防止各种碰撞和干涉三联滑移齿轮的...

金属切削机床课程设计任务书四
设计时间2周
题目最大加工直径为320mm普通车床主轴变速箱设计
给出条件Z 18级采用分离传动
任务二位同学合作进行
1参数拟定确定公比主电动机功率P
2运动设计列出结构式绘出结构网转速网传动系统图计算各传动副的传动比及齿轮的齿数
3强度计算和结构草图设计估算齿轮模数m和轴径d选择和计算正反向离合器制动器绘制出结构草图在结构草图的基础上对一根轴进行强度验算学生A或对主轴进行刚度验算学生B和该轴系的轴承寿命进行验算
4主轴变速箱装配设计在结构草图的基础上用计算机绘出变速箱展开图一张学生A或主轴箱展开图一张学生B并标注尺寸和配合
5编写设计计算说明书一份2030页全部用计算机打印出
内容应包括参数运动设计的分析和拟定轴和轴承的验算此外还应对重要结构的选择和分析做必要的说明
目录
第1章参数的确定 1
11 车床的规格系列和类型 1
12 参数确定 1
com削速度UUmin 1
com 主轴的极限转速2
com转速极数z和公比φ 2
com率-动力参数的确定 3 第2章传动设计 4
21 传动结构式4
22 传动组顺序的安排 4
com统扩大顺序的安排 5
com变速范围的极限值 5
com大传动组的选择 5
第3章转速图的拟定6
31 Ⅰ轴的转速6
32 中间传动轴的转速 6
33 齿轮传动比的限制7
第4章带轮直径和齿轮齿数的确定9
41 确定齿轮齿数9
42 带轮直径的确定11
第5章传动件的估算14
51 传动轴的估算15
52 齿轮模数的估算17
第6章展开图设计18
61 结构设计19
com内容19
com求 19
com法 20
62 Ⅰ轴输入轴的设计20
63 齿轮块的设计21
com特点21
com级的选择21
com加工方法的关系21
com轮 22
com轴向定位23
64 传动轴设计23
com构 23
com选择24
com向定位24
65 主轴组件设计24
第7章主要传动部件的校核27
71 对轴承的校核27
72 对轴的校核28
com度校核28
com度校核29
com数的校核30
第8章截面图设计31
81 截面图的内容31
82 轴的空间布置31
鸣谢33
参考文献34
摘要
机械制造业在整个国民经济中占有重要的地位而作为工作母机的机床是它的一个重要的成部分这是因为几穿担负机械制造业总工作量的4060机床的质量和技术水平直接影响机械产品的质量和可进行经济加工的使用范围为了设计和制造质量好效率高重量轻体积小结构简单使用方便的机床提出如下的基本要求
工艺范围
生产率和自动化程度
加工精度和表面粗糙度
可靠性
机床的效率和寿命
系列化通用化标准化程度
关键词切削机床机构可靠性标准化等
第1章参数的确定
11车床的规格系列和类型
普通机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础因此对这些基本知识和资料作些简要介绍本次设计的是普通型车床主轴变速箱车床的主参数规格尺寸和基本参数GB1582-79JBZ143-79
最大的工件回转直径Dmm是320刀架上最大工件回转直径D1大于或等于160
主轴通孔直径d要大于或等于36主轴头号JB2521-79是45最大工件长度L是500～1000主轴转速范围是315～～
加工条件硬质合金刀具粗加工铸铁件30～50 硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件150～300 螺纹丝杠等加工铰孔3～8
com．主轴的极限转速
计算车床主轴的极限转速时的加工直径按经验分别取01～～ 1224rmin nmin rmin rmin 25rmin
由于转速范围 R 498
因为级数Z已知
Z 18级
现以Φ 126和Φ 141代入R 式得R 51和344 因此取Φ 126更为合适
各级转速数列可直接从标准数列表中查出标准数列表给出了以Φ 106的从1～Φ126 从表中找到n 1250rmin就可以每隔3个数值取1个数得125010008006305004003152502001601251008063504031525共18级转速com 主轴转速级数z和公比
已知 Rn
Rn 且 z
因机床的电动机转速往往比主轴的大多数转速高变速系统以降速传动居多因此传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高根据转矩公式单位Nm T
当传递功率一定时转速较高的轴所传递的扭矩就较小在其他条件相同时传
动件如轴齿轮的尺寸就较小因此常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上这样可以节省材料减少传动系统的转动惯量因此选择结构式如下
18
com 电机功率动力参数的确定
合理地确定电机功率N使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能满足生产需要又不致使电机经常轻载而降低功率因素
目前确定机床电机功率的常用方法很多而本次设计中采用的是估算法它是一种按典型加工条件工艺种类
2切削功率 N切
3估算主电动机功率
根据以上条件选定主电机
a电机功率N
根据机床切削能力的要求确定电机功率但电机产品的功率已经标准化因此按要求应选取相近的标准值
N 55kw
b电机转速n
电机的转速选择的是
n 1440rmin
这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速n和Ⅰ轴的转速相近或相宜以免采用过大的升速或过小的降速传动
c电机的安装和外形
根据电机不同的安装和使用的需要有四种不同的外形结构用的最多的
有底座式和发兰式两种本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一具体的安装图可由手册查到
d常用电机的资料
根据常用电机所提供的资料选用
Y132S-4
第2章传动设计
21传动结构式个传动副即
Z Z1Z2Z3
传动副数由于结构的限制以2或3为合适即变速级数Z应为2和3的因子Z
可以有几种方案由于篇幅的原因就不一一列出了在此只把已经选定了的和本次设计所须的正确的方案列出具体的内容如下
传动齿轮数目 15个
轴向尺寸 12b
传动轴数目 6根
22 组传动顺序的安排
18级转速传动系统的传动组可以安排成3x3x22x3x3或3x2x3选择传动组安排方式时要考虑到机床主轴变速箱的具体结构32
传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致在此设计中扩大顺序和传动顺序就是一致的这种扩大顺序和传动顺序一致称为顺序扩大传动com 传动组的变速范围的极限植
在主传动系统的降速传动中主动齿轮的最少齿数受到限制为了避免被动齿
轮的直径过大齿轮传动副最小传动比umin≥最大传动比u≤2决定了一个传动组的最大变速范围r unmin≤8
最后扩大传动组的选择
正常连续的顺序扩大的传动串联式的传动结构式为
Z Z1〔〕〔〕〔〕〔〕〔〕〔〕合格
第3章转速图的拟定
运动参数确定以后主轴各级转速就已知切削耗能确定了电机功率在此基础上选择电机型号确定各中间传动轴的转速这样就拟定主运动的转图使主运动逐步具体化
31 Ⅰ轴的转速
Ⅰ轴从电机得到运动经传动系统化成主轴各级转速电机转速和主轴最高转速应相接近显然从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑Ⅰ轴转速不宜将电机转速下降得太低
但如果Ⅰ轴上装有摩擦离合器一类部件时高速下摩擦损耗发热都将成为突出矛盾因此Ⅰ轴转速不宜太高
车床Ⅰ轴转速一般取700～1000rmin另外也要注意到电机与Ⅰ轴间的传动方式如用带传动时降速比不宜太大否则Ⅰ轴上带轮太大和主轴尾端可能干涉因此本次设计选用
n1 700rmin
32 中间传动轴的转速
对于中间传动轴的转速的考虑原则是妥善解决结构尺寸大小与噪音震动等性能要求之间的矛盾
中间传动轴的转速较高时如采用先升后降的传动中间转动轴和齿轮承受扭矩小可以使用轴径和齿轮模数小写d∝ m∝从而可以使用结构紧凑但是这将引起空载功率N空和噪音Lp一般机床容许噪音应小于85dB加大 N空 KW
式中
C---系数两支承滚动或滑动轴承C 85三支承滚动轴承C 10
da---所有中间轴轴颈的平均直径mm
d主主轴前后轴颈的平均直径mm
∑n主轴转速rmin
mza所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm
mz主主轴上齿轮的分度圆的平均值mm
q----传到主轴所经过的齿轮对数
β----主轴齿轮螺旋角
C1K---系数根据机床类型及制造水平选取我国中型车床铣床C1 35车床K 54铣床K 505
从上诉经验公式可知主轴转速n主和中间传动轴的转速和∑n对机床噪音和发热的关系确定中间传动轴的转速时应结合实际情况作相应修正1功率教大的重切削机床一般主轴转速较低中间轴的转速适当取高一些
对减小结构尺寸的效果较明显
2速轻载或精密车床中间轴转速宜取低一些
3控制齿轮圆周速度u∠8ms可用7级精度齿轮在此条件下可适当选用较高的中间轴转速
33 齿轮传动比的限制
机床主传动系统中齿轮副的极限传动比
升速传动中最大传动比u≤2过大容易引起震动和噪音
降速传动中最小传动比umin≥14过小则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大
根据计算结果用规定符号以上是适当比例方格纸上绘制出转速图图 2 和主传动系统图图3
电机ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ图2 转速图
图3 传动系统图
第4章带轮直径和齿轮齿数的确定
41确定齿轮齿数
用计算法或查表法确定齿轮齿数后者更为简单根据要求的传动比u和初步定出的传动齿轮副齿数和Sz查表即可求出小齿轮齿数
在本次设计中采用的就是常用传动比的适用齿数小齿轮表就见教科书〈〈机床简明设计手册〉〉不过在表中选取的时候应注意以下几个问题
不产生根切一般去Zmin≥17～20
保证强度和防止热处理变形过大齿轮齿根圆到键槽的壁厚δ≥2mm一般取δ 5mm则zmin≥65具体的尺寸可参考图
同一传动组的各对齿轮副的中心距应该相等若莫数相同时则齿数和亦应相等但由于传动比的要求尤其是在传动中使用了公用齿轮后常常满足比了上述要求机床上可用修正齿轮在一定范围内调整中心距使其相等但修正量不能太大一
般齿数差不能超过3～4个齿
防止各种碰撞和干涉
三联滑移齿轮的相邻的齿数差应大于4应避免齿轮和轴之间相撞出现以上的情况可以采用相应的措施来补救
在同时满足以上的条件下齿轮齿数的确定已经可以初步定出具体的各个齿轮齿数可以见传动图3上所标写的
根据拟定的转速图上的各传动比就可以确定带轮直径和齿轮的齿数
Ⅰ-Ⅱ轴齿轮齿数
为了避免根切现象和结构设计的需要取
从《金属切削机床设计》表2-1中找出的倒数158这一行中查到最小齿数同时存在满足三个传动比要求的齿数和共有
707282
确定合理的齿数和并根据它决定各齿轮的齿数 72
由一行中找出
由一行中找出
由一行中找出
同理Ⅱ―Ⅲ轴中由于有一共用齿轮又
72
查表由这一行中找出
由的倒数2查表
最后一级齿轮传动由于是共用齿轮所以应该选择不同的模数以保证有相同
的中心距
计算如下
传动比
分别取
取
按传动比将齿轮分配如下
得出
42带轮直径确定
com 三角带传动的计算
三角带传动中轴间距A可以较大由于是摩擦传递带与轮槽间会有打滑亦可因而缓和冲击及隔离震动使传动平稳带传动结构简单但尺寸机床中多用于电机输出轴的定比传动
1 Ⅰ-Ⅱ轴三角带传动的计算
1 选择三角带的型号
根据计算功率Njkw和小带轮n1rmin查机床主轴变速箱设计指导选择带的型号
计算功率Nj KWNd kW
式中 Nd电机的额定功率
KW工作情况系数
车床的起动载荷轻工作载荷稳定二班制工作时取 KW 11
带的型号是 B型号
2 确定带轮的计算直径D1D2
1小带轮计算直径D1
皮带轮的直径越小带的弯曲应力就越大为提高带的使用寿命小带轮直径D1不宜过小要求许用最小带轮直径Dmin即D1≥Dmin各型号带对应的最小带轮直径Dmin可查表
D1 130rmin
2大带轮计算直径D2
262rmin
式中 n1--小带轮转速rmin
n2--大带轮转速rmin
ε--带的滑动系数一般取002
算后应将数字圆整为整数
3确定三角带速度u
具体的计算过程如下
10ms
对于OABC型胶带5ms≤v≤25ms
而u 5～10ms时最为经济耐用
此速度完全符合B型皮带的转速
4初定中心距A0
带轮的中心距通常根据机床总体布局初步选定一般可以在下列范围内选取
A0 06～2D1D2 mm
39206～2mm
中心距过小将降低带的寿命中心距过大时会引起带振动中型车床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为750～850mm
取 A0 784 mm
5确定三角带的计算长度L0及内周长LN
三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度
2189mm
圆整到标准的计算长度 L 2273mm
经查表 LN 2240 mm
修正值 Y 33
6验算三角带的扰曲次数u
≤40 次s 则合格
式中m--带轮个数如u超限可加大L加大A或降低u减少D2D1来解决代入数据得
88次s ≤40 次s
是合格的不需作任何修改
7确定实际中心距A
826 mm
8验算小带轮包角а1
а1≈180°-D2-D1A60°≥120°
如果а1过小应加大中心距或加张紧装置
代入数值如下
170°≥120°
经校核合格
9确定三角带根数z
式中N0--单根三角带在а1 180°特定长度平稳工作情况下传递的功率值
C1---包角系数
参数的选择可以根据书中的表差取
N0 251
C1 099
Kw 11
带入数值得
247
所以传动带根数选 3根
Ⅲ-Ⅳ轴三角带传动的计算
计算的过程和Ⅰ-Ⅱ轴三角带传动的计算过程相似就不做具体的计算说明现将结果写出如下mm
mm
844mm
L 250044 2544mm
2940mm
Z 233
所以传动带根数选 3根
第5章传动件的估算
传动方案确定后要进行方案的结构化确定个零件的实际尺寸和有关布置为此常对传动件的尺寸先进行估算如传动轴的直径齿轮模数离合器制动器带轮的根数和型号等在这些尺寸的基础上画出草图得出初步结构化的有关布置与尺寸然后按结构尺寸进行主要零件的验算如轴的刚度齿轮的疲劳强度等必要时作结构和方案上的修改重新验算直到满足要求最后才能画正式装备图51传动轴的估算
传动轴除了应满足强度要求外还应满足刚度要求强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏机床主传动系统精度要求较高不允许有较大的变形因此疲劳强度不是主要矛盾除了载荷很大的情况外可以不必验算轴的强度刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形如果刚度不足轴上的零件如齿轮轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作或者产生振动和噪声发热过早磨损而失效因此必须保证传动轴有足够的刚度通常先按扭转刚度估算轴的直径画出草图之后再根据受力情况结构布置和有关尺寸验算弯曲刚度com直径的估算
传动轴直径按扭矩刚度用下列公式估算传动轴直径
其中N该传动轴的输入功率
N Ndη kw
Nd电机额定功率
η从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积不计该轴轴承上的效率nf该传动轴的计算转速rmin
计算转速nf是传动件能传递全部功率的最低转速各传动件的计算转速可以从转速图上按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定而中型车床主轴的计算转速为
[ψ]每米长度上允许的扭转角degm可根据传动轴的要求选取
根据参考书中所给出的公式和本次设计所必须满足的条件在传动过程中所有轴的直径的估算如下
nj主 nminψz3-1
80 rmin
Ⅴ轴 nj 80 rmin
Ⅳ轴 nj 200 rmin
Ⅲ轴 nj 228rmin
Ⅱ轴 nj 455 rmin
Ⅰ轴 nj 715rmin
由
由于Ⅳ是空套轴所以不能用计算的结果来取轴的大小应该保证其空套内径与其他轴的的配合能让两轴彼此不发生干扰其具体的结构尺寸见图纸则计算中间传动轴的直径d最终选取值如下
Ⅴ轴 d5 43480mm取d4 45 mm
Ⅲ轴 d3 34620mm取d3 35 mm
Ⅱ轴 d2 30511mm取d2 32 mm
Ⅰ轴 d1 27319mm取d1 30 mm
本次设计机床中长采用矩形花键轴的
花键轴尺寸
GB1144-74 平均直径
当量直径
极惯性距
惯性距
28 2784 58976 29488 425 429 332609
166305 325 3319 119131 59565 30 2997 79244
39622
52齿轮模数的估算
按接触疲劳和弯曲强度计算齿轮模数比较复杂而且有些系数只有在齿轮个参数都已知道后方可确定所以只在草图画完之后校核用在画草图之前先估算再选用标准齿轮模数
齿轮弯曲疲劳的估算
m
齿面点蚀的估算
其中nj为大齿轮的计算转速A为齿轮中心距
由中心距A及齿数z1z2求出模数
根据估算所得mj的值由标准的模数表查取相近的标准模数
com Ⅰ轴传到Ⅱ轴的模数
1齿轮弯曲疲劳的估算
m 205mm
2齿面点蚀的估算
根据实际情况作出的调整取mj 3mm 考虑到Ⅱ轴上的公用齿轮
com Ⅱ轴传到Ⅲ轴的模数
同理可得
m 249mm
根据实际情况作出的调整取mj 3mm
com Ⅲ轴传到Ⅳ轴的模数
m 216mm
根据实际情况作出的调整取mj 3mm
com Ⅳ轴传到Ⅴ轴的模数
m 314mm
根据实际情况作出的调整取mj 4mm
以上所有的模数的选取都是根据参考书《机械原理》所提供的模数表中选取的标准值
展开图设计
61结构设计
com 设计的内容
设计主轴变速箱的结构包括传动件传动轴轴承带轮齿轮离合器和制动器等主轴组件操纵机构润滑密封系统和箱体及其联接件的结构设计与布置用一长展开图表示
com 技术要求
主轴变速箱是机床的主要部件设计时除考虑一般机械传动的有关要求外着重考虑以下几个方面的问题这是本次设计的中型车床的数据
1精度
车床主轴部件要求比较高的精度如
主轴的径向跳动〈 001mm
主轴的横向窜动〈 001mm
2刚度和抗振性
综合刚度主轴与刀架之间的作用力与相对变形之比D最大回转直径 mm
在主轴与刀架之间的相对振幅的要求
等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ振幅0001mm ≤1 ≤2 ≤3
3传动效率要求
等级
Ⅰ
Ⅱ
效率
≥085
≥08
075
4主轴前轴承处温度和温升应控制在以下范围
条件
温度
温升
用滚动轴承
≤70℃
≤40℃
用滑动轴承
≤60℃
≤30℃5噪声要控制在以下范围
等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
dB
≤78
≤80
≤83 6结构应尽可能简单紧凑加工和装备工艺性好便于维修和调整
7操作方便安全可靠
8遵循标准化和通用化的原则
com 设计方法
主轴变速箱结构设计是整个机床设计的重点由于结构比较复杂设计中不可避免要经过反复思考和多次修改在正式图之前最好能先画草图目的是
1布置传动件及选择方案
2检验传动设计的结果中有无相互干涉碰撞或其它不合理的情况以便及时改正
3确定传动轴的支承跨距齿轮在轴上的位置以及各轴的相对位置以确定各轴的受力点和受力方向为轴和轴承的验算提供必要的数据
为达到上述的目的草图的主要轮廓尺寸和零件之间的相对位置尺寸一定要画得准确细部结构可不必画出
各部分结构经反复推敲修改经过必要的验算确定了结构方案以后才能开始画正式装备图
62 Ⅰ轴输入轴的设计
com Ⅰ轴的特点
1将运动传入变速箱的带轮一般都安装在轴端轴变形较大结构上应注意加强轴的刚度或使轴不受带的拉力带轮卸荷
2制动器设计
对制动器的要求是制动迅速平稳结构简单紧凑维修调整方便
制动方式有两类电机制动和机械制动本次设计采用的是机械制动干片式单片电磁式其特点是动作灵敏可靠应用各种操作频率下制动操纵方便易于实现自动化具体的情况可见设计图纸
63齿轮块的设计
com 齿轮块特点
齿轮是变速箱中的重要元件齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的也就是说作用在一个齿轮上的载荷是变化的同时由于齿轮制造及安装误差等不可避免要
产生动载荷而引起振动和噪声常成为变速箱的主要噪声源并不影响主轴回转均匀性在齿轮块设计时应充分考虑到这些问题
com 精度等级的选择
变速箱中齿轮用于传递动力和运动它的精度的选择决定于圆周速度采用同一精度时圆周速度较高振动和噪声越大根据实验结果得知圆周速度增加一倍噪声约增大6dB本次设计直齿齿轮的精度选择如下
齿轮圆周速度
精度等级
U 8 ～15 ms
7-6-6Dc 工作平稳性和接触误差对振动和噪声的影响比运动误差更大为了控制噪声机床上主传动齿轮都选用较高的精度主传动齿轮选用的是 7-6-6
com 结构与加工方法的关系
不同精度等级的齿轮要采用不同的加工方法对结构要求也有所不同
7级精度齿轮用较高精度滚齿机或插齿机就可以达到但淬火后由于变形精度将下降因此需要淬火的7级齿轮一般滚插后要剃齿6级精度齿轮用精密滚齿机可以达到淬火齿轮必须磨齿才能达到6级机床主轴变速箱中齿轮齿部都需要淬火
各部分的尺寸推荐如下
1空刀槽bk
插齿时模数1～2 mm bk≥5 mm
模数25～4 mm bk≥6 mm
为了布置与作图的方便本次设计中所选的空刀槽
bk 8 mm
2齿宽 b
齿宽影响齿的强度但如果太宽由于齿的制造误差和轴的变形可能接触不均反而容易引起振动和噪声一般b取6～10m
式中m---模数
齿轮模数m小装在轴的中部或者是单片齿轮去大值
齿轮模数m大装在靠近支承处或者是多联齿轮去小值
由于本次设计中m分别为3mm4mm两个不同的数值虽然不同但是它们相差不是很大
同样为了布置几制造的方便所有的齿宽在满足公式的前提下选b为
b1 20 mm b2 30mm
3其他问题
滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿有规定的形状和尺寸圆齿和倒角的性质不同加工方法和画法也不一样
部分用于安装拨动齿轮的滑块一般取
本次设计中选用的是
com 组合齿轮
齿轮磨齿时要求较大的空刀砂轮距离因此多联齿轮不便于做成整体的一般都做成组合的齿轮块有时为了缩短轴向尺寸也有用组合齿轮的但在本次设计中用到的是键连接用平键拼装轴向定位用弹簧挡圈具体的绘图方案可参考曹金榜主编的《机床主轴变速箱设计指导》
com 齿轮的轴向定位
要保证正确的啮合齿轮在轴上的位置应该可靠滑移齿轮的轴向位置由操纵机构的定位槽定位孔或其他方式保证一般在装配后最后调整确定本次设计所采用的轴向定位结构如下
1弹簧卡圈定位
说明及特点结构简单装配方便但不能承受轴向力
2隔套定位
说明及特点用隔套将各传动件在轴向固定装配方便有利于轴的刚度
64传动轴设计
com 轴的结构
装移齿轮的轴采用花键轴不装滑移齿轮的轴也采用花键轴花键轴承载能力高加工和装配也比带单键的光轴方便轴的部分长度上的花键在终端上有一段不是全高不能和花键孔配合这是加工的过渡部分具体的作图可参考曹金榜主编的《机床主轴变速箱设计指导》
一般的尺寸花键的滚刀直径D刀为65～85 mm
com 轴承的选择
机床传动轴常用的滚动轴承有球轴承和滚锥轴承在温升空载功率和噪声等方面球轴承优越而且滚锥轴承对轴的刚度支承孔的加工精度要求比较高因此球轴承用得更多但滚锥轴承内外圈可以分开装配方便间隙容易调整所以在没有轴向力时也常采用这种轴承这种轴承的形式和尺寸的选择取决于承载能力但也要考虑其它结构条件
本次设计中由于是支承跨距长的箱体要从两边同时进行加工具体的参考。