微摩擦測(cè)試儀機(jī)械裝置設(shè)計(jì)--畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 微摩擦力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)系 別 航空與機(jī)械工程系專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào) 1081023 22學(xué)生姓名 孫 衛(wèi) 琪指導(dǎo)教師 劉 文 光二一四 年 五 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：微摩擦力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：設(shè)計(jì)原始資料：無(wú)。設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1.要求英文資料翻譯忠實(shí)原文； 2.要求確定合理的測(cè)試方案； 3.設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置滿足摩擦測(cè)試要求； 4.繪制摩擦測(cè)試裝置的裝配圖； 5.要求圖紙?jiān)O(shè)計(jì)規(guī)范，符合制圖標(biāo)準(zhǔn)； 6.要求畢業(yè)論文敘述條理清楚，設(shè)計(jì)計(jì)算正確，論文格式規(guī)范。III、畢 業(yè)

2、設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：1. 查閱相關(guān)資料，外文資料翻譯（6000字符以上），撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告第01周第 04周2閱讀與摩擦學(xué)相關(guān)的一些理論與文獻(xiàn) 第05周第 06周3提出摩擦測(cè)試方案 第07周第 07周4設(shè)計(jì)摩擦測(cè)試裝置，繪制摩擦測(cè)試進(jìn)給裝置的簡(jiǎn)圖 第08周第 10周5完成摩擦測(cè)試裝置裝配圖的繪制 第11周第 12周6繪制軸圖 第13周第 13周7編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）一份 第14周第 15周8畢業(yè)設(shè)計(jì)審查、畢業(yè)答辯 第16周第 17周 、主 要參考資料：1. 溫詩(shī)著,黃平主編. 摩擦學(xué)原理M. 北京：清華大學(xué)出版社，20022. 濮良貴,紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）M.北京：

3、高等教育出版社,20063. 孫桓,陳作模,葛文杰主編. 機(jī)械原理（第七版）M. 北京：高等教育出版社，20064. 楊捷斐.微動(dòng)摩擦測(cè)試儀的研究設(shè)計(jì)D. 北京：北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文，20085. 劉文廣,劉瑩,李小兵.微摩擦測(cè)試儀的研制J. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2004，266. 鄒繼斌，孫桂瑛，齊毓霖，等.微負(fù)荷摩擦測(cè)試系統(tǒng)JJ.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)， 1998，18(4):3697. DAVID G. U. THE MECHANICAL DESIGN PROCESS M. New York: MCGRAW-HILL，INC,1992航空與機(jī)械工程系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)類(lèi) 1081

4、023 班 學(xué)生（簽名）： 孫衛(wèi)琪填寫(xiě)日期： 2014 年 2 月 17 日指導(dǎo)教師（簽名）： 助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：航空與機(jī)械工程系 主任（簽名）： 附注:任務(wù)書(shū)應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)首頁(yè)。微摩擦力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：孫衛(wèi)琪 班級(jí)：1081023 22 指導(dǎo)老師：劉文光 摘要：摩擦現(xiàn)象與人類(lèi)的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，自80年代原子顯微鏡和摩擦力顯微鏡問(wèn)世以后，發(fā)現(xiàn)在原子、分子及納米級(jí)尺度下宏觀的摩擦規(guī)律不再適用，摩擦學(xué)研究開(kāi)始進(jìn)入微觀與宏觀結(jié)合的新階段，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electron Mechanical System,

5、MEMS)，其零部件的幾何尺寸目前一般在微米數(shù)量級(jí)，他們之間的摩擦介于微觀與宏觀摩擦之間，稱(chēng)之為微摩擦。本文提出了一種全新的微摩擦測(cè)試儀器，在查閱了大量的國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了微摩擦力測(cè)試儀的總體設(shè)計(jì)過(guò)程，主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和進(jìn)給系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)原理和方法及電機(jī)的選用。關(guān)鍵詞:微摩擦力 測(cè)試儀 MEMS傳感器 指導(dǎo)老師簽名： MECHANICAL DESIGN OF MICRO FRICTION TESTING BEDStudent name: Sun weiqi Class:108102322Supervisor: Liu WenguangABSTRACT: The phenomenon

6、 of friction is get well with peoples live and product. From the 1980s, atom-microscope and friction microscope came out, then the scientists found that the macro friction regularity was not suitable at the degree of atom, molecular and nano. This hints that Friction research has entered a new stage

7、 in which friction is studied in sub-micro-level. With the micro electronics technology development, the micro E6lectro-mechanical-system (MEMS) has a rapidly developed, whose apparatus geometry dimension at the level of millimeter, the friction of them is between micro and macro. It is called micro

8、-friction. Now the urgent problems needed to be solved in MEMS research is whether the macro friction regularity is suitable for micro-friction phenomena and what degree is the dimension of friction component in that area of micro-friction. Because of the development of MEMS, the explicit principle

9、of micro friction is needed urgently, It has many practical need in micro-friction research. Under the guide of professor Liu Wenguang ,I looked up many abroadand native essays and did many experimentation，a new micro friction surveyors apparatus came out, it have many advantages such as high measur

10、e precision，cheaper than others products，reliability function and so on. This article is focused on the course of designing the apparatus of micro-friction. In this article，the paper describes three parts, the design methods and principles of forcing sensor and turning equipment, the choice of elect

11、romotor and hardware of timing design.Key words: micro-friction; strain sensor; test bed Signature of Supervisor:目 錄1緒論11.1引言11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.2國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)51.3本文的主要工作62微摩擦測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)72.1微摩擦技術(shù)簡(jiǎn)介72.2測(cè)試儀的總體設(shè)計(jì)83微摩擦測(cè)量裝置的進(jìn)給系統(tǒng)123.1進(jìn)給系統(tǒng)概述123.2功能模塊的分析133.2.1精密位移臺(tái)TMS202M133.2.2 PTS103M型一維位移臺(tái)153

12、.3本章小結(jié)164微摩擦測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)174.1轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)174.1.1 主軸的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求174.1.2主軸的支承方案的確定184.1.3軸承型號(hào)的選定184.1.4軸承的預(yù)緊184.1.5傳動(dòng)方案的確定194.2轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的設(shè)計(jì)194.2.1主軸的初步設(shè)計(jì)194.2.2轉(zhuǎn)軸的校核204.2.3轉(zhuǎn)軸軸承的校核234.2.4轉(zhuǎn)軸精度分析234.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)254.3.1電機(jī)的選用254.3.2電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的校驗(yàn)254.3.3電動(dòng)機(jī)的調(diào)速274.4本章小結(jié)325結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝35I1 緒論1.1 引言微機(jī)械構(gòu)件表面的微摩擦不同于宏觀摩擦，也不同于原子力/ 摩擦

13、力顯微鏡探針與基片之間的微摩擦，因此，宏觀或微觀摩擦實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)于微摩擦的研究有很大的局限。隨著微機(jī)械應(yīng)用日益廣泛，其微摩擦學(xué)問(wèn)題日漸突出微摩擦學(xué)引發(fā)了對(duì)表面改性納米膜(或涂層)的關(guān)注，表面微納米膜可以大幅度降低微摩擦磨損，從而提高微機(jī)械的使用壽命，微動(dòng)摩擦測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械裝置成為評(píng)估這些膜的必要和有效工具。本課題旨在設(shè)計(jì)一種考慮微機(jī)械工況的銷(xiāo)盤(pán)式微摩擦測(cè)試儀與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),采用微應(yīng)變片獲取摩擦力及載荷導(dǎo)致的變形信號(hào)，通過(guò)A/ D 卡采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得微摩擦力和微載荷的數(shù)值，為微摩擦特性測(cè)試和分析提供一種手段，主要設(shè)計(jì)任務(wù)是為摩擦測(cè)試儀器機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，我的本次畢業(yè)設(shè)計(jì)

14、選擇了微摩擦測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)這個(gè)課題。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著我國(guó)信息科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與測(cè)試水平持續(xù)提高為研制微摩擦測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)提供了可行性基礎(chǔ)。目前關(guān)于微動(dòng)摩擦測(cè)試儀的常見(jiàn)類(lèi)型有如下幾種:(1)力平衡法，是用一個(gè)已知的力來(lái)平衡待測(cè)的未知力。例如，機(jī)械杠桿式測(cè)力計(jì); 文獻(xiàn)6中就利用杠桿原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)法向載荷的加載與測(cè)量。圖1-1力平衡法測(cè)力示意圖(2)光學(xué)反射法，是一種廣泛應(yīng)用于微納米測(cè)試儀器中測(cè)量方法。圖1-2光路系統(tǒng)原理圖 中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制的光反射法微摩擦測(cè)試儀，由微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光電探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。光電探測(cè)系統(tǒng)如圖

15、1-2所示，由兩套激光光源、準(zhǔn)直及聚焦透鏡、硅傳感器、兩套CCD探測(cè)器及其機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。激光器1、硅傳感器1及CCD1用來(lái)測(cè)量正壓力，激光器2、硅傳感器2及CCD2用來(lái)測(cè)量摩擦力。激光光源采用可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器(GaAIAs Laser，波長(zhǎng)為670nm，功率為3mW)作為單色光源，光束經(jīng)準(zhǔn)直及聚焦透鏡匯聚，入射到硅傳感器上，再經(jīng)硅傳感器的拋光面反后照射到CCD探測(cè)器的光敏面上，得到光斑的初始位置。兩硅片相互垂直安放，當(dāng)兩硅片受到正壓力及水平摩擦力時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，反射激光也偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，CCD上的光斑位置也發(fā)生了相應(yīng)變化。硅片的撓度反映了探針和試件間作用力大小，反映到CCD上就是光斑所在像元

16、幾何位置的變化，由此通過(guò)標(biāo)定可得到正壓力及摩擦力大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該儀器摩擦力測(cè)試滿足分辨率為50微牛，量程200毫牛的技術(shù)指標(biāo)，重復(fù)率約為1.3%，總精度為2.257%a(3)壓電法，利用晶體的壓電效應(yīng)，將力轉(zhuǎn)換成電荷并通過(guò)二次儀表轉(zhuǎn)換成電壓。圖1-3 壓電法測(cè)力示意圖(4)應(yīng)變片法，其原理是把檢測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，繼而通過(guò)電橋進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，從而間接地測(cè)出力的大小。南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研制的球盤(pán)式微摩擦測(cè)試儀I21I81，基于簧片和應(yīng)變片，通過(guò)應(yīng)變儀測(cè)量壓力和摩擦力。采用二維精密平移臺(tái)上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)正壓力的加載和測(cè)頭位置的移動(dòng);測(cè)試試

17、件粘貼在工作臺(tái)上，采用電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成摩擦副的運(yùn)動(dòng);將電阻應(yīng)變片貼在一個(gè)簧片上，當(dāng)簧片產(chǎn)生變形時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)變片的電阻就會(huì)發(fā)生變化，從而力所產(chǎn)生的應(yīng)變就被轉(zhuǎn)換成了電信號(hào).這個(gè)電信號(hào)通過(guò)一定的信號(hào)處理后，被A/D卡采集下來(lái)，然后輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行加工處理?？梢缘贸鰬?yīng)變的大小，最終能夠?qū)?yīng)變還原成載荷和摩擦力的值，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試的目的，如圖1-4所示。圖1-4 測(cè)試儀原理圖該測(cè)試儀的測(cè)力部件采用了兩個(gè)測(cè)力簧片，通過(guò)一個(gè)立方體連接到一起，如圖1-5。A.測(cè)頭 ；B.簧片 ； C.立方塊 ； D.應(yīng)變片圖 1-5測(cè)力部件結(jié)構(gòu)由立方體來(lái)保證兩簧片間相互垂直。這樣的設(shè)計(jì)加工的工藝性和精度得料和尺寸可根

18、據(jù)實(shí)際所需更換。同時(shí)，采用箔式應(yīng)變片，在結(jié)構(gòu)上，每一個(gè)測(cè)力簧片上有一組4個(gè)應(yīng)變片，被兩兩分貼在簧片的正反兩面，組成一個(gè)全橋回路，這樣的結(jié)構(gòu)既提高了電橋?qū)ξ⒘Φ撵`敏度，又能夠進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因而提高了測(cè)量的精度。以保證9。測(cè)頭設(shè)計(jì)并制作成半球形或其他形狀，與簧片豁結(jié)在一起，測(cè)頭的材料和尺寸可根據(jù)實(shí)際所需更換。同時(shí)，采用箔式應(yīng)變片，在結(jié)構(gòu)上，每一個(gè)測(cè)力簧片上有一組4個(gè)應(yīng)變片，被兩兩分貼在簧片的正反兩面，組成一個(gè)全橋回路，這樣的結(jié)構(gòu)既提高了電橋?qū)ξ⒘Φ撵`敏度，又能夠進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因而提高了測(cè)量的精度。 該摩擦測(cè)試儀測(cè)量的加載范圍在微牛到毫牛之間，正壓力和摩擦力的分辨率能夠分別達(dá)到20微牛和10微牛。根

19、據(jù)國(guó)外從事微動(dòng)摩擦學(xué)試驗(yàn)儀研究發(fā)表論文的數(shù)量統(tǒng)計(jì),英、法、美、日、加這5個(gè)國(guó)家進(jìn)行動(dòng)摩擦學(xué)研究的總體水平最高。這里主要介紹位移法的微動(dòng)摩擦學(xué)試驗(yàn)儀。 所謂位移法，是通過(guò)位移傳感器間接測(cè)量力。目前主要用以測(cè)量位移的傳感器有電容式位移傳感器和非接觸電渦流位移傳感器。圖 1-6 電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容傳感器具有功耗低、噪聲特性好、高靈敏度以及對(duì)溫度和振動(dòng)敏感性小等優(yōu)點(diǎn)。與橫向電容式傳感器(改變電容極板正對(duì)面積)相比，縱向電容式傳感器(改變電容極板間距離)具有更高的靈敏度，但是其存在較大的線性誤差。梳齒差分式電容傳感器，能夠克服縱向電容傳感器的這一缺點(diǎn)，在獲得高靈敏度的同時(shí)保證線性關(guān)系。其結(jié)構(gòu)由三部

20、分組成，中間可移動(dòng)部分和上下兩邊固定部分，如圖4所示。固定電容器的兩個(gè)梳齒分別放于中間可移動(dòng)電容器梳齒的兩邊，可以使固定電容器的梳齒間相互隔絕。 當(dāng)傳感器探針受到軸向力，單向彈簧產(chǎn)生彎曲變形，使得內(nèi)部的可動(dòng)電容極板(2)移動(dòng)，朝x正方向時(shí)，極板(2)遠(yuǎn)離極板(1)且靠近極板(3)，導(dǎo)致電容差值在外部固定電容極板(1)、(3)上加上交流信號(hào)，形成如圖1-7所示差分電路。圖 1-7傳感器及讀出電路示意框圖存在于微動(dòng)腐蝕中的摩擦，其加載的接觸壓力大約在O.O1N到2N，運(yùn)動(dòng)幅度在微米量級(jí)，是介于宏觀摩擦與微觀摩擦之間的微摩擦力。上述方法中力平衡法精度較低，不適合微摩擦測(cè)試;壓電式測(cè)量法其缺點(diǎn)是僅適用

21、于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。光學(xué)法具有最高的精度，但是需要的投資較大;電阻應(yīng)變片法測(cè)試電路相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，其實(shí)踐應(yīng)用也相當(dāng)成熟，雖然其分辨力無(wú)法與光學(xué)法相比，但是已能滿足測(cè)試系統(tǒng)的精度要求;位移法通過(guò)位移傳感器間接測(cè)量力也是一種合適的方法，且市場(chǎng)上的位移傳感器分辨力最高能達(dá)到0.01微米，動(dòng)態(tài)特性也好，也能滿足要求。1.2.2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)微摩擦測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)研究人員的重視，并目己經(jīng)取得了明顯的進(jìn)展，但與工程實(shí)際需要尚有很大差距，微動(dòng)損傷問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段是很難甚至無(wú)法解決的，而微動(dòng)摩擦研究本身，又具有多學(xué)科性、多影響因了性和因了參量時(shí)變性的特點(diǎn)，故此研究工作十分困難與

22、復(fù)雜在這種情況下，我們必須面向工程實(shí)際需要進(jìn)行深入系統(tǒng)的微動(dòng)摩擦測(cè)試儀的研究。國(guó)外關(guān)于微動(dòng)摩擦測(cè)試儀的研究一般體現(xiàn)在繼續(xù)向工礦企業(yè)傳播微動(dòng)摩擦學(xué)知識(shí)和研究成果，主要開(kāi)展失效分析與交流，收集和研究微動(dòng)損傷的例證，建立圖譜,，以求準(zhǔn)確處理微動(dòng)失效故障，促進(jìn)微動(dòng)損傷研究的深化與發(fā)展，并探索微動(dòng)損傷的早期診斷和監(jiān)控等。1.3 本文的主要工作本課題旨在設(shè)計(jì)一種考慮微機(jī)械工況的銷(xiāo)盤(pán)式微摩擦測(cè)試儀與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),采用微應(yīng)變片獲取摩擦力及載荷導(dǎo)致的變形信號(hào)，通過(guò)A/ D 卡采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得微摩擦力和微載荷的數(shù)值，為微摩擦特性測(cè)試和分析提供一種手段，主要設(shè)計(jì)任務(wù)是為微摩擦測(cè)試儀機(jī)

23、械裝置的設(shè)計(jì)。首先介紹微摩擦測(cè)試儀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，然后推出微摩擦測(cè)試儀機(jī)械裝置的兩套設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行比較分析確定最佳方案。在進(jìn)行摩擦測(cè)試儀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行小結(jié)和進(jìn)一步工作的展望。2 微摩擦力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)2.1 微摩擦技術(shù)簡(jiǎn)介微摩擦力測(cè)量?jī)x有別于納米摩擦學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器。在納米摩擦學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器中無(wú)論其所施加的載荷還是所研究的材料的面積甚至于相對(duì)滑動(dòng)的速度都是采用納米量級(jí)的。它們研究的是原子、分子尺度上摩擦界面的微觀結(jié)構(gòu)和特性。而這里要開(kāi)發(fā)的微小摩擦力測(cè)量?jī)x則是在微小面積接觸和微小載荷作用下測(cè)試摩擦力的一種儀器。它的載荷是毫牛頓級(jí)，這與納米量級(jí)來(lái)進(jìn)行比較毫無(wú)疑問(wèn)

24、是相當(dāng)大的，但相對(duì)于宏觀載荷來(lái)說(shuō)又是相當(dāng)小。并且，它的相對(duì)滑動(dòng)速度是宏觀中的低速、微觀中的極高速。在機(jī)械領(lǐng)域中這種條件下的摩擦是經(jīng)?？梢钥匆?jiàn)的，但在系統(tǒng)分析中我們到底使用宏觀的摩擦學(xué)理論還使用微觀的理論呢?這就需要我們對(duì)這種條件下的摩擦來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，并通過(guò)對(duì)該儀器的實(shí)驗(yàn)來(lái)找到與之相適合的理論。由滑動(dòng)摩擦的宏觀研究得出，固體摩擦遵循 Amontons (阿蒙頓)摩擦公式15，即摩擦力F與載荷P成正比，其比例常數(shù)為摩擦系數(shù) F=P (2.1)在界面摩擦過(guò)程中15，有 C1P2/3+C2P+C3P4/3 (2.2)式(2，2)中，C1，C2，C3分別為于粘著能w、彈性常數(shù)K、球體半徑r等有關(guān)的函數(shù)。

25、由式(2.2)分析可知，在組成界面摩擦力的各項(xiàng)因素中，統(tǒng)稱(chēng)第三項(xiàng)所占比例較小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)表面粘著強(qiáng)度較大時(shí)，第一項(xiàng)是界面摩擦力的主要成分，此時(shí)可以近似地采用式中的一項(xiàng).而當(dāng)外加載荷P相對(duì)較大時(shí)，界面摩擦力將以第二項(xiàng)為主，接近于描述常規(guī)摩擦的Amontons公式(2.1)。由以上可知，用此課題所開(kāi)發(fā)出的測(cè)試儀測(cè)量摩擦力時(shí)，由于外加載荷P相對(duì)較大，因此在計(jì)算公式上與常規(guī)摩擦應(yīng)用的公式相近.但在機(jī)理上，是否相似，還有待于進(jìn)一步研究。這樣在研究中我們只需研究摩擦系數(shù)在不同條件下的變化，從而在實(shí)際應(yīng)用中為設(shè)計(jì)和制造選擇最優(yōu)的工作條件創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中相對(duì)滑動(dòng)的線速度是較低的，那么就會(huì)出現(xiàn)

26、摩擦性能不穩(wěn)的情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到可使摩擦穩(wěn)定的方法也就可以控制摩擦.如果將兩材質(zhì)間加入潤(rùn)滑材料，還可為機(jī)構(gòu)間選擇潤(rùn)滑劑提供參考基礎(chǔ)。同時(shí)，在起制動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)其靜摩擦力的研究，為降低靜摩擦減少起制動(dòng)能耗提供依據(jù)。2.2 測(cè)試儀的總體設(shè)計(jì) 在微小摩擦測(cè)量中，正壓力和摩擦力均很小，給精確測(cè)量帶來(lái)較大困難。就微小正壓力施力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，該系統(tǒng)必須具有很高的細(xì)分能力，其次，微負(fù)荷的測(cè)量本身需要采取一些特殊的技術(shù)措施，目前主要采用的有擺錘法1819、變形法與位移法1623。其中，擺錘法以擺角的變化測(cè)量摩擦力。但不適用于摩擦與磨損試驗(yàn);變形法與位移法通常以讀數(shù)顯微鏡測(cè)量摩擦力，但讀數(shù)又不方便. 本文設(shè)計(jì)了

27、一種微負(fù)荷摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)，施力機(jī)構(gòu)與測(cè)試系統(tǒng)合為一體，可同時(shí)測(cè)量正壓力和摩擦力。不但適用于摩擦系數(shù)的測(cè)量，而且可用來(lái)進(jìn)行摩擦與磨損試驗(yàn)。l 設(shè)計(jì)中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù): 1.微小接觸載荷的加載方法以及加載精度的保證.; 2.摩擦力加載模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)小型化、載荷連續(xù)可調(diào)和操作簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn); 3.運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度保證; 4.摩擦測(cè)頭小體積、易更換的實(shí)現(xiàn); 5.測(cè)量誤差的分析和測(cè)試精度的保證;l 裝置的組成及測(cè)量原理 微小摩擦測(cè)試儀的測(cè)量原理如圖2. 1所示。微小摩擦測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)原理如圖2. 2a所示。微小摩擦測(cè)試儀的整體照片圖如圖2. 2b所示(1)微小摩擦測(cè)力系統(tǒng) 該測(cè)力系統(tǒng)包括正壓力和摩

28、擦力測(cè)量?jī)刹糠帧y(cè)力系統(tǒng)由應(yīng)變傳感器、測(cè)力臂、控制電路、顯示儀表等組成。應(yīng)變傳感器與測(cè)力臂構(gòu)成力傳感器。測(cè)力臂由兩組平行板彈簧組成:前端水平安裝的平行板彈簧用來(lái)測(cè)量正壓力，叫正壓力平行板彈簧;后端豎直安裝的平行板彈簧用來(lái)測(cè)量摩擦力，叫摩擦力平行板彈簧。如圖2. 3所示。圖2. 1系統(tǒng)原理框圖圖2. 2a系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖2. 2b測(cè)試儀整體圖 圖2. 3測(cè)力臂原理結(jié)構(gòu)圖通過(guò)調(diào)整垂直進(jìn)給裝置的進(jìn)給量，使正壓力平行板彈簧發(fā)生形變.進(jìn)而產(chǎn)生正壓力施加在摩擦頭上，使摩擦頭與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)接觸，發(fā)生摩擦.通過(guò)測(cè)頭將摩擦力傳給摩擦力平行板彈簧，使其發(fā)生形變，由應(yīng)變傳感器測(cè)得應(yīng)變，進(jìn)而得到摩擦力.應(yīng)變傳感器的原理

29、是將傳感器的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成傳感元件的電阻變化，當(dāng)測(cè)力梁受力變形時(shí)，固定在梁上的傳感元件(應(yīng)變片)也隨著變形.設(shè)傳感元件(應(yīng)變片)初始電阻為R，電阻變化量為R，則電阻變化率與應(yīng)變間的關(guān)系為:R/R =K0 或R=K0 R.式中: 為應(yīng)變，K0為傳感元件的靈敏系數(shù)。 當(dāng)K0為常數(shù)時(shí)，電阻變化與應(yīng)變呈線性關(guān)系。在本測(cè)試系統(tǒng)中，所用應(yīng)變傳感器的靈敏系數(shù)約為2. 0，因此，可以近似的認(rèn)為測(cè)力系統(tǒng)的測(cè)力傳感器是線性的. 在本測(cè)試系統(tǒng)中，所用傳感器元件材料的靈敏系數(shù)約為2. 0，非線性誤差小于0. 1，橫向靈敏度K0.5%.由此可見(jiàn)，該傳感器可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，且只反映主應(yīng)力，橫向應(yīng)力影響很小.為提高傳感器的

30、靈敏度，除選用靈敏系數(shù)K較大的傳感元件外，還需合理設(shè)計(jì)測(cè)力臂的幾何尺寸。該測(cè)試系統(tǒng)傳感器輸出信號(hào)靈敏度為1. 5mV/mN，基本不受外界環(huán)境影響，但溫度變化可導(dǎo)致其漂移，因此在測(cè)試電路中要有溫度補(bǔ)償電路.本測(cè)試系統(tǒng)采用具有高精度和良好直流放大特性的ICL7650運(yùn)算放大器，經(jīng)放大后接顯示儀表. (2)位置調(diào)整系統(tǒng) 位置調(diào)整系統(tǒng)由水平進(jìn)給和垂直進(jìn)給組成.進(jìn)給系統(tǒng)采用了北京光學(xué)儀器廠的精密位移臺(tái)，型號(hào)為PTS103M和TMS202。它們的進(jìn)給精度為Sam，最小讀數(shù)為l0um.它可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)測(cè)頭的X, Y, Z方向的位置，改變摩擦頭在轉(zhuǎn)盤(pán)上的位置。這樣可以調(diào)節(jié)被測(cè)件觸點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑，進(jìn)而改變被測(cè)

31、試件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度.今后，X, Y, Z實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微小切削。 (3)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)盤(pán)，主軸等組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)得轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速.調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)被測(cè)試件觸點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑，就可以改變被測(cè)試件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。3 微摩擦力測(cè)量裝置的進(jìn)給系統(tǒng)3.1 進(jìn)給系統(tǒng)概述 進(jìn)給系統(tǒng)的作用是完成對(duì)微小摩擦測(cè)力傳感器施加力(即使傳感器的平行板彈簧在Z方向發(fā)生彎曲形變)、改變摩擦測(cè)頭在摩擦盤(pán)上的徑向位置(X方向)、保證測(cè)力傳感器的中線與摩擦盤(pán)的直徑共線、以及起到找正對(duì)準(zhǔn)的作用等. 進(jìn)給系統(tǒng)為手動(dòng)

32、系統(tǒng)，它由兩組北京光學(xué)儀器廠的精密位移臺(tái)組成。該位移臺(tái)采用了線性滾珠導(dǎo)軌，交又滾柱導(dǎo)軌和精研燕尾副等多種導(dǎo)軌形式，細(xì)牙螺桿，微分頭和精研絲杠等驅(qū)動(dòng)方式，多種安裝孔位設(shè)計(jì)適應(yīng)不同安裝需求，可方便地組合成多位移動(dòng)臺(tái).本文選用了型號(hào)為T(mén)MS202M和PTS103M進(jìn)行組合，如圖3. 1所示.圖3. 1精密位移臺(tái)組合3.2 功能模塊的分析3.2.1精密位移臺(tái)TMS202M TMS202M型精密位移臺(tái)，是整體式三維位移臺(tái)，可以調(diào)節(jié)X, Y和Z三個(gè)方向的進(jìn)給.采用精磨鋼棒導(dǎo)軌，微分頭驅(qū)動(dòng)，調(diào)解范圍較大，行程為2 S mm，并配有索緊機(jī)構(gòu).如圖4. 2所示。圖3. 2 TMS202M型整體式三維位移臺(tái)效果圖

33、 TMS202M型整體式三維位移臺(tái)是整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的主要部分，它的技術(shù)指標(biāo)如下:u 調(diào)整軸數(shù): XYZ三軸u 行程: 25 mmu 擺動(dòng)誤差: 30u 驅(qū)動(dòng): 微分頭u 最小讀數(shù): 0.01mmu 靈敏度: 0.001mmu 負(fù)載: 2.5 kg 1. TMS202M的Z軸 主要是完成對(duì)微小摩擦測(cè)力傳感器施加正壓力，即通過(guò)Z軸的調(diào)整使傳感器在豎直方向上發(fā)生位移，在摩擦頭與轉(zhuǎn)盤(pán)剛好接觸后，繼續(xù)調(diào)整Z軸使傳感器的正壓力平行板彈簧發(fā)生形變，而通過(guò)粘貼在板彈簧上的應(yīng)變計(jì)測(cè)量出變形的大小，應(yīng)變電橋輸出電壓量，根據(jù)傳感器標(biāo)定曲線，得到施加在摩擦測(cè)頭上的正壓力。由此可以看出，Z軸的進(jìn)給精度直接影響到測(cè)量傳感器

34、的精度，TMS202M的靈敏度為0. 001mm。2. TMS202M的X軸主要是完成水平方向的進(jìn)給，可以改變摩擦測(cè)頭在轉(zhuǎn)盤(pán)的徑向位置.因?yàn)?，摩擦力測(cè)試儀是要研究在不同速度下的摩擦特性，這就要求我們改變摩副間的相對(duì)滑移速度。摩擦速度可由下式得到，= r (3.1)式中: 摩擦副間的相對(duì)滑移速度; 轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速;r 摩擦半徑(即摩擦頭距轉(zhuǎn)盤(pán)中心的距離)。由公式(4.1)，要改變滑移速度除了改變轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速外，也可以在轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速一定的情況下，通過(guò)改變摩擦頭在轉(zhuǎn)盤(pán)上的摩擦半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。3. TMS202M的Y軸主要是完成對(duì)正的作用，使摩擦傳感器的中線與轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑重合。由于摩擦速度是由公式(4.1)來(lái)計(jì)算得到

35、的，因此摩擦半徑的測(cè)量精度非常重要.而摩擦半徑的值是通過(guò)TMS202M的X軸的進(jìn)給量換算過(guò)來(lái)的，如果出現(xiàn)如所示的情況，進(jìn)給基準(zhǔn)發(fā)生變化，就會(huì)使摩擦半徑的計(jì)算出現(xiàn)誤差，影響摩擦特性的研究.在圖3. 3中， r=r/ cos (3.2)r=R-X (3.3)由式子(4.2)和(4.3)可推得摩擦半徑r=( R X)/ cos (3.4)在摩擦力傳感器的中線與轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑線重合時(shí)(理想情況)，摩擦半徑;與轉(zhuǎn)盤(pán)直徑A1 A2的夾角B為零，此時(shí)摩擦半徑:等于轉(zhuǎn)盤(pán)半徑與進(jìn)給量的差，即摩擦半徑 r=R-X (3.5) 式中: r摩擦半徑; R轉(zhuǎn)盤(pán)半徑 (已知); X進(jìn)給量 (設(shè)定值); 在摩擦傳感器的中線與轉(zhuǎn)

36、盤(pán)的直徑線不重合時(shí)，摩擦半徑;與轉(zhuǎn)盤(pán)直徑A1A2的夾角將不再為零，摩擦半徑就會(huì)變?yōu)閞=(R一X)/cos .此時(shí)，只能通過(guò)精密位移臺(tái)的微分頭讀得進(jìn)給量X，而式中R, 都將是未知數(shù)。因此，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在計(jì)算摩擦半徑r，只有通過(guò)式子 (3.5)來(lái)求得。當(dāng)進(jìn)給前的基準(zhǔn)發(fā)生了變化時(shí)，勢(shì)必會(huì)使摩擦半徑值產(chǎn)生誤差。為了消除這種誤差，在進(jìn)給前通過(guò)調(diào)整TMS202M的Y軸，使摩擦傳感器的中線與轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑線重合。圖3.3進(jìn)給示意圖3.2.2 PTS103M型一維位移臺(tái) PTS103M型位移臺(tái)的主要作用是調(diào)整摩擦測(cè)頭與某個(gè)基準(zhǔn)位置對(duì)起作為T(mén)MS202M的X軸水平方向的進(jìn)給的基準(zhǔn)，起到基準(zhǔn)校正的作用。效果圖如

37、圖所示，尺寸圖如圖所示技術(shù)指標(biāo):u 調(diào)整軸數(shù): 一軸u 導(dǎo)軌: 線性滾珠u 行程: 25 mmu 驅(qū)動(dòng)方式: 微分頭u 最小刻度: 0.01 mmu 分辮率: 0.001 mmu 精度: 0.005u 臺(tái)面尺寸: 65x65mmu 驅(qū)動(dòng)位置:中心圖3.4 TMS 10 3M型一維位移臺(tái)效果圖3.3 本章小結(jié) 進(jìn)給系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)位置的進(jìn)給，而且，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的傳感器的精度。測(cè)力傳感器是通過(guò)板彈簧的變形，經(jīng)應(yīng)變計(jì)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓量，進(jìn)而得到力的大小.進(jìn)給系統(tǒng)通過(guò)z軸的進(jìn)給，改變板彈簧在z方向的形變，達(dá)到控制正壓力的大小?？梢?jiàn)，進(jìn)給系統(tǒng)的Z軸的進(jìn)給精度就是板彈簧Z方向形變的精度。本章通過(guò)將兩個(gè)

38、功能模塊:精密位移臺(tái)TMS202M, PTS103M的簡(jiǎn)單組合，實(shí)現(xiàn)了位置進(jìn)給的功能，保證了傳感器的測(cè)量精度。同時(shí)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，便于操作等特點(diǎn).4 微摩擦力測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖5. 1所示.轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)盤(pán)、主軸、主軸套、殼體等組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路.轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的作用是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)被測(cè)試件觸點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑，就可以改變被測(cè)試件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到在不同轉(zhuǎn)速情況下，研究摩擦特性。4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在微小摩擦測(cè)試儀中，由于采用了類(lèi)似懸臂梁結(jié)構(gòu)的平行板彈簧進(jìn)行

39、摩擦力的測(cè)量，作為摩擦副之一的轉(zhuǎn)盤(pán)的軸向跳動(dòng)量和徑向跳動(dòng)量，直接影響到測(cè)力傳感器的精度和穩(wěn)定性。因此，為了保證測(cè)力傳感器的有效的發(fā)揮作用，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。圖4.1傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖4.1.1 主軸的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中，主軸的設(shè)計(jì)又顯得非常地重要。因?yàn)椋谝话闱闆r下，軸的工作能力決定于它的強(qiáng)度和剛度，對(duì)于主軸，后者尤為重要。如果主軸的剛度不高，會(huì)產(chǎn)生較大的變形而直接影響儀器的精度，而且容易引起振動(dòng).因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量提高軸的剛度。4.1.2主軸的支承方案的確定在該測(cè)試儀中，主軸的安裝形式是立軸安裝，這就要求采用的主軸軸承既能承受軸向載荷又能承受徑向載荷.同時(shí)，由于施

40、加的正壓力比較小，軸向載荷主要來(lái)自主軸自重。在本文中，主軸支承的方案如下:采用一對(duì)角接觸球軸承承受徑向載荷和軸向載荷.由于前后兩支承間的距離較短，因此兩角接觸球軸承采用“背對(duì)背“的形式安裝。 采用此方案的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸承摩擦阻力比滑動(dòng)軸承要小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，可在預(yù)緊條件下工作，有利于提高回轉(zhuǎn)精度和剛度，潤(rùn)滑比較容易。4.1.3軸承型號(hào)的選定 根據(jù)上面的問(wèn)題，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的要求，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置選用的軸承型號(hào)為7005c，它的外形尺寸為dDB=254712mm，廠家為哈爾濱軸承廠。四、軸與軸承的配合 由軸系精度的要求可選擇前后軸承精度為P4(原c級(jí))，查機(jī)械手冊(cè)24，可選擇，軸與軸承內(nèi)徑的配合為HS

41、/j5，外殼與軸承外徑的配合j6/h6。4.1.4軸承的預(yù)緊 1.軸承預(yù)緊的基本概念 滾動(dòng)軸承的預(yù)緊是指在安裝時(shí)使?jié)L動(dòng)體與滾動(dòng)保持一定的初始?jí)毫蛷椥宰冃危詼p少工作載荷下軸承的實(shí)際變形量。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊可以提高軸承的支承剛度、旋轉(zhuǎn)精度、壽命、阻尼和降低噪聲.軸承預(yù)緊是靠軸承內(nèi)外圈的相對(duì)移動(dòng)，消除間隙并產(chǎn)生過(guò)盈。軸承預(yù)緊按預(yù)緊力的方向分徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊，抽向預(yù)緊又分為定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。在相同預(yù)緊變形量時(shí)，定壓預(yù)緊對(duì)支承系統(tǒng)軸向剛度的增加不明顯，預(yù)緊變形量不受溫度變化的影響。而定位預(yù)緊時(shí)，軸和軸承座溫度差引起的軸向伸長(zhǎng)，軸承內(nèi)外圈溫度差引起的徑向膨脹量等均會(huì)影響到預(yù)緊變形量。在此轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中采用定

42、位預(yù)緊. 2.預(yù)緊量的確定 預(yù)緊量主要在安裝時(shí)予以調(diào)節(jié)與控制。經(jīng)查表25可知“背對(duì)背”安裝的角接觸球軸承的預(yù)緊力為Fa0 = 90N。兩軸承間內(nèi)外套圈的寬度差為-0.5um+0.5um 3.預(yù)緊載荷的控制 施加的預(yù)緊載荷可通過(guò)調(diào)節(jié)圓螺母來(lái)調(diào)整軸承的游隙?？刂坡菽傅木o固轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)整預(yù)緊量。在本文中，采用了雙螺母預(yù)緊，同時(shí)可以起到放松預(yù)緊的目的。4.1.5傳動(dòng)方案的確定 在轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和電機(jī)安裝在一個(gè)封閉式殼體中.如圖5. 1所示。主軸安裝在主軸套中，主軸套鑲嵌在殼體的頂端.這樣的結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)潔，便于安裝維護(hù)等特點(diǎn)。 為了避免由于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的故障而對(duì)電機(jī)引起損壞。在

43、這里選用帶傳動(dòng)的傳動(dòng)形式。帶傳動(dòng)是具有中間撓性間的一種傳動(dòng)，所以: 1).能緩和載荷沖擊; 2).運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)噪聲; 3).制造和安裝精度不象嚙合傳動(dòng)那樣嚴(yán)格; 4).過(guò)載或轉(zhuǎn)動(dòng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)將引起帶在帶輪上打滑，因此可防止對(duì)電機(jī)和其他零件的損壞.4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的設(shè)計(jì)4.2.1主軸的初步設(shè)計(jì)1）主軸參數(shù)的設(shè)定 額定功率:0. 03kw，額定轉(zhuǎn)矩:0. 1 Nm，額定轉(zhuǎn)速:2000r/min2）選材 選用45鋼正火，170217HBSB=600MPa，S= 300MPa。按許用剪切應(yīng)力計(jì)算軸的最小直徑 (4.1)A值查表10-1326得： 3. 12.5mm 單鍵增大4%5% d3.32.6m

44、m3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，考慮到軸上零件的軸向定位及周向定位和固定、軸和軸系零件的加工和裝配工藝性，提高軸的疲勞強(qiáng)度，以及協(xié)調(diào)機(jī)器的總體布置等，取軸端直徑為8mm，做成階梯軸，主軸的機(jī)構(gòu)圖如圖4. 2所示。圖4.2 主軸結(jié)構(gòu)圖4.2.2轉(zhuǎn)軸的校核 本系統(tǒng)對(duì)主軸的剛度要求很高，并且，在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主軸的最小端徑選的較大，在這里就不做詳細(xì)的強(qiáng)度計(jì)算，只做主軸的彎曲剛度校核分析。1、不考慮軸向載荷時(shí)，帶輪端軸的剛度校核 a.軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 如圖4. 2所示。 b.軸的受力分析軸的受力圖 垂直彎矩圖單位載荷(1N)受力圖單位載荷彎矩圖軸的受力分析結(jié)果分 段a123b45c6/7d軸徑 d1/mm8

45、15202525302525彎矩M/Nmm036.9159.932336.9332.836.20單位載荷彎矩M/Nmm04.519.539.54540.44.40 2M1+M24.528.578.5124130.485.28.8 2M2+M1943.598.5129.6125.849.24.4分段長(zhǎng)度/mm4.515205.55.5455.5慣性矩Ii(mm4)1040.020.2530.81.9531.9534.051.953( /Ii)10-22.250.2930.250.0280.0280.1110.028M1(2M1+M2) /Ii(10-2)0373.63138.0381124.72

46、9134.7293147.3568.920M2(2M2+M1) /Ii(10-2)747.2254124.7007976.038133.7991172.255197.6950 +747.2254498.311114.0761258.0381306.9843345.0498.920 =222.8 y=/6E0.0018由表10-2 826，查得y=0.0002L (4.2)=0.002 x 45=0. 009mmYy，滿足要求2、轉(zhuǎn)盤(pán)端軸的剛度校核a. 轉(zhuǎn)盤(pán)不加載，帶輪加載，轉(zhuǎn)盤(pán)的傾角當(dāng)量直徑法R=A/L式中: A 階梯軸i段的長(zhǎng)度;R 階梯抽i段的直徑;L 軸的計(jì)算總長(zhǎng) 當(dāng)載荷作用于兩支承間時(shí)

47、 R=L 當(dāng)載荷作用于懸臂段時(shí)， U= + K;E 兩支承之間的長(zhǎng)度;K 軸的懸臂長(zhǎng)度。傾角 轉(zhuǎn)盤(pán)的撓度Y=m由公式(4. 3) - (4. 5)計(jì)算，得到y(tǒng)=1.53xI0-6mm 由于結(jié)果太小，可不計(jì)。b. 轉(zhuǎn)盤(pán)加載，帶輪不加載，轉(zhuǎn)盤(pán)的撓度和傾角端加載N=1N的力(由于最大的正壓力為1N ).產(chǎn)生的最大彎矩 m二1x100/2=50Nmm 此時(shí)，又當(dāng)量直徑法計(jì)算得y=36.9 x 10-3 mm查表10-2826，得y=0.000240.5=0.081mm因?yàn)?，Y SIIFaII =Fa+SI=11+52.4=63.4NFa=SI=49.2N3)計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷對(duì)于軸承I FaI/FrI=0

48、.36e=0.38 PrI=FrI+YIFaI=137.8+1.65 x 49.2=218.98N對(duì)于軸承IIFaII/FrII=0.49e=0.40PrII=0.72FrII+Y2FaII=0.72 x 129.6+2.78 x 63.4=237.86NCor4)計(jì)算疲勞壽命 (4.6)s=3，C=11.5kN，D=PrII =237.86N=1255702h4.2.4 轉(zhuǎn)軸精度分析1、轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)精度a.前后軸承誤差對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的影響 1)前軸承軸心偏移量為占。，后軸承的偏移量為零，則主軸端部軸心引起的偏移量為 M=Fk/2 (4. 7)查表3-924，表3-1024，得，Kta=3m, K

49、ea=4m由公式(4.7)得， 2)后軸承軸心偏移量為戈，前軸承的偏移量為零，則主軸端部軸心的偏移量為3)綜合上面兩種情況，軸承的誤差對(duì)主軸的影響 b.主軸受力撓曲對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的影響 前面在主軸剛度校核中，計(jì)算了主軸的轉(zhuǎn)盤(pán)處的撓度 轉(zhuǎn)盤(pán)=0.0369m，可見(jiàn)該值很小。 因此，主軸的回轉(zhuǎn)精度主要由軸承的誤差引起.2、主軸的軸向跳動(dòng)(即在轉(zhuǎn)盤(pán)處反映出的跳動(dòng)量) a.軸承圓跳動(dòng)誤差對(duì)主軸的影響查表2. 7-3127，精密滾動(dòng)軸承的圓跳動(dòng)公差c級(jí)球軸承的Si=2.37m b.轉(zhuǎn)盤(pán)受力引起的跳動(dòng)量 轉(zhuǎn)盤(pán)的最大受力彎曲變形為0. 67m. c.軸承的受力變形及主軸彎曲等對(duì)跳動(dòng)量的影響 由于正壓力最大為1N，軸承的受力變形及主軸彎曲變形都很小，由其引起的跳動(dòng)量可以控制在1m之內(nèi). 綜合上面的分析，主軸的回轉(zhuǎn)精度為3. 7m，徑向跳動(dòng)為3. 9 7m，總體在5m左右.但是，由于存在