沟球轴承外圈（安装尺寸），且为壳体与配流轴的微调耳环配合留有空间，参考机械设计实用手册（以下简称实用）表4.2-57普通深沟球轴承16026，孔2宽度为15mm，直径为193mm。孔3与深沟球轴承16026外圈配合，宽度为22mm，直径200mm。由于导轨与滚轮线接触长度为20mm，导轨宽度略宽于滚轮宽度20mm，取两边导轨宽度为22mm，由于滚轮为滚针轴承，考虑到滚针轴承的安装尺寸，在导轨两边的壳体内加工出与向导轨内偏移1mm的挡圈，即其宽为3mm，厚为1mm。在两导轨的中间处，是为受力横梁留取的空间，参考实用表2.4-3在优先数Ra20中选择360mm。因为最大导轨直径为345mm，为了防止滚轮在导轨最低处与壳体发生碰撞，所以将初定的横梁宽度b=95mm分布直径于直径为360mm的圆周上。由于此为轴转马达，于是在壳体左边设有6个M12的螺纹孔，与另外的零件配合，固定壳体。在壳体左端面，有一螺纹孔与配流轴的微调耳环配合，固定配流轴。在与横梁中点相对的圆周上有一螺纹孔，此用于马达油量泄漏油的排油孔。在最右处的端面上均匀分布有6个M10的螺纹孔，这是把右端盖与之固定的连接螺纹。设计的壳体与导轨组合体见图纸内曲线径向柱塞马达整体式导轨。2 右端盖1的设计 右端盖1和壳体与导轨的组合体关于横梁中点相对的圆周对称。在右边端面上均匀分布6个M10的沉头螺纹通孔，这是与组合体连接的螺纹。在直径为210mm的圆周上均匀分布有6个M10的螺纹孔，这是与右端盖进行固定的螺纹连接。因为直径为180孔是配合调心滚子轴承外圈，参考实用表4.2-74调心滚子轴承，选用22220TN1/W33，为了右端盖2更好地与之接触配合，其宽度大于46mm。两端盖配合后留有的宽度为46mm，左右两边会形成与挡圈相似的结构，其宽度为3mm，直径为168mm。设计的右端盖1见图纸内曲线径向柱塞马达壳体右端盖1。3 右端盖2的设计 右端盖2与右端盖1采用间隙配合，最右端面上分布有6个M10的螺纹通孔，这是与右端盖1进行固定的螺纹连接。由于还要与输出轴相接触，参考机械设计手册（单行本 润滑与密封）表10-4-18，选择旋转轴唇形密封圈GB_ T9877.33-1988_Z95x120,此密封圈宽度为mm。设计的右端盖2见图纸内曲线径向柱塞马达壳体右端盖2。 （二） 马达壳体材料与加工由于设计马达为整体式，中、高碳钢由于流动性较差，出现废品率较高，所以选择整体式铸钢马达导轨为低碳合金铸钢,ZG45Mn。铸钢件采用分段中频淬火，各段相接处出现的软带，就置于接触应力最小的导轨最外点处。整体式导轨加工工艺比较简单，采用导轨浸没油中连续加工淬火的工艺，导轨变形以控制在需用范围之内，在淬火前将导轨曲面精铣表面粗糙度Ra达到3.3um。要求两个导轨的母线有较好的平行度，较大的平行度超差会引起横梁轴向力增加，要求在100mm内平行度公差为0.04mm。 结论此内曲线液压马达是一种双排多作用径向轴转整体式衡横梁传力低速大扭矩马达，其多用结构和低速大扭矩特点，使用时可以直接驱动负载，一般不用减速装置，具有低速运转平稳，启动效率高，加速和制动时间短，过载保护，结构紧凑，外形尺寸小，布置灵活等优点。液压马达的作用原理都是压力油推动柱塞位移，产生缸孔容积变化，传力形成马达转动。此液压马达是滚轮与导轨作用产生的切向力，由矩形横梁传递给缸体形成扭矩。柱塞不受切向力作用，缸孔磨损微小。由于整体式导轨结构，马达在工作中有部分横梁伸出缸体，接触比压较大。此设计主要是关于马达壳体，在设计马达壳体的时候，有些是通过理论的计算，来得到所需要的数据，或验证尺寸。有些尺寸则是参考相关资料得出来的经验数据，而现在关于内曲线径向柱塞马达的研究资料有限，所以关于产品的更多的性能验证，还有待深入探究。致谢本课题在选题和设计过程中得到何晶昌老师的悉心指导。提供了一些很重要的设计资料，在设计过程中不论我遇到了大大小小的困难，何老师总是会耐心的指点迷津，帮助我开阔设计思路，精心点拨，热忱鼓励。初识在大二理论力学课上，后来何老师又陆陆续续的教授我们好几门专业课，何老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神对我产生了巨大且深刻的影响。很幸运在人生当中遇到如此优秀的老师，不仅授我以文，而且教我做人。另外还有与我一起做马达毕业设计的方健军、陈太东、戴航这三位合作伙伴，在设计过成中，能仔细的指出其中的不足，当遇到问题的时候，总能够耐心的想办法解决，能够相互理解，大家相处很融洽。此外，还要感谢大学期间所有教授过我的老师们，没有你们的辛勤付出，我也不会对机械有更深一步的认识，也不会有能力来完成本课题。总而言之，衷心的感谢各位老师与同学理解和帮助，谢谢你们。参考文献1 陈卓如.低速大扭矩液压马达理论、计算与设计. 机械工业出版社，1989.52 成大先.机械设计手册 单行本 液压传动.化学工业出版社，2004.13 成大先.机械设计手册（第五版）单行本 润滑与密封.化学工业出版社，2010.14 机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册.机械工业出版社，2009.45 裘问言，张祖继，瞿元赏.机械制图.高等教育出版社，2003.66 姜继海，宋锦春，高常识.液压与气压传动.高等教育出版社，2009.57 孙开元，郝振杰.机械工程制图手册.化学工业出版社，2011.128 史鹏涛，袁越锦，舒蕾.UG NX 6.0 建模基础与实例.化学工业出版社，2009.99 张瑞萍.UG NX 5 中文版标准教程.清华大学出版社，2007.11Internal curve radial piston motor (Motor rail )CHENG Shuang-shuangGrade 2009,Mechanical Design,Manufacture Automation,School of Application techno