金属材料拉伸试验机设计说明书

1、中国矿业大学毕业设计（论文） 中国矿业大学毕业设计（论文） 目 录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第1章概述6 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第1.1节课题的提出6第1.2节国内外试验机研究的回顾 7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第1.3节课题的重点和难点 12 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第2章材料拉伸试验机总体设计 15 HYPERLINK l bo

2、okmark24 o Current Document 第2.1节加载方式15 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第2.2节传动方式16 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 第2.3节总体结构16 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第3章运动动力设计与验算20 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 第3.1节滚珠丝杠副的运动动力设计计算 20 HYPERLINK l bookmark56 o Curre

3、nt Document 第3.2节电机的选择 28 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 第3.3节各轴功率，转速，转矩的计算 30 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 第3.4节各级传动的设计计算 31 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 第3.5节支撑滚珠丝杠的轴承的选择及验算40 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 第3.6节动静横梁变形的验42 HYPERLINK l bookmark86 o Cu

4、rrent Document 第3.7节离合器的选择计算 46 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 第4章轴类零件工艺分析48 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 第5章使用说明51 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 第6章总结52 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 参考文献53附录1英文原文55附录2中文翻译64第1章概述1.1课题的提出1.1.1课题产生的背景作为一名机械专业的毕业生，为了能在不久

5、以后的工作岗位上更快 地进入职业角色，我们需要在毕业设计这一环节上将自己在大学四年中 所学习到的知识应用到实践中去。 所以在指导老师的引导之下，我选择 了金属材料拉伸试验机设计这个题目。1.1.2课题的意义通常，人们习惯把测定材料机械性能的仪器和设备称为材料试验 机。但是，有些国家有时把测定材料物理性能（甚至化学性能）的仪器 和设备也称为材料试验机。在国外，尤其在工业比较发达的国家中，对于试验机的研制和生产， 都是备受重视的。因为，材料试验机作为一个基础工业部门，对于工业 生产和科研工作有直接的不容忽视的影响。实际上，对于工业生产和各种工程设计来说， 材料试验机是确保各 种机器，车辆，船舶和结

6、构物的合理设计与安全运行的重要测试设备。 因为，为了既经济又安全可靠地从事各种工程设计， 必须根据材料的机 械性能选取合适的材料。否则，可能造成浪费，或者导致发生严重的事 故。而要获得准确的材料机械性能数据，只有使用材料试验机。在工业生产特别是军事工业生产中，为了保证产品质量，常常需要 对各种材料和零部件或整机进行检定和测试。许多重要性的热处理零部 件，如轧钢机的钢辊，机器的主轴和汽车的连杆等，都要百分之百的进 行硬度检定。在冶金工业生产中，随着科学技术的飞速发展，也提出了许多新问 题。例如现代技术的发展，需要一些具有特殊性能的，能在高温，低温, 高压，高速以及各种复杂条件下工作的材料， 因此

7、必须研制新型材料与 合金。钢铁厂生的的钢材，也需要随时检验。显而易见，所有这些研究 和检验工作，离开材料试验机是无法进行的。上述几点，已足以说明材料试验机的发展对航空，冶金，机械，建 筑和造船等工业部门，在合理设计工程结构，节约材料，提高产品质量， 改进工艺和降低成本方面具有重要的意义。另外，由于材料试验机所涉及到的科学技术领域比较广泛，如高温技术，低温技术，真空技术，液压技术，光学技术，电子技术和激光技 术等，并且还应用各种测试，记录和显示仪器， 所以材料试验机的技术 发展，往往取决于很多科学技术领域的水平。1.2国内外实验机研究的回顾、现状及发展趋势1.2.1国内外试验机发展及其趋势近些年

8、来，随着航空，冶金，造船，化工和机械工业生产技术水平 的迅速发展，对金属材料试验提出的要求也越来越高， 许多产品的重要 的零部件甚至整机，常常需要在各种复杂的情况下进行模拟试验。因此, 在材料试验机中不断地采用了一些新技术，例如电液伺服系统，电子计 算机等。所有这些新技术的应用，不仅使材料试验机的性能在为提高， 而且使材料试验机的结构也随之发生了很大的变化。近来国外生产的一些材料试验机，由于应用了一些新技术，试验机 的性能有所提高，应用范围也有所扩大。这种试验机除了能做拉压，弯, 剪切等表态试验外，还可以做蠕变和松弛试验，有的还能做动态试验， 测定材料的疲劳极限。国外生产的材料试验机，主要分为

9、机械式，液压式和电子式三种。 近来电液伺服系统万能试验机后来居上。 此外，有时又按其他特征分为 高温，低温，大型，微型和自动试验机等。机械式材料试验机的加荷机械和测力机械一般采用机械传动装置。 这种试验机具有足够的精度和稳定性。但负荷能力受到一定限制，最大 负荷多在10吨以下。因测力机械的惯性较大，加荷速度受到一定限制。 所以，国外一些主要生产厂已经不再生产，有的仅放在次要的地位。液压材料试验机，应用液压传动加荷。范围一般为10-200吨。最大负荷高达5500吨。与机械材料试验机相比较，除负荷较大外，加荷 平衡，加荷速度可自由调节。近些年来，各国都在大力发展电子材料试验机。 这是一种将电子技

10、术应用于试验机负荷系统与变形系统中，精确地进行测量和记录的新型 材料试验机。1.2.1国内外各种实验机的介绍试验机是用来进行材料力学性能指标测定的设备，在各类材料的产 品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都需要应用试验机来进行力学性能测试。而其中在静态式材料试验机上的拉伸、 压缩、弯曲、剪切等试验尤为广泛。我国静态式材料试验机为数众多， 遍布于全国各地，大部分不具备电测能力，以手动调整进、回油阀的方式运行，试验手段落后，有劳动量大和测试结果不准确等缺点。若对其指示、记录系统及控制系统进行适当的技术改造， 则可以充分地发挥设 备的潜能，大大提高其技术性能及使用价值，更好地为材料

11、研究、质量控制和实验教学服务。 本系统将先进的虚拟仪器技术、传感技术、测 试技术和控制技术相结合并应用于静态式材料试验机，来实现力学性能 参数的自动检测，其中试验数据的实时采集、自动处理分析和试验中的 加载速率控制是本系统研究的重点。本系统在充分掌握大量试验机的动态信息的基础上，采用虚拟仪器技术，进行了静态式材料试验机数控 化系统的硬件搭建及软件设计。下面对各种试验机作简单介绍：液压式材料试验机传统的材料试验机是液压式的，这种材料试验机存在一些不足之 处。它通过油泵向油缸输油加压，由流量调节阀控制流量。油泵和测力 油缸的液压系统容易发生故障，不但影响试验机的运行和试验质量 ， 而且增加了维修工

12、作量；它的液压夹具的钳口座比较笨重，容易损坏; 采用摆锤测力计测量试验力，摆锤的惯性大，对载荷的测量精度低，且 量程范围小。电子材料试验机电子材料试验机的特点是能够实现应力、应变、位移的闭环控制 ； 试验中无须选择量程，可实行全过程自动控制；装卸夹具和附件方便； 软件包功能强大，用户通过PC可直接存储数据、计算并输入测试结果 和打印试验报告。计算机控制整个试验过程，保证了试验的质量。电子万能试验机是先进的机械技术与现代的电子技术相结合的产物，是充分发挥了机、电技术各自特长而设计成的大型精密测试仪器， 它具有高科技特点，其设计方法是模块化的。采用集散技术，有效地利用了微机功能对各种附件和功能单元

13、进行组合管理、控制、实现多种功 能试验。材料试验机测试装置包括机身、 横梁及其支撑部件、钳口和引伸计 等。其中机身、横梁及支撑装置只需满足强度、刚度和稳定性要求即可, 而引伸计和试验钳口则是试验机的关键测量装置和部件。电子材料试验机由计算机控制系统进行自动控制。 首先，通过计算 机可完成试验阶段的设置。对于金属材料的常规拉伸试验，通常划分为 三个阶段，即弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。在三个试验阶段设置中， 均要选择速率控制类型和最大存储频率等主要参数值。同时，计算机可 实现测量数据的存储，并由计算软件对试验数据进行处理，给出检测 结果,最后，完成试验报告的打印。3 扩大试验机试验吨位的机械增力

14、装置该装置属于材料试验设备，能在一定的试验条件下解决小吨位高频 拉压试验机不能进行大吨位试验的问题。它利用弹性内封闭力系的原 理，通过改变装置系统内部的约束尺寸来实现增力，运用实验应力分析 技术通过电阻、电桥、应变仪、指示器、光标及“动态静标法”来实现 检测。该装置能确保原试验机的各项性能指标及使用寿命，能达到“以小改大、一机多用”的目的，具有结构紧凑、工艺简单、测试精确、使 用方便等优点。中国矿业大学毕业设计（论文） 中国矿业大学毕业设计（论文） 中国矿业大学毕业设计(论文) 4.机械式带传动材料试验机基于主机架采用门式结构，使得造型匀称美观大方结构简单、 成本 低。尤其配以滚珠丝杠与同步齿

15、型胶带的传动系统，使得整机运行平稳，响应快、噪声低、效率高。对测量系统，微机可以对其进行自动调零， 自动标定、自动换档，从而保证了测量系统的稳定可靠性，并大大地提 高了工作效率。通过对传统材料试验机的分析，发现其不足主要表现在以下几个 方面：无法保证角度及位移测量的精度。现代位移测量系统普遍采用 光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测量系统，利用增量测量 方法来确定位置和材料延伸率S ,精度达到土 011卩m,速度可达16m / s ; 传统试 验机多通过游标卡尺人工测量，无法满足这一要求。数据人工生成。采用人工读取的形式获得数据，数据无法即时 汇总和分析。速度调节为机械的有级调速，速度控

16、制为开环控制，不能构 建转速闭环。不能测量材料的屈服强度(7 s、弹性模量E、硬化指数n和塑 性应变比r等参数。事实上，多功能材料试验机、万能材料试验机等， 其实验原理与当前主流的计算机控制材料试验机并没有实质性的变化 ， 其被控对象都比较相似，对控制效果的要求也相似。计算机控制材料试 验机主要是在控制系统上引入了 CAT (Computer Aided Test, 计算机 辅助测试），具有液压伺服或者交直流电机伺服驱动、高精度的位移传 感器、数据采集与控制装置等。系统结构如图所示。1.3课题的重点和难点:方案的确定，传动系统设计、计算；材料试验机（泛指压力试验机、拉力试验机及万能试验机等试验

17、机） 广泛地用于建筑、建材、公路桥梁、机械加工，检测、质检等行业或机 构；在这些行业或机构中，材料试验机一般均是用来对材料或产品的 机械性能进行检测，通过检测所得到的数据来判定所购买的或生产的 产品的质量，通过优化组合进而达到对生产质量的过程控制；另一方面，许多质检机构或检测公司都是以材料试验机试验所得到的数据来 进行质量判别和质量监督的。因此如何正确地使用材料试验机，如何正 确地评定材料试验机的检定结果，特别是如何正确地评定测量结果中 示值误差的不确定度就显得特别重要。材料试验机示值误差不确定度最主要的来源是标准测力仪、检测时数据的不重复性、指示装置的分辨率等三项，而温度波动、温度修正系数、

18、温度计读数误差等三项相比而言属于高阶无穷小，可以忽略不计。 另外，在确定不确定度来源时本文没有考虑示值进程误差和零点相对 误差所带来的影响，一方面因为材料试验机主要是使用进程示值，因此考虑此误差意义不大，另一方面零点相对误差主要是衡量回零点的 情况，而回零点的好坏情况间接地包含在了重复性误差中，因此若再考虑零点相对误差就会在不确定度来源上导致重复。对于材料试验机要关注以下一些性能参数:1）承载能力与尺寸这些指标对选择万能材料试验机至关重要。 承载能力的选定，要根 据所测试的材料被拉断所需的最大力来决定。对尺寸来说，要求测试时存在可用的足够空间， 包括横向与纵向的 空间都应该合适。一些材料，试验

19、时延伸得较长， 所以试验机垂直的尺 寸必须有足够的长度，以满足材料延伸的需要。另外还应考虑特殊的夹 具，固定装置和环境箱所占据的空间。2）横梁的刚性这个指标往往被过高的要求了。只有在使用十字头运动作为引伸计 或进行挠性测试时横梁的刚度才会显得极为重要。用于评价横梁刚度的 因素很多，可以总结为以下几条：丝杠直径，圆螺母的匹配，丝杠轴承 的匹配等。一些低刚度的机械制造商提供标准设备，数据采集和程序直 接测试应变和挠度的机器。实际上，如果承载横梁用作挠度测试时，这 个方法可以用来校正测试结果。3）驱动系统的指标 这些指标是重要的，它用以保证系统是否按有关国际标准来进行试 验。4）满载的最大速度5）电

20、控系统6）数据记录速度和带宽7）测力系统系统必须精确并要求重复性好，精确度在0.5%-0.01%范围内。0.25% 的读数重复性要求95%合，在同一系统中自标定的载荷码要比其他载 荷码方便。8）应变测量系统对于一台试验机的评价首先是仔细地评价机器在特定要求下的特 性和指标。在不同应用方面要求也会有所不同。 一台材料试验机最重要 的是应该符合应用需要和标准要求，对一些特别的和华而不实的指标将 不可避免地使价格升高第2章 材料拉伸试验机的总体设计2.1加载方式材料拉伸试验机的加载方式有机械式和液压式，它们各有优缺点。2.1.1液压式优点：手动容易易于实现大的力值，加荷平衡，加荷速度可自由调节。缺点

21、：难于实现自动控制，微小距离难于实现易造成环境污染2.1.2机械式优点：易于实现自动控制无污染缺点：大力值难于实现，一般仅适用于小于 1000kN的力对比上面两种加载方式，由于本设计的规格为100kN，故决定采用 机械式加载方式。2.2传动方式材料拉伸试验机的传动方式有单丝杠式，双丝杠式，多丝杠式。 单丝杠式难于保证精度（加载时，易偏离中心线），而多丝杠式结构过 于复杂，故采用单丝杠传动方式，结构相对简单，能保证本试验机对精 度的要求。本试验机的传动主要为螺旋传动和同步带传动。 同步齿形带的传动 必须考虑带的张紧，可通过调整其中一张紧轮的位置而达到张紧的目 的。至于另两级带传动，由于结构的限制

22、，可采用电机张紧方式张紧。 螺旋传动有蜗轮蜗杆传动和滚珠丝杠副的传动。蜗轮蜗杆具有自锁性 能，在装配时必须注意其旋转方向。滚珠丝杠采用垫片式消隙和预紧方 式，可通过调整预紧力来改变其松紧程度，以便使用丝杠运转自如。2.3总体结构材料拉伸试验机的传动系统原理图如下页图一所示：考虑到成本等方面的因素，决定采用双电机工作方式，因为如果采 用单电机工作方式，单电机为饲服电机，其价格较高。而采用双电机， 其一为异步电机，其二为步进电机，其造价较低且其结构也不是很复杂。 加载时，丝杆的转速低，其运动速度慢，当两元件的距离较远时，如不 采用快进机构则其效率较低。因此，因此决定在快进时采用异步电机驱 动，而工

23、进时采用步进电机驱动。由原理图上可知，当快进时，如不把 步进电机隔离，则步进电机将被被动带动转动，且其转达速进十分高， 易把步进电机烧坏，因些在其上面加一分离机构（离合器）。而工进时， 传达到异步电机的转速已十分低， 对于异步电机的影响不大。因此，在工进时，异步电机被动转动，步进电机转动。在快进时，异步电机驱动, 而步进电机不工作，即转速为零。X并涉电TTTTTTT7T7所采用的丝杠为滚珠丝杠，滚珠丝杠必须考虑自锁，其自锁方式有 多种，本系统中利用蜗轮蜗杆（降速比较大）来实现其自锁。材料拉伸试验机主机部分是它的主体结构， 其所占空间与试验场地 有密切联系，因此，在设计时必须考虑其体积及所需要占

24、用的空间位置。 且应使其便于安装和运输。图2-2 工作示意图（1）螺纹联接的防松，在冲击，振动或变载荷的作用下，螺旋副的摩擦 力可能减小或瞬间消失，重复后，就可能使用联接松动，甚至松脱。因 此必须采取防松措施。本试验机中采用的防松措施为：双螺母防松（即 在螺母上再加一个螺母）和垫片防松。n图2-3工作示意图（2）本试验机使用的润滑方式为脂润滑。因此应该根据实际情况定时加 一定的润滑脂，以保证机构的运转良好。轴承的预紧情况将直接影响其 运转性能。如过松，易使机构失效，且易产生振动。如过紧，则又使机 构运转不良。本试验机中多采用了焊接连接方式。因此，焊接的方法， 质量就直接影响试验机的整机性能和寿

25、命。第3章运动动力设计与验算3.1滚珠丝杠副的运动动力设计计算消除轴向间隙的调整预紧方式，采用双螺母，通过两螺母间的轴向 位置，以消除轴向间隙，并进行预紧，提高传动的定位精度，重复定位 精度及轴向刚度，预紧力一般为最大轴向载荷的1/3。预紧方式采用垫片式。滚珠丝杠的承载能力取决于其抗疲劳能力，故应首先按寿命条件和 额定动载荷选择和校验其基本参数。同时检验其载荷是否超过额定静载 荷（低速）。强度，刚度，稳定性也需要进行验证。采用内循环方式，垫片式消隙和预紧。预紧参数一双圆弧接触角=45比值 rn / DW = 0.52滚道圆弧偏心距e =亿- Dw /2）sin :导程？ho T0mm精度等级三

26、级= 217丝杠参数一公称直径50mm右旋钢球直径 DW =5.953（15/64in）/min圈数j k列数=1 3r DW 0.52 二 5.953 0.52 二 3.096承载能力系数 Ca =51500 NCoa =217300 N滚珠螺旋传动由于精度要求较高，比较复杂，所以一般均由专业厂生产。转速很低时可仅按额定静载荷确定或校核其尺寸。3.1.1静载荷条件Coa -KfKhFkF 载荷系数查表得,KF=1.2L 1.5，取 KF =1.2Kh 静载荷硬度影响系数查表得，Kh =1.0F 丝杠载荷加%20余量F =120000N计算Coa _ KFKhF =1.2 1.0 120000

27、N =144000Noaf hCoa =217300 N即丝杠满足静载荷条件。3.1.2丝杠寿命计算Ca _匚心心心卩KnLh 工作寿命 查表得,Lh 二 15000hKh 寿命系数1/3Kh=(Lh/500)=3.1072Kf 载荷系数查表得,KF = 1.2Kh 动载荷硬度影响系数查表得，Kh =1.0Kl短行程系数查表得,Kl =1.0Kn 转速系数Kn 二(33.3/ n)1/3 二 4.8中国矿业大学毕业设计（论文） 中国矿业大学毕业设计（论文） 中国矿业大学毕业设计(论文) n工作转速(r/min)，加载时X 0.05mm/S 则X 00泸巾3/min计算CaKn3.1072 1.

28、2 1.0 1.04.860000 =46610NCa =51500 N即丝杠寿命符合条件。3.1.3丝杠强度计算丝杠转矩：T；( N/mm)= Fd0 tan(T)/2T 当量摩角t=10L 34，取 T =17d0 丝杠公称直径d0 =50mm-丝杠螺旋角 =2 17计算T1( N/mm)-Fd0tan(T)/2=120000 50 tan(2 17 17) / 2 =134412 N / mm采用预紧，因此预紧产生的转矩也要计算，预紧力为最大轴向力的1/3， 则 3FC皿/2(1 - 2)=9024N/mm丝杠合转矩 T 二T1 T2 =(134412 9024)N/mm = 14343

29、6N/mm当量应力GT ad2 丝杠螺纹底径d22e-2s=50 2 0.084 -2 3.096=4 3. 9 7r6n计算,4 1200002 ., -： 43.97$)(143436)20.2 43.9763)查表得,= 7 9. 0Mpa-4 8 0 5M0a , L I - (0.2L 0.3)亠=96L 165 Mpa根据强度条件，即 丝杠满足强度条件3.1.4丝杠的稳定性柔度计算，r = L ,/iI长度系数查表得，亠-0.7L特丝杠最大工作长度L酉=1500mmi =d2/4 = 43.976 一 4 =10.994Fo临界载荷计算rL. ,/i=0.7 1500/10.994

30、 =95.5r 85L90 时，F0EA/ r2E 弹性模量A 丝杠的危险截面面积 A - ：d22/ 1518.87mm2F。=愿 2EA/r2 = 339894 NF/F _2.5L 4F0/F =339894/60000 = 5.7计算120000 80052.07 101524=0.304mm转矩T产生的轴向变形、；T：计算稳定的合格条件丝杠符合稳定性条件。3.1.5丝杠的刚度轴向载荷产生的轴向变形量FLjEALj丝杠的计算长度，指F和T作用处到固定支撑端的距离，L = 800mmE丝杠材料弹性模量，A 丝杠的计算截面面积，Dw = 5.953mm，直径d =50mmA 二: (d0

31、- Dw)2 / 4 二-(50 -5.953)2 / 4 二 1524mm2 TLjPh2GIpPh 丝杠的螺纹导程,Ph-10mmG 丝杠材料的切变模量,4= 8.3 10d0 - 氐 4/ 32(mm4) = 369543mm4计算TLjPh143436 800 102：Glp 2二 8.3 104 369540.006mm轴向载荷F使钢球与螺纹产生的轴向变形量 心：K f =0.3 10 Z ,（有预紧 rs/Dw=052）Z 汉（DwFp 丫Dw 钢球直径，Z 工作台螺母中的钢球数，Z =mjk =78KZ 载荷分布不均匀系数，取 KZ =1.2Fp 预紧力（N）,取 Fp =Fma

32、x/3=40000N计算1 . 2 1 20 00 010 .mm 47 85.9534 030 0 0支撑滚珠丝杠的轴承的轴轴向变形圆锥滚子轴承的轴向变形量为：0.0006 F 0.910.8Lusin ： sin:轴承接触角，=28 4839F 轴承轴向载荷Z 轴承滚去体数，Z =78Lu 轴承有效长度，Lu- 2r =15mm计算0.0006 1200000.9150.8780.9sin28 48390.91sin 28 4839=0.448mm1有预紧情况下轴向变形为接触变形的1/2，即：c二 0.224mm2总的轴向变形：二 F t 、C 、a 二 0.304 0.006 0.224

33、 0.064 = 0.598mmI I - 1mm， ： I. I丝杠刚度符合条件3.1.6丝杠的传动效率功率由转动变为移动：tan =， 二 0.88tan（亠叫）丝杠的驱动功率:P =9550-1014343610=4.50 10kW9550 0.883.1.7滚珠丝杠几何参数公称直径d =50mm螺旋角一2 17循环列数圈数3 1导程 Ph = 10mm滚珠丝杠螺纹外径4 =d0 -(0.2L 0.25) DW = 48.809mm滚珠丝杠累纹底径d2 = 43.976mm滚珠丝杠轴颈直径1L,由结构确定珠直径 dw 二 5.953mm 额定静载荷Coa =217300N滚珠螺母螺纹底径

34、D2 二 d02e 2rn 二 56.024mm， rn 二 r$ 二 3.096滚珠螺母螺纹内径D3 =d0 O.5(d0 -dj = 50.596mm滚珠丝杠螺纹长度由结构确定滚珠螺母外径Di具体螺母确定每圈中的钢球数m二二d0/（DWcos） =26.4取26工作螺母中的钢球总数z = mjk = 26 3 = 78 滚珠丝杠设计中应该注意的一些问题：1）受力合理为了保证定位精度，除考虑丝杠刚度外，还应在结构布轩上尽可能使用权螺母和丝杠同样受拉或受压，以使两者轴向变形方向一致减少螺 母与丝杠之间的导程式变形量之差。此外，滚珠螺旋传动应尽量避免随 径向载荷，以免使丝杠弯曲，若丝杠上有齿轮等

35、产生径向载荷的元件， 则应使其尽可能靠近丝杠的径向轴承处。另外，要尽量减少丝杠，螺母所受的倾覆力矩，力求部件移动阻力的合力通过丝杠轴线。 由于本试验 机采用双丝杠，其阻力通过两丝杠中心线，这要靠定位安装及加工的尺 寸精度。2）防止逆转滚珠丝杠传动反行程不能自锁，为了使用权螺旋传动受轴向中力后 不发生逆转，在此试验机中采用了轮蜗杆 62:1的传动比，这种传动比 的蜗轮蜗杆可以起到自锁作用。3）安全装置本试验机是采用垂直安装的滚珠丝杠传动，容易发生螺母从丝杠螺 纹上脱出而造成事故，因此，在设计时采用限位挡块以保证安全运行。4）密封与润滑为防止尘埃和污物进入螺纹滚道，妨碍钢球运转的流畅性并且加速 钢

36、球与滚道的磨损，设计中必须考虑防护设施与密封。此试验机根据结 构特点采用防尘罩密封。由于转速较慢，采用高压的高粘度润滑剂进行 脂润滑。3.2电机的选择321步进电机的选择初取各级传动比第一级带传动h二至= 2.5Z蜗轮蜗杆传动i2 =62第二级带传动i3二互=3.5Z3总传动比 i =hi2i3 =2.5 62 3.5 = 542.5总的传动效率二 4 2332 4 5 = 0.980.9830.9820.4 0.98 =0.311丝杠传动效率2各轴承传动效率同步弧齿带传动效自锁蜗轮蜗杆传动效率143436542.5 0.3115离合器传动效率步进电机= 0.896NTmax 二 Tn/0.3

37、L 0.5 = 0.896/0.4 = 2.24N m3.2.2异步电动机选择由于变速范围为O.OImmL 100mm/ min丝杠最大转速成100 nmax10r/mi n10异步电动机转速ny 二 nmax i2 i3 =10 62 3.5 = 2170r/min3.2.3电动机的参数步进电机型号电压频率转速输入电流110TD-1220V50HZ60r/mi n0.6A输入功率转矩外形尺寸110W2.92N m230 咒 135112异步电机型号额定功率额定电流额定转速效率Y2-631-2：0.18kW0.53A2720r/min65%功率因数最大转矩外形尺寸极数电压0.802.2N m2

38、30 汉 135 心 802380V3.3各轴功率，转速，转矩的计算工进时，丝杠杠的转速n =0.3r/min ，功率Pb = 4 . 5W0，Ts =143.436N m三轴转速三轴功率三轴转矩P3n3 = 0.3 3.5 二 1.05r / min4.500.88 0.98 0.98i3= 5.33W143.4363.5 0.98 0.98 0.88= 48.5N同理可得其它轴上的转速，转矩和功率二轴：n2 = n3 =1.05 60 = 63r/minP30.4 0.985.330.4 0.98-13.60W248.562 0.4 0.98= 2.07N一轴（电动机轴） = n2 h =

39、 62 2.5 = 155r / minP20.98 0.9813.60.98 0.98= 14.2WT2 _2.07i12.5 0.982= 0.86N3.4各级传动的设计计算341第一级带传动设计计算（同步）同步带传动利用带与带轮上齿之间的啮合进行传动。 由于带的抗拉 强度高，受载后变形小，能保持齿的节距不变，所以传动比较准确，传 动平稳，速度高，噪声小，且无需润滑清洁，维护简单。适用速度范围 宽，传动比可到10，协率由几十瓦到几百千瓦，结构紧凑，效率可达 98% 99%，张紧力和压轴力小。此设计选用弧齿同步带，受载后的应力分布状态较好，提高了承载 能力，防止带齿与轮齿的干涉，降低振动与噪

40、声。设计功率：Ka查表得，Ka=1.7R 带传递的功率R=14.2W计算Pd = KaR =1.74.2 =24.14W选带型:小带轮节圆直径dz2 =厘二 2.5 24 二 60根据Fd和n1同图选取3M型带，节距3mm大带轮齿数中国矿业大学毕业设计（论文） 中国矿业大学毕业设计（论文） 中国矿业大学毕业设计(论文) 大带轮直径z2 pb2 60 汇 3 d22 b257.30mmHJI验证带速:带速、，Hd1兀 72.92汉 155 门/V|0.186m/s60 1000 60 1000查表得，Vmax 二 40 -50m/s第一级带带速满足条件初定中心距a01:取0.7(dd2)乞 a0

41、1 乞 2 d2)0.7(22.92 57.30)乞 ai 乞 2(22.92 57.30)56.154mm _ a01 _ 160.44mm取a01 = 120mm带长及齿数：( 其中=sin=8.236)、2a01 丿= 237.52 126 21.96 = 385.48mm查表选取标准值Lp及其齿数乙，Lp = 384mmZb =128实际中心距a1(mm)，中心距可调，av1000 24.14 100.186= 129.78N小于带所能承受的力，符合条件3.4.2第三级带传动设计功率:Pd3 二“Ka 工况系数 查表得，Ka = 1.7Pj 带传递的功率F3 -5.33W计算二 KaP

42、, =1.7 5.33 =9.06W选带型：根据Pd和rt同图选取8M型带，节距8mm小带轮节圆直径z3 pb3 24 x 8 dj3 些61.12mmnn大带轮齿数z4 =i2z3 =3.5 24 = 84大带轮直径Z4Pb4 84 乂 8 cccd4213.90mm31JI验证带速:带速：、，兀d3r3兀汉61.12汇 1.05 门,V33.36 10 m/s60 1000 60 1000查表得，Vmax =30 -40m/s第三级带带速满足条件初定中心距a）2 :取0.7(d3d4)X03 空 2d4)0.7(61.12 213.90)空 a03 空 2(61.12 213.90)192

43、.514mm z a 550.04mma3 = 200mm带长及齿数：耳厂细3石4如咼虫（其中.A =sind4_d3I 2a03= 22.45 )= 591.49 432 59.86 = 1083.35mm查表选取标准值Lp及其齿数乙,Lp = 1080mmZb =135实际中心距a3（mm），中心距可调，a a3= 2001080-10830352=316.65mm小带轮啮合齿数:Zm3PbZ32-2a3z4 -z3二 ent 24 84-24IL 22 二 316.6510计算带宽系数：F 设计功率（kW），巳=9.06WP 基准带宽为bs0时，同步带的基本额定功率，见查表得,Po =2

44、0Kz 小带轮啮合齿数系数,查表得，Kz =1.0Kl 带长系数，查表得,Kl =0.9计算9.06=0.503221.00.9查表得，带宽代号20，带宽bs =20mm计算轴力:Fq1000Fd1000 9.06 10 2696.43 N 3.36 10小于带所能承受的力, 各轴直径的计算:符合条件。一轴 a 一 a0P1 =110ni14.2 10；1555mm二轴 d2 -10”6.6mm63P3 =110 诃 10三轴d3亠A18.9mm （其中1.05a为电动机轴直径）3.4.3蜗轮蜗杆减速器的计算选取传动比i =62 （自锁），蜗杆头数z=1，蜗杆分度圆直径d1 =35.5mm，蜗

45、轮齿数z2 =62，变位系数x2二0.125mm，模数m = 2mm,中心距 a =80mm。计算得蜗轮蜗杆以下数据：蜗轮分度圆直径d? = mz2 = 2a - d! - 2x2m = 124mm齿顶圆直径dai = di 2hai = di 2ham = 35.5 2 1 2 = 39.5mm蜗 牛 杆 齿 根 圆 直 径dfi =di -2 ha c m =35.5 -2 1 1.22=30.7mm蜗杆齿根咼hf1 = ha c m = 1 0.22 = 2.4mm蜗牛杆齿顶咼h = hf1 阳=2 2.4 二 4.4mm蜗杆轴向齿距Pl =2： -6.28mm蜗杆导程角：1 -1 Z1

46、二 tg , q qd35 5i1 二352 =17.75mm =17.8mm , a =tg 3.22m217.8蜗杆宽度b =62mm蜗轮齿顶咼hf2 二 mha x2 =21 0.125 = 2.25mm蜗轮齿高h2 = ha2 hf2 = 2.25 2.15 = 4.4mm蜗轮齿根高hf2 =m ha c x21=2 1 -0.125 0.2=2.15mm蜗轮齿根圆直径 df2 =d2-2hfi =124-2 2.15 = 119.7mm蜗轮齿宽b2 ： 2m 0.5 . q 1 = 19.32mm蜗轮齿宽角 日=2arcsin鱼=65.95*g丿材料选择：表面淬火，45#钢，硬度HR

47、C50 55。齿面接触强度计算：二 H = ZeZ 严：1000TzKa / a匚 Hp = ；：H limZhZn / 5 minZe 材料弹性系数，查表得，Ze =147 MpZ ；接触系数，根据蜗杆的类型及蜗杆分度圆直径与中心距比值d1/a查表得，Z严2.7a 啮合中心距，a =80mmTz 蜗牛轮矩，Tz =2.07N mKa 使用系数，查表得，Ka =1.5匚Hp 使用接触应力二Hlim 蜗牛轮轮齿材料接触疲劳极限，查表得，二Hlim =265MPaZh 寿命系数，Zh -6 25000/Lh1.6,取 Zh =1.31 -1I8Zn 转速系数，Zn = .| =0.76|_（ n2

48、/8 广1 _SH min 最小安全系数，SHmin = 1 L 1.3，取 Sr min = 1.2计算6=1 4 7 2.7 1 00 0 2 . 07 3 1.5/ 8Mpa 30.91cHp =265 1.3 0.76/1.2 =218.2Mpa即匚h -Hp,齿面接触强度符合条件。蜗轮轮齿的弯曲强度计算：由于蜗牛轮轮齿的齿形比较复杂，要精确计算比较困难，实践经验证明，齿根弯曲强度主要与模数 m和齿宽b2这两个主要的几何参数 有关，故可用简单条件计算法来校核。U二乞卩卩mb2U : Up 二115 =88.51.3耳蜗轮的圆周力，佥二旣十际Ka 使用系数，Ka =1.5m 蜗杆轴向模数

49、，m=2b2 蜗轮齿宽，b2 = 19.32mmUp 许用系数UHm 轮齿弯曲计算时的极限U系数，查表得，Um =115SFmin 弯曲强度的最小安全系数，取SFmin =让1.7,取SFmin 3计算 U J16*6 14.532 勺 9.32UP 二115 =88.51.3可见U Up，蜗轮轮齿弯曲强度条件符合。蜗杆轴的刚度计算刚度不足会导致蜗杆副的不常啮合， 造成偏载，加剧磨损，故应验算蜗杆轴的刚度。蜗杆轴的最大挠度（mm）3乞 yiimFtiFri L48日1Ft1 蜗杆圆周力（N）， Ft1 =- = NdiFr1 蜗杆径向力（N）, FuF/ana=33.2tan2=12.103N

50、E1 蜗杆材料的弹性模量，对于钢 巳=206000MpaI蜗杆危险截面处的惯性矩,md/ -6442 25.5-644=49632mmL 蜗杆轴承间的跨距，计算时可以取L= 1.3 1.5a,取1.3 ayiim 极限挠度，淬硬蜗杆 yiim ” 0.004mm = 0.008mm223、“(116.62 +12.12 )(1.3沢80)计算y0.00027mm 二 yi i m48汉206000疋496321蜗杆刚度条件符合。3.5支撑滚珠丝杠的轴承的选择及验算滚珠丝杠多采用滚动轴承支承，既承受径向力又承受轴向力，且其 力值较大，故采用圆锥滚子轴承。对于转速极低的轴承，其失效形式是滚动体内外

51、圆滚道貌岸然接触 处出现不均匀塑性变形凹坑，使轴承在运转中出现振动和噪音而不能正 常工作。此时应该按轴承的静载茶计算。轴承反安装，其内部轴向力：Fs1 =Fr1/2Y =2209.5/ 2 0.7 “578.2NFS2 = Fr2/2Y =487.0/ 2 0.7 = 347.9N判断轴向力方向：A Fs2 =120000 347.9 =120347.9N Fs1 1578.2N即Fa2 二 A Fs2 =120347.9NF& 二 Fs2 二 347.9N计算Fa/Fr并与e比较：Fa1 / Fr1 =347.9/ 2209.5 = 0.16 ： eFa2 / Fr 2= 120347.9/

52、487.0e静载荷计算：Po 1 =0.已仆广0. 522 09. 50. 434 7. 9 N 243. 91Po 2 =.肌Y)Fa2 二 0. 54 8 7. 00. 41 20347. 9N8452. 2 4动载荷计算：pr1 = Fr1 = 2209.5Npr2 =04Fr2 YFa2 =0.4 487.0 0.7 120347.9= 84560.1 N验证额定静载荷:3C。128 10 N _S0P0Co 基本额定静载荷，Co =128 103So 静强度安全系数，取So =2.0P0 当量静载荷，R =48452.24N计算 Co 128 103N _S0P0=2.0 48452

53、.24N =96.9 10N 轴承符合静载荷要求。寿命计算：L0h60n ip /Lh 基本额定寿命（h）c 基本额定动载荷（N）p 当量动载荷（N）；寿命系数（滚子轴承；=10/3） n 轴承转速（r/min）计算L0h63 10/3106108X0360.43438.3 ?= 1.16 106Lh轴承寿命符合条件。3.6动静横梁变形的验算3.6.1动横梁变形的验算动横梁在粗加载过程中会产生一定的变形量，其大小将直接影响试验的精确性。因此对其刚度的验算是十分必髯的。对于100kN的万能材 料试验机，其许用变形量为动横梁在加载过程中的受力变形，可简化为两端固定，而中心受力 的简支梁结构，其简化

54、图见图四：图3-1动横梁受力简图由材料力学的知识可知，变形量最大的地方是其中点，其最大变形公式为：PLymax48EIP 最大载荷，PF20000NL 梁的跨距，L = 632mmE 材料的弹性模量，E=2.1 105N/mm2 I 梁截面的惯性矩,3136 1161274=7.95 10 mm3| _hbih _200況18012 12 12而梁的截面形式为:1 口仃图3-2动横梁截面形式120000 6323计算因此:ymax5= 0.198mm48汉2.1沢10 汉7.95汉10ymax ： y 丨=0.5mm所以动横梁的刚度合格。3.6.2静横梁变形的验算静横梁的变形也影响其精度。其受

55、力情况可简化为如图所示的结构：图3-3静横梁受力简图其许用变形量y|-0.5mm，其变形公式可按下式验算:PL3120000 6323ymax 5 0.0148mm48EI 48江2.10 江2.03如0静横梁截面形式为：图3-4静横梁截面形式其中I的计算过程为：由材料力学的知识可知，图形的形心必然在对称轴上，为了确定Zc，取参考系见图：ZA 乙 A厶 M A4Z4 彩5 A6Z6A a2 A3 A4 A5 A6334 32 1654 30 59 18 54 59 2 18 334 95 234 14 101334 32 54 30 18 54 2 18 334 234 14=54.80mmI

56、 =lzc b2A = 2.03 108mm4所以maxPL348EI120000 汉 63235848 2.1 102.03 10=0.0148mm而用变形量lyl二0.5mm，所以静横梁满足条件。3.7离合器的选择计算在设计和选择离合器时，应该考虑影响离合器工作性能的各因素。包括原动机特性，负载特性，结构因素，操作方式等，由于本实验机对 离合器的负载较小，以下将通过计算选择合适的转矩。 离合器为刚性接 合元件，大都具有相当硬度和强度的金属件，因此在接合瞬时，啮合主, 从动件之间产生相当大的冲击载荷 ，易损坏接合元件，并引起机械冲 击和噪声。柔性接合，主要靠接合元件的相互压紧，利用压紧后产生

57、的 磨擦力传递转矩，并允许在接合过程中稍有打滑。能够使从动部分的转 速较缓慢地上升，减小机械冲击，使机器的工作状态比较平稳。根据试验机对平稳噪声等要求，在此选择柔性离合器。操作方式的不同也会影响离合器的工作性能， 因此操作方便的电磁 离合器成了最好的选择。总之对离合器的其本要求是接合平稳， 分离彻底，动作可靠，结构 简单，重量轻，外形尺寸小和从动部分惯性小，操作省力，对接合元件 压紧力能达到内力平衡，使用寿命长。Tc八T乞TnTc 计算转矩N mT 理论转矩 N m , T =2.07N m-储备系数，查表得，取:=1.2计算Tc 二 T =1.2 2.07 = 2.5N m计算转矩应该小于离

58、合器的许用转矩 T I。对以上1的选择作一下 说明，在设计中所取一：过小，将延长接合时间，使磨擦元件过热，加速 磨损。而过大，则会使离合器接合刚度增大，操纵功增加。一般选取 值时，对冲击载荷小，接合较平稳的离合器，宜取较小值；对于冲击大，或要求接合迅速的离合器，应取较大值。本试验机离合时无工作载荷，因此取较小值。根据以上分析和计算选择离合器 DLD5-20,其参数如下表所示:型号摩擦扭矩（N m）功率最高转速激励电压动扭矩（N m）静扭矩（N m）（W）（r /min）（V）DLD5-20202224205000第4章轴类零件工艺分析轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和

59、经济效益。零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等 技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。渗碳件加工 工艺路线一般为：下料f锻造f正火f粗加工f半精加工f渗碳f去碳 加工（对不需提高硬度部分）f淬火f车螺纹、钻孔或铣槽f粗磨f低 温时效f半精磨f低温时效f精磨。粗基准选择：有非加工表面，应选 非加工表面作为粗基准。对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量 最小表面找正。且选择平整光滑表面，让开浇口处。 选牢固可靠表面为 粗基准，同时，粗基准不可重复使用。精基准选择：要符合基准重合原 则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。符合基准统一原则。 尽可能在多数工序

60、中用同一个定位基准。 尽可能使定位基准与测量基准 重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。蜗轮轴加工工艺过程：工序号工种工序内容加工简图设备1下料48X3202车三爪卡盘夹持工 件，车端面见平，钻 中心孔，用尾架顶 住,粗车台阶,直 径,长度均留余量2mmr 15.9/叮7E调头,三爪卡盘夹 持工件另一端，车 端面保证总长213 钻中心孔，用尾架 顶尖顶住，粗车另 外台阶,直径，长度 均留余量2mm调质调质处理HRC24-38修研两端中心孔调头，双顶尖装 夹，半精车余下的 表面，直径40的 车到余量为0.5mm1ry1双顶尖装夹，车螺纹 M36X1.5双顶尖装夹。半精 车台阶，螺纹大径 车