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摘要
主軸箱在整個(gè)機(jī)床中屬于相對(duì)重要部件，通過其內(nèi)部的齒輪傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)變速,從而人們需要的速度可以從最后傳到主軸的速度的到。通常主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)的性能直接影響機(jī)床的性能。
本設(shè)計(jì)介紹普通機(jī)床中CA6140主軸的設(shè)計(jì)過程，文章先簡要介紹了車床的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，分析了主軸箱中各個(gè)重要部件結(jié)構(gòu)原理和其在做主軸箱里的作用。詳細(xì)介紹了CA6140里的齒輪、軸、主軸和軸承等零件的整個(gè)設(shè)計(jì)過程。具體內(nèi)容包括選取滿足要求相應(yīng)的功率電機(jī)和各個(gè)零件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括材料的定選尺寸的合理安排以及加工需求。對(duì)于軸和齒輪零件運(yùn)用的有關(guān)公式，進(jìn)行合理的分析對(duì)相對(duì)較危險(xiǎn)的部位進(jìn)行作圖、計(jì)算和查表，進(jìn)行各種校核。最終對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行參數(shù)擬定、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)件的估算和驗(yàn)算、各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制零件圖和裝配圖。
CA6140機(jī)床是典型的車削加工機(jī)床，其中主軸箱是機(jī)床組成的核心部件，主軸箱的作用是將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到主軸上，實(shí)現(xiàn)車削回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本次論文設(shè)計(jì)主要包括傳動(dòng)方案及傳動(dòng)系統(tǒng)圖的擬定，包含轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)式的確定及工藝范圍；各軸傳遞功率及力矩的計(jì)算；主要部件的設(shè)計(jì)及校核；主軸箱的主要部件主要包括箱體、傳動(dòng)軸、齒輪及帶輪。最終確定主軸箱的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 主軸箱； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 軸
Abstract
Throughout the machine tool spindle box is a relatively important component through its internal gears can achieve multi-speed, the speed of which people need to be reached from the last to the spindle speed. Typically headstock drive performance directly affects the performance of the machine.
This design introduces ordinary machine tool spindle CA6140 design process, the article briefly describes the history and current status of the lathe analyzed headstock various important parts of the structure principle and its role in doing the spindle box. Details of the CA6140 in the gears, shafts, spindles and bearings and other parts of the entire design process. Specific content includes selected meet the requirements of the corresponding power motors and various parts of the overall structural design, including materials, given the reasonable arrangement and size selection processing needs. For shaft and gear parts using the relevant formula, a reasonable analysis relatively dangerous parts of the mapping, calculation and look-up table, a variety of checking. Parameters for the various parts of the final formulation, transmission design, transmission parts estimating and checking each component structural design, drawing parts and assembly drawings.
CA6140?lathe?is?a?typical?turning?processing?machine?tools,?including?spindle?box?is?core?
component?of?machine?tool,?is?the?role?of?the?spindle?box?is?passed?on?to?the?main?spindle?motor?movement,?turning?rotary?movement.?This?paper?mainly?includes?the?transmission?scheme?and?system?design?of?proposed,?including?the?design?of?the?speed,?the?determination?of?structural?formula?and?process;?The?calculation?of?each?shaft?transmission?power?and?torque.?The?design?of?main?parts?and?check;?A?major?part?of?the?spindle?box?mainly?includes?box,?transmission?shaft,?gear?and?pulleys.?Eventually?determine?the?overall?structure?of?the?spindle?box?design.
Keywords: Headstock; structural design; axis
目 錄
第一章緒論 1
1.1 普通車床發(fā)展史 1
1.2 發(fā)展趨勢 3
第二章CA6140主軸箱工作原理 4
2.1機(jī)床的結(jié)構(gòu) 4
2.2 主軸箱的主要構(gòu)造 6
第三章傳動(dòng)方案擬定和總體布局 9
3.1 變速組和傳動(dòng)副數(shù)的確定 9
3.2 傳動(dòng)比的分配 10
第四章各個(gè)零部件的選定 12
4.1 確定主軸的極限轉(zhuǎn)速 12
4.2 電機(jī)的選擇 12
4.2.1 計(jì)算轉(zhuǎn)速范圍和定公比并選出各級(jí)轉(zhuǎn)速 12
4.2.2 電機(jī)選擇 13
4.3 帶輪直徑和齒輪齒數(shù)的確定 13
4.3.1 確定皮帶輪直徑 13
4.3.2 齒輪齒數(shù)的確定 14
4.3.3 計(jì)算各軸傳動(dòng)的功率 17
4.4 主軸箱的傳動(dòng)系統(tǒng) 18
第五章各零部件校核驗(yàn)算 19
5.1 各軸驗(yàn)算轉(zhuǎn)速誤差 19
5.2 V帶的設(shè)計(jì)校核 19
5.3 I軸上的零部件設(shè)計(jì) 21
5.3.1 I軸上的齒輪設(shè)計(jì) 21
5.3.2 I軸的設(shè)計(jì)校核 25
5.3.3 軸承的校核和鍵的選擇 27
5.5 II軸上的齒輪設(shè)計(jì) 29
5.5.1 II軸上的齒輪設(shè)計(jì) 29
5.5.2 II軸選軸、鍵和軸承的選擇 33
5.6 III軸上的個(gè)部件設(shè)計(jì) 34
5.6.1 III軸上的齒輪設(shè)計(jì) 34
5.6.2 III軸選軸、鍵和軸承的選擇 38
5.7 IV軸主軸的選取 39
5.8主軸箱的裝配圖及箱體的設(shè)計(jì) 41
結(jié)論 43
參考文獻(xiàn) 44
致謝 45
沈陽化工大大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 緒論
第一章緒論
1.1 普通車床發(fā)展史
普通車床技術(shù)性項(xiàng)目比較多，發(fā)展過程比較復(fù)雜著重的對(duì)各個(gè)方面分析，將對(duì)普通車床CA6140各個(gè)技術(shù)性能進(jìn)行分析其中包括（切速、機(jī)床功率、自動(dòng)化程度粗糙度）
從1870年到今日切削速度從最初的十幾米/分發(fā)展的兩千多米/分左右。此期間切削刀具是在不斷隨著科技發(fā)展而發(fā)展著，從1870年出現(xiàn)碳素工具鋼先后出現(xiàn)了高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具到今日的金剛石及立方氮化硼。
提高自動(dòng)化是今后普通車床的主要發(fā)展趨勢，提高了自動(dòng)化可以改善普通車床性能，和縮短非工作的時(shí)間，而最終的目的是有效地改善的生產(chǎn)效率以及保證工件質(zhì)量，能提高生產(chǎn)效率的方法主要有（1）增加刀具的往復(fù)速度，減少移動(dòng)過程中浪費(fèi)的時(shí)間一般縱向移動(dòng)速度為，橫向速度。以后或許會(huì)達(dá)到以上。（2）減少裝工件時(shí)間，隨著科技的發(fā)展如今常用的有電氣、液壓等自動(dòng)卡盤卡頭方便裝工件。（3）現(xiàn)在多數(shù)車床都采用電氣準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)準(zhǔn)停精度可達(dá)（4）增加附件，可以提高自動(dòng)化程度，還可增大萬能性，擴(kuò)大其工件的工藝的可靠性。（5）可增加檢測，如果在精車過程中加入檢測，（通常是機(jī)床與計(jì)數(shù)器與千分尺組合起來）讓操作者能在切削加工中直接讀出工件的直徑與長度,縮短了檢測時(shí)間可大大減少廢品的產(chǎn)生。（6） 數(shù)控機(jī)床加工零件是按事先編號(hào)的程序加工的。操作者減少繁瑣的人為操作，從而改善人們的工作強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。
如今的加工精度相比60年代要改善的好多。圓度加工精度目前可達(dá)0.8um，加工鋼件的表面粗糙度達(dá)Ra0.8~0.4um?，F(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床是由數(shù)字指令進(jìn)行操控加工，脈沖當(dāng)量就可達(dá)到，就會(huì)對(duì)裝置引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而成就了數(shù)控機(jī)床具有較高的精度和穩(wěn)定性。
因此可得,將來普通車床加工精度不斷提高與表面粗糙度不斷降低是很好的發(fā)展方向。60年代以后,加工精度得到了飛躍的發(fā)展。然而就勢而言，發(fā)展到一定的高度時(shí)成本就會(huì)很高影響性價(jià)比。如今該項(xiàng)是正在經(jīng)歷平緩發(fā)展期。盡管如此它任然是發(fā)展主流。
普通車床最重要的安全防護(hù)裝置更加完善了，它不僅起到保護(hù)操作者安全作用，同時(shí)也有裝飾機(jī)床的外觀,美化作用。安全問題對(duì)操作著大功率高轉(zhuǎn)速的普車的操作者更為重要。如西德VDF公司在其Due系列普車設(shè)計(jì)中，充分考慮了安全操作，其“三杠”采用全封閉的柔性鋼罩，刀架的透明安全防護(hù)罩，大型防屑后擋板;超載時(shí)安全切斷，工程塑料制做的手輪與手把，表而上分布著細(xì)微的凹凸點(diǎn)，可防打滑，便于調(diào)整等等。蘇聯(lián)16K20普車也設(shè)有防屑后擋板，刀架上的透明防護(hù)罩，卡盤防護(hù)罩及用于絲杠、光杠的半圓形防護(hù)第等等。我國沈陽機(jī)床三廠的SK360普車也加設(shè)了防屑后擋板,不僅起到安全防護(hù)作月，也修飾了機(jī)床的外觀。采用安全防護(hù)的還有廣州機(jī)床廠的C6146A。
噪聲問題是一直是機(jī)床改造的熱門問題，它會(huì)涉及操作人員的工作狀況和市場競爭力。我國按沈陽車床研究所在南京召集的17個(gè)車床廠代表會(huì)上所草擬的車床小400~500系列年代水平暫行規(guī)定：七十年代車床噪聲為80分貝，實(shí)際目前其合格品是82分貝，達(dá)到80分貝卻認(rèn)為是一級(jí)品。我們還應(yīng)積極創(chuàng)造條件，降低噪聲。在國外：日本山崎的Mazak車床噪聲為79分貝，西德DuE系列普車，既使在不理想的條件，也不超過80分貝。
產(chǎn)品質(zhì)量，包括硬件設(shè)施質(zhì)量和外部感官質(zhì)量，外觀顏色對(duì)我們外觀的質(zhì)量有很大的影響，在如今國際機(jī)床市場競爭激烈，其外觀造型和顏色顯得越來越重要。車床已發(fā)送到簡潔明快的色彩，優(yōu)雅，大方與當(dāng)代的方向發(fā)展的趨勢，是人們所喜愛，具有鮮明的色彩感，沈陽機(jī)床已形成的外觀藝術(shù)設(shè)計(jì)工作室，如彩色CA6240B車床，大面積使用高上亮度和純度，低奶白色，下部采用高純度，低明度的橙色，高純度的黑色，使得CA6210B顏色活潑大方，時(shí)代感很受外商喜愛，并通過對(duì)國外產(chǎn)品的對(duì)比，并選擇了根據(jù)民族習(xí)慣和地區(qū)，來配相應(yīng)的顏色。
? 臥式車床主要是加有回轉(zhuǎn)中心且工件并不大的直徑、盤類等零件，所以用臥式布局。由于大部分人都是右手的操作，主軸箱就應(yīng)該分布在左上部。合理布置操作位置、盡量減少操作手柄，操作部件盡量集中，移動(dòng)次數(shù)，減少操作使操作者方便，減少疲勞，縮短切削時(shí)間。床身高度布局，車床高度或因不同高度的操作者可以調(diào)整根據(jù)車床的高度，可調(diào)節(jié)車床高度也是一種發(fā)展趨勢。床表面的形式設(shè)計(jì)和床體制造成傾斜的形式，使操作者可以更好的觀察刀具切削工件而且不需要彎腰。改善操作者的工作強(qiáng)度。
1.2 發(fā)展趨勢
普通車床是機(jī)床切削加工中比計(jì)較常用之一,其歷史悠久,應(yīng)用很廣,占切削加工中的主流。 數(shù)控車床（CNC），相比普車，其主要構(gòu)件并沒有太大的改動(dòng)，唯一有本質(zhì)區(qū)別的是兩者之間的進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床是采用伺服電機(jī)經(jīng)滾珠絲桿，傳動(dòng)到滑板和刀架實(shí)現(xiàn)縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)?？傻脭?shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單。
數(shù)控車床的加工范圍與普通車床相差無幾，最大的區(qū)別是輸入程序數(shù)控機(jī)床能自動(dòng)加工并能完成，所以更適合加工形狀復(fù)雜的零件。
但是,從60年代后期,數(shù)控車床較多采用后,普通車床的產(chǎn)地與產(chǎn)量發(fā)生了變化,總的說:工業(yè)發(fā)達(dá)國家在勞動(dòng)工資日益高漲、勞工問題日趨嚴(yán)重的壓力下,其機(jī)床廠多轉(zhuǎn)產(chǎn)技術(shù)密集的數(shù)控機(jī)床,而把勞動(dòng)密集的普通機(jī)床轉(zhuǎn)嫁給勞力便宜的第三世界發(fā)展中國家或地區(qū)去生產(chǎn)。那些工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)普通機(jī)床的需要反而要依賴進(jìn)口了,主要是從第三世界國家或地區(qū)進(jìn)口。盡管普通車床目前不如最為盛行的五十年代,在機(jī)床總數(shù)中的比重處于下降的趨勢。
由此可得,數(shù)控車床在未來的幾年或者幾十年內(nèi)還不能完全取代普通車床。有不少加工工藝目前還不宜用數(shù)控機(jī)床來代替。即使工業(yè)發(fā)達(dá)國家的一些大廠家所用設(shè)備中,普通機(jī)床仍占絕大多數(shù)。如無明顯經(jīng)濟(jì)效益,它一般是不會(huì)輕易用數(shù)控機(jī)床來更新普通機(jī)床的。數(shù)控車床能夠更好地提高生產(chǎn)效率,數(shù)控車床只有不斷地提高自動(dòng)化才能更有競爭力,普通車床只有提升加工精度才能有跟好的競爭力。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展人們的要求也不斷的提高人們需要更高的精度，只有，探求更深入的科學(xué)研究，更加徹底地分析的以往經(jīng)驗(yàn)，只有這樣才能提成高設(shè)計(jì)和制造水平。
數(shù)控機(jī)床起源于美國，1948 年，只是提出了用計(jì)算機(jī)操控機(jī)床的想法。1952 年第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床誕生。直到50年代末，第二代由由晶體管原件電路組成數(shù)控機(jī)床誕生，相比之下有了全方面的提升。1965年第三代由集成電路做數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床。隨著計(jì)算機(jī)快速發(fā)展，第四、第五代數(shù)控系統(tǒng)相繼誕生，第五代計(jì)算機(jī)室微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，它可以又計(jì)算機(jī)控制。以此看出數(shù)控機(jī)床正在飛躍的發(fā)展。
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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 CA6140主軸箱的原理
第二章CA6140主軸箱工作原理
2.1機(jī)床的結(jié)構(gòu)
機(jī)床結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)如圖1
圖1 機(jī)床主要結(jié)構(gòu)
1-主軸箱 2-刀架 3-尾座 4-床身 5-右床腿 6-光桿
7-絲桿 8-溜板箱9-左床腿 10-進(jìn)給箱11-掛輪變速機(jī)構(gòu)
主軸箱
主軸箱是位于車床的左上部，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是主軸和變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主軸前端部分是用來裝夾夾具的。主軸箱主要負(fù)責(zé)把電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過主軸箱內(nèi)的傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)使主軸運(yùn)動(dòng)。
刀架
刀架沿著刀架導(dǎo)軌在床身上實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)。刀架部件是個(gè)多層機(jī)構(gòu)組成的，它能實(shí)現(xiàn)裝夾車刀，能使車刀縱向，橫向和斜向移動(dòng)。
尾座
尾座位于車床的右上端上，使其沿著導(dǎo)軌移動(dòng)改變位置。它可根據(jù)不同需要可安裝如鉆頭、頂尖、絞刀等。
進(jìn)給箱
進(jìn)給箱位于車床的左端。最主要是用于設(shè)定進(jìn)給量而加工螺紋。
溜板箱
溜板箱與刀架的最下層縱向溜板相連，與刀架一起作縱向運(yùn)動(dòng)，功用是把進(jìn)給箱傳來的運(yùn)動(dòng)傳遞給刀架，到刀架實(shí)現(xiàn)縱向和橫向進(jìn)給，或快速運(yùn)動(dòng)，或車螺紋。溜板箱上裝有各種手柄和按鈕。
床身固定在左右床腳上。在床身上安裝著車床的各個(gè)主要部件，使它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡。
CA6140型臥式車由主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)如圖2-2，電動(dòng)機(jī)直接控制主換向機(jī)構(gòu)，主變速機(jī)構(gòu)控制主軸。主換向機(jī)構(gòu)常用在車螺紋切換刀具。進(jìn)給傳動(dòng)從主軸開始，到給換向機(jī)構(gòu)、掛輪再由掛輪到進(jìn)給變換機(jī)構(gòu)到轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，再由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)到光杠最后到達(dá)刀架；或者由絲杠最后到達(dá)刀架。車左旋和右旋的主要由進(jìn)給換向機(jī)構(gòu)來決定。掛輪配合進(jìn)給變換機(jī)構(gòu)可以確定螺距，轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)進(jìn)給方向，通過電機(jī)可以使刀架快速移動(dòng)。
圖2 CA6140臥式車床內(nèi)部傳動(dòng)框圖
主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：主軸擁有安全的轉(zhuǎn)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)變速。且滿足運(yùn)動(dòng)的開停、有級(jí)變速、正反向互換和制停。
主軸箱還必須滿足機(jī)床的動(dòng)力要求必須達(dá)到一定的功率，以便元件和機(jī)床結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度要求。
主軸箱的只有達(dá)到了一定的精度才能減少變形和降低噪音，盡量實(shí)現(xiàn)高效率傳動(dòng)以便滿足工作需求。
主軸箱為了滿足更好的使用要求還必須有較好的較靈活的操控能力，便于維修和調(diào)整，必須保證有良好的密封和潤滑效果。
主軸箱結(jié)構(gòu)必須越簡單越好，使其有跟好地工藝性而且滿足經(jīng)濟(jì)要求。
2.2 主軸箱的主要構(gòu)造
機(jī)床主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜零部件較多卸荷帶輪：這種帶輪把徑向載荷變向的傳給箱體雙向多片摩擦離合器：實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)向變換功能的主要結(jié)構(gòu)之一。被動(dòng)摩擦片處于兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)摩擦片之間，當(dāng)同不同的主動(dòng)摩擦片結(jié)合時(shí)就實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)向變換，處于分離狀態(tài)時(shí)主軸停止。摩擦離合器保護(hù)機(jī)構(gòu)防止過載。萬一機(jī)床過載時(shí)摩擦片就會(huì)與離合器發(fā)生打滑以讓工作停止以防止機(jī)床遭到不必要的損壞，由傳遞的轉(zhuǎn)矩來確定。
制動(dòng)器安裝在在軸IV上，與離合器松開的時(shí)候制動(dòng)主軸，可以減短輔助時(shí)間。制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)見圖3和4.制動(dòng)盤由鋼制成的，與軸IV花鍵聯(lián)接。周邊圍著制動(dòng)帶15。制動(dòng)帶是一條鋼帶，內(nèi)側(cè)有一層酚醛石棉以增加摩擦。制動(dòng)帶的是一端與杠桿連接，另一端通過調(diào)節(jié)螺釘13等與箱體相連。為了操縱方便并避免出錯(cuò)，制動(dòng)器和摩擦離合器共用一套操縱機(jī)構(gòu)，也由手柄18操縱。當(dāng)離合器脫開時(shí)，齒條22處于中間位置。 這時(shí)齒條軸22上的凸起正處于與杠桿14下端相接觸的位置，使杠桿14向逆時(shí)針方向擺動(dòng)，將制動(dòng)帶拉緊。齒條軸22凸起的左、右邊都是凹槽。左、右離合器中任一個(gè)接合時(shí)，杠桿14都按順時(shí)針方向擺動(dòng)，使制動(dòng)帶放松。制動(dòng)帶的拉緊程度由調(diào)節(jié)螺釘13調(diào)整。調(diào)整后應(yīng)檢查在壓緊離合器時(shí)制動(dòng)帶是否松開。
圖3 制動(dòng)機(jī)構(gòu)
圖4 變速操縱結(jié)構(gòu)
軸II上的雙聯(lián)滑移齒輪和軸III上的三聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)手柄 操縱。圖5是其操縱機(jī)構(gòu)，變速手柄每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，變換全部6種轉(zhuǎn)速，故手柄共均布的6個(gè)位置。
圖5 變速操縱結(jié)構(gòu)
變速手柄裝在主軸箱的前壁上，通過鏈轉(zhuǎn)動(dòng)軸4。軸4上裝有盤形凸輪3和曲柄2。凸輪3上有一個(gè)條封閉的曲線槽，由兩段不同半徑的圓弧和直線組成。凸輪上有1～6六個(gè)變速位置。
圖6 變速機(jī)構(gòu)
如圖6所示。位置1、2、3，杠桿5上端的滾子處于凸輪槽曲線的大半徑圓弧處。 杠桿5經(jīng)撥叉6將軸II上的雙聯(lián)滑移齒輪移向左端位置。位置4、5、6則將雙聯(lián)滑移齒輪移向右端位置。曲柄2隨軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)撥叉1撥動(dòng)軸III上的三聯(lián)齒輪，使它處于左、中、右三個(gè)位置。順次地轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，就可使兩個(gè)滑移齒輪的位置實(shí)現(xiàn)6個(gè)組合，使軸III得到6種轉(zhuǎn)速。
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 傳動(dòng)方案擬定和總體布局
第三章傳動(dòng)方案擬定和總體布局
3.1 變速組和傳動(dòng)副數(shù)的確定
主軸箱變速可能的方案有：
(a) 12=4×3 , (b) 12=3×4
(c) 12=2×3×2 , (d) 12=2×2×3 ， (e) 12=3×2×2
在上列方案中(a)(b)可以省掉一根軸。
缺點(diǎn)是有一個(gè)傳動(dòng)組內(nèi)有四個(gè)傳動(dòng)副. 就必須用四聯(lián)滑移齒輪，就會(huì)使軸橫向尺寸非常大；或是用兩個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪，則兩兩會(huì)發(fā)生干涉，所以不推薦使用。
C、d、e三個(gè)方案選擇原則方案：從電動(dòng)機(jī)到主軸，一般降速傳動(dòng)組故應(yīng)把傳動(dòng)副較的傳動(dòng)組放在前面接近電動(dòng)機(jī)處，使其轉(zhuǎn)速較高，從而扭矩較小，尺寸也就可以少些. 這就前密后疏原則從這個(gè)角度考慮以取= 方案為好。
結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式的選擇：
， (b) ， (c)
(d) ， (e) ， (f)
為了讓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊密，尺寸盡量要小，在外界各種因素都滿足要求的前提下電機(jī)到主軸總的趨勢是降速趨勢，所以要按前慢后快的原則即選：
其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖7
圖7 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖
3.2 傳動(dòng)比的分配
分配降速比時(shí)，應(yīng)注意傳動(dòng)比的取值范圍：齒輪傳動(dòng)副中最大傳動(dòng)比2， 最小傳動(dòng)比 導(dǎo)致傳動(dòng)比太大 ，使振動(dòng)、噪音等負(fù)面影響加大，傳動(dòng)比過小，使傳動(dòng)齒輪之間的直徑相差懸殊，從而使結(jié)構(gòu)太大。
確定皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)比范圍
=取 =
由于主電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 ， 可知第Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速
=
確定主軸上的總傳動(dòng)比：
=
最小傳動(dòng)比
=
主軸上的齒輪數(shù)相隔6極（總 ）則：
=
=
=
中間軸的傳動(dòng)比的確定，可按先緩后急原則，先確定最小傳動(dòng)比，然后根據(jù)級(jí)此指數(shù)確定其他轉(zhuǎn)動(dòng)比：
Ⅱ～Ⅲ～Ⅳ軸小傳動(dòng)比為
∵
=
∴取=
=
Ⅰ～Ⅱ軸傳動(dòng)比為
取=
===
==
由此可得Ⅰ～Ⅱ和Ⅱ～Ⅲ～Ⅳ軸的傳動(dòng)比。
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位 第四章 各個(gè)零部件的選定
第四章各個(gè)零部件的選定
4.1 確定主軸的極限轉(zhuǎn)速
主軸的極限轉(zhuǎn)速
(4-1)
極限切削速度
和
(4-2)
式中 D—機(jī)床加工最大直徑
K—系數(shù)臥式車床K=0.5
（）
=
取標(biāo)準(zhǔn)列數(shù)值
=
4.2 電機(jī)的選擇
4.2.1 計(jì)算轉(zhuǎn)速范圍和定公比并選出各級(jí)轉(zhuǎn)速
== (4-5)
== (4-6)
由上得選12級(jí)變速，并算出各級(jí)轉(zhuǎn)速數(shù)列：
31.8 ，45 ，63 ，90 ，125 ，180 ，250 ，355 ，500 ，710 ，1000 ，1440
4.2.2 電機(jī)選擇
電機(jī)選擇一個(gè)合理的功率很有必要既要保證不過載和功率不足且還要滿足工作需求。
普通臥式CA6140車床典型切削條件如下：
刀具材料：YT15
工件材料：45號(hào)鋼
切削方式：車削外圓
查《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》可知：若以切深 進(jìn)給量切削速度 為例則
車床的主切削力
(4-7)
車床的切削功率
(4-8)
主電機(jī)功率
(4-9)
綜上所得可選電機(jī)Y132S-4 額定功率 ，滿載轉(zhuǎn)速
4.3 帶輪直徑和齒輪齒數(shù)的確定
4.3.1 確定皮帶輪直徑
設(shè)計(jì)功率
（4-10）
其中：（工況系數(shù)取1.2）
(所需傳遞功率）
可初選帶為B型，查表：帶輪的最小基準(zhǔn)直徑，
所以取：
大輪直徑 取0.01 （4-11）
4.3.2 齒輪齒數(shù)的確定
在同一變速組內(nèi)各齒輪副受力和速度相差無幾，為了方便維修制造一般模數(shù)相同。而得
(4-12)
(4-13)
式中 分別為任一齒輪副主齒輪和被動(dòng)齒輪的齒數(shù)
任一齒輪副的傳動(dòng)比
任一傳動(dòng)比次數(shù)和
由上式可得：
(4-14)
確定齒數(shù)的注意事項(xiàng)：
1. 盡量減小齒數(shù)和60~100
2. 避免根切18~20
3. 三聯(lián)齒輪（如圖3-2）
圖8 三聯(lián)齒輪
+ (4-15)
4. 實(shí)際傳動(dòng)比與理論傳動(dòng)比不超過
5. 齒輪在軸上的分布（如圖3-3）
6.
如圖9 齒輪分布
由于傳動(dòng)比已知，可算出適用齒數(shù)，且兩軸之間嚙合的齒輪齒數(shù)和相同。
軸1和軸2嚙合齒輪選取如表1：
表1
60 . 62 . 64 . 66 . 68 . 70 . 72 . 74 . 76 . 78
60 . 63 . 65 . 67 . 68 . 70 . 72 . 73 . 75 . 77
60 . 63 . 66 . 69 . 72 . 75 . 78
由上表可得=72，則小齒輪齒數(shù)為36 . 30 . 24 大齒輪齒數(shù)為36 . 42 . 48
軸2和軸3嚙合齒輪選取如表2：
表2軸2和軸3嚙合齒輪選取
60 . 62 . 64 . 66 . 68 . 70 . 72 . 74 . 76 . 78 . 80 . 84 . 86
61 . 65 . 68 . 69 . 72 . 73 . 76 . 77 . 80 . 84 . 85 . 88
由上表可得可取72 . 76 . 80 . 84
軸3和軸4嚙合齒輪選?。?
==1.99 =4 由于傳動(dòng)比最大故小齒輪選18大齒輪72
兩齒輪的相同可得另外一對(duì)齒輪齒數(shù)為30 . 60
為了使軸3上的齒輪和軸2上的齒輪碰撞，故取84軸2和軸3嚙合處的小齒輪為22 . 42 大齒輪為42 . 62
12級(jí)變級(jí)轉(zhuǎn)速圖如圖10
圖10 轉(zhuǎn)速圖
4.3.3 計(jì)算各軸傳動(dòng)的功率
(4-16)
其中：傳動(dòng)軸輸入功率
電機(jī)額定功率
工作情況系統(tǒng)
第一根軸 =
第二根軸 =
第三根軸 =
第四根軸 =
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位 第五章 各零部件的校核驗(yàn)算
4.4 主軸箱的傳動(dòng)系統(tǒng)
由電機(jī)傳出動(dòng)力經(jīng)過I、II、III、IV上的不同齒輪嚙合組合即可得到不同轉(zhuǎn)速最終傳到主軸IV。如圖11
圖11 傳動(dòng)系統(tǒng)
第五章各零部件校核驗(yàn)算
5.1 各軸驗(yàn)算轉(zhuǎn)速誤差
由于理論值和實(shí)際值難以保持一致，初步驗(yàn)算主軸轉(zhuǎn)速看誤差是否會(huì)過大不符合設(shè)計(jì)要求。
由公式：
= (5-1)
表3 可得轉(zhuǎn)速誤差均符合要求
n理
n實(shí)際
1400
1417
0.0130.041
1000
1012
0.01230.041
710
708.5
0.01210.041
500
503.1
0.01620.041
355
359.1
0.0110.041
250
250.98
0.0280.041
180
178.1
0.0180.041
125
126.62
0.0140.041
90
88.61
0.01580.041
63
62.52
0.0190.041
45
44.59
0.0150.041
31.8
31.5
0.0120.041
5.2 V帶的設(shè)計(jì)校核
已知已選用B型帶輪，和大小帶輪直徑確定V帶速度：
== (5-2)
在范圍內(nèi)，帶速適合。
確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度。
初選中心距，符合
帶長
=2004 (5-3)
取2000，實(shí)際長度 (是修正值取44）
實(shí)際長度=2044
實(shí)際中心距
其中 , (5-4)
帶人數(shù)據(jù)的
驗(yàn)算小帶輪包角;
= (5-6)
在要求范圍內(nèi)，包角合適
確定帶的根數(shù)z:
,,查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》5-2的
因，查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》5-3得
因，查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》5-4得
因， 查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》5-5得
得：
(5-7)
=2.43
取=3根。
5.3 I軸上的零部件設(shè)計(jì)
5.3.1 I軸上的齒輪設(shè)計(jì)
（1） 分析要求 齒數(shù)比：u=i=2
I軸的轉(zhuǎn)矩：
(5-8)
根據(jù)轉(zhuǎn)速圖可知I的最高轉(zhuǎn)速為
第一根軸上傳遞的功率 = (5-9)
圓周速度估計(jì)：屬于中等速度速，中度載荷載。
（2） 材料選擇、熱處理方式
選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS。
（3） 初選齒數(shù)：小齒輪齒數(shù)24，大齒輪齒數(shù)48
（4） 初算小齒輪分度圓直徑
根據(jù)
(5-10)
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ：
試選載荷系數(shù) (5-11)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-6選取齒寬系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-2查得材料的彈性影響系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-16按齒面硬度查得：
小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限;
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次：N
一般機(jī)床工作時(shí)間小時(shí)。
機(jī)床工作時(shí)間t=20000h
==
==
由圖3-18查得其接觸疲勞壽命系數(shù),
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得：
接觸疲勞許用應(yīng)力
=
= == (5-13)
小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值：
（5）計(jì)算圓周速度
(5-14)
（6） 計(jì)算齒寬b：
(5-15）
（7） 計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù)
(5-16）
齒高
(5-17)
（8） 計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)V=2.1m/s，7級(jí)精度，查表《機(jī)械設(shè)計(jì)》3-1得動(dòng)載系數(shù)，
直齒輪，假設(shè)。由表《機(jī)械設(shè)計(jì)》3-1查得
(5-18)
將數(shù)據(jù)代入得：
由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)：
(5-19)
(9) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑
(5-20)
(10) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖5-17查得
小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-19查得彎曲疲勞壽命系數(shù)。
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-4取
=1.4
計(jì)算載荷系數(shù)K：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-14查得齒形系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-15查得應(yīng)力校正系數(shù)
（11）計(jì)算大小齒輪兩者比較：
(5-21)
取數(shù)值大的計(jì)算
（12）齒輪模數(shù)的計(jì)算
按表3-7，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)
（13）計(jì)算齒輪齒數(shù)：
小齒輪齒數(shù)取 (5-22）
大齒輪齒數(shù) (5-23)
（14）齒輪的幾何計(jì)算
計(jì)算此輪分度圓直徑：
大齒輪
小齒輪 (5-24)
計(jì)算中心距：
(5-25）
計(jì)算齒寬
(5-26)
取大齒輪的齒寬
（13）驗(yàn)算
(5-27)
(5-28)
(5-29)
比較得故該齒輪符合要求。
5.3.2 I軸的設(shè)計(jì)校核
選軸的材料：
軸的材料選擇45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-1查得：
抗拉強(qiáng)度 屈服點(diǎn)
彎曲疲勞極限 剪切疲勞極限
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》6-4查得：=
初選直徑：
= , == (5-30)
故軸取=
軸上受力分析。
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：
== (5-31)
齒輪的圓周力：
== (5-32)
徑向力：
== (5-33)
由于是直齒輪所以無軸向力
計(jì)算作用于軸上的支反力。
水平面支反力為;
===
垂直面內(nèi)支反力：
=== (5-34)
分別作出垂直面和水平面上的彎矩圖并合成：
== (5-35)
= = (5-36)
校核軸的強(qiáng)度
轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)變化計(jì)算，取=0.6，則
== (5-37)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》附表8，抗彎矩截面模量
= (5-38)
強(qiáng)度校核：
== (5-39)
=== (5-40)
顯然
故安全。
圖12 I的結(jié)構(gòu)分析
按安全系數(shù)校核
判斷危險(xiǎn)截面
截面a-a的應(yīng)力集中，且當(dāng)量彎矩均較大，故確定為危險(xiǎn)截面。
疲勞強(qiáng)度校核：
a截面得應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅
=== (5-41)
彎曲平均應(yīng)力
=== (5-42)
扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力
==
材料的疲勞極限：根據(jù)=, =查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-1得
= =
a-a截面應(yīng)力集中系數(shù)：查《機(jī)械設(shè)計(jì)》附表1得
=
表面狀態(tài)系數(shù)及尺寸系數(shù)：查《機(jī)械設(shè)計(jì)》附表5，附表4得
=(, =)
= =
分別考慮彎矩或扭矩作用時(shí)的安全系數(shù)：
= =
== (5-43)
=
故安全。軸I主要設(shè)計(jì)如圖5-1
5.3.3 軸承的校核和鍵的選擇
軸承部件承受載荷的示意圖如圖13，軸承轉(zhuǎn)速,受力情況如圖所示，要求軸承的預(yù)期計(jì)算壽為。
根據(jù)實(shí)際情況，初選6206型深溝球軸承，其代號(hào)為6217。查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表12-5得
由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表8-8查得
由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表8-5查得
分析軸承的受載荷情況
(5-44)
為I軸作用在一對(duì)軸承上的載荷
為齒輪對(duì)軸的壓力
計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式（8-7a）知,可由來計(jì)算軸承大當(dāng)量動(dòng)載荷。
載荷系數(shù)；
表示軸承的徑向載荷（N）；
表示軸承的軸向載荷（N）；
X徑向動(dòng)載荷系數(shù)，是實(shí)際徑向載荷轉(zhuǎn)化為當(dāng)量動(dòng)載荷的修正系數(shù)；
Y軸向動(dòng)載荷系數(shù)，是實(shí)際軸向載荷轉(zhuǎn)化為當(dāng)量動(dòng)載荷的修正系數(shù)。
因?yàn)榇颂庍@對(duì)深溝球軸承只承受純徑向載荷，所以
(5-45)
計(jì)算軸承的壽命
，所以用軸承1來計(jì)算軸承的壽命：
>=30000h （5-46）
鍵的選擇
I軸齒輪與軸連接查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選花鍵型號(hào)為：
a-a處花鍵
圖13 I軸的結(jié)構(gòu)
5.5 II軸上的齒輪設(shè)計(jì)
5.5.1 II軸上的齒輪設(shè)計(jì)
（1）分析要求 齒數(shù)比：u=i=2.81
I軸的轉(zhuǎn)矩：
= (5-47)
根據(jù)轉(zhuǎn)速圖可知I的最高轉(zhuǎn)速為
第一根軸上傳遞的功率
= (5-48)
圓周速度估計(jì)：屬于中等速，中度載荷載
（2）材料選擇、熱處理方式
選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS。
（3）初選齒數(shù)：小齒輪齒數(shù)22，大齒輪齒數(shù)62
（4）初算小齒輪分度圓直徑
根據(jù)：
(5-49)
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ：
試選載荷系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-6選取齒寬系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-2查得材料的彈性影響系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-16按齒面硬度查得：
小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限;
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次：N
一般機(jī)床工作時(shí)間15000~20000小時(shí)。
機(jī)床工作時(shí)間t=20000h
== (5-50)
== (5-51)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-18查得接觸疲勞壽命系數(shù),
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得：
接觸疲勞許用應(yīng)力
=
= == (5-52)
小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值：
（5）計(jì)算圓周速度
(5-53)
（6）計(jì)算齒寬b：
(5-54)
（7）計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù) (5-55)
齒高 (5-56)
(5-57)
（8）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)V=1.68m/s，7級(jí)精度，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-1得動(dòng)載系數(shù)，
直齒輪，假設(shè)。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-1查得
(5-58)
將數(shù)據(jù)代入得：
由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)：
(9) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑
(5-60)
(10) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖5-17查得
小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-19查得彎曲疲勞壽命系數(shù)。
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-4取
=1.4
計(jì)算載荷系數(shù)K：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-14查得齒形系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖3-15查得應(yīng)力校正系數(shù)
（11）計(jì)算大小齒輪并加以比較：