Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進設計[含CAD高清圖紙和說明書]
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本科生畢業(yè)論文開題報告書題 目 Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進設計學生姓名 學 號 專業(yè)班級 指導老師 2006年 3月 18 日論文(設計)題目Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進設計課題目的、意義及相關研究動態(tài):1. 課題目的、意義 搖臂鉆床主軸裝在搖臂上,可以沿著搖臂導軌移動,而搖臂鉆床又可以繞立柱做旋轉。主軸箱上搖臂的水平運動和搖臂旋轉運動兩運動相結合,可以使主軸高速運動到機床尺寸范圍內的任意位置,搖臂鉆床又可以沿著立柱上下調整。Z32K型搖臂鉆床主要是適合大中型零件的多孔加工。在實際的操作過程中,這種老牌型號鉆床還是存在著許多不足之處,例如搖臂鉆床的升降系統(tǒng)。由于Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)是單手柄集中操作,操作起來比較麻煩,搖臂鉆床體架太重,費力又費時,以前為了適當地省力,根據杠桿原理,手柄長度又比較長,稍微操作不當,容易發(fā)生意外事故。為了提高工作效率,減少工人的勞動強度,避免不必要的意外事故發(fā)生,很是有必要對Z32K型搖臂鉆床變速箱進行改進設計,將原單手柄集中操作系統(tǒng)改進能實現快速自動升降。這樣的話,可以使工作效率大大地提高和降低工人的勞動強度。2. 相關研究動態(tài)沈陽機床股份有限公司中捷搖臂鉆床廠的產品國內市場占有率高達70,出口產品遍及中東、北美、西歐等86個國家和地區(qū)。進入市場經濟后,國內機床行業(yè)競爭日趨激烈,與中捷搖臂鉆廠生產相同型號產品的企業(yè)有40多家,中捷搖臂鉆廠產品領先優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。為了應對挑戰(zhàn),中捷搖臂鉆廠在產品賣得正火的時候,提出了進行跨越產品結構調整。第一,用先進技術改造傳統(tǒng)產品。如普通搖臂鉆床實現了五軸聯動,價格由幾萬元上升到幾十萬元,達到中國搖臂鉆床最高水平。第二,向國際先進水平靠攏,不斷擴大產品領先優(yōu)勢。ZK系列、橋式和動橋系列產品,十幾項技術居國內領先地位。ZK3050獲得自主知識產權,并成為國家重點新產品;Z3580A萬向搖臂鉆,在任何空間、任意方向、任意位置上實現鉆削功能,不僅填補了國內空白,在國外也不多見。在國際著名的芝加哥機床展覽會上,中捷搖臂鉆廠參展產品被一位美籍華商相中并當場拉走。德國、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經銷商。在上海國際機床展覽會上,沈陽機床股份有限公司參展的數控鉆銑床,同時被國內三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數機床一樣,將向數控自動化、機電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢是:應用電子計算機技術,簡化機械結構,提高和擴大自動化工作的功能,使機床適應于納入柔性制造系統(tǒng)工作;提高功率主運動和進給運動的速度,相應提高結構的動、靜剛度以適應采用新型刀具的需要,提高切削效率;提高加工精度并發(fā)展超精密加工機床,以適應電子機械、航天等新興工業(yè)的需要。 課題的主要內容(觀點)、創(chuàng)新之處:1.主要內容本課題的主要任務是對Z32K型搖臂鉆床變速箱進行改進設計,它要求我們通過調研,發(fā)現原有舊型搖臂鉆床在實際生產使用過程中存在的缺點與不足,然后針對其缺點與不足進行變速箱改進設計,以達到改善、提高其使用性能。在設計過程中,在充分考慮在現有生產條件以及材料選擇的同時,重點研究問題有:變速箱的結構設計、傳動設計、升降系統(tǒng)的結構及傳動連接設計、裝備圖的繪制、設計改進后變速箱的可行性、實用性以及它的經濟性。2.創(chuàng)新之處本次設計主要是改進搖臂鉆床的升降系統(tǒng)。通過變速箱內齒輪嚙合的改變,從而實現自動升降。此次設計的創(chuàng)新之處是將原有的手動升降改為自動升降。研究方法、設計方案或論文撰寫提綱:1. 研究方法與設計方案本課題屬于對傳動部件進行改進設計,所以設計要求設計者須具備一定的有關機械傳動方面的知識和機械設計方面的知識,還須對Z32K型搖臂鉆床的變速箱的傳動等結構部分有一定的了解。根據以往的課題設計經驗,采用理論與實際相結合的方法,多看、多想、多動手。多查相關資料,多和指導老師交流,理論聯系實際,選擇最優(yōu)方案。針對調研后發(fā)現存在的問題,絲桿螺距較大(P=6),兩圓錐齒輪傳動時,傳動比雖小,但機床的體架太重,升降比較費時費力,為了適當省力,手柄長度過長,操作動作大,當拖板接近變速箱時,進給手柄與升降手柄容易打在一起,操作者易受傷。而市面上有一種升降系統(tǒng)是在絲桿的端頭安裝小型電機和減速器,這種升降系統(tǒng)雖然彌補了手動升降的缺點,但是又派生了另外的缺點。我查閱相關資料,采用基本理論與實踐相結合的辦法,與老師、工人、同學研究討論,已初步設計出一套方案。我的研究設計方案大體是:直接采用原有的電動機作為升降系統(tǒng)的動力源,在變速箱內附加若干齒輪,在原有的主運動傳動系統(tǒng)中,通過齒輪的變化嚙合,把動力傳到螺母上,使螺母達到轉動,從而實現自動升降。2. 論文撰寫提綱1 ) 了解Z32K型搖臂鉆床的工作環(huán)境及工作原理,并對搖臂鉆床的傳動部分進行分析,尤其了解其升降系統(tǒng);2 ) 制定傳動方案;3 ) 繪制傳動運動簡圖;4 ) 電機功率輸入時,對其進行運動和動力分析;5 ) 通過繪制Z32K型搖臂鉆床傳動總裝圖從而計算出各零件的尺寸及裝配關系完成期限和預期進度:1.2006.02.15 - 2006.03.15 查閱、搜索相關資料和專業(yè)英語翻譯;2.2006.03.16 - 2006.03.31 畢業(yè)實習與調研及開題報告階段;3.2006.04.03 - 2006.05.19 畢業(yè)設計主要工作階段,完成各種運動和動力設計計算、校核及所有圖紙;4.2006.05.21 - 2006.06.02 完成說明書的編寫和收尾工作。主要參考資料:1 He Guang Ping . Self-reconfiguration Of Underactuated Redundant Manipulators With Optimizing The Flexibility Ellipsoid . Chinese Journal of Mechanical Engineering 2005,VOL 18: 92-97 2 張世安.擺線針輪行星傳動中擺線輪最佳修形量的分析與計算 機械科學與技術,2002(6):906-9083 孫橫,傅則紹.機械原理 北京:高等教育出版社,19934 邱宣懷.機械設計 北京:高等教育出版社,19945 周開勤.機械零件手冊 北京:高等教育出版社,19896 申永勝主編.機械原理教程 北京:清華大學出版社,19997 濮良貴,紀名剛主編.機械設計(第七版) 北京:高等教育出版社,20028 龔溎義主編.機械設計課程設計圖冊 北京:高等教育出版社,20029 吳宗澤主編.機械設計使用手冊 北京:化學工業(yè)出版社,199910 陳遠章主編.現代機械設備設計手冊( 第2卷) 北京:機械工業(yè)出版社,199611 黃靖遠.機械設計學 北京:機械工業(yè)出版社,199912 陳鐵鳴主編.新編機械設計課程設計圖冊 北京:高等教育出版社,200313 成大仙主編.機械設計手冊(第1、2、3卷)M.北京:化學工業(yè)出版社,2002指導教師意見: 簽名: 年 月 日開 題 報 告 會 紀 要時 間地 點與會人員姓 名職務(職稱)姓 名職務(職稱)姓 名職務(職稱)會議記錄摘要:會議主持人:記 錄 人:年 月 日系工作小組意見負責人簽名: 年 月 日 題 目: Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進設計學生姓名: 鄧 玉 佳 專業(yè)班級: 機自02103班 指導老師: 張 世 安 機 械 工 程 系2006年03月16日實習或調研地點常德紡織機械有限公司實習與調研時間 2004年3月14日 2004年3月15日畢業(yè)實習與調研的目的、意義:目的:主要是熟悉Z32K型搖臂鉆床變速箱的結構和原理及其現場工作環(huán)境,并了解搖臂鉆床在實際使用過程中存在的問題,通過與工程師們交談,了解一些見解和想法及一些技術問題,為開展畢業(yè)課題設計提供原始數據和資料,針對存在的問題,提出具體可行的改進方案,從而確保此次課題設計的可行性、經濟性和實用性。意義:這是一次理論聯系實際的的好機會,它能使我們將四年來所學到的理論基礎知識和專業(yè)知識結合實際工程問題得到綜合運用,也是檢測我們對所學知識的掌握程度。通過此次設計,可以大大提高我們的分析問題能力、解決問題的能力及設計創(chuàng)新能力,為我們以后走上工作崗位打下了良好的基礎。畢業(yè)實習與畢業(yè)設計調研鑒定: 指導教師: 年 月 日畢業(yè)實習與畢業(yè)設計調研成績評定指導教師建議成績: 指導教師(簽名): 年 月 日系畢業(yè)設計工作指導小組審定成績: 組長簽名: 機械工程系(蓋章)畢業(yè)實習與畢業(yè)設計文獻調研報告正文一、實習與調研單位基本情況我們這次到了常德紡織機械有限公司進行調研,常德紡織機械有限公司是中國紡織機械(集團)公司控股的經緯股份的子公司。位于湖南省常德市經濟開發(fā)區(qū)高新技術工業(yè)園內,公司占地25萬平方米,擁有雄厚的技術人才實力。公司的產品包括:KS系列高速經編機、GE272SM系列毛巾經編機、GE241Y系列賈卡提花經編機、E2268網類經編機、GE283A、E2281、E2291系列雙針床經編機等7個系列的經編機;FA251E、FA256兩種系列的棉精梳機;用于棉、毛、麻、絹、中長纖維的8大類26個產品的各系列搖架。二、實習心得和體會我的畢業(yè)設計課題是“Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進設計”。這次畢業(yè)設計是為了培養(yǎng)我們學生開發(fā)和創(chuàng)新機械產品的能力,要求我們能夠結合原Z32K型搖臂鉆床機械的傳動系統(tǒng),針對實際使用過程中存在的問題,綜合所學的機械理論設計與方法,對Z32K型搖臂鉆床變速箱的傳動系統(tǒng)進行改進,從而達到解決問題。為了順利開展我的畢業(yè)設計論文課題,我們在張老師的聯系下,到常德紡織機械有限公司進行實習與調研。在調研的過程中,我們必須認真記錄我們所見到的、所聽到的及所想到的,為課題設計提供原始的資料。我們還要了解Z32K型搖臂鉆床的工作環(huán)境,設備的生產廠家,更要了解搖臂鉆床的工作原理和操作過程中所存在的問題,以便我針對它存在的問題而對搖臂鉆床變速箱進行改進,盡量使改進后的產品能夠克服這些問題。我們到了常德紡織機械有限公司之后,廠里的工程師李衛(wèi)忠?guī)煾禑崆榈亟哟宋覀儭K麕ьI我們參觀了各個不同的車間,并給我們介紹了該廠的基本情況及現狀。由于我的設計是對搖臂鉆床變速箱的改進設計,所以對有關此次設計有關的都做了詳細的記錄。Z32K搖臂鉆床主軸裝在搖臂上,可以沿著搖臂導軌移動,而搖臂鉆床又可以繞立柱做旋轉。主軸箱上搖臂的水平運動和搖臂旋轉運動兩運動相結合,可以使主軸高速運動到機床尺寸范圍內的任意位置。工件一般裝在工作臺上,如果工件太高,可以直接裝在底座上。為了適應工件的加工高度,搖臂鉆床又可以沿著立柱上下調整。為了鉆床鉆孔時具有足夠的剛度,并使主軸調整好位置不變,搖臂和主軸箱都有夾緊機構,可實現快速夾緊,搖臂鉆床適合于大中型工件上多孔加工。在來調研之前,我對原舊型Z32K搖臂鉆床的變速箱的結構及其原理稍做了解,這次設計的主要任務是對搖臂鉆床的傳動部分設計與改進,因而我在齒輪車間對齒輪的加工特別留意了一下,并在李師傅的講解下,對齒輪的加工有了一定的了解。齒輪的選材:低速、重載、沖擊載荷選綜合性較好的材料20CrMnTi;線速度高、易疲勞點蝕、齒面硬度較高選38CrMoAiA滲氮鋼;非傳力齒輪,材料可以選非淬火鋼、鑄鐵、夾布、膠木和尼龍等等。齒輪的熱處理:齒輪加工前進行正火或調質,其目的是消除殘余應力,改善其切削性能,綜合力學性能;齒輪加工后進行滲碳淬火、高頻感應加熱淬火、滲氮等等,其目的是提高齒面的硬度和耐磨性。齒輪的毛坯一般有棒料、鍛件和鑄件。在車間還親眼看到一個雙聯齒輪的加工過程,其工藝為:鍛坯粗車熱處理精車平磨劃線鉆鉗工去毛刺滾齒插齒倒角剃齒熱處理精車衍齒磨齒檢驗。后來我們去了裝備車間,不巧的是來的不是時候,前一批量剛剛裝箱完畢,因而沒有什么東西可以看的,不過還好,看到了各種不同型號的經編機樣機。 Z32K型搖臂鉆床原舊型機在使用過程中,工人們反映絲桿螺距較大(P=6),兩圓錐齒輪傳動時,傳動比雖小,但機床的體架太重,升降比較費時費力,為了適當省力,手柄長度過長,操作動作大,當拖板接近變速箱時,進給手柄與升降手柄容易打在一起,操作者易受傷。我本次設計的主要任務是通過對變速箱的改進,以完成對升降系統(tǒng)改進。三、實習總結實習與調研之后,結合實際存在的問題,我已經粗略地把課題設計方案擬定了下來。實習與調研階段是此次設計過程中必不可缺少的環(huán)節(jié),因為我認為在這個過程中,我學會了不少知識,也從中獲得了一些相關技術資料和機床在使用過程中存在問題。這些是在書本上找不到的東西。正是有了這第一手資料,我的畢業(yè)設計課題才能夠緊張而有序地進行下去,才能準時保質保量地完成此次設計任務。通過這次實習與調研,我了解一些事實,明白要對一個產品進行改進或創(chuàng)新以滿足用戶的需求,信息的獲取是非常重要的,然而用戶想要能實現某種功能的機器或原有機器存在缺點和不足需改進的話,這些重要信息來源于調研。有了調研,才能針對存在的客觀問題,設計出滿足用戶的產品來,才能在社會的激烈競爭中獲得勝利。這次實習與調研所獲得的技術資料及存在的問題,為我順利進行畢業(yè)是設計提供了重要依據。本次實習確實使我獲益匪淺! 學生簽名: 2006年3月16日通過優(yōu)化柔性橢球體對欠驅動冗余度機械臂的自重構 何廣平 北方工業(yè)大學機電工程學院 北京 100041 陸震 北京航空航天大學自動化學院 北京 100083摘要:根據優(yōu)化技術,欠驅動冗余度機械臂的多模型特征、柔性操作的測量、自重構的控制方法已被調查研究。分析了空間關節(jié)的結構變形和欠驅動冗余度機械臂柔性操作之間的關系,處于鎖定模式下欠驅動冗余度機械臂的一種新型柔性橢球體操作的測量被提出,能應用于獲得自重構控制的最理想結構。因此,基于簡諧振動隨時間變化非線性控制方法認為能完成其自重構。被動關節(jié)三連桿欠驅動機械臂等仿真例子在一些調查方面起重要作用。關鍵詞:欠驅動機械臂 自重構 優(yōu)化 非線性控制 0 前言欠驅動裝置和機械臂能應用于許多領域,例如太空技術、合作機械人、變形裝置。在太空領域里,由于沒有失去有用功能或了解系統(tǒng)的自重構。當驅動構件出現一些問題時,基于欠驅動技術的誤差出現是不可避免的。欠驅動機械臂也能被設計為合作機器人,也就是說COBOT。COBOT 的驅動不是作驅動裝置而是提供動力學非函數約束。COBOT 需要操作人員提供外力才能完成準確的應用,例如在生物工程學上外科手術和半導體制造等等。在機械領域機械變形有多種模態(tài),并能從一種模態(tài)向另一種模態(tài)轉變。引用不同模態(tài)之間的改變可能導致連桿數目的變化或機械變形的約束限制。很顯然,欠驅動控制、冗余度驅動和柔性裝置是不可避免的。因此,欠驅動系統(tǒng)逐漸的成為研究領域一個具有吸引力的話題。從力學角度看,研究欠驅動機械臂系統(tǒng)是不可能控制的。被動關節(jié)的運動是必須靠與動力裝置連接。Jain等表明動力裝置是欠驅動機械臂的非完整性約束是二階的。在機械實際上,與非完整性約束廣泛被研究比較也有100多年歷史,然而,關于這種系統(tǒng)的運動規(guī)劃和控制技術的研究只是近10的事情,研究多針對輪式移動機器人、跳躍機器人、航空航天機器人等一階非完整性約束系統(tǒng)。關于欠驅動機械臂的研究觀點,Anthoney等研究運動的穩(wěn)定性,Arai 等提出隨時間變化方法完成系統(tǒng)的位置控制。Lee 等為欠驅動機器人提供了多種非線性控制方法。欠驅動研究的這些方法已從本質上揭示了它是非線性的,并且是隨時間變化的、抽象的。事實上,Brockett 已證實這并沒有消除阻礙和穩(wěn)定給定結構系統(tǒng)的靜電狀況反饋。很顯然,非線性系統(tǒng)的特征在組合空間多自由度是可以控制的。所以,非線性系統(tǒng)的控制研究受到更多的關注。 欠驅動機構和機械臂是對傳統(tǒng)機械設計基本原理相違背的,傳動機械設計基本原理認為,原動件的數目要與自由度的數目相等時,機構才具有確定的運動。欠驅動機械臂首先被提出并不是由于它的價值優(yōu)點,但一些研究表明,欠驅動機構的故意設計也是很有價值的。例如,Rivhter 等獲得由柔性欠驅動機械臂多維受力的測量。Nakamura 等設計出了輪式滾動接觸的非完整機器人和平面四連桿二驅動機械臂的控制。He 等針對欠驅動冗余度機械臂提出一種自由碰撞運動規(guī)劃演算法。從以上討論的結果來看,我們可推斷出在研究欠驅動時,可能遇到一些未被發(fā)現的新問題,如所提到的技術和理論的形成。因此,我們改善這裝置具有很大的潛能性。 這篇論文中,我們對欠驅動機械臂的靜態(tài)特征和自重構控制方法進行探索與研究。1 柔性橢球體模型機械硬度是機械臂的一個重要要素,它是用來抵抗受力和阻礙力的能力。對于開式鏈接機械臂而言,鏈接部分是非常重要的部分。所以末端位姿的變形將會對連桿帶來不良影響。轉矩可以近似滿足如下方程: i=1,2,n (1)式中 關節(jié) i 的轉矩 關節(jié) i 的變形量 關節(jié) i 的硬度系數如果忽略關節(jié) i 的重力和摩擦力不計,假設機械臂末端位姿力矢,則轉矩方程又可以寫成: (2)式中關節(jié)的轉矩雅可比矩陣眾所周知,關節(jié)有會有變形,機械臂末端位姿有如下關系式: (3)式中 機械臂末端位姿矢量 關節(jié)的位姿矢量將(1)式寫成矩陣的形式,結合(2)、(3)式,經簡單的計算,和F之間的關系如下: (4)式中如果定義 (6)(6)式是末端位姿的柔性矩陣。然而,在太空工作強度矩陣一致。柔性矩陣C可以用來測量機械臂的靜態(tài)特征。矩陣C也有雅可比函數功能。因此,它在組合和構造要素較大范圍內是可改變的,在穩(wěn)定條件下機械臂的可變特征能用于完成一些應該的復雜的操作。如裝配、拋光、維修等等。由(5)、(6)式可知矩陣C是對稱性矩陣。如果定義 (7)對矩陣C進行微分,方程式(7)我們又可以得到 (8)式中,i=1,2,3,,m應用了矩陣C的單一性。因此,是其對稱矩陣,有如下關系: (9)式(9)被描述為橢球體曲線方程,當橢球體的主要曲線與矩陣C的單一值相等時,這橢球體也被認為是一般柔性橢球體GFE。由于直觀原因,圖一中平面2連桿機械臂的的連桿長,GFE如圖(2)和(3)所示。圖一 平面2R桿機械臂圖2 平面2R桿全驅動機械臂的GFE模型圖3 平面2R桿全驅動機械臂的GFE模型這些圖示表明測量是需要依賴組合和機構要素。然而全驅動機械臂并不能改變其機構要素。因此,由于不同的構件(圖2),而不是結構要素(從圖2改變到圖3),GFE模型是可以改變的。當被動關節(jié)被引進作為全驅動機械臂時,為了方便使用,假設這些被動關節(jié)具有制動裝置和位置控制,以便被動關節(jié)能在自由模式和鎖定模式下進行制動。然而在運動學上,欠驅動機械臂揭示了一些冗余度連桿問題,并沒有表明在輸入方式下的自運動不如工作狀態(tài)下的自運動。另一方面,被動關節(jié)的制動模式能使欠驅動機械臂具有重構能力,系統(tǒng)具有敏捷性而使其能適合不同的工作。2. 柔性矩陣假設在欠驅動冗余度機械臂中s連桿為被動關節(jié) ,被動關節(jié)裝有制動裝置,當被動關節(jié)處于自由狀態(tài)時,其速度運動方程可以寫成為: (10)式中 機械臂末端位姿矢量 驅動機械臂的雅可比矩陣 分別為驅動和被動機械臂的廣義坐標矢量當機械臂中被動關節(jié)處于鎖定狀態(tài)時,系統(tǒng)運動方程可變?yōu)?(11)式中 機械臂末端位姿矢量 鎖定狀態(tài)下被動關節(jié)機械臂的雅可比矩陣 驅動關節(jié)的機械臂廣義坐標很顯然,方程(11)和(3)是同一形式,方程(10)和(11)表明欠驅動機械臂在運動學上具有不同的模式。換句話說,在運動學上系統(tǒng)具有多中模式特征。圖(4)平面3R連桿機械臂就是很好的例子。機械臂的第二關節(jié)是被動關節(jié),其他的都是驅動關節(jié)。當被動關節(jié)處于自由狀態(tài)時,被選做為廣義坐標變量。如果被動關節(jié)處于自鎖狀態(tài),機械臂的維數將變?yōu)?維,這廣義坐標變量為,顯然由于,但雅可比矩陣有如下關系:圖4 平面3R桿機械臂 由于欠驅動機械臂存在不同的運動模式,一種可以用來優(yōu)化和機械臂的機構組合及自重構以使用不同的工作。預測如何完成基于欠驅動下的全驅動機械臂操作是不可避免的問題。不象全驅動冗余度機械臂那樣,欠驅動冗余度機械臂并不能改善其操作工作,執(zhí)行機械臂任務類似于輸入空間的體積比工作空間少的緣故。有一條可行的途徑就是在不同的時間分解機構的工作。例如,當機械臂工作處于驅動模式下,機構組合能進行機構自重構。然而當機械臂工作在全驅動模式下,其功能之一就是能控制機構的運動。事實上,處于欠驅動工作模式下的機械臂能辯別機構的運動,如位置控制或間斷點對應點運動。但是這并不是此論文所討論的重點。我們應關注的是欠驅動冗余度機械臂的靜態(tài)特征和機構自重構控制方法。 欠驅動機械臂兩中模式的運動方程可以被多種方法描述。但是在復雜的機械裝置中多連桿機械臂的機構要素定義還存在一定的困難。為了解決這些問題,我們將進行分析欠驅動冗余度機械臂的兩種模式間的關系。 假定一種特殊的機械臂組合機構,假設有,處于裝置的兩種模式下的末端位姿表達式是一致的,可以表示為 (12) 假設 (13) (13)式表示微運動發(fā)生在關節(jié)部分而不是發(fā)生在末端位姿處,根據(13)式,方程式又可以寫成 (14) 把(14)代入(12)式中,我們可以得到 (15)(15)式描述欠驅動機械臂兩種模式下的不同一機構。因此,兩種廣義坐標也是相等的。設,又可以得到 (16)(16)式表示兩種模式下的雅可比矩陣間的關系。此式能預測出全驅動模式的運動。把(16)式代入方程式(5),可以得到全驅動模式下的欠驅動矩陣方程 (17)根據方程(7),GFE欠驅動機械臂也能定義,方程(17)表示在機械裝置改裝后的系統(tǒng)靜態(tài)特征。其一,我們以通過3R桿機械臂模擬(圖4)。作為非冗余度機械臂而言,如果我們假定處于工作狀態(tài)下的一點,它不僅與柔性橢球體模型有關。相反有許多與處于冗余度機械臂工作狀態(tài)下的這一點相關。假設3R桿平面機械臂三桿長分別為,機構的起始角度為,GFE其他末端位姿起始位置如圖5所示。 顯然,根據處于工作狀態(tài)下的這種狀況,可知存在許多這樣的關節(jié)組合。這些機構都是與GFE相關的。但是一欠驅動冗余度機械臂存在機構自重構的能力。一般而言,我們期望的GFE在不同的基本組合中有類似的運動。換句話說,橢球體模型類似于一個球。如圖5所示,在3桿中第一桿運動狀態(tài)表現最佳。3 非線性控制 我們通過分析系統(tǒng)的動態(tài)特性,為了尋求一種能有效地控制欠驅動機械臂運動。欠驅動機械臂動態(tài)方程可以寫成 (18) (19)式中為質量慣性矩,為中心吸引力和摩擦轉矩矢量。M是驅動關節(jié)轉矩矢量。是驅動關節(jié)廣義坐標矢量。是被動關節(jié)廣義坐標矢量。Jain等證實方程(19)是二階非線性約束方程。通過自重構,在工作狀態(tài)下給定位置,欠驅動機械臂具有改善裝置運動的能力。由于系統(tǒng)輸入空間維數少于空間關節(jié)的維數,被動關節(jié)的位置控制只能通過動態(tài)藕合來實現?;贐rockett理論,給定機構的系統(tǒng)并不是光滑的,穩(wěn)定性完全符合靜平衡反饋定律。因此,非線性控制的結果表明系統(tǒng)是非線性的、隨時間變化的、離散的。非線性控制方法還有一種就是在Ref(17)中所提到的全驅動關節(jié)的簡諧振動。這種方法的本質就是當驅動關節(jié)運動到一個周期時被動關節(jié)將偏離平衡位置(圖6)。驅動關節(jié)的簡諧振動方程有 (20) (21) (22)式中 A簡諧振動的振幅 W簡諧振動的角頻率如果我們將式中(22)變換一下,代入(19)式得到 (23) 通常,角頻率是一個較大的數,因此,簡諧振動周期T=是一個非常小的數。被作為一個周期的約束,(23)式有可以寫成 (24)(24)式表示一個周期后有一點發(fā)生偏離。顯然,構成整體的價值在于簡諧振動的振幅和角頻率,者就是簡諧振動中的驅動關節(jié)能控制被動關節(jié)的原因之一。4 自重構控制律 自重構需要穩(wěn)定的控制技術。間諧振動非線性控制方法在第3部分已經簡單地介紹了。下面我們將設計一個新的控制方法來執(zhí)行機構的自重構運動。這種方法將用于優(yōu)化在工作狀態(tài)下給定位置時的廣義柔性橢球體模型。 假設引用于一個期望的組合,此組合源于一些優(yōu)化方法,是驅動機械臂的驅動位置角。 設 (25)式中 e關節(jié)位置矢量誤差 對方程(24)進行微分有: (26)取滑動模態(tài)為 (27)集中律為 (28)式中 ,且sgn()作為符號函數,有如下式子:如果矢量有,可以得到下面式子:(27)式表示驅動關節(jié)的運動滿足萊布羅定律。假設驅動關節(jié)輸入與(20)、(21)有關,當時,又可以得到如下關系式 將(26)式中2桿的2倍偏離量代入(30)式,可以得到 設驅動關節(jié)輸入為將(32)和(31)式代入(19)式,有如下關系振動振幅為雖被動關節(jié)并沒有達到期望的位置,驅動關節(jié)輸入控制可用(32)式來描述,另一方面,被動關節(jié)處于期望的位置,輸入控制方式有以下方程。從(27)式中可知偏離時間為結合(28)和(35)式,控制律為顯然,這種控制方法是非線性的、隨時間變化的、且遵循Brockett理論。有以上關系重新整理振幅,控制律為當ep=0時滿足 當ep0時滿足5 仿真研究在這部分中,選平面3R桿機械臂作為仿真模型,如圖4所示。設第二桿為機械臂的被動關節(jié),其他兩桿為驅動關節(jié)。如果初始位置為,為了改善執(zhí)行廣義的柔性橢球體模型,更好的位置為,這在第三部分已給出。我們認為后面一種情況是我們期望的結果。根據第四部分所提供的控制方法,模擬仿真結果如圖7所示。圖7 3R桿欠驅動機械臂的自重構運動1.連桿1 2.連桿2 3.連桿3圖7(a)表示隨時間變化的關節(jié)位置誤差;圖7(b)表示與時間有關的關節(jié)運動軌道軌跡;圖7(c)表示在自重構控制中機械臂機構位置的改變;圖7(d)表示關節(jié)速度與位置間關系圖。顯然,機械臂已滿足期望的機構完成自重構控制。6 結束語欠驅動技術是一個非常關鍵性的問題,它不僅能夠產生空間機器人系統(tǒng)的線性誤差,而且能操控合作機器人和機器裝置。欠驅動機械臂有實現機械自重構的能力。新的關儀廣義柔性橢球體欠驅動冗余度制動式機械臂的測量被提出。這測量由于優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。簡諧振動的非線性控制方法能執(zhí)行自重構運動。有3連桿欠驅動機械臂的仿真結果證明測量和振幅的控制是有效的。References1 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Self-reconfiguration Of Underactuated Redundant Manipulators With Optimizing The Flexibility Ellipsoid. Chinese Journal of Mechanical Engineering 2005,VOL 18: 92-972 張世安.擺線針輪行星傳動中擺線輪最佳修形量的分析與計算 機械科學與技術,2002(6):906-9083 孫橫,傅則紹.機械原理 北京:高等教育出版社,19934 邱宣懷.機械設計 北京:高等教育出版社,19945 周開勤.機械零件手冊 北京:高等教育出版社,19896 申永勝主編.機械原理教程 北京:清華大學出版社,19997 濮良貴,紀名剛主編.機械設計(第七版) 北京:高等教育出版社,20028 龔溎義主編.機械設計課程設計圖冊 北京:高等教育出版社,20029 吳宗澤主編.機械設計使用手冊 北京:化學工業(yè)出版社,199910 陳遠章主編.現代機械設備設計手冊( 第2卷) 北京:機械工業(yè)出版社,199611 黃靖遠.機械設計學 北京:機械工業(yè)出版社,199912 陳鐵鳴主編.新編機械設計課程設計圖冊 北京:高等教育出版社,2003畢業(yè)論文 (設計)進度安排: 畢業(yè)實習與畢業(yè)設計(論文)調研階段:(第34周,2006.2.273.10) 畢業(yè)設計(論文)開題報告階段:(第56周,2006.3.133.24) 畢業(yè)設計(論文)主要工作階段:(第715周,2006.3.276.2) 答辯時間:2006年6月5日6月11日。課題申報與審查指導教師(簽名): 2005年 12月 28 日教研室主任(簽名): 年 月 日系主任(簽名): 年 月 日本科生畢業(yè)設計題 目: Z32K型搖臂鉆床變速 箱的改進設計 學生姓名: 鄧 玉 佳 學 號: 131021087 專業(yè)班級: 機自02103班 指導教師: 張 世 安 覃 道 益 完成時間: 2006年5月30日 機 械 工 程 系中文摘要及關鍵詞摘要:本次設計課題為“Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進設計”。主要是對Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進行了改進、分析與設計,并對其主要傳動零件進行設計及強度校核。了解和掌握Z32K型搖臂鉆床在實際使用過程中出現的問題,在理論分析,計算的基礎上,針對Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)是單手柄集中操作,操作起來比較麻煩,搖臂鉆床體架太重,費力又費時,將其手動改進為自動升降,并提出了具體可行的解決方案。關鍵詞:搖臂鉆床 手動、自動升降系統(tǒng) 電動機 齒輪 強度校核英文摘要及關鍵詞Abstraction :This design topic is the Z32K radial drill drilling machine gear box improvement design. Mainly was has made the improvement, the analysis and the design to the Z32K radial drill drilling machine jacking system, and carried on the design and the intensity examination to its main transmission components. Understood and grasps the Z32K radial drill drilling machine the question which appears in the actual use process, in the theoretical analysis, in the computation foundation, in view of the Z32K radial drill drilling machine jacking system is the single handle centralism operation, operates quite troublesomely, radial drill drilling machine body too is heavy, takes the trouble to take time, its manual improvement is the power elevation, and proposed specifically the feasible solution.Keywords: universal raidial drilling machine manual operating and automatic fluctuation system electric motor gear strength cheeks.第一章 概述1.1搖臂鉆床的簡介機床的品種和規(guī)格繁多,為了便于區(qū)別、使用和管理,將各種機床都進行了分類和和編制型號。分類方法也有多種。主要是按照加工的性質和所用的刀具進行分類。根據國家規(guī)定的機床型號的編制方法,目前將機床分為12大類:車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、銑床、刨插床、拉床、特種加工機床、鋸床及其他機床。在每一類機床中,又可以按照工藝范圍、步型型式和結構等等,可以分為若干組,每一組又可以分為若干系列。如鉆床又包括:坐標鏜鉆床、深孔鉆床、搖臂鉆床、臺式鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、中心孔鉆床及其他鉆床。在上述的基本分類方法的基礎上,還可以根據機床的其他特征進一步進行分類。同類型機床按照應用范圍(通用性程度),可以分為通用機床(或者稱萬能機床)、專門化機床和專用機床三大類。其中通用機床是可以加工多種工件,完成多種多樣工序的加工范圍較廣的機床,如臥式車床、搖臂鉆床等等。搖臂鉆床是搖臂繞立柱回轉和升降的,主軸箱在搖臂上作水平運動的鉆床。對于大,中型工件上的孔,通常采用搖臂鉆床加工。加工時工件固定不動,移動主軸(刀具)可以方便地對準被加工孔的位置。搖臂鉆床廣泛用于大、中型零件的多孔加工。 搖臂鉆床主要由立柱,搖臂,主軸箱,和底座等部分組成。主軸箱裝在搖臂上,可沿立柱上下移動,以適應加工不同高度工件的要求。此外,搖臂還可以隨外立柱在360范圍回轉,因此主軸很容易調整到所需要的加工位置。為了使主軸在加工時保持確定的位置,搖臂鉆床還具有內立柱,搖臂及主軸箱的夾緊機構,當主軸的位置調整確定后,可以快速將它們夾緊。 搖臂鉆床的其他變形如萬向搖臂鉆床搖臂和主軸箱可以回轉或傾斜,使主軸可在空間任意方向都可以進行鉆削,適用于重型機器,機車車輛,船舶和鍋爐等制造業(yè)中加工大型工件。車式搖臂鉆床的底座有車輪,可以在軌道上移動,適用于橋梁和機床等行業(yè)窄長形工件的孔加工。1.2搖臂鉆床的國內發(fā)展動態(tài)及趨勢目前國內搖臂鉆床生產廠家有許多家,但是在這個行業(yè)做的較好的廠家不是很多。其中沈陽機床股份有限公司中捷搖臂鉆床廠的產品國內市場占有率高達70,出口產品遍及中東、北美、西歐等86個國家和地區(qū)。進入市場經濟后,國內機床行業(yè)競爭日趨激烈,與中捷搖臂鉆廠生產相同型號產品的企業(yè)有40多家,中捷搖臂鉆廠產品領先優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。為了應對挑戰(zhàn),中捷搖臂鉆廠在產品賣得正火的時候,提出了進行跨越產品結構調整。第一,用先進技術改造傳統(tǒng)產品。如普通搖臂鉆床實現了五軸聯動,價格由幾萬元上升到幾十萬元,達到中國搖臂鉆床最高水平。第二,向國際先進水平靠攏,不斷擴大產品領先優(yōu)勢。ZK系列、橋式和動橋系列產品,十幾項技術居國內領先地位。ZK3050獲得自主知識產權,并成為國家重點新產品;Z3580A萬向搖臂鉆,在任何空間、任意方向、任意位置上實現鉆削功能,不僅填補了國內空白,在國外也不多見。在國際著名的芝加哥機床展覽會上,中捷搖臂鉆廠參展產品被一位美籍華商相中并當場拉走。德國、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經銷商。在上海國際機床展覽會上,沈陽機床股份有限公司參展的數控鉆銑床,同時被國內三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數機床一樣,將向數控自動化、機電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢是:應用電子計算機技術,簡化機械結構,提高和擴大自動化工作的功能,使機床適應于納入柔性制造系統(tǒng)工作;提高功率主運動和進給運動的速度,相應提高結構的動、靜剛度以適應采用新型刀具的需要,提高切削效率;提高加工精度并發(fā)展超精密加工機床,以適應電子機械、航天等新興工業(yè)的需要。第二章 原動機的選擇機械系統(tǒng)通常是由原動機、傳動裝置、工作機和控制操縱部件及其它輔助部件組成。工作機是機械系統(tǒng)中的執(zhí)行部分,原動機是機械系統(tǒng)的中的驅動部分,傳動裝置則是把原動機和工作機有機地聯系起來,實現能量傳遞和運動形式轉換不可缺少的部分,而其中原動機在機械系統(tǒng)中所起的作用是:(1)把自然界的能源變成機械能;(2)把發(fā)電機等變能機所產生的各種形態(tài)的能量轉換為機械能。2.1常用原動機的運動形式常用原動機有以下三種運動形式,具體見表2-1:表2-1 原動機運動形式運動形式實例連續(xù)運動電動機、液壓馬達、氣壓馬達、柴油機、汽油機往復運動直線電動機、汽缸、液壓缸往復擺動擺動油缸、擺動汽缸2.2原動機的驅動方式原動機的驅動方式分為單機集中驅動和多機分別驅動。由一臺原動機通過傳動裝置驅動執(zhí)行機構工作,叫做單機集中驅動。而多機分別驅動自然而然是用多臺原動機來驅動各執(zhí)行機構工作。兩種驅動方式中,單機集中驅動傳動裝置復雜,操作麻煩,功率大,但價格便宜。而多機分別驅動傳動裝置簡單,電動機功率小,但成本比較高。2.3原動機選擇應考慮的因素1)必須考慮到現場能源的供應情況及工作環(huán)境因素;2)必須考慮原動機的機械特性與工作機的匹配情況;3)必須考慮到維修是否方便,操作是否簡單,工作是否可靠;4)必須考慮到工作機對原動機所提出的起動、過載、運轉平穩(wěn)性等方面的要求;5)必須考慮到其經濟效益及其成本,這也是非常重要的一項。2.4原動機的性能比較表2-2 原動機性能比較類別電動機氣缸馬達液壓馬達柴油機尺寸較大較小較小較大功率及取范圍功率大;0.31000KW,范圍廣功率比電動機大;一般在2.2KW以下,尤其適用于0.75KW以下的高速傳動功率最大;受實際油壓和馬達尺寸的限制功率大;538000KW重量大比電動機大最大大輸出剛度硬軟較硬較硬運行溫度控制溫度應低于許應值排氣時空氣膨脹,噪聲較大,排氣處應安裝消聲器對油箱進行風冷或水冷調整方法和性能直流電動機用改變電樞電阻、電壓或改變磁通的方法;交流電動機用變頻、變極或變轉差率的方法用氣閥控制,簡單,迅速,但不夠精確通過閥或泵控制改變流量,調速范圍大較難噪聲小較大較大較大維護要求較少少較多較多初始成本低較高高高運轉費用最低最高高高應用很廣,需要動力電源小功率高速場合較廣很廣,如各種車輛,船舶、農用機械、工程機械和壓縮機等等2.5確定原動機的選擇考慮到Z32K型搖臂鉆床的現場工作環(huán)境及工作需求,Z32K型搖臂鉆床的起動力矩和調速范圍等要求,我選擇電動機作為其原動機。由于生產機械裝置及工作機所處的工作環(huán)境各不相同,電動機的 工作環(huán)境也自然而然就各不一樣。在絕大多數情況下,電動機工作的周圍大氣中有不同分量的灰塵和水分,有的處于潮濕之處甚至水下工作,有的周圍含有腐蝕性氣體甚至爆炸物,為了保證電動機能在不同的工作環(huán)境中順利地安全運行,電動機的外殼也就有多種型式,其型式有:開啟式、防護式、封閉式、防爆式。由于Z32K型搖臂鉆床工作常處于灰塵較多的場合,其外殼選用封閉式,電動機型號為Y系列,Y90L-4,額定功率1.5KW,滿載轉速1400r/min,額定轉矩2.2Nm,質量27Kg。第三章 機械傳動設計方案的擬定與比較機械系統(tǒng)設計中的首要環(huán)節(jié)就是擬定傳動設計方案。其擬定的合理與否,在很大程度上決定了機械產品的合理、先進和具備市場競爭力的程度。在機械系統(tǒng)設計中,為了達到預定的運動和動力要求??梢圆捎貌煌膫鲃臃桨?。3.1傳動設計方案評價的目的機械運動方案的擬定和設計,最終要求通過分析比較提供最優(yōu)的方案。一個方案的優(yōu)劣只有通過系統(tǒng)能夠方案的評價來確定。從工作機系統(tǒng)設計的全過程來看,評價工作不僅在整個機械傳動方案設計完成后是需要的,而且評價工作在設計全過程中的每一階段也是需要的。一個機械傳動運動方案要求某一工藝動作過程,這一工藝動作過程又可以分解成若干個動作,采用一些執(zhí)行機構來加以實現。由于機械系統(tǒng)傳動方案評價指標是多方面的。選用某一機構型式時往往對各評價指標反應不一。有時也會相互矛盾。因此,需要建立一個評價體態(tài),進行全面的,綜合性的評價。由此可以得出整個最優(yōu)機械傳動運動方案。3.2機械傳動設計方案評價的原則機械傳動設計方案評價的原則有:(1)保證評價的客觀性 評價的目的是為了決策,因此評價是否客觀,就會影響決策是否正確。為了保證評價的客觀性,要求評價資料的全面性和可靠性,要求防止評價人員的傾向性,評價人員組成要有代表性等等。(2)保證方案的可比性 各個方案要求在實現基本功能上要有可比性和一致性,有的方案個別功能突出或有新穎之處。只能表明它在這個方面的優(yōu)越之處,不能代替其他方面的要求,更不能掩蓋其它方面的不足。否則,會失去綜合評價的作用。陷入“突出一點,不顧其余”的錯誤。這種主觀偏面的做法。顯然不利于評選最優(yōu)方案。(3)要有評價指標體系 評價指標體系是全面反映系統(tǒng)目標要求的一種評價模式。因此,評價體系應主要考慮機械傳動運動方案總功能所涉及到的對機構系統(tǒng)的各方面要求和指標。不考慮或少考慮其他方面的要求建立的評價指標體系,不僅是定性的要求,而且應該將各個評價的指標進行量化。評價指標體系的建立要求依據科學知識和專家的經驗,要體現評價指標體系的科學性、全面性格外專家經驗性。3.3系統(tǒng)設計方案的比較與確定根據Z32K型搖臂鉆床的工作情況,以及結合畢業(yè)設計課題,我現對搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進行改進,現擬定以下三種傳動方案供選擇:方案一: 手動升降系統(tǒng) 手柄錐齒輪軸錐齒輪螺母方案二: 自動升降系統(tǒng) 新增電動機齒輪1齒輪2錐齒輪1錐齒輪2螺母方案三:原電動機齒輪四聯滑移齒輪雙聯齒輪齒輪錐齒輪軸錐齒輪螺母表3-1 系統(tǒng)傳動方案性能的比較性能指標具體項目方案一方案二方案三功能傳動精度高高高升降速度慢快快工作性能可調性好好較好運轉速度慢快快承載能力大較大較大動力性能加速度峰值小較大較大噪聲較小小小耐磨性耐磨耐磨耐磨可靠性可靠可靠可靠經濟性制造性易難易調整方便性方便不方便方便能耗大小一般一般一般制造費用便宜貴便宜結構緊湊尺寸小小小重量輕重較輕結構復雜性簡單一般一般方案一:升降時費力又費時,再加上手柄長度較長,在實際操作過程中,當拖板接近變速箱時,進給手柄與升降手柄容易打在一起,操作者易受傷。方案二:在絲桿的端頭裝上小型電動機和減速器,使絲桿轉動,螺母固定實現自動升降。那是一種傳動的自動升降系統(tǒng)。很多機床都用的上。但是針對Z32K型搖臂鉆床來說,雖然彌補了自動升降的缺點,但又派生出另外的缺點:(1)鉆床立柱的頂端面積是有限的,而附加的電動機和減速器體積較大,結構復雜,安裝困難,也增加了成本,再說提重吊環(huán)的安裝問題也難以解決。(2)增加一個動力源、減速器和一組控制電路,使成本增加。方案三:直接利用原有電動機作為升降系統(tǒng)的動力源。在變速箱內附加若干齒輪,在原有的主運動傳動系統(tǒng)中,通過齒輪的變化嚙合,把動力傳到螺母上,使螺母轉動,從而實現自動升降。方案的優(yōu)點:(1)利用原電動機作為動力源,成本低。(2)附加零件部件結構簡單、容易生產。(3)充分利用了變速箱的有限空間,使原機床的各部分結構和機床外觀不受影響。(4)控制電路部分保持不變,操作簡單、方便。(5)升降平穩(wěn)、快捷、工作效率高。根據以上的評價比較和分析,最終選擇方案三作為升降系統(tǒng)的傳動方案。 圖3-1 變速箱傳動示意圖第四章 繪制變速箱中升降系統(tǒng)的傳動機構運動簡圖在生產中實際使用的各種機械在外形、構造和用途等各方面各不大相同。組成機械(機器)的各種機構及各個機構和形狀也是很復雜的。但各構件間的運動是由原動件的運動規(guī)律及個運動副的類型和機構的運動尺寸來決定的,與各構件之間的相對運動和整個機構的運動狀態(tài)與機構中所包含的運動副數量、類型以及運動副之間的相對位置(也即機構的運動尺寸)有關。而與組成構件的零件形狀和數量、構件的外形及其截面積的形狀和尺寸以及運動副的具體構造等等因素都無關。因此,在研究機構的運動時,為了便于分析,常常不計或者是略去那些與機構運動無關的因素,而是用規(guī)定的運動副符號及代表構件的線條來表示機構的運動特性,并根據運動學尺寸按比例畫出各運動副之間的相對位置。如轉動副中心間的距離和移動副導路中心位置等等。這種簡單的運動圖形是機構分析和設計的模型。如果僅僅以機構和運動副組成的符號表示機構,其圖形若不按照精確比例繪制,目的是為了進行初步的結構組成分析,弄懂動作原理等等,則稱這種簡圖為機構示意圖或者機構簡圖。繪制機構運動簡圖的步驟與方法:1)為了將機構運動簡圖表示清楚,在繪制時應該恰當地選擇投影面。2)認清機架、輸出機構和輸入機構。3)搞清楚機構運動傳遞路線。4)了解兩構件間的相對運動關系。5)選用適當的比例。6)原動件標箭頭表示運動方向。根據以上步驟,初步繪制出了Z32K型搖臂鉆床改進后的變速箱升降系統(tǒng)的傳動機構運動簡圖。圖4-1 升降系統(tǒng)運動機構簡圖1 電動機;2、機-2軸;4花鍵軸;3、5、機-4直齒輪;機-3雙聯齒輪;6四聯滑移齒輪;機-6錐齒輪軸;7錐齒輪;機-1、機-5軸承第五章 傳動部分運動及動力分析5.1部分傳動連接設計由Z32K型搖臂鉆床變速箱裝配圖和升降系統(tǒng)機構運動簡圖可以知道,升降系統(tǒng)的傳動路線為:電動機2軸4軸機-2過度軸機-6錐齒輪軸錐齒輪7螺母。為了設計和加工方便,機-6錐齒輪軸的各部分參數大部分上與原來手動系統(tǒng)中與升降手柄相連接的圓錐齒輪軸相同,而在末端又將方頭改為平鍵槽,采用平鍵與機-4齒輪連接。機-3過度齒輪的產生,因為固定機-6圓錐齒輪軸徑向位置的箱體孔中心高度受原有帶動螺母及絲桿運動的圓錐齒輪位置的限制,其箱體孔較接近箱體孔內壁,使得機-4齒輪的分度圓直徑受到限制,而固定在花鍵徑向位置的箱體孔的距離較遠,所以必須在四聯滑移齒輪和機-4齒輪之間加上過渡齒輪連接,從而這樣產生了機-3齒輪。我將機-3齒輪設計為雙聯齒輪,那是因為:為了提高工作效率,初定升降速度為800mm/min,已知:原有絲桿螺距P=6,原有帶動螺母及絲桿運動的圓錐齒輪齒數Z=36,機-6圓錐齒輪齒數Z=20。通過計算得出;要求機-6圓錐齒輪軸的轉速N=240r/min。又已知電動機的轉速N=1400r/min,與電動機軸相連最近的齒輪齒數Z=18(為了方便下面的計算,又 將其寫成),四聯滑移齒輪的小齒數=28,假如機-3過渡齒輪為單聯齒輪,那么機-6的齒數Z=54,為了能讓傳動的模數一致m=2,則機-6的齒輪分度圓直徑為108mm,而箱體孔內壁限于機-6的齒輪的分度圓直徑為72mm,所以必須將機-3過渡齒輪設計為雙聯齒輪,以減少齒輪和分度圓直徑,由于花鍵軸、機-2過渡軸與機-6圓錐齒輪軸徑向位置的各箱體孔之間呈三角形分布,因此機-3雙聯齒輪的分度圓直徑在設計上能作適當的調整。5.2傳動比、各軸轉速、功率及轉矩的計算已知假定了升降系統(tǒng)速度為800mm/min,又已知:,電動機轉速N=1400r/min,電動機功率為P=1500KW,圓錐齒輪的傳遞效率為,圓柱齒輪傳遞效率為,聯軸器的傳遞效率為,電動機的轉速,所以:, 為了使4軸轉速經過過渡軸機-2傳到機-6錐齒輪軸上,初步確定各齒輪參數如下表:表5-1 齒輪參數名稱齒數 分度圓直徑 模數機-3 64 128 2機-3 44 88 2機-4 36 72 2所以有:, ,各參數確定之后,重新計算的升降速度為:136.116=816.66r/min各軸轉矩為:電動機軸 2軸 4軸 機-2軸 機-6錐齒輪軸 7錐齒輪 各參數值列表如下:表5-2 各軸參數軸號功率KW轉矩轉速r/min傳動比效率電動機1.5010.231400/2軸1.4910.181400/0.9954軸1.4630.484583.060.975機-2軸1.4368.28200.3752.290.956機-61.40555.75244.910.820.9371.33595.33136.111.80.895.3齒輪材料的選擇5.3.1、齒輪材料的基本要求從對齒輪的失效分析可知,為了使齒輪能夠正常工作,應對齒輪的材料提出如下基本要求:(1)齒面應有足夠的硬度和耐磨性,以防止齒面磨損、點蝕、膠合以及塑性變形等失效。(2)輪齒心部應有足夠的強度和較好的韌性,以防止齒根折斷忽然抵抗沖擊載荷。(3)應有良好的加工工藝性能及熱處理性能,以便加工和提高力學性能。5.3.2、常用材料及熱處理適合制造齒輪的材料有很多,最常用的是鋼、鑄鐵,有些場合也采用非金屬材料。1、鋼鋼具有強度高、韌性好、便于制造和熱處理等優(yōu)點。大多數齒輪毛坯都采用優(yōu)質碳素鋼和合金鋼通過鍛造而成,并通過熱處理改善和提高力學性能。按熱處理后齒面硬度的不同,鋼制齒輪分為軟齒面齒輪和硬齒面齒輪兩種。軟齒面齒輪的齒面硬度小于或等于350HBS,通常適用于一般用途、中小功率以及精度要求不高的場合,例如一般用途的減速器。由于齒面硬度不高,這種齒輪的毛坯在進行調質或正火的熱處理之后再進行精加工,一般采用插齒或滾齒等方法。對于一對軟齒面的齒輪來說,在傳動的過程中,小齒輪的輪齒嚙合次數比大齒輪的多,同時小齒輪的齒根較薄,使得小齒輪的輪齒彎曲強度較弱。因此,通常使小齒輪的齒面硬度要比大齒輪的齒面硬度高3050HBS或更多,以保證大、小齒輪的使用壽命相接近。在一般情況下,通常選用不同的材料或不同的熱處理可以實現這個要求。硬齒面齒輪的齒面硬度大于350HBS,常用于高速重載及受有沖擊載荷的或要求結構緊湊的重要機械傳動中,例如機床、汽車變速箱等。這種齒輪的毛坯在進行調質或正火后,進行精切齒,然后再進行表面淬火處理,使得齒輪的耐磨性提高,承載能力增大。硬齒面齒輪與軟齒面齒輪比較,其綜合承載能力可提高23倍?;蛘哒f,在相同的承載能力下,硬齒面的齒輪傳動要比軟齒面的結構尺寸小得多。所以,除非受到工藝或生產等條件的限制,一般情況下應盡可能采用硬齒面齒輪。2、鑄鋼對于齒輪的直徑尺寸較大(大于400600mm),或結構復雜不易鍛造的齒輪毛坯,可用鑄鋼來制造。例如低速、重載的礦山機械中的大齒輪。3、鑄鐵灰鑄鐵具有較好的減磨性和加工性能,而且價格低廉,但它的強度較低,抗沖擊性能差,因此,常用于開式、低速輕載、功率不大及沖擊振動的齒輪的傳動中。球墨鑄鐵的力學性能和抗沖擊能力較灰鑄鐵高,可代替灰鑄鐵、鑄鋼和調質鋼鑄造大直徑齒輪。4、非金屬材料非金屬材料的彈性好,耐磨性好,可注塑成型,成本低,但承載能力小,適用高速輕載以及精度要求不高場合。例如食品機械、家電產品以及辦公設備等。常用齒輪的材料見下表5-3:表5-3 常用齒輪的材料及其力學性能材料牌號熱處理方法齒面硬度強度極限屈服極限主要應用優(yōu)質碳素鋼45正火160217HBS580290低速輕載調質217255HBS650360低速中載表面淬火4855HRC750450高速中載或低速重載50正火180220HBS620320沖擊很小合金鋼40Cr調質表面淬火240260HBS4855HRC700900550650中速中載高速中載無劇烈沖擊42SiMn調質表面淬火217269HBS4555HRC750470高速中載無劇烈沖擊20Cr滲碳淬火5662HRC650400高速中載承受沖擊20CrMnTi滲碳淬火5662HRC1100850鑄鋼ZG310570正活表面淬火160210HBS4050HRC570320中速、中載、大直徑ZG340640正火調質170230HBS240270HBS650700350380球墨鑄鐵QT600-2QT500-5正火220280HBS147241HBS600500低中速輕載有小的沖擊灰鑄鐵HT250HT300人工時效170240HBS187235HBS200300低速輕載沖擊很小 根據上述齒輪材料的介紹,我設計改進后新增的齒輪中,機-6錐齒輪材料選用40Cr,直齒輪機-4的材料選用20CrMnTi,機-3雙聯齒輪選用20CrMnTi。5.4直齒圓錐齒輪的尺寸設計計算及校核圓錐齒輪傳動用于傳遞兩個相交軸之間的運動和動力,圓錐齒圓按照分度圓上的餓齒向,圓錐齒輪可以分為直齒、斜齒和曲齒齒輪三種類型。直齒圓錐齒輪易于制造,則安裝也比較簡單,適用于低速、輕載傳動的場合,應用也比較廣泛。斜齒圓錐齒輪應用較少。而曲齒圓錐齒輪傳動平穩(wěn)、承載能力高,常應用于高速重載的場合。但是設計和制造較為麻煩,復雜。圓錐齒輪7是直齒圓錐齒輪。5.4.1圓錐齒輪的各參數設計計算已知:齒數=36,模數=2,配對齒輪齒數=20,模數=2分度圓直徑: 分度圓錐角:齒頂高: 齒根高: 全齒高: 頂隙c: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 錐矩: 齒頂角: 齒根角: 當量齒角: 根錐角: 頂錐角: 當量齒輪分度圓半徑:當量齒輪齒頂圓半徑:當量齒輪齒頂壓力角:不發(fā)生根切的最少齒數:5.4.2受力分析進行受力分析,為了簡便起見,近似假定載荷沿齒寬分布均勻,并集中作用于齒寬中點節(jié)線處的法向平面內,和圓柱齒輪傳動機構相似,齒面的法向為,也可以分解為圓周力,徑向力和軸向力,求得各分力公式為: (5-1) (5-2) (5-3) (5-4)計算結果如下:5.4.3結構設計結構設計大體如下圖5-1所示,各詳細參數具體見錐齒輪7零件圖(見CAD圖紙YBZC-05)圖5-1 錐齒輪5.4.4計算載荷上面所述的,和等均是作用在齒輪上的名義載荷。在實際工作中,還應該考慮原有動力機和工作機的振動和沖擊,輪齒嚙合過程中產生的動載荷。由于制造安裝誤差或者受載后輪齒產生的彈性變形以及軸套、軸承箱體的變形,使得載荷沿齒寬方向分布均勻,同時嚙合的各輪齒之間載荷分布不均勻等等。為此,應該將名義載荷乘以載荷系數,作為計算載荷,進行齒輪的強度計算時,按計算載荷進行計算,與圓周力對應的計算載荷為: (5-5)式中:載荷系數 (5-6)其中:使用系數,用來考慮原動機和工作機的工作特性等引起的動力過載對齒輪受載的影響,其值可以查如下表5-4:表5-4 使用系數工作機的工作特性原動機的工作特性及其示例均勻平穩(wěn) 電動機、均速轉動的汽輪機輕微沖擊 汽輪機、液壓馬達中等沖擊 多缸內燃機嚴重沖擊單缸內燃機均勻平穩(wěn)1.001.101.251.50輕微沖擊1.251.351.501.75中等沖擊1.501.601.752.00根據上述表格,我設計計算時取使用系數=1.25。動載系數,用來考慮齒輪副在嚙合過程中,因嚙合誤差(基節(jié)誤差、齒形誤差和輪齒變形等)所引起的內部附加動載荷對輪齒受載的影響。其值,對于直齒圓柱齒輪傳動,可以取=1.051.4;斜齒圓柱齒輪傳動,可以取=1.021.2;直齒錐齒輪傳動,可以取=1.11.4。齒輪精度低、速度高時,取大值;反之取小值。因而我設計計算時取=1.3齒向載荷分布系數,用以考慮由于軸的變形和齒輪制造誤差等引起的載荷沿齒寬方向分布不均勻的影響。對于直齒圓柱齒輪傳動,若兩輪之一為軟齒輪時,取=11.2,兩輪均為硬齒面時,取=1.11.35;直齒圓錐齒輪傳動,可以取=1.11.3,寬徑比B/d1較小、齒輪在兩支承中間對稱布置、軸的剛性大時,取小值;反之,取大值。因而我在設計計算時取=1.2。齒間載荷分配系數,用以考慮同時嚙合的各對齒輪輪齒間載荷分配不均勻的影響。對于直齒圓柱齒輪傳動,取=11.2;斜齒圓柱齒輪傳動,齒輪精度等級高于7級(含7級),=11.2,齒輪精度等級低于7級,=1.21.4;直齒圓錐齒輪傳動,可以取=1。齒輪制造精度等級低、齒面為硬齒面時,取大值;精度等級低、齒面為軟齒面時,取小值。因而我在設計計算時取=1。所以 =1.251.31.21=1.95N5.4.5齒面接觸疲勞強度的校核1) 確定許應力,查機械設計原理與方法P368頁圖1038得=1500MPa=1.01.2,取=1.1;=2所以 2) 驗算齒面接觸疲勞強度條件計算工作轉矩T=9.55確定載荷系數K=1.95查圖=2.5,=,因為不是很多,=0.90計算齒面接觸應力1247.75MP所以齒面接觸疲勞強度滿足要求。5.4.6輪齒彎曲強度的校核1)確定許應力,查機械設計原理與方法P368頁圖1038得=480MPa=1.41.5,取=1.5;u =1.8所以 2) 驗算輪齒彎曲強度條件計算工作轉矩T=9.55確定載荷系數K=1.95,取0.80計算輪齒彎曲應力33.78所以輪齒彎曲強度滿足要求。5.5錐齒輪軸機-6的設計計算及校核5.5.1錐齒輪部分主要參數設計計算已知:齒數=20,模數=2,配對齒輪齒數=36,模數=2分度圓直徑: 分度圓錐角:齒頂高: 齒根高: 全齒高: 頂隙c: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 錐矩: 齒頂角: 齒根角: 當量齒角: 根錐角: 頂錐角: 當量齒輪分度圓半徑:當量齒輪齒頂圓半徑:當量齒輪齒頂壓力角:5.5.2 軸端部分參數設計軸端部分設計的目的是合理地確定軸端部分的外部形狀和全部尺寸。由于影響軸端部分結構設計的因素很多,固軸端部分沒有標準的結構型式,在滿足規(guī)定的功能要求和設計約束的前提下,其結構設計方案具有較大的靈活性、設計時應該多加考慮如下因素:(1)便于軸上各零件(如軸承等)的裝拆和調整);(2)保證軸承上的各零件的定位和固定可靠;(3)具有良好的加工工藝性;(4)力求受力合理,應力集中小,工作能力強,節(jié)約材料和減輕重量?;谏鲜鲆螅瑢㈠F齒輪軸端的結構設計大體如下圖5-2所示,各詳細參數具體見CAD圖紙YBZC-04。圖5-2 錐齒輪軸5.5.3錐齒輪軸的固定為了保證裝配質量,機-6齒輪軸與手動升降系統(tǒng)的齒輪軸的軸心中心高等高。由于機-6的徑向受載荷一般,所以由滾動軸承的支承軸向位置,軸向位置由卡簧固定。為了方便調整機-6齒輪軸軸向位置,因軸承套與箱體孔的配合面較大,所以對機-6圓錐齒輪與210圓錐齒輪的軸心的垂直度影響不大。5.6機-4齒輪設計計算及校核5.6.1 尺寸設計計算已知:機-4齒輪的齒數Z=36,模數m=2齒輪機-4選漸開線標準直齒圓柱齒輪,下面對機-4齒輪各部分參數進行設計計算(1)齒數:齒數一般應為整數,已知Z=36;(2)模數:模數也是已知的,m=2;(3)壓力角:漸開線齒廓上的各點的壓力角規(guī)定為標準值,當只提“壓力角”,而不指明哪個外圓時,即指分度圓壓力角為=;(4)分度圓直徑:分度圓就是具有標準模數和標準壓力角的圓,d=mz=72(5)齒頂高:分度圓與齒頂圓間的間的徑向距離,齒頂高用齒頂高系數和模數的乘積表示,即;(6)齒根高:分度圓與齒根高的徑向距離,即;(7)頂隙:齒根高比齒頂高大一些,以便上頂圓和另一齒輪的齒根圓間形成間隙頂隙C,既有利于儲存的潤滑油,也避免兩齒輪卡死,頂隙用頂隙系數和模數的乘積來表示,即;(8)齒頂圓直徑:過所有齒頂端的圓稱為齒頂圓,齒頂圓直徑用表示,=76;(9)齒根圓直徑:過所有齒槽底部的圓稱齒根圓,齒根圓直徑用表示,;(10)齒高:齒高等于齒頂高加上齒根高,即;(11)基圓直徑:產生漸開線的圓稱基圓,基圓直徑用表示,;(12)齒距:相鄰兩個輪齒同側齒廓之間的弧線長度稱該圓上的齒距,用P表示,P=m=6.28;(13)齒厚:在任意半徑圓周上,一個輪齒兩側齒廓之間的弧線長度稱齒厚,用S表示,S=P/2=3.14;(14)齒槽寬:一個齒槽兩側齒廓之間的弧線長度稱齒槽寬,用e表示,e=P/2=3.14;(15)標準中心距:中心距是齒輪傳動的基本尺寸,齒輪箱體上軸承孔的尺寸就由中心距來決定的,為了使一對漸開線標準齒輪傳動平穩(wěn),在確定中心距時,應該保證相嚙合的兩輪齒的齒側無間隙存在,對于一對模數相等無間隙嚙合的標準齒輪,其分度圓上的齒厚和齒槽寬相等,其齒輪中心距為標準中心距,計算公式為將各參數列表如下:表5-5 齒輪設計參數齒數36齒頂圓直徑76模數2齒根圓直徑67壓力角20齒高4.5分度圓直徑70基圓直徑67.66齒頂高2齒距6.28頂隙0.5齒厚3.14齒根高2.5齒槽寬3.14分度圓直徑725.6.2結構分析機-4齒輪結構設計大體如下圖5-3所示,各詳細參數具體見CAD圖紙YBZC-06。圖5-3 齒輪5.6.3受力分析對輪齒上的作用力進行分析是進行齒輪承載能力的計算、設計支承齒輪的軸以及選用軸承的基礎。在工程上為了簡化計算,常把作用在齒面上沿齒寬接觸線上分布的全部作用力用一個作用在齒寬中點處的集中力來代替。當潤滑較好時,可以忽略接觸面上的摩擦力的影響,該集中力即法向力,它的方向是沿著兩齒廓接觸點的公法線方向,即嚙合線方向。方向力有可以分解為圓周力和徑向力,其計算公式分別為: (5-7) (5-8) (5-9)計算結果為:5.7雙聯齒輪的設計計算雙聯齒輪的兩齒均設計為漸開線標準圓柱齒輪,現將其主要參數設計如下表5-6表5-6 雙聯齒輪設計計算基本參數機-3 2齒數64 機-3 4齒數44 模數m均為2配對齒輪參數與機-3 2、4配對齒輪齒數分別為28和36,模數m均為2;名稱符號計算公式機-3 2機-3 4分度圓直徑dd=mz12888中心距aa=9280齒頂高22齒根高2.52.5全齒高h4.54.5齒頂圓直徑13284齒根圓直徑8775基圓直徑120.2882.69分度圓齒距PP=m6.286.28分度圓齒厚SS=m/23.143.14分度圓槽寬eE=m/23.143.14頂隙C0.50.5基圓齒距mcos205.905.90節(jié)圓處齒廓的曲率半徑21.8915.055.8 過渡軸的設計傳動零件必須通過其他零件被支承起來才能進行工作,這種支承作用的零件稱為軸。軸是組成機器的重要作用之一,它的主要功能是支承做回轉運動的零件,并傳遞運動和動力。5.8.1軸的失效形式機械中的軸大多為轉軸,同時承受彎曲應力和扭轉切應力,且均為交變應力。在交變應力的作用下,軸的主要失效形式為疲勞斷裂。因此,軸的材料應具有足夠的疲勞強度、較好的應力集中敏感性和良好的加工性能。5.8.2軸的材料根據上述這些要求,軸的材料一般宜選用中碳鋼和中碳合金鋼。對于一般以內國土和較重要的軸,多采用優(yōu)質碳素結構鋼來制造,如45鋼等。這類鋼的加工性能和機械性能好,經過調質或者正火處理后可以獲得良好的機械性能,且價格比較便宜。對于載荷不大、轉速要求不高或者不重要的軸,可以采用普通的碳素結構鋼來制造,如Q275等,以降低成本。合金鋼的機械性能和熱處理工藝均優(yōu)于碳素鋼,對于強度要求高而結構要求緊湊、重量輕的重要的軸或者有特殊性能要求的軸,應該采用合金鋼來制造,如40Cr鋼等。由于碳素鋼與合金鋼的彈性模量基本相同,因此采用合金鋼并不能提高軸的強度。但是,碳素鋼比合金鋼的成本低,而且對于應力集中的敏感性小,所以得到了廣泛的應用。軸也可以采用球煤鑄鐵材料制造。鑄鐵材料容易鑄造成復雜的形狀,且吸振性和耐磨性較好,對應力集中的敏感性也較低,但其沖擊韌性低,可靠性差。我設計的過渡軸材料為合金結構鋼40Cr。5.8.3過渡軸的強度校核一、 扭轉強度校核設軸在扭矩T的作用下,產生的切應力。對于圓截面的實心軸,根據其扭轉強度條件可以得 (5-10) 所以 式中:是軸的扭轉切應力,單位為MP;T是軸所傳遞的扭矩,單位為Nmm;是軸的抗扭截面系數,0.2,單位為;P是軸傳遞的功率,單位為KW;n是軸的轉速,單位是r/min;d是軸的直徑,單位為mm;是材料的許用扭轉切應力,單位為MPa。顯然,扭轉強度滿足要求。二、 按彎扭合成強度條件計算1. 力學模型的建立在進行軸的強度校核時,通常忽略軸及其上各個零件的質量,把軸簡化為簡支梁、外伸梁或懸臂梁。將其作用在軸上的零件分布力作為集中力,其作用點取為零件輪轂寬度的中點,并將其全部轉化到軸上。支點反力的作用點一般可近似地取在軸承寬度的中點上,以簡化計算。受力圖為:圖5-4 受力圖作出軸的水平面受力圖和彎矩圖圖5-5 水平受力圖圖5-6 水平彎矩圖作出垂直面內的受力圖和彎矩圖圖5-7 垂直受力圖圖5-8 垂直彎矩圖作出合成彎矩圖M圖5-9 合成彎矩圖作出扭矩圖T圖5-10 扭矩圖做當量彎矩圖圖5-11 當量彎矩圖計算危險截面軸徑過渡軸的每一處截面直徑均大于16.22故強度滿足要求。5.8.4過渡軸的固定因為機-3雙聯齒輪整體寬度較少,而且齒輪較接近箱體孔,且箱體孔內比壁較厚。所以機-2過渡軸只需一個箱體孔固定,機-3齒輪與機-2過渡軸之間,其軸向固定由滾動軸承連接。其軸向卡簧固定。而機-2軸上有軸肩,裝配時直接將機-2軸敲入箱體孔至軸肩處即可。第六章 軸承的選擇與校核6.1 軸承的分類軸承是支承軸的部件。根據軸承工作是的摩擦性質,軸承可以分為滑動摩擦軸承(簡稱滑動軸承)和滾動摩擦軸承(簡稱滾動軸承)。由于滾動軸承摩擦系數小,起動阻力小,已經標準化,選用、潤滑及維護較方便,所以在一般的機器中得到廣泛的應用。滾動軸承的徑向尺寸較大,工作時產生振動、噪音與設備的精度、軸的工作轉速有關,故適用于中、低速以及精度要求較高的場合。滑動軸承具有獨特的優(yōu)點,在用于某些不能、不便或者使用滾動軸承沒有優(yōu)勢的場合,如工作轉速特高、沖擊和振動特大、徑向空間設計尺寸受到限制或者必須部分安裝(曲軸上軸承)的結構,以及需要在水或者腐蝕性介質工作的工況條件下,仍占有重要地位。因此,在軋鋼機、內燃機、雷達、天文望遠鏡及各類儀表中應用廣泛。6.2 滾動軸承及類型滾動軸承主要是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉動零件的。常用的滾動軸承絕大數已經標準化了,設計時可以根據載荷的性質與大小、轉速的高低、旋轉精度等工作要求進行選用,并進行軸承承載能力的驗算,結構設計。滾動軸承主要由外圈、內圈、滾動體和保持架構成。保持架將滾動體均勻地隔開,以減少滾動體間的摩擦和磨損。通常內圈固定在軸頸上,外圈裝在軸承座內。常見的運動方式;內圈隨軸頸轉動,外圈固定。也有外圈轉動而內圈不動或者是內、外圈都轉動的運動形式。 滾動軸承的類型很多,按照軸承受載荷的作用方向,可以分為:(1)徑向接觸軸承 主要用于承受徑向載荷(2)向心角接觸軸承 能同時承受徑向及單方向軸向載荷(3)軸向接觸軸承 只能承受軸向載荷6.3 滾動軸承的失效形式滾動軸承在工作時,由于各元件間間隙的存在,其受力情況也成周期性不穩(wěn)定變化。軸承工作時,各元件上所受的載荷及產生的應力是時時變化的,其變動的頻率取決于滾動體中心圓周速度。選用角接觸軸承或者圓錐滾子軸承時,為保證可靠地工作,使其在工作時至少處于下半圈滾動體全部受載的工作狀態(tài)。滾動軸承的失效形式有:(1)疲勞點蝕滾動軸承的正常失效形式是滾動體或者內外圈滾道上的點蝕破壞。軸承工作時,軸上的受力通過軸承內圈外圈基座上,相鄰元件間的接觸面產生接觸應力。由于內、外圈的相對轉動,滾動體的不規(guī)則滾動,導致接觸應力按脈動循環(huán)變化。在安裝、潤滑及維護良好的條件下,當應力循環(huán)次數達到一定值后,會在某一元件上形成表層金屬剝落現象,即疲勞點蝕。點蝕后軸承在工作時通常會出現較強烈的振動、噪音和發(fā)熱現象及旋轉精度下降,影響機器的正常工作。(2)塑性變形若軸承的工作轉速很低(n10r/min)或者僅作間歇擺動,則一般不會出現疲勞點蝕破壞,工作時過大的靜載荷或者瞬間過大的沖擊載荷,均會使元件接觸面間的局部應力大于元件材料的屈服極限應力而產生塑性變形。在形成不均勻的凹炕后,軸承即已經失效。6.4 軸承的選擇計算現只對過渡軸承進行校核,我是設計時軸承選的是深溝球軸承6005 GB/T276-94。已知n=200.375r/min,軸徑d=25mm,=222.48N,=650.48N,溫度低于100,有輕微沖擊,預期使用壽命。因為深溝球軸承沒有派生軸向力,所以,查有關設計手冊知6005軸承的,查表,有輕微沖擊,應取=1.2查表,采用線性插值法,得e=0.234因查表可得 得 計算軸承的壽命已知球軸承,因工作溫度低于120,得=1按公式 (6-1)得 所以,選6005深溝球軸承合用同理,可以計算錐齒輪軸上所選的深溝球軸承6010 GB/T 27696也合用。第七章 鍵的選擇和鍵聯接強度計算鍵聯結是將軸與軸上的傳動零件,如凸輪、齒輪、帶輪等連接在一起,實現軸和妯上零件間的周向固定,以傳遞轉矩的軸轂連接。有些類型的鍵可以實現軸與軸上零件的軸向固定,或軸向動連接。7.1 鍵的選擇按結構特點和工作原理,鍵聯結可以分為平鍵聯結、半圓聯結和楔鍵聯結,此外,還有各種花鍵。平鍵聯結的結構簡單、制造容易、對中性較好、裝拆方便,能夠承受沖擊或變載荷。因而得到廣泛的應用。半圓聯結的工作面是兩個側面,由于軸上半圓鍵槽挖得深,軸的強度大為降低,固一般用于傳遞較少的扭矩。楔鍵聯結一般用于外部軸端上固定大齒輪或者皮帶輪。連接時將鍵打入鍵槽內,依靠鍵的頂面和底面與輪轂和軸之間的擠壓所產生的摩擦力來傳遞扭矩,此時,兩底接觸面均畫成一條直線;鍵的兩側為非工作面,應與輪轂和鍵槽側面之間留空隙?;ㄦI連接比較可靠,能傳遞較大的扭矩,軸上零件可以花鍵做軸向移動,導向性、對中性都比較好,因此,在機械設備中也得到廣泛的應用。鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應根據鍵聯結的結構特點,使用要求和工作條件來選擇;鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求來取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸(一般以鍵寬b和鍵高h表示)與長度L。鍵的截面尺寸按,軸的直徑d由標準中選定。鍵的長度L一般可按輪轂的長度而定。即鍵長等于或略短于輪轂的長度。這里d為軸的直徑,所選定的鍵長亦應符合標準規(guī)定的長度系列。錐齒輪軸上的軸頭處選平鍵聯結,B型66 L=10 GB1095-79。7.2 鍵聯結強度計算 平鍵聯接傳遞轉矩時,聯接中各零件都要進行受力分析。對于采用常見的材料組合和按標準選取尺寸的普通平鍵聯接,其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴重過載,一般不會出現鍵的剪斷。因此,通常只按工作面上的擠壓應力進行強度校核計算。對于導向平鍵聯接和滑鍵聯接,其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此,通常按工作面上的壓力進行條件性強度校核計算。根據其要求,普通平鍵聯接的強度條件計算校核公式為: (7-1)因此有: 顯然所以強度足夠。式中:T傳遞的轉矩,單位為;L鍵的工作長度,單位為mm,圓頭平鍵l=L-b,平頭平鍵l=L,這里l為鍵的公稱長度,單位為mm;b為鍵的寬度,單位為mm。d軸的直徑,單位為mm;h鍵的高度,單位為mm;鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力,單位為; 第八章 結 論通過此次設計,我們能夠較系統(tǒng)地、全面地把大學四年所學的基礎知識和專業(yè)知識綜合地利用起來,目的是把自己所學的知識連貫起來應用于實際當中,來解決生產實際問題,從而鍛煉我們的分析問題和解決問題的能力,從而設計出滿足要求的機械產品。 本次設計的主要任務是對Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進設計,我針對調研中發(fā)現實際操作過程中存在的問題,對其升降系統(tǒng)進行改進設計。在設計過程中,我制定了合理的傳動路線,繪制升降系統(tǒng)傳動機構運動簡圖,并對其新增傳動部件進行動力和運動分析,對主要的傳動零件進行設計及校核。我設計改進后的升降系統(tǒng)具有手動和自動并存功能,但是在操作過程中也會存在安全隱患,因為在開啟自動升降的同時,手動系統(tǒng)也會運轉。為了安全起見,本應該再對其手柄改進為彈簧推卸裝置,由于時間和精力有限,沒能進行改進,因而在自動升降狀態(tài)下,應該將手動手柄拿開,盡量避免手動手柄運動與自動升降同時進行。 因為我以前很少接觸過搖臂鉆床這種機器。因此在設計開始時,我并沒有太大的把握,感覺到非常棘手。但后來在指導老師們和同學的幫助下,我在設計過程中沒有遇到太多的困難。由于我的設計是變速箱的改進設計,因此設計的重點自然是傳動件的設計。在設計過程中,我收集了大量的相關資料和信息。其中主要來自于調研收集的資料、手冊、教材以及網上搜索
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