堆焊機(jī)減速器的設(shè)計(jì)(本科論文).doc

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1、 *理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 堆焊機(jī)減速器的承載特性分析及設(shè)計(jì)教學(xué)單位： 機(jī)電工程系 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)： 0700010402 姓 名： 2011年03月 目 錄1 緒論12 總體方案設(shè)計(jì)22.1動(dòng)力頭的總體設(shè)計(jì)要求22.2動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)22.2.1電動(dòng)機(jī)的選取32.2.2傳動(dòng)方案的確定32.2.3材料的選擇32.2.4初步確定齒輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)32.2.5傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)43 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算53.1材料的選擇53.2齒輪分度圓直徑的計(jì)算53.3齒輪彎曲強(qiáng)度的校核74 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算94.1蝸桿傳動(dòng)材料的選擇94.2選擇齒數(shù)94.3驗(yàn)算滑動(dòng)速度94.4

2、主要尺寸計(jì)算94.5熱平衡計(jì)算105軸的校核與裝配方案設(shè)計(jì)115.1軸的設(shè)計(jì)115.1.1主軸的設(shè)計(jì)115.1.2齒輪軸的設(shè)計(jì)155.1.3蝸桿軸的設(shè)計(jì)185.2 軸上零件裝配方案225.3蝸桿軸的零件裝配方案255.4過(guò)橋齒輪軸的零件裝配方案265.5軸的校核275.6 滾動(dòng)軸承壽命的校核281 緒論 堆焊是指使用焊接的方法吧填充金屬熔敷在金屬表面，以便得到所要求的性能和尺寸，這種工藝過(guò)程主要是實(shí)現(xiàn)各種金屬的冶金結(jié)合，屬于異種金屬熔化焊的一種特殊形式。 堆焊是焊接的一個(gè)分支，是金屬冶金結(jié)合的一種熔化焊接方法，但與一般焊接不同，不是連接零件，而是用焊接的方法在零件的表面堆敷一層或數(shù)層具有一定性

3、能材料的工藝過(guò)程，最終達(dá)到修復(fù)零件或增加其耐磨、耐熱、耐蝕等性能。由此可見(jiàn)，堆焊具有一般焊接方法的特點(diǎn)，又具有其特殊性。 堆焊的冶金特點(diǎn)、物理本質(zhì)、熱循環(huán)過(guò)程等與一般熔焊工藝相同，但堆焊還具有如下特點(diǎn)： 應(yīng)用堆焊能更合理利用材料，節(jié)約貴重金屬，如在集體為碳素或鑄鋼用鋼的表面堆敷一層鈷基粉末。 制造雙金屬結(jié)構(gòu)，如水輪機(jī)葉片、導(dǎo)水葉、推土機(jī)刀刃、抓斗等零件。 修復(fù)舊零件，如閥座、軋輥、模具、齒輪、軸類零件等。堆焊是熔焊，因此從原理上講，凡是屬于熔焊的方法都可用于堆焊。堆焊方法的發(fā)展也隨生產(chǎn)發(fā)展的需要和科技進(jìn)步而發(fā)展，當(dāng)今已有很多種對(duì)焊方法，現(xiàn)按實(shí)現(xiàn)堆焊的條件，將常用的堆焊方法綜合分類。輪心堆焊一般

4、采用CO2保護(hù)自動(dòng)堆焊，這種堆焊方法的優(yōu)點(diǎn)在于保證堆焊金屬必需的質(zhì)量和高生產(chǎn)率的同時(shí)，還保證了工藝過(guò)程的穩(wěn)定。因此與其他堆焊修復(fù)方法相比，CO2保護(hù)自動(dòng)堆焊得到了廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)的CO2保護(hù)自動(dòng)堆焊可實(shí)現(xiàn)環(huán)焊、螺旋焊、直道焊三種焊接形式。當(dāng)工作焊完一圈，小車(chē)帶動(dòng)焊槍縱向自動(dòng)移動(dòng)一段距離再焊，稱為環(huán)焊；當(dāng)焊接工件時(shí)，焊槍與小車(chē)同時(shí)以設(shè)定的速度緩慢移動(dòng)，稱為螺旋焊；當(dāng)工件不轉(zhuǎn)動(dòng)，僅有小車(chē)縱向移動(dòng)時(shí)，稱為直道焊。焊接開(kāi)始時(shí)，焊絲與焊件接觸，并被固體顆粒狀的焊劑覆蓋著。當(dāng)焊絲與焊件之間引燃電弧，焊絲與軋輥及部分靠近電弧的焊劑受到電弧熱（60008000）的作用開(kāi)始熔化。焊絲熔融后，堆在工件上，焊劑

5、起著保護(hù)作用和合金化作用，焊機(jī)熔化時(shí)，不斷放出氣體和水蒸氣，形成泡沫，在蒸汽的作用下，形成一個(gè)由渣殼抱住的密閉孔穴。電弧在孔穴內(nèi)繼續(xù)燃燒，這樣就隔絕了大氣對(duì)電弧和熔池的影響，并防止了熱量的迅速散失。堆焊層除了集體金屬的沖淡作用外，組織較為均勻，氣孔和夾渣較少，淬火作用小，而焊層的物理和力學(xué)性能高。堆焊層的硬度和耐磨性是由焊絲材料和焊劑中所含的合金元素來(lái)決定的。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1動(dòng)力頭的總體設(shè)計(jì)要求 動(dòng)力頭的總體設(shè)計(jì)要求如下。 焊接線速度：U線=400450mm/min。 傳動(dòng)比i在12001424范圍內(nèi)。 傳動(dòng)裝置的布局應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、勻稱、重量輕、強(qiáng)度和剛度好，成本低，并適合車(chē)間布置

6、情況和工人操作，便于拆裝和維修。 使各級(jí)傳動(dòng)的承載能力接近相等。 使各級(jí)傳動(dòng)中大齒輪的浸油深度大致相等。 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，也可用少量非標(biāo)準(zhǔn)件。2.2動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)2.2.1電動(dòng)機(jī)的選取為了縮小體積，減輕重量，故在滿足使用要求的前提下優(yōu)先選用110SZ51型電動(dòng)機(jī)，其額定參數(shù)如下。額定功率：W。額定轉(zhuǎn)速： =1500r/min。滿載轉(zhuǎn)速： =1470r/min。2.2.2傳動(dòng)方案的確定本方案主要采用齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)兩種方式。其主要原因在于齒輪傳動(dòng)效率高，適合大功率傳動(dòng)，可放在高速級(jí)；二蝸桿傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，但效率低，可放在最后的低速級(jí)。方案的具體傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1.1所示。 傳動(dòng)

7、分為如下三級(jí)。圖1.1 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1- 電動(dòng)機(jī)齒輪； 2-變向齒輪； 3-蝸桿軸小齒輪； 4-齒輪軸大齒輪；5-齒輪軸小齒輪； 6-蝸桿軸大齒輪； 7-蝸桿軸； 8-蝸桿；9-蝸輪第一級(jí)：電動(dòng)機(jī)齒輪1在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)過(guò)橋齒輪2,2帶動(dòng)蝸桿軸小齒輪3（3與蝸桿軸為五鍵的間隙配合），3帶動(dòng)齒輪軸大齒輪4。第二級(jí)：齒輪軸小齒輪5帶動(dòng)蝸桿軸大齒輪6。第三極：蝸桿8帶動(dòng)蝸輪9。最后蝸輪9帶動(dòng)主軸，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭三爪卡盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2.3材料的選擇 冷軋輥?zhàn)詣?dòng)堆焊要求載荷平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速低，故所有齒輪材料均選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241286HBS。2.2.4初步確定齒輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以

8、初步定出各級(jí)齒輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)，如表1.1所示。表1.1 各級(jí)齒輪齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)傳動(dòng)級(jí)數(shù)齒輪齒數(shù)蝸桿頭數(shù)第一級(jí)Z1=12Z2=36Z3=40Z4=80m=1.25第二級(jí)Z5=26Z6=124 - -m=1第三級(jí)Z8=2Z9=80 - -mt=22.2.5傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)各軸轉(zhuǎn)速1軸（過(guò)橋齒輪軸）：n1=nm/i =1470/(36/12)=490(r/min)2軸：n2=n1/i =490/(40/36)=441(r/min)3軸（齒輪軸）：n3=n2 /i =441/(80/40)=220.5(r/min)4軸（蝸桿軸）：n4=n3 /i =225/(124/26)=46.234

9、(r/min)5軸（主軸）：n5=n4 /i =46.234/(80/2)=1.156(r/min)工作軸：nw=n5=1.156（r/min）個(gè)軸輸入功率1軸：P1=P0g=1850.97=179.45（W）2軸：P2=P1g=179.450.97=174.067（W）3軸：P3=P2g=174.0670.97=168.845（W）4軸：P4=P3g=168.8450.965=162.96（W）5軸：P5=P4w=162.960.78=127.12（W）工作軸：Pw=P5r=127.120.995=126.47（W）各軸輸入轉(zhuǎn)矩1軸：T1=9550P1/n1=3.497(Nm)2軸：T2=9

10、550P2/n2=3.769( Nm)3軸：T3=9550P3/n3=7.313( Nm)4軸：T4=9550P4/n4=33.661( Nm)5軸：T5=9550P5/n5=1050.17( Nm) 工作軸：Tw=9550Pw/nw=1044.78( Nm)將以上求得的運(yùn)動(dòng)和參數(shù)、各軸之間的傳動(dòng)比及效率列表1.2、表1.3。表1.2 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)參 數(shù)電動(dòng)機(jī)軸1軸2軸3軸4軸5軸工作軸轉(zhuǎn)速/rmin-11470490441220.546.2341.1561.156功率P/W185179.45174.067168.845162.96127.12126.47轉(zhuǎn)矩T/Nm1.202

11、3.4973.7697.31333.6611050.171044.78表1.3 各軸之間的傳動(dòng)比及效率參數(shù)電動(dòng)機(jī)軸與1軸1軸與2軸2軸與3軸3軸與4軸4軸與5軸5軸與工作軸傳動(dòng)比i3.001.1124.77401效率0.970.970.970.9650.780.9953 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪傳動(dòng)是以主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行工作的，是現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)中使用相當(dāng)普遍的一種傳動(dòng)方式。這種傳動(dòng)具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，如工作可靠、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊揍以及適用的速度和功率范圍廣等。3.1材料的選擇材料選用40Cr,調(diào)質(zhì)處理，硬度為241286HBS。3.2齒輪分度圓直徑的計(jì)算齒輪分度圓直徑

12、的計(jì)算公式為 （1.1）轉(zhuǎn)矩為 T=9550 (1.2)式中P功率； 轉(zhuǎn)速。 由此可得各處轉(zhuǎn)矩，如表1.4所示。 表1.4 轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值 Nmm 3497.444 3769.478 7312.788 33660.683 1305863.400各級(jí)傳動(dòng)比見(jiàn)表1.3。對(duì)各級(jí)齒輪有如下要求：齒輪1轉(zhuǎn)速較高，功率不大，選7級(jí)精度制造，其他齒輪轉(zhuǎn)速不高，功率不大，可選8級(jí)精度制造。載荷平穩(wěn)，對(duì)稱布置，軸的剛度較大，取載荷綜合系數(shù)K=1.2。齒輪系數(shù)取=0.6。確定許用接觸應(yīng)力：查設(shè)計(jì)手冊(cè)得=670MPa,S=1,則=1=2=/ S=670MPa。根據(jù)以上參數(shù)，由式（1.1）可知得到各齒輪分度圓直徑： d1

13、d221.07nm d322.47nm d428.02nm d526.08nm d643.39nm模數(shù)為 m1=d1/z1=14.76/12=1.23(nm)查設(shè)計(jì)手冊(cè)取m1=1.25nm。 m5=d5/z5=26.08/26=1.003nm取m5=1mm分度圓直徑：d1=z1m1=1514.76 d2=z2m1=4521.07 d3=z3m1=5022.47 d4=z4m1=10028.02 d5=z5m5=2626.08 d6=z6m5=12443.39很顯然各個(gè)齒輪均滿足接觸強(qiáng)度條件。齒輪寬度：b= d1=0.615=9（mm）取b1=b2=b3=b4=15mm。 b= d4=0.626

14、=15.6（mm）取b5=20mm，b6=15mm。圓周速度： U1=d1n1/60=3.14151470/60=1153.95（mm/s）根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，齒輪1選擇7級(jí)精度，同理，齒輪2、3、4均選用7級(jí)精度。 U5=d5n5/60=3.14261.156/60=1.57（m/s）根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，齒輪5選擇8級(jí)精度，同理，齒輪6選用8級(jí)精度。3.3齒輪彎曲強(qiáng)度的校核彎曲強(qiáng)度校核公式為： F=F （1.3）式中F接觸強(qiáng)度，MPa； i小齒輪轉(zhuǎn)矩，Nmm； K載荷綜合系數(shù)； b齒輪接觸寬度，mm； d1小齒輪分度圓直徑，mm； m模數(shù)，mm； YFS復(fù)合齒形系數(shù)。根據(jù)齒數(shù)Z，由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得復(fù)合齒形系

15、數(shù)： YFS1=5.2，YFS2=4.06，YFS3= 4.03，YFS4=3.99，YFS5=4.18，YFS6=3.98。由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：=520MPa，SFmin=1，所以 F=Flim1/SFmin=520/1=520（MPa）由式（1.3）中一直K=1.2，T已計(jì)算出，且m、b都已知，則校核計(jì)算如下 F1=53.33MPaF1=520MPa F2=41.64MPaF2=520MPa F3=41.33MPaF3=520MPa F4=40.92MPaF4=520MPa F5=141.08MPaF5=520MPa F6=134.33MPaF6=520MPa由以上的計(jì)算可知，齒根彎曲應(yīng)力F均

16、小于其許用彎曲應(yīng)力，故各齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度滿足要求。3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)以上計(jì)算，得到各級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的齒輪及蝸桿幾何尺寸，如表1.5、表1.6所示。 表1.5 電動(dòng)機(jī)齒輪的幾何尺寸 名 稱 符 號(hào) 計(jì)算公式 數(shù) 值模數(shù)m根據(jù)需要，取標(biāo)準(zhǔn)值1.25壓力角=分度圓直徑dd=mz15齒頂高h(yuǎn)aha=m1.25齒根高h(yuǎn)fhf=1.25m1.5625全齒高h(yuǎn)h=ha+hf=2.25m2.8125齒頂圓直徑dada=d+2ha=(z+2)m17.5齒根圓直徑dfdf=d -2hf=(z-2.5)m11.875基圓直徑dbdb=d=mz14.095齒距pp=m3.925齒厚ss=p/2=m/21.9625齒

17、槽寬ee=p/2=m/21.9625標(biāo)準(zhǔn)中心距aa=0.5（d2+d1）=(z2+z1)m/230 表1.6 其他齒輪的幾何尺寸參數(shù)名稱過(guò)橋齒輪蝸桿軸小齒輪齒輪軸大齒輪齒輪軸小齒輪蝸桿軸大齒輪m1.251.251.2511d455010026124ha1.251.251.2511hf1.56251.56251.56251.251.25h2.81252.81252.81252.252.25da47.552.5102.528126df41.87546.87596.87523.5121.5db42.28646.98593.96924.432116.522p3.9253.9253.9253.143.1

18、4s1.96251.96251.96251.571.57e1.96251.96251.96251.571.57a47.575754 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 蝸桿傳動(dòng)多在需要交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的場(chǎng)合使用。通常交錯(cuò)角為，一般蝸桿為主動(dòng)力。其主要優(yōu)點(diǎn)為傳動(dòng)比大，工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角小于摩擦角是可以自鎖。其缺點(diǎn)是效率低，需用貴重的有色金屬。蝸桿傳動(dòng)的類型有多種，本文根據(jù)需要選用了普通的圓柱蝸桿阿基米德蝸桿。4.1蝸桿傳動(dòng)材料的選擇 在蝸桿傳動(dòng)中，普通齒輪傳動(dòng)中齒輪所發(fā)生的點(diǎn)蝕、彎曲、折斷、膠合和磨損等失效形式必然都可能出現(xiàn)。更特殊的是由于蝸桿傳動(dòng)在齒面間有較大的相對(duì)滑動(dòng)，磨損、發(fā)熱、膠合的

19、想象就更容易發(fā)生。 基于蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)，蝸桿副的材料組合首先要求具有良好的減摩、耐磨、易于跑合的特性和抗膠合能力，此外要求有足夠的強(qiáng)度。由于轉(zhuǎn)速不高、功率不大，蝸輪材料選用ZQAl9-4，砂模鑄造，H=250MPa；蝸桿材料選用40Cr，表面調(diào)質(zhì)，硬度為241286HBS。4.2選擇齒數(shù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取Z1=2，Z2=804.3驗(yàn)算滑動(dòng)速度 式中Z1蝸桿頭數(shù)； m模數(shù)，mm；d1蝸桿分度圓直徑，mm；蝸桿分度圓柱上螺旋升角；滑動(dòng)速度，m/s。所以，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，原材料選擇是合適的。4.4主要尺寸計(jì)算根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以得到蝸桿傳動(dòng)的主要尺寸，如表1.7所示。 表1.7 蝸桿傳動(dòng)的主要尺寸

20、名 稱符 號(hào)蝸 桿蝸 輪模數(shù)m22頭數(shù)z280分度圓直徑d40160中心距a100齒頂圓直徑da44164齒根圓直徑df35.2155.2蝸桿最大外圓直徑de2-166齒頂圓弧半徑Ra2-18齒根圓弧半徑Rf2-22.4蝸輪輪緣寬度b-22蝸桿分度圓柱上螺旋升角齒距p6.28特性系數(shù)q20壓力角螺旋方向 左旋蝸桿變位系數(shù)X04.5熱平衡計(jì)算 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是效率較低，發(fā)熱量較大。在工作中就可能出現(xiàn)齒面磨損加劇，甚至引起齒面膠合的情況。出現(xiàn)工作失效的原因在于散熱不充分，溫度過(guò)高，使?jié)櫥宛ざ冉档停瑴p減小潤(rùn)滑作用。因此，閉式蝸桿傳動(dòng)必須進(jìn)行熱平衡計(jì)算。熱平衡計(jì)算的原理是：閉式蝸桿傳動(dòng)正常連續(xù)工作時(shí)

21、，有摩擦產(chǎn)生的熱量應(yīng)小于或等于箱體表面散發(fā)的熱量，以保證溫升不超過(guò)允許值。公式為： （1.4） 式中，P=162.960W，在通風(fēng)良好的條件下，取k=15W/(m2)，取允許潤(rùn)滑油工作溫度，室溫，。 將以上數(shù)據(jù)帶入計(jì)算得箱體所需有效散熱面積A為： 這將為箱體設(shè)計(jì)和是否考慮采取散熱措施提供依據(jù)。在實(shí)際使用中，蝸輪輪齒折斷的情況很少發(fā)生，這是因?yàn)槲佪嗇嘄X彎曲強(qiáng)度所限定的承載能力，超過(guò)齒面點(diǎn)蝕和熱平衡計(jì)算所限定的承載能力。而只有在蝸輪采用脆性材料，并且受強(qiáng)烈沖擊的傳動(dòng)等少數(shù)情況下，折斷現(xiàn)象才會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)計(jì)算彎曲強(qiáng)度才有實(shí)際意義。5 軸的校核與裝配方案設(shè)計(jì)軸屬于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要是帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)完成冷軋輥堆

22、焊，并同時(shí)承受轉(zhuǎn)矩、彎矩和剪切作用，而且其性能直接影響到堆焊質(zhì)量、機(jī)床的實(shí)用壽命等，因此，這部分的動(dòng)力頭整體設(shè)計(jì)中占關(guān)鍵地位。5.1軸的設(shè)計(jì)5.1.1主軸的設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)機(jī)床的工作特點(diǎn)來(lái)看，主軸要同時(shí)承載彎矩和轉(zhuǎn)矩作用。從傳動(dòng)情況來(lái)看，轉(zhuǎn)矩是由蝸桿軸傳遞給主軸的，彎矩主要是有主軸上兩滾動(dòng)軸承承受。選擇軸的材料。主軸材料選擇40Cr，調(diào)質(zhì)處理，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：硬度為241286HBS，b=750MPa，s=550MPa。按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑。估算公式為 （1.5）式中P軸功率，kW； n軸轉(zhuǎn)速，r/min; C系數(shù)。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)?。篊=100，于是mm。計(jì)算所得直徑應(yīng)為安裝齒輪或蝸桿的最小直徑

23、，取d=60mm.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)估算所得直徑，輪轂寬及安裝情況等條件，軸的結(jié)構(gòu)及尺寸可進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，如圖1.2所示，軸的輸出端孔徑40mm，孔長(zhǎng)90mm，聯(lián)軸臺(tái)階起定位作用。離合器用軸肩定位，彈簧座安裝在離合器的左邊，蝸輪安裝在右邊，然后在兩端個(gè)安裝一個(gè)角接觸球軸承（GB276-82），其寬度為25mm，用軸套定位。根據(jù)減速器的內(nèi)壁到蝸輪和軸承端面的距離，以及軸承蓋裝拆方便等要求參見(jiàn)設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將軸的結(jié)構(gòu)尺寸初步取定如圖1.2所示，這樣軸承跨距為210mm，由此可進(jìn)行軸和軸承等的校核計(jì)算。圖1.2 軸結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)算蝸輪受力。蝸桿、蝸輪分度圓直徑分別為：40mm，160mm。蝸桿

24、、蝸輪所受轉(zhuǎn)矩分別為：32987.854Nmm，1024442.027Nmm。蝸輪作用力：圓周力 徑向力 軸向力 加工工件的最大質(zhì)量是100kg，由減速器和尾架間的三爪卡盤(pán)平均承受，因此，軸行承受的徑向力F=490N。軸受力的大小及方向如圖1.3所示。計(jì)算軸承反力。垂直面受力圖如圖1.4所示，水平面受力圖如圖1.5所示。圖1.3 軸受力示意圖圖1.4 垂直面受力示意圖 圖1.5 水平面受力示意圖垂直面： 水平面： 繪制彎矩圖。垂直面彎矩圖如圖1.6所示。圖1.6 垂直面彎矩示意圖 截面c: （Nmm） （Nmm） 截面b: （Nmm） （Nmm） 水平面彎矩圖如圖4-9所示。 圖1.7 水平面

25、彎矩示意圖 截面c: （Nmm） （Nmm） 截面b： （Nmm） （Nmm） 合成彎矩圖如圖1.8所示。 圖1.8 合成彎矩示意圖 （Nmm） （Nmm） （Nmm） （Nmm） 繪制扭矩圖。扭矩示意圖如圖1.9所示。 圖1.9 扭矩示意圖 由渦輪受力計(jì)算結(jié)果可知： Nmm，又根據(jù)b=750MPa，由設(shè)計(jì)手冊(cè)可知MPa，MPa，故a=73/124=0.59，則 （Nmm）繪制當(dāng)量彎矩圖。當(dāng)量彎矩圖如圖1.10所示。 圖1.10 當(dāng)量彎矩示意圖對(duì)于截面c: （Nmm） （Nmm）對(duì)于截面b: （Nmm） （Nmm） 計(jì)算危險(xiǎn)截面c處的直徑。危險(xiǎn)截面c處的直徑為 （mm） 取截面c直徑為60mm

26、，所以該軸強(qiáng)度滿足要求。5.1.2齒輪軸的設(shè)計(jì) 選擇軸的材料。40Cr，調(diào)質(zhì)處理。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：硬度為241286HBS，。 按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑。?。篊=100，于是mm。 計(jì)算所得應(yīng)是最小軸徑（即安裝齒輪）處的直徑，因該段軸上有平鍵，對(duì)軸的消弱較大，為增大強(qiáng)度，取mm。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。齒輪軸的結(jié)構(gòu)及尺寸草圖設(shè)計(jì)如圖1.11所示，安裝齒輪處的直徑為15mm，長(zhǎng)為14mm，軸間臺(tái)階作齒輪左側(cè)軸向定位用，根據(jù)減速器的內(nèi)壁到電動(dòng)機(jī)齒輪端面得距離，可將軸肩寬度取為5mm；右側(cè)定位用擋圈（直徑為20mm，中間有一個(gè)直徑為5.5mm的孔，厚度為1.5mm），用M64的螺釘將其固定于軸端。左邊的軸段固

27、定于箱壁內(nèi)，使其與箱體為過(guò)盈配合。軸的結(jié)構(gòu)尺寸初步取定如圖1.11所示。 圖1.11 齒輪軸結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)算齒輪受力。由設(shè)計(jì)手冊(cè)中可知：a 大齒輪作用力如下圓周力 （N）徑向力 （N）b 小齒輪作用力如下。 圓周力 （N） 徑向力 （N） 軸受力的大小及方向如圖1.12所示。 圖1.12 軸受力示意圖計(jì)算軸承反力。垂直面受力圖如圖1.13所示，水平面受力圖如圖1.14所示。垂直面： （N） 圖1.13 垂直面受力示意圖 圖1.14 水平面受力示意圖（N） 水平面： （N） （N）繪制彎矩圖。垂直面彎矩圖如圖1.15所示。 圖1.15 垂直面彎矩示意圖 截面c: (Nmm) (Nmm)截面b: (

28、Nmm) (Nmm)水平面彎矩圖如圖1.16所示。 圖1.16 水平面彎矩示意圖 截面c: (Nmm) (Nmm) 截面b： (Nmm) (Nmm) 合成彎矩圖如圖4-19所示。 圖1.17 合成彎矩示意圖(Nmm)(Nmm)(Nmm)(Nmm)繪制扭矩圖。扭矩圖如圖1.18所示。 圖1.18 扭矩示意圖 由表1.4可知：T=7313Nm，有根據(jù)MPa，查設(shè)計(jì)手冊(cè)得MPa，MPa，故 （Nmm）繪制當(dāng)量彎矩圖。當(dāng)量彎矩圖如圖1.19所示。 圖1.19 當(dāng)量彎矩示意圖 截面c: （Nmm） （Nmm） 截面b: (Nmm) (Nmm)分別計(jì)算軸截面c和b處的直徑。公式如下。 （mm） （mm）兩

29、截面雖有鍵槽削弱，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所確定的直徑分別達(dá)到20mm和15mm，所以強(qiáng)度滿足要求。5.1.3蝸桿軸的設(shè)計(jì)選擇軸的材料。用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為241286HBS，MPa，MPa。按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑。去C=100，則mm，計(jì)算所得應(yīng)是最小軸徑（即安裝齒輪）處的直徑，因該段軸上有平鍵，對(duì)軸的影響較大，為增大強(qiáng)度，取d=25mm。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。蝸桿軸的結(jié)構(gòu)及尺寸可進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，如圖1.20所示，安裝齒輪2處的直徑為25mm，長(zhǎng)為32mm，軸間臺(tái)階作齒輪左側(cè)軸向定位用，將軸間寬度取為5mm左側(cè)定位用軸套（直徑為35mm，長(zhǎng)度為17mm）。同時(shí)用左邊的軸段固定于箱壁內(nèi)，使其與箱體為過(guò)盈配合。

30、 圖1.20 蝸桿軸結(jié)構(gòu)示意圖 1-蝸桿軸小齒輪 2-蝸桿軸打齒輪計(jì)算齒輪受力。根據(jù)作用力與反作用力，由前面的計(jì)算可得齒輪受力大小，如表1.8所示。 表1.8 齒輪受力表 N150.7654.87562.54204.751649.3934660.8312805.53有設(shè)計(jì)手冊(cè)可知： （4-6） （4-7）在2.2節(jié)已計(jì)算出：Nm，3.2節(jié)已計(jì)算出：mm，則 （N） （N）軸受力的大小及方向如圖1.21所示。計(jì)算軸承反力。垂直面、水平面受力分別如圖1.22、圖1.23所示。垂直面：（N）圖1.21 軸受力示意圖 圖1.22 垂直面受力示意圖 圖1.23 水平面受力示意圖 (Nmm)水平面： (N

31、mm) (Nmm)繪制彎矩圖。水平面彎矩圖如圖1.24所示。 圖1.24 水平面彎矩示意圖 截面b: （Nmm）（Nmm） 截面c： (Nmm) (Nmm) 截面d: (Nmm) (Nmm)垂直面彎矩圖如圖1.25所示。圖1.25 垂直面彎矩示意圖截面b: (Nmm) (Nmm)截面c: (Nmm) (Nmm)截面d: (Nmm) (Nmm)合成彎矩圖如圖4-28所示。 圖1.26 合成彎矩示意圖 (Nmm) (Nmm) (Nmm) (Nmm) (Nmm) (Nmm)繪制扭矩圖。扭矩示意圖如圖1.27所示。 圖1.27 扭矩示意圖 有表1.4可知，Nmm，又根據(jù)MPa,由于設(shè)計(jì)手冊(cè)查得MPa，

32、MPa，故 (Nmm)繪制當(dāng)量彎矩圖當(dāng)量彎矩示意圖如圖1.28所示。 圖1.28 當(dāng)量彎矩示意圖 對(duì)于截面b: (Nmm) (Nmm) 對(duì)于截面c: (Nmm) (Nmm) 對(duì)于截面d: (Nmm) (Nmm)取截面c與d處直徑為25mm，所以該軸強(qiáng)度滿足要求。5.2 軸上零件裝配方案 根據(jù)之前的計(jì)算結(jié)果，首先進(jìn)行主軸的結(jié)構(gòu)及尺寸草圖設(shè)計(jì)，如圖1.29所示。 圖1.29 主軸結(jié)構(gòu)示意圖（1）軸段1 原方案是此段安裝軸，同時(shí)加套銅套和透蓋，軸套和銅套配作M6的孔，主軸與軸套、軸套與銅套兩兩過(guò)盈配合，靠螺釘軸向固定?？紤]到節(jié)約成本和加工、裝拆方便，可去掉軸套，使銅套和主軸直接用螺紋連接。端蓋與箱體

33、用螺釘連接，透蓋頂住軸外端，使其左端軸向定位。同時(shí)考慮到導(dǎo)電加工和其他因素，取mm，mm。（2）軸段2此段安裝滾動(dòng)軸承和彈簧座，彈簧座用軸肩軸向定位，滾動(dòng)軸承利用軸套作軸向定位，而軸套則借助于已定位的彈簧座左端面起定位作用。套筒端面需緊靠被定位零件端面，即靠緊彈簧座和滾動(dòng)軸承?？紤]到通用性，選用中窄系列深溝球軸承310型，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下。基本尺寸：mm，mm，mm，mm。安裝尺寸：mm，mm，mm。額定載荷：kN，kN。極限轉(zhuǎn)速：（脂潤(rùn)滑）。此處軸肩不起定位作用，是否設(shè)軸肩應(yīng)從方便拆卸等方面考慮，因此軸肩高度h無(wú)嚴(yán)格限定，可取h=5mm，彈簧座寬度取17mm，由于軸承寬度B=27mm，則軸

34、段長(zhǎng)度mm。所以，取mm，mm。（3）軸段3 此段安裝壓縮彈簧、離合器、蝸輪和滾動(dòng)軸承，是主軸傳動(dòng)的關(guān)鍵部分。 壓縮彈簧位于軸套和離合器之間，起到壓縮離合器的作用，使主軸工作時(shí)離合器結(jié)合可靠，傳動(dòng)穩(wěn)定。這里選用螺旋圓柱壓縮彈簧（代號(hào)YI），彈簧絲直徑d=5mm,安裝時(shí)取其長(zhǎng)度mm。 這里采用離合器主要是考慮速比太大（為40），工作最大轉(zhuǎn)速太低，不利于主軸空轉(zhuǎn)時(shí)迅速轉(zhuǎn)到某一位置，進(jìn)行敲渣、檢查焊道等工作。采用離合器后，可以關(guān)機(jī)，用手板動(dòng)工件，從而提高了生產(chǎn)效率。主軸轉(zhuǎn)速（由前面知r/min）極低，且扭矩（由面的計(jì)算知Nmm）很高，因此可選用三角形牙嵌式離合器，這種離合器傳動(dòng)時(shí)兩端結(jié)合較快，生產(chǎn)效

35、率高。 牙嵌式離合器離合時(shí)，牙齒會(huì)受到?jīng)_擊，因此要求齒的工作表面有較高硬度，而齒的心部又有足夠的韌性，因此選擇40Cr,調(diào)質(zhì)處理，硬度241286HBS。 牙嵌式離合器技術(shù)參數(shù)如下：，mm，mm，mm，mm。 其牙形尺寸如圖1.30所示。 左離合器通過(guò)平鍵軸向固定于主軸上，工作時(shí)靠牙齒的嵌合接觸使右離合器的運(yùn)動(dòng)和扭矩傳遞給左離合器，從而實(shí)現(xiàn)主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)，這里Nmm。 離合器強(qiáng)度校核公式為： （1.8）式中工作面擠壓應(yīng)力，MPa； 計(jì)算扭矩，Nmm，k T，k為載 荷系數(shù)，取k=1.2，則；圖1.30 離合器牙形示意圖牙齒平均直徑，mm，；計(jì)算牙數(shù)，（1/31/2）Z，取；，；許用擠壓應(yīng)力，MPa

36、。所以：MPaMPa。通過(guò)上述驗(yàn)算，得出離合器強(qiáng)度滿足要求。 離合器靠平鍵實(shí)現(xiàn)周向定位，取，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中得平鍵尺寸： 蝸輪與離合器（右）通過(guò)螺釘和銷(xiāo)連接，與主軸為間隙配合，而且考慮到離合器離開(kāi)時(shí)，蝸輪左端無(wú)法定位，故在主軸上設(shè)計(jì)了軸肩，尺寸為：蝸輪與離合器同軸相連，故選其軸徑，同時(shí)考慮到強(qiáng)度問(wèn)題及裝配方便，取蝸輪軸段長(zhǎng)度為70mm。此段滾動(dòng)軸承選用輕窄系列深溝球軸承212型，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下。尺寸：,安裝尺寸：，。額定載荷：kN，kN。極限轉(zhuǎn)速：r/min(脂潤(rùn)滑)。由以上分析，再考慮軸套定位問(wèn)題，此軸段長(zhǎng)度?。海?）軸段4此段安裝透蓋、法蘭盤(pán)和三爪卡盤(pán)。該堆焊機(jī)床適用于中小型冷軋輥堆焊

37、，故選用KI-200型三爪卡盤(pán)，其夾持直徑滿足堆焊冷軋輥需要。法蘭盤(pán)用來(lái)連接卡盤(pán)和主軸。法蘭盤(pán)與主軸用螺紋連接，螺紋選用M424。并用銷(xiāo)來(lái)定位，因不需要經(jīng)常裝拆，可選用普通圓柱銷(xiāo)，尺寸為：，法蘭盤(pán)與三爪卡盤(pán)用M8的螺釘連接，同時(shí)考慮裝配與強(qiáng)度等因素影響，取，。5.3蝸桿軸的零件裝配方案 根據(jù)之前的計(jì)算結(jié)果，首先進(jìn)行蝸桿軸的結(jié)構(gòu)及尺寸草圖設(shè)計(jì)，如圖1.31所示。 圖1.31 蝸桿軸零件裝配示意圖（1）軸段1 此段安裝滾動(dòng)軸承和齒輪。齒輪與軸為無(wú)鍵的間隙配合，齒輪靠軸肩作軸向定位。滾動(dòng)軸承左端利用端蓋進(jìn)行軸向定位，右端利用軸套作軸向定位，而軸套則借助于已定位的齒輪左端面起定位作用。這里選用窄系列深

38、溝球軸承204，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下。尺寸：，B=14mm，。安裝尺寸：，。額定載荷：kN，kN。極限轉(zhuǎn)速：r/min?？紤]到裝拆方便和其他原因需要，?。?，mm。（2）軸段2 此段安裝齒輪，齒輪左端靠軸套作軸向定位，右端設(shè)一軸肩作軸向定位，其尺寸為：。 利用平鍵軸向定位，平鍵的尺寸：。取：，。蝸桿與軸是一個(gè)整體，不需定位。（3）軸段3 前一段不安裝零件，取：，。 后一段安裝滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承左端利用軸肩進(jìn)行軸向定位，右端利用端蓋作軸向定位，這里選用輕（2）窄系列深溝球軸承204，技術(shù)參數(shù)同上。5.4過(guò)橋齒輪軸的零件裝配方案 根據(jù)之前的計(jì)算結(jié)果，首先進(jìn)行過(guò)橋齒輪軸的結(jié)構(gòu)及尺寸草圖設(shè)計(jì)，如圖1.32

39、所示。（1）軸段1此段與箱壁為過(guò)盈配合，其固定軸的作用。右端用軸肩作軸向定位，軸肩高2.5mm，根據(jù)減速器的內(nèi)壁到電動(dòng)機(jī)齒輪端面的距離，可將軸肩寬度取為5mm。取軸段1的尺寸為：。（2）軸段2 此段安裝齒輪，與軸為無(wú)鍵的間隙配合。 按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑，利用式（4-5），由設(shè)計(jì)手冊(cè)取，于是：。 圖1.32 過(guò)橋齒輪軸上的零件裝配 因該端面處有螺釘，對(duì)軸的消弱較大，為增大強(qiáng)度取。 齒輪左側(cè)用軸肩軸向定位，右側(cè)用擋圈定位（直徑為20mm，中間有一個(gè)直徑為5.5mm的孔，厚度為1.5mm），用M的螺釘將其固定于軸端。5.5軸的校核主軸在工作中同時(shí)承受彎矩和扭矩作用，在前面軸的設(shè)計(jì)中就是利用彎扭組合

40、第三強(qiáng)度理論來(lái)設(shè)計(jì)軸頸的，故強(qiáng)度校核在此略過(guò)。軸受彎矩作用將產(chǎn)生彎曲變形（以撓度y或偏轉(zhuǎn)角度量），收扭矩作用將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形（以扭轉(zhuǎn)角度量）。軸的剛度不足，在工作時(shí)將產(chǎn)生過(guò)大的變形，影響正常工作。對(duì)于一般軸頸，如果偏轉(zhuǎn)角過(guò)大，就會(huì)使滑動(dòng)軸承的工作性能變差，影響正常工作。對(duì)于一般軸頸，如果偏轉(zhuǎn)角過(guò)大，就會(huì)使滑動(dòng)軸承的工作性能變差，因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器使時(shí)也常有剛度要求。下面主要進(jìn)行軸的剛度以及軸承壽命校核。軸的剛度校核，通常是指計(jì)算軸的預(yù)定的工作條件下的上述變形量，應(yīng)使其不大于允許值，才能達(dá)到剛度要求，要求如下。撓度：。偏轉(zhuǎn)角：。轉(zhuǎn)角：。式中，分別為軸的許用撓度、許用偏轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)

41、查得：（0.020.05），??；，取；在之間，取。（1）彎曲剛度校核 主軸垂直方向受力如圖1.33所示。 由前面的計(jì)算結(jié)果可知：N，N，N，N，N。 和對(duì)彎曲變形的影響較小，故可忽略不計(jì)。由之前的強(qiáng)度校核計(jì)算知，主軸的危險(xiǎn)截面為力作用處（截面b處），因此只校核該面，計(jì)算b截面 的撓度和面得轉(zhuǎn)角。 圖1.33 主軸垂直方向受力示意圖 在單獨(dú)作用下： 式中材料的彈性模量，MPa，40Cr的彈性模量MPa； 慣性距，。則 所以，該軸滿足彎曲剛度要求。（2）扭轉(zhuǎn)剛度校核 （1.9）式中最大扭矩，Nmm，Nm；材料的剪切彈性模量，GPa，GPa；極慣性矩，只與截面尺寸有關(guān)的幾何量，。對(duì)于截面：可見(jiàn)，該軸

42、滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。5.6 滾動(dòng)軸承壽命的校核 動(dòng)軸承在工作一段時(shí)間后，可能出現(xiàn)的失效形式是接觸表面發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕。此現(xiàn)象產(chǎn)生的條件是滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)后，滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道接觸處產(chǎn)生變化的接觸應(yīng)力，應(yīng)力足夠大的循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值。對(duì)于一般在正常工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承，疲勞點(diǎn)蝕是主要的失效形式，應(yīng)按此進(jìn)行壽命計(jì)算。其目的是保證選用適當(dāng)?shù)妮S承在給定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的壽命。（1）軸承的受力分析齒輪軸上的齒輪均為直齒輪，因此軸兩端的軸承只受徑向力。而蝸桿軸與渦輪軸的軸承同時(shí)還受到軸向力。 齒輪軸軸承受力分析。由之前的強(qiáng)度校核計(jì)算可知軸承的受力為： 蝸桿軸軸承的受力分析。按實(shí)際的工作載荷計(jì)算得軸承的受力

43、為： 此外，右端軸承還受到軸向力： 主軸軸承的受力分析。由前面的討論可知軸承的受力為： 此外，左端軸承還受軸向力：（2）軸承的選擇及壽命校核 齒輪軸軸承的選擇及壽命的校核。由于面得計(jì)算可知，齒輪軸上僅受徑向力（軸向載荷基本為0），因此選用深溝球軸承，根據(jù)軸的直徑分別選用輕窄列深溝球軸承104與202型。 輕（1）窄系列深溝球軸承104技術(shù)參數(shù)如下。 尺寸：，。 額定載荷：kN，kN 輕（2）窄系列深溝球軸承202型技術(shù)參數(shù)如下。尺寸：，。 安裝尺寸：，。 額定載荷：Kn,kN。 校核軸承的使用壽命： （1.10）式中 軸承轉(zhuǎn)速，r/min,r/min。壽命指數(shù)，對(duì)球軸承；額定動(dòng)載荷，N；當(dāng)量動(dòng)

44、載荷，N，。 由于軸向力可忽略，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取，取，則 所以 由參考文獻(xiàn)（6）可知，每天8h工作的機(jī)械和不經(jīng)常滿載工作的機(jī)械的軸承推薦使用壽命為1400030000h。所以，主軸兩端的軸承滿足使用要求。軸上受到齒輪和蝸輪的共同作用，因此軸承同時(shí)承受徑想載荷與軸向載荷，根據(jù)軸的直徑都選用輕（2）窄系列深溝球軸承204型。輕（2）窄系列深溝球軸承204型各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下。尺寸：安裝尺寸：額定載荷：KN，KN。校核左端軸承的使用壽命：由于軸向力可忽略，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，取，同樣由設(shè)計(jì)手冊(cè)中取，則 (N)所以 校核右端軸承的使用壽命：由設(shè)計(jì)手冊(cè)中取取由設(shè)計(jì)手冊(cè)中取，則 (N)所以 所以，蝸桿軸兩端的軸承滿

45、足使用要求。主軸承載的選擇及壽命的校核。主軸上同時(shí)承受徑向力與軸向力，但軸向力較小，由于軸向力作用于左端軸承，且根據(jù)軸的直徑分別選用中（3）窄系列深溝球軸承310與輕（2）窄系列深溝球軸承212型。（2）窄系列深溝球軸承212型。 中（3）窄系列深溝球軸承310和項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下。 尺寸： ，。 安裝尺寸：，。 額定載荷：kN，kN。 輕（2）窄系列深溝球軸承212型各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下。 尺寸：， 安裝尺寸：， 額定載荷：kN，kN。 校核左端軸承的使用壽命： （1.11） 式中軸承轉(zhuǎn)速，r/min;壽命指數(shù)，對(duì)球軸承=3；額定動(dòng)載荷，N；當(dāng)量動(dòng)載荷，N，。由設(shè)計(jì)手冊(cè)取，取，同樣由設(shè)計(jì)手冊(cè)中取，則 （N）所以 校核右端軸承的使用壽命：由于軸向力可忽略，取，由設(shè)計(jì)手冊(cè)取，則 （N）所以 所以，主軸兩端的軸承滿足使用要求。