Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計1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(xiàn)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計2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.Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計3Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計4Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計5Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計6Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計7Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計8Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計9目 錄中文摘要及關鍵詞 1英文摘要及關鍵詞 2第一章 概述 31.1 搖臂鉆床的簡介 31.2 搖臂鉆床的國內發(fā)展動態(tài)及趨勢 4第二章 原動機的選擇 52.1 常用原動機的運動形式 52.2 原動機的驅動形式 52.3 原動機選擇應考慮的因素 52.4 原動機的性能比較 62.5 確定原動機的選擇 7 第三章 機械傳動設計方案的擬訂與比較 83.1 傳動設計方案評價的目的 83.2 傳動設計方案評價的原則 83.3 系統(tǒng)設計方案的比較與確定 8第四章 繪制變速箱中升降系統(tǒng)的傳動機構運動簡Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計10圖 11第五章 傳動部分運動和動力分析 125.1 部分傳動連接設計 125.2 傳動比、各軸轉速、功率及轉矩的計算 125.3 齒輪材料的選擇 145.3.1 齒輪材料的基本要求 145.3.2 常用材料及熱處理 145.4 直齒圓錐齒輪的尺寸設計計算及校核 175.4.1 圓錐齒輪的各參數(shù)設計計算 175.4.2 受力分析 185.4.3 結構設計 185.4.4 計算載荷 195.4.5 齒面接觸疲勞強度的校核 205.4.6 輪齒彎曲強度校核 215.5 錐齒輪軸的設計計算及校核 21Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計115.5.1 錐齒輪部分主要參數(shù)設計計算 215.5.2 軸端部分參數(shù)設計 235.5.3 錐齒輪軸的固定 235.6 機-4 齒輪設計計算及校核 245.6.1 尺寸設計計算 245.6.2 結構分析 255.6.3 受力分析 255.7 雙聯(lián)齒輪的設計計算 265.8 過渡軸的設計 275.8.1 軸的失效形式 275.8.2 軸的材料 275.8.3 過渡軸的強度校核 285.8.4 過渡軸的固定 31第六章 軸承的選擇與校核 326.1 軸承的分類 326.2 滾動軸承及類型 326.3 滾動軸承的失效形式 32Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計126.4 軸承的選擇計算 33第七章 鍵的選擇和鍵聯(lián)接強度計算 357.1 鍵的選擇 357.2 鍵聯(lián)結強度計算 35第八章 設計小結 37參考文獻 38致謝 39Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計13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(jù)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(jù)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。Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計141.2 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(chǎn)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(chǎn)品國內市場占有率高達 70，出口產(chǎn)品遍及中東、北美、西歐等 86 個國家和地區(qū)。進入市場經(jīng)濟后，國內機床行業(yè)競爭日趨激烈，與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號產(chǎn)品的企業(yè)有40 多家，中捷搖臂鉆廠產(chǎn)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(chǎn)品賣得正火的時候，提出了進行跨越產(chǎn)品結構調整。第一，用先進技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實現(xiàn)了五軸聯(lián)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(chǎn)品領先優(yōu)勢。ZK 系列、橋式和動橋系列產(chǎn)品，十幾項技術居國內領先地位。ZK3050 獲得自主知識產(chǎn)權，并成為國家重點新產(chǎn)品；Z3580A 萬向搖臂鉆，在任何空間、任意方向、任意位置上實現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)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(shù)控鉆銑床，同時被國內三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數(shù)機床一樣，將向數(shù)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。Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計15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(lián)系起來，實現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(jīng)濟效益及其成本，這也是非常重要的一項。Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計162.4 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(nóng)用Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計17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(xiàn)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(chǎn)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(shù)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計18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(chǎn)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(xiàn)。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(xiàn)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(jù)科學知識和專家的經(jīng)驗，要體現(xiàn)評價指標體系的科學性、全面性格外專家經(jīng)驗性。3.3 系統(tǒng)設計方案的比較與確定Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計19根據(jù) Z32K 型搖臂鉆床的工作情況，以及結合畢業(yè)設計課題，我現(xiàn)對搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進行改進，現(xiàn)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(lián)滑移齒輪 雙聯(lián)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 方案三傳動精度 高 高 高功能升降速度 慢 快 快可調性 好 好 較好運轉速度 慢 快 快工作性能承載能力 大 較大 較大加速度峰值 小 較大 較大噪聲 較小 小 小耐磨性 耐磨 耐磨 耐磨動力性能可靠性 可靠 可靠 可靠制造性 易 難 易調整方便性 方便 不方便 方便能耗大小 一般 一般 一般經(jīng)濟性制造費用 便宜 貴 便宜尺寸 小 小 小重量 輕 重 較輕結構緊湊結構復雜性 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(xiàn)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 型搖臂鉆床變速箱的改進設計20Z32K 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(xiàn)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(chǎn)。 （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(jù)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計21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(chǎn)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(shù)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(shù)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(jù)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?shù)剡x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?shù)谋壤?）原動件標箭頭表示運動方向。根據(jù)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(lián)齒輪；6四聯(lián)滑移齒輪；機-6錐齒輪軸；7錐齒輪；機-1、機-5軸承Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計22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(shù)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(chǎn)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(lián)滑移齒輪和機-4齒輪之間加上過渡齒輪連接，從而這樣產(chǎn)生了機-3 齒輪。我將機-3 齒輪設計為雙聯(lián)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(shù) Z=36，機-6 圓錐齒輪齒數(shù) 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(shù) Z=18（為了方便下面的計算，又 將其寫成 ） ，四聯(lián)滑移齒輪的小齒數(shù) =28，假18Z570Z如機-3 過渡齒輪為單聯(lián)齒輪，那么機-6 的齒數(shù) Z=54，為了能讓傳動的模數(shù)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(lián)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(lián)齒輪的分度圓直徑在設計上能作適當?shù)恼{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： ， ，18Z5569， ， ，電動機轉速 N=1400r/min，電動機功284659Z70、36Z7206機率為 P=1500KW，圓錐齒輪的傳遞效率為 ，圓柱齒輪傳遞效率為%91Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計23，聯(lián)軸器的傳遞效率為 ，電動機的轉速 ，%982%5.93min/140rn所以：， ，min/r140n2、 KW92501P32、85i24 in/r485i24、 K6.198.05.1P24、為了使 4 軸轉速經(jīng)過過渡軸機-2 傳到機-6 錐齒輪軸上，初步確定各齒輪參數(shù)如下表：min/r24036in76 、表 5-1 齒輪參數(shù)名稱 齒數(shù) 分度圓直徑 模數(shù)機-3 64 128 2機-3 44 88 2機-4 36 72 2所以有：，716284i4、 min/r375.2016458in242、 KW.9.0.P4、， ，1936i2、 in/r9.241375.20in66 、405.18.4.P26 、 min/r.369.in7、 KW5.1.045.1P67 、各參數(shù)確定之后，重新計算的升降速度為：136.11 6=816.66r/min各軸轉矩為：電動機軸 mN23.10P95T、Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計242 軸 mN179.05.2310T32 、4 軸 48.3i4 42 、機-2 軸 256.822 、機-6 錐齒輪軸 N7.490756iT 62 、7 錐齒輪 m3.2.17 、各參數(shù)值列表如下：表 5-2 各軸參數(shù)軸號 功率 KW 轉矩 mN轉速 r/min 傳動比 效率電動機 1.50 10.23 1400 / /2 軸 1.49 10.18 1400 / 0.9954 軸 1.46 30.48 458 3.06 0.975機-2 軸 1.43 68.28 200.375 2.29 0.956機-6 1.405 55.75 244.91 0.82 0.9377Z1.335 95.33 136.11 1.8 0.895.3 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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計25鋼具有強度高、韌性好、便于制造和熱處理等優(yōu)點。大多數(shù)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(shù)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(xiàn)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(chǎn)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計26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(chǎn)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 MPaB/屈服極限 s/主要應用正火 160217HBS 580 290 低速輕載調質 217255HBS 650 360 低速中載45表面淬火4855HRC 750 450 高速中載或低速重載優(yōu)質碳素鋼50 正火 180220HBS 620 320 沖擊很小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217269HBS4555HRC 750 470高速中載無劇烈沖擊20Cr 滲碳淬火5662HRC 650 400合金鋼20CrMnTi 滲碳淬火5662HRC 1100 850高速中載承受沖擊ZG310570正活表面淬火160210HBS4050HRC570 320鑄鋼ZG340640正火調質170230HBS240270HBS650700350380中速、中載、大直徑球墨 QT600-2 220280HBS 600 低中速輕載Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計27鑄鐵QT500-5正火 147241HBS 500 有小的沖擊灰鑄鐵HT250HT300人工時效170240HBS187235HBS200300低速輕載沖擊很小根據(jù)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(lián)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(shù)設計計算已知：齒數(shù) =36，模數(shù) =2，配對齒輪齒數(shù) =20，模數(shù) =21Z1m2Z2m分度圓直徑： 7362zd分度圓錐角： 290arctgrt11齒頂高： mh1齒根高： 4.2).0()c(f 全齒高： 421f頂隙 c： c齒頂圓直徑： 98.75coshd11a 齒根圓直徑： 026in2ff錐矩： 43.R1Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計28齒頂角： 54.1Rharctg齒根角： 8.tff當量齒角： 16.4coszZ1v根錐角： 5.271ff頂錐角： 430當量齒輪分度圓半徑： 16.cos2dr1v當量齒輪齒頂圓半徑： .43h1v當量齒輪齒頂壓力角： 8.rcsao1v1v不發(fā)生根切的最少齒數(shù)： 15o)in/h2(Z2min 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：nFtFraF（5-1）1R1t d)5.0(T2（5-2）1trcosgF（5-3）1tain（5-4）cs/1tn計算結果如下： N87.1072)4.501(.d)Rb5.01(T2d)5.01(T2F 31Rt N692costg87.costg11r Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計29N6.31520sintg87.1sintgF1a 8.1920cos/co/tn 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(shù)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，nFtr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(chǎn)生的動載荷。由于制造安裝誤差或者受載后輪齒產(chǎn)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(shù)，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）ttcFK式中：載荷系數(shù) （5-KVA6）其中： 使用系數(shù)，用來考慮原動機和工作機的工作特性等引起的動力過載A對齒輪受載的影響，其值可以查如下表 5-4：Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計30表 5-4 使用系數(shù) AK原動機的工作特性及其示例工作機的工作特性 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) 1.00 1.10 1.25 1.50輕微沖擊 1.25 1.35 1.50 1.75中等沖擊 1.50 1.60 1.75 2.00根據(jù)上述表格，我設計計算時取使用系數(shù) =1.25。AK動載系數(shù)，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VK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VK=1.021.2；直齒錐齒輪傳動，可以取 =1.11.4。齒輪精度低、速度高VKV時， 取大值；反之取小值。因而我設計計算時取 =1.3VK齒向載荷分布系數(shù)，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，KK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。 K齒間載荷分配系數(shù)，用以考慮同時嚙合的各對齒輪輪齒間載荷分配不均勻K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K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K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 K在設計計算時取 =1。Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計1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(xiàn)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計2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.Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計3Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計4Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計5Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計6Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計7Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計8Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計9目 錄中文摘要及關鍵詞 1英文摘要及關鍵詞 2第一章 概述 31.1 搖臂鉆床的簡介 31.2 搖臂鉆床的國內發(fā)展動態(tài)及趨勢 4第二章 原動機的選擇 52.1 常用原動機的運動形式 52.2 原動機的驅動形式 52.3 原動機選擇應考慮的因素 52.4 原動機的性能比較 62.5 確定原動機的選擇 7 第三章 機械傳動設計方案的擬訂與比較 83.1 傳動設計方案評價的目的 83.2 傳動設計方案評價的原則 83.3 系統(tǒng)設計方案的比較與確定 8第四章 繪制變速箱中升降系統(tǒng)的傳動機構運動簡Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計10圖 11第五章 傳動部分運動和動力分析 125.1 部分傳動連接設計 125.2 傳動比、各軸轉速、功率及轉矩的計算 125.3 齒輪材料的選擇 145.3.1 齒輪材料的基本要求 145.3.2 常用材料及熱處理 145.4 直齒圓錐齒輪的尺寸設計計算及校核 175.4.1 圓錐齒輪的各參數(shù)設計計算 175.4.2 受力分析 185.4.3 結構設計 185.4.4 計算載荷 195.4.5 齒面接觸疲勞強度的校核 205.4.6 輪齒彎曲強度校核 215.5 錐齒輪軸的設計計算及校核 21Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計115.5.1 錐齒輪部分主要參數(shù)設計計算 215.5.2 軸端部分參數(shù)設計 235.5.3 錐齒輪軸的固定 235.6 機-4 齒輪設計計算及校核 245.6.1 尺寸設計計算 245.6.2 結構分析 255.6.3 受力分析 255.7 雙聯(lián)齒輪的設計計算 265.8 過渡軸的設計 275.8.1 軸的失效形式 275.8.2 軸的材料 275.8.3 過渡軸的強度校核 285.8.4 過渡軸的固定 31第六章 軸承的選擇與校核 326.1 軸承的分類 326.2 滾動軸承及類型 326.3 滾動軸承的失效形式 32Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計126.4 軸承的選擇計算 33第七章 鍵的選擇和鍵聯(lián)接強度計算 357.1 鍵的選擇 357.2 鍵聯(lián)結強度計算 35第八章 設計小結 37參考文獻 38致謝 39Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計13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(jù)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(jù)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。Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計141.2 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(chǎn)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(chǎn)品國內市場占有率高達 70，出口產(chǎn)品遍及中東、北美、西歐等 86 個國家和地區(qū)。進入市場經(jīng)濟后，國內機床行業(yè)競爭日趨激烈，與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號產(chǎn)品的企業(yè)有40 多家，中捷搖臂鉆廠產(chǎn)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(chǎn)品賣得正火的時候，提出了進行跨越產(chǎn)品結構調整。第一，用先進技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實現(xiàn)了五軸聯(lián)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(chǎn)品領先優(yōu)勢。ZK 系列、橋式和動橋系列產(chǎn)品，十幾項技術居國內領先地位。ZK3050 獲得自主知識產(chǎn)權，并成為國家重點新產(chǎn)品；Z3580A 萬向搖臂鉆，在任何空間、任意方向、任意位置上實現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)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(shù)控鉆銑床，同時被國內三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數(shù)機床一樣，將向數(shù)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。Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計15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(lián)系起來，實現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(jīng)濟效益及其成本，這也是非常重要的一項。Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計162.4 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(nóng)用Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計17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(xiàn)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(chǎn)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(shù)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計18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(chǎn)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(xiàn)。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(xiàn)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(jù)科學知識和專家的經(jīng)驗，要體現(xiàn)評價指標體系的科學性、全面性格外專家經(jīng)驗性。3.3 系統(tǒng)設計方案的比較與確定Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計19根據(jù) Z32K 型搖臂鉆床的工作情況，以及結合畢業(yè)設計課題，我現(xiàn)對搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進行改進，現(xiàn)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(lián)滑移齒輪 雙聯(lián)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 方案三傳動精度 高 高 高功能升降速度 慢 快 快可調性 好 好 較好運轉速度 慢 快 快工作性能承載能力 大 較大 較大加速度峰值 小 較大 較大噪聲 較小 小 小耐磨性 耐磨 耐磨 耐磨動力性能可靠性 可靠 可靠 可靠制造性 易 難 易調整方便性 方便 不方便 方便能耗大小 一般 一般 一般經(jīng)濟性制造費用 便宜 貴 便宜尺寸 小 小 小重量 輕 重 較輕結構緊湊結構復雜性 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(xiàn)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 型搖臂鉆床變速箱的改進設計20Z32K 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(xiàn)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(chǎn)。 （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(jù)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計21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(chǎn)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(shù)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(shù)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(jù)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?shù)剡x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?shù)谋壤?）原動件標箭頭表示運動方向。根據(jù)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(lián)齒輪；6四聯(lián)滑移齒輪；機-6錐齒輪軸；7錐齒輪；機-1、機-5軸承Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計22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(shù)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(chǎn)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(lián)滑移齒輪和機-4齒輪之間加上過渡齒輪連接，從而這樣產(chǎn)生了機-3 齒輪。我將機-3 齒輪設計為雙聯(lián)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(shù) Z=36，機-6 圓錐齒輪齒數(shù) 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(shù) Z=18（為了方便下面的計算，又 將其寫成 ） ，四聯(lián)滑移齒輪的小齒數(shù) =28，假18Z570Z如機-3 過渡齒輪為單聯(lián)齒輪，那么機-6 的齒數(shù) Z=54，為了能讓傳動的模數(shù)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(lián)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(lián)齒輪的分度圓直徑在設計上能作適當?shù)恼{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： ， ，18Z5569， ， ，電動機轉速 N=1400r/min，電動機功284659Z70、36Z7206機率為 P=1500KW，圓錐齒輪的傳遞效率為 ，圓柱齒輪傳遞效率為%91Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計23，聯(lián)軸器的傳遞效率為 ，電動機的轉速 ，%982%5.93min/140rn所以：， ，min/r140n2、 KW92501P32、85i24 in/r485i24、 K6.198.05.1P24、為了使 4 軸轉速經(jīng)過過渡軸機-2 傳到機-6 錐齒輪軸上，初步確定各齒輪參數(shù)如下表：min/r24036in76 、表 5-1 齒輪參數(shù)名稱 齒數(shù) 分度圓直徑 模數(shù)機-3 64 128 2機-3 44 88 2機-4 36 72 2所以有：，716284i4、 min/r375.2016458in242、 KW.9.0.P4、， ，1936i2、 in/r9.241375.20in66 、405.18.4.P26 、 min/r.369.in7、 KW5.1.045.1P67 、各參數(shù)確定之后，重新計算的升降速度為：136.11 6=816.66r/min各軸轉矩為：電動機軸 mN23.10P95T、Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計242 軸 mN179.05.2310T32 、4 軸 48.3i4 42 、機-2 軸 256.822 、機-6 錐齒輪軸 N7.490756iT 62 、7 錐齒輪 m3.2.17 、各參數(shù)值列表如下：表 5-2 各軸參數(shù)軸號 功率 KW 轉矩 mN轉速 r/min 傳動比 效率電動機 1.50 10.23 1400 / /2 軸 1.49 10.18 1400 / 0.9954 軸 1.46 30.48 458 3.06 0.975機-2 軸 1.43 68.28 200.375 2.29 0.956機-6 1.405 55.75 244.91 0.82 0.9377Z1.335 95.33 136.11 1.8 0.895.3 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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計25鋼具有強度高、韌性好、便于制造和熱處理等優(yōu)點。大多數(shù)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(shù)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(xiàn)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(chǎn)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Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計26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(chǎn)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 MPaB/屈服極限 s/主要應用正火 160217HBS 580 290 低速輕載調質 217255HBS 650 360 低速中載45表面淬火4855HRC 750 450 高速中載或低速重載優(yōu)質碳素鋼50 正火 180220HBS 620 320 沖擊很小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217269HBS4555HRC 750 470高速中載無劇烈沖擊20Cr 滲碳淬火5662HRC 650 400合金鋼20CrMnTi 滲碳淬火5662HRC 1100 850高速中載承受沖擊ZG310570正活表面淬火160210HBS4050HRC570 320鑄鋼ZG340640正火調質170230HBS240270HBS650700350380中速、中載、大直徑球墨 QT600-2 220280HBS 600 低中速輕載Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計27鑄鐵QT500-5正火 147241HBS 500 有小的沖擊灰鑄鐵HT250HT300人工時效170240HBS187235HBS200300低速輕載沖擊很小根據(jù)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(lián)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(shù)設計計算已知：齒數(shù) =36，模數(shù) =2，配對齒輪齒數(shù) =20，模數(shù) =21Z1m2Z2m分度圓直徑： 7362zd分度圓錐角： 290arctgrt11齒頂高： mh1齒根高： 4.2).0()c(f 全齒高： 421f頂隙 c： c齒頂圓直徑： 98.75coshd11a 齒根圓直徑： 026in2ff錐矩： 43.R1Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計28齒頂角： 54.1Rharctg齒根角： 8.tff當量齒角： 16.4coszZ1v根錐角： 5.271ff頂錐角： 430當量齒輪分度圓半徑： 16.cos2dr1v當量齒輪齒頂圓半徑： .43h1v當量齒輪齒頂壓力角： 8.rcsao1v1v不發(fā)生根切的最少齒數(shù)： 15o)in/h2(Z2min 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：nFtFraF（5-1）1R1t d)5.0(T2（5-2）1trcosgF（5-3）1tain（5-4）cs/1tn計算結果如下： N87.1072)4.501(.d)Rb5.01(T2d)5.01(T2F 31Rt N692costg87.costg11r Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計29N6.31520sintg87.1sintgF1a 8.1920cos/co/tn 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(shù)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，nFtr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(chǎn)生的動載荷。由于制造安裝誤差或者受載后輪齒產(chǎn)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(shù)，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）ttcFK式中：載荷系數(shù) （5-KVA6）其中： 使用系數(shù)，用來考慮原動機和工作機的工作特性等引起的動力過載A對齒輪受載的影響，其值可以查如下表 5-4：Z32K 型搖臂鉆床變速箱的改進設計30表 5-4 使用系數(shù) AK原動機的工作特性及其示例工作機的工作特性 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) 1.00 1.10 1.25 1.50輕微沖擊 1.25 1.35 1.50 1.75中等沖擊 1.50 1.60 1.75 2.00根據(jù)上述表格，我設計計算時取使用系數(shù) =1.25。AK動載系數(shù)，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VK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VK=1.021.2；直齒錐齒輪傳動，可以取 =1.11.4。齒輪精度低、速度高VKV時， 取大值；反之取小值。因而我設計計算時取 =1.3VK齒向載荷分布系數(shù)，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，KK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。 K齒間載荷分配系數(shù)，用以考慮同時嚙合的各對齒輪輪齒間載荷分配不均勻K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K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K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 K在設計計算時取 =1。