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普通车床(最大加工直径 250) 主轴箱部件设计 机设093班 094057003151、概述1.1机床课程设计的目的 课程设计是在学生学完相应课程及先行课程之后进行的实习性教学环节，是大学生的必修环节，其目的在于通过机床运动机械变速传动系统的结构设计，使学生在拟定传动和变速的结构的结构方案过程中，得到设计构思，方案分析，结构工艺性，机械制图，零件计算，编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析，结构设计和计算能力。全套图纸，加1538937061.2 车床的规格系列和用处普通机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计的是普通型车床主轴变速箱。主要用于加工回转体。主电机功率P（kw）主电机转速n电（rmin-1）Nmax（rmin-1）Nmin（rmin-1）公比5.51440200401.26表1 车床的主参数（规格尺寸）和基本参数1.3 操作性能要求（1）具有皮带轮卸荷装置（2）手动操作纵双向摩擦片离合器实现主轴的正反转及停止运动要求（3）主轴的变速由变速手柄完成2、参数拟定2.1确定转速范围 查金属切削机床表得：40r/min，50r/min，63r/min，80r/min，100r/min，125r/min，160r/min，200r/min。2.2 主电机的选择合理的确定电机功率，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。已知电动机的功率是5.5KW，根据机械设计课程设计表8-53选Y132S-4，额定功率5.5KW，满载转速1440r/min，最大额定转矩2.2N/m。3、传动设计3.1 主传动方案拟定 拟定传动方案，包括传动形式的选择以及开停、换向、制动、操作等整个传动系统的确定。传动形式指传动和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的传动形式、变速类型。 传动方案和形式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此，确定传动方案和形式，要从结构、工艺、性能及经济等方面统一考虑。传动方案有多种，传动形式更是众多，比如：传动形式上有集中传动、分离传动；扩大变速范围可用增加传动组数，也可用背轮结构、分支传动等形式；变速箱上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然，可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设计中，我们采用集中传动形式的主轴变速箱。3.2 传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目级数为Z的传动系统由若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有、个传动副。即 传动副中由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为2和3的因子： ，可以有三种方案： 8=42；8=24；8=222；3.2.2 传动式的拟定8级转速传动系统的传动组，选择传动组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好。最后一个传动组的传动副常选用2。综上所述，传动式为8=222。3.2.3 结构式的拟定 传动副应前多后少的原则，故8=222传动式，有6种结构式和对应的结构网。又因为传动顺序应前密后疏，变速组的降速要前慢后快，所以结构式为： 3.3 转速图的拟定图1正转转速图图2主传动系图4、传动件的估算4.1 三角带传动的计算三角带传动中，轴间距A可以加大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，宜可缓和冲击及隔离振动，使传动平稳。带轮结构简单，但尺寸大，机床中常用作电机输出轴的定比传动。(1)选择三角带的型号 根据公式： 式中P-电动机额定功率，-工作情况系数 查机械设计图8-8因此选择A型带，尺寸参数为B=80mm，=11mm，h=10，。(2)确定带轮的计算直径，带轮的直径越小带的弯曲应力就越大。为提高带的寿命，小带轮的直径不宜过小，即。查机械设计8-6，8-8取主动轮基准直径=100m由公式式中：-主动轮带轮转速，-从动轮带轮转速，-带的滑动系数，一般取0.02。所以mm，由机械设计表8-8取圆整为224mm。(3)确定三角带速度按公式 (4)初定中心距带轮的中心距，通常根据机床的总体布局初步选定，一般可在下列范围内选取： 根据经验公式，取=500mm. (5)三角带的计算基准长度 由机械设计表8-2，圆整到标准的计算长度L=1600mm(6)验算三角带的挠曲次数 ，符合要求。 (7)确定实际中心距A=Ao+(L-Lo)/2=500+(1600-1450)/2=542mm(8)验算小带轮包角主动轮上包角合适。(9)确定三角带根数根据机械设计式8-22得传动比查表8-4b，8-4a 得= 0.17kW,= 1.32KW查表8-5，=0.98；查表8-2，=0.99所以取 根(10)计算预紧力查机械设计表8-3，q=0.1kg/m= =130.2N4.2 传动轴的估算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。4.2.1 传动轴直径的估算其中：P-电动机额定功率 K-键槽系数 A-系数-从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积；-该传动轴的计算转速。计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系确定。查机械制造装备设计表3-8取I，IV轴的K=1.05，A=100；II，III轴是花键轴，取K=1.06，A=92。所以 取32mm 取36mm 取44mm 取62mm此轴径为平均轴径，设计时可相应调整。4.3 齿轮齿数的确定和模数的计算4.3.1 齿轮齿数的确定当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和及小齿轮的齿数可以从表3-6（机械制造装备设计）中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于1820。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4，以保证滑移是齿轮外圆不相碰。第一组齿轮：传动比：, 查机械制造装备设计表3-6，齿数和取72=24，=48，=44,=28；第二组齿轮：传动比：， 齿数和取73： ，,；第三组齿轮：传动比：, 齿数和取75： ，;4.3.2 齿轮模数的计算齿轮模数的估算。通常同一变速组内的齿轮取相同的模数，如齿轮材料相同时，选择负荷最重的小齿轮，根据齿面接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度条件按 机械零件手册表7-17进行估算模数和，并按其中较大者选取相近的标准模数，为简化工艺变速传动系统内各变速组的齿轮模数最好一样，通常不超过23种模数。先计算最小齿数齿轮的模数，齿轮选用直齿圆柱齿轮及斜齿轮传动，查金属切削机床设计表10-8齿轮精度选用7级精度，再由金属切削机床设计表10-1选择小齿轮材料为40C(调质)，硬度为280HBS：根据 机械零件手册表7-17；有公式：齿面接触疲劳强度：齿轮弯曲疲劳强度：、a变速组：分别计算各齿轮模数，先计算最小齿数24的齿轮。齿面接触疲劳强度：其中: -公比 ； = 2； P-齿轮传递的名义功率；P = 0.967.5=7.2KW； -齿宽系数=； -齿轮许允接触应力，由 机械零件手册图7-6按MQ线查取; -计算齿轮计算转速;K-载荷系数取1.2。=650MPa， 根据画法几何与机械制图表10-4将齿轮模数圆整为5mm 。齿轮弯曲疲劳强度：其中: P-齿轮传递的名义功率；P = 0.967.5=7.2KW； -齿宽系数=； -齿轮许允齿根应力，由 机械零件手册图7-11按MQ线查取；-计算齿轮计算转速; K-载荷系数取1.2。，根据画法几何与机械制图表10-4将齿轮模数圆整为3mm 。所以于是变速组a的齿轮模数取m = 5mm，b = 40mm。轴上主动轮齿轮的直径： 。轴上三联从动轮齿轮的直径分别为： 、b变速组：确定轴上另两联齿轮的模数，先计算最小齿数21的齿轮。齿面接触疲劳强度：其中: -公比 ； =2.51； P-齿轮传递的名义功率；P = 0.9227.5=6.915KW； -齿宽系数=； -齿轮许允接触应力，由 机械零件手册图7-6按MQ线查取; -计算齿轮计算转速;K-载荷系数取1.2。=650MPa， 根据画法几何与机械制图表10-4将齿轮模数圆整为8mm 。齿轮弯曲疲劳强度：其中: P-齿轮传递的名义功率；P =0.9227.5=6.915KW； -齿宽系数=； -齿轮许允齿根应力，由 机械零件手册图7-11按MQ线查取；-计算齿轮计算转速; K-载荷系数取1.2。，根据画法几何与机械制图表10-4将齿轮模数圆整为6mm 。所以于是变速组b的齿轮模数取m =8mm，b = 40mm。 轴上主动轮齿轮的直径： 轴上三联从动轮齿轮的直径分别为：（3）、c变速组：确定轴上另两联齿轮的模数，先计算最小齿数18的齿轮。齿面接触疲劳强度：其中: -公比 ； =3.16； P-齿轮传递的名义功率；P =0.8857.5=6.54KW -齿宽系数=； -齿轮许允接触应力，由 机械零件手册图7-6按MQ线查取; -计算齿轮计算转速;K-载荷系数取1.2。=650MPa， 根据画法几何与机械制图表10-4将齿轮模数圆整为8mm 。齿轮弯曲疲劳强度：其中: P-齿轮传递的名义功率；P =0.8857.5=6.64KW -齿宽系数=； -齿轮许允齿根应力，由 机械零件手册图7-11按MQ线查取；-计算齿轮计算转速; K-载荷系数取1.2。，根据画法几何与机械制图表10-4将齿轮模数圆整为6mm 。所以于是变速组b的齿轮模数取m =8mm，b = 80mm。 轴上主动轮齿轮的直径： 轴上三联从动轮齿轮的直径分别为：、标准齿轮参数：从机床主轴/变速箱设计指导表5-1查得以下公式齿顶圆直径 ； 齿根圆直径；分度圆直径 ；齿顶高 ；齿根高 ； 齿轮的具体值见表表5.1齿轮尺寸表 （单位：mm）齿轮齿数z模数分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高齿根高245120130107.556.25485240250227.556.25445220230207.556.25285140150127.556.252882242402048104583603763408102181681841488105284164323968103382642802448104283363523168101881441601248105784564724368104.3.3各轴间的中心距的确定；4.3.4齿宽确定 由公式得：轴主动轮齿轮；轴主动轮齿轮；轴主动轮齿轮；一般一对啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿的载荷，设计上，应主动轮比从动轮齿宽大（510mm）。所以：， ，。4.4齿轮结构的设计通过齿轮传动强度的计算，只能确定出齿轮的主要尺寸，如齿数、模数、齿宽、螺旋角、分度圆直径等，而齿圈、轮辐、轮毂等的结构形式及尺寸大小，通常都由结构设计而定。当齿顶圆直径时，可以做成实心式结构的齿轮。当时，可做成腹板式结构，再考虑到加工问题，现决定把齿轮6、8、9、10和12做成腹板式结构。其余做成实心结构。根据金属切削机床设计图10-39（a）结构尺寸计算如下：齿轮6结构尺寸计算， ；，C取16mm。齿轮8结构尺寸计算;；，C取16cm。齿轮9结构尺寸计算，；，C取24cm。齿轮10结构尺寸计算，；，C取20mm。齿轮12结构尺寸计算，；，C取20cm。4.5带轮结构设计、带轮的材料常用的V带轮材料为HT150或HT200，转速较高时可以采用铸钢或钢板冲压焊接而成，小功略时采用铸铝或塑料。、带轮结构形式V带轮由轮缘、轮辐和轮毂组成，根据轮辐结构的不同可以分为实心式（金属切削机床设计图8-14a）、腹板式（金属切削机床设计图8-14b）、孔板式（金属切削机床设计图8-14c）、椭圆轮辐式（金属切削机床设计图8-14d）。V带轮的结构形式与基准直径有关，当带轮基准直径（d为安装带轮的轴的直径，mm）时。可以采用实心式，当可以采用腹板式，时可以采用孔板式，当时，可以采用轮辐式。 带轮宽度：。 分度圆直径： 。其他尺寸见带轮零件图。、V带轮的论槽V带轮的轮槽与所选的V带型号向对应，见金属切削机床设计表8-10. mm槽型与相对应得A11.02.758.79 V带绕在带轮上以后发生弯曲变形，使V带工作面夹角发生变化。为了使V带的工作面与大论的轮槽工作面紧密贴合，将V带轮轮槽的工作面得夹角做成小于。V带安装到轮槽中以后，一般不应该超出带轮外圆，也不应该与轮槽底部接触。为此规定了轮槽基准直径到带轮外圆和底部的最小高度。轮槽工作表面的粗糙度为。、V带轮的技术要求铸造、焊接或烧结的带轮在轮缘、腹板、轮辐及轮毂上不允许有傻眼、裂缝、缩孔及气泡；铸造带轮在不提高内部应力的前提下，允许对轮缘、凸台、腹板及轮毂的表面缺陷进行修补；转速高于极限转速的带轮要做静平衡，反之做动平衡。其他条件参见中的规定。5、动力设计5.1主轴刚度验算5.1.1 选定前端悬伸量C参考机械装备设计P121，根据主轴端部的结构，前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，这里选定C=120mm.5.1.2主轴支承跨距L的确定 一般最佳跨距 ，考虑到结构以及支承刚度因磨损会不断降低，应取跨距L比最佳支承跨距大一些，再考虑到结构需要，这里取L=600mm。5.1.3 计算C点挠度(1)周向切削力的计算其中,故，故。(2)驱动力Q的计算参考车床主轴箱指导书，其中所以(3)轴承刚度的计算 这里选用4382900系列双列圆柱子滚子轴承 根据求得：(4)确定弹性模量，惯性距I；和长度。 轴的材产选用40Cr，查简明机械设计手册P6，有 主轴的惯性距I为： 主轴C段的惯性距Ic可近似地算： 切削力P的作用点到主轴前支承支承的距离S=C+W，对于普通车床，W=0.4H，（H是车床中心高，设H=200mm)。 则： 根据齿轮、轴承宽度以及结构需要，取b=60mm 计算切削力P作用在S点引起主轴前端C点的挠度 代入数据并计算得=0.1299mm。 计算驱动力Q作用在两支承之间时，主轴前端C点子的挠度 计算得：=-0.0026mm 求主轴前端C点的终合挠度水平坐标Y轴上的分量代数和为，计算得：=0.0297mm.。综合挠度。综合挠度方向角，又。因为，所以此轴满足要求。5.2 齿轮校验在验算算速箱中的齿轮应力时，选相同模数中承受载荷最大，齿数最小的齿轮进接触应力和弯曲应力的验算。这里要验算的是齿轮11。齿轮11的齿数为18，模数为8，齿轮的应力： (1)接触应力： u-大齿轮齿数与小齿轮齿数之比； -齿向载荷分布系数；-动载荷系数；-工况系数；-寿命系数查机械装备设计表10-4及图10-8及表10-2分布得假定齿轮工作寿命是48000h，故应力循环次数为查机械装备设计图10-18得，所以：(2)弯曲应力： 查金属切削手册有Y=0.378，代入公式求得：=158.5Mpa 查机械设计图10-21e,齿轮的材产选，大齿轮、小齿轮的硬度为60HRC，故有，从图10-21e读出。因为：，故满足要求，另外两齿轮计算方法如上，均符合要求。6、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，着重考虑以下几个方面的问题。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。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。I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。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。6.3 齿轮块设计齿轮是变速箱中的重要元件。齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的。也就是说，作用在一个齿轮上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差等，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性。在齿轮块设计时，应充分考虑这些问题。齿轮块的结构形式很多，取决于下列有关因素：1） 是固定齿轮还是滑移齿轮；2） 移动滑移齿轮的方法；3） 齿轮精度和加工方法；变速箱中齿轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于圆周速度。采用同一精度时，圆周速度越高，振动和噪声越大，根据实际结果得知，圆周速度会增加一倍，噪声约增大6dB。工作平稳性和接触误差对振动和噪声的影响比运动误差要大，所以这两项精度应选高一级。不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有所不同。6.3.1其他问题滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸。圆齿和倒角性质不同，加工方法和画法也不一样，应予注意。选择齿轮块的结构要考虑毛坯形式（棒料、自由锻或模锻）和机械加工时的安装和定位基面。尽可能做到省工、省料又易于保证精度。齿轮磨齿时，要求有较大的空刀（砂轮）距离，因此多联齿轮不便于做成整体的，一般都做成组合的齿轮块。有时为了缩短轴向尺寸，也有用组合齿轮的。6.4 主轴组件设计主轴组件结构复杂，技术要求高。安装工件（车床）或者刀具（车床、钻床等）的主轴参予切削成形运动，因此它的精度和性能直接影响加工质量（加工精度和表面粗糙度），设计时主要围绕着保证精度、刚度和抗振性，减少温升和热变形等几个方面考虑。主轴形状与各部分尺寸不仅和强度、刚度有关，而且涉及多方面的因素。1） 内孔直径车床主轴由于要通过棒料，安装自动卡盘的操纵机构及通过卸顶尖的顶杆，必须是空心轴。为了扩大使用范围，加大可加工棒料直径，车床主轴内孔直径有增大的趋势。2） 轴颈直径设计时，一般先估算或拟定一个尺寸，结构确定后再进行核算。3） 前锥孔直径前锥孔用来装顶尖或其他工具锥柄，要求能自锁，目前采用莫氏锥孔。4） 支撑跨距及悬伸长度为了提高刚度，应尽量缩短主轴的外伸长度。选择适当的支撑跨距，一般推荐取： =35，跨距小时，轴承变形对轴端变形的影响大。所以，轴承刚度小时，应选大值，轴刚度差时，则取小值。7、总结这次机械设计课程设计题目为普通机床主轴箱部件设计。当看到题目时，很新奇，很激动。由于课题只提供了设计要求和参数，一开始时也是摸不着头脑。边学习边设计，同时去图书馆看书查资料，经过了几个星期的马拉松长跑，终于将几十页的设计完成了。在此期间，虽然很累，有好多天晚上都画CAD图画到凌晨2：00。特别是画装配图，一边画一边计算，期间在画图时发现了以前的设计纰漏，就不得不返回去修改设计说明书，一连画了四天才把装配图画好。但是我觉得我从中确实学到了很多东西，很多课堂上学不到的东西。 在用CAD画图时，我学会了使用很多功能，也温习了好多快捷键，收获很大。在用word制作时发现其实撰写课程设计的工作量也是很大的，画CAD二维图纸，画完二维图纸，又得进行几十页的文字书写，着实工作量很大，所以一个人的耐心很重要，光是用CAD画图就花了两天时间，着实的累，忙。但毕竟还是 做完了。感触颇多，百感交集。想了想，虽然很累，但很充实，累并快乐着。收获很多，启发很大： 、万事，做则不难；易事，不做亦难。正如Just Do It ! 、条条大路通罗马，一条路走不通，还用其他的路径，不要吊死在一棵树上。 、平时要多看，多想，多领悟，不光是机械方面的原理，万事万物都有其自然规律。 、创新比完全自主知识产权更重要，借鉴学习前辈的成果，加以创造、改进、革新，更符合社会的发展要求。 、良好的习惯是成功的重要前提，一个坏习惯可能使你前功尽弃，甚至是致命的威胁。 、做事要有团队合作精神，双赢互利才是世纪的强音。个人崇拜、个人英雄主义的时代已经过去，21世纪需要的是共同努力，高效、迅速的完成工作。 8、参考文献【1】 机械制造设备设计，关慧珍主编，机械工业出版社出版社，2006【2】 机械制造设备设计课程设计，陈立德主编，高等教育出版社，2007。【3】 机械设计（第八版），濮良贵、纪名刚主编，高等教育出版社，2006【4】 金属切削机床设计， 黄鹤汀主编，机械工业出版社，2005 【5】 机械零件手册，周开勤主编，高等教育出版社，2001 【6】 画法几何与机械制图，冯开平主编，华南理工出版社，2001.9【7】 机床主轴/变速箱设计指导, 曹金榜主编，机械工业出版社，2007【8】 互换性与测量技术，徐学林主编，湖南大学出版社，2009。【9】 理论力学，刘又文、彭献主编，高等教育出版社，2005。【10】 材料力学（第五版），刘鸿文主编，高等教育出版社，2010。【11】 机械构型与应用，孟宪源、姜琪主编第 27 页 共 27 页
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