高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì),高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì),高溫,高速,摩擦,磨擦,磨損,試驗(yàn),實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì) 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文 題 目：高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 興湘學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2008963112 姓 名： 馬 滔 指導(dǎo)教師： 周后明 完成日期： 2012年5月 目錄 第一章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)簡介 3 1.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展過程研究意義 3 1.2 兩種國際公認(rèn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的分類方法 4 1.3 現(xiàn)階段國內(nèi)國際研究最新成果及今后發(fā)展方向 6 1.4 本次設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo) 11 第二章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦系數(shù)的影響因素 12 2.1 表面膜對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 12 2.3 載荷對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 13 2.4 滑動(dòng)速度對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 13 2.5 溫度對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 13 2.6 表面粗糙度對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 14 第三章 整體方案的初步比較與確定 15 3.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的整體分析 15 3.2 多種方案的設(shè)計(jì) 15 3.3 方案的優(yōu)劣比較與最終確定 18 第四章 試驗(yàn)機(jī)的主要零件強(qiáng)度校核及零部件選用 21 4.1 本設(shè)計(jì)要求的主要性能指標(biāo)的確定 21 4.2 方案中主傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算 21 4.2.1 動(dòng)力源的選擇： 21 4.2.2 傳動(dòng)方式的計(jì)算： 23 4.2.3 軸的受力分析： 27 4.2.4 主軸上鍵的強(qiáng)度校核計(jì)算： 29 4.2.5 橫梁的受力分析及強(qiáng)度校核： 29 4.2.6 絲杠螺母副的尺寸計(jì)算： 29 4.2.7 軸承的選用： 30 第五章 根據(jù)校核結(jié)果進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 5.1、整體結(jié)構(gòu)的確定 33 5.2、箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34 5.3、橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34 5.4、支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 35 5.5、摩擦銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 36 5.6、摩擦盤夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 36 第六章 論文總結(jié) 37 感謝 38 參考文獻(xiàn) 39 高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 摘要：摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)廣泛用于表面工程（如薄膜、涂層）等領(lǐng)域的摩擦磨損測試。具有銷盤（pin-on-disk）、球盤（ball-on-disk)摩擦磨損等多種模式。可在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式、線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式下，記錄材料的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間（或距離）的變化，從而評(píng)估材料的磨損壽命。通過潤滑條件、接觸方式、試驗(yàn)載荷、運(yùn)動(dòng)速度和試驗(yàn)頻率的變化，可以獲得不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果，支持點(diǎn)、線面等接觸形式，從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優(yōu)參數(shù)。高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是進(jìn)行高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)的有效設(shè)備，廣泛運(yùn)用于對(duì)各種高速刀具的高溫摩擦磨損性能進(jìn)行測試和評(píng)價(jià)，是高速切削和新型刀具材料研制開發(fā)和應(yīng)用的必備設(shè)備。該設(shè)備是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基礎(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備可以擴(kuò)展該學(xué)科的研究領(lǐng)域和提高研究水平。 關(guān)鍵詞：摩擦、磨損、試驗(yàn)機(jī)、高溫、高速 Pin-on-disk temperature and high friction and wear tester Abstract: Friction and wear testing machine is widely used for surface engineering (such as film, coating) and other areas of friction and wear test. Has the bolt plate (pin-on-disk), ball plate (ball-on-disk) friction and wear, as a model. Support the rotary motion mode, linear reciprocating motion mode, can record material of the friction coefficient with the frictional time (or the distance) changes to evaluate the material wear life. Through the lubricating condition, contact method, test load, movement speed and test frequency changes, can get test results under different conditions, and support the face of point, line contact form, so as to determine comply with requirements of the use of friction pair of components of the optimal parameter. Temperature and high friction and wear tester of high temperature is high speed friction and wear of the test of effective equipment, widely used in all kinds of high speed cutting tools for the high temperature frictional wear performance testing and evaluation, is high speed cutting and new cutting tool materials development and application of the necessary equipment. The equipment is high speed processing and the cutting tool material research direction of the research work are in urgent need of infrastructure, the equipment can expand the subject field of study and improve research level. Key words: friction testing machine, high temperature, high-speed 第一章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)簡介 1.1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展過程及研究意義 隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)磨損危害的認(rèn)識(shí)有了更大的提高。為了弄清磨損機(jī)理以減少有害的磨損，各國學(xué)者對(duì)材料在常溫下的各種磨損問題均進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于材料在高溫下的磨損問題至今卻研究的較少，這和高溫磨損試驗(yàn)裝置的缺乏不無關(guān)系。從1910年第一臺(tái)磨料磨損試驗(yàn)機(jī)即以問世，到1975年美國潤滑工程師學(xué)會(huì)（ALSE）編著的“摩擦磨損裝置”一書中所公布的不同類型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)已達(dá)上百種，但其中大部分都是常溫磨損試驗(yàn)機(jī)[1]。近幾十年來，磨損試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法雖然有了較大的發(fā)展，但這些試驗(yàn)機(jī)大多還是由企業(yè)和研究工作者根據(jù)工作需要和實(shí)際工況自行設(shè)計(jì)制造的，如高溫磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，適合高分子及其復(fù)合材料試驗(yàn)用的高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等。只有少數(shù)試驗(yàn)機(jī)是由專門的試驗(yàn)機(jī)廠或儀器制造公司制造和供應(yīng)的，而且這些試驗(yàn)機(jī)大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴，這說明了磨損問題的復(fù)雜性和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室磨損試驗(yàn)研究的困難所在。 摩擦磨損問題存在于人類物質(zhì)活動(dòng)的各個(gè)方面。在汽車、發(fā)電、設(shè)備、冶金、鐵道、宇航、電子和農(nóng)機(jī)等各方面的機(jī)械都大量存在著摩擦學(xué)的問題。據(jù)估計(jì)，全世界約有1/2- 1/3的能源以各種形式消耗在摩擦上，如果從摩擦學(xué)方面采取正確的措施，就可以大大節(jié)約能源消耗。磨損是機(jī)械零部件3種主要的失效形式之一，所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的，大約有80%的機(jī)械零件由于各種磨損導(dǎo)致失效。特別是隨著物質(zhì)文明的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的開發(fā)使用普遍趨于重載、高速、高效率化，如何控制和改善機(jī)械的摩擦磨損狀況、提高其使用壽命和工作可靠性，已成為機(jī)械工業(yè)技術(shù)人員必須關(guān)注的問題，并促使其研究不斷的深入和發(fā)展。 這些摩擦試驗(yàn)機(jī)多采用靜態(tài)選位法觀察摩擦試件，雖然簡單易行，但不能獲得摩擦過程的動(dòng)態(tài)信息，更不能對(duì)磨損（摩擦）過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄；另外由于受到試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度大多較低（一般不超過10m/s ）。然而現(xiàn)代機(jī)械裝備中許多摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)速度相當(dāng)高，如高速 列車運(yùn)行時(shí)的速度約為300km/h，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤與剎車片之間摩擦速度為60～70m/s.而目前還未曾見到可用于高速條件下數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)測量所需的商用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 摩擦磨損試驗(yàn)的目的是為了對(duì)摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)行研究，正確地評(píng)價(jià)各種因素對(duì)摩擦磨損性能的影響，從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優(yōu)參數(shù)。摩擦磨損試驗(yàn)研究的內(nèi)容非常廣泛，如探討摩擦、磨損和潤滑機(jī)理以及影響摩擦、磨損的諸因素，對(duì)新的耐磨、減磨及摩擦材料和潤滑劑進(jìn)行評(píng)定等。由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜，摩擦磨損條件不同，試驗(yàn)方法和裝置種類繁多，如何準(zhǔn)確地獲取摩擦磨損過程中的參數(shù)變化成為一個(gè)十分重要的研究課題。為了探索和驗(yàn)證機(jī)械工程中摩擦磨損問題的機(jī)理以及有關(guān)影響因素，在摩擦學(xué)研究中開展摩擦磨損測試技術(shù)和數(shù)據(jù)分析研究具有非常重要的作用。 高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是進(jìn)行高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)的有效設(shè)備，廣泛運(yùn)用于對(duì)各種高速刀具的高溫摩擦磨損性能進(jìn)行測試和評(píng)價(jià)，是高速切削和新型刀具材料研制開發(fā)和應(yīng)用的必備設(shè)備。該設(shè)備是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基礎(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備可以擴(kuò)展該學(xué)科的研究領(lǐng)域和提高研究水平。 1.2兩種國際公認(rèn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的分類方法： 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的種類很多[2]，人們對(duì)其分類的方式也不相同，最有代表性額兩種是前蘇聯(lián)И.В.КрагелЬскид的分類法和美國潤滑工程師協(xié)會(huì)的分類法。前者為了模擬摩擦面的破壞形式，便于查明各種影響因素，將摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分成8種類型；后者則是根據(jù)摩擦副的幾何形狀而將試驗(yàn)機(jī)分成12大類，以便于在選定了摩擦副的形式之后去查找相應(yīng)的試驗(yàn)裝置和了解該裝置的主要技術(shù)指標(biāo),如表1-1。 表 1-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的分類 這是參照磨損類型的分類提出的一種按摩擦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行分類的新方法。這種分類方法突出摩擦元素的特點(diǎn)和對(duì)試驗(yàn)的特殊功能要求，從而便于采用設(shè)計(jì)方法學(xué)原理對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由 表1-1可見，這種方法將摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分成了五大類。 第一類是固體－固體摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。這類試驗(yàn)機(jī)又分為5小類，即單向滑動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)（含滾滑），沖擊和微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（根據(jù)需要可以在摩擦元素間加或不加潤滑劑）。每一小類試驗(yàn)機(jī)的摩擦副形式又有很多種，因而它們也各含有許多種試驗(yàn)機(jī)。可以認(rèn)為，大部分摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)都屬于這一大類，它們可以重現(xiàn)粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和摩擦化學(xué)磨損。從設(shè)計(jì)的角度來看，這一大類試驗(yàn)機(jī)體現(xiàn)了摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 第二類是固體－固體加磨粒（或固體－磨粒）的試驗(yàn)機(jī)，統(tǒng)稱為磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)。根據(jù)試件的磨損特性和運(yùn)動(dòng)特性又可以將其分為三小類，即三體磨粒磨損、二體磨粒磨損和動(dòng)載磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)。與第一類試驗(yàn)機(jī)相比，三體磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)的不同點(diǎn)是要在摩擦副的摩擦面上加磨粒。固定磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副一方是固定磨粒（一般都采用砂布盤），另一方則可設(shè)計(jì)成各種形式，其特例是研究單個(gè)磨粒磨損的試驗(yàn)機(jī)。在這一小類試驗(yàn)機(jī)中，摩擦副多為銷-盤式（轉(zhuǎn)動(dòng)）或銷-板式（往復(fù)運(yùn)動(dòng)）。為了防止偏磨，銷最好能夠自旋，但是摩擦路跡一般不重復(fù)。自由磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)可以設(shè)計(jì)成試件運(yùn)動(dòng)、磨粒運(yùn)動(dòng)和試件與磨粒同時(shí)運(yùn)動(dòng)的三種形式。 第三類是固體－液體加磨粒（或固體－液體）的試驗(yàn)機(jī)，其特殊功能是使含磨粒（或不含磨粒）的液體沖刷固體表面，因而關(guān)鍵是要形成有一定流速的液流。利用泵、勢能和離心力均可達(dá)到這種目的。從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理出發(fā)，也可以讓試件相對(duì)于液體運(yùn)動(dòng)。液流和試件形成的沖擊角是一個(gè)重要參數(shù),通常要求可調(diào)。 第四類是固體－氣體加磨粒的試驗(yàn)機(jī)，其功能是使含磨粒的氣流去沖刷固體表面。作為這類試驗(yàn)機(jī)的特例是單顆磨粒沖擊裝置。這種試驗(yàn)機(jī)有以下三種形式： (1) 供氣系統(tǒng)加磨粒加噴咀加試件； (2) 高速運(yùn)動(dòng)的試件加供給的磨粒。這種試驗(yàn)機(jī)一般都要抽真空，以避免轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象對(duì)磨損的影響； (3) 利用離心力拋出磨粒。 對(duì)于這類試驗(yàn)機(jī)來說，磨粒向試件的沖擊角也是一個(gè)重要參數(shù)，同樣要求可調(diào)。 第五類是除了以上所述之外的特殊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)?？煽剌d荷、可控氣氛、高溫或低溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)均可歸入此類。其中，可控載荷指的是在摩擦過程中摩擦元素所受的載荷是變化的?？煽貧夥漳Σ聊p試驗(yàn)機(jī)的特殊要求是抽真空、通入或不通入特種氣體和控制或不控制濕度等。密封問題對(duì)其十分重要。非接觸式傳動(dòng)——力傳動(dòng)在這類試驗(yàn)機(jī)上可以得到充分的應(yīng)用。高溫或低溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)要求產(chǎn)生高溫或低溫，因而需要考慮高溫隔熱和低溫防護(hù)，其選材也要能夠滿足高溫或低溫的要求。 1.3 現(xiàn)階段國內(nèi)國際研究最新成果及今后發(fā)展方向 目前，世界只有美國、日本、瑞士等少數(shù)幾個(gè)國家有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，而濟(jì)南試金集團(tuán)是國內(nèi)最早研制和生產(chǎn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的廠家。早在1964年為了滿足我國石油工業(yè)和材料工業(yè)的發(fā)展需要，濟(jì)南試金集團(tuán)開始研制MQ-12型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，1965年研制成功并投入生產(chǎn)，1966年又研制成功MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)，兩種試驗(yàn)機(jī)的研制成功標(biāo)志著我國已有了自行研制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的能力。 1.3.1 濟(jì)南試金集團(tuán)產(chǎn)品（圖1-1） 圖 1-1 屏顯式材料端面高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)MM-U5G 該試驗(yàn)機(jī)主要用途： 該系列試驗(yàn)機(jī)是以滑動(dòng)摩擦形式，在室溫或高溫以及改變潤滑狀態(tài)（無油潤滑或浸油潤滑）、負(fù)荷、速度、摩擦配偶材料、摩擦副表面粗糙度、硬度等參數(shù)的各種情況下，對(duì)環(huán)狀試樣施加較高的端面試驗(yàn)力進(jìn)行試驗(yàn)。主要用于評(píng)定工程塑料、粉末冶金、合金軸承等材料在不同條件下的摩擦性能，可應(yīng)用于選擇摩擦副配對(duì)材料及材料抗磨損性能的研究。 表 1-2是該公司試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)： 表 1-2 濟(jì)南試金集團(tuán)試驗(yàn)機(jī)的主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù) MM-U5G MM-U10G 力范圍 1~5 kN 10 kN 驗(yàn)力精度 ±1% ±1% 主軸轉(zhuǎn)速范圍 10~2000 r/min 300~2800 r/min 主軸轉(zhuǎn)速測量精度 ± 10 r/min ± 10 r/min 最大摩擦力 300 N 500 N 摩擦力精度 ±2% ±3% 溫度測控范圍 室溫~600 ℃ 室溫~600 ℃ 溫度測控精度 ±2 ℃ 時(shí)間設(shè)定 1 s~9999 min 試驗(yàn)機(jī)外形尺寸 （長×寬×高） 1200×870×1700 試驗(yàn)機(jī)凈重 850 kg 試驗(yàn)機(jī)在下列條件下正常工作： (1) 在室溫10 ℃~35 ℃的范圍內(nèi)； (2) 相對(duì)濕度不大于80%的環(huán)境中； (3) 周圍無震動(dòng)，無腐蝕性和無強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中； (4) 電源電壓的波動(dòng)范圍不應(yīng)超過額定電壓的±10%；頻率的波動(dòng)不應(yīng)超過額定頻率的±2%； (5) 地面安裝，水平度為0.2/1000 1.3.2 美國CETR公司產(chǎn)品 圖 1-2是美國CETR公司的多功能磨損試驗(yàn)機(jī)的實(shí)物圖： 圖 1-2 多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)/ UMT TESTER 生產(chǎn)廠家：CETR(Center of trobology)，美國 規(guī)格指標(biāo)： (1) 最大垂直移動(dòng)距離：100 mm；定位精度：0.5 μm；速度：0.001~10 mm/s； (2) 最大橫向移動(dòng)距離：75 mm； 定位精度：2 μm； 速度：0.0~10 mm/s； (3) 上試件旋轉(zhuǎn)速度：1~50 RPM； (4) 最大載荷：25 kg (0.25 kN)；力傳感器測量范圍：0.2~20 N(0.02 ~2 kg )； (5) 分辨率：0.05 N (5 g) ； (6) 溫度測量范圍：0 ℃ ~100 ℃； (7) 聲發(fā)射傳感器響應(yīng)頻率：0.5~5.5 MHz 功能介紹： 試驗(yàn)機(jī)的主要功能可進(jìn)行多功能微摩擦試驗(yàn)和拋光試驗(yàn)。前者可作為多功能微摩擦試驗(yàn)機(jī)，可以在較大的載荷范圍內(nèi)進(jìn)行銷-盤式、往復(fù)式、四球式等摩擦磨損試驗(yàn)，還可以用來進(jìn)行刻劃試驗(yàn)以評(píng)價(jià)薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，也可以用來測量材料的微觀硬度。后者可以模擬實(shí)際拋光的各種條件，如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、被拋光材料、拋光墊材料、拋光液等等，可以用來研究以上多個(gè)工藝參數(shù)對(duì)拋光速率及拋光質(zhì)量的影響。 1.3.3 瑞士CSM公司產(chǎn)品 圖 1-3是瑞士CSM公司的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 圖 1-3瑞士CSM公司的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 瑞士CSM公司是世界知名的表面力學(xué)性能測試設(shè)備制造商，數(shù)十年中，為世界范圍的科研院所、工業(yè)用戶提供了最先進(jìn)的技術(shù)與應(yīng)用服務(wù)。 CSM公司提供多種功能的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按不同的載荷以及使用條件可分為以下幾類： (1) 納米摩擦測試儀 NTR（Nano-tribometer）； (2) 摩擦試驗(yàn)機(jī) TRB（Tribometer pin-on-disk），可升級(jí)為真空摩擦試驗(yàn)機(jī)； (3) 高溫摩擦試驗(yàn)機(jī) THT（High temperature tribometer），可升級(jí)為高溫真空摩擦試驗(yàn)機(jī)； (4) 磨損測試儀 CAW（Calowear）； (5) 膜厚測試儀 CAT（Calotest），分為工業(yè)與實(shí)驗(yàn)室用2種型號(hào)。 CSM公司的摩擦試驗(yàn)機(jī)主要用于測定自潤滑涂層的使用壽命，以及表征固體材料或硬質(zhì)涂層在不同條件下的摩擦磨損行為，用戶可通過改變摩擦?xí)r間、接觸壓力、運(yùn)動(dòng)速率、環(huán)境溫度、濕度、潤滑劑等參數(shù)得到材料的一系列性能指標(biāo)。 圖 1-4是該試驗(yàn)機(jī)的測試原理示意圖。 圖1-4 CSM公司摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試原理。 試驗(yàn)機(jī)的測試原理是： (1) 平頭或圓形壓頭安放在被測樣品上，用精確測定質(zhì)量的砝碼施加載荷； (2) 針或球安裝在一支倔強(qiáng)系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設(shè)計(jì)為無摩擦切向力傳感器； (3) 當(dāng)盤式樣品旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓頭和樣品間產(chǎn)生的摩擦力會(huì)使杠桿發(fā)生輕微的彎曲，該形變程度可被固定在一起的線性差分位移傳感器檢測，并由此計(jì)算摩擦力的具體數(shù)值； 通過測量材料的損失體積可計(jì)算壓頭和樣品的磨損系數(shù) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，摩擦磨損測試技術(shù)呈快速發(fā)展之勢，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)呈以下發(fā)展趨勢： （1）、以高性能的電機(jī)系統(tǒng)取代機(jī)械變速系統(tǒng)：目前，高性能的電機(jī)系統(tǒng)己經(jīng)比較成熟，調(diào)速比可以達(dá)到一比幾百、幾千甚至更高。利用這種系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)。由高性能電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸，不僅能使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，而且還能降低試驗(yàn)機(jī)的摩擦損耗，提高整機(jī)的壽命和可靠性。但高性能電機(jī)系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴。 （2）、在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)：微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉，操作簡單，性能穩(wěn)定，不僅可以取代以往的二次儀表對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行控制，而且還可以對(duì)測試參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)處理，因而能使試驗(yàn)機(jī)的功能大大加強(qiáng)。 （3）、改進(jìn)測試手段； （4）、提高穩(wěn)定性、測試精度，以使試驗(yàn)結(jié)果具有更好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。 1.4 本次設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo) 在這一章我主要介紹了摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究的意義及國內(nèi)外此類試驗(yàn)機(jī)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，并分別例舉了國外國內(nèi)的幾款試驗(yàn)機(jī)的主要參數(shù)，最后總結(jié)了今后的發(fā)展趨勢，本設(shè)計(jì)主要對(duì)銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)與二維圖的繪制。所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1、最大試驗(yàn)力：20N 2、主軸速度范圍：0~3000r/min 3、工作的最高溫度1000 ℃ 4、加載范圍：0~20 N，采用砝碼加載 5、樣品盤最大尺寸為Φ80 mm，最大厚度10 mm 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)上述要求的較為合理的方案，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。最后對(duì)整個(gè)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用繪制整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的總裝配圖及主要零部件圖。  第二章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦系數(shù)的影響因素 進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)的目的是要模擬實(shí)際的摩擦系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)摩擦磨損現(xiàn)象及其規(guī)律性，以便通過選定參數(shù)的測量分析考察圖2-1所示的工作運(yùn)轉(zhuǎn)變量、潤滑變量和氣氛變量等對(duì)特定摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)摩擦元素的影響。因此，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)就是要依據(jù)這種目的和既定的具體任務(wù)要求，構(gòu)思形成圖2-1所示的基木系統(tǒng)，其工作運(yùn)轉(zhuǎn)變量一般要求在一定范圍內(nèi)可調(diào)，對(duì)于測試參數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要選定. 圖2-1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的基本系統(tǒng) 1、2 ——摩擦元素 3、——潤滑劑 4——?dú)夥? 2.1表面膜對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 具有表面氧化膜的摩擦副，摩擦主要發(fā)生在膜層內(nèi)。對(duì)于金屬的摩擦來說，由于表面氧化膜的塑性和機(jī)械強(qiáng)度比金屬材料差，在摩擦過程中，膜先被破壞，金屬摩擦表面不易發(fā)生粘著，使摩擦系數(shù)降低，磨損減少。在金屬摩擦表面涂覆軟金屬能有效地降低摩擦系數(shù)。其中以鎘對(duì)摩擦系數(shù)的影響最為明顯，但鎘與基體金屬的結(jié)合力較弱，容易在摩擦?xí)r被擦掉。 2.2材料性質(zhì)對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 摩擦副的摩擦系數(shù)，隨配對(duì)材料性質(zhì)的不同而不同。分子或原子結(jié)構(gòu)相同或相近的兩種材料互溶性大，互溶性較大的材料組成摩擦副，易發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)增高；反之，分子或原子結(jié)構(gòu)差別大則互溶性小，互溶性較小的材料組成摩擦副，不易發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)一般都比較低。因此，在設(shè)計(jì)摩擦副時(shí)，應(yīng)盡可能地選擇分子結(jié)構(gòu)或原子晶格差別大，互溶性小的材料組成摩擦副，以降低其摩擦系數(shù)。如果條件允許的話，應(yīng)盡可能選擇金屬與非金屬(工程塑料、復(fù)合材料等)組成摩擦副。 2.3載荷對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 載荷的大小直接影響摩擦副的接觸狀態(tài)，在不同的接觸狀態(tài)下，摩擦副所表現(xiàn)出來的摩擦特性也就不一樣一般情況下，摩擦系數(shù)將隨載荷的增加而增大，當(dāng)載荷足夠大時(shí)越過一極大值，隨著載荷的繼續(xù)增大而摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定或減小。 2.4滑動(dòng)速度對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 在一般情況下，摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度增加而升高，越過一極大值后，又隨滑動(dòng)速度的增加而減少?；瑒?dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，主要是它引起溫度的變化所至?；瑒?dòng)速度引起的發(fā)熱和溫度的變化，改變了摩擦表面層的性質(zhì)和接觸狀況，因而摩擦系數(shù)必將隨之變化。對(duì)溫度不敏感的材料（如石墨），摩擦系數(shù)實(shí)際上幾乎與滑動(dòng)速度無關(guān)。 2.5溫度對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 在摩擦過程中,溫度的變化使摩擦副表面材料的性質(zhì)發(fā)生改變,從而影響摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)隨摩擦副工作條件的不同而變化。具體情況需用試驗(yàn)方法測定。 2.5.1對(duì)于大多數(shù)金屬摩擦副而言，其摩擦系數(shù)均隨溫度的升高而降低，極少數(shù)（如金-金）的摩擦系數(shù)均隨溫度的升高而升高。 2.5.2對(duì)于散熱性比較差的材料，特別是由熱塑性工程塑料組成的摩擦副，開始摩擦系數(shù)將隨著溫度的升高而增大，當(dāng)表面溫度達(dá)到一定值，材料表面將被熔化。所以,一般工程塑料都只能在 一定的溫度范圍內(nèi)使用，超過這個(gè)溫度范圍，摩擦副材料將喪失其工作能力。 2.5.3對(duì)于金屬與復(fù)合材料組成的摩擦副，其摩擦系數(shù)在一定的范圍內(nèi)受溫度的影響較小，但是，當(dāng)溫度超過某一極限值時(shí)，摩擦系數(shù)將隨溫度的升高而顯著下降。通常把這種現(xiàn)象稱為材料的熱衰退性。對(duì)于制動(dòng)摩擦副，尤其應(yīng)控制在熱衰退的臨界溫度以下工作，以保證其具有足夠的制動(dòng)能力。 2.6表面粗糙度對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦系數(shù)的影響 根據(jù)摩擦的分子—機(jī)械理論，當(dāng)表面粗糙度值大于50μm時(shí)，分子分量可以忽略不計(jì)，因此，摩擦系數(shù)隨著表面粗糙度值的減小而降低；當(dāng)表面粗糙度值特別小，小于20μm時(shí)，摩擦系數(shù)中的分子分量起主要作用，機(jī)械分量可以忽略不計(jì)，因此，摩擦系數(shù)隨著表面粗糙度值的減小而增大；表面粗糙度值愈小，實(shí)際接觸面積愈大，因而摩擦系數(shù)也就愈大；在一般情況下，即20μm ＜Ra＜50μm范圍內(nèi)，表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響不大。 第三章 整體方案的初步比較與確定 3.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的整體分析 根據(jù)上一章的介紹不難確定，試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可以分為如下幾個(gè)主要的系統(tǒng)：主傳動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、摩擦盤夾持系統(tǒng)、摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)等主要部分。對(duì)上述各個(gè)部分不同的方案進(jìn)行組合，就可以得到不同的整體設(shè)計(jì)方案方案。 3.2 多種方案的設(shè)計(jì) 通過分析，制定下面四種方案： 設(shè)計(jì)方案一： 圖 3-1是設(shè)計(jì)方案一的方案圖。 圖3-1 設(shè)計(jì)方案一 設(shè)計(jì)方案一各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過齒輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (2) 加載系統(tǒng)：采用伺服控制連續(xù)加載； (3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)； (4) 摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)：通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進(jìn)給；通過步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的軸向位置； (5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。 設(shè)計(jì)方案二： 圖 3-2是設(shè)計(jì)方案二的方案圖： 圖3-2 設(shè)計(jì)方案二 設(shè)計(jì)方案二各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過連軸器和主軸直接相連，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (2) 加載系統(tǒng)：采用彈簧加載； (3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用螺栓螺母副將摩擦盤固定到主軸的上端； (4) 摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)：通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進(jìn)給；通過步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的軸向移動(dòng)； (5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。此外，主軸外用螺旋銅制冷卻管包裹，冷卻管內(nèi)通入冷卻水，對(duì)主軸進(jìn)行冷卻。 設(shè)計(jì)方案三： 圖 3-3是設(shè)計(jì)方案三的方案圖。 圖3-3設(shè)計(jì)方案三 設(shè)計(jì)方案三各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過通過V帶和帶輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (2) 加載系統(tǒng)：采用傳統(tǒng)的彈簧加載； (3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)； (4) 摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)：通過步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)底座支架上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副帶動(dòng)立柱和橫梁一起水平運(yùn)動(dòng)，來控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進(jìn)給；通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)立柱內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的徑向進(jìn)給； (5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。 設(shè)計(jì)方案四： 圖 3-4是設(shè)計(jì)方案四的方案圖。 圖3-4設(shè)計(jì)方案四 設(shè)計(jì)方案四各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過V帶和帶輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (2) 加載系統(tǒng)：采用傳統(tǒng)的砝碼加載； (3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)； (4) 摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)：通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)底座內(nèi)的一根絲杠，絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)控制橫梁和立柱的整體的水平位置，來控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進(jìn)給；通過立柱結(jié)構(gòu)上的可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使得橫梁可以沿立柱上的某一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定的角度，用旋轉(zhuǎn)來代替移動(dòng)控制摩擦銷的豎直位置； (5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。 3.3 方案的優(yōu)劣比較與最終確定 方案一采用齒輪，可以保證傳動(dòng)比，制造安裝精度要求不是很嚴(yán)格，并且可以防止過載時(shí)對(duì)電機(jī)的損壞。但是齒輪傳動(dòng)噪音大，震動(dòng)劇烈，況且由于齒輪的金屬質(zhì)地使電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)熱影響到實(shí)驗(yàn)精度。主軸外無冷卻裝置，使得主軸在工作狀態(tài)的高溫下容易發(fā)生變形和損壞，降低了主軸的壽命和裝置的測量精度。伺服控制連續(xù)加載雖然精確但設(shè)備復(fù)雜且成本很高，安裝維修也不方便。手輪和分度盤控制銷子沿盤的徑向位移，結(jié)構(gòu)簡單，但是橫梁剛性較差，對(duì)結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，降低了整個(gè)系統(tǒng)的剛度，但對(duì)系統(tǒng)測量精度的作用不大。 方案二電機(jī)通過連軸器直接和主軸相連，結(jié)構(gòu)簡單且緊湊。但減震性能不好，系統(tǒng)的震動(dòng)較大。而且主軸和電機(jī)之間有直接的熱量傳遞，降低了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。主軸外有冷卻裝置，但由于上述的熱傳遞作用，使得其作用不是很明顯，而且由于空間較小，對(duì)主軸的冷卻無法有效進(jìn)行，安裝維修也不方便。摩擦盤通過中間的螺栓孔與主軸上端直接相連，不易保持盤的整體性和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，而且對(duì)于尺寸不大的陶瓷等脆性材料，在摩擦盤的中間打孔也很難實(shí)現(xiàn)，并且盤的剛性大大降低。彈簧加載結(jié)構(gòu)簡單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大。手輪和分度盤控制銷子沿盤的徑向位移，結(jié)構(gòu)簡單，但是橫梁剛性較差，對(duì)結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，降低了系統(tǒng)的剛度，但對(duì)系統(tǒng)測量精度的作用不大。 方案三電機(jī)通過V帶傳動(dòng)，可以緩和載荷沖擊而且運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，制造安裝精度要求不是很嚴(yán)格，并且可以防止過載時(shí)對(duì)電機(jī)的損壞。但是帶傳動(dòng)有彈性滑動(dòng)和打滑，效率低而且不能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，也就是不能保持主軸以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。而且主軸外無冷卻系統(tǒng)，使得在工作情況下，加熱爐內(nèi)的熱量通過主軸連軸器直接傳遞給電機(jī)，主傳動(dòng)系統(tǒng)整體的溫度較高，不易散熱，對(duì)系統(tǒng)的剛度和壽命影響大，而且對(duì)測量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。采用專用的摩擦盤夾持器結(jié)構(gòu)較為合理。彈簧加載結(jié)構(gòu)簡單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大。手輪和分度盤控制銷子的軸向位移，效率低，速度慢，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)控制銷子沿摩擦盤的軸向位移，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，安裝維修不方便。 方案四采用電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)主軸，可以緩和載荷沖擊而且運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，且同步帶傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和打滑，效率高而且能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，也就是能保持主軸以某一速度穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸和電機(jī)之間的熱影響很小。專用的摩擦盤夾持器保證了摩擦盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的精度，又可以保證其整體性，對(duì)于例如三角形硬質(zhì)合金可專位車刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的試件的夾持又有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的砝碼加載簡單易行而且加載準(zhǔn)確，誤差較小。左邊立柱和橫梁是相對(duì)固定的，可以繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測量結(jié)果較精確，結(jié)構(gòu)簡單，而且工作效率比較高。手輪和分度盤控制橫梁和立柱的整體位移來控制摩擦銷沿摩擦盤的徑向位移，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維修方便，而且有足夠高的精度。 設(shè)計(jì)方案的確定 通過上面對(duì)四種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，可以得出結(jié)論：方案四是這四種設(shè)計(jì)方案中比較合理的一種方案。該方案既可以滿足設(shè)計(jì)精度的要求，又具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便等特點(diǎn)。 第四章 試驗(yàn)機(jī)的主要零件強(qiáng)度校核及零部件選用 4.1、本設(shè)計(jì)要求的主要性能指標(biāo)的確定 參考第一章中的各種試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，確定該試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)如下： 主軸轉(zhuǎn)速范圍：0~3000 r/min，無級(jí)調(diào)速； 工作最高溫度：1000 ℃； 加載力的范圍：0~20 N,采用砝碼加載； 摩擦球尺寸：Ф3 mm~Ф6 mm； 摩擦盤尺寸：最大直徑 d=80 mm,最大厚度 h=10 mm 。 4.2方案中主傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算 實(shí)現(xiàn)。因此該試驗(yàn)機(jī)的主傳動(dòng)路線為：變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)→同步帶和帶輪→主軸→摩擦盤夾持由試驗(yàn)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速范圍和變速方式，可以選擇變頻調(diào)速三相異步交流電動(dòng)機(jī)來器→摩擦盤。 4.2.1動(dòng)力源的選擇： 取摩擦盤和摩擦銷之間的動(dòng)摩擦系數(shù) f=fmax=1，則摩擦產(chǎn)生的最大功率 Pm=Fv= (4-1) 其中： Pm是摩擦產(chǎn)生的最大功率(Kw)； F是相互作用力(N)； v:是相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；f是滑動(dòng)摩擦系數(shù)； Fn是正壓力（N）； R:是摩擦力作用電相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的距離（m）； Pm＝＝＝0.251 Kw 同步帶的傳動(dòng)效率 ： η1＝95% 滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率 ： η2＝98% 則總傳動(dòng)效率： η總＝η1η2＝0.931 電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出＝ (4-2) 故＝＝0.2696 Kw 為使電動(dòng)機(jī)的功率留有余量，負(fù)荷率?。?.85 P＝P出/0.85＝0.261/0.85＝0.317 Kw 根據(jù)參考資料可知，選擇的電機(jī)型號(hào)為： YVF280M1-4(摘自JB/T 7118-2004) 該電機(jī)的主要參數(shù)為： 額定功率 P=0.55Kw ；額定轉(zhuǎn)矩 3.5 N?m； 同步轉(zhuǎn)速 1500 r/min ；電機(jī)軸：D=19mm。 結(jié)構(gòu)圖如圖4-1、4-2所示 圖4-1 圖4-2 機(jī)座號(hào): 80M 凸緣號(hào): FF165 安裝尺寸及公差|A|基本尺寸: 125mm 安裝尺寸及公差|A/2|基本尺寸: 62.5mm 安裝尺寸及公差|A/2|極限偏差: ±0.50mm 安裝尺寸及公差|B|基本尺寸: 100mm 安裝尺寸及公差|C|基本尺寸: 50mm 安裝尺寸及公差|C|極限偏差: ±1.5mm 安裝尺寸及公差|D|基本尺寸: 19mm 安裝尺寸及公差|D|極限偏差: (+0.009,-0.004)mm 安裝尺寸及公差|E|基本尺寸: 40mm 安裝尺寸及公差|E|極限偏差: ±0.310mm 安裝尺寸及公差|F|基本尺寸: 6mm 安裝尺寸及公差|F|極限偏差: (0,-0.030)mm 安裝尺寸及公差|G①|(zhì)基本尺寸: 5.5mm 安裝尺寸及公差|G①|(zhì)極限偏差: (0,-0.10)mm 安裝尺寸及公差|H|基本尺寸: 80mm 安裝尺寸及公差|H|極限偏差: (0,-0.5)mm 安裝尺寸及公差|K②|基本尺寸: 10mm 安裝尺寸及公差|K②|極限偏差: (+0.360,0)mm 安裝尺寸及公差|K②|位置度公差: φ1.0mm 安裝尺寸及公差|M: 165mm 安裝尺寸及公差|N|基本尺寸: 130mm 安裝尺寸及公差|N|極限偏差: (+0.014,-0.011)mm 安裝尺寸及公差|P③: 200mm 安裝尺寸及公差|R④|基本尺寸: 0mm 安裝尺寸及公差|R④|極限偏差: ±1.5mm 安裝尺寸及公差|S②|基本尺寸: 12mm 安裝尺寸及公差|S②|極限偏差: (+0.430,0)mm 安裝尺寸及公差|S②|位置度公差: φ1.0mm 安裝尺寸及公差|T|基本尺寸: 3.5mm 安裝尺寸及公差|T|極限偏差: (0,-0.120)mm 安裝尺寸及公差|凸緣孔數(shù): 4mm 外形尺寸|AB: 165mm 外形尺寸|AC: 175mm 外形尺寸|AD: 145mm 外形尺寸|HD: 220mm 外形尺寸|L: 370mm 4.2.2傳動(dòng)方式的計(jì)算： 1、計(jì)算功率： Pｄ＝ (4-3) Pｄ= =0.36Kw 式中： 是同步帶傳動(dòng)的工作情況系數(shù)，據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可取1.40 2、選擇帶型和節(jié)距： 根據(jù)計(jì)算功率Pd和n1,選擇L型同步帶。 齒形如圖所示（圖4-4） 周節(jié)制其節(jié)距Pb＝9.525 mm ； 齒形角2β°: 40 齒根厚s: 4.65mm 齒高h(yuǎn)t: 1.91mm 帶高②hs: 3.6mm 齒根圓角半徑rr: 0.51mm 齒頂圓角半徑ra: 0.51mm 圖4-4齒形圖 3、小帶輪齒數(shù)Z1： 根據(jù)國標(biāo)(JB/T 7512.2-1994),查取Zmin=20 根據(jù)設(shè)計(jì)方案Z1＝25； 4、小帶輪節(jié)圓直徑： 何以由公式 （4-4） 計(jì)算，也可查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。得小帶輪直徑為mm 5、大帶輪齒數(shù)： 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，同步帶只起傳動(dòng)作用，不改變速度，故令兩帶輪的齒數(shù)Z1、Z2等，取Z1＝Z2＝25； 6、大帶輪節(jié)圓直徑： 由公式 7、帶速計(jì)算： （4-5） 通常L型，則符合要求。 8、初定軸間距： 根據(jù)機(jī)械手冊(cè)知 （4-6） 即，取a==151.2mm 9、計(jì)算帶長及齒數(shù)： 帶長： （4-7） 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，齒數(shù)； 10、實(shí)際軸間距計(jì)算： 實(shí)際軸間距計(jì)算分為兩種情況，軸間距可調(diào)整時(shí) （4-8） 軸間距不可調(diào)時(shí) （4-9） （4-10） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，軸間距可調(diào) 則 11、小帶輪嚙合齒數(shù)： （4-11） 12、基本額定功率： （4-12） 基本額定功率是個(gè)帶型基準(zhǔn)寬度的額定功率，(摘自GB/T 11362-1989) ——寬度為的帶的需用工作拉力（N），查機(jī)械手冊(cè) ——寬度為的帶單位長度的質(zhì)量（），查機(jī)械手冊(cè) 則 13、計(jì)算帶寬： （4-13） ——嚙合齒數(shù)系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 應(yīng)按表4.4選取標(biāo)準(zhǔn)值，一般小于 則 式中： mm 按照以上設(shè)計(jì)要求要求 確定公稱帶寬12.7mm，代號(hào)050 14、作用在軸上的力： （4-14） 則 15、帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸： 圖4-5直邊齒帶輪的尺寸和公差 根據(jù)直邊齒帶輪的尺寸和公差(摘自GB/T 11361-1989)如圖4-5查的 槽型: L 齒槽底寬bw: 3.05±0.10 齒高h(yuǎn)g: 2.67(0,-0.10) 槽半角φ±1.5°: 20 齒根圓角半徑rf: 1.19 齒頂圓角半徑ra: 1.17(+0.13,0) 節(jié)頂距2δ: 0.762 外圓直徑da: da＝d-2δ 外圓節(jié)距pa: pa＝π·da/z(z──帶輪齒數(shù)) 根圓直徑df: df＝da-2hg 4.2.3軸的受力分析： 1、主軸輸出功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 根據(jù)第一部分電機(jī)計(jì)算可以得出， 則轉(zhuǎn)矩 2、軸的最小直徑計(jì)算： 計(jì)算公式為 （4-15） 主軸的材料選擇為，查設(shè)計(jì)手冊(cè)可得 則，取 即主軸上直徑最小處：mm 3、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： （1） 擬定軸上的零件裝配方案，見圖4-6 圖4-6 軸上零件的裝配方案 （2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度： 見圖4-7 圖4-7主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）為了滿足帶輪的尺寸要求， 2）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承受有徑向力和軸向力的作用，故選取深溝球軸承和推力球軸承，初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6206和推力球軸承51206，其尺寸分別為、，故，。 3）根據(jù)結(jié)構(gòu)要求擬定，； ，； ，； ，。 （3）、軸的強(qiáng)度校核： 按鈕局強(qiáng)度條件計(jì)算，公式如下 （4-16） 已知， 則 根據(jù)設(shè)計(jì)軸的最小直徑為， 則其他各段也符合要求。 4.2.4、主軸上鍵的強(qiáng)度校核計(jì)算： 根據(jù)主軸設(shè)計(jì)，鍵所在軸的直徑為24mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（摘自GB/T1095-2003，GB/T1096-2003)選取鍵的尺寸選定為，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為： (4-17) 式中： d是軸的直徑；l是鍵的工作長度，l=L-b=14-8=6；h是鍵的高度；[p]是許用壓力；k鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h,T傳遞的轉(zhuǎn)矩,取，則 故鍵的強(qiáng)度滿足要求。 4.2.5、橫梁的受力分析及強(qiáng)度校核： 由于橫梁受到的軸向和切向力最大均為20 N，而且摩擦銷與橫梁不是緊密接觸，橫梁所受的沖擊也很小。因而橫梁受到的力很小，橫梁強(qiáng)度在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下能夠滿足強(qiáng)度和剛度要求。 4.2.6、絲杠螺母副的尺寸計(jì)算： 該絲杠螺母副主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)，來控制摩擦銷沿摩擦盤的徑向位移。而沒有很大的力的傳遞，因此其傳遞的力可以忽略不計(jì)。下面對(duì)絲杠螺母副進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核可以不計(jì)。 螺母的軸向位移： (4-18) 式中： φ是螺桿轉(zhuǎn)角，rad；s是導(dǎo)程，mm；p是螺距，mm；x是螺紋線數(shù)； 令該螺紋為單線螺紋，則x＝1； 由于絲杠帶動(dòng)摩擦銷的移動(dòng)距離為40 mm，又要留下一定的余量，可令螺紋長度L＝50 mm； 設(shè)計(jì)使螺紋移動(dòng)l=40 mm時(shí)，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)8圈，即： rad mm (4-19) 由此可知： mm 螺紋中徑： (4-20) 式中： Ψ是螺母形式參數(shù)，整體式螺母取1.2~2.5，分體式螺母取2.5~3.5；[P]是螺紋副許用壓強(qiáng)，N/mm2；可?。? 帶入數(shù)據(jù)，有： mm 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，?。?mm ； 絲桿公稱直徑d=20,小徑：20-5.5=14.5mm 螺母高度： mm 絲桿旋動(dòng)圈數(shù)： 基本牙型高度： mm 工作壓強(qiáng)： 工作壓強(qiáng)滿足要求。 為了保證自鎖，螺紋升角: 螺紋牙根部的寬度： mm 4.2.7、軸承的選用： 該系統(tǒng)三處用到了軸承：主軸、絲杠、以及橫梁旋轉(zhuǎn)軸處的軸承。后兩處軸承均不用于承受載荷，僅僅起到支撐作用，受到的力很小，可以忽略不計(jì)；而且其轉(zhuǎn)速均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承的極限轉(zhuǎn)速。因此軸承的校核可以省略，而認(rèn)為這些軸承的均滿足設(shè)計(jì)要求。下面對(duì)主軸上的深溝球軸承和推力球軸承進(jìn)行壽命校核： （一）、深溝球軸承壽命校核 1根據(jù)主軸設(shè)計(jì)可知： 由帶輪計(jì)算可知： 則 則 查機(jī)械設(shè)計(jì)得深溝球軸承的最小e值為0.22，故此時(shí) 2、初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P，根據(jù)式（4-22） （4-21） 查機(jī)械設(shè)計(jì)得，??； 則 3、根據(jù)公式（4-23），求軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)載荷： （4-22） 則 4、演算軸承壽命，根據(jù)公式（4-24） （4-23） 則該軸承符合設(shè)計(jì)要求。 （二）推力球軸承壽命校核（同上） 第五章 根據(jù)校核結(jié)果進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1、整體結(jié)構(gòu)的確定 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)用CAD裝配圖的整體外觀效果如圖 5-1、5-2、5-3所示。 圖5-1裝配圖（正視圖） 圖5-2裝配圖（左視圖） 圖5-3裝配圖（俯視圖） 5.2、箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)計(jì)算所得的尺寸來看，為了能夠是整體結(jié)構(gòu)緊湊美觀設(shè)計(jì)箱體如圖（5-4）所示 圖5-4箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.3、橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 將球安裝在一支倔強(qiáng)系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設(shè)計(jì)為無摩擦切向力傳感器，當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓頭和樣品間產(chǎn)生的摩擦力會(huì)使杠桿發(fā)生輕微的彎曲，該形變程度可被固定在一起的線性差分位移傳感器檢測，并由此計(jì)算摩擦力的具體數(shù)值。通過測量材料的損失體積可計(jì)算壓頭和樣品的磨損系數(shù)。橫梁的設(shè)計(jì)如圖 （5-5）： 圖5-5橫梁 在橫梁的兩側(cè)可以加上線性差分位移傳感器。摩擦銷受力引起橫梁中間的杠桿的微變形，位移傳感器檢測并指示出相對(duì)應(yīng)的力的大小。 橫梁的兩個(gè)臂上開的槽是為了提高測量的靈敏度；橫梁兩側(cè)與支架相連的部分有個(gè)5 mm的凸起，是為了使橫梁的杠桿部分與其他零件分隔開，測量過程中減少部件之間的摩擦對(duì)測量結(jié)果的影響。 橫梁右端的孔與摩擦銷的配合采用過渡配合，既可以保證摩擦銷的位置精度，又可以盡量避免和銷在豎直方向上的摩擦力作用，以減少加載時(shí)對(duì)加載力精度的影響。 5.4、支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 此試驗(yàn)機(jī)用到的的支架有三種形式，它們受的力都很小，滿足結(jié)構(gòu)要求的支架就能夠滿足受力的要求。因此對(duì)與絲桿相連的支架進(jìn)行介紹： 與絲杠相連的支架-------滑動(dòng)支架： 該支架的作用是為橫梁的旋轉(zhuǎn)提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，并且和絲杠相配合，控制摩擦銷沿摩擦盤的徑向位置。支架上的橫桿是用來防止其支撐的橫梁發(fā)生側(cè)翻。圖 （5-6）是與絲杠相連的支架的視圖。 圖 5-6支架 5.5、摩擦銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 適合于高溫摩擦磨損測試儀的測試球尺寸有