無(wú)級(jí)變速主傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

哈爾濱理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)題目機(jī)械系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)院、系機(jī)械動(dòng)力制造及其自動(dòng)化姓名曹家齊學(xué)號(hào)1301010601指導(dǎo)教師解寶成2016年8月28日摘要設(shè)計(jì)機(jī)床的主傳動(dòng)變速系統(tǒng)時(shí)首先利用傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法求出理想解和多個(gè)合理解。根據(jù)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸功率與轉(zhuǎn)矩特性匹配方案，計(jì)算和校核相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。根據(jù)已確定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以變速箱展開(kāi)圖的總中心距最小為目標(biāo)，擬定變速系統(tǒng)的變速方案，以獲得最優(yōu)方案以及較高的設(shè)計(jì)效率。在機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，為減少齒輪數(shù)目，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，縮短軸向尺寸，用齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)方法是試算，湊算法，計(jì)算麻煩且不易找出合理的設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)中雙聯(lián)滑移齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)的分析與研究，繪制零件工作圖與主軸箱展開(kāi)圖及剖視。關(guān)鍵詞無(wú)級(jí)變速；傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)副，結(jié)構(gòu)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)式，齒輪模數(shù)，傳動(dòng)比目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"目錄 II\o"CurrentDocument"第一章課程設(shè)計(jì)的目的 11.1課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 11.2理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算 11.3圖樣技術(shù)設(shè)計(jì) 1\o"CurrentDocument"1.4編制技術(shù)文件 2\o"CurrentDocument"第二章課程設(shè)計(jì)題目、主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求 32.1課程設(shè)計(jì)題目和主要技術(shù)參數(shù) 32.2技術(shù)要求 3\o"CurrentDocument"第三章運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 43.1運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定 43.1.1確定結(jié)構(gòu)網(wǎng) 43.1.1繪制轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)區(qū) 53.2確定各變速組此傳動(dòng)副齒數(shù) 6\o"CurrentDocument"第四章動(dòng)力計(jì)算 74.1計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算 74.2齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算 74.3主軸合理跨距的計(jì)算 12\o"CurrentDocument"第五章主要零部件的選擇 145.1電動(dòng)機(jī)的選擇 145.2軸承的選擇 145.3變速操縱機(jī)構(gòu)的選擇 14\o"CurrentDocument"第六章校核 156.1軸的校核 15\o"CurrentDocument"6.2軸承壽命校核 186.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說(shuō)明 196.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案 196.3.2展開(kāi)圖及其布置 20\o"CurrentDocument"結(jié)論 21\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 22\o"CurrentDocument"致謝 23第一章課程設(shè)計(jì)的目的《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完本課程后，進(jìn)行一次學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的綜合性練習(xí)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的有關(guān)理論知識(shí)，及生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐技能，達(dá)到鞏固、加深和拓展所學(xué)知識(shí)的目的。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，分析比較機(jī)械系統(tǒng)中的某些典型機(jī)構(gòu)，進(jìn)行選擇和改進(jìn)；結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并編寫技術(shù)文件；完成系統(tǒng)主傳動(dòng)設(shè)計(jì)，達(dá)到學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)步驟和方法的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)，掌握查閱相關(guān)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料的方法，達(dá)到積累設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)技巧，提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)，使學(xué)生獲得機(jī)械系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，并為進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造一定的條件。1.1課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)內(nèi)容由理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算、圖樣技術(shù)設(shè)計(jì)和技術(shù)文件編制三部分組成。1.2理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案的分析，最佳功能原理方案的確定。（2） 根據(jù)總體設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和計(jì)算。（3） 根據(jù)設(shè)計(jì)方案和零部件選擇情況，進(jìn)行有關(guān)動(dòng)力計(jì)算和校核。1.3圖樣技術(shù)設(shè)計(jì)（1）選擇系統(tǒng)中的主要機(jī)件。工程技術(shù)圖樣的設(shè)計(jì)與繪制。1.4編制技術(shù)文件對(duì)于課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行自我經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)。編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。第二章課程設(shè)計(jì)題目、主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求2.1課程設(shè)計(jì)題目和主要技術(shù)參數(shù)題目35：無(wú)級(jí)變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：Nmin=67r/min；Nmax=35°°r/min；nj=22°r/min；電動(dòng)機(jī)功率Pmax=22kW；nmLOOOr/mh烏=15°°血而2.2技術(shù)要求（1） 利用電動(dòng)機(jī)完成換向和制動(dòng)。（2） 各滑移齒輪塊采用單獨(dú)操縱機(jī)構(gòu)。（3） 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用單獨(dú)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。第三章運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)3.1運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定技術(shù)參數(shù):Nmin=67r/min；Nmax=3500r/min；n.=220r/min；電動(dòng)機(jī)功率Pmax=2.2kW；nmax=3000r/min；nr=1500r/min；無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的恒功率調(diào)速范圍R:npNmax3500Rnp=—=五》=15.91j交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍rn:wpnrnrwp=~n^=i5O0=2分級(jí)變速傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)Z：Z=lgRnp/lgrwp-4取Z=43.1.1確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為220r/min由轉(zhuǎn)速得，選用齒輪精度為8級(jí)精度圖3-1結(jié)構(gòu)網(wǎng)3.1.1繪制轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖(1)繪制轉(zhuǎn)速圖:3000r/min1500r/min456r/min圖3-2轉(zhuǎn)速圖(2)畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖及已知的技術(shù)參數(shù)I-II軸最小中心距：A12min>1/2(Zmaxm+2m+D)軸最小齒數(shù)和：Szmin>(Zmax+2+D/m)3.2確定各變速組此傳動(dòng)副齒數(shù)Sz<100-120,中型機(jī)床Sz=70-100直齒圓柱齒輪Z命>18-20圖3-3主傳動(dòng)系統(tǒng)圖齒輪齒數(shù)的確定。據(jù)設(shè)計(jì)要求ZminN18—20，查表取Z=20，根據(jù)各變速組公比，可得各傳動(dòng)比和齒輪齒數(shù)，各齒輪齒數(shù)如下。齒輪Z0Z0'Z1Z1'Z2Z2'Z3Z3'Z4Z4'齒數(shù)20347236218754543672表3-1第四章動(dòng)力計(jì)算4.1計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算1、主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速傳動(dòng)件的計(jì)算轉(zhuǎn)速主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速〃=220r/min,各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速如下：軸 序號(hào)電動(dòng)機(jī)(0)I軸II軸計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min1500875220表4-14.2齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算計(jì)算各傳動(dòng)軸的輸出功率如下：P=Pxnxn=2.2x0.96x0.99=2.1KWP=Px^xn=3.8x0.97x0.99=2.03KWIIIrg計(jì)算各軸的扭矩：2.1T=9550x103x8__._=22890(N?mm)203T〃=9550x103x_20=87690(N?mm)

軸徑的計(jì)算以及鍵的選擇1P由公式刁=91,洞(注:P該軸的傳遞功率；〃.該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速)［里］=0.5。?1。1).軸I:Pj=2.1KW;n.=876r/min;取[9]=1。代入公式得23000d=1.64x\：―———=24.02mm;圓整取d=25mm2).軸II:P[=2.03KW;n.=220r/min;取[9]=1。代入公式得d=1.64x?'：5=33.6mm;圓整取d=35mm模數(shù)計(jì)算，一般同一變速組內(nèi)的齒輪取同一模數(shù)，選取負(fù)荷最重的小齒輪，按簡(jiǎn)化的接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，即m-=1633^ (U±1)P 可得各組的模數(shù)。J39Z]2"”.]2n材料選用45材料選用45號(hào)鋼整體淬火，g]=1100MPj按接觸疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)m-齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)速(r/min)10;Z1-小齒輪齒數(shù)=2;n.=220r/minNd-驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率(KW)；nju-大小齒輪齒數(shù)比；-齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)速(r/min)10;Z1-小齒輪齒數(shù)=2;n.=220r/min3.0mmm=16338' (2+°*W =2.65mm；取m3.0mmj\8x202x2x11002x220基本組齒輪計(jì)算。0-1基本組齒輪幾何尺寸見(jiàn)下表

齒輪Z0Z0'齒數(shù)2034模數(shù)33分度圓直徑6081齒頂圓直徑6687齒根圓直徑52.573.5齒寬2424表4-21-2基本組齒輪幾何尺寸見(jiàn)下表齒輪Z1Z1'Z2Z2'Z3Z3'Z4Z4'齒數(shù)7236218754543672模數(shù)33333333分度圓直徑21610863261162162108216齒頂圓直徑22211469267168168114222齒根圓直徑208.5100.555.5253.5154.5154.5100.5208.5齒寬2424242424242424表4-3按基本組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB?286HB,平均取260HB,大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB?286HB,平均取240HB。計(jì)算如下：①齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：接觸應(yīng)力驗(yàn)算公式為°=2°88x1°8血土1）%K2%KN皿孔］

j z^ uBn j彎曲應(yīng)力驗(yàn)算公式為：=191X105K%K3KN傾。）v°]

zm2BYn w式中N——傳遞的額定功率（kW），這里取N為電動(dòng)機(jī)功率，N=2.2kW;n 計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）.n=500（r/min）;m 初算的齒輪模數(shù)（mm）,m=3（mm）;B 齒寬（mm）;B=24（mm）;z 小齒輪齒數(shù)；z=20;u----小齒輪齒數(shù)與大齒輪齒數(shù)之比,u=2;K——壽命系數(shù);K=七KKnKKt----工作期限系數(shù);m60nT1 0T——齒輪工作期限，這里取T=15000h.;n 齒輪的最低轉(zhuǎn)速（r/min），n=500（r/min）C0----基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)，接觸載荷取C0=107,彎曲載荷取C0=2X106m 疲勞曲線指數(shù)，接觸載荷取m=3；彎曲載荷取m=6;K----轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，查【5】2上，取K=0.60Kn----功率利用系數(shù)，查【5】2上，取Kn=0.78K-----材料強(qiáng)化系數(shù)，查【5】2上,K=0.60K3-----工作狀況系數(shù)，取K3=1.1K2-----動(dòng)載荷系數(shù)，查【5】2上，取K2=1K------齒向載荷分布系數(shù)，查【5】2上，K1=1Y------齒形系數(shù)，查【5】2上，Y=0.386；L1---許用接觸應(yīng)力（MPa），查【4】，表4-7,取k]=650Mpa；j jk]---許用彎曲應(yīng)力（MPa），查【4】，表4-7,取k]=275Mpa；根據(jù)上述公式，可求得及查取值可求得：k.=635Mpa<kJk=78Mpa<In]按擴(kuò)大組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB?286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB?286HB，平均取240HB。同理根據(jù)基本組的計(jì)算，

查文獻(xiàn)【6】，可得:K=0.62,K=0.77,K=0.60,K=1.1,2 1 j可求得：cj=619Mpa<tJb=135Mpa<lc]2 1 j可求得：cj=619Mpa<tJb=135Mpa<lc]4.3主軸合理跨距的計(jì)算由于電動(dòng)機(jī)功率P=2.2KW,根據(jù)【1】表3.20,前軸徑應(yīng)為60?90mm。初步選取d1=80mm。后軸徑的d2=（0.7?0.9）d1，取d2=60mm。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，前軸承為NN3016K型，后軸承為圓錐滾子軸承。定懸伸量a=120mm，主軸孔徑為30mm。軸承剛度，主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩T=9550—=9550X&2=318.3N.mn 220假設(shè)該機(jī)床為車床的最大加工直徑為300mm。床身上最常用的最大加工直徑，即經(jīng)濟(jì)加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑的50%,這里取60%,即180mm，故半徑為0.09m；切削力（沿y軸） f=318.^=4716nc0.09背向力（沿x軸） Fp=0.5Fc=2358N總作用力 F=v'F2+f2=5272.65N此力作用于工件上，主軸端受力為F=5272.65N。先假設(shè)l/a=2,l=3a=240mm。前后支承反力RA和RB分別為R=FX土=5272.65X120+240=7908.97NAl 240R尸F(xiàn)X-=5272.65X120=2636.325NBl 240根據(jù)【1】式3.7得：Kr=3.39Fr0.1La0.8(iz)0.9cos1.9a得前支承的剛度：Ka=1689.69N/ycm；KB=785.57N/ym；土=紋也2.15KB785.57主軸的當(dāng)量外徑de=(80+60)/2=70mm，故慣性矩為I=*(0.074-0.034)=113.8X10-8m464EI 2.1x1011x113.8x10-8n= = =0.14Ka3 1689.69x0.13x106A查【1】圖3-38得10=2.0，與原假設(shè)接近，所以最佳跨距l(xiāng)0=120X2.0=240mm合理跨距為(0.75-1.5)l，取合理跨距l(xiāng)=360mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，主軸的實(shí)際跨距大于合理跨距，因此需要采取措施增加主軸的剛度，增大軸徑：前軸徑D=100mm，后軸徑d=80mm。前軸承采用雙列圓柱滾子軸承，后支承采用角接觸球軸承和推力軸承組合。第五章主要零部件的選擇5.1電動(dòng)機(jī)的選擇轉(zhuǎn)速n=3000r/min，功率P=2.2kW選用調(diào)速電動(dòng)機(jī)5.2軸承的選擇0軸:與帶輪靠近段安裝雙列角接觸球軸承代號(hào)7007C另一安裝深溝球軸承6012I軸：對(duì)稱布置深溝球軸承6009II軸：后端安裝雙列角接觸球軸承代號(hào)7015C另一安裝端角接觸球軸承代號(hào)7010C中間布置角接觸球軸承代號(hào)7012C5.3變速操縱機(jī)構(gòu)的選擇選用左右擺動(dòng)的操縱桿使其通過(guò)桿的推力來(lái)控制II軸上的三聯(lián)滑移齒輪和二聯(lián)滑移齒輪。第六章校核6.1軸的校核(1)主軸剛度符合要求的條件如下：主軸的前端部撓度y＜［y］=0.0002x525=0.105主軸在前軸承處的傾角9＜容許值［0］軸承V0.001sd在安裝齒輪處的傾角9＜容許值［9］齒＜0.001尸洞ZDiliD平均=1.0765x16+70x78+75x50+80x236+85x160+90x150 "87mm690E取為E=2.1x105MPa，,兀d4 d、兀x874 45、I= (1——0)= (1- )=1356904(mm4)64d64 87400x125F=2x955x104p主x0.9953=2x955x104x3.37x0.9953=1268(N)z d件x400x125F=0.4F=507(N)，F(xiàn)=0.25F=217(N)由于小齒輪的傳動(dòng)力大，這里以小齒輪來(lái)進(jìn)行計(jì)算=8582(N)2x955x104P2x955x104x3.37=8582(N)m、z、n計(jì) 3x20x125將其分解為垂直分力和水平分力由公式F+Ftana=FF=F?tanaQyQyn Q,QzQy n可得Fq=2105(N),Fy=6477(N)

2 2Mz=3FJ件=3x1268x160=135253(Nmm)22M=3Fl件=3x507x160=54080(Nmm)M=1Fd=-x317x130=20605(Nmm)x2x件2主軸載荷圖如下所示：由上圖可知如下數(shù)據(jù)：a=364mm,b=161mm,l=525mm,c=87mm計(jì)算（在垂直平面）一Fabc(l+a) Fc2—°^ ,y=—(l+c),y6EIl 23EIl 3Mc匕z(21+3c)6EIysz=y1+y2+y3=0.00173Fozab(b-a)

3EIl—(2l+3c)，6EIMz(l+3c)3EI=9+9+9齒1齒2齒3=6.9X10-59軸承16EIl9軸承2Fcl—z，93EI 軸承33EI9軸承Z計(jì)算=9 +9軸承1 軸承2（在水平面）一Fabc(l+a)—Qy 6EIlysy+9 =2.9x10-5軸承3y3—M)cy 二(2l+3c)6EI=y+y+y=0.017^0^(b-a)

3EIlF——6EI七M(jìn))(l+3c)3EI=9+9+9齒1 齒2齒3=13.86X10-59軸承1一Fab(l+a)6EIl '軸承2Fcl—，3EI軸承3(M—M)l

3EI，9軸承y合成:=9 +9 +9軸承1 軸承2， =32.8x10-5軸承3、:y2+y2=0.018<0.1059齒2+92=0.00015<0.001y齒y9軸承軸承Z 軸承Y2=0.00033<0.0016.2軸承壽命校核I軸選用的是深溝球軸承軸承6006,其基本額定負(fù)荷為13.0KN由于該軸的轉(zhuǎn)速是定值n=1120r/min，所以齒輪越小越靠近軸承，對(duì)軸承的要求越高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該對(duì)I軸未端的軸承進(jìn)行校核。PI軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=9550-n 2.1一T=9550X—=23N-m880齒輪受力 F=多=土癸=1840Nd25根據(jù)受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為R=——=1452NV1 〈+12R2=1840-1452=387N因軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查得fp為1.0到1.2,取fp=1.0，則有:-=fX1R]=1.0x1452=1452N-2=fX2R2=1.0x387=387N故該軸承能滿足要求。由II軸最小軸徑可取軸承為7008C角接觸球軸承,8=3；P=XFr+YFaX=1，Y=0。對(duì)II軸受力分析

得：前支承的徑向力Fr=2642.32N。由軸承壽命的計(jì)算公式：預(yù)期的使用壽命[L1Oh]=15000hl=16670x（C）e=16670x（獎(jiǎng)竺000）31667015010hnP180 2238.3816670150x嚴(yán)3x'000=288142.94hN[L心]=15000h2642.32 10h軸承壽命滿足要求。6.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說(shuō)明6.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案設(shè)計(jì)主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動(dòng)件（傳動(dòng)軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動(dòng)器等）、主軸組件、操縱機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結(jié)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置，用一張展開(kāi)圖和若干張橫截面圖表示。課程設(shè)計(jì)由于時(shí)間的限制，一0般只畫展開(kāi)圖。主軸變速箱是機(jī)床的重要部件。設(shè)計(jì)時(shí)除考慮一般機(jī)械傳動(dòng)的有關(guān)要求外，著重考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。精度方面的要求，剛度和抗震性的要求，傳動(dòng)效率要求，主軸前軸承處溫度和溫升的控制，結(jié)構(gòu)工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵