噴涂機說明書

第1章概述

電視機是人們獲取信息的主要手段，因此，對電視機的性能要求也越來越高，電視機

正朝著大屏幕、高清晰度、數(shù)字化的方向開展，對顯像管的清晰度要求越來越高。顯像管

的顯像是靠電子槍發(fā)射電子，通過蔭罩板上的蔭罩孔射在熒光屏上，使熒光粉發(fā)光，但其

中很大一局部電子要射向蔭罩板，這樣就容易使蔭罩板受熱變形，由于四周被框架所限制,

蔭罩板將收入拱起，直接影響顯像的效果。為了防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，我們可以在蒸鋁膜

后的顯像管內(nèi)側(cè)交替噴涂巴利亞液和石墨，使鋁膜接受來自蔭罩板的熱量，使蔭罩板的溫

度下降，從而抑制其熱拱起，同時，由于有了石墨導電層，也可使熒光面電位更穩(wěn)定，又

吸收減少了電子束漫反射造成的散光，防止了雜散光引起的比照度下降。AD噴涂機就是

為了完成這一項工作而設(shè)計的專用設(shè)備。AD噴涂機是彩電熒光屏生產(chǎn)過程向熒光屏玻璃

體內(nèi)側(cè)噴涂巴利亞液和石墨用的專用設(shè)備，它涉及到了機、電、氣液等方面的知識，是比

擬典型的機電一體化產(chǎn)品。

本次設(shè)計是在參考69cm生產(chǎn)線上的AD噴涂機結(jié)構(gòu)的根底上設(shè)計生產(chǎn)34寸純平顯像

管的噴涂機，并按照其工藝要求可兼容加工82cm的16：9的純平顯像管。

AD噴涂機整體結(jié)構(gòu)為平臺式，左側(cè)管路與電器柜及操作平臺并裝在一個專用支架上。

有將屏放在AD噴涂機的移載機（前道工序）平臺上，屏內(nèi)外表朝下，平臺上有監(jiān)測元件

進行監(jiān)測。噴涂時，驅(qū)動電機帶動凸輪連桿機構(gòu)使噴槍頭沿一定的軌跡左右擺動，整個噴

涂時間及次數(shù)可在PLC設(shè)備中調(diào)整。巴利亞液和石墨的噴涂速度可調(diào)。

根據(jù)噴涂工藝要求，一個熒光屏噴涂三次，每次噴涂時間要求是：巴利亞液8-10秒（兩

次），石墨10秒（一次），每次間隔7-8秒鐘。由于熒光屏為長方形，故噴涂路線分為兩個

方向：X方向和Y方向。噴涂時，噴槍底部有兩個凸輪機構(gòu)帶動分別作X、Y方向的擺動,

凸輪的轉(zhuǎn)動有蝸輪蝸桿按30：1將電機的速度分解而來。此次設(shè)計的控制系統(tǒng)其控制器采

用PLC（可編程序控制器），兩種不同的噴涂速度由變頻器來實現(xiàn)，通過不同的接近開關(guān)監(jiān)

測動作的位置以實現(xiàn)全自動控制。同時，控制系統(tǒng)可以接受外來信號，并發(fā)出請求信號。

而噴涂石墨主要作用是防止熱拱起。彩色顯像管工作時，電子槍發(fā)射的電子束中一局

部通過蔭罩孔射在熒光屏上，使熒光粉發(fā)光，大局部（70%-80%）射在蔭罩板上（包括橋、

筋、有效面外），由動能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生大量的熱量，由于蔭罩板很薄，記憶受熱變形，

由于其周圍被框架所限制，蔭罩板面不能向四周延伸，只能向熒光面方向拱起，使q值變

化引起色純不良。

為了防止熱拱起，設(shè)計了以下一些方法：

1.1噴涂石墨

通過在鋁膜上噴涂一層遮擋溶液后再噴涂一層石墨，是鋁膜吸收來自蔭罩熱量的能力

增大，使蔭罩溫度降低，從而抑制了熱拱起，同時，由于有了石墨導電層，使熒光面電位

更加穩(wěn)定，又吸收減少了電子束的漫反射造成的雜散光，防止了雜散光引起的比照度下降。

1.2蒸黑鋁

在蔭罩朝向電子槍內(nèi)側(cè)一面噴涂一層氧化祕，氧化祕是重金屬氧化物，電子束遇到它

會反射回來而不轟擊蔭罩板，減少了蔭罩上產(chǎn)生的熱量，從而防止熱拱起。

1.3低熔點玻璃噴涂

在蔭罩朝向電子槍內(nèi)側(cè)一面噴涂一層低熔點并未經(jīng)燒結(jié)使其結(jié)晶的玻璃，產(chǎn)生應力，

防止熱拱起。

1.4蒸黑鋁

有些制管工藝在低真空條件下，在鋁膜上在蒸一次鋁膜形成黑鋁，其作用與噴涂石墨

相同，也是為了吸收來自蔭罩板的熱量。

1.5黑色陶瓷噴涂

在蔭罩朝向電子槍內(nèi)側(cè)一面噴涂一層黑色體后，像低熔點玻璃一樣產(chǎn)生應力防止陰罩

板熱拱起。

防止熱拱起的方法很多，在此就不一一列舉。而本次設(shè)計中用的是噴涂石墨來防止熱

拱起。為了防止石墨噴涂中滲入鋁膜，影響亮度，噴涂石墨前要先噴涂一層名為巴利亞液

的遮擋溶液。巴利亞液在高溫時容易成膜，所以在噴涂前要將溫度升高到90—110攝氏度,

這是通過預熱爐來進行的，為了防止蔭罩與熒光屏溫差太大而產(chǎn)生變形，屏與蔭罩應同時

進行預熱。預熱的溫度對成膜至關(guān)重要，達不到規(guī)定的溫度，巴利亞液成膜前流動太多，

導致膜不均勻，過高那么會引起屏炸裂。屏和蔭罩是分別裝在傳送帶吊蘭上通過預熱爐的。

為了操作方便，預熱爐的形狀常做成U字形，傳送帶吊蘭是用不銹鋼細網(wǎng)或耐高溫材料制

成的可防止劃傷屏風界面。由于經(jīng)受住幾百度高溫，為了加熱均勻，爐體內(nèi)裝有熱風循環(huán)

用的鼓風機。外外表裝有保溫層，防止熱量向外輻射影響壞境溫度。

噴涂機工藝流程為：蒸鋁后的屏蔭罩別離一預熱爐投入一預熱爐取出一屏投入AD噴

涂機一巴利亞液噴涂一石墨噴涂一巴利亞液噴涂一檢驗一與配陰罩一一起送往下一個工

序.

本次主要設(shè)計內(nèi)容：AD機的設(shè)計大體可以分為機械局部的設(shè)計和控制局部的設(shè)計。

本設(shè)計主要以AD機的機械局部設(shè)計為主要設(shè)計內(nèi)容。機械局部的設(shè)計，以電機為原動件。

傳動局部以齒輪減速和渦輪蝸桿減速為傳動件。執(zhí)行局部是一個凸輪連桿機構(gòu)帶動的四滑

塊機構(gòu)，滑塊上帶有含有兩個料斗的噴槍。除了機械局部以外還對控制局部做了簡單的設(shè)

計，控制局部是通過變頻器在PLC的控制下實現(xiàn)的。

弟2早萬案選擇

2.1機械局部

根據(jù)AD噴涂機工作要求，結(jié)合設(shè)計參數(shù)，以及相關(guān)資料，提出以下論證方案：

方案一：用凸輪帶動四連桿機構(gòu)來控制擺桿擺動及停止等，并用行程開關(guān)監(jiān)測位置，

利用速度繼電器等控制電機噴涂石墨和巴利亞液時所需的不同速度以及氣、液體的開關(guān)。

但繼電器過多導致電路復雜。

方案二：噴槍的X,Y方向的移動是由X,Y方向的伺服電機來驅(qū)動，而整個系統(tǒng)由單片

機或微機控制，可形成完整的閉環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)，故障報警等。其缺點是本錢比擬高。

方案三：屏在液壓缸的作用下，在Y方向往復運動并設(shè)有圓刀開關(guān)，可多位，其速度

可由速度閥來控制；而X方向用擺桿的擺動來完成速度。由微機控制，而工作中的起停速

度都是由軟件來控制。但其功率損耗較大，有污染，動作不太靈敏，本錢也不低。

方案四：兩個凸輪分別帶動一個四連桿機構(gòu)使噴槍在X、Y方向擺動，用蝸輪蝸桿分配

X、Y方向的速度比為30：1,以滿足設(shè)計要求。用電磁式或光電式接近開關(guān)檢測噴涂是否

到位。電機選用減速電機，用變頻器來控制噴涂巴利亞液和石墨時的不同速度要求，電機

可選用普通型號的電機（功率200W）,起停是由電磁離合器來控制的。而整個系統(tǒng)是由PLC

來控制的，從送屏到取屏以及相關(guān)加工和故障報警等。具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、控制方

便的特點。

本次設(shè)計采用方案四。

所有零件和各種儀表的計量單位全部采用國際單位標準。圖紙按照中華人民共和國GB

標準進行繪制。滿足AD噴涂機整體機構(gòu)為平臺式，其設(shè)計制造嚴格按照ISO標準進行。為

了滿足彩管廠方告誡的精度要求，所有材料均浸銅。設(shè)備的平面設(shè)計符合要求，關(guān)鍵件清

單完成后，經(jīng)由買方認可后可購置。在于屏封接的臺面上，設(shè)計有高質(zhì)量的橡膠墊，以保

護熒光屏，管路系統(tǒng)均采用SUS材質(zhì)。

由于巴利亞液與石墨的黏度不同，因此在噴涂時，要求有不同的噴涂速度。這里，我

們通過變頻器直接對普通電機進行調(diào)速。而且，大大簡化了整個機器的機械結(jié)構(gòu)。

傳動系統(tǒng)由電機帶動一個凸輪連桿機構(gòu)，在帶動噴槍尾部，當電機帶動凸輪勻速轉(zhuǎn)動

時，連桿機構(gòu)帶動噴槍左右擺動。同時，電機通過一個蝸輪蝸桿機構(gòu)帶動另一個方向凸輪

連桿機構(gòu)，實現(xiàn)噴槍前后左右擺動。而噴嘴運行的驅(qū)動機構(gòu)應輕巧、靈活可靠，機構(gòu)運轉(zhuǎn)

平穩(wěn)且無明顯撞擊聲。噴涂機后設(shè)有抽風管口，使噴涂環(huán)境保持干凈。

2.2控制局部

電器控制局部采用日本OMRON公司的可編程控制器（PLC）C40P系列機。

方案一：用繼電器控制

方案二：用單片機控制

方案三：計算機控制

方案四：PLC控制

由于目前大多采用單片機控制和PLC控制所以以下對這兩種方安作論證.

控制邏輯

繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)，及延時繼電器

的滯后動作等組合成控制邏輯，其接線多而復雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)

構(gòu)成后，想再改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數(shù)目有限，每個只有4?8對觸

點。因此，靈活性和擴展性很。而PLC采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)

存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故稱為“軟接線〃。因此靈活性和擴展性都

很好。

工作方式

電源接通時，繼電器控制線路中各繼電器同時都處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應吸合,

不該吸合的都因為受某種條件限制不能吸合。它屬于并行工作方式。而PLC的控制邏輯中

各內(nèi)部器件都處于周期性循環(huán)掃描過程中，屬于串行工作方式。

可靠性和可維護性

繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉時會受到電弧的損壞，

并由機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護性差。而PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)

動由無觸點的半導體電路來完成，體積小、壽命長、可靠性高。PLC還配有自檢和監(jiān)督功

能，能檢查出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況,

為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。

控制速度

繼電器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，觸點的開閉動作一般在

幾十ms數(shù)量級。另外，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC是由程序指令控制半導體電路

來實現(xiàn)控制，屬于無觸點控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在us數(shù)量級，且

不會出現(xiàn)抖動。

定時控制

繼電器控制邏輯利用時間繼電器進行時間控制。一般來說，時間繼電器存在定時精度

不高，定時范圍窄，且易受壞境濕度和溫度變化的影響，調(diào)整時間困難等問題。PLC使用

半導體集成電路做定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當高，且定時時間不受環(huán)

境的影響，定時范圍一般從0.001s到假設(shè)干天或更長。用戶可根據(jù)需要在程序中設(shè)置定時

值，然后由軟件來控制定時時間。

設(shè)計和施工

使用繼電器控制邏輯完成一項控制工程，其設(shè)計、施工、調(diào)試必須依次進行，周期長,

而且修改困難。工程越大，這一點就越突出。而用PLC完成一項控制工程，在系統(tǒng)設(shè)計完

成以后，現(xiàn)場施工和控制邏輯的設(shè)計（包括梯形圖設(shè)計）可以同時進行，周期短，且調(diào)試

和維修都很方便。

從以上幾個方面的比擬可以看出，PLC在性能上比繼電控制器優(yōu)越，特別是可靠性高、

通用性強、設(shè)計施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護方便。但在

很小的系統(tǒng)使用時，價格要高于繼電器系統(tǒng)。

第3章傳動零件的設(shè)計

3.1工藝要求與設(shè)計參數(shù)計算

（1）工藝過程如下列圖3-1

屏到位一一次噴涂巴利亞液一延口寸噴涂7秒三次噴涂石墨

延時7秒1一|^次噴涂巴利亞液移走

圖3-1噴漆工藝過程

共用時間約45-50秒。

（2）工作參數(shù)（噴涂34寸屏幕）

噴涂范圍N800x600〃w?；

涂漆時間：42±3秒；

X和Y方向的速度比：30：1；

噴槍在X、Y方向的擺動角度：30。；

主軸最高轉(zhuǎn)速（噴涂石墨時）：X方向15轉(zhuǎn)/8秒=112.5r/min；

Y方向H2.5轉(zhuǎn)/30秒=3.75r/min；

主軸最低轉(zhuǎn)速（噴涂巴利亞液時）：X方向15轉(zhuǎn)/10秒=90r/min；

Y方向90轉(zhuǎn)/30秒=3r/min；

電機功率：200w。

傳動系統(tǒng)如圖3-2所示，有電機帶動兩個凸輪-平行四連桿結(jié)構(gòu)，同時帶動噴

槍并尾部運動，當電機帶動凸輪勻速運動時，連桿機構(gòu)帶動噴槍左右擺動。噴嘴

運行的驅(qū)動機構(gòu)應輕巧、靈活可靠，機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且無明顯撞擊聲。同時，本設(shè)

備還存在以下一些問題：由于采用氣動系統(tǒng)、連桿系統(tǒng)、凸輪系統(tǒng)、蝸輪一蝸桿

機構(gòu)，使本設(shè)備的噪音較大；另外，巴利亞等物質(zhì)對空氣有嚴重的污染，這勢必

要求本設(shè)備應具有一套對其廢棄余物的回收處理的完善設(shè)備。

圖3-2傳動原理圖

3.2電機的類型和結(jié)構(gòu)形式

由于該機器在工作時無特殊的要求，不需要經(jīng)常啟動、自轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，故可選擇Y

系列三相籠式異步電機。其有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格低廉、維護方便等優(yōu)點，故為

首選。最后決定選用YPE系列三相盤式異步電動機，電壓為380V。

根據(jù)工藝要求，每一次噴漆需要8-10s,噴槍在X方向噴漆30次，即X向凸輪轉(zhuǎn)

15轉(zhuǎn)，那么電動機減速后的轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/8秒，即112.5轉(zhuǎn)/分。由電機的功率為200W,

轉(zhuǎn)速為112.5r/min,查閱？小功率電動機選擇與技術(shù)應用？，選擇型號為YPE4-200的三

相盤式異步電動機。其技術(shù)參數(shù)如下表3-1：

表3T

型號功率（W）電壓（V）額定電流（A）轉(zhuǎn)速(r/min)效率％最大轉(zhuǎn)矩（N.m）

YPE4-2002003800.581400701.8

攪拌機的選擇:

由于攪拌機只需對石墨料箱中的石墨進行攪拌，使其在噴漆中不發(fā)生沉淀，功率要

求不大，而且無其他特殊要求故可直接選擇帶減速器的電機。查閱？小功率電動機選擇

與技術(shù)應用？，選擇90YY40/JB齒輪減速電容運轉(zhuǎn)異步電機，具體參數(shù)如下表3-2：

表3-2

型號功率（W）電壓（V）轉(zhuǎn)速(r/min)

90YY40/JB20022050

3.3齒輪減速局部的設(shè)計

輸入功率P=200肌小齒輪轉(zhuǎn)速ni=1400r/min,齒數(shù)比u=1400/112.5=12.44,

即傳動比i=12.44。傳動比擬大，因此采用二級齒輪傳動。取ii=iz=V?=3.53,

即UI=U2=3.53。工作壽命15年［設(shè)每年工作300天），兩班制。

計算齒輪傳動局部的運動和動力參數(shù)：

（1）各軸轉(zhuǎn)速

1軸）=14OOr/min

2軸n2=n,/i,=1400/3.53=396.6r/min

3軸n,=n,/i=1400/12.44=112.5r/min

2.各軸輸入功率

查?機械設(shè)計課程設(shè)計指導書?表1得，二級圓柱齒輪傳動一對齒輪的效率為

0.96-0.99,mn1=0.97；查?機械設(shè)計課程設(shè)計指導書?第12頁，得：每對滾動

軸承的效率為0.98-0.995,取n2=0.98,齒輪聯(lián)軸器的效率為n1=0.99。

(2)電動機軸Pd=200W

1軸片=《/?%]?%=200x0.99=198W

2軸P?=R.?2=舄%=198x0.97x0.98=188.2W

3軸鳥=鳥?/3=6=188.2x0.97x0.98=178.9W

1軸至3軸的輸出功率那么分別為輸入功率乘以軸承效率0.98。

(3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩

663

電動機輸出轉(zhuǎn)矩Td=9.55xl0P/n1=9.55x10x0.2/1400=l.36xl0N.mm

1軸TifFoi=136x1()3x0.99=1.34xIO,Mm；%

2軸心=刀”n=l.34xl03x3.53x0.97x0.98=4.5x103N.mm

34

3軸q=T2i2Z23=4.5xIOx3.53x0.97x0.98=1.5xION.mm

1軸至3軸的輸出轉(zhuǎn)矩那么分別為輸入轉(zhuǎn)矩乘以軸承效率0.98。運動和動

力參數(shù)計算結(jié)果整理于下表3-3：

表3-3

軸名效率P(kw)轉(zhuǎn)矩T(N.mm)轉(zhuǎn)速n(r/min)轉(zhuǎn)速比i效率〃

輸入輸出輸入輸出

電動機軸2001360140010.99

1軸198194.013401313.21400

3.530.95

2軸188.2184.445004410396.6

35.30.95

3軸178.9175.31500014700112.5

選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù):

(1)由于該齒輪傳動機構(gòu)是一般的減速機構(gòu)，根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒

輪傳動。

(2)選取精度等級。此傳動機構(gòu)的速度不高，用7級精度(GB10095-88)。將齒

輪毛坯經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理(即淬火加高溫回火)后，再精切，切制后即成成品，可達

7級精度。

(3)材料的選擇由？機械設(shè)計？課本表10-1選擇兩個小齒輪的材料都為

40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度280HBs。兩個大齒輪的材料都選用45號鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS,

二者的材料硬度差為40HBS.

⑷試選用兩個小齒輪的齒數(shù)都為zi=23,兩個大齒輪的齒數(shù)都為

Z2=ii*zi=3.53*23=81.19,圓整后并使其互質(zhì)為82,即Z2=8

強度校核

由于低速嚙合齒輪的轉(zhuǎn)矩較大，容易失效，而兩級齒輪的尺寸是一樣打的，

因此只用校核第二級嚙合齒輪。先按齒面接觸強度進行設(shè)計，再按齒根彎曲強度

進行校核。

(1)按齒面接觸強度設(shè)計：

由公式:小,>2.32x3+-x(----)

］的11［(JH］

確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值

a試選用載荷系數(shù)kt=1.3

b由表1可知小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩：

c由?機械設(shè)計?課本表10-7,選用齒寬系數(shù)

d由?機械設(shè)計?課本表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)

e由？機械設(shè)計？課本表10-21d,按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限

仍.?=600ME,大齒輪的接觸疲勞強度極限為協(xié)同2=550MB.

f計算循環(huán)次數(shù)；

g由？機械設(shè)計?課本表10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：

h計算接觸疲勞許用應力；

取失效概率為1%，平安系數(shù)為s=l.

(2)計算

a試算小齒輪分度圓直徑dit,代入［6］中較小的值：

b計算圓周速度v

c計算齒寬b

d計算齒寬和齒高之比b/h

模數(shù)為=公&=26/23=1.13,取mit=L13。

齒圖h=(2*ha+c*)=2.25町，=2.25x1.13=2.54//W7?

齒寬和齒高之比人//?=23.4/2.54=9.21

e計算載荷系數(shù)：

f按實際載荷校正分度圓直徑

g計算模數(shù)

m=di/zi=28.0/23=1.22

(3)按齒根彎曲強度計算設(shè)計：

彎曲強度的設(shè)計公式為

確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值

a由圖10-20C查得小齒輪的彎曲疲勞65=500〃S，大齒輪的彎曲疲勞強度

OFE2-?!S0mpa,

b由圖10-18查得kfn\=0.85,kpni=0.88。

c計算彎曲疲勞許用應力：

取彎曲疲勞平安系數(shù)為s=1.4,由公式得:

d計算載荷系數(shù)：

e查取齒形系數(shù)和應力校正系數(shù)

以=2.69,%=2.22

由表10-5查得：

匕0=1.575,匕。2=1.77

f計算大小齒輪的并加以比擬:

經(jīng)比擬大齒輪的較大。

設(shè)計計算：

比照計算結(jié)果，又齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根疲勞強度計算

的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接

觸疲勞強度所決定的承載能力僅于齒輪的直徑有關(guān)，可取彎曲強度所計算的模數(shù)

m=l,并就近圓整為標準值m=l。按接觸強度算得分度圓直徑di=28mm,計算小齒輪

的齒數(shù)：

大齒輪齒數(shù)z2=i2xz1=3.53x28=98.84,圓整后取Z2=99

這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面結(jié)出強度的要求，又滿足了齒根彎曲

疲勞強度的要求，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，防止浪費。

幾何尺寸計算及驗算：

(1)計算分度圓、齒頂圓、齒根圓直徑

(2)計算中心距

(3)計算齒輪寬度

b=6ddi=0.9x28=25.2mm

取B2=26mm,Bl=28mm。

(4)確定與相軸配合的孔直徑d；、d2

取4=14mm,d2=40mmo

(5)驗算

大小齒輪鍵連接的設(shè)計

根據(jù)機械設(shè)計手冊查知平鍵連接具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，對中性好等優(yōu)點，所

以本設(shè)計采用平鍵連接。

由于大齒輪軸直徑為40MM齒寬25.2所以選用12X8的平鍵，小齒輪軸的直

徑為14MM所以選用5X5的平鍵

結(jié)構(gòu)設(shè)計與繪制齒輪零件圖

根據(jù)?機械設(shè)計?第228頁，因為兩齒輪的齒頂圓直徑均小于160mm,可以做

成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。

繪制齒輪零件圖（見圖紙）。

3.4蝸輪蝸桿傳動的設(shè)計

蝸輪蝸桿是在空間交錯的兩軸之間傳遞運動的一種傳動機構(gòu)，兩個軸線之間

的夾角可能為任意值，通常為90度。采用蝸輪蝸桿機構(gòu)的傳動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、

傳動比大、傳動穩(wěn)定及在一定條件下具有可靠的自鎖性等優(yōu)點；但缺點就是傳動

效率低，消耗有色金屬等。P=200w,蝸桿的速率為n3=112.5r/min,傳動比為30:1,

工作載荷穩(wěn)定，但由不大的沖擊，要求壽命為15年，每年工作300天，每天工作

16個小時。

由于材料和結(jié)構(gòu)的原因，蝸桿螺旋齒局部的強度總是大于蝸輪輪齒的強度，

所以失效經(jīng)常發(fā)生在蝸輪輪齒上。因此，一般只對蝸輪輪齒進行承載能力計算。

在閉式傳動中，蝸桿副多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，通常是按齒面接

觸疲勞強度進行設(shè)計，而按齒根彎曲疲勞強度進行校核。

選擇蝸桿傳動類型

根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。

選擇材料和精度等級

考慮到蝸桿傳動傳遞的功率不大，速度較低，故蝸桿用45鋼；因希望效率高

些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求調(diào)質(zhì)處理，硬度為220~300HBS。蝸輪用鑄

錫磷青銅ZCuSnlOPl,金屬模鑄造。為節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造,

而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。根據(jù)?零件手冊?表16-53,選取蝸輪、蝸桿的精度

等級為7級。

按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計

根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準那么，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再校核

齒根彎曲疲勞強度。由式（11-12）,傳動中心距

a確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2

按在Zi=l,查?機械設(shè)計課程設(shè)計指導書?得，

%=0.70-0.75,取2=0.73,%4=小/=0.7154,

b確定載荷系數(shù)K

因為工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)K0=l,由表11-5選取使用

系數(shù)KA=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)Kv=1.05；那么

K=KAKpKv=1.15X1X1.05?1.21

C確定彈性影響系數(shù)ZE

因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故ZE

d確定接觸系數(shù)Z。

先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比值4/a=0.35,從圖11-18中可查

得Z0=2.9。

e確定許用接觸應力4“]

根據(jù)蝸桿材料為鑄錫磷青銅ZCuSnlOPl,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬

度>45HRC,可從表11-7

中查得蝸輪的根本許用應力6/,1=268"2o

應力循環(huán)次數(shù)

壽命系數(shù)K=§/■———-=0.94

HN\1.60xl07

那么\(yH]=KHN-[<TH]'=0.94x268=252.3MPa

f計算中心距

根據(jù)?機械設(shè)計?表11-2,取a=125,因i=30,取模數(shù)m=6.3mm,蝸桿分度圓直徑

di=63,這時dl/a=63/125=0.504,從？機械設(shè)計？圖11-18中可查得接觸系數(shù)

Z0=2.3,因為Zo<Z。，因此以上計算結(jié)果可用。

蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸

a蝸桿

由于本蝸桿軸是細長軸，所以不能把蝸桿螺旋局部和軸做成一個整體，而應

將蝸桿和軸分開制作。這樣，既節(jié)省了制蝸桿的貴重材料，又便于加工，不會因

加工而引起軸的變形。

蝸桿與軸為過盈配合，為實現(xiàn)兩者之間的準確牢固定位，可使用插銷進行定

位。這樣的話，必須在蝸桿上開一個插銷孔，并在軸的相應位置也開一個插銷孔。

同理，蝸輪和軸之間的配合與定位也可為過盈配合，并用插銷定位。

根據(jù)?機械設(shè)計?表11-2：

軸向齒距P}=m7i=6.37=19.782mm；

直徑系數(shù)q=10；

齒頂圓直徑dai=&+2/i?|=d[+2mh*=63+2x6.3x1=756mm；

齒根圓直徑dc=4—2〃八=d[—2m（匕+c"）=63—2x6.3x1.2=47.88mm；

分度圓導程角y=5042'38"；

蝸桿軸向齒厚S=—m7i:=0.5x6.3=9.89\mm

a2o

b蝸輪

根據(jù)?機械設(shè)計?表11-2：

蝸輪齒數(shù)z2=31；

變位系數(shù)x2=-0.5；

驗證傳動比i=z2/Z|=31/1=31；這時傳動比誤差為衛(wèi)二型=3.3%,是允許

30

的。

蝸輪分度圓直徑d2~mz2=6.3x31=195.3mm

蝸輪喉圓直徑

蝸輪齒根圓直徑

df2—d2—211f2—d2—2m(h*+c*)=195.3—2x6.3x1.2=180.18mm

蝸輪咽喉母圓直徑r2=a—'d"2=125—207.9=21.05Mm

g22

校核齒根彎曲疲勞強度

當量齒數(shù)—=.....-......=3115

cos3/(COS5°42'38”)30.995

根據(jù)々=-06587,z,，2=31.15,從圖11-19中可查得齒型系數(shù)％2=3.35。

螺旋角系數(shù)Y0=1——乙=1—出-=0.9592

p14001400

許用彎曲應力匕〃]=長硒?匕/

從表11-8中查得由ZCuSnlOPl制造的蝸輪的根本系用彎曲應力

向「=56"&

壽命系數(shù)"=J—=0.734

V1.62xl07

aF<[aF],彎曲強度是滿足的。

6.精度等級公差和外表粗糙度確實定

考慮到所設(shè)計的蝸桿傳動時動力傳動，屬于通用機械減速器，從

GB/T10098—1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇7級精度，側(cè)隙種類為f,標注為

7fGB/T10098—1988o

繪制工作圖[見圖紙)。

3.5凸輪的設(shè)計:

為實現(xiàn)噴槍的連續(xù)運動，可采用曲柄搖桿機構(gòu)或凸輪-連桿機構(gòu)。但曲柄搖桿

機構(gòu)結(jié)構(gòu)不緊湊，設(shè)計較復雜，而且為使噴涂均勻穩(wěn)定，噴槍應等速運動，而曲

柄搖桿機構(gòu)不能實現(xiàn)等速的擺動，因此不宜采用；用凸輪-連桿機構(gòu)可容易的實現(xiàn)

噴槍的連續(xù)等速來回擺動，且結(jié)構(gòu)緊湊，因此可采用。

（1）材料的選擇

選取45#鋼，為使凸輪耐磨，應對其進行調(diào)質(zhì)處理，其硬度為HBS220~260。

（2）凸輪設(shè)計

a確定行程

根據(jù)機構(gòu)的布局和尺寸，確定大凸輪的行程hi=64mm,小凸輪的行程

h2=40mm.。

b確定從動件位移線圖

為使噴漆均勻穩(wěn)定，必須要求從動件作等速運動，因此可采用運動規(guī)律為一

次多項式的從動件位移線圖。另外，由于噴槍是來回噴涂的，所以使升程和回程

的從動件位移線圖對稱。

遠休止角和近休止角都取0。當凸輪轉(zhuǎn)動時，從動件重復著升-降-升的運動循

環(huán)，從而使連桿噴槍來回擺動。

X向凸輪（即大凸輪）

64

推程（0<夕<180°）§3=—=20.37仍

7T

64

回程（180°<0<360。）§3=64—絲?（/—乃）=64—20.37（科一乃）

其推程運動線圖如圖3-6：

圖3-6

Y向凸輪（即小凸輪）

40

推程（0<0<180°）S=—?%=12.7物

47t

40

回程（<夕）

180°<360"S4=40-------（%一萬）=40-12.73?4一4）

兀

其推程運動線圖如圖3-7：

圖3-7

由圖%-內(nèi)可見，在行程開始和終止位置時，會引起加速度無窮大突變，即剛性沖

擊。但由于本機構(gòu)低速輕載，從?機械設(shè)計?表4-3可知，等速運動適用于本機構(gòu)。

c確定凸輪的結(jié)構(gòu)及形狀

因為要求從動件作直線往復運動，因此只需選擇從動件直動對心盤形凸輪，

并在凸輪內(nèi)按等速運動規(guī)律所確定的軌跡加工出凹槽。于是，從動件使用連桿及

長滾子架連接而成。

由于凸輪結(jié)構(gòu)對稱，為了安裝方便，把凸輪做成對稱的兩半，并用螺栓連接。

而且，螺栓連接有軸向及周向定位的作用。為實現(xiàn)凸輪與軸的準確牢固定位，還

用緊固螺釘將凸輪固定在軸上。

d由最大壓力角確定基圓半徑

驅(qū)動力F與有用分力F，之間的夾角a（或接觸點與從動件上力作用點速度方

向所夾的銳角）稱為凸輪機構(gòu)在圖示位置時的壓力角。當壓力角增大到某一數(shù)值

時，會出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，或?qū)е买?qū)動力急劇增大，輪廓嚴重磨損、效率迅速降低。

因此，實際設(shè)計中規(guī)定了壓力角的許用值［a］。對于直動從動件通常取

㈤=30°-38°o

式中7b分別為凸輪轉(zhuǎn)向系數(shù)和從動件偏置方向系數(shù)；s為從動件運動位移。

由上式可見，當凸輪機構(gòu)配置情況、偏距e及從動件運動規(guī)律選定以后，基圓半

徑，愈小，壓力角a愈大，欲結(jié)構(gòu)緊湊應使基圓盡可能小，但基圓太小又會導致

壓力角超過許用值。因壓力角是機構(gòu)位置的函數(shù)，必有某個位置出現(xiàn)最大壓力角。

設(shè)計時應在4口1的前提下，選取盡可能小的基圓半徑。

X向凸輪（即大凸輪）

因為凸輪從動件是對心的，所以偏距e=0o由2）中式匕=留?必得，

71.

匕/%=64/萬=20.37。當s=0時，壓力角最大，取%^=38,那么

*a。。、20.37工曰、20.37?「工

tan38>-----，十是r>-------=65.65mm

rQtan38°

取ro=7Omm。

64

于是，從動件的上升公式為p=70+一?93=70+20.37%

371'

64

下降公式為p=134-----（小一兀）=134-20.37（^-萬）

371

X向凸輪外觀圖如圖3-8:

圖3-8大凸輪

Y向凸輪（即小凸輪）

因為凸輪從動件是對心的，所以偏距e=0o由2）中式七=”?必得，

71

匕/例=40/%=12.73。當s=0時，壓力角最大，取%^=38,那么

+、12.73不目、12.73.

tan38>------,JZEr>---------=41.03mm

rctan380

取ro=44mm。

40

于是，從動件的上升公式為24=44+—?％=40+12.73外

71

40

下降公式為04=84——（°4一萬）=84—12.37（%一兀）

71

Y向凸輪外觀圖如圖3-9:

圖3-9小凸輪

e確定凸輪的外觀尺寸

X向凸輪（即大凸輪）

由上面的設(shè)計知，基圓半徑八=70,行程h=64mm。取凹槽的寬度b=22mm,

槽寬〃'=12相機。根據(jù)上述尺寸可取凸輪與軸相配合的孔直徑d=30mm,凸輪外徑

D=320mm,凸輪寬度B=24mm。包括安裝螺栓的凸緣局部，取凸輪的總寬度

B'-54mm。

Y向凸輪（即小凸輪）

由上面的設(shè)計知，基圓半徑心=44mm,行程h=40mm。取凹槽的寬度b=22mm,

槽寬&'=12如〃。根據(jù)上述尺寸可取凸輪與軸相配合的孔直徑d=25mm,凸輪外徑

D=220mm,凸輪寬度B=20mm。包括安裝螺栓的凸緣局部，取凸輪的總寬度

B'=50mm。

3.6蝸桿軸的設(shè)計

由于本蝸桿軸是細長軸，所以不能把蝸桿螺旋局部和軸做成一個整體，而應

將蝸桿和軸分開制作。這樣，既節(jié)省了制蝸桿的貴重材料，又便于加工，不會因

加工而引起軸的變形。查?零件手冊?表4-16,蝸桿軸的材料選為45鋼，調(diào)質(zhì)處理,

硬度為200-250HBS。

圖3-10蝸桿軸

(1)求輸出軸的功率P3、轉(zhuǎn)速m、轉(zhuǎn)矩T3

由3.3齒輪減速局部的設(shè)計知，居=178.9卬，n3=112.5r/min,

4

T3=1.51X1O^./H/?2

(2)求作用在蝸桿上的力

蝸桿的分度圓直徑4=63mm,蝸輪的分度圓直徑出=195.3加加。而

查?機械設(shè)計?表1知，蝸輪蝸桿傳動的效率/=。-70~0.75,取7=0.73,

〃34==0-73X0.98=0.7154。于是

(3)確定軸的最小直徑

凸輪對軸有徑向力，但凸輪只是起傳動作用，而不傳力，因此該徑向力不大,

可以忽略。初步確定軸的最小直徑如下：

先按?機械設(shè)計?式(15-2)初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，

調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)?機械設(shè)計?表15-3,取為=112,于是得

輸出軸的最小直徑顯然是安裝離合器處軸的直徑向_〃(圖3-10)。離合器的

計算轉(zhuǎn)矩乙=七(，查?機械設(shè)計?表14-1,考慮到轉(zhuǎn)矩變化很小，故取儲=1.3,

那么

(4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

a擬訂軸上零件的裝配方案

本軸是一細長軸，可用兩個軸承進行支撐。其它零件的裝配方案己經(jīng)在前面

分析過，現(xiàn)選用如圖3-5所示的裝配方案。

b根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各斷直徑及長度

為了保護電機，延長電機的使用壽命，可使用電磁離合器(見總裝配圖)。這

樣，噴槍擺桿可以根據(jù)生產(chǎn)要求或工作或停止擺動，而電機那么可以一直轉(zhuǎn)動，

不用經(jīng)常啟動、停止，降低電機的損壞程度。根據(jù)軸的最小直徑&仙=13.07〃姓，

考慮到鍵槽對軸強度的影響，取dj=20〃”n。根據(jù)總裝配圖中零件的布局及尺

寸，得/=175mm。

初步選擇滾動軸承。因軸承同時受徑向力和軸向力的作用，應選用角接觸軸

承。查?零件手冊?表9-5,根據(jù)d〃一0=19的〃，選擇角接觸軸承7205C其尺寸為

dxDxB=25mmx52nlm義15mm,故H-III軸段和IV-V軸段的直徑

dm=dfy_y25IW11,"Be度I//-f//15/77/77o

為實現(xiàn)軸承的軸向定位，可在軸承的旁邊加工出一道凹槽，用彈性擋圈定位

（見總裝配圖）。取凹槽寬度為2mm,凹槽旁邊的軸段為20mm,于是，

dt_n=15+2+20=yiirun。

查？零件手冊？表9-5得7025C型軸承的軸肩定位高度h=2.5mm,所以

服_〃=25+2.5x2=30mm。由于在設(shè)計蝸桿和X向凸輪時已使兩者的裝配軸直

徑相等，且都為30mm,和由軸承定位設(shè)計出來的尺寸一樣，所以=30/nm。

凸輪設(shè)計成對稱的兩局部，螺栓連接和緊固螺釘同時有軸向定位及周向定位

的作用，所以不用再設(shè)計其它定位零件或軸肩。蝸桿與軸為過盈配合，并用插銷

同時實現(xiàn)蝸桿的軸向及周向定位，因此也不用再設(shè)計其它定位零件或軸肩。

取凸輪距箱體內(nèi)壁的距離a=16mm,考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動

軸承位置時，應距箱體內(nèi)壁一段距離s,取s=8mm,所以llv_c.=16+8=24nvn0

為了便于凸輪的安裝調(diào)整，取=36/”機；

取蝸輪距箱體內(nèi)壁的距離a=16mm,考慮到箱體的鑄造誤差,在確定滾動

軸承位置時，應距箱體內(nèi)壁一段距離s,取s=8mm,蝸輪齒頂圓直徑

da2=207.9/WM,那么

lD.._af=207.3/2+16+8—40=87.6〃“〃，取為88mw；

根據(jù)零件的尺寸與布局，確定"r=220mm；

凸輪的寬度B=50mm；根據(jù)蝸輪的齒頂圓直徑=2079%〃，取蝸桿螺旋局

部的長度為80mm；

于是11n_1V=88+80+220+50+36=474mm。

c軸上零件的軸向定位

離合器的軸向定位采用平鍵連接。按采用基孔制。根據(jù)?互換性與技術(shù)測量?,

對于根本尺寸小于或等于500mm的較高等級的配合，由于孔比同級軸加工困難，

當標準公差小于或等于IT8時，應使孔比軸低一級相配合。

為了保證蝸桿與軸配合具有良好的對中性，必須使兩者為過盈配合，應選擇

蝸桿與軸的配合為H7/p6；同樣，離合器與軸也應為過盈配合，應選擇兩者的配

合為H7/k6；滾動軸承與軸的周向定位是借助過渡配合來保證的，查?零件手冊?

表9-16得：此處軸的直徑尺寸公差為j6,于是兩者的配合為H7/j6。

d確定軸上圓角和倒角尺寸

參考?機械設(shè)計?表15-2,軸端倒角為1x45。，各軸肩的圓角半徑為R10。

(5)求軸上的載荷

首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖3-9。在確定軸承的支點位置時，查?

零件手冊?表9-5得，a=l2.7mmo于是

a確定計算必要的長度

b計算水平方向的載荷

C-+

圖3-11

c計算垂直方向的載荷

由FNV2-(/,+幻=工/2得，

d確定合成轉(zhuǎn)矩

(5)確定軸上的扭矩

從軸的結(jié)構(gòu)以及彎矩和扭矩圖3-11中可以看出截面D是軸的危險截面?，F(xiàn)將

計算出的截面D處的彎矩和扭矩的值列于下表3-4：

表3-4

載荷水平面H垂直面V

支反力%”=%608N,FWI=670.59N,

F加2=133.29NFW2=577.61N

彎矩MMH=45094MVi=87377.8SN.mm

=200541.22N.mm

MV2

總彎矩M=98327.93M2=200541.22N.mm

扭矩TT3=1.51xIO,

(6)按彎扭合成應力校核軸的強度

進行校核時，通常指校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面(即危險截面D)的強

度。根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)值，并取。=0.6,軸的計算應力

之前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由？機械設(shè)計？表15-1查得

包]]=60Mpao可見crca<,故適用。

(7)精確校核軸的疲勞強度

a判定危險截面

從彎矩、扭矩圖圖3-11可知，危險截面只可能發(fā)生在IV-V軸段。

截面I、II和A只受扭矩作用，雖然鍵槽及軸肩所引起的應力集中均將削弱

周的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強度較為寬裕確實定的，所以上述

截面均無須校核。

從應力集中對軸的疲勞強度的影響，截面II、III、IV和V過盈配合處引起的

應力集中較嚴重，但其所受載荷較小，故不用校核；截面D上的應力最大，但集

中應力不大(因為過盈配合引起的應力集中在兩端)，故不用校核；與截面D，"相

比，截面D'不受扭矩作用，而截面D，"既受彎矩作用，又受扭矩作用，所以,

只需校核截面D'"o

b截面D1"校核計算

抗彎截面系數(shù)w=0.1]=0.1X3()3=2700“〃/

3

抗扭截面系數(shù)WT=0.2J=0.2x303=5400〃/

截面VD'的彎矩

截面VD'的扭矩(=1.51