搭页机传动结构设计及运动仿真

搭页机传动结构设计及运动仿真摘要本课题主要是搭页机传动结构的设计，搭页机是印刷设备的组成部分之一，主要用于骑马装订联动生产线。本文搭页机传动系统是通过齿轮和链传动实现的。文章主要对齿轮的类型、精度、材料及齿数进行了选择，按齿面接触强度设计，计算齿轮的主要参数，并且用齿根弯曲疲劳强度验算。通过计算与校核，能完成搭页机所要完成的功能。文章介绍了滚子链传动的设计计算和链传动的润滑方法的介绍。通过整体方案的设计使系统整体性更强，增加了搭页机的实用性。它的结构是用绘图软件进行计算机辅助设计完成的。文章最后对本文进行了总结，对印后设备的经济发展和未来的发展前景作了简单的分析和展望。关键词：骑马装订联动机，搭页机，传动结构VIIAbstractPage of this issue is mainly take the structural design for drive, take the pages machine is an integral part of printing equipment, mainly for riding binding interaction line.This text takes the page machine drive system to pass gear and chain transmission realize. The article mainly carried on a select to type, accuracy and material and tooth number of gear and got in touch with an intensity design according to the tooth face, the main parameter of computing gear, and use deddendum bent fatigue strength checking computation. Pass computing and pit in the school, can complete to take the finished function that page machine wants. The article introduced the design computing of the chain transmission and the lubricating method of the chain transmission. Pass the design of whole scheme to make system whole stronger, raised the function of taking the page machine. Its structure is to use to paint software progress a calculator assistance design complete.The paper also after printing equipment for the economic development and the future development prospects are simple analysis and prospects, and the design of things are summarized.Key words ：Horse riding machine binding interaction，Page machine ride， Transmission structure目录第一章前言11.1 选题背景11.2 研究意义11.3 课题介绍31.3.1 我国骑马联动机产品介绍31.3.2 国外骑马装订联动机技术的发展51.3.3 印后设备的发展趋势61.4 课题研究的基本内容，拟解决的主要问题61.4.1 研究基本内容61.4.2 拟解决的问题7第二章搭页机机械结构设计82.1 齿轮传动结构设计82.1.1 齿轮传动的设计准则92.1.2 齿轮机构的设计与计算92.1.3 轮齿的失效形式142.2 链传动的结构设计162.2.1 滚子链传动的设计计算172.2.2 链传动的失效形式192.2.3 小结202.3 变速机构的设计212.4 传动轴的设计212.4.1 轴的结构设计212.4.2 传动轴的设计计算22第三章三维建模与运动仿真243.1 齿轮的建模243.2 齿轮啮合过程的仿真273.2.1 齿轮啮合的装配273.2.2 仿真过程的实现28第四章经济性分析31第五章结论与展望325.1 结论325.2 展望32参 考 文 献34致谢35声明36搭页机传动结构设计及运动仿真第一章前言1.1 选题背景随着社会的发展，信息对人类越来越重要，已经变成了必不可少的生活要素。印刷技术也在飞速发展，印刷已经成为现代信息传播技术的重要组成部分。信息时代的信息需求特点是：多元化、个性化、时效性要求越来越高。我国印刷行业相对于发达国家来说是其印刷设备和器材行业要开发的市场和印刷品生产业务的加工点，而技术水平低于我国的亚洲发展中国家又是我国印刷设备器材行业要开拓的市场。印后装订专业是一个非常复杂的工序，由于工艺的繁乱、所以使用的设备式样也多，且订与装的方法还在不断变化，此设备的种类型号也随之变化和增多。现在常用的装订单机设备就有近 20 种，还有近 10 条的联动生产线，如果将各种装订设备的型号加起来计算就有 100 多个式样。经过几十年的发展，我国的印后加工设备取得了很大的成绩，但是仍然是印刷行业薄弱的环节。随着小批量、短周期印刷产品的不断增多，传统的印后装订设备很难适应这一变化。自动控制技术在装订设备上的广泛应用，能够缩短出书周期， 加快校样调整时间，提高作业精确性，节省劳动力，解决缺乏熟练操作人员等一系列问题。目前，印刷企业印前及印刷技术和企业的整体质量、管理水平都有了大幅度的提高，印前、印刷质量已基本稳定，质量差距的核心问题在于印后的加工环节。印后加工由于受加工工艺的落后、设备陈旧、技术薄弱、管理等因素影响，不仅生产率低，而且质量问题明显。随着市场需求的不断扩大，客户对印刷品质量的要求日益增高，印后加工已经成为影响印刷品质量的重要因素。所以，提高印后设备技术， 成为以后要研究的课题。选择此题目，搭页机是装订系统的一部分，印后工序得到了发展就可以使印刷业其他工序同步发展。印后工序的落后会抑制印刷的速度，所以要加深对印后工序的认识，提高印后的工作效率，效率提高了就意味着印后设备可以向前迈进一步， 也是我国印刷业日后要追求的目标。1.2 研究意义34我国印后加工与世界先进水平相比，仍存在差距，主要表现在印后加工工艺比较单一，设备的工作性能和自动化程度正在发展中；设备的稳定性、可靠性、质量的自动检测、自动控制技术还可以提高。国内印刷业发生了翻天覆地的变化，中国已经成为了全球著名的印刷大国，并且正在向印刷强国看齐。然而国内的印后加工业却一直处于一个十分尴尬的位置。长期以来，国内印刷界普遍存在着重印前、印刷，而轻印后加工的观念。致使印后技术与设备发展滞后，明显落后于靠高新技术迅速发展的印前与印刷。事实上印后加工在整个印刷出版的流程中占有重要的地位，印后专家王淮珠老师曾在接受慧聪印刷网的一次专访中这样说：“印后加工在出版印刷整个流程中往往不受重视，其实，要印刷精品图书，印前设计和印后装订的沟通非常重要！”早先王淮珠老师曾经还很惋惜地说：“大型展会每次都会开许多的讲座，但是关于印后的少之又少。每次开信息会的时候，许多人都围绕着印前、印中的问题谈， 但是印后如此多的问题却是没人提及的。”在中国出现此种现象：印刷企业竞相提升印前设计能力的时候，在不断完善印刷精细程度的时候，却对于“精美创意最终需要通过印后加工来完美实现”这一事实视而不见，许多印刷企业在对于印后方面的运营和管理也几近处于真空状态。曾几何时，我们每每听到艺术设计师发出无奈的感慨：倾注大量心血的设计作品，在所有的印前、印刷部分都做到了完美，可是一到印后，便做得一塌糊涂，最终出来的是一堆废品 1 。当前迫切需要改变的可能是印刷行业观念上的问题，企业普遍忽视印后加工， 这才是制约中国印后设备制造业发展的市场因素。技术研发需要一个积累的过程， 水到而渠成，来不得半点拔苗助长的功利性。所幸可以看到，随着消费市场的发展， 印后加工在生产中不断得到重视，国内印刷业内对印后加工的态度也正在发生着积极变化。印后加工是保证印刷产品质量并实现增值的重要手段，尤其是包装印刷产品， 很多都是通过印后加工技术来大幅度提高品质并增加其特殊功能的。从某种意义上讲，印后加工是决定印刷产品成败的关键，往往由于印后加工的质量问题而造成印刷品前功尽弃，所以说印后对于印刷企业相当重要，甚至可以成为强大的盈利环节。国内出版印刷行业对精装设备的投入，表现出较为谨慎和矛盾的态度：一方面， 精装图书出版量目前虽比例有限，但已经预见到不久将在书刊出版物中的比重逐步提高，对于今后企业承接业务的能力和竞争力，发展精装能力显得越来越重要;另一方面，精装业务的利润率较高，但业务发展和区域不平衡，使书刊企业对精装业务量的利润预期难以把握;加上进口精装设备动则上千万元的投资，二手设备的质量和供应、服务的不可靠性，都使得投资决策的风险难于把握;还有一方面，因为目前国内精装书的加工，很多还是由手工制作和部分机械加工共同完成，精装书刊的总体质量水平不高，而目前国内出版行业对精装书质量标准也不同于国外水平， 导致拥有先进精装设备的企业，在竞争外单中的质量优势，在国内竞争中无法充分体现。人们对于印刷品个性化需求的日益增长，市场竞争差异化战略的不断加强，数字印刷的发展以及印后加工工艺的多样性、复杂性决定了印后加工设备的多样化。印后加工是将印刷品加工成符合需要的式样和使用性能要求的生产过程。加工式样和产品性能的多样化，也必然要求印后加工设备的多样化个性化需求、差异化战略， 又必然会进一步引起产品的差异化、多样化，进而会引起印后加工工艺的多样化， 从而促使印后加工设备呈多样化发展。由于印后工艺的重要性，所以要研究该部分的内容。“工欲善其事，必先利其器”，搭页机传动结构设计是为订书机前服务，为此提出搭页实现自动化，可以使操作简单，减少人力，提高产品一致性，提高产品质量，更适合大批量生产，降低生产成本，提高生产效率，缩短了加工时间，此工序发展就可以使印刷业其他工序同步发展，以提高生产效率。该设计为使印后工艺不再落后，希望可以对印刷业的发展有所帮助，使印刷业更快更好的发展。1.3 课题介绍本课题主要是设计 N399 搭页机传动系统，属于 N399 型搭页机的一部分。属于骑马联动机的一部分，从搭页机搭页开始，折页搭页机搭书刊封面，经检测后进行装订裁切至成品。通过对此过程的思考与研究该设备虽然功能全面但是仍然有着不小的漏洞，课题就来源于此处。由于订书机前的工序仍然需要人工来进行，所以导致工作效率不能提高。本文设计的 N399 搭页机基本上可以弥补这点不足，利用机器来代替人工操作，以便进一步的提高工作效率。1.3.1 我国骑马联动机产品介绍产品特点：LQD10 COMBINED SADDLE STITCHING LINELQD10 骑马联动线系北人集团公司引进日本全套设计制造生产（如图 1 所示），拥有多项技术专利，全新的设计理念带来了前所未有的高效率、高稳定性、高自动化和高适应性。采用了多种先进检测手段，能够准确识别和剔除漏帖、歪帖、缺帖、多帖和错帖。特别是首次使用了光电检测装置，能对错帖进行识别和剔除，有效避免了原则性差错的出现。采用了德国 hohner 公司的标准化订书头，订书准确可靠；三面切书机采用了整体机架，裁切精度高，并设有自动吹废纸毛装置，有效减少裁切故障。该机的关键部件都采用进口元件，有极高的稳定性。搭页机挡规、气量的调节装置均设在机组墙板外侧，可不停机调节；控制面板使用彩色触摸屏，操作简单方便。LQD10（NOVA12）骑马装订联动机更换开本所需时间短，生产效率高，最大生产能力达到了 12,000 本/小时，是目前国产同类产品中速度最高的一种设备。它的搭页机咬纸轮轴采用双叼牙结构，提高了搭页过程中的工作稳定性；最大开本可以做到 480320mm，满足了国内外顾客装订大开本书刊的需要；对正反长短边的书帖都采用钢皮咬牙分页，还能用真空吸嘴来完成搭无长短边之分的书帖；搭页机组的顺序启动/停止（CASCAD）功能，保证了从开机第一本书到关机前的最后一本书都是合格品。它的折页搭页机有两个压痕轮装置，可以满足使用者对封面单双线压痕的工艺要求。LQD10 骑马装订联动机技术参数如表 1 所示：表 1-1LQD10 骑马装订联动机技术参数最高转速 最大书帖尺寸 最小书帖尺寸 最小裁切尺寸 最大装订书刊厚度11000r/h320X480mm111X158mm300X470mm105X148mm图 1 -1LQD10 骑马装订联动机1.3.2 国外骑马装订联动机技术的发展向高速发展，性能更加稳定 ，马天尼supra以 3 万本/小时的高速度傲视群雄， 高斯pacesetter 2500 spx-25 以 2.8 万本/小时紧随其后2。图 1-2马天尼 supra 骑马订书机为适应如此高的速度，pacesetter 2500 spx-25 的搭页机采用三叼牙结构，提高了搭页的稳定性。supra 的搭页机在前后分纸轴上各安装了一对加速轮，以适应 3万本/小时以上的生产速度；其订书机采用双订书架结构，由 2 个装订单元轮换装订，所以每过去两个书帖，2 个装订单元只工作一次，不仅提高了订书效率，而且减小了机器震动；其三面切书机结构也做了很大改进，前口刀和边刀均为独立驱动， 并采用摆动式结构，以提高裁切速度。无轴传动骑马装订联动机用电子虚拟轴代替了原来的机械长轴，各单元的运动要平稳得多；每一个单元（包括各个搭页机组、订书机和三面切书机）都装有独立的伺服驱动系统，各单元的同步协调运行由总的控制器来完成。综上所述，其主要差距是国产设备的自动化、智能化控制水平有待于进一步提高，外观质量需要改进。国产的模切机、切纸机、骑马订书机等基本上可以满足需求，只有少量高档设备进口。高档平装联动机、高档精装联动机、高档糊盒机、制袋机、高档上光机、圆压圆模切机、高档分切机、纸箱生产线、干法湿法复合机、票证生产线等设备还有较大进口。国产设备主要是自动化、智能化控制水平低，且可靠性能有待提高。1.3.3 印后设备的发展趋势（1）印后加工工艺的多样性：个性化需求、差异化战略，会引起产品的差异化、多样化，进而引起印后加工工艺的多样化，从而促使印后加工设备呈多样化发展。（2）印后设备灵活性：产品设计向模块化发展，并不断完善和发展新的特殊功能的模块，这些模块可以灵活的配置，加装在不同的设备上，使设备功能增加，满足不断变化的市场需求。（3）印后设备人性化设计：在印后加工设备中的体现可以概括为：外观美、操作简单容易、使用灵活方便、材料环保。（4）印后设备的稳定性：稳定性和可靠性更强主要表现为印后设备的精度更高、错误率更低、可信度更高，设备受外部环境的影响更小。（5）印后设备智能化：具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。1.4 课题研究的基本内容，拟解决的主要问题1.4.1 研究基本内容本课题主要是设计搭页机传动系统，设计其机械结构以及相应的控制系统。搭页机的工作原理，其主要依靠吸嘴、咬页轮和分页轮来进行工作。搭页系统将叼下的书帖从内折缝出分开以便将书帖搭在集帖三角架上。它要求两个分帖吸嘴位置要相对准确，两吸嘴的风量和吸、停气时间要一致；分帖吸嘴停止吸气放帖时， 应正好是书帖平稳地搭放在集帖三角架上的位置。经多次试验得出的数据确定两吸嘴吸、停时间，达到了搭页系统送帖准确的要求。如图 1-3 所示。从搭页机搭页开始，折页搭页机搭书刊封面，经检测后进行装订裁切至成品， 全部过程连续自动完成。装订过程采用可编程序控制器作书帖检测控制，对缺帖、多帖、歪帖等坏书进行全线检测跟踪，显示并自动分送，正确可靠地将废品书册与成品分离，不予装订进入废品书斗。搭页机可选用 1:1 和 1:2 工作速度。主传动采用变频调速控制，调速范围大，传动平稳，电机具有失电制动功能;检测系统编程操作简单，性能可靠，具有停电记忆功能，可编程序控制器同时参与三面切书机出书端分本计数控制和各类故障停机控制。搭页机传动系统在传动过程中起到很重要的作用，故合理改善搭页机的传动结构，对提高传动效率起到关键的作用。本文设计搭页机的传动系统是由齿轮传动和链传动的结构。工作方式是主轴带动主齿轮转动，齿轮经传动链带动副齿轮转动，副齿轮带动本组轴转动，轴上的分页钩也就开始工作。图 1-3搭页机示意图1.4.2 拟解决的问题(1) 链传动属于啮合传动，能获得准确的平均传动比，又能实现较大中心距的传动。由于刚性链节在链较上呈多边形分布，引起瞬时传动比周期性变化和啮合时的冲击，因而其传动平稳性差的问题有待解决。(2) 链传动运动不均匀及刚性链节啮入链轮齿间时引起的冲击，必然要引起动载荷。当链啮入链轮齿间时，就会形成不断的冲击、振动和噪声，这种现象称为多边形效应。链的节距越大，链轮转速越高，多边形效应 就越严重。在设计时，必须对链速加以限制。此外，选取小节距的链条，也有利于降低链传动的运动不均匀性及动载荷。(3) 传动的设计计算通常是根据所传递的功率P、工作条件、链轮转速n1、n2等， 选定链轮齿数z1 、z2，确定链节距、链长、传动中心距、链轮结构、润滑方式等。第二章搭页机机械结构设计骑马联动订书机是一种专门生产骑马订（铁丝订）书刊的高效率的装订机械， 主要由搭页机组、订书机组和切书机组 3 部分组成，在整个工作过程中，这三个主要机组必须相互密切配合，共同完成配、订、切的联合操作，哪一部分出现故障， 都会影响及其的正常运转，影响正常的出书效率，给生产带来损失。搭页机是骑马联动订书机的一个重要组成部分，它们的任务是将书帖从储帖台上拉下，从中间分开书帖，并将其搭骑在集帖链上，通过集帖链将书帖套配成册， 供订书。搭页机是工作过程是：（1）吸帖;(2)叼帖传递；（3）分帖挡规挡页；（4）分帖吸嘴及分帖爪分帖。搭页机的工作目的就是为了要让折好的书帖以一定的规格堆放到集铁链上，节省了人工操作。齿轮传动具有传动效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长以及传动比稳定等优点，它的应用非常广泛，是一种非常重要的机械传动。所以，搭页机的传动机构主要是由齿轮机构和传动链机构组成。2.1 齿轮传动结构设计齿轮主要靠主、从动齿轮的轮齿依次啮合来传递回转运动和动力的。为了使传递的回转运动为等角速度的回转运动，避免产生振动和冲击，并能传递一定的动力， 齿轮传动设计必须解决两个基本问题：1）传动平稳、可靠，能保证实现瞬时传动比恒定。2）要有足够的承载能力。既要求齿轮尺寸小、质量轻，又要有足够的强度， 较长的使用寿命。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长， 使用的功率、速度和尺寸范围大。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。2.1.1 齿轮传动的设计准则普通齿轮传动设计准则是：对闭式软齿面齿轮传动，传动的尺寸主要取决于齿面接触疲劳强度，而轮齿的齿根弯曲疲劳强度往往较富裕，所以一般是先按齿面接触疲劳强度设计，然后验算其齿根弯曲疲劳强度；对硬齿面齿轮或材质较脆的闭式齿轮传动，通常按齿根弯曲疲劳强度设计，然后验算其齿面接触疲劳强度。对开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨粒磨损，由于对磨粒磨损失效尚无成熟的计算方法，故只能按齿根弯曲疲劳强度准则进行计算，用增大模数来考虑磨粒磨损的影响。当有短期过载或冲击载荷时，应进行静强度验算。2.1.2 齿轮机构的设计与计算此齿轮传动可做如下设计。传动比为 u=1,功率 P=5KW，转速 n=1420r/min a.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1).按图所示的传动方案，选用直尺圆柱齿轮传动。2). 搭页机为一般工作机器，速度不高，故选用 8 级精度。3). 材料选择,软齿面齿轮（ 350HBW），齿轮均采用 45 号钢，调制处理 b.按齿面接触疲劳强度设计由于是齿面硬度 HBW350 的开式齿轮传动，应按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由公式(2-1)：KT 1 (u 1) ZEZe 2dlt 2.323y d u s HP(2-1)式中：小齿轮传递的转矩T1，载荷因数K；齿数比u； 齿宽系数d；弹性系数ZE； 重合度因数Z e ；许用接触应力s HP ；正号用于外啮合，负号用于内啮合。确定公式内的各计算数值1.试选载荷系数： Kt=1.32. 计算小齿轮传递的转矩,由公式(2-2)得：T1 = 9550000 P / n = 33626.76N mm(2-2)式中：T1为齿轮传递的转矩，N mm ；P为齿轮传递的功率，KW；n为齿轮的转速，r/min。3. 查表 2-1 选取齿宽系数：d=1.0 端面重合度ea ，由公式(2-3)得：ea = 1.88 - 3.2 (1 / z1 +1 / z2 ) cosb = 1.710(2-3)重合度因数,由公式(2-4)得：eaz = (4 - e )1/ 2 = 0.873(2-4)E4. 材料的弹性影响系数： Z = 189.8MPa1/ 25. 按齿面硬度查小齿轮接触疲劳强度极限为Hlim1=600MPa，按齿面硬度查大齿轮接触疲劳强度极限为Hlim2=550MPa 。表 2-1齿宽系数齿轮相对轴承位置软齿面（大轮或大小轮硬度 350HB）硬齿面（大小轮硬度350HB）对称布置0.81.40.40.9非对称布置0.61.20.30.6悬臂布置0.30.40.20.25注：直齿圆柱齿轮宜选较小值，斜齿可取较大值； 载荷稳定、轴刚性较大时取大值，否则取小值。6. 计算应力循环次数 N,由公式(2-5)：N = 60njth(2-5)可得：N 1 = 60 n 1 j tn= 60 1420 1 (1 8 300 10 ) = 2.05 109 ，2IN= N / 1 = 2.05 109式中：j表示齿轮每转一周时同一齿面啮合的次数，th为齿轮的工作寿命，在这里设定机械为每天一班制，工作 8 个小时，一年工作 300 天7.寿命因数：查得接触疲劳寿命系统：KHN1=0.90，KHN2=0.90, 由公式(2-6) 得：sH1= KHN1sHlim1 S(2-6)s = KHN1 s Hlim1 = 0.9 600 = 540MPa, s = KHN1 s Hlim2 = 0.9 550 = 495MPaH 1SH 2S8.计算接触疲劳许应应力：取失效效率为 1%，安全系数 s=1，计算得： C.计算(1) 试算小齿轮分度圆直径dlt,带入H 最小值由公式（2-1），代入数据，得：d1t47.61mm(2) 计算齿宽 b, 由公式(2-7)得：b = Yd d1t = 47.61mm(2-7)(3) 计算圆周速度，由公式(2-8)得：V = p d1t n160 1000= 3.54m / s(2-8)(4) 计算载荷系数K：查得KV=1.1，直齿轮，假设KAFt/b100N/mm,可由机械设计手册,查得KHa=KFa=1.2,因是直齿圆柱齿轮，由机械设计手册，可取Ka=1.0,由于载荷状态均匀平稳，故KA=1.0搭页机传动结构设计及运动仿真KH b = C1 + C 2 1+ C3y d 2 y d 2 + C 4 10-3 b = 1.15 + 0.181+ 0.6+ 0.3110-3 47.61 = 1.45K = KA KV KHa KH b = 11.11.21.45 = 1.914(2-9)式中：KA为使用因子；KV为动载因子；KH为齿向载荷分布因子；KH为齿间载荷分配因子。按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径dl,由公式(2-10)得：K1.914dl = dlt 3 = 47.613 = 54.16(2-10)Kt1.3计算模数,由公式(2-11)得：m = d1 = 54.16 = 1.64(2-11)z133由表 2-2 选取第一系列标准模数 m=2.5表 2-2圆柱齿轮标准模数圆柱齿轮第一系列11.251.522.53456810121620GB12368-90第二系列1.752.252.75（3.25）3.5（3.75）4.55.5（6.5）79(11)1418弯曲疲劳强度的计算根据公式(2-12)得：2KT1YFa1YSa13y d z1 s F23 1.0 332 5102 1.914 33626.76 2.451.65m = 0.98(2-12)d.齿根弯曲疲劳强度的验算1. 齿根弯曲疲劳强度设计为公式(2-13):o F = 2KTIYFaYSaY e s FPy d m3 z12(2-13)搭页机传动结构设计及运动仿真2. 齿形系数，得：YFa1=2.45, YFa2=2.353. 应力修正系数，由表查得：Ysa1=1.65, Ysa2=1.684. 重合度因数Ye ，由公式(2-14)得：Ye = 0.25 + 0.75 / ea = 0.25 + 0.75 / 0.71 = 1.306(2-14)5. 寿命因数：YN1=0.85，YN2=0.896. 最小安全因数：通过齿轮和多数工业用的齿轮按一般可靠性要求，SFmin=1.257. 弯曲疲劳极限：查表得大齿轮的弯曲疲劳极限为Flim2=380MPa,小齿轮的弯曲疲劳极限为Flim1=510MPa8. 许用弯曲应力：由公式(2-15)计算，得：o FP1 = s F lim 1 YN 1 = 510 0.85 = 346.8MPaSF min1.25(2-15)o FP 2 = s F lim 2 YN 2 = 380 0.89 = 270.6MPaSF min1.259.齿轮弯曲应力，由公式(2-16)得：o F1 = 2KT 1YFa1YSa1Y e = 2 1.914 33626.76 2.451.651.306 = 99.85MPa 346.8MPa1y d m3 z 21.0 2.53 332o F 2 = s F1YFa 2YSa 2 = 99.85 2.351.68 = 97.52MPa 270.6MPa(2-16)YFa1YSa12.451.65所以，弯曲疲劳强度足够 e齿轮主要几何尺寸的计算齿轮分度圆直径，由公式(2-17),得d = m z(2-17)小齿轮分度圆直径：d1 = mz1 = 2.5 33 = 82.5mm大齿轮分度圆直径：d 2 = mz2 = 2.5 44 = 110mm中心距，由公式(2-18)得：m ( z1 + z2 )2.5(33 + 44)a = 96.25mm 22(2-18)齿轮宽度，由公式(2-7)得：b = y d d1 = 1.0 82.5 = 82.5mm取b1=85mm,b2=90mm2.1.3 轮齿的失效形式在正常情况下，轮齿的失效都集中在轮齿部位。由于齿轮工作条件（载荷、速度、装置形式等）以及齿轮材料和热处理工艺等的差别，齿轮传动会出现多种失效形式。如图 2-1 所示。通过改善，可提高传动的可靠性。（1）轮齿折断轮齿折断有整体折断和局部折断。当轮齿受载荷时，齿根处的弯曲应力最大， 所以整体断裂一般发生在齿根。另外，齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等会引起应力集中，在循环应力的作用下，齿根疲劳裂纹逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断；当轮齿严重磨损后，齿厚过分减薄， 也会在正常载荷下发生折断。局部断裂常发生在轮齿的一侧，主要是由于载荷集中于轮齿的一端造成的。（2）齿面点蚀点蚀是齿轮在循环接触应力作用下，由于疲劳而产生的金属表面脱落现象。当齿轮处于节线附近啮合时，因同时啮合的轮齿对数少，接触应力大，且相对滑动速度低，不易形成油膜，故一般情况下，点蚀总是首先出现在节线附近偏向齿根一侧的齿面上，然后再向其他部位扩展。齿面点蚀是齿轮传动的传动质量下降，振动和噪声增大，承载能力下降，导致传动失效。提高齿面硬度、降低齿面粗糙度参数值、采用黏度较高的润滑油等都能提高抗疲劳点蚀的能力。图 2-1齿轮的失效形式（3）齿面胶合对于高速重载齿轮传动，若润滑不良将会出现胶合。胶合是黏附磨损最严重的磨损形式，也是破坏性最大的磨损形式，往往在百分之几秒内导致完全失效。发生胶合时摩擦因数突然增加，磨痕可深达 0.2mm。减小模数、降低齿高、以减少齿面滑动速度；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度值；采用抗胶合能力强的材料和润滑油等，均可以提高齿面抗胶合能力。为防止胶合，对于高速、重载的齿轮传动，应该进行抗胶合承载能力计算。(4) 齿面磨粒磨损当啮合齿面间落入硬质颗粒（如砂粒、铁屑）时，加之存在相对滑动，齿面会出现磨粒磨损。它是开式齿轮传动的主要失效形式之一。提高齿面硬度和降低表面粗糙度值、保证良好的润滑和密封等都可以减缓齿面的磨损。磨损破坏了渐开线齿形，降低了传动的平稳性，同时使齿厚减薄，易产生轮齿折断。（5）齿面塑性变形若齿面硬度降低，则在过大的齿面摩擦力作用下，齿面材料因处于屈服状态而产生塑形流动，形成齿面塑性变形，从而失去正确的齿形。对于主动齿轮，在节线附近形成凹槽；对于从动轮，在节线附近形成凸脊。这种失效形式常发生在低速重载、频繁起动或过载传动中。提高齿面硬度、采用黏度较高的或加有极压抗磨剂的润滑油，均有助于防止轮齿产生塑形变形。2.2 链传动的结构设计链传动是一种应用较广的一种机械传动。它是由链条和主、从动链轮所组成。如图 2-2 所示。链轮上制有特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。图 2-2链传动链传动是属于带有中间扰性的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的传动比，传动效率较高；又因链条不需要象带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向压力较小；在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本低廉；在远距离传动（中心距离最大可达十多米）时，其结构比齿轮传动轻便得多。链传动的主要缺点是：在两根平行轴间只能用于同向回转的传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用。链传动主要在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。例如：在摩托车上应用了链传动，结构上大为简化，而且使用方便可靠。链传动还可用于低速重型及极为恶劣的工作条件下，例如掘土机的运行机构，虽受到土块、泥浆及瞬时过载等影响，但仍能很好的工作。总地说来，在机械制造中，如农业、矿山、起重运输、冶金、建筑、石油、化工等机械都广泛的应用链传动。按用途不同，链可分为：传动链、输送链和起重链。输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，而在一般机械传动中，常用的是传动链。传动链传递的功率一般在 100kW以下，链速一般不超过 15m/s ，推荐使用的最大传动比imax=8.传动链有短节距精密滚子链（简称滚子链）、齿形链等类型。其中滚子链使用最广，齿形链使用较少。链传动是应用较广的一种机械传动，是依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比，传动效率高，径向压轴力小， 能在高温及低速情况下工作；与齿轮传动相比，链传动安装精度要求较低，成本低廉，可远距离传动。链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比。按用途不同，链可分为：传动链、输送链和起重链，在一般机械传动中，常用的是传动链。传动链有滚子链和齿形链等类型，其中滚子链使用最广，齿形链使用较少。2.2.1 滚子链传动的设计计算1） 选择链轮齿数Z1传动比i=2.3,估计链速v=3-8m/s,取大齿轮齿数Z2=44 从动链轮齿数Z1，可由公式(2-19)得:Z1= Z2/i=44/2.3=19.1 ，(2-19)故取Z1=192） 计算功率 Pc,根据公式(2-20)可得：根据动力机为电动机，工作机载荷平稳，故 KA=1,故PC = KA P = 1 5 = 5KW(2-20)小链轮齿数因子Kz ，由公式(2-21)得: z1 1.08Kz = 19 = 1(2-21)设计功率，由公式(2-22),得：pd = KAP = 5KW(2-22)KZ3)确定链节数：初定中心距a0=40p,则链节数LP，有公式(2-23),得：Z1 + Z 2a0p Z 2 - Z1 219 + 4440PP 44 -19 2LP =2+ 2 p + a 2p =02+ 2 P + 40P 2p = 111.9取链节数LP =112 节4）链节距(2-23)根据Pd=5KW,n=1420r/min,查表 2-3，选用链号为 10A单排的滚子链轮，查表得链节距P=15.875mm表 2-3传动用短节距精密滚子链基本参数和尺寸ISO节距滚子直径内链节销轴直径内链板高度排距链号mmd1max内宽b1/ mmd2/mmh2maxpt/mm08B12.78.517.754.4511.8113.9208A12.77.927.853.9812.0714.3810A15.87510.169.45.0915.0918.115）确定链长 L 及实际中心距 a: 链长 L 由公式(2-24)确定：L = LPP / 1000 = 0.56m(2-24)中心距 a 由公式(2-25)得：搭页机传动结构设计及运动仿真p Z 1 + Z 2 Z1 + Z 2 2 Z 2 - Z1 2 a = 4 LP -2 + LP -2 - 82p = 635.83mm(2-25) 中心距减小量在(0.002-0.004)a,故取实际中心距 a=635mm。6）验算链速由公式(2-26)计算链速 v:v =n1z1 p= 1420 19 15.875 = 7.14m / s(2-26)60 100060 1000与原假设相符。7）有效拉力有效拉力 Fe ，由公式（2-27）算得：Fe = p / v = 5000 / 7.14 = 700.28N(2-27)8) 作用在轴上的载荷 FQ ，由公式(2-28)得：FQ 1.2KAFe 1.2 1 700.28 840.34N(2-28)9) 润滑方式：根据链号 10A, v=7.14m/s，采用油浴润滑。2.2.2 链传动的失效形式链传动的失效形式主要有以下几种：(1) 链板疲劳破坏 链在松边拉力和紧边拉力的反复作用下，经过一定的循环次数，链板会发生疲劳破坏。正常润滑条件下，链板疲劳强度是限定链传动承载能力的主要因素。(2) 滚子、套筒的冲击疲劳破坏 链传动的啮入冲击首先由滚子和套筒承受。在反复多次的冲击下，经过一定循环次数，滚子、套筒可能会发生冲击疲劳破坏。这种失效形式多发生于中、高速闭式链传动中。(3) 链条铰链副的磨粒磨损 链传动工作时，销轴与套筒间的压力较大，彼此又作搭页机传动结构设计及运动仿真速度不大的摆动，不具备形成流体膜润滑条件，大多数链传动的密封条件也较差， 因而导致销轴与套筒构成的铰链副出现磨粒磨损，使链的实际节距变长。铰链磨损后，增加了各链节的实际节距的不均匀性，使传动不平稳。链的实际节距因磨损而伸长到一定程度时，链条与齿轮的啮合情况变坏，从而发生“爬高”和跳齿现象。磨粒磨损是润滑不良的链传动的主要失效形式，大大减低了链的寿命。(4) 链条铰链副的胶合在高速、重载时，销轴与套筒接触表面间难以形成润滑油膜，会因温度升高和金属直接接触导致胶合。胶合限制了链传动的极限转速。(5) 链条的过载拉断这种拉断常发生于低速重载的传动中。所以，链传动的润滑至关重要。通常有四种润滑方式：-人工定期用油壶或油刷给油；-滴油润滑，用油杯通过油管向松边内外链板间隙处滴油；-油浴润滑或飞溅润滑，采用密封的传动箱体，前者链条及链轮一部分浸入油中，后者采用直径较大的甩油盘溅油；-油泵压力喷油润滑，用油泵经油管向链条连续供油， 循环油可起润滑和冷却的作用。2.2.3 小结1. 链传动属于啮合传动，能获得准确的平均传动比，又能实现较大中心距的传动。由于刚性链节在链较上呈多边形分布，引起瞬时传动比周期性变化和啮合时的冲击，因而其传动平稳性差。2. 链传动运动不均匀及刚性链节啮入链轮齿间时引起的冲击，必然要引起动载荷。当链啮入链轮齿间时，就会形成不断的冲击、振动和噪声，这种现象称为多边形效应。链的节距越大，链轮转速越高，多边形效应就越严重。在设计时，必须对链速加以限制。此外，选取小节距的链条，也有利于降低链传动的运动不均匀性及动载荷。 3链传动的设计计算通常是根据所传递的功率P、工作条件、链轮转速n1、n2等， 选定链轮齿数z1、z2，确定链的斩草除根距、列数、传动中心距、链轮结构、材料、润滑方式等。(1）合理选定链轮齿数是设计中的一项重要任务。小链轮齿数z1 选得过少时，多边形效应增强，速度变化率急剧增加，故限定链轮最小齿数zmin=9。 选得多一些， 一般来说对传动有利，但若选提太多，则大链轮齿数z2将更多，不仅增大了传动尺寸和重量，而且还会由于链节距磨损伸长，易使链条从链轮上脱落，缩短链条使用寿命，故常取z2max=120。（2） 链节距P已标准化。它不仅反映了链条和链轮各部分尺寸的大小，而且是决定链传动承载能力的重要参数之一。为了使结构紧凑、传动平稳，尽可能选用较小节距的单列链；速度小而功率大时，可选用小节距的多列链。2.3 变速机构的设计为了适合多种需要而设计了变速机构。因为搭页的纸张的重量不同，导致搭页到传送带上的速度会不同，所以需要更多数量的搭页机来保证传输速度，该变速机构能够起到调节搭页速度的作用，保证了不同质量的纸张到传送带上的时间是相同的。此机构只有两个档位，因此对纸张的重量也是有一定的范围要求的。如图 2-3 所示。该齿轮机构在 1：1 的传输速度时，是为了较轻重量的纸张；在 1：2 的传输速度时，可以传送较重的纸张，这样就保证了几台机器在同时工作时的速度时相同的了。图 2-3齿轮变速机构2.4 传动轴的设计2.4.1 轴的结构设计轴是组成机器的主要零件之一，一切做回转运动的传动零件（如齿轮、凸轮），都不许安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。轴的装配如图 2-4 所示:回转方向采用键固定的方法，横向是利用搭页机的整体结构架作为固定。在板的左端装上齿轮组，由于搭页机是多台机器要求连接在一起，然后再左右两端装上联轴器，以方便与其他机器连接。2.4.2 传动轴的设计计算图 2-4主轴结构根据工艺要求，考虑轴上零件的布置，本着轴的结构合理性和装配的工艺性进行设计。（1）选取材料选取轴的材料为 45 号钢，调制处理（2）按照扭转强度估算轴径根据表 2-4，得 C=120，由公式得轴的最小直径 d,由公式(2-29),得：p5d c 3 = 120 3 = 18.26mm(2-29)n1420考虑到轴的最小值径出会有键槽的存在故将直径，故取直径 d=40mm表 2-4几种轴用材料的 C 值和t 值（3） 按扭转强度条件校核轴的强度轴上的功率 P、转速 n 和扭矩 T：P=5kw, n=1420r/min,由公式(2-30)得扭矩：T = 9550000 P = 33626.76N mm(2-30)n轴的扭转强度条件为：t T = TWT(2-31)p d 33WT = 16所以,t T = 33626.76 = 2.65MPa 12800 0.2d= 12800(2-32)轴采用 45 号钢，可知其t T 约为 25-40MPa，可得t T t T 由上式可得轴的直径：9550000P0.2t T nP5d = A0 3 = 120 3 = 18.26mm(2-33)n1420查表可得，计算可得，直径符合强度标准。第三章三维建模与运动仿真UG NX 6.0 为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式，它不仅对几何的操纵，更重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发。能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的知识，事实证明为企业带来了战略性的收益。NX 是下一代数字化产品开发系统，可帮助公司转变产品生命周期。借助于业界应用最广，并具有完全关联性的一体化的集成CAD/CAM/CAE应用程序套件，NX 涵盖了产品设计、制造和仿真的完整开发流程。NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新，NX 的成功已经得到了充分的证实。这些目标使 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。本文即通过 UG 进行三维建模与运动仿真。3.1 齿轮的建模（1）先绘制齿轮 2，它是齿数为 33 的小齿轮，齿数为 44 的大齿轮组成的双联动齿轮，分别绘制这两个齿轮，最后装配在一起。首先绘制小齿轮，调出绘制齿轮的模块，输入参数，如图 3-1 所示：图 3-1齿轮参数点击确定后，得小齿轮图 3-2（左），在画齿数是 44 的大齿轮，在端面上画草图， 拉伸实体，可得大齿轮（右）,如图 3-2 所示。图 3-2齿轮 2（大、小齿轮）新建一个装配，添加两个零件图，然后对他们添加约束，得双联动齿轮 2，如图 3-3 所示。图 3-3齿轮 2同理可得双联动齿轮 3，大齿轮的齿数为 33，小齿轮的齿数为 22，模数为 2.5。如图 3-4 所示。图 3-4齿轮 3齿轮 4 为图 3-2（右），即齿轮 2 中的大齿轮。齿轮 5：齿数为 44，模数为 2.5，其另外一侧由链轮组成。如上述，先绘制齿轮， 在齿轮面上绘制草图，拉伸实体，如图 3-5 所示。图 3-5齿轮 5（一部分）在拉伸草图后的轮齿面绘制出一个轮齿，在根据其节距绘制出第二个齿，通过圆形阵列，绘制出齿轮 5，如图 3-6 所示。图 3-6齿轮 53.2 齿轮啮合过程的仿真3.2.1 齿轮啮合的装配运用 UG 软件的 motion 模块，即可仿真以上生成两个齿轮的啮合过程，方法如下：（1） 直齿轮对正确的啮合条件： 两齿轮的模数相等；压力角相等（2） 添加组件 调出装配工具栏 添加零部件，在设置一栏中选择引用集为“整个部件”（3）