无级变速主传动系统设计论文

哈理工大学课程设计(论文)无级变速主传动系统设计（题目35）所在学院机械动力工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级姓 名学 号指导老师 2015 年 9 月 4 日摘 要设计机床的主传动变速系统时首先利用传动系统设计方法求出理想解和多个合理解。根据数控机床主传动系统及主轴功率与转矩特性要求，从主传动系统结构网入手，确定最佳机床主轴功率与转矩特性匹配方案，计算和校核相关运动参数和动力参数。根据已确定的运动参数以变速箱展开图的总中心距最小为目标，拟定变速系统的变速方案，以获得最优方案以及较高的设计效率。在机床主传动系统中，为减少齿轮数目，简化结构，缩短轴向尺寸，用齿轮齿数的设计方法是试算，凑算法，计算麻烦且不易找出合理的设计方案。本文通过对主传动系统中三联滑移齿轮传动特点的分析与研究，绘制零件工作图与主轴箱展开图及剖视图。关键词 分级变速；传动系统设计,传动副，结构网，结构式，齿轮模数，传动比目 录摘 要.2目 录.3第1章 绪论51.1 课程设计的目的51.2课程设计的内容61.2.1 理论分析与设计计算61.2.2 图样技术设计61.2.3编制技术文件61.3 课程设计题目、主要技术参数和技术要求6第2章 运动设计.72.1运动参数及转速图的确定7确定结构网8绘制转速图和传动系统图8第3章 动力计计.103.1 计算转速的计算.103.2 齿轮模数计算及验算103.3 主轴合理跨距的计算14第4章 主要零部件的选择.164.1电动机的选择164.2 轴承的选择164.3变速操纵机构的选择16第5章 校核.175.1 轴的校核175.2 轴承寿命校核20第6章 结构设计及说明.226.1 结构设计的内容、技术要求和方案226.2 展开图及其布置23结 论.24参考文献25致 谢26第1章 绪论1.1 课程设计的目的机械系统设计课程设计是在学完本课程后，进行一次学习设计的综合性练习。通过课程设计，使学生能够运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及生产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的目的。通过课程设计，分析比较机械系统中的某些典型机构，进行选择和改进；结合结构设计，进行设计计算并编写技术文件；完成系统主传动设计，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计，掌握查阅相关工程设计手册、设计标准和资料的方法，达到积累设计知识和设计技巧，提高学生设计能力的目的。通过设计，使学生获得机械系统基本设计技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行机械系统设计创造一定的条件。1.2课程设计的内容机械系统设计课程设计内容由理论分析与设计计算、图样技术设计和技术文件编制三部分组成。1.2.1 理论分析与设计计算（1）机械系统的方案设计。设计方案的分析，最佳功能原理方案的确定。（2）根据总体设计参数，进行传动系统运动设计和计算。（3）根据设计方案和零部件选择情况，进行有关动力计算和校核。1.2.2 图样技术设计（1）选择系统中的主要机件。（2）工程技术图样的设计与绘制。1.2.3编制技术文件（1）对于课程设计内容进行自我经济技术评价。（2）编制设计计算说明书。1.3 课程设计题目、主要技术参数和技术要求题目35：无级变速主传动系统设计技术参数：Nmin=67r/min；Nmax=3500r/min；nj=220r/min；电动机功率Pmax=2.2kW；nmax=3000r/min；nr=1500r/min；第2章 运动设计2.1运动参数及转速图的确定技术参数：Nmin=67r/min；Nmax=3500r/min；nj=220r/min；电动机功率Pmax=2.2kW；nmax=3000r/min；nr=1500r/min；(1) 无级变速传动系统的恒功率调速范围Rnp:Rnp=15.91(2)交流调速电动机的恒功率调速范围rnp:rnp=2(3)分级变速传动的转速级数Z： Z=lgRnp/lgrnp4 取Z=4则计算出各个恒功率段极限转速分别为：220 r/min 438 r/min875 r/min 1750 r/min 3000 r/min确定结构网图2-1结构网 绘制转速图和传动系统图（1） 绘制转速图：转速图（2） 主传动系统图 图2-3 主传动系统图（3）齿轮齿数的确定。根据系统转速图及已知的技术参数1-2轴最小中心距：A1_2min1/2(Zmaxm+2m+D)轴最小齿数和:Szmin(Zmax+2+D/m)据设计要求Zmin1820,由表4.1，根据各变速组公比，可得各传动比和齿轮齿数，为增加轮毂强度和根切问题取Z1=24，各齿轮齿数如表2-2。齿轮Z0Z0Z1Z1 Z2Z2Z3Z3 Z4Z4齿数37632496408060608040第3章 动力计算3.1 计算转速的计算 3.2 齿轮模数计算及验算（1）、轴 序 号电动机(0)I轴II轴计算转速r/min1500876220（5）、模数计算，一般同一变速组内的齿轮取同一模数，选取负荷最重的小齿轮，按简化的接触疲劳强度公式进行计算，即mj=16338可得各组的模数。选45号钢， =580MPa按接触疲劳计算齿轮模数（6） 基本组齿轮计算。 0-1基本组齿轮几何尺寸见下表齿轮Z0Z0齿数3763模数22分度圆直径74126齿顶圆直径76128齿根圆直径73.5127.5 齿宽16161-2基本组齿轮几何尺寸见下表齿轮Z1Z1 Z2Z2Z3Z3 Z4Z4齿数2496408060608040模数33333333分度圆直径72288120240180180240120齿顶圆直径74290122242182182242122齿根圆直径73.5287.5119.5239.5179.5179.5239.5119.5 齿宽2424242424242424按基本组最小齿轮验算。计算如下： 齿面接触疲劳强度计算： 接触应力验算公式为 弯曲应力验算公式为： =YSaYFaY式中 T-传递的额定功率（kW），这里取N为电动机功率，N=4kW; -计算转速（r/min）. =220（r/min）; m-初算的齿轮模数（mm）, m=3（mm）; B-齿宽（mm）;B=24（mm）; d-齿轮分度圆直径； z-小齿轮齿数；z=24; u-小齿轮齿数与大齿轮齿数之比,u=4; -齿宽系数 ZE-弹性系数 -节点区域系数 Z-接触强度重合度系数 YSa-齿形系数YFa-应力修正系数 Y-弯曲强度重合度系数-许用接触应力（MPa）,查【4】，表4-7，取=580 Mpa；-许用弯曲应力（MPa），查【4】，表4-7，取=215 Mpa；可求得：=324 Mp =580 Mp =6.18Mpa =215 Mp 满足要求。（7）各个轴之间的中心距计算。 0-1轴 a=(mz0+mz1)/2=100mm 1-2轴 a=(mz1+mz2)/2=180mm3.3 主轴合理跨距的计算由于电动机功率P=2.2KW，根据【1】表3.20，前轴径应为6090mm。初步选取d1=80mm。后轴径的d2=（0.70.9）d1，取d2=60mm。根据设计方案，前轴承为NN3016K型，后轴承为圆锥滚子轴承。定悬伸量a=120mm，主轴孔径为30mm。轴承刚度，主轴最大输出转矩T=9550=9550=95.5N.m假设该机床为车床的最大加工直径为300mm。床身上最常用的最大加工直径，即经济加工直径约为最大回转直径的50%，这里取60%，即180mm，故半径为0.09m；切削力（沿y轴） Fc=1061.11N背向力（沿x轴） Fp=0.5 Fc=530.56N总作用力 F=1186.4N此力作用于工件上，主轴端受力为F=1186.4N。先假设l/a=2，l=3a=240mm。前后支承反力RA和RB分别为RA=F=1186.4=1779.6NRB=F=1186.4=593.18N根据文献【1】式3.7 得：Kr=3.39得前支承的刚度：KA= 1489.6 N/；KB= 702.6 N/；=2.12 主轴的当量外径de=(80+60)/2=70mm，故惯性矩为 I=113.810-8m4 =0.1查【1】图3-38 得 =2.0，与原假设接近，所以最佳跨距=1202.0=240mm合理跨距为（0.75-1.5），取合理跨距l=360mm。 根据结构的需要，主轴的实际跨距大于合理跨距，因此需要采取措施增加主轴的刚度，增大轴径：前轴径D=100mm，后轴径d=80mm。前轴承采用双列圆柱滚子轴承，后支承采用背对背安装的角接触球轴承。第4章 主要零部件的选择 4.1电动机的选择转速n3000r/min，功率P2.2kW选用调速电动机 4.2 轴承的选择0轴：与带轮靠近段安装双列角接触球轴承代号7006C 另一安装深沟球轴承6012I轴：对称布置深沟球轴承6007II轴：后端安装双列角接触球轴承代号7015C 另一安装端角接触球轴承代号7010C中间布置角接触球轴承代号7012C4.3变速操纵机构的选择选用左右摆动的操纵杆使其通过杆的推力来控制II轴上的二联滑移齿轮。第5章 校核5.1 轴的校核（1）主轴刚度符合要求的条件如下：（a） 主轴的前端部挠度（b） 主轴在前轴承处的倾角（c） 在安装齿轮处的倾角E取为，由于小齿轮的传动力大，这里以小齿轮来进行计算将其分解为垂直分力和水平分力由公式可得主轴载荷图如下所示：由上图可知如下数据：a=364mm,b=161mm,l=525mm,c=87mm计算（在垂直平面）,，计算（在水平面）,，合成：5.2 轴承寿命校核轴选用的是深沟球轴承轴承6007,其基本额定负荷为13.0KN由于该轴的转速是定值n=1120r/min,所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的轴承进行校核。轴传递的转矩 T=9550 =23 N.m齿轮受力 N 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为 N N 因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，按机械设计表10-5查得为1.0到1.2，取，则有：N N故该轴承能满足要求。由轴最小轴径可取轴承为7008C角接触球轴承。取=3；P=XFr+YFaX=1，Y=0。对轴受力分析得：前支承的径向力Fr=1278N。 当量动载荷：P=715.68N。 由轴承寿命的计算公式：预期的使用寿命 L10h=15000hL10h=L10h=15000h 轴承寿命满足要求。第6章 结构设计及说明6.1 结构设计的内容、技术要求和方案设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴、轴承、带轮、齿轮、离合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱体及其联结件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计由于时间的限制，一般只画展开图。主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题。精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，传动效率要求，主轴前轴承处温度和温升的控制，结构工艺性，操作方便、安全、可靠原则，遵循标准化和通用化的原则。主轴变速箱结构设计时整个机床设计的重点，由于结构复杂，设计中不可避免要经过反复思考和多次修改。在正式画图前应该先画草图。目的是：1 布置传动件及选择结构方案。2 检验传动设计的结果中有无干涉、碰撞或其他不合理的情况，以便及时改正。3 确定传动轴的支承跨距、齿轮在轴上的位置以及各轴的相对位置，以确定各轴的受力点和受力方向，为轴和轴承的验算提供必要的数据。4 精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，轴承温度和温升的控制，结构公艺性，操作方便，安全，可靠原则，遵循标准化和通用化原则。6.2 展开图及其布置展开图就是按照传动轴传递运动的先后顺序，假想将各轴沿其轴线剖开并将这些剖切面平整展开在同一个平面上。1轴上安装的摩擦离合器和变速齿轮。有两种安装布置方案，一是将两级变速齿轮和离合器做成一体，齿轮的直径受到离合器直径的约束，否则齿轮无法加工，这样轴的间距加大。另一种方案是将离合器的左右部分分别同轴线的轴上，这种齿轮尺寸小但轴向尺寸大。我们选择第一种方案。总布置时需要考虑制动器的位置。制动器可以布置在背轮轴上也可以放在其他轴上。制动器不要放在转速太低轴上，以免制动扭矩太大，是制动尺寸增大。齿轮在轴上布置很重要，关系到变速箱的轴向尺寸，减少轴向尺寸有利于提高刚度和减小体积。结 论经过这次课程设计，使我对机械系统设计这门课当中许多原理公式有了进一步的了解，并且对设计工作有了更深入的认识。在设计过程中，得到老师的精心指导和帮助，在此表示衷心的感谢。本次课程设计充分应用了以前学习的知识来分析和解决实际问题，了解了机械设计的设计思路和设计切入点同时得到了对机械零部件的传动设计和动力计算能力以及应用资料和实际动手能力的提高。分级变速主传动系统设计的结构及部分计算，到这里基本结束了，由于笔者水平有限，加之时间仓促，仅对分级变速主传动系统主要部分进行设计和校核，定有许多地方处理不够妥当，有些部分甚至可能存在错误，望老师多提宝贵意见。参考文献【1】.机械设计 科学出版社【2】.机械课程设计 科学出版社【3】.机床设计手册 机械工业出版社【4】.机床设计图册 上海科学技术出版社 【5】.机械设计（