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编号： 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计(论文)任务书题 目： 自动避障减震小车的设计 院 （系）： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 韩立东 学 号： 1053100212 指导教师单位： 教学实践部 姓 名： 刘建伟 职 称： 高级实验师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究2013 年 12月 20 日（此页打印在封面后面）注：1、本任务书一式两份，一份院或系留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内2、任务书均要求打印，打印字体和字号按照本科生毕业设计（论文）统一格式的规定执行。3、以下标题为四号仿宋体、加粗，正文中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯数字。 4、“一、毕业设计（论文）的内容、要求”位于页面最顶端，“任务下达时间”位于新页面最顶端。5、请不要修改 “任务下达时间”所在页的内容。一、毕业设计（论文）的内容本课题拟通过对现有玩具小车的减震系统的现状和方法的研究，设计一款具有自动机械避障减震小车。主要任务如下： 1、 参观调研，查阅资料。到产品制造相关企业调研，了解产品生产、制造、加工情况。结合本课题，查阅相关资料。2、撰写开题报告。3、通过对小车避障和减震的性能分析，完成相关的整体结构方案的设计，完成的功能包括车体、避障、减震部分。4、绘制小车的总装图和零件图。5、完成各功能部件的运动简图的绘制6、撰写毕业设计（论文）说明书。7、翻译专业外语文献。二、毕业设计（论文）的要求与数据在自动避障减震小车的设计过程中，必须考虑各功能部件的统一性、协调性和机构合理性，车体尺寸设计可自主确定，不要求完全按照实际产品规格进行，只需完成收割装置功能模型的设计。具体要求如下：1、收集现有小车减震和避障机构资料，分析各自工作原理、主要功能及应用优缺点；2、提出设计方案，确定其预订功能，绘制机构运动简图，通过相关论证选定最佳方案；3、进行相关传动机构设计，绘制零件图、总装图及工艺卡的编写。三、毕业设计（论文）应完成的工作指定整个毕业设计学生应该完成的所有工作包括：1、毕业生完成一万五千字左右的毕业设计（论文）说明书；2、在毕业设计（论文）说明书中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；3、依据指导教师或课题要求独立完成至少18000字符的英文资料翻译（附英文原文）；4、完成自动避障减震小车的装配图、零件图以及机构运动简图的绘制。四、应收集的资料及主要参考文献1 刘会英. 机械原理M. 北京：机械工业出版社，2003.2 邹慧君. 机械原理课程设计手册M. 北京：高等教育出版社，1998.3 师忠秀. 机械原理课程设计M. 北京：机械工业出版社，2003.4 关美华. 数控技术：原理及现代控制系统M. 成都：西南交通大学出版社，2003.5 杨叔子，机械加工工艺师手册M.北京：机械工业出版社，2002.6 Taylan Atlan, Blaln Liny and Y. C. Yen. Manufacturing of dies and molds. Ann. C, 50(2001) No. 2. 7 杨继昌. 数控技术基础M. 北京：化学工业出版社，2004.8 濮良贵. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2001.9 徐灏.机械设计手册M. 机械工业出版社，1991.10 廖念钊.互换性与技术测量M.中国计量出版社，1991.11 Mechanisms and machine theory . Wuhan University of Technoloy Press,2004.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台。 任务下达时间：2013 年 12月20日毕业设计开始与完成时间：2013 年 12月 20日至 2014 年 5月 26日组织实施单位：桂林电子科技大学信息科技学院机电工程系教研室主任意见：签字： 2013 年 12 月 17日系领导小组意见：签字： 2013 年 12月 19日毕业设计（论文）进度计划表 学号： 姓名：序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名12345678910111213141516任务下达时间：2013年12月20日编号： 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计(论文) 题 目： 自动避障减震小车的设计 院 （系）： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 1053100212 指导教师单位： 教学实践部 姓 名： 职 称： 高级实验师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究2014 年 5月 10 日2摘 要本次设计是对自动避障减震小车的设计。在这里主要包括:传动系统的设计、台架系统的设计、转向系统的设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到传动轴上，传动轴带动万向节联轴器，带动轮子，从而带动整机装置运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 自动避障减震小车的设计总体结构设计。(2) 自动避障减震小车的设计工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 自动避障减震小车的设计的传动系统、执行部件及台架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)运用计算机辅助设计，对设计的零件进行三维建模。(7)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词：自动避障减震小车的设计， 联轴器，避障减震 AbstractThis design is to design the automatic obstacle avoidance damping trolley. Here mainly includes: transmission system design, platform design, steering system design. The graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transmit power to the drive shaft, the drive shaft drives a universal coupling, drive the wheels, so as to drive the device, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) the design of overall structure design of automatic obstacle avoidance damping trolley.(2) analysis and design work performance of automatic obstacle avoidance of car shock absorber.(3) the choice of motor.(4) transmission system, design of the executive component and bench design of automatic obstacle avoidance damping trolley.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) the use of computer aided design, 3D modeling on Design of parts.(7) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Keywords: design, automatic obstacle avoidance damping trolley coupling damping, obstacle avoidanceII目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV1 绪论11.1智能小车的意义和作用11.2 研究目的及意义11.3 国内外发展情况22 自动避障减震小车的设计总体设计42.1自动避障减震小车的组成42.2方案选择及论证42.2.1 电机模块42.2.2 车架选择53 自动避障减震小车机械结构设计63.1 步进电机选择63.1.1 计算输出轴的转矩63.1.2 确定各轴传动比73.1.3 传动装置的运动和动力参数73.2齿轮设计与计算103.2.1 高速级齿轮设计与计算103.2.2 低速级齿轮设计与计算143.3 轴的设计与计算183.3.1 输入轴的设计与计算183.3.2 中间轴的设计与计算213.3.3 输出轴的设计与计算233.4 轴承的校核263.4.1 输入轴上轴承寿命计算263.4.2 中间轴上轴承寿命计算273.4.3 输出轴上轴承寿命计算283.5 键的选择和校核303.5.1 键的选择303.5.2 键的校核303.6 机架的设计303.6.1对机架结构的基本要求303.6.2 机架的结构323.6.3 横梁设计333.6.4 机架的基本尺寸的确定344 自动避障减震小车的设计的三维虚拟展示36结 论39参考文献40致 谢414编号： 毕业设计(论文) 题 目： 自动避障减震小车的设计 院 （系）： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 教学实践部 姓 名： 职 称： 高级实验师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究 年 5月 10 日摘 要本次设计是对自动避障减震小车的设计。在这里主要包括:传动系统的设计、台架系统的设计、转向系统的设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到传动轴上，传动轴带动万向节联轴器，带动轮子，从而带动整机装置运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 自动避障减震小车的设计总体结构设计。(2) 自动避障减震小车的设计工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 自动避障减震小车的设计的传动系统、执行部件及台架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)运用计算机辅助设计，对设计的零件进行三维建模。(7)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词：自动避障减震小车的设计， 联轴器，避障减震 AbstractThis design is to design the automatic obstacle avoidance damping trolley. Here mainly includes: transmission system design, platform design, steering system design. The graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transmit power to the drive shaft, the drive shaft drives a universal coupling, drive the wheels, so as to drive the device, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) the design of overall structure design of automatic obstacle avoidance damping trolley.(2) analysis and design work performance of automatic obstacle avoidance of car shock absorber.(3) the choice of motor.(4) transmission system, design of the executive component and bench design of automatic obstacle avoidance damping trolley.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) the use of computer aided design, 3D modeling on Design of parts.(7) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Keywords: design, automatic obstacle avoidance damping trolley coupling damping, obstacle avoidanceV目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV1 绪论11.1智能小车的意义和作用11.2 研究目的及意义11.3 国内外发展情况22 自动避障减震小车的设计总体设计42.1自动避障减震小车的组成42.2方案选择及论证42.2.1 电机模块42.2.2 车架选择53 自动避障减震小车机械结构设计63.1 步进电机选择63.1.1 计算输出轴的转矩63.1.2 确定各轴传动比73.1.3 传动装置的运动和动力参数73.2齿轮设计与计算103.2.1 高速级齿轮设计与计算103.2.2 低速级齿轮设计与计算143.3 轴的设计与计算183.3.1 输入轴的设计与计算183.3.2 中间轴的设计与计算213.3.3 输出轴的设计与计算233.4 轴承的校核263.4.1 输入轴上轴承寿命计算263.4.2 中间轴上轴承寿命计算273.4.3 输出轴上轴承寿命计算283.5 键的选择和校核303.5.1 键的选择303.5.2 键的校核303.6 机架的设计303.6.1对机架结构的基本要求303.6.2 机架的结构323.6.3 横梁设计333.6.4 机架的基本尺寸的确定344 自动避障减震小车的设计的三维虚拟展示36结 论39参考文献40致 谢411 绪论1.1智能小车的意义和作用 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGauto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。1.2 研究目的及意义通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测障碍、寻线和电机驱动等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹以及避障。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。从对红外线、电机驱动和光电开关在智能小车上的应用，可以进一步研发，将红外线技术应用到现实中的车辆上，比如红外线倒车警报系统、红外车辆防盗系统等等很多方面都可以利用。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。1.3 国内外发展情况十九世纪末，随着内燃机的诞生，人们发明了最现代化的交通工具汽车。经过一个多世纪的发展，汽车技术、性能有了很大的提高，人们充分享受到了汽车带来的巨大便利。但是，在享受汽车带来便利的同时，人们也发现汽车也给社会的发展带来了不少的损失，甚至危害到了人们的人身安全。由于公路客运、货运输量的迅速增长，人们深受交通拥挤、堵塞严重事故频繁和环境污染等公害的困挠。尤其是随着高速公路发展，汽车速度的提高，各类恶性交通事故的发生呈不断上升趋势，给人们的生命财产造成了巨大的损失。同时，经常性的交通拥挤和环境污染等也给现代城市的可持续发展带来了严重的影响。这迫使人们采用高、新技术以提高车辆的安全性、可靠性，以解决道路交通的公害问题。我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代，而且大多数研究尚处于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体落后于发达国家，并且存在一定的技术差距，但是我国也取得了一系列的成功。中国第一汽车集团公司和国服科技大学机电工程与自动化学院于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车的正常交通惊恐下得高速公路上，形式的最高温度速度为12km/h，最高峰值速度可达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。 在国外，美国国家科学委员会曾预言：“20世纪的核心武器是坦克，21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场。”为此，从80年代开始美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划，目标是研制出满足战场需要的智能车辆，可以在崎岖的地形上沿规划的路线自主导航及躲避障碍，必要时重新规划其路线。另外，日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划、欧洲尤里卡中的移动机器人计划等。虽然智能车辆的研究起源于军事的要求，但是在其他领域的应用也有极大的价值，并且在研究上也取得了一定的成果。在太空探索方面，美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年成功登上火星，这是一个具有六个轮子的自主移动机器人。在民用方面，智能车辆也有许多成功的例子。如日本的VERTIS智能汽车系统，该智能汽车主要有23个ITSZ子系统，主要用于实现车载通讯、信息加工处理、环境探测、辅助控制(自动驾驶)等四项功能。另据报道，雷诺正在研制的自动汽车或智能车辆将让汽车能够感知周围环境，如道路状况、附近车辆的距离及行驶速度等，并能根据具体情况及时作出调整车速、校正方向等正确反应。目前，雷诺公司正在进行红外摄像、雷达、随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。422 自动避障减震小车的设计总体设计2.1自动避障减震小车的组成2.2方案选择及论证根据题目要求，系统要实现循线、壁障功能，必须要划分成为六个模块。对各个模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。2.2.1 电机模块方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。方案二：采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。2.2.2 车架选择方案一：使用四轮驱动的电动小车，这样速度方面非常流畅，但灵活性不足，特别是遇到障碍物时，转弯非常不流畅，程序方面还要相对复杂，对于小车的躲避障碍物非常不利。方案二：使用两轮驱动的电动小车，虽然速度上无法与四轮的小车相提并论，不过灵活性上却是大大的提升，对于躲避障碍物方面有重要的改变，非常适合题目要求。综合两种方案的优缺点，决定选择方案二。3 自动避障减震小车机械结构设计3.1 步进电机选择3.1.1 计算输出轴的转矩 （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6）惯性力矩 摩擦力矩 输出轴转动角速度 转动惯量转动惯量机身自身转动惯量启动时间=0.5s=0.8m/s=0.5m 1.6 rad/s 代入式（3.5）得：=1.6kgmm=20kg，代入式（3.5）得：=6.67kgmm计算相关机身设计数值得出：kg代入式（3.6）得：=5.75kgm代入（3.2）得到=44.86Nm 带入（3.1）得到=49.85Nm= =6.86Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （3.7）=0.99 联轴器传动效率=0.96 齿轮传动效率=0.98 轴承传动效率代入式（3.7）得到：0.8073.1.2 确定各轴传动比总传动比=9 ，根据推荐的传动副传动比合理范围，取：高速级传动比=3 ，低速级传动比=3 3.1.3 传动装置的运动和动力参数由图3.2，各轴由高速至低速依次设计为轴（输入轴）、轴（中间轴）、轴（输出轴）。图3.2 传动示意简图各轴转速 （3.8） （3.9） =1.6rad/s=15.3r/min代入式（3.8）、式（3.9）得：45.9r/min，137.7r/min转矩计算 （3.10）49.85Nm代入式（3.7）得：17.7Nm同理得到：=17.7Nm=6.27Nm=6.66Nm北京和利时电机电器有限公司的一些步进电机技术参如表3.1。表3.1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN20.9/1.81103.62.4150.5686BYG250BN20.9/1.811045.0151.286BYG250CN20.9/1.811057.0154.28北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的运行矩频特性曲线如图3.3。图3.3 运行矩频特性由计算得到所需：=6.86Nm，137.7r/min该电机可以满足要求。 北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的外型简图如图3.4。图3.4 步进电机外形简图根据前面计算，选择北京和利时电机电器厂的86BYG250CN型步进电机。由电机输出轴尺寸选择TL2型弹性套柱销联轴器，主从动端均选用型轴孔16。3.2齿轮设计与计算3.2.1 高速级齿轮设计与计算（1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。由资料14（下同）表10-1小齿轮材料选用45Cr(调质)，表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢（调质），表面硬度为240HBS。选择7级精度，（2） 按齿面接触疲劳强度计算根据设计计算公式（10-9a）试算小齿轮分度圆直径，即： （3.11）载荷系数输入轴承受扭矩齿宽系数重合度系数弹性影响系数接触疲劳许用应力确定上式中各参数：试选载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为 =6.27Nm查表10-7，选齿宽系数=1；查表10-6，得弹性影响系数=189.8，查图10-21d，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环: （3.12）输入轴转速工作时间137.7r/min=10000h双向转动，取=2代入式（3.12）得： =1.65108次=4.96108次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.15，1.26；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则=690MPa， =693MPa计算设计公式中代入中较小值，得21.74mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.17m/s计算齿宽b=21.74mm计算齿宽与齿高之比： b/h （3.13）模数0.91mm齿高=2.04mm代入式（3.13）得： =10.67计算载荷系数 （3.14）查图10-8，由v=0.17m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28以上代入式（3.14）得： 1.95 按实际载荷系数修正 24.87mm （3.15）计算模数m：1.04mm按弯曲强度设计由公式（10-5 ） （3.16）弯曲疲劳寿命系数弯曲疲劳需用应力齿形系数应力校正系数由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算载荷系数=1.92计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa查取齿形系数，由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数，由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：0.86对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=0.86，并取圆整为标准值m=1，前面计算得=24.87mm,得小齿轮的齿数：24.8725=75几何尺寸计算：分度圆直径 （3.17)将模数、齿数代入式（3.17）得：25mm；75mm中心距 （3.18）将，代入式（3.18）得： 50mm齿轮宽度 （3.19）由式（3.19）得：=25mm；=30mm3.2.2 低速级齿轮设计与计算（1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数（a） 按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。 （b）由表10-1小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料为45钢（调质），硬度为240HBS。（c）选择7级精度，（2）按齿面接触疲劳强度计算试选载荷系数：=1.3小齿轮传递的扭矩为：=17.7Nm查表10-7，选齿宽系数=1查表10-6，得弹性影响系数=189.8；查图10-21d，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环系数=5.5108次=1.84107次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.26，1.31；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则：=756MPa， =720.5MPa计算设计公式中代入中较小值，得：29.85mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.072m/s计算齿宽b=29.85mm计算齿宽与齿高之比b/h模数1.24mm齿高=2.8mm =10.67计算载荷系数查图10-8，由v=0.07m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28所以载荷系数1.95按实际载荷系数修正34.17mm计算模数m1.42mm按弯曲强度设计由式（10-5）得：由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算弯曲疲劳需用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa计算载荷系数=1.92查取齿形系数。由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大将以上数值代入得：0.86对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=1.21，并取圆整为标准值m=1.5，前面计算得=29.85mm,得小齿轮的齿数24.6725=75几何尺寸计算分度圆直径37.5mm；112.5mm中心距=75mm齿轮宽度=37.5mm；=42.5mm3.3 轴的设计与计算3.3.1 输入轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm（2） 初估轴直径 （3.20）选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，并将数据代入式（3.20）得： =17mm （3） 轴的结构设计输入轴的最小直径与先前计算齿轮直径相差很少，所以做成齿轮轴。轴的结构尺寸如图3.5。图3.5 输入轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.21）垂直方向： ； （3.22） 对锥齿轮： , （3.23） 对直齿轮： ， （3.24） 将输入轴参数代入式（3.24）得：538.2N,138.5N501.6N,182.6N代入得：408.6N,867.2N 514.8N ,558.9N作出输入轴水平方向及垂直方向的弯矩图3.6： 图3.6 输入轴的受力分析图 从输入轴的结构图和受力情况分析得到截面II是输入轴的危险截面，计算结果如表3.4。表3.4 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力408.6N867.2N514.8N558.9N弯矩44.8Nm 0.7Nm 总弯矩44.8Nm 扭矩6.27Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度 （3.25）式中：轴的计算应力 轴受得弯矩 轴所受的扭矩 轴的抗弯截面系数 （3.26）校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度，取1，将各数值代入式（3.25）、（3.26）得：7.66MPa轴的材料为45钢，查表11-1，。因此，故安全。3.3.2 中间轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.429kW45.9r/min17.7Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，得：25mm（3） 轴的结构设计中间轴的直径与小齿轮分度圆直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。轴的结构尺寸如图3.7。图3.7 中间轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.27）垂直方向： ； （3.28） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：472N,171.8N944N,343.6N代入得：35.8N,436.2N13N,158.7N作出中间轴水平方向及垂直方向的弯矩图： 图3.8 中间轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到截面II是轴的危险截面，计算结果如表3.5。表3.5 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力35.8N436.2N13N158.7N弯矩31.7Nm11.51Nm总弯矩33.7Nm扭矩17.7Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度2.01MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。3.3.3 输出轴的设计与计算 （1） 求输出轴上的功率、转速、扭矩0.404kW15.3r/min49.85Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，得：33mm（3） 轴的结构设计轴的结构尺寸如图3.9，输出轴的直径与齿轮直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。图3.9 输出轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.29）垂直方向： ； （3.30） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：886.2N,322.6N代入得：1364.4N,478.1N 496.6N,174N作出输出轴水平方向及垂直方向的弯矩图3.10：图3.10 输出轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到轴的危险截面，计算结果如表3.7。表3.7 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力1364.4N478.1N496.68N174N弯矩33.5Nm12.2Nm总弯矩35.7Nm扭矩49.85Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度35MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。3.4 轴承的校核3.4.1 输入轴上轴承寿命计算查阅资料14表13-3得到轴承的预期寿命为由图3.5可知轴上安装轴承处直径为17mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力： 657.2N 1031.5N （3.31） 193.3N， 303.2N （3.32）式中：径向支反力轴向支反力193.3N，303.2N193.3N，303.2N ，查表13-5得：0.4， ，查表13-5得：1，0查表13-6载荷系数=1.2，将以上代入式（3.33）、（3.34），轴承当量动载荷为 750.5N （3.33） 1237.8N （3.34）由公式（13-15） （3.35）式中：轴承所在轴的转速温度系数额定动载荷轴承所在轴的传动功率计算轴承寿命。 137.7r/min=25000N10/3查表13-7，温度系数=1代入式（3.35）得：h，满足使用要求。3.4.2 中间轴上轴承寿命计算（1） 由图3.7可知轴上安装轴承处直径为25mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力：38.1N，464.2N11.9N，145.1N， 考虑其轴上零件重量得到，50 N；61.9N，145.1N；61.9N，=145.1N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为 137.1N557N计算轴承寿命。 45.9r/min C=28000N 10/3 查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。3.4.3 输出轴上轴承寿命计算轴承受力如图3.11所示，轴安装出直径为35mm，由于轴向要承受大小臂的重力，所以选择圆锥滚子轴承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出强度。 图3.11 轴轴承受力结构简图图中R有两部分组成，第一部分为轴上所受的支反力：1452N， 508.8N第二部分为大臂和小臂工作时产生的偏心力，如图3.12所示。图3.12 工作质量产生偏心力简图 重力分别为：300N,200N经计算得：2400N3852N，2908.8N1203.8N，909N，1753.9N，909N1753.9N，=909N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为5108.2N2949.6N由公式13-10a，因为，所以带入进行校核计算轴承寿命。 15.3r/min =73200N10/3查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。3.5 键的选择和校核3.5.1 键的选择根据齿轮和轴的参数，参考机械设计选择设计键。电机输出轴键：；中间轴的键：；输出轴的键：。3.5.2 键的校核键的材料为45钢，由资料表6-2查得许用挤压应力MPa 根据公式 （3.25）得到：键：工作长度mm，接触高度3.3mm，17.7Nm25.5MPa，安全。键：工作长度mm，接触高度3.8mm，49.85Nm23.9MPa，安全。3.6 机架的设计3.6.1对机架结构的基本要求机架是整个机床的基础支持件，一般用来放置重要部件。为了满足机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，机床应有高的静、动刚度，更好的抗振性。 一、对机床的机架主要在以下3 个方面提出了更高的要求： 1很高的精度和精度保持性 在机架上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到机架上，所以，机架受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除了满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。 2应具有足够的静、动刚度 静刚度包括：机架的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度-质量比。动刚度直接反映机床的动态性能，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当的增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生噪音。 3较好的热稳定性 对机床来说，热稳定性已经成了一个突出问题，必须在设计上要做到使整机的热变形小，或使热变形对加工精度的影响小。热变形将直接影响机架的原有的精度，从而是产品精度下降，如立轴矩台平面磨床，立柱前臂的温度高于后臂，是立柱后倾，其结果磨出的零件工作表面与安装基面不平行；有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生中凸或中凹热变形。因此，机架结构设计时应使热变形尽量小。 二、机架机架设计的一般要求 ： 1） 在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低； 2） 抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内； 3） 躁声小； 4） 温度场分布合理，热变形对精度的影响小； 5） 结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工； 6） 结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件； 7） 有导轨的机架要求导轨面受力合理、耐磨性良好； 8） 造型好。使之既适用经济，有美观大方。3.6.2 机架的结构1机架结构 根据机床的类型不同，机架的结构形式有各种各样的形式。例如车床机架的结构形式有平机架、斜机架、平机架斜导轨和直立机架等四种类型。 另外，斜机架结构还能设计成封闭式断面，这样大大提高了机架的刚度。钻高精度立式万能磨床、加工中心等这一类机床的机架结构与车床有所不同。例如加工中心的机架有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般使用于中小型立式和卧式加工中心，而后者又分为整体T形机架和前后机架分开组装的T形机架。所谓T形机架是指机架是由横置的前机架和与它垂直的后机架组成。整体式机架，刚性和精度保持性都比较好，但是却给铸造和加工带来很大不便，尤其是大中型机床的整体机架，制造时需要大型设备。而分离式T形机架，铸造工艺性和加工工艺性都大大改善。前后机架联接处要刮研，联接时用定位键和专用定位销定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固紧。这样联接成的机架，再刚度和精度保持性方面，基本能满足使用要求。这种分离式T形机架适用于大中型卧式加工中心。 由于机架导轨的跨距比较窄，致使工作台在横溜板上移动到达行程的两端时容易出现翘曲，将会影响加工精度，为了避免工作台翘曲，有的立式加工中心增设了辅助导轨。 2机架的截面形状 机床的机架通常为箱体结构，合理设计机架的截面形状及尺寸，采用合理布置的肋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。机架肋板一般根据机架结构和载荷分布情况，惊醒设计，满足机架刚度和抗振性要求，V形肋板有利于加强导轨支承部分的刚度；斜方肋和对角肋结构可明显增强机架的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。 此外，还有纵向肋板和横向肋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有明显效果；米字形肋板和井字形肋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形肋板更高。 3机架的结构设计 机架结构设计时，应尽量避免薄壁结构并简化表面形状。根据本设计的具体情况及要求，机架的结构设如下：4.机架的设计步骤 根据机架上的零件、部件情况和设计要求初步确定机架及机架的结构形状和尺寸，以保证机架内外的零件能正常运动 根据产品批量和结构形式初步确定制造方法，合理选择材料，单件小批量的非标准设备机架可以采用焊接和锻喊结合的机架 分析承载情况，根据承载情况合理的选择截面形式，确定主要设计参数 画出结构草图，进行必要的强度和刚度计算和尺寸修改 对重要设备的机架，还应该进行模拟实验设计和模拟实验，并根据实验结果对设计进行修改。3.6.3 横梁设计 梁设计的要求与轴心受压相仿，钢梁设计应考虑强度、刚度、整体稳定和局部稳定各个方面满足要求。(1)梁的强度计算主要包括抗弯、抗剪和折算应力等强度应足够。(2)刚度主要是控制最大挠度不超过按受力和使用要求规定的容许值。(3)整体稳定指梁不会在刚度较差的侧向发生弯扭失稳，主要通过对梁的受压翼缘设足够的侧向支承，或适当加大梁截面以降低弯曲压应力至临界应力以下。(4)局部稳定指梁的翼缘和腹板等板件不会发生局部凸曲失稳，在梁中主要通过限制受压翼缘和腹板的宽厚比不超过规定，对组合梁的腹板则常设置加劲肋以提高其局部稳定性。梁的截面选择一、型钢梁截面的选择型钢梁截面应满足梁的强度、刚度、整体稳定和局部稳定四个要求，其中强度包括抗弯、抗剪、局部压应力和折算应力。由于型钢截面的翼缘和腹板等板件常有足够的厚度，一般不必验算局部稳定，无很大孔洞削弱时一般也不必验算剪应力。局部压应力和折算应力只在有较大集中荷载或支座反力时计算。型钢梁设计通常是先按抗弯强度(当梁的整体稳定有保证或Mmax处截面有较多孔洞削弱时)或整体稳定(当需计算整体稳定时)选择型钢截面，然后验算