车床主轴箱设计说明书

1、中北大学课程设计说明书1、题目要求及参数确定1.1设计要求 1）机床的类型、用途及主要参数车床，工作时间：三班制，电动机功率：N=7.5KW，主轴最高、最低转速如下：，变速级数：z=12。 2）工件材料：45号钢 刀具材料：YT15 3）设计部件名称：主轴箱1.2运动参数确定回转主运动的机床，主运动的参数是主轴转速。 最低转速和最高转速：、，机床的分级变速机构共12级由 得：=1.26查金属切削机床表7-1得：各轴转速：100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250。1.3主电机的选择合理的确定电机功率N，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生

2、产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。一般车床无特殊要求，多采用Y系列封闭式三相异步电动机，已知电动机的功率是7.5KW,根据车床设计手册附录表选取Y132M-4型Y系列笼式三相异步电动机，额定功率7.5，满载转速1440r/min，最大额定转距2.2。2.运动设计2.1 传动组的传动副数的确定 传动组和传动副数可能的方案有： 12=4*3 12=3*4 12=3*2*2 12=2*3*2 12=2*2*3在上列各方案中，前两个有时可以省掉一根轴。缺点是有一个传动组内有四个传动副。如果用一个四联滑移齿轮，则会增加轴向尺寸；如果用两个双联滑移齿轮，则操纵机构必须互锁以防止两个滑移齿轮同时啮

3、合。所以一般少用。后三个方案中可根据下述原则比较：从电动机到主轴，一般为降速传动。接近电动机处的零件，转速较高，从而转矩较小，尺寸也就较小。如使传动副较多 的传动组放在接近电动机处，则可使小尺寸的零件多些，大尺寸的零件就可以少些，就省材料了。这就是“前多后少”的原则。从这个角度考虑，以取12=3*2*2的方案为好。2.2 结构网和结构式各种方案的选择 在12=3*2*2中，又因基本组和扩大组排列顺序的不同而有不同的方案。可能的六种方案，其结构网和结构式见图1。在这些方案中，可根据下列原则选择最佳方案。 图1结构网（1）传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围 主传动链任一传动副的极限传动比应满

4、足：，传动组的最大变速范围一般为：816。在检查传动组的变速范围时，只需检查最后一个扩大组。因为其它传动组的变速范围都比它小。在图中，方案a,b,c,e是可行的。方案d,f是不可行的。（2）基本组和扩大组的排列顺序在可靠的四种结构网方案a,b,c,e中，还要进行比较以选择最佳方案。原则是选择中间传动轴变速范围最小的方案。因为如果各方案同号传动轴的最高转速相同，则变速范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些。方案a的中间传动轴变速范围最小，帮方案a最佳。即如果没有别的要求，则应尽量使扩大顺序与传动顺序一致。2.3 拟定转速图本机床所选定的结构式共有三个传动组，变速机构共需4轴。

5、加上电动机轴共5个轴。故转速图共需5个竖线，主轴共12级转速，电动机轴转速与主轴最高转速不相近，共需13条横线。现拟定转速图如： 图2 转速图的拟定 在五根轴中，除去电动机轴，其余四轴按传动顺序依次设为、。与、与、与轴之间的传动组分别设为a、b、c。现由（主轴）开始，先来确定轴的转速。传动组c 的变速范围为 ，又因为传动比 ， 。 所以结合结构式，轴的转速最低可以为：200、250、315、400、500、630r/min。最高可以为：400、500、630、800、1000、1250r/min。为了使中间轴转速不至于过高，降速时传动件尺寸又不至于过大；升速时，传动过程较为平稳，可取 ，轴的转

6、速确定为250、315、400、500、630、800r/min。同理对于轴、，为了避免升速，又不使传动比太小，可取，；，这样就确定了轴的转速为500、630、800r/min，轴的转速为800r/min。电动机与轴之间为带传动，传动比1/1.8在1/21/3之间。最后在2图上补足各线，即可以得到如图3的转速图。 图3 12级传动系统转速图 图2转速图 2.4 齿轮齿数的确定因传动比i采用标准公比的整数次方，齿数和S以及小齿轮齿数可以从表8-1中查得。（1）在传动组a中，ia3=1,a22=1/1.26,ia1=1/1.59。则，查戴署金属切削机床表8-1为1，1.26，1.59的三行。有数字

7、的即为可能方案。取S为72，则从表中查出小齿轮齿数36、32、28。即ia3=36/36，ia2=32/40，ia1=28/44。（2）在传动组b中，ib2=1，ib1=1/2则查表8-1I 为1，2的两行。有数字的即为可能方案。取S为84，则从表中查出小齿轮齿数为42、28。即ib2=42/42，ib1=28/56。（3）在传动组c中，ic2=1.59/1，ic1=1/2.52则查表8-1 为2，4这,两行。取S为91，则从表中查出小齿轮齿数为35、26。即ic2=56/35，ic1=65/26。2.5 传动系统图的确定2.6 计算转速的确定（1） 主轴 根据金属切削机床表8-2，中型车床主

8、轴的计算转速是第一个三分之一转速范围内的最高一级转速，即为n4=200r/min。（2） 各传动轴 轴可以从主轴为200r/min按65/26的传动副找上去，似应为500r/min。但由于轴最低转速250r/min经传动组c可使主轴得到125r/min和400r/min两种转速。但400r/min要传递全部功率，所以轴的计算转速应为250r/min。轴的计算转速可按传动副b推上去，得500r/min。（3） 各齿轮 传动组c中，26/65只需计算Z=26的齿轮，计算转速为500r/min；56/35只需计算Z=35，nj=400r/min。传动组b应计算Z=28，nj=500r/min。传动组

9、a应计算Z=28，nj=800r/min。图4传动系统图 3 传动零件的初步计算 3.1 传动轴直径的初定（1） 根据传动轴传递功率的大小,用简化的扭转刚度公式计算：d()式中 -传动轴受扭部分直径(mm) -该轴传递的功率(kw) -电动机的功率(kw) -电动机到该传动轴的传动效率 nj -被估算的传动轴的计算转速(r/min) -该传动轴每米长度允许扭转角(deg/m)一般传动轴取=0.51，此处取1则轴d，代入数据计算后取整：d1=30，d2=35，d3=40。（2）主轴轴颈的确定 查机床设计手册表2-3，根据主轴驱动功率可确定车床主轴前轴颈的直径范围为75-110mm，取100mm；

10、后轴颈可按。空心主轴内径直径取。3.2齿轮模数的初步计算初步计算齿轮模数时,按简化的接触疲劳强度公式进行.一般同一变速组中的齿轮取同一模数,选择负荷最重的小齿轮进行计算。则 式中 -按接触疲劳强度估算的齿轮模数（mm）; -驱动电动机功率（mm）; -被估算齿轮的计算转速(r/min)； -大齿轮与小齿轮齿数之比, u1,外啮合为+,内啮合为-; -齿轮齿数; -齿宽系数, =610,B为齿宽,m为模数，本设计中取8； -许用接触应力(),查表3-9，取45钢，高频淬火，=1370。代入数据计算得则a传动组取ma=2；则b传动组取mb=2；则c传动组取mc=2.5。3.3 齿轮参数的计算 标准

11、齿轮：从机械原理表10-2查得以下公式齿顶圆 齿根圆 分度圆 齿顶高 齿根高 齿轮的具体值见表齿轮齿数z模数m分度圆d齿顶圆齿根圆齿顶高齿根高1352.587.59084.3752.53.1252272.567.57064.3752.53.1253312.577.58074.3752.53.1254352.587.59084.3752.53.1255432.5107.5110104.3752.53.1256392.597.511194.3752.53.125736310875104.2533.7582437211168.2533.759363108147104.2533.75104831441

12、71.5140.2533.7511483.516887.5163.6253.54.37512243.58487.579.6253.54.37513243.58487.579.6253.54.37514483.5168171.5163.6253.54.3753.4齿宽确定查机床设计手册 由公式得：第一套啮合齿轮 第二套啮合齿轮 第三套啮合齿轮一对啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿的载荷，设计上，应小齿轮比相啮合的大齿轮宽5-10mm。所以，4、主要零件的验算4.1 三角胶带传动的计算和选定（1）确定计算功率由表8-65查得工作情况系数KA=1.2,故:

13、kw=9kw（2）选取V带型号 根据、n1由图8-85确定选用A型普通V带。（3）确定带轮基准直径 由表8-35和表8-75取主动基准直径。 根据式（8-15），从动轮基准直径 按式（8-20）验算带的速度 ，故带的速度合适。（4）确定A带的基准长度和传动中心距 设a0为传动中心距，根据,初步确定中心距。 根据式（8-20）计算带所需的基准长度 由表8-2选带的基准长度。 按式（8-21）计算实际中心距a，（5）验算主动轮上的包角1 由式（8-6）得：，故主动轮上的包角合适。（6）计算A带的根数z计算单根V带的额定功率由d1=125mm和n1=1440r/min，查表8-4a得=2.07kw。

14、根据n1=1440r/min,i=1.26和A型带，查表84b得查表85得0.97，表82得0.99，于是2.15kw=4.18 取5（7）计算预紧力F0由式(8-23)知 查表8-4得q=0.1kg/m，故： （8） 计算作用在轴上的压轴力 由式（8-4）得 4.2圆柱齿轮的强度计算在验算算速箱中的齿轮应力时，选相同模数中承受载荷最大，齿数最小的齿轮进接触应力和弯曲应力的验算。这里要验算的是齿轮齿数为28，28，26这三个小齿轮。齿轮28的模数为2，齿轮的接触应力的验算公式为： 弯曲应力的验算公式为：式中：齿轮传递的功率（KW），( ) 电动机的额定功率（KW）； 从电动机到所计算齿轮的机械

15、效率； 齿轮的计算转速（r/min）; m初算的齿轮模数； B齿宽（mm）; Z小齿轮齿数； u大齿轮与小齿轮齿数之比，u1，“+”号用于外啮合，“-”号用于内啮合； KS寿命系数； KT工作期限系数：KT=m 60n1T/C0 T齿轮在机床工作期限（Ts）内的总工作时间（h），对于中型机床的齿轮 Ts=1500020000h，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为T=Ts/P,Po 变速组的传动副数； n1齿轮的最低转速（r/min）; C0基准循环次数，查表3-1； m疲劳曲线指数，查表3-1； Kn速度转化系数，查表3-2； KN功率利用系数，查表3-3； Kq材料强化系数，查表3-4

16、； 的极限值，见表3-5，当时，则取；当时，则取； 工作情况系数，中等冲击的主运动，取K1=1.21.6； 动载荷系数，查表3-6； 齿向载荷分布系数，查表3-7； 标准齿轮齿形系数，查表3-8； 许用接触应力（），查表3-9； 许用弯曲应力（），查表3-9。查得： =800r/min m=2 B=26 Z=28 u=2.5 = 0.84 K1=1.4 K2=1.3 K3=1故： =632MPa<1370所以合格。所以合格。另外两齿轮计算方法如上，均符合要求。 4.3 传动轴的验算(1)选定前端悬伸量C 参考机械装备设计P121，根据主轴端部的结构，前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，

17、这里选定C=120mm.(2)主轴支承跨距L的确定 一般最佳跨距 ， ,考虑到结构以及支承刚度因磨损会不断降低，应取跨距L比最佳支承跨距L0大一些，再考虑到结构需要，这里取L=700mm。(3)计算C点挠度1 周向切削力Pt的计算其中,故 1313.1N，故2 传动力Q的计算参考金属切削机床课程设计指导书得，其中 所以N3 轴承刚度的计算 这里选角接触球轴承 根据求得：4 确定弹性模量，惯性距I；IC；和长度 a、轴的材产选用40Cr，查简明机械设计手册P6，有 b、主轴的惯性距I为： c、主轴C段的惯性距Ic可近似地算： d、切削力P的作用点到主轴前支承支承的距离S=C+W，对于普通车床，W

18、=0.4H，（H是车床中心高，设H=200mm)。则： e、根据齿轮、轴承宽度以及结构需要，取b=60mm f、计算切削力P作用在S点引起主轴前端C点的挠度 代入数据并计算得 =0.13mm。 g、计算驱动力Q作用在两支承之间时，主轴前端C点子的挠度计算得： =-0.003mm h、求主轴前端C点的终合挠度水平坐标Y轴上的分量代数和为 计算得：ycy=0.0297mm，综合挠度： ， 综合挠度方向角： ，又因为 ，所以此轴满足要求。5、结构设计及说明5.1 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

19、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。5.2 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。I轴上装的

20、摩擦离合器和变速齿轮。有两种布置方案，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内径的约束，齿根圆的直径必须大于离合器的外径，负责齿轮无法加工。这样轴的间距加大。另一种布置方案是离合器的左右部分分别装在同轴线的轴上，左边部分接通，得到一级反向转动，右边接通得到三级反向转动。这种齿轮尺寸小但轴向尺寸大。我们采用第一种方案，通过空心轴中的拉杆来操纵离合器的结构。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。5.3 齿轮块设计齿轮是变速箱中的重要元件。齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的。也就是说，作用在一个齿轮上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装

21、误差等，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性。在齿轮块设计时，应充分考虑这些问题。 齿轮块的结构形式很多，取决于下列有关因素：1） 是固定齿轮还是滑移齿轮；2） 移动滑移齿轮的方法；3） 齿轮精度和加工方法；变速箱中齿轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于圆周速度。采用同一精度时，圆周速度越高，振动和噪声越大，根据实际结果得知，圆周速度会增加一倍，噪声约增大6dB。工作平稳性和接触误差对振动和噪声的影响比运动误差要大，所以这两项精度应选高一级。不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有所不同。6.3.1其他问题滑移齿轮进出啮合

22、的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸。圆齿和倒角性质不同，加工方法和画法也不一样，应予注意。选择齿轮块的结构要考虑毛坯形式（棒料、自由锻或模锻）和机械加工时的安装和定位基面。尽可能做到省工、省料又易于保证精度。齿轮磨齿时，要求有较大的空刀（砂轮）距离，因此多联齿轮不便于做成整体的，一般都做成组合的齿轮块。有时为了缩短轴向尺寸，也有用组合齿轮的。6.4 主轴组件设计主轴组件结构复杂，技术要求高。安装工件（车床）或者刀具（车床、钻床等）的主轴参予切削成形运动，因此它的精度和性能直接影响加工质量（加工精度和表面粗糙度），设计时主要围绕着保证精度、刚度和抗振性，减少温升和热变形等几个方面考虑。主轴形状与各部分尺寸不仅和强度、刚度有关，而且涉及多方面的因素。1） 内孔直径车床主轴由于要通过棒料，安装自动卡盘的操纵机构及通过卸顶尖的顶杆，必须是空心轴。为了扩大使用范围，加大可加工棒料直径，车床主轴内孔直径有增大的趋势。2） 轴颈直径设计时，一般先估算或拟定一个尺寸，结构确定后再进行核算。3） 前锥孔直径前锥孔用来装顶尖或其他工具锥柄