摩擦磨損試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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目錄 第一章 緒論 2 1.1本課題研究的目的和意義 2 1.2國內(nèi)外研究概況 3 1.3 發(fā)展趨勢 9 1.4 小結(jié) 9 第二章 摩擦磨損試驗機的影響因素 10 2.1試驗條件的影響； 10 2.2、試驗負荷的影響； 13 第三章 方案設(shè)計、分析與比較 16 3.1 試驗機的整體分析 16 3.2 設(shè)計方案的制定 16 3.3 方案比較 20 第四章 摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)設(shè)計的有關(guān)計算 22 4.1、試驗機的主要性能指標的確定 22 4.2試驗機的主傳動系統(tǒng)的有關(guān)計算 22 4.2.1電機的選擇： 22 4.2.2同步帶傳動的計算： 24 4.2.3主軸計算： 28 4.2.4、主軸上鍵的強度校核： 30 4.2.5、橫梁的強度校核： 30 4.2.6、絲杠螺母副的相關(guān)計算： 30 4.2.7、軸承的校核： 31 第五章 摩擦磨損試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 35 5.1、磨損試驗機的整體結(jié)構(gòu) 35 5.2、箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 36 5.3、橫梁的設(shè)計 36 5.4、支架的設(shè)計： 37 5.5、摩擦銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 38 5.6、摩擦盤夾持器的設(shè)計： 38 第六章 總 結(jié) 39 參考文獻 40 附錄：外文翻譯 41 40 高溫高速摩擦試驗機 摘要：摩擦學是一門實踐性很強的應(yīng)用科學，在國內(nèi)的相關(guān)研究中廣泛使用的試驗機有滾子式磨損試驗機、四球式摩擦磨損試驗機、往復式摩擦磨損試驗機、切人式摩擦、磨損試驗機、盤銷式摩擦磨損試驗機等。摩擦磨損試驗的目的是為了對摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進行研究，正確地評價各種因素對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)。高溫高速摩擦磨損試驗機是進行高溫高速摩擦磨損試驗的有效設(shè)備，廣泛運用于對各種高速刀具的高溫摩擦磨損性能進行測試和評價，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)備可以擴展該學科的研究領(lǐng)域和提高研究水平。 關(guān)鍵詞：摩擦、試驗機、高溫、高速 High-temperature high-speed friction tester Abstract: Friction is a very practical application of scientific research in China is widely used in a roller-type testing machine abrasion tester, four-ball friction and wear tester, reciprocating friction and wear test machine, cutting people friction and wear test machine, disc pins and other friction and wear test machine. The purpose of friction and wear tests on the friction and wear in order to study the phenomenon and its essence, the correct assessment of the various factors on the friction and wear properties to determine compliance requirements of the friction pair components using the optimal parameters. High temperature friction and wear tester is heat-efficient high-speed friction and wear test equipment, widely used in various high temperature friction and wear properties of tool to test and evaluation, and new high-speed cutting tool material developed and applied the necessary equipment . The device is a high-speed machining and cutting tool material research studies needed infrastructure, the device can be extended to the subject of basic research and research level. Key words: friction testing machine, high temperature, high-speed 第一章 緒論 1.1本課題研究的目的和意義 摩擦學是一門實踐性很強的應(yīng)用科學，研究材料摩擦磨損行為一般需要借助摩擦磨損試驗機測量摩擦副的摩擦磨損特性等一系列參量。在國內(nèi)的相關(guān)研究中廣泛使用的試驗機有滾子式磨損試驗機、四球式摩擦磨損試驗機、往復式摩擦磨損試驗機、切人式摩擦、磨損試驗機、盤銷式摩擦磨損試驗機等。 隨著冶金、礦山、電力以及工程機械等行業(yè)的發(fā)展，人們對磨損危害的認識有了相當?shù)奶岣摺榱伺迥p機理以減少有害的磨損，各國學者對材料在常溫下的各種磨損問題均進行了大量的研究，但對于材料在高溫下的磨損問題至今卻研究的較少，這和高溫磨損試驗裝置的缺乏不無關(guān)系。1910年第一臺磨料磨損試驗機即以問世，1975年美國潤滑工程師學會（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機也有上百種，但其中大部分都是常溫磨損試驗機[1]。近幾十年來，磨損試驗機和試驗方法雖然有了較大的發(fā)展，但這些試驗機大多還是由企業(yè)和研究工作者根據(jù)工作需要和實際工況自行設(shè)計制造的，如高溫磨料磨損試驗機，適合高分子及其復合材料試驗用的高溫摩擦磨損試驗機等。只有少數(shù)試驗機是由專門的試驗機廠或儀器制造公司制造和供應(yīng)的，而且這些試驗機大都結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴，這說明了磨損問題的復雜性和進行實驗室磨損試驗研究的困難所在。 摩擦磨損問題存在于人類物質(zhì)活動的各個方面。在汽車、發(fā)電、設(shè)備、冶金、鐵道、宇航、電子和農(nóng)機等各方面的機械都大量存在著摩擦學的問題。據(jù)估計，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。磨損是機械零部件3種主要的失效形式之一，所導致的經(jīng)濟損失是巨大的，大約有80%的機械零件由于各種磨損導致失效。特別是隨著物質(zhì)文明的進步和工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展，機械設(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。 這些摩擦試驗機多采用靜態(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態(tài)信息，更不能對磨損（摩擦）過程進行動態(tài)觀測及動態(tài)數(shù)據(jù)記錄；另外由于受到試驗機轉(zhuǎn)速的限制，摩擦副相對運動的速度大多較低（一般不超過10m/s ）。然而現(xiàn)代機械裝備中許多摩擦副的相對滑動速度相當高，如高速 列車運行時的速度約為300km/h，制動時制動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)動態(tài)測量所需的商用摩擦磨損試驗機。 摩擦磨損試驗的目的是為了對摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進行研究，正確地評價各種因素對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)。摩擦磨損試驗研究的內(nèi)容非常廣泛，如探討摩擦、磨損和潤滑機理以及影響摩擦、磨損的諸因素，對新的耐磨、減磨及摩擦材料和潤滑劑進行評定等。由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復雜，摩擦磨損條件不同，試驗方法和裝置種類繁多，如何準確地獲取摩擦磨損過程中的參數(shù)變化成為一個十分重要的研究課題。為了探索和驗證機械工程中摩擦磨損問題的機理以及有關(guān)影響因素，在摩擦學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機是進行高溫高速摩擦磨損試驗的有效設(shè)備，廣泛運用于對各種高速刀具的高溫摩擦磨損性能進行測試和評價，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)備可以擴展該學科的研究領(lǐng)域和提高研究水平。 1.2國內(nèi)外研究概況 摩擦試驗機對冶金、礦山、電力以及工程機械等行業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用,隨著目前世界各國科技的飛速發(fā)展,各個行業(yè)在技術(shù)上的突飛猛進摩擦試驗機對于各行業(yè)的重要性也越來越明顯. 目前，世界只有美國、日本、瑞士等少數(shù)幾個國家有摩擦磨損試驗機的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，而濟南試金集團是國內(nèi)最早研制和生產(chǎn)摩擦磨損試驗機的廠家。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，濟南試金集團開始研制MQ-12型四球摩擦試驗機，1965年研制成功并投入生產(chǎn)，1966年又研制成功MM-200型磨損試驗機，兩種試驗機的研制成功標志著我國已有了自行研制摩擦磨損試驗機的能力。在最近的幾年，涌現(xiàn)出了一批新興生產(chǎn)摩擦磨損試驗機的企業(yè)，也有不少優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品面世。 濟南竟成測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SFT-2M銷盤式摩擦磨損試驗機： 圖1-1 SFT-2M銷盤式摩擦磨損試驗機 儀器工作原理：本試驗裝置適用于材料表面和材料涂層的摩擦磨損測試?？商峁┹^寬的負載范圍和旋轉(zhuǎn)速度。可進行球－盤、栓（銷）－盤、盤－盤的不同摩擦副的試驗，精確測量在不同摩擦方式下，材料的摩擦系數(shù)、磨痕深度及耐磨性，操作簡便，測量精度高。 主要技術(shù)指標： 載荷范圍： 1N～200N(100g～20kg ) 旋轉(zhuǎn)速度： 100～4500rpm(連續(xù)可調(diào)) 樣品尺寸： Φ8～Φ80mm 厚度： 0.5～30mm 摩擦系數(shù)測量精度0.2％ Fs（滿量程） 樣品對偶尺寸：Φ3～Φ6mm 磨痕深度測量范圍：±1mm 精度：0.1μm 選配件： 1. 100g摩擦力傳感器 ( 0.05N～1N ) 適用于微小載荷下材料摩擦系數(shù)的測試。 2. 1000g摩擦力傳感器( 0.1N～10N ) 當然,目前國內(nèi)還有其他公司的產(chǎn)品一樣很成熟了。濟南思達測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MME-2微機控制摩擦磨損試驗機就是一個例子 MME-2微機控制摩擦磨損試驗機： 圖1-2 MME-2微機控制摩擦磨損試驗機 主要用途 　? 本試驗機可做各種金屬材料及非金屬材料（尼龍、塑料等）在滑動摩擦、滾動摩擦、滾滑復合摩擦和間歇接觸摩擦等多種狀態(tài)下的耐磨性能試驗，用于評定材料的摩擦機理和測定材料的摩擦系數(shù)。并可模擬各種材料在干摩擦、濕摩擦、磨料磨損等不同工況下摩擦磨損試驗。該機采用計算機控制系統(tǒng)，可實時顯示試驗力、摩擦力矩、摩擦系數(shù)、試驗時間等參數(shù)，并可記錄實驗過程中摩擦系數(shù)—時間曲線。滾動摩擦試驗能調(diào)節(jié)實現(xiàn)不同的滑差率；該產(chǎn)品所做結(jié)果符合GB/T12444.2-90金屬磨損試驗方法—MM型磨損試驗；GB/T3960—83塑料滑動摩擦系數(shù)試驗方法。由于該機功能多，結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用方便，有多個標準試驗方法建立在該機型上，且在國外使用較多，所以在國內(nèi)摩擦學研究領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用。? 技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標表1-1 序號 項目名稱 技術(shù)指標 1 最大試驗力 2500N 2 摩擦力矩測量范圍 0～20N.m 3 上、下試樣軸轉(zhuǎn)速 0—600r/min 4 試樣軸向最大移動距離 ±4mm 5 試驗力示值相對誤差 ??? 在滿量程的10%以上，不超過±2% 6 試驗力示值重復性相對誤差 在滿量程的10%以上，不超過2% 7 摩擦力矩示值相對誤差?? 在滿量程的10%以上，不超過±2% 8 摩擦力矩示值重復性相對誤差 在滿量程的10%以上，不超過2% 9 溫度控制范圍????????? 室溫-60℃ 10 時間控制范圍?????????? 1s-9999min 11 轉(zhuǎn)數(shù)控制范圍?????????? 1-99999999 12 時間-摩擦力矩曲線 由計算機實現(xiàn)對各個參數(shù)的測量顯示及數(shù)據(jù)處理，可實時顯示時間-摩擦力矩曲線。 13 試驗機的外形尺寸（長×寬×高） 主機：970×660×1100 14 試驗機凈重 約500kg 以下是對于國外的一些成熟產(chǎn)品介紹： 美國FALEX公司： FALEX公司是摩擦磨損測試儀器的專業(yè)制造商，具有75年的歷史，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在石化、機械，軍工等多個領(lǐng)域，目前有超過300?臺四球機試驗機在各個國家使用，已被各國政府部門和工業(yè)界廣泛的認同，F(xiàn)ALEX公司的很多儀器已成為摩擦磨損領(lǐng)域的測試標準，被收錄在ISO、ASTM等國際和行業(yè)的標準中。 FALEX?四球法磨損磨損試驗機設(shè)計有精密負載以便完成精確的磨損實驗，它是唯一通過多個實驗室循環(huán)實驗所得出的精度作為ASTM?方法中的精度要求的儀器，到目前為止沒有其他的儀器展示這個精度，為了符合ASTM、ISO、DIN?的要求，就一定要使用FALEX?四球法磨損實驗測定儀。 圖1-3 FALEX?四球法磨損實驗測定儀 技術(shù)參數(shù)： 試驗負荷: F-1519：可變驅(qū)動四球試驗機，氣動可變負載最大到 180kg F-1520：標準四球試驗機，固定砝碼和機械桿，最大50kg 試驗速度: F-1519：氣動連續(xù)可變驅(qū)動，60 -3600 rpm 連續(xù)可調(diào)，可選1 -10,000 rpm速度轉(zhuǎn)換組件 F-1520：V形帶和滑輪驅(qū)動，提供三種速度選擇 600, 1200, 1800 rpm. 溫度控制: 數(shù)字溫度控制 環(huán)境溫度-232℃ 自動啟動加熱，直至設(shè)定溫度 定時: 數(shù)字可編程定時器 (1s-999h) 測量: F-1519：集成測壓元件和數(shù)字顯示摩擦力 F-1520：手動測量 環(huán)境： 固態(tài)或液態(tài)(潤滑油、潤滑脂,固態(tài)膜涂層等) 可選外罩倉增強溫度控制精度 可選壓力倉，最大壓力125psi 尺寸： 168 cm x 91 cm x 81 cm， 電源： 220V, 50/60Hz、10A 氣源 80 psi 干燥空氣 ( F-1519) 主要特點： 標準配置 ：1HP變速馬達60 到 3600 rpm ；DC 馬達控制器 ；數(shù)字轉(zhuǎn)速指示器 ；數(shù)字溫度控制器 ；數(shù)字計時器 ；數(shù)字負載讀取 ；加熱器（最高 232℃） ；數(shù)字摩擦系統(tǒng) ；落地柜 ；溫度系統(tǒng)自動啟動 ；氣體壓力指示器 ；氣動負載（最大到180kg） ；杯蓋擰緊工具；前面板負載調(diào)節(jié)器 ；前面板有緊情況下切斷電源開關(guān)； 0- 25 Ib-In 扭矩扳手 ；可裝配球蓋 ；流量過濾球指示器；熱電偶 ；球盤組件 ；空氣軸承組件。 瑞士CSM公司產(chǎn)品 圖 1-4瑞士CSM公司的摩擦磨損試驗機 瑞士CSM公司是世界知名的表面力學性能測試設(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驗設(shè)備，按不同的載荷以及使用條件可分為以下幾類： 納米摩擦測試儀 NTR（Nano-tribometer）； 摩擦試驗機 TRB（Tribometer pin-on-disk），可升級為真空摩擦試驗機； 高溫摩擦試驗機 THT（High temperature tribometer），可升級為高溫真空摩擦試驗機； 磨損測試儀 CAW（Calowear）； 膜厚測試儀 CAT（Calotest），分為工業(yè)與實驗室用2種型號。 CSM公司的摩擦試驗機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，用戶可以通過改變摩擦時間、接觸壓力、運動速率、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。 一套完整的摩擦試驗機系統(tǒng)包括以下組成： 主機（CSM Tribometer）； 計算機通信接口（PC interface box）； 數(shù)據(jù)處理工作站（Computer workstation）； 儀器操作及數(shù)據(jù)處理軟件（WinXP平臺）； 附件（針式壓頭支架，球形壓頭支架，潤滑劑容器，砝碼，校正模塊）； 試驗機的尺寸： 主機（Tribometer）：500 ×320 mm，550 mm height； 計算機接口（PC interface）：500 ×300 mm，50 mm height； 毛重：50 kg； 建議安裝環(huán)境：試驗機應(yīng)安裝在振動較小的平臺上。 圖 1-5是該試驗機的測試原理示意圖。 圖1-5 CSM公司摩擦磨損試驗機測試原理。 試驗機的測試原理是： 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；針或球安裝在一支倔強系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設(shè)計為無摩擦切向力傳感器；當盤式樣品旋轉(zhuǎn)時，壓頭和樣品間產(chǎn)生的摩擦力會使杠桿發(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，并由此計算摩擦力的具體數(shù)值；通過測量材料的損失體積可計算壓頭和樣品的磨損系數(shù)。 1.3 發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，摩擦磨損測試技術(shù)呈快速發(fā)展之勢，摩擦磨損試驗機呈以下發(fā)展趨勢： （1）、以高性能的電機系統(tǒng)取代機械變速系統(tǒng)：目前，高性能的電機系統(tǒng)己經(jīng)比較成熟，調(diào)速比可以達到一比幾百、幾千甚至更高。利用這種系統(tǒng)既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，也可以實現(xiàn)擺動和直線運動。由高性能電機直接驅(qū)動主軸，不僅能使機械結(jié)構(gòu)大大簡化，而且還能降低試驗機的摩擦損耗，提高整機的壽命和可靠性。但高性能電機系統(tǒng)價格比較昂貴。 （2）、在摩擦磨損試驗機上應(yīng)用微型計算機：微型計算機的價格低廉，操作簡單，性能穩(wěn)定，不僅可以取代以往的二次儀表對試驗機進行控制，而且還可以對測試參數(shù)進行自動采集和數(shù)據(jù)處理，因而能使試驗機的功能大大加強。 （3）、改進測試手段； （4）、提高穩(wěn)定性、測試精度，以使試驗結(jié)果具有更好的重復性和再現(xiàn)性。 1.4 小結(jié) 本設(shè)計主要對銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機進行機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計與計算機三維實體造型以及二維圖的繪制。所設(shè)計的試驗機滿足下面的性能要求： (1) 主軸轉(zhuǎn)速范圍0~3000 r/min，無級調(diào)速； (2) 工作的最高溫度1000 ℃； (3) 加載范圍：0~20 N，采用砝碼加載； (4) 樣品盤最大尺寸為Φ80 mm，最大厚度10 mm。 本設(shè)計要求設(shè)計出實現(xiàn)上述要求的較為合理的方案，并進行相關(guān)計算。最后對整個試驗機進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，用AutoCAD繪制整個試驗機的二維圖。 第二章 摩擦磨損試驗機的影響因素 進行摩擦磨損試驗的目的是要模擬實際的摩擦系統(tǒng)，在實驗室再現(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所示的工作運轉(zhuǎn)變量、潤滑變量和氣氛變量等對特定摩擦磨損試驗系統(tǒng)摩擦元素的影響。因此，摩擦磨損試驗機的設(shè)計就是要依據(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)，其工作運轉(zhuǎn)變量一般要求在一定范圍內(nèi)可調(diào)，對于測試參數(shù)應(yīng)當根據(jù)需要選定. 圖2-1 摩擦磨損試驗機的基本系統(tǒng) 1、2 ——摩擦元素 3、——潤滑劑 4——氣氛 2.1試驗條件的影響； （1）運動形式的影響 運動形式與試驗機的摩擦副結(jié)構(gòu)有關(guān)，二者都是由所要模擬的摩擦副決定的，試驗機的摩擦副結(jié)構(gòu)和運動形式一般是固定的，但也有一些多功能試驗機的摩擦副和運動形式均可通過添加附件而加以改變。例如，美國FALEX公司的多功能試樣測試機在添加附件以后，就可以形成球一平面、四球、板一板(面接觸)、液體浸蝕、針一盤和滾動四球等多種摩擦副形式。試驗機上摩擦副的最基本運動形式一般有以下4種，即滑動、滾動、自旋和沖擊。在試驗機上，對運動形式都有明確的規(guī)定，但對運動的位置精度卻要求不高，因此這方面的要求可忽略。 （2）負荷的影響 負荷是摩擦磨損試驗機的一個重要參數(shù)，其在試驗過程中一般應(yīng)當保持穩(wěn)定。試驗機對負荷的精度要求很高，國 差為11%。要滿足負荷精度的要求，就必須考慮在試驗機上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。目前摩擦磨損試驗機比較常用加載方式有機械式、液壓式和電磁式三種。其中，機械式加載又可分為杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載或以上三種加載形式的組合，杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，載荷穩(wěn)定，不存在負荷保持的問題，加載精度高，但當摩擦副運動不穩(wěn)定時卻會引起振動和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動比較小，但是，彈簧加載的精度不高，難于實現(xiàn)負荷精確調(diào)整。液壓式加載包括動壓加載和靜壓加載兩種，但液壓加載很難保持負荷穩(wěn)定。電磁加載易于實現(xiàn)負荷的自動控制，但其弱點是控制部分的成本較高，而且在已有摩擦磨損試驗機上使用還比較少 （3）恒比壓的影響 目前使用的多種類型的摩擦磨損試驗機，對恒比壓有比較高的要求。目前試驗機上實現(xiàn)恒比壓的方法有: (a)、從摩擦副的結(jié)構(gòu)上保證摩擦過程中接觸面積不變，借以在負荷不變的條件下實現(xiàn)恒比壓(如圖2-2所示): 圖2-2 以摩擦副結(jié)構(gòu)保證恒圧比 (b) 、在 試驗 過程中隨著接觸面積的增大，依照一定的規(guī)律增大負荷以實現(xiàn)恒比壓。日本東京試驗機制作所生產(chǎn)的理研一大越式高速磨損試驗機就是利用這種方法實現(xiàn)恒比壓的。 圖 2-3 理研一大越式高速磨損試驗機原理示意圖 1——凸 輪 : 2——搖 桿 : 3, 5 ,8 ——齒 輪 齒 條 : 4——彈 簧 ; 6——旋 轉(zhuǎn) 圓 環(huán) 試 件 ; 7——片 狀 試件。 （c)、同時測量摩擦副的接觸面積和試驗負荷，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，給出負荷的控制信號，使負荷隨著接觸面積的變化而變化，從而實現(xiàn)試驗過程中的恒比壓。這種方式先進、可靠，然而實施難度很大。這是因為試驗過程中摩擦副的接觸面積不易測量，故其至今尚未得到實際應(yīng)用。 (4)、滑動速度的影響； 滑動速度的大小對摩擦磨損往往具有關(guān)鍵性的意義。因而也是摩擦磨損試驗的一個重要參數(shù)?；瑒铀俣鹊姆较蛴袉蜗蚝屯鶑蛢煞N，后者又可以分為擺動式和往復直動式。在試驗機上既可以用機械方式(如凸輪機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)等)實現(xiàn)擺動，也可以由電機(如伺服電機和步進電機)來實現(xiàn)擺動。往復直線運動通常是用曲柄滑塊等往復直線運動機構(gòu)實現(xiàn)。試驗機的速度大小一般都要求可調(diào)，所能采用的方式有級調(diào)速和無級調(diào)速兩種。有級調(diào)速是利用變換齒輪或皮帶輪速度比等方法實現(xiàn)的。無級調(diào)速可通過兩種方式來實現(xiàn):一種是機械式無級調(diào)速(如摩擦輪和差動輪系等)，但其調(diào)速范圍不大，另一種是使用無級調(diào)速電機進行，這種方式的調(diào)速范圍很大，如直流伺服電機的調(diào)速范圍可達1.2000r / min(下限還可以更低)。當采用電機無級調(diào)速時，一般都要求速度穩(wěn)定，因而常采用速度控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。 (5)、溫度的影響； 溫度是摩擦磨損試驗的又一個重要參數(shù)。有些試驗對環(huán)境溫度有其特定的要求， 如高溫條件或低溫條件。高溫試驗通常采用電阻絲加熱，也可以借助于高頻加熱等。對于高溫試驗機，既要考慮加熱部件和其他部件的隔熱問題，又要針對加熱溫度很高的特定情況同時考慮其加熱部件的選材問題。低溫試驗機常采用適當?shù)闹评浞椒ㄊ乖嚰車木植凯h(huán)境保持低溫，也可以將摩擦副浸泡在制冷劑中實現(xiàn)低溫。 (6)、氣氛的影響； 有些試驗研究要求對氣氛進行控制(如真空試驗)。在只要求控制濕度的場合，簡易的辦法是將摩擦副部分加一個有較好密封性能的罩子，再在其中放置一些盛水的盒子即可調(diào)節(jié)濕度。當然，濕度調(diào)節(jié)也可以在濕度傳感器控制下自動地進行。此外，用于真空條件下摩擦磨損研究的試驗機對真空度的要求較高。實現(xiàn)真空可以使用真空泵，在這里密封問題很重要，尤其動密封往往是令人頭疼的問題。為了提高真空度，有些試驗機上采用了磁力傳動，借以少用或不用動密封。 （7）、試驗時間的影響； 試驗時間一般是依具體情況而定，大多數(shù)試驗機沒有配備定時裝置。要在試驗機上實現(xiàn)時間控制，可以采用定時器控制動力源，也有的是根據(jù)摩擦力或摩擦力矩的極限值來控制停機。這種控制方法對試驗機也起著過載保護作用。 測量參數(shù)的影響 2.2、試驗負荷的影響； （1）試驗機一般都要對試驗負荷進行測量，所采用的測量方式往往隨加載方式的不同而不同。機械式杠桿一砧碼加載可以直接根據(jù)加載砝碼得到負荷值(如Timken試驗機)，機械式彈簧加載可以根據(jù)游標顯示的彈簧變形確定負荷值(如AMSLER試驗機)，液壓加載可以通過加載油缸的壓力換算得到負荷值(如MQ-800型四球式摩擦試驗機)。然而，不論在哪種加載方式下，都可以利用負荷傳感器直接測量負荷值。負荷傳感器應(yīng)當安裝在盡量靠近摩擦副的位置上，以避免或減小導向部分摩擦力引起的測量誤差。 （2）摩擦力(摩擦系數(shù))的影響； 在試驗機上，摩擦力(或摩擦力矩)和摩擦系數(shù)一般只測一項。例如，在已知負荷P的情況下，只要測出摩擦力F，就可以根據(jù)公式u=F/P求出摩擦系數(shù)的數(shù)值。這可以利用微機或數(shù)字電路實現(xiàn)運算處理。測量摩擦力常用的方法一般有兩種，即測量作用在驅(qū)動軸上的扭矩，或者是借助于彈性元件測定作用在固定件上的力。在采用第二種測量方法測量摩擦力時，由于固定件在沿摩擦力方向自由運動時必然要傳遞法向力，所以當將其安裝在滾動軸承之類的低摩擦裝置上，以使附加的摩擦力盡可能地減小，從而保證摩擦力的測量精度。摩擦扭矩可以采用扭矩傳感器進行測量，其安裝位置既可以是在運動軸上，也可以是在固定軸上。當把扭矩傳感器安裝在運動軸上時，需要確保傳感器的信號輸出良好。在試驗機上，通常是將摩擦扭矩轉(zhuǎn)換成拉力或壓力對其進行測量（見圖2-4），但要注意使轉(zhuǎn)換機構(gòu)造成的誤差不得超過允許值。 圖2-4將摩擦扭矩轉(zhuǎn)化成拉力或壓力的測量 （3）速度的影響； 在有些試驗機上還要求對速度進行測量，可以采用的測速裝置有測速發(fā)電機和光電傳感器等。記錄轉(zhuǎn)數(shù)最常用的是機械式計數(shù)器。 （4）測溫方法的影響； 摩擦磨損試驗需要測定的溫度有環(huán)境溫度、潤滑劑溫度和摩擦副的摩擦面溫度，其中不易測量的是摩擦面溫度(因為它不暴露在外面)。在試驗機上常用的測溫方法有熱電偶法和紅外測溫法。用這兩種方法測得的摩擦面溫度都是近似值。這是因為熱電偶無法安裝在摩擦面上，而只能安裝在靠近摩擦面的位置上;而紅外測溫法則是因為只能測得摩擦面邊界上的溫度或試件的體溫。如果能夠知道試件溫度的分布情況，那就可以對測溫結(jié)果進行修正，從而使測量誤差減小。為了消除或減少以上原因所產(chǎn)生的誤差，在實測時可以把實際試件之一(或兩件)組合成熱電偶的一部分，這就是所謂的“自然熱電偶”測溫法。這種方法原則上可以直接從摩擦面取得溫度信息，然而這個信息不僅會受到由于潤滑劑的作用所產(chǎn)生的界面電動勢的影響，而且在多觸點的循環(huán)電流對它也有影響L閣。因此，在現(xiàn)有的試驗機上很少使用這種測溫方法。 （5）磨損量的影響； 磨損量是磨損試驗中都要測量的一個參數(shù)。目前，磨損量的在線檢測尚有困難，以往都是將試件取下再測量磨痕或稱量失重而得之?，F(xiàn)在，有人采用電測法或光柵對摩擦副在磨損過程中的相對位移進行測量，以此實現(xiàn)磨損量的在線檢測。 （6）重復性和再現(xiàn)性； 摩擦磨損試驗機能否給出重復性和再現(xiàn)性都比較好的試驗結(jié)果，取決于每次試驗用的試桿和試驗環(huán)境條件(包括儀器的工作狀態(tài))是否都能保持一致。西德Optimol公司的SRV型標準化微動式摩擦磨損測試機之所以能夠給出較好重復性和再現(xiàn)性的試驗結(jié)果，就是因為它的關(guān)鍵部件一振動系統(tǒng)和力監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)非常穩(wěn)定。為了使試驗條件穩(wěn)定，就要從動力源和試驗機結(jié)構(gòu)上保證負荷及速度等T礦穩(wěn)定，同時還需要測試系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)能準確地測出工礦參數(shù)，以便于調(diào)整。此外，合理的摩擦副接觸形式也是取得較好重復性和再現(xiàn)性試驗結(jié)果的重要因素之一。一般說來，點接觸比面接觸受外界的影響小，因而在相同條件下，點、線接觸有利于再現(xiàn)摩擦副的接觸狀態(tài)。 第三章 方案設(shè)計、分析與比較 3.1 試驗機的整體分析 根據(jù)上一章的介紹不難確定，試驗機的機械結(jié)構(gòu)部分可以分為如下幾個主要的系統(tǒng)：主傳動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、摩擦盤夾持系統(tǒng)、摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)等主要部分。對上述各個部分不同的方案進行組合，就可以得到不同的整體設(shè)計方案方案。 3.2 設(shè)計方案的制定 通過分析，制定下面四種方案： 設(shè)計方案一： 圖 3-1是設(shè)計方案一的方案圖。 圖3-1 設(shè)計方案一 設(shè)計方案一各部分的組成： (1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過齒輪驅(qū)動主軸，帶動摩擦盤旋轉(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； (4) 摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)：通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運動控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進給；通過步進電機和編碼器帶動立柱上的絲杠旋轉(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)計方案二： 圖 3-2是設(shè)計方案二的方案圖： 圖3-2 設(shè)計方案二 設(shè)計方案二各部分的組成： (1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過連軸器和主軸直接相連，帶動摩擦盤旋轉(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給系統(tǒng)：通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運動控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進給；通過步進電機和編碼器帶動立柱上的絲杠旋轉(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； (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，對主軸進行冷卻。 設(shè)計方案三： 圖 3-3是設(shè)計方案三的方案圖。 圖3-3設(shè)計方案三 設(shè)計方案三各部分的組成： (1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過通過V帶和帶輪驅(qū)動主軸，帶動摩擦盤旋轉(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； (4) 摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)：通過步進電機和編碼器帶動底座支架上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副帶動立柱和橫梁一起水平運動，來控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進給；通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動立柱內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運動帶動橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的徑向進給； (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)計方案四： 圖 3-4是設(shè)計方案四的方案圖。 圖3-4設(shè)計方案四 設(shè)計方案四各部分的組成： (1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過V帶和帶輪驅(qū)動主軸，帶動摩擦盤旋轉(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； (4) 摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)：通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動底座內(nèi)的一根絲杠，絲杠螺母的相互運動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旋轉(zhuǎn)一定的角度，用旋轉(zhuǎn)來代替移動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 方案比較 方案一采用齒輪，可以保證傳動比，制造安裝精度要求不是很嚴格，并且可以防止過載時對電機的損壞。但是齒輪傳動噪音大，震動劇烈，況且由于齒輪的金屬質(zhì)地使電動機的產(chǎn)熱影響到實驗精度。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，對結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進電機帶動絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，降低了整個系統(tǒng)的剛度，但對系統(tǒng)測量精度的作用不大。 方案二電機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)的震動較大。而且主軸和電機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，對主軸的冷卻無法有效進行，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動的平穩(wěn)性，而且對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，對實驗結(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，對結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進電機帶動絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，降低了系統(tǒng)的剛度，但對系統(tǒng)測量精度的作用不大。 方案三電機通過V帶傳動，可以緩和載荷沖擊而且運行平穩(wěn)，無噪聲，制造安裝精度要求不是很嚴格，并且可以防止過載時對電機的損壞。但是帶傳動有彈性滑動和打滑，效率低而且不能保持準確的傳動比，也就是不能保持主軸以一定的速度轉(zhuǎn)動。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，主傳動系統(tǒng)整體的溫度較高，不易散熱，對系統(tǒng)的剛度和壽命影響大，而且對測量結(jié)果會產(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，對實驗結(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)復雜。步進電機控制銷子沿摩擦盤的軸向位移，結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，安裝維修不方便。 方案四采用電機通過同步帶帶動主軸，可以緩和載荷沖擊而且運行平穩(wěn)，無噪聲，且同步帶傳動無彈性滑動和打滑，效率高而且能保持準確的傳動比，也就是能保持主軸以某一速度穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動。主軸和電機之間的熱影響很小。專用的摩擦盤夾持器保證了摩擦盤旋轉(zhuǎn)時的精度，又可以保證其整體性，對于例如三角形硬質(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確，誤差較小。左邊立柱和橫梁是相對固定的，可以繞一個軸旋轉(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)計方案的確定 通過上面對四種設(shè)計方案的優(yōu)缺點的分析比較，可以得出結(jié)論：方案四是這四種設(shè)計方案中比較合理的一種方案。該方案既可以滿足設(shè)計精度的要求，又具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便等特點。 第四章 摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)計算 4.1、試驗機的主要性能指標的確定 參考第一章中的各種試驗機的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計要求，確定該試驗機的主要性能指標如下： 主軸轉(zhuǎn)速范圍：0~3000 r/min，無級調(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試驗機的主傳動系統(tǒng)的相關(guān)計算 由試驗機的主軸轉(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機來實現(xiàn)。因此該試驗機的主傳動路線為：變頻調(diào)速三相異步電動機→同步帶和帶輪→主軸→摩擦盤夾持器→摩擦盤。 4.2.1電機選擇： 取摩擦盤和摩擦銷之間的動摩擦系數(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:是相對運動速度(m/s)；f是滑動摩擦系數(shù)； Fn是正壓力（N）； R:是摩擦力作用電相對旋轉(zhuǎn)軸的距離（m）； Pm＝＝＝0.251 Kw 同步帶的傳動效率 ： η1＝95% 滾動軸承的傳動效率 ： η2＝98% 則總傳動效率： η總＝η1η2＝0.931 電動機的輸出功率P出＝ (4-2) 故＝＝0.2696 Kw 為使電動機的功率留有余量，負荷率?。?.85 P＝P出/0.85＝0.261/0.85＝0.317 Kw 根據(jù)參考資料可知，選擇的電機型號為： YVF280M1-4(摘自JB/T 7118-2004) 該電機的主要參數(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 ；電機軸：D=19mm。 結(jié)構(gòu)圖如圖4-1、4-2所示 圖4-1 圖4-2 機座號: 80M 凸緣號: 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同步帶傳動的計算： 1、計算功率： Pｄ＝ (4-3) Pｄ= =0.36Kw 式中： 是同步帶傳動的工作情況系數(shù)，據(jù)機械設(shè)計手冊可取1.40 2、選擇帶型和節(jié)距： 根據(jù)計算功率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ht: 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(JB/T 7512.2-1994),查取Zmin=20 根據(jù)設(shè)計方案Z1＝25； 4、小帶輪節(jié)圓直徑： 何以由公式 （4-4） 計算，也可查詢機械設(shè)計手冊。得小帶輪直徑為mm 5、大帶輪齒數(shù)： 根據(jù)設(shè)計方案，同步帶只起傳動作用，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、帶速計算： （4-5） 通常L型，則符合要求。 8、初定軸間距： 根據(jù)機械手冊知 （4-6） 即，取a==151.2mm 9、計算帶長及齒數(shù)： 帶長： （4-7） 查機械設(shè)計手冊得，齒數(shù)； 10、實際軸間距計算： 實際軸間距計算分為兩種情況，軸間距可調(diào)整時 （4-8） 軸間距不可調(diào)時 （4-9） （4-10） 根據(jù)設(shè)計要求，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） 基本額定功率是個帶型基準寬度的額定功率，(摘自GB/T 11362-1989) ——寬度為的帶的需用工作拉力（N），查機械手冊 ——寬度為的帶單位長度的質(zhì)量（），查機械手冊 則 13、計算帶寬： （4-13） ——嚙合齒數(shù)系數(shù)，查機械設(shè)計手冊 應(yīng)按表4.4選取標準值，一般小于 則 式中： mm 按照以上設(shè)計要求要求 確定公稱帶寬12.7mm，代號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hg: 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主軸計算： 1、主軸輸出功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩計算： 根據(jù)第一部分電機計算可以得出， 則轉(zhuǎn)矩 2、軸的最小直徑計算： 計算公式為 （4-15） 主軸的材料選擇為，查設(shè)計手冊可得 則，取 即主軸上直徑最小處：mm 3、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： （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 1）為了滿足帶輪的尺寸要求， 2）初步選擇滾動軸承。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，標準精度級的深溝球軸承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）、軸的強度校核： 按鈕局強度條件計算，公式如下 （4-16） 已知， 則 根據(jù)設(shè)計軸的最小直徑為， 則其他各段也符合要求。 4.2.4、主軸上鍵的強度校核： 根據(jù)主軸設(shè)計，鍵所在軸的直徑為24mm，查機械設(shè)計手冊（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 故鍵的強度滿足要求。 4.2.5、橫梁的強度校核： 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，橫梁強度在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下能夠滿足強度和剛度要求。 4.2.6、絲杠螺母副的相關(guān)計算： 該絲杠螺母副主要用于傳遞運動，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。下面對絲杠螺母副進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，強度校核可以不計。 螺母的軸向位移： (4-18) 式中： φ是螺桿轉(zhuǎn)角，rad；s是導程，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； 由于絲杠帶動摩擦銷的移動距離為40 mm，又要留下一定的余量，可令螺紋長度L＝50 mm； 設(shè)計使螺紋移動l=40 mm時，手輪轉(zhuǎn)動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，N/mm2；可??； 帶入數(shù)據(jù)，有： mm 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，?。?mm ； 絲桿公稱直徑d=20,小徑：20-5.5=14.5mm 螺母高度： mm 絲桿旋動圈數(shù)： 基本牙型高度： mm 工作壓強： 工作壓強滿足要求。 為了保證自鎖，螺紋升角: 螺紋牙根部的寬度： mm 4.2.7、軸承的校核： 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；而且其轉(zhuǎn)速均遠遠低于軸承的極限轉(zhuǎn)速。因此軸承的校核可以省略，而認為這些軸承的均滿足設(shè)計要求。下面對主軸上的深溝球軸承和推力球軸承進行壽命校核： （