油冷式电动滚筒设计

油冷式电动滚筒的设计
摘要
本课题来源于当今社会机械工业油冷式电动滚筒设备的创新和更新换代基础之上，通过设计出新型的油冷式电动滚筒，从而来满足当今社会油冷式电动滚筒设备不足的缺陷。

国内油冷式电动滚筒的研发及制造要与全球号召的高效经济、传动质量好，效率高等主题保持一致。

近期对机械行业中油冷式电动滚筒的使用情况进行了调查，发现在机械行业中，电动滚筒的使用非常普遍。

自然而然在机械设备中它们的安装也非常频繁。

传统的油冷式电动滚筒在没有自动化传动而需要人工搬运的情况下，传动效率低下，劳动强度大，所以设计一个专用的油冷式电动滚筒势在必行。

本文运用大学所学的知识，提出了油冷式电动滚筒的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了油冷式电动滚筒总的指导思想，从而得出了该油冷式电动滚筒的优点是高效，经济，并且传输质量高，运行平稳的结论。

关键字油冷式电动滚筒；传动；结构组成；高效
The design of oil cooled electric roller
Abstract
With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.
Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and atcompressedneceengththdirectionprocedurework.The inverted pendulum is a typical hi gh order system, with multi variable, non-linear, strong-coupling, fleet and absolutely i nstable. It is representative as an ideal model to prove new control theory and technique s. During the control process, pendulum can effectively reflect many key problems such as equanimity, robust, follow-up and track, therefore.
This paper studies a control method of double inverted pendulum . First of all, the mathematical model of the double inverted pendulum is established, then make a contro l design to double inverted pendulum on the mathematical model, and determine the sys tem performance index weightmatrix , by using genetic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the simulation of the system is made by . Key words:pneumatic manipulator; cylinder ;pneumatic loop ;degrees
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
1.引言 (1)
1.1课题的来源与研究的目的和意义 (1)
1.2油冷式电动滚筒的发展现状 (3)
1.3本课题研究的内容 (6)
1.4 Solidworks设计基础 (7)
1.4.1草图绘制 (9)
1.4.2基准特征，参考几何体的创建 (9)
1.4.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建 (10)
1.4.4工程图的设计 (13)
1.4.5装配设计 (15)
2.油冷式电动滚筒总体结构的设计 (17)
2.1油冷式电动滚筒的总体方案图 (17)
2.2油冷式电动滚筒的工作原理 (18)
2.3机械传动部分的设计计算 (19)
2.3.1 电机的选型计算 (20)
2.3.2 直齿圆柱齿轮传动的设计 (22)
2.3.3 内啮合齿轮传动的设计 (24)
2.3.4 传动轴的设计计算 (25)
3.各主要零部件强度的校核 (27)
3.1转动轴强度的校核与计算 (30)
3.2轴承强度的校核计算 (31)
3.3传动齿轮的强度校核计算 (32)
4.三维软件设计总结 (33)
结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 (36)
1引言
1.1 课题的来源与研究的目的和意义
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。

概括说来，现代机械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。

不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：建立和发展机械工程的工程理论基础。

例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。

研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。

机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。

机械制造企业的经营和管理。

机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。

生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。

销售对象遍及全部产业和个人、家庭。

而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。

因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用
中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。

这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。

机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。

另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。

按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。

这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。

例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。

船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。

19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。

进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。

这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。

由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。

但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。

封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。

因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。

人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。

械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。

在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。

现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。

人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细
胞和分子。

新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。

这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。

人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。

手的实践反过来又促进人脑的智慧。

在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。

人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。

过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。

计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。

进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。

这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。

由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。

但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。

封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。

因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。

人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。

综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。

不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。

综合与专业是多层次的。

在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。

在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。

1.2 油冷式电动滚筒的发展现状
当今社会，随着机械工业的蓬勃发展，各行各业的机械设备也在不断地更新，不断地完善，油冷式电动滚筒这种机械设备同样在发展着，传统的油冷式电动滚筒是采用临时的设备，劳动效率低，传输精度低下，不适合批量
生产的场合。

现代油冷式电动滚筒是用来代替传统的多样的传输设备的一种。

随着机械行业的大发展，油冷式电动滚筒的使用也越来越广泛，根据不同的工况，如果使用传动的临时的油冷式电动滚筒的话，不但劳动强度大、效率低、定位精度低，而且满足不了大批量生产要求。

所以使用一个专用的油冷式电动滚筒以成为发展趋势。

1.3 本课题研究的内容
本论文主要研究运用SolidWorks对油冷式电动滚筒进行设计，在设计过程中，了解SolidWorks的各种功能。

SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内。

当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。

从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。

1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。

由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。

良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。

该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名。

从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖。

其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。

至此，SolidWorks 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。

由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。

终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。

公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。

并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。

SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。

由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术。

SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。

资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器
械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。

在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。

据世界上著名的人才招聘网站检索，与其它3D CAD软件相比，SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这一事实说明了越来越多的工程师和设计者使用SolidWorks三维软件，越来越多的企业需要SolidWorks人才。

Solidworks软件功能强大，易于操作，界面人性化，技术创新，组件繁多是SolidWorks的五大特点。

使得SolidWorks三维软件成为目前全球领先的三维CAD 解决方案。

SolidWorks在设计时能够为用户提供不同的设计方案，通过方案的筛选，工程师能从中选择合适的方案，从而在设计过程中降低设计的错误以及提高产品质量。

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便又通俗易懂的软件之一。

它不仅提供如此人性化的系统，同时对每个工程师和设计者，乃至整个机械行业提供了良好的发展基础。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。

良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。

该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。

至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。

由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。

终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。

公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD 行业的世界纪录。

并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。

据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。

据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。

在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、浙江工业大学、浙江大学、
华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。

Solidworks软件功能强大，组件繁多。

Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。

SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

SolidWorks在现今社会阶段逐渐广泛应用，并且SolidWorks公司对中国市场重点开发，日后SolidWorks应用将会更加完善，更加普遍。

通过前文对SolidWorks 的深入了解后，往后会对SolidWorks进行个别应用的分析，如建模，装配，工程图，力学分析等。

1.4 Solidworks设计基础
熟悉SolidWorks的工作环境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks 工作环境中文件的打开、保存、导入等基本操作，掌握三维建模流程。

1.4.1 草图绘制
掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。

1.4.2 基准特征-参考几何体的创建
清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。

1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建模
灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。

综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。

1.4.4 工程图设计
灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。

1.4.5 装配设计
灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵
活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。

2 油冷式电动滚筒总体结构的设计
2.1 油冷式电动滚筒的总体方案图
本次设计的油冷式电动滚筒采取的方案是：在油冷式电动滚筒两端装有左右支座各一个，电机通过传动轴带动传动小齿轮转动，通过与传动小齿轮啮合的传动大齿轮带动与内齿圈啮合的小齿轮转动，从而带动内齿圈转动，而电动滚筒是与内齿圈固接的，这样就带动了电动滚筒转动，滚筒体的内部装有冷却油，对轴承，齿轮进行冷却，这就是油冷式电动滚筒的工作原理，其具体方案布局图如下：
2.2 油冷式电动滚筒的加工原理
本次设计的油冷式电动滚筒的工作原理为：电机通过传动轴带动传动小齿轮转动，通过与传动小齿轮啮合的传动大齿轮带动与内齿圈啮合的小齿轮转动，从而带动内齿圈转动，而电动滚筒是与内齿圈固接的，这样就带动了电动滚筒转动，滚筒体的内部装有冷却油，对轴承，齿轮进行冷却，这就是油冷式电动滚筒的工作原理。

2.3 机械传动部分的设计计算
2.3.1 电机的选型计算
已知整个设备上工件与零件的重量，我们取总重量为200Kg，电动滚筒转动速度为1~3mm/r。

即：
mm s G =mg =200×10=2000N V =1-2m/min =16.6-33.3/
具体的电机设计计算如下: 1、确定运行时间
本次设计加速时间
01(t -t )60=
Vl
l
Vl 负载速度（m/min ）
有速度可知每秒上升50mm ，0.033
1.2=1.2360
=-
÷l s
电机转速
电机=Vl n PB
3.负载惯量
左右水平运动
2
22
0.005()2000.000126779(.)
22⎛⎫=== ⎪⎝⎭
PB JLM M kg m ππ
电机惯量
434527.87100.40.2 3.7210(.)
32
32
-=
=
⨯⨯⨯=⨯B B JB L D kg m π
π
ρ
总惯量20.00032(.)
=+=L LM B J J J kg m
4.电机转矩 启动转矩
12()2636.9(0.00032) 1.25.6060 1.2
+⨯+=
==⨯S NM JM JL JM T N m
t ππ
必须转矩
() 2.36.=+=TM TL TS S N m
S 为安全系数，这里取1.0。

根据以上得出数据，我们选用直流无刷电机型号为92BL-A ，此无刷直流步进电机厂家为南京森宇机电的产品。

根据电机的特性曲线以及参数表如下：
根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用直流无刷电机型号为92BL-4030H1-LK-B ，电机额定功率为0.37KW ，额定转矩为75N.m ，最大转矩为80N.m ，额定转速为 3000r/min 。

电机大致图如下：
外形尺寸235x470x40，电机输出轴径为40mm。

2.3.2 齿轮传动的设计
已知系统工况为该提升装置每天工作12小时，小车和提升装置各部分总重量，有一下计算：
1）选择\齿轮材料为45（调质），硬度为280HBS.
2）精度等级选用7级精度；
3）小齿轮齿数z1＝50，大齿轮齿数z2＝75的；
4）齿轮模数都为2的直齿轮
2.2.2按齿面接触强度设计
因为低速级的载荷大于高速级的载荷，所以通过低速级的数据进行计算1）确定公式内的各计算数值
（1）试选Kt＝1.6
（2）选取区域系数ZH＝2.433
（3）选取尺宽系数φd＝1
（4）查得εα1＝0.75，εα2＝0.87，则εα＝εα1＋εα2＝1.62
（5）查得材料的弹性影响系数ZE＝189.8Mpa
（6）按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1＝600MPa；大齿轮的解除疲劳强度极限σHlim2＝550MPa；。