畢 業(yè) 設 計 題 目 多軸自動螺栓擰緊機的設計 學 院 專 業(yè) 班 級 學 生 學 號 指導教師 濟南大學畢業(yè)設計 I 摘 要 螺紋聯(lián)接由于簡單可靠 拆卸方便 而廣泛應用于眾多的機構裝配中 在現(xiàn)代 工業(yè)過程中 用螺栓裝配是非常普遍的 尤其是在發(fā)動機 壓縮機及變速箱等對螺 栓擰緊的角度與位置裝配精度要求很高的場合 然而 目前在中國 由于傳統(tǒng)工藝 等原因 現(xiàn)在廣泛應用在裝配線上的是氣動與液壓扳手 其存在操作不方便 工人勞 動強度大 效率底 角度和扭矩控制精度差而且不能實現(xiàn)網(wǎng)絡化和在線管理等缺點 已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)高性能裝配的要求 盡管國外已有自動螺栓擰緊機 但由于 其產品價位高 使用工位單一 靈活性差 售后服務不到位等原因不為廣大中國用 戶所接受 螺栓擰緊應用于汽車行業(yè)裝配是一個普遍現(xiàn)象 以前人們只是考慮在裝 配時 把螺栓 或者螺母 擰到最緊的程度 后來才發(fā)現(xiàn) 這個 最緊 不過是一 個非常模糊概念 它是因人而異的 一臺機器有幾十個以至成百上千個零件 采用 螺栓緊固方法裝配 在大生產中又是由多數(shù)人在不同的時間里完成的 而且每天又 要裝配幾十或幾百臺機器 這個 最緊 的離散度將是可想而知 另外 還有些零 件 如汽車發(fā)動機中的連桿大頭孔 在金屬切削車間需要用螺栓把瓦蓋裝配起來 進行加工 而到了裝配車間 又要先松開螺栓 拆下瓦蓋 套到曲軸上后再重新擰 緊后裝配 如用這個 最緊 來進行 其結果將是非常危險的 因而 如何有效地 控制 擰緊 并使其達到 最佳 也就成為了行業(yè)十分關注的課題 擰緊機就 是作為有效地控制 擰緊 并使其達到 最佳 裝配工具 本文從擰緊機的結構 設計入手 通過對螺栓擰緊機的各個結構的設計 完成總體的裝配圖 比較圓滿的 完成了擰緊機的系統(tǒng)設計 對一些比較重要的零件進行了詳細的介紹并繪制其零件 圖 關鍵詞 螺栓擰緊 扭矩 轉角法 減速裝置 花鍵軸 濟南大學畢業(yè)設計 II ABSTRACT Threaded connection due to simple reliable disassemble convenient and widely used in numerous organizations assemble in the modern industrial process use bolt assembly is very common especially in the engine refrigeration compressor and transmission on the Angle and position to tighten bolts assembling accuracy demanding occasion However at present in China because the traditional process and other reasons now widely used in assembly line is pneumatic and hydraulic wrench its existence operating inconvenient labor intensity big efficiency bottom Angle and torque control precision poor and can t achieve network and online management shortcomings cannot have satisfied the requirements of modern industrial high performance assembly Although foreign existing automatic bolt tightened machine but because of its product price high use workstation single flexibility is bad after sales service for the main reasons not accepted by Chinese users Bolt tightened application in automobile industry assembly is a common phenomenon people used in assembly just consider the bolts or nut twist to the extent of the closest Later discovered this the most tight but is a very vague concept it is because of the person different A machine that there are dozens of hundreds of parts use bolts method is in production assembly by most people in different time every day and finished and assembly tens or hundreds of machine the most tight discrete degrees will be imagined Additional still some parts such as car engine of this big end hole in metal cuttingworkshop need bolts put tile to cover the assembly process and to rise and assembly workshop first remove the loosening bolts earthen cover set to tighten again after the crankshaft assembly if use the most tight to undertake the result will be very dangerous Therefore how to effectively control tight and make its reach best will become the industry is very concerned issue Tighten the machine is as effectively control tight and make its reach best assembly tools This article from the structure design of tighten machine through all of bolt tightened machine structure design complete general assembly is a completion of the tight machine system design Some of the more important parts of a detailed introduction and map its detail drawings Key words Bolt tight Torque corner law Slow device spline 濟南大學畢業(yè)設計 III 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1 前言 1 1 1 螺栓聯(lián)接的歷史 1 1 2 螺栓擰緊機的出現(xiàn) 1 1 3 螺栓擰緊機的發(fā)展 1 1 4 中國擰緊機的發(fā)展 1 2 螺栓擰緊機的原理及意義 3 2 1 原理 3 2 1 1 扭矩法 3 2 1 2 扭矩轉角法 4 2 1 3 屈服點法 5 2 2 意義 6 2 2 1 預緊力不適當帶來的后果 6 2 2 2 設計意義 6 3 螺栓擰緊機的總體設計過程 7 3 1 設計內容 7 3 2 性能特點 7 3 3 主要技術參數(shù) 7 3 4 螺栓擰緊機的總體設計 7 3 4 1 減速裝置的選擇 8 3 4 2 軸的設計 8 3 4 3 花鍵軸的校核 9 3 5 電動機的選擇 11 4 行星齒輪減速器的設計 12 4 1 概述 12 4 2 設計的四個條件 12 4 2 1 滿足給定的傳動比 12 4 2 2 同心條件 13 4 2 3 鄰接條件 13 4 2 4 安裝條件 14 濟南大學畢業(yè)設計 IV 4 3 行星輪系的設計 14 4 3 1 一級行星輪系的設計 15 4 3 2 二級行星輪系的設計 15 4 3 3 三級行星輪系的設計 16 4 4 嚙合效率的計算 16 4 5 總的傳動效率的計算 17 4 6 齒輪強度的校核 18 4 6 1 對一級行星輪系校核 18 4 6 2 對二級行星輪系校核 21 4 6 3 對三級行星輪系校核 24 5 螺栓擰緊機的控制方法 27 5 1 扭矩傳感器 27 5 2 角度編碼器 27 5 3 擰緊過程中的控制方法 27 5 3 1 扭矩法 27 5 3 2 扭矩轉角法 27 5 3 3 屈服點法 27 5 4 擰緊過程的檢測 28 6 結論 29 參考文獻 30 致謝 31 濟南大學畢業(yè)設計 1 1 前言 1 1 螺栓聯(lián)接的歷史 螺紋聯(lián)接由于簡單可靠 拆卸方便在鐵路道軌螺栓緊固中得到廣泛應用 目前 螺紋的擰緊普遍采用液壓和電動扳手來完成 由于液壓扳手和氣動扳手在擰緊過程 中是依靠大沖擊力來擰緊螺紋裝置 所以擰緊扭矩值誤差比較大 另外液壓和電動 的定值扭矩扳手不宜于在大扭矩狀況下工作 這樣不僅勞動強度大 而且生產效率 低 擰緊質量極不穩(wěn)定 1 2 螺栓擰緊機的出現(xiàn) 自動螺栓擰緊機是集機械的傳動 電氣的傳動 氣動技術 電子技術 自動檢 測于一體的機電一體化設備 擰緊機顧名思義就是擰緊工件的設備單元 主要適用 在螺栓 螺母擰緊方面 一臺機器有成百上千個零件采用螺栓緊固的方法裝配 在大 批生產中又是由多人在不同工位里來完成的 并且每天又要裝配幾十或幾百臺機器 這個螺栓的數(shù)量是可想而知的 并且還要擰緊到產品圖紙規(guī)定的擰緊扭矩的數(shù)值 為了提高生產效率 保證螺栓的擰緊扭矩即自動螺栓擰緊機便誕生了 1 3 螺栓擰緊機的發(fā)展 螺栓擰緊技術是從國外發(fā)展起來的 比較有代表性的有 瑞典的阿特拉斯 Atlas Copco 法國喬治雷諾 CP Georges Renault 美國英格索蘭 Ingersoll RAND 德國的博世 BOSCH 美國的庫柏 Cooper 等等 為適應定扭矩加載的可控 制擰緊場合需求 在 80 年代未 國外機電 汽車制造行業(yè)已普遍采用可控制扭矩 可控轉角和屈服點的擰緊工具 近年來 伴隨著電機調速等控制技術 扭矩控制等 技術的發(fā)展 國外的裝配作業(yè)線上的裝配工具逐步從手工 風動 液壓或電動工具 向低能耗 低噪聲 控制精確等可控制擰緊設備方向發(fā)展 通過微機控制的自動型 裝配系統(tǒng) 實現(xiàn)對裝配對象的定扭矩 定轉角監(jiān)控和屈服強度監(jiān)控 1 4 中國擰緊機的發(fā)展 同國外相比 我國機電 汽車產品的螺紋擰緊工具目前還比較落后 尚不能系 列 批量地供應生產中急需的擰緊工具及設備 每年都要花費大量外匯購買國外產 品 近年來 隨我國汽車業(yè)的迅猛發(fā)展 為了提高整體素質 增強國際競爭力 正 朝著規(guī)?；?自動化方向大踏步前進 對裝配質量和生產率提出了更高的要求 因 此對大量使用的螺栓 螺母 的擰緊效率 也提出了越來越高的要求 這種要求促進 了現(xiàn)階段我國在擰緊技術方面的發(fā)展 但目前現(xiàn)狀是 國內市場大部分被國外品牌 濟南大學畢業(yè)設計 2 占領 主流整車廠基本不用國產設備 同時也有少數(shù)企業(yè)進行了自主開發(fā) 比如中 國科學院沈陽自動化研究所 東風公司設備制造廠 大連德欣公司 山東龍口氣動 機械廠等等 但從技術方面比較 同國外產品有相當大的差距 隨著電子技術水 平的不斷提高 新型的傳感器技術的發(fā)展 以及對擰緊技術的更深入研究 將會出 現(xiàn)精度和自動化程度更高的自動擰緊機 或者會出現(xiàn)采用全新技術的自動擰緊機 可以預見 中國的汽車裝配行業(yè)會越來越多地使用自動擰緊機 使汽車的裝配質量 和效率得到極大提高 濟南大學畢業(yè)設計 3 2 螺栓擰緊機的原理及意義 2 1 原理 螺栓擰緊機系統(tǒng)由四大部分組成 支承部件 升降系統(tǒng)控制系統(tǒng)動力及傳動系 統(tǒng) 其中動力和傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是螺栓擰緊機的核心 支承部件起了支承其 1 它系統(tǒng)作用 動力及傳動系統(tǒng)和升降系統(tǒng)都要安裝在支承部件上 螺栓擰緊機的主要功能是將螺紋按規(guī)定要求擰緊 本文的擰緊機以電動機作為 動力源 輸出的扭矩經(jīng)減速器增大 用于螺紋擰緊加載 以壓縮空氣作為輔助的動 力來源 用于氣缸帶動擰緊箱運動 當擰緊箱到達工作位置后 就可以進行螺紋擰 緊 整個擰緊過程由電氣控制系統(tǒng)控制 傳感器實時將數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng) 控制 系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)進行計算和判斷 監(jiān)視整個擰緊過程 螺紋擰緊機的卸載過程 也 是在控制系統(tǒng)控制下 按一定固定循環(huán)自動進行的 扭矩 轉動角度等參數(shù)可根據(jù) 實際情況 自由設定 圖2 1螺栓擰緊機的原理圖 2 1 1 扭矩法 當扭矩 目標扭矩 擰緊軸停止 如果最小扭矩 峰值扭矩 最大扭矩 則擰緊合格 此方法只控制施加的扭矩 是利用扭矩與夾緊力的線性關系在彈性區(qū) 進行緊固控制的一種方法 但由于螺紋副和零件表面的摩擦力變化 對于實際的軸 向夾緊力控制達不到很好的精度 根據(jù)表面狀況和潤滑的不同 軸向夾緊力離散度 可以達到 50 濟南大學畢業(yè)設計 4 另外 此方法不能檢測到擰緊過程中的差錯 如螺紋孔太短 螺紋尺寸不符等 都有可能產生施加扭矩已到達 實際工件卻沒有擰緊的錯誤 圖 2 2 扭矩法的優(yōu)點是控制目標直觀 測量容易 操作過程簡便 控制程序簡單 扭 矩控制法的缺點是 未能充分利用材料潛能 受摩擦系素影響 扭矩系數(shù)變化大 使預緊力離散度大 因此控制精度低 因此 扭矩法一般采用手動 電動或氣動工 具一次直接將螺紋副的裝配扭矩裝配到位 用于不太重要的裝配位置 2 1 2 扭矩轉角法 如果轉角 目標轉角 或者扭矩 最大扭矩 擰緊軸停止 如果最小扭 矩 最終扭矩 最大扭矩 并且最小轉角 最終轉角 最大轉角 則擰緊合格 扭矩 轉角法的實質是控制螺栓的伸長量 在螺栓貼合 貼合扭矩常取所需擰緊扭 矩值的25 左右 以后的整個彈性擰緊范圍內 軸向夾緊力與伸長量成正比 控制 伸長量就是控制軸向力 而伸長量與轉角成正比 扭矩 轉角法主要通過將螺栓拉 長在超彈性極限 塑性變形區(qū) 以實現(xiàn)充分利用材料強度 設計夾緊力可取螺栓屈 服強度的70 同時又完成了高精度擰緊控制的目的 此方法可以明顯提高軸向夾 緊力的控制精度 達到 15 到 25 螺紋件摩擦系數(shù)對擰緊質量影響小 并且 有很好的重復性 夾緊力的分散度較小 平均值可提高到屈服極限的70 80 既 提高了材料的利用率 也提高了擰緊的可靠性 主要應用于發(fā)動機連桿和主軸承蓋 缸蓋 飛輪 剎車鉗 轉向器等 此擰緊控制方法是目前應用較多的方法 適合于 對重復性要求較高的擰緊 扭矩轉角法 在擰緊過程中 盡管螺紋件摩擦系數(shù)對達到貼合扭矩的擰緊所 13 產生的 階段預緊力 有影響 但影響較小 因為摩擦系數(shù)的變化僅影響到轉角控 制的起始點 在角度控制階段 可知螺紋摩擦系數(shù)對轉角擰緊所產生的預緊力無影 響 因為在彈性變形區(qū)內 若螺栓剛度恒定 預緊力僅與螺栓伸長量有關 而伸長 量與轉角度數(shù)成正比 如果螺紋件擰緊轉動 3600 螺栓受力部分伸長一個螺距 因 濟南大學畢業(yè)設計 5 此 摩擦系素對最終預緊力數(shù)值影響不大 故控制精度比單純控制扭矩的方法大大 提高 2 1 3 屈服點法 屈服點法利用扭矩一轉角增最比概念 將螺紋件擰緊至螺栓的屈服點 擰緊工 具使用計算機電路 將輸入的扭矩和轉角進行微分計算 并繪制扭矩一轉角曲線 從而實現(xiàn)自動停機控制 屈服點控制法的擰緊質量 預緊力離散性 只與螺栓屈服強 度有關 屈服點法的優(yōu)點是將螺栓擰至其屈服點 最人限度地發(fā)揮了螺紋件強度的 潛力 大量研究表明 螺栓擰緊時軸向預緊力越大 擰至屈服點 其抗松動和抗疲 勞性能越好 其缺點是擰緊工具價格過于昂貴 是通過監(jiān)測擰緊扭矩隨角度變化曲 線的斜率 將螺紋件擰緊至屈服點的方法 在螺紋擰緊過程中 扭矩曲線從彈性區(qū) 到塑性區(qū) 扭矩與角度的線性關系發(fā)生變化 斜率也發(fā)生變化 當斜率的變化達到 某一范圍 就認為達到屈服點 計算微商公式如下 dT 1 2 式中 扭矩變化量 扭矩角變化量Td d 圖 2 3 屈服點法原理圖 屈服點法利用扭矩一轉角增量比概念 將螺紋件擰緊至螺栓的屈服點 屈服點 濟南大學畢業(yè)設計 6 法的擰緊質量 預緊力離散度 只與螺栓屈服強度有關 屈服點法的優(yōu)點是 1 不受扭矩控制法的摩擦系數(shù)和轉角控制法的轉角起始點的影響 從而 克服了扭矩控制法和彈性區(qū)轉角法的致命缺點 提高了裝配精度 2 將螺栓擰至其屈服點 最大限度地發(fā)揮了螺紋件強度的潛力 大量研究表 明 螺栓擰緊時軸向預緊力越大 擰至屈服點 其抗松動和抗疲勞性能越好 其缺點是控制系統(tǒng)很復雜 因此擰緊工具價格太昂貴 而且對螺栓的材料 結構和熱處理要求很高 2 2 意義 2 2 1 預緊力不適當帶來的后果 1 螺紋聯(lián)接零件的靜力損壞 若螺紋緊固件擰得過緊 即預緊力過大 則螺 栓可能被擰斷 被聯(lián)接件可能被壓碎 咬粘 扭曲或斷裂 也可能螺紋牙被剪斷而 脫扣 2 被聯(lián)接件滑移 分離或緊固件松脫 對于承受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接 預緊力使被聯(lián)接件間產生正壓力 依靠摩擦力抵抗外載荷 因此 預緊力的大小決 定了它的承載能力 若預緊力不足 被聯(lián)接件將出現(xiàn)滑移 從而導致被聯(lián)接件錯位 歪斜 折皺甚至緊固件被剪斷 對于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接 預緊力使接合面上產 生壓緊力 受外載荷作用后的剩余預緊力是接合面上工作時的壓緊力 預緊力不足 將會導致接合面泄漏 如壓力管道漏水 發(fā)動機漏氣 甚至導致兩被聯(lián)接件分離 預緊力不足還將引起強烈的橫向振動 致使螺母松脫 3 螺栓疲勞破壞 大多數(shù)螺栓因疲勞而失效 減小預緊力雖能使螺栓上循環(huán) 變化的總載荷的平均值減小 但卻使載荷變幅增大 因此 總的效果大多數(shù)是使螺 栓疲勞壽命下降 4 增大設備質量與成本 若預緊力過小 需使用較多和 或 較大的緊固件 往往也需采用較大的被聯(lián)接件 因而增大了產品質量 同時 許多產品的成本是與 需要裝配的零件數(shù)目成正比的 所以預緊力過小將導致裝配成本和制造成本 以及 維修費用的增加 2 2 2 設計意義 螺紋聯(lián)接根本意義在于 利用螺紋緊固件將聯(lián)接體可靠地聯(lián)接在一起 螺紋裝 配的實質是要將螺栓的軸向預緊力控制在適當?shù)姆秶鷥?進一步了解和認識螺紋擰 緊的控制方法 學習到設計過程中一些傳動及其動力機構的機理 明確了螺栓擰緊 在現(xiàn)在生產及生活中的定位 成為機械工業(yè)中不可或缺的一部分 通過本次設計我 學到了很多科技前沿的只是 讓我們在以后的工作學習中受益匪淺 濟南大學畢業(yè)設計 7 3 螺栓擰緊機的總體設計過程 3 1 設計內容 多軸自動螺栓擰緊機的總體設計 本文擬設計的擰緊機主要應用于普通家用汽 車裝配車間 用于擰緊輪胎的緊固螺栓 單班制工作 預期壽命中等 主要設計內 容有 制定工藝方案 確定擰緊機結構方案 具體方案設計 繪制圖紙 并進行相應的設 計計算及校核 包括 a 擰緊機零件圖 b 擰緊機組裝圖 c 有關設計計 算 校核 d 設計說明書 3 2 性能特點 性能特點 主要應用于普通家用汽車裝配車間 用于擰緊輪胎的緊固螺栓 3 3 主要技術參數(shù) 根據(jù)擰緊機在汽車生產上擰緊輪胎的應用 設定以下設計參數(shù) 擰緊轉速 n 50r min 最大擰緊扭矩 T 150N m 單班制工作 預期使用壽命 10 年 每年 300 個工作日 在使用期限內 工作時間占 20 3 4 螺栓擰緊機總體設計 2 螺栓擰緊機的總體設計是概略的設計好擰緊機的主體機構 然后根據(jù)其主體將 傳動機構 減速機構 傳感器等重要部件依次設計安裝 最后形成完整的裝配圖 如下圖 3 1 螺栓擰緊機裝配圖 濟南大學畢業(yè)設計 8 圖 3 1 螺栓擰緊機裝配圖 3 4 1 減速裝置的選擇 在合理選擇結構形式的條件下 由于利用內嚙合和數(shù)個行星輪分擔傳遞載荷 通常行星輪系比定軸輪系具有結構緊湊 體積小 重量輕 傳動比大的優(yōu)點 因此 在機床 汽車 工程機械 坦克及其他通用機械中得到廣泛的應用 由于行星輪系 具有的以上優(yōu)點 我們在設計螺栓擰緊機的時候選擇這種減速系 行星齒輪傳動的特點 行星齒輪傳動與普通齒輪傳動相比較 它具有許多獨特的優(yōu)點 它的最顯著的 特點是 在傳遞動力時它可以進行功率分流 同時 其輸入軸與輸出軸具有同軸性 即輸出軸與輸入軸均設置在同一軸線上 所以行星齒輪傳動現(xiàn)已被人們用來代替普 通齒輪傳動 為作為各種機械傳動系統(tǒng)中的減速器 增速器和變速裝置 尤其是對 于那些要求體積小 質量小 結構緊湊和傳動效率高的航空發(fā)動機 起重運輸 石 油化工和兵器等的齒輪傳動裝置以及需要差速器的汽車和坦克等車輛的齒輪傳動裝 置 行星齒輪傳動已得到越來越廣泛的應用 1 體積小 質量小 結構緊湊 承載能力大 2 傳動效率高 由于行星齒輪傳動的對稱性 即它具有數(shù)個均勻分布的行星 輪 使得作用于中心輪和轉臂軸承中的反作用力能相互平衡 從而有理由達到提高 傳動效率的作用 3 傳動比大 可以實現(xiàn)運動的合成與分解 4 運動平穩(wěn) 抗沖擊和振動的能力強 3 4 2 軸的設計 1 材料 40Cr 5 這種鋼經(jīng)調質后用于制造承受中等負荷及中等速度工作的機械零件 如汽車的 轉向節(jié) 后半軸以及機床上的齒輪 曲軸 蝸桿 花鍵軸 頂尖套等 經(jīng)淬火及中 濟南大學畢業(yè)設計 9 溫回火后用于制造承受高負荷 沖擊及中等速度工作零件 如齒輪 主軸 油泵轉 子 滑塊 套環(huán)等 經(jīng)淬火及低溫回火后用于制造承受重負荷 低沖擊及具有耐磨 性 截面上實體厚度在 25mm 以下的零件 如蝸桿 主軸 軸 套環(huán)等 經(jīng)調質并高 頻表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零件 如齒輪 套筒 軸 主軸 曲軸 心軸 銷子 連桿 螺釘 螺帽 進氣閥等 此外 這種 鋼又適于制造進行碳氮共滲處理的各種傳動零件 如直徑較大和低溫韌性好的齒輪 和軸 2 由于花鍵軸具備多齒工作 承載能力高 對中性好 導向性好 齒根較淺 應力集中小 軸與轂強度削弱小 加工方便 能用磨削方法獲得較高的精度等優(yōu)點 我們選擇花鍵軸作為連接三級輪架和擰緊頭連接的零件 查詢材料的許用應力表 得 2 b0 mpa15 b1 pa90 1 3 應力校正系數(shù) 6 10 b 2 當量轉矩 當量彎矩 當量彎矩 mNmNT 901506 M 3 62 31 bMd 通過查詢花鍵標準 取小徑為 32 大徑為 36 花鍵圖如下 8 圖 3 2 花鍵標準圖 3 4 3 花鍵軸的校核 2 1 按扭轉強度校核 這種方法按照軸所受的扭矩計算其強度 軸的扭轉強度條件為 濟南大學畢業(yè)設計 10 TTdn pW 32 095 4 3 式中 是扭轉切應力 T mpa 是軸所受的扭矩 N 是軸的抗扭截面系數(shù) TW3 是軸的轉速 nin r 是軸的傳遞的功率 pkW 是軸的截面直徑 dm 是扭轉切應力 T pakWrNTn785 095min 1095 由上式得到軸的直徑校驗 303332 02 0npAnpdTT 5 3 mA5 781330 6 通過上式得出作為承受扭矩的軸段的最小直徑小于花鍵軸的直徑 所以其扭轉強度 滿足 2 按剪切強度進行校核 各個鍵的側面受力 NsTF125006 15 3 7 3 mpaA 72 8 故其剪切強度符合要求 3 按疲勞強度進行校核 這種校核計算的實質在于確定變應力情況下的軸的安全程度 在已知軸的外形 尺 寸及載荷的基礎上 即可通過分析確定出一個或幾個危險截面 按如下式子求出安 全系數(shù) 并應使其大于或至少等于設計安全系數(shù) 即僅有扭轉切應力時 滿足 caS S 3 1602 13 1 macK 9 3 滿足要求 濟南大學畢業(yè)設計 11 4 按軸的扭轉剛度進行校核 軸的扭轉變形用每米長的扭轉角 來表示 軸扭轉角 的計算公式為 m 0單 位 為 PGIT41073 5 10 325 03 210 873 5444 式中 是軸所受的扭矩 TmN 是軸的材料的剪切彈性模量 對于鋼材 GpampaG410 8 是軸截面的極慣性矩 對于圓軸 PI 432 4dIP 即滿足軸的扭轉剛度條件 1 3 對于精密傳動軸 可取 m 5 02 3 5 電動機的選擇 已知 NT 150in 50r 通過給定的數(shù)據(jù)計算 kWnP78 99 3 6 12 3 根據(jù)求得的功率選擇 Y 系列三相異步電動機 Y802 2 電動機的各項參數(shù)如下 8 額定功率 1 1 同步轉速 3000 質量 17 kWmin rkg 濟南大學畢業(yè)設計 12 圖 3 3 電動機 4 行星齒輪減速器的設計 4 1 概述 由于總的傳動比通過計算可以得到 如下 345603n 擰 緊 頭電 動 機總i 1 4 將總的傳動比分成三級 即 三級行星齒輪減速器 各級傳動比公式已給出 4 2 設計的四個條件 1 要是安裝的行星輪的齒數(shù)滿足設計的條件 必須滿足以下四個方面 4 2 1 滿足給定的傳動比 濟南大學畢業(yè)設計 13 圖 4 1 行星齒輪系 按選定的行星輪系形式列出傳動比與各輪齒數(shù)的關系式 然后即可初步選擇各 輪齒數(shù) 其傳動比為 131ziH 2 4 按給定 即可求得比值 若先選定 值 即可求出 值 如 不是整數(shù) 則可Hi113z13z3 重新選取 有時無法準確實現(xiàn)給定的傳動比 這是則應找出最近似的比值 4 2 2 同心條件 行星輪系各輪之中心距 節(jié)圓半徑之和或差 必須符合一定關系 才能保證中 心輪 系桿共軸線 即要滿足同心條件 即 2 132r 3 4 若均用標準齒輪 則必須滿足 132z 所以前面給定的傳動比選定 后就必須按照同心條件選定 若算出的 不是1z 2z2z 整數(shù) 則要重新選定 的齒數(shù) 3 4 2 3 鄰接條件 在行星輪系中 一般均勻安裝兩個以上的行星輪以分擔載荷和平衡行星輪在運 濟南大學畢業(yè)設計 14 轉中產生的離心力 為了是行星輪之間不致碰撞 必須使相鄰行星輪的中心距大于 二行星輪齒頂圓半徑之和 即所謂的鄰接條件 設 為行星輪數(shù) 為行星輪齒頂圓半徑 如圖所示 很顯然必須滿足的鄰接Kar 條件為 Kar sin2 5 4 圖 4 2 鄰接條件示意圖 若采用標準齒輪 則 mzra 21 6 4 1 7 代入上式整理后得 K z sin122 8 4 4 2 4 安裝條件 濟南大學畢業(yè)設計 15 選擇行星輪數(shù)還要滿足安裝條件 即要使所有的行星輪能均勻的安裝進去 通 過查詢得知行星輪系的安裝條件表述為 單排負號機構中兩中心輪的齒數(shù)之和應是 行星輪數(shù)的整數(shù)倍 即 nKz 31 9 4 4 3 行星輪系的設計 通過對一級二級三級行星輪系的設計完成總的輪系的設計 4 4 3 1 一級行星輪系的設計 已知 行星輪數(shù)51 Hi 3 K 傳動比條件 131ziH 5 同心條件 2 132z 取 則 18 z27z3 z 鄰接條件 Kz sin12 4 106sin128 2z 安裝條件 Kz 3072831 通過以上條件的計算和驗證 一級行星輪系滿足以上四個條件 4 3 2 二級行星輪系的設計 已知 行星輪數(shù)41 Hi 3 K 傳動比條件 131ziH 4 同心條件 濟南大學畢業(yè)設計 16 2 132z 取 則 301 z2z903z 鄰接條件 Kz sin12 0 1796si2 2z 安裝條件 Kz 40129301 通過以上條件的計算和驗證 二級行星輪系滿足以上四個條件 4 3 3 三級行星輪系的設計 已知 行星輪數(shù)31 Hi 3 K 傳動比條件 131ziH 同心條件 2 132z 取 則 361 z182z73 鄰接條件 Kz sin12 7 2160si 2z 安裝條件 Kz 3187231 通過以上條件的計算和驗證 三級行星輪系滿足以上四個條件 4 4 嚙合效率的計算 4 一級行星輪系 25 071831 ziH 10 4 濟南大學畢業(yè)設計 17 HHi3131 980 25 1 0 1 4 二級行星輪系 3 09 31 ziH 12 4 HHi3131 981 25 3 三級行星輪系 5 072 3613 ziH 14 HHi3131 983 5 4 5 總的傳動效率計算 查詢機械設計手冊表 1 7 得知 892 0 聯(lián) 軸 器 選擇的軸承有 2 個深溝球軸承 6006 則 3 軸 承 選擇的軸承有 3 個深溝球軸承 6007 則 5 41 軸 承 則總效率為 890 1 983 0 90 5 總 16 4 電動機校驗 kWP785 09 80 kW1 總 17 4 電動機符合要求 三級行星輪系的輸出功率 k809 785 0 333 軸 承擰 緊 頭出 18 4 三級行星輪系的輸入功率 出入 23P9 濟南大學畢業(yè)設計 18 二級行星輪系的輸出功率 kWP831 09 0 8 332 行 星 輪 系軸 承出出 20 4 二級行星輪系的輸入功率 出入 12P1 一級行星輪系的輸出功率 kP856 09 0 83 221 行 星 輪 系軸 承出出 2 4 一級行星輪系的輸入功率 W2 56 11行 星 輪 系軸 承出入 3 4 6 齒輪強度的校核 選擇齒輪的材料為 考慮到減速器越小越容易安裝到螺栓擰緊機中 選取Cr40 齒輪的模數(shù)為 1 計算各級輪系中心輪的最大轉速 min 301rn 電 機 24 65 2i電 機 5 i 14 23 r 6 計算各級輪系中心輪的扭矩 mNnPT 7 803 95095011入 27 4 1624 22入 8 mNnPT 590783 95095033入 29 4 通過查詢機械設計手冊知 的許用接觸應力 選擇每一級Cr4 paH35 行星輪系的中心輪和行星輪進行校核 在 a c 傳動中 轉矩 在 c b 傳動中 上述兩式中 cacKkT accbzKkT a 表示中心輪 c 表示行星輪 b 表示內齒圈 k 為行星輪的個數(shù) 指載荷不均勻c 的系數(shù) 取值為 1 2 濟南大學畢業(yè)設計 19 4 6 1 對一級行星輪系校核 對于 a c 傳動 通過查詢 齒輪手冊 7 1 得知 9 使用系數(shù) 1 AK 動載系數(shù) 2 v 齒間載荷分配系數(shù) 1 HK 齒向載荷分布系數(shù) bdbKH 31 2105 6 08 1 4 1 30 載荷系數(shù) HvAK 2 1 彈性系數(shù) EZ 2 8 19mNZE 32 4 節(jié)點區(qū)域系數(shù) H5 2 H 接觸最小安全系數(shù) limHS10 limHS 總工作時間 總t ht 42 310 總 3 4 接觸壽命 NZ15 21NZ 許用接觸應力 H lim11HNS mpa2 68 073 34 濟南大學畢業(yè)設計 20 lim22HNSZ mpa4 7381 5 35 4 驗算 5 1820 9 528 132 ubdKTZacHE 36 4mpa734 符合強度要求 對于 c b 傳動 通過查詢 齒輪手冊 得知 使用系數(shù) 1 AK 動載系數(shù) 2 v 齒間載荷分配系數(shù) 1 HK 齒向載荷分布系數(shù) bdbKH 322105 6 018 4 載荷系數(shù) HvAK8 4 彈性系數(shù) EZ 2 8 19mNZE 節(jié)點區(qū)域系數(shù) H5 2H 接觸最小安全系數(shù) limHS10 lim HS 總工作時間 總t 濟南大學畢業(yè)設計 21 ht 1402 031 總 接觸壽命 NZ5 21NZ 許用接觸應力 H lim11HNS mpa2 68 073 li22Z 4 5 驗算 ubdKTZcHE21 mpa7359867 21840 9 528 13 符合強度要求 4 6 2 對二級行星輪系校核 對于 a c 傳動 通過查詢 齒輪手冊 得知 使用系數(shù) 1 AK 動載系數(shù) 2 v 齒間載荷分配系數(shù) 1 HK 齒向載荷分布系數(shù) bdbKH 312105 6 08 1 4 1 載荷系數(shù) 濟南大學畢業(yè)設計 22 HvAK 03 241 1 彈性系數(shù) EZ 2 8 19mNZE 節(jié)點區(qū)域系數(shù) H5 2 H 接觸最小安全系數(shù) limHS10 limHS 總工作時間 總t ht 42 310 總 接觸壽命 NZ0 1 5 21NNZ 許用接觸應力 H lim11HNS mpa701 3 li22Z 8 5 驗算 mpaubdKTZacHE 695 0314 29 058 121 mpa73 符合強度要求 對于 c b 傳動 通過查詢 齒輪手冊 得知 使用系數(shù) 1 AK 動載系數(shù) 濟南大學畢業(yè)設計 23 2 1 vK 齒間載荷分配系數(shù) H 齒向載荷分布系數(shù) bdbKH 322105 6 018 4 載荷系數(shù) HvAK 4 1 彈性系數(shù) EZ 2 8 19mNZE 節(jié)點區(qū)域系數(shù) H5 2H 接觸最小安全系數(shù) limHS10 lim HS 總工作時間 總t ht 42 310 總 接觸壽命 NZ15 21 NZ 許用接觸應力 H lim11HNS mpa701 3li22Z 8 5 驗算 濟南大學畢業(yè)設計 24 ubdKTZcHE21 mpa735695 034 29 0528 1 符合強度要求 4 6 3 對三級行星輪系校核 對于 a c 傳動 通過查詢 齒輪手冊 得知 使用系數(shù) 1 AK 動載系數(shù) 2 v 齒間載荷分配系數(shù) 1 HK 齒向載荷分布系數(shù) bdbKH 312105 6 08 1 4 1 載荷系數(shù) HvAK 2 彈性系數(shù) EZ 2 8 19mNZE 節(jié)點區(qū)域系數(shù) H5 2 H 接觸最小安全系數(shù) limHS0 1limHS 總工作時間 總t 濟南大學畢業(yè)設計 25 ht 1402 031 總 接觸壽命 NZ 7 21NNZ 許用接觸應力 H lim11HNS mpa74905 3 li22Z 驗算 mpaubdKTZacHE 7351667 0321 9 0528 121 符合強度要求 對于 c b 傳動 通過查詢 齒輪手冊 7 1 得知 使用系數(shù) 1 AK 動載系數(shù) 2 v 齒間載荷分配系數(shù) 1 HK 齒向載荷分布系數(shù) bdbKH 322105 6 018 4 載荷系數(shù) HvAK 4 1 彈性系數(shù) EZ 2 8 19mNZE 濟南大學畢業(yè)設計 26 節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ5 2 HZ 接觸最小安全系數(shù) limHS10 limHS 總工作時間 總t ht 42 310 總 接觸壽命 NZ15 21NZ 許用接觸應力 H lim11HNS mpa2 68 073 li22Z 4 5 驗算 ubdKTZcHE21 mpa73568967 18053 29 0528 1 符合強度要求 濟南大學畢業(yè)設計 27 5 螺栓擰緊機的控制方法 5 1 扭矩傳感器 扭矩傳感器是對各種旋轉與非旋轉機械部件上對扭轉力矩感知的檢測 扭矩傳 感器將扭矩的物理變化轉換成精確電信號 扭矩傳感器可以應用在制造粘度計 電 動 氣動 液壓 扭力扳手 它具有精度高 頻響快 可靠性好 壽命長的特點 5 2 角度編碼器 角度編碼器是一個電子設備元件 當它轉過一個特定角度后會產生一個電脈沖 通常固化在工具內部 在日常使用中有兩種形式角度編碼器 一種是一體化設備固 化在工具驅動軸上出齒輪驅動 另一種編碼器的形式是通過探測驅動軸上的磁元件 的轉動來靜態(tài)來采樣 由于編碼器的每轉脈沖數(shù)是固定的 所以通過套筒一整轉與 編碼器的轉動度數(shù)之間的換算 將控制單元標定后便可用于測量緊固件 5 3 擰緊過程中的控制方法 5 3 1 扭矩法 扭矩法是一種常規(guī)的擰緊方法 是利用扭矩與預緊力的線性關系在彈性區(qū)進行 緊固控制的一種簡便方法 使用該方法在擰緊的時侯 只對一個確定的緊固扭矩進 行控制 操作及其簡便 但是 緊固扭矩的 90 左右作用于螺紋摩擦和支承面摩擦 的消耗 真正作用在軸向預緊力方面僅 l0 左右 初始預緊力的離散度是隨著擰緊 過程中摩擦等因素的控制程度而變化的 因此該擰緊方法的離散度比較大 適合一 般零件的緊固 不太適合重要的 關鍵的零件的聯(lián)接 5 3 2 扭矩轉角法 扭矩一轉角法 是在擰緊時達到規(guī)定的貼合扭矩力 再轉動螺紋零件以達到規(guī) 13 定角度 貼合扭矩值常取所需擰緊扭矩值的 25 上下 盡管螺紋件摩擦系數(shù)對達到 貼合扭矩的擰緊所產生的 階段預緊力 有一定影響 但影響較小而且螺紋摩擦系 數(shù)對轉角擰緊所產生的預緊力沒有影響 因為在彈性變形區(qū)或超彈性區(qū)內 若彈性 模量固定 預緊力只與螺栓伸長量最有關 而伸長量與轉角度數(shù)成正比 5 3 3 屈服點法 屈服點控制法利用扭矩一轉角 增最比概念 將螺紋件擰緊至螺栓的屈服點 13 擰緊工具使用計算機電路 將輸入的扭矩和轉角進行微分計算 并繪制扭矩一轉角 曲線 從而實現(xiàn)自動停機控制 屈服點控制法的擰緊質量 預緊力離散性 只與螺栓 濟南大學畢業(yè)設計 28 屈服強度有關 5 4 擰緊過程的檢測 該擰緊機控制系統(tǒng)采用智能的閉環(huán)擰緊控制系統(tǒng) 處于對由一個給定連接點產 生夾具負荷的精確監(jiān)測 扭矩或力 的需要 系統(tǒng)需要扭矩角度的反饋 在直流電 驅動的時侯 施加的扭矩與輸入驅動器的電流成正比 IKT 是電樞控制馬達中的電樞電流 或是勵磁電動機中的勵磁電流 因此 扭矩I 可以通過電流計檢測計算出來 但是 在小扭矩應用中 由工件對驅動軸施加的反 向扭矩不能夠忽視 因此 用于測量實際夾具力的扭矩 或者力 傳感器的介紹如 下 典型的一個和惠斯通電橋連接在一起的由應變計組成的網(wǎng)狀物 扭矩傳感器安 裝在傳動軸的末端 小塊的接觸 這些傳感器根據(jù)扭矩的變動范圍可以有不同的大 小規(guī)格 電動機安裝有一個編碼器 可以提供傳動軸的角度方向和相應的角速度 濟南大學畢業(yè)設計 29 6 結 論 畢業(yè)設計是我們大學生學習階段的一次彌足珍貴的將理論知識同實踐相結合的 機會 通過這次對螺栓擰緊機的設計 首先 我被這種在學習領域的探索所深深地 吸引 讓我把以前知識再次拾起 把一些精髓的知識應用到設計中來 其次 對于 螺栓擰緊機 我從設計的觀點來看 它是一個將理論力學 機械設計等多學科的知 識穿通道一起 并取舍一些重要的參數(shù)來完成這次設計的過程 在設計過程中 我 對螺栓擰緊機的總體裝配圖進行了細致的繪制 并且將一些重要的零件 動力 傳 動結構 進行了詳細的講解 通過對傳動部分齒輪強度的校核 合理的選取齒輪的 輪數(shù) 完成其設計 最后 對扭矩傳感器和角度和編碼器進行簡單的講解 完成總 的設計 雖然畢業(yè)設計內容繁多 過程繁瑣 但是我的收獲卻很豐碩 對各種材料的使 用條件 對各種零件的適用機構 都認真透徹的進行了參考及選擇 針對本次畢業(yè) 設計 將以前學過的知識進行了一定的串聯(lián) 把設計中應用的理論知識進行了深入 細致的學習 完成此次畢業(yè)設計 對我的專業(yè)知識以及應用 是一種莫大的鼓勵 濟南大學畢業(yè)設計 30 參 考 文 獻 1 饒振綱 行星齒輪傳動設計 M 北京 化學工業(yè)出版社 2003 9 1 335 2 濮良貴 紀名剛 機械設計 M 第八版 北京 高等教育出版社 2006 5 186 239 3 孫桓 陳作模 葛文杰 機械原理 M 第七版 北京 高等教育出版社 2006 5 174 213 4 李化敏 李瑰賢 齒輪機構設計與應用 M 北京 機械工業(yè)出版社 2007 6 114 156 5 王章忠 機械工程材料 M 第二版 北京 機械工業(yè)出版社 2007 1 126 129 6 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室 理論力學 M 第六版 北京 高等教育出版社 2002 8 112 117 7 劉鴻文 材料力學 M 第四版 北京 高等教育出版社 2004 1 75 79 8 吳宗澤 羅圣國 機械設計課程設計手冊 M 第三版 北京 高等教育出版社 2006 5 35 170 9 齒輪手冊編委會 齒輪手冊 M 第二版 北京 機械工業(yè)出版社 2000 8 10 38 10 任麗華 螺紋擰緊扭矩的理論分析 J 煤礦機械 2006 7 67 68 11 劉建文 螺紋連接及擰緊技術 J 汽車工藝與材料 1999 2 7 8 12 卜炎 螺紋連接設計與計算 M 北京 高等教育出版社 1995 1 1 4 13 張家全 扭矩轉角裝配方法及測量誤差分析 J 計量技術 2003 2 29 31 14 J H Bickford Bolt Torque M Machine Design 1990 6 12 25 15 J Ne Waham etc Safety Using yield Method M Machine Design 1990 10 55 65 濟南大學畢業(yè)設計 31 致 謝 本文在張冰導師的指導下 通過自己查詢多方面的資料以及應用學過的知識下 完成的 所有的這一切都將成為我受益終生的寶貴財富 學生在此向導師表示衷心 的感謝 張老師多次向我詢問我的設計進程 并為我指點迷津 幫助我開拓思路 他一絲不茍的作風 嚴肅認真的態(tài)度 踏踏實實的精神 給了我很大的鼓舞 同時還要感謝關心和幫助過我的同學 四年的生活讓我們結下了深厚的友誼 大四畢業(yè)在即 回想起機械學院的老師和同學那一份兢兢業(yè)業(yè)的精神 他們踏踏實 實的學習的態(tài)度著實讓我受益匪淺 宿舍的舍友在我設計最瓶頸的時候給予了我最 大的支持 是他們讓我懂得緊張之余的放松不失為一種好的學習方法 感謝他們給 我的建議 四年的同窗生活走過了 但是我們的友誼卻是永遠的留在我們的心窗 每當生活和工作中遇到困難的時候 你們永遠是我最大 最堅強的后盾 為期大半個學期的畢業(yè)設計已接近尾聲了 我的四年大學生涯也即將圈上一個 句號 此刻我的心中卻有些悵然若失 我的那些同窗四年的舍友 那些給予了我們 最神圣的知識的老師即將和我再見 心中始終帶著那么一絲酸楚 四年間 每次走 進學習的教室都會讓我感受到一種親切熱情的氛圍 無論是學習 工作生活上的問 題 同學們之間互相學習互相進步 一一在目 也就是在這里 我學到了專業(yè)知識 學到了如何做人 學到了情意的所在 最后 在此對所有幫助過我的同學和老師說一聲 謝謝