机械系统设计课程设计说明书

目录摘要-2第1章 绪论-3第2章 运动设计-4-7第3章 动力计算-8-14第4章 主要零部件的选择-15第5章 校核 -16-17 结论-18参考文献-18 摘要 设计机床得主传动变速系统时首先利用传动系统设计方法求出理想解和多个合理解。根据数控机床主传动系统及主轴功率与转矩特性要求，分析了机电关联分级调速主传动系统的设计原理和方法。从主传动系统结构网入手，确定最佳机床主轴功率与转矩特性匹配方案，计算和校核相关运动参数和动力参数。本说明书着重研究机床主传动系统的设计步骤和设计方法，根据已确定的运动参数以变速箱展开图的总中心距最小为目标，拟定变速系统的变速方案，以获得最优方案以及较高的设计效率。在机床主传动系统中，为减少齿轮数目，简化结构，缩短轴向尺寸，用齿轮齿数的设计方法是试算，凑算法，计算麻烦且不易找出合理的设计方案。本文通过对主传动系统中三联滑移齿轮传动特点的分析与研究，绘制零件工作图与主轴箱展开图及剖视图。关键词：分级变速；主轴功率；滑移齿轮。 第一章 绪论（一） 课程设计的目的机械系统课程设计课程设计是在学完本课程后，进行一次学习设计的综合性练习。通过课程设计，使学生能够运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及生产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的目的。通过课程设计，分析比较机械系统中的某些典型机构，进行选择和改进；结合结构设计，进行设计计算并编写技术文件；完成系统主传动设计，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计，掌握查阅相关工程设计手册、设计标准和资料的方法，达到积累设计知识和设计技巧，提高学生设计能力的目的。通过设计，使学生获得机械系统基本设计技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行机械系统设计创造一定的条件。（二） 课程设计题目、主要技术参数和技术要求1 课程设计题目和主要技术参数题目：分级变速主传动系统设计技术参数：Nmin=35.5r/min；Nmax=800r/min；Z=8级；公比为1.41；电动机功率P=3KW；电机转速n=710/1420r/min2 技术要求1. 利用电动机完成换向和制动。2. 各滑移齿轮块采用单独操纵机构。3. 进给传动系统采用单独电动机驱动。第二章 运动设计1 运动参数及转速图的确定（1） 转速范围。Rn=22.54（2） 转速数列。查表 2.11，首先找到35.5r/min、然后每隔5个数取一个值（1.41=1.066），得出主轴的转速数列为35.5r/min、50r/min、75 r/min、100 r/min、140 r/min、200 r/min、280 r/min、400 r/min、560r/min、800r/min共10级。（3）确定结构式。对于Z=8可分解为：Z=212224。（4）确定结构网。根据“前多后少” , “先降后升” , 前密后疏,结构紧凑的原则,选取传动方案 Z=212224,易知第二扩大组的变速范围r=(P3-1)x=1.414=3.958 满足要求，其结构网如图2-1。 图2-1结构网 Z=212224（5） 画转速图。转速图如下图2-2。 图2-2 系统转速图 （6）画主传动系统图。根据系统转速图及已知的技术参数，画主传动系统图如图2-3： 图2-3 主传动系统图（7）齿轮齿数的确定。变速组内取模数相等，据设计要求Zmin1820,齿数和Sz100120，由表4.1，根据各变速组公比，可得各传动比和齿轮齿数，各齿轮齿数如表2-2。 表2-2 齿轮齿数传动比基本组第一扩大组1:411:21:2.782：11:1.411：4代号ZZZZZZZZZZZZ齿数30 42 24 48 19 5366 33 4158 20792核算主轴转速误差实际传动比所造成的主轴转速误差，一般不应超过10(-1),即 |实际转速n-标准转速n| - 10(-1) 标准转速n 对Nmax=710r/min，Nmax=1440*100/280*30/42*66/33=734.69r/min 则有=3.474.1 因此满足要求。各级转速误差n 500355250180125906345n514.28368.66258.68182.2130.791.1864.2846.08误差2.853.853.471.324.51.312.042.41只有一级转速误差大于4.1，因此不需要修改齿数。第三章 动力计算1 带传动设计(1) 直径计算初取小带轮直径d； 取 d=100 mm大带轮直径D； D=280mm 取D=280mm（2）计算带长求Dm Dm=(D+D)/2=(100+280)/2=190mm求 =（D-D）/2=（280-100）/2=90mm初取中心距 取a=500mm带长 L=Dm+2a+/a=1612.8 mm基准长度 由【2】图11-4得：Ld=1600mm（3） 求实际中心距和包角中心距 a=(L-Dm)/4+/4 =493.6mm120（4） 求 带根数带速 =Dn/601000=3.141001440/(601000)= 7.53m/s传动比i i=n/n=1440/500=2.8带根数 由【2】表11.8，P=1.32KW；由表11.7，K=0.95；由表11.12，K=0.99；由表11.10，P=0.17KW；Z=P/（P+P）KK=（4.01.2）/(1.32+0.17)0.950.99=3.42取Z=4根1 计算转速的计算（1） 主轴的计算转速nj，由公式n=n得，主轴的计算转速nj=90r/min。（2） 确定各传动轴的计算转速。轴共有3级转速：180 r/min、250 r/min、355 r/min。若经传动副Z/ Z传动主轴，则只有355r/min传递全功率；若经传动副Z/ Z传动主轴，全部传递全功率，其中180r/min是传递全功率的最低转速， 故其计算转速nj=180 r/min； 轴有1级转速，且都传递全功率，所以其计算转速nj=500 r/min。各计算转速入表3-1。表3-1 各轴计算转速轴 号 轴 轴 轴计算转速 r/min 50018090 （3） 确定齿轮副的计算转速。齿轮Z装在主轴上并具有45-90r/min共3级转速，其中只有90r/min传递全功率，故Zj=90 r/min。 齿轮Z装在轴上，有180-355 r/min共4级转速，但经齿轮副Z/ Z传动主轴，则只有355r/min传递全功率，故Zj=355r/min。依次可以得出其余齿轮的计算转速，如表3-2。 表3-2 齿轮副计算转速序号ZZZZZZn5005005003551803552 齿轮模数计算及验算（1）模数计算。一般同一变速组内的齿轮取同一模数，选取负荷最重的小齿轮，按简化的接触疲劳强度公式进行计算，即mj=16338可得各组的模数，如表3-3所示。表3-3 模数组号基本组第一扩大组模数 mm 3.53.5 （2）基本组齿轮计算。 基本组齿轮几何尺寸见下表齿轮Z1Z1 Z2Z2Z3Z3齿数304224481953分度圆直径1051478416866.5185.5齿顶圆直径108.5150.587.5171.570189齿根圆直径100.6142.679.6163.662.12181.1 齿宽24.524.524.524.524.524.5按基本组最小齿轮计算。小齿轮用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取260HB，大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取240HB。计算如下： 齿面接触疲劳强度计算： 接触应力验算公式为 弯曲应力验算公式为： 式中 N-传递的额定功率（kW），这里取N为电动机功率，N=4kW; -计算转速（r/min）. =500（r/min）; m-初算的齿轮模数（mm）, m=3.5（mm）; B-齿宽（mm）;B=24.5（mm）; z-小齿轮齿数；z=19; u-小齿轮齿数与大齿轮齿数之比,u=2.79; -寿命系数； = -工作期限系数； T-齿轮工作期限，这里取T=15000h.; -齿轮的最低转速（r/min）, =500（r/min） -基准循环次数，接触载荷取=，弯曲载荷取= m-疲劳曲线指数，接触载荷取m=3；弯曲载荷取m=6; -转速变化系数，查【5】2上，取=0.60 -功率利用系数，查【5】2上，取=0.78 -材料强化系数，查【5】2上， =0.60 -工作状况系数，取=1.1 -动载荷系数，查【5】2上，取=1 -齿向载荷分布系数，查【5】2上，=1 Y-齿形系数，查【5】2上，Y=0.386；-许用接触应力（MPa）,查【4】，表4-7，取=650 Mpa；-许用弯曲应力（MPa），查【4】，表4-7，取=275 Mpa；根据上述公式，可求得及查取值可求得：=635 Mpa =78 Mpa （3）扩大组齿轮计算。 扩大组齿轮几何尺寸见下表 齿轮Z4Z4Z5Z5Z6Z6齿数663341582079分度圆直径231115.5143.520370276.5齿顶圆直径234.5119147206.573.5280齿根圆直径226.6111.12139.12198.665.6272.12齿宽282828282828按扩大组最小齿轮计算。小齿轮用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取260HB，大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取240HB。 同理根据基本组的计算，查文献【6】，可得 =0.62， =0.77，=0.60，=1.1，=1，=1，m=3.5，=355；可求得：=619 Mpa =135Mpa 3传动轴最小轴径的初定由【5】式6，传动轴直径按扭转刚度用下式计算： d=1.64（mm） 或 d=91（mm）式中 d-传动轴直径（mm） Tn-该轴传递的额定扭矩（N*mm） T=9550000； N-该轴传递的功率（KW） -该轴的计算转速 -该轴每米长度的允许扭转角，=。各轴最小轴径如表3-3。 表3-3 最小轴径轴 号 轴 轴最小轴径mm 35404 主轴合理跨距的计算由于电动机功率P=4Kw，根据【1】表3.20，前轴径应为6090mm。初步选取d1=80mm。后轴径的d2=（0.70.9）d1，取d2=60mm。根据设计方案，前轴承为NN3016K型，后轴承为圆锥滚子轴承。定悬伸量a=120mm，主轴孔径为30mm。轴承刚度，主轴最大输出转矩T=9550=9550=424.44N.m设该车床的最大加工直径为300mm。床身上最常用的最大加工直径，即经济加工直径约为最大回转直径的50%，这里取60%，即180mm，故半径为0.09m；切削力（沿y轴） Fc=4716N背向力（沿x轴） Fp=0.5 Fc=2358N总作用力 F=5272.65N此力作用于工件上，主轴端受力为F=5272.65N。先假设l/a=2，l=3a=240mm。前后支承反力RA和RB分别为RA=F=5272.65=7908.97NRB=F=5272.65=2636.325N根据 文献【1】式3.7 得：Kr=3.39得前支承的刚度：KA= 1689.69 N/ ；KB= 785.57 N/；=2.15 主轴的当量外径de=(80+60)/2=70mm，故惯性矩为 I=113.810-8m4 =0.14查【1】图3-38 得 =2.0，与原假设接近，所以最佳跨距=1202.0=240mm合理跨距为（0.75-1.5），取合理跨距l=360mm。 根据结构的需要，主轴的实际跨距大于合理跨距，因此需要采取措施增加主轴的刚度，增大轴径：前轴径D=100mm，后轴径d=80mm。前轴承采用双列圆柱滚子轴承，后支承采用背对背安装的角接触球轴承。 第四章 主要零部件的选择 一 摆杆式操作机构的设计 （1）几何条件； （2）不自锁条件。二 电动机的选择 选择Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。由文献【3】附录2得：电动机型号为Y112M-4，额定功率40KW。由附录3得：安装尺寸A=190mm，AB=245mm，HD=265mm。第五章 校核一 轴刚度校核（1）轴挠度校核单一载荷下，轴中心处的挠度采用文献【5】中的公式计算：: L-两支承的跨距；D-轴的平均直径；X=/L；-齿轮工作位置处距较近支承点的距离；N-轴传递的全功率； 校核合成挠度 -输入扭距齿轮挠度； -输出扭距齿轮挠度 ； -被演算轴与前后轴连心线夹角；=144 啮合角=20，齿面摩擦角=5.72。代入数据计算得：=0.025；=0.082；=0.130； =0.206；=0.098；=0.045。 合成挠度 =0.248 查文献【6】，带齿轮轴的许用挠度=5/10000*L即=0.268。 因合成挠度小于许用挠度，故轴的挠度满足要求。（2） 轴扭转角的校核传动轴在支承点A，B处的倾角可按下式近似计算： 将上式计算的结果代入得： 由文献【6】，查得支承处的=0.001因0.001，故轴的转角也满足要求。二 轴承寿命校核。由轴最小轴径可取轴承为6208深沟球轴承,=3；P=XFr+YFaX=1，Y=0。对轴受力分析得：前支承的径向力Fr=2238.38N。 由轴承寿命的计算公式：预期的使用寿命 L10h=15000h L10h=97872.57hL10h=15000h 轴承寿命满足要求。 结论分级变速主传动系统设计的结构及部分计算，到这里基本结束了，由于笔者水平有限，加之时间仓促，仅对分级变速主传动系统主要部分进行设计和校核，定有许多地方处理不够妥当，有些部分甚至可能存在错误，望老师多提宝贵意见。经过这次课程设计，使我对机械系统设计这门课当中许多原理公式有了进一步的了解，并且对设计工作有了更深入的认识。在设计过程中，得到崔思海老师的精心指导和帮助，在此表示衷心的感谢 参考文献【1】候珍秀.机械系统设计.哈尔滨工业大学出版社，修订版；【2】邱宣怀.机械设计.高等教育出版社，第四版；【3】潘承怡，苏相国. 机械设计课程设计，哈尔滨理工大学；【4】戴署.金属切削机床设计.机械工业出版社；【5】陈易新，金属切削机床课程设计指导书； 【6】机床设计手册2 上册。 18