回转工作台的传动方案及总体设计

1 目 录 前 言 . 1 0. 国际先进的感应淬火技术 . 1 我国工业应用感应热处理技术现状 . 1 第一章 传动方案及总体设计的确定 . 3 工作台运动的基本要求与工作台的分类 . 3 工作台运动的基本要求 . 3 数控回转工作台的分类 . 3 传动方案的选定 . 3 工作台的总体设计 . 4 第二章 动力及位置检测器件的选择与计算 . 6 伺服电机的特点与种类 . 6 伺服电机的选择 . 6 编码器的选择 . 9 编码器的原理及分类 . 9 码器的选用 . 11 2. 3 传动比的确定 . 12 各轴转速的确定 . 12 率及转矩的确定 . 13 第三章 齿轮的设计 . 13 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 . 13 按齿面接触疲劳强度设计 . 14 第四章 蜗轮蜗杆的设计 . 18 蜗杆传动类型的选择及双导程蜗杆的原理 . 18 蜗轮蜗杆传动副的设计及校核 . 22 蜗轮蜗杆结构的设计及校核 . 23 第五章 主轴的设计 . 28 轴的负载计算 . 28 主轴的结构设计 . 29 2 轴的校核 . 31 第六章 轴承的选择与计算 . 34 工作台承重推力球轴承设计计算： . 34 主 轴定位角接触轴承的设计计算 . 35 蜗杆角接触轴承的设计计算 . 36 第七章 联轴器的选择与校核 . 38 联轴器的设计选型及 计算 . 38 联轴器型号、尺寸的确定 . 39 主轴与旋转编码器间联轴器的设计选用 . 39 结 论 . 40 参考文献 . 41 致 谢 . 42 1 前 言 国际先进的感应淬火技术 电源：国外 固态晶体管电源技术逐步成熟，并已商品化，系列化，低频段有取代晶闸管电源趋势； 采用并联振荡电路 ，采用串联谐振电路，功率高达 1000 率 200 400400 淬火机床：感应淬火机床更加趋向自动化， 制逐渐增多，自动分检零件与自动识别进机零件功能的机床增多。主要分为以下两种： 1，通用淬火机床 ：目前通用淬火机床朝柔性化方向发展，一台淬火机床可以对不同性能要求的不同零件感应加热淬火； 2，专用淬火机床 ：专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行。 淬火工艺： (1)静止式曲轴感应淬火； (2)低淬透性钢齿轮淬火； (3)双频感应 加热淬火 国工业应用感应热处理技术现状 电源：我国的电源技术经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、晶闸管中频电源及全晶体管电源三个发展阶段。在 20 世纪 80 年代后期，在工业发达国家，晶闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自 90 年代中期也已逐步取代。 淬火工艺：随着工业的迅速发展，我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。目前使用的淬火介质包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、 富顿 251 等。所采用的加热方式及应用主要包括：横向磁场静止一次加热淬火；横向磁场连续加热淬火 ；横向磁场多段连续加热淬火；纵向磁场整体一次加热淬火；仿形感应器零件旋转加热淬火；感应接触加热淬火；内孔的一次及连续加热淬火；阶梯轴类零件的旋转加热淬火；平面类零件的一次及连续加热淬火；薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火；复杂形状零件的一次加热淬火；槽口一次淬火；复杂回线工件旋转一次加热淬火等。 2 淬火机床： 1，通用淬火机床方面，一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；采用能量和数控技术对不同性能要求的不同 零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易可操作性强； 2，专用淬火机床方面，二汽和天舒机电科技有限公司经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动淬火机床，与电源、水冷系统组成成套淬火设备可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角及轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数诸如电压、电流、频率、时间、压力、流量温度等进行监控和显示，目前国内多家采用。 综上可知，数控淬 火机床的开发与制造对于当前淬火行业的现状来说是具有前瞻意义的，是淬火机床数字化的必然趋势。 3 第一章 传动方案 及总体设计 的确定 作台运动的基本要求与工作台的分类 作台运动的基本要求 根据设计说明书要求，回转工作台的基本设计参数如下： 回转 直径为 500 转速范围为： 0 50 r/ 所承载工件的最大质量为： 2000 ； 回转台应具备电子转角给定与检测装置，其 h 精度为 10 。 控回转工作台的分类 由于数控回转工作台的功能要求连续回转、进给并与其他坐标轴联动，因此采用伺服驱动系统来实现回转、分度和定位，其定位精度由控制系统决定。根据控制方式，有开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台。 1. 开环数控回转工作台 开环数控回转工作台采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动 。 2. 闭环数控回转工作台 闭环数控回转工作台的结构与开环数控回转工作台基本相同，区别在于闭环数控回转工作台采用直流或交流伺服电机驱动，有转动角度测量元件 (圆光栅、圆感应同步器、脉冲编码器等 )。测量 的结果反馈与指令值进行比较，按闭环控制原理进行工作，使工作台定位精度更高。 动方案的选定 根据设计参数的要求，本设计的主传动方案选择闭环数控回转工作台的传动方案，动力源为伺服电机，经双导程一级蜗轮蜗杆减速传递给工作台，在心轴端部加装旋转编码器作为转角反馈装置。 4 如图 1回转工作台的传动链图，驱动装置为伺服电机，伺服电机与编码器相连，伺服电机带动小齿轮运动，小齿轮通过与大齿轮啮合实，大齿轮采用双片齿轮结构以达到自动消除齿侧间隙的目的，大齿轮带动蜗杆传动，通过蜗轮蜗杆的啮合实现第二级减速，该蜗 轮蜗杆采用双导程蜗轮蜗杆系统，以 消除正反传动产生的传动间隙，降低传动误差 。通过蜗轮蜗杆的传动带动工作台的运转 。 工件编码器双导程蜗轮蜗杆系统伺服电机图 1作台的总体设计 如图 1 工作台由伺服电机驱动，经一对齿轮 30、 31和一对蜗轮副 5、 7传动工作台，带动共作台作回转进给运动。采用双片齿轮 30消除齿轮啮合间隙，蜗杆采用双导程。伺服电机带有每转 1000个脉冲信号的编码器作为角度测量反馈原件。分度精度为 10 。 工作台采用环型，材料为 灰铸铁 200，工件的定位采用莫氏 4 号锥。 1 2 3 58101112131461917 18 20 21 22 7915 416610? 55757 0H 7/ - 角接触求轴承；3 - 轴承套环；4 - 盘式制动器；5 ；6 - 箱体；7- 蜗杆；8- 圆柱销；9 - 蜗轮轴；9 - 顶尖；1 0 - 圆锥滚子轴承；1 1 - 螺钉；12 - 推力球轴承；1 3 - 回转台；14 - 螺栓；1 5 盘；1 6 - 螺钉；1 7 - 螺钉；18 - 套筒；1 9 母；2 0 - 连接轴；21 - 螺钉5 图 1425262927343532363738394041422330312833?00500H7/8杆；24 球轴承；24 ；25 ；26 槽沉头螺钉；27 ；28 ；29 轮；30 轮；31 ；32 ；33 盒；34 ；35 ；36 垫片；37 套环；38 触球轴承；39 母；40 ；41 ;4 2- 螺钉图 1 第 二 章 动力及位置检测器件的选择与计算 服电机的特点与种类 伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。是一种补助马达间接变速装置，可使控制速度，位置精度非常准确。伺服电机可分为直流伺服电机和交流伺服电机。 1. 直流伺服电机 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业 和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2. 交流伺服电机 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率，大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低，因而适合做低速平稳运行的应用。 服电机的选择 根据工作台的工作情况以及工作 需要，工作转速较低，但在工作过程中有变速环节，因此对伺服电机的要求是：转速中等，扭矩较大，能承载较高的负载惯量。根据以上要求，通过对市场上现有伺服电机产品的研究调查和反复比较，决定采用大转动惯量、中转速、大扭矩系列伺服电机，具体型号选择计算如下： 1. 负载情况 由于淬火机床在工作时感应头与工件要保持一定的距离，不像其他机床那样存7 在切削阻力，因此，动力电机只要能克服工件回转时传动部件的摩擦阻力即可。各部件的摩擦阻力及效率情况如下： (1) 效率计算 整个传动系统共使用了两对角接触轴承、一对深沟球轴承和一个 单列推力球轴承，以及一个联轴器和一个蜗轮蜗杆副，具体效率如下： 滚动轴承： 对） 联轴器： 轮蜗杆副： 整个传动系统的总效率为 0 . 9 8 0 . 9 8 0 . 9 8 0 . 9 9 0 . 7 6 5= = % 总(2) 工作状况 设计最大工件质量为 2000作台自重约为 65轴质量约为 15具质量约为 30及轴承法兰盘的重量，总承质量低于 2250推力球轴承的总承重为： 0 m g 2 2 5 0 9 . 8 2 2 0 5 0 N 2 2 . 0 5 k = =(3) 推力 球 轴承型号 的 选择 由于工作台设计转速范围为： 0 50r/于转速较低的情况，故主要应对其进行静载荷强度的计算，即： 0 由机械设计 13得静强度安全系数 2S=0故 02 2 2 2 . 0 5 4 4 . 1 0 k = = 0考虑到空心轴与顶尖的直径尺寸，以及工作台在工作时的平衡支撑性能，故选用 51176 型推力球轴承，其尺寸及参数为： 3 8 0 4 6 0 6 5d D T = ，440 a ， 2 2 1 0 k a ， ，极限转速 /(r/脂 430，极限转速/(r/油 600，重量 23.0 。 (4) 推力球轴承的摩擦力矩 M 滚动轴承的摩擦力矩可以按照轴承内径由下式计算： M / 2= 这里 ， M ：摩擦力矩， N u：摩擦系数，表 5：轴承负荷， N d：轴承公称内径， 查得推力球轴承的摩擦系数 u=： M 2 0 . 0 0 3 2 2 0 5 0 3 8 0 / 2 1 2 5 6 8 . 5 N m m= u P d / = 2. 伺服电机型号的选择 根据以上计算，结合市场上伺服电机的产品情况，初选伺服电机型号为：服电机参数如下： 额定输出功率为： 3 额定电源电压为： 220V（ 额定转速为： 3500r/ 额定转矩为： m， 峰值转矩为（瞬间）： m， 最高转速为： 2400 电势系数： s/ 转矩系数： m/A， 转子惯量： 252000 额定线电流（有效值）： ， 额定线电压（有效值）： 伺服电机的外形尺寸如下图所示： 图 2服电机外观尺寸 3. 摩擦阻力矩计算 (1) 蜗杆轴承的摩擦力矩 蜗杆采用一端固定一端游动的支撑，游动端没有轴向力，因此只有效率计算即可，固定段为一端角接触轴承，所受轴向载荷等于蜗杆所受轴向力，为 4864N，9 则摩擦力矩为： 1 /2M M ：摩擦力矩， u ：摩擦系数， P ：轴承负荷， N d ：轴承公称内径， 入数据得：1 0 . 0 0 1 2 4 8 6 4 4 0 / 2 1 1 6 . 7 4 N m = (2) 心轴 轴承的摩擦力矩 与蜗杆类似，心轴上的深沟球轴承同样为游动支撑，主要起中心定位作用，因此只计算角接触轴承的摩擦力矩即可，轴承所受轴向负载为 462N，力矩计算如下： 2 0 . 0 0 1 2 4 5 7 . 4 8 5 5 / 2 1 5 . 0 9 N m = (3) 工作台承重轴承的摩擦力矩 作为工件的主承重轴承，工作台推力球轴承的摩擦力矩对工作 的回转影响尤为重要，其工作载荷即工件与工作台的总重，为 摩擦力矩计算如下： 3 / 2 0 . 0 0 3 2 2 0 5 0 3 8 0 / 2 1 2 5 6 8 . 5 N m u P d = = 综上可知，总的摩擦力矩为 : 12 1 1 6 . 7 4 + 1 5 . 0 9 + 1 2 5 6 8 . 5 = 1 2 7 0 0 . 3 3 N m M + M + M = 因此所选电机符合要求。 码器的选择 码器的原理及分类 1. 编码器如以信号原理可以分为增量型编码器和绝对型编码器。 (1) 增量型编码器 (旋转型 ) a. 工作原理： 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取 ,获得四组正弦波信号组合成 A、 B、 C、 D,每个正弦波相差 90 度相位差10 （相对于一个周波为 360 度），将 C、 D 信号反向，叠加在 A、 B 两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个 Z 相脉冲以代表零位参考位。 由于 A、 B 两相相差 90 度 ，可通过比较 A 相在前还是 B 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 分辨率 编码器以每旋转 360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度 510000 线。 b. 信号输出： 信号输出有正弦波（电流或电压） ,方波（ ,集电极开路（ ,推拉式多种形式，其中 长线差分驱动（对称 A,挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 信号连接 编码器的脉冲信号一般连接计数器、 算机， 计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、 B、 Z 三相联接，用于 带参考位修正的位置测量。 A、 B、 Z、 于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为 0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。对于 带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达 150 米。对于 带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300 米。 c. 增量式编码器的问题： 增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。 d. 增量型编码器的一般应用 : 测速 ，测转动方向，测移动角度、距离 (相对 )。 (2) 绝对型编码器（旋转型） 绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以 2 线、 4 线、 8 线、16 线 编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从 2 的零次方到 2 的 方的唯一的 2 进制编码（格雷码），这就称为 绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。 绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读 取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过 360 度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围 360 度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过 360 度范围，就要用到多圈绝对值编码器 编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增 加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。 多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多， 这样在安装时不必要费劲找零点， 将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度 码器的选用 根据以上对编码器的分析，结合本设计情况，决定选用西安新敏电子科技有限公司的 旋转增量编码器，特性： 1. 法兰安装，输出轴自带弹性联轴器； 2. 法兰尺寸 6868，止口 50，轴径 15，航插侧出； 3. 安装方便，广泛应用于数控机床行业。具体技术参数如下： 输出波形：方波； 工作温度： 100 ； 消耗电流： 150 储存温度： 120 ； 响应频率： 0120 工作湿度： 3085% 无结露； 载空比： 12 电源电压： +/ +512V、 +1224V； 最大转速： 6000 抗冲击： 980 2/ 6向各 2 次； 转动惯量： 1.0 x 10 抗震动： 50 2/ 10200向各 2h； 起动力矩： 2.0 x 10+25 ）； 工作寿命： 0000h（ +25 ， 2000 轴最大负载：径向 60N；轴向 50N； 输出电压： 高电平 5%电平 防护：防水、防油、防尘 质量： 安装尺寸如下图所示： 图 2码器尺寸图 2. 3 传动比的确 定 由于转速范围 050 r/取回转台转速4 2 0 / m 则 3 0 0 0 / 2 0 1 5 0i 总。分配传速比：齿轮传动比12 ， 蜗轮蜗杆传动比34 60i 各轴转速的确定 I 轴（小齿轮轴） 1 3 0 0 0 / m i ； （蜗杆轴） 2 1 2/ 3 0 0 0 / 2 . 5 1 2 0 0 / m i nn n i r ； 13 （蜗轮轴） 3 2 0 / m ； 则各部分转速：小齿轮1 3 0 0 0 / m 大齿轮2 3 0 0 0 / 2 . 5 1 2 0 0 / m i ，蜗杆转速321200，蜗轮转速43 1 2 0 0 / 6 0 2 0 / m i ni i r 。 率及转 矩的确定 各轴的输入功率： I 轴 1 d 3 3 0 . 9 9 2 . 9 7p p K W ； 2 1 2 3 2 . 7 9dp p K W ； 33 2 1 2 4 51 . 8 8p p K W p 工 作 台各轴的输入转矩、电机的输出转矩： 5 0 p / 9 5 5 0 3 / 3 0 0 0 9 . 5 5T N m 电 机I 轴 13 9 . 2 6 N m 2 1 2 3 2 2 2 . 2 i N m 33 2 1 2 4 5 19 3 2 . 1T T i N m 第 三 章 齿轮的设计 3 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1. 选用斜齿圆柱齿轮传动。 2. 由于硬齿面齿轮具有力学性能高， 结构尺寸小等优点，故大小齿轮都用硬齿面。由表 10 11 选得大小齿轮的材料均为 40并经调质及表面淬火，齿面硬度为48 55 3. 由表 10 81 ，精度等级选为 7 级精度。 14 4. 初步选定小齿轮齿数1Z=20,则大齿轮齿数2Z=2i 1Z=20=50 5. 初选螺旋角 =14。 。 按齿面接触疲劳强度设计 根据式 10 11 ： 23112 / ( 1 / ) ( / )t t d H E T U U Z Z 因大小齿轮均为硬齿面，故宜选较小的齿宽系数 由表 10 71 ，取d=由图 10 21e 1 按 齿 面 硬 度 查 得 大 小 齿 轮 的 接 触 疲 劳 极 限l i m 1 l i m 2 1100P 由表 10 61 查得材料的弹性影响系数 121 8 9 P由式 10 131 计算应力循环次数 9116 0 6 0 3 0 0 0 1 ( 2 8 3 0 0 1 0 ) 8 . 6 4 1 0hN n j L 992 8 . 6 4 1 0 / 2 . 5 3 . 4 5 6 1 0N 该齿轮传动由电机驱动，工作寿命 10 年，设年工作 300 天， 2 班制。 由图 10 191 取接触疲劳寿命系数1 2 计算接触疲劳许用应力（失效概率 1%，安全系数 S=1） 1 l i m 11 / 0 . 8 8 1 1 0 0 9 6 8H H N M P M P 2 l i m 22 / 0 . 9 6 1 1 0 0 1 0 5 6H H N M P M P 12( ) / 2 ( 9 6 8 1 0 5 6 ) / 2 1 0 1 2H H H 试选载荷系数 由图 10 261 查得1 2 则12 0 . 7 8 0 . 8 4 1 . 6 2 由图 10 301 选区域系数 小齿轮传递 转矩 551 1 19 5 . 5 1 0 / 9 5 . 5 1 0 3 / 3 0 0 0T P n N m m 2. 计算 计算小齿轮分度圆直径1 1 . 6 9 5 5 0 / ( 0 . 8 1 . 6 2 ) ( 2 . 5 1 ) / 2 . 5 ( 2 . 4 3 3 1 8 9 . 8 / 1 0 1 2 ) 1 9 . 0 1td m m m m 取1 42 15 计算圆周速度 11 / ( 6 0 1 0 0 0 ) 3 . 1 4 4 2 3 0 0 0 / ( 6 0 1 0 0 0 ) / 6 . 5 9 4 /tv d n m s m s 计算齿宽 b 及模数 . 8 4 2 3 3 . 6d m m m m 11c o s / 4 2 c o s 1 4 / 2 0 2 . 0 3 8n t tm d z m m m m 。2 . 2 5 2 . 2 5 2 . 0 3 8 4 . 5 8m m m m m / 3 3 . 6 / 4 . 5 8 7 . 3 4 计算重合度10 8 d z 20 =计算载荷系数 K 根据 v=s， 7 级精度，由图 10 8查得动载系数 ,由表 10 21 1 ，由表 10 31 查得 1 ，从表 10 41 中的硬齿面齿轮查得小齿轮相对支撑非对称布置， 6级精度， 。考虑齿轮 7 级精度，取 ,故载 荷系数 1 1 . 4 8 1 . 2 1 . 2 9 5 2 . 3A V H K K K ，另由图 10 131 查得 按实际载荷系数校正所得的分度圆直径 3311 / 4 2 2 . 3 / 1 . 6 4 7 . 4d K K m m m m 计算模数o s / 4 7 . 4 c o s 1 4 / 2 0 2 . 3nm d z m m m m 。3. 按齿根弯曲强度设计 根据式 10 171 ， 223112/n F a S a d T Y C O S Y Y Z （ 1）确定计算参数 计算载荷系数 1 1 . 0 9 1 . 4 1 . 2 6 1 . 9 2 3A V F K K K 由图 10 20d1 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限12 620F E F E 弯曲疲劳寿命系数：由图 10 181 查得1 2 ，安全系数 S= 计算弯曲疲劳许用应力，由式 10 121 得 111 / 0 . 8 2 6 2 0 / 1 . 4 3 6 3 . 1 4F F N F M P M P 222 / 0 . 8 8 6 2 0 / 1 . 4 3 8 9 . 7F F N F M P M P 查取齿形系数，由表 10 51 得1 2 16 查取应力校正系数，由表 10 51 得1 2 由图 10 281 查得螺旋角影响系数 计算大小齿轮的 /a ，并加以比较。 11 1/ 2 . 8 1 . 5 5 / 3 6 3 . 1 4 0 . 0 1 1 9 5F a S a 22 2/ 2 . 3 2 1 . 7 0 / 3 8 9 . 7 0 . 0 1 0 1 2F a S a 小齿轮的数值比较大。 （ 2）设计计算 223 2 1 . 9 2 3 9 5 5 0 0 . 8 8 c o s 1 4 0 . 0 1 1 9 5 / 0 . 8 2 0 1 . 6 2 0 . 7nm m m m m 。（ ） 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的发面模数表 10 12 取标准值分度圆直径1 则： 11 c o s / 4 7 . 4 c o s 1 4 / 2 . 5 1 8 . 5nZ d m 。取1 19Z ，则2 2 1 2 . 5 1 9 4 7 . 5Z i Z ,取2 49Z （ 3） 几何尺寸计算 计算中心距 12 / 2 c o s 2 3 5 8 2 / 2 c o s 1 4 8 7 . 6 m m m 。（ Z ） （ ）将中心距圆整为 88 按圆整后的中心距修正螺旋角 12a r c c o s m / 2 a r c c o s 2 3 5 8 2 / 2 8 4 1 5 a 。（ ） （ ）因 值改变不大，故参数， K， （ 3） 计算大小齿轮的分度圆直径 11 / c o s 1 9 2 . 5 / c o s 1 5 4 9 . 1 8 m m m m m 。22 / c o s 4 9 2 . 5 / c o s 1 5 1 2 6 . 8 2 m m m m m 。（ 4）计算齿轮齿宽 1 0 . 8 4 9 . 1 8 3 9 . 3 4db d m m m m 17 圆整后取1 50B 2 45B 南科技大学毕业设计（论文） 18 第四章 蜗轮蜗杆的设计 杆传动类型的选择及双导程蜗杆的原理 根据 10085推荐，采用渐开线蜗杆 (根据传动精度 的要求，以及参照其他数控分度工作台的传动设计，采用双导程蜗杆，即变齿厚蜗杆，以消除正反传动产生的传动间隙，降低传动误差，双导程蜗杆的原理和设计如下： 双导程蜗杆传动具有改变啮合侧隙的特点，能够始终保持正确的啮合关系；并且结构紧凑，调整方便，因而在要求连续精确分度的结构中被采用，以便调整啮合侧隙到最小程度。 双导程蜗杆副啮合原理与一般的蜗杆副啮合原理相同，蜗杆的轴向截面仍相当于基本齿条，蜗轮则相当于同它啮合的齿轮。双导程蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距 (导程 )或者说齿的左、右两侧面具有不同的模数 ()m m= t/ ，但同一侧齿距则是相等的，因此，该蜗杆的齿厚从一端到另一端均匀地逐渐增厚或减薄，故又称变齿厚蜗杆，可用轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。因为同一侧面齿距相同，没有破坏啮合条件，所以当轴向移动蜗杆后，也能保证良好的啮合。 双导程蜗杆的齿形如图 4示，图中，左t、右侧面轴向齿距；中a、右侧面齿形角； S 为齿厚； 面介绍双导程蜗杆传动的特殊参数的选择。 图 4 双导程蜗杆齿形 1. 公称模数 双导程蜗杆传动的公称模数 m 可看成普通蜗杆副的轴向模数，用强度计算方法求得，并选取标准值，它一般等于左、右齿面模数的平均值。 19 当公称模数确定后，公称齿距也随之而确定。从图 4知 22 121 右左中 (42. 齿厚增量系数 齿厚增量系数 22 中中右左(4 m 值一样，是确定其他参数的原始数据，因而在设计中首先要确定 择 (1) 为了补偿一定的侧隙，蜗杆轴向移动长度与 使蜗杆轴向尺寸紧凑；但使啮合区过分偏移，同时齿顶变尖，齿槽变窄，从而使蜗轮轮齿 (大模数值时 )发生根切， (小模数值时 )齿顶变尖。而会增大传动机构的轴向尺寸。 (2) 图 4出，大模数齿面节点 小模数齿面节点点偏移量 41(4 式中， 2Z 为蜗轮齿数。 图 4 啮合关系图 为了保证啮合质量， 20 (4 式中，0 因此，根据式 (4和式 (4得 204(4 3. 齿厚调整量 齿厚调整量 s 是为了补偿制造误差和蜗轮的最大允许磨损量所形成的侧隙而选取的。一般推荐 0 0 m 。对于数控回转工作台， s 值应偏小。当传递动力时， s 也可选为 4. 模数差与节距差 模数差 齿面模数左m、右m 之差的绝对值。当已知m 和 (4因而 左(4 右 (4同样，节距差 t 值、左面和右面齿距分别为 ss (4 左 右 设计双导程蜗杆时，还要对齿槽变窄、齿顶变尖、蜗轮根切进行验算。 双导程蜗杆的优点是：啮合间隙可调整得很小，根据实际经验，侧隙调整 可以小至 普通蜗轮副一般只能达 此，双导程蜗杆副能在较小的侧隙下工作，这对提高数控回转工作台的分度精度非常有利。由于普通蜗杆是用蜗杆沿蜗轮径向移动来调整啮合侧隙，因而改变了传动副的中心距 (中心距的改变会引起齿面接触情况变差，甚至加剧磨损，不利于保持蜗轮副的精度 )；而双导程蜗杆是用蜗杆轴向移动来调整啮合侧隙，不会改变传动副的中心距，可避免上述缺点。双导程蜗杆是用修磨调整环来控制调整量，调整准确，方便可靠；而普通蜗轮副的径向调整量较难掌握，调整时也容易产生蜗杆 轴线歪斜。 双导程蜗杆的缺点是：蜗杆加工比较麻烦，在车削和磨削蜗杆左、右齿面时，螺纹传动链要选配不同的两套挂轮，而这两种蜗距往往是烦琐的小数，对于精确21 配算挂轮很费时；同样，在制造加工蜗轮的滚刀时，应根据双导程蜗杆的参数设计制造，通用性差。 5. 蜗轮蜗杆型号的选择 根据设计要求，本设计在部件设计和选用上尽可能和现有产品和标准件靠拢，以尽量节省成本和设计周期，因此在满足设计精度的情况下选用日本 轮公司的 号蜗杆和 号蜗轮相配合（如下图所示），蜗轮蜗杆副 的技术参数如下： (1) 蜗杆尺寸以及参数 图 4杆示意图 公称模数： 4；齿数： 1 ；旋向： R；导角： 341；全长 J： 360 轴长（左） K:120颈长（左） L： 16面宽 M： 74长 (右 )N： 30长（右） O： 120圆直径 P： 62顶圆直径 Q： 70径 R： 50径 S： 56准齿位置 T： 30大移动量： 14模数 模数 2) 蜗轮尺寸及参数 22 图 4轮示意图 公称模数： 4；减速比： 1/40 ；齿数： 40；头数： 1； 旋向： R； 螺旋角： 341；孔径 A：20轮毂径 B： 75圆直径 C： 160径 D： 168顶圆直径 D： 172齿面宽 P： 35 轮毂长 F： 20全长 G： 55翼板厚 H： 17环径 I： 137 中心距 J： 111模数 模数 许面压力矩： m 6. 蜗轮蜗杆材料的选用 根据市场上材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度为低速，故蜗杆用 45 钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 45 55轮用铸锡磷青铜 属模铸造 ，齿圈用青铜制造，轮芯用灰铸铁 造。 7. 蜗杆传动类型的选择 根据 10085荐，采用渐开线蜗杆（ 轮蜗杆传动副的 设计及校核 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行计算，再校核齿根弯曲疲劳强度。由机械设计式（ 111 ，传动中心距 23 2 ( / ) T Z Z 1. 确定作用在蜗轮上的转矩3 9 3 2 m2. 确定载荷系数 因工作载荷比较稳定，故取载荷分布不均系数=1；由机械设计表 111选取使用系数 A =于转速不高，冲击载荷不大，可取动载荷系数v= 23 1 . 1 5 1 1 . 0 5 1 . 2 1 K K 3. 确定弹性影响系数 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故 1 /21 6 0 M 1 。 4. 确定接触系数d 和传动中心距 a 的比值 1d /a =机械设计图 111 中可查得Z= H 根据涡轮材料为铸锡磷青铜 属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于 45从机械设计表 111 中查得蜗轮的基本许用应力 2 6 8 M P aH =。 应力循环次数 736 0 6 0 1 1 2 0 0 / 6 0 1 2 0 0 1 . 4 4 1 0hN j n L 寿命系数 887 7 71 0 / 1 0 / 1 . 4 4 1 0 0 . 9 5 5 4 则 0 . 9 5 5 4 2 6 8 2 5 6H H N P M P 6. 计算中心距 623 1 . 2 1 1 0 ( 1 6 0 2 . 9 / 2 5 6 ) 1 5 8 . 4 1a m m m m 根据双导程蜗轮 蜗杆副的市场产品情况，本设计使用日本 轮公司的导程蜗杆与 导程蜗轮相配合，具体型号为： 轮。 取 中心距为 200动比为 60，在转速为 3000r/0。在机械设计表 111 中取模数 m 5,1 1Z， q=18， x=0，2 62Z ， 蜗杆的分度圆直径1 90d 此时1 / 9 0 / 2 0 0 0 . 4 5，从机械设计图 111 中可查得接触系数Z 为ZZ，因此以上计算结果可用。 轮蜗杆结构的设计及校核 1. 蜗杆 当量直径系数 18q= ； 由表 11 3中公式，轴向齿 距 3 . 1 4 5 1 5 . 7aP m m m m m 齿顶圆直径 *1 1 1 12 2 9 0 2 1 5 1 0 0d h d h m m m ； 齿根圆直径 * * *1 1 1 1 12 2 ( ) 2 ( ) 9 0 2 ( 1 5 0 . 2 5 5 ) 7 7 . 5f f a ad d h d h m c d h m c m m m 24 分度圆导程角 31047。 ； 蜗杆轴向齿厚 11 3 . 1 4 5 7 . 8 522aS m m m m m 双模数 2. 蜗轮 蜗轮齿数2z =62；无变位； 双模数 验算传动比21/ 6 2 / 1 6 2i Z Z 传动比误差为 ( 6 2 6 0 ) / 6 0 3 . 3 %，这是允许的。 蜗轮分度圆直径22 6 2 m m z = 5 = 3 1 0蜗轮喉圆直径 *2 2 2 22 2 3 1 0 2 1 5 3 2 0d h d h m m m 蜗轮齿根圆直径 *2 2 2 22 2 h ) 3 1 0 2 ( 1 5 0 . 2 5 5 ) 2 9 7 . 5f f ad d h d m c m m m m m （ 蜗轮咽喉母圆半径 221 / 2 ( 2 0 0 1 / 2 3 2 0 ) 4 0a d m m m m 3. 校核齿根弯曲疲劳强度 根据式 111 ， 21 . 5 3F F a Y Y 当量齿数 3322 / 6 2 / ( 3 . 1 8 6 2 . 2 9 C O S C O S 。 ）根据2 0x=，262，从机械设计图 111 中可查得齿形系数 ，2 螺旋角系数 1 1 ( 3 . 6 8 / 1 4 0 ) 0 . 9 7 3 7140Y = = = 许用弯曲应力 F F F N= 从机械设计表 11查得由 造的蜗轮的基本许用应力 5 6 M P 。 寿命系数 996 6 71 0 / 1 0 / 1 . 4 4 1 0 0 . 6 2 1 8 5 6 0 . 6 2 1 8 3 4 . 8 2 1F M P