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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 40 頁(yè) 共 40 頁(yè)
1 緒論
1.1 滾珠絲杠副介紹
滾珠絲杠副主要是由螺桿、螺母循環(huán)系統(tǒng)和滾珠組成，如圖1.1所示。
圖1.1 滾珠絲杠副
滾珠絲杠副是機(jī)床和IT、光電、半導(dǎo)體、醫(yī)療等精密設(shè)備上最常用的傳動(dòng)元件，它的主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換為軸線反覆作用力，同時(shí)具有高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。
1.2 滾珠絲杠的特點(diǎn)及應(yīng)用
1.1.1 滾珠絲杠副的特點(diǎn)
滾珠絲杠副在使用上有很多的優(yōu)點(diǎn)，下列詳述了滾珠絲杠副的的各項(xiàng)特點(diǎn)[1]。
（1） 高效率及可逆性
由于滾珠絲杠的螺桿軸和螺帽都是點(diǎn)接觸的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以其效率可以達(dá)到90%以上。所以其傳動(dòng)扭矩只有傳統(tǒng)絲杠的1/3。
（2） 零背隙及高剛度
數(shù)控機(jī)床、半導(dǎo)體設(shè)備等對(duì)于傳動(dòng)絲杠的要求為零背隙、最小彈性變形及高順暢感。滾珠絲杠采用施加預(yù)壓力，來(lái)達(dá)到數(shù)控機(jī)床的重現(xiàn)性及全行程的高剛度。
（3） 高精度
滾珠絲杠采用了哥德式的溝槽形狀、可以使軸向精度調(diào)整得很小，也能輕松的傳動(dòng)。如果消除軸向間隙，可以使絲杠具有更好的剛度，減少絲杠、螺母和滾珠在承載時(shí)的彈性變形，可以達(dá)到更高的精度。
（4） 低起動(dòng)扭矩及順暢度
傳統(tǒng)絲杠因?yàn)槭墙饘倥c金屬間的面接觸，所以為了克服起動(dòng)摩擦力，則必須采用較高的起動(dòng)扭矩。然而滾珠絲杠是由鋼珠滾動(dòng)接觸，只需很小的起動(dòng)扭矩就可以克服摩擦力。
（5） 靜音及壽命長(zhǎng)
高精度的設(shè)備在快速進(jìn)給及重負(fù)載操作下，必須要求低噪音和有較長(zhǎng)的使用壽命。滾珠絲杠的絲杠、螺母和滾珠都經(jīng)過表面精密加工，在滾動(dòng)摩擦?xí)r產(chǎn)生的磨損極小，保證了低噪音的效果和較長(zhǎng)的使用壽命。
（6） 優(yōu)于氣、液壓制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)
如果制動(dòng)器中采用滾珠絲杠取代傳統(tǒng)的氣壓或液壓起動(dòng)可以得到許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：不會(huì)滲漏，不須過濾，省能源及重現(xiàn)性高。
1.2.2 滾珠絲杠副的應(yīng)用范圍
滾珠絲杠的應(yīng)用很廣泛，滾珠絲杠的應(yīng)用已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，在我們周圍很多設(shè)備都離不開滾珠絲杠，下面列出了一些滾珠絲杠的應(yīng)用范圍。
（1） CNC機(jī)械：CNC加工中心，CNC車床，CNC銑床，CNC放電加工機(jī)，CNC磨床，CNC線切割機(jī)等等。
（2） 精密工具機(jī)：銑床，磨床，道具磨床，齒輪加工機(jī)，車銑復(fù)合機(jī)。
（3） 產(chǎn)業(yè)機(jī)械：印刷機(jī)，造紙機(jī)，自動(dòng)化機(jī)械，紡織機(jī)，繪圖機(jī)，射出成型機(jī)。
（4） 電子機(jī)械：量測(cè)儀器，X-Y平臺(tái)，醫(yī)療設(shè)備，工廠自動(dòng)化設(shè)備，IC封裝機(jī)，半導(dǎo)體設(shè)備等等。
（5） 輸送機(jī)械：材料搬送設(shè)備，核能反應(yīng)器，高度制動(dòng)器等等。
（6） 航天航空工業(yè)：飛機(jī)襟翼，機(jī)場(chǎng)負(fù)載設(shè)備，尾翼制動(dòng)器等等。
（7） 其他：如天線使用的制動(dòng)器，閥門開關(guān)裝置，太陽(yáng)能板伸縮機(jī)構(gòu)，電子顯微鏡對(duì)焦機(jī)構(gòu)等等。
1.3 國(guó)內(nèi)外滾珠絲杠的發(fā)展及研究現(xiàn)狀
滾珠絲杠副早在19世紀(jì)末就發(fā)明的，但是因?yàn)橹圃祀y度過大，很長(zhǎng)一段時(shí)間沒能投入實(shí)際使用。美國(guó)通用汽車公司是第一個(gè)使用滾珠絲杠副的企業(yè)，它將滾珠絲杠副用于汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上。隨后滾珠絲杠副被逐漸大量使用在汽車，飛機(jī)等行業(yè)。相比起國(guó)外，我國(guó)研究滾珠絲杠副只有不到50年的歷史，我國(guó)與國(guó)外在絲杠發(fā)展水平上還是有較大的差距。不過隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和我國(guó)的不斷努力，我國(guó)在絲杠行業(yè)與國(guó)外正在逐漸縮小差距，有些研究領(lǐng)域已經(jīng)趕超國(guó)外先進(jìn)潮流。
1.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)在1960成功試制了程控龍門銑床插管式滾珠絲杠副；在1976年成功研制出JCS-014型激光絲杠導(dǎo)程誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，并批量生產(chǎn)；1984年第二代滾珠絲杠測(cè)量?jī)x研制成功；1992年我國(guó)研制成功了第三代3米滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x；2000年，我國(guó)成功研制出了48m/min高速滾珠絲杠副，并在加工中心上得到成功應(yīng)用。
我國(guó)在40多年的滾珠絲杠副發(fā)展史中，涌現(xiàn)出了不少著名研究單位和企業(yè)，比如北京機(jī)床研究所、南京工藝裝備制造有限公司、山東博特精工股份有限公司等[2]。
目前，國(guó)內(nèi)的不少絲杠生產(chǎn)廠家已經(jīng)制造出了高精度的滾珠絲杠副，不再依賴與國(guó)外進(jìn)口，比如北京機(jī)床研究所研制出的GCBM4016高速滾珠絲杠副，線速度超過了48m/min。北京機(jī)床研究所的絲杠測(cè)量?jī)x如圖1.2所示。
圖1.2 絲杠測(cè)量?jī)x
我國(guó)在滾珠絲杠行業(yè)不斷走以科技為先導(dǎo)的發(fā)展道路，已經(jīng)取得了不少的成就。但是在國(guó)際知名度方面還不夠響亮，今后我國(guó)絲杠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在不斷追求精益求精的同時(shí)，更要在國(guó)際舞臺(tái)上打響知名度，發(fā)展自己的民族品牌。
1.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀
隨著數(shù)控機(jī)床和各種自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展，促進(jìn)了滾珠絲杠副的研究和生產(chǎn)。國(guó)外出現(xiàn)了不少滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家，世界上比較知名的滾珠絲杠副生產(chǎn)制造商有：日本的黑田精工KURODA公司、THK公司、NSK公司；韓國(guó)的SBC公司；美國(guó)的SM-SAGINAW公司；英國(guó)的POTAX公司等。
日本的NSK公司已開發(fā)出公稱直徑×導(dǎo)程為：20mm×60mm、25mm×80mm超大導(dǎo)程滾珠絲杠副，快速進(jìn)給速度達(dá)到了180m/min。
隨著現(xiàn)在制造技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)際上對(duì)滾珠絲杠副產(chǎn)品的質(zhì)量和多樣化的要求越來(lái)越強(qiáng)烈。絲杠測(cè)量?jī)x的研究也向著智能化、高速化、高精度化、多功能化、開放化、模塊化的方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等也被廣泛地應(yīng)用到了滾珠絲杠副產(chǎn)業(yè)。
1.4 課題研究背景及意義
由于滾珠絲杠副具有高效率、高精度、高剛度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、核工業(yè)等領(lǐng)域?，F(xiàn)在，滾珠絲杠副已成為機(jī)械傳動(dòng)與定位的首選部件。隨著機(jī)械產(chǎn)品向高速、高效、自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)滾珠絲杠副的要求也越來(lái)越多，普通規(guī)格的滾珠絲杠副已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了使用要求。工業(yè)機(jī)器人、加工中心及機(jī)電一體化自動(dòng)機(jī)械的出現(xiàn)，使其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)速度不斷提高，但是大導(dǎo)程滾珠絲杠副的出現(xiàn)，滿足了高速驅(qū)動(dòng)的要求[3]。
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)過于追求對(duì)滾珠絲杠副精度的研究，而在滾珠絲杠副綜合性能的研究上相對(duì)滯后，致使產(chǎn)品在性能上與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大的差距，這也是制約我國(guó)數(shù)控機(jī)床向更高檔次發(fā)展的主要原因之一。本課題就是要設(shè)計(jì)絲杠測(cè)量?jī)x的主軸箱，絲杠測(cè)量?jī)x主要用于滾珠絲杠副滾道型面的誤差測(cè)量，主軸箱是其主要部件。通過分析機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的布局，設(shè)計(jì)出合理的主軸箱系統(tǒng)，并使其具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。
1.5 論文主要研究?jī)?nèi)容
論文以“絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”為題，主要進(jìn)行絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算。在設(shè)計(jì)過程中，要求做到結(jié)構(gòu)緊湊、可靠，以提高絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能和精度。通過對(duì)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與計(jì)算等過程，完成絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容如下：
（1） 分析滾珠絲杠副的基本特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外滾珠絲杠產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀。
（2） 分析絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行總傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括擬定傳動(dòng)方案，選擇合適的電動(dòng)機(jī)，分配傳動(dòng)比和計(jì)算傳動(dòng)裝置的動(dòng)力參數(shù)等。
（3） 根據(jù)主軸箱系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行各部分零件詳細(xì)的設(shè)計(jì)，在此階段會(huì)涉及到帶輪的設(shè)計(jì)，齒輪的設(shè)計(jì)，軸的設(shè)計(jì)，箱體的設(shè)計(jì)等步驟。
（4） 在杠測(cè)量?jī)x主軸箱的各部分都設(shè)計(jì)完畢后，進(jìn)行總體裝配設(shè)計(jì)，要做到結(jié)構(gòu)合理，并便于裝配與拆卸，即具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。
（5） 對(duì)本論文的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行全面總結(jié)，總結(jié)設(shè)計(jì)中的不足并提出改進(jìn)意見，對(duì)絲杠測(cè)量?jī)x的發(fā)展進(jìn)行展望。
2 主軸箱系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
主軸箱系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行主軸箱系統(tǒng)的總傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)，包括選擇哪些傳動(dòng)形式，畫出傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，選擇合適的電動(dòng)機(jī)，確定傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比并進(jìn)行傳動(dòng)比的分配，最后計(jì)算出傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)，為后面的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。
2.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
主軸箱傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方案一般用運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表示。它直觀地反映了工作機(jī)、傳動(dòng)裝置和原動(dòng)機(jī)三者之間的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞關(guān)系。
傳動(dòng)方案首先應(yīng)該滿足工作機(jī)的性能要求，適應(yīng)工作條件、工作可靠。此外，還應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊、成本低，效率高和便于使用和維護(hù)等。因此，因根據(jù)具體的設(shè)計(jì)任務(wù)側(cè)重地保證主要設(shè)計(jì)要求，選用合理的方案。
根據(jù)任務(wù)書中要求測(cè)量工作時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為8r/min～20r/min，而一般常用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min，可初步估算總傳動(dòng)比可能在50～187.5，傳動(dòng)比較大，一般的二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)方案不能達(dá)到其要求，故選用多級(jí)齒輪傳動(dòng)。本次設(shè)計(jì)方案中選用皮帶輪傳動(dòng)加四級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)方案，電動(dòng)機(jī)安裝在床身內(nèi)，床身上安裝絲杠測(cè)量?jī)x的主軸箱，主軸箱與電動(dòng)機(jī)之間通過一對(duì)皮帶輪進(jìn)行傳動(dòng)。由于本次設(shè)計(jì)中涉及變速，所以需設(shè)計(jì)一對(duì)雙聯(lián)齒輪以實(shí)現(xiàn)變速功能。傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。
圖2.1 傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
帶傳動(dòng)是一種繞性運(yùn)動(dòng)。帶傳動(dòng)的基本組成零件為帶輪（主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪）和傳動(dòng)帶，見圖2.2，當(dāng)主動(dòng)帶輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用帶輪和傳動(dòng)帶間的摩擦或嚙合作用，將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力通過傳動(dòng)帶2傳遞給從動(dòng)帶輪3。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉和緩沖吸振等特點(diǎn)，在近代機(jī)械中應(yīng)用廣泛。
圖2.2 帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖
齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)中最重要的傳動(dòng)之一，應(yīng)用廣泛，齒輪傳動(dòng)具有效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；工作可靠、壽命長(zhǎng)；傳動(dòng)比穩(wěn)定等特點(diǎn)。圓柱齒輪傳動(dòng)不僅具有以上特點(diǎn)，還便于裝配和維修；可以進(jìn)行變位切削及各種修行、修緣，從而提高傳動(dòng)質(zhì)量；易于進(jìn)行精密加工，是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣的傳動(dòng)。
2.2 選擇電動(dòng)機(jī)
原動(dòng)機(jī)的種類，無(wú)特殊需要，均選用交流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)作為系列化產(chǎn)品。機(jī)械設(shè)計(jì)中僅需根據(jù)工作機(jī)的工作情況，合理選擇電動(dòng)機(jī)類型、結(jié)構(gòu)形式、容量和轉(zhuǎn)速，提出具體的電動(dòng)機(jī)型號(hào)。
2.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型
由于絲杠測(cè)量?jī)x的負(fù)載比較平穩(wěn)，對(duì)啟動(dòng)、制動(dòng)無(wú)特殊要求，任務(wù)書中要求采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般可以選用Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)。
Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、噪聲小、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。安裝尺寸和功率等級(jí)也完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，一般用于無(wú)特殊要求的機(jī)械設(shè)備[4]。
2.2.2 選擇電動(dòng)機(jī)的功率
電動(dòng)機(jī)的功率選擇是否合適，對(duì)電動(dòng)機(jī)的正常工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。功率選得過大則電動(dòng)機(jī)的價(jià)格高，能力又得不到充分發(fā)揮，而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常不在滿載下運(yùn)轉(zhuǎn)，其效率和功率因素都較低而造成能源的浪費(fèi)。
對(duì)于載荷比較穩(wěn)定，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，通常只需使電動(dòng)機(jī)的額定功率等于或稍大于所需電動(dòng)機(jī)的工作功率，即，而不必校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
所需電動(dòng)機(jī)工作功率為：
（2.1）
式中：——工作機(jī)所需功率，即輸入工作機(jī)軸的功率；
——電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)裝置的總效率。
工作機(jī)所需功率可由工作的工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算求得，其計(jì)算公式
為
（2.2）
式中：——工作機(jī)的阻力矩；
——工作機(jī)轉(zhuǎn)速；
——工作機(jī)的效率。
對(duì)于勻速運(yùn)行，非精確計(jì)算求可以套用以下公式：
（2.3）
式中：——軸向負(fù)載；
——絲杠導(dǎo)程；
n1——進(jìn)給絲杠的正效率。
軸向負(fù)載的計(jì)算公式為
（2.4）
式中：——絲杠的軸向切削力；
——導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)；
——移動(dòng)物體重量；
——重力加速度。
設(shè)軸向切削力不考慮，綜合摩擦系數(shù)，任務(wù)書中要求被測(cè)工件重量≤140kg，取=140kg，由式（2.4）可求出：
=0.1×140×9.8N=137.2N
任務(wù)書中滾珠絲杠導(dǎo)程范圍為2mm～40mm，這里取中間值20mm，設(shè)進(jìn)給絲杠的正效率n1為0.92，由式（2.3）可算得：
=(137.2×20)/(2×3.14×0.92)=474.9N·mm
任務(wù)書中要求測(cè)量工作時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為8r/min～20r/min，這里取10r/min，工作機(jī)效率為0.98，由式（2.2）可算得工作機(jī)所需功率：
，
由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率可按下式計(jì)算：
(2.5)
帶輪傳動(dòng)效率=0.98，圓柱齒輪傳動(dòng)效率=0.97，每對(duì)軸承效率=0.99，由式（2.5）可算得總效率：
知道了工作機(jī)所需功率和總效率，根據(jù)式（2.1）可求得電動(dòng)機(jī)工作功率：
由于電動(dòng)機(jī)的額定功率略大于即可，所以選擇電動(dòng)機(jī)額定功率為0.75kW。
2.2.3 選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
額定功率相同的同類型電動(dòng)機(jī)，可能有不同的轉(zhuǎn)速。Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)有四種常用的同步轉(zhuǎn)速，即3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min，低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的級(jí)數(shù)多，外廓尺寸及重量都比較大，價(jià)格高，但可使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比及尺寸較??；高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)則相反。因此確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)進(jìn)行分析比較，以確定合理的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。一般來(lái)說(shuō)，如果沒有特殊要求通常選擇同步轉(zhuǎn)速為1500r/min或1000r/min的電動(dòng)機(jī)[5]。
為了設(shè)計(jì)出合理的傳動(dòng)裝置，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇范圍可以通過各個(gè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比范圍和工作機(jī)的轉(zhuǎn)速要求來(lái)推算出，即
（2.6）
式中：——電動(dòng)機(jī)可選轉(zhuǎn)速范圍；
——傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比的合理范圍；
——工作機(jī)轉(zhuǎn)速。
傳動(dòng)裝置推薦的傳動(dòng)比范圍28～315，任務(wù)書中主軸轉(zhuǎn)速為8r/min～20r/min，由式（2.6）可算得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為：
=（28～315）×（8～20）=224r/min6300r/min
符合這一范圍的常用同步轉(zhuǎn)速有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min四種。由于之前已算得電動(dòng)機(jī)的額定功率為0.75kW，符合這一轉(zhuǎn)速范圍的同步轉(zhuǎn)速只有3000r/min、1500r/min、1000r/min三種。
以三種方案作比較，結(jié)果如表2.1所示。
表2.1 電動(dòng)機(jī)方案表
方案
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定功率
同步轉(zhuǎn)速
滿載轉(zhuǎn)速
電動(dòng)機(jī)重量
總傳動(dòng)比
1
Y80M1-2
0.75
3000
2825
17
282.5
2
Y80M2-4
0.75
1500
1390
18
139
3
Y90S-6
0.75
1000
900
21
91
綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸、重量、傳動(dòng)比等因素，第3種方案比較合適，選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y90S-6，其主要技術(shù)參數(shù)列于表2.2。
表2.2 Y90S-6電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額的功率（kW）
滿載時(shí)
轉(zhuǎn)速（r/min）
電流（A）
效率（%）
功率因素
Y90S-6
0.75
900
4
77.5
0.74
Y90S-6電動(dòng)機(jī)主要外形尺寸和安裝尺寸如下圖2.3所示。
圖2.3 電動(dòng)機(jī)外形、安裝尺寸簡(jiǎn)圖
按圖2.3所示，Y90S-6電動(dòng)機(jī)主要外形尺寸和安裝尺寸如下表2.3所示。
表2.3 Y90S-6電動(dòng)機(jī)主要外形尺寸和安裝尺寸
H
A
B
C
D
E
F
G
K
AA
AC
AB
AD
HD
L
90
140
100
56
24
50
8
20
10
62
195
180
155
250
320
2.3 傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比的確定及各級(jí)傳動(dòng)比的分配
傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)功率通常要按照實(shí)際所需要的電動(dòng)機(jī)工作功率考慮，而轉(zhuǎn)速則按電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速（滿載轉(zhuǎn)速）計(jì)算。
根據(jù)工作機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速，可以求得傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比
（2.7）
總傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比，相乘，即
（2.8）
合理地分配傳動(dòng)比，是傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，它將直接影響到傳動(dòng)系統(tǒng)的外廓尺寸、重量、潤(rùn)滑及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心距等很多方面。合理地分配傳動(dòng)比，可以有效的減少外廓尺寸、重量，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加合理；合理地分配傳動(dòng)比，可以使?jié)櫥鼮榫鶆?，使高低速?jí)都能達(dá)到良好的潤(rùn)滑效果；合理地分配傳動(dòng)比，可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)效率、傳動(dòng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的使用壽命[6]。但這幾方面的要求不可能同時(shí)滿足，因此在分配傳動(dòng)比時(shí)，主要考慮一下幾點(diǎn)：
（1） 各級(jí)傳動(dòng)比都在各自合理范圍內(nèi)，以保證符合各種傳動(dòng)形式的工作特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)緊湊。
（2） 分配各傳動(dòng)形式的傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)注意各傳動(dòng)件尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理。
（3） 各傳動(dòng)件彼此不應(yīng)該發(fā)生干涉碰撞現(xiàn)象。
由式（2.7）可算得傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比
由于設(shè)計(jì)的主軸箱為四級(jí)齒輪傳動(dòng)，可由式（2.8）得
合理分配各級(jí)傳動(dòng)比可得帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比=2，主軸箱中齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比分別為=2.3，=2.5，=2.7，=2.9。
由于涉及到齒輪可以變速，需設(shè)計(jì)雙聯(lián)齒輪，第2對(duì)齒輪需要設(shè)計(jì)成雙聯(lián)齒輪，由2.5變成1.25，這樣總傳動(dòng)比變成45.5，主軸轉(zhuǎn)速也由10r/min變成20r/min，實(shí)現(xiàn)變速功能。
2.4 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
各軸由高速至低速依次設(shè)為Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸、Ⅳ軸、Ⅴ軸（主軸）。各軸分布圖如下圖2.4所示。
圖2.4 各軸分布簡(jiǎn)圖
并設(shè)，，...——為相鄰兩軸間的傳動(dòng)比；
，，...——為相鄰兩軸間的傳動(dòng)效率；
，，...——為各軸的輸入功率kW；
，，...——為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩N·mm；
，，...——為各軸的轉(zhuǎn)速r/min；
則可由電動(dòng)機(jī)軸至主軸方向依次推算，得各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)。
2.4.1 各軸轉(zhuǎn)速
（2.9）
式中：——電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速；
——電動(dòng)機(jī)軸至Ⅰ軸的傳動(dòng)比。
同理
（2.10）
（2.11）
其余類推。
各軸轉(zhuǎn)速由式（2.9）～式（2.11）得：
Ⅰ軸：
Ⅱ軸：
Ⅲ軸：
Ⅳ軸：
Ⅴ軸：
2.4.2 各軸輸入功率
（2.12）
式中：——電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率；
——電動(dòng)機(jī)軸與Ⅰ軸間的傳動(dòng)效率。
同理
（2.13）
其余類推。
各軸輸入功率由式（2.12）～式（2.13）得
Ⅰ軸：
Ⅱ軸：
Ⅲ軸：
Ⅳ軸：
Ⅴ軸：
2.4.3 各軸輸入轉(zhuǎn)矩
（2.14）
其中電動(dòng)機(jī)軸的輸出
（2.15）
所以
（2.16）
（2.17）
其余類推
各軸輸入轉(zhuǎn)矩由式（2.14）～式（2.17）得
Ⅰ軸：×
Ⅱ軸：
Ⅲ軸：
Ⅳ軸：
Ⅴ軸：
應(yīng)該注意的是：同一根軸上輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩與其輸入功率和轉(zhuǎn)矩不同，一般相差一對(duì)軸承效率。
將上述計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)列于下表2.4。
表2.4 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表
軸號(hào)
功率（kW）
扭矩（N·m）
轉(zhuǎn)速（r/min）
Ⅰ軸
0.614
12.88
455
Ⅱ軸
0.589
28.46
197.8
Ⅲ軸
0.543
68.33
79.13
Ⅳ軸
0.522
177.15
29.3
Ⅴ軸
0.496
488.42
10.1
3 主軸箱系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)
主軸箱系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算階段，包括V帶和帶輪的設(shè)計(jì)、齒輪的設(shè)計(jì)、軸的設(shè)計(jì)、箱體的設(shè)計(jì)及其他零件的設(shè)計(jì)等，它們?yōu)檠b配草圖的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。
3.1 V帶和帶輪的設(shè)計(jì)
3.1.1 V帶的設(shè)計(jì)
常用的帶傳動(dòng)根據(jù)傳動(dòng)帶的橫截面形狀不同，又可分為平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)和圓帶傳動(dòng)，見圖3.1。
圖3.1 帶傳動(dòng)的幾種常見類型
其中，V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也作出相應(yīng)的輪槽。帶傳動(dòng)時(shí)，V帶的兩個(gè)側(cè)面和輪槽接觸。槽面摩擦可以提供更大的摩擦力。另外，V帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，大多數(shù)V帶已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。V帶傳動(dòng)的上述特點(diǎn)使它獲得了廣泛的應(yīng)用[7]。這里我們要用到的帶傳動(dòng)類型就選用V帶傳動(dòng)，V帶的示意圖見圖3.2。
圖3.2 普通V帶的結(jié)構(gòu)尺寸
標(biāo)準(zhǔn)普通V帶是用多種材料制成的無(wú)接頭環(huán)形帶，它的帶型可分為Y、Z、A、B、C、D、E7種，這里我們選用Y型普通V帶，其截面尺寸如下表3.1所示。
表3.1 V帶的截面尺寸
普通V帶的類型
節(jié)寬（mm）
頂寬（mm）
高度（mm）
楔角
Y
5.3
6
4
40°
3.1.2 帶輪的設(shè)計(jì)
根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比等已知相關(guān)條件，確定帶輪的材料，結(jié)構(gòu)形式，輪槽、輪輻和輪轂的幾何尺寸、公差和表面粗糙度以及相關(guān)技術(shù)要求[8]。
常用的帶輪材料為HT150或HT200.轉(zhuǎn)速較高時(shí)可以采用鑄鋼或用鋼板沖壓后焊接而成。小功率時(shí)可用鑄鋁或者塑料。帶輪的轉(zhuǎn)速在上面已經(jīng)算出，連著發(fā)動(dòng)機(jī)軸的小帶輪轉(zhuǎn)速為910r/min，即為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；大帶輪的轉(zhuǎn)速為455r/min，傳動(dòng)比為2。這里帶輪的材料選HT200。
V帶輪由輪緣、輪輻和輪轂組成，根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的不同，V帶輪可以分為實(shí)心式、腹板式、孔板式、橢橢圓輪輻式。
V帶輪的結(jié)構(gòu)形式與基準(zhǔn)直徑有關(guān)，當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑為，可采用實(shí)心式。為安裝帶輪的軸的直徑，即為電動(dòng)機(jī)軸的直徑，為24mm；為小帶輪的基準(zhǔn)直徑為36mm。小帶輪的尺寸圖如下圖3.3所示。
圖3.3 小帶輪的尺寸圖
大帶輪采用孔板式的結(jié)構(gòu)，其尺寸圖如下圖3.4所示。
圖3.4 大帶輪的尺寸圖
V帶輪的輪槽與選用的V帶型號(hào)相對(duì)應(yīng)。V帶輪安裝到輪槽中以后，一般不應(yīng)該超出帶輪外圓，也不應(yīng)該與輪槽底部接觸。輪槽表面的粗糙度為。
3.1.3 V帶傳動(dòng)的張緊與安裝
V帶傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間以后，會(huì)因?yàn)閹У乃苄宰冃魏湍p而松弛。為了保證帶傳動(dòng)正常工作，應(yīng)定期檢查帶的松弛程度，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施[8]。常見的有以下幾種。
（1） 定期張緊裝置
采用定期改變中心距的方法來(lái)調(diào)節(jié)帶的初拉力，使帶重新張緊。
（2） 自動(dòng)張緊裝置
將裝有帶輪的電動(dòng)機(jī)安裝在浮動(dòng)的擺架上，利用電動(dòng)機(jī)的自重，使帶輪隨同電動(dòng)機(jī)繞固定軸擺動(dòng)，以自動(dòng)保持初拉力。
（3） 采用張緊輪的張緊裝置
當(dāng)中心距不能調(diào)節(jié)時(shí)，可采用張緊輪將帶張緊。
V帶傳動(dòng)在安裝時(shí)，各帶輪的軸線應(yīng)相互平行，各帶輪相對(duì)應(yīng)的V型槽的對(duì)稱面應(yīng)重合，誤差不得超過20＇。
3.2 齒輪的設(shè)計(jì)
齒輪為絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱中的主要傳動(dòng)零件，由上面?zhèn)鲃?dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)算得的數(shù)據(jù)及任務(wù)書所給的工作條件，為傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了原始數(shù)據(jù)。
3.2.1 傳動(dòng)零件的特性及材料選擇
在齒輪使用的過程中，常會(huì)發(fā)生齒輪失效的情況，常見的齒輪失效形式有齒輪折斷、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、塑性變形等形式，為了對(duì)抗齒輪失效，可以采用減小齒面粗糙度值，適當(dāng)選配主、從動(dòng)齒輪的材料及硬度，進(jìn)行適當(dāng)磨合，以及選用合適的潤(rùn)滑劑等方法[9]。
由輪齒的失效形式可知，設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷能力。因此，對(duì)齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬、齒芯要韌。
常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵、非金屬材料等。而最常用來(lái)制作齒輪的材料為鋼，鋼材有很多優(yōu)點(diǎn)，鋼材韌性好，耐沖擊，還可以通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面的硬度，故最適于用來(lái)制造齒輪。
除尺寸過大或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜只宜鑄造者外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在0.15%～0.6%的碳鋼或合金鋼。
對(duì)于強(qiáng)度、速度及精度都要求不高的齒輪，應(yīng)采用軟齒面（硬度≤HBS）以便于切齒，并使刀具不致迅速磨損變鈍。因此，應(yīng)將齒輪毛坯經(jīng)過?；ㄕ穑┗蛘{(diào)質(zhì)處理后切齒。切制后即成成品。其精度一般為8級(jí)，精切時(shí)可達(dá)7級(jí)。這類齒輪制造簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)率高[10]。
3.2.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
（1） 按本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（2） 絲杠測(cè)量?jī)x為一般工作機(jī)器，速度不高，根據(jù)表3.2選用7級(jí)精度（GB 10095-88）。
表3.2 各類機(jī)械所用的齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
汽輪機(jī)
3～6
拖拉機(jī)
6～8
金屬切削機(jī)床
3～8
通用減速器
6～8
航空發(fā)動(dòng)機(jī)
4～8
鍛壓機(jī)床
6～9
輕型汽車
5～8
起重機(jī)
7～10
載重汽車
7～9
農(nóng)業(yè)機(jī)械
8～11
（3） 材料選擇。由下面的表3.3選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，兩者材料硬度差為40HBS。
40Cr鋼是我國(guó)機(jī)械制造業(yè)使用最為廣泛的鋼之一，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。
45號(hào)鋼表面硬度較低，不耐磨，但是調(diào)質(zhì)后可以提高零件表面硬度。
表3.3 常用齒輪材料及其力學(xué)特性
材料牌號(hào)
熱處理方法
強(qiáng)度極限
（MPa）
屈服極限
（MPa）
硬度
齒芯部
齒面
ZG340-640
調(diào)質(zhì)
700
380
241～269
45
650
360
217～255
30CrMnSi
1100
900
310～360
35SiMn
750
450
217～269
38SiMnMo
700
550
217～269
40Cr
700
500
241～286
（4） 初選小齒輪齒數(shù)=21，=2.3×21=48.3，取=48。
按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
按照設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，公式為
（3.1）
確定公式內(nèi)各數(shù)據(jù)的數(shù)值。
（1） 試選取得載荷系數(shù)為=1.3。
（2） 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩為。
（3） 式中齒寬系數(shù)查取齒寬系數(shù)表可得=0.4。
（4） 鍛鋼的彈性影響系數(shù)為。
（5） 為區(qū)域系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)取2.5。
（6） 按齒面硬度小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。
（7） 齒輪的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按下式計(jì)算。假設(shè)絲杠測(cè)量?jī)x工作壽命為7年，每年工作300天，每天工作8小時(shí)。
（3.2）
式中：——齒輪的轉(zhuǎn)速；
——齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面嚙合的次數(shù)；
——齒輪的工作壽命。
由式（3.2）可算出應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
（8） 由接觸疲勞壽命系數(shù)圖查得；。
（9） 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。
取失效概率為1%，安全系數(shù)=1，其計(jì)算公式為：
（3.3）
由式（3.3）可算得接觸疲勞許用應(yīng)力：
齒輪參數(shù)的計(jì)算。
（1） 計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。由式（3.1）得
（2） 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的圓周速度。
其計(jì)算公式為：
（3.4）
由式(3.4)計(jì)算得圓周速度：
（3） 計(jì)算齒輪的齒寬。
（3.5）
由齒寬計(jì)算公式（3.5）求得齒寬:
（4） 計(jì)算齒寬與齒高之比。
齒輪的模數(shù)
齒輪的齒高
齒輪的齒寬與齒高之比
（5） 計(jì)算載荷系數(shù)。
齒輪載荷系數(shù)計(jì)算公式為
（3.6）
根據(jù)，7級(jí)精度，由動(dòng)載系數(shù)表查得查得動(dòng)載系數(shù)；
由使用系數(shù)表查得使用系數(shù)；在直齒輪中，；
在7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承軸非對(duì)稱布置時(shí)，用插值法查齒向載荷分布系數(shù)表可得。
由，查得；故由式（3.6）求得載荷系數(shù)：
（6） 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑為，
（3.7）
由式（3.7）求得：
7) 計(jì)算模數(shù)。
（3.8）
由模數(shù)計(jì)算公式（3.8）得：
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
（3.9）
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。
（1） 小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限；
（2） 取彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
（3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式（3.3）得
（4） 計(jì)算載荷系數(shù)。
由式（3.6）得
（5） 查取齒形系數(shù)。
查得齒形系數(shù)；。
（6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)。
查得應(yīng)力校正系數(shù)；。
（7）計(jì)算大小齒輪并加以比較。
計(jì)算后比較可以得出大齒輪的數(shù)值大。
由式（3.9）得：
齒輪的模數(shù)是由齒根彎曲強(qiáng)度所決定的，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)為1.379，可以選取的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為1.5，按照接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，可以算得小齒輪的齒數(shù)為
大齒輪齒數(shù)，取。
這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的齒輪傳動(dòng)，不但滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，而且滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，并且做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免了浪費(fèi)。
幾何尺寸的計(jì)算
（1） 計(jì)算分度圓直徑
由式（3.8）計(jì)算得
（2） 計(jì)算中心距
中心距計(jì)算公式為:
（3.10）
由式（3.10）求得中心距
（3） 計(jì)算齒輪的寬度
取，。
3.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件圖
為了便于設(shè)計(jì)，現(xiàn)將上述算得的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)幾何尺寸列于表3.4中。
表3.4 齒輪參數(shù)
名稱
代號(hào)
計(jì)算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
25
58
模數(shù)
1.5
分度圓直徑
37.5
87
齒頂高
1.5
1.875
3.375
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
40.5
90
齒根圓直徑
33.75
83.25
基圓直徑
32.24
81.75
中心距
62.25
齒輪寬度
20
15
通過齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算，只能確定出齒輪的主要尺寸，如上表3.4中所示的齒數(shù)、模數(shù)、分度圓直徑等，而不能確定齒輪的結(jié)構(gòu)形式，比如齒圈、輪輻、輪轂等。
齒輪的幾何尺寸、材料、加工方法、使用要求等因素都會(huì)影響到齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)上面的各方面因素進(jìn)行綜合考慮。通常是先根據(jù)齒輪的直徑大小，選擇是用實(shí)心式還是腹板式，還是其他結(jié)構(gòu)形式，然后在根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。上述計(jì)算的一對(duì)齒輪中，小齒輪可以設(shè)計(jì)成實(shí)心式結(jié)構(gòu)，大齒輪可以設(shè)計(jì)成腹板式結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)可以減輕齒輪的重量，并可使齒輪的固有頻率降低，從而降低齒輪嚙合時(shí)的噪聲。
繪制零件圖如下圖3.5所示。
圖3.5 大齒輪零件圖
重復(fù)上述計(jì)算齒輪的過程，可分別計(jì)算求出第2、3、4對(duì)齒輪的尺寸參數(shù)。
第3對(duì)齒輪的尺寸參數(shù)列于下表3.5。
表3.5 第3對(duì)齒輪參數(shù)
名稱
代號(hào)
計(jì)算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
23
62
模數(shù)
2.5
分度圓直徑
57.5
155
齒頂高
2.5
齒根高
3.125
齒全高
5.625
齒頂圓直徑
62.5
160
齒根圓直徑
51.25
148.75
基圓直徑
54
145.65
中心距
106.25
齒輪寬度
28
23
第4對(duì)齒輪的尺寸參數(shù)列于下表3.6。
表3.6 低速級(jí)齒輪參數(shù)
名稱
代號(hào)
計(jì)算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
22
64
模數(shù)
3
分度圓直徑
66
192
齒頂高
3
齒根高
3.75
齒全高
6.75
齒頂圓直徑
72
198
齒根圓直徑
58.5
184.5
基圓直徑
62.2
180.42
中心距
129
齒輪寬度
31
26
主軸箱軸第2對(duì)齒輪為雙聯(lián)齒輪，雙聯(lián)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于一般普通齒輪，這里拿出來(lái)單獨(dú)考慮。
雙聯(lián)齒輪就是兩同軸而又相隔一定距離的齒輪做成一體既為雙聯(lián)齒輪，常見的雙聯(lián)齒輪見圖3.6，一般為同模數(shù)，多用于變速箱的移滑齒輪。它的作用就是改變輸出軸的轉(zhuǎn)速或速度。齒輪箱里，有移滑齒輪就可以有多種轉(zhuǎn)速或速度，沒有移滑齒輪就只有一種轉(zhuǎn)速或速度。使用雙聯(lián)齒輪不僅可以實(shí)現(xiàn)變速，還減少空間，減少主軸箱的體積，便于實(shí)現(xiàn)集中控制。
雙聯(lián)齒輪的撥動(dòng)一般使用撥叉來(lái)控制，在雙聯(lián)齒輪中間設(shè)計(jì)一個(gè)撥叉槽，撥叉后面固定在撥叉桿上，撥叉叉子部分卡在撥叉槽中，用操作桿控制撥叉桿的移滑來(lái)實(shí)現(xiàn)撥動(dòng)雙聯(lián)齒輪。
圖3.6 常見雙聯(lián)齒輪
本次設(shè)計(jì)方案中的雙聯(lián)齒輪尺寸參數(shù)見表3.7，零件圖見圖3.7。
表3.7 雙聯(lián)齒輪參數(shù)
名稱
代號(hào)
計(jì)算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
22，34
55，43
模數(shù)
2
分度圓直徑
44，68
110，86
齒頂高
2
齒根高
2.5
齒全高
4.5
齒頂圓直徑
48，72
114，90
齒根圓直徑
39，63
105，81
基圓直徑
43.23，69.16
166.80，103.74
中心距
77
齒輪寬度
23
18
圖3.7 雙聯(lián)齒輪零件圖
3.3 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
軸是支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩的機(jī)械零件，它是組成機(jī)器的主要零件之一。軸一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑，機(jī)器中作為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件就裝在軸上。
3.3.1 軸的分類和材料
根據(jù)軸線形狀不同，軸可以分為曲軸和直軸兩類。根據(jù)軸的承載情況，又可分為：轉(zhuǎn)軸，工作時(shí)既承受彎矩又承受扭矩，是機(jī)械中最常見的軸，如各種減速器中的軸等；心軸，用來(lái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動(dòng)，如支撐滑輪的軸等；傳動(dòng)軸，主要用來(lái)傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)中的長(zhǎng)光軸、汽車的驅(qū)動(dòng)軸等[11]。
長(zhǎng)期承受交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞是軸的主要失效形式。因此，對(duì)軸的材料要求是具有較好的強(qiáng)度、韌性，與軸上零件有相對(duì)滑動(dòng)的部分還應(yīng)具有較好的耐磨性。
軸的材料主要是用碳素鋼或合金鋼，也可以采用球墨鑄鐵或合金鑄鐵。在工程中一般廣泛采用35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，對(duì)于輕載和不重要的軸也可以采用Q235、Q275等普通碳素鋼。合金鋼常用于高溫、高速、重載以及結(jié)構(gòu)要求緊湊的軸中，它有較高的力學(xué)性能，但價(jià)格較貴，對(duì)應(yīng)力集中敏感，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量減少應(yīng)力集中。球墨鑄鐵比較耐磨，價(jià)格低，但可靠性差，一般用于形狀復(fù)雜的軸。
本次設(shè)計(jì)中由于主軸箱傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無(wú)特殊要求，故選擇常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
3.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，為軸設(shè)計(jì)的重要步驟。它與軸上安裝零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式，載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況，軸承的類型與尺寸，軸的毛坯、制造和裝配工藝、安裝及運(yùn)輸，對(duì)軸的變形等因素有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)軸的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時(shí)可做幾個(gè)方案進(jìn)行比較，以便選出最佳設(shè)計(jì)方案，以下是一般軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：1、節(jié)約材料，減輕重量，盡量采用等強(qiáng)度外形尺寸或大的截面系數(shù)的截面形狀；2、易于軸上零件精確定位、穩(wěn)固、裝配、拆卸和調(diào)整；3、采用各種減少應(yīng)力集中和提高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施；4、便于加工制造和保證精度。
（1） 各軸直徑的確定
初估軸徑后，按Ⅰ軸（見圖3.8）上零件的安裝順序，從左端開始確定直徑，該軸1段安裝帶輪，故直徑取10mm。2段為非定位軸肩，取12mm。3段安裝深溝球軸承，故該段直徑為15mm。4段安裝齒輪為了便于安裝，取4段為18mm。5段為定位軸肩，取直徑為22mm。6段為定位軸肩，高度必須低于軸承內(nèi)圈端面的高度，取直徑為17mm。7段安裝深溝球軸承61804，該段直徑和3段一樣為15mm。
圖3.9 Ⅰ軸尺寸圖
（2） 軸段長(zhǎng)度的確定
軸段安裝帶輪，取長(zhǎng)度為帶輪寬度為18mm。2段為1段與3段之間的軸肩，根據(jù)實(shí)際情況取長(zhǎng)度為40mm。3段為深溝球軸承的寬度和箱體內(nèi)壁到齒輪端面的距離加上1.5mm，總長(zhǎng)為21.5mm。4段應(yīng)比齒輪寬略小1.5mm，為18.5mm。5段為軸肩長(zhǎng)度，為5mm。6段長(zhǎng)度為172mm。7段為深溝球軸承的寬度，為7mm。
（3） 軸上零件的周向固定
為了保證良好的對(duì)中性，齒輪與軸選用過盈配合H7/r6。齒輪與離合器軸均采用普通平鍵聯(lián)接，根據(jù)下面的表3.8查得安裝帶輪的軸段使用3×3的鍵，安裝齒輪的軸段使用6×6的鍵。
（4） 軸上倒角與圓角
為了保證深溝球軸承的內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊(cè)的推薦，軸的左右端倒角均為2×45℃。
計(jì)算完第Ⅰ軸的數(shù)據(jù)，接下來(lái)要計(jì)算第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的各段直徑和各段長(zhǎng)度。計(jì)算方法與上面類似，這里就不一一寫出計(jì)算過程了，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的尺寸圖如下圖3.9所示。
圖3.9 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的尺寸圖
3.4 箱體的設(shè)計(jì)
絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱的箱體是用來(lái)支持和固定軸系零件的，在一臺(tái)機(jī)器的總重量中占有很大的比例，，同時(shí)也在很大程度上影響著機(jī)器的工作精度及抗振性能。所以正確選擇箱體零件的材料和正確設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機(jī)器重量、節(jié)約金屬材料、提高工作精度、增強(qiáng)機(jī)器剛度及耐磨性等的重要途徑。
絲杠測(cè)量?jī)x的箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，剛度要求也較高，因而通常都為鑄造。鑄造的材料常用便于施工又價(jià)廉的鑄鐵。
箱體的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小，決定于安裝在它的內(nèi)部或外部的零件和部件的形狀和尺寸及其相互配置、受力與運(yùn)動(dòng)情況等。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使所裝的零零件便于裝拆與操作。為此，在主軸箱的一側(cè)，可以開一個(gè)敞開的空心矩形截面，便于主軸箱中齒輪等零件的安裝與拆卸。然后用一塊鋼板來(lái)密封這個(gè)矩形截面，可以采用螺栓連接。
箱體的一些結(jié)構(gòu)尺寸，如壁厚、凸臺(tái)高度等，對(duì)箱體的工作能力，材料消耗、質(zhì)量和成本，均有重大影響。對(duì)于這些，可以按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和比照現(xiàn)用的類似的主軸箱部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)方案中，壁厚設(shè)計(jì)為8mm。
在關(guān)于增強(qiáng)箱體的剛度方面，應(yīng)該盡量采用完全封閉的結(jié)構(gòu)，但考慮到實(shí)際情況，比如箱體底部與導(dǎo)軌的接觸，一面敞開的空心矩形截面，安裝軸的箱體上凸臺(tái)設(shè)計(jì)等情況，不可能完全封閉。但在設(shè)計(jì)時(shí)，不必要的孔數(shù)應(yīng)盡量減少。
箱體底部接觸的是燕尾槽型導(dǎo)軌，所以箱體底部應(yīng)該按照導(dǎo)軌的形狀尺寸設(shè)計(jì)成燕尾槽型的，以便于與導(dǎo)軌相互配合。箱體底部?jī)蓚?cè)還要設(shè)計(jì)一對(duì)底座，以便于固定在床身上，底座與床身可以采用螺栓固定。
由于整個(gè)箱體采用鑄造加工，需要考慮到鑄造圓角，整個(gè)箱體的頂部可以采用R為8mm的鑄造圓角，頂端得內(nèi)部采用R為3mm的鑄造圓角，其他部位則分別采用R為1mm～3mm的鑄造圓角。
由于要考慮到有雙聯(lián)齒輪的變速操作，箱體上要為操作手柄做相關(guān)的設(shè)計(jì)工作。箱體上還要有考慮到有銘牌，上面需要向用戶提供絲杠測(cè)量?jī)x的一些技術(shù)數(shù)據(jù)和使用指導(dǎo)等。
另外，在機(jī)器工作時(shí)，絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱內(nèi)總要產(chǎn)生振動(dòng)并引發(fā)出噪聲，對(duì)周圍的人員、設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量等都會(huì)帶來(lái)?yè)p害與污染，因而隔振也是設(shè)計(jì)箱體時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮的問題。
設(shè)計(jì)的箱體的的三維造型圖如下圖3.10所示。
圖3.10 箱體三維造型圖
3.5 鍵聯(lián)接和軸承的選擇
3.5.1 平鍵的選擇
鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動(dòng)的導(dǎo)向。
一般常用的鍵連接都是普通平鍵連接，圖3.11為普通平鍵連接的結(jié)構(gòu)形式。鍵的兩端面是工作面，工作時(shí)，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞扭矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間則留有間隙。平鍵連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、對(duì)中性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用[12]。
圖3.11 普通平鍵連接
鍵的選擇主要包括鍵的類型選擇和尺寸選擇。本次課程設(shè)計(jì)中平鍵都是普通平鍵連接，鍵的尺寸大小主要取決于軸徑d，不同軸徑則鍵的大小也不同，軸徑與鍵的大小關(guān)系見下面表3.8。
表3.8 普通平鍵的主要尺寸
軸的直徑
6～8
8～10
10～12
12～17
17～22
22～30
30～38
38～44
鍵寬b×鍵高h(yuǎn)
2×2
3×3
4×4
5×5
6×6
8×7
10×8
12×8
鍵的長(zhǎng)度系列L
6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，...
根據(jù)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可分別選擇各軸上使用的平鍵的規(guī)格。Ⅰ軸分別選用3×3×12與6×6×14的平鍵；Ⅱ軸選擇3×3×10的平鍵；Ⅲ軸選擇8×7×22的平鍵；Ⅳ軸選擇10×8×20與10×8×25的平鍵；Ⅴ軸選擇10×8×20的平鍵。
3.5.2 花鍵的選擇
花鍵分為內(nèi)畫鍵和外花鍵，見圖3.12，內(nèi)外花鍵均為多齒零件，在內(nèi)圓柱表面上的花鍵為內(nèi)畫鍵，在外圓柱表面上的花鍵為外花鍵，花鍵連接是平鍵連接在數(shù)目上的發(fā)展?；ㄦI可以是固定連接，也可以是滑動(dòng)連接[13]。
圖3.12 矩形花鍵連接
由于結(jié)構(gòu)形式和制造工藝不同，與平鍵連接相比，花鍵連接在強(qiáng)度、工藝和使用方面有下列特點(diǎn)：因?yàn)樵谳S上與轂孔上均勻地制出較多的齒和槽，故受力比較均勻；齒數(shù)較多，總接觸面積較大，因而可以承受較大的載荷；導(dǎo)向性好，這對(duì)動(dòng)連接很重要；可以用磨削的方法提高加工精度和連接質(zhì)量[14]。
花鍵常用于定心精度要求高、傳遞轉(zhuǎn)矩大或經(jīng)?；频倪B接的場(chǎng)合，本次設(shè)計(jì)方案中的雙聯(lián)齒輪與軸的連接就需要用到花鍵連接。
矩形花鍵的基本尺寸有小徑d、大經(jīng)D、鍵槽寬B。鍵寬規(guī)定為偶數(shù)，一般可選為6。上述設(shè)計(jì)中Ⅱ、Ⅲ軸就需要設(shè)計(jì)成花鍵軸，其中Ⅱ軸中的矩形花鍵小徑為20mm，大徑為23mm；Ⅲ軸中小徑為28mm，大徑為32mm。
對(duì)于矩形花鍵的形位公差有如下規(guī)定：因?yàn)樾绞腔ㄦI連接的定心尺寸，必須保證其配合性質(zhì)，所以內(nèi)、外花鍵小徑d的極限尺寸應(yīng)遵守包容原則，即花鍵孔和軸的小徑不能超過最大實(shí)體邊界；為保證裝配性和鍵側(cè)受力均勻，規(guī)定花鍵的位置度公差應(yīng)遵守最大實(shí)體原則，即不能超過實(shí)效邊界。
3.5.3 滾動(dòng)軸承的選擇
滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)的零件。滾動(dòng)軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)的工廠大量制造及供應(yīng)各種常用規(guī)格的軸承，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)[15]。常見的滾動(dòng)軸承實(shí)物圖見圖3.13。
圖3.13 滾動(dòng)軸承實(shí)物圖
常見的滾動(dòng)軸承有深溝球軸承、圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承、推力球軸承等，不同的滾軸軸承有不同的性能和特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱中選用常見的深溝球軸承。深溝球軸承主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受小的軸向載荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，可用來(lái)承受純軸向載荷。深溝球軸承一般都大量生產(chǎn)，價(jià)格最低。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸的選用的深溝球軸承型號(hào)分別為61803、61804、61805、61806、61807。軸承與軸的連接見圖3.14。
圖3.14 軸承CAD連接圖
除了使用深溝球軸承，在第Ⅴ軸，即主軸上還需使用一對(duì)可用承受軸向載荷的軸承，這里選用角接觸球軸承。角接觸球軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷。由于一個(gè)軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對(duì)使用。承受軸向載荷的能力與接觸角α有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高，這里選用60°角接觸球軸承。
滾動(dòng)軸承選用好以后，還要考慮到滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑。潤(rùn)滑對(duì)于滾動(dòng)軸承具有重要意義，軸承中的潤(rùn)滑劑不僅可以降低摩擦力，還可以起著散熱、減小接觸應(yīng)力，吸收振動(dòng)，防止銹蝕等作用。
軸承常用的潤(rùn)滑方式有油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑兩類，本次設(shè)計(jì)的主軸箱采用油潤(rùn)滑的方式，潤(rùn)滑油的主要性能指標(biāo)是粘度，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)選用粘度越低的潤(rùn)滑油；載荷越大，應(yīng)選用高粘度的潤(rùn)滑油。
3.6 軸承蓋的設(shè)計(jì)
軸承蓋用于固定軸承，調(diào)整軸承間隙并承受軸向力。軸承蓋一般有嵌入式和凸緣式兩種，但嵌入式軸承蓋設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但是密封性差，目前這種結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)實(shí)踐中已很少采用。凸緣式軸承高調(diào)整軸承間隙比較方便，密封性能也好，所以用得較多。這種端蓋大多數(shù)采用鑄造件，所以要考慮鑄造工藝，盡量使整個(gè)厚度均勻。
為了調(diào)整軸承間隙，端蓋與箱體之間應(yīng)該放置若干08P的軟鋼片或紫銅片組成的調(diào)整墊片。
軸承蓋的結(jié)構(gòu)示意圖見3.15。
圖3.15 軸承蓋零件圖
4 主軸箱的裝配工藝性
機(jī)械裝置的裝配是機(jī)械制造中最后的工藝環(huán)節(jié)，它將最終保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。如果裝配工藝制定不合理，即使所有零件都符合質(zhì)量要求，也不能裝配出合格的產(chǎn)品。只有做好裝配的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，選擇適當(dāng)?shù)难b配方法，才能高質(zhì)量、高效率、低成本地完成裝配任務(wù)。
4.1 裝配的概念
裝配是一個(gè)多層次的工作。零件是組成機(jī)器不可再分的基本單元，若干個(gè)零件組成組成。例如，主軸箱中的主軸與其上的鍵、齒輪、墊片、套筒、軸承組成了主軸組件。
將零件、合件裝配成組件稱為組裝。將零件、合件和組件裝配成部件稱為部裝。將零件、合件、組件和部件最終裝配成機(jī)器稱為總裝。
裝配不僅是最終保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，而且在裝配過程中可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器在設(shè)計(jì)和制造中存在的問題，如在設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤和結(jié)構(gòu)工藝性不好，零件加工過程中存在的質(zhì)量問題以及裝配工藝本身的問題，從而在設(shè)計(jì)、制造和裝配方面不斷改進(jìn)[16]。
4.2 裝配的內(nèi)容
裝配不只是將合格的零件簡(jiǎn)單地連接起來(lái)，它包含一系列內(nèi)容：
（1） 清洗
徑檢驗(yàn)合格的零件，裝配前要經(jīng)過認(rèn)真清洗，其目的是去除粘附在零件上的灰塵、切屑和油污，并使零件具有一定的防銹能力。滾動(dòng)軸承用汽油清洗，其他零件有煤油清洗。
（2） 聯(lián)接
這是裝配的主要工作。在本次設(shè)計(jì)的主軸箱中，先把主軸箱固定在床身上，用螺栓進(jìn)行固定。然后在箱體兩端的孔中裝入第Ⅰ根軸，在裝入齒輪，齒輪從背面的開口中裝入，在依次裝入套筒，軸承，調(diào)整墊片，軸承端蓋等零件，最后用螺釘把軸承端蓋固定。按照上述方法依次再裝入第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ軸，最后用蓋板把開口密封住。
（3） 校正和調(diào)整
在裝配過程中，完全靠零件互換裝配以保證裝配精度往往是不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不可能的，所以在裝配過程中常常要做校正和調(diào)整。
校正是指相關(guān)零、部件間相互位置的找正、找直、找平及相應(yīng)的調(diào)整工作。比如主軸中心與尾架中心等高的校正等。
調(diào)整是指相關(guān)零、部件間相符位置的調(diào)節(jié)工作。比如軸承間隙、導(dǎo)軌間隙的調(diào)整等。
（4） 試驗(yàn)與驗(yàn)收
主軸箱裝配完成后，要按照有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)收，比如相互位置精度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的驗(yàn)收等。
結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過幾個(gè)月的忙碌的學(xué)習(xí)，終于完成了絲杠測(cè)量?jī)x主軸箱的設(shè)計(jì)。從一開拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的迷茫，然后在圖書館和網(wǎng)上查閱