毕业设计（论文）-jiz-10a型电钻的设计

）IJIZ10A型电钻的设计2012届毕业设计（论文）课题任务书专业机械设计制造及其自动化指导教师课题名称JIZ10A型电钻的设计内容及任务一、设计的主要技术参数钻孔直径钢材18MM；木材40MM额定电压220V输入功率350W额定输出功率160W空载转速02800R/MIN二、毕业设计图纸1整体装配图2控制原理图3各部零件图三、设计说明书1说明书中英文摘要2总体方案的分析与确定3电机及组件的选择4传动装置的设计5重要零部件的设计）II拟达到的要求或技术指标所设计的电钻应达到的要求为1适合于普通钢材、木材、塑料和其他材料的钻孔。2可正反转，具有钻孔和拧螺钉两种功能。3双重绝缘结构。4电子无级调速。5按照人体工程学原理设计外壳。6具有结构简单、体积小、质量轻、操作安全舒适及效率高等特点。摘要电钻是一种切削类电动工具，它适用于在金属材料和非金属材料上作钻孔加工。其特点是体积小、质量轻、便于携带、操作灵活及使用安全等，因此，在机械、建筑、维修、家居装修等领域得到了广泛应用。近年来，随着建筑装潢业的发展，电钻的应用更加普及。电钻由电动机、齿轮减速机构、钻夹头、外壳、开关和电源联接装置等组成，其工作原理是电动机的高速旋转通过一对圆柱斜齿轮减速后，驱动工作头作钻孔加工。本文首先通过对国内外电钻的比较和对电钻发展趋势的分析，确定了电钻的总体设计方案及主要技术参数，然后对电钻各个部分的设计进行了详细说明，如电动机及其辅助元件的选型、齿轮传动装置的设计、外壳的设计和控制电路设计等，其中着重介绍了齿轮传动装置的分析、设计与计算过程，并运用了大量的图表对其进行说明。另外，本文还特别介绍了人体工程学技术以及它在电钻外壳设计中的运用；电子无级调速技术在电路中的应用使电钻具有钻孔和拧螺钉两种功能。关键词电钻，设计，人体工程学技术，电子无级调速湖南工业大学本科毕业设计（论文）IIIABSTRACTTHEELECTRICDRILLISAKINDOFELECTRICMETALCUTTINGTOOLSWHICHISAPPLIEDTOTHEMETALANDNONMETALLICMATERIALSFORDRILLINGITHASMANYCHARACTERISTICSSUCHASTHESMALLCUBAGE,THELIGHTQUALITY,EASYTOCARRY,SAFETYANDRELIABILITYTHEREFORE,ITHASBEENWIDELYUSEDINTHEMACHINERY,METALLURGY,TRANSPORTANDOTHERFIELDSINRECENTYEARS,WITHTHECONSTRUCTIONANDDECORATIONDEVELOPMENT,THEELECTRICDRILLWILLBEAPPLICATEDMOREWIDELYELECTRICDRILLCONSISTSOFTHEELECTRICMOTOR,THESPEEDREDUCERGEAR,DRILLCHUCK,THEOUTERCOVERING,THESWITCHANDTHEPOWERCONNECTINGDEVICESTHEWORKINGPRINCIPLEISTHEELECTRICMOTORROTATINGWITHAHIGHSPEED,THROUGHTHESPEEDREDUCERGEAR,TODRIVETHEDRILLBITFORDRILLINGTHISARTICLEHASFIRSTANALYZEDTHEELECTRICDRILL,DETERMINEDTHEOVERALLDESIGNOFTHEELECTRICDRILLPROGRAMANDTHEMAINTECHNICALPARAMETERTHENTHEDESIGNOFEACHPARTHASBEENINTRODUCED,SUCHASTHESELECTIONOFTHEELECTRICMOTORANDITSAUXILIARYCOMPONENTS,THEDESIGNOFGEARWHEELACTUATOR,THEOUTERCOVERINGANDTHECONTROLCIRCUITAMONGTHEM,THISPAPERHASINTRODUCEDTHEANALYSIS,THEDESIGNANDTHECALCULATEPROCESSOFTHEGEARWHEELACTUATORANDTHISPAPERHASUSEDALOTOFGRAPHICSANDCHARTSTOEXPLAINITADDITIONALLY,THISPAPERHASALSOINTRODUCEDASPECIALERGONOMICTECHNOLOGYANDHOWTOUSETHATINANELECTRICDRILLCASINGDESIGNTHEAPPLICATIONOFELECTRONICVARIABLESPEEDTECHNOLOGYINCIRCUITDESIGNMAKETHEELECTRICDRILLHASTWOFUNCTIONSOFDRILLINGHOLEANDSCERWKEYWORDSELECTRICDRILL，DESIGN，ERGONOMICTECHNOLOGY,ELECTRONICVARIABLESPEEDTECHNOLOGY湖南工业大学本科毕业设计（论文）IV目录第1章概述111电钻及其应用112电钻的基本结构113电钻的发展概况214存在的问题与解决方案2第2章电钻的总体设计方案421电钻的结构及工作原理422主要技术参数的确定423电钻的传动装置4第3章电动机及电器元件的选择531电动机的选择5311单向串励电动机的结构和规格5312单向串励电动机型号的选择632风扇的选择7321风扇的直径7322叶片数7323叶片形状733换向器的选择734电刷装置的选择835开关的选择936电源线及护套的选择9第4章传动装置的设计1041齿轮传动的设计10411斜齿轮的强度计算10412斜齿轮的结构设计1542齿轮轴的设计16湖南工业大学本科毕业设计（论文）V421基本参数的计算16422轴的结构设计16423轴的强度计算1743主轴的设计20431基本参数的计算20432轴的结构设计20433轴的强度计算21第5章其他零部件的设计2551钻夹头的设计2552钻头的选择2653外壳的设计26531人体工程学的概述26532外壳的结构设计2754零件的紧固和联接31第6章控制电路的设计32第7章三维建模结构设计补充说明34结论40参考文献41致谢42附录43VI湖南工业大学本科毕业设计（论文）1第1章概述11电钻及其应用手持式电钻通常称为手电钻，亦称电钻，是开发最早、使用最广泛的电动工具。它适用于金属材料上钻孔，也可在木材、塑料、砖等非金属构件上钻孔加工。其特点是体积小、质量轻、便于携带、操作简单、使用灵活等。电钻的种类繁多，按使用电源可分为单相串励、三相工频和永磁直流电钻；按速度可分为单速、双速和无级电子调速电钻；按电气安全方式可分为单绝缘、双重绝缘和特低安全电压电钻；按手柄类型可分为直筒式、手枪式、后直手柄（D型柄）侧手柄电钻等类型。电钻广泛应用于机械制造、冶金、造船、车辆等领域，随着建筑装潢业的不断发展，电钻的应用更加普遍，并开始进入家庭。12电钻的基本结构电钻的基本结构如图11所示，它由电动机、齿轮传动机构、外壳、钻夹头和电源联接装置等组成。图片来源汪镇国主编电机工程手册（第二版）6应用卷（一）图6211电动机2外壳3齿轮传动机构4钻夹头5手柄6电源开关图11电钻的基本结构图13电钻的发展概况世界上最早的电动工具出现在欧洲，1985年，一台采用直流电动机驱动钻头的手电钻湖南工业大学本科毕业设计（论文）2在德国FEIN厂诞生，其外壳是铸铁的，重达75KG，能在钢铁件上钻直径4MM的孔。它虽然简单而且显得笨重，但它已具备电动工具的典型结构和基本特征，使手工劳动实现机械化。随着科学技术的进步，电钻在不断的改进。1900年，出现了采用三相异步电动机的电钻；1905年，电钻外壳开始采用铝合金，减轻了整机重量。19121913年间，第一批交直流两用单相串激电钻问世，这使电钻的单位重量出力有了很大提高。1914年，美国BLACR5接线柱单级单断扳机式13536电源线及护套的选择电钻在使用时经常移动，连接电源与工具的软电缆或软线要承受频繁的弯曲和扭转。因此，工具的电源线在工具进线处除采用橡胶护套外，选用的软电缆或软线应柔软、不易扭结的有较高的耐磨性。此外，还要求电源线轻便、色泽鲜艳。1软电缆采用QY型轻型橡套软电缆，常用的规格有两芯电缆、三芯电缆和四芯电缆。电钻是由单相电源供电，故采用两芯电缆，其规格见表37。护套用在电源线进线处对软电缆或软线进行保护。护套采用橡胶等弹性绝缘材料制造，它能承受20000次弯曲后不发生裂纹的撕裂等缺陷；能承受试验电压为2500V、频率为50HZ、历时1MIN的耐电压试验。电动工具电源线护套有A型和B型两种，该电钻选择B型护套，尺寸列于表37中。表37配用的电源线ABCD湖南工业大学本科毕业设计（论文）9芯线标称截面平均外径上限M芯线股数M210827241590第4章传动装置的设计41齿轮传动的设计电钻采用的齿轮一般要求速比大，体积小、重量轻、强度高、使用寿命长，故其特点为模数小，按国家机械标准JB11160选用，一般为052MM范围内；齿数少，小齿轮最少齿数为5齿；材质好，一般采用铬锰钛钢、铬钢和镍铬钢等。精度较高，一般为67级精度。寿命长，齿面经高频淬火、氯化或氮化等热处理，以便形成表面硬化、耐磨损、芯部有韧性，不易折断齿。圆柱齿轮在电动工具中应用较为普遍，圆柱齿轮分为直齿和斜齿。直齿圆柱齿轮的特点是设计计算比较简单，无轴向力，易制造；不足之处是冲击负荷较大、噪音大。斜齿圆柱齿轮的特点是啮合性能好、噪音低、运转平稳；不足之处是有轴向力，且齿的倾斜角越大，轴向力越大。为减小轴向力，齿的倾斜角一般取。相比较而言，选择质量较好的斜齿轮。12411斜齿轮的强度计算4111选择齿轮的材料、精度等级、齿数、传动比及螺旋角。1材料及热处理。由5表101选择齿轮的材料为40CR，经调质和高频淬火后具有较好的强度和韧性，齿面硬度为4855HRC。2选择齿轮的精度等级为6级。3选择小齿轮的齿数，传动比，则大齿轮的齿数1Z12230847I，取整；齿数比。由于小齿轮的齿数少，为避免264782Z281UZ根切，选择高度变位齿轮，其最小变位系数用公式计算。NZX4螺旋角初选。14112按齿面接触强度设计。按5式（1021）试算，即（41）21312THETDKTZU（1）确定公式内各计算数值1试算载荷系数。6T湖南工业大学本科毕业设计（论文）102计算小齿轮传送的转矩（42）51190TPN2382078510NMNM3由5表107选取齿宽系数。6D4由6图1317查得058，则端面重合度138。120125由5图1030选取区域系数。45HZ6由5表106查得材料弹性影响系数。1289EMPA7由5式1013计算应力循环系数（43）60HNNJL916032123710982745N8由5图1019查得接触疲劳寿命系数，。1HNK26HN9由5图1021E按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮LIM10MPA的接触疲劳强度极限。LIM210HMPA10计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1，安全系数S1，由5式1012得（44）LIMHNS1LIM2LI0931023656HNKAPSM19HH（2）计算1试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得1TD22312678504501896393TM2计算圆周速度（45）160TDN349324S3计算齿宽及模数BNTM（46）DTB（47）COSNTZ湖南工业大学本科毕业设计（论文）111063984COSCOS1205DTNTBMMZ4计算齿宽与齿高之比H齿高250534NT38416B5计算纵向重合度（48）18TANDZ0320436计算载荷系数K由5表102查得使用系数1A根据，6级精度，由5图108查得动载系数。4MS17VK由5表103查得。HF由5表104查得硬齿面齿轮6级精度，小齿轮作悬臂布置，时，34H23103709DKB代入数据后得6181H由，查5图1013得。163,8BH4FK故载荷系数（49）AVH1073827按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由5式（1010A）得41031TTD69416M8计算模数NM1COS2COS105NMZ4113按齿根弯曲强度设计由5式（1017）得设计计算公式为（411）213COSFSNDKTYZ（1）确定各计算参数1计算载荷系数1071246AVF2根据纵向重合度，从5图1028查得螺旋角影响系数。0243098Y3由5图1020C查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度16FEMPA湖南工业大学本科毕业设计（论文）12极限。260FEMPA4由5图1018查得弯曲疲劳寿命系数，。1086FNK2089FN5计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数，由5式（1012）得4S（412）E12208630869241FNEMPAKS6计算当量齿数（413）3COSVZZ1323641CS8295OVVZ7由6图13138查得齿形系数为；由图13143查得应力校正系数125,FFY为。1264,1SSY8计算大、小齿轮的并加以比较FSY12516409838297FSSFY小齿轮的数值较大。（2）设计计算23221467850COS109863NMM对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算N的法面模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，故可取由弯N曲强度算得的模数065并就近圆整为标准值，为了同时满足接触疲劳强度，需10NM按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由1635D（414）COSNZ42631取，则。16Z214768ZU湖南工业大学本科毕业设计（论文）134114几何尺寸的计算1计算中心距（415）12COSNZMA681735将中心距圆整为174MM。2按圆整后的中心距修正螺旋角（416）12ARCOSNZM68473根据螺旋角修正以下参数；243HZ02561207,4计算大、小齿轮的分度圆直径（417）COSNZMD12614CS826ONMZD5计算齿轮宽度（418）1DB06437M由于齿轮过窄会降低它的承载能力，所以应对齿宽作适当的圆整，并且常将小齿轮的齿宽在圆整值的基础上加宽。故圆整后取，。510M28B186计算该斜齿轮的变位系数（419）17NZX112276058NZX7计算齿顶高（取标准值）ANH（420）NM112206513ANNXM湖南工业大学本科毕业设计（论文）148计算齿根高（取标准值）025NC（421）FANNHXM11220561029FFANNM9计算齿高（422）AFH1122650392FHM10计算齿顶圆直径（423）AAD11226454803296H11计算齿根圆直径（424）FFD1122644819286FFHM12计算基圆直径（425）TANRCOST20T41812CS6COS583O207BTDAM13计算齿顶圆压力角（426）ARCSBTAD1122583ORCS7092ARCSA16TBTD14计算总重合度057805412斜齿轮的结构设计由于小齿轮的直径很小，其齿顶圆直径小于2倍的轴的最小直径，故将小齿轮和轴1AD做成一体，即齿轮轴。齿轮轴的设计详见42。大齿轮则因为其齿顶圆直径，故2160ADM湖南工业大学本科毕业设计（论文）15以选用实心结构为宜。其结构尺寸如附图（大齿轮零件图）所示。42齿轮轴的设计421基本参数的计算4211求轴上的功率、转速和转矩。PNT由已知可得；385W1320MINR2785NM4212求作用在齿轮上的力。已知小齿轮的分度圆直径为，则圆周力，径向力及轴向力为164DTFRF（427）COSTNRTATTFG9072,3017,98TRAFNFN4213初步确定轴的最小直径。选取齿轮轴的材料为40CR，调质热处理。根据5表153查取，于是按式016A（152）初步估算轴的最小直径得（428）3MIN0PDA8516326M轴的最小直径应当与所安装零件的孔径相适应，根据小齿轮分度圆直径，换向器、转子及风扇的内径可初步确定轴的最小直径为。DMIN422轴的结构设计。4221拟定轴上零件的装配方案该齿轮轴上零件的装配方案如图41所示湖南工业大学本科毕业设计（论文）16图41齿轮轴的结构与装配4222根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1初步选择滚动轴承。因轴承同时受到径向力和轴向力的作用，且作用力不大，故选用深沟球轴承。根据，查7表6253选择左端轴承代号为608Z（一面带防尘盖的深沟球轴承），其6DMIN尺寸为，故可确定，。827DBM8DM7L左端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由9表131查得608Z型轴承定位轴肩高度为，则，而滚动轴承到换向器之间的距离设为07A0294D8MM，即。L2已知换向器内径为10MM，总高185MM，取换向器到转子端的距离为4MM。于是得到，。1DM1854LM3已知转子内径为115MM，铁心长度为52MM，取转子总长度约为74MM,可得到，。取转子到风扇间的距离为4MM，已知风扇内径为13MM，57L厚度128MM，可得，。3D12846LM4由于小齿轮齿顶圆直径为944MM，故查8表15选择右端的滚动轴承代号为6000Z，其尺寸为。右端滚动轴承也采用轴肩定位，轴肩高度为1026DBM，则，。风扇到右端轴承的距离定07AL为4MM，故可知。4L5已知小齿轮的齿宽为18MM，故可计算出齿轮轴的总长度为7825741681583LM4223轴上零件的周向定位换向器、转子和风扇均采用胶粘合的方法将其固定在轴上。滚动轴承与轴的周向定位借过渡配合来保证，此处选轴的直径尺寸公差为J5。湖南工业大学本科毕业设计（论文）174224确定轴上圆角和倒角尺寸参考5表152，取轴左端倒角为，各轴肩处的圆角半径如附图（齿轮轴零件054图）所示。423轴的强度计算4231求轴上的载荷首先根据轴的结构图（图41）作出轴的计算简图（图42），轴承的支点位置根据轴承的类型和布置方式确定，参照5图1523得深沟球轴承的支承点在中点位置。已知608Z型轴承宽7MM，6000Z型轴承宽8MM。因此，作为外伸梁的轴的支承跨距为。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图（如图42）。716832ACBLM水平面907145896TADHBFLRNTB手枪式手柄要求有一个最佳角度。在这个角度，握持工具的操作者既比较省力且精度又高。根据人体工程学原理，手柄角度的边线与手握持工具时的手臂关节连线大致平行，手柄轴线与手臂关节连线间的角度应有一个最佳角度。根据瑞典阿特拉斯科普柯公司出版的当代人体工程学的工具一书中推荐的最佳角度为70度。3、手柄的结构设计在手柄的外形结构设计上，着重考虑人手握持工具的舒适度。根据人的手形，将手柄握手处的背部设计成一个大弧面，贴合人手，增加了手感。为了适合不同的操作者，将手柄握手处的直径进行由粗到细的设计。手柄的材料选择有弹性的塑料。54零件的紧固和联接电钻的外壳、钻夹头和电源线的紧固和联接有电气联接和机械联接。螺纹形状有金属嵌件螺纹、自攻螺纹和成型螺纹。塑料件的联接方式有如下要求1、电气联接中不允许采用自攻螺纹。2、机械联接中宜采用金属嵌装圆螺母。对聚碳酸酯塑料件，允许采用自攻螺纹和成型塑料螺纹。3、螺钉在塑料螺孔内受力部位的长度一般不小于螺钉标称直径的2530倍。螺钉在拧紧的条件下，拆装10次，塑料螺纹不得损坏。1根据以上要求查阅手册，将选择的螺钉型号列于下表中。表52湖南工业大学本科毕业设计（论文）18名称型号数量用途自攻螺钉310ST2压线板固定自攻螺钉568外壳联接十字槽沉头螺钉2M1钻夹头固定第6章控制电路的设计电子调速技术是国外电动工具上最早使用、最普遍使用的一种电子技术，几乎所有品种上都以采用。采用电子调速，电动工具能够在设定的速度范围内无级变速，特别是在低转速上能够十分灵便地工作，从而改善了加工质量，增强了使用灵活性。电子控速技术使电动工具的串励电机具备额定负载转速与空载转速基本相同或完全相同这一特殊性能，因而特别适用于严酷条件下作业的大功率、高转速电动工具，不仅大大提高了工作效率，而且显著降低了空载噪音和振动，负载功率损失很小，延长了工具使用寿命。但是这一项技术目前在国内才刚刚开发，并不成熟，因此选择电子调速技术应用到本次电路设计中。单相串励电动机的转速与加在电动机上的电压成正比，与电流成反比，通过改变电压可以改变转速，这是电钻的调速原理。改变电压的方法有很多种，其中之一是通过调节晶闸管的导通角来改变电压。图61为调速开关的电路原理图，电位器R2、电阻器R3构成取样电路。电位器R2、二极管D2为晶闸管提供半波触发信号。R2、电容器C1和二极管D2组成RC移相电路。合上电源开关K，调节移相电位器R2即可调节晶闸管的导通角，使A、B两点的电位发生变化，从而达到无级调速。湖南工业大学本科毕业设计（论文）19图61调速开关的电路原理图当电钻的负载增大时，单相串励电动机转子回路的电流增加，转子回路电势增大，C点的电位增高，晶闸管的导通角增大，此时A、B两点电压提高，从而保持整定的转速不变。反之，当负载减小，转子回路电流减小，转子回路电势减小，C点的电位下降，从而保持整定的转子转速亦不变，达到单相串励电动机在额定转速以下近似恒功率调速，即转矩随着转速下降而提高的工作特性。当转速小于200R/MIN，或空载运转时，由于转子电流小，C点电位下降，晶闸管导通角较小，晶闸管的维持电流难以保持稳定，容易出现电钻的抖动以及运转不稳定而出现异常杂声。为增加运转的稳定性，电路中加入反馈电容器C2和二极管D3，使空载时C2、D3、SR和转子绕组构成反馈电路，以增加回路电流，保持晶闸管在低速时导通角的稳定性。D1是为阻止转子中与触发信号反向的杂散谐波进入晶闸管的触发极，从而破坏晶闸管工作的稳定性，产生电路工作状态不稳定，使单相串励电动机的运转产生振动、噪声而设置的。R1为限流电阻，R3为移相、取样电路的保护电阻。上述电路的特点是一、转子绕组串接在晶闸管的主回路中，反馈信号取自转子电势（电流），从而改变晶闸管的导通角，调节转子两端电压，获得单相串励电动机的近似于恒功率的调压、调速，具有低速高转矩的优异机械特性。二、增加了外施反馈信号，保证了电钻在低速、空载时的工作稳定性。湖南工业大学本科毕业设计（论文）20第7章三维建模结构设计补充说明电动工具传动原理很简单，但是结构复杂，整机外壳大部分由曲面构成，由于二维工程图表达复曲面结构的的局限性，借助三维软件辅助设计显得特别重要。在本次设计中，UG发挥了重要作用。部分二维图不便于表达的结构，在此用三维模型作一些补充展示和说明。湖南工业大学本科毕业设计（论文）21图71装配好的整机模型图72整机内部结构湖南工业大学本科毕业设计（论文）22图73手柄马达部分单边外壳模型湖南工业大学本科毕业设计（论文）23图74单边外壳内部模型图75牙箱部分外壳模型湖南工业大学本科毕业设计（论文）24图76手柄完全组装后的模型图77手柄与机身固定处的内部结构湖南工业大学本科毕业设计（论文）25图78自攻螺钉孔加火箭骨增加受力图79开关按钮和正反转切换拨杆湖南工业大学本科毕业设计（论文）26图710碳刷处侧面散热窗图711碳刷处顶部散热窗QQ130826850627结论本文所设计的电钻具有结构简单、体积小、质量轻、操作舒适及使用安全等特点。适合在普通钢材及木