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基于CAD技術(shù)的網(wǎng)球自動發(fā)球機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計
MECHANISM DESIGN OF TENNIS AUTOMATIC SERVE MACHINE BASED ON CAD TECHNOLOGY
摘要
本文通過對不同網(wǎng)球發(fā)球機(jī)具體發(fā)球原理進(jìn)行對比，綜合分析各種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和不足，從而確定一種最合理可靠的網(wǎng)球發(fā)球原理，即雙輪對轉(zhuǎn)原理。通過對轉(zhuǎn)的連個摩擦輪對網(wǎng)球進(jìn)行摩擦，使其獲得動能，從而發(fā)射出去，然后以此設(shè)計原理為機(jī)械結(jié)構(gòu)的核心部分，對其他輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達(dá)到預(yù)先設(shè)置的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的各個參數(shù)指標(biāo)的要求。在此過程中，對具體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了確定，并且對其中比較關(guān)鍵的軸、鍵等承載零件進(jìn)行了校核計算。最后通過校核計算得到的具體參數(shù)對網(wǎng)球發(fā)球機(jī)進(jìn)行了三維模型的構(gòu)建及運(yùn)動仿真。通過以上設(shè)計校核計算及建模仿真，說明該網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計方案是完全可行的。
網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是將電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)結(jié)合起來的現(xiàn)代化體育設(shè)備，目前我國的體育事業(yè)正處于高速發(fā)展階段，對各種體育設(shè)備的需求也會逐漸增大，因此，對網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究有很大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義，也會極大的推動網(wǎng)球體育運(yùn)動事業(yè)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)；機(jī)構(gòu)設(shè)計；技術(shù)；對轉(zhuǎn)雙輪；強(qiáng)度校核
Abstract
This paper analyzes the advantages and disadvantages of various tennis dispensers by comparing the specific serve principle of different tennis dispensers, and then determines the most reasonable and reliable principle of tennis serve, that is, the principle of double wheel turn. Through the rotation of a friction wheel on the tennis friction, to obtain kinetic energy, and thus fired, and then design principles for the mechanical structure of the core part of the other auxiliary structure of the structural design to achieve the pre-set tennis The requirements of the various parameters of the machine. In this process, the specific structure size was determined, and the more critical shaft, key and other bearing parts were checked and calculated. Finally, the 3D model of the tennis ball machine is constructed and the simulation of the motion is carried out by checking and calculating the specific parameters. Through the above design verification calculation and modeling and simulation, the design of the tennis ball machine is completely feasible.
Tennis ball machine is the combination of electronic technology and mechanical technology of modern sports equipment, the current sports industry in China is in a high-speed development stage, the demand for a variety of sports equipment will gradually increase, therefore, the tennis ball machine research Great practical significance and economic significance, will greatly promote the development of tennis sports career.
Keywords tennis dispenser institutional design computer aided design
steering wheel strength checking
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 本課題的研究意義 1
1.2 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的發(fā)展 1
1.3 國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 2
1.3.1 國外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 2
1.3.2 國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 4
1.4 本文的主要內(nèi)容 5
2 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)總體方案的設(shè)計 6
2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理 6
2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的總體方案 7
3 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)發(fā)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計 8
3.1 確定網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的具體技術(shù)參數(shù) 8
3.2 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)發(fā)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計 10
3.2.1 摩擦輪的設(shè)計 10
3.2.2 電機(jī)的選型 11
3.2.3 聯(lián)軸器的設(shè)計校核 13
3.2.4 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的主軸設(shè)計 15
3.2.5 鍵連接的設(shè)計校核 22
3.2.6 箱體框架的設(shè)計 25
4 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)送球機(jī)構(gòu)的設(shè)計 27
4.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 27
4.2 輸球管道 28
結(jié)論 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
III
1 緒論
1.1 本課題的研究意義
網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是將電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)結(jié)合起來的現(xiàn)代化體育設(shè)備，目前我國的體育事業(yè)正處于高速發(fā)展階段，對各種體育設(shè)備的需求也會逐漸增大，因此，對網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究有很大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義，也會極大的推動網(wǎng)球體育運(yùn)動事業(yè)的發(fā)展。
1.2 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的發(fā)展
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平不斷的提高，人們對自己的身體素質(zhì)也變得更加重視。為了對自己的身體素質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)和強(qiáng)化，體育運(yùn)動便逐步發(fā)展起來。自體育運(yùn)動產(chǎn)生以后，強(qiáng)健體魄和娛樂也成為它的的主要作用。
作為一項(xiàng)充滿競技性而又優(yōu)美的體育運(yùn)動，網(wǎng)球運(yùn)動越來越受到人們的熱愛。網(wǎng)球的起源和發(fā)展可以概括為四句話：孕育于法國，誕生于英國，普及在美國并形成高潮，如今在世界上盛行，被譽(yù)為世界第二大球類運(yùn)動。網(wǎng)球大約于十九世紀(jì)八十年代前后傳入中國，隨后逐漸在中國盛行開來，尤其受到年輕人的喜愛。現(xiàn)在的網(wǎng)球運(yùn)動也已經(jīng)成為人們進(jìn)行運(yùn)動時的主要項(xiàng)目之一，在各大高校體育場也都建設(shè)了與網(wǎng)球運(yùn)動相匹配的運(yùn)動場地，網(wǎng)球運(yùn)動在我國大城市和發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)逐漸的普遍化，城市中的人們也越來越熱衷于網(wǎng)球這項(xiàng)現(xiàn)代體育運(yùn)動。但是，對于網(wǎng)球的初學(xué)者，想要在短時間內(nèi)快速提高網(wǎng)球技術(shù)，沒有完善的配套練習(xí)設(shè)備是較難以實(shí)現(xiàn)的。目前，國內(nèi)大部分網(wǎng)球練習(xí)設(shè)備仍存在一定的不完善，特別是網(wǎng)球練習(xí)中所使用的發(fā)球機(jī)，技術(shù)含量低、價格高、質(zhì)量不好，這些問題都會影響人們的練習(xí)體驗(yàn)。因此，研制科技含量高、價格低廉、美觀耐用的智能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)具有很大的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。圖1-1為常見的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。
圖1-1 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)
網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的發(fā)明專利是美國的于1998年所申請的，后來，各個國家也投入網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研發(fā)工作。其中，美國和日本的研發(fā)工作一直處于領(lǐng)先地位。他們對發(fā)球機(jī)的研發(fā)主要集中在發(fā)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計，目的是能夠使網(wǎng)球發(fā)球機(jī)實(shí)現(xiàn)上旋球、下旋球、側(cè)旋球、直球、高吊球、網(wǎng)前球、后場球、底線球、短截?fù)羟蚣斑吘€球等。我國對發(fā)球機(jī)的研發(fā)工作相對較晚，但是也出現(xiàn)了很多關(guān)于網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的優(yōu)秀廠家。但是，我國主要的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的制造廠家還是使用外國的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計方案。
本課題通過對網(wǎng)球發(fā)球現(xiàn)狀的分析，從而確定了一種較為有效的發(fā)球方案，并對此方案的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計校核，對輸球機(jī)構(gòu)和發(fā)球機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改善，最后得到了一種較為合理的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計方案。
1.3 國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀
目前，市面上的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)主要都是利用雙輪對轉(zhuǎn)的原理進(jìn)行網(wǎng)球的發(fā)射。網(wǎng)球通過專門設(shè)置的通道后，被送到兩個相對運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦輪之間，通過兩個摩擦輪對網(wǎng)球的摩擦力，使網(wǎng)球得到一定的動力，從而使網(wǎng)球發(fā)射出去。兩個摩擦輪則是通過兩個獨(dú)立的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，這樣可以使兩個電機(jī)分別具有不同的速度，以便對網(wǎng)球的速度和旋向的控制。
1.3.1 國外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀
目前，國外研制網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的廠家很多，而且他們對網(wǎng)球發(fā)球技術(shù)的研發(fā)比國內(nèi)早很多。國外所研發(fā)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)可以用來發(fā)出上旋球，下旋球，網(wǎng)前球，后場球，底線球，短截?fù)羟蚣斑吘€球等。這類網(wǎng)球發(fā)球機(jī)能夠滿足普通大眾的練習(xí)需求，同時，也比較適合職業(yè)運(yùn)動員的訓(xùn)練。在這些網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的制造廠商中，制造技術(shù)處于領(lǐng)先地位的是美國TUTOR制造廠商和LOBSTER制造廠商。
美國的一些網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的制造廠商所制造的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)不僅在發(fā)球機(jī)構(gòu)上較為先進(jìn)，而且在控制方面十分先進(jìn)。這些發(fā)球機(jī)大多數(shù)都可以使用計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，操作十分方便。在發(fā)球機(jī)上安裝上速度傳感器后，還可以對網(wǎng)球的速度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。
1.3.1.1 Tutor網(wǎng)球發(fā)球機(jī)
Tutor網(wǎng)球發(fā)球機(jī)采用兩個旋轉(zhuǎn)方向相反輪子，而且兩個輪子之間必須設(shè)置一定的距離，該距離必須小于網(wǎng)球的直徑，當(dāng)球從所設(shè)置的通道被送至兩摩擦輪之間時，由于摩擦輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)而會對網(wǎng)球產(chǎn)生一定的摩擦力，從而使網(wǎng)球發(fā)射出去。這種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的出球口位于整個發(fā)球機(jī)的前部，通過出球口可以看到兩個上下布置的摩擦輪，它們的中心軸相互平行。當(dāng)網(wǎng)球通過時，通過快速旋轉(zhuǎn)將球擠壓射出。此情況與被打滑的車輪所擠出的小石子情況類似，只不過一個是兩個輪子共同摩擦起作用，另一個是只有一個輪子摩擦起作用。發(fā)球機(jī)中的兩個旋轉(zhuǎn)輪通過電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，網(wǎng)球受到兩個輪子的摩擦力，獲得一定的動能，從而發(fā)射出去。通過調(diào)節(jié)兩個電機(jī)的速度，使它們分別獲得特定大小的速度，就可以控制發(fā)出的球的初速度和旋向?？刂乞?qū)動電機(jī)的輸入信號，對兩個摩擦輪進(jìn)行速度控制，使它們產(chǎn)生不同的速度時，即可發(fā)出上旋球或下旋球：當(dāng)下面輪子的轉(zhuǎn)速大于上面輪子的轉(zhuǎn)速，此時，網(wǎng)球下邊緣的速度大于上邊緣，發(fā)出的球即為上旋球。當(dāng)上面輪子的轉(zhuǎn)速大于下面輪子的轉(zhuǎn)速，此時，網(wǎng)球下邊緣的速度小于上邊緣，發(fā)出的球即為下旋球。當(dāng)兩輪的旋轉(zhuǎn)速度一樣時發(fā)出的球即為平擊球。
這種方案簡單高效，而且還能保證發(fā)球的穩(wěn)定性，對網(wǎng)球球的初速度，旋轉(zhuǎn)方向控制也較為簡單。這種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計方案所制造的發(fā)球機(jī)性能很好，所以，市場上大多數(shù)發(fā)球機(jī)都是使用的雙輪對轉(zhuǎn)的原理設(shè)計的。但是，這種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)同時需要另個控制電機(jī)對摩擦輪進(jìn)行控制，因此，它的機(jī)構(gòu)很可能會存在一定的缺陷，必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核才能安全使用。圖1-2為Tutor網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。
圖1-2 Tutor網(wǎng)球發(fā)球機(jī)
1.3.1.2 Lobster網(wǎng)球發(fā)球機(jī)
Lobster制造廠商所制造的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)采用的是空氣壓縮原理，因此必須使用空氣壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的發(fā)射。這種發(fā)球機(jī)前面帶有長桶，其外形結(jié)構(gòu)類似照相機(jī)。網(wǎng)球首先被輸送到長筒的底部，長筒底部有一個直徑小于網(wǎng)球直徑的窄口，這個窄口能將傳送至窄口前網(wǎng)球擋住，等待空氣壓縮機(jī)壓縮空氣，對待發(fā)射的網(wǎng)球產(chǎn)生推力?？諝鈮嚎s機(jī)啟動后，使經(jīng)過壓縮的空氣擠壓處于窄口前的網(wǎng)球，當(dāng)這個擠壓力到達(dá)預(yù)定值時，網(wǎng)球就被發(fā)射出去。當(dāng)需要旋球時，通過調(diào)節(jié)長筒的傾斜角度來控制網(wǎng)球的旋向，當(dāng)發(fā)射出來的網(wǎng)球的上部被發(fā)球機(jī)管道摩擦到的時候，所發(fā)出的球?yàn)橄滦?，?dāng)發(fā)射出來的網(wǎng)球的下部被發(fā)球機(jī)管道摩擦到的時候，所發(fā)出的球?yàn)樯闲?。這種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)主要利用氣體的壓力能為動力，因此，需要非常多的機(jī)械構(gòu)件，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且體積較大。它的主要缺點(diǎn)有三點(diǎn)：一是發(fā)球過程中，噪音大；二是由于網(wǎng)球經(jīng)常與管壁進(jìn)行摩擦，對網(wǎng)球表面的磨損很大，會使網(wǎng)球的使用壽命大大縮短；三是因?yàn)閴嚎s空氣所要消耗的功率很大，使用普通的蓄電池已經(jīng)不能滿足其功率要求，因此，一般采用220V交流電進(jìn)行供電。它的優(yōu)點(diǎn)是價格相對比較低。圖1-3為Lobster網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。
圖1-3 lobster網(wǎng)球發(fā)球機(jī)
目前，市面上的大多數(shù)發(fā)球機(jī)采用的工作原理都是雙輪對轉(zhuǎn)原理。這是由以下幾個原因造成的，一是采用對轉(zhuǎn)雙輪原理制造的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)所提供的發(fā)球性能比空氣壓縮發(fā)球機(jī)所提供的性能更好。二是空氣壓縮發(fā)球機(jī)在運(yùn)行時噪音非常大，影響使用者的使用體驗(yàn)。三是由于空氣壓縮機(jī)所消耗的功率很大，因此難以使用電池來供電，只能使用電源供電，使用靈活性較低。
1.3.2 國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀
國內(nèi)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)雖然發(fā)展十分迅速，但是由于對發(fā)球機(jī)的研發(fā)起步較晚，制造廠商還很少，其中，處于領(lǐng)先地位的的是斯波阿斯體育用品制造廠商。該廠商位于中國廣州東莞市，利用對轉(zhuǎn)雙輪的原理，通過兩個轉(zhuǎn)輪和球之間的摩擦力來獲取動能，從而將網(wǎng)球發(fā)射出去。它可以根據(jù)使用者的要求，調(diào)整不同的適合使用者的發(fā)球模式，還可以通過智能遙控對速度、頻率、角度和旋向等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。斯波阿斯牌的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的電源為大容量鋰電池，一般可達(dá)到5到6小時的使用時長，不僅能夠滿足普通使用者的需求，即使是專業(yè)的網(wǎng)球運(yùn)動員，也可以使用斯波阿斯發(fā)球機(jī)進(jìn)行長時間的訓(xùn)練。該網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的主要使用參數(shù)見表1-1。
表1-1 斯波阿斯網(wǎng)球發(fā)球機(jī)參數(shù)表
品牌
電源
功率
發(fā)球速度
發(fā)球頻率
(秒/球)
裝球容量
（個）
斯波阿斯
交直流兩用
電源
150
90~140
1.8~8
160
它的主要優(yōu)點(diǎn)是，速度快、便于攜帶、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，能夠?qū)嵱密浖M(jìn)行遠(yuǎn)程操作，而且可以設(shè)置不同速度、旋轉(zhuǎn)及相應(yīng)俯仰角度，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的深淺高壓球功能。
圖1-4 斯波阿斯網(wǎng)球發(fā)球機(jī)
1.4 本文的主要內(nèi)容
（1） 對現(xiàn)有各種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的發(fā)球方案進(jìn)行分析，對比各種網(wǎng)球發(fā)球方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對各個發(fā)球原理進(jìn)行綜合評價，得到最優(yōu)的設(shè)計方案。
（2） 對設(shè)計方案中的各個部分進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，確定零件的型號參數(shù)。使其能夠完成網(wǎng)球的發(fā)球工作。
（3） 對其中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核，保證整個發(fā)球機(jī)運(yùn)行的可靠性，盡可能提高網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的壽命。
（4） 對網(wǎng)球發(fā)球機(jī)進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，更加直觀的表示出各個零件的具體結(jié)構(gòu)。
2 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)總體方案的設(shè)計
2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理
目前，對于市場上各種各樣的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，它們的生產(chǎn)廠家不同，因此，其結(jié)構(gòu)和工作原理也各不相同。下面，簡要分析一下現(xiàn)有的各種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理，以確定最優(yōu)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理。
考慮到使用的經(jīng)濟(jì)性和便攜性的原則，網(wǎng)球發(fā)球機(jī)需要采用鋰電池進(jìn)行供電，同時考慮到使用壽命，對以下幾種方案進(jìn)行對比。
壓縮空氣原理：采用這種工作原理進(jìn)行發(fā)球，雖然價格較低，但是由于空氣壓縮機(jī)的噪音較大，功率消耗十分巨大，效率較低，而且采用空氣壓縮機(jī)后，不能采用鋰電池供電，因此，使用較為不便。所以，一般不采用壓縮空氣的原理進(jìn)行設(shè)計。
利用板簧，彈簧實(shí)現(xiàn)發(fā)球的原理：采用這種工作原理進(jìn)行發(fā)球，首先要使用電機(jī)對板簧或者彈簧做功。使板簧或者彈簧儲存一定的能量。然后撞擊網(wǎng)球，使網(wǎng)球獲得一定的動能，從而被彈射出去。這種發(fā)球方式會有很大的沖擊和震動，使網(wǎng)球發(fā)球機(jī)各元件的使用壽命縮短，效率較低，而且很難對其發(fā)球速度和旋向進(jìn)行控制。
利用雙輪對轉(zhuǎn)的原理：采用該原理的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，其性能較高，而且能較為方便的控制發(fā)球速度和旋向，可以使用鋰電池進(jìn)行供電，攜帶方便。
由于雙輪對轉(zhuǎn)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)具有的眾多優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用雙輪對轉(zhuǎn)的原理作為基本工作原理。當(dāng)網(wǎng)球從管道中出來后，遇到兩個高速旋轉(zhuǎn)的輪子，通過輪子對網(wǎng)球的摩擦作用，使網(wǎng)球獲得一定的動能。從而使網(wǎng)球發(fā)射出去。當(dāng)需要上旋球時，調(diào)節(jié)輪子的轉(zhuǎn)速，使下面輪子的轉(zhuǎn)速大于上面輪子的轉(zhuǎn)速，此時，網(wǎng)球下邊緣的速度大于上邊緣，發(fā)出的球即為上旋球。當(dāng)需要下旋球時，調(diào)節(jié)輪子的轉(zhuǎn)速，使上面輪子的轉(zhuǎn)速大于下面輪子的轉(zhuǎn)速即可。當(dāng)需要發(fā)射平擊球時，只需將兩輪速度調(diào)節(jié)相同即可。圖2-1為雙輪對轉(zhuǎn)原理圖。
圖2-1 雙輪對轉(zhuǎn)原理圖
通過雙輪對轉(zhuǎn)原理圖可以清楚的看出，當(dāng)電機(jī)帶動兩個輪子高速旋轉(zhuǎn)時，從專用通道滑出的網(wǎng)球會受到輪子的摩擦，使網(wǎng)球獲得一定的動能，網(wǎng)球便會高速發(fā)射出去。這種方案的優(yōu)點(diǎn)很明顯，它可以很容易的保證網(wǎng)球發(fā)射的初速度，而且十分穩(wěn)定，它還能夠改變發(fā)射的角度和速度，便于用戶根據(jù)自身情況進(jìn)行調(diào)整。
2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的總體方案
由于選擇了雙輪對轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)球機(jī)的工作原理，而且所用到的兩個摩擦輪需要具有不同的速度，才能控制所發(fā)網(wǎng)球的具體速度，因此需要用到兩個電機(jī)對兩個摩擦輪進(jìn)行控制。為了能夠方便地控制網(wǎng)球的發(fā)球頻率及網(wǎng)球的運(yùn)行軌跡進(jìn)行控制，還需要設(shè)計一個送球機(jī)構(gòu)，本方案使用了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輸球管道作為送球機(jī)構(gòu)，通過改變旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度，從而來控制到達(dá)發(fā)球機(jī)構(gòu)的網(wǎng)球的頻率。根據(jù)以上F分析，得到的總的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的原理圖如圖2-2所示。
圖2-2 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，可以將網(wǎng)球發(fā)球機(jī)分為發(fā)球機(jī)構(gòu)和送球機(jī)構(gòu)，下面分別對發(fā)球機(jī)構(gòu)和送球機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。
3 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)發(fā)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計
機(jī)械的設(shè)計質(zhì)量是機(jī)械的總質(zhì)量的主要影響因素，因此，機(jī)器的設(shè)計階段是決定機(jī)器是否完善的重要步驟。再機(jī)器的設(shè)計階段中最關(guān)鍵的是方案設(shè)計階段。一般一部機(jī)器的設(shè)計方案有多個解，這時就要求設(shè)計者根據(jù)具體情況確定最優(yōu)的設(shè)計方案，從而達(dá)到既能滿足使用要求，又能滿足經(jīng)濟(jì)要求。方案設(shè)計階段也分為幾個步驟，首先是機(jī)器的具體使用功能分析，就是要確定出能滿足使用目的機(jī)器的最低要求及正常工作時所要達(dá)到的功能參數(shù)，作為下一步設(shè)計的根據(jù)。確定功能參數(shù)后，就可以確定出合適的設(shè)計方案。工作原理不同，最后成型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)也是不一樣的。然后，再選出能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的方案，對這些方案從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面進(jìn)行對比評價，最后進(jìn)行決策，篩選出最優(yōu)的設(shè)計方案。因此，必須重視對網(wǎng)球發(fā)球機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計，這樣才能保證發(fā)球機(jī)發(fā)球的可靠性。
為了能夠清晰的表示出各個零部件之間的裝配關(guān)系以及各個零件的具體結(jié)構(gòu)，使用軟件對各個零件進(jìn)行了三維模型的構(gòu)建。
3.1 確定網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)
經(jīng)過初步的方案設(shè)計，先將網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計分兩部分進(jìn)行，即送球機(jī)構(gòu)的設(shè)計和發(fā)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計。要想對這兩方面進(jìn)行完善的設(shè)計，首先必須了解清楚網(wǎng)球的網(wǎng)球場地的具體參數(shù)。
網(wǎng)球場是一個矩形，它長，寬。在球場中間懸掛有球網(wǎng)，球網(wǎng)頂端距地面的距離為1.07米。其懸掛在一條最大直徑為8出的繩索上。
網(wǎng)球的直徑在65.41和68.58之間，重量在56.7和58.5之間。為此，必須使網(wǎng)球的初速度在一定的范圍內(nèi)，才能使網(wǎng)球既不會出界，又能落在特定的區(qū)域內(nèi)。圖3-1為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球。
圖3-1 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球
為了方便對網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計，首先需要對網(wǎng)球的初速度進(jìn)行分析。這里，忽略網(wǎng)球自身的旋轉(zhuǎn)對運(yùn)行軌跡的影響，則網(wǎng)球在的軌跡可以看做是在二維空間里的斜拋運(yùn)動。
根據(jù)所設(shè)定的技術(shù)參數(shù)，網(wǎng)球的發(fā)球距離為10-12，發(fā)球高度為2.5，飛行過程受重力和摩擦力作用，這里，由于空氣阻力對球速的影響極小，因此，為了方便計算，忽略空氣阻力對網(wǎng)球飛行運(yùn)動的影響。設(shè)水平方向?yàn)榉较?，豎直方向?yàn)榉较?，可以把網(wǎng)球的飛行軌跡看做在一個垂直面內(nèi)的斜拋運(yùn)動，能夠得到理想情況下網(wǎng)球飛行軌跡的示意圖。圖3-2為理想情況下的網(wǎng)球飛行軌跡圖。
圖3-2 網(wǎng)球飛行軌跡示意圖
則根據(jù)斜拋運(yùn)動的物理學(xué)規(guī)律，可以得到，
式中——網(wǎng)球的初速度在方向的分量，；
——重力加速度，；
——網(wǎng)球上升過程所使用的時間，；
——網(wǎng)球下降過程所使用的時間，；
——網(wǎng)球到達(dá)最高點(diǎn)的高度，；
——網(wǎng)球發(fā)射點(diǎn)距離地面的高度，；
——網(wǎng)球落地式的速度在方向的分量；
——網(wǎng)球速度在水平方向的分量；
——網(wǎng)球出發(fā)點(diǎn)和落地點(diǎn)在水平方向的距離。
將現(xiàn)有的已知條件整理：飛行高度，飛行的水平距離，重力加速度，由具體模型得到的網(wǎng)球發(fā)球口距離地面的距離為，代入上式可得：，網(wǎng)球發(fā)射初速度為
（3-2）
式中——網(wǎng)球的瞬時速度。
將，帶入可得：。
結(jié)合使用要求和經(jīng)濟(jì)性要求，得到的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)如表3-1所示。
表3-1 發(fā)球機(jī)具體參數(shù)表
外形尺寸
整機(jī)重量
發(fā)球速度
供求頻率（個/分）
儲球數(shù)
（個）
發(fā)球距離
發(fā)球高度
20
80-120
30-240
200
10-12
2.5
3.2 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)發(fā)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計
發(fā)球機(jī)構(gòu)是整個發(fā)球機(jī)的主題部分，對網(wǎng)球的初速度以及旋向起著直接的控制作用，發(fā)球機(jī)的性能好壞，主要是看發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計的是否完善。發(fā)球機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)，固定板，摩擦輪，聯(lián)軸器，主軸等組成。雙輪對轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)效果如圖3-3所示。
圖3-3 發(fā)球機(jī)構(gòu)
3.2.1 摩擦輪的設(shè)計
摩擦輪的主要材料采用硬脂塑料，為了增強(qiáng)摩擦輪與網(wǎng)球表面的摩擦力，在其表面覆蓋上一層1厚的硅膠。然后是摩擦輪直徑的確定，摩擦輪的直徑過大，會影響整機(jī)重量，還會影響各個零件的位置布置問題，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)不緊湊；摩擦輪直徑過小，則由于摩擦輪的線速度，為了能夠給網(wǎng)球提供足夠的動力，在摩擦輪直徑很小的情況下，只能通過增大摩擦輪的轉(zhuǎn)速，即提升電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速來使摩擦輪達(dá)到所要求的線速度，這會設(shè)計高速電機(jī)的配置問題，增大網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的總成本，還會影響網(wǎng)球發(fā)球機(jī)整體的穩(wěn)定性。因此，綜合各方面的影響因素，最終將摩擦輪設(shè)計成直徑120寬度30的滾輪形狀。
為了減輕整機(jī)重量、降低電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該將摩擦輪的重量盡可能的降低，因此，除了摩擦輪用來撐起硅膠的最外層圓周，用該盡量減低摩擦輪的厚度，但是厚度降低后，會使摩擦輪的強(qiáng)度大幅降低，這里，本方案只用了筋板來適當(dāng)增大摩擦輪的整體強(qiáng)度，這樣即降低了摩擦輪的重量，使整機(jī)重量得到了降低，也防止因?yàn)楹穸冗^小而使摩擦輪的強(qiáng)度過低。
考慮到摩擦輪與主軸的周向連接采用鍵連接，因此，需要在摩擦輪內(nèi)表面的圓周上制造出鍵槽來，該鍵槽的尺寸將在后面軸的設(shè)計軸進(jìn)行分析設(shè)計，這里暫不計算。摩擦輪的整體結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。
圖3-4 摩擦輪結(jié)構(gòu)圖
3.2.2 電機(jī)的選型
電動機(jī)可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是現(xiàn)代機(jī)械中常用的能源裝置，它將線圈通電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中受到旋轉(zhuǎn)扭矩的作用，從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。其使用可靠，價格低廉，結(jié)構(gòu)緊湊，控制方便，越來越廣泛地應(yīng)用于各種及機(jī)器之中。
由于電機(jī)越來越常見于各種機(jī)械系統(tǒng)中，因此，電機(jī)的選型問題成為一個十分關(guān)鍵的問題。電機(jī)的選型需要考慮多方面的影響因素，其中主要考慮以下幾個方面。首先需要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的運(yùn)動形式及執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的功率，以此來確定出電機(jī)的主要類型，然后要考慮電機(jī)的效率、安裝方式、價格和一些其他的機(jī)械特性。所選電機(jī)應(yīng)該滿足能夠使執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全、節(jié)能、高效的運(yùn)行。在電機(jī)選擇過程中最關(guān)鍵的問題是電機(jī)所需功率的確定，應(yīng)該在能夠滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，選擇經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的電機(jī)類型。
按照電機(jī)所使用電源的種類來劃分，電機(jī)可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。其中直流電機(jī)按照具體工作原理可以分為無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)兩種。本文使用的電機(jī)需要對其具體輸出速度進(jìn)行精確控制，因此應(yīng)該選擇控制性能較好的直流電機(jī)。
電機(jī)的主要參數(shù)是其額定功率和額定轉(zhuǎn)速，因此，電動機(jī)在選型時，主要確定其額定功率和額定轉(zhuǎn)速。首先，確定其額定功率，這個額定功率必須與負(fù)載的功率相適應(yīng)，依次保證滿足負(fù)載的正常工作?？紤]到摩擦輪的速度會直接影響網(wǎng)球的速度，因此，可以根據(jù)設(shè)計參數(shù)中的網(wǎng)球的初速度范圍來求解出摩擦輪的速度范圍。網(wǎng)球的發(fā)球速度為80到120，即為摩擦輪的線速度范圍，因此，可以求解出輪子的角速度范圍：
（3-3）
式中——摩擦輪的線速度，；
——摩擦輪的半徑，；
——摩擦輪的角速度，。
從而，摩擦輪轉(zhuǎn)速范圍為
（3-4）
式中——摩擦輪的線速度，。
因此，也即主軸的轉(zhuǎn)速范圍為。
接著，進(jìn)行網(wǎng)球所獲得的能量的計算，取網(wǎng)球的質(zhì)量為57，即0.057，則網(wǎng)球的所獲得的動能的計算公式及數(shù)據(jù)帶入計算如下式。
（3-5）
式中——網(wǎng)球所獲得的能量，；
——網(wǎng)球的質(zhì)量，。
下面計算作用在摩擦輪上的力矩，設(shè)為網(wǎng)球作用在摩擦輪上產(chǎn)生的力矩，則其計算公式如下。
（3-6）
式中——網(wǎng)球剛度；
——壓縮距離；
——摩擦系數(shù)；
——滾輪半徑。
代入數(shù)據(jù)計算得到，由于電機(jī)直接帶動摩擦輪，因此，功率損失較小，只需選取額定功率較小的電動機(jī)即可?？紤]在工作過程中會有其他因素影響電機(jī)，因此，最終確定的電機(jī)的具體參數(shù)如表3-2所示。
表3-2 電機(jī)具體參數(shù)
產(chǎn)品規(guī)格
電壓
電流
轉(zhuǎn)速
DC-90
24
5.5
6000
采用這種電機(jī)，與其相配合的電源則可以采用常見的鋰電池供電，它具有輕巧、方便、環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)。
3.2.3 聯(lián)軸器的設(shè)計校核
為了將電機(jī)的運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩傳遞到主軸上，需要用到聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的作用是用來把兩軸連接在一起，以傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩。
3.2.3.1 聯(lián)軸器的分類
聯(lián)軸器主要有剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類，在被連接的兩軸之間有相對位移時，剛性聯(lián)軸器是不能對兩軸之間的位移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，但是撓性?lián)軸器可以對相對位移進(jìn)行補(bǔ)償。其中，撓性聯(lián)軸器還可以分為無彈性元件的聯(lián)軸器和有彈性元件的聯(lián)軸器。由于有彈性元件的聯(lián)軸器上裝配有彈性元件，因此，這種聯(lián)軸器不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對位移，還能起到緩沖減震的作用。其彈性元件可以儲蓄能量，儲蓄的能量越多，則它的緩沖減震能力越強(qiáng)；其彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時零件間的摩擦功越大，則它的減震能力越好。
剛性聯(lián)軸器主要有套筒式聯(lián)軸器，夾殼式聯(lián)軸器和凸緣式聯(lián)軸器，這三種聯(lián)軸器都不能補(bǔ)償兩軸間的相對位移。剛性聯(lián)軸器具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它構(gòu)造簡單，成本較低，能夠傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，主要適用于轉(zhuǎn)速低，無沖擊，軸的剛性大，對中性較好的場合。其主要缺點(diǎn)是對相對位移沒有補(bǔ)償能力，不能緩沖減震。而且在兩軸有相對位移時，還會在機(jī)件內(nèi)產(chǎn)生附加載荷，不利于扭矩和運(yùn)動的傳遞。
無彈性元件的撓性聯(lián)軸器主要有十字滑塊聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器、十字軸式萬向聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器和滾子鏈聯(lián)軸器。這幾種聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)和具體工作原理都不同，由于篇幅有限，這里不做詳細(xì)論述。這類聯(lián)軸器具有撓性，因此，可以補(bǔ)償兩軸之間的相對位移，但又因?yàn)樗鼈儧]有彈性元件，因此，不能起到緩沖減震的作用。
有彈性元件的聯(lián)軸器有彈性套柱銷聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器、梅花形彈性聯(lián)軸器膜片聯(lián)軸器和膜片聯(lián)軸器。這類聯(lián)軸器能都補(bǔ)償兩軸間的相對位移，又因?yàn)槠渚哂袕椥栽?，還能起到緩沖減震的作用。
3.2.3.2 聯(lián)軸器的選型
為了確定聯(lián)軸器的具體型號，首相選擇所需聯(lián)軸器的類型。選擇聯(lián)軸器類型時，應(yīng)考慮以下幾個因素。?
(1)當(dāng)傳遞載荷的類型，大小不同時，需要使用不同的聯(lián)軸器，還要考慮所承受的載荷是否需要緩沖減震等要求。
(2)如果兩軸之間具有相對位移，則需要考慮使用能夠補(bǔ)償兩軸之間相對位移的聯(lián)軸器。此外，聯(lián)軸器和軸的制造和裝配誤差和軸的受熱變形會對兩軸之間的相對位移產(chǎn)生影響。
(3)考慮聯(lián)軸器安裝所需的空間來選用合適的聯(lián)軸器還要考慮工作情況和密封情況等要求。
本文的電機(jī)傳遞至主軸的轉(zhuǎn)速較高，而且由于網(wǎng)球是間隔發(fā)射的，因此會產(chǎn)生一定的震動，但是所傳遞的轉(zhuǎn)矩和功率不大，因此適宜選用有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，經(jīng)過篩選，確定了膜片聯(lián)軸器作為本方案的傳遞電機(jī)與主軸之間扭矩的零件。膜片聯(lián)軸器的具體結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。
圖3-5 膜片聯(lián)軸器
為了確定聯(lián)軸器的具體型號，還要根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行選擇。由于機(jī)器啟動時的動載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按照軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩。其計算轉(zhuǎn)矩的大小應(yīng)按下式進(jìn)行計算。
（3-7）
式中——聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，；
——公稱轉(zhuǎn)矩，；
——工作情況系數(shù)，具體見表3-3所示。
表3-3 工作情況系數(shù)
分類
工作情況及舉例
電動機(jī)、汽輪機(jī)
四缸和四缸以上內(nèi)燃機(jī)
雙缸內(nèi)燃機(jī)
單缸內(nèi)燃機(jī)
Ⅰ
轉(zhuǎn)矩變化很小，如發(fā)電機(jī)、小型通風(fēng)機(jī)、小型離心泵
1.3
1.5
1.8
2.2
Ⅱ
轉(zhuǎn)矩變化小，如透平壓縮機(jī)、木工機(jī)床、運(yùn)輸機(jī)
1.5
1.7
2
2.4
Ⅲ
轉(zhuǎn)矩變化中等，如攪拌機(jī)、增壓泵、有飛輪的壓縮機(jī)、沖床
1.7
1.9
2.2
2.6
Ⅳ
轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等，如織布機(jī)、水泥攪拌機(jī)、拖拉機(jī)
1.9
2.1
2.4
2.8
Ⅴ
轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷大，如造紙機(jī)、挖掘機(jī)、起重機(jī)、碎石機(jī)
2.3
2.5
2.8
3.2
Ⅵ
轉(zhuǎn)矩變化大并有極強(qiáng)烈沖擊載荷，如壓延機(jī)、無飛輪的活塞泵、重型初軋機(jī)
3.1
3.3
3.6
4
由于本方案所用聯(lián)軸器所承受的轉(zhuǎn)矩很小，所傳遞的扭矩和功率較小，具有一定的載荷根據(jù)上表，可以確定。
軸上的轉(zhuǎn)矩的計算如下式。
（3-8）
由此可以得到聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，如下。
（3-9）
求出計算載荷后，可以根據(jù)求出的計算載荷以及之前所選擇的聯(lián)軸器類型來確定聯(lián)軸器的具體型號。選擇依據(jù)是下面的公式。
（3-10）
上式中，為該型號聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩。
查機(jī)械設(shè)計手冊，可以選擇型號為JM1型膜片聯(lián)軸器。其公稱轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)大于計算轉(zhuǎn)矩，其最高允許轉(zhuǎn)速為6000，被連接的軸的最高轉(zhuǎn)速不超過所選聯(lián)軸器的允許轉(zhuǎn)速，因此，合用。
3.2.4 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的主軸設(shè)計
軸在機(jī)器中起著傳遞運(yùn)動和動力的關(guān)鍵作用，它還能夠?qū)δ承┙Y(jié)構(gòu)起到支撐作用，是機(jī)器中的重要零件之一。所有能夠運(yùn)動的回轉(zhuǎn)零件，都要通過軸的支撐，才能對轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動進(jìn)行傳遞。綜上所述，軸在機(jī)器中的主要作用是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動和動力。
按照軸在工作中所承受載荷的不同，可以將軸可分為轉(zhuǎn)軸，心軸和傳動軸三類。機(jī)器中最常見的軸是轉(zhuǎn)軸，它在實(shí)際工作中既承受彎矩又承受扭矩。工作中，只承受彎矩而不承受扭矩的軸稱為心軸。只承受扭矩而不承受彎矩的軸稱為傳動軸。網(wǎng)球發(fā)球機(jī)中，為了支撐摩擦輪的轉(zhuǎn)動以及給摩擦輪提供動力，必須使用傳動軸來傳遞動力和運(yùn)動。
與一般零件的通用設(shè)計方法相同，軸的設(shè)計過程主要包括軸的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作情況校核計算兩方面的內(nèi)容。為了能夠合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，需要考慮到軸上工作零件的安裝位置順序、零件的相對位置關(guān)系和軸的加工方法等多方面的內(nèi)容。若果軸的結(jié)構(gòu)不完善，不僅會出現(xiàn)軸的制造成本增加和造成軸上零件裝配困難等問題，甚至?xí)α慵膶?shí)際工作能力產(chǎn)生影響。因此，在軸的設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分關(guān)鍵的一部。下面進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計。
3.2.4.1 求軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
這里，暫取聯(lián)軸器的效率為，軸承的效率為，則可以得到電機(jī)的功率，，電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 因此，可以得到軸上功率，由電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以得到軸的轉(zhuǎn)速，從而可以得到軸上的轉(zhuǎn)矩，其計算過程如下。
（3-11）
式中——軸上所承受的轉(zhuǎn)矩，；
——電機(jī)的額定功率，。
由于整個軸受到的扭矩主要為電機(jī)和聯(lián)軸器連接處的扭矩和摩擦輪對主軸產(chǎn)生扭矩，因此，這兩個扭矩相互平衡，所以可以得到網(wǎng)球作用在摩擦輪上產(chǎn)生的扭矩，。
3.2.4.2 初步確定軸的最小直徑
在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常采用只受到扭矩的作用進(jìn)行軸的最小直徑的估算。首先，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
（3-12）
式中——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；
——軸所受的扭矩，；
——軸的抗扭截面系數(shù)，；
——軸的轉(zhuǎn)速，；
——軸傳遞的功率，；
——計算截面處軸的直徑，。
由式4-1可得，軸的直徑
（3-13）
式中，。
表3-4列出了軸的常用材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力以及的值。
表3-4 軸常用幾種材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力及值
軸的材料
Q235A、20
Q275、35
45
40cr、35SiMn
38SiMnMo、3Cr13
15~25
20~35
25~45
35~55
149~126
135~112
158~103
112~97
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由式4-2結(jié)合表4-1得，最小軸徑為，考慮到軸上鍵槽對軸的削弱作用，軸徑應(yīng)增大15%，即。取整后得到軸的最小直徑為6。
3.2.4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括兩方面的內(nèi)容，一是設(shè)計出軸的具體外形結(jié)構(gòu)，二是確定軸上各部分的具體尺寸參數(shù)。軸的結(jié)構(gòu)會受到很多方面的影響，其中最主要的影響因素有：軸的加工工藝；執(zhí)行機(jī)構(gòu)對軸產(chǎn)生的載荷類型和具體情況；軸在整個機(jī)構(gòu)中與其他零件的相對位置。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般沒有標(biāo)準(zhǔn)的方案，因?yàn)閷S結(jié)構(gòu)的影響因素過多，并且軸的結(jié)構(gòu)形式還會隨著具體的工作情況的改變而改變。因此，在進(jìn)行軸的設(shè)計工作時，必須根據(jù)具體的工作情況進(jìn)行具體分析，不能采用一成不變的方案。
3.2.4.4 擬定軸上零件的裝配方案
在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先需要確定軸上零件的裝配方案，軸的具體結(jié)構(gòu)形式是由軸上零件的裝配方案所決定的。軸上零件的裝配方案本質(zhì)是確定出軸上零件的裝配順序、裝配方向和零件之間的相互關(guān)系。
本文設(shè)計的裝配方案是摩擦輪、擋圈、軸承依次從右向左安裝，左端只裝一個半聯(lián)軸器。這樣，各軸段的粗細(xì)就能大致確定下來。主軸零件裝配方案如圖3-6所示。
圖3-6 主軸零件裝配方案圖
3.2.4.5 確定軸的各段直徑和長度
為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或者軸向的相對運(yùn)動，除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求外，軸上零件都必須進(jìn)行軸向和周向定位，來保證其準(zhǔn)確的工作位置。首先確定軸向定位，軸向定位常用的方法有軸肩定位、套筒定位、軸端擋圈定位、軸承端蓋定位和圓螺母定位，其中軸肩定位是最方便可靠的定位方法。本文各零件的定位情況如下。利用軸肩一可以確定半聯(lián)軸器的右端的定位，利用軸肩二可以確定摩擦輪左端的定位，利用緊定螺釘和擋圈確定摩擦輪右端的定位，利用軸肩三可以的確定滾動軸承左端的定位，最后用軸承端蓋確定滾動軸承右端定位。至此，軸上所有零件的軸向定位都已確定，各零件相對于主軸無法進(jìn)行軸向運(yùn)動。
下面進(jìn)行確定各軸段的直徑和長度。為了軸承裝配的軸向定位，因此，要在第一段左端制造一段軸肩。軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩。定位軸肩的高度一般取。當(dāng)軸的直徑為6時，C值一般為0.5，，可以取軸肩的高度為1。因此第二段軸的直徑為，為了摩擦輪的左端的定位，因此需要在第二段軸徑的左端制造一段軸肩，該軸肩的高度也為1。因此第三段軸的直徑，為了滿足半聯(lián)軸器右端的定位，需要在第四段軸的右端制造出一段軸肩，因此，第四段軸的直徑為。
然后進(jìn)行軸承的初步選擇。根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)的不同，軸承所能承受的載荷大小是不一樣的。因此，當(dāng)承受載荷大小不同時，需要相對應(yīng)選擇不同類型的軸承。滾子軸承中的滾子和內(nèi)外圈之間的主要接觸方式是線接觸，因此，當(dāng)軸承受的載荷較大時，應(yīng)該使用滾子軸承。球軸承中的滾子和內(nèi)外圈之間的主要接觸方式是點(diǎn)接觸，因此當(dāng)軸承受的載荷較小時，應(yīng)該使用球軸承。此外，載荷的方向也會影響軸承類型的選用。當(dāng)軸承承受的載荷為軸向載荷時，則適宜選用推力軸承。軸所承受的軸向載荷較小，就選用推力球軸承；承受的載荷較大，則使用能夠承受軸向載荷的推力滾子軸承。當(dāng)軸承受的載荷主要為徑向載荷時，就不能使用推力軸承了，這時一般需要使用深溝球軸承。當(dāng)軸承所承受的載荷為軸向載荷和徑向載荷共同作用的混合載荷時，一般使用能夠承受較小軸向載荷的較小接觸角的角接觸軸承；當(dāng)所承受的軸向載荷較大時，則必須使用能夠承受較大軸向載荷的軸承同時還要能夠承受徑向載荷的軸承，如接觸角較大的角接觸軸承。除了載荷性質(zhì)和類型之外，軸的旋轉(zhuǎn)速度也會對軸承的類型產(chǎn)生影響。當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速較低時，軸的轉(zhuǎn)速對軸承類型的選擇產(chǎn)生的影響較小，但是軸的轉(zhuǎn)速較大時，就需要使用注意載荷對軸的轉(zhuǎn)速對軸承類型選擇的影響。在軸的旋轉(zhuǎn)速度較大時，應(yīng)該優(yōu)先使用球軸承而不是滾子軸承。
本文中所用到的軸承由于承受的載荷主要為較小的徑向載荷，且由于主軸的轉(zhuǎn)速較高，因此選擇深溝球軸承較為合適。此處選擇的軸承型號為616的深溝球軸承。各軸段長度的確定。按裝軸承的軸端直徑為6，選取的軸承型號為616型的深溝球軸承，這種軸承的寬度為6，一般軸承安裝在主軸上后，可多出一小段距離，因此第一段軸端可以取為8。第二段軸端可以根據(jù)兩擋板之間的距離來確定?？紤]到網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的正常發(fā)球不被阻擋，取第二段軸段的長度為94。第三段軸端主要作用為對聯(lián)軸器和摩擦輪的周向定位，因此取其長度為2即可。最后根據(jù)聯(lián)軸器的安裝要求，取第四段軸段的長度為19。616型軸承結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3-7 616型號軸承
至此主軸各段的直徑和長度已經(jīng)初步確定下來。
軸向定位完全確定下來之后，可以考慮各零件的周向定位。在正常的工種條件下，軸上的零件是不能與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的，除非是由于工作情況要求的零件相對于軸有空轉(zhuǎn)要求的條件下，零件才能與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。因此，零件的周向定位在軸的設(shè)計中有著至關(guān)重要的作用。常用的周向定位的方法主要有鍵連接、花鍵連接、銷連接、緊定螺釘連接和過盈配合連接等，其中緊定螺釘螺釘連接只能用于周向力不大的場合。
半聯(lián)軸器利用鍵連接進(jìn)行周向定位，這樣可以承受較大的周向力，即使承受較大的扭矩，也能保證工作可靠。軸端擋圈由于受到的周向力較小，因此，可以使用緊定螺釘進(jìn)行周向定位。主軸與半聯(lián)軸器則采用過盈連接配合。滾動軸承與軸的配合是基孔制的過盈連接，與擋板的連接是基軸制的過盈連接。至此，軸上所有零件的周向定位都已確定，各零件相對于主軸無法進(jìn)行周向運(yùn)動。
最后確定軸上圓角和倒角的尺寸。主軸圓角和倒角的尺寸可以參考表4-2進(jìn)行確定。
表4-2 不同軸徑對應(yīng)的C或R值
直徑d
>6~10
>10~18
>30~50
>50~80
>80~120
C或R
0.5
0.8
1
1.2
2
由上表可以確定出軸的圓角和倒角半徑尺寸為0.5，取軸端倒角為0.5，各軸肩處圓角半徑為0.5。主軸結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3-8 主軸結(jié)構(gòu)圖
3.2.4.6 軸的剪切強(qiáng)度的校核
由于此軸主要受到扭矩的作用，因此只對其進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件的校核。本設(shè)計方案的主軸上主要受到的載荷為扭矩。因此主要對其進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的校核。主軸受到摩擦輪對其的扭矩。因此，畫出主軸的扭矩圖，如下圖所示。
圖3-9 主軸扭矩圖
下面進(jìn)行主軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的校核，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
（3-14）
代入數(shù)據(jù)，得
（3-15）
查找常用材料的主要力學(xué)性能表，可以得到45號調(diào)質(zhì)鋼的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，實(shí)際剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用剪切應(yīng)力，因此該軸可以滿足使用要求。
3.2.4.7 軸的扭轉(zhuǎn)剛度的校核計算
當(dāng)主軸主要受到扭矩載荷時，若扭矩超過了一定范圍，則軸會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，如果變形量超過了該軸所允許的變形量，就會影響軸上零件的正常工作，嚴(yán)重的甚至造成應(yīng)有的工作性能的喪失。因此有必要對本文主軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的校核。通常以扭轉(zhuǎn)角來度量軸的扭轉(zhuǎn)剛度的大小，以軸的每米長的扭轉(zhuǎn)角來表示軸的扭轉(zhuǎn)變形的大小。圓形階梯軸的扭轉(zhuǎn)角的計算公式如下。
（3-16）
式中——第軸段所承受的扭矩，；
——軸的材料的剪切彈性模量，；
——第i軸段軸截面的極慣性矩，；
——階梯軸承受扭矩作用的總長度，；
——第軸段的長度，；
——階梯軸所承受扭矩的軸段數(shù)。
當(dāng)軸為45鋼時，其剪切彈性模量，由主軸扭矩圖可以得出，承受扭轉(zhuǎn)作用的總長度為44.5，且大小相等，為205.91。圓形截面軸的極慣性矩的計算公式如下。
（3-17）
由扭轉(zhuǎn)角計算公式可以看出，如果某軸段沒有受到扭矩作用的話，那么該軸段是不會對扭轉(zhuǎn)角產(chǎn)生影響的。軸的總長度為123。這里將各軸段的總長度、承受扭矩軸段長度、直徑、極慣性矩和承受扭矩的大小匯總于下表。
表3-5 各軸段具體參數(shù)
軸段
軸段總長度
承受扭矩軸段長度
軸段直徑
極慣性矩
軸段所承受扭矩
1
8
0
6
127.17
0
2
94
23.5
8
401.92
205.91
3
2
2
10
981.25
205.91
4
19
19
8
401.92
205.91
根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)帶入式4-4，求得本設(shè)計方案的軸的扭轉(zhuǎn)角可以通過下式求出。
（3-18）
軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為，而且由于此軸的作用場合要求精度不高，因此，可以取，于是，，符合扭轉(zhuǎn)剛度的要求。
3.2.5 鍵連接的設(shè)計校核
本文設(shè)計方案中，在電機(jī)向軸傳遞運(yùn)動時，摩擦輪與軸的周向定位時使用了鍵連接，因此，需要對該鍵連接進(jìn)行設(shè)計。
3.2.5.1 鍵的分類
鍵屬于標(biāo)準(zhǔn)零件。常常用作周與輪轂之間的周向固定，以實(shí)現(xiàn)兩者運(yùn)動的傳遞，有的鍵連接還能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導(dǎo)向。鍵連接主要分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔形鍵連接和切向鍵連接。
平鍵連接又分為普通平鍵、薄型平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵四種，它們都有各自不同的用途，其中普通平鍵和薄型平鍵主要用于靜連接，薄型平鍵比較適用于薄壁結(jié)構(gòu)、空心軸和其他的徑向尺寸受到限制的場合。導(dǎo)向平鍵和滑鍵則主要用于動連接。
半圓鍵連接主要適用于錐形軸段與輪轂的連接。在工作過程中，主要靠鍵的側(cè)面來傳遞轉(zhuǎn)矩。這種鍵鏈接的有點(diǎn)是工藝性好，便于裝配。缺點(diǎn)是與這種鍵相配合的鍵槽對軸的削弱程度很大，因此一般只適用于載荷較小的靜連接。
楔鍵連接的工作面是鍵的上下兩個面，鍵的上表面和與其相配合的零件鍵槽底面都有一個1:100的斜度。裝配完成后，鍵會楔緊在軸和輪轂的鍵槽中。這種鍵連接在工作時，主要靠鍵的上下兩表面與鍵槽的楔緊作用來傳遞轉(zhuǎn)矩。其優(yōu)點(diǎn)是可以承受單向的軸向載荷，能夠?qū)嗇炦M(jìn)行單向的軸向固定。即使在工作過程中，產(chǎn)生載荷過大的情況，導(dǎo)致所連接軸和零件間產(chǎn)生了相對轉(zhuǎn)動，鍵的側(cè)面會與輪轂的鍵槽側(cè)面相接觸，承受載荷，繼續(xù)進(jìn)行工作。因此楔鍵連接在承受有沖擊或者震動的較大載荷時，也可以保證連接的可靠性。楔鍵連接的主要缺點(diǎn)是楔鍵連接在裝配完成后，軸和零件的配合會產(chǎn)生中心線不重合的情況，因此，楔鍵連接主要用于零件和軸的定心精度要求較低，或者轉(zhuǎn)速較低的情況。
切向鍵是由一對斜度為1：100的楔鍵構(gòu)成。這種鍵連接方式工作面是一對楔鍵沿斜面裝配完成后，相互平行的兩個窄面。而被連接的軸和輪轂上都制造出特殊的能與楔鍵相配合的鍵槽。切向鍵在工作時，主要靠工作面的擠壓力和軸與輪轂之間的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩。但是切向鍵所需要配合的鍵槽對軸的削弱十分大，會使軸的強(qiáng)度有大幅減低，因此，一般只用于直徑大于100的軸。
由于本方案中的鍵連接只是用于半聯(lián)軸器和主軸、摩擦輪和主軸之間的周向定位，不需要進(jìn)行軸向定位和軸向滑動，而且軸截面都是圓形截面。最后，經(jīng)過篩選排除，確定使用普通平鍵作為本方案的周向定位。
普通平鍵又可以按其構(gòu)造不同而分為圓頭平鍵、平頭平鍵和單圓頭平鍵三種。圓頭平鍵一般放在用鍵槽銑刀銑出的鍵槽中，這樣可以使鍵在鍵槽中的軸向固定十分可靠。但是由于圓頭平鍵自身特殊的結(jié)構(gòu)，使鍵頭部的圓形部分與輪轂上的鍵槽不能接觸，導(dǎo)致鍵的圓頭部分不能充分利用，甚至?xí)哟筝S上鍵槽兩端的應(yīng)力集中現(xiàn)象。平頭平鍵適宜放置于盤形銑刀所加工出的鍵槽中，因此，能夠充分利用到鍵的兩側(cè)面，而且不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是對于尺寸較大的鍵，為了防止鍵在鍵槽中發(fā)生相對運(yùn)動，應(yīng)該用緊定螺釘將其固定在鍵槽中。單圓頭平鍵則主要適用于軸端與轂類零件的連接。
3.2.5.2 鍵的選型
首先選擇鍵的類型。鍵的類型鍵的連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來選擇。在本文的設(shè)計方案中，摩擦輪與主軸的周向連接可以使用圓頭平鍵。軸上的鍵槽使用鍵槽銑刀進(jìn)行加工，圓形平鍵配合鍵槽銑刀制造的鍵槽可以使鍵在鍵槽中具有良好的軸向定位，避免影響軸與輪轂的正常連接情況。
然后選擇鍵的尺寸。鍵的截面尺寸和鍵的長度L是鍵的主要尺寸。鍵的截面尺寸包括鍵的寬度和鍵的高度。鍵的截面齒輪一般由鍵的標(biāo)準(zhǔn)中選取，見3-6所示。
表3-6 普通平鍵鍵與鍵槽的設(shè)計尺寸參數(shù)匯總表
軸 徑
鍵 的 公 稱 尺 寸
鍵 槽 尺 寸
軸 槽 深 度
轂 槽 深 度
公稱尺寸
偏 差
公稱尺寸
偏 差
6 ~ 8
2
2
6 ~ 20
1.2
+0.1
0
1
+0.1
0
>8 ~ 10
3
3
6 ~ 36
1.8
1.4
>10 ~ 12
4
4
8 ~ 45
2.5
1.8
>12 ~ 17
5
5
14 ~ 56
3.0
2.3
>17 ~ 22
6
6
14 ~ 70
3.5
2.8
由普通平鍵鍵與鍵槽的設(shè)計尺寸參數(shù)匯總表可以得到，當(dāng)軸徑為8時，鍵的界面尺寸為。因此，選定鍵的截面尺寸。鍵的長度一般可按輪轂的長度而定，即鍵長等于或略短于輪轂的長度。鍵長的選擇應(yīng)該符合鍵的標(biāo)準(zhǔn)系列中的鍵長。根據(jù)最新的國家標(biāo)準(zhǔn)，鍵的標(biāo)準(zhǔn)長度系列主要有。這里摩擦輪與軸結(jié)合的輪轂長度為47，查詢鍵的長度系列表，則可以選擇鍵槽為長度40。因此最終確定下來的鍵的主要尺寸為，鍵長.
鍵槽深度的確定。鍵槽深度會影響到軸的整體強(qiáng)度和輪轂與軸連接的可靠性。如果鍵槽過深，則對軸的削弱程度較大，影響軸的使用壽命；如果鍵槽過淺，則會導(dǎo)致連接的可靠性降低，影響零件與軸的周向固定。軸上的鍵槽和輪轂槽都可以由鍵與鍵槽的設(shè)計尺寸表得出。由普通平鍵鍵與鍵槽的設(shè)計尺寸參數(shù)匯總表可以得到，軸槽深度為1.2，輪轂槽深度為1。
3.2.5.3 鍵連接的強(qiáng)度計算
鍵連接在傳遞轉(zhuǎn)矩時，各零件都由于傳遞扭矩的作用而承受一定的載荷，其受力圖如圖3-10所示。
圖3-10 鍵連接各零件受力圖
如果鍵連接承受的扭矩過大時，會產(chǎn)生失效，鍵連接的主要失效形式為工作面被壓潰，但是當(dāng)承受的扭矩過大時，也會出現(xiàn)鍵被剪斷的可能。因此鍵連接的校核一般按照工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計算。普通平鍵的連接的強(qiáng)度條件如下式。
（3-19）
式中——傳遞的轉(zhuǎn)矩，；
——鍵與輪轂的接觸高度，；
——鍵的工作長度，；
——軸的直徑，；
——鍵、軸、輪轂三者中弱材料的許用擠壓應(yīng)力，，具體數(shù)值見3-7表。
表3-7 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力
許用擠壓應(yīng)力
鍵、轂或軸的材料
載荷性質(zhì)
靜載荷
輕微沖擊
沖擊
鋼
120~150
100~120
60~90
鑄鐵
70~80
50~60
30~45
鍵的工作長度具體是指鍵實(shí)際用來承載的側(cè)面的長度。當(dāng)采用圓頭平鍵時，，當(dāng)采用單圓頭平鍵時，，當(dāng)采用平頭平鍵時，。為鍵的公稱長度。由于本設(shè)計方案采用的為圓頭平鍵，因此鍵的工作長度。
將各數(shù)據(jù)帶入式6-1得，可以得到鍵的擠壓應(yīng)力，