雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計-畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 _雙盤接觸疲勞試驗(yàn) 裝置設(shè)計_姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 xx大學(xué)xx學(xué)院 二一九年五月目 錄摘 要IAbstractII前 言10.1 研究目的和意義10.2 相關(guān)研究現(xiàn)狀1第一章 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計方案31.1 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計要求31.2 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置方案設(shè)計31.3 設(shè)計原理4第二章 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置動力源的選擇62.1 電動機(jī)的類型選用62.2 三相異步電動機(jī)的選擇62.3 伺服電機(jī)功率的確定8第三章 蝸桿蝸輪的設(shè)計93.1 傳動比的確定93.2 傳動裝置各參數(shù)的計算93.3 蝸輪蝸桿材料及其類型選擇103.3.1 選擇蝸桿

2、傳動類型103.3.2 材料選擇103.4 蝸輪蝸桿設(shè)計計算103.4.1 確定蝸桿蝸輪模數(shù)103.4.2 蝸桿與蝸輪主要參數(shù)113.4.3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度123.4.4 驗(yàn)算效率133.4.5 熱平衡計算133.4.6 主要設(shè)計結(jié)論14第四章 軸系零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算154.1 安裝蝸輪軸的設(shè)計計算154.1.1 確定軸的最小直徑154.1.2 作用在蝸輪上的力154.1.3 蝸輪軸的設(shè)計154.1.4 零件的周向定位164.1.5 校核軸的強(qiáng)度174.2 蝸桿軸的設(shè)計計算194.2.1 按扭矩初算軸最小直徑194.2.2 求蝸桿的受力204.2.3 蝸桿軸結(jié)構(gòu)設(shè)計204.2.4 校核

3、蝸桿軸的強(qiáng)度214.3 滾動軸承選擇和計算244.3.1 蝸輪軸上安裝的滾動軸承的計算244.3.2 蝸桿軸上安裝的滾動軸承的計算254.4 鍵的選擇和計算274.4.1 蝸桿軸上的鍵的選擇和校核274.4.2 蝸輪軸上與蝸輪配合的鍵的選擇和校核27第五章 其它零部件設(shè)計295.1 蝸桿減速器箱體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計295.2 彈簧的設(shè)計計算305.3 施力板的設(shè)計315.4 加載試驗(yàn)臺的設(shè)計315.5 主動試件傳動部分設(shè)計33結(jié) 論37致 謝38參考文獻(xiàn)39雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計摘 要摩擦學(xué)是一門研究相對運(yùn)動構(gòu)件之間摩擦、磨損及潤滑的一門科學(xué)。統(tǒng)計分析表明，導(dǎo)致及其失效的主

4、要原因是動聯(lián)接和機(jī)件在摩擦力作用下的磨損。滾動摩擦是一種非常常見的摩擦形式，對減小構(gòu)建之間的摩擦力起了很大的作用。研究滾動摩擦，需要一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備。磨擦學(xué)測試儀器和測試技術(shù)的應(yīng)用及研究，從靜態(tài)研究發(fā)展到動態(tài)研究，從而達(dá)到弄清機(jī)理、控制摩擦磨損的目的。本設(shè)計運(yùn)用參數(shù)化建模方法，運(yùn)用機(jī)械工程相關(guān)知識設(shè)計了一臺滾動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。各種典型機(jī)械運(yùn)動在不同介質(zhì)作用下的摩擦學(xué)特性不同，本設(shè)計針對滾動摩擦在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下，摩擦系數(shù)的變化情況。本次設(shè)計的滾動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)設(shè)計在參考原有各種試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)創(chuàng)新，特點(diǎn)是本設(shè)計裝置的功能相對單一，用來進(jìn)行滾動摩擦磨損試驗(yàn)，測試具有更加專業(yè)化的特

5、點(diǎn)；能夠滿足在不同載荷、不同材料的試驗(yàn)要求；試驗(yàn)力加載方式獨(dú)特，采用螺旋傳動壓縮彈簧加載；試件易于制作，便于安裝，夾緊可靠，無松緩、卡死等現(xiàn)象；本設(shè)計構(gòu)造簡單，成本低，使用方便。關(guān)鍵詞：滾動摩擦；疲勞試驗(yàn)；設(shè)計；雙盤接觸DESIGN OF DOUBLE-DISC CONTACT FATIGUE TESTING DEVICEAbstractTribology is a science that studies friction, wear, and lubrication between relatively moving components. Statistical analysis sho

6、ws that the main cause of failure and its failure is the wear of dynamic couplings and mechanical parts under friction. Rolling friction is a very common form of friction and plays a significant role in reducing friction between builds. Studying rolling friction requires some experimental equipment.

7、 The application and research of friction test equipment and test technology has progressed from static research to dynamic research, so as to clarify the mechanism and control friction and wear. This design uses a parametric modeling method and uses a knowledge of mechanical engineering to design a

8、 rolling friction and wear testing machine. The tribological characteristics of various typical mechanical motions under different media are different. This design is based on the variation of friction coefficient of rolling friction under different loads and different rotation speeds. The design of

9、 the rolling friction and wear tester designed on the basis of the original variety of test machines has undergone a series of improvement and innovation. The feature is that the design of the device is relatively single-function, used to carry out rolling friction and wear test, the test has more S

10、pecialized characteristics: It can meet the test requirements of different loads and materials; The test force is loaded in a unique way, and it is loaded with screw-driven compression springs; the test piece is easy to manufacture, easy to install, reliable clamping, no loosening, etc. This design

11、has a simple structure, low cost and easy to use.Keywords: Rolling friction; Fatigue test; Design; Double disk contactII雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計前 言0.1 研究目的和意義雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置在工業(yè)、航天、國防等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，雙盤接觸是一種滾動摩擦過程，如滾動軸承、凸輪等接觸零件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工件表面在接觸應(yīng)力循環(huán)反復(fù)作用下會在局部區(qū)域產(chǎn)生裂紋或小塊金屬剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，使振動增大、噪音增加、溫度升高，統(tǒng)稱為滾動接觸疲勞失效。滾動接觸疲勞是一個復(fù)雜的問題，至今還未能建立起

12、明確的數(shù)學(xué)模型， 一般情況下是應(yīng)用滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的滾動接觸疲勞試驗(yàn)獲取材料的疲勞性能數(shù)據(jù)，它可為零件的設(shè)計、選材、制定冷熱加工工藝提供依據(jù)。在航空航天和高新工程等復(fù)雜裝備領(lǐng)域，以高低溫、高速和重載為代表的極端苛刻環(huán)境對材料的滾動接觸疲勞特性提出了更高要求。 通過材料的滾動接觸疲勞試驗(yàn)獲取的材料疲勞性能數(shù)據(jù)，可以在使用該材料進(jìn)行零部件設(shè)計時減小其安全系數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約材料，減輕重量的目的，同時可確保材料的使用安全防止?jié)L動接觸疲勞破壞和安全事故的發(fā)生。目前常用的材料滾動接觸疲勞試驗(yàn)方法主要分為模擬性臺架試驗(yàn)和實(shí)際使用性試驗(yàn)。實(shí)際使用性試驗(yàn)雖然數(shù)據(jù)真實(shí)且可靠性更好，但試驗(yàn)過程不易控制，因此模

13、擬性臺架試驗(yàn)更適合作為檢驗(yàn)和優(yōu)選材料的方法。模擬性臺架試驗(yàn)通過使用模型試驗(yàn)機(jī)完成， 模型試驗(yàn)機(jī)是依據(jù)實(shí)際使用條件進(jìn)行設(shè)計的， 即依據(jù)實(shí)際滾動接觸摩擦副特點(diǎn)，在試驗(yàn)材料質(zhì)量、使用工況與實(shí)際使用條件保持一致的前提下進(jìn)行滾動接觸疲勞試驗(yàn)。因此本文旨在設(shè)計一臺高速球盤式接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，使其既能滿足現(xiàn)行國標(biāo)要求的滾動接觸疲勞試驗(yàn)，又能用于開展航空軸承材料、特種工藝、復(fù)合涂層、表面強(qiáng)化、潤滑材料等新技術(shù)的篩選試驗(yàn)，具有十分重要的研究意義。0.2 相關(guān)研究現(xiàn)狀材料的滾動接觸疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)重要基礎(chǔ)研究內(nèi)容，通常情況下，滾動接觸疲勞試驗(yàn)在滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行并獲取不同工況條件下材料滾動接觸疲勞性能參數(shù)，這些

14、參數(shù)為極限設(shè)計、精準(zhǔn)制造、演示驗(yàn)證和可靠性應(yīng)用提供指導(dǎo)。M.Kalin基于自由旋轉(zhuǎn)式的球-盤測試原理設(shè)計了一種CTD-ROL滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)用來模擬滾動點(diǎn)接觸摩擦副，試驗(yàn)機(jī)工況設(shè)置載荷、速度可在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整設(shè)置，被測試樣結(jié)構(gòu)簡單，容易試樣上施加多種表面條件進(jìn)行滾動接觸疲勞試驗(yàn)研究。日本的Masahiro Fujii等研制了雙輥試驗(yàn)機(jī)模擬滾動線接觸摩擦副，雙輥試驗(yàn)機(jī)采用兩臺電機(jī)分別為兩個滾子提供動力，簡化了傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計并使試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，雙輥試驗(yàn)機(jī)在模擬純滾動接觸狀態(tài)上初步實(shí)現(xiàn)。印度 V.Manoj等基于齒輪失效機(jī)制研制出三輥滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)模擬滾動接觸表面線接觸摩

15、擦副，測試輥在中間，左側(cè)加載輥施加載荷右側(cè)驅(qū)動輥提供動力。測試輥轉(zhuǎn)動一圈滾動接觸兩次，通過調(diào)整測試輥與驅(qū)動輥徑向尺寸可實(shí)現(xiàn)較高的速度的運(yùn)轉(zhuǎn)，對比雙棍試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)的時間可縮短一半。燕山大學(xué)楊育林等基于推力軸承滾動接觸形式研制了YS-1型球盤式滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)模擬滾動點(diǎn)接觸摩擦副，比較接近純滾動接觸工況，同時點(diǎn)接觸能獲得較高的接觸應(yīng)力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋寶玉等研制了一種新型球柱式高速滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，球與柱為幾何點(diǎn)接觸摩擦副，在壓力足夠大時，最大赫茲接觸應(yīng)力能夠達(dá)到 4GPa。試驗(yàn)機(jī)中試樣為圓柱棒，工作時圓柱試樣旋轉(zhuǎn)鋼球繞試樣做星星運(yùn)動，每分鐘最多接觸次數(shù)1.8×104次，這樣

16、在試樣表面產(chǎn)生循環(huán)接觸應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)到達(dá)一定次數(shù)后試樣發(fā)生疲勞失效，試驗(yàn)機(jī)采用加速度傳感器捕捉振動信號監(jiān)測滾動接觸疲勞失效的發(fā)生。上海大學(xué)曹珍等在上述試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，依據(jù)疲勞壽命加速理論設(shè)計和研制了一款加速型球柱式滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)金永福等研制和改造了一種四球疲勞試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)模擬滾動點(diǎn)接觸摩擦副，可軸承球進(jìn)行滾動接觸疲勞試驗(yàn)從而獲取軸承求的接觸疲勞壽命及性能考核結(jié)果。北京航空材料研究院和北京航空精密機(jī)械研究所李旭東等人研制了RCTF600滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)與三輥試驗(yàn)機(jī)相似，模擬滾動線接觸摩擦副，左右兩個惰輪對中間圓柱形試樣進(jìn)行精密接觸位置和加載壓力控制，可快速對

17、圓柱試件表面進(jìn)行區(qū)域確定，進(jìn)行設(shè)置循環(huán)周期下的滾動線疲勞試驗(yàn)。40第一章 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計方案1.1 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置設(shè)計要求查閱相關(guān)書籍資料，本設(shè)計滿足的要求如下：1、試驗(yàn)條件靈活，容易調(diào)整，加載實(shí)驗(yàn)力范圍。2、操作安全，工作情況穩(wěn)定。3、易于操作，維護(hù)方便。1.2 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置方案設(shè)計本試驗(yàn)機(jī)為測試雙盤的接觸磨損，初步設(shè)計的雙盤位置關(guān)系如圖1所示：圖1-1 初始雙盤接觸設(shè)計方案此設(shè)計方案的位置關(guān)系使得更換試件不方便，因此改進(jìn)方案如如圖1-2所示：圖1-2 修改后雙盤接觸的設(shè)計方案1.3 設(shè)計原理當(dāng)雙盤接觸時，假設(shè)垂直方向的載荷為N，摩擦力為F，摩擦力矩為M，下試驗(yàn)試件的

18、半徑是r。則摩擦系數(shù)是 （1-1）根據(jù)設(shè)計原理，設(shè)計機(jī)構(gòu)應(yīng)有壓力傳感器、扭矩傳感器類電子元件，壓力傳感器用來測量加載實(shí)驗(yàn)力，扭矩傳感器用來測試實(shí)驗(yàn)時的摩擦力矩4，至于試件半徑r，可以用游標(biāo)卡尺來測量。考慮設(shè)計要求，加載實(shí)驗(yàn)力大小易于設(shè)置，決定采用彈簧加載結(jié)構(gòu)。但是，對于普通電動機(jī)，對于50赫茲的交流電，轉(zhuǎn)速多達(dá)3000r/min，這對實(shí)驗(yàn)力的控制極為不利。雖然每增加一磁極對數(shù)，轉(zhuǎn)速會下降，但是一味地增加磁極對數(shù)，不但電動機(jī)結(jié)構(gòu)會增大很多，成本也會很高。因此，采用減速機(jī)器來降速，是個很好的選擇。常見的減變速機(jī)器種類有齒輪傳動減速器，蝸輪減速器等。因?yàn)楸驹O(shè)計最大加載實(shí)驗(yàn)力為500N，而且需要一個傳

19、動比比較大的減速器，因此，采用蝸桿減速器非常合適。 根據(jù)以上判斷，擬定總的設(shè)計方案簡圖如圖1-3所示：圖1-3 設(shè)計方案簡圖圖中個標(biāo)號的意義：1是伺服電機(jī)，2是聯(lián)軸器，3是扭矩傳感器，4是軸承，5是試驗(yàn)用的試件，6是加載實(shí)驗(yàn)力的試驗(yàn)臺，7是壓力傳感器，8是圓柱壓縮彈簧，9是蝸桿簡圖，10是蝸輪。至此，本設(shè)計的整體方案確定完畢。接下來，需要進(jìn)行零部件的設(shè)計，選用，以及對總的設(shè)計方案進(jìn)行完善與補(bǔ)充。第二章 雙盤接觸疲勞試驗(yàn)裝置動力源的選擇2.1 電動機(jī)的類型選用本設(shè)計采用的方案是一個圓盤為主動盤，即提供圓盤轉(zhuǎn)動的動力，而另一個動力則提供圓盤的正壓力，即按照第一章中所述，作為彈簧的加載力。由于試驗(yàn)機(jī)

20、為位置相對固定的機(jī)械，不像汽車等運(yùn)輸類機(jī)械，所以動力源選擇電動機(jī)。電動機(jī)類型眾多，特點(diǎn)各不相同，考慮的問題有輸出轉(zhuǎn)矩大小，控制精度調(diào)速容易程度，噪音大小，響應(yīng)特性，能耗特征，使用壽命等等。綜合考慮以后，加載實(shí)驗(yàn)力的動力源選擇三相異步電動機(jī)，圓盤轉(zhuǎn)動的動力源采用伺服電機(jī)。2.2 三相異步電動機(jī)的選擇根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，最大加載實(shí)驗(yàn)力為500N，壓縮彈簧的傳動機(jī)構(gòu)為螺旋傳動，查閱主編為陳定方的機(jī)械設(shè)計師手冊上冊表4.3-5，相關(guān)參數(shù)計算如下：對于梯形螺紋，螺桿中徑： （2-1）式中：F是軸向載荷（N），??；值可根據(jù)螺母形式選定，整體式螺母，?。籶是許用比壓（MPa），查本書表4.3.8，對于鋼材螺桿螺母

21、，許用比壓為，??；將以上各值代入式2-1，得；考慮蝸桿剛度等因素，??；螺母高度，??；查該書表4.3-4，螺紋摩擦力矩為： （2-2）式中： 螺旋傳動的軸向載荷； 螺紋中徑； 螺旋線升角； 當(dāng)量摩擦角；螺旋線升角： （2-3）當(dāng)量摩擦角： （2-4）取導(dǎo)程，則螺旋線升角：查閱該書表4.3-6，螺桿材料為鋼材，螺母材料為耐磨鑄鐵，當(dāng)鋼對耐磨鑄鐵時，摩擦系數(shù)，取。螺紋牙型角，將以上各值代入式2-3，得當(dāng)量摩擦角：將計算結(jié)果代入到式2-2，得摩擦力矩：輸出功率： （2-5）輸入功率： （2-6）預(yù)計減速器減速后，轉(zhuǎn)速；為螺紋效率，按表4.3-5中公式計算： （2-7）為軸向的支撐面效率，為徑向的支撐面

22、效率， ，對滾動軸承，取大值：對滑動軸承，取小值，代入計算得：依據(jù)設(shè)計情況，取 ，將各值分別代入式2-4、2-5，得：凸緣聯(lián)軸器的傳動效率；減速器中每一對軸承的傳動效率；單頭蝸桿與蝸輪的傳動效率；所以減速機(jī)構(gòu)的傳動總效率；需要的電動機(jī)功率：電動機(jī)的額定功率為，按來選取電動機(jī)型號，查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表17-7，選擇的電動機(jī)的型號為Y80M1-4，主要參數(shù)為：額定功率，滿載轉(zhuǎn)速=1390r/min。2.3 伺服電機(jī)功率的確定由于雙盤滾動摩擦?xí)r，摩擦力較小，且試件半徑不大，預(yù)計摩擦力矩的范圍為，由此，查閱相關(guān)網(wǎng)頁，了解相關(guān)參數(shù)，最終確定伺服電機(jī)的功率，額定扭矩。第三章 蝸桿蝸輪的設(shè)計減速器類型已經(jīng)確

23、定為蝸桿減速器，蝸桿減速器是一種傳遞動力的機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減少到所需要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并且得到較大的回轉(zhuǎn)數(shù)。目前，此類減速器得到極其廣泛的應(yīng)用，從汽車、船舶等交通工具到機(jī)械加工工具以及日常生活中常見的家電、鐘表等等。它具有減速增加扭矩的功能，因此非常適合本設(shè)計傳動的需要。為了提高機(jī)械效率，常用特殊材料像有色金屬做蝸輪，采用大硬度的鋼材生產(chǎn)蝸桿，由于在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生較高的熱量，使減速機(jī)的各個零件和密封件之間熱膨脹，因此在設(shè)計過程中應(yīng)進(jìn)行溫度升高的計算。3.1 傳動比的確定蝸輪蝸桿傳動有多種不同的形式，如圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動。不同傳動類型，成本，傳動比大小，傳動效率，轉(zhuǎn)動速度范圍

24、限制等各不相同。依據(jù)設(shè)計情況，選擇圓柱蝸桿傳動。傳動比i通常為，考慮承載能力，傳動比大小對彈簧加載機(jī)構(gòu)的影響等，取。根據(jù)圖1-3的設(shè)計方案可知，傳動模塊有一部分是單級蝸輪蝸桿傳動，即蝸桿傳動比等于總傳動比，i蝸=i=60。取蝸桿的設(shè)計頭數(shù)z1=1，則蝸輪的設(shè)計齒數(shù)z2=60。3.2 傳動裝置各參數(shù)的計算1、各軸的轉(zhuǎn)速蝸桿轉(zhuǎn)速：蝸輪軸的轉(zhuǎn)速：2、每根軸的輸入功率蝸桿軸1的輸入功率：蝸輪軸2輸入功率：3、每根軸的輸入轉(zhuǎn)矩蝸桿1軸的輸入轉(zhuǎn)矩：蝸輪2軸的輸入轉(zhuǎn)矩：3.3 蝸輪蝸桿材料及其類型選擇3.3.1 選擇蝸桿傳動類型根據(jù) ，選擇的蝸桿類型為。3.3.2 材料選擇適合做蝸輪蝸桿的材料較少，蝸桿壓力

25、大，需要硬質(zhì)鋼。常用低碳鋼如AISI 1020、1117、8620和4320，并經(jīng)淬火和滲碳是硬度達(dá)到58到62HRC。中碳鋼如AISI 4140或4150也常常被使用，經(jīng)過感應(yīng)淬火硬度可達(dá)58到62HRC。這些蝸桿需要磨削，或者拋光達(dá)到表面粗糙度的要求。如果蝸輪蝸桿傳動時相對速度較大，蝸輪需要有足夠軟且柔順的材料，來順應(yīng)與高硬度蝸桿的跑合。砂型鑄造、冷鑄，離心鑄是蝸桿加工的最常用方法。磷青銅或錫青銅適合于高功率蝸桿，錳青銅適合于低功率低速蝸桿。鑄鐵、低碳鋼及塑料經(jīng)常用于低速輕載蝸桿。蝸桿傳動的功率不大，速度較小，故蝸桿材料選擇45鋼。查于慧力、馮新敏主編的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計零部件手冊表6.5-34

26、，蝸輪選用10-1錫青銅，牌號為ZCuSn10P1,采用金屬模鑄造方法。3.4 蝸輪蝸桿設(shè)計計算3.4.1 確定蝸桿蝸輪模數(shù)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算，設(shè)計計算公式為： （3-1）確定蝸輪上的轉(zhuǎn)矩1、確定載荷系數(shù)K根據(jù)工作情況和要求，參考機(jī)械設(shè)計查表11-5，取使用系數(shù)KA=1，齒向載荷分布系數(shù)K=1，動載系數(shù)Kv=1.1。所以載荷系數(shù)。2、確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)所選擇的材料，強(qiáng)度極限。 (3-2)式中為接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)： 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：壽命系數(shù)；許用應(yīng)力：把計算結(jié)果代入式（3-1）得：m2d1138.28MPa，z1=1查機(jī)械設(shè)計表11-2，得：分度圓導(dǎo)程角： 3.4.2 蝸桿與蝸輪主要參數(shù)

27、1、中心距：2、蝸桿頭數(shù)：模數(shù)：分度圓直徑：軸向齒距：直徑系數(shù)：齒頂圓直徑：齒根圓直徑：分度圓導(dǎo)程角： 軸向齒厚： 。3、蝸輪蝸輪齒數(shù)：模數(shù)：蝸輪分度圓直徑： 蝸輪喉圓直徑： 蝸輪齒根圓直徑： 3.4.3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （3-3）當(dāng)量齒數(shù)：根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)：從機(jī)械設(shè)計圖11-17中可查得齒形系數(shù)：螺旋角系數(shù)：許用彎曲應(yīng)力：從機(jī)械設(shè)計表11-8得由ZCuSn10P1砂模鑄造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力壽命系數(shù)：許用應(yīng)力：實(shí)際應(yīng)力：因?yàn)?所以齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。3.4.4 驗(yàn)算效率 (3-4)已知=3.224°，,與相對滑動速度有關(guān)：從機(jī)械設(shè)計表11-18中用插值法查取并計算得，代

28、入計算式中，=0.75，大于原來的估計的取值，因此不必再算一遍。3.4.5 熱平衡計算估算散熱面積驗(yàn)算油的溫度t：室溫取20，散熱系數(shù)取，效率，功率，油溫：t80，所以油溫沒超過限制。3.4.6 主要設(shè)計結(jié)論表3-1 蝸桿蝸輪軸參數(shù)參數(shù)齒數(shù)模數(shù)中心距寬度材料蝸桿12mm80mm50mm45鋼蝸輪622mm80mm50mmZCuSn10P1蝸桿與軸作為一體，某些尺寸暫未確定。蝸輪設(shè)計完畢，用CATIA作出它們的三維模型，如圖3-1。圖3-1 蝸輪三維模型第四章 軸系零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算4.1 安裝蝸輪軸的設(shè)計計算4.1.1 確定軸的最小直徑渦輪軸的材料為45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計式15-3

29、，取A0=110，于是得：軸末端有螺紋，取。4.1.2 作用在蝸輪上的力已知蝸輪分度圓直徑d2=330mm，得軸向力：圓周力：徑向力：4.1.3 蝸輪軸的設(shè)計蝸輪軸的設(shè)計是本設(shè)計中一個關(guān)鍵的零件設(shè)計，需要考率的因素眾多，軸的設(shè)計既要考慮應(yīng)力的情況，又要考慮發(fā)生變形。變形往往是重要因素，因?yàn)檫^大的變形會導(dǎo)致支撐零件的快速磨損。結(jié)合設(shè)計、傳動情況，在軸的末端設(shè)計了螺紋，用來傳遞壓縮彈簧的力。在軸的設(shè)計過程中，滾動軸承的配置是一個不得不重視的問題。此前進(jìn)行減速器課程設(shè)計時，就忽略了溫度升高對軸的軸向伸長的影響，從而出現(xiàn)了錯誤配置的情況。參考以往的圖冊，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)蝸桿減速器的蝸桿都是采用單支點(diǎn)雙向固定

30、的方案，我也打算采用這種方案。后來在機(jī)械設(shè)計手冊上看到，當(dāng)跨距小于200mm時，可以用雙支點(diǎn)各單向固定的方案。綜合考慮之后，我的軸的跨距確實(shí)小于200m,所以采用兩個圓錐滾子軸承支撐。關(guān)于正裝還是反裝的問題，兩種安裝方案各有各的特點(diǎn)。正裝相對跨距較小，可以增加支撐剛度，所以最后采用正裝的方案。下面結(jié)合草圖，進(jìn)行設(shè)計校核。圖4-1 蝸輪軸的設(shè)計如圖4-1所示，將蝸輪軸分為7段，第1段安裝軸承，第2段用作定位，第3段安裝蝸輪，第4段安裝軸承與套筒，第5段安裝端蓋，第6段與第7段軸徑大小相同，第7段有螺紋。對于第1段，初選軸承30207，查現(xiàn)代機(jī)械零部件設(shè)計手冊表7.2-23，該軸承基本尺寸 ，取，

31、。對于第2段，查閱軸承的安裝尺寸，取，考慮空間位置，取。對于第3段，蝸輪輪轂寬，為了壓緊蝸輪，取，依據(jù)蝸輪結(jié)構(gòu)特征，取。 對于第4段，安裝軸承30207，取，還要安裝套筒，取。對于第5段，依據(jù)減速器箱體結(jié)構(gòu)、軸結(jié)構(gòu)特征，取，。 對于第6、7兩段，考慮設(shè)計的實(shí)驗(yàn)力范圍，彈簧加載行程等因素，取，螺紋長度。 蝸輪軸各軸段的設(shè)計結(jié)果如下表4-1所示：表4-1 蝸輪軸參數(shù)編號1234567直徑d35464035323030長度l202648406040804.1.4 零件的周向定位為保證對中性滿足要求，蝸輪與軸選用型鍵聯(lián)接，查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表14-26，根據(jù)第4段軸的直徑，選擇的鍵的型號為，根據(jù)第4段

32、軸的長度，從鍵的長度系列選擇鍵的長度。4.1.5 校核軸的強(qiáng)度根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)用AutoCAD分別做出蝸輪軸在空間中、水平面與豎直面的受力如圖所示，簡支梁跨距間的距離。實(shí)際設(shè)計中，蝸輪軸是豎直布置的，為了分析方便，將蝸輪軸水平放置進(jìn)行受力分析。在圖4-2中，D端與施力板相接，受到摩擦力矩T的作用，B點(diǎn)處的是蝸輪的簡圖。圖4-2 蝸輪軸在空間中的受力簡圖圖4-3 蝸輪軸在面的受力簡圖 圖4-4 蝸輪軸在面的受力簡圖在水平面內(nèi)，有,，解得截面處的彎矩在豎直面內(nèi)，圖中對點(diǎn)列力矩方程，即：解得：FV2=700.3N處右截面彎矩較大，較大的彎矩為：蝸輪末端受到的扭矩：T=617800 用AutoCAD分別作

33、出蝸輪軸在水平面、豎直面內(nèi)的彎矩圖和蝸輪軸的扭矩圖，如圖4-5所示。從圖中可以看出，截面是危險截面，下面校核截面是否安全。截面處的總彎矩：扭矩：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力，取=0.6，蝸輪軸的計算應(yīng)力：查機(jī)械設(shè)計表15-1得 因?yàn)?，故安全。圖4-5 蝸輪軸的受力彎矩圖和扭矩圖4.2 蝸桿軸的設(shè)計計算蝸桿軸上的功率,轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩T1=3.74N·m。4.2.1 按扭矩初算軸最小直徑蝸桿材料選用鋼，熱處理工藝選擇調(diào)質(zhì)。查機(jī)械設(shè)計表15-3，取，則蝸桿軸最小處有鍵槽，所以：4.2.2 求蝸桿的受力蝸桿軸受到的力與蝸輪上受到的力互為反作用力，所以在數(shù)值上大小相等、方向相異。軸向力的大小：周向力的

34、大?。?徑向力的大?。?.2.3 蝸桿軸結(jié)構(gòu)設(shè)計由于蝸桿傳動部分軸徑較小，因此蝸桿與軸設(shè)計成一體的。最小直徑已經(jīng)確定，擬定蝸桿的結(jié)構(gòu)如下。圖4-6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，將蝸桿軸分為段并編號，第段與聯(lián)軸器聯(lián)接，第2段安裝軸承，第3段定位，第、 段為蝸桿軸段，第7段為定位段，第8段安裝軸承。對于第1段，由于電機(jī)伸出端直徑為19mm，查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計17-1，選取型號為型的凸緣聯(lián)軸器，軸孔長度 ，考慮到安裝端蓋，所以取,為了提高剛度，稍大些，取。對于第2段，初選軸承30205，其基本尺寸，故取，取。 對于第3段，查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表15-4，代號為30205的軸承適合本設(shè)計，其安裝尺寸，。

35、對于第5段，蝸桿的軸向齒寬。 對于第4和第6段，一方面考慮是蝸桿對稱，另一方面考慮蝸輪直徑，防止跨距太小使軸承孔座與蝸輪干涉。綜合考慮之后，取，。對于第7段，取，。 對于第8段，取，。蝸桿軸設(shè)計結(jié)果如表4-1：表4-1 蝸桿軸參數(shù)編號12345678直徑d2025322639.5263225長度l752064150416204.2.4 校核蝸桿軸的強(qiáng)度根據(jù)蝸桿軸的結(jié)構(gòu)，將蝸桿軸軸簡化為一個簡支梁，簡支梁的跨距。由前面的計算結(jié)果可知：軸向力的大?。褐芟蛄Φ拇笮。?徑向力的大?。河肁utoCAD分別作出蝸桿軸在空間中、水平面和鉛面內(nèi)的受力簡圖，如下圖所示：圖4-7 蝸桿軸在空間中的受力簡圖圖4-8

36、 蝸桿軸在水平面內(nèi)的受力簡圖圖4-9蝸桿軸在豎直面內(nèi)的受力簡圖在水平面內(nèi)：，解得： 截面的彎矩蝸桿對稱，故： 在豎直面內(nèi)，圖中對點(diǎn)列力矩平衡方程，即解出。C截面處左側(cè)彎矩較大，取較大的進(jìn)行計算：蝸桿受到的扭矩作出蝸桿軸在水平面、豎直面內(nèi)的彎矩圖和蝸桿軸的扭矩圖，如圖4-10所示。圖4-10 蝸桿軸的受力彎矩圖和扭矩圖由圖4-10可知，截面C是危險截面，所以需要校核C截面是否安全。從圖中可以看出，截面C是危險截面，下面校核截面C是否安全。截面C處的總彎矩：扭矩：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力，取=0.6，蝸輪軸的計算應(yīng)力：查表，得-1=60MPa因?yàn)閏a -1,所以蝸桿軸的強(qiáng)度滿足條件。至此，蝸桿軸設(shè)

37、計完畢。用CATIA一步一步作出它的三維模型，蝸桿設(shè)計采用參數(shù)化方法，如圖4-11。圖4-11 蝸桿三維模型4.3 滾動軸承選擇和計算4.3.1 蝸輪軸上安裝的滾動軸承的計算在蝸輪軸設(shè)計時選擇的軸承的型號是30207，查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表，該軸承的計算需要的系數(shù)，。根據(jù)前面蝸輪軸的設(shè)計計算結(jié)果，可知蝸輪兩個軸承受到的徑向力分別是：兩個軸承的派生軸向力分別是：外載軸向力：Fa2=210.7N，因?yàn)?所以左端的軸承被壓緊，右端的軸承被放松。軸承受到的軸向力分別是：因?yàn)椋核裕?，；，。由于是一般載荷，取=1.2。兩個軸承的當(dāng)量載荷分別是：查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表15-4，型號為30207的軸承的基本額定

38、動載荷Cr=54.2kN,由于軸承2的當(dāng)量載荷大于軸承1，所以只需校核軸承2即可。軸承壽命的計算公式為：(4-1)代入數(shù)據(jù)，得軸承壽命為：蝸桿減速器的預(yù)期壽命為：因?yàn)?所以選擇的軸承的有效工作時間滿足要求。4.3.2 蝸桿軸上安裝的滾動軸承的計算在蝸桿軸設(shè)計時選擇的軸承的型號是30205，查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表15-4，該軸承的計算系數(shù)e=0.37，Y=1.6。根據(jù)前面蝸桿的設(shè)計計算結(jié)果，可知蝸桿軸上兩個軸承受到的徑向力分別是：兩個軸承的派生軸向力分別是：外載軸向力：因?yàn)?，所以左端的軸承1被壓緊，右端的軸承2被放松。軸承受到的軸向力分別是：因?yàn)椋核訶1=0.4，Y1=1.6；X2=1，Y2=0

39、。由于是一般載荷，取=1.2。兩個軸承的當(dāng)量載荷分別是：查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表15-4，型號為30205的軸承的基本額定動載荷,由于軸承1的當(dāng)量載荷大于軸承2，所以只需校核軸承即可。軸承壽命的計算公式為：(4-2)代入數(shù)據(jù)，得：本設(shè)計中減速器的預(yù)期壽命為：,故軸承壽命滿足要求。4.4 鍵的選擇和計算4.4.1 蝸桿軸上的鍵的選擇和校核鍵是一種常見的用在軸上的標(biāo)準(zhǔn)件，用來連接兩個軸上零件，使它們一起轉(zhuǎn)動，同時還具有定位的作用。鍵的失效將會直接導(dǎo)致機(jī)器的故障，更換將會花費(fèi)額外的功夫。所以，對鍵的強(qiáng)度必須進(jìn)行校核，確保設(shè)計安全。蝸桿軸上第段上的鍵與半聯(lián)軸器配合， 。查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表14-26，d1

40、在mm之間，所以選擇的鍵的尺寸。鍵的長度系列中選擇鍵長。鍵應(yīng)滿足的強(qiáng)度條件為： (4-3)上式中蝸桿的扭矩，鍵高，鍵寬，鍵長，代入公式，得鍵、軸和輪轂材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計表6-2查得：,取。因?yàn)?，所以該鍵工作期間不會被壓潰。4.4.2 蝸輪軸上與蝸輪配合的鍵的選擇和校核蝸輪軸上第段上的鍵與蝸輪配合，。查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表14-26，d3在3844mm之間，所以選擇的鍵的尺寸b×h=12×8。蝸輪軸第3段長度，所以從鍵的長度系列中選擇鍵長 。鍵應(yīng)滿足的強(qiáng)度條件為：上式中蝸輪的扭矩T2=156.5N，鍵高h(yuǎn)=8mm，鍵寬b=12mm，鍵長l=Lb=40-12mm=28mm，d

41、=40mm，代入公式，得：鍵、軸和輪轂材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計表6-2查得,取。因?yàn)?，所以該鍵工作期間質(zhì)量不會出問題。第五章 其它零部件設(shè)計5.1 蝸桿減速器箱體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計箱體對于減速器而言，看似不那么重要，實(shí)際非常重要，尤其是箱體的剛度，對減速器的壽命有這重要的影響。箱體的剛度若不滿足要求，會加劇軸承磨損，導(dǎo)致減速器早早地報廢。若果擔(dān)心剛度不夠而過分增大箱體的尺寸，又會造成材料的未充分利用以及減速器結(jié)構(gòu)的笨重，因此可以考慮合理布置加強(qiáng)筋。這樣，既可以減少材料的使用，又可以增加箱體的支撐剛度。箱體有鑄造式、焊接式等，本設(shè)計箱體采用鑄造的方法。箱體在設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮加工制造的工藝性是否良好

42、，制造成本貴賤等等。還有，扳手空間、螺栓空間都應(yīng)充分考慮，以免給裝配、維修造成極大的不便。由前面的設(shè)計結(jié)果，中心距a=80mm,查閱有關(guān)書籍，計算出蝸桿減速器箱體的尺寸。由于減速器只是本設(shè)計的一部分，所以箱體設(shè)計還要考慮其他構(gòu)件的位置關(guān)系。綜合前面設(shè)計的蝸桿蝸輪尺寸，進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算。箱座壁厚，箱座厚度要大于8mm,取為15mm。箱蓋壁厚；地腳螺栓直徑，??；地腳螺栓數(shù)目；箱座與上面的箱蓋連接螺栓的公稱直徑，取。軸承蓋螺釘直徑，取。df、d2至外箱壁的距離c1，df、d2至凸緣邊的距離c2。查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表5-3，c1、c2的尺寸關(guān)系如下：dfc122mm，取dfc1=24mmd2

43、c113mm，取d2c1=14mmdfc220mm，取dfc2=20mmd2c216mm，取d2c2=16mm蝸輪外圓與內(nèi)箱壁距離2，取2=16mm5.2 彈簧的設(shè)計計算彈簧是一種用途十分廣泛的彈性元件，依據(jù)本次設(shè)計情況，選擇圓柱螺旋壓縮彈簧。下面進(jìn)行設(shè)計計算。預(yù)計彈簧使用次數(shù)為次，按第2類彈簧來設(shè)計。按力學(xué)性能將及載荷特點(diǎn)將彈簧鋼絲分為：SL、SM、DM、SH、DH，這里碳素彈簧鋼絲選取DM型。軸徑末端螺桿直徑20mm,因此彈簧中徑，初選彈簧鋼絲直徑，查機(jī)械設(shè)計表16-3，暫選抗拉強(qiáng)度，則根據(jù)表16-2，可知。當(dāng)彈簧指數(shù)時，彈簧制造困難，時，彈簧會發(fā)生屈曲變形且在量產(chǎn)時容易纏繞。暫且選取彈簧

44、指數(shù)，則：根據(jù)機(jī)械設(shè)計式16-10得：查機(jī)械設(shè)計表16-6，取彈簧中徑D=38mm,由表16-2，取切變模量，彈簧剛度取 ，則有效圈數(shù)顯然，有效圈數(shù)不合理。查閱現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計師手冊，了解了單圈剛度與有效圈數(shù)的關(guān)系，經(jīng)過多次嘗試取值計算，最終將彈簧有關(guān)參數(shù)確定完畢，取簧絲直徑,中徑,彈簧剛度,有效圈數(shù) 。彈簧節(jié)距，取p=24mm。彈簧自由高度，由機(jī)械設(shè)計表16-6，取。壓縮彈簧如同壓桿受載，如果彈簧過于細(xì)長，則可能屈曲。彈簧的長細(xì)比，兩端自由轉(zhuǎn)動，故應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性計算。查機(jī)械設(shè)計表16-11，取不穩(wěn)定系數(shù)，穩(wěn)定時的載荷：因?yàn)?，所以彈簧不會失穩(wěn)。5.3 施力板的設(shè)計施力板一方面應(yīng)滿足傳遞運(yùn)動，將壓力傳

45、給彈簧，另一方面起導(dǎo)向作用，防止彈簧發(fā)生偏斜。所以，在施力板的中部設(shè)計有螺紋，用來傳動。上面設(shè)計有凸緣，不僅起彈簧安裝時的定位作用，而且能夠提高彈簧剛度。為了給施力板加導(dǎo)向軌，施力板的兩側(cè)設(shè)計有安裝導(dǎo)軌的螺紋孔。設(shè)計時，考慮施力板與減速器蓋子的良好配合性，利用CATIA裝配設(shè)計，將尺寸經(jīng)過不斷改進(jìn)，確定后作出施力板的三維模型，如圖5-1。圖5-1 施力板三維模型5.4 加載試驗(yàn)臺的設(shè)計加載試驗(yàn)臺應(yīng)能夠靈活控制加載的實(shí)驗(yàn)力，因此先需要知道加載的實(shí)驗(yàn)力的大小，選用壓力傳感器來測量。壓力傳感器將測得的實(shí)驗(yàn)力的值傳遞到控制系統(tǒng)，與給定值比較，從而確定電動機(jī)是否需要繼續(xù)轉(zhuǎn)動。開始時設(shè)計的加載試驗(yàn)臺簡圖如

46、圖，下面的試件臺可以上下移動，控制加載實(shí)驗(yàn)力。防止試件臺隨意轉(zhuǎn)動，應(yīng)該加一個鍵確定周向位置。但是，這樣做仍然不夠穩(wěn)定。在老師的指導(dǎo)下，增加導(dǎo)軌套，改為雙軸，穩(wěn)定性得到了極大提升。經(jīng)過多處修改，將各部分零件設(shè)計完畢，為了便于區(qū)分各個零件，用CATIA進(jìn)行渲染，重新裝配，完成改進(jìn)后的設(shè)計如圖。改進(jìn)前后相比，改進(jìn)后支撐試件的軸承安裝更加方便，雙軸做導(dǎo)軌，上下移動穩(wěn)定性好。試件采用螺母壓緊，不僅更換方便，而且在試驗(yàn)過程中不會松動，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。圖5-2 試驗(yàn)臺初始三維模型圖5-3 改進(jìn)后試驗(yàn)臺模型5.5 主動試件傳動部分設(shè)計依據(jù)開始的設(shè)計簡圖，摩擦副從動件的傳動加載系統(tǒng)設(shè)計完畢。接下來該進(jìn)行主

47、動件的傳動部分設(shè)計。前面電動機(jī)已選擇伺服電機(jī)，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，考慮主動件與電動機(jī)采用聯(lián)軸器來傳遞動力。進(jìn)行試驗(yàn)時，主動件的阻力來自從動件，當(dāng)實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后試件勻速轉(zhuǎn)動，依據(jù)理論力學(xué)的知識知道，摩擦力矩的大小與主動件受到扭矩大小相等。這樣，成功地把不易測量的摩擦力矩轉(zhuǎn)化為易于測量的扭矩。搜集了扭矩傳感器的資料進(jìn)行了解后，發(fā)現(xiàn)有的扭矩傳動器還具有測速功能，順便解決了速度測量的問題。了解了扭矩傳感器的使用與安裝方法之后，決定把扭矩傳感器安裝在伺服電機(jī)與主動件傳動軸之間。用CATIA進(jìn)行更進(jìn)一步的裝配設(shè)計，完善設(shè)計細(xì)節(jié)，把沒有確定的相關(guān)設(shè)計尺寸確定下來。整體裝配完成，再對零件進(jìn)行渲染，使零件易于區(qū)分及理解設(shè)計意圖。裝配圖如圖5-4。圖5-4 整體裝配圖用AutoCAD作出零件的二維裝配圖三視圖，分別如圖5-5、5-6、5-7所示：圖5-5 主視圖圖5-6 左視圖圖5-7 俯視圖結(jié) 論相對于滑動摩擦，滾動摩擦具有減小摩擦阻力