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附錄
一種新的檢測液壓油的機械試驗方法應用
施密特，克勞斯
產(chǎn)品開發(fā)和機械工程設計研究所，漢堡技術大學，德國
摘 要：本文介紹了在一臺新開發(fā)的試驗臺上進行一個摩擦磨損試驗，該試驗臺開發(fā)于涂漢堡哈爾堡，用于研究液壓油的潤滑性能。開發(fā)這種新的檢測方法的目的是為了更好的表述摩擦學與流體動力機械之間的影響與聯(lián)系，采用線接觸研究液壓油的潤滑性能表明，可利用摩擦、磨損和腐蝕試驗區(qū)分不同液體的潤滑性能。在不同的試驗通過不斷的改進試驗裝置和開發(fā)測試實驗的全自動控制程序來滿足高重復性的邊界條件。該試驗機的開發(fā)符合測試程序、形狀結構簡單的要求，可以從各種材料和生產(chǎn)設備公司生產(chǎn)，現(xiàn)有的這類公司都生產(chǎn)流體動力元件。
關鍵詞：液壓 流體 潤滑 試驗
1.引言：
液壓油的一個非常重要特點的是它可能使摩擦加載面分離以減少這種連接中的摩擦磨損，試驗測試液壓油潤滑性能最可靠的試驗是實地測試，即流體在典型工作條件和典型操作期間下的應用。出于多種原因，實地測試費時而且成本高，以及操作環(huán)境的不同應用方法通常也會很大不同，因此實地測試的結果往往不具有通用性。這種情況導致流體生產(chǎn)者以及靜壓機械生產(chǎn)者必須先在測試實驗室測試他們的產(chǎn)品，然后再去做現(xiàn)場試驗。應當清楚地看到，只有當他們能夠逼真的模擬出機器摩擦接觸時的狀態(tài)時，實驗室測試才能起到作用。
漢堡科技大學的產(chǎn)品開發(fā)和機械工程設計研究所開發(fā)了新的試驗臺和測試方法，用于研究液壓油的潤滑性能[1]，按照DIN51389，今后的這項測試可能代替葉片泵試驗[2]。該項目的目的是找到一個測試方法，盡可能的再現(xiàn)所有摩擦磨損對液壓機械的影響，通過簡單的測試形式和試驗臺的簡單測量，從中獲得力學參數(shù)。負載條件下的摩擦系統(tǒng)內液壓件（接觸壓力，相對運動形式）、速度、析構函數(shù)和連接部分的屬性決定了連接區(qū)域的參數(shù)（溫度和幾何構造），對摩擦系統(tǒng)的摩擦系數(shù)、臨界載荷和磨損性能產(chǎn)生主要影響。測試方法和試驗機的開發(fā)源自研究項目DGMK514[3]，514-1[4]610[5]的一種系統(tǒng)方法。
2.主要測試儀器的安排
開發(fā)新的測試方法是為了實現(xiàn)以下目的：
·使定量測試結果精度高；
·測試樣本簡單，不需要特殊的制造技術；
·自動化、能耗低、測試液量小和測試時間短的測試方法。
對液壓件內部的摩擦接觸的詳細分析是對這個新的測試方法和試驗臺詳細說明的基礎。設計方法、順序配置以及實驗的主要發(fā)現(xiàn)如圖1所示。這臺試驗臺的配置允許測試線接觸和面接觸。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，線接觸更有趣，能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)區(qū)分不同液壓油的潤滑性能。這也是大多數(shù)的測試只使用線接觸數(shù)據(jù)的原因。
圖1 MPH試驗臺-主要測試儀器的安排
液壓油的潤滑性能量化參數(shù)如下：
·PHD,crit 壓力導致材料粘結掉落（金屬粘結磨損）
·μEx,average 線接觸的平均摩擦系數(shù)
·Vline 試樣滑塊的磨損量
這些參數(shù)的準確性和重復性確定了測試液壓油潤滑性能的優(yōu)劣程度，可分為高，中，低等。而對速度、轉矩和壓力等機械參數(shù)的精確測量、計算中考慮導向裝置和軸承中可能的摩擦接觸力、精確的方法測量和計算試樣的磨損體積是取得可靠結果的根本。
在研究過程中，為了改善測量的準確性和可重復性，對試驗臺做了許多的改進。
3.試驗條件
為了確定短期和長期測試（短期試驗是臨界載荷試驗，長期試驗是測試摩擦系數(shù)和磨損量）最佳試驗條件做了大量的測試工作，這些測試結果表明，試驗的起動過程對測試結果有重要影響。
3.1起動方法
起動過程通過設置補償參數(shù)和線接觸中運行控制來實現(xiàn)誤差調整。而這一起動過程的自動化使得后面的試驗誤差有了明顯的改善。
3.2短期試驗
短期試驗是用來尋找滑動接觸到開始磨損材料從自然到磨損的臨界壓力PHD,crit，作用在活塞上的壓力產(chǎn)生的臨界壓力使得摩擦接觸時起潤滑作用的潤滑膜消失，混合摩擦變?yōu)楣腆w摩擦。圖2顯示了一個典型的短期測試的參數(shù)隨時間改變情況。
圖2 短期測試參數(shù)的典型變化
3.3長期試驗
長期試驗是用來尋找線接觸具體工作流體摩擦系數(shù)和試樣滑塊的損失量。所有試驗的摩擦接觸的負載都是恒定的，這里的負載是指作用在活塞上的平均壓力，從而使得孔測試中作用于偏心軸和滑動器線接觸上的力恒定。圖3顯示了一個典型的長期測試的參數(shù)隨時間改變情況。
圖3 長期測試參數(shù)的典型變化
4.COMPLETET系列試驗結果
該項目對HL類、HLP類和HEES合成酯類礦物油進行了測試，試驗還把測試對象擴大到以多級機油和齒輪油為主的礦產(chǎn)和酯類?，F(xiàn)已完成測試階段的主要任務是找出這些類型油液的不同潤滑性能，因為它們可能代表著不同類型。最重要的一點是相同的流體多次測試結果要在一個狹窄的變換范圍，可查看平均值小偏離。本文介紹了有關6種不同類型液壓油的測試結果，其中一種HEES型，三種HLP型和兩種HL類型。所有油液都有抗腐蝕和老化添加劑，在HEES類和HLP類添加了不同濃度的EP、AW添加劑。
圖4中的表格提供一個典型測試的范圍絕對值。重要的是要看到，三次試驗得出的臨界壓力和平均摩擦系數(shù)或多或少接近平均值，而相同精度條件，相同油液下不同試驗試樣的體積損失顯示較大偏差。它也可以看出，臨界載荷、平均摩擦系數(shù)和體積損失之間有一定的對應關系。另一方面，該表顯示，比較流體相對潤滑能力并不是很容易的，因為大量的試驗結果都必須考慮進去。因此，不同的產(chǎn)生了不同的比較方式，這也顯示在圖4，如圖所示基于測試結果的等距介紹，數(shù)字橢球代表不同流體測量值，所有值以HF-1類油液作為參考基準。
圖4 試驗結果的絕對值和等距表示
圖5顯示了圖4三維圖可以清楚的看到用MPH試驗臺測試不但能夠區(qū)分不同類別的油液而且同類的中的不同油液也能區(qū)分。
圖5 結果參數(shù)的三維圖顯示（見圖4）的結果參數(shù)
結論
通過MPH項目大量的試驗結果表明，MPH試驗臺完全有測試區(qū)分液壓油的潤滑性能的能力，隨著試驗臺的設計改進和全自動控制的發(fā)展，試驗臺測試結果的重復性有所改善，通過最近試驗臺的試驗可以看出，摩擦系數(shù)和臨界壓力值平均偏差不超過±10％，試樣磨損量偏差范圍為最大量的±15％，這可通過更準確的測量技術來減少[6][7]。測試結果的重復性是MPH項目的要點，已取得的精確度可以用于其他用來測試液壓油試驗的比較標準。在葉片泵試驗也就是FZG試驗[8]中沒有確定試運行的最低數(shù)量，測試結果中也沒有精確要求。根據(jù)這兩項測試的標準流體分類只有一個試運行是必要的，這導致的結論是，假設至少每流體進行三次試運行，MPH試驗臺測試能比其他測試提供更好的可靠數(shù)據(jù)。
參考文獻
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本科生畢業(yè)論文（設計） 中文題目 1KN 電子萬能試驗機的技術設計 英文題目 Design of Structure for 1KN electronic universal testing machine 學生姓名 班級 學號 學 院 機械科學與工程學院 專 業(yè) 機械工程及自動化 指導教師 職稱 副教授 摘要 隨著科學技術的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的要求也越來越高。機械產(chǎn) 品需要滿足社會的需要，就應該具有高精度、高效率、通用性和靈活性 等性能，加上機械產(chǎn)品不斷加快的更新?lián)Q代速度，因此對檢驗設備也相 應地提出了精度高、效率高、通用性好和靈活性強的要求。電子萬能試 驗機作為試驗機床家族中的高端產(chǎn)品，在現(xiàn)代機械行業(yè)領域內被越來越 多的采用，具有機型美觀，操作簡單，系統(tǒng)工作可靠，測量精度高等特 點。 本設計為 1KN 拉壓萬能試驗機的結構設計，試驗機本體仿照 WDW- 100C-1000C 進行設計，結構上可滿足相應的參數(shù)要求，試驗機重要部分 的強度和剛度經(jīng)過軟件的模擬分析，滿足可靠性試驗臺的試驗要求。 關鍵詞：加工中心；試驗機；可靠性；拉壓力；結構設計 Abstract With the continuous development of science and technology, the requirements of mechanical products have become more sophisticated.Mechanical products need to meet the needs of society, they should have high accuracy, high efficiency, versatility and flexibility performance．Coupled with the condition that upgrading speed of mechanical products is accelerating,so the machine equipment is raised correspondingly high precision, high efficiency, good versatility and flexibility requirements. Electronic universal testing machine，as a high-end product of the CNC machine tool family ，is being more and more used in the field of modern machinery industry ,its capacity with Beautiful models, Simple Operation , high precision, High efficiency, high versatility features. Testing machine plays an important role on today's Machining Center, whose reliability has a huge effect on machine reliability. In order to improve the MTBF level of Machining Center, it is significant to invent a testing bed to test the reliability of Various materials. The article is the strutural design of the 1KN tension and compression testing machine.the test rig design ontologies modeled on the WDW-100C- 1000C, the structure can meet the requirement of the Requirements of the corresponding parameters.The strength and stiffness of important part of test bench is simulated by analysis software to meet the reliability test requirements. Keywords：Maching Center； Reliability；Tensiler；Structural Design 目錄 ABSTRACT.......................................................................3 第 1 章 緒論 ......................................................................6 第 1 節(jié) 試驗機的定義 .......................................................................................................6 第 3 節(jié) 試驗機行業(yè)發(fā)展展望 ...........................................................................................8 第 2 章 1KN 拉壓試驗機的設計概述 .............................9 第 1 節(jié) 總體設計 ...............................................................................................................9 第 2 節(jié) 部件設計 ...............................................................................................................9 2.1 變速箱的設計 ..............................................................................................................9 2.1.1 傳動的選擇 ..........................................................................................................................9 2.2 帶輪的設計 .................................................................................................................14 2.3 絲杠的定位與固定 ....................................................................................................15 2.4 光杠的固定 ................................................................................................................16 2.5 夾具的設計 ................................................................................................................17 第 3 章 尺寸設計 ............................................................19 第 1 節(jié) 驅動電機參數(shù)選擇 .............................................................................................19 1.1 技術指標（主機設計有關指標） ............................................................................19 1.2 傳動比的確定及分配 ................................................................................................19 1.3 驅動電機的選擇 ........................................................................................................19 1.4 傳動裝置的運動及動力參數(shù) ....................................................................................20 第 2 節(jié) 零部件尺寸設計 .................................................................................................22 2.1 帶輪的設計 ................................................................................................................22 2.1.1 第一級同步齒形帶傳動設計 .................................................................................22 2.2 軸的設計 ....................................................................................................................31 結 論 ................................................................................34 致 謝 ................................................................................35 參 考 文 獻 ....................................................................36 第 1 章 緒論 第 1 節(jié) 試驗機的定義 試驗機是測試、評定和研究材料、零部件、整機（整車） 和類工程 項目的物理性能、機械（力學） 性能、工藝性能、安全性能、舒適性能 的試驗儀器和設備，是科學儀器眾多種類中很重要的一類測試儀器。試 驗機對材料及品、零部件、整機（整車） 、工程項目的性能檢測和試驗、 質量控制和質量保證起著不可替代的作用；對各類工程科學理論研究和 工程項目的實施起著極其重要的保障作用；多數(shù)試驗機產(chǎn)品還屬于計量 器具，對保證和維持我國長度、力值、硬度量值的準確和溯源具有舉足 輕重的作用。長期以來，試驗機作為很重要的一類科學儀器， 被廣泛地 應用于冶金、建筑、航天、航空、機械、交通、國防軍工、水利、電力、 石油、化工、輕工、紡織等行業(yè)的國家重點實驗室、工業(yè)實驗室、計量 室、質檢機構和制造業(yè)的生產(chǎn)線及各類工程現(xiàn)場?？蒲性核?、大專院校、 質檢計量機構、各類企業(yè)構成了試驗機的用戶群。按照 GB/T 4754— 2002 《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》的規(guī)定，試驗機制造業(yè)屬于儀器儀表行業(yè)的 一個小類。試驗機主要包括以下產(chǎn)品：金屬材料試驗機、非金屬材料試 驗機力與變形檢測儀器、動平衡機、振動臺、沖擊臺與碰撞臺、無損檢 測儀器摩擦、磨損、潤滑與工藝試驗機、包裝件試驗機、大型結構試驗 機、汽車專用試驗設備、各種環(huán)境模擬試驗裝置及其功能附件等。試驗 機產(chǎn)品特點是多品種、小批量，用戶個性化要求多。這是集機、光、電、 液和計算機技術于一體的高技術產(chǎn)品，涉及到的學科范圍非常廣泛,下圖 為國產(chǎn)一款試驗機。 第 2 節(jié) 試驗機行業(yè)發(fā)展簡要回顧 我國試驗機制造業(yè)自建國以來，從無到有，不斷發(fā)展壯大，已經(jīng)走過了六十年 的歷程。 （1）解放前的舊中國，幾乎沒有企業(yè)生產(chǎn)制造試驗機產(chǎn)品，更談不上形成 一個產(chǎn)業(yè)。 （2） 新中國建立后受到了以美國為首的西方國家經(jīng)濟技術的封鎖。為 擺脫西方國家的封鎖，加快我國經(jīng)濟技術和國防工業(yè)發(fā)展的步伐， 1949 年 10 月 20 日，我國第一個試驗機專業(yè)生產(chǎn)廠家——長春儀器廠（長春材料試驗機廠） 誕 生，標志著中國試驗機制造業(yè)的開始。1959 年 3 月， 經(jīng)國家有關部門批準，第 一機械工業(yè)部材料試驗機研究所在長春成立，標志著我國開始獨立自主地開展試驗 機制造技術與產(chǎn)品的研發(fā)。到 1979 年建國 30 周年，長春、天水、濟南、上海、 萊州、汕頭、丹東、蘇州等地成為試驗機的重點生產(chǎn)區(qū)域，主要生產(chǎn)企業(yè)約 30 家 左右，初步形成了一個試驗機制造行業(yè)（3）改革開放后的 30 年（1979~2009） ， 尤其是后 20 年（ 1989 ~2009） ，試驗機行業(yè)同其他行業(yè)一樣，發(fā)生了重大變化， 取得了重大發(fā)展。重大發(fā)展是由于對外開放、計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟轉變的重大變化 而引起的。重大發(fā)展主要表現(xiàn)為：① 人力作為可由市場配置的資源能夠自由流動， 使得科技、管理人才可以走出高等院校、研究院所、國有企業(yè)進入市場創(chuàng)辦試驗機 民營生產(chǎn)企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，1989 年，全國生產(chǎn)試驗機的廠家接近 50 家。② 試驗機生產(chǎn)企業(yè)的資本結構發(fā)生了根本性的變化。體制上的改變促使企業(yè)的運行機 制更加適應市場經(jīng)濟發(fā)展的需要，促進生產(chǎn)規(guī)模的迅速擴大。統(tǒng)計資料顯示， 我 國試驗機行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值從 1989 年的 3 億元 RMB 左右上升到 2008 年的 40 億元 RMB（76 家規(guī)?；陨掀髽I(yè)的數(shù)據(jù)） 。靜態(tài)力學性能測試儀器的典型產(chǎn)品— —電子萬能試驗機、液壓萬能試驗機的測量、控制技術實現(xiàn)了重大突破。力值、位 移的測量技術全部由機械式改為電子式； 基于微處理器技術（含基于 DSP 技術） 的國產(chǎn)控制器全面裝備了電子萬能試驗機和液壓萬能試驗機。在計算機被廣泛用于 試驗機的同時，應用程序（試驗軟件）也得到了快速發(fā)展，并在不斷改版升級和完 善。大部分國產(chǎn)電子萬能試驗機和微機控制液壓萬能試驗機的性能指標已和國際同 類產(chǎn)品的性能指標接近，其中部分國內產(chǎn)品的性價比已優(yōu)于國外產(chǎn)品。正因為如此， 近幾年來，國外同類產(chǎn)品的進口量在大幅度下降，且其價格也隨之大幅下降。 （4） 在此期間， 試驗機行業(yè)工作取得了明顯的進步。1980 年， 中國儀器儀表學會試 驗機分會宣告成立。試驗機分會曾多次成功舉辦了試驗機制造技術的學術交流活動， 組織了對美、英、日、德等國同行的技術座談和技術交流。試驗機分會和長春試驗 機研究所合辦出版的科技期刊——《工程與試驗》 （原名曾為：《材料試驗機》 、 《試驗技術與試驗機》 ） 成為試驗機制造業(yè)和試驗機用戶進行學術交流的平臺，有 力地推動了試驗機行業(yè)的技術進步。 第 3 節(jié) 試驗機行業(yè)發(fā)展展望 展望未來，在市場經(jīng)濟發(fā)展的進程中，我國試驗機行業(yè)必將會有更大的作為。 （1）對試驗機制造企業(yè)而言，未來 10 年~20 年的發(fā)展關鍵取決于企業(yè)的自主創(chuàng) 新能力的提升。試驗機制造企業(yè)自身 R（2） 試驗機產(chǎn)品市場的空間還是很 大的。多年來， 國內市場始終有近 50%的份額被進口產(chǎn)品所占有，國外的市場容 量也是很可觀的，尤其是發(fā)展中國家的市場是很廣闊的。這對于有自主創(chuàng)新能力、 市場開拓能力、科學管理能力的制造企業(yè)而言，是會大有作為的。 （3）隨著市場經(jīng) 濟的發(fā)展，在有序的競爭中，試驗機制造企業(yè)的組織結構會產(chǎn)生一些積極的變化。 名品會造就一批名企，假冒偽劣產(chǎn)品會使其制造者被淘汰出局，一個適度規(guī)模、發(fā) 展有序的試驗機行業(yè)會在競爭中形成。可以預測， 經(jīng)過 10 年~20 年的努力，我 國試驗機行業(yè)在技術與產(chǎn)品的發(fā)展上可以基本滿足國內市場的需求，并會有批量產(chǎn) 品出口，基本趕上或在某些領域超過發(fā)達國家的技術水平。 第 2 章 1KN 拉壓試驗機的設計概述 第 1 節(jié) 總體設計 參考試驗機各種機型，以及設計要求，先應確定其傳動原理，我設計的為小型 試驗機，最大的拉壓力才為 1KN，選用單空間結構原理，其工作原理為：電機通 過帶輪變速機構帶動兩平行的滾珠絲杠，從而驅動移動橫梁來實現(xiàn)加載，被測試件 夾在夾具上，而被測試件的負荷由傳感器測量。如圖 第 2 節(jié) 部件設計 2.1 變速箱的設計 2.1.1 傳動的選擇 由于，總的傳動比為 30，將其分配為 4,3,2.5 這三個等級滿足要求，分級是利 用電機的電調比來實現(xiàn)的因此，無需要離合器等零件，而因為試驗機試驗壓力小 1KN，因此不宜設計復雜的傳動機構，以免產(chǎn)生不必要的能耗或誤差，也減小了密 封，潤滑，維修等的壓力，最終決定選用三級齒形帶傳動，如圖所示 左下角帶輪連接電機輸出軸所帶的帶輪，傳動比為 2.5 上方的兩個帶輪主要其改變傳動比的作用，傳動比為 3 而中間套與軸上的兩個帶輪則分別連接左右兩個絲杠下的帶輪，以此帶動絲杠 傳動而使橫梁上下移動，從而施加拉或壓力。 同步帶輪傳動是由一根內周表面設有等間距齒的封閉環(huán)形膠帶和相應的帶輪所 組成。運動時，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞運動和動力，是一種嚙合傳動，因而 具有齒輪傳動、鏈傳動和平帶傳動的各種優(yōu)點 。 同步帶按材質可分為氯丁橡膠加纖維繩同步帶，聚氨酯加鋼絲同步帶，按齒的 形目前主要分為梯形齒和圓弧齒兩大類，按帶齒的排布面又可分為單面齒同步帶和 雙面齒同步帶。同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，可精 密傳動,傳動平穩(wěn)，能吸震，噪音小，傳動速比范圍大，一般可達 1∶10，允許線速 度可達 50m/s，傳動效率高，一般可達 98℅―99℅ 。傳遞功率從幾瓦到數(shù)百千瓦。 結構緊湊還適用多軸傳動，張緊力小，不需潤滑，無污染，因而可在不允許有污染 和工作環(huán)境較為惡劣的場合下正常工作。 2.1.2 變速箱中張緊輪的設計 因為為帶傳動，所以必須安裝張緊輪，由于空間位置的限制，決定 在此變速空間內安裝上兩個張緊輪，分別為第二級和第三級的一個帶輪 張緊，張緊輪的位置用螺栓調節(jié)，與帶輪接觸的面用兩個軸承一個滾輪 來施加壓力并盡可能的減小阻力，如圖設計 上圖為截面圖 此圖為俯視圖 由于變速箱內空間有限，且有其他的支撐結構，因此張緊輪的位置 選擇就非常的重要，否則，就會出現(xiàn)，裝不進，卸不掉，螺釘無空間， 與支撐結構重位等清況，為避免些情況的發(fā)生，張緊輪的位置選擇如圖 所示兩畫圈處即是安裝帶輪之處。 2.1.3 變速箱支撐結構的選擇 支撐結構在變速箱中起著非常重要的作用，是整個機構能正常運行 的保證，尤其對強度，剛度等的影響，更會直接關系到實驗機的精度問 題。此變速箱中，由于有帶輪，張緊輪已經(jīng)它們所附帶的軸，軸承，套 等零件，一方面要盡量壓縮支撐結構的空間，另一方面又要增強支撐結 構在強度，剛度方面的承受能力，所以，我用雙層結構設計，且此雙層 結構是由螺釘，螺栓，焊接等有效的，保證精度的鏈接在一起的，大致 的結構可以由如圖看出 左側底面與上臺板底面用螺栓鏈接，增加鏈接強度，保證支撐起整 個變速箱的重量，以及傳動時所帶來的附加力的影響，第二層結構與第 一層的面板用立柱相連，一方面保證了其強度要求，另一方面立柱的加 工更精細，比螺釘，螺栓等更能保證兩板間的平行度，以便于軸孔很好 的對位，從而保證軸的正確安裝，立柱與中間板面的鏈接用焊接，增強 可靠性及精度。 機構的強度由立柱的數(shù)量來保證，為了確保我總共使用了 9 個立柱。 經(jīng)過粗略的估算，符合要求。 2.2 帶輪的設計 2.2.1 帶輪的結構設計 為了保證傳動的穩(wěn)定，減少震動帶輪的固定，定位就非常的重要， 因為此變速箱的整體結構是朝下的，因此帶輪是平置著的，首先應想到 帶也是平置，為了防止掉帶，必須設計擋邊。如圖所示 上面幾個圖是不同的幾個帶輪其的擋邊。 2.2.2 帶輪的定位與固定 由于帶輪水平，所以所設計的帶輪固定裝置不僅需要有定位功能， 還必須能承受帶輪的重量，以及運動過程中的附加力，考慮到這種因素， 大帶輪的設計為 可以看出，下方由墊片和雙圓螺母來定位和固定，上方用軸套，以 確保支撐力足夠，以及避免出現(xiàn)掉輪，晃動的情況。 而小帶輪的設計為 如圖，用螺釘和墊圈來定位和固定。 2.3 絲杠的定位與固定 滾 珠 絲 杠 是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉 運動的理想的產(chǎn)品。 滾 珠 絲 杠 由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是 將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項 發(fā)展的重要意義就是將軸 承 從滑動動作變成滾動動作。由于具有很小的 摩 擦 阻 力 ，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 滾 珠 絲 杠 是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉 運動轉換成線性運動，或將扭 矩 轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精 度、可逆性和高效率的特點，在試驗機中，絲杠的作用是最重要的部件， 其可外購，但定位必須好，以便橫梁能順利的移動。如圖設計： 圖中可知，絲杠套是利用螺栓固定在臺面板底面上，為了保證其穩(wěn)定性， 共采用了六個螺栓。 2.4 光杠的固定 與絲杠情況相似，因此，光杠的固定件也與絲杠的相似，如圖所示 在裝配圖中的情況是 2.5 夾具的設計 機 械 制 造 過程中用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以接受 施工或檢測的裝置。又稱卡 具 。從廣義上說，在工 藝 過 程 中的任何工 序 ， 用來迅速、方便、安全地安裝工件的裝置，都可稱為夾具。例如焊 接 夾 具 、檢驗夾具、裝配夾具、機 床 夾具等。其中機床夾具最為常見，常簡 稱為夾具 。在機床上加工工件時，為使工件的表面能達到圖紙規(guī)定的尺 寸 、幾何形狀以及與其他表面的相互位 置 精 度 等技術要求 ，加工前必 須將工件裝好（定位） 、夾牢（夾緊） 。夾具通常由定位元 件 （確定工件 在夾具中的正確位置） 、夾緊裝置 、對 刀 引導元件 (確定刀 具 與工件的相 對位置或導引刀具方向)、分 度 裝 置 （使工件在一次安裝中能完成數(shù)個 工 位 的加工，有回轉分度裝置和直線移動分度裝置兩類） 、連接元件以及 夾具體（夾具底座）等組成。 此試驗機中，因為要求的最大拉壓力僅為 1KN，且沒有扭轉的功能， 因此夾具可以在保證相應的同軸度，及對稱位置的情況下，盡量簡化， 甚至可以在加緊部分購買成品。如圖設計 ，此圖為上橫梁上的夾具 此圖為面板臺上用的夾具 第 3 章 尺寸設計 第 1 節(jié) 驅動電機參數(shù)選擇 1.1 技術指標（主機設計有關指標） 最大負荷 10KN 動橫梁移動速度 0.05-500mm/min 1.2 傳動比的確定及分配 a.傳動比的確定 本機調速系統(tǒng)初步采用寬調速鎖相控制系統(tǒng)，其電調比 1:10000， 轉速范圍 0.15-1500r/min。則 ??=10×(0.15?1500)(0.05?500) =30 b.傳動比的分配 傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及帶輪的結構尺 寸，要做到結構合理。傳動裝置分為三級，傳動比分配為 i=30=2.5×3×4。各級均為同步齒形帶傳動，具有傳動比準確、結構緊 湊，傳動比范圍大以及在低速下傳遞動力等優(yōu)點。另外由于兩對滾珠絲 杠副的存在，其中第三級傳動包括兩組同步帶傳動。 1.3 驅動電機的選擇 根據(jù)試驗機輸出載荷與加荷速度，折算到驅動電機所需功率，選擇 驅動電機。整機傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副（導程 s=10） ，同步齒形帶傳 動，傳動總效率 η=0.7-0.8。則功率 ??= ????1000?60???=103×0.51000×60×0.6=0.014???? 式中：F—輸出載荷， ；103?? v—加荷速度。0.5m/min； 代入數(shù)據(jù)得 。??=0..014???? 選取寬調速永磁直流伺服電動機，技術參數(shù)見表 2-1 表 2-1 70SYX 寬調速永磁直流伺服電機技術參數(shù) 規(guī)格型號 額定功率 額定轉矩 最高轉速 70SYX 0.05KW 0.33N.M 2000r/min 額定電壓 最高電流 允許轉速差± 10% 轉動慣量 48V 4A 200 564Kg.cm.s2 該電機具有精度高，響應快，調速范圍寬（電調比 1:10000） ，力矩 波動小，線性度好，過載能力強等特點。 1.4 傳動裝置的運動及動力參數(shù) 設電機輸出軸為 1 軸，然后各級依次為 2、3、4 軸。對應轉速為 n1，n 2，n 3；對應功率為 P1，P 2，P 3；對應轉矩為 T1，T 2，T 3。為計算方 便，各級傳動效率取 η=0.9。 a.各軸轉速 ?? 1=1500???????? ??2=??1??1=15002.5=600???????? ??3=??2??2=6003 =200???????? ??4=??3??3=2004 =50???????? b.各軸功率 ?? 1=0.014?????? 2=??1×??=0.014×0.9≈0.0126???? ??3=??1×??2=0.014×0.92≈0.0113???? ??4=??1×??3/2=0.014×0.93/2≈0.005???? c.各軸轉矩 ??1=9550??1??1=9550×0.0141500=0.089????? ??2=9550??2??2=9550×0.0126600=0.200????? ??3=9550??3??3=9550×0.0113200=0.540????? ??4=9550??4??4=9550×0.00550=0.955????? 具體計算結果填入表 2-2 中供設計計算使用。 表 2-2 傳動裝置運動和動力參數(shù)計算結果 1 軸 2 軸 3 軸 4 軸 轉速 ??/(??????????1) 1500 600 200 50 功率 ??/???? 0.014 0.0126 0.0113 0.005 轉矩 ??/(?????) 0.089 0.200 0.540 0.955 傳動比 i 2.5 3 4 第 2 節(jié) 零部件尺寸設計 2.1 帶輪的設計 2.1.1 第一級同步齒形帶傳動設計 （1）確定計算功率 ????=(????+????)??1 式中： —工作情況系數(shù)；1.2???? —增速比系數(shù)； 0???? 代入數(shù)值得： ????=0.06???? （2）模數(shù) 由 以及 查表，取???? ??1 ??=1.5???? （3）選擇帶輪 、??1 ??2 查表得小帶輪最小齒數(shù) ，取 ，??1??????=14 ??1=24 則 ??2=????1=2.5×24=60?? 1=????1=1.5×24=36?????? 2=????2=1.5×60=90???? 帶速 ??= ????1??160×1000=3.14×36×150060000=2.826??/?? （4）確定中心距 a 及帶長 ???? 初選 ??0=100???? 初定膠帶節(jié)線長度 ??0??≈2??0+??2(??1+??2)+(??2???1)24??0 =370???? 查表取 ????=377???? 中心距 ??≈??0+???????0??2 =104???? （5）確定帶寬 單位帶寬的離心拉力 ????=????2??=18×10?4×2.826210=0.0014???????? 小帶輪嚙合齒數(shù) ????≈(12???2???16??)??1=7 帶寬 ??= 102??????????([??]?????) 式中： —單位寬度的許用拉力，0.4Kg/mm[??] —嚙 合 齒 數(shù) 系 數(shù) ， ???? 代入數(shù)據(jù)得 ，圓整，取??=5.4???? ??=12???? (6)計算帶輪幾何尺寸 齒形角 ??=40° 頂圓直徑 ????1=??1?2?? 式中： —節(jié)線到齒根間距離，0.375mm?? 代入數(shù)值得 ，????1=39.25???? 同理 ????2=74.25???? 齒槽深 ?=?‘+?? 式中： —齒高， 0.9mm?‘ —徑向間隙，0.55mm?? 代入數(shù)據(jù)得 ?=1.45???? 根圓直徑 ，????1=????1?2?=26.35???? 同理 ????1=71.35???? 帶輪齒寬 ??=??+(3~10)=16???? 2.1.2 第二級同步齒形帶傳動設計 （1）確定計算功率 ????=(????+????)?? 式中： —工作情況系數(shù)；1.2???? —增 速 比 系 數(shù) ； 0???? 代入數(shù)值得： ????=0.06???? （2）模數(shù) 由 以及 查表，取???? ??1 ??=1.5???? （3）選擇帶輪 、??1 ??2 查表得小帶輪最小齒數(shù) ，取 ，??1??????=14 ??1=24 則 ??2=????1=3×24=72?? 1=????1=1.5×24=36?????? 2=????2=1.5×72=108???? 帶速 ??= ????1??160×1000=3.14×36×60060000=1.13??/?? （4）確定中心距 a 及帶長 ???? 初選 ??0=140???? 初定膠帶節(jié)線長度 ??0??≈2??0+??2(??1+??2)+(??2???1)24??0 =542.8???? 查表取 ????=565.5???? 中心距 ??≈??0+???????0??2 =152???? （5）確定帶寬 單位帶寬的離心拉力 ????=????2??=24×10?4×1.13210=3.8×10?4???????? 小帶輪嚙合齒數(shù) ????≈(12???2???16??)??1=8 帶寬 ??= 102??????????([??]?????) 式中： —單位寬度的許用拉力，0.6Kg/mm[??] —嚙 合 齒 數(shù) 系 數(shù) ， 1???? 代入數(shù)據(jù)得 ，圓整，取??=13.5???? ??=16???? (6)計算帶輪幾何尺寸 齒形角 ??=40° 頂圓直徑 ????1=??1?2?? 式中： —節(jié)線到齒根間距離，0.50mm?? 代入數(shù)值得 ，????1=39???? 同理 ????2=119???? 齒槽深 ?=?‘+?? 式中： —齒高， 1.2mm?‘ —徑向間隙，0.69mm?? 代入數(shù)據(jù)得 ?=1.89???? 根圓直徑 ，????1=????1?2?=35.22???? 同理 ????1=115.22???? 帶輪齒寬 ??=??+(3~10)=20???? 2.1.3 第三級同步齒形帶傳動設計 （1）確定計算功率 ????=(????+????)?? 式中： —工作情況系數(shù)；1.2???? —增 速 比 系 數(shù) ； 0???? 代入數(shù)值得： ????=0.06???? （2）模數(shù) 由 以及 查表，取???? ??1 ??=2.5???? （3）選擇帶輪 、??1 ??2 查表得小帶輪最小齒數(shù) ，取 ，??1??????=16 ??1=16 則 ??2=????1=4×16=64?? 1=????1=2.5×16=40?????? 2=????2=2.5×64=160???? 帶速 ??= ????1??160×1000=3.14×40×20060000=0.42??/?? （4）確定中心距 a 及帶長 ???? 對于此級第一組帶輪， 初選 ??0=180???? 初定膠帶節(jié)線長度 ??0??≈2??0+??2(??1+??2)+(??2???1)24??0 =765.8???? 查表取 ????=801.1???? 中心距 ??≈??0+???????0??2 =198???? 對于第 2 組帶輪， 初選 ??0=240???? 初定膠帶節(jié)線長度 ??0??≈2??0+??2(??1+??2)+(??2???1)24??0 =878.6???? 查表取 ????=895.4???? 中心距 ??≈??0+???????0??2 =248???? （5）確定帶寬 單位帶寬的離心拉力 ????=????2??=35×10?4×0.50210=8.9×10?6???????? 小帶輪嚙合齒數(shù) ????≈(12???2???16??)??1=6 帶寬 ??= 102??????????([??]?????) 式中： —單位寬度的許用拉力，1.0Kg/mm[??] —嚙 合 齒 數(shù) 系 數(shù) ， 1???? 代入數(shù)據(jù)得 ，圓整，取??=24???? ??=24???? (6)計算帶輪幾何尺寸 齒形角 ??=40° 頂圓直徑 ????1=??1?2?? 式中： —節(jié)線到齒根間距離，0.75mm?? 代入數(shù)值得 ，????1=46.5???? 同理 ????2=190.5???? 齒槽深 ?=?‘+?? 式中： —齒高， 1.8mm?‘ —徑向間隙，0.82mm?? 代入數(shù)據(jù)得 ?=2.62???? 根圓直徑 ，????1=????1?2?=41.26???? 同理 ????1=185.26???? 帶輪齒寬 ??=??+(3~10)=36???? 2.2 軸的設計 軸的結構取決于受力情況、軸上零件的的布置和固定方式、軸承的 類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸安裝等條件。軸的 結構應該使軸受力合理，避免或減輕應力集中，有良好的工藝性，并使 軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度較大的軸，還應從結構上 考慮軸。的變形。 此次設計 1 軸為電機輸出軸，結構尺寸參照電機結構，這里便不再 贅述。 2 軸長度尺寸與 3 軸有關，故先進行 3 軸的設計。 2.2.1 Ⅲ軸的設計 選擇軸的材料 軸的材料選 45 鋼，調質處理。取 A=110。 初步估算軸的直徑 初步估算軸的最小直徑為 ????????=?? 3??3??3=110× 30.0113200????=4.2???? 考慮軸端有鍵槽，軸徑應增加 ，考慮到軸承,取10%?15% 。??=16???? 軸的結構設計 圖 3-1 3 軸的結構設計 如圖所示，軸徑最小處取 16mm，與帶輪配合，根據(jù)帶輪尺寸取其軸 向尺寸為 16mm。 因第二段軸徑安裝滾動軸承，為便于軸承裝配，軸徑按 5mm 放大， 取為 20mm。根據(jù)軸的受力，初選 6204 滾動軸承，其基本尺寸為 。右端圓螺母固定，尺寸 M20×12.??×??×??=20????×47????×14???? 為保證加工質量及滿足裝配要求，開設螺紋退刀槽 2×Φ20，長度 12mm。軸承左端兩帶輪與軸配作，帶輪間加以中擋板。右?guī)л喤c軸承間 有套筒連接，左帶輪與軸承間開設軸肩定位，直徑 26mm。 軸肩左端軸徑與右端保持一致。最左處采用彈性擋圈固定，具體尺 寸參照 GB/T 894.1 查找。 帶輪的周向定位采用 A 型普通平鍵連接，根據(jù)各段軸徑，由手冊查 得平鍵截面分別為 以及??×?×??=5????×5????×25???? 。同時為了保持帶輪與軸配合具有良??×?×??=6????×6????×70???? 好的對中性，選擇帶輪輪轂與軸的配合為 H7/r6；滾動軸承與軸的周向 定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為 k6。 軸肩處圓角半徑取 R2，軸端倒角取 1×45°。 2.2.2 Ⅱ軸的設計 選擇軸的材料 軸的材料選 45 鋼，調質處理。取 A=110。 初步估算軸的直徑 初步估算軸的最小直徑為 ????????=?? 3??2??2=110× 30.14600????=3.03???? 考慮軸端有鍵槽，軸徑應增加 ，取 。10%?15%??=16???? 軸的結構設計 圖 3-1 2 軸的結構設計 結 論 本試驗機機型采用計算機控制，伺服電機驅動，精密滾珠絲杠機械 加載，傳感器測量信號。具有加載平穩(wěn)，測量準確，等特點。 因為其最大的拉壓僅為 1KN，所以，結構尺寸等相對較小并不影響 其精度，強度，剛度等。 不同項目下的試驗附件（夾具）通過松，緊緊固螺釘插拔更換，下 空間完成拉伸試驗，操作簡單，因負載傳感器拉壓試驗時，承受的力方 向一致，因此，年檢費用可節(jié)省一半，更具有可實踐性。 致 謝 本論文在選題、研究和撰寫的過程中，得到了導師陳菲老師的親切 關懷和悉心指導。導師學識廣博、學術思想敏捷、治學態(tài)度嚴謹，這一 切都是作者現(xiàn)在和將來學習的榜樣。特別是導師對學生在獲取知識、運 用知識和創(chuàng)新能力方面的培養(yǎng)，使我受益匪淺。在此文完成之際，謹向 尊敬的導師致以誠摯的謝意，感謝導師為作者的成長所付出的心血，并 送去學生最美好的祝愿。 感謝陳菲老師，他們在作者的設計過程中幫助解決了很多的難題， 沒有他們的熱心幫助和悉心指導作者是很難完成這次設計的。 作者在本科期間，得到了很多老師和同學的幫助，在此，致以真誠 的謝意，衷心感謝所有關心和幫助過我的朋友們！最后，感謝在百忙之 中參與評閱論文和參加答辯的專家評委。 參 考 文 獻 [1] 上海紡織學院 哈爾濱工業(yè)大學 天津大學.機床設計圖冊.上?？茖W 技術出版社，1979 年 12 月 [2] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第 3 版） ，北京：機械工業(yè)出 版社，2004 年 8 月 [3] 盛選禹 唐守琴 等.CATIA 有限元分析命令詳解與實例，北京：機 械工業(yè)出版社，2005 年 3 月 [4] 王曉江.機械制造專業(yè)英語，北京：機械工業(yè)出版社，2009 年 5 月 [5] Omron 公司.FA 系統(tǒng)產(chǎn)品綜合樣本，Omron 公司，2010 年 3 月 [6] 甘永立 陳曉華.機械精度設計基礎，長春：吉林人民出版社，2001 年 2 月 [7] 王霄 劉會霞等.CATIA V5R17 高級設計實例教程，北京：冶金工業(yè) 出版社，2009 年 8 月 [8] 譚慶昌 趙洪志.機械設計（修訂版） ，北京：高等教育出版社， 2009 年 6 月 [9] 李雪梅.數(shù)控機床，北京：電子工業(yè)出版社，2008 年 5 月 [10] 于駿一 鄒青.機械制造技術基礎（第二版） ，北京：機械工業(yè)出版 社，2010 年 3 月 [11] 侯洪生.機械工程圖，北京：科學出版社，2001 年 9 月 [12] 熊軍.數(shù)控機床原理與結構，北京：人民郵電出版社，2007 年 9 月 [13] 夏田.數(shù)控加工中心設計.北京：化學工業(yè)出版社，2006 年 1 月 [14] 王仁德.機床數(shù)控技術.東北大學出版社，2004 年 5 月 [15] 張仁貴.材料試驗機.中國計量出版社，2010 年 1 月