滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計含20張CAD圖,滾動,轉(zhuǎn)動,摩擦,磨擦,磨損,試驗,實驗,設(shè)計,20,cad 滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計答辯人：XXX目錄1、設(shè)計背景2、設(shè)計目的3、工作原理4、設(shè)計結(jié)構(gòu)5、結(jié)論2設(shè)計背景摩擦學(xué)研究方興未艾摩擦學(xué)研究的作用：節(jié)約能量節(jié)約材料提高零件的可靠性3設(shè)計目的測定材料在不同轉(zhuǎn)速、不同載荷作用下，做滾動摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)。4設(shè)計原理5材料摩擦系數(shù)M摩擦力矩N加載的實驗力r試件半徑原理簡圖6總工作原理圖78設(shè)計內(nèi)容加載部分摩擦副部分9摩擦副部分10加載部分11結(jié)論本設(shè)計加載實驗力控制精確，摩擦件速度容易調(diào)整。采用伺服電機做摩擦副動力源，調(diào)速方便，控制速度精確。1213總工作原理圖14151617 滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計 摘 要 摩擦學(xué)是一門研究相對運動構(gòu)件之間摩擦、磨損及潤滑的一門科學(xué)。統(tǒng)計分析表明，導(dǎo)致及其失效的主要原因是動聯(lián)接和機件在摩擦力作用下的磨損。滾動摩擦是一種非常常見的摩擦形式，對減小構(gòu)建之間的摩擦力起了很大的作用。研究滾動摩擦，需要一些實驗設(shè)備。磨擦學(xué)測試儀器和測試技術(shù)的應(yīng)用及研究，從靜態(tài)研究發(fā)展到動態(tài)研究，從而達(dá)到弄清機理、控制摩擦磨損的目的。本設(shè)計運用參數(shù)化建模方法，運用機械工程相關(guān)知識設(shè)計了一臺滾動摩擦磨損試驗機。各種典型機械運動在不同介質(zhì)作用下的摩擦學(xué)特性不同，本設(shè)計針對滾動摩擦在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下，摩擦系數(shù)的變化情況。本次設(shè)計的滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計在參考原有各種試驗機的基礎(chǔ)上進行了一系列的改進創(chuàng)新，特點是本設(shè)計裝置的功能相對單一，用來進行滾動摩擦磨損試驗，測試具有更加專業(yè)化的特點；能夠滿足在不同載荷、不同材料的試驗要求；試驗力加載方式獨特，采用螺旋傳動壓縮彈簧加載；試件易于制作，便于安裝，夾緊可靠，無松緩、卡死等現(xiàn)象；本設(shè)計構(gòu)造簡單，成本低，使用方便。 關(guān)鍵詞：滾動摩擦 摩擦磨損試驗機 設(shè)計 Abstract Tribology is a science that studies friction, wear, and lubrication between relatively moving components. Statistical analysis shows that the main cause of failure and its failure is the wear of dynamic couplings and mechanical parts under friction. Rolling friction is a very common form of friction and plays a significant role in reducing friction between builds. Studying rolling friction requires some experimental equipment. The application and research of friction test equipment and test technology has progressed from static research to dynamic research, so as to clarify the mechanism and control friction and wear. This design uses a parametric modeling method and uses a knowledge of mechanical engineering to design a rolling friction and wear testing machine. The tribological characteristics of various typical mechanical motions under different media are different. This design is based on the variation of friction coefficient of rolling friction under different loads and different rotation speeds. The design of the rolling friction and wear tester designed on the basis of the original variety of test machines has undergone a series of improvement and innovation. The feature is that the design of the device is relatively single-function, used to carry out rolling friction and wear test, the test has more Specialized characteristics: It can meet the test requirements of different loads and materials; The test force is loaded in a unique way, and it is loaded with screw-driven compression springs; the test piece is easy to manufacture, easy to install, reliable clamping, no loosening, etc. This design has a simple structure, low cost and easy to use. Keywords: rolling friction friction and wear tester design 目 錄 引 言 1 第一章 滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計方案的確定 2 1.1滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計要求 2 1.2滾動摩擦副設(shè)計 2 1.3設(shè)計原理 3 第二章 滾動摩擦試驗機動力源的選擇 4 2.1 電動機的類型選用 4 2.1.1 三相異步電動機的選擇 5 2.1.2伺服電機功率的確定 7 第三章 蝸桿蝸輪的設(shè)計 7 3.1傳動比的確定 7 3.2傳動裝置各參數(shù)的計算 8 3.3蝸輪蝸桿材料及其類型選擇 8 3.3.1選擇蝸桿傳動類型 8 3.3.2材料選擇 8 3.4蝸輪蝸桿設(shè)計計算 9 3.4.1確定蝸桿蝸輪模數(shù) 9 3.4.2蝸桿與蝸輪主要參數(shù) 10 3.4.3校核齒根彎曲疲勞強度 11 3.4.4 驗算效率η 12 3.4.5熱平衡計算 12 3.4.6主要設(shè)計結(jié)論 12 第四章 軸系零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 14 4.1安裝蝸輪的軸設(shè)計計算 14 4.1.1確定軸的最小直徑 14 4.1.2求作用在蝸輪上的力 14 4.1.3蝸輪軸的設(shè)計 14 4.1.4 零件的周向定位 16 4.1.5校核軸的強度 16 4.2蝸桿軸的設(shè)計計算 19 4.2.1按扭矩初算軸最小直徑 19 4.2.2求蝸桿的受力 19 4.2.3蝸桿軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 4.2.4 校核蝸桿軸的強度 21 4.3滾動軸承選擇和計算 24 4.3.1蝸輪軸上安裝的滾動軸承的計算 24 4.3.2蝸桿軸上安裝的滾動軸承的計算 26 4.4鍵的選擇和計算 27 4.4.1 蝸桿軸上的鍵的選擇和校核 27 4.4.2蝸輪軸上與蝸輪配合的鍵的選擇和校核 28 第五章 其它零部件設(shè)計 29 5.1 蝸桿減速器箱體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 29 5.2彈簧的設(shè)計計算 30 5.3施力板的設(shè)計 31 5.5主動試件傳動部分設(shè)計 33 結(jié) 論 38 參考文獻 39 謝 辭 40 引 言 1、摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀 摩擦與磨損體現(xiàn)在我們生活的方方面面，是一種具有極其重要影響的現(xiàn)象。摩擦現(xiàn)象被作為一門科學(xué)研究對象，始于15世紀(jì)達(dá)·芬奇對于摩擦領(lǐng)域的卓越貢獻。長期以來，人們都是從力學(xué)或者物理學(xué)角度對摩擦、磨損及潤滑分割開地進行研究，發(fā)展緩慢。隨后，摩擦學(xué)綜合成一門獨立的學(xué)科及計算機技術(shù)的發(fā)展，摩擦磨損研究開始快速發(fā)展。摩擦學(xué)的發(fā)展，反過來對機械設(shè)計方法進行了補充。工程師在設(shè)計機器時，必須考慮摩擦磨損情況，力求機器壽命、效率等得到穩(wěn)定的提升。以機床為例，某些關(guān)鍵零部件沒有進行摩擦學(xué)設(shè)計，導(dǎo)致了零部件頻繁磨損失效，破使機床的停機修理。不僅需要維修人員的維護，還耽誤了工業(yè)生產(chǎn)的效率。所以，當(dāng)今摩擦學(xué)的研究受到了各國的重視。 2、摩擦學(xué)重要研究方向的發(fā)展 摩擦現(xiàn)象是一種十分常見又復(fù)雜的現(xiàn)象，目前被發(fā)現(xiàn)的與摩擦有關(guān)的影響的因素多達(dá)幾十個。一個在技術(shù)領(lǐng)域的重要課題就是摩擦問題。摩擦學(xué)的主要研究方向有流體潤滑理論、納米摩擦學(xué)、摩擦學(xué)設(shè)計和耐磨材料。最近幾十年，人們發(fā)現(xiàn)了薄膜潤滑狀態(tài)，并在薄膜潤滑性能取得了重要研究?，F(xiàn)代機械學(xué)科的發(fā)展趨于超精密化，很多裝置中的摩擦副間隙常處于納米量級。因此，納米摩擦學(xué)發(fā)展不僅是摩擦學(xué)深入發(fā)展的趨勢，也是當(dāng)下科技發(fā)展的需要。摩擦學(xué)設(shè)計從設(shè)計源頭開始關(guān)注摩擦磨損問題，通過一系列方式減輕磨損。通過理論及實驗類比預(yù)測并避免可能發(fā)生的故障。 [1]耐磨材料的成功研制對摩擦磨損的問題的解決提供了一種相對有效的途徑。我相信耐磨材料的研發(fā)會受到格外的重視。 3、研究滾動摩擦試驗機的意義 如前所述，摩擦學(xué)研究的經(jīng)濟與工程意義都是重大的。研究需要良好的設(shè)備來輔助研究人員分析與發(fā)現(xiàn)新的摩擦理論，從而推動科技的發(fā)展。滾動摩擦磨損試驗機的研究，對了解材料的摩擦系數(shù)、耐磨性能具有直接的作用[2]。潤滑油及耐磨涂層的開發(fā)均需要測試，一臺設(shè)計良好的滾動摩擦磨損試驗機對準(zhǔn)確掌握開發(fā)的新材料、潤滑油及涂層有關(guān)鍵的作用。對摩擦學(xué)研究人員來說，滾動摩擦磨損試驗機是一個必不可少的輔助工具。 第一章 滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計方案的確定 1.1滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計要求 查閱相關(guān)書籍資料，確定本設(shè)計應(yīng)滿足的要求如下： 1、能夠準(zhǔn)確地測出材料的摩擦系數(shù)。 2、試驗條件靈活，容易調(diào)整，加載實驗力范圍。 3、操作安全，工作情況穩(wěn)定。 4、易于操作，維護方便。 1.2滾動摩擦副設(shè)計 滾動摩擦形式有很多，按照接觸形式有點、線、面接觸的形式，摩擦副試件的形狀有球、圓柱形、平面塊狀、錐形、環(huán)形、圓盤形等[3]。本設(shè)計采用的試件為圓盤形。開始采取的摩擦試件位置關(guān)系如圖1-1所示： 圖1-1 初始摩擦副設(shè)計方案 考慮到這樣設(shè)計的位置關(guān)系最大的問題是更換試件極其不方便，所以對原始設(shè)計方案進行了改，更改后的試件設(shè)計位置關(guān)系如圖1-2所示： 圖1-2 修改后的摩擦副設(shè)計方案 1.3設(shè)計原理 當(dāng)試件接觸形式為圓盤狀時，假設(shè)豎直的載荷為N，摩擦力為F，摩擦力矩為M，下試驗試件的半徑是r。則摩擦系數(shù)是 （1-1） 根據(jù)設(shè)計原理，設(shè)計機構(gòu)應(yīng)有壓力傳感器、扭矩傳感器類電子元件，壓力傳感器用來測量加載實驗力，扭矩傳感器用來測試實驗時的摩擦力矩[4]，至于試件半徑r，可以用游標(biāo)卡尺來測量。 考慮設(shè)計要求，加載實驗力大小易于設(shè)置，決定采用彈簧加載結(jié)構(gòu)。但是，對于普通電動機，對于50赫茲的交流電，轉(zhuǎn)速多達(dá)3000r/min，這對實驗力的控制極為不利。雖然每增加一磁極對數(shù)，轉(zhuǎn)速會下降，但是一味地增加磁極對數(shù)，不但電動機結(jié)構(gòu)會增大很多，成本也會很高。因此，采用減速機器來降速，是個很好的選擇。常見的減變速機器種類有齒輪傳動減速器，蝸輪減速器等。因為本設(shè)計最大加載實驗力為500N，而且需要一個傳動比比較大的減速器，因此，采用蝸桿減速器非常合適。 根據(jù)以上判斷，擬定總的設(shè)計方案簡圖如圖1-3所示[5]： 圖1-3 設(shè)計方案簡圖 圖中個標(biāo)號的意義：1是伺服電機，2是聯(lián)軸器，3是扭矩傳感器，4是軸承，5是試驗用的試件，6是加載實驗力的試驗臺，7是壓力傳感器，8是圓柱壓縮彈簧，9是蝸桿簡圖，10是蝸輪。 至此，本設(shè)計的整體方案確定完畢。接下來，需要進行零部件的設(shè)計，選用，以及對總的設(shè)計方案進行完善與補充。 第二章 滾動摩擦試驗機動力源的選擇 2.1 電動機的類型選用 本設(shè)計有兩個動力源，一個是試驗試件的動力源，另一個是彈簧加載的動力源。由于試驗機為位置相對固定的機械，不像汽車等運輸類機械，所以動力源選擇電動機。電動機類型眾多，特點各不相同，考慮的問題有輸出轉(zhuǎn)矩大小，控制精度調(diào)速容易程度，噪音大小，響應(yīng)特性，能耗特征，使用壽命等等。綜合考慮以后，加載實驗力的動力源選擇三相異步電動機，試驗試件的動力源采用伺服電機[6]。 2.1.1 三相異步電動機的選擇 根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，最大加載實驗力為500N，壓縮彈簧的傳動機構(gòu)為螺旋傳動，查閱主編為陳定方的《機械設(shè)計師手冊》上冊表4.3-5，相關(guān)參數(shù)計算如下： 對于梯形螺紋，螺桿中徑 （2-1） F是軸向載荷（N），取 值可根據(jù)螺母形式選定，整體式螺母 ，取 p是許用比壓（MPa）,查本書表4.3.8，對于鋼材螺桿螺母，許用比壓為，取 將以上各值代入式2-1，得 考慮蝸桿剛度等因素，取 螺母高度 ，取 查該書表4.3-4，螺紋摩擦力矩為 （2-2） -螺旋傳動的軸向載荷 -螺紋中精 -螺旋線升角 -當(dāng)量摩擦角 螺旋線升角 （2-3） 當(dāng)量摩擦角 （2-4） 取導(dǎo)程 ，則螺旋線升角 查閱該書表4.3-6，螺桿材料為鋼材，螺母材料為耐磨鑄鐵，當(dāng)鋼對耐磨鑄鐵時，摩擦系數(shù) ，取 螺紋牙型角 ，將以上各值代入式2-3，得 當(dāng)量摩擦角 將計算結(jié)果代到式2-2，得 摩擦力矩 輸出功率 （2-5） 輸入功率 （2-6） 預(yù)計減速器減速后，轉(zhuǎn)速 為螺紋效率，按表4.3-5中公式計算， （2-7） 為軸向的支撐面效率， 為徑向的支撐面效率， ，對滾動軸承，取大值：對滑動軸承，取小值 代入計算得 依據(jù)設(shè)計情況，取 ，將各值分別代入式2-4、2-5，得 凸緣聯(lián)軸器的傳動效率 減速器中每一對軸承的傳動效率 單頭蝸桿與蝸輪的傳動效率 所以減速機構(gòu)的傳動總效率 需要的電動機功率 電動機的額定功率 按≥來選取電動機型號，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表17-7，選擇的電動機的型號為Y80M1-4，主要參數(shù)為： 額定功率，滿載轉(zhuǎn)速=1390r/min。 2.1.2伺服電機功率的確定 由于試件滾動摩擦?xí)r，摩擦力較小，且試件半徑不大，預(yù)計摩擦力矩的范圍為，由此，查閱相關(guān)網(wǎng)頁，了解相關(guān)參數(shù)，最終確定伺服電機的功率，額定扭矩。 第三章 蝸桿蝸輪的設(shè)計 減速器類型已經(jīng)確定為蝸桿減速器，蝸桿減速器是一種傳遞動力的機構(gòu)，將電機的回轉(zhuǎn)數(shù)減少到所需要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并且得到較大的回轉(zhuǎn)數(shù)。目前，此類減速器得到極其廣泛的應(yīng)用，從汽車、船舶等交通工具到機械加工工具以及日常生活中常見的家電、鐘表等等。它具有減速增加扭矩的功能，因此非常適合本設(shè)計傳動的需要。為了提高機械效率，常用特殊材料像有色金屬做蝸輪，采用大硬度的鋼材生產(chǎn)蝸桿，由于在運行過程中會產(chǎn)生較高的熱量，使減速機的各個零件和密封件之間熱膨脹，因此在設(shè)計過程中應(yīng)進行溫度升高的計算。 3.1傳動比的確定 蝸輪蝸桿傳動有多種不同的形式，如圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動。不同傳動類型，成本，傳動比大小，傳動效率，轉(zhuǎn)動速度范圍限制等各不相同。依據(jù)設(shè)計情況，選擇圓柱蝸桿傳動。傳動比 通常為，考慮承載能力，傳動比大小對彈簧加載機構(gòu)的影響等，取。 根據(jù)圖1-3的設(shè)計方案可知，傳動模塊有一部分是單級蝸輪蝸桿傳動，也就是說，蝸桿傳動比等于總傳動比，i蝸=i=60。 取蝸桿的設(shè)計頭數(shù)z1=1，則蝸輪的設(shè)計齒數(shù)z2=60。 3.2傳動裝置各參數(shù)的計算 1、各軸的轉(zhuǎn)速 蝸桿轉(zhuǎn)速 蝸輪軸的轉(zhuǎn)速 2.每根軸的輸入功率 蝸桿軸1的輸入功率 蝸輪軸2輸入功率 3.每根軸的輸入轉(zhuǎn)矩 蝸桿1軸的輸入轉(zhuǎn)矩 蝸輪2軸的輸入轉(zhuǎn)矩 3.3蝸輪蝸桿材料及其類型選擇 3.3.1選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) ，選擇的蝸桿類型為。 3.3.2材料選擇 適合做蝸輪蝸桿的材料較少，蝸桿壓力大，需要硬質(zhì)鋼。常用低碳鋼如AISI 1020、1117、8620和4320，并經(jīng)淬火和滲碳是硬度達(dá)到58到62HRC。中碳鋼如AISI 4140或4150也常常被使用，經(jīng)過感應(yīng)淬火硬度可達(dá)58到62HRC。這些蝸桿需要磨削，或者拋光達(dá)到表面粗糙度的要求。如果蝸輪蝸桿傳動時相對速度較大，蝸輪需要有足夠軟且柔順的材料，來順應(yīng)與高硬度蝸桿的跑合。砂型鑄造、冷鑄，離心鑄是蝸桿加工的最常用方法。磷青銅或錫青銅適合于高功率蝸桿，錳青銅適合于低功率低速蝸桿。鑄鐵、低碳鋼及塑料經(jīng)常用于低速輕載蝸桿。[7] 蝸桿傳動的功率不大，速度較小，故蝸桿材料選擇45鋼。查于慧力、馮新敏主編的《現(xiàn)代機械設(shè)計零部件手冊》表6.5-34，蝸輪選用10-1錫青銅，牌號為ZCuSn10P1,采用金屬模鑄造方法。 3.4蝸輪蝸桿設(shè)計計算 3.4.1確定蝸桿蝸輪模數(shù) 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算，設(shè)計計算公式為 （3-1） 確定蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 1.確定載荷系數(shù)K 根據(jù)工作情況和要求，參考《機械設(shè)計》查表11-5，取使用系數(shù)KA=1，齒向載荷分布系數(shù)Kβ=1，動載系數(shù)Kv=1.1。 所以載荷系數(shù) 2.確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)所選擇的材料，強度極限。 (3-2) 式中為接觸強度的壽命系數(shù) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 許用應(yīng)力 把計算結(jié)果代入式（3-1）得 m2d1≥138.28MPa，z1=1 查《機械設(shè)計》表11-2，得 分度圓導(dǎo)程角 3.4.2蝸桿與蝸輪主要參數(shù) 1.中心距 2.蝸桿 頭數(shù) 模數(shù) 分度圓直徑 軸向齒距 直徑系數(shù) ， 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 分度圓導(dǎo)程角 軸向齒厚 。 3.蝸輪 蝸輪齒數(shù) 模數(shù) 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 3.4.3校核齒根彎曲疲勞強度 （3-3） 當(dāng)量齒數(shù) 根據(jù)當(dāng)量齒數(shù) 從《機械設(shè)計》圖11-17中可查得齒形系數(shù) 螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力 從《機械設(shè)計》表11-8得由ZCuSn10P1砂模鑄造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力 壽命系數(shù) 許用應(yīng)力 實際應(yīng)力 因為 ,所以齒根彎曲疲勞強度滿足要求。 3.4.4 驗算效率η (3-4) 已知γ=3.224°，, 與相對滑動速度有關(guān)， 從《機械設(shè)計》表11-18中用插值法查取并計算得 ， ，代入計算式中，η=0.75，大于原來的估計的取值，因此不必再算一遍。 3.4.5熱平衡計算 估算散熱面積 驗算油的溫度t 室溫取20℃，散熱系數(shù)取 效率，功率 油溫 t＜80℃，所以油溫沒超過限制。 3.4.6主要設(shè)計結(jié)論 表3-1 蝸桿蝸輪軸參數(shù) 參數(shù) 齒數(shù) 模數(shù) 中心距 寬度 材料 蝸桿 1 2mm 80mm 50mm 45鋼 蝸輪 62 2mm 80mm 50mm ZCuSn10P1 蝸桿與軸作為一體，某些尺寸暫未確定，先留著。蝸輪設(shè)計完畢，用CATIA作出它們的三維模型[8]，如圖3-1。 圖3-1 蝸輪三維模型 第四章 軸系零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 4.1安裝蝸輪的軸設(shè)計計算 4.1.1確定軸的最小直徑 軸的選材為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由《機械設(shè)計》式15-3，取A0=110，于是得 軸末端有螺紋，取 4.1.2求作用在蝸輪上的力 已知蝸輪分度圓直徑d2=330mm，得 軸向力 圓周力 徑向力 4.1.3蝸輪軸的設(shè)計 蝸輪軸的設(shè)計是本設(shè)計中一個關(guān)鍵的零件設(shè)計，需要考率的因素眾多，軸的設(shè)計既要考慮應(yīng)力的情況，又要考慮發(fā)生變形。變形往往是重要因素，因為過大的變形會導(dǎo)致支撐零件的快速磨損。結(jié)合設(shè)計、傳動情況，在軸的末端設(shè)計了螺紋，用來傳遞壓縮彈簧的力。在軸的設(shè)計過程中，滾動軸承的配置是一個不得不重視的問題。此前進行減速器課程設(shè)計時，就忽略了溫度升高對軸的軸向伸長的影響，從而出現(xiàn)了錯誤配置的情況。參考以往的圖冊，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)蝸桿減速器的蝸桿都是采用單支點雙向固定的方案，我也打算采用這種方案。后來在機械設(shè)計手冊上看到，當(dāng)跨距小于200mm時，可以用雙支點各單向固定的方案。綜合考慮之后，我的軸的跨距確實小于200m,所以采用兩個圓錐滾子軸承支撐。關(guān)于正裝還是反裝的問題，兩種安裝方案各有各的特點。正裝相對跨距較小，可以增加支撐剛度，所以最后采用正裝的方案。下面結(jié)合草圖，進行設(shè)計校核。 圖4-1 蝸輪軸的設(shè)計 如圖2所示，將蝸輪軸分為7段，第1段安裝軸承，第2段用作定位，第3段安裝蝸輪，第4段安裝軸承與套筒，第5段安裝端蓋，第6段與第7段軸徑大小相同，第7段有螺紋。 對于第1段，初選軸承30207，查《現(xiàn)代機械零部件設(shè)計手冊》表7.2-23，該軸承基本尺寸 ，取，。 對于第2段，查閱軸承的安裝尺寸，取，考慮空間位置，取。 對于第3段，蝸輪輪轂寬，為了壓緊蝸輪，取，依據(jù)蝸輪結(jié)構(gòu)特征，取。 對于第4段，安裝軸承30207，取，還要安裝套筒，取。 對于第5段，依據(jù)減速器箱體結(jié)構(gòu)、軸結(jié)構(gòu)特征，取，。 對于第6、7兩段，考慮設(shè)計的實驗力范圍，彈簧加載行程等因素，取，，螺紋長度。 蝸輪軸各軸段設(shè)計結(jié)果如下表： 表4-1 蝸輪軸參數(shù) 編號 1 2 3 4 5 6 7 直徑d 35 46 40 35 32 30 30 長度l 20 26 48 40 60 40 80 4.1.4 零件的周向定位 為保證對中性滿足要求，蝸輪與軸選用型鍵聯(lián)接，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表14-26，根據(jù)第4段軸的直徑，選擇的鍵的型號為，根據(jù)第4段軸的長度，從鍵的長度系列選擇鍵的長度。 4.1.5校核軸的強度 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)用AutoCAD分別做出蝸輪軸在空間中、水平面與豎直面的受力如圖所示，簡支梁跨距間的距離。實際設(shè)計中，蝸輪軸是豎直布置的，為了分析方便，將蝸輪軸水平放置進行受力分析。 在圖4-2中，D端與施力板相接，受到摩擦力矩T的作用，B點處的是蝸輪的簡圖。 圖4-2 蝸輪軸在空間中的受力簡圖 圖4-3 蝸輪軸在面的受力簡圖 圖4-4 蝸輪軸在面的受力簡圖 在水平面內(nèi)，有,， 解得 截面處的彎矩 在豎直面內(nèi)，圖中 對點列力矩方程，，即 解得FV2=700.3N 處右截面彎矩較大，較大的彎矩為 蝸輪末端受到的扭矩T=617800 用AutoCAD分別作出蝸輪軸在水平面、豎直面內(nèi)的彎矩圖和蝸輪軸的扭矩圖，如圖4-5所示。 圖4-5 蝸輪軸的受力彎矩圖和扭矩圖 從圖中可以看出，截面是危險截面，下面校核截面是否安全。 截面處的總彎矩 扭矩 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力，取α=0.6，蝸輪軸的計算應(yīng)力 查《機械設(shè)計》表15-1得 因為，故安全[9]。 4.2蝸桿軸的設(shè)計計算 蝸桿軸上的功率,轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩T1=3.74N·m 4.2.1按扭矩初算軸最小直徑 蝸桿材料選用鋼，熱處理工藝選擇調(diào)質(zhì)。 查《機械設(shè)計》表15-3，取，則 蝸桿軸最小處有鍵槽，所以 4.2.2求蝸桿的受力 蝸桿軸受到的力與蝸輪上受到的力互為反作用力，所以在數(shù)值上大小相等、方向相異。 軸向力的大小 周向力的大小 徑向力的大小 4.2.3蝸桿軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于蝸桿傳動部分軸徑較小，因此蝸桿與軸設(shè)計成一體的。最小直徑已經(jīng)確定，擬定蝸桿的結(jié)構(gòu)如下。 圖4-6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu) 如圖4-6所示，將蝸桿軸分為段并編號，第段與聯(lián)軸器聯(lián)接，第2段安裝軸承，第3段定位，第、、 段為蝸桿軸段，第7段為定位段，第8段安裝軸承。 對于第1段，由于電機伸出端直徑為19mm，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》17-1，選取型號為型的凸緣聯(lián)軸器，軸孔長度 ，考慮到安裝端蓋，所以取,為了提高剛度，稍大些，取。 對于第2段，初選軸承30205，其基本尺寸，故取，取。 對于第3段，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表15-4，代號為30205的軸承適合本設(shè)計，其安裝尺寸，，。 對于第5段，蝸桿的軸向齒寬。 對于第4和第6段，一方面考慮是蝸桿對稱，另一方面考慮蝸輪直徑，防止跨距太小使軸承孔座與蝸輪干涉。綜合考慮之后，取，。 對于第7段，取，。 對于第8段，取，。 蝸桿軸設(shè)計結(jié)果如表4-1： 表4-1 蝸桿軸參數(shù) 編號 1 2 3 4 5 6 7 8 直徑d 20 25 32 26 39.5 26 32 25 長度l 75 20 6 41 50 41 6 20 4.2.4 校核蝸桿軸的強度 根據(jù)蝸桿軸的結(jié)構(gòu)，將蝸桿軸軸簡化為一個簡支梁，簡支梁的跨距 由前面的計算結(jié)果可知： 軸向力的大小 周向力的大小 徑向力的大小 用AutoCAD分別作出蝸桿軸在空間中、水平面和鉛面內(nèi)的受力簡圖，如下圖所示[10]： 圖4-7 蝸桿軸在空間中的受力簡圖 圖4-8 蝸桿軸在水平面內(nèi)的受力簡圖 圖4-9蝸桿軸在豎直面內(nèi)的受力簡圖 在水平面內(nèi)，有， 解得 截面的彎矩 蝸桿對稱，故 在豎直面內(nèi)，圖中 對點列力矩平衡方程，，即 解出 C截面處左側(cè)彎矩較大，取較大的進行計算 蝸桿受到的扭矩 作出蝸桿軸在水平面、豎直面內(nèi)的彎矩圖和蝸桿軸的扭矩圖，如圖4-10所示。 圖4-10 蝸桿軸的受力彎矩圖和扭矩圖 由圖11可知，截面C是危險截面，所以需要校核C截面是否安全。 從圖中可以看出，截面C是危險截面，下面校核截面C是否安全。 截面C處的總彎矩 扭矩 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力，取α=0.6，蝸輪軸的計算應(yīng)力 查表，得[σ-1]=60MPa 因為σca ＜[σ-1],所以蝸桿軸的強度滿足條件。 至此，蝸桿軸設(shè)計完畢。用CATIA一步一步作出它的三維模型，蝸桿設(shè)計采用參數(shù)化方法，如圖4-11。 圖4-11 蝸桿三維模型 4.3滾動軸承選擇和計算 4.3.1蝸輪軸上安裝的滾動軸承的計算 在蝸輪軸設(shè)計時選擇的軸承的型號是30207，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表，該軸承的計算需要的系數(shù)，。 根據(jù)前面蝸輪軸的設(shè)計計算結(jié)果，可知蝸輪兩個軸承受到的徑向力分別是 兩個軸承的派生軸向力分別是 外載軸向力Fa2=210.7N， 因為,所以左端的軸承被壓緊，右端的軸承 被放松。 軸承受到的軸向力分別是 因為， 所以，；，。 由于是一般載荷，取=1.2。 兩個軸承的當(dāng)量載荷分別是 查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表15-4，型號為30207的軸承的基本額定動載荷Cr=54.2kN,由于軸承2的當(dāng)量載荷大于軸承1，所以只需校核軸承2即可。 軸承壽命的計算公式為 (4-1) 代入數(shù)據(jù)，得軸承壽命為 蝸桿減速器的預(yù)期壽命為 因為,所以選擇的軸承的有效工作時間滿足要求。 4.3.2蝸桿軸上安裝的滾動軸承的計算 在蝸桿軸設(shè)計時選擇的軸承的型號是30205，查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表15-4，該軸承的計算系數(shù)e=0.37，Y=1.6。 根據(jù)前面蝸桿的設(shè)計計算結(jié)果，可知蝸桿軸上兩個軸承受到的徑向力分別是 兩個軸承的派生軸向力分別是 外載軸向力 因為，所以左端的軸承1被壓緊，右端的軸承2被放松。 軸承受到的軸向力分別是 因為， 所以X1=0.4，Y1=1.6；X2=1，Y2=0。 由于是一般載荷，取=1.2。 兩個軸承的當(dāng)量載荷分別是 查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表15-4，型號為30205的軸承的基本額定動載荷,由于軸承1的當(dāng)量載荷大于軸承2，所以只需校核軸承即可。 軸承壽命的計算公式為 (4-2) 代入數(shù)據(jù)，得 本設(shè)計中減速器的預(yù)期壽命為 ,故軸承壽命滿足要求。 4.4鍵的選擇和計算 4.4.1 蝸桿軸上的鍵的選擇和校核 鍵是一種常見的用在軸上的標(biāo)準(zhǔn)件，用來連接兩個軸上零件，使它們一起轉(zhuǎn)動，同時還具有定位的作用。鍵的失效將會直接導(dǎo)致機器的故障，更換將會花費額外的功夫。所以，對鍵的強度必須進行校核，確保設(shè)計安全。 蝸桿軸上第段上的鍵與半聯(lián)軸器配合， 。 查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表14-26，d1在mm之間，所以選擇的鍵的尺寸。 鍵的長度系列中選擇鍵長。 鍵應(yīng)滿足的強度條件為 (4-3) 上式中蝸桿的扭矩 ，鍵高，鍵寬， 鍵長，， 代入公式，得 鍵、軸和輪轂材料都是鋼，由《機械設(shè)計》表6-2查得 ,取。 因為，所以該鍵工作期間不會被壓潰。 4.4.2蝸輪軸上與蝸輪配合的鍵的選擇和校核 蝸輪軸上第段上的鍵與蝸輪配合，。 查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表14-26，d3在38～44mm之間，所以選擇的鍵的尺寸b×h=12×8。 蝸輪軸第3段長度，所以從鍵的長度系列中選擇鍵長 。 鍵應(yīng)滿足的強度條件為 上式中蝸輪的扭矩T2=156.5N，鍵高h(yuǎn)=8mm，鍵寬b=12mm， 鍵長l=L－b=40-12mm=28mm，d=40mm， 代入公式，得 鍵、軸和輪轂材料都是鋼，由《機械設(shè)計》表6-2查得 ,取。 因為，所以該鍵工作期間質(zhì)量不會出問題。 第五章 其它零部件設(shè)計 5.1 蝸桿減速器箱體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 箱體對于減速器而言，看似不那么重要，實際非常重要，尤其是箱體的剛度，對減速器的壽命有這重要的影響。箱體的剛度若不滿足要求，會加劇軸承磨損，導(dǎo)致減速器早早地報廢。若果擔(dān)心剛度不夠而過分增大箱體的尺寸，又會造成材料的未充分利用以及減速器結(jié)構(gòu)的笨重，因此可以考慮合理布置加強筋。這樣，既可以減少材料的使用，又可以增加箱體的支撐剛度。箱體有鑄造式、焊接式等，本設(shè)計箱體采用鑄造的方法。箱體在設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮加工制造的工藝性是否良好，制造成本貴賤等等。還有，扳手空間、螺栓空間都應(yīng)充分考慮，以免給裝配、維修造成極大的不便。 由前面的設(shè)計結(jié)果，中心距a=80mm,查閱有關(guān)書籍，計算出蝸桿減速器箱體的尺寸。由于減速器只是本設(shè)計的一部分，所以箱體設(shè)計還要考慮其他構(gòu)件的位置關(guān)系。綜合前面設(shè)計的蝸桿蝸輪尺寸，進行箱體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算。 箱座壁厚，箱座厚度要大于8mm,取為15mm。 箱蓋壁厚 地腳螺栓直徑，取 地腳螺栓數(shù)目 箱座與上面的箱蓋連接螺栓的公稱直徑，取。 軸承蓋螺釘直徑，取。 df、d2至外箱壁的距離c1，df、d2至凸緣邊的距離c2。 查《機械設(shè)計課程設(shè)計》表5-3，c1、c2的尺寸關(guān)系如下： dfc1≥22mm，取dfc1=24mm d2c1≥13mm，取d2c1=14mm dfc2≥20mm，取dfc2=20mm d2c2≥16mm，取d2c2=16mm 蝸輪外圓與內(nèi)箱壁距離?2≥δ，取?2=16mm 5.2彈簧的設(shè)計計算 彈簧是一種用途十分廣泛的彈性元件，依據(jù)本次設(shè)計情況，選擇圓柱螺旋壓縮彈簧。下面進行設(shè)計計算。 預(yù)計彈簧使用次數(shù)為次，按第2類彈簧來設(shè)計。按力學(xué)性能將及載荷特點將彈簧鋼絲分為：SL、SM、DM、SH、DH，這里碳素彈簧鋼絲選取DM型。軸徑末端螺桿直徑20mm,因此彈簧中徑，初選彈簧鋼絲直徑，查《機械設(shè)計》表16-3，暫選抗拉強度，則根據(jù)表16-2，可知。當(dāng)彈簧指數(shù)時，彈簧制造困難，時，彈簧會發(fā)生屈曲變形且在量產(chǎn)時容易纏繞。暫且選取彈簧指數(shù)，則 根據(jù)《機械設(shè)計》式16-10得 查《機械設(shè)計》表16-6，取彈簧中徑D=38mm,由表16-2，取切變模量，彈簧剛度取 ，則有效圈數(shù) 顯然，有效圈數(shù)不合理。查閱《現(xiàn)代機械設(shè)計師手冊》，了解了單圈剛度與有效圈數(shù)的關(guān)系，經(jīng)過多次嘗試取值計算，最終將彈簧有關(guān)參數(shù)確定完畢，取簧絲直徑,中徑,彈簧剛度,有效圈數(shù) 。 彈簧節(jié)距，取p=24mm。 彈簧自由高度，由《機械設(shè)計》表16-6，取。 壓縮彈簧如同壓桿受載，如果彈簧過于細(xì)長，則可能屈曲。彈簧的長細(xì)比，兩端自由轉(zhuǎn)動，，故應(yīng)進行穩(wěn)定性計算。查《機械設(shè)計》表16-11，取不穩(wěn)定系數(shù)，穩(wěn)定時的載荷 因為，所以彈簧不會失穩(wěn)。 5.3施力板的設(shè)計 施力板一方面應(yīng)滿足傳遞運動，將壓力傳給彈簧，另一方面起導(dǎo)向作用，防止彈簧發(fā)生偏斜。所以，在施力板的中部設(shè)計有螺紋，用來傳動。上面設(shè)計有凸緣，不僅起彈簧安裝時的定位作用，而且能夠提高彈簧剛度。為了給施力板加導(dǎo)向軌，施力板的兩側(cè)設(shè)計有安裝導(dǎo)軌的螺紋孔。設(shè)計時，考慮施力板與減速器蓋子的良好配合性，利用CATIA裝配設(shè)計，將尺寸經(jīng)過不斷改進，確定后作出施力板的三維模型，如圖5-1。 圖5-1 施力板三維模型 5.4加載試驗臺的設(shè)計 加載試驗臺應(yīng)能夠靈活控制加載的實驗力，因此先需要知道加載的實驗力的大小，選用壓力傳感器來測量。壓力傳感器將測得的實驗力的值傳遞到控制系統(tǒng)，與給定值比較，從而確定電動機是否需要繼續(xù)轉(zhuǎn)動。開始時設(shè)計的加載試驗臺簡圖如圖，下面的試件臺可以上下移動，控制加載實驗力。防止試件臺隨意轉(zhuǎn)動，應(yīng)該加一個鍵確定周向位置。但是，這樣做仍然不夠穩(wěn)定。在老師的指導(dǎo)下，增加導(dǎo)軌套，改為雙軸，穩(wěn)定性得到了極大提升。經(jīng)過多處修改，將各部分零件設(shè)計完畢，為了便于區(qū)分各個零件，用CATIA進行渲染，重新裝配，完成改進后的設(shè)計如圖。改進前后相比，改進后支撐試件的軸承安裝更加方便，雙軸做導(dǎo)軌，上下移動穩(wěn)定性好。試件采用螺母壓緊，不僅更換方便，而且在試驗過程中不會松動，保證了試驗的順利進行。 圖5-2 試驗臺初始三維模型 圖5-3 改進后試驗臺模型 5.5主動試件傳動部分設(shè)計 依據(jù)開始的設(shè)計簡圖，摩擦副從動件的傳動加載系統(tǒng)設(shè)計完畢。接下來該進行主動件的傳動部分設(shè)計。前面電動機已選擇伺服電機，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，考慮主動件與電動機采用聯(lián)軸器來傳遞動力。進行試驗時，主動件的阻力來自從動件，當(dāng)實驗穩(wěn)定后試件勻速轉(zhuǎn)動，依據(jù)理論力學(xué)的知識知道，摩擦力矩的大小與主動件受到扭矩大小相等。這樣，成功地把不易測量的摩擦力矩轉(zhuǎn)化為易于測量的扭矩。搜集了扭矩傳感器的資料進行了解后，發(fā)現(xiàn)有的扭矩傳動器還具有測速功能，順便解決了速度測量的問題。了解了扭矩傳感器的使用與安裝方法之后，決定把扭矩傳感器安裝在伺服電機與主動件傳動軸之間。 至此，設(shè)計數(shù)據(jù)逐步完善，很多結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定。因此，打算用CATIA進行更進一步的裝配設(shè)計，完善設(shè)計細(xì)節(jié)，把沒有確定的相關(guān)設(shè)計尺寸確定下來。設(shè)計中有大量的螺釘、螺栓需要畫出，如果按照以前的設(shè)計方法，肯定會極大影響設(shè)計進度。我想，對于此類問題前人早已遇到過了，應(yīng)該有良好的解決方法。我自己對CATIA學(xué)習(xí)的深度不夠，因此上網(wǎng)及圖書館尋找解決方法。最后，發(fā)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計方法，參考《CATIA機械零件參數(shù)化設(shè)計》進行了螺釘設(shè)計。在繪圖過程中，了解了零部件的各個參數(shù)之間的關(guān)系，按照書上的步驟一步一步操作。開始時，特別害怕出錯，因為經(jīng)驗不足，很多問題難以解決。后來，遇到的錯誤多了，漸漸學(xué)會了解決方法，即自己思考錯誤原因，明白錯誤所在后可以直接解決，想不明白的可以上網(wǎng)頁看看別人的解決方案，逐個嘗試，基本上都能解決。螺釘畫完之后，發(fā)現(xiàn)命名也是個問題，采用直徑加拼音的命名方法來區(qū)分不同部位安裝的螺釘。在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)了CATIA的一個優(yōu)點是可以把一部分零件先裝配起來，然后在進行周圍零件的設(shè)計，這個優(yōu)點使得零件設(shè)計是少了許多干涉，而且便于確定零件上某些孔的位置。發(fā)現(xiàn)零件有錯誤，直接進入零件設(shè)計模塊進行更改，如此反復(fù)，邊裝配邊修改，不斷嘗試，最終完成了裝配設(shè)計[11]。整體裝配完成，再對零件進行渲染，使零件易于區(qū)分及理解設(shè)計意圖。裝配圖如圖5-4。 圖5-4 整體裝配圖 用AutoCAD作出零件的二維裝配圖三視圖，分別如圖5-5、5-6、5-7所示： 圖5-5 主視圖 圖5-6 左視圖 圖5-7 俯視圖 結(jié) 論 相對于滑動摩擦，滾動摩擦具有減小摩擦阻力的作用。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，存在著很多把滑動轉(zhuǎn)化為滾動的設(shè)計實例。滾動摩擦磨損試驗機的設(shè)計，對我們更準(zhǔn)確地理解滾動摩擦磨損機理，發(fā)現(xiàn)新的摩擦理論起到很大的幫助。此外，滾動摩擦磨損試驗機可以測量試件的摩擦因數(shù)，材料涂層的抗摩擦性能，對工程材料的選擇，機器效率及壽命的提高具有重大的工程意義。摩擦學(xué)理論的進展及工程應(yīng)用對節(jié)省能源消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力具有巨大的經(jīng)濟意義。 1、本次設(shè)計從開始的原理理解到方案設(shè)計，通過查閱書籍和閱讀論文，了解材料的各種性質(zhì)，不同結(jié)構(gòu)對試驗機的影響，成本貴還是廉，對方案不斷比較與修改，最終確定了一個相對滿意的方案。從方案的確定到零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配設(shè)計，雖然遇到了重重困難，但是最終還是完成了三維模型的設(shè)計。通過這次設(shè)計，提高了我的解決問題能力與繪圖能力。 2、本次設(shè)計的滾動摩擦磨損試驗機設(shè)計在參考原有各種試驗機的基礎(chǔ)上進行了一系列的改進創(chuàng)新，特點是本設(shè)計裝置的功能相對單一，用來進行滾動摩擦磨損試驗，測試具有更加專業(yè)化的特點；能夠滿足在不同載荷、不同材料的試驗要求，采用機械、電氣融合設(shè)計，試驗力加載控制精確；試件更換方便、夾緊可靠，無松緩、卡死等現(xiàn)象；本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本低，使用方便。 3、在設(shè)計過程中，摩擦副的安排與加載試驗力的傳遞是個難點，遇到問題之后，經(jīng)過反復(fù)思考與借鑒別人的設(shè)計特色，最終成功了解決了以上的結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計時間及本人設(shè)計水平有限，導(dǎo)致了未能將控制系統(tǒng)，試驗時輸入?yún)?shù)的輔助軟件設(shè)計出來，或多或少是個遺憾。 參考文獻 [1] 侯文英. 摩擦磨損與潤滑 [M] . 1版. 北京：機械工業(yè)出版社, 2012:2-5 [2] Michele 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CATIA V5R21產(chǎn)品工程師寶典[M]. 1版. 北京：中國水利水電出版社，2014:445-484 謝 辭 本次畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，從開始的概念模糊到原理的理解、方案的設(shè)計，整個過程中每次遇到問題，總能得到任靖日教授的指導(dǎo)，非常感謝老師的指導(dǎo)。在設(shè)計進行之前，我復(fù)習(xí)了理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械原理、機械設(shè)計等多門課程，復(fù)習(xí)這些功課使得我在設(shè)計中少犯了許多錯誤，同時也為設(shè)計過程提供了靈感。然而，還是有考慮不周到的地方。例如，開始箱體設(shè)計了幾層，忽略了制造的便捷性。通過這次設(shè)計，任老師淵博的知識與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度給我留下了深刻的印象。在設(shè)計過程中，和室友一起出入圖書館進行畢業(yè)設(shè)計，遇到問題時能夠互相交流，在此過程中感謝室友的陪伴與幫助。如果沒有室友的陪伴，本次設(shè)計不知會添加多少枯燥與煩惱。本次設(shè)計使我的繪圖能力、思考問題及解決問題的能力得到了極大的提升，尤其對CATIA參數(shù)化設(shè)計方法的理解更進一步，感謝學(xué)校給予本次設(shè)計的機會。 40