CK6135A数控车床主轴箱结构设计

1、目 录前 言1第一章 绪 论21.1 课题简介21.1.1 金属切削机床发展情况21.1.2 国内机床工业与国外的差距21.2 数控机床的产生与发展31.3 数控机床的发展趋势3第二章 数控车床的简介42.1 数控车床的组成及工作原理42.2 数控车床的特点4第三章 数控车床的设计53.1 数控车床的设计方法和特点53.2 数控机床的设计步骤63.3 传动方案的确定63.3.1电机的选定及原理63.3.2传动时应满足的要求73.3.3传动方案及分析7第四章 典型零件的设计74.1 带传动74.1.1选择带的类型74.1.2带传动设计104.2轴144.2.1 轴的设计和设计步骤144.2.2

2、轴的材料及选择154.2.3 轴的强度计算164.3轴上配合件的选用174.3.1齿轮上键的选取与计算174.3.2轴承的选用与定位204.3.3 联轴器的用途及选型24第五章 结 论27致 谢28参 考 文 献28- 27 -前 言车削类机床是应用最广泛的机床之一，伴随机床相关上游行业的发展，现代数控车削机床明显的呈现出高速度、高精度、复合化的特点1。随着科技和生产的发展，许多高精度、低粗糙度、特硬和有色金属材料制成的小尺寸轴、盘类回转体零件，要求以车代磨一次加工成功，这就对数控车床的速度、精度和刚度提出了很高的要求。因此，包括主轴系统、进给系统乃至整机的动态特性的研究已成为一个十分重要的课

3、题2。在本次主轴箱结构设计中首先要对参数的指定，各种运动的设计，动力元件的计算和装配图设计，选择轴承和轴，撰写设计说明书等内容。设计主轴箱的结构由传动件（主轴，轴承，齿轮和带轮等），主轴组件，操作机构，润滑密封元件和箱体以及其他元件的设计。主传动系统是为了实现车床主轴的转动，它是一个可调节的无级变速，来实现加工不同类型的工件，满足刀具的使用要求，满足不同尺寸要求的工件，还可以控制车床的开始，停止，变速以及变换转动方向。主轴箱体是机床大件零件之一，主轴箱体的设计性能决定了零、部件在加工时的相对位置和相对运动的精确度，合理有效的主轴箱箱体能够保证零部件加工的精确度以及使整台机床在工作时不出现震动，

4、对箱体的设计除有密封性、强度和刚度的要求外，一般还需具备以下要求：一是具有良好的工艺性能，以便于主轴箱体结构的制造和装配；二是要保证主轴箱体具有应有的刚度要求，能够在加工零件的过程中承受最大载荷时，不发生超出规定的位移变形量，同时还要保证在预设的切削条件下进行零部件加工时不会发生振动；三是主轴箱体的工作环境基本上为高温条件下，所以主轴箱体应该具有合理的温度场分布，能够保证在工作时具有很小的热变形，以保证加工精度，还有主轴箱体与床体的导轨面受力情况应该设计合理，具有良好的耐磨性；四是主轴箱体结构上的冷却装置和润滑装置要安装合理，以保证加工过程中排屑方便3。由电机、传动系统和主轴部件组成了数控机床

5、的主传动系统，在结构上相比较的话，数控机床主传动系统是比较简单的，由主轴电机来调节主轴的无极变速。第1章 绪 论1.1 课题简介1.1.1 金属切削机床发展情况金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称“工作母机”或“工作机”，习惯上称“机床”4。 金属切削机床是人类在改造自然的长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上产生很发展起来的。最原始的机床是依靠双手的往复运动在工件上钻孔。最初的加工对象是木料。而后发展到加工其他材料，出现了依靠人力使工件往复回转的原始车床。当加工对象由木料逐步过渡到金属时，车圆、钻孔等都要求增大动力，于是就逐渐出现了水力、风

6、力和畜力等驱动的机床。18世纪末，蒸汽机的出现，提供了新型巨大的能源，使生产技术发生了革命性的变化。20世纪以来，齿轮变速箱的出现，使机床结构发生了根本性的变化。近些年来，随着电子技术、计算机技术、信息技术以及激光技术等的发展并应用于机床领域，使机床的发展进入了一个新时代。自动化、精密化、高效化和多样化成为这一时代机床发展的特征，用以满足社会生产多种多样、越来越高的要求，推动社会生产力的发展5。不断提高劳动生产率和自动化程度是机床发展的基本方向。近年来，数控机床已成为机床发展的主流。数控机床无需人工操作，而是靠数控程序完成加工循环。因此，调整方便，适应灵活多变的产品，使得中小批生产自动化成为可

7、能。数控机床不仅实现了柔性自动化，而且提高了生产率，降低了废品率，它已由中小批生产进入了大批量的生产领域。当然，改型方便，易实现产品的更新换代，也是数控机床进入大量生产领域的重要原因6。1.1.2 国内机床工业与国外的差距我国机床工业已取得了很大的成就，但与世界先进生产水平相比，还有较大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。我国数控机床基本上是中等规格的车床、铣床和加工中心等。精密、大型、重型或小型数控机床，还远不能满足需要。至于航空、冶金、造船等工业部门所需要的多种类型的特种数控

8、机床基本还是空白的7。在技术水平和性能方面差距也很明显，国外已做到15-19轴联动，分辨率达0.01微米，而我国目前只能做到5-6轴联动，分辨率为1微米。国内产品的质量与可靠性也不够稳定，特别是先进数控系统的开发和研制还需要作进一步努力。我国机床工业必须不断扩大技术队伍和提高人员的技术素质，学习和引进国外的先进科学技术，大力开展科学研究，以便早日赶上世界先进水平8。1.2 数控机床的产生与发展随着社会对机械产品的追求越来越紧密合复杂，还需频繁改造，所以生产和科学技术的也不断的在发展。特别在宇航、造船、军事等领域尤为突出，产品需要高精度，形状比较复杂，往往都是小批量。若用普通车床加工此类零件需要

9、经常调整，所以普通机床已经满足不了加工此类零件的要求了。为了解决这些问题，所以研究了一种更为完善的机床，叫做数控机床。数控机床可以高标准的完成对零件的加工，适用多数的加工、加工精度高、加工平稳、还能较高的提升生产率。它包含了多种技术，如电子计算机程序、自动控制程序、精密测量仪器和新型机械结构，它是目前机床的发展方向。1.3 数控机床的发展趋势 从数控机床技术水平看，高精度（定位精度：微米级、纳米级）、高速度（主轴转速10000r/min，快速进给24m/min，换刀时间23s）、高柔性（多主轴、多工位、多刀库）、多功能（立卧并用、复合加工）和高自动化（自动上下料、自动监控、自动测量和通信功能）

10、是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力9。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的AB公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微处理机、标准总线及软件模块和硬件模块，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1um，高速进给可达100m/min，控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺10。第二章 数控车床的简介2.1 数控车床的组成及工作原理数控车床的组成由:程序编制及输入装置 、程

11、序载体、 伺服驱动、数控装置、辅助控制装置、位置检测装置、车床本体等几部分。如图2.1所示：图2.1 伺服系统方案图在普通机床上，操作者根据加工零件的要求，对零件进行加工是利用X轴与Y轴的托板使刀具移动，从而得到零件所要的外形和尺寸。数控车床的加工是其实是应用了“微分”原理。它的工作原理和过程如下所述：(1) 数控装置根据加工程序使刀具进行移动生成的轨迹，从对应的坐标轴将轨迹进行微分，以最小的脉冲当量并计算各个坐标轴所需的脉冲数。(2) 运用数控装置的插补，用最小移动单位等效折线对所要求的运动轨迹拟合，再找出与运动轨迹最接近的拟合折线轨迹。(3) 数控装置根据拟合折线，给坐标轴发出对应的进给脉

12、冲，并通过传动系统对对应的坐标轴同给定的速度运动。2.2 数控车床的特点 (1) 加工形状适应性强 在数控车床加工零件的时候，只要对零件本身重新编写程序，就能对零件再次加工，并不需要像普通车床那样更换许多的工具，夹具的更换。(2）加工精度高 数控车床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量（即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量）一般达到了0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控车床能达到比较高的加工精度和质量稳定性11。 (3）生产效率高 使用数控车床加工零件可以有效的减少机动时间个辅助时间，从而加工生产率要比一般

13、车床高许多。因为数控车床有良好的结构刚性可以使切削用量大大的提升，每道工序可以选择最合理的切削用量来强力切削而且和普通车床相比主轴转速和进给量范围要大，所以可以有效地节省时间。(4）自动程度高 数控车床是用先编写好的程序写入程序再对零件进行加工，操作者只要操纵控制面板和装卸零件，到必要工序使进行测量外，外加观察是否发生错误，直到工件加工完成，从而减少了操作者许多的工作量。(5）良好的经济效益 数控车床和普通车床相比在加工零件的时候，分摊在每个零件上的费用是比较贵的。但是在单件、小批量生产情况下，由于数控车床精度高可以避免工件的报废率而且也可以尽可能的避免人为的失误，从而节约很多的费用，所以能够

14、获得更多的经济效益。第三章 数控车床的设计3.1 数控车床的设计方法和特点（1）数控车床的设计方法在过去的机床设计中基本上都是采用对比法，用力学和数学作为标准，手动计算和设计进行简单的计算和设计，工作效率低、质量低、时间长。科学技术的前进数控车床的技术也在连续的进步。特别是近年来计算方法、控制理论、系统工程、创造工程、价值工程等学科的发展，尤其是计算机技术的广泛应用，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。车床的设计方法是根据其设计类型而定。在创新设计中，一般选用分析式或创成式对车床总方案进行设计。分析式是运用了对比分析、推测法来制定方案，是当前创新设计一般选用的方法。创成式用创成分析来制定

15、方案，创新能力强，该方案还在不断的发展。（2）设计方法的特点 目前数控车床设计与科学的进步相顺应，拥有的特点非常显著。(a) 设计手段计算机化(b) 设计方法综合化(c) 设计对象系统化(d) 设计目标最优化(e) 设计问题模型化(f) 设计过程程式化与并行化3.2 数控机床的设计步骤数控车床设计内容包含了以下几个要点。(1) 主要技术指标设计后续设计的条件和根据主要来源是技术指标设计。设计任务的根源不同，但所要实行的内容基本是相同的。(2) 总体方案设计 (3) 总体方案选择 在总体方案设计中，对其他方案进行对比，从中挑选最为合适的方案作为总方案。(4) 总体方案优化 对所挑选的方案进行进一

16、步的修正或改进。(5) 详细设计(6) 技术设计 完成结构方案，装配图设计。(7) 施工设计 完成典型零件图设计。3.3 传动方案的确定3.3.1电机的选定及原理 主轴电机，也叫高速电机，指转数超过10000转/min的交流电机。主要应用于木材，铝材，石材，五金，玻璃，PVC等行业，它具有转速快、体积小、轻巧、材料耗费低、噪音小、振动低等优点，越来越受到相关行业的重视和应用。主轴电机材质:外套为304不锈钢,水套为高铸铝,耐高温紫铜线圈.外环件具有一个相对的表面和一个内周表面，上述相对的表面跨过一个第二微小间隙与旋转套筒的底表面相对，而上述内周表面跨过一个第三微小间隙与旋转套筒的外周表面相对并

17、固定式设置。高速电主轴特点:1 高速，大功率2 高刚性，长寿命3 节能，低噪音. 3.3.2传动方案及分析 主轴箱结构的传动方案为：主轴电机-V带轮-主轴转动该传动方案有以下的特点： 首先，我选择带传动作为主轴箱结构中的传动方式，因为带传动具的优点：1.用于中心距较大的场合;2.带具有弹性,可以减少冲击和振动载荷,运行平稳,无噪声。3.当载荷过大时,带会在带轮上出现打滑的现象,从而避免造成其他零件的损坏。第4章 典型零件的设计4.1 带传动4.1.1选择带的类型 带也分好几种类型：1. 普通V带 普通V带所具有的特点是：能够传递大的功率、结构比较简单、以及它的价格较便宜。它相对于平带而言产生的

18、有效圆周力更大，因为带与带轮之间的摩擦是发生在带的槽面里。在一般机械传动中，普通V带应用的最为广泛，普通V带有两种类型，一种是切边型，还有一种是包布型。图4.1 普通V带2. 多楔带 多楔带兼有平带和V带的优点，比如它的韧性好、柔软性好、结构紧凑、传动效率高等。因此，多楔带得到广泛的应用。它的主要特点如下：、由于带是一个完整的带，所以带在传动时长短不一致的现象就不会出现，这样带就可以充分地发挥它的作用，效率提升。、在相同的工作环境下,普通V带的传动功率远远没有多楔带的传动功率高，大概会高出百分之四十左右。、 多楔带适用于小带轮传动，因为其带比较薄，柔韧性好。、多楔带在工作时不会产生很多的热量，

19、运行起来相对平稳。通常用于高速的场合。图4.2多楔带3.平带平带的所具有的特点是：质量比较轻、厚度比较薄、材质比较软、以及抗弯曲的性能好等。平带通常用在带轮直径小的场合。高速运行时，传动平稳，带的散热性好。带在工作过程中，受到拉力之后不易变形，同时在潮湿的环境下运行的也很平稳。图4.3平带4.同步带：同步带传动兼有齿轮传动，链传动的优点。由于带的工作面形状是齿形，与主动带轮和从动带轮的槽啮合进行传动。由于带与带轮之间产生的负载被带的抗拉层所承担，相对滑动的现象就不会出现在它们之间，所以当同步带在传动时，带与带轮之间就没有滑动摩擦。同步带传动速度范围较大，低速运转时时，每分钟几转。高速运转时，它

20、的线速度能达到40M/S。传动比可以为10，传动效率高达99.5，传动功率的范围也很广，低至几瓦，高至数百千瓦。同步带在众多的行业，领域得到广泛的应用。 图4.4 同步带在主传动系统中我选择了V带传动。传动的优点是：（1）具有弹性，能缓和载荷冲击，运动平稳，没有噪音。（2）当载荷过大时带会在带轮上打滑，能起到过载保护。（3）安装方便，维修便捷，不需要润滑。（4）可以运用在中心距较大的场合。 在连接编码器的传动时，我选择了同步带传动。同步带有以下两种类型：1） 梯形齿同步带在工作时，齿根处会产生应力，当这种类型的同步带用在直径小的带轮上时，产生的应力会造成齿形变形的后果，对带与带轮之间的啮合传动

21、有影响，从而很容易地会产生振动和噪音，这对于高速传动是很不利的因素。因此，梯形齿同步带传动用于低速，小功率的场合。2） 圆弧齿同步齿形带在工作时，应力没有集中在一个位置，这样它在进行啮合时要比梯形齿同步带更加的可靠。因此，在很多场合，当需要带传动时，总会选择圆弧齿同步带。圆弧齿同步带传动平稳，吸振性能好，噪声低。它结构紧凑，维护起来比较方便。工作过程中，不需要去润滑且在恶劣条件下也能稳定可靠的工作。传动时，不需要特别地去张紧。 最后，我选择圆弧齿同步带作为编码器机构中的传动方式。4.1.2带传动设计 V带传动设计主轴箱传动方式我选择的是V带。 主电机功率：1.5KW,主轴最高转速：4000rp

22、m,传动比i=11 确定计算功率 K取1.1 2 V带选型 根据功率与带轮转速，所以选用A型带。3 确定带轮基准直径dd，并验算带速v。1) 初选带轮基准直径dd1 dd1=118mm2) 验算V带3) V在5m/s-25m/s范围内，故带速合适。 Dd2=118mm4 确定中心距和选择带的基准长度Ld0。 所以 初定中心距 所以带的基准长度 计算实际中心距a 5. V带轮的结构设计。 同步带传动编码器传动方式我选择的是圆弧齿同步带，带轮实际上是圆弧齿轮，齿轮传动会对齿轮的材料有要求，所以对材料进行选择。齿轮传动中，齿面的点蚀能力、抗磨损能力、抗胶合能力和抗塑性变形的能力要高。齿根要有很高的强

23、度、硬度，以免被工作时出现折断。因此，对齿轮材料的要求为： 1.齿面硬度大，齿芯韧性好。 2.具有良好的热处理性能和力学性能。齿轮材料有很多种类，以下几点在选择材料时可当作参考。 1.闭式软齿面齿轮传动常用的材料有35、45、40Cr等，用到这些材料的时候要进行调质或正火处理。这类材料的特点是制造简单，一般用于精度、强度、速度要求不高的普通机械传动。工作过程中，小齿轮运行的频率要远远地超过大齿轮，所以在设计时，小齿轮的齿面硬度要设计的比大齿轮的硬度高。2.闭式硬齿面齿轮传动常用材料为45、40Gr，用这些材料的时候要对它的表面进行淬火处理。当用的材料是20、20Gr、20GrMnTi，就要对它

24、的表面进行渗碳淬火处理。一般来说，两个齿轮的硬度都一致。这类材料的特点是要求的精度要高，制造比较复杂，通常用在重载、高速、以及精密机械中。 综合比较下，我选择闭式软齿面齿轮传动，材料为45钢，因为主轴箱结构中用到的圆弧齿同步带传动的强度和速度的要求并不高，所以这类材料比较符合要求。 圆弧齿同步带轮的计算 编码器的传动方式我选择的是圆弧齿同步带，带轮实际上是圆弧齿轮，所以带轮的设计也就是按照齿轮设计的方式来计算的。1) 选定带型节距 =8mm。带宽选择20mm。表4-1JB/T 7512.3-1994带型带宽b mm安转力G N3M69152.02.94.95M9152025303.96.99.

25、812.715.78M2030508517.626.549.084.314M40558511517049.071.5117.6166.6254.82）选取的主动轮和从动带轮的齿数分别为z1=49，z2=49.因为此同步带传动是用于编码器结构中，要实现记录主轴的转速，故两带轮的齿数需一致。3）我设计的主从带轮的中心距大约216mm左右。4）我在带轮上加上挡圈，防止带左右窜动，因而中心距可调整范围为032.8mm。见下表。表4-2带型单轮加挡圈两轮加挡圈3M3.06.05M13.519.18M21.632.814M35.658.220M47.077.55） 齿槽深，齿槽圆弧半径，齿顶圆半角，齿槽宽

26、,两倍节顶距，齿形角。见下表。表4-3槽型节距齿槽圆弧半径齿顶圆半角齿槽宽两倍节顶圆齿槽深齿形角3M30.910.260.351.90.7621.285M51.560.480.523.251.1442.168M82.570.780.845.351.3723.5414M144.651.361.509.802.7946.2020M206.841.952.2514.804.3208.606） 根据中心距a=216mm,可求得带长L的长度。7）主、从动带轮分度圆直径 。8）主、从动轮齿顶圆直径。9）主、从动轮齿根圆直径。4.2轴4.2.1 轴的设计和设计步骤 轴的设计包含两方面，一是结构设计，二是工作

27、能力的设计。轴的结构设计是对轴段长度和轴径进行合理的计算，在轴的设计中起到主要的作用。轴与其他的零件形成一个整体，我们叫做轴系零件。在轴的结构设计时，不能单一只考虑到轴，一定要和轴系零部件联系起来，形成一个整体来进行设计。在对轴进行结构设计的时候会有以下几个方面对其产生影响：1) 轴在机构中是以什么形式来安装的以及它位置的确定。2) 轴上所安装的零件是什么样的类型、轴上零件的数量、轴的尺寸大小、以及轴连接方式的确定。3) 作用于轴上的负载，它的方向、大小、及分布情况。4) 轴承的类型、尺寸和布置。5) 轴的加工及装配方法。轴的结构设计比较复杂，没有一个标准的形式来进行结构设计。所以当判断轴的结

28、构设计是否标准，一般要符合以下几点要求：1） 校核轴的强度和刚度是否满足要求。2） 轴上零件的安装位置是否是准确的。3） 轴上零件要便于调整和装拆。4） 轴上零件的加工工艺性要好。在满足使用要求的情况下，通常轴的形状要简单，以便于加工。轴的工作能力计算主要是对轴的强度和刚度的计算。通常来说，轴的强度决定着轴的工作能力，当遇到的轴对刚度很高的要求或者轴是细长轴这种类型时，我们在设计过程中就要对它的刚度进行计算。当轴用在高速运转的场合，要进行稳定性计算，这样不会发生共振。轴通常的设计步骤为：1.对传动方案先做一个整体的分析，然后再对轴上零件进行布置和装配。2.选择轴的材料。3.估算轴的直径。4.轴

29、的强度计算。5.对于重要的轴，精度计算的要很准确。4.2.2 轴的材料及选择轴的材料有很多种，比较常用的是合金钢、碳素钢、球墨铸铁等。碳素钢是这些材料中应用最为广泛的，因为它的价格低，对应力集中不敏感。当轴用于负载大或者重要的场合时，应选用35、40、和45等优质碳素钢，45钢应用最为广泛。对45钢进行正火或调制处理能够提高它的机械性能。对于受力较小的轴或者是不重要的轴，应选用Q235、Q255、和Q275等普通碳素钢，由于它价格比较贵，还有对应力集中也比较敏感，所以通常用在对轴有特殊要求的场合。当轴的材料是合金钢时，应优先选用硅锰钢、硼钢等。对于结构复杂的轴，可选用洛钢，这种钢可以保持尺寸的

30、稳定和热处理后的变形会减少。对于重要轴及截面大的的轴应选用络镍钢。常用合金钢的种类有20Cr、20CrMnTi、38CrMoAl、和40Cr等。当轴的局部表面要有高的耐磨性时，比如与滑动轴承相配合的轴，轴的速度会很高。这时选用低碳合金钢，之后再将这种钢进行渗碳淬火以提高轴颈的硬度。当轴的材料选组的是合金钢时，会产生很多的应力，所以在设计该材质轴的时候，在结构上要减少应力集中源，这样会大大地减少应力。同时它的表面质量还需要合理地进行提高。当轴的材料选用球墨铸铁时，由于它的工艺性能好，产生的应力少且吸振性能好。所以球墨铸铁广泛用在形状很复杂的曲轴类。对于以上几种轴的材料，我选择45钢作为主轴箱机构

31、中轴所用材料，因为45钢调制处理后，机械性能很好，在重要的结构零件中应用的很广泛，尤其是轴在交变负荷下工作的场合，所以主轴箱结构中所用轴的材料是45钢比较合适。轴按截面形状分为实心轴和空心轴，而本次设计中的主轴箱的主轴可以才用空心轴，只要空心轴的内径与外径的比值通常在0.50.6，来保证轴的刚度和扭矩稳定性。4.2.3 轴的强度计算轴的强度计算方法有3种：按弯矩强度计算、扭矩强度计算、安全系数校核计算。按扭矩强度来计算，转矩的大小要知道，计算方法简单，但是计算出来的精度低。它主要用于以下几种情况：1.对轴径初步估算后就能对结构进行设计2.主要是用来传递转矩的传动轴.3.不重要的轴。按弯矩合成强

32、度来计算，就要事先知道几个参数，这几个参数分别是：力作用在什么位置、作用力的大小、轴承的跨距大小、以及各段的轴径大小。按转矩估算完轴径后就可以对轴的结构进行设计，之后就可以画出轴的弯矩合成图，再计算危险剖面的最大弯曲应力。采用这种方法通常用来计算一般重要的轴、计算精度不高的轴、以及弯矩复合的轴。 按安全系数校核来计算，它计算出的精度很高，它主要用在工作轴和重要轴的计算。由于主轴箱结构中所用的轴是一根传动轴，主要用来传递转矩，所以我只要按扭矩强度来计算它的强度。1. 由材料力学可知，轴扭转强度的条件是：由此得到轴的直径：试中，T是扭转应力，单位值是MPa。T是轴的扭矩。P轴的传递功率，其单位值是

33、kW。n为转速，单位值是r/min。WT轴的抗扭截面系.如果计算的轴是实心圆轴，它的计算公式是：T为许用扭转切应力，其单位值为MPa。所以，估算轴的最小直径为18mm。见表4-4。其中C值选择126，因为主轴箱机构中轴连接的是减速器，所以速度较低。见表4-5表4-4标准直径尺寸系列 10 12 14 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 45 48 50 53 56 63 67 71 75 80 85表4-5 轴常用材料的T及C值轴的材料Q235-A,20Q275，354540Cr、35SiMn、38SiMnMoT1525203525453555C149

34、12613511212610311297注：在下列情况时，T取较大值，C取较小值：轴只受转矩载荷或者受到的弯矩较小且轴比较平稳、承受的轴向载荷小或者无轴向载荷、减速器的低速轴。4.3轴上配合件的选用4.3.1齿轮上键的选取与计算 键是一种标准件，我在齿轮上用到键主要是对轴与之相配的带轮进行周向的固定且还能传递一定的转矩。还有一些键用在轴上能对轴上零件的轴向进行固定且还有导向的作用。键连接有几种类型，分别是：平键连接、楔键连接、切向键连接、半圆键连接等。1 、平键连接平键在工作时，所作用的面是两侧面，平键之所以能够传递转矩主要是通过它的两侧面和键槽侧面接触并且挤压形成的力，这种方式就叫做平键连接

35、。轮毂槽底和键的上表面之间要留有一定的空隙。平键连接所具有的特点就是结构比较简单、对中性能好、装拆起来方便等。所以平键连接受到广泛的应用。 图5.5 平键连接2 、半圆键连接半圆键连接与平键连接的工作方式一致。轴上用来安装半圆键的键槽要用盘状的铣刀铣出，此铣刀的半径要与半圆键的半径一致。这样半圆键就可以绕着它的几何中心在槽中摆动，调整它在轮毂槽底面的斜度，直到合适的位置为止。半圆键连接所具有的特点就是结构比较简单，制造起来就更加容易以及它装拆起来也比较方便。当装入半圆键的时候，键槽要加工的较深，因而对轴的强度削弱大，所以一般常用于轻载连接，特别是轮毂与锥形轴端的连接。图5.6半圆键连接3 、楔

36、键连接楔键在工作时，作用面是它的上下两表面。在键的上表面存在一个斜度，轮毂的键槽底面也存在一个斜度，它们的斜度值为1:100。装配之后，楔键在轴槽和轮毂槽之间得到夹紧。当轴工作时，楔键之所以能够传递一定的转矩主要是通过它与轮毂槽之间摩擦之后产生的压力，同时它还能承受轴向载荷，方向是单方向的。 图5.7 楔键连接4、切向键连接切向键由两个斜度都是1:100的普通楔键组成。切向键在工作时，作用面是上下两个表面。在通过轴心线的平面内有一个工作表面，工作时轴线的切线方向会产生挤压力聚集到工作面上。这样切向键就能够传递一定的转矩，一个切向键能够传递单向转矩，两个切向键能够传递双向转矩。在安装的时候要注意

37、，两个键要相对地安装，因为它们存在一定的斜度。切向键连接通常用于大轴径，载荷大的重型机械以及对中性要求不高的场合。 再了解了以上几种键的原理与用途后，我选择平键来对轴与之相配合的带轮进行固定。平键的结构简单，装拆起来方便，对中性较好，应用的最为广泛。所以在主轴箱机构中，选取平键就符合要求了。由于与齿轮配合的轴段直径为28mm，所以选取的键槽尺寸为：b=8mm，h=7mm，键的长度根据标准的长度系列，我选择的值为56mm。表4-6.普通平键和普通楔键的主要尺寸（单位：mm）轴的直径68810101212171722223030383844223344556687108128轴的直径d445081

38、01012121717222230303838441491610181120122214251428163218键的长度系列6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32,36,40,45,50,56,63,70,80,90,100,110,125,140,180,200,220,250.4.3.2轴承的选用与定位在主轴箱机构中我会用到轴承，主要是用来支撑传动轴，使传动轴在运动过程减少摩擦，同时还能够保证传动轴的回转精度。轴承主要有两种分类，一种是滑动轴承，还有一种是滚动轴承。 1.滑动轴承中没有滚动体以及它的内外圈不会去区分，制造滑动轴承的材料是很耐磨的。它一般用在重载，

39、低速的场合及维护困难的机械旋转部位。 2.滚动轴承一般可以分为：深沟球轴承，圆柱滚子轴承，角接触球轴承，滚针轴承等。 (1)深沟球轴承是滚动轴承中应用最为广泛的一类轴承，相对于其他类型的轴承而言，该类所具有的特点就是：结构比较简单、与回转体直径产生的摩擦小、制造起来成本不高、不需要经常的去维护、形式多样、以及精度保持的较高。该类轴承主要能够承受径向载荷和一定的轴向载荷。当轴上装上深沟球轴承后，可以对轴向方向进行双向的定位。在深沟球轴承存在很大的径向游隙时，承受的轴向载荷较大 。深沟球轴承很适合用在轴向载荷较大的高速场合。(2)圆柱滚子轴承中的滚道和圆柱滚子的接触形式是线接触，承受的径向载荷大，

40、通常用在载荷受到冲击，及重载的场合。当轴承类型是N型NU型时，可轴向移动，它们是以高速运行的，当外壳与轴相对位置发生变化时，这两种类型能够适应，发生这些变化的原因是由安装误差或者热膨胀引起的。当轴承类型是NJ型及NF型时，能承受单向负载。当轴承类型是NH型和NUP型时，能承受双向负载且它们的内圈和外圈是分离，分离的好处是装拆比较方便。还有就是NNU型及NN型，它们的刚性大，能够承受径向载荷，通常用在机床主轴的保持架中，保持架也有很多类型。主要用于大中型电动机、发电机、减速装置、机床主轴、各类机械等场合。(3) 角接触球轴承有两种类型，一种是单列角接触球轴承，还有一种是双列角接触球轴承。单列角接

41、触球轴承在工作的时候，能够承受单向的轴向载荷。有时候也会承受径向载荷，在这种情况下，该类轴承只能够对外壳和轴作单向的轴向位移进行限制。角接触球轴承承受的轴向负载可以很大，这时就能把该轴承的内圈和外圈两侧的肩部高度设计成不一样。当把一侧的肩部高度加工的较低时，它承受负载的能力会变大，这样就可以把更多的钢球装进轴承。单列角接触球轴承通常用于机床主轴、燃汽轮机、高频马达、小齿轮轴等场合。双列角接触球轴承在工作的时候，能对外壳或者轴双向的轴向位移进行限制。该轴承内圈和外圈之间会存在一定的倾斜角，影响其大小主要因素是轴承的外形尺寸、轴承内部的间隙、以及作用在轴承上的力和力矩。同时，倾斜角的最大值不能使得

42、轴承内部产生过大的附加应力。轴承内圈和外圈之间存在的倾斜角，会使得轴承在运转的过程中噪声变大，运转的精度降低，同时也会对轴承的寿命产生影响。该轴承通常用的材料是黄铜实体保持架和尼龙保持架。双列角接触球轴承用于各种变速器行星减速机、精细化工机械等场合。(4) 滚针轴承内部有滚子，这些滚子的外形特征是细且长所以它在径向方向的结构比较紧凑。有时它的外径是最小的，是当它承受载荷的能力和内径的尺寸和其它类型的轴承一致时。该类轴承尤其适合用在限制径向安装尺寸的场合。这类轴承在工作过程中，只能够承受径向的负载。 图4.9 调心轴承 图4.10 深沟球轴承 图4.11 滚针轴承 图4.12 角接触球轴承 在了

43、解了这些轴承的类型以及用途后,我最终选择了角接触球轴承和深沟球轴承作为主轴箱结构中所需要的轴承,因为角接触球轴承在工作的时候，能够承受单向的轴向载荷。有时候也会承受径向载荷，在这种情况下，该类轴承只能够对外壳和轴作单向的轴向位移进行限制。深沟球轴承应用的的最为广泛，该类轴承的结构简单、制造起来成本低、与传动轴配合使用时摩擦会减少、不容易出现损坏、它的结构形式有很多的选择以及尺寸选择的范围大。它能够承受一定的轴向载荷，最主要的是能够承受径向载荷。该轴承还能作双向的轴向定位。所以深沟球轴承用在主轴箱机构中比较符合要求。 当轴承在承受轴向载荷时，为了避免产生轴向的移动,因而要有定位装置对轴承进行轴向

44、的定位。根据轴承类型的不同,轴向定位的方式也有区别。通常轴向定位有以下几种方式： 1.轴承内圈的定位（1） 螺母定位 当轴承承受的轴向载荷很大，以及在高速运转的场合时，轴承内圈与螺母所接触的端面要垂直于轴的旋转中心线。不然就算拧紧螺母轴承安装位置也会受到影响，导致它的工作时不平稳，这样的话轴承的使用寿命和旋转精度都会下降。为了避免轴承在旋转的过程中发生松动，要使用螺母进行定位。 （2） 弹性挡圈定位 当轴承的转速不高、承受的轴向载荷小、并且轴的长度较短，这时就可以采用弹性挡圈进行定位。这样定位的主要特点是：制造简单、装拆方便、以及它所占的位置小。（3） 内孔有锥度的轴承定位 当轴承的内孔有锥度

45、，并且轴承要安装在有锥度轴上时，在安装的时候要对内孔锥度的方向的进行关注。如果轴端允许加工螺纹并且在轴端的位置安装有轴承，这样的话用螺母定位就行了。如果轴端没有安装轴承，并且轴上也不能加工螺纹。是这种情况的话，就要用螺纹环装入轴槽内进行固定，紧接着再用螺母对轴承进行定位。 2.轴承外圈的定位 （1） 端盖定位 这种定位方法常用于角接触轴承和向心轴承，当轴承承受的轴向载荷大以及高转速时，转速较高、轴向负荷较大的情况下使用。端盖用螺钉定位来压紧轴承外圈。 （2） 螺纹环定位 当轴承承受的轴向载荷大、高转速以及不宜用端盖进行定位时，就采用螺纹环定位，这种定位方法可以对轴承的轴向间隙进行调整。（3）弹

46、性挡圈定位 这种定位的主要优点是：装拆方便，制造简单，用于适承受的轴向载荷小的场合。了解了以上几种对轴承进行定位方法后，我最终选择弹性挡圈进行轴向定位。在主轴箱结构中，我所选用的的轴承是角接触球轴承和深沟球轴承。该轴承有内圈和外圈，所以当轴承在传动轴和转轴上装配好后，要进行轴向的定位。传动轴上的轴承我采用孔用弹性挡圈进行定位，这时装配圆孔的直径要比挡圈的直径稍小。安装时必须要用到卡簧钳，挡圈的钳孔中插入钳嘴，再夹紧挡圈，这样才可以放置于之前加工好的圆孔槽内。转轴上轴承的定位采用轴用弹性挡圈，它的装配轴径要比挡圈的内圈大些。在安装的时候，要用到卡簧钳，挡圈中的钳孔中插入钳嘴，使挡圈扩大，这样就能

47、放置于之前加工好的轴槽里。以上采用的定位方法进行定位的优点是：装拆方便、所占的轴向位置小、结构比较简单，以及用在轴向载荷小的场合。在主轴箱结构中所用到的轴承采用这种方法定位比较合适。 图4.13 孔用弹性挡圈 图4.14 轴用弹性挡圈4.3.3 联轴器的用途及选型在编码器结构中，编码器的输输入端会有一根轴要与传动轴进行连接，来带动编码器的转动，这时就要用到一个联轴器将这两根轴连接起来，用来传递运动与转矩。联轴器的类型有很多种类，但是在选择时要考虑轴的直径大小、轴的转速以及转矩的大小等几方面的因素。最后，我选择套筒联轴器来连接两轴，同时再用平键进行固定。之所以使用这种类型的联轴器，主要是因为它的

48、结构比较简单、制造起来成本低、用于负载小且不会受到冲击以及轴转速低的场合。在对联轴器型号选择好之后，要确定联轴器的外形结构尺寸。计算出它的转矩。计算联轴器转矩，其中T为轴的转矩,是联轴器的工作情况系数。所以表4-7工作情况系数动力机工作机转矩变化小转矩变化、冲击载荷中等转矩变化、冲击载荷大电动机，内燃机1.31.51.71.92.33.1多缸内燃机1.51.71.92.12.53.3单、双缸内燃机1.82.42.22.82.83.0平键套筒联轴器连接两轴的轴径设计成20mm，所以I=15mm,D0=35mm，L=60mm。它的额定转矩远远低于联轴器的额定转矩。图4.15 平键套筒联轴器表4-8轴孔直径D0LI键槽宽度b键槽深度t1紧钉螺钉GB/73-2000许用转矩尺寸偏差尺寸偏差2035601560.0152.80.10M610712235651560.0152