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寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
長(zhǎng)距離勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
本文介紹一種新型的長(zhǎng)距離輸送裝置。與以前常見(jiàn)的輸送方式相比較，往復(fù)距離很長(zhǎng)（比如1M，2M）那么曲柄機(jī)構(gòu)就不能實(shí)現(xiàn)。在兩軸之間安裝皮帶或鏈條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，那么往復(fù)距離就可以設(shè)計(jì)的相當(dāng)?shù)拇蟆Ｔ谄Щ蜴湕l上安裝一傳動(dòng)銷(xiāo)，與工作臺(tái)上的滑動(dòng)長(zhǎng)孔相配合，那么就可以帶動(dòng)工作臺(tái)長(zhǎng)距離往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是不但往復(fù)距離可以相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)，并且往復(fù)兩端的加速和減速是相當(dāng)平穩(wěn)的，至于驅(qū)動(dòng)電機(jī)則可以使用無(wú)級(jí)變速電機(jī)。
本文對(duì)這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，經(jīng)過(guò)分析該機(jī)構(gòu)是可行和合理的，對(duì)以后選擇長(zhǎng)距離輸送機(jī)構(gòu)有了新的一種選擇方案。
關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離，輸送裝置，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
31
Abstract
This paper introduces a new type long distance conveying device. With the previously common conveying means photograph is compared, reciprocating long distance ( such as 1M, 2M ) then the crank mechanism cannot be achieved. In between the two shafts mounted belt or chain as the transmission mechanism, so the reciprocating distance can design is quite large. In a belt or chain is mounted on a drive pin, and the working table with sliding long Kong Xiang, then it can drive the reciprocating movement of long distance. The characteristic of this system is not only the reciprocating distance can be quite long, and back ends of the acceleration and deceleration is quite smooth, can be used as driving motor stepless speed variable motor.
The organization has carried on the detailed design and calculation, through the analysis of the mechanism is feasible and reasonable to select, after long distance conveying mechanism is a new kind of options.
Key Words: Long distance, conveying device, the reciprocating motion, mechanism design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 5
1.1 課題研究的背景及意義 5
1.2本課題的研究?jī)?nèi)容 6
第2章 長(zhǎng)距離勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體方案 7
2.1 設(shè)計(jì)方案分析與比較 7
2.2 設(shè)計(jì)方案確定 8
2.2.1往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 8
2.2.2傳動(dòng)方式的選擇 9
2.2.3 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的確定 9
第3章 主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.1電機(jī)的選型 10
3.2蝸輪蝸桿減速器的選型 10
3.3 帶傳動(dòng)計(jì)算 12
第4章 主軸組件要求與設(shè)計(jì)計(jì)算 14
4.1主軸的基本要求 14
4.1.1旋轉(zhuǎn)精度 14
4.1.2 剛度 14
4.1.3 抗振性 15
4.1.4 溫升和熱變形 15
4.1.5 耐磨性 15
4.2主軸組件的布局 16
4.3主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 18
4.4主軸的材料與熱處理 18
4.5主軸的技術(shù)要求 19
4.6主軸直徑的選擇 19
4.7主軸前后支承軸承的選擇 20
4.7.1 主軸前支承軸承的選擇 20
4.7.2 主軸后支承軸承的選擇 21
4.8主軸前端懸伸量 21
4.9主軸支承跨距 21
4.10主軸結(jié)構(gòu)圖 22
4.12主軸組件的驗(yàn)算 22
4.12.1 支承的簡(jiǎn)化 22
4.12.2主軸的撓度 23
4.12.3 主軸傾角 24
第5章 機(jī)架的設(shè)計(jì) 27
5.1 機(jī)架的基本尺寸的確定 27
5.2 架子材料的選擇確定 27
5.3 主要梁的強(qiáng)度校核 27
總結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
第1章 緒論
1.1 課題研究的背景及意義
長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為整機(jī)的樞紐,這就使得長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的膠帶張力控制和帶動(dòng)力都是極為重要的。因此 ,在提高輸送機(jī)所用膠帶性能的同時(shí) ,長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須能夠滿(mǎn)足各種綜合動(dòng)力的技術(shù)要求 ,以適應(yīng)輸送各種物料的需要。
1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求
長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須從加 (減)速度、過(guò)載、負(fù)荷分配、輸送帶張力控制等方面有效地對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行全程控制。
(1)加 (減)速度控制
在小于最大設(shè)計(jì)載荷的任何載荷情況下 ,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都必須前后均勻地給輸送帶加 (減)速 ,且加速段要長(zhǎng) ,以防止物料滑落、膠帶在滾筒上打滑和過(guò)度張緊運(yùn)動(dòng)。
(2)過(guò)載控制
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能防止輸入功率和扭矩越過(guò)安全設(shè)施進(jìn)入輸送機(jī) ,以免產(chǎn)生故障。同時(shí) ,還應(yīng)具備隨時(shí)排除輸送機(jī)阻卡現(xiàn)象的功能。
(3)負(fù)荷分配
多機(jī)驅(qū)動(dòng)情況下 ,載荷應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范合理地分配給各驅(qū)動(dòng)裝置 ,避免因?qū)е聜€(gè)別或多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置過(guò)載而影響輸送機(jī)各部件運(yùn)行質(zhì)量 ,造成不必要的運(yùn)行故障。
(4)輸送帶張力控制
輸送帶的正確張力是保證輸送機(jī)安全、可靠運(yùn)行的首要條件之一。但帶式輸送機(jī)起止瞬間形成的帶張力會(huì)給輸送機(jī)的運(yùn)行和控制帶來(lái)很大的不利影響 ,嚴(yán)重的破壞性張力波可能會(huì)使長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)迅速減速乃至停機(jī)。因此 ,驅(qū)動(dòng)裝置必須按要求控制住進(jìn)入輸送機(jī)的輸送功率 ,使輸送帶隨時(shí)保持良好的張力。
2、輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)性能
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是輸送機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備 ,它的各部件都應(yīng)具備最佳的可靠性 ,都必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范精心設(shè)計(jì)和制造。在使用期間 ,要配備良好的監(jiān)控設(shè)備 ,隨時(shí)了解掌握輸送機(jī)運(yùn)行情況 ,避免突然事故和阻卡現(xiàn)象給輸送機(jī)造成的損失 ,減少維修和停機(jī)次數(shù) ,提高長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的使用效率。
3、最小電應(yīng)力
對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)來(lái)說(shuō) ,如果所有電機(jī)同時(shí)啟動(dòng) ,電源系統(tǒng)中的電壓負(fù)荷急劇增大 ,導(dǎo)致電壓下降 ,使電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)乃至困難 ,對(duì)電機(jī)產(chǎn)生應(yīng)力 ,因此 ,當(dāng)在最小電壓時(shí) ,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也必須能使主要電機(jī)及時(shí)啟動(dòng)。同時(shí) ,電機(jī)每次啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的極大電流會(huì)使電機(jī)溫度增高 ,而電機(jī)啟動(dòng)所需時(shí)間越長(zhǎng) ,電流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng) ,溫度也越高 ,電機(jī)的熱化損壞也越快 ,從而使絕緣體的耐熱性能下降 ,并最終在絕緣體內(nèi)進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的變化 ,使絕緣體完全失去功能 ,最后毀壞電機(jī)。因此 ,要盡量以最小電應(yīng)力進(jìn)入電機(jī) ,且啟動(dòng)次數(shù)盡可能減少 ,啟動(dòng)時(shí)間盡可能縮短 ,使電機(jī)有良好的使用環(huán)境。
4、最小機(jī)械應(yīng)力
由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的載荷分配不均,特別是急速啟動(dòng)情況下 ,包括不可控制的啟動(dòng)情況 ,以及不能逆止輸送機(jī)的情況 ,直接影響輸送機(jī)的主要驅(qū)動(dòng)裝置及其他部件上的應(yīng)力。針對(duì)產(chǎn)生的原因 ,必須對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì) ,在恰當(dāng)分配各驅(qū)動(dòng)裝置載荷的情況下 ,設(shè)立適長(zhǎng)的啟動(dòng)斜面并采用 S型啟動(dòng)斜面以減少輸送帶應(yīng)力。同時(shí) ,實(shí)行軟啟動(dòng)以對(duì)輸入功率和扭矩進(jìn)行最大程度的限制 ,提高輸送機(jī)的安全性 ,而減少對(duì)輸送帶的要求因素 ,這樣就有效地降低輸送機(jī)的成本。
5、膠帶強(qiáng)度要求
膠帶要正常運(yùn)行必須是封閉環(huán)路 ,將一個(gè)以上的膠帶端部連接起來(lái)才能形成無(wú)極膠帶同路 ,而接頭強(qiáng)度只能達(dá)到該膠帶強(qiáng)度的 70 %～90 %。因此 ,膠帶的最薄弱處就是它的接頭 ,所以如何確定接頭的最佳連接方法就成為提高膠帶實(shí)際強(qiáng)度的關(guān)建。
對(duì)膠帶的安全性 ,現(xiàn)主要基于四項(xiàng)不同的設(shè)計(jì)規(guī)范 ,即運(yùn)行張力、起動(dòng)張力、膠帶延伸性和壽命的遞減、接頭動(dòng)態(tài)效能的損失。對(duì)運(yùn)行張力雖通常按最高張力條件確定 ,但由于造成接頭疲勞的額定運(yùn)行張力約占最高設(shè)計(jì)張力的 80 %,故很難達(dá)到 ;對(duì)起動(dòng)張力是一種不常出現(xiàn)的周期性條件 ,可根據(jù)停機(jī)和啟動(dòng)的頻率來(lái)確定是否應(yīng)視為持續(xù)起作用的疲勞因素 ;對(duì)膠帶延伸應(yīng)力和性能退化應(yīng)該視為一種持續(xù)負(fù)荷加到運(yùn)行數(shù)值中 ,由于利用新技術(shù) ,膠帶接頭間的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度達(dá)到了一個(gè)新水平 ,現(xiàn)在鋼繩的耐用性倒成了限制接頭高效能的因素 ,橡膠性能的改進(jìn)使無(wú)淪何種強(qiáng)度的膠帶均能獲得效果良好的高效能接頭。
基于上述問(wèn)題，急需探索一種新的結(jié)構(gòu)形式來(lái)代替當(dāng)前的長(zhǎng)距離勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
1.2本課題的研究?jī)?nèi)容
自動(dòng)化控制技術(shù)被引入工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有一百多年的歷史了，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展自動(dòng)化控制技術(shù)更加日新月異。伴隨著數(shù)學(xué)、控制理論計(jì)算機(jī)、電子器件的發(fā)展，出現(xiàn)了自動(dòng)化控制技術(shù)系統(tǒng)，并作為一門(mén)應(yīng)用科學(xué)已發(fā)展成熟，形成了自己的體系和一套行之有效的分析和設(shè)計(jì)方法。
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，機(jī)械在品種`規(guī)模`設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等方面也得到了迅速的發(fā)展和提高。目前全國(guó)各地均建有機(jī)械制造廠(chǎng)，并逐步走向?qū)I(yè)化生產(chǎn)，以能獨(dú)立自主地進(jìn)行從單機(jī)到成套設(shè)備乃至自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)與制造。
皮帶式輸送機(jī)具有輸送量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、部件標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、煤炭等行業(yè)，用來(lái)輸送松散物料或成件物品，可由于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)總會(huì)產(chǎn)生各種問(wèn)題。
談到往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，人們首先想到的是曲柄機(jī)構(gòu)，但是如果往復(fù)距離很長(zhǎng)，比如1M，2M，那么曲柄機(jī)構(gòu)就不能實(shí)現(xiàn)啦。在兩軸之間安裝皮帶或鏈條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，那么往復(fù)距離就可以設(shè)計(jì)的相當(dāng)?shù)拇蟆?
在皮帶或鏈條上安裝一傳動(dòng)銷(xiāo)，與工作臺(tái)上的滑動(dòng)長(zhǎng)孔相配合，那么就可以帶動(dòng)工作臺(tái)長(zhǎng)距離往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是不但往復(fù)距離可以相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)，并且往復(fù)兩端的加速和減速是相當(dāng)平穩(wěn)的，至于驅(qū)動(dòng)電機(jī)則可以使用無(wú)級(jí)變速電機(jī)。
第2章 長(zhǎng)距離勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體方案
2.1 設(shè)計(jì)方案分析與比較
輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方案比較，主要是輸送機(jī)中動(dòng)力部分的設(shè)計(jì)比較。
方案一：傳動(dòng)滾筒采用驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置主要是由安裝在驅(qū)動(dòng)裝置架上的電動(dòng)機(jī)、高速軸連器、減速器、低速軸連器組成，如下圖：
從上圖中我們可以看出這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也不夠緊湊，而且在巷道中占有空間比較大。
方案二：傳動(dòng)滾筒采用電動(dòng)滾筒，電動(dòng)滾筒是把電動(dòng)機(jī)減速器裝入滾筒內(nèi)的傳動(dòng)滾筒，本身結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，易于安裝布置。如圖：
方案三：通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速器，通過(guò)聯(lián)軸器連接帶輪，帶輪帶動(dòng)帶傳動(dòng)，皮帶上安裝有銷(xiāo)釘帶動(dòng)上面的工作臺(tái)移動(dòng)。
經(jīng)過(guò)比較，本課題采用第三種方案。
2.2 設(shè)計(jì)方案確定
2.2.1往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定
對(duì)于僅有一兩個(gè)簡(jiǎn)單往復(fù)動(dòng)作的普通機(jī)械，可采用三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后用螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)傳動(dòng)。如果機(jī)械設(shè)備具有多個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，而且往復(fù)動(dòng)作的調(diào)速性能和自動(dòng)化程度有一定要求時(shí)，應(yīng)采用電磁換向閥控制的液壓傳動(dòng)或氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)。若往復(fù)運(yùn)動(dòng)的調(diào)速性能要求比較高，應(yīng)采用電液比例控制系統(tǒng)來(lái)傳動(dòng)。對(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)位移控制和速度控制要求比較高時(shí)，應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)家滾珠絲杠副來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制。選擇三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，Y系列電動(dòng)機(jī)是籠型轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，符合IEC標(biāo)準(zhǔn)和DIN42673標(biāo)準(zhǔn)。本系列采用B級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為封閉式（IP44）或防護(hù)式（IP23）。Y系列電動(dòng)機(jī)額定電壓380V，額定頻率50HZ，主要參數(shù)如表2.1，實(shí)物圖如圖2.2。
表2.1選定電機(jī)的型號(hào)參數(shù)
型號(hào)
額定
功率
KW
滿(mǎn)載時(shí)
堵轉(zhuǎn)
電流
堵轉(zhuǎn)
轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Kg.m2
躁
聲
凈
重
kg
轉(zhuǎn)速
r/min
電流A
效率﹪
功率因數(shù)
cos
額定
電流
額定
轉(zhuǎn)矩
額定
轉(zhuǎn)矩
同步轉(zhuǎn)速1500r/min
90S-4
1.1
1440
6.39
82
0.87
7.0
2.2
2.2
0.0029
79
33
圖2.2 電機(jī)
2.2.2傳動(dòng)方式的選擇
調(diào)速性質(zhì)是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系。負(fù)載特性是指機(jī)械設(shè)備的負(fù)載屬于恒功率負(fù)載（即功率不隨轉(zhuǎn)速變化而變化）還是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，（即轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化而變化）。設(shè)計(jì)任何一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)，必須使調(diào)速性質(zhì)與負(fù)載特性相適應(yīng)。也就是說(shuō)，恒功率負(fù)載必須采用恒功率調(diào)速性質(zhì)的傳動(dòng)方式，而轉(zhuǎn)矩負(fù)載則必須采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性質(zhì)的傳動(dòng)方式。
2.2.3 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的確定
對(duì)于起動(dòng)性能要求不高的機(jī)械設(shè)備，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)可根據(jù)其容量決定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)總?cè)萘坎怀^(guò)供電變壓器容量的20%時(shí)，一般采用直接起動(dòng)。當(dāng)容量大于該值時(shí)，可采用星—三角形降壓起動(dòng)或在定子中串電阻降壓起動(dòng)、也可采用自耦變壓器降壓起動(dòng)。如果機(jī)械設(shè)備要求電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)，應(yīng)采用軟起動(dòng)器起動(dòng)或變頻器控制的加速起動(dòng)。
第3章 主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)實(shí)際，工作臺(tái)移動(dòng)距離在1m到1.5m.
3.1電機(jī)的選型
參考市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品，考慮到本機(jī)器體積小，功率消耗不大。只是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
初步選擇電動(dòng)機(jī)為普通三相異步電動(dòng)機(jī)Y90S-4型。用于一般場(chǎng)合和無(wú)特殊要求
90S-4型三相異步電機(jī)
功率：1.1KW
電壓：380V
電流：2.7A
絕緣：B
噪音：67 dB(A)
轉(zhuǎn)速 1440 r/min
廣泛適用于不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的一般場(chǎng)合和無(wú)特殊要求的機(jī)械設(shè)備上，如金屬切削機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、攪拌機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械和食品機(jī)械等。
Y90S-4型三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛適用于不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的一般場(chǎng)合和無(wú)特殊要求的機(jī)械設(shè)備上，如金屬切削機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、攪拌機(jī)、 農(nóng)業(yè)機(jī)械和食品機(jī)械等。 Y90S-4型三相異步電動(dòng)機(jī)是全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)基本系列，符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。 Y90S-4型三相異步電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、噪聲低、震動(dòng)小、可靠性高、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。
3.2蝸輪蝸桿減速器的選型
根據(jù)結(jié)構(gòu)布置形式，需要選擇輸入軸與輸出軸垂直的減速器，常見(jiàn)的有蝸輪蝸桿減速器和圓錐齒輪減速器，由于前節(jié)選擇的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速1440 r/min，轉(zhuǎn)速比較高，而本設(shè)計(jì)的包邊機(jī)要求的轉(zhuǎn)速非常的低。比較二種減速器可知，圓錐齒輪減速器的傳動(dòng)比一般小于或等于5（來(lái)自《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》吳宗澤編寫(xiě)），而蝸輪蝸桿減速器的傳動(dòng)比在15-60之間。顯然在這選擇蝸輪蝸桿減速器。
由于該課題對(duì)工作機(jī)的轉(zhuǎn)速要求并沒(méi)有特別嚴(yán)格的要求，我們?nèi)∫话闱闆r。從市場(chǎng)類(lèi)型選擇一種減速器。
對(duì)于蝸輪蝸桿減速機(jī)的選型首先要考慮減速機(jī)本身的作用，其次是相對(duì)應(yīng)使用設(shè)備上的尺寸大小，然后是蝸輪蝸桿減速機(jī)的速比，安裝方式，裝配形式。最后還要注意相對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率，以及電機(jī)的使用環(huán)境。
1.蝸輪蝸桿減速機(jī)的簡(jiǎn)要介紹
蝸輪蝸桿減速機(jī)是減速機(jī)行業(yè)一個(gè)涵蓋很廣泛的術(shù)語(yǔ)名詞；在減速機(jī)行業(yè)的發(fā)展中可以說(shuō)，蝸輪蝸桿系列減速機(jī)的發(fā)展歷程中是一主要的推動(dòng)力。蝸輪蝸桿減速機(jī)是一種為穩(wěn)定、改變傳動(dòng)速度的傳動(dòng)設(shè)備，利用齒輪的不同速比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸、改變速度，調(diào)節(jié)電機(jī)和機(jī)床等設(shè)備的速度適合。在目前的傳動(dòng)設(shè)備中，減速機(jī)的使用很廣泛。人們也許并不了解減速機(jī)，但是減速機(jī)早已經(jīng)被使用在人們生活中的方方面面，交通工具上的汽車(chē)、輪渡、飛機(jī)；機(jī)械生產(chǎn)上的傳動(dòng)設(shè)備更少不了減速機(jī)的身影，人們?nèi)粘Ｉ钪械募译?、鐘表、洗衣機(jī)等，這些機(jī)械設(shè)備的使用都少不了減速機(jī)的幫助。
2.蝸輪蝸桿減速機(jī)的作用：
（1）、減速機(jī)減速的同時(shí)提高輸出扭矩，扭矩輸出比例按電機(jī)輸出乘減速比。
（2）、減速同時(shí)降低了負(fù)載的慣量，慣量的減少為減速比的平方。
蝸輪蝸桿減速機(jī)主要型號(hào)有WP系列蝸輪蝸桿減速機(jī)、WH系列蝸輪蝸桿減速機(jī)、CW系列蝸輪蝸桿減速機(jī)、RV系列蝸輪蝸桿減速機(jī)同時(shí)還包括C系列包絡(luò)蝸輪蝸桿減速機(jī)、TP系列平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿減速機(jī)、ZC1型雙級(jí)蝸桿及齒輪-蝸桿減速機(jī)等小系列減速機(jī)。
根據(jù)情況在這選擇CWS63型號(hào)的減速器
3.3 帶傳動(dòng)計(jì)算
1）確定設(shè)計(jì)功率
公式 ：
（1）確定設(shè)計(jì)V帶的功率
根據(jù)V帶傳動(dòng)工作條件，查表7-7，可得工作情況系數(shù)
（2）選取V帶型號(hào)
根據(jù),查圖7-10可知，選用A型V帶。
（3）確定帶輪基準(zhǔn)直徑、
由表7-8，根據(jù)≥，故選=150mm
帶輪Ⅱ的基準(zhǔn)直徑為：
根據(jù)表7-8，選
（4）驗(yàn)算帶速
在5-25范圍內(nèi)，故帶速合適。
（5）確定V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度和傳動(dòng)中心距，初選中心距
根據(jù)式（7—12）計(jì)算所需基準(zhǔn)長(zhǎng)度。
由表7-2，選取帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為
按式（7—13）計(jì)算實(shí)際中心距
（6）驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角
由式（7—14）得：
故主動(dòng)輪包角合適
（7）計(jì)算V帶的根數(shù)
由式（7—15）得：
由，=150mm，查表7-3，并根據(jù)內(nèi)插法求得
查表7-4，，查表7-5，，查表7-6，。
故：
故取z=1根。
（8）設(shè)計(jì)V帶合適的初拉力
由
查表7-1得
（9）計(jì)算作用在帶軸上的壓力
由式（7—16）得：
第4章 主軸組件要求與設(shè)計(jì)計(jì)算
主軸組件是機(jī)床的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩、承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是機(jī)床中的一個(gè)關(guān)鍵組件。
主軸和一般傳動(dòng)軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩并承受傳動(dòng)力，都要保證傳動(dòng)件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動(dòng)工件或刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)主軸有較高的要求。
4.1主軸的基本要求
4.1.1旋轉(zhuǎn)精度
主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動(dòng)或低速、空載時(shí)，主軸前端定位面的徑向跳動(dòng)△r、端面跳動(dòng)△a和軸向竄動(dòng)值△o。如圖2-1所示：圖中實(shí)線(xiàn)表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，虛線(xiàn)表示實(shí)際的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)在空間的漂移量即為運(yùn)動(dòng)精度。
主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各主要件（如主軸、軸承及支承座孔等）的制造精度和裝配、調(diào)整精度；運(yùn)動(dòng)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤(rùn)滑以及主軸部件的動(dòng)態(tài)特性。各類(lèi)通用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定，專(zhuān)用機(jī)床主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。
圖4-1 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差
4.1.2 剛度
主軸組件的剛度K是指其在承受外載荷時(shí)抵抗變形的能力，如圖4-2所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數(shù)y/F稱(chēng)為柔度。主軸組件的剛度，是主軸、軸承和支承座的剛度的綜合反映，它直接影響主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主軸受力后的變形就越小，如若剛度不足，在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動(dòng)質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動(dòng)齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方面，將使主軸在變化的切削力和傳動(dòng)力等作用下，產(chǎn)生過(guò)大的受迫振動(dòng)，并容易引起切削自激振動(dòng)，降低了工件的平穩(wěn)性。
圖4-2 主軸組件靜剛度
主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件剛度的因素很多，主要有：主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類(lèi)型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動(dòng)件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等。
4.1.3 抗振性
主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。在切削過(guò)程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時(shí)也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)。如果主軸組件的抗振性差，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響工件的表面質(zhì)量，降低刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。隨著機(jī)床向高精度、高效率方向發(fā)展，對(duì)抗振性要求越來(lái)越高。
評(píng)價(jià)主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)能力的大小。
4.1.4 溫升和熱變形
主軸組件工作時(shí)因各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生了溫升，溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱(chēng)為熱變形。熱變形應(yīng)以主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后各部分位置的變化來(lái)度量。
主軸組件溫升和熱變形，使機(jī)床各部件間相對(duì)位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度機(jī)床尤為嚴(yán)重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動(dòng)齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使主軸和軸承，軸承與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過(guò)小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象。
影響主軸組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類(lèi)型和布置方式，軸承間隙及預(yù)緊力的大小，潤(rùn)滑方式和散熱條件等。
4.1.5 耐磨性
主軸組件的耐磨性是指長(zhǎng)期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個(gè)滑動(dòng)表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動(dòng)軸承配合的軸頸表面，移動(dòng)式主軸套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度，以保證其耐磨性。
為了提高主軸組件的耐磨性，應(yīng)該正確地選用主軸和滑動(dòng)軸承的材料及熱處理方法、潤(rùn)滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤(rùn)滑和可靠的密封。
4.2主軸組件的布局
主軸組件的設(shè)計(jì)，必須保證滿(mǎn)足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)，考慮主軸組件的布局。
機(jī)床主軸有前、后兩個(gè)支承和前、中、后三個(gè)支承兩種，以前者較多見(jiàn)。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性等具體情況，加以確定。在選擇時(shí)，具體有以下要求：
（1）適應(yīng)剛度和承載能力的要求
主軸軸承選型應(yīng)滿(mǎn)足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時(shí)，可選用滾子軸承；較小時(shí)，可選用球軸承。雙列滾動(dòng)軸承的徑向剛度和承載能力，比單列的大。同一支承中采用多個(gè)軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個(gè)軸承大。一般來(lái)說(shuō)，前支承的剛度，應(yīng)比后支承的大。因?yàn)榍爸С袆偠葘?duì)主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表4-1所示為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較。
表4-1 滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較
基本要求
滾動(dòng)軸承
滑動(dòng)軸承
動(dòng)壓軸承
靜壓軸承
旋轉(zhuǎn)精度
精度一般或較差。可在無(wú)隙或預(yù)加載荷下工作。精度也可以很高，但制造困難
單油楔軸承一般，多油楔軸承較高
可以很高
剛度
僅與軸承型號(hào)有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無(wú)關(guān)，預(yù)緊后可提高一些
隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大
與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)
承載能力
一般為恒定值，高速時(shí)受材料疲勞強(qiáng)度限制
隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時(shí)受溫升限制
與油腔相對(duì)壓差有關(guān)，不計(jì)動(dòng)壓效應(yīng)時(shí)與速度無(wú)關(guān)
抗振性能
不好，阻尼系數(shù)D=0.029
較好，阻尼系數(shù)D=0.055
很好，阻尼系數(shù)D=0.4
速度性能
高速受疲勞強(qiáng)度和離心力限制，低中速性能較好
中高速性能較好。低速時(shí)形不成油漠，無(wú)承載能力
適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速
摩擦功耗
一般較小，潤(rùn)滑調(diào)整不當(dāng)時(shí)則較大f=0.002～0.008
較小f=0.001~0.08
本身功耗小，但有相當(dāng)大的泵功耗f=0.0005～0.001
噪聲
較大
無(wú)噪聲
本身無(wú)噪聲，泵有噪聲
壽命
受疲勞強(qiáng)度限制
在不頻繁啟動(dòng)時(shí)，壽命較長(zhǎng)
本身壽命無(wú)限，但供油系統(tǒng)的壽命有限
（2）適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求
由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號(hào)和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級(jí)越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低。在承受徑向載荷的軸承當(dāng)中，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速，比圓錐滾子軸承的高。在承受軸向載荷的軸承當(dāng)中，向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)速最高；推力球軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。因此，應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來(lái)選擇軸承型式。
（3）適應(yīng)精度的要求
起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位—止推軸承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；兩端定位—分別布置在前、后支承。
采用前端定位時(shí)，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量較大；后端定位的特點(diǎn)與前述的相反；兩端定位時(shí)，主軸受熱伸長(zhǎng)后，軸承軸向間隙的改變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內(nèi)側(cè)，主軸可能因熱膨脹而彎曲。
（4）適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求
當(dāng)要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時(shí)，則可在一個(gè)支承（尤其是前支承）中配置兩個(gè)或兩個(gè)以上的軸承。
對(duì)于軸間距很小的多主軸機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)限制，宜采用滾針軸承來(lái)承受徑向載荷，用推力球軸承來(lái)承受軸向載荷，并使兩軸承錯(cuò)開(kāi)排列。
（5）適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求
確定主軸軸承配置型式，除應(yīng)考慮滿(mǎn)足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應(yīng)作經(jīng)濟(jì)性分析，使經(jīng)濟(jì)效果好。
在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合配置型式成本低，因?yàn)榍罢吖?jié)省了兩個(gè)軸承，而且箱體工藝性較好。
綜合考慮以上因素，本設(shè)計(jì)的主軸采用前、后支承的兩支承主軸，前支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合，D級(jí)精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級(jí)精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數(shù)量多（50—60個(gè)），具有較高的剛度；兩列滾子交錯(cuò)布置，減少了剛度的變化量；外圈無(wú)擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動(dòng)內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊；黃銅實(shí)體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點(diǎn)是：主軸靜剛度好，回轉(zhuǎn)精度高，溫升小，徑向間隙可以調(diào)整，易保持主軸精度，但由于前支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調(diào)整比較麻煩。
4.3主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定
主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類(lèi)型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時(shí)還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在機(jī)床主軸上裝有較多的零件，為了滿(mǎn)足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計(jì)成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后依次遞減。主軸是空心的或者是實(shí)心的，主要取決于機(jī)床的類(lèi)型。此次設(shè)計(jì)的主軸，也設(shè)計(jì)成階梯形，同時(shí)，在滿(mǎn)足剛度要求的前提下，設(shè)計(jì)成空心軸，以便通過(guò)刀具拉桿。
主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于機(jī)床的類(lèi)型、安裝夾具或刀具的形式，并應(yīng)保證夾具或刀具安裝可靠、定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。
4.4主軸的材料與熱處理
主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇。
主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大（2.1×10N/cm左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量E的數(shù)值和鋼的種類(lèi)和熱處理方式無(wú)關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減少熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。
當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（HRC48～54）.有關(guān)45鋼主軸熱處理情況如下表4.2所列：
表4-2 使用滾動(dòng)軸承的45鋼主軸熱處理等參數(shù)
工 作 條 件
使 用 機(jī) 床
材 料 牌 號(hào)
熱 處 理
硬 度
常 用
代 用
輕中負(fù)載
車(chē)、鉆、銑、磨床主軸
45
50
調(diào)質(zhì)
HB220～250
輕中負(fù)載局部要求高硬度
磨床的砂輪軸
45
50
高頻淬火
HRC52～58
輕中負(fù)載PV≤40（N·m/cm·s）
車(chē)、鉆、銑、磨床的主軸
45
50
淬火回火高頻淬火
HRC42～50
HRC52～58
此次設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價(jià)格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表2-2中，因工作中承受輕、中負(fù)荷，且要求局部高硬度，故熱處理采用高頻淬火，HRC52～58。
4.5主軸的技術(shù)要求
主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸和軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關(guān)系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)確、表面粗糙度愈低，則受力后的接觸變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，對(duì)主軸設(shè)計(jì)必須提出一定的技術(shù)要求。
（1）軸頸
此次設(shè)計(jì)的主軸，應(yīng)首先考慮軸頸。支承軸頸是主軸的工作基面、工藝基面和測(cè)量基面。主軸工作時(shí)，以軸頸作為工作基面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；加工主軸時(shí)，為了保證錐孔中心和軸頸中心同軸，一般都以軸頸作為工藝基面來(lái)最后精磨錐孔；在檢查主軸精度時(shí)，以軸頸作為測(cè)量基面來(lái)檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應(yīng)。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動(dòng)軸承的配合質(zhì)量。
對(duì)于普通精度級(jí)機(jī)床的主軸，其支承軸頸的尺寸精度為IT5，軸頸的幾何形狀允差（圓度、圓柱度等）通常應(yīng)小于直徑公差的1/4～1/2。
（2）內(nèi)錐孔
內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗(yàn)機(jī)床精度時(shí)，它是代表主軸中心線(xiàn)的基準(zhǔn)，用來(lái)檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導(dǎo)軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內(nèi)錐孔必須耐磨。
錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距100～300毫米處對(duì)軸頸的徑向跳動(dòng)表示；其形狀誤差用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)錐著色檢查的接觸面積大小來(lái)檢驗(yàn)，此乃綜合指標(biāo)；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。
4.6主軸直徑的選擇
主軸直徑對(duì)主軸組件剛度的影響很大，直徑越大，主軸本身的變形和軸承變形引起的主軸前端位移越小，即主軸組件的剛度越高。
但主軸前端軸頸直徑D1越大，與之相配的軸承等零件的尺寸越大，要達(dá)到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時(shí)，加大直徑還受到軸承所允許的極限轉(zhuǎn)速的限制，甚至為機(jī)床結(jié)構(gòu)所不允許。
通常，主軸前軸頸直徑D1可根據(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)有同類(lèi)機(jī)床的主軸軸頸尺寸確定。查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第506頁(yè)表5-12中，幾種常見(jiàn)的通用機(jī)床鋼質(zhì)主軸前軸頸的直徑D1，可供參考，如下表2-3所示：
已知主電機(jī)功率Pe=4KW，機(jī)床類(lèi)型是銑床，查上表中對(duì)應(yīng)項(xiàng)，初取D1=80。
主軸后軸頸直徑D2和前軸頸直徑D1的關(guān)系，可根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)定：
D2=（0.7～0.85）D
因此，有D2=（0.7～0.85）D1=（0.7～0.85）×80=56～68，取D2=65。
表4-3 主軸前軸頸直徑D1的選擇
機(jī)床
機(jī)床功率 （千瓦）
1.47～2.5
2.6～3.6
3.7～5.5
5.6～7.3
7.4～11
11～14.7
車(chē)床
60～80
70～90
70～105
95～130
110～145
140～165
銑床
50～90
60～90
60～95
75～100
90～105
100～115
外圓磨床
—
50～90
55～70
70～80
75～90
75～100
4.7主軸前后支承軸承的選擇
4.7.1 主軸前支承軸承的選擇
根據(jù)前述關(guān)于軸承的選擇原則，查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》第375頁(yè)，選取主軸前支承的雙列向心短圓柱滾子軸承型號(hào)為3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D1=91，D2=117，D3=117，r=1。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-4所示：
圖2-4 雙列向心短圓柱滾子軸承（GB285-87）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
再查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》第365頁(yè)，選取主軸前支承的推力球軸承型號(hào)為8215。其中，d=75，d1=5.2，D=110，H=27, D1=86 D2=99，r=1。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4.5所示：
圖4-5 推力球軸承（GB301-84）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
4.7.2 主軸后支承軸承的選擇
查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》第368頁(yè)，選取主軸后支承的圓柱滾子軸承型號(hào)為2213。其中：d=65，D=120，B=23，D1=77，D2=110，rg=1.5。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-6所示：
圖4-6 圓柱滾子軸承（GB283-87）結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸
4.8主軸前端懸伸量
主軸前端懸伸量a指的是主軸前支承支反力的作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離，它對(duì)主軸組件剛度的影響較大。懸伸量越小，主軸組件剛度越好。
主軸前端懸伸量a取決于主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取，有時(shí)為了提高主軸剛度或定心精度，也可不按標(biāo)準(zhǔn)取。
另外，主軸前端懸伸量a還與前支承中軸承的類(lèi)型及組合型式、工件或夾具的夾緊方式以及前支承的潤(rùn)滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。
因此，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能減小懸伸量a，以利于提高主軸組件的剛度。
初算時(shí)，可查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》第158頁(yè)，如下表2-4所示：
表4-4 主軸的懸伸量與直徑之比
類(lèi)型
機(jī) 床 和 主 軸 的 類(lèi) 型
a/ D1
Ⅰ
通用和精密車(chē)床，自動(dòng)車(chē)床和短主軸端銑床，用滾動(dòng)軸承支承，適用于高精度和普通精度要求
0.6～1.5
Ⅱ
中等長(zhǎng)度和較長(zhǎng)主軸端的車(chē)床和銑床，懸伸量不太長(zhǎng)（不是細(xì)長(zhǎng)）的精密鏜床和內(nèi)圓磨，用滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承支承，適用于絕大部分普通生產(chǎn)的要求
1.25～2.5
Ⅲ
孔加工機(jī)床，專(zhuān)用加工細(xì)長(zhǎng)深孔的機(jī)床，由加工技術(shù)決定需要有長(zhǎng)的懸伸刀桿或主軸可移動(dòng)，由于切削較重而不適用于有高精度要求的機(jī)床
>2.5
根據(jù)上表所列，所設(shè)計(jì)的機(jī)床屬于Ⅱ型，所以取a/ D1為1.25～2.5，即：
4.9主軸支承跨距
主軸支承跨距L是指主軸前、后支承支承反力作用點(diǎn)之間的距離。
合理確定主軸支承跨距，可提高主軸部件的靜剛度?？梢宰C明，支承跨距越小，主軸自身的剛度越大，彎曲變形越小，但支承的變形引起的主軸前端的位移量將增大；支承跨距大，支承的變形引起的主軸前端的位移量較小，但主軸本身的彎曲變形將增大。可見(jiàn)，支承跨距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低主軸部件的剛度。
有關(guān)資料對(duì)合理跨距選擇的推薦值可作參考：
（1） L=（4～5）D1
（2） L=（3～5）a，用于懸伸長(zhǎng)度較小時(shí)；
（3） L=（1～2）a，用于懸伸長(zhǎng)度較大時(shí)。
根據(jù)此次設(shè)計(jì)的機(jī)床剛性主軸的懸伸量較大，取L≤2a為宜。即此次設(shè)計(jì)的主軸兩支承的合理跨距
L≤2a=2×110=220
初取L=220。
4.10主軸結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)以上的分析計(jì)算，可初步得出主軸的結(jié)構(gòu)如圖4-7所示：
4-7 主軸結(jié)構(gòu)圖
4.12主軸組件的驗(yàn)算
主軸在工作中的受力情況嚴(yán)重，而允許的變形則很微小，決定主軸尺寸的基本因素是所允許的變形的大小，因此主軸的計(jì)算主要是剛度的驗(yàn)算，與一般軸著重于強(qiáng)度的情況不一樣。通常能滿(mǎn)足剛度要求的主軸也能滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求。
剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當(dāng)載荷一定時(shí)，剛度與彈性變形成反比。因此，算出彈性變形量后，很容易得到靜剛度。主軸組件的彈性變形計(jì)算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計(jì)算。
4.12.1 支承的簡(jiǎn)化
對(duì)于兩支承主軸，若每個(gè)支承中僅有一個(gè)單列或雙列滾動(dòng)軸承，或者有兩個(gè)單列球軸承，則可將主軸組件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，如下圖4-8所示；若前支承有兩個(gè)以上滾動(dòng)軸承，可認(rèn)為主軸在前支承處無(wú)彎曲變形，可簡(jiǎn)化為固定端梁，如圖4-9所示：
圖4-8 主軸組件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁
圖4-9 主軸組件簡(jiǎn)化為固定端梁
此次設(shè)計(jì)的主軸，前支承選用了一個(gè)雙列向心短圓柱滾子軸承和兩個(gè)推力球軸承作為支承，即可認(rèn)為主軸在前支承處無(wú)彎曲變形，可簡(jiǎn)化為上圖4-9所示。
4.12.2主軸的撓度
查《材料力學(xué)I》第188頁(yè)的表6.1，對(duì)圖4-9作更進(jìn)一步的分析，如下圖2-10所示：
根據(jù)圖4-10，可得此時(shí)的最大撓度
=
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=F=1213.1N
l—A、B之間的距離。此處，l=a=12cm
圖4-10 固定端梁在載荷作用下的變形
E—主軸材料的彈性模量。45鋼的E=2.1×10N/cm
I—主軸截面的平均慣性矩。當(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D==133
故可計(jì)算出，主軸端部的最大撓度：
=-1.87×10 mm
4.12.3 主軸傾角
主軸上安裝主軸和安裝傳動(dòng)齒輪處的傾角，稱(chēng)為主軸的傾角。此次設(shè)計(jì)的主軸主要考慮主軸前支承處的傾角。若安裝軸承處的傾角太大，會(huì)破壞軸承的正常工作，縮短軸承的使用壽命。
根據(jù)圖4-10，可得此時(shí)的最大傾角
=
其中，
F—主軸前端受力。此處，F(xiàn)=F·z=1213.1N
l—A、B之間的距離。此處，l=a=12cm
E—主軸材料的彈性模量。45鋼的E=2.1×10N/cm
I—主軸截面的平均慣性矩。當(dāng)主軸平均直徑為D，內(nèi)孔直徑為d時(shí)，
I=。此處，D==133
故可計(jì)算出，主軸傾角為：
=-2.3×10 rad
查《機(jī)床設(shè)計(jì)》第一冊(cè)中機(jī)械部分的第670頁(yè)，可知：
當(dāng)
x≤0.0002L mm
≤0.001 rad
時(shí)，剛性主軸的剛度滿(mǎn)足要求。
此處的x，即為最大撓度和最大傾角，L為主軸支承跨距。
將已知數(shù)據(jù)和代入，即可得：
初步設(shè)計(jì)的主軸滿(mǎn)足剛度要求。
(3)按彎矩復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算
求轉(zhuǎn)矩：已知T2=34747.5N·mm
求圓周力：Ft
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》式得
Ft=2T2/d2=69495/40=1737.375N
求徑向力Fr
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》式得
Fr=Ft·tanα=1737.375×tan200=632N
因?yàn)樵撦S兩軸承對(duì)稱(chēng)，所以：LA=LB=50mm
(1)繪制軸受力簡(jiǎn)圖（如圖a）
（2）繪制垂直面彎矩圖（如圖b）
軸承支反力：
FAY=FBY=Fr/2=316N
FAZ=FBZ=Ft/2=868N
由兩邊對(duì)稱(chēng)，知截面C的彎矩也對(duì)稱(chēng)。截面C在垂直面彎矩為
MC1=FAyL/2=235.3×50=11.765N·m
(3)繪制水平面彎矩圖（如圖c）
截面C在水平面上彎矩為：
MC2=FAZL/2=631.61455×50=31.58N·m
(4)繪制合彎矩圖（如圖d）
MC=(MC12+MC22)1/2=(11.7652+31.582)1/2=43.345N·m
(5)繪制扭矩圖（如圖e）
轉(zhuǎn)矩：T=9.55×（P2/n2）×106=35N·m
(6)繪制當(dāng)量彎矩圖（如圖f）
轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取α=1，截面C處的當(dāng)量彎矩：
Mec=[MC2+(αT)2]1/2
=[43.3452+(1×35)2]1/2=55.5N·m
(7)校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
由式（6-3）
σe=Mec/0.1d33=55.5/0.1×353
=12.9MPa< [σ-1]b=60MPa
∴該軸強(qiáng)度足夠。
第5章 機(jī)架的設(shè)計(jì)
5.1 機(jī)架的基本尺寸的確定
機(jī)架是支撐及其機(jī)構(gòu)所有附件的可移動(dòng)機(jī)構(gòu)。要保證拆裝機(jī)構(gòu)方便、安全；重量要輕，便于移動(dòng)；架子要有足夠的空間安裝。而且機(jī)構(gòu)每個(gè)總成之間要考慮它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系?？紤]到這些方面的因素后要確定的一些機(jī)構(gòu)尺寸根據(jù)這些數(shù)據(jù)，大概確定架子的長(zhǎng)高。這樣架子的地面的結(jié)構(gòu)就確定了。支撐機(jī)構(gòu)的部件是支撐板，支撐板固定在支承軸上，支承軸安裝在機(jī)架上。
5.2 架子材料的選擇確定
架子的結(jié)構(gòu)確定后，就需要準(zhǔn)備材料，買(mǎi)材料時(shí)要考慮鋼材的性能，同時(shí)也要考慮成本，再者還要考慮到其美觀，通過(guò)到市場(chǎng)調(diào)查分析后，臺(tái)架選用60㎜×60㎜的方鋼和50×50的角鋼組合制作。其規(guī)格如表一所示。
5.3 主要梁的強(qiáng)度校核
機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為25㎏（250N），考慮到一些外在壓力，按照重量為600N進(jìn)行校核。支承軸160㎜，查機(jī)械工程材料 P105頁(yè)表5-2得，Q235鋼材的屈服強(qiáng)度σ b =375～460MPa，取σ b=375 MP a
解：和軸一樣建立如圖所示的坐標(biāo)系。
以軸心為x軸，垂直上平面的直線(xiàn)為y軸，一端點(diǎn)為圓點(diǎn)建立如圖6.1所示的平面直角坐標(biāo)系。
因?yàn)椋篎RD =600N ，把RDE從D點(diǎn)移到E后的受力情況如圖6.1所示。
圖5.1
得到一個(gè)F和一個(gè)力矩M=Fab×Lbe=600×0.300N·M=180 N·m
計(jì)算軸的集慣性矩Ip和抗彎截面系數(shù)Wz，因?yàn)椴牧虾洼S的是一樣的，
所以σ b=375 MP a ,
Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3
所以
σ max= M max / W=180/（6773.69×10--6）P a=0.26MP a
也設(shè)安全系數(shù)：K=5
故：K×σ max=5×0.26MP a=1.5 MP a﹤σ b=375 MP a
因此：也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為5的情況下也是安全的。
所以可以進(jìn)行制作。解：以軸心為x軸，垂直上平面的直線(xiàn)為y軸，一端點(diǎn)為圓點(diǎn)建立如圖2.2.1所示的平面直角坐標(biāo)系。軸的受力分析。軸的軸心受力簡(jiǎn)圖如圖2.2.1-b所示。通過(guò)受力圖可以明顯看出軸的最大彎矩是在BE點(diǎn)之間。
把F從C點(diǎn)移到B 后的受力情況如圖2.2.1- b 所示。
得到一個(gè)F和一個(gè)力矩M=F×Lbe=600×0.3N·M=180 N·m
因?yàn)椋篎ba+Fde=2F=1200N
由于軸的受力完全對(duì)稱(chēng)，故Fba=Fde=F=600N
B點(diǎn)和F點(diǎn)的彎矩為：MB=WF=Fba×Lde+M=600×0.01+180 N·m=601.8N·m
受力情況如圖6.1所示.
計(jì)算軸的極慣性矩Ip 和抗彎截面系數(shù)Wz因?yàn)椴牧虾洼S的是一樣的，
所以σ b=375 MP a ,
Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3
所以
σ max= M max / W=305/（6773.69×10--6）P a=0.45MP a
也設(shè)安全系數(shù)：K=5
故：K×σ max=5×0.45 MP a=2.25 MP a﹤σ b=375 MP a
因此：也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為5的情況下也是安全的。
所以可以進(jìn)行制作。
總結(jié)
我覺(jué)得這次設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，包括機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和機(jī)械制圖方面的基礎(chǔ)知識(shí)，還有剛學(xué)過(guò)這門(mén)課，經(jīng)過(guò)復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專(zhuān)業(yè)知識(shí)使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。
還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會(huì)到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過(guò)程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。
通過(guò)對(duì)通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，有助于樹(shù)立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。
參考文獻(xiàn)
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12. 《機(jī)械制造工藝學(xué)習(xí)題集》 李益民 主編 黑龍江： 哈兒濱工業(yè)大學(xué)出版社 1984,
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是將大學(xué)所學(xué)的知識(shí)融合在一起，綜合運(yùn)用所有的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，是課本知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)在原有的基礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高，這離不開(kāi)老師和同學(xué)們的幫助。本設(shè)計(jì)分析是在老師的指導(dǎo)下完成的，在分析的過(guò)程中，XX老師給了我很大的鼓勵(lì)，在設(shè)計(jì)分析中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)了我的學(xué)習(xí)能力，與我們一起討論問(wèn)題，使我對(duì)分析有了更清晰明確的認(rèn)識(shí)，使我受益非淺。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)、從事職業(yè)工作前一個(gè)必不可少的過(guò)程?！扒Ю镏惺加谧阆隆?，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古言的真正含義。我今天認(rèn)真地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
說(shuō)實(shí)話(huà)，畢業(yè)設(shè)計(jì)真是有點(diǎn)累。然而一著手清理自己的設(shè)計(jì)結(jié)果，仔細(xì)回味畢業(yè)設(shè)計(jì)的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學(xué)會(huì)走完的第一部，是我人生中的一點(diǎn)小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，干任何事都必須耐心、細(xì)致。課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂；有時(shí)應(yīng)為不小心計(jì)算出錯(cuò)，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時(shí)多耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，想到世界上因?yàn)槟承┘?xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無(wú)比震驚的事故，我不禁時(shí)刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)、一絲不茍的良好習(xí)慣。
經(jīng)歷了畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識(shí)是真正的貧乏，自己綜合運(yùn)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力是如此的不足，幾年來(lái)學(xué)習(xí)了那么多的課程，今天才知道自己并不會(huì)用。想到這里，我真的有點(diǎn)心急了。
由于畢業(yè)時(shí)間的倉(cāng)促，很多本來(lái)應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒(méi)有時(shí)間去細(xì)細(xì)追究來(lái)源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標(biāo)系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學(xué)里學(xué)的只是一個(gè)大體上的方向，離實(shí)際應(yīng)用還有太遠(yuǎn)的距離。但我相信方向才是最重要的，因?yàn)榉较虼_定了，就會(huì)用最少的精力做好事情，這對(duì)于我以后的工作至關(guān)重要。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)生活中，要從事的工種是千差萬(wàn)別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個(gè)人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻(xiàn)。