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Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計(jì) 中文摘要及關(guān)鍵詞 摘要：本次設(shè)計(jì)課題為“Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)”。主要是對(duì)Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)、分析與設(shè)計(jì)，并對(duì)其主要傳動(dòng)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核。了解和掌握Z32K型搖臂鉆床在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的問題，在理論分析，計(jì)算的基礎(chǔ)上，針對(duì)Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)是單手柄集中操作，操作起來比較麻煩，搖臂鉆床體架太重，費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，將其手動(dòng)改進(jìn)為自動(dòng)升降，并提出了具體可行的解決方案。 關(guān)鍵詞：搖臂鉆床 手動(dòng)、自動(dòng)升降系統(tǒng) 電動(dòng)機(jī) 齒輪 強(qiáng)度校核 英文摘要及關(guān)鍵詞 Abstraction ：This design topic is "the Z32K radial drill drilling machine gear box improvement design". Mainly was has made the improvement, the analysis and the design to the Z32K radial drill drilling machine jacking system, and carried on the design and the intensity examination to its main transmission components. Understood and grasps the Z32K radial drill drilling machine the question which appears in the actual use process, in the theoretical analysis, in the computation foundation, in view of the Z32K radial drill drilling machine jacking system is the single handle centralism operation, operates quite troublesomely, radial drill drilling machine body too is heavy, takes the trouble to take time, its manual improvement is the power elevation, and proposed specifically the feasible solution. Keywords: universal raidial drilling machine manual operating and automatic fluctuation system electric motor gear strength cheeks. 第一章 概述 1.1搖臂鉆床的簡(jiǎn)介 機(jī)床的品種和規(guī)格繁多，為了便于區(qū)別、使用和管理，將各種機(jī)床都進(jìn)行了分類和和編制型號(hào)。分類方法也有多種。主要是按照加工的性質(zhì)和所用的刀具進(jìn)行分類。根據(jù)國(guó)家規(guī)定的機(jī)床型號(hào)的編制方法，目前將機(jī)床分為12大類：車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機(jī)床、螺紋加工機(jī)床、銑床、刨插床、拉床、特種加工機(jī)床、鋸床及其他機(jī)床。在每一類機(jī)床中，又可以按照工藝范圍、步型型式和結(jié)構(gòu)等等，可以分為若干組，每一組又可以分為若干系列。如鉆床又包括：坐標(biāo)鏜鉆床、深孔鉆床、搖臂鉆床、臺(tái)式鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、中心孔鉆床及其他鉆床。在上述的基本分類方法的基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)機(jī)床的其他特征進(jìn)一步進(jìn)行分類。同類型機(jī)床按照應(yīng)用范圍（通用性程度），可以分為通用機(jī)床（或者稱萬能機(jī)床）、專門化機(jī)床和專用機(jī)床三大類。其中通用機(jī)床是可以加工多種工件，完成多種多樣工序的加工范圍較廣的機(jī)床，如臥式車床、搖臂鉆床等等。 搖臂鉆床是搖臂繞立柱回轉(zhuǎn)和升降的，主軸箱在搖臂上作水平運(yùn)動(dòng)的鉆床。對(duì)于大，中型工件上的孔，通常采用搖臂鉆床加工。加工時(shí)工件固定不動(dòng)，移動(dòng)主軸（刀具）可以方便地對(duì)準(zhǔn)被加工孔的位置。搖臂鉆床廣泛用于大、中型零件的多孔加工。 搖臂鉆床主要由立柱，搖臂，主軸箱，和底座等部分組成。主軸箱裝在搖臂上，可沿立柱上下移動(dòng)，以適應(yīng)加工不同高度工件的要求。此外，搖臂還可以隨外立柱在360°范圍回轉(zhuǎn)，因此主軸很容易調(diào)整到所需要的加工位置。為了使主軸在加工時(shí)保持確定的位置，搖臂鉆床還具有內(nèi)立柱，搖臂及主軸箱的夾緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)主軸的位置調(diào)整確定后，可以快速將它們夾緊。 搖臂鉆床的其他變形如萬向搖臂鉆床搖臂和主軸箱可以回轉(zhuǎn)或傾斜，使主軸可在空間任意方向都可以進(jìn)行鉆削，適用于重型機(jī)器，機(jī)車車輛，船舶和鍋爐等制造業(yè)中加工大型工件。車式搖臂鉆床的底座有車輪，可以在軌道上移動(dòng)，適用于橋梁和機(jī)床等行業(yè)窄長(zhǎng)形工件的孔加工。 1.2搖臂鉆床的國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢(shì) 目前國(guó)內(nèi)搖臂鉆床生產(chǎn)廠家有許多家，但是在這個(gè)行業(yè)做的較好的廠家不是很多。其中沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司中捷搖臂鉆床廠的產(chǎn)品國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率高達(dá)70％，出口產(chǎn)品遍及中東、北美、西歐等86個(gè)國(guó)家和地區(qū)。進(jìn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)后，國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號(hào)產(chǎn)品的企業(yè)有40多家，中捷搖臂鉆廠產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)受到挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，中捷搖臂鉆廠在產(chǎn)品賣得正火的時(shí)候，提出了進(jìn)行跨越產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。第一，用先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)，價(jià)格由幾萬元上升到幾十萬元，達(dá)到中國(guó)搖臂鉆床最高水平。第二，向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏，不斷擴(kuò)大產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。ZK系列、橋式和動(dòng)橋系列產(chǎn)品，十幾項(xiàng)技術(shù)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。ZK3050獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并成為國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品；Z3580A萬向搖臂鉆，在任何空間、任意方向、任意位置上實(shí)現(xiàn)鉆削功能，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，在國(guó)外也不多見。在國(guó)際著名的芝加哥機(jī)床展覽會(huì)上，中捷搖臂鉆廠參展產(chǎn)品被一位美籍華商相中并當(dāng)場(chǎng)拉走。德國(guó)、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國(guó)家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經(jīng)銷商。在上海國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司參展的數(shù)控鉆銑床，同時(shí)被國(guó)內(nèi)三家企業(yè)看好。 搖臂鉆床和大多數(shù)機(jī)床一樣，將向數(shù)控自動(dòng)化、機(jī)電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢(shì)是：應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高和擴(kuò)大自動(dòng)化工作的功能，使機(jī)床適應(yīng)于納入柔性制造系統(tǒng)工作；提高功率主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜剛度以適應(yīng)采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并發(fā)展超精密加工機(jī)床，以適應(yīng)電子機(jī)械、航天等新興工業(yè)的需要。 第二章 原動(dòng)機(jī)的選擇 機(jī)械系統(tǒng)通常是由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、工作機(jī)和控制操縱部件及其它輔助部件組成。工作機(jī)是機(jī)械系統(tǒng)中的執(zhí)行部分，原動(dòng)機(jī)是機(jī)械系統(tǒng)的中的驅(qū)動(dòng)部分，傳動(dòng)裝置則是把原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)有機(jī)地聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)能量傳遞和運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換不可缺少的部分，而其中原動(dòng)機(jī)在機(jī)械系統(tǒng)中所起的作用是：（1）把自然界的能源變成機(jī)械能；（2）把發(fā)電機(jī)等變能機(jī)所產(chǎn)生的各種形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 2.1常用原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式 常用原動(dòng)機(jī)有以下三種運(yùn)動(dòng)形式，具體見表2-1： 表2-1 原動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)形式 運(yùn)動(dòng)形式 實(shí)例 連續(xù)運(yùn)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、氣壓馬達(dá)、柴油機(jī)、汽油機(jī) 往復(fù)運(yùn)動(dòng) 直線電動(dòng)機(jī)、汽缸、液壓缸 往復(fù)擺動(dòng) 擺動(dòng)油缸、擺動(dòng)汽缸 2.2原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式分為單機(jī)集中驅(qū)動(dòng)和多機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。由一臺(tái)原動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，叫做單機(jī)集中驅(qū)動(dòng)。而多機(jī)分別驅(qū)動(dòng)自然而然是用多臺(tái)原動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。兩種驅(qū)動(dòng)方式中，單機(jī)集中驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置復(fù)雜，操作麻煩，功率大，但價(jià)格便宜。而多機(jī)分別驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)單，電動(dòng)機(jī)功率小，但成本比較高。 2.3原動(dòng)機(jī)選擇應(yīng)考慮的因素 1）必須考慮到現(xiàn)場(chǎng)能源的供應(yīng)情況及工作環(huán)境因素； 2）必須考慮原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與工作機(jī)的匹配情況； 3）必須考慮到維修是否方便，操作是否簡(jiǎn)單，工作是否可靠； 4）必須考慮到工作機(jī)對(duì)原動(dòng)機(jī)所提出的起動(dòng)、過載、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面的要求； 5）必須考慮到其經(jīng)濟(jì)效益及其成本，這也是非常重要的一項(xiàng)。 2.4原動(dòng)機(jī)的性能比較 表2-2 原動(dòng)機(jī)性能比較 類別 電動(dòng)機(jī) 氣缸馬達(dá) 液壓馬達(dá) 柴油機(jī) 尺寸 較大 較小 較小 較大 功率及取范圍 功率大；0.3~1000KW，范圍廣 功率比電動(dòng)機(jī)大；一般在2.2KW以下，尤其適用于0.75KW以下的高速傳動(dòng) 功率最大；受實(shí)際油壓和馬達(dá)尺寸的限制 功率大；5~38000KW 重量 大 比電動(dòng)機(jī)大 最大 大 輸出剛度 硬 軟 較硬 較硬 運(yùn)行溫度控制 溫度應(yīng)低于許應(yīng)值 排氣時(shí)空氣膨脹，噪聲較大，排氣處應(yīng)安裝消聲器 對(duì)油箱進(jìn)行風(fēng)冷或水冷 調(diào)整方法和性能 直流電動(dòng)機(jī)用改變電樞電阻、電壓或改變磁通的方法；交流電動(dòng)機(jī)用變頻、變極或變轉(zhuǎn)差率的方法 用氣閥控制，簡(jiǎn)單，迅速，但不夠精確 通過閥或泵控制改變流量，調(diào)速范圍大 較難 噪聲 小 較大 較大 較大 維護(hù)要求 較少 少 較多 較多 初始成本 低 較高 高 高 運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用 最低 最高 高 高 應(yīng)用 很廣，需要?jiǎng)恿﹄娫? 小功率高速場(chǎng)合 較廣 很廣，如各種車輛，船舶、農(nóng)用機(jī)械、工程機(jī)械和壓縮機(jī)等等 2.5確定原動(dòng)機(jī)的選擇 考慮到Z32K型搖臂鉆床的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境及工作需求，Z32K型搖臂鉆床的起動(dòng)力矩和調(diào)速范圍等要求，我選擇電動(dòng)機(jī)作為其原動(dòng)機(jī)。由于生產(chǎn)機(jī)械裝置及工作機(jī)所處的工作環(huán)境各不相同，電動(dòng)機(jī)的 工作環(huán)境也自然而然就各不一樣。在絕大多數(shù)情況下，電動(dòng)機(jī)工作的周圍大氣中有不同分量的灰塵和水分，有的處于潮濕之處甚至水下工作，有的周圍含有腐蝕性氣體甚至爆炸物，為了保證電動(dòng)機(jī)能在不同的工作環(huán)境中順利地安全運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的外殼也就有多種型式，其型式有：開啟式、防護(hù)式、封閉式、防爆式。由于Z32K型搖臂鉆床工作常處于灰塵較多的場(chǎng)合，其外殼選用封閉式，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y系列，Y90L-4，額定功率1.5KW，滿載轉(zhuǎn)速1400r/min，額定轉(zhuǎn)矩2.2N·m，質(zhì)量27Kg。 第三章 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案的擬定與比較 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的首要環(huán)節(jié)就是擬定傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案。其擬定的合理與否，在很大程度上決定了機(jī)械產(chǎn)品的合理、先進(jìn)和具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的程度。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到預(yù)定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力要求?？梢圆捎貌煌膫鲃?dòng)方案。 3.1傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的目的 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的擬定和設(shè)計(jì)，最終要求通過分析比較提供最優(yōu)的方案。一個(gè)方案的優(yōu)劣只有通過系統(tǒng)能夠方案的評(píng)價(jià)來確定。從工作機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程來看，評(píng)價(jià)工作不僅在整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)完成后是需要的，而且評(píng)價(jià)工作在設(shè)計(jì)全過程中的每一階段也是需要的。一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)方案要求某一工藝動(dòng)作過程，這一工藝動(dòng)作過程又可以分解成若干個(gè)動(dòng)作，采用一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)來加以實(shí)現(xiàn)。由于機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)是多方面的。選用某一機(jī)構(gòu)型式時(shí)往往對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)反應(yīng)不一。有時(shí)也會(huì)相互矛盾。因此，需要建立一個(gè)評(píng)價(jià)體態(tài)，進(jìn)行全面的，綜合性的評(píng)價(jià)。由此可以得出整個(gè)最優(yōu)機(jī)械傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)方案。 3.2機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的原則 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的原則有：（1）保證評(píng)價(jià)的客觀性 評(píng)價(jià)的目的是為了決策，因此評(píng)價(jià)是否客觀，就會(huì)影響決策是否正確。為了保證評(píng)價(jià)的客觀性，要求評(píng)價(jià)資料的全面性和可靠性，要求防止評(píng)價(jià)人員的傾向性，評(píng)價(jià)人員組成要有代表性等等。（2）保證方案的可比性 各個(gè)方案要求在實(shí)現(xiàn)基本功能上要有可比性和一致性，有的方案?jìng)€(gè)別功能突出或有新穎之處。只能表明它在這個(gè)方面的優(yōu)越之處，不能代替其他方面的要求，更不能掩蓋其它方面的不足。否則，會(huì)失去綜合評(píng)價(jià)的作用。陷入“突出一點(diǎn)，不顧其余”的錯(cuò)誤。這種主觀偏面的做法。顯然不利于評(píng)選最優(yōu)方案。（3）要有評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是全面反映系統(tǒng)目標(biāo)要求的一種評(píng)價(jià)模式。因此，評(píng)價(jià)體系應(yīng)主要考慮機(jī)械傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)方案總功能所涉及到的對(duì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的各方面要求和指標(biāo)。不考慮或少考慮其他方面的要求建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，不僅是定性的要求，而且應(yīng)該將各個(gè)評(píng)價(jià)的指標(biāo)進(jìn)行量化。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立要求依據(jù)科學(xué)知識(shí)和專家的經(jīng)驗(yàn)，要體現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)性、全面性格外專家經(jīng)驗(yàn)性。 3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與確定 根據(jù)Z32K型搖臂鉆床的工作情況，以及結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，我現(xiàn)對(duì)搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)擬定以下三種傳動(dòng)方案供選擇： 方案一： 手動(dòng)升降系統(tǒng) 手柄錐齒輪軸錐齒輪螺母 方案二： 自動(dòng)升降系統(tǒng) 新增電動(dòng)機(jī)齒輪1齒輪2錐齒輪1錐齒輪2螺母 方案三：原電動(dòng)機(jī)齒輪四聯(lián)滑移齒輪雙聯(lián)齒輪齒輪錐齒輪軸錐齒輪螺母 表3-1 系統(tǒng)傳動(dòng)方案性能的比較 性能指標(biāo) 具體項(xiàng)目 方案一 方案二 方案三 功能 傳動(dòng)精度 高 高 高 升降速度 慢 快 快 工作 性能 可調(diào)性 好 好 較好 運(yùn)轉(zhuǎn)速度 慢 快 快 承載能力 大 較大 較大 動(dòng)力 性能 加速度峰值 小 較大 較大 噪聲 較小 小 小 耐磨性 耐磨 耐磨 耐磨 可靠性 可靠 可靠 可靠 經(jīng)濟(jì) 性 制造性 易 難 易 調(diào)整方便性 方便 不方便 方便 能耗大小 一般 一般 一般 制造費(fèi)用 便宜 貴 便宜 結(jié)構(gòu)緊湊 尺寸 小 小 小 重量 輕 重 較輕 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性 簡(jiǎn)單 一般 一般 方案一：升降時(shí)費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，再加上手柄長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在實(shí)際操作過程中，當(dāng)拖板接近變速箱時(shí)，進(jìn)給手柄與升降手柄容易打在一起，操作者易受傷。 方案二：在絲桿的端頭裝上小型電動(dòng)機(jī)和減速器，使絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母固定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降。那是一種傳動(dòng)的自動(dòng)升降系統(tǒng)。很多機(jī)床都用的上。但是針對(duì)Z32K型搖臂鉆床來說，雖然彌補(bǔ)了自動(dòng)升降的缺點(diǎn)，但又派生出另外的缺點(diǎn)：（1）鉆床立柱的頂端面積是有限的，而附加的電動(dòng)機(jī)和減速器體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，也增加了成本，再說提重吊環(huán)的安裝問題也難以解決。（2）增加一個(gè)動(dòng)力源、減速器和一組控制電路，使成本增加。 方案三：直接利用原有電動(dòng)機(jī)作為升降系統(tǒng)的動(dòng)力源。在變速箱內(nèi)附加若干齒輪，在原有的主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中，通過齒輪的變化嚙合，把動(dòng)力傳到螺母上，使螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降。方案的優(yōu)點(diǎn)：（1）利用原電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，成本低。（2）附加零件部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易生產(chǎn)。（3）充分利用了變速箱的有限空間，使原機(jī)床的各部分結(jié)構(gòu)和機(jī)床外觀不受影響。（4）控制電路部分保持不變，操作簡(jiǎn)單、方便。（5）升降平穩(wěn)、快捷、工作效率高。 根據(jù)以上的評(píng)價(jià)比較和分析，最終選擇方案三作為升降系統(tǒng)的傳動(dòng)方案。 圖3-1 變速箱傳動(dòng)示意圖 第四章 繪制變速箱中升降系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 在生產(chǎn)中實(shí)際使用的各種機(jī)械在外形、構(gòu)造和用途等各方面各不大相同。組成機(jī)械（機(jī)器）的各種機(jī)構(gòu)及各個(gè)機(jī)構(gòu)和形狀也是很復(fù)雜的。但各構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)是由原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及個(gè)運(yùn)動(dòng)副的類型和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸來決定的，與各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與機(jī)構(gòu)中所包含的運(yùn)動(dòng)副數(shù)量、類型以及運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置（也即機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸）有關(guān)。而與組成構(gòu)件的零件形狀和數(shù)量、構(gòu)件的外形及其截面積的形狀和尺寸以及運(yùn)動(dòng)副的具體構(gòu)造等等因素都無關(guān)。因此，在研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了便于分析，常常不計(jì)或者是略去那些與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無關(guān)的因素，而是用規(guī)定的運(yùn)動(dòng)副符號(hào)及代表構(gòu)件的線條來表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸按比例畫出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置。如轉(zhuǎn)動(dòng)副中心間的距離和移動(dòng)副導(dǎo)路中心位置等等。這種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)圖形是機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的模型。如果僅僅以機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)副組成的符號(hào)表示機(jī)構(gòu)，其圖形若不按照精確比例繪制，目的是為了進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)組成分析，弄懂動(dòng)作原理等等，則稱這種簡(jiǎn)圖為機(jī)構(gòu)示意圖或者機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的步驟與方法：1）為了將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表示清楚，在繪制時(shí)應(yīng)該恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。2）認(rèn)清機(jī)架、輸出機(jī)構(gòu)和輸入機(jī)構(gòu)。3）搞清楚機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞路線。4）了解兩構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。5）選用適當(dāng)?shù)谋壤?）原動(dòng)件標(biāo)箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向。 根據(jù)以上步驟，初步繪制出了Z32K型搖臂鉆床改進(jìn)后的變速箱升降系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。 圖4-1 升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1— 電動(dòng)機(jī)；2、機(jī)-2—軸；4—花鍵軸；3、5、機(jī)-4—直齒輪；機(jī)-3—雙聯(lián)齒輪；6—四聯(lián)滑移齒輪；機(jī)-6—錐齒輪軸；7—錐齒輪；機(jī)-1、機(jī)-5—軸承 第五章 傳動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析 5.1部分傳動(dòng)連接設(shè)計(jì) 由Z32K型搖臂鉆床變速箱裝配圖和升降系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可以知道，升降系統(tǒng)的傳動(dòng)路線為：電動(dòng)機(jī)2軸4軸機(jī)-2過度軸機(jī)-6錐齒輪軸錐齒輪7螺母。為了設(shè)計(jì)和加工方便，機(jī)-6錐齒輪軸的各部分參數(shù)大部分上與原來手動(dòng)系統(tǒng)中與升降手柄相連接的圓錐齒輪軸相同，而在末端又將方頭改為平鍵槽，采用平鍵與機(jī)-4齒輪連接。機(jī)-3過度齒輪的產(chǎn)生，因?yàn)楣潭C(jī)-6圓錐齒輪軸徑向位置的箱體孔中心高度受原有帶動(dòng)螺母及絲桿運(yùn)動(dòng)的圓錐齒輪位置的限制，其箱體孔較接近箱體孔內(nèi)壁，使得機(jī)-4齒輪的分度圓直徑受到限制，而固定在花鍵徑向位置的箱體孔的距離較遠(yuǎn)，所以必須在四聯(lián)滑移齒輪和機(jī)-4齒輪之間加上過渡齒輪連接，從而這樣產(chǎn)生了機(jī)-3齒輪。我將機(jī)-3齒輪設(shè)計(jì)為雙聯(lián)齒輪，那是因?yàn)椋簽榱颂岣吖ぷ餍?，初定升降速度?00mm/min，已知：原有絲桿螺距P=6，原有帶動(dòng)螺母及絲桿運(yùn)動(dòng)的圓錐齒輪齒數(shù)Z=36，機(jī)-6圓錐齒輪齒數(shù)Z=20。通過計(jì)算得出；要求機(jī)-6圓錐齒輪軸的轉(zhuǎn)速N=240r/min。又已知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速N=1400r/min，與電動(dòng)機(jī)軸相連最近的齒輪齒數(shù)Z=18（為了方便下面的計(jì)算，又 將其寫成），四聯(lián)滑移齒輪的小齒數(shù)=28，假如機(jī)-3過渡齒輪為單聯(lián)齒輪，那么機(jī)-6的齒數(shù)Z=54，為了能讓傳動(dòng)的模數(shù)一致m=2，則機(jī)-6的齒輪分度圓直徑為108mm，而箱體孔內(nèi)壁限于機(jī)-6的齒輪的分度圓直徑為72mm，所以必須將機(jī)-3過渡齒輪設(shè)計(jì)為雙聯(lián)齒輪，以減少齒輪和分度圓直徑，由于花鍵軸、機(jī)-2過渡軸與機(jī)-6圓錐齒輪軸徑向位置的各箱體孔之間呈三角形分布，因此機(jī)-3雙聯(lián)齒輪的分度圓直徑在設(shè)計(jì)上能作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 5.2傳動(dòng)比、各軸轉(zhuǎn)速、功率及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 已知假定了升降系統(tǒng)速度為800mm/min，又已知：，，，，，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N=1400r/min，電動(dòng)機(jī)功率為P=1500KW，圓錐齒輪的傳遞效率為，圓柱齒輪傳遞效率為，聯(lián)軸器的傳遞效率為，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以： ，， 為了使4軸轉(zhuǎn)速經(jīng)過過渡軸機(jī)-2傳到機(jī)-6錐齒輪軸上， ，初步確定各齒輪參數(shù)如下表： 表5-1 齒輪參數(shù) 名稱 齒數(shù) 分度圓直徑 模數(shù) 機(jī)-3 Ⅰ 64 128 2 機(jī)-3 Ⅱ 44 88 2 機(jī)-4 36 72 2 所以有： ， ，， 各參數(shù)確定之后，重新計(jì)算的升降速度為：136.116=816.66r/min 各軸轉(zhuǎn)矩為： 電動(dòng)機(jī)軸 2軸 4軸 機(jī)-2軸 機(jī)-6錐齒輪軸 7錐齒輪 各參數(shù)值列表如下： 表5-2 各軸參數(shù) 軸號(hào) 功率KW 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速r/min 傳動(dòng)比 效率 電動(dòng)機(jī) 1.50 10.23 1400 / / 2軸 1.49 10.18 1400 / 0.995 4軸 1.46 30.48 458 3.06 0.975 機(jī)-2軸 1.43 68.28 200.375 2.29 0.956 機(jī)-6 1.405 55.75 244.91 0.82 0.937 1.335 95.33 136.11 1.8 0.89 5.3齒輪材料的選擇 5.3.1、齒輪材料的基本要求 從對(duì)齒輪的失效分析可知，為了使齒輪能夠正常工作，應(yīng)對(duì)齒輪的材料提出如下基本要求： （1）齒面應(yīng)有足夠的硬度和耐磨性，以防止齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合以及塑性變形等失效。 （2）輪齒心部應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和較好的韌性，以防止齒根折斷忽然抵抗沖擊載荷。 （3）應(yīng)有良好的加工工藝性能及熱處理性能，以便加工和提高力學(xué)性能。 5.3.2、常用材料及熱處理 適合制造齒輪的材料有很多，最常用的是鋼、鑄鐵，有些場(chǎng)合也采用非金屬材料。 1、鋼 鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、便于制造和熱處理等優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)齒輪毛坯都采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼通過鍛造而成，并通過熱處理改善和提高力學(xué)性能。按熱處理后齒面硬度的不同，鋼制齒輪分為軟齒面齒輪和硬齒面齒輪兩種。 軟齒面齒輪的齒面硬度小于或等于350HBS，通常適用于一般用途、中小功率以及精度要求不高的場(chǎng)合，例如一般用途的減速器。由于齒面硬度不高，這種齒輪的毛坯在進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火的熱處理之后再進(jìn)行精加工，一般采用插齒或滾齒等方法。 對(duì)于一對(duì)軟齒面的齒輪來說，在傳動(dòng)的過程中，小齒輪的輪齒嚙合次數(shù)比大齒輪的多，同時(shí)小齒輪的齒根較薄，使得小齒輪的輪齒彎曲強(qiáng)度較弱。因此，通常使小齒輪的齒面硬度要比大齒輪的齒面硬度高30～50HBS或更多，以保證大、　小齒輪的使用壽命相接近。在一般情況下，通常選用不同的材料或不同的熱處理可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。 硬齒面齒輪的齒面硬度大于350HBS，常用于高速重載及受有沖擊載荷的或要求結(jié)構(gòu)緊湊的重要機(jī)械傳動(dòng)中，例如機(jī)床、汽車變速箱等。這種齒輪的毛坯在進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火后，進(jìn)行精切齒，然后再進(jìn)行表面淬火處理，使得齒輪的耐磨性提高，承載能力增大。 硬齒面齒輪與軟齒面齒輪比較，其綜合承載能力可提高2～3倍。或者說，在相同的承載能力下，硬齒面的齒輪傳動(dòng)要比軟齒面的結(jié)構(gòu)尺寸小得多。所以，除非受到工藝或生產(chǎn)等條件的限制，一般情況下應(yīng)盡可能采用硬齒面齒輪。 2、鑄鋼 對(duì)于齒輪的直徑尺寸較大（大于400～600mm），或結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易鍛造的齒輪毛坯，可用鑄鋼來制造。例如低速、重載的礦山機(jī)械中的大齒輪。 3、鑄鐵 灰鑄鐵具有較好的減磨性和加工性能，而且價(jià)格低廉，但它的強(qiáng)度較低，抗沖擊性能差，因此，常用于開式、低速輕載、功率不大及沖擊振動(dòng)的齒輪的傳動(dòng)中。 球墨鑄鐵的力學(xué)性能和抗沖擊能力較灰鑄鐵高，可代替灰鑄鐵、鑄鋼和調(diào)質(zhì)鋼鑄造大直徑齒輪。 4、非金屬材料 非金屬材料的彈性好，耐磨性好，可注塑成型，成本低，但承載能力小，適用高速輕載以及精度要求不高場(chǎng)合。例如食品機(jī)械、家電產(chǎn)品以及辦公設(shè)備等。 常用齒輪的材料見下表5-3： 表5-3 常用齒輪的材料及其力學(xué)性能 材料 牌號(hào) 熱處 理方法 齒面硬度 強(qiáng)度極限 屈服極限 主要應(yīng)用 優(yōu)質(zhì) 碳 素鋼 45 正火 160～217HBS 580 290 低速輕載 調(diào)質(zhì) 217～255HBS 650 360 低速中載 表面 淬火 48～55HRC 750 450 高速中載或低速重載 50 正火 180～220HBS 620 320 沖擊很小 合金鋼 40Cr 調(diào)質(zhì) 表面淬火 240～260HBS 48～55HRC 700 900 550 650 中速中載 高速中載無劇烈沖擊 42SiMn 調(diào)質(zhì) 表面淬火 217～269HBS 45～55HRC 750 470 高速中載無劇烈沖擊 20Cr 滲碳淬火 56～62HRC 650 400 高速中載 承受沖擊 20CrMnTi 滲碳淬火 56～62HRC 1100 850 鑄鋼 ZG310～570 正活 表面淬火 160～210HBS 40～50HRC 570 320 中速、中載、大直徑 ZG340～640 正火 調(diào)質(zhì) 170～230HBS 240～270HBS 650 700 350 380 球墨鑄鐵 QT600-2 QT500-5 正火 220～280HBS 147～241HBS 600 500 低中速輕載有小的沖擊 灰鑄鐵 HT250 HT300 人工時(shí)效 170～240HBS 187～235HBS 200 300 低速輕載沖擊很小 根據(jù)上述齒輪材料的介紹，我設(shè)計(jì)改進(jìn)后新增的齒輪中，機(jī)-6錐齒輪材料選用40Cr，直齒輪機(jī)-4的材料選用20CrMnTi，機(jī)-3雙聯(lián)齒輪選用20CrMnTi。 5.4直齒圓錐齒輪的尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 圓錐齒輪傳動(dòng)用于傳遞兩個(gè)相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，圓錐齒圓按照分度圓上的餓齒向，圓錐齒輪可以分為直齒、斜齒和曲齒齒輪三種類型。直齒圓錐齒輪易于制造，則安裝也比較簡(jiǎn)單，適用于低速、輕載傳動(dòng)的場(chǎng)合，應(yīng)用也比較廣泛。斜齒圓錐齒輪應(yīng)用較少。而曲齒圓錐齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力高，常應(yīng)用于高速重載的場(chǎng)合。但是設(shè)計(jì)和制造較為麻煩，復(fù)雜。圓錐齒輪7是直齒圓錐齒輪。 5.4.1圓錐齒輪的各參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 已知：齒數(shù)=36，模數(shù)=2，配對(duì)齒輪齒數(shù)=20，模數(shù)=2 分度圓直徑： 分度圓錐角： 齒頂高： 齒根高： 全齒高： 頂隙c： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 錐矩： 齒頂角： 齒根角： 當(dāng)量齒角： 根錐角： 頂錐角： 當(dāng)量齒輪分度圓半徑： 當(dāng)量齒輪齒頂圓半徑： 當(dāng)量齒輪齒頂壓力角： 不發(fā)生根切的最少齒數(shù)： 5.4.2　受力分析 進(jìn)行受力分析，為了簡(jiǎn)便起見，近似假定載荷沿齒寬分布均勻，并集中作用于齒寬中點(diǎn)節(jié)線處的法向平面內(nèi)，和圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相似，齒面的法向?yàn)?，也可以分解為圓周力，徑向力和軸向力，求得各分力公式為： （5-1） （5-2） （5-3） （5-4） 計(jì)算結(jié)果如下： 5.4.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大體如下圖5-1所示，各詳細(xì)參數(shù)具體見錐齒輪7零件圖（見CAD圖紙YBZC-05） 圖5-1 錐齒輪 5.4.4計(jì)算載荷 上面所述的，和等均是作用在齒輪上的名義載荷。在實(shí)際工作中，還應(yīng)該考慮原有動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)的振動(dòng)和沖擊，輪齒嚙合過程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷。由于制造安裝誤差或者受載后輪齒產(chǎn)生的彈性變形以及軸套、軸承箱體的變形，使得載荷沿齒寬方向分布均勻，同時(shí)嚙合的各輪齒之間載荷分布不均勻等等。為此，應(yīng)該將名義載荷乘以載荷系數(shù)，作為計(jì)算載荷，進(jìn)行齒輪的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，按計(jì)算載荷進(jìn)行計(jì)算，與圓周力對(duì)應(yīng)的計(jì)算載荷為： （5-5） 式中：Ｋ—載荷系數(shù) Ｋ＝ （5-6） 其中：—使用系數(shù)，用來考慮原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的工作特性等引起的動(dòng)力過載對(duì)齒輪受載的影響，其值可以查如下表5-4： 表5-4 使用系數(shù) 工作機(jī)的 工作特性 原動(dòng)機(jī)的工作特性及其示例 均勻平穩(wěn) 電動(dòng)機(jī)、均速轉(zhuǎn)動(dòng)的汽輪機(jī) 輕微沖擊 汽輪機(jī)、液壓馬達(dá) 中等沖擊 多缸內(nèi)燃機(jī) 嚴(yán)重沖擊 單缸內(nèi)燃機(jī) 均勻平穩(wěn) 1.00 1.10 1.25 1.50 輕微沖擊 1.25 1.35 1.50 1.75 中等沖擊 1.50 1.60 1.75 2.00 根據(jù)上述表格，我設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取使用系數(shù)=1.25。 —?jiǎng)虞d系數(shù)，用來考慮齒輪副在嚙合過程中，因嚙合誤差（基節(jié)誤差、齒形誤差和輪齒變形等）所引起的內(nèi)部附加動(dòng)載荷對(duì)輪齒受載的影響。其值，對(duì)于直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，可以取=1.05～1.4；斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，可以取=1.02～1.2；直齒錐齒輪傳動(dòng)，可以取=1.1～1.4。齒輪精度低、速度高時(shí)，取大值；反之取小值。因而我設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取=1.3 —齒向載荷分布系數(shù)，用以考慮由于軸的變形和齒輪制造誤差等引起的載荷沿齒寬方向分布不均勻的影響。對(duì)于直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，若兩輪之一為軟齒輪時(shí)，取=1～1.2，兩輪均為硬齒面時(shí)，取=1.1～1.35；直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，可以取=1.1～1.3，寬徑比B/d1較小、齒輪在兩支承中間對(duì)稱布置、軸的剛性大時(shí)，取小值；反之，取大值。因而我在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取=1.2。 —齒間載荷分配系數(shù)，用以考慮同時(shí)嚙合的各對(duì)齒輪輪齒間載荷分配不均勻的影響。對(duì)于直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，取=1～1.2；斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，齒輪精度等級(jí)高于7級(jí)（含7級(jí)），=1～1.2，齒輪精度等級(jí)低于7級(jí)，=1.2～1.4；直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，可以取=1。齒輪制造精度等級(jí)低、齒面為硬齒面時(shí)，取大值；精度等級(jí)低、齒面為軟齒面時(shí)，取小值。因而我在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取=1。 所以 　Ｋ＝=1.251.31.21=1.95 N 5.4.5齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核 1） 確定許應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與方法》P368頁(yè)圖10—38得=1500MPa =1.0~1.2，取=1.1；=2 所以 2） 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件 計(jì)算工作轉(zhuǎn)矩T=9.55 確定載荷系數(shù)K=1.95 查圖=2.5，=，因?yàn)椴皇呛芏啵?0.90 計(jì)算齒面接觸應(yīng)力 1247.75MP< 所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。 5.4.6輪齒彎曲強(qiáng)度的校核 1）確定許應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與方法》P368頁(yè)圖10—38得=480MPa =1.4～1.5，取=1.5；u =1.8 所以 2） 驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度條件 計(jì)算工作轉(zhuǎn)矩T=9.55 確定載荷系數(shù)K=1.95 ，取0.80 計(jì)算輪齒彎曲應(yīng)力 33.78< 所以輪齒彎曲強(qiáng)度滿足要求。 5.5錐齒輪軸機(jī)-6的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 5.5.1錐齒輪部分主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 已知：齒數(shù)=20，模數(shù)=2，配對(duì)齒輪齒數(shù)=36，模數(shù)=2 分度圓直徑： 分度圓錐角： 齒頂高： 齒根高： 全齒高： 頂隙c： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 錐矩： 齒頂角： 齒根角： 當(dāng)量齒角： 根錐角： 頂錐角： 當(dāng)量齒輪分度圓半徑： 當(dāng)量齒輪齒頂圓半徑： 當(dāng)量齒輪齒頂壓力角： 5.5.2 軸端部分參數(shù)設(shè)計(jì) 軸端部分設(shè)計(jì)的目的是合理地確定軸端部分的外部形狀和全部尺寸。由于影響軸端部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素很多，固軸端部分沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)型式，在滿足規(guī)定的功能要求和設(shè)計(jì)約束的前提下，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有較大的靈活性、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該多加考慮如下因素：（1）便于軸上各零件（如軸承等）的裝拆和調(diào)整）；（2）保證軸承上的各零件的定位和固定可靠；（3）具有良好的加工工藝性；（4）力求受力合理，應(yīng)力集中小，工作能力強(qiáng)，節(jié)約材料和減輕重量?；谏鲜鲆螅瑢㈠F齒輪軸端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大體如下圖5-2所示，各詳細(xì)參數(shù)具體見CAD圖紙YBZC-04。 圖5-2 錐齒輪軸 5.5.3錐齒輪軸的固定 為了保證裝配質(zhì)量，機(jī)-6齒輪軸與手動(dòng)升降系統(tǒng)的齒輪軸的軸心中心高等高。由于機(jī)-6的徑向受載荷一般，所以由滾動(dòng)軸承的支承軸向位置，軸向位置由卡簧固定。為了方便調(diào)整機(jī)-6齒輪軸軸向位置，因軸承套與箱體孔的配合面較大，所以對(duì)機(jī)-6圓錐齒輪與210圓錐齒輪的軸心的垂直度影響不大。 5.6機(jī)-4齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 5.6.1 尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算 已知：機(jī)-4齒輪的齒數(shù)Z=36，模數(shù)m=2 齒輪機(jī)-4選漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，下面對(duì)機(jī)-4齒輪各部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算（1）齒數(shù)：齒數(shù)一般應(yīng)為整數(shù)，已知Z=36；（2）模數(shù)：模數(shù)也是已知的，m=2；（3）壓力角：漸開線齒廓上的各點(diǎn)的壓力角規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)只提“壓力角”，而不指明哪個(gè)外圓時(shí)，即指分度圓壓力角為=；（4）分度圓直徑：分度圓就是具有標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)壓力角的圓，d=mz=72（5）齒頂高：分度圓與齒頂圓間的間的徑向距離，齒頂高用齒頂高系數(shù)和模數(shù)的乘積表示，即；（6）齒根高：分度圓與齒根高的徑向距離，即；（7）頂隙：齒根高比齒頂高大一些，以便上頂圓和另一齒輪的齒根圓間形成間隙—頂隙C，既有利于儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油，也避免兩齒輪卡死，頂隙用頂隙系數(shù)和模數(shù)的乘積來表示，即；（8）齒頂圓直徑：過所有齒頂端的圓稱為齒頂圓，齒頂圓直徑用表示，=76；（9）齒根圓直徑：過所有齒槽底部的圓稱齒根圓，齒根圓直徑用表示，；（10）齒高：齒高等于齒頂高加上齒根高，即；（11）基圓直徑：產(chǎn)生漸開線的圓稱基圓，基圓直徑用表示，；（12）齒距：相鄰兩個(gè)輪齒同側(cè)齒廓之間的弧線長(zhǎng)度稱該圓上的齒距，用P表示，P=πm=6.28；（13）齒厚：在任意半徑圓周上，一個(gè)輪齒兩側(cè)齒廓之間的弧線長(zhǎng)度稱齒厚，用S表示，S=P/2=3.14；（14）齒槽寬：一個(gè)齒槽兩側(cè)齒廓之間的弧線長(zhǎng)度稱齒槽寬，用e表示，e=P/2=3.14;（15）標(biāo)準(zhǔn)中心距：中心距是齒輪傳動(dòng)的基本尺寸，齒輪箱體上軸承孔的尺寸就由中心距來決定的，為了使一對(duì)漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，在確定中心距時(shí)，應(yīng)該保證相嚙合的兩輪齒的齒側(cè)無間隙存在，對(duì)于一對(duì)模數(shù)相等無間隙嚙合的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其分度圓上的齒厚和齒槽寬相等，其齒輪中心距為標(biāo)準(zhǔn)中心距，計(jì)算公式為 將各參數(shù)列表如下： 表5-5 齒輪設(shè)計(jì)參數(shù) 齒數(shù) 36 齒頂圓直徑 76 模數(shù) 2 齒根圓直徑 67 壓力角 20° 齒高 4.5 分度圓直徑 70 基圓直徑 67.66 齒頂高 2 齒距 6.28 頂隙 0.5 齒厚 3.14 齒根高 2.5 齒槽寬 3.14 分度圓直徑 72 5.6.2結(jié)構(gòu)分析 機(jī)-4齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大體如下圖5-3所示，各詳細(xì)參數(shù)具體見CAD圖紙YBZC-06。 圖5-3 齒輪 5.6.3受力分析 對(duì)輪齒上的作用力進(jìn)行分析是進(jìn)行齒輪承載能力的計(jì)算、設(shè)計(jì)支承齒輪的軸以及選用軸承的基礎(chǔ)。在工程上為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常把作用在齒面上沿齒寬接觸線上分布的全部作用力用一個(gè)作用在齒寬中點(diǎn)處的集中力來代替。當(dāng)潤(rùn)滑較好時(shí)，可以忽略接觸面上的摩擦力的影響，該集中力即法向力，它的方向是沿著兩齒廓接觸點(diǎn)的公法線方向，即嚙合線方向。方向力有可以分解為圓周力和徑向力，其計(jì)算公式分別為： （5-7） （5-8） （5-9） 計(jì)算結(jié)果為： 5.7雙聯(lián)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 雙聯(lián)齒輪的兩齒均設(shè)計(jì)為漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪，現(xiàn)將其主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下表5-6 表5-6 雙聯(lián)齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算 基本參數(shù) 機(jī)-3 2齒數(shù)64 機(jī)-3 4齒數(shù)44 模數(shù)m均為2 配對(duì)齒輪參數(shù) 與機(jī)-3 2、4配對(duì)齒輪齒數(shù)分別為28和36，模數(shù)m均為2； 名稱 符號(hào) 計(jì)算公式 機(jī)-3 2 機(jī)-3 4 分度圓直徑 d d=mz 128 88 中心距 a a= 92 80 齒頂高 2 2 齒根高 2.5 2.5 全齒高 h 4.5 4.5 齒頂圓直徑 132 84 齒根圓直徑 87 75 基圓直徑 120.28 82.69 分度圓齒距 P P=πm 6.28 6.28 分度圓齒厚 S S=πm/2 3.14 3.14 分度圓槽寬 e E=πm/2 3.14 3.14 頂隙 C 0.5 0.5 基圓齒距 πmcos20° 5.90 5.90 節(jié)圓處齒廓的曲率半徑 21.89 15.05 5.8 過渡軸的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)零件必須通過其他零件被支承起來才能進(jìn)行工作，這種支承作用的零件稱為軸。軸是組成機(jī)器的重要作用之一，它的主要功能是支承做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 5.8.1軸的失效形式 機(jī)械中的軸大多為轉(zhuǎn)軸，同時(shí)承受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，且均為交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力的作用下，軸的主要失效形式為疲勞斷裂。因此，軸的材料應(yīng)具有足夠的疲勞強(qiáng)度、較好的應(yīng)力集中敏感性和良好的加工性能。 5.8.2軸的材料 根據(jù)上述這些要求，軸的材料一般宜選用中碳鋼和中碳合金鋼。對(duì)于一般以內(nèi)國(guó)土和較重要的軸，多采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼來制造，如45鋼等。這類鋼的加工性能和機(jī)械性能好，經(jīng)過調(diào)質(zhì)或者正火處理后可以獲得良好的機(jī)械性能，且價(jià)格比較便宜。對(duì)于載荷不大、轉(zhuǎn)速要求不高或者不重要的軸，可以采用普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼來制造，如Q275等，以降低成本。 合金鋼的機(jī)械性能和熱處理工藝均優(yōu)于碳素鋼，對(duì)于強(qiáng)度要求高而結(jié)構(gòu)要求緊湊、重量輕的重要的軸或者有特殊性能要求的軸，應(yīng)該采用合金鋼來制造，如40Cr鋼等。 由于碳素鋼與合金鋼的彈性模量基本相同，因此采用合金鋼并不能提高軸的強(qiáng)度。但是，碳素鋼比合金鋼的成本低，而且對(duì)于應(yīng)力集中的敏感性小，所以得到了廣泛的應(yīng)用。 軸也可以采用球煤鑄鐵材料制造。鑄鐵材料容易鑄造成復(fù)雜的形狀，且吸振性和耐磨性較好，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性也較低，但其沖擊韌性低，可靠性差。 我設(shè)計(jì)的過渡軸材料為合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr。 5.8.3過渡軸的強(qiáng)度校核 一、 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核 設(shè)軸在扭矩T的作用下，產(chǎn)生的切應(yīng)力。對(duì)于圓截面的實(shí)心軸，根據(jù)其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件可以得 （5-10） 所以 式中：是軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MP；T是軸所傳遞的扭矩，單位為N·mm；是軸的抗扭截面系數(shù)，0.2,單位為；P是軸傳遞的功率，單位為KW；n是軸的轉(zhuǎn)速，單位是r/min；d是軸的直徑，單位為mm；[]是材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。 顯然，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足要求。 二、 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 1. 力學(xué)模型的建立 在進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時(shí)，通常忽略軸及其上各個(gè)零件的質(zhì)量，把軸簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁、外伸梁或懸臂梁。將其作用在軸上的零件分布力作為集中力，其作用點(diǎn)取為零件輪轂寬度的中點(diǎn)，并將其全部轉(zhuǎn)化到軸上。支點(diǎn)反力的作用點(diǎn)一般可近似地取在軸承寬度的中點(diǎn)上，以簡(jiǎn)化計(jì)算。受力圖為： 圖5-4 受力圖 作出軸的水平面受力圖和彎矩圖 圖5-5 水平受力圖 圖5-6 水平彎矩圖 作出垂直面內(nèi)的受力圖和彎矩圖 圖5-7 垂直受力圖 圖5-8 垂直彎矩圖 作出合成彎矩圖M 圖5-9 合成彎矩圖 作出扭矩圖T 圖5-10 扭矩圖 做當(dāng)量彎矩圖 圖5-11 當(dāng)量彎矩圖 計(jì)算危險(xiǎn)截面軸徑 過渡軸的每一處截面直徑均大于16.22 故強(qiáng)度滿足要求。 5.8.4過渡軸的固定 因?yàn)闄C(jī)-3雙聯(lián)齒輪整體寬度較少，而且齒輪較接近箱體孔，且箱體孔內(nèi)比壁較厚。所以機(jī)-2過渡軸只需一個(gè)箱體孔固定，機(jī)-3齒輪與機(jī)-2過渡軸之間，其軸向固定由滾動(dòng)軸承連接。其軸向卡簧固定。而機(jī)-2軸上有軸肩，裝配時(shí)直接將機(jī)-2軸敲入箱體孔至軸肩處即可。 第六章 軸承的選擇與校核 6.1 軸承的分類 軸承是支承軸的部件。根據(jù)軸承工作是的摩擦性質(zhì)，軸承可以分為滑動(dòng)摩擦軸承（簡(jiǎn)稱滑動(dòng)軸承）和滾動(dòng)摩擦軸承（簡(jiǎn)稱滾動(dòng)軸承）。 由于滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)小，起動(dòng)阻力小，已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，選用、潤(rùn)滑及維護(hù)較方便，所以在一般的機(jī)器中得到廣泛的應(yīng)用。滾動(dòng)軸承的徑向尺寸較大，工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)、噪音與設(shè)備的精度、軸的工作轉(zhuǎn)速有關(guān)，故適用于中、低速以及精度要求較高的場(chǎng)合。 滑動(dòng)軸承具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在用于某些不能、不便或者使用滾動(dòng)軸承沒有優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)合，如工作轉(zhuǎn)速特高、沖擊和振動(dòng)特大、徑向空間設(shè)計(jì)尺寸受到限制或者必須部分安裝（曲軸上軸承）的結(jié)構(gòu)，以及需要在水或者腐蝕性介質(zhì)工作的工況條件下，仍占有重要地位。因此，在軋鋼機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、雷達(dá)、天文望遠(yuǎn)鏡及各類儀表中應(yīng)用廣泛。 6.2 滾動(dòng)軸承及類型 滾動(dòng)軸承主要是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。常用的滾動(dòng)軸承絕大數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)載荷的性質(zhì)與大小、轉(zhuǎn)速的高低、旋轉(zhuǎn)精度等工作要求進(jìn)行選用，并進(jìn)行軸承承載能力的驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 滾動(dòng)軸承主要由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架構(gòu)成。保持架將滾動(dòng)體均勻地隔開，以減少滾動(dòng)體間的摩擦和磨損。通常內(nèi)圈固定在軸頸上，外圈裝在軸承座內(nèi)。常見的運(yùn)動(dòng)方式；內(nèi)圈隨軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈固定。也有外圈轉(zhuǎn)動(dòng)而內(nèi)圈不動(dòng)或者是內(nèi)、外圈都轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式。 滾動(dòng)軸承的類型很多，按照軸承受載荷的作用方向，可以分為： （1）徑向接觸軸承 主要用于承受徑向載荷 （2）向心角接觸軸承 能同時(shí)承受徑向及單方向軸向載荷 （3）軸向接觸軸承 只能承受軸向載荷 6.3 滾動(dòng)軸承的失效形式 滾動(dòng)軸承在工作時(shí)，由于各元件間間隙的存在，其受力情況也成周期性不穩(wěn)定變化。軸承工作時(shí)，各元件上所受的載荷及產(chǎn)生的應(yīng)力是時(shí)時(shí)變化的，其變動(dòng)的頻率取決于滾動(dòng)體中心圓周速度。選用角接觸軸承或者圓錐滾子軸承時(shí)，為保證可靠地工作，使其在工作時(shí)至少處于下半圈滾動(dòng)體全部受載的工作狀態(tài)。 滾動(dòng)軸承的失效形式有： （1）疲勞點(diǎn)蝕 滾動(dòng)軸承的正常失效形式是滾動(dòng)體或者內(nèi)外圈滾道上的點(diǎn)蝕破壞。軸承工作時(shí)，軸上的受力通過軸承內(nèi)圈→外圈→基座上，相鄰元件間的接觸面產(chǎn)生接觸應(yīng)力。由于內(nèi)、外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體的不規(guī)則滾動(dòng)，導(dǎo)致接觸應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化。在安裝、潤(rùn)滑及維護(hù)良好的條件下，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值后，會(huì)在某一元件上形成表層金屬剝落現(xiàn)象，即疲勞點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕后軸承在工作時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪音和發(fā)熱現(xiàn)象及旋轉(zhuǎn)精度下降，影響機(jī)器的正常工作。 （2）塑性變形 若軸承的工作轉(zhuǎn)速很低（n<10r/min）或者僅作間歇擺動(dòng)，則一般不會(huì)出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕破壞，工作時(shí)過大的靜載荷或者瞬間過大的沖擊載荷，均會(huì)使元件接觸面間的局部應(yīng)力大于元件材料的屈服極限應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形。在形成不均勻的凹炕后，軸承即已經(jīng)失效。 6.4 軸承的選擇計(jì)算 現(xiàn)只對(duì)過渡軸承進(jìn)行校核，我是設(shè)計(jì)時(shí)軸承選的是深溝球軸承6005 GB/T276-94。已知n=200.375r/min，軸徑d=25mm，=222.48N，=650.48N，溫度低于100℃，有輕微沖擊，預(yù)期使用壽命。 因?yàn)樯顪锨蜉S承沒有派生軸向力，所以，查有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)知6005軸承的，查表，有輕微沖擊，應(yīng)取=1.2 查表，采用線性插值法，得e=0.234 因 查表可得 得 計(jì)算軸承的壽命 已知球軸承，因工作溫度低于120℃，得=1 按公式 （6-1） 得 所以，選6005深溝球軸承合用 同理，可以計(jì)算錐齒輪軸上所選的深溝球軸承6010 GB/T 276—96也合用。 第七章 鍵的選擇和鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算 鍵聯(lián)結(jié)是將軸與軸上的傳動(dòng)零件，如凸輪、齒輪、帶輪等連接在一起，實(shí)現(xiàn)軸和妯上零件間的周向固定，以傳遞轉(zhuǎn)矩的軸轂連接。有些類型的鍵可以實(shí)現(xiàn)軸與軸上零件的軸向固定，或軸向動(dòng)連接。 7.1 鍵的選擇 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，鍵聯(lián)結(jié)可以分為平鍵聯(lián)結(jié)、半圓聯(lián)結(jié)和楔鍵聯(lián)結(jié)，此外，還有各種花鍵。平鍵聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、對(duì)中性較好、裝拆方便，能夠承受沖擊或變載荷。因而得到廣泛的應(yīng)用。半圓聯(lián)結(jié)的工作面是兩個(gè)側(cè)面，由于軸上半圓鍵槽挖得深，軸的強(qiáng)度大為降低，固一般用于傳遞較少的扭矩。楔鍵聯(lián)結(jié)一般用于外部軸端上固定大齒輪或者皮帶輪。連接時(shí)將鍵打入鍵槽內(nèi)，依靠鍵的頂面和底面與輪轂和軸之間的擠壓所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞扭矩，此時(shí)，兩底接觸面均畫成一條直線；鍵的兩側(cè)為非工作面，應(yīng)與輪轂和鍵槽側(cè)面之間留空隙?；ㄦI連接比較可靠，能傳遞較大的扭矩，軸上零件可以花鍵做軸向移動(dòng)，導(dǎo)向性、對(duì)中性都比較好，因此，在機(jī)械設(shè)備中也得到廣泛的應(yīng)用。 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸（一般以鍵寬b和鍵高h(yuǎn)表示）與長(zhǎng)度L。鍵的截面尺寸按，軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選定。鍵的長(zhǎng)度L一般可按輪轂的長(zhǎng)度而定。即鍵長(zhǎng)等于或略短于輪轂的長(zhǎng)度。這里d為軸的直徑，所選定的鍵長(zhǎng)亦應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列。錐齒輪軸上的軸頭處選平鍵聯(lián)結(jié)，B型66 L=10 GB1095-79。 7.2 鍵聯(lián)結(jié)強(qiáng)度計(jì)算 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，聯(lián)接中各零件都要進(jìn)行受力分析。對(duì)于采用常見的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。對(duì)于導(dǎo)向平鍵聯(lián)接和滑鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此，通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性強(qiáng)度校核計(jì)算。 根據(jù)其要求，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件計(jì)算校核公式為： （7-1） 因此有： 顯然 所以強(qiáng)度足夠。 式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為； L——鍵的工作長(zhǎng)度，單位為mm，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里l為鍵的公稱長(zhǎng)度，單位為mm；b為鍵的寬度，單位為mm。 d——軸的直徑，單位為mm； h——鍵的高度，單位為mm； ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位為； 第八章 結(jié) 論 通過此次設(shè)計(jì)，我們能夠較系統(tǒng)地、全面地把大學(xué)四年所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)綜合地利用起來，目的是把自己所學(xué)的知識(shí)連貫起來應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，來解決生產(chǎn)實(shí)際問題，從而鍛煉我們的分析問題和解決問題的能力，從而設(shè)計(jì)出滿足要求的機(jī)械產(chǎn)品。 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)，我針對(duì)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)實(shí)際操作過程中存在的問題，對(duì)其升降系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，我制定了合理的傳動(dòng)路線，繪制升降系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并對(duì)其新增傳動(dòng)部件進(jìn)行動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)主要的傳動(dòng)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核。我設(shè)計(jì)改進(jìn)后的升降系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)并存功能，但是在操作過程中也會(huì)存在安全隱患，因?yàn)樵陂_啟自動(dòng)升降的同時(shí)，手動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了安全起見，本應(yīng)該再對(duì)其手柄改進(jìn)為彈簧推卸裝置，由于時(shí)間和精力有限，沒能進(jìn)行改進(jìn)，因而在自動(dòng)升降狀態(tài)下，應(yīng)該將手動(dòng)手柄拿開，盡量避免手動(dòng)手柄運(yùn)動(dòng)與自動(dòng)升降同時(shí)進(jìn)行。 因?yàn)槲乙郧昂苌俳佑|過搖臂鉆床這種機(jī)器。因此在設(shè)計(jì)開始時(shí)，我并沒有太大的把握，感覺到非常棘手。但后來在指導(dǎo)老師們和同學(xué)的幫助下，我在設(shè)計(jì)過程中沒有遇到太多的困難。由于我的設(shè)計(jì)是變速箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)自然是傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，我收集了大量的相關(guān)資料和信息。其中主要來自于