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机械系统设计课程设计任务书设计小组班级专业小组成员姓名学号任务分工姓名学号任务分工画图画图计算计算主要技术 参数技术参数：Nmin=40r/min； Nmax=224r/min；Z二4级；公比为1.78；屯动机功率P=3kW；电机转速n=1430r/min指导教师联系方式设计内容：1、运动设计：根据给定的极限转速、变速级数、及公比值，确定其转速范 围、转速数列、结构式、结构网，绘制转速图和传动系统图，确定齿轮齿数，计算 转速误差。2、动力计算：根据给定的有关参数，确定各传动件的计算转速；确定各传动 轴和主轴的轴径，确定并验算各传动齿轮的模数，计算主轴的合理跨距；对靠近主 轴的传动轴进行刚度校核，并验算该轴上轴承的寿命。3、绘制下列图纸：（1）主轴箱横剖面图1张（A1或A0）。（2）主轴零件工作 图（A2或A3）,并附在设计计算说明书内。4、编写设计计算说明书（约8000字左右）：设计计算说明书书写格式梗概摘要；冃录；课程设计的冃的；课程设计题冃、主要技术参数和技术要求 运动设计；动力计算；主要零部件的选择；校核；结束语；参考资料等5、提交课程设计计算说明书及图纸打印稿和电子稿，并准备答辩。课程设计时间：2014年12月22日至2015年01月02日 答辩时间：2015年1月2日主要参考文献、资料：【1】、赵韩.机械系统设计.高等教育出版社；【2】、周塑敏.机械系统设计高等教育出版社【3】、于惠力主编 机械设计科学出版社第一版【4】、戴 曙主编金属切削机床设计机械工业出版社【5】、赵九江 主编 材料力学哈尔滨工业大学出版社 第一版【6】、郑文经主编 机械原理高等教育出版社第七版【7】、于惠力主编机械设计课程设计科学出版社I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冃标，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，计算麻烦且不易找岀合理的设计方案。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；传动系统设计；传动副；结构网；结构式；齿轮模 数，传动比机械系统设计课程设计任务书错误!未定义书签。分级变速主传动系统设计错误!未定义书签。摘要错误!未定义书签。目 录I第1章绪论11课程设计的冃的11.2课程设计的内容11.2.1理论分析与设计计算11.2.2图样技术设计11.2.3编制技术文件11.3课程设计题目、主要技术参数和技术要求21.3.1课程设计题目和主要技术参数 21.3.2技术要求2第2章运动设计32. 1运动参数及转速图的确定32.1.1转速范围32.1.2转速数列32.1.3结构式分析32.1.4确定结构式和结构网32.1.5绘制转速图和传动系统图42.2确定各变速组此论传动副齿数42.3核算主轴转速误差6第3章动力计算73. 1带传动设计73.2 计算转速的计算83.3齿轮模数计算及验算93.5主轴合理跨距的计算13第4章主要零部件的选择154. 1电动机的选择154.2轴承的选择154.3变速操纵机构的选择15第5章校核165轴的校核165.2轴承寿命校核18第6章 结构设计及说明196结构设计的内容、技术要求和方案196.2展开图及其布置19结论20参考文献21致谢22IV课程设计的目的机械系统设计课程设计是在学完木课程后，进行一次学习设计的 综合性练习。通过课程设计，使学牛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冃的。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。1.2课程设计的内容机械系统设计课程设计内容由理论分析与设计计算、图样技术设 计和技术文件编制三部分组成。1.2.1理论分析与设计计算（1）机械系统的方案设计。设计方案的分析，最佳功能原理方案的 确定。（2）根据总体设计参数，进行传动系统运动设计和计算。（3）根据设计方案和零部件选择情况，进行有关动力计算和校核。1.2.2图样技术设计（1）选择系统中的主要机件。（2）工程技术图样的设计与绘制。1.2.3编制技术文件（1）对于课程设计内容进行自我经济技术评价。（2）编制设计计算说明书。1.3课程设计题目、主要技术参数和技术要求1.3.1课程设计题目和主要技术参数题目20：分级变速主传动系统设计技术参数：Nmin二40r/min； Nmax:224r/min；Z二4级；公比为1.78；电动机功率P二3kW；电机转速n =1430r/min1.3.2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。6第2章运动设计2.1运动参数及转速图的确定 2.1.1转速范冃Rn=N maxN min=224/40=5.62.1.2转速数列该执行机构的转速都比电动机转速低，屈于降速传动链，总降速比i 总二 n/ Nmin=l 430/40=38 o转速数列。查机械系统设计表2-5标准数列表，首先找到 40r/min然后每隔9个数取一个值（5.6二1.784），得出主轴的转速数列 为 40/min 71r/min 125r/min 224r/min,共 4 级。2.1.3结构式分析对于Z二4可分解为：Z=21X23o2.1.4确定结构式和结构网由于每个变速组都有两个传动副，所以不涉及“前多后少”的原则。 为了提高中间轴的最低转速，分配降速传动比时按照“前小后大”的递降 原则较为有利。因此，选取传动方案Z二21X23,其结构网如图21。图2-1结构网2.1.5绘制转速图和传动系统(1) 选择电动机：采用Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动 机。(2) 绘制转速图，如图22所示：1430图22转速图(3) 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23：1-2 轴最小中心距：A1 _2min 1 /2(9*Zmaxm+2m+D)轴最小齿数和:Szmin(Zmax+2+D/m)2. 2确定各变速组此论传动副齿数(1) Sz 18-20齿轮齿数的确定基本组传动比分别为1/1.781/3.16Sz=51 60 72 75 84 93 96取Sz=75,小齿轮齿数分别为:18, 27 Zl/Z2=27/48, Z3/Z1 =18/57 扩大组传动比分别为1/1 1/2Sz=54 60 66 72 78取Sz=80,小齿轮齿数:40,19Z4/Z5二36/36, Z4/Z6= 19/61据设计要求Zmin 18-20,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21。表2-1 齿轮齿数传动比基本组扩大组1:1.781:3. 161:11:3. 16代号Z,z2ZiZ3Z4z5z4Z6齿数27481857404019612. 3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（心1）%,即实际转速n-标准转速农标准转速n10(0 1)%对Nmax二224r/min,实际转速：1/lon 100 27 36.叫林-1430 xx x一 = 226.584r/minmdX355 48 36则有(226.584-224)224x 100% = 1.15% 4.1%因此满足要求。同理，根据计算得出其他各组的数据如下表22：表2-2转速误差分析表n2241257140n226.58127.4771.6140.34误差1.15%1.98%1.42%0.85%所有计算结果都小于4,因此不需要修改齿数。第3章动力计算3.1带传动设计输出功率 P二3kw,转速 nl二1430r/min,n2=400i7min1、确定计算功率：按最大的情况计算P=3kw, K为工作情况系数，查1表3.5.取K=1.0 pd=kAP= 1.2 X 3=3.6kw2、选择V带的型号：根据pd,nl = 1430r/min参考1图表3.16及表3.3选小带轮直径，查表 选择A型V带dl二100mm3、确定带轮直径dl,d2小带轮直径dl = 100mm验算带速7idxnx -x 100x1430- .o_.v = 7.487 ml s60x100060x1000从动轮直径 d2=n 1 d 1 /n2= 1430X 100/400=357.5mm,查表 3.3,取 d2=355mm。计算实际传动比i=d2/d 1=355/100=3.554、定中心矩a和基准带长Ld1初定中心距a00.7（d| +tZ2）tz0 120 ci5496、确定V带根数：确定额定功率：由查表并用线性插值得Pl = 1.7kw查1表37得功率增量P1二013kw查1表38得包角系数K a二0.92查1表3得长度系数K1二0.96确定带根数：= 2.223.6店(1.7 + 0.13)X0.92x0.963. 2计算转速的计算1、主轴的计算转速由机械系统设计表32中的公式rtj =/?inin3=40x1.78=48.5r/min取计算转速为40r/min2、传动轴的计算转速在转速图上，轴III在最低转速40r/min时经过传动组传动副，得到主 轴转速为125r/min。这个转速高于主轴计算转速，在恒功率区间内，因此 轴II的最低转速为该轴的计算转速即nlllj=125/min,同理可求得轴I的计算 转速为 riiij=400r/mino3、确定各传动轴的计算转速。由机械设计知识可知，一对啮合齿轮只需要校核危险的小齿轮，因此 只需求出危险小齿轮的计算转速。可求得其余两对啮合齿轮中危险齿轮的 计算转速即njz28=40r/min, njZ36=40r/min各计算转速入表3-lo表31各轴计算转速轴号I轴n轴ITT轴计算转速r/min400125404、确定齿轮副的计算转速。齿轮Za装在主轴上转速，其中只有 40r/min传递全功率，故 乙j=40 r/min依次可以得出其余齿轮的计算转 速，如表32。表32齿轮副计算转速序号Z,n40022412571403. 3齿轮模数计算及验算1、计算各传动轴的输岀功率Pi =呛 x n/? x nr =3.0x0.96x0.99 = 2.85曲 p2 = p、xn;, xnr = 2.85x0.97x0.99= 2.7lkwpr = p2 xnv xnr =2.71x0.97x0.99= 260bv2、轴径设计及键的选取轴一:卩=085上”,取0 = 0.9,带入公式:26有，cl = 24.95mm ,圆整取 d = 25mm选花键：6 x 26 x 30 x 6轴二：p2 = 2.1 kw,取0 = 0.9,带入公式:有，d = 29.3mm ,圆整取 d = 30mm 选花键：8x32x36x6主轴：选择主轴前端直径，后端直径0 =(0750.85)0 取D2 = 65mm,则平均直径D = U.5mm。对于普通车床，主轴内孑L直径d = (0.550.6D),故本例之中，主轴内孔直径取为d = 45mm支承形式选择两支撑，初取悬伸量Q = 90mm ,支撑跨距L = 520加。 选择平键连接，Z?x/? = 22xl4,厶=100mm。因为0 = O5S1.O,所以取值较大，计算的轴的直径为最小直径，也 是危险直径，所以实际装配时可选用轴径更大的轴。3、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“ =16338 3匚丫 1卑(u + V)Nd 血 zMcrJ其中：“ 公比；Nd 电动机功率;% 齿宽系数0.2至1.4； 切齿轮传动许允应力;计算齿轮计算转速。45号钢整体淬火，b= ll()(MP,按接触疲劳计算齿轮模数m1-2轴由公式竹163383(ul)p血Z沖勺了按齿数18的计算可得加=4/78m加，取m=5mm2 主轴由公式= 16338s(弘 1)血z初勺了竹按齿数19的计算可得 = 4.67mm,取m=5mm表33模数组号基本组扩大组模数mm55(2)基本组齿轮计算如下表34。表3-4基本组齿轮几何尺寸见下表齿轮Z1zrZ2Z3齿数27184857分度圆育径13590240285齿顶圆直 径145100250295齿根圆直 径122.577.5227.5272.5齿宽32323232按基本组最小齿轮计算。小齿轮用40Cr,调质处理，硬度241HB 286HB,平均取260HB,大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB 286HB,平均取240HB。计算如下：(1)齿面接触疲劳强度计算：接触应力验算公式为2088 x10s (u 土 DKKKKN “、“1j zm 斗 uBn fJ弯曲应力验算公式为zm2B Y n式中N传递的额定功率(kW),这里取N为屯动机功率，N=3kW;式中N传递的额定功率(脚)，这里取N为屯动机功率，N=4kW；nj计算转速（r/min）； n =49 r/nrn/m初算的齿轮模数(mm), m=5 (mm)；B齿宽（mm）, B=32 （mm）；z小齿轮齿数，z=18；u小齿轮齿数与大齿轮齿数之比,u二3；Ks寿命系数；Ks = KTKnKNKqK厂工作期限系数；T齿轮工作期限，这里取T=15000h.;“I齿轮的最低转速(r/min)，也=560 (r/min)基准循环次数，接触载荷取C。-IO?,弯曲载荷取Co = 2xlO6m疲劳曲线指数，接触载荷取m二3；弯曲载荷取m二6;K厂转速变化系数，查【5 2,取心二0.60Kn 功率利用系数，查【51 2,取Kn =0.78Kq材料强化系数，查【5】2上，取Kq二0.60K.工作状况系数，取心二1K2 动载荷系数，查5 2,取心二1K、齿向载荷分布系数，查【5】2上，&二1Y齿形系数，查【5】2上,Y二0.386；y 午用接触应力（MPa），查4,表47,取t.=650 Mpa； 仇.许用弯曲应力（MPa）,查【4】，表47,取ru,=275 Mpa； 根据上述公式，可求得及查取值可求得：W =65 lMpacr-aw = S5Mpaaw（3）扩大组齿轮计算。表35扩大组齿轮几何尺寸见下表齿轮Z4Z5Z4Z6齿数40401961分度圆直径20020095305齿顶圆直径210210105315齿根圆直径187.5187.582.5292.5齿宽32323232按扩大组最小齿轮计算。小齿轮用40Cr,调质处理，硬度241HB 286HB ,平均取260HB,大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB- 286HB,平均取 240HB 同理根据基本组的计算，查文献【6】，可得Kn =0.62,心二（）.77, 他二0.60,二 1.1, K2 = , K严 1, m二3.5, =280；可求得：（J -634Mpaa.JJaw = l35Mpacrw3. 5主轴合理跨距的计算由于电动机功率P二3kW,根据【1】表3.20,前轴径应为6090mm。 初步选取dl=80mmo后轴径的d2= （0.70.9） dl,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30mmo轴承刚度，主轴最大输出转矩T = 9550左=9550 x=286.5N.mn100假设该机床为午床的最大加工直径为300mmo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）=TTl 3183背向力（沿 X 轴）Fp二0.5Fc二 1592N总作用力F = Jf： + F； = 3559此力作用于工件上，主轴端受力为F二3559N。先假设l/a=2, l=3a=240mmo前后支承反力Ra和Rb分别为:= 3559x120 + 240240= 5338NRn = Fx- = 3559 x- = 1779.5N I240根据文献【1】式3.7,得:Kr = 3.39Fr01/0-8(zz)-9cosL96/得前支承的刚度：Ka= 1689. 69N/“加；KB= 785.57= 1689,69 = 2.15 心 785.57主轴的当量外径g二(80+60)/2二70mm,故惯性矩为 /(0.07-0.03)=口3.8“0%64El 2.1xl01,xll3.8xl0-8 八KAa3 1689.69 x0.13xl06查【1】图338得 = 2.0,与原假设接近，所以最佳跨距厶二120 X a2.0=240mm合理跨距为(0.75-1.5) /0,取合理跨距I二360mm。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=80mmo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4章主要零部件的选择4.1电动机的选择转速 n =1430r/min,功率 P=3kW选用Y系列三相异步电动机。4. 2轴承的选择I轴：与带轮靠近段安装深沟球轴承6007,另一端安装深沟球轴承 6006 oII轴：靠近带轮一侧安装深沟球轴承6007,中间安装深沟球轴承 6007,后端安装深沟球轴承6l908o4. 3变速操纵机构的选择选用左右摆动的操纵杆使其通过杆的推力来控制I轴上的两联滑移齿 轮和II轴二联滑移齿轮。第5章校核5.1轴的校核(a) 主轴的前端部挠度 1=0-0002 x 525 = 0.105(b) 主轴在前轴承处的倾角&-容许值刃轴承 0.001 rad(c) 在安装齿轮处的倾角& W容许值刃齿 1 radD平均= 1.0765x16 + 70x78 + 75x50 + 80x236 + 85x160 + 90x150y Din690u SI mmE = 2Axi05MPa/二旦(1 一仏)二龙朋7：( _兰)二356904(mm4)64 d 6487厂 2x955xl04P x0.99532x955x 104x3.37x0.9953“小八F = 1268( N)d件 x 斤计400 x 125mvz:n3x20x125将其分解为垂直分力和水平分力 由公式Fy = 0.4E = 507(N), Fx = 0.25見=217(N)由于小齿轮的传动力大，这里以小齿轮来进行计算Fq = 2X955X1( = 2吧0：号37 =A/v =-Fv/# =-x507xl60 = 54080(N mm)可得F + 伦伽乙=FqF = F tan%伦=21()5(N),他=6477()2 2Mz =-乡件=-xl268xl60 = l35253(N mm)Mx = -F血=1x317x130 = 20605(N mm)2 2主轴载荷图如图5-1所示：（8）垂直平面内（b）水平平面内图5-1主轴载荷图由上图可知如下数据：a=364mm,b= 161 mm,l=525mm,c=87mm 计算（在垂直平而）。F abcQ + a）Fzc 门（、 八1 6EII 3EII6EI儿+y2+y3=i73Fn/abRM7&齿i =”3F“_g）齿 2=1/ + 3c）。齿 3=jy + 3c）&轴承1&齿Z =&齿l +。齿2 + 血3 =6.9x10 5 -FQzab（l + a）F：clMzl67/,轴承2 _ Sei ,轴承3 _ 3EZ&穌Z =血承1 +。轴利+血承3 = 2.9x10 占m坐沪（心计算（在水平面） -Foabc（l + a） 6EII儿，=必+% + %=17=& 厶+ 3c) 齿1 3EII-齿 2 6EI3EI(/ + 3c)齿 y =血1 + 血2 + 兔3 = 13.86x10_ -仏呗/ + 0)_Fyd _ (My-MJl轴承_ 6EII%承2 _ 3EI %承3 _3EI缢承y =2峽1 +体咏2 +2峽3 =328x10 5合成:儿二 +儿2=0 080 105&齿=也齿:+e齿:=0-00015 o.ooi0轴承=轴承；+ &轴承二0.00033 0.0015.2轴承寿命校核由口轴最小轴径可取轴承为7008C角接触球轴承,e=3 ；P=XFr+YFaX=l, Y二0。对II轴受力分析如图52所示。1*516a120图5-2 II轴受力分析图得：前支承的径向力Fr=2642.32No由轴承寿命的计算公式：预期的使用寿命Lg二15()0()h。厶()空2 ()一 型22 X (Z000 3 =鰹 x(5000 = 288142 冲,九J n P 1802238.3815026423210/轴承寿命满足要求。第6章结构设计及说明6.1结构设计的内容、技术要求和方案设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴、轴承、带轮、齿轮、离 合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱体及其联结 件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计由 于时间的限制，一般只画展开图。主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的有关要 求外，着重考虑以下儿个方面的问题。精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，传动效率要求，主轴前轴承 处温度和温升的控制，结构工艺性，操作方便、安全、可靠原则，遵循标 准化和通用化的原则。主轴变速箱结构设计时整个机床设计的重点，由于结构复杂，设计中 不可避免要经过反复思考和多次修改。在正式画图前应该先画草图。的 是：1布置传动件及选择结构方案。2检验传动设计的结果中有无干涉、碰撞或其他不合理的情况，以便 及时改正。3确定传动轴的支承跨距、齿轮在轴上的位置以及各轴的相对位置， 以确定各轴的受力点和受力方向，为轴和轴承的验算提供必要的数据。6. 2展开图及其布置展开图就是按照传动轴传递运动的先后顺序，假想将各轴沿其轴线剖 开并将这些剖切面平整展开在同一个平面上。轴上装的摩擦离合器和变速齿轮。有两种布置方案，一是将两级变速 齿轮和离合器做成一体。齿轮的直径受到离合器内径的约束，齿根圆的直 径必须大于离合器的外径，负责齿轮无法加工。这样轴的间距加大。另一 种布置方案是离合器的左右部分分别装在同轴线的轴上，左边部分接通， 得到一级反向转动，右边接通得到三级反向转动。这种齿轮尺寸小但轴向 尺寸大。我们采用第一种方案，通过空心轴中的拉杆来操纵离合器的结 构。总布置时需要考虑制动器的位置。制动器可以布置在背轮轴上也可以 放在其他轴上。制动器不要放在转速太低轴上，以免制动扭矩太大，是制 动尺寸增大。齿轮在轴上布置很重要，关系到变速箱的轴向尺寸，减少轴向尺寸有 利于提高刚度和减小体积。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，有许多地方处理不够妥当，因为没有接触过生产实际，所以 可能有的地方存在错误，希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，对于机械类的书籍，软件的使用能力得到了提升，并且 对设计工作有了更深入的认识，在同学们一起进行设计任务的过程中，不 仅增进了友谊，而且对于课程设计的课题有了更深的理解。在设计过程 中，得到王仲文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岀版社，修订版;【2】、于惠力主编机械设计科学岀版社第一版【3】、戴曙主编【4】、戴曙主编金属切削机床设计 机械工业出版社金属切削机床机械工业出版社 第一版【4】、赵九江主编材料力学哈尔滨工业大学出版社第一版【6】、郑文经主编【7】、于惠力主编机械原理高等教育出版社第七版机械设计课程设计科学出版社致谢在课程设计过程中，感谢很多同学的帮助和指点，感谢院系各位老师 多年来的谆谆教诲，感谢他们默默的栽培我。这次的课程设计是在王仲文老师和丁艳艳老师的亲切关怀和悉心指导 下完成的。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指 导和不懈的支持，在此，谨向教师表示衷心的感谢和崇高的敬意！。此外，在课程设计过程中，也得到了其他同学的帮助，有关软件方面 的一些技能不足得到了同学的大力帮助，设计任务一直在很好的氛围中进 行，在这里，也向他们表示真诚的感谢！再次向此次课程设计中所有帮助过我的人表示感谢。
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