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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 40 頁 共 40 頁
1 緒論
1.1 滾珠絲杠副介紹
滾珠絲杠副主要是由螺桿、螺母循環(huán)系統(tǒng)和滾珠組成，如圖1.1所示。
圖1.1 滾珠絲杠副
滾珠絲杠副是機床和IT、光電、半導(dǎo)體、醫(yī)療等精密設(shè)備上最常用的傳動元件，它的主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換為軸線反覆作用力，同時具有高精度、可逆性和高效率的特點。
1.2 滾珠絲杠的特點及應(yīng)用
1.1.1 滾珠絲杠副的特點
滾珠絲杠副在使用上有很多的優(yōu)點，下列詳述了滾珠絲杠副的的各項特點[1]。
（1） 高效率及可逆性
由于滾珠絲杠的螺桿軸和螺帽都是點接觸的滾動運動，所以其效率可以達到90%以上。所以其傳動扭矩只有傳統(tǒng)絲杠的1/3。
（2） 零背隙及高剛度
數(shù)控機床、半導(dǎo)體設(shè)備等對于傳動絲杠的要求為零背隙、最小彈性變形及高順暢感。滾珠絲杠采用施加預(yù)壓力，來達到數(shù)控機床的重現(xiàn)性及全行程的高剛度。
（3） 高精度
滾珠絲杠采用了哥德式的溝槽形狀、可以使軸向精度調(diào)整得很小，也能輕松的傳動。如果消除軸向間隙，可以使絲杠具有更好的剛度，減少絲杠、螺母和滾珠在承載時的彈性變形，可以達到更高的精度。
（4） 低起動扭矩及順暢度
傳統(tǒng)絲杠因為是金屬與金屬間的面接觸，所以為了克服起動摩擦力，則必須采用較高的起動扭矩。然而滾珠絲杠是由鋼珠滾動接觸，只需很小的起動扭矩就可以克服摩擦力。
（5） 靜音及壽命長
高精度的設(shè)備在快速進給及重負(fù)載操作下，必須要求低噪音和有較長的使用壽命。滾珠絲杠的絲杠、螺母和滾珠都經(jīng)過表面精密加工，在滾動摩擦?xí)r產(chǎn)生的磨損極小，保證了低噪音的效果和較長的使用壽命。
（6） 優(yōu)于氣、液壓制動器的優(yōu)點
如果制動器中采用滾珠絲杠取代傳統(tǒng)的氣壓或液壓起動可以得到許多的優(yōu)點，比如：不會滲漏，不須過濾，省能源及重現(xiàn)性高。
1.2.2 滾珠絲杠副的應(yīng)用范圍
滾珠絲杠的應(yīng)用很廣泛，滾珠絲杠的應(yīng)用已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，在我們周圍很多設(shè)備都離不開滾珠絲杠，下面列出了一些滾珠絲杠的應(yīng)用范圍。
（1） CNC機械：CNC加工中心，CNC車床，CNC銑床，CNC放電加工機，CNC磨床，CNC線切割機等等。
（2） 精密工具機：銑床，磨床，道具磨床，齒輪加工機，車銑復(fù)合機。
（3） 產(chǎn)業(yè)機械：印刷機，造紙機，自動化機械，紡織機，繪圖機，射出成型機。
（4） 電子機械：量測儀器，X-Y平臺，醫(yī)療設(shè)備，工廠自動化設(shè)備，IC封裝機，半導(dǎo)體設(shè)備等等。
（5） 輸送機械：材料搬送設(shè)備，核能反應(yīng)器，高度制動器等等。
（6） 航天航空工業(yè)：飛機襟翼，機場負(fù)載設(shè)備，尾翼制動器等等。
（7） 其他：如天線使用的制動器，閥門開關(guān)裝置，太陽能板伸縮機構(gòu)，電子顯微鏡對焦機構(gòu)等等。
1.3 國內(nèi)外滾珠絲杠的發(fā)展及研究現(xiàn)狀
滾珠絲杠副早在19世紀(jì)末就發(fā)明的，但是因為制造難度過大，很長一段時間沒能投入實際使用。美國通用汽車公司是第一個使用滾珠絲杠副的企業(yè)，它將滾珠絲杠副用于汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上。隨后滾珠絲杠副被逐漸大量使用在汽車，飛機等行業(yè)。相比起國外，我國研究滾珠絲杠副只有不到50年的歷史，我國與國外在絲杠發(fā)展水平上還是有較大的差距。不過隨著科學(xué)技術(shù)的進步和我國的不斷努力，我國在絲杠行業(yè)與國外正在逐漸縮小差距，有些研究領(lǐng)域已經(jīng)趕超國外先進潮流。
1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國在1960成功試制了程控龍門銑床插管式滾珠絲杠副；在1976年成功研制出JCS-014型激光絲杠導(dǎo)程誤差動態(tài)測量儀，并批量生產(chǎn)；1984年第二代滾珠絲杠測量儀研制成功；1992年我國研制成功了第三代3米滾珠絲杠副動態(tài)測量儀；2000年，我國成功研制出了48m/min高速滾珠絲杠副，并在加工中心上得到成功應(yīng)用。
我國在40多年的滾珠絲杠副發(fā)展史中，涌現(xiàn)出了不少著名研究單位和企業(yè)，比如北京機床研究所、南京工藝裝備制造有限公司、山東博特精工股份有限公司等[2]。
目前，國內(nèi)的不少絲杠生產(chǎn)廠家已經(jīng)制造出了高精度的滾珠絲杠副，不再依賴與國外進口，比如北京機床研究所研制出的GCBM4016高速滾珠絲杠副，線速度超過了48m/min。北京機床研究所的絲杠測量儀如圖1.2所示。
圖1.2 絲杠測量儀
我國在滾珠絲杠行業(yè)不斷走以科技為先導(dǎo)的發(fā)展道路，已經(jīng)取得了不少的成就。但是在國際知名度方面還不夠響亮，今后我國絲杠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在不斷追求精益求精的同時，更要在國際舞臺上打響知名度，發(fā)展自己的民族品牌。
1.3.2 國外研究現(xiàn)狀
隨著數(shù)控機床和各種自動化設(shè)備的發(fā)展，促進了滾珠絲杠副的研究和生產(chǎn)。國外出現(xiàn)了不少滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家，世界上比較知名的滾珠絲杠副生產(chǎn)制造商有：日本的黑田精工KURODA公司、THK公司、NSK公司；韓國的SBC公司；美國的SM-SAGINAW公司；英國的POTAX公司等。
日本的NSK公司已開發(fā)出公稱直徑×導(dǎo)程為：20mm×60mm、25mm×80mm超大導(dǎo)程滾珠絲杠副，快速進給速度達到了180m/min。
隨著現(xiàn)在制造技術(shù)的發(fā)展，測量技術(shù)的進步，國際上對滾珠絲杠副產(chǎn)品的質(zhì)量和多樣化的要求越來越強烈。絲杠測量儀的研究也向著智能化、高速化、高精度化、多功能化、開放化、模塊化的方向發(fā)展，計算機技術(shù)、機電一體化技術(shù)、機器人技術(shù)等也被廣泛地應(yīng)用到了滾珠絲杠副產(chǎn)業(yè)。
1.4 課題研究背景及意義
由于滾珠絲杠副具有高效率、高精度、高剛度等特點，被廣泛應(yīng)用于機械、航空、核工業(yè)等領(lǐng)域?，F(xiàn)在，滾珠絲杠副已成為機械傳動與定位的首選部件。隨著機械產(chǎn)品向高速、高效、自動化方向發(fā)展，對滾珠絲杠副的要求也越來越多，普通規(guī)格的滾珠絲杠副已經(jīng)遠遠滿足不了使用要求。工業(yè)機器人、加工中心及機電一體化自動機械的出現(xiàn)，使其進給驅(qū)動速度不斷提高，但是大導(dǎo)程滾珠絲杠副的出現(xiàn)，滿足了高速驅(qū)動的要求[3]。
長期以來，我國過于追求對滾珠絲杠副精度的研究，而在滾珠絲杠副綜合性能的研究上相對滯后，致使產(chǎn)品在性能上與國際先進水平存在較大的差距，這也是制約我國數(shù)控機床向更高檔次發(fā)展的主要原因之一。本課題就是要設(shè)計絲杠測量儀的主軸箱，絲杠測量儀主要用于滾珠絲杠副滾道型面的誤差測量，主軸箱是其主要部件。通過分析機械運動的方式和傳動結(jié)構(gòu)的布局，設(shè)計出合理的主軸箱系統(tǒng)，并使其具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。
1.5 論文主要研究內(nèi)容
論文以“絲杠測量儀主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計”為題，主要進行絲杠測量儀主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算。在設(shè)計過程中，要求做到結(jié)構(gòu)緊湊、可靠，以提高絲杠測量儀主軸箱系統(tǒng)的動力學(xué)性能和精度。通過對系統(tǒng)的分析、設(shè)計與計算等過程，完成絲杠測量儀主軸箱系統(tǒng)的設(shè)計。主要研究內(nèi)容如下：
（1） 分析滾珠絲杠副的基本特點及國內(nèi)外滾珠絲杠產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀。
（2） 分析絲杠測量儀主軸箱系統(tǒng)的特點，進行總傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括擬定傳動方案，選擇合適的電動機，分配傳動比和計算傳動裝置的動力參數(shù)等。
（3） 根據(jù)主軸箱系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，進行各部分零件詳細的設(shè)計，在此階段會涉及到帶輪的設(shè)計，齒輪的設(shè)計，軸的設(shè)計，箱體的設(shè)計等步驟。
（4） 在杠測量儀主軸箱的各部分都設(shè)計完畢后，進行總體裝配設(shè)計，要做到結(jié)構(gòu)合理，并便于裝配與拆卸，即具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。
（5） 對本論文的設(shè)計工作進行全面總結(jié)，總結(jié)設(shè)計中的不足并提出改進意見，對絲杠測量儀的發(fā)展進行展望。
2 主軸箱系統(tǒng)的總體設(shè)計
主軸箱系統(tǒng)的總體設(shè)計主要是進行主軸箱系統(tǒng)的總傳動方案設(shè)計，包括選擇哪些傳動形式，畫出傳動系統(tǒng)簡圖，選擇合適的電動機，確定傳動系統(tǒng)總傳動比并進行傳動比的分配，最后計算出傳動裝置的運動和動力參數(shù)，為后面的詳細設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。
2.1 傳動方案設(shè)計
主軸箱傳動的設(shè)計方案一般用運動簡圖表示。它直觀地反映了工作機、傳動裝置和原動機三者之間的運動和力的傳遞關(guān)系。
傳動方案首先應(yīng)該滿足工作機的性能要求，適應(yīng)工作條件、工作可靠。此外，還應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊、成本低，效率高和便于使用和維護等。因此，因根據(jù)具體的設(shè)計任務(wù)側(cè)重地保證主要設(shè)計要求，選用合理的方案。
根據(jù)任務(wù)書中要求測量工作時主軸轉(zhuǎn)速為8r/min～20r/min，而一般常用電動機的轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min，可初步估算總傳動比可能在50～187.5，傳動比較大，一般的二級圓柱齒輪傳動方案不能達到其要求，故選用多級齒輪傳動。本次設(shè)計方案中選用皮帶輪傳動加四級圓柱齒輪傳動的傳動方案，電動機安裝在床身內(nèi)，床身上安裝絲杠測量儀的主軸箱，主軸箱與電動機之間通過一對皮帶輪進行傳動。由于本次設(shè)計中涉及變速，所以需設(shè)計一對雙聯(lián)齒輪以實現(xiàn)變速功能。傳動裝置運動簡圖如圖2.1所示。
圖2.1 傳動裝置運動簡圖
帶傳動是一種繞性運動。帶傳動的基本組成零件為帶輪（主動帶輪和從動帶輪）和傳動帶，見圖2.2，當(dāng)主動帶輪1轉(zhuǎn)動時，利用帶輪和傳動帶間的摩擦或嚙合作用，將運動和動力通過傳動帶2傳遞給從動帶輪3。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，在近代機械中應(yīng)用廣泛。
圖2.2 帶傳動機構(gòu)運動示意圖
齒輪傳動是機械傳動設(shè)計中最重要的傳動之一，應(yīng)用廣泛，齒輪傳動具有效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；工作可靠、壽命長；傳動比穩(wěn)定等特點。圓柱齒輪傳動不僅具有以上特點，還便于裝配和維修；可以進行變位切削及各種修行、修緣，從而提高傳動質(zhì)量；易于進行精密加工，是機械傳動中應(yīng)用最廣的傳動。
2.2 選擇電動機
原動機的種類，無特殊需要，均選用交流電動機作為原動機。電動機作為系列化產(chǎn)品。機械設(shè)計中僅需根據(jù)工作機的工作情況，合理選擇電動機類型、結(jié)構(gòu)形式、容量和轉(zhuǎn)速，提出具體的電動機型號。
2.2.1 選擇電動機的類型
由于絲杠測量儀的負(fù)載比較平穩(wěn)，對啟動、制動無特殊要求，任務(wù)書中要求采用交流伺服電機驅(qū)動，一般可以選用Y系列三相交流異步電動機。
Y系列三相交流異步電動機具有高效、節(jié)能、起動轉(zhuǎn)矩高、噪聲小、可靠性高、壽命長等優(yōu)點。安裝尺寸和功率等級也完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，一般用于無特殊要求的機械設(shè)備[4]。
2.2.2 選擇電動機的功率
電動機的功率選擇是否合適，對電動機的正常工作和經(jīng)濟性都有影響。功率選得過大則電動機的價格高，能力又得不到充分發(fā)揮，而且由于電動機經(jīng)常不在滿載下運轉(zhuǎn)，其效率和功率因素都較低而造成能源的浪費。
對于載荷比較穩(wěn)定，連續(xù)運轉(zhuǎn)的機械，通常只需使電動機的額定功率等于或稍大于所需電動機的工作功率，即，而不必校驗電動機的發(fā)熱和啟動轉(zhuǎn)矩。
所需電動機工作功率為：
（2.1）
式中：——工作機所需功率，即輸入工作機軸的功率；
——電動機至工作機的傳動裝置的總效率。
工作機所需功率可由工作的工作阻力和運動參數(shù)計算求得，其計算公式
為
（2.2）
式中：——工作機的阻力矩；
——工作機轉(zhuǎn)速；
——工作機的效率。
對于勻速運行，非精確計算求可以套用以下公式：
（2.3）
式中：——軸向負(fù)載；
——絲杠導(dǎo)程；
n1——進給絲杠的正效率。
軸向負(fù)載的計算公式為
（2.4）
式中：——絲杠的軸向切削力；
——導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)；
——移動物體重量；
——重力加速度。
設(shè)軸向切削力不考慮，綜合摩擦系數(shù)，任務(wù)書中要求被測工件重量≤140kg，取=140kg，由式（2.4）可求出：
=0.1×140×9.8N=137.2N
任務(wù)書中滾珠絲杠導(dǎo)程范圍為2mm～40mm，這里取中間值20mm，設(shè)進給絲杠的正效率n1為0.92，由式（2.3）可算得：
=(137.2×20)/(2×3.14×0.92)=474.9N·mm
任務(wù)書中要求測量工作時主軸轉(zhuǎn)速為8r/min～20r/min，這里取10r/min，工作機效率為0.98，由式（2.2）可算得工作機所需功率：
，
由電動機至工作機的總效率可按下式計算：
(2.5)
帶輪傳動效率=0.98，圓柱齒輪傳動效率=0.97，每對軸承效率=0.99，由式（2.5）可算得總效率：
知道了工作機所需功率和總效率，根據(jù)式（2.1）可求得電動機工作功率：
由于電動機的額定功率略大于即可，所以選擇電動機額定功率為0.75kW。
2.2.3 選擇電動機的轉(zhuǎn)速
額定功率相同的同類型電動機，可能有不同的轉(zhuǎn)速。Y系列三相交流異步電動機有四種常用的同步轉(zhuǎn)速，即3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min，低轉(zhuǎn)速電動機的級數(shù)多，外廓尺寸及重量都比較大，價格高，但可使傳動裝置總傳動比及尺寸較?。桓咿D(zhuǎn)速電動機則相反。因此確定電動機轉(zhuǎn)速時，應(yīng)進行分析比較，以確定合理的電動機轉(zhuǎn)速。一般來說，如果沒有特殊要求通常選擇同步轉(zhuǎn)速為1500r/min或1000r/min的電動機[5]。
為了設(shè)計出合理的傳動裝置，電動機轉(zhuǎn)速的選擇范圍可以通過各個傳動副的傳動比范圍和工作機的轉(zhuǎn)速要求來推算出，即
（2.6）
式中：——電動機可選轉(zhuǎn)速范圍；
——傳動裝置總傳動比的合理范圍；
——工作機轉(zhuǎn)速。
傳動裝置推薦的傳動比范圍28～315，任務(wù)書中主軸轉(zhuǎn)速為8r/min～20r/min，由式（2.6）可算得電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍為：
=（28～315）×（8～20）=224r/min6300r/min
符合這一范圍的常用同步轉(zhuǎn)速有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min四種。由于之前已算得電動機的額定功率為0.75kW，符合這一轉(zhuǎn)速范圍的同步轉(zhuǎn)速只有3000r/min、1500r/min、1000r/min三種。
以三種方案作比較，結(jié)果如表2.1所示。
表2.1 電動機方案表
方案
電動機型號
額定功率
同步轉(zhuǎn)速
滿載轉(zhuǎn)速
電動機重量
總傳動比
1
Y80M1-2
0.75
3000
2825
17
282.5
2
Y80M2-4
0.75
1500
1390
18
139
3
Y90S-6
0.75
1000
900
21
91
綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量、傳動比等因素，第3種方案比較合適，選定電動機型號為Y90S-6，其主要技術(shù)參數(shù)列于表2.2。
表2.2 Y90S-6電動機主要技術(shù)參數(shù)
電動機型號
額的功率（kW）
滿載時
轉(zhuǎn)速（r/min）
電流（A）
效率（%）
功率因素
Y90S-6
0.75
900
4
77.5
0.74
Y90S-6電動機主要外形尺寸和安裝尺寸如下圖2.3所示。
圖2.3 電動機外形、安裝尺寸簡圖
按圖2.3所示，Y90S-6電動機主要外形尺寸和安裝尺寸如下表2.3所示。
表2.3 Y90S-6電動機主要外形尺寸和安裝尺寸
H
A
B
C
D
E
F
G
K
AA
AC
AB
AD
HD
L
90
140
100
56
24
50
8
20
10
62
195
180
155
250
320
2.3 傳動裝置總傳動比的確定及各級傳動比的分配
傳動裝置的設(shè)計功率通常要按照實際所需要的電動機工作功率考慮，而轉(zhuǎn)速則按電動機額定功率時的轉(zhuǎn)速（滿載轉(zhuǎn)速）計算。
根據(jù)工作機轉(zhuǎn)速和電動機滿載轉(zhuǎn)速，可以求得傳動系統(tǒng)總傳動比
（2.7）
總傳動比為各級傳動比，相乘，即
（2.8）
合理地分配傳動比，是傳動系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要問題，它將直接影響到傳動系統(tǒng)的外廓尺寸、重量、潤滑及傳動機構(gòu)的中心距等很多方面。合理地分配傳動比，可以有效的減少外廓尺寸、重量，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加合理；合理地分配傳動比，可以使?jié)櫥鼮榫鶆颍垢叩退偌壎寄苓_到良好的潤滑效果；合理地分配傳動比，可以提高系統(tǒng)的傳動效率、傳動穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的使用壽命[6]。但這幾方面的要求不可能同時滿足，因此在分配傳動比時，主要考慮一下幾點：
（1） 各級傳動比都在各自合理范圍內(nèi)，以保證符合各種傳動形式的工作特點和結(jié)構(gòu)緊湊。
（2） 分配各傳動形式的傳動比時，應(yīng)注意各傳動件尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理。
（3） 各傳動件彼此不應(yīng)該發(fā)生干涉碰撞現(xiàn)象。
由式（2.7）可算得傳動裝置的總傳動比
由于設(shè)計的主軸箱為四級齒輪傳動，可由式（2.8）得
合理分配各級傳動比可得帶傳動的傳動比=2，主軸箱中齒輪傳動的傳動比分別為=2.3，=2.5，=2.7，=2.9。
由于涉及到齒輪可以變速，需設(shè)計雙聯(lián)齒輪，第2對齒輪需要設(shè)計成雙聯(lián)齒輪，由2.5變成1.25，這樣總傳動比變成45.5，主軸轉(zhuǎn)速也由10r/min變成20r/min，實現(xiàn)變速功能。
2.4 傳動裝置的運動和動力參數(shù)
各軸由高速至低速依次設(shè)為Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸、Ⅳ軸、Ⅴ軸（主軸）。各軸分布圖如下圖2.4所示。
圖2.4 各軸分布簡圖
并設(shè)，，...——為相鄰兩軸間的傳動比；
，，...——為相鄰兩軸間的傳動效率；
，，...——為各軸的輸入功率kW；
，，...——為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩N·mm；
，，...——為各軸的轉(zhuǎn)速r/min；
則可由電動機軸至主軸方向依次推算，得各軸的運動和動力參數(shù)。
2.4.1 各軸轉(zhuǎn)速
（2.9）
式中：——電動機的滿載轉(zhuǎn)速；
——電動機軸至Ⅰ軸的傳動比。
同理
（2.10）
（2.11）
其余類推。
各軸轉(zhuǎn)速由式（2.9）～式（2.11）得：
Ⅰ軸：
Ⅱ軸：
Ⅲ軸：
Ⅳ軸：
Ⅴ軸：
2.4.2 各軸輸入功率
（2.12）
式中：——電動機的實際輸出功率；
——電動機軸與Ⅰ軸間的傳動效率。
同理
（2.13）
其余類推。
各軸輸入功率由式（2.12）～式（2.13）得
Ⅰ軸：
Ⅱ軸：
Ⅲ軸：
Ⅳ軸：
Ⅴ軸：
2.4.3 各軸輸入轉(zhuǎn)矩
（2.14）
其中電動機軸的輸出
（2.15）
所以
（2.16）
（2.17）
其余類推
各軸輸入轉(zhuǎn)矩由式（2.14）～式（2.17）得
Ⅰ軸：×
Ⅱ軸：
Ⅲ軸：
Ⅳ軸：
Ⅴ軸：
應(yīng)該注意的是：同一根軸上輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩與其輸入功率和轉(zhuǎn)矩不同，一般相差一對軸承效率。
將上述計算得到的運動和動力參數(shù)列于下表2.4。
表2.4 運動和動力參數(shù)表
軸號
功率（kW）
扭矩（N·m）
轉(zhuǎn)速（r/min）
Ⅰ軸
0.614
12.88
455
Ⅱ軸
0.589
28.46
197.8
Ⅲ軸
0.543
68.33
79.13
Ⅳ軸
0.522
177.15
29.3
Ⅴ軸
0.496
488.42
10.1
3 主軸箱系統(tǒng)的詳細設(shè)計
主軸箱系統(tǒng)的詳細設(shè)計計算階段，包括V帶和帶輪的設(shè)計、齒輪的設(shè)計、軸的設(shè)計、箱體的設(shè)計及其他零件的設(shè)計等，它們?yōu)檠b配草圖的設(shè)計做好準(zhǔn)備。
3.1 V帶和帶輪的設(shè)計
3.1.1 V帶的設(shè)計
常用的帶傳動根據(jù)傳動帶的橫截面形狀不同，又可分為平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動和圓帶傳動，見圖3.1。
圖3.1 帶傳動的幾種常見類型
其中，V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也作出相應(yīng)的輪槽。帶傳動時，V帶的兩個側(cè)面和輪槽接觸。槽面摩擦可以提供更大的摩擦力。另外，V帶傳動允許的傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，大多數(shù)V帶已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。V帶傳動的上述特點使它獲得了廣泛的應(yīng)用[7]。這里我們要用到的帶傳動類型就選用V帶傳動，V帶的示意圖見圖3.2。
圖3.2 普通V帶的結(jié)構(gòu)尺寸
標(biāo)準(zhǔn)普通V帶是用多種材料制成的無接頭環(huán)形帶，它的帶型可分為Y、Z、A、B、C、D、E7種，這里我們選用Y型普通V帶，其截面尺寸如下表3.1所示。
表3.1 V帶的截面尺寸
普通V帶的類型
節(jié)寬（mm）
頂寬（mm）
高度（mm）
楔角
Y
5.3
6
4
40°
3.1.2 帶輪的設(shè)計
根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速，傳動比等已知相關(guān)條件，確定帶輪的材料，結(jié)構(gòu)形式，輪槽、輪輻和輪轂的幾何尺寸、公差和表面粗糙度以及相關(guān)技術(shù)要求[8]。
常用的帶輪材料為HT150或HT200.轉(zhuǎn)速較高時可以采用鑄鋼或用鋼板沖壓后焊接而成。小功率時可用鑄鋁或者塑料。帶輪的轉(zhuǎn)速在上面已經(jīng)算出，連著發(fā)動機軸的小帶輪轉(zhuǎn)速為910r/min，即為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速；大帶輪的轉(zhuǎn)速為455r/min，傳動比為2。這里帶輪的材料選HT200。
V帶輪由輪緣、輪輻和輪轂組成，根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的不同，V帶輪可以分為實心式、腹板式、孔板式、橢橢圓輪輻式。
V帶輪的結(jié)構(gòu)形式與基準(zhǔn)直徑有關(guān)，當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑為，可采用實心式。為安裝帶輪的軸的直徑，即為電動機軸的直徑，為24mm；為小帶輪的基準(zhǔn)直徑為36mm。小帶輪的尺寸圖如下圖3.3所示。
圖3.3 小帶輪的尺寸圖
大帶輪采用孔板式的結(jié)構(gòu)，其尺寸圖如下圖3.4所示。
圖3.4 大帶輪的尺寸圖
V帶輪的輪槽與選用的V帶型號相對應(yīng)。V帶輪安裝到輪槽中以后，一般不應(yīng)該超出帶輪外圓，也不應(yīng)該與輪槽底部接觸。輪槽表面的粗糙度為。
3.1.3 V帶傳動的張緊與安裝
V帶傳動運轉(zhuǎn)一段時間以后，會因為帶的塑性變形和磨損而松弛。為了保證帶傳動正常工作，應(yīng)定期檢查帶的松弛程度，采取相應(yīng)的補救措施[8]。常見的有以下幾種。
（1） 定期張緊裝置
采用定期改變中心距的方法來調(diào)節(jié)帶的初拉力，使帶重新張緊。
（2） 自動張緊裝置
將裝有帶輪的電動機安裝在浮動的擺架上，利用電動機的自重，使帶輪隨同電動機繞固定軸擺動，以自動保持初拉力。
（3） 采用張緊輪的張緊裝置
當(dāng)中心距不能調(diào)節(jié)時，可采用張緊輪將帶張緊。
V帶傳動在安裝時，各帶輪的軸線應(yīng)相互平行，各帶輪相對應(yīng)的V型槽的對稱面應(yīng)重合，誤差不得超過20＇。
3.2 齒輪的設(shè)計
齒輪為絲杠測量儀主軸箱中的主要傳動零件，由上面?zhèn)鲃友b置的運動及動力參數(shù)算得的數(shù)據(jù)及任務(wù)書所給的工作條件，為傳動零件的設(shè)計計算提供了原始數(shù)據(jù)。
3.2.1 傳動零件的特性及材料選擇
在齒輪使用的過程中，常會發(fā)生齒輪失效的情況，常見的齒輪失效形式有齒輪折斷、齒面磨損、齒面點蝕、齒面膠合、塑性變形等形式，為了對抗齒輪失效，可以采用減小齒面粗糙度值，適當(dāng)選配主、從動齒輪的材料及硬度，進行適當(dāng)磨合，以及選用合適的潤滑劑等方法[9]。
由輪齒的失效形式可知，設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬、齒芯要韌。
常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵、非金屬材料等。而最常用來制作齒輪的材料為鋼，鋼材有很多優(yōu)點，鋼材韌性好，耐沖擊，還可以通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面的硬度，故最適于用來制造齒輪。
除尺寸過大或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜只宜鑄造者外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在0.15%～0.6%的碳鋼或合金鋼。
對于強度、速度及精度都要求不高的齒輪，應(yīng)采用軟齒面（硬度≤HBS）以便于切齒，并使刀具不致迅速磨損變鈍。因此，應(yīng)將齒輪毛坯經(jīng)過?；ㄕ穑┗蛘{(diào)質(zhì)處理后切齒。切制后即成成品。其精度一般為8級，精切時可達7級。這類齒輪制造簡便、經(jīng)濟、生產(chǎn)率高[10]。
3.2.2 齒輪的設(shè)計計算
選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
（1） 按本次設(shè)計的傳動方案，選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動。
（2） 絲杠測量儀為一般工作機器，速度不高，根據(jù)表3.2選用7級精度（GB 10095-88）。
表3.2 各類機械所用的齒輪傳動的精度等級范圍
機器名稱
精度等級
機器名稱
精度等級
汽輪機
3～6
拖拉機
6～8
金屬切削機床
3～8
通用減速器
6～8
航空發(fā)動機
4～8
鍛壓機床
6～9
輕型汽車
5～8
起重機
7～10
載重汽車
7～9
農(nóng)業(yè)機械
8～11
（3） 材料選擇。由下面的表3.3選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，兩者材料硬度差為40HBS。
40Cr鋼是我國機械制造業(yè)使用最為廣泛的鋼之一，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。
45號鋼表面硬度較低，不耐磨，但是調(diào)質(zhì)后可以提高零件表面硬度。
表3.3 常用齒輪材料及其力學(xué)特性
材料牌號
熱處理方法
強度極限
（MPa）
屈服極限
（MPa）
硬度
齒芯部
齒面
ZG340-640
調(diào)質(zhì)
700
380
241～269
45
650
360
217～255
30CrMnSi
1100
900
310～360
35SiMn
750
450
217～269
38SiMnMo
700
550
217～269
40Cr
700
500
241～286
（4） 初選小齒輪齒數(shù)=21，=2.3×21=48.3，取=48。
按齒面接觸強度設(shè)計
按照設(shè)計計算公式進行試算，公式為
（3.1）
確定公式內(nèi)各數(shù)據(jù)的數(shù)值。
（1） 試選取得載荷系數(shù)為=1.3。
（2） 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩為。
（3） 式中齒寬系數(shù)查取齒寬系數(shù)表可得=0.4。
（4） 鍛鋼的彈性影響系數(shù)為。
（5） 為區(qū)域系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時取2.5。
（6） 按齒面硬度小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。
（7） 齒輪的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按下式計算。假設(shè)絲杠測量儀工作壽命為7年，每年工作300天，每天工作8小時。
（3.2）
式中：——齒輪的轉(zhuǎn)速；
——齒輪每轉(zhuǎn)一圈時，同一齒面嚙合的次數(shù)；
——齒輪的工作壽命。
由式（3.2）可算出應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
（8） 由接觸疲勞壽命系數(shù)圖查得；。
（9） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力。
取失效概率為1%，安全系數(shù)=1，其計算公式為：
（3.3）
由式（3.3）可算得接觸疲勞許用應(yīng)力：
齒輪參數(shù)的計算。
（1） 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。由式（3.1）得
（2） 計算齒輪轉(zhuǎn)動時的圓周速度。
其計算公式為：
（3.4）
由式(3.4)計算得圓周速度：
（3） 計算齒輪的齒寬。
（3.5）
由齒寬計算公式（3.5）求得齒寬:
（4） 計算齒寬與齒高之比。
齒輪的模數(shù)
齒輪的齒高
齒輪的齒寬與齒高之比
（5） 計算載荷系數(shù)。
齒輪載荷系數(shù)計算公式為
（3.6）
根據(jù)，7級精度，由動載系數(shù)表查得查得動載系數(shù)；
由使用系數(shù)表查得使用系數(shù)；在直齒輪中，；
在7級精度、小齒輪相對支承軸非對稱布置時，用插值法查齒向載荷分布系數(shù)表可得。
由，查得；故由式（3.6）求得載荷系數(shù)：
（6） 按實際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑為，
（3.7）
由式（3.7）求得：
7) 計算模數(shù)。
（3.8）
由模數(shù)計算公式（3.8）得：
按齒根彎曲強度設(shè)計。
彎曲強度的設(shè)計公式為：
（3.9）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值。
（1） 小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲強度極限；
（2） 取彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
（3） 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式（3.3）得
（4） 計算載荷系數(shù)。
由式（3.6）得
（5） 查取齒形系數(shù)。
查得齒形系數(shù)；。
（6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)。
查得應(yīng)力校正系數(shù)；。
（7）計算大小齒輪并加以比較。
計算后比較可以得出大齒輪的數(shù)值大。
由式（3.9）得：
齒輪的模數(shù)是由齒根彎曲強度所決定的，按齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)為1.379，可以選取的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為1.5，按照接觸強度算得的分度圓直徑，可以算得小齒輪的齒數(shù)為
大齒輪齒數(shù)，取。
這樣設(shè)計出來的齒輪傳動，不但滿足了齒根彎曲疲勞強度，而且滿足了齒面接觸疲勞強度，并且做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免了浪費。
幾何尺寸的計算
（1） 計算分度圓直徑
由式（3.8）計算得
（2） 計算中心距
中心距計算公式為:
（3.10）
由式（3.10）求得中心距
（3） 計算齒輪的寬度
取，。
3.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制齒輪零件圖
為了便于設(shè)計，現(xiàn)將上述算得的直齒圓柱齒輪傳動幾何尺寸列于表3.4中。
表3.4 齒輪參數(shù)
名稱
代號
計算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
25
58
模數(shù)
1.5
分度圓直徑
37.5
87
齒頂高
1.5
1.875
3.375
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
40.5
90
齒根圓直徑
33.75
83.25
基圓直徑
32.24
81.75
中心距
62.25
齒輪寬度
20
15
通過齒輪傳動的強度計算，只能確定出齒輪的主要尺寸，如上表3.4中所示的齒數(shù)、模數(shù)、分度圓直徑等，而不能確定齒輪的結(jié)構(gòu)形式，比如齒圈、輪輻、輪轂等。
齒輪的幾何尺寸、材料、加工方法、使用要求等因素都會影響到齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須對上面的各方面因素進行綜合考慮。通常是先根據(jù)齒輪的直徑大小，選擇是用實心式還是腹板式，還是其他結(jié)構(gòu)形式，然后在根據(jù)實際情況和經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。上述計算的一對齒輪中，小齒輪可以設(shè)計成實心式結(jié)構(gòu)，大齒輪可以設(shè)計成腹板式結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計可以減輕齒輪的重量，并可使齒輪的固有頻率降低，從而降低齒輪嚙合時的噪聲。
繪制零件圖如下圖3.5所示。
圖3.5 大齒輪零件圖
重復(fù)上述計算齒輪的過程，可分別計算求出第2、3、4對齒輪的尺寸參數(shù)。
第3對齒輪的尺寸參數(shù)列于下表3.5。
表3.5 第3對齒輪參數(shù)
名稱
代號
計算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
23
62
模數(shù)
2.5
分度圓直徑
57.5
155
齒頂高
2.5
齒根高
3.125
齒全高
5.625
齒頂圓直徑
62.5
160
齒根圓直徑
51.25
148.75
基圓直徑
54
145.65
中心距
106.25
齒輪寬度
28
23
第4對齒輪的尺寸參數(shù)列于下表3.6。
表3.6 低速級齒輪參數(shù)
名稱
代號
計算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
22
64
模數(shù)
3
分度圓直徑
66
192
齒頂高
3
齒根高
3.75
齒全高
6.75
齒頂圓直徑
72
198
齒根圓直徑
58.5
184.5
基圓直徑
62.2
180.42
中心距
129
齒輪寬度
31
26
主軸箱軸第2對齒輪為雙聯(lián)齒輪，雙聯(lián)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計不同于一般普通齒輪，這里拿出來單獨考慮。
雙聯(lián)齒輪就是兩同軸而又相隔一定距離的齒輪做成一體既為雙聯(lián)齒輪，常見的雙聯(lián)齒輪見圖3.6，一般為同模數(shù)，多用于變速箱的移滑齒輪。它的作用就是改變輸出軸的轉(zhuǎn)速或速度。齒輪箱里，有移滑齒輪就可以有多種轉(zhuǎn)速或速度，沒有移滑齒輪就只有一種轉(zhuǎn)速或速度。使用雙聯(lián)齒輪不僅可以實現(xiàn)變速，還減少空間，減少主軸箱的體積，便于實現(xiàn)集中控制。
雙聯(lián)齒輪的撥動一般使用撥叉來控制，在雙聯(lián)齒輪中間設(shè)計一個撥叉槽，撥叉后面固定在撥叉桿上，撥叉叉子部分卡在撥叉槽中，用操作桿控制撥叉桿的移滑來實現(xiàn)撥動雙聯(lián)齒輪。
圖3.6 常見雙聯(lián)齒輪
本次設(shè)計方案中的雙聯(lián)齒輪尺寸參數(shù)見表3.7，零件圖見圖3.7。
表3.7 雙聯(lián)齒輪參數(shù)
名稱
代號
計算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
22，34
55，43
模數(shù)
2
分度圓直徑
44，68
110，86
齒頂高
2
齒根高
2.5
齒全高
4.5
齒頂圓直徑
48，72
114，90
齒根圓直徑
39，63
105，81
基圓直徑
43.23，69.16
166.80，103.74
中心距
77
齒輪寬度
23
18
圖3.7 雙聯(lián)齒輪零件圖
3.3 傳動軸的設(shè)計
軸是支撐轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運動、扭矩或彎矩的機械零件，它是組成機器的主要零件之一。軸一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑，機器中作為回轉(zhuǎn)運動的零件就裝在軸上。
3.3.1 軸的分類和材料
根據(jù)軸線形狀不同，軸可以分為曲軸和直軸兩類。根據(jù)軸的承載情況，又可分為：轉(zhuǎn)軸，工作時既承受彎矩又承受扭矩，是機械中最常見的軸，如各種減速器中的軸等；心軸，用來支撐轉(zhuǎn)動零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動，如支撐滑輪的軸等；傳動軸，主要用來傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機移動機構(gòu)中的長光軸、汽車的驅(qū)動軸等[11]。
長期承受交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞是軸的主要失效形式。因此，對軸的材料要求是具有較好的強度、韌性，與軸上零件有相對滑動的部分還應(yīng)具有較好的耐磨性。
軸的材料主要是用碳素鋼或合金鋼，也可以采用球墨鑄鐵或合金鑄鐵。在工程中一般廣泛采用35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，對于輕載和不重要的軸也可以采用Q235、Q275等普通碳素鋼。合金鋼常用于高溫、高速、重載以及結(jié)構(gòu)要求緊湊的軸中，它有較高的力學(xué)性能，但價格較貴，對應(yīng)力集中敏感，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須盡量減少應(yīng)力集中。球墨鑄鐵比較耐磨，價格低，但可靠性差，一般用于形狀復(fù)雜的軸。
本次設(shè)計中由于主軸箱傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選擇常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
3.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，為軸設(shè)計的重要步驟。它與軸上安裝零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式，載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況，軸承的類型與尺寸，軸的毛坯、制造和裝配工藝、安裝及運輸，對軸的變形等因素有關(guān)。在設(shè)計時可根據(jù)軸的具體要求進行設(shè)計，必要時可做幾個方案進行比較，以便選出最佳設(shè)計方案，以下是一般軸結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：1、節(jié)約材料，減輕重量，盡量采用等強度外形尺寸或大的截面系數(shù)的截面形狀；2、易于軸上零件精確定位、穩(wěn)固、裝配、拆卸和調(diào)整；3、采用各種減少應(yīng)力集中和提高強度的結(jié)構(gòu)措施；4、便于加工制造和保證精度。
（1） 各軸直徑的確定
初估軸徑后，按Ⅰ軸（見圖3.8）上零件的安裝順序，從左端開始確定直徑，該軸1段安裝帶輪，故直徑取10mm。2段為非定位軸肩，取12mm。3段安裝深溝球軸承，故該段直徑為15mm。4段安裝齒輪為了便于安裝，取4段為18mm。5段為定位軸肩，取直徑為22mm。6段為定位軸肩，高度必須低于軸承內(nèi)圈端面的高度，取直徑為17mm。7段安裝深溝球軸承61804，該段直徑和3段一樣為15mm。
圖3.9 Ⅰ軸尺寸圖
（2） 軸段長度的確定
軸段安裝帶輪，取長度為帶輪寬度為18mm。2段為1段與3段之間的軸肩，根據(jù)實際情況取長度為40mm。3段為深溝球軸承的寬度和箱體內(nèi)壁到齒輪端面的距離加上1.5mm，總長為21.5mm。4段應(yīng)比齒輪寬略小1.5mm，為18.5mm。5段為軸肩長度，為5mm。6段長度為172mm。7段為深溝球軸承的寬度，為7mm。
（3） 軸上零件的周向固定
為了保證良好的對中性，齒輪與軸選用過盈配合H7/r6。齒輪與離合器軸均采用普通平鍵聯(lián)接，根據(jù)下面的表3.8查得安裝帶輪的軸段使用3×3的鍵，安裝齒輪的軸段使用6×6的鍵。
（4） 軸上倒角與圓角
為了保證深溝球軸承的內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊的推薦，軸的左右端倒角均為2×45℃。
計算完第Ⅰ軸的數(shù)據(jù)，接下來要計算第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的各段直徑和各段長度。計算方法與上面類似，這里就不一一寫出計算過程了，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的尺寸圖如下圖3.9所示。
圖3.9 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的尺寸圖
3.4 箱體的設(shè)計
絲杠測量儀主軸箱的箱體是用來支持和固定軸系零件的，在一臺機器的總重量中占有很大的比例，，同時也在很大程度上影響著機器的工作精度及抗振性能。所以正確選擇箱體零件的材料和正確設(shè)計其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機器重量、節(jié)約金屬材料、提高工作精度、增強機器剛度及耐磨性等的重要途徑。
絲杠測量儀的箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，剛度要求也較高，因而通常都為鑄造。鑄造的材料常用便于施工又價廉的鑄鐵。
箱體的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小，決定于安裝在它的內(nèi)部或外部的零件和部件的形狀和尺寸及其相互配置、受力與運動情況等。設(shè)計時，應(yīng)使所裝的零零件便于裝拆與操作。為此，在主軸箱的一側(cè)，可以開一個敞開的空心矩形截面，便于主軸箱中齒輪等零件的安裝與拆卸。然后用一塊鋼板來密封這個矩形截面，可以采用螺栓連接。
箱體的一些結(jié)構(gòu)尺寸，如壁厚、凸臺高度等，對箱體的工作能力，材料消耗、質(zhì)量和成本，均有重大影響。對于這些，可以按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)和比照現(xiàn)用的類似的主軸箱部件進行設(shè)計，本次設(shè)計方案中，壁厚設(shè)計為8mm。
在關(guān)于增強箱體的剛度方面，應(yīng)該盡量采用完全封閉的結(jié)構(gòu)，但考慮到實際情況，比如箱體底部與導(dǎo)軌的接觸，一面敞開的空心矩形截面，安裝軸的箱體上凸臺設(shè)計等情況，不可能完全封閉。但在設(shè)計時，不必要的孔數(shù)應(yīng)盡量減少。
箱體底部接觸的是燕尾槽型導(dǎo)軌，所以箱體底部應(yīng)該按照導(dǎo)軌的形狀尺寸設(shè)計成燕尾槽型的，以便于與導(dǎo)軌相互配合。箱體底部兩側(cè)還要設(shè)計一對底座，以便于固定在床身上，底座與床身可以采用螺栓固定。
由于整個箱體采用鑄造加工，需要考慮到鑄造圓角，整個箱體的頂部可以采用R為8mm的鑄造圓角，頂端得內(nèi)部采用R為3mm的鑄造圓角，其他部位則分別采用R為1mm～3mm的鑄造圓角。
由于要考慮到有雙聯(lián)齒輪的變速操作，箱體上要為操作手柄做相關(guān)的設(shè)計工作。箱體上還要有考慮到有銘牌，上面需要向用戶提供絲杠測量儀的一些技術(shù)數(shù)據(jù)和使用指導(dǎo)等。
另外，在機器工作時，絲杠測量儀主軸箱內(nèi)總要產(chǎn)生振動并引發(fā)出噪聲，對周圍的人員、設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量等都會帶來損害與污染，因而隔振也是設(shè)計箱體時應(yīng)該同時考慮的問題。
設(shè)計的箱體的的三維造型圖如下圖3.10所示。
圖3.10 箱體三維造型圖
3.5 鍵聯(lián)接和軸承的選擇
3.5.1 平鍵的選擇
鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導(dǎo)向。
一般常用的鍵連接都是普通平鍵連接，圖3.11為普通平鍵連接的結(jié)構(gòu)形式。鍵的兩端面是工作面，工作時，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞扭矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間則留有間隙。平鍵連接具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、對中性較好等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用[12]。
圖3.11 普通平鍵連接
鍵的選擇主要包括鍵的類型選擇和尺寸選擇。本次課程設(shè)計中平鍵都是普通平鍵連接，鍵的尺寸大小主要取決于軸徑d，不同軸徑則鍵的大小也不同，軸徑與鍵的大小關(guān)系見下面表3.8。
表3.8 普通平鍵的主要尺寸
軸的直徑
6～8
8～10
10～12
12～17
17～22
22～30
30～38
38～44
鍵寬b×鍵高h
2×2
3×3
4×4
5×5
6×6
8×7
10×8
12×8
鍵的長度系列L
6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，...
根據(jù)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可分別選擇各軸上使用的平鍵的規(guī)格。Ⅰ軸分別選用3×3×12與6×6×14的平鍵；Ⅱ軸選擇3×3×10的平鍵；Ⅲ軸選擇8×7×22的平鍵；Ⅳ軸選擇10×8×20與10×8×25的平鍵；Ⅴ軸選擇10×8×20的平鍵。
3.5.2 花鍵的選擇
花鍵分為內(nèi)畫鍵和外花鍵，見圖3.12，內(nèi)外花鍵均為多齒零件，在內(nèi)圓柱表面上的花鍵為內(nèi)畫鍵，在外圓柱表面上的花鍵為外花鍵，花鍵連接是平鍵連接在數(shù)目上的發(fā)展?；ㄦI可以是固定連接，也可以是滑動連接[13]。
圖3.12 矩形花鍵連接
由于結(jié)構(gòu)形式和制造工藝不同，與平鍵連接相比，花鍵連接在強度、工藝和使用方面有下列特點：因為在軸上與轂孔上均勻地制出較多的齒和槽，故受力比較均勻；齒數(shù)較多，總接觸面積較大，因而可以承受較大的載荷；導(dǎo)向性好，這對動連接很重要；可以用磨削的方法提高加工精度和連接質(zhì)量[14]。
花鍵常用于定心精度要求高、傳遞轉(zhuǎn)矩大或經(jīng)?；频倪B接的場合，本次設(shè)計方案中的雙聯(lián)齒輪與軸的連接就需要用到花鍵連接。
矩形花鍵的基本尺寸有小徑d、大經(jīng)D、鍵槽寬B。鍵寬規(guī)定為偶數(shù)，一般可選為6。上述設(shè)計中Ⅱ、Ⅲ軸就需要設(shè)計成花鍵軸，其中Ⅱ軸中的矩形花鍵小徑為20mm，大徑為23mm；Ⅲ軸中小徑為28mm，大徑為32mm。
對于矩形花鍵的形位公差有如下規(guī)定：因為小徑是花鍵連接的定心尺寸，必須保證其配合性質(zhì)，所以內(nèi)、外花鍵小徑d的極限尺寸應(yīng)遵守包容原則，即花鍵孔和軸的小徑不能超過最大實體邊界；為保證裝配性和鍵側(cè)受力均勻，規(guī)定花鍵的位置度公差應(yīng)遵守最大實體原則，即不能超過實效邊界。
3.5.3 滾動軸承的選擇
滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動的零件。滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)的工廠大量制造及供應(yīng)各種常用規(guī)格的軸承，滾動軸承具有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點[15]。常見的滾動軸承實物圖見圖3.13。
圖3.13 滾動軸承實物圖
常見的滾動軸承有深溝球軸承、圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承、推力球軸承等，不同的滾軸軸承有不同的性能和特點，本次設(shè)計的絲杠測量儀主軸箱中選用常見的深溝球軸承。深溝球軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小，在高轉(zhuǎn)速時，可用來承受純軸向載荷。深溝球軸承一般都大量生產(chǎn)，價格最低。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的選用的深溝球軸承型號分別為61803、61804、61805、61806、61807。軸承與軸的連接見圖3.14。
圖3.14 軸承CAD連接圖
除了使用深溝球軸承，在第Ⅴ軸，即主軸上還需使用一對可用承受軸向載荷的軸承，這里選用角接觸球軸承。角接觸球軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷。由于一個軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對使用。承受軸向載荷的能力與接觸角α有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高，這里選用60°角接觸球軸承。
滾動軸承選用好以后，還要考慮到滾動軸承的潤滑。潤滑對于滾動軸承具有重要意義，軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦力，還可以起著散熱、減小接觸應(yīng)力，吸收振動，防止銹蝕等作用。
軸承常用的潤滑方式有油潤滑和脂潤滑兩類，本次設(shè)計的主軸箱采用油潤滑的方式，潤滑油的主要性能指標(biāo)是粘度，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)選用粘度越低的潤滑油；載荷越大，應(yīng)選用高粘度的潤滑油。
3.6 軸承蓋的設(shè)計
軸承蓋用于固定軸承，調(diào)整軸承間隙并承受軸向力。軸承蓋一般有嵌入式和凸緣式兩種，但嵌入式軸承蓋設(shè)計簡單但是密封性差，目前這種結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)實踐中已很少采用。凸緣式軸承高調(diào)整軸承間隙比較方便，密封性能也好，所以用得較多。這種端蓋大多數(shù)采用鑄造件，所以要考慮鑄造工藝，盡量使整個厚度均勻。
為了調(diào)整軸承間隙，端蓋與箱體之間應(yīng)該放置若干08P的軟鋼片或紫銅片組成的調(diào)整墊片。
軸承蓋的結(jié)構(gòu)示意圖見3.15。
圖3.15 軸承蓋零件圖
4 主軸箱的裝配工藝性
機械裝置的裝配是機械制造中最后的工藝環(huán)節(jié)，它將最終保證機械產(chǎn)品的質(zhì)量。如果裝配工藝制定不合理，即使所有零件都符合質(zhì)量要求，也不能裝配出合格的產(chǎn)品。只有做好裝配的各項準(zhǔn)備工作，選擇適當(dāng)?shù)难b配方法，才能高質(zhì)量、高效率、低成本地完成裝配任務(wù)。
4.1 裝配的概念
裝配是一個多層次的工作。零件是組成機器不可再分的基本單元，若干個零件組成組成。例如，主軸箱中的主軸與其上的鍵、齒輪、墊片、套筒、軸承組成了主軸組件。
將零件、合件裝配成組件稱為組裝。將零件、合件和組件裝配成部件稱為部裝。將零件、合件、組件和部件最終裝配成機器稱為總裝。
裝配不僅是最終保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，而且在裝配過程中可以發(fā)現(xiàn)機器在設(shè)計和制造中存在的問題，如在設(shè)計上的錯誤和結(jié)構(gòu)工藝性不好，零件加工過程中存在的質(zhì)量問題以及裝配工藝本身的問題，從而在設(shè)計、制造和裝配方面不斷改進[16]。
4.2 裝配的內(nèi)容
裝配不只是將合格的零件簡單地連接起來，它包含一系列內(nèi)容：
（1） 清洗
徑檢驗合格的零件，裝配前要經(jīng)過認(rèn)真清洗，其目的是去除粘附在零件上的灰塵、切屑和油污，并使零件具有一定的防銹能力。滾動軸承用汽油清洗，其他零件有煤油清洗。
（2） 聯(lián)接
這是裝配的主要工作。在本次設(shè)計的主軸箱中，先把主軸箱固定在床身上，用螺栓進行固定。然后在箱體兩端的孔中裝入第Ⅰ根軸，在裝入齒輪，齒輪從背面的開口中裝入，在依次裝入套筒，軸承，調(diào)整墊片，軸承端蓋等零件，最后用螺釘把軸承端蓋固定。按照上述方法依次再裝入第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸，最后用蓋板把開口密封住。
（3） 校正和調(diào)整
在裝配過程中，完全靠零件互換裝配以保證裝配精度往往是不經(jīng)濟的，甚至是不可能的，所以在裝配過程中常常要做校正和調(diào)整。
校正是指相關(guān)零、部件間相互位置的找正、找直、找平及相應(yīng)的調(diào)整工作。比如主軸中心與尾架中心等高的校正等。
調(diào)整是指相關(guān)零、部件間相符位置的調(diào)節(jié)工作。比如軸承間隙、導(dǎo)軌間隙的調(diào)整等。
（4） 試驗與驗收
主軸箱裝配完成后，要按照有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進行試驗和驗收，比如相互位置精度和相對運動精度的驗收等。
結(jié)束語
經(jīng)過幾個月的忙碌的學(xué)習(xí)，終于完成了絲杠測量儀主軸箱的設(shè)計。從一開拿到畢業(yè)設(shè)計題目的迷茫，然后在圖書館和網(wǎng)上查閱