机床设计说明书

主轴箱课程设计 CA6140型车床机械制造技术基础课 程 设 计 说 明 书（机械制造及其自动化专业）（机床部分）设计题目： 车床主轴箱设计 设 计 者： 刘阳 学 号： 3 指 导 教 师： 邹斌 山东大学机械制造及其自动研究所二O一三年一月 1、设计目的通过机床主运动机械变速传动系统得结构设计，在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。2、各运动参数的确定2.1确定传动方案2.1.1已知条件 【1】确定转速范围：主轴最小转速nmin=40 r/min【2】确定公比： 【3】转速级数：2.1.2结构分析式 从电动机到主轴主要为降速传动，若使传动副较多的传动组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，节省材料，也就是满足传动副前多后少的原则，因该机床级数较小，在无重复级数出现的情况下采用方案。在降速传动中，防止齿轮直径过大而使径向尺寸常限制最小传动比 ；在升速时为防止产生过大的噪音和震动常限制最大转速比。在主传动链任一传动组的最大变速范围。在设计时必须保证中间传动轴的变速范围最小，根据中间传动轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下：检查传动组的变速范围时，只检查最后一个扩大组： 其中， 所以 ，合适。2.1.3绘制转速图 【1】确定传动轴轴数 传动轴轴数 = 变速组数 + 定比传动副数 + 1 = 2 + 1 + 1 = 4。【2】确定各级转速并绘制转速图 由nmin=40, =1.41,z=9确定各级转速，分别为632、446、316、228、158、114、80、56、40。 在四根轴中，除去电动机轴，其余三轴按传动顺序依次设为、。与、与轴之间的传动组分别设为a、b。 (1) 先确定轴的转速传动组b的级比指数为2，希望中间轴转速较小，因而为了避免升速，又不致传动比太小，可取 ，轴的转速确定为： 316、228、158r/min。(2) 确定轴的转速对于轴，其级比指数为1,可取 ，确定轴转速为316r/min。由此也可确定加在电动机与主轴之间的定传动比。下面画出转速图（电动机转速与主轴最高转速相近）。【3】确定各变速组传动副齿数 (1) 传动组a:查文献【8】表6-4，时： 64、66、68、70、72、74、76、78、80、82、84时：65、67、68、70、72、73、75、77、79、80时：63、66、69、72、75、78、81、84、86、87可取72在一行中找到最小在一行中找到最小在一行中找到最小于是可得轴齿轮齿数分别为：36、30、24。于是，可得轴上的三联齿轮齿数分别为：36、42、48。(2) 传动组b:查文献【8】表6-4, ，时： 107、108、110、111、113、114时107、108、109、110、111、113、114、115时104、105、109、110、114、115可取 110，于是可得轴上的最小齿数分别为：46、37、22。可得轴上的三联齿的齿数分别为64、73、88。2.1.4绘制传动系统图根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图：2.2 选取电动机【1】计算切削力（N）=1900=19003.5=3026 N；其中背吃刀量=3.5mm，=0.35 文献6表2-4切削速度v=90 m/min文献6表2-4【2】计算切削功率()【3】计算主电动机功率()选取的电机额定功率应大于功率,查文献【3】表2-3选取Y160-8,其额定功率为5.5，额定满载转速为720，最大额定转距2.0。2.3 带传动设计电动机转速n=720r/min,传递功率P=5.5KW,传动比i=2.22，两班制，一天运转16小时，工作年数10年。2.3.1确定计算功率 取1.2，文献【4】表11.5则2.3.2选取V带型 根据小带轮的转速和计算功率，文献【4】表11.15(P188)选A型带。2.3.3确定带轮直径和验算带速1、初选小带轮的基准直径查文献【4】图11.15和表11.6查得小带轮基最小直径2、验算带速v 其中 -小带轮转速，r/min； -小带轮直径，mm； ，合适。3、计算大带轮的基准直径2.3.4确定带传动的中心距和带的基准长度 设中心距为,则 07（）a2（） 于是 227.5a650, 初取中心距为500mm。 带长 查文献【4】图11.3取相近的基准长度，。 带传动实际中心距2.3.5验算小带轮的包角 一般小带轮的包角不应小于。 ，合适。2.3.6确定带的根数1、计算单根V带的额定功率： 查文献【4】表11.8， 表11。10， 表11.7，； 表11.12， 2、计算V带的根数，取Z=3. 2.3.7计算单根带的初拉力的最小值 其中： -带的传动功率,KW； v-带速,m/s； q-每米带的质量，kg/m；取q=0.1kg/m，文献【4】8-3； 2.3.8计算作用在轴上的压轴力 2.4确定各轴转速2.4.1确定主轴计算转速主轴的计算转速为参照资料6P51页表1.82.4.2各传动轴的计算转速 轴可从主轴80r/min按22/88的传动副找上去，轴的计算转速80r/min；轴的计算转速为160r/min；轴的计算转速为320r/min。文献【6】P53，图1.39。2.4.3验算主轴转速误差 转速误差： 为主轴的实际转速。1、,，合格 2、，合格3、，合格4、，合格5、，合格6、，合格7、，合格8、，合格9、，合格2.5计算各传动轴传递的功率 其中为滚动轴承的效率；为齿轮传动的效率；为V带传动的效率。2.6各传动轴直径的确定确定传动件计算转速：主轴： 由实用机床设计手册p90表6-8知主轴计算转速是第一个三分之一转速范围内的最高一级转速，即各传动轴： 轴可从主轴为80/min按18/57的传动副找上去，似应为250r/min。但是由于轴上的最低转速160r/min经传动副可使主轴得到50/min和100r/min和200r/min三种转速。100/min和200r/min要传递全部功率，所以轴的计算转速应为160r/min。同理轴的计算转速为320r/min。2.6.1轴O(电机轴)（1）材料选取：主轴采用45号钢，调质处理。（2）计算直径：根据功率P=5.5KW，查文献【9】图3-3（P87）得电机轴前轴颈直径=70100，取=90mm，主轴后轴颈直径，取主轴内孔直径的确定: （平均直径）2.6.2轴III(主轴)：（1）材料选取：采用45号钢，调质处理。（2）计算直径：按扭转强度条件计算，轴的扭转强度条件为: 机械设计P314式中：-扭转切应力，Mpa； -轴所受的扭矩，； -轴的扭转界面系数，； -轴的计算转速，； -轴传递的功率，； d-计算截面处轴的直径，mm； -许用扭转切应力，Mpa；由上式可以得轴的直径式中: 查文献【4】表16-2得：。 P=4.87kw； n=80； 取2.6.3轴：（1） 材料选取：采用45号钢，调质处理。（2）计算直径查文献【4】表16-2得： P=5.07kw； n=160； 。 取2.6.4轴（1） 材料选取：采用45号钢，调质处理。（2）计算直径：查文献【4】表15-3得：； P=5.25kw； n=320； 。 取2.7 各传动组齿轮模数的确定和校核2.7.1 模数的确定按下列公式初定模数： 文献【6】，式中 ：-按接触疲劳强度估算的齿轮模数（mm）-驱动电动机的功率（kw）-被计算齿轮（小齿轮）的计算转速（r/min） u大齿轮与小齿轮齿数之比，“+”号用于外啮合，“-”号用于内啮合 -被计算齿轮的齿数（一般取传动中的小齿轮）-齿宽系数，=6-10，B为齿宽，m为模数 -许用接触应力（MPa）查文献【6】表4-16，得=1100Mpa则a组，取； b组，取；2.7.2 模数的校核按接触疲劳强度计算齿轮模数：，文献【6】按弯曲疲劳强度计算齿轮模数 ，文献【6】其中: 1）P是被验算齿轮传递的功率（KW），2）是工作状况系数，考虑载荷冲击的影响：冲击性机床（刨床、插床）=1.6-1.8 ，主运动（中等冲击）=1.2-1.6 辅助运动（轻微冲击）=1-1.23）是动载荷系数（考虑由于齿轮制造误差引起的齿轮附加动载荷影响） 4）是齿向载荷分布系数，5）是寿命系数，的极限值、由表4-23查出，当时，取，当时，取6) 是工作期限系数，7)n是齿轮的最低转速（r/min）8）m是交变载荷下的疲劳曲线指数9）是基准循环次数10）T是预定的齿轮工作期限，中型机床推荐T=15000-20000h11）是转速变化系数，查表4-2012) 是功率利用系数，查表4-2113）是材料强化系数，查表4-2214）Y是齿型系数，查表4-24 1、变速组a： 按变速组内最小齿轮算各齿轮模数。齿轮选用40Cr，整淬处理，7级精度。按接触疲劳强度计算，取=1.4； 查文献【6】表4-17，=1.3 ；查文献【6】表4-18，=1.04；T取18000 查文献【6】表4-19，m=3，、均查表，带入公式： 得：则 按弯曲疲劳强度计算带入公式：所以取模数为 3。2、变速组b：按变速组内最小齿轮算各齿轮模数。齿轮选用40Cr，整淬处理，7级精度。按接触疲劳强度计算，取=1.4； 查文献【6】表4-17，=1.3 ；查文献【6】表4-18，=1.04；T取18000 查文献【6】表4-19，m=3，、均查表，带入公式： 得： 则 按弯曲疲劳强度计算带入公式：所以取模数为 4。 齿轮各参数齿轮齿数模数分度圆直径齿根高齿顶高齿根圆直径齿顶圆直径243723.75364.5784831423.753136.5153303903.75382.5964231263.753118.51323631083.753100.51143631083.753100.5114224885478968843525434236046418454174192644256542462647342925428230037414854138156参考机械制图表14-123、各运动部件的校核3.1 齿轮强度的校核 根据要求，校核第一变速组中受力最大的齿轮和第二变速组中受力最大的齿轮。由圆周力可知齿轮直径越小，受力越大，故在第一变速组中校核齿数最小齿轮的齿面接触疲劳强度及与它相啮合的齿轮的齿根弯曲疲劳强度；根据扭矩公式可以知道转速越大，扭矩越小，故应校核第二变速组中齿数最少的齿轮的齿面接触疲劳强度及与它相啮合的齿轮的齿根弯曲疲劳强度。3.1.1变速组a根据GB10015-88选取为7级精度，其中采用（调质）硬度为280HBS，采用45钢，硬度为240HBS，两者材料硬度相差40HBS。【1】小齿轮齿面接触强度的校核（1）小齿轮传递的扭矩（2）齿宽系数，文献【4】表12.13；（3）小齿轮；（4）齿数比；（5）查文献【4】表12.12得材料的弹性影响系数（6）由文献【4】图12.17按齿面硬度查得小齿轮的接触强度极限；（7）计算应力循环次数：设计工作寿命为10年，每年工作300天，两班制；由文献【4】图12.18取接触疲劳寿命系数 （8）计算许用接触应力：安全系数取S=1（9）小齿轮圆周速度根据=，7级精度，由文献【4】图12.9得动载系数（10）计算载荷系数直齿轮：由文献【4】表12.9查得使用系数由文献【4】表12.11用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承不对称布置时，所以载荷系数计算齿面接触强度：所以齿面接触疲劳强度符合要求。【2】大齿轮齿根弯曲强度的校核（1）大齿轮传递的扭矩（2）齿宽系数，文献【4】表12.13；（3）大齿轮（4）齿宽齿高比：由，查文献【4】图12.14得所以载荷系数（5）计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S=1.4;由文献【4】图12.23c查得小齿轮的弯曲疲劳极限,大齿轮的弯曲疲劳极限由上得：由文献【4】图12.24查得弯曲疲劳寿命系数所以 （6）查取齿形系数：由文献【4】图12.21查得查取应力校正系数：由文献【4】图12.22查得计算齿根弯曲强度校核：所以齿根弯曲疲劳强度复合要求。3.1.2变速组b根据GB10015-88选取为7级精度，其中采用（调质）硬度为280HBS，采用45钢，硬度为240HBS，两者材料硬度相差40HBS。【1】小齿轮齿面接触强度的校核（1）小齿轮传递的扭矩（2）齿宽系数，文献【4】表10-7；（3）小齿轮；（4）齿数比；（5）查文献【4】表12.12得材料的弹性影响系数（6）由文献【4】图12.17c按齿面硬度查得小齿轮的接触强度极限；（7）计算应力循环次数：设计工作寿命为10年，每年工作300天，两班制；由文献【4】图12.18取接触疲劳寿命系数（8）计算许用接触应力：安全系数取S=1（9）小齿轮圆周速度根据=，7级精度，由文献【4】图12.9得动载系数（10）计算载荷系数直齿轮：由文献【4】表12.9查得使用系数由文献【4】表12.11用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承不对称布置时，所以载荷系数计算齿面接触强度：所以齿面接触疲劳强度符合要求。【2】大齿轮齿根弯曲强度的校核（1）大齿轮传递的扭矩（2）齿宽系数，文献【4】表12.13；（3）大齿轮（4）齿宽齿高比：由，查文献【4】图12.14得所以载荷系数（5）计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳安全系数S=1.4;由文献【4】图12.23c查得小齿轮的弯曲疲劳极限,大齿轮的弯曲疲劳极限由上得：由文献【4】图12.24查得弯曲疲劳寿命系数所以（6）查取齿形系数：由文献【4】图12.21查得查取应力校正系数：由文献【4】图12.22查得计算齿根弯曲强度校核：所以齿根弯曲疲劳强度复合要求。3.2轴的校核由课程设计要求可知只要对轴轴进行校核即可。由圆周力可知，当扭矩最大时，最大，所以只需对一个变速组内一个轴上所受扭矩最大的齿轮进行校核即可。由式可知，在功率一定的条件下，齿轮所受的扭矩越大，轴的转速越小，所以只要校核齿轮分度圆直径最大的齿轮即可。3.2.1轴的受力分析对轴进行受力分析如下图所示：轴受力分析当轴上转速最低时，齿轮所受的扭矩最大，此时n=160r/min，P=5.07Kw轴上齿轮和分别与齿轮和啮合。所以只要在校核轴时使用和齿轮即可。1）扭矩计算：由公式可计算扭矩：=302.6N.mm2）齿轮上力的计算：对于齿轮： =4262tan20=1551N对于齿轮： =6877tan20=2503N因为和所在的轴所在的位置形成45，所以将齿轮上的力投影到齿轮所受力的方向上，得：3）支承力的计算 水平方向：0，0 0，0计算得： 垂直方向：0，0 0，0计算得： 3.2.3计算弯矩1）水平方向：0xAC，方向与相反 x=3253xN ACxAD, ，方向与相同 x-=-1009x ADxAB，方向与相同 （-x）=-3296x2）垂直方向：0xAC，方向与相反 x=1771x ACxAD, ，方向与相同x-=-220x ADxAB，方向与相同（-x）=-1549x3.2.4弯矩图由以上内容可画出弯矩图如下图所示其中总弯矩计算：=N.m=N.m3.2.5扭矩的计算扭矩已在轴校核的最初已计算出来：T=302.6N3.2.6按弯扭合成应力校核轴的强度校核公式可由文献【2】式（15-5）计算可得：式中，W可由文献【2】表15-4查得计算公式：W=0.1=12500 可取0.3，由文献【2】表15-1查得60MPa代入公式计算得：=所以，可知轴的强度符合要求。3.3轴承的选择与校核3.3.1轴承的选择1)传动轴轴承的选择：因为传动轴只收到径向力的作用，而不受轴向力的作用，故只需选择深沟球轴承6307就够了。2）主轴轴承的选择：因为本车床为普通精度级的轻型车床，主轴采用轴向后端定位的两支承主轴组件。前支承采用双列圆柱滚子轴承N311E与N317E，后支承采用推力球轴承8108。双列圆柱滚子轴承滚子轴承用于承受主轴径向力，角接触球轴承主要承受径向力，承受较小的轴向力。推力球轴承全部用于承受轴向力。3.3.2轴承的校核由课程设计的要求，只校核轴上的深沟球轴承。轴装轴承端直径为40，选用2系列的轴承，故轴承型号为6208。轴承寿命的校核：由皮带轮所确定的工作年限，可算得轴承的预期计算寿命为：=41600h轴承