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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文本科毕业设计论文题 目：船载卫星TV天线座设计专业名称：机械设计制造及其自动化学生姓名： 杨 方 元 指导教师： 张 永 红毕业时间： 2014年6月25设计论文 毕业 任务书一、题目船载卫星TV天线座设计二、研究主要内容课题来源于生产实际应用项目，该课题主要是针对船载卫星TV天线座进行传动和结构的设计，主要工作内容包括船载卫星TV天线传动方案拟定、方位和俯仰传动设计，电机选型、结构设计、3维和2维图纸绘制等。通过本次毕业设计，不仅要巩固本科四年内所学的机械专业方面知识，而且更要学习和使用新的计算技术，新的知识。并培养学生科学研究能力和自学能力，提高查阅资料、外文翻译的能力，以及和综合应用基础理论和专业知识的能力，进一步增强分析问题和解决问题的能力。最终通过毕业设计，使学生具简单机械设计能力。三、主要技术指标 天线直径2200mm； 方位轴传动比i=50； 俯仰轴传动比i=50； 转角：方位3600，俯仰150900四、进度和要求（一）进度进行毕业设计开题 2周 (第 12 周)外文科技资料翻译 1周 (第 3 周)论证方案，绘制方案系统图 1周 (第 4 周)系统运动参数计算 1周 (第 5 周)传动零件设计 2周 (第67 周)天线座总装图设计 2周 (第89 周 )方位转动系统部装图设计 2周 (第1011周)俯仰转动系统部装图设计 1周（第12 周）绘制零件工作图 1周 (第13 周)撰写论文 1周 (第14 周)修改论文 1周 (第15 周)制作答辩电子稿，准备答辩 1周 (第16 周)毕业答辩 1周 (第17 周)（二）要求(1) 外文科技资料翻译(5000字)(2) 计算机绘制的装配图1张(1#)(3) 论文1份，打印稿(用学校规定的稿纸)，约3040页，含中、英文摘要(约400600个印刷符号)(4) 用PowerPoint制作的论文答辩电子稿1份五、主要参考书及参考资料1 孙桓，陈作模，葛文杰机械原理北京：高等教育出版社，2006,52 王玉荣，张应昌.公差与测量技术.西安：陕西科学技术出版社，1990，83 DK7725电火花数控线切割机使用说明书学生 杨方元 指导教师 张永红 系主任 魏生明摘 要舰载卫星TV天线座是天线的支撑与旋转的机械装置，其功能是在舰艇摇摆条件下，补偿舰体运动引起的纵、横摇摆角，使天线保持水平，并以恒定转速驱动天线旋转，完成舷角机构扫描，并输出舷角信号。天线座支架设在船甲板上对其强度、刚度有较高的要求，同时要求耐冲击、振动，而且谐振频率要满足伺服系统带宽的需要。在船上设置卫星TV天线座帮助那些长期需要在船上工作的人以及出海游玩的人可以随时随地的收看到各种电视节目，解决长期在船上无法收看电视而带来的苦闷，让人们能有好的心情。并且还可以通过舰载卫星TV天线及时了解海上的天气情况，避免一些恶虐的天气。本课题主要是天线座结构设计，主要是设计舰载卫星TV天线座的俯仰旋转运动以及天线的方位旋转运动，同时也要实现对于整体结构的设计。在对舰载卫星TV天线座结构的设计中，首先是传动方案的设计和方位轴的设计，其次是电机选型和结构设计等。在设计过程中要对所设计的零件用弯曲疲劳强度进行检验和校核，以保证设计的合理性。并且要用AutoCAD画设计出的天线座的总装图和部分零件图，标注相关的尺寸，写好明细栏，方便别人读图、理解图。关键字：天线座，支架，设计，校核，总装图 ABSTERACTCarrier-based satellite TV antenna is supported with rotating machinery, its function is under the condition of ship sway, longitudinal and lateral swing Angle compensation hull movement, keep the antenna level, and rotate at a constant speed drive antenna, complete scanning Angle mechanism, Angle and output signals. Antenna mounting bracket in the deck to have higher demand to the strength, stiffness, and resistance to shock, vibration, and the resonant frequency to meet the needs of the servo system bandwidth. Set up on the ship satellite TV antenna base to help those who need working on the boats and went to sea to play for a long time people can watch all kinds of TV programs, anywhere, anytime to solve in the ship cant watch TV for a long time of anguish, let people can have a good mood. And can also through the shipborne satellite TV antenna in a timely manner to understand the weather conditions at sea, avoid some of the evil of the weather.This topic mainly antenna structure design, mainly is the design of shipborne satellite TV antenna seat pitch rotary motion and antenna azimuth rotation movement, as well as implementation to the design of the whole structure. At the structure of ship-borne satellite TV antenna design, the first is the transmission scheme design and the design of the bearing axis, followed by the motor selection and structure design, etc. In the design process to the bending fatigue strength for the designed parts inspection and check, to ensure the rationality of the design. And to use AutoCAD drawing of the design of the antenna assembly drawing and parts diagram, indicate the size of the relevant, write a detailed bar, convenient others map reading and understand the figure.KEY WORDS: antenna, support, design, proofread, general assembly drawing 目录前 言1第一章 技术要求及方案的拟定21.1. 技术要求21.2方案的拟定2第二章 原理简述5第三章 设计内容63.1设计题目及参数63.2传动方案及简图63.3减速器及电机的选择73.4传动比的分配73.5传动参数的计算83.6齿轮传动的设计83.6.1.方位轴齿轮传动的设计83.6.2.俯仰轴齿轮传动的设计103.7轴的设计123.7.1方位轴的设计123.7.2俯仰轴的设计123.8联轴器的选择133.9轴承座的设计139.1.方位轴承座的设计139.2.俯仰轴承座的设计133.10法兰盘的设计及简图143.11.键的校核143.11.1.套筒与方位轴之间键的校核143.11.2.套筒与法兰盘之间键的校核153.11.3.套筒与大齿轮间键的校核153.11.4.小齿轮上键的校核153.12.支撑架的设计163.12.1.方位件的支撑架设计163.12.2俯仰支撑架的设计163.13.大齿轮的设计163.14.扇形齿轮的齿数确定及外形设计173.15.方位轴承的选择及校核183.16.方位轴的校核20 第四章 全文总结22参考文献23毕业设计小结24致谢25前 言收看电视节目成为人们日常生活的重要组成部分，人们在足不出户的情况下可以了解到国内外各地区以及世界各地的信息、时事、风土人情及文化习俗等各种信息，也可以通过看电视来消遣娱乐。实现这个的重要组成部分是天线的发明，这使生活在陆地生的人们可以通过卫星天线收看电视节目。但是对于长期学要在船上工作的人来说就不是太方便了，由于船是在不断地移动和晃动。因而需要我们构想设计一个能在船上能够接受信号的卫星天线，以弥补在船上工作的人们接受信号的不便。于是设计一个在船上用的卫星接受天线装置系统的问题就产生了。所设计舰载卫星TV天线座是天线的支撑与旋转的机械装置，其功能是在舰艇摇摆条件下，补偿舰体运动引起的纵、横摇摆角，使天线保持水平，并以恒定转速驱动天线旋转，完成舷角机构扫描，并输出舷角信号。天线座架设在船甲板上对其强度、刚度有较高的要求，同时要求耐冲击、振动，而且谐振频率要满足伺服系统带宽的需要。舰载卫星TV天线座要保证能在水平旋转运动的同时天线在竖直方向俯仰旋转运动。本课题主要是针对舰载卫星TV天线座结构的设计，主要工作内容包括传动方案的设计，方位轴的设计，减速器的选择，电机选型，结构设计等。以及运用Auto CAD绘制所设计的零件图和装配图。学校老师把这个课题交给我，使之完成毕业设计及解决实际问题的双重任务，这是对我四年来的学习的全面考核，也是理论与实践相结合的具体应用。设计出船载卫星天线座能使船舶上的广大工作人员和旅客实时收看电视节目，消除旅途的劳累和寂寞，提高船运公司的综合竞争力。产品应用领域:该系列产品的应用领域是十分广阔的，如：海洋、内河运输业；海洋渔业；海洋和陆地石油工业；近海、内河、远洋工程及救捞船舶；各种游艇、豪华游轮和公务船舶。第一章 技术要求及方案的拟定1.1 技术要求天线座是支撑天线探测目标的装置，它通过天线的控制系统，使天线能够准确地指向同步卫星，接收卫星发射的电视节目。随着无线电技术的发展，通讯设备广泛用于天文、气象、通讯、教育、航空、航天等领域，天线座的尺寸和重量也变得多样化。精度要求的提高，角速度、角加速度以及变速范围等使用性能要求的提高，在天线座的机械制造工艺和测量技术方面都提出一系列新的问题。本题目舰载天线座的使用条件和陆用有些差别。因此，对于舰载天线座的设计提出了一些特殊的要求。1.舰载天线座设计在船上，基座是不稳定的。因为船在航行时会发生纵摇、横摇、升沉及航向改变，特别是纵摇、横摇和航向的改变，对天线的影响较大。2.舰载天线座承受的冲击、振动一般要比陆用天线座大。如船上发动机的振动，横纵摇摆产生的振动，以及加速和减速引起的冲击，海浪冲击等都会对天线座的结构产生影响。3.由于船本身在运动，最大相对风速等于船速与风速之合。因此在同样风速下，舰载天线座会比陆用的天线座承受更大的风力载荷。4.主要技术指标： 天线直径2200mm； 方位轴传动比i=50； 俯仰轴传动比i=50； 转角：方位3600，俯仰1509001.2 方案的拟定根据以上技术要求，参数有关资料知天线座种类很多。按转轴的数目可分为：轴、轴、轴、轴和固定不动的天线座。按座架的型式可分为俯仰-方位型、XY型、极轴型、斜交轴型天线座等。由于多轴天线座和极轴型、斜交轴型天线座结构较为复杂，附件多，安装调试困难，多用于军事和气象等方面。本天线座没有必要达到那么高的精度。我们设想把天线座设计成俯仰方位型，实现这一传动方案。原理示意图见图2-1，天线同俯仰轴同步转动，整个俯仰轴所在的上支架由竖直方位轴支承，并实现天线方位角的转动。图21俯仰方位型天线座有三种基本型式：立轴式、转台式、转轨式。立轴式天线座（图2-1）用立轴支撑天线的方位转动部分，立轴则用上下轴承支撑。这种特点是形式结构简单，通常可以采用标准轴承设计、制造、维修比较方便，中小型天线座多采用这种座架。立轴式可以将天线偏置于俯仰轴上，也可将高频箱偏置于俯仰轴一端或若将天线和高频箱俯仰轴另一端。俯仰转范围有090、0180。转台式天线座（图2-2）是用能够受轴向载荷，径向载荷和倾覆力矩的特大型滚动轴承和静压轴承组成的转台来支撑天线和方位转台部分的。这种形式承载能力大、刚性好、精度高，省略了方位轴，可以使结构更加紧凑更加合理，降低了重心，提高稳定性。这种座架转动部分重量较大，转动惯量大，基座转盘，左右支臂采用铸铁，重量较大。图22转轨式天线座（图2-3）的方位轴部分采用滚轮和轨道支撑，滚道直径通常为天线口径的1/22/3，天线座通常采用空间绗架结构，座架底部右48台承载用的小车，驱动装置装在小车上带动滚轮沿滚道运动。这种天线座非标准件多，制造、维修、安装比较方便，而且可以达到较高的精度。由以上可以看出，采用立轴式天线座较为合理，因为立轴式结构简单，设计制造维修比较方便，底盘小，重量轻。转台式、轮轨式底盘占地面积大，转台重量也较大。图23第二章 原理简述结构原理示意图见图21，对于天线座的俯仰转动部分由步进电机带动行星摆线针轮减速器，此级传动比为i=17，小齿轮与减速器通过键连接，大扇形齿轮固定在上支架上，此级传动比i=3，通过电机的转动带动天线俯仰转动，天线是通过螺栓与俯仰轴固定在一体，传动范围为1590。方位轴的驱动系统是110BYG5-04步进电机，带动减速器，大小齿轮，从而使方位轴转动，其转动范围大于360。下支架开有调速孔，以便消除齿轮的齿侧间隙，减少传动中的误差。在方位轴上转上传感器，把方位轴转角的度数以电信号输出，以反映天线的运动规律及轴的方位角。当方位轴转动极限位置时，检测装置会通过输出信号来控制系统，使电机制动或反转。在整个座架的外面有做防护和密封的铁皮罩，铁皮罩可以拆卸，而且在其上面开有通风装置。整个防护装置的框架用角铁焊接在一起。防护罩的上箱盖做成活动的两块，便于拆卸和维修方便。当防护罩与联接头连接时，既要不互相摩擦，又要防止水进入防护罩内，另外在天线支架的底板上的两边应转有平衡块，使俯仰转动部分尽可能达到静平衡，以减少不平衡力矩，减轻电机的负载。第三章 设计内容3.1设计题目及参数1.船载卫星TV天线座设计2.主要参数：天线直径2200mm；方位轴传动比i=50；方位轴转矩T方位=581NM；俯仰轴传动比i=50；俯仰轴转矩T俯仰=615 NM； 转角 方位360； 俯仰1590。3.2传动方案及简图 本设计采用俯仰方位型天线座。方位轴与地面垂直，俯仰轴与方位轴垂直。这种型式的天线座结构紧凑、承载能力大、调整测量方便。图311.小齿轮（方位） 2.摆线针轮减速器3.联轴器 4.步进电机5.小齿轮（俯仰） 6.扇形轮7.俯仰轴 8. 摆线针轮减速器9. 步进电机 10.联轴器11.方位轴 12.大齿轮3.3减速器及电机的选择1.减速器的选择 方位：选择XL型 机型号3 摆线针轮减速器 俯仰：选择XL型 机型号3 摆线针轮减速器 摆线针轮减速器与普通减速器比较，它具有结构紧凑，体积小，重量轻等优点；而且传动比大，传动效率较高；通用于中、小功率，适用性广，运转平稳，噪音低。2.电动机的选择 根据低速轴的转速以及小转矩。可选取驱动系统是110BYG504式步进电动机。 功率P=0.5kw 转速n=250r/min3.4传动比的分配1.方位轴 i总=50 i总=i1i2 根据所选减速器的传动比：i1=11 则取i2=4.5 =100%=*100%=1%5%2.俯仰轴 i总=50 i总=i1i2 根据自行设计的减速器传动比：i1=17 则取 i2=3 =100%=100%=2%5%3.5传动参数的计算1.电机的额定功率Pm P m =0.5kw2.方位低速轴的转速 n=5r/min 减速器输出轴转速 n=22.5 r/min 电机轴的转速 n=250 r/min低速轴的输入转矩 T=581NM 减速器输出轴转矩T=212NM 电动机输出轴转矩T=19.1NM3.俯仰低速轴的转速 n=5r/min 减速器输出轴转速 n=15 r/min 电机轴的转速 n=250 r/min低速轴的输入转矩 T=615NM 减速器输出轴转矩T=205NM 电动机输出轴转矩T=12.1NM3.6齿轮传动的设计 本次设计的齿轮传动均为开式传动，一般不出现点蚀失效，主要的失效形式是磨损。齿轮因磨损使齿厚变薄后，容易产生齿根弯折，因此一般按弯曲强度进行设计。3.6.1.方位轴齿轮传动的设计 小齿轮：40Cr调质；HBS1=241286 大齿轮：45钢调质；HBS2=217255 Z1=20 i2=4.5 Z2= i2Z1=4.520=90 尺宽系数：d=0.5 载荷系数：K d=1.6 T=9.55*106=9.55106=135.906 NM按弯曲疲劳强度设计YFa1=2.90 YFa2=2.20小齿轮取HBS1=270 小齿轮取HBS2=230硬度差（HBS1 - HBS2 ）=270-230=40 查表取 FLim1=250 MPa FLim2 =200 MPa安全系数S=1.3F1=192.31MPa F2=153.85 MPa比较： =0.01507 =0.01430由于较大，故用此值则M=3.22mm取m=4mm计算齿轮的几何尺寸 d1=mZ1=420=80mmd2=mZ2=490=360mmda1= d1+2m=80+24=88mmda2= d2+2m=360+24=368mmdf1= d1-2.5m=80-2.54=70mmdf2= d2-2.5m=360-2.54=350mma=（d1+ d2）=（80+360）=220mmb=d d1=0.580=40mm取B2=40mm B1=45mm节圆速度：V= =0.0942m/s选用9级精度3.6.2俯仰轴齿轮传动的设计 小齿轮：40Cr调质；HBS1=241286 大齿轮：45钢调质；HBS2=217255Z1=30 i2=3Z2= i2Z1=330=90尺宽系数：d=0.5 载荷系数：K d=1.6T=9.55106=9.55106=215.79 NM按弯曲疲劳强度设计 YFa1=2.90 YFa2=2.316小齿轮取HBS1=260 小齿轮取HBS2=220 （扇形轮）硬度差（HBS1 - HBS2 ）=260-220=40 查表取 FLim1=240 MPa FLim2 =190 MPa安全系数S=1.3F1=184.62MPa F2=146.15 MPa比较： =0.01571 =0.01584由于较大，故用此值则M=4.07mm取m=5mm计算齿轮的几何尺寸d1=mZ1=518=90mm d2=mZ2=554=270mmda1= d1+2m=90+25=100mm da2= d2+2m=270+25=280mmdf1= d1-2.5m=90-2.55=77.5mm df2= d2-2.5m=270-2.55=257.5a=（d1+ d2）=（90+270）=180mmb=d d1=0.590=45mm取B2=45mm B1=50mm节圆速度：V=0.071m/s选用9级精度3.7轴的设计3.7.1方位轴的设计确定最小轴径 dminA0=115=53.4mm取dmin=40mm确定轴的形状及尺寸此轴的最小轴径小于要求的最小dmin=53.4mm，故采用空心轴，侧空心轴的形状及尺寸如下图所示图32采用空心轴使此轴的刚度增加，减轻重量，载荷通过套传给底座。3.7.2俯仰轴的设计确定最小轴径 dminA0=115=53.4mm取dmin=60mm确定轴的形状及尺寸由于俯仰轴要承受减速器、电动机以及天线的全部重量。故此轴采用槽钢以增强刚度。俯仰轴的结构简图图333.8联轴器的选择 本次设计采用凸缘式联轴器 选择依据 T=9550=9550=19.1 NM Tca=KaT=1.319.1=24.83 NM 应按TcaT及nnmax选择为YL3型凸缘联轴器3.9轴承座的设计3.9.1.方位轴承座的设计本设计采用拼合式结构，零件加工比较方便，且重量较轻，上下轴承座孔的同心度由加工及装配保证。3.9.2.俯仰轴承座的设计 本设计采用拼合式结构，使加工方便，重量较轻。而且易按装，但是左、右轴承座孔的同心度应由加工及装配来保证，元件连接处采用焊接或螺栓连接。 3.10法兰盘的设计及简图为了便于加工，故本法兰盘的设计采用铸造及与俯仰支撑架连接处采用平面，并与其用螺栓连接。 法兰盘的简图 图343.11.键的校核3.11.1.套筒与方位轴之间键的校核 a.所选键为GB109579键12 x54 材料为35钢b.键强度的校核T=581NM l=L-b=54-12=42mmd=40mm k=0.5h=0.5*8=4mmp=（100+120）=110MPap=93.1 MPap故该平键连接的强度是足够的3.11.2.套筒与法兰盘之间键的校核 a.所选键为GB109579 键18 x54 材料为Q275b.键强度的校核T=581NM l=L-b=54-18=36mmd=60mm k=0.5h=0.511=5.5mmp=（100+120）=110MPap= =97.82 MPap故该平键连接的强度是足够的3.11.3.套筒与大齿轮间键的校核 a.所选键为GB109579键20 x36 材料为35钢 数量2个b.键强度的校核T=581NM l=L-b=36-20=16mmd=74mm k=0.5h=0.512=6mmp=（100+120）=110MPap= =81.8 MPap故该平键连接的强度是足够的3.11.4.小齿轮上键的校核 a.所选键为GB109579键10 x40 材料为35钢b.键强度的校核T=212NM l=L-b=40-10=30mmd=35mm k=0.5h=0.58=4mmp=（100+120）=110MPap=101MPap故该平键连接的强度是足够的3.12.支撑架的设计3.12.1.方位件的支撑架设计支板厚度采用16mm的钢板，元件联接处采用焊接，而与底座板用螺栓联接。3.12.2俯仰支撑架的设计本设计采用拼合式结构，支板厚度为16mm，元件联接处采用焊接，而与轴承座联接则采用螺栓联接。3.13.大齿轮的设计1.机构设计 本设计采用锻造齿轮，由于不易锻出辐条，所以全腹板结构。在腹板上制出减轻孔，而不设加强肌故应将腹板做得较厚些。2.结构尺寸B=40mm n1=0.5m=2mmda=368mm D3=1.6 D4=1.674=118.4D0 = da-（1012）m=368-124=320mmD2 =（0.250.35）（D0 -D3）=0.29201.6=60mm D1=（D0 +D3）=219.2mm C=（0.20.3）B=0.340=12mm3.机构简图图353.14.扇形齿轮的齿数确定及外形设计 根据所设计的要求，天线的俯仰角度为1590，齿轮的全齿数为90，则每齿占角度为，故扇形轮的齿数为Z=18.75。 取Z=19个外形如图示图363.15.方位轴承的选择及校核1.轴承所受载荷 方位轴上的轴承只承受轴向力，古选用同心推力轴承。2.根据轴的大小，选择GB297-84圆锥滚子轴承7213E。3.校核图37 Fn=3434.93N Ft=Fncosa=3434.93cos20=3227.8N Fr=Fnsina=3434.93sin20=1174.8N 由力分析可知： R1V =1397.7N R2V=Fr- R1V=1174.8-1397.7=-222.91N R1H=Ft=3227.8=2989.96NR2H= Ft- R1H=3227.8-2989.96=237.84NR1= =3300.5R2=325.97NS= Y=1.5S1=1100.17NS2=108.7NFa+ S2=980+108.7=1088.7 S1A1= S1=1100.17NA2= S1-Fa=1100.17-980=120.17N=0.33e=0.4=0.37 P2故Lh=109106h=1.09108 hLh故7213E轴承能满足预期计算寿命3.16.方位轴的校核1.方位轴输出轴上的转矩T=581000NM2.轴的载荷分析图图38 支板力 RH1=2989.96N RV1=1397.7N RH2=237.84N RV2=-222.91N弯矩MH和MV MH=125578.32Nmm MV1=58703.4 Nmm MV2=-117696.48 Nmm 总弯矩M M1=138621.8 Nmm M2=172111.52 Nmm 扭矩T T=581000 Nmm 弯矩Mca Mca2=383571.84 Nmm3.校核轴的强度 轴的材料为45钢，调质处理。查表得B=650MPa，则为（0.090.1）B，即58.565 MPa，取=60 MPa.则：ca= =35.92 MPa=60 MPa 故该轴满足强度要求（套筒轴） 第四章 全文总结本次毕业设计是关于船载TV天线座的设计，在设计过程中依照设计任务书的要求，查阅相关资合理分配设计中的齿轮传动比。按齿轮的设计要求设计齿轮，并运用齿轮的弯曲疲劳强度校核齿轮。但扇形轮需要按照俯仰轴的旋转角度确定它的齿数。其中轴的设计也按照轴的计算方法依据所分配的转矩计算轴的直径大小，设计好后方位轴需要进行载荷校核。轴的长度需要满足减速器和电机在装配位置上的要求。键的设计也必须依据所设计周的直径大小来确定，并要进行它的载荷校核，来保证设计要求。在用AutoCAD绘制中配图与零件图时，首先确定好图幅的比例。在绘制装配图中能尽量表现出个零件的装配关系和位置关系，并在明细栏中表明每个小部件的详细信息方便查看。在零件图的绘制时要标注零件的表面粗糙度和形位公差，并注明零件相关技术要求。通过本设计，我学到了很多东西，大大增加了我对机械设计流程认识，这次设计，使我深刻认识到了实践出真知的道理，在以后学习中，我将更加严格的要求自己。参考文献1 吴凤高 天线座结构设计 西北电讯工程学院出版社，1986 2 叶尚辉，李在贵 天线座结构设计 西北电讯工程学院出版社，1986 3 濮良贵，纪名刚 机械设计第八版 高等教育出版社，2005 4 陈作模，葛文杰 机械原理第七版 高等教育出版社，20055 King RW
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