紡織機械用控制式無極變速器設(shè)計

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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目 紡織機械用控制式無極變速器的設(shè)計 學 院 XX學院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 學 號 年級 11 指導(dǎo)教師 職稱 講師 2016年4月21日 摘要 隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，機械工業(yè)也在不斷地發(fā)展著，各種設(shè)備都在不斷地發(fā)展，創(chuàng)新著。特別是在農(nóng)業(yè)方面，變速器的應(yīng)用非常廣泛，在一些特定的工作場合，變速器體積小，變速靈活，價格成本低廉很受歡迎，根據(jù)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，變速器必須滿足當今人們對紡織機械速度調(diào)節(jié)方面的靈活性操控等需求，能夠在不改變發(fā)動機的扭矩和轉(zhuǎn)速的情況下，改變變速器的驅(qū)動力和運轉(zhuǎn)速度；在發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下，使變速器前進或后退；在發(fā)動機不熄滅的情況下，可使變速器長時間停車或進行固定作業(yè)。 目前市面上的變速器大多都是采用傳統(tǒng)的變速結(jié)構(gòu)，在某些特定的區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)形式的變速器非常不受歡迎。由于以往的變速器采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，這樣就造成傳動精度不好控制，保養(yǎng)維護費用較高;同時存在一定的安全隱患。因此，對整機的安全性要求較高，操作時也會給工作人員帶來強烈的震動,使得操作很不舒服。雖然傳統(tǒng)的變速器傳動效率較高，變速效果較好，但是價格也較昂貴，對于一般的用戶難以接受。所以研究一種新式的紡織機械用控制式無極變速器勢在必行！ 變速器作為機動紡織機械中核心部件的一種，它工作時，發(fā)動機通過發(fā)動機分輪從而帶動紡織機械用控制式無極變速器轉(zhuǎn)動，從而間接地帶動了紡織機械的轉(zhuǎn)動，這樣紡織機械就可以運轉(zhuǎn)了。 本文介紹了紡織機械用控制式無極變速器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及主要零部件的設(shè)計中所必須的理論計算和相關(guān)強度校驗，以及對其結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，該變速器的優(yōu)點是傳動鏈短、效率高、易加工、使用和維護都很方便，較適合在惡劣的環(huán)境下工作，最主要的是其傳動效率很高。 關(guān)鍵詞： 紡織機械用控制式無極變速器；扭矩；結(jié)構(gòu)；校驗 Abstract With the development of national economy, machinery industry is also in constant development, all kinds of equipment are in constant development and innovation. Especially in agriculture, application of transmission is very extensive, in some specific occasions, gear box has the advantages of small volume, flexible speed, low cost is very popular, according to market research found that the transmission must satisfy the people to the automobile speed adjusting flexibility of the manipulation of the requirements, can not change the engine the torque and speed change gear box case, the driving force and speed in the same direction of rotation of the engine crankshaft; under the condition of the gearbox forward or backward; when the engine is not out of the case, can make the transmission to stop for a long time or fixed operation. Currently on the market most of the gearbox is used in traditional variable structure, in some specific area, the transmission of this kind of structure is not very popular. Since the transmission past the traditional forms of structure, thus causing the transmission accuracy control is not good, the maintenance cost is high; at the same time, there are some security risks. Therefore, the security requirements of the higher, the operation will give the staff to bring a strong shock, so that the operation is very uncomfortable. Although the transmission through the transmission efficiency is high, the transmission effect is good, but the price is more expensive, for the average user to accept. So the research of a new type planetary power Transmission as a core component in a motor vehicle, when it is working, the engine through the V belt drives the gear box to rotate, thereby indirectly driven by the rotation of the wheels, so that the vehicle. This paper introduces the theoretical calculation, structure design must be the planetary power shift gearbox working principle and main parts of the strength check and correlation, and the innovative design of the structure, the advantages of the gearbox is a short drive chain, high efficiency, easy to manufacture, use and maintenance are very convenient, more suitable for work in the bad environment, the most important is its high transmission efficiency Key words：planetary gear type power shift gear box;Crankshaft;Processing craft;Fixture; 目 錄 緒論 1 1. 課題的來源及研究的目的和意義 1 2. 本課題研究的主要內(nèi)容 5 2.1 無極變速器的發(fā)展概況 5 3. 紡織機械用控制式無極變速器的總體方案設(shè)計 7 3.1 變速器的結(jié)構(gòu)形式 9 3.1.1 變速器內(nèi)部傳動系統(tǒng)的布局 10 3.2 變速方式 10 3.3 基本運動關(guān)系 10 4. 紡織機械用控制式的無極變速器傳動系統(tǒng)的設(shè)計 11 4.1 變速器內(nèi)部傳動系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu) 12 4.2 飛輪的類型 15 4.2.1 轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響 17 4.2.2 彈簧剛度對系統(tǒng)性能的影響 18 4.3軸的設(shè)計校核與軸承選用 19 4.3.1 軸的設(shè)計及強度效核 22 4.4 單向離合器的工作原理及計算 23 5. 變速器內(nèi)部主要傳動零件的強度校核 24 5.1 傳動軸的強度校核 25 5.2 傳動齒輪的強度校核 26 5.3 軸承強度的校核 26 6. 結(jié)論 27 參考文獻 28 致謝 29 緒論 1 課題的來源及研究的目的和意義 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。 機械工程的服務(wù)領(lǐng)域廣闊而多面，凡是使用機械、工具，以至能源和材料生產(chǎn)的部門，都需要機械工程的服務(wù)。概括說來，現(xiàn)代機械工程有五大服務(wù)領(lǐng)域：研制和提供能量轉(zhuǎn)換機械、研制和提供用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品的機械、研制和提供從事各種服務(wù)的機械、研制和提供家庭和個人生活中應(yīng)用的機械、研制和提供各種機械武器。 不論服務(wù)于哪一領(lǐng)域，機械工程的工作內(nèi)容基本相同，主要有：建立和發(fā)展機械工程的工程理論基礎(chǔ)。例如，研究力和運動的工程力學和流體力學；研究金屬和非金屬材料的性能，及其應(yīng)用的工程材料學；研究熱能的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換的熱力學；研究各類有獨立功能的機械元件的工作原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計和計算的機械原理和機械零件學；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學和非金屬工藝學等等。研究、設(shè)計和發(fā)展新的機械產(chǎn)品，不斷改進現(xiàn)有機械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機械產(chǎn)品，以適應(yīng)當前和將來的需要。機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實現(xiàn)；生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設(shè)計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運；對產(chǎn)品質(zhì)量進行有效的控制。機械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復(fù)雜的制品。生產(chǎn)批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn)。銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個人、家庭。而且銷售量在社會經(jīng)濟狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動。因此，機械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機械工業(yè)。 機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。 機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。研究機械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機械工程的一項特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。另外，機械在其研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、運用等過程中都要經(jīng)過幾個工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機械科研、機械設(shè)計、機械制造、機械運用和維修等。 這些按不同方面分成的多種分支學科系統(tǒng)互相交叉，互相重疊，從而使機械工程可能分化成上百個分支學科。例如，按功能分的動力機械，它與按工作原理分的熱力機械、流體機械、透平機械、往復(fù)機械、蒸汽動力機械、核動力裝置、內(nèi)燃機、燃氣輪機，以及與按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、變速器工程等都有復(fù)雜的交叉和重疊關(guān)系。船用汽輪機是動力機械，也是熱力機械、流體機械和透平機械，它屬于船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，可能也屬于核動力裝置等等。 19世紀時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科，被稱為民用工程，19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀，隨著機械工程技術(shù)的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前后期間達到了最高峰。 由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術(shù)交流的范圍，阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)整體的進步，對外界條件變化的適應(yīng)能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學提高。因此自20世紀中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎(chǔ)理論，拓寬專業(yè)領(lǐng)域，合并分化過細的專業(yè)。械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來的時代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標任務(wù)。 機械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。現(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復(fù)雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠窺百億光年，近察細胞和分子。新興的電子計算機硬、軟件科學使人類開始有了加強，并部分代替人腦的科技手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復(fù)雜的工作，從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進和平行進化的。 人工智能與機械工程之間的關(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系，其區(qū)別僅在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去，各種機械離不開人的操作和控制，其反應(yīng)速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會消除了這個限制。計算機科學與機械工程之間的互相促進，平行前進，將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。 19世紀時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科，被稱為民用工程，19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀，隨著機械工程技術(shù)的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前后期間達到了最高峰。 綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán)，是知識發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識，又具有足夠的綜合知識來認識、理解其他學科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。 綜合與專業(yè)是多層次的。在機械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術(shù)中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識中，包括社會科學、自然科學和工程技術(shù)，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。 在全球經(jīng)濟發(fā)展的大環(huán)境之下，我國各個行業(yè)在受到其他國家先進技術(shù)沖擊的同時，與國外品牌企業(yè)的溝通交流的機會也變的越來越多。變速器行業(yè)通過行業(yè)展會、科研合作等多種途徑，不斷的提高了自身實力和核心競爭力，縮小與發(fā)達國家之間的差距。 在新的市場需求的驅(qū)動下，變速器設(shè)備的更新和優(yōu)化升級更加迫切。國內(nèi)變速器設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)充分挖掘市場潛力，大力發(fā)展大型環(huán)保節(jié)能的變速器械設(shè)備，在我國飛速發(fā)展的農(nóng)業(yè)從人工作業(yè)到機械化的轉(zhuǎn)變中發(fā)揮著積極的作用。一般生產(chǎn)大型變速器設(shè)備的企業(yè)對設(shè)備傳動效率指數(shù)上都有嚴格的要求。各企業(yè)在生產(chǎn)設(shè)備時，都充分考慮到設(shè)備在運行中可能會出現(xiàn)的種種問題，從而減少設(shè)備因為振動或者操作不當而引起的噪音大、污染重等現(xiàn)象。 國內(nèi)紡織機械用控制式的無極變速器的研發(fā)及制造要與全球號召的低碳經(jīng)濟、經(jīng)久耐用主題保持一致。加大變速器新型多樣化的研發(fā)及生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展的大趨勢，同時也迎合了國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展的需求。 紡織機械用控制式的無極變速器的發(fā)展與人類社會的進步和科學技術(shù)的水平密切相關(guān)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各學科間相互滲透，各行業(yè)間相互交流，廣泛使用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝，目前紡織機械用控制式的無極變速器正向著大型、高效、可靠、節(jié)能、降耗和自動化方向發(fā)展。 2 本課題研究的主要內(nèi)容 國內(nèi)紡織機械用控制式無極變速器的研發(fā)及制造要與全球號召的低碳經(jīng)濟、經(jīng)久耐用主題保持一致。加大紡織機械用控制式的無極變速器新型多樣化的研發(fā)及生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展的大趨勢，同時也迎合了國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展的需求。 紡織機械用控制式的無極變速器的發(fā)展與人類社會的進步和科學技術(shù)的水平密切相關(guān)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各學科間相互滲透，各行業(yè)間相互交流，廣泛使用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝，目前變速器自動變速器正向著大型、高效、可靠、節(jié)能、降耗和自動化方向發(fā)展。 本次設(shè)計的任務(wù)是紡織機械用控制式的無極變速器的設(shè)計，通過讓學生親自了解變速器內(nèi)部的構(gòu)造和組成部分，通過對變速器內(nèi)部工件的測繪來認識工件，通過利用計算機繪圖軟件例如CAD，來對工件進行零件圖的繪制和裝配，這樣經(jīng)過一系列的綜合性訓練，培養(yǎng)學生動手，動腦以及畫圖的能力。 2.1 無極變速器的發(fā)展概況 無級變速器的力學結(jié)構(gòu)、力學分析、傳動效率等，在國外 已研究成熟，國外的研究熱點主要集中在 CVT 電液控制系統(tǒng)的控制策 略上，如 CVT 電液控制系統(tǒng)的智能 PID 控制、魯棒控制等、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制等。無級變速器的結(jié)構(gòu)、力學分析、傳動效率等研究在國 內(nèi)已取得很大的進展，但 CVT 電液控制系統(tǒng)的控制策略、實驗仿真等 研究。在國內(nèi)剛起步不久。 無級變速傳動系統(tǒng)匹配及控制是實現(xiàn)紡織機械性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，可通過控制無級變速傳動系統(tǒng)的速比來保證發(fā)動機在理想的工況下運行， 以便提高紡織機械的動力性與與經(jīng)濟性。在國內(nèi)，我國最早是在一汽生產(chǎn)的 CA770 紅旗轎車上裝備了自動 變速器，國內(nèi) CVT 的批量裝車始于 2003 年，目前正以遞增的態(tài)勢發(fā) 展。在 CVT 方面的研究我國尚處于起步階段，自：“九五”期間開始， 轎車無極自動變速器的開發(fā)和研制已經(jīng)被例入國家重大科技攻關(guān)計劃。在 CVT 傳動機理、CVT 控制策略、CVT 數(shù)字建模與仿真等方 面，取得可一些突破性成果并成功式制出國內(nèi)首臺 CVT 產(chǎn)品，目前我 國 CVT 已進入使用階段。在國外 CVT 技術(shù)的發(fā)展，可以追溯到十九世紀末德國 Daimler Benz公司在 1896 年就將V型橡膠帶式無級變速技術(shù)用于該公司生產(chǎn) 的紡織機械上，但材料差、傳遞力矩小，沒有什么使用價值。自從馮杜博士的VDT公司于20世紀80年代研制成功無級變速器并使之 進入商品化階段目前世界度寬鋼帶。 3 紡織機械用控制式無極變速器的總體方案設(shè)計 3.1 變速器的結(jié)構(gòu)形式 3.1.1 變速器內(nèi)部傳動系統(tǒng)的布局 紡織機械用控制式的無極變速器作為紡織機械中最重要的核心部件的一種，廣泛應(yīng)用于紡織機械，紡織機械，運輸機等等領(lǐng)域。它工作時，發(fā)動機通過飛輪帶動變速器轉(zhuǎn)動，從而間接地帶動了紡織機械的轉(zhuǎn)動，這樣紡織機械就可以運轉(zhuǎn)了，通過改變變速器理論的檔位來實現(xiàn)機動紡織機械的加速、減速等等功能。在紡織機械的幾個組成部分里，變速器是最重要也是最核心的部分，其組成機構(gòu)及傳動系統(tǒng)的布局圖如下圖所示： 圖3-1 3.2 變速方式 在金屬帶傳動中，帶輪由圓錐盤組成，利用圓錐盤的軸向移動來達到變速。這種變速機構(gòu)緊湊，傳動可靠，應(yīng)用范圍廣泛。在這種變速器中，有的只是一個帶輪可軸向移動，另一個帶輪的直徑是固定不變的，這種情況下變速，必須同時改變兩輪的中心距，這在我們的設(shè)計中是難以布置和難以控制甚至難以達到的。另一些機構(gòu)兩輪都起變速作用，這又分為兩種情況：A、兩輪的兩邊都可以調(diào)節(jié);B、只有一邊可以調(diào)節(jié)。要調(diào)節(jié)就必須有控制或壓緊機構(gòu)，在A中情況下，機構(gòu)必然變得復(fù)雜和龐大，而B情況可以有效地避免這種情況的發(fā)生。 本方案采用一級變速就可以達到設(shè)計要求。在金屬帶的選取上，我們選用了現(xiàn)有的自制金屬帶，結(jié)構(gòu)參數(shù)為：上底寬32mm，高15mm，工作中徑為26mm，綜上所述:本方案在帶輪的結(jié)構(gòu)選擇單級，兩個帶輪都是面可調(diào)的金屬帶形式。 3.3 基本運動方式 1）帶輪的移動距離 帶輪的移動距離受到兩邊帶輪相碰的位置和帶達到帶輪內(nèi)邊緣的位置所限制。 因此，在雙向移動的情況下：式中j——帶輪兩邊的夾角； 1b——帶底面的寬度， b——帶中性層的寬度； h——中性層至底面的距離，21hhh=-(1h為帶中性層面至頂面的距離)，在帶輪移動的情況下，軸向移動距離為上式中X的二倍。2）CVT傳動比及調(diào)速的范圍。 為了具有較高的傳動效率，且設(shè)計和制造的方便，兩個帶輪的尺寸設(shè)計為同樣大小。要擴大變速的范圍，須增加帶的寬度，減小帶輪的槽角或減小帶輪的直徑d。 帶輪的楔角太小容易使帶楔在槽中，此外，楔角越小，帶上受到的橫向力就越大，也容易使帶撓曲，所以楔角不能太小。經(jīng)驗值為22-24度。我們選用28度的楔角。定直徑小的帶輪直徑。根據(jù)已有的資料顯示：帶輪的工作直徑可以達到75mm，而傳動比的范圍可以達到0.45-2.22，在本設(shè)計中，我們將帶輪的最小工作直徑定為80mm，以使其工作可靠，壽命更高。材料的選擇：鋼帶，摩擦副表面采用硼化鎢和硼化鉬基合金材料（金屬陶瓷）這種合金主要用于在高溫下工作的易磨損鋼表面，以含鉬的坡莫合金（2OM，81iN，17eF）和鎳鉻合金作粘結(jié)金屬，主是熱壓發(fā)制造的。性質(zhì)如下： 摩擦副的摩擦系數(shù)為0.3.由相關(guān)參數(shù)得知： 根據(jù)金屬帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定CVT錐輪的結(jié)構(gòu)。 取最小工作直徑min80mmD=，則最大工作直徑為： 4 紡織機械用控制式的無極變速器傳動系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 變速器內(nèi)部傳動系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu) 變速器體內(nèi)部主要有各檔位傳動齒輪，各傳動軸以及端蓋，軸承等等零件組成，通過發(fā)動機驅(qū)動飛輪傳動，從而帶動變速器內(nèi)部的傳動機構(gòu)動作，繼而實現(xiàn)紡織機械的轉(zhuǎn)動，于是紡織機械就可以運轉(zhuǎn)了。其具體內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)圖同上圖所示： 4.2 飛輪的類型 飛輪根據(jù)彈性元件、阻尼類型等等關(guān)鍵參數(shù)來進行分類，其具體類別如下圖所示： 4.2.1 轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響 由上式解出扭振固有圓頻率為:當時，為剛體模態(tài):,其中系統(tǒng)固有頻率, 式中：K為減震彈簧剛度，J1，J2為兩個慣性質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量?？偟霓D(zhuǎn)動慣量為J=J1+J2。 由上式可知，當J,=Jz時fc最小，對雙質(zhì)量飛輪而言就是第二級飛輪的轉(zhuǎn)動慣量(J2)與第一級飛輪的轉(zhuǎn)動慣量(J})之比接近于1，通常取J2 / J, = 0.7-1.4時，第二級飛輪的扭振振幅也最小。而且，由于雙質(zhì)量飛輪減振器可以將彈性元件布置在較大半徑上，因此，可以將螺旋彈簧的剛度設(shè)計得較小，于是可將“發(fā)動機一變速箱”振動系統(tǒng)的固有頻率大致降低8Hz-}-15Hz。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速激勵與動力傳動系統(tǒng)固有頻率fc的轉(zhuǎn)速相同時就會發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振，為避免發(fā)生共振(此時理論上振幅放大系數(shù)為無窮大)，設(shè)計中確保發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速工況下的激勵頻率與動力傳動系統(tǒng)的固有頻率之比大于萬，即關(guān)/關(guān)>行，就可以保證在發(fā)動機全部的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生共振。 4.2.2 彈簧剛度對系統(tǒng)性能的影響 由固有頻率的計算公式可知，彈性元件的剛度還對系統(tǒng)的固有頻率有著很大的影響。理想狀態(tài)下一般希望隨著外界的激勵頻率的變化，系統(tǒng)的固有頻率也隨之發(fā)生變化，這樣就可以在理論上避免發(fā)生共振情況，基于這種想法，我們可以采用非線性彈性特性的結(jié)構(gòu)方法來近似實現(xiàn)(類似于變速箱)，使得在變化的工況下，雙質(zhì)量飛輪減振器在不同剛度的彈性特性下工作，從而保證在不同工況下最大限度地衰減振動。如圖所示，移頻的方法，對避免共振非常有效。為了能夠在發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)更好地降低振動，考慮將系統(tǒng)共振頻率設(shè)定為發(fā)動機轉(zhuǎn)速激勵以下，避開發(fā)動機轉(zhuǎn)速的激勵。彈簧剛度設(shè)計必然考慮到這些點。 4.3軸的設(shè)計校核與軸承選用 （1） 選擇Ⅳ軸的材料 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理.查文獻6表7-1，材料強度極限， 取 (2)軸徑的初步估算 由文獻6表7-11取C＝107， 可得 (3)求作用在齒輪上的力 軸上大齒輪5分度圓直徑為： 圓周力，徑向力和軸向力的大小如下 小輪6分度圓直徑為: (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖3.1 Ⅳ軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 取較寬齒輪距箱體內(nèi)壁距離軸承距箱體內(nèi)壁相鄰 齒輪軸向距離10mm,安裝齒輪處軸段長比輪轂寬少2 mm。 1)擬定軸向定位要求確定各軸段直徑和長度 Ⅰ段安裝圓柱滾子軸承。取軸段直徑，，軸承型號N418，尺寸 Ⅱ段安裝齒輪，齒輪左端采用套筒定位，右端使用軸肩定位，取軸段直徑，軸段長度(比齒輪6輪轂寬少2mm)。 Ⅲ段取齒輪右端軸肩低度,取軸環(huán)直徑110+29=128軸環(huán)寬度=10.78mm，Ⅲ段長 Ⅳ段用于裝齒輪5，左端用軸肩定位，右端采用套筒定位。軸段直徑，軸段長(比齒輪5輪轂寬少2mm)。 Ⅴ段安裝圓柱滾子軸承,軸承型軸承型號NU2218E，尺寸，軸段直徑, （齒輪4距離箱體內(nèi)壁為10mm,齒輪6距內(nèi)壁為13mm)。 2）軸上零件的周向定位 兩個齒輪均采用漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，花鍵適用于載荷較大和定心精度要求較低的靜聯(lián)接和動聯(lián)接，它的鍵齒多，工作面總接觸面積大，承載能力低，它的鍵布置對稱，軸、轂受力均勻，齒槽淺，應(yīng)力集中較小，對軸和輪轂的消弱小， 軸端倒角。 (5） 軸的強度效核： 1）首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖： 圖3.2 Ⅳ軸計算簡圖 2） 求支反力： 水平面： 垂直面： 3） 計算彎矩 水平彎矩： 垂直面彎矩： 合成彎矩： 4) 扭矩： 5） 計算當量彎矩 顯然B處為危險截面，故只對該處進行強度效核 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表4－1得 由得 取 4.4 單向離合器的工作原理及計算 一般來說，前者使用得更為普遍一些。當然，在自動變速器中，單向離合器的使用還不僅僅局限于執(zhí)行機構(gòu)，例如，在液力變矩器的導(dǎo)輪支承處，也采用了單向離合器。 單向離合器俗稱單向軸承，也是僅能單一方向（順時針方向或逆時針方向）傳動的機械傳動基礎(chǔ)件。 當動力源驅(qū)動被動元件時只能單一方向傳動，若動力源轉(zhuǎn)變方向時，（如順時針變?yōu)槟鏁r針方向），被動元 件則會自動脫離不產(chǎn)生任何動力傳送的功能。 單向離合器有兩種運動方式 當單向離合器的動力輸出部分（內(nèi)環(huán)或外環(huán)）轉(zhuǎn)速比動力源（外環(huán)或內(nèi)環(huán)）還快時，離合器處于解脫狀態(tài)， 內(nèi)外環(huán)沒有任何連動關(guān)系，此謂單向離合器的單向超越功能。 1、保證紡織機械平穩(wěn)起步 這是離合器的首要功能。在紡織機械起步前，自然要先起動發(fā)動機。而紡織機械起步時，紡織機械是從完全靜止的狀態(tài)逐步加速的。如果傳動系/它聯(lián)系著整個紡織機械與發(fā)動機剛性地聯(lián)系，則變速器一掛上檔，紡織機械將突然向前沖一下，但并不能起步。這是因為紡織機械從靜止到前沖時，產(chǎn)生很大慣性力，對發(fā)動機造成很大地阻力矩。在這慣性阻力矩作用下，發(fā)動機在瞬時間轉(zhuǎn)速急劇下降到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以下，發(fā)動機即熄火而不能工作，當然紡織機械也不能起步。因此，我們就需要離合器的幫助了。在發(fā)動機起動后，紡織機械起步之前，駕駛員先踩下離合器踏板，將離合器分離，使發(fā)動機和傳動系脫開，再將變速器掛上檔，然后逐漸松開離合器踏板，使離合器逐漸接合。在接合過程中，發(fā)動機所受阻力矩逐漸增大，故應(yīng)同時逐漸踩下加速踏板，即逐步增加對發(fā)動機的燃料供給量，使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速始終保持在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速上，而不致熄火。同時，由于離合器的接合緊密程度逐漸增大，發(fā)動機經(jīng)傳動系傳給驅(qū)動紡織機械的轉(zhuǎn)矩便逐漸增加，到牽引力足以克服起步阻力時，紡織機械即從靜止開始運動并逐步加速2、保證傳動系換檔時工作平順。 已知紡織機械變速箱的最大扭矩可由式: 求得 式中： Kw,r/min。α在1.1～1.3之間 ，取α=1.16，則N.m 后備系數(shù)β是離合器的重要參數(shù)，反映離合器傳遞發(fā)動機最大扭矩的可靠程度，選擇β時，應(yīng)從以下幾個方面考慮： a. 摩擦片在使用中有一定磨損后，離合器還能確保傳遞發(fā)動機最大扭矩； b. b. 防止離合器本身滑磨程度過大； c. c. 要求能夠防止傳動系過載。通常轎車和輕型貨車β=1.2～1.75。結(jié)合設(shè)計實際情況，故選擇β=1.5。 根據(jù)以上情況分析可知，該離合器符合系統(tǒng)工況要求。 5 變速器內(nèi)部主要傳動零件的強度校核 5.1 傳動軸的強度校核 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。由文獻[1，15-5]可知，取，軸的計算應(yīng)力 MPa （3.43） 選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻[1]表可知，MPa。因此，，故安全。 （7）精確校核軸的疲勞強度 ①判斷危險截面 從應(yīng)力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面IV和V引起的應(yīng)力集中最嚴重，而V受的彎矩較大；從受載的情況來看，截面C的應(yīng)力最大，但應(yīng)力集中不大，故C面不用校核。只需校核截面V。 ②截面V左側(cè) 抗彎截面系數(shù) mm （3.44） 抗扭截面系數(shù) mm （3.45） 截面V左側(cè)的彎矩M為 Mpa （3.46） 截面V上的扭矩T為 MPa 截面上的彎曲應(yīng) Mpa （3.47） 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力MPa （3.48） 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由文獻[1]表可知，MPa，MPa，MPa。 由文獻[1] 附表可知，用插入法求出 ， 軸按精車加工，由文獻[1] 附圖可知，表面質(zhì)量系數(shù)為： 軸未經(jīng)表面強化處理， 固得綜合系數(shù)為 （3.49） 由文獻[1] ，可知，碳鋼的特性系數(shù) 取 取 所以軸在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為 （3.50） （3.51） （3.52） 故該軸在截面V左側(cè)的強度是足夠的。 ③截面V右側(cè) 抗彎截面系數(shù) mm 抗扭截面系數(shù) mm 截面V左側(cè)的彎矩M為 MPa 截面V上的扭矩T為 MPa 截面上的彎曲應(yīng)力 MPa 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 MPa 截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按文獻[1]附表查取。因，， ， 又由文獻[1]附圖可得軸的材料的敏感系數(shù)為 ， 故有效應(yīng)力集中系數(shù)按文獻[1，附]為 （3.53） 由文獻[1]附圖可得軸的截面形狀系數(shù)為 由文獻[1]附圖可得軸的材料的敏感扭轉(zhuǎn)剪切尺寸系數(shù)為 綜合系數(shù)為 所以軸在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為 故該軸在截面V左側(cè)的強度是足夠的。 5.2 傳動齒輪的強度校核 （Ⅰ）校核齒面接觸疲勞強度 （1）接觸應(yīng)力的計算 由文獻[4]表可知，齒面接觸應(yīng)力計算公式，即 （3.28） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 ① 計算載荷系數(shù) 電動機驅(qū)動，載荷平穩(wěn)，由文獻[4]表可知，取 平均分度圓直徑 mm 平均分度圓圓周速度 m/s 由文獻[4] 圖（a）可知，按，得； 由文獻[4] 圖（b）可知，按，齒輪懸臂布置，； 由文獻[4]表可知，； ② 由文獻[1]表可知，彈性系數(shù)； ③ 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 計算得， MPa （1） 接觸疲勞強度的許用應(yīng)力 由文獻[4] 表可知，許用接觸應(yīng)力計算公式，即 （3.29） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 ①小齒輪的接觸疲勞強度極限MPa ②最小安全系數(shù) ③由文獻[1，10-13]可知，計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 由文獻[1] 圖10-19可知，查得接觸疲勞壽命系數(shù) ， ④尺寸系數(shù) ⑤工作硬化系數(shù)，按 ⑥潤滑油膜影響系數(shù)， 計算得， MPa （3）由于MPaMPa，故安全。 （Ⅱ）校核齒根彎曲疲勞強度 （1）齒根應(yīng)力的計算 由文獻[4]表可知，彎曲應(yīng)力計算公式，即 （3.30） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 ① 由文獻[1]表可知， ， ② 由文獻[1]表可知， ， 計算得， MPa （2）彎曲強度的齒根許用應(yīng)力 由文獻[4]表可知，齒根許用應(yīng)力計算公式，即 （3.31） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 ①彎曲疲勞極限MPa ③ 齒輪的應(yīng)力修正系數(shù) ④ 彎曲強度的最小安全系數(shù) ⑤ 彎曲疲勞壽命系數(shù) ， ④彎曲疲勞的尺寸系數(shù) 計算得， （3）由于MPaMpa，故安全。 5.3 軸承強度的校核 （1）滾動軸承的選擇 滾動軸承為雙列圓錐滾子軸承350324B，由文獻[2]表得KN，KN，，。 （2）壽命驗算 軸承所受支反力合力 N （4.1） 對于雙列圓錐滾子軸承，派生軸向力互相抵消。 ，N 由文獻[2]表得， ， N （4.2） 按軸承B的受力大小驗算 h （4.3） h=年 由于變速器減速器紡織機械無極變速器的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，必須選擇較大壽命的軸承，軸承能達到所計算的壽命。 經(jīng)審核后，此軸承合格。 24 6 結(jié) 論 本文所設(shè)計的是紡織機械用控制式無極變速器的設(shè)計，原理比較簡單，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在論文完成之際，我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導(dǎo)師在學業(yè)上嚴格要求，精心指導(dǎo)，在生活上給了我無微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學業(yè)階段的學業(yè)的同時，也學到了很多做人的道理，明確了人生目標。導(dǎo)師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的學識，實事求是的作風，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。 參考文獻 [1]徐灝等.機械設(shè)計手冊(第2、3冊)[M](第二版）.北京：機械工業(yè)出版社，2003 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