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1 摘要 國內對于鍛造方法可以采用自由鍛，模鍛，和特殊的鍛造形式冷鍛。采用最多的是 自由鍛。而對于鍛造設備其中使用最普遍的是鍛錘?？諝忮N又是其中的代表，故本次設 計進行空氣錘的設計。 本設計主要是空氣錘 C4175 的傳動機構設計，包括電動機的選取，帶傳動的結構 設計與強度校核，齒輪傳動的結構設計與強度校核，曲柄連桿機構傳動結構設計，氣傳 動的結構設計，以及各部分的潤滑，電氣控制以及密封處理。通過對各部分的設計和強 度校核達到設計目的。 本次設計在老師和同學幫助下順利設計完成。 關鍵詞 空氣錘 傳動機構 結構設計 強度校核 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 2 Abstract Domestic forging method can be forged with free forging, forging, and special forging.Use the most free forging.For forging equipment which is most commonly used for forging hammer.Air hammer is the representative of the air hammer, so the design of the air hammer design. This design is mainly the design of transmission mechanism of air hammer C41 - 75, including motor selection, belt transmission structure design and strength check, gear transmission structure design and strength check, crank connecting rod transmission structure design, the structure design of the gas transmission, and various parts of the lubrication, electrical control and seal the deal.Through the design and intensity of each part of the design to achieve the purpose of the design. The design of the teacher and the students to help the smooth design of the completion. Key words Air hammer Drive mechanism Structure design Intensity verification 3 目錄 摘要 .......................................................................................................................................................................1 ABSTRACT ..........................................................................................................................................................2 目錄 .......................................................................................................................................................................3 1 本此設計課題概述 ...........................................................................................................................................7 1.1 設計內容參數(shù) ............................................................................................................................................7 1.2 設計空氣錘功能 ........................................................................................................................................7 1.3 空氣錘工作原理與結構 ............................................................................................................................8 1.3.1 C41 空氣錘結構 .................................................................................................................................8 1.3.2 C41 系列空氣錘的工作原理 .............................................................................................................8 1.4 空氣錘的作用與發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................................................................................................8 2 設計方案 ...........................................................................................................................................................9 2.1 V 帶傳動和鏈傳動的比較 .........................................................................................................................9 2.2 氣壓傳動和液壓傳動的比較 ....................................................................................................................9 2.3 齒輪的選擇 ..............................................................................................................................................10 2.4 傳動方案 ..................................................................................................................................................10 2.4.1 確定電動機 ...............................................................................................................................................10 2.4.2 分配傳動比 ...............................................................................................................................................10 2.4.3 計算各級轉矩 ..................................................................................................................................11 2.4.4 計算功率和轉速 ..............................................................................................................................12 3 帶傳動設計 .....................................................................................................................................................14 3.1 選擇帶的型號 ..........................................................................................................................................14 3.2 選取帶輪基準直徑. .................................................................................................................................15 3.3 驗算帶速 ..................................................................................................................................................15 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 4 3.4 計算中心距和帶的基準長度 ..................................................................................................................15 3.5 驗算小帶輪包角 ......................................................................................................................................16 3.6 確定帶的根數(shù) Z ......................................................................................................................................16 3.7 確定初拉力 ..............................................................................................................................................17 3.8 計算帶對軸的壓力 Q..............................................................................................................................17 3.9 確定帶輪結構. .........................................................................................................................................17 4 齒輪的設計 .....................................................................................................................................................18 4.1 選擇齒輪材料并確定許用應力 ..............................................................................................................18 4.2 按齒面接觸強度確定中心距 ..................................................................................................................19 4.3 驗算齒面接觸疲勞強度 ..........................................................................................................................22 4.4 驗算齒根彎曲疲勞強度 ..........................................................................................................................25 4.5 計算齒輪主要參數(shù) ..................................................................................................................................27 5 軸的設計 .........................................................................................................................................................28 5.1 軸的設計 ...............................................................................................................................................28 5.1.1 軸的材料選擇 ...............................................................................................................................28 5.1.2 軸徑的初步計算 ...........................................................................................................................29 5.1.3 軸的結構設計 ...............................................................................................................................29 5.1.4 按彎矩合成強度條件校核軸 ......................................................................................................30 5.1.5 精確校核軸的疲勞強度 ..............................................................................................................36 5.2 軸的設計 ...............................................................................................................................................39 5.2.1 軸的材料選擇 ...............................................................................................................................39 5.2.2 軸徑的初步計算 ...........................................................................................................................39 5.2.3 軸的結構設計 ...............................................................................................................................39 5.2.4 按彎矩合成強度條件校核軸 ......................................................................................................41 5.2.5 精確校核軸的疲勞強度 ..............................................................................................................45 6 軸承的壽命計算 .............................................................................................................................................47 5 6.1 校核 6308 深溝球軸承 ............................................................................................................................48 6.1.1 確定軸承承載能力 ..........................................................................................................................48 6.1.2 計算當量動載荷 P ..........................................................................................................................48 6.1.3 校核軸承壽命 ..................................................................................................................................49 6.2 校核 30208 與 30211 圓錐滾子軸承 ......................................................................................................49 6.2.1 確定軸承承載能力 ..........................................................................................................................49 6.2.2 計算派生軸向力 S ..........................................................................................................................49 6.2.3 求軸承載荷 A..................................................................................................................................50 6.2.4 計算軸承的當量動載荷 P ..............................................................................................................50 6.2.5 計算軸承壽命 ..................................................................................................................................50 7 曲柄連桿機構的分析 .....................................................................................................................................51 7.1 分析曲柄連桿機構的力和運動 ..............................................................................................................51 7.2 連桿組的計算 ..........................................................................................................................................54 7.2.1 連桿材料的選用 ..............................................................................................................................54 7.2.2 連桿長度的確定 ..............................................................................................................................54 7.2.3 連桿小頭的結構設計 ......................................................................................................................54 7.2.4 連桿桿身的結構設計 ......................................................................................................................55 7.2.5 連桿大頭的結構設計 ......................................................................................................................56 7.3 活塞組的設計 ..........................................................................................................................................57 7.3.1 活塞的材料 ......................................................................................................................................57 7.3.2 計算活塞的主要尺寸 ......................................................................................................................57 7.4 曲軸的設計 ..............................................................................................................................................58 7.4.1 曲軸材料的選擇 ..............................................................................................................................58 7.4.2 曲軸的主要尺寸計算 ......................................................................................................................59 8 氣傳動設計 .....................................................................................................................................................60 8.1 行程分析 ..................................................................................................................................................60 8.1.1 總體行程分析 .......................................................................................................................................60 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 6 8.1.2 各操作動作的運動分析 .......................................................................................................................61 8.2 空氣錘打擊計算 ......................................................................................................................................65 8.3 氣缸的計算 ..............................................................................................................................................66 9 潤滑系統(tǒng)的設計 .............................................................................................................................................68 9.1 兩缸的潤滑設計 ......................................................................................................................................68 9.1.1 活塞銷的潤滑 ..................................................................................................................................68 9.1.2 齒輪箱的潤滑： ..............................................................................................................................68 9.1.3 連桿頭上軸承的潤滑 ......................................................................................................................68 9.1.4 操作系統(tǒng)關節(jié)處的潤滑 ..................................................................................................................69 10 電氣系統(tǒng)的設計 ...........................................................................................................................................70 11 密封的設計 ...................................................................................................................................................71 參考文獻 .............................................................................................................................................................72 致謝 .....................................................................................................................................................................73 7 1 本此設計課題概述 1.1 設計內容參數(shù) 此次設計的題目名稱為空氣錘傳動系統(tǒng)設計，本次選用 C4175 型空氣錘。本錘為 砧座和錘身在一起的整體結構。其技術參數(shù)為落下部分重量 75kg，最大打擊力量 1000J, 打擊次數(shù) 210 次/min，錘頭行程 350mm，工作缸直徑 250mm，壓縮缸直徑 250mm， 錘桿中心至錘身距離 280mm，下砧面至導程底面距離 300mm，下砧面至地面距離 750mm，上下砧面尺寸（長寬）165145mm，可鍛坯料最大尺寸：方鋼斷面 7575mm，圓鋼直徑 85mm，電動機功率 7.5kw，轉速 1440r/min。 1.2 設計空氣錘功能 本錘將適用于鍛工車間對各種形狀的鋼料質零件的自由鍛造，如鍛粗、延伸、沖轉 和彎曲等工序，以及胎模鍛的進行。本次設計中設計三個水平旋閥，包括空轉，提錘， 壓錘，單次打擊以及連續(xù)動作等規(guī)范動作。 1.3 空氣錘工作原理與結構 1.3.1 C41 空氣錘結構 C41 系列主要由以下幾個主要部分組成： 機架：機架又稱錘體，由工作缸、壓縮缸、錘身和底座組成； 傳動部分：由電動機、減速器、曲柄連桿及壓縮活塞等組成； 操縱部分：由上旋閥、下旋閥、旋閥套和操縱手柄（或踏桿）等組成； 工作部分：包括落下部分（工作活塞、錘桿和上砧塊）和錘砧（下砧、砧墊、砧座） 。 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 8 本次設計為傳動部分，即設計由電動機、減速器、曲柄連桿及壓縮活塞等結構 1.3.2 C41 系列空氣錘的工作原理 空氣錘是由電動機進行驅動的，它有兩個汽缸，分別是壓縮汽缸和工作汽缸，當減 速機構、曲柄連桿將電動機的旋轉運動轉換為壓縮氣缸活塞的上下運動時，壓縮氣缸內 就產生了壓縮空氣，當壓縮汽缸的上下氣道與大氣相通時，壓縮空氣不會進入到工作缸 內，錘頭不工作，通過手柄或踏桿操縱上下旋閥，使壓縮空氣進入工作氣缸的上部或下 部，推動工作活塞作上下運動，從而帶動相連的錘頭及上砧塊的上升或下降，從而實現(xiàn) 擊打動作。旋閥與兩個氣缸之間有四種連通方式，可以產生提錘、連打、下壓、空轉四 種動作。 1.4 空氣錘的作用與發(fā)展現(xiàn)狀 空氣錘可以極大地提升工作效率和降低勞動強度，是工業(yè)生產中不可或缺的一個重 要的加工工具。在生產中應用空氣錘可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，可以減 輕勞動強度，保證產品質量，實現(xiàn)安全生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率， 改善勞動條件起著十分重要的作用。在機械加工，沖壓，鑄，鍛，焊接，電鍍，裝配以 及輕工業(yè)，交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。 9 2 設計方案 2.1 V 帶傳動和鏈傳動的比較 表 2-1V 帶與鏈傳動比較表 1 Table 2-1 V belt and chain drive comparison table 類型 優(yōu)缺點 V 帶傳動 鏈傳動 優(yōu)點 傳動平穩(wěn)，無噪聲，結構簡 單，維護方便 無彈性滑動和打滑現(xiàn)象 缺點 過載的情況下容易打滑從而 引起疲勞破壞，磨損。 缺點瞬時速度和瞬時傳動比不是常 數(shù)，傳動平穩(wěn)性差，工作中有一定 的沖擊和噪聲，且鏈輪應具有足夠 的強度和耐磨性。 由于鍛造所需傳動平穩(wěn)，V 帶雖在過載情況下易磨損但造價較低故選擇 V 帶傳動。 2.2 氣壓傳動和液壓傳動的比較 表 2.2 氣壓與液壓傳動比較表 Table 2.2 comparison table of pneumatic and hydraulic transmission 傳動方式 比較類型 氣壓傳動 液壓傳動 裝配與維護方式 對于傳動形式而言，氣缸作為 線性驅動器可在空間的任意位 置組建它所需運動軌跡，安裝 維護方便。 安裝要配線，配管，維護 復雜。 工作介質 工作介質是取之不盡，用之不 竭的空氣，空氣本身不花錢， 排氣處理簡單，不污染環(huán)境， 成本低。 工作介質是油，成本高易 污染。 可靠性 可靠性高，使用壽命長。 執(zhí)行元件動作次數(shù)少，使 用壽命低 傳動速度 氣缸傳動速度一般為 50500mm/s 傳動速度快。 傳動速度慢 安全性 壓力等級低，使用安全 易火，易爆，不宜高溫場 合 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 10 根據(jù)各項類別比較選擇氣傳動 2.3 齒輪的選擇 由于直齒圓柱齒輪相較于斜齒圓柱齒輪傳動重合度小，承載能力低，傳動不平穩(wěn)， 沖擊和噪音也小。所以宜選用制作斜齒圓柱齒輪。 2.4 傳動方案 2.4.1 確定電動機 按工作要求及工作條件選用三相異步電動機，封閉式結構，電壓 380V，Y 系列 Y132M4 型號電動機 2。 2.4.2 分配傳動比 故總傳動比 （2-1）w0實ni 其中 電動機滿載轉速，此次設計為 1440r/min0n 打擊次數(shù)，此次設計為 210 次/minw 計算求得 =6.86實i 擬取皮帶傳動比 =2，則齒輪的傳動比為i （2-2）實i 其中 總傳動比實i 皮帶傳動比 計算求得 =3.43實i 11 2.4.3 計算各級轉矩 已知 皮帶的傳動效率 0.961 軸承傳動效率（球）0.992 齒輪傳動效率（8 級精度）0.973 （2-3）0095TnP 其中 電動機功率，本次設計取 7.5kw0P 電動機滿載轉速n 電動機輸出轉矩0T m49.7N10.59T0 （2-4）1i 其中 軸輸出轉矩1T i 皮帶傳動比 皮帶傳動效率1 m95.42N0.6249.7T1 （2-5）31i 其中 軸輸出轉矩2T i 齒輪傳動比 軸承傳動效率2 齒輪傳動效率3 m314.N0.973.495.2T2 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 12 2.4.4 計算功率和轉速 （2-6）101P （2-7）322 （2-8）01in （2-9）12i 其中 電動機功率0P 軸功率1 軸功率2 皮帶的傳動效率 0.961 軸承傳動效率（球）0.992 齒輪傳動效率（8 級精度）0.973 電動機滿載轉速0n 軸輸出轉速1 軸輸出轉速2n 解 kw7.20.965P1 kw.9..2 r/min704n1 r/min 3.2 將上述計算結果匯總列于表 2.3，以便查用 13 表 2.3 各軸動力及動力參數(shù) Table 2.3 dynamic and dynamic parameters of each axis 軸號 功率 P（kW） 轉矩 T（Nm） 轉速 n（rpm） 傳動比 電動機軸 7.5 49.7 1440 軸 7.2 95.424 720 軸 6.9 314.31 210 2 3.43 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 14 3 帶傳動設計 已知電機功率 kw,轉速 r/min。傳動比為7.5P0140n2i實 3.1 選擇帶的型號 （3-1）PKAc 其中 工作情況系數(shù)，取 1.3AK 電動機功率P kw9.751.3Pc 根據(jù) PC和 選取 A 型帶。0n 3.2 選取帶輪基準直徑. 由圖和表選取 =100mm1d （3-2）12di 計算得 0m2d 3.3 驗算帶速 （3-3）106ndv 計算得 7.54m/s106v 3.4 計算中心距和帶的基準長度 初定中心距 15 （3-4）)d2(a)d0.7(21021 4ma 初定帶長 （3-5）0 21210c 4a)d()(d2aL 96.m)()(42c 選取 =1000mm 實際中心距dL （3-6）2Lacd0 計算得 259.m61.024a 3.5 驗算小帶輪包角 （3-7）60ad18012 求得 o12056. 3.6 確定帶的根數(shù) Z 查表得特定條件下,單根 V 帶的額定功率 （3-8）)lg(dc)(dcdP142131210 (3-9))5.(KO 180 （3-10）1)S(dc141420lgdcP 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 16 （3-11）0d142LlgcP (3-12))P(KZ210c 其中 皮帶的特定質量水平和滿足規(guī)定時間周期的參數(shù)，查表取得 4321c, 54153241 10.3c,09.c,7.65c,.6 型號帶特定長度，取 3750mm0L 帶的基準長度，由之前數(shù)據(jù)可知為 2500mmd 包角修正系數(shù)K 由傳動比不為 1 引起的附加功率值1P 實際帶長不等于特定帶長引起的附加功率值2 小輪的角速度1 計算求得 Z=8 根 3.7 確定初拉力 （3-13）2c0qv1)K.5(vzPF 求得 F0=700N 3.8 計算帶對軸的壓力 Q （3-14）2zsinF10 求得 Q=10109N 17 3.9 確定帶輪結構. 小帶輪采用實心輪,大帶輪采用孔板輪 將上述計算結果匯總列于表 3.1，以便查用 表 3.1 皮帶傳動參數(shù)表 Table 3.1 belt drive parameter list 傳動比 2 帶型 A 型 小帶輪基準直徑 100mm 大帶輪基準直徑 200mm 帶長 1000mm 實際軸間距 259.2mm 小帶輪包角 156.26 V 帶根數(shù) 8 根 單根 V 帶初拉力 700N 作用在軸上的壓力 Q 10109N 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 18 4 齒輪的設計 已知傳遞功率 P=7.2KW,主動輪轉速 n=720r/min.傳動比 i=3.43 4.1 選擇齒輪材料并確定許用應力 根據(jù)表初選小齒輪采用 45 鋼調質,大齒輪采用 45 鋼正火,齒面硬度分別為 217HBS,162HBS。 查得 ， ， ， 。60MPaHlim1450PaFlim1350MPaHlim230PaFlim2 齒輪的傳動重要性決定最小安全系 =1， =1。inSFin （4-1）Hminl （4-2）FinlS 解 60MPa1H 352 40a1F 3P2 因 ，計算中取 。H2150MaH 4.2 按齒面接觸強度確定中心距 初定螺旋角 。o10 （4-3）cosZ 19 其中 角度系數(shù)Z 螺旋角 計算求得 0.92cos1 初取 =1.0，可得 =188.0 減速傳動，u=i=3.43；取 =0.4。2tZKEMPaa （4-4）/costnrt （4-5）)a(tb （4-6）ttbHsinco2Z （4-7）32HE1t )Z(ua2KT)(a 其中 端面壓力角t 分度圓壓力角，采用國標為 20on 基圓螺旋角b 節(jié)點區(qū)域系數(shù)HZ 軸輸出轉矩，有先前計算可知為 954241T mN 彈性系數(shù)，已得為 188.0E MPa 接觸強度的重合系數(shù)Z 接觸疲勞強度許用應力，為 350MPaH u 齒數(shù)比，取 3.43 齒寬系數(shù)，取 0.4a K 載荷系數(shù) 中心值試算值t 空氣錘傳動系統(tǒng)設計 20 由于 K 和 不能預先確定采用綜合系數(shù) =1.0Z2tZK 解 ooot 20.835)/cs10arcn( b .4.9t 2.7sin0.835cos20.8354ZooH 1.6m) .91.7(4.91)(3.4a3 2t 取中心距 a=174mm （4-8）0.2)a(.7mn 其中 a中心距 模數(shù)nm 解 3.48m0.1270.2)(.n 取標準模數(shù) =3mm。n （4-9）1)(um2acoszn1 （4-10）12 其中 小輪齒數(shù)1z 大輪齒數(shù)2 解 25.781)(3.4cos072z1 ...2 取 ， 。26z18z （4-11）12實zi 21 （4-12）10%i實 其中 實際傳動比實i 理論傳動比，為 3.43 傳動比誤差i 解 3.8426i實 1.32%0.i 因為 1.32%<5%，所以在允許范圍內。 (4-13)2a)z(marcos1n 其中 修正螺旋角 解 o0.6549178)(3arcs 修正螺旋角與初選螺旋角 10o 相近， 與 可不修正。HZ (4-14)cszmd1n 其中 d齒輪分度圓直徑 由公式 4-14 求得 小齒輪分度圓