小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书

小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书本科学生毕业设计小型摩擦磨损试验机的研制系部名称:专业班级:学生姓名:指导教师:职称：TheGraduationDesignforBachelor’sDegreeDevelopmentofSmallFriction-wearTesterCandidate：GaoPanhongSpecialty：MaterialProcessingandControl接触摩擦磨损试验装置，换上“面”接触摩擦磨损试验装置即可。当进行常态试验时,可不用真空罩及真空泵，其他部件正常使用。并且应该注意，在使用前需对各应变片进行标定.3.4.2设计启示CJS106型真空多功能摩擦磨损试验机是一个商业化的大型多功能的智能试验机，通过专用软件就可以把相关的测试结果打印出来，而且该机采用模块化设计，做不同的试验采用不同的模块组件,能够有效的降低试验机的拥有成本，试验机的性价比很高。另外，该机做点接触，线接触以及面接触采用的部件结构对我的设计也是一个很好的启发。在研制小型试验机时要将其可用的优点都用在自己的设计上。1。柱形试件2.12.垫圈3.轴4。平面试件5。法兰盘6。直线轴承7。T型套8。弹性元件9。内套10。轴承11。压板13.短外套14。端盖15。螺帽16.支架17.短铰臂18。接头19.弹片支座20。防脱环21。法兰盘22。直线轴承座23。挡块24.传力杆25。滑轮组件B1。六角螺帽B2。B5.B7。六角螺钉B3。B6.垫圈B4.平头螺钉B8。顶丝B9。B11.圆头螺钉B10。顶丝B12。尼龙绳图3。17“环～块”线接触摩擦磨损试验装置结构示意图3.5本章小结本章比较了收集到的几种小型摩擦磨损试验机的结构及工作原理。通过对比发现了各种设计的优缺点，并为自己的设计选型提供了很好的参考依据。第4章小型磨损试验机功能部件的结构设计功能部件的设计是小型摩擦磨损试验机设计的关键部分，只有将功能部件设计的巧妙合理了，才能整体提升试验机的性能。4.1试件装夹组件的设计在比较了几种小型摩擦磨损试验机并参考了几个大型摩擦磨损试验机的相关原理与结构之后，发现模块化的试验机是性价比较高的，而且可以进行多种摩擦磨损试验，能够比较好的满足学校实验室的教学需要，但像CJS106型真空多功能摩擦磨损试验机的各功能模块较大，对教学实验室来说，并不是非常合理的做法，但采用这种较大功能模块的设计具有精度高的优点.因此,我在设计小型试验机时，也采用模块化设计,但可更换的模块仅限于夹头部分，目前设计常用的用于滚动摩擦试验的圆柱夹头(如图4。1)和用于滑动摩擦试验的方柱夹头（如图4.2），其余部分在做不同试验时不用变动。圆柱试件盖板圆柱试件圆柱试件夹圆柱试件盖板圆柱试件圆柱试件夹图4.1圆柱试件装夹模块示意图方柱试件方柱试件夹方柱试件盖板方柱试件方柱试件夹方柱试件盖板图4.2方柱试件装夹模块示意图夹头靠紧固螺钉和连接杆与试验机测力部件相连，更换时只需放松紧固螺钉,取下夹头即可，这样较少的更换模块实现较多的功能，而且对机型的测试精度影响很小，是比较可取的设计方案。试件尺寸按照常用试验机的上试件尺寸取方柱试件10mm×5mm×5mm，圆柱试件直径5mm，长度10mm，两头加工锥底直径2mm，高度1.5mm的锥孔，如图4。3所示.图4。3圆柱试件示意图4.2摩擦力测试组件的设计经过观察研究其他试验机测力原理，发现简单的试验机测力组件都是靠弹簧来测力的,价格便宜，设计应用简单是其最大的优点.虽然更多的精密试验机测力是靠压敏电阻来测力的，但考虑到我研制的试验机主要用于学校试验教学，演示磨损摩擦机理,较少的用于科学研究，所以还是选用价格便宜的扭转弹簧作为测力元件。在测力组件结构上，参考了其他一些试验机的测力原理,但有所改进。主要改进的地方是测力组件的中心与摩擦盘同心。图4.4所示的球盘式试验机的测力的方式是一般试验机普遍采用的方式，当试件5受到摩擦力的推动以后,会带动8绕9旋转，如果5受到的摩擦力较小，6旋转幅度很小，不会与转杯发生碰撞，试验能够正常进行；但如果试件5受到的摩擦力较大的话，6则可能与转杯发生碰撞，严重时甚至造成机器损坏。1.带传动2.电动机及齿轮减速器3.转杯4.下试件5。上试件6.夹头7.砝码8.杠杆9。压力传感器图4。4球盘式试验机原理图为了克服这一问题，让试验机测力组件的旋转中心与摩擦盘的旋转中心重合（如图4。5）,这样上试件的旋转范围扩大了很多,而且不论怎么旋转，上下试件的接触面积都不会改变,这样不仅有效的提高了摩擦磨损试验机的精度，而且扩大了测力范围。4.3试验力加载组件设计由图4。4可以看出，上试件的加载载荷是由砝码7提供的，根据G=mg,可知,当要提供10N的压力时,需要加载一个1kg的砝码，当要提供100N的载荷时需要放一个10kg的砝码，因此给试验造成很大的麻烦。当然，也有不少的试验机采用液压组件进行加压,但因液压组件结构复杂，造价高，也不适合学校实验室使用。一般的小型摩擦磨损试验机的试验力范围在30N之内,不能满足大多数磨损试验的需要，因为材料的磨损率W是用单位时间或单位运动距离的磨损量来表示的，如果材料受到的摩擦力较小，短时间内受到的磨损就很少，难以测定,不容易来说明材料的磨损机理与规律。能加载较小的试验力的试验机只能比较清楚而简单的测试材料的摩擦系数与演示摩擦原理,不利于研究材料的磨损机理.图4.5小型摩擦磨损试验机功能部件示意图大型的摩擦磨损试验机广泛采用液压系统作为加载组件，该系统具有加载力大，加载效率高,加载较大试验力时比较简单易操作的优点，但液压系统比较复杂，尤其实现边加载力边旋转测力时，结构更复杂，不容易设计制造，并且成本很高，所以不便于使用。为了弥补以上两种加载力组件的不足，同时最好的满足实验室对教学试验机的使用要求,我在设计加载组件时，联想到普通的杆秤只需一个小秤砣就能测出上百千克重物的质量，因此将杠杆原理引入到磨损摩擦试验机中，作为加载组件。这样既能比砝码加载方式提供更大的加载载荷，又没有液压组件的结构复杂，因此,这是一个非常可取的设计方案。为了更好的实现摩擦磨损两种功能的测试,加载力初步定位300N，介于砝码加载方案和液压加载方案之间。4。4本章小结本章通过分析了几种其他磨损摩擦试验机的测试原理，与结构方式,找到其不足的地方与不适合自己设计要求的部分,然后想办法改进,将其应用到自己的设计之中，创造性的完成了小型磨损试验机功能部件的优化设计。第5章小型磨损试验机传动部件设计进行完小型试验机主功能部件的设计，就是配套传动部件与整机的设计了,在该部分设计中，需要考虑产品易用性与实用性。5。1主要参数设计衡量一个磨损摩擦试验机的性能的主要有最大试验力，

试验力准确度,

摩擦力矩最大值，主轴转速范围四个参数。一般小型摩擦磨损试验机的试验力靠砝码加载,最大试验力30N，较大型的摩擦磨损试验机采用液压组件加载试验力，试验力范围一般1~3kN，我们教学试验主要用于演示摩擦磨损试验原理，不用加载那么大的试验力，但较小的试验力又不利于测试材料的磨损性能，根据老师给定的测试范围并考虑试验机结构的简洁，所以将加载的最大试验力定为300N。对于试验力的准确度初步按1%之内设计，具体准确度在设计制造完工之后进行测试标定，如果准确度超过3％，则要查找相关原因，进行改进。摩擦力矩的最大值经计算为3N·m，计算过程如下：根据参考文献[1］，一般金属材料间的动摩擦因素在0.3之内，只有粉末冶金材料的动摩擦因素在0.35～0.55之间，但我们不常用，因此取材料间的最大动摩擦因素0。4，则在加载最大试验力300N时,摩擦力F=P·μ=300N×0.4=120N（5。1)最大转矩T=F·S=120N×25mm=3N·m(5.2）为了设计制造方便，以及具有广泛的主轴调速范围,主轴调速不便采用变速器，最好采用变频调速电机。现在的变频调速电机不仅价格越来越便宜，而且调速精度也比较高，如果单件小批量生产,采用自主设计的变速器的价格甚至比采用高精度变频调速电机的造价高很多，所以采用变频调速电机进行调速.YVP系列变频调速电机的恒转矩调频范围为5～50Hz，恒功率调频范围50～100Hz,而该电机在50Hz时的转速为1480r/min,因此其速度变化范围为148～2960r/min，经一传动比为3的带轮传动装置减速后，其速度变化范围为50～980r/min在设计要求的范围之内。5.2整体结构设计为了便于样机的制造,试验机机架采用直角铁焊接而成，外面用0。5mm钢板覆盖，为了便于应用小型试验机进行试验，试验机的高度设计为80cm左右,宽度30cm左右，长度60cm左右，试验机大小基本和单人学生课桌相当，非常便于试验操作人员操作试验机。试验机机架的基本结构如图5。1。该处布置试验机执行部件该处布置传动部件该处布置变频调速电机该处布置试验机执行部件该处布置传动部件该处布置变频调速电机图5.1试验机基本部件布置示意图试验机带轮传动装置采用带轮一级减速，然后通过轴带动摩擦盘运转.轴的安装方式是立式的，并且承载300N左右的轴向力，因此采用角接触球轴承，两端固定方式如图5。2所示。图5。2轴承固定方式示意图5.3本章小结本章首先确定了试验机的基本参数，并根据基本参数初选了电动机。然后根据各部件尺寸以及布置方式，确定了试验机的基本框架以及传动轴的布置，为下一步的具体部件的设计计算与相关的实体设计提供了理论依据。第6章试验机零部件的设计与校核在确定了试验机的基本参数后，本张主要进行相关零部件的设计校核，以保证试验机设计完成后能够完成应有的功能。6.1电动机的选型首先计算小型摩擦磨损试验机传递的最大功率，由第5。1节可知，试验机传递的最大摩擦力F=120N转盘所需的功率P=Fv=120N×π·50mm×980r/min=307。72W（6。1）电机所需的功率为P1=P/0。95=307。72W÷0.95=323.92W(6。2）查参考文献[1]，选取标准功率为0。55kW的YVP801型电动机，其基本外形尺寸与安装尺寸如图6。1.机座号极数安装尺寸外形尺寸AA/2BCDEFGHKABACADHDL802、412562。5100501940615。58010165175150175290图6.1YVP801型变频调速电机安装示意图表6.1YVP801型变频调速电机安装尺寸表6.2轴系零件的设计校核6.2.1轴的设计与校核（1）按扭转强度初步估计轴的最小直径（6。3）考虑键槽对轴强度的影响,取轴的直径d=20mm.选用45号钢，正火硬度170—217HBS。（2）作出轴的计算简图（图6.2).现求出轴上零件的载荷，把空间力分解成圆周力与径向力，并把它们全部转化在II轴上。分解水平、垂直力，校核II轴强度.（3）轴上载荷：跨距L=75mm，可求齿轮所在剖面处的弯矩。a。圆周力Ft（6。4）b.径向力（6。5）c。两个支撑的支反力:d.经计算MH=413N·mmMV=862N·mm合成弯矩（6.7）（6.8）考虑弯矩和转矩所产生的应力的循环特性不同而引入修正系数α.由参考文献[6]表18。4，可知，α=0。59。（6.9)(6。10）图6.2轴的计算简图（4)按弯扭合成应力校核轴的强度核算轴上受最大弯矩处剖面强度由参考文献[6］式（18.6）（6。11）校核结果:[]——轴的许用弯曲应力（MPa），已知转轴和传动轴［]=［]=75MPaeq<[］,所以合格。6.2。2轴承的选用与校核由参考文献［3]表14.2，根据工作条件及载荷性质，二轴的支承选用单列角接触球轴承7206B。1、对7206B轴承,其当量载荷为P=fp(XFr+YFa）（6。12）X——径向载荷系数Y—-轴向载荷系数fp-—载荷系数由参考文献［6]表20。7知取fp=1.5按参考文献[6]表20.6，由于载荷Fa=0N，Fr==785N所以X=1；Y=0，P=1。5×785=1177。5N查参考文献[3］表14。2,基本额定动载荷轴承寿命式中,为寿命指数,对球轴承，.所以轴承寿命：于设计寿命为8年，为70080h，即Lh`=70080h。Lh>Lh`所以合格.6.2.3键的选用与校核1、查参考文献［3]表18.1，b=8mm,h=7mm键的长度一般按轮毂长度L=12mm。键连接为静连接，失效形式是键、轴与轮毂上键槽三者中最弱的地方。键一般用抗拉强度不低于600MPa的钢料制造,选取45号钢，由［6]表16～1知,强度校核:式中：T—传递的扭矩（N·mm），T=1557N·mm——键与轮毂键槽的接触高度，L——键的工作长度，圆头平键,l=L—b=4D--轴的直径,d=20mm所以所以合格.6.3实体设计下图（图6。3)是用CAXA设计的试验机三维图的截图，三维实体与装配动画在附带的光盘中。图6.3小型摩擦磨损试验机三维实体图截图下图（图6.4）是用CAXA设计的试验机三维实体分解图的截图.图6。4小型摩擦磨损试验机三维实体图截图通过三维实体不仅能够非常直观的看出小型摩擦磨损试验机的工作状况，而且在设计过程中很容易的发现设计过程中存在的不足.并且使用CAXA三维实体设计可以简单的生成二维工程图,是以后设计的方便工具。6。4本章小结本章根据上一章初步确定的参数，进行了电动机的选型与轴系零部件的校核，并且根据确定的零部件的数据，应用CAXA实体设计软件，进行了实体设计,并且制作了三维实体装配图，以及小型摩擦磨损试验机的工作动画。结论本文设计了一个结构简单、体积小巧、实用廉价的摩擦磨损实验机。该试验机运转平稳、机械震动小，易于不同配副材料的更换和不同参数的调节.不仅能够弥补学校教学实验设备的不足，还具有商业化推广价值。本次研制的摩擦磨损实验机采用柱盘式结构，摈弃复杂的液压件,创造性的采用杠杆进行加载,加载组件紧凑，加载稳定，加载负荷居于砝码加载和液压加载所提供的负荷之间；直接采用扭转弹簧进行测力,测力组件少，测量简单直接，减少了中间环节误差；并且整机各部件加工制作简单,工作可靠，成本低廉。实验所用上试件可以是方的或圆的柱体,机械加工非常方便；实验所用下试件为圆盘，它对任何材料都可采用车削加工，加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试。该机的摩擦盘转速50~980r/min；加载负荷0～300N；试验机的示数摩擦力范围0～120N，测力误差3%之内;最大转矩3N·m;上试件尺寸:方柱试件10mm×5mm×5mm;圆柱试件直径5mm，长度10mm,两头加工锥底直径2mm，高度1。5mm的锥孔.并且为了在试验时提高同学们的动手能力,设计的试验机在实验过程中,许多测试参数需要学生自己动手调整，对培养学生实际动手能力、巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力起到了非常明显的作用,同时为教师的科研工作提供了便利条件，对教学质量的提高起到了推动作用。参考文献［1]王红梅，等。摩擦学设计的发展与探究[J].农机化研究,2002,2.[2］/Search/Search。aspx?Query=%e8%94％a1%e5%85%b4%e6％97％ba"蔡兴旺.HYPERLINK”http：///A—njhyj200304046.html"一种摩擦磨损试验机的设计［J］。HYPERLINK”http：///P-njhyj。html”农机化研究,2003,4。［3]王世刚，张秀亲，苗淑杰。机械设计实践[M]。哈尔滨工程大学出版社,2003.［4]朱汉华，周劲南等，HYPERLINK”/A—whjtkjdxxb200302006。html"摩擦学设计准则及其应用实例[J］。HYPERLINK”/P—whjtkjdxxb.html"武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2003，2.[5]HYPERLINK”http：///Search/Search.aspx？Query=%e5％94%90%e5％b0%8f％e8%a1％8c”唐小行,HYPERLINK”/Search/Search。aspx?Query=%e5%86％af%e7％a7%a6%e6％b7%ae”冯秦淮等。HYPERLINK”/A—jxgcs200211022.html”机械设计中的摩擦学问题［J］.杨学军,/P-tylgdxxb.html”太原理工大学学报，2005，4。［8］HYPERLINK”/Search/Search.aspx?Query=%e6%9d%8e％e9%9c％9e"李霞，HYPERLINK”http：///Search/Search.aspx?Query=％e8%ae％b8%e5%bf%97%e5％ba％86”许志庆HYPERLINK”/Search/Search.aspx？Query=％e6％9d%a8%e5％8b%87"等.高速摩擦磨损试验机的总体设计[J］。中国仪器仪表，2003，10。[9］现代机械http：///Books/allbook/publish.asp?sbook1=7502547975＆sbook2=化学工业出版社"化学工业出版社,2003.［11]LingXiaomei，/A—xyjs—e200304006。html”Influenceofcompositiononfriction—wearbehaviorofcompositematerialsreinforcedbybrassfibers［J]./Search/Search.aspx?Query=A.A。Voevodin"A.A。Voev