数控车床课程设计机床运动机械变速传动系统的结构设计

中北大学课程设计说明书目录1. 概述11.1 机床课程设计的目的11.2 铣床的规格系列和用处11.3 操作性能要求12. 参数的拟定12.1 确定极限转速12.2 主电机选择13. 传动设计23.1 主传动方案拟定23.2 传动结构式、结构网的选择23.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目23.2.2 传动式的拟定23.2.3 结构式的拟定34. 传动件的估算44.1 三角带传动的计算44.2 传动轴的估算64.2.1 传动轴直径的估算64.2.2 传动轴以及主轴计算转速74.3 齿轮齿数的确定和模数的计算74.3.1 齿轮齿数的确定74.3.2 齿轮模数的计算84.3.3 齿宽确定104.4 带轮结构设计115. 动力设计115.1 主轴刚度验算115.1.1 选定前端悬伸量C115.1.2 主轴支承跨距L的确定125.1.3 计算当量外径125.1.4 主轴刚度的计算125.1.5 对于这种机床的刚度要求125.2 齿轮校验135.3 轴承的校验136. 系统传动图147. 心得体会168. 参考文献17171.概述1.1机床课程设计的目的机床课程设计，是在金属切削机床课程之后进行的实践性教学环节。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。1.2铣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。本次设计的是普通铣床主轴变速箱。1.3 操作性能要求1）具有皮带轮卸荷装置2）主轴的变速由滑移齿轮完成2.参数的拟定2.1 确定极限转速 主轴最大转速1400r/min，最低转速31.5r/min。公比=1.412.2 主电机选择合理的确定电机功率N，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，根据机床设计手册3选Y132S1-2，额定功率5.5，满载转速2900 ，最大额定转距2.2。3.传动设计3.1 主传动方案拟定拟定传动方案，包括传动型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个传动系统的确定。传动型式则指传动和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的传动型式、变速类型。传动方案和型式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此，确定传动方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。传动方案有多种，传动型式更是众多，比如：传动型式上有集中传动，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、分支传动等型式；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，我们采用集中传动型式的主轴变速箱。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。即本设计中传动级数为Z=12。传动副中由于结构的限制以2或3为合适，本课程设计选择方案： 12=322；12232；122233.2.2 传动式的拟定 12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、装置和性能以及一个“前多后少”的原则。故离电动机近的传动组的传动副个数最好高于后面的传动组的传动副数。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12=232。3.2.3 结构式的拟定对于12=232传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为： 根据(1)传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围（2）基本组扩大组的排列顺序，初选的方案。转速图的拟定 图1转速图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机械设计4表8-6取=1.2 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4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4表8-3，8-7取主动轮基准直径=125。由公式 式中：-小带轮转速，-大带轮转速，-带的滑动系数，一般取0.02。所以 ，取值250mm，可以满足传动比的要求。(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 ，取=500mm. (5)三角带的计算基准长度 由机械设计4表8-2，圆整到标准的计算长度 L=1600mm(6)确定实际中心距 (7)验算小带轮包角 ，主动轮上包角合适。(8)确定三角带根数根据机械设计4式8-22得传动比查表8-5c，8-5d 得= 0.34KW,= 2.05KW查表8-8，=0.96；查表8-2，=0.96Z=2.98取 Z=3 根4.2 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1表3-8取I，IV轴的K=1.05，A=92；II，III轴是花键轴，取K=1.07，A=83。所以 此轴径为平均轴径，设计时可相应调整。4.2.2 传动轴以及主轴计算转速 根据转速图可判断： 轴3可以从主轴90r/min 按22/88的传动副找上去,轴3的计算转速125r/min;轴2的计算转速为500r/min;轴1的计算转速为710r/min。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1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： ，查表，齿数和取84 =42，=42，=35，=49，第二组齿轮： 传动比： 齿数和取90 第三组齿轮： 传动比： 齿数和取110： =73，=37，=22，=88，4.3.2 齿轮模数的计算(1)- 齿轮弯曲疲劳的计算： （机床主轴变速箱设计指导3P36，为大齿轮的计算转速，可根据转速图确定）齿面点蚀的计算： 取A=81，由中心距A及齿数计算出模数： 根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取 所以取(2) -齿轮弯曲疲劳的计算： 齿面点蚀的计算： 取A=127，由中心距A及齿数计算出模数： 根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取 所以取(3)- 齿轮弯曲疲劳的计算： 齿面点蚀的计算： 取A=140，由中心距A及齿数计算出模数： 根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取 所以取(4)标准齿轮：从机械原理9 表10-2查得以下公式齿顶圆 齿根圆 分度圆 齿顶高 齿根高 齿轮的具体值见表齿轮尺寸表齿轮齿数z模数m分度圆d齿顶圆齿根圆齿顶高齿根高1423126132118.533.752423126132118.533.75335310511197.533.754493147153139.533.755183546046.533.756723216222198.533.757453135141127.533.758453135141127.533.759303909682.533.7510603180186172.533.7511733219225211.533.7512373111117103.533.7513223667258.533.7514883264270256.533.754.3.3齿宽确定 由公式得：第一套啮合齿轮 第二套啮合齿轮 第三套啮合齿轮 反转啮合齿轮一对啮合齿轮，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，应主动轮比小齿轮齿宽大所以， 4.4 带轮结构设计 查机械设计4P156页，当。D是轴承外径，查机械零件手册2确定选用深沟球轴承6211，d=55mm,D=100mm。带轮内孔尺寸是轴承外径尺寸100mm。齿机械设计4表8-10确定参数得： 带轮宽度： 分度圆直径： ， 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1P121，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 后支撑是圆锥滚子轴承。 L=600mm5.1.3 计算当量外径 64.17mm 5.1.4主轴刚度的计算 由于，故根据式金属切削机床5（1018）： 5.1.5 对于这种机床的刚度要求 由于这种机床属高效通用机床，主轴的刚度可根据自激振动稳定性决定。取阻尼比；当,时，。这种机床要求切削稳定性良好，取 代入式（1016）， 根据稳定性指标的规定，工件长度，加上卡盘，共长。根据式（1018）， 根据式（1019）， 可以看出，该机床主轴是合格的。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5，齿轮9，齿轮12这三个齿轮。 齿轮5的齿数为28，模数为3，齿轮的应力：1）接触应力： u-大齿轮齿数与小齿轮齿数之比；-区域系数； -弹性影响系数； K-载荷系数；圆周力。查机械设计4表10-4及图10-8及表10-2分布得假定齿轮工作寿命是48000h。最终确定 ：接触应力 830.0Mpa 接触疲劳强度校核满足2） 弯曲应力： 齿型系数；应力校正系数.查机械设计4有，求得： =105Mpa 弯曲疲劳强度校核满足另外两齿轮计算方法如上，均符合要求。5.3轴承的校验一般机床传动轴的滚动轴承，主要是因疲劳破坏而失效，故应进行疲劳寿命验算。机床主轴通常有较高的刚度要求。主轴轴径的尺寸较大，按轴径尺寸所选定的轴承，其疲劳寿命是足够的，所以对主轴轴承主要进行精度和刚度的校核。对于转速很低的滚动轴承，主要因滚动体接触面的永久变形而失效，故应验算其静载荷。45#钢 调质 毛土坯直径 硬度 抗拉强度极限 屈服强度极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限许用弯曲应力按扭转强度校验N=160P=3.13KWd=70mm故轴符合，轴选用45#钢调质处理。6.系统传动图7.心得体会在课程设计当中，对铣床主轴箱的内部结构有了相当的理解。设计的过程中遇到很多问题，认识到自己对金属切削机床以及其他相关课程的学习还不够深入，在同学们的帮助和老师的指导下学会了这门课设计的要点和方法。通过大量的翻阅参考资料和机械设计手册，掌握了不少知识。虽然完成了设计但是在知识方面还有很多欠缺。我会继续努力再接再厉。由于时间比较紧迫，设计中可能存在不少问题，望老师能给予指出和指正。通过这次设计更加巩固了我对金属切削机床的认识和了解，对以后的课程设计或工作以后的设计提供了宝贵的经验。8.参考文献1 陈易新.金属切削机床课程设计指导书.北京:机械工业出版社,1987.72 范云涨.金属切削机床设计简明手册. 北京:机械工业出版社,1994.7