某大学综合课程设计2综述.doc

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1、综合课程设计II项目总结报告 题 目：最大加工直径320mm无丝杠车床主传动系 统设计 院 （系） 机电工程学院 专 业 机械制造及其自动化 学 生 白学林 学 号 1120810813 班 号 1208108 指导教师 韩德东 填报日期 2015年11月30日 哈尔滨工业大学机电工程学院制2014年11月哈尔滨工业大学“综合课程设计II”任务书姓 名： 院 系：机电工程学院专 业： 班 号： 学 号：任务起止日期：2015年11月30日 至 2015年12月18日课程设计题目： 主要内容：技术要求：进度安排：指导教师签字： 年 月 日教研室主任意见：教研室主任签字： 年 月 日目 录1项目背

2、景分析22研究计划要点与执行情况23项目关键技术的解决34具体研究内容与技术实现45技术指标分析276存在的问题与建议27 7. 参考文献28 1项目背景分析本项目旨在设计一款无丝杠车床。车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。车床又称机床,使用车床的工人称为“车工”，在机械加工行业中车床被认为是所有设备的工作“母机”。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，以圆柱体为主,是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的。普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65%，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。在现代机械制造工业

3、中，金属切削机床是加工机器零件的主要设备，它所担负的工作量约占机器总制造工作量的40%到60%。机床的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。在机械制造及其自动化专业的整个教学计划中，“综合课程设计II”是一个极其重要的实践教学环节，其脱胎于“机床课程设计”，目的是为了锻炼学生机械“结构”的设计能力，这是机械类学生最重要的设计能力；同时，机床为制造工业“母机”，结构典型，非常适合作为课程设计内容。2研究计划要点与执行情况2.1 设计任务机械制造及其自动化专业的“综合课程设计II”，是以车床和铣床主传动系统设计为内容，每个学生设计参数不同，完成展开图和截面图各一张及相关计算和文件和项

4、目结题报告。（1）设计内容要求图纸工作量：画两张图。其中：开展图（A0）：轴系展开图。其中摩擦离合器、制动和润滑不要求画，但要求掌握；操纵机构只画一个变速手柄。截面图（A1）：画剖面轴系布置示意图（包括截面外型及尺寸、车床标中心高）。（2）标注： 中心距、 配合尺寸、定位尺寸、中心高（车床）、外型尺寸。（3）标题栏和明细栏不设明细表，件号采用流水号（1，2，3，）标注，标准件的标准直接标在图纸上（件号下面）；标题栏采用标准装配图的标题栏（18056），其中，图号：KS01（表示：课设01 号图纸）；单位：哈尔滨工业大学；图名：主传动系统装配图。（4）主轴端部结构要按标准画。（5）按模板编写项目

5、总结报告，相关设计计算内容，写到“具体研究内容与技术实现”项中。要求验算：一对齿轮，小齿轮验算接触弯曲强度，大齿轮验算接触弯曲强度，一根传动轴，主轴按两支撑计算。2.2 进度安排对运动设计，根据给定设备的用途规格、调速范围、极限转速的、公比和功率要求，拟定传动方案，确定传动系统图和转速图。对动力设计，根据功率和速度，选择电机型号，确定各传动件计算转速，初算传动件尺寸、绘制装配图草图，验算传动件的应力、刚度、寿命等参数。 对结构设计，绘制主传动系统展开图和截面图，完成传动件、箱体、操纵机构零部件结构设计。完成相关技术文档，形成项目总结报告。相应时间安排如下表2-1。表2-1 “综合课程设计II”

6、基本流程和进度安排第一周第二周第三周星期12、3451、234512、3、45阶段项目准备初算展开草图截面草图验算加粗标注计算说明书结题报告、PPT、答辩准备答辩内容要求学生上午：(1)图板、图纸、手册、指导书、图册等；(2)布置教室。(1)运动设计：转速图，传动系统图(2)动力设计：齿轮模数，主轴和传动轴直径。轴和齿轮布置图。细化展开图。轴系空间布置，操纵机构，箱体结构。验算一对齿轮；一根传动轴和主轴。不合格修改设计。验算完成后，加粗。按要求和标准标注。按规范（见指导书）编写计算说明书。按模板编写结题报告（模板见附件）；准备5分钟PPT。图纸；PPT；项目总结报告。表2-1“综合课程设计II

7、”基本流程和进度安排3项目关键技术的解决减速箱内各级减速比分配、转速图的选取、传动系统齿轮的排布、齿轮模数齿数齿宽的选取为本次设计应首要解决的内容，解决以上问题可以使机床主轴箱大体分布得到解决。主轴箱内传动件的空间布置是极其重要的问题，变速箱内各传动轴的空间布置首先要满足机床总体布局对变速箱的形状和尺寸的限制，还要考虑各轴受力情况，装配调整和操纵维修的方便。其中齿轮的布置与排列是否合理将直接影响主轴箱的尺寸大小、结构实现的可能性以及变速操纵的方便性。主轴传动件的合理布置也很重要。合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减小主轴变形，提高主轴的抗振性。4具体研究内容与技术实现4

8、.1 机床的规格及用途本设计机床为卧式车床，其级数，最小转速，转速公比为，驱动电动机功率。主要用于加工钢以及铸铁有色金属；采用高速钢、硬质合金、陶瓷材料做成的刀具。序号机床主参数公比最低转速级数Z功率（kW）13最大加工直径320mm无丝杠车床1.4128124表4-1机床参数表4.2 运动设计4.2.1 确定极限转速根据设计参数，主轴最低转速为28r/min，级数为12，且公比=1.41。于是根据标准数列表可以得到主轴的转速分别28，40，56，80，112，160，224，315，450，630，900，1250 r/min，则转速的调整范围。4.2.2 确定公比根据设计数据，公比=1.4

9、1。转速数列：28，40，56，80，112，160，224，315，450，630，900，1250 r/min4.2.3 求出主轴转速级数根据设计数据，转速级数，其中：转速调整范围转速公比将，代入，得。4.2.4 确定结构式按照主变速传动系设计的一般原则，选用结构式为的传动方案。其最后扩大组的变速范围,符合要求，其它变速组的变速范围也一定符合要求。4.2.5 绘制转速图（1）选定电动机根据设计要求，机床功率为5.5KW，可以选用Y132M-4，其同步转速为1500r/min，满载转速为1440r/min，额定功率7.5KW。（2）分配总降速传动比总降速传动比为，又电动机转速不在所要求标准转

10、速数列当中，因而需要用带轮传动。（3）确定传动轴的轴数轴数=变速组数+定比传动副数+1=3+1+1=5。（4）绘制转速图先按传动轴数及主动轴转速级数格距画出网格，用以绘出转速图。在转速图上，先分配从电动机转速到主轴最低转速的总降速比，在串联的双轴传动间上画上。再按结构式或结构网的级比分配规律画上各变速组的传动比射线，从而确定了各传动副的传动比。中间各轴的转速可从电动机轴开始往后推，通常以往前推比较方便，所以首先定III轴的转速。定III轴的转速由于第二扩大组的变速范围为，选取故这两对传动副的最小和最大传动比必然是，。于是可以确定III轴的六级转速只能是：112，160，224，315，450，

11、630r/min，可见III轴的最低转速为112r/min。确定II轴转速第一扩大组的级比指数为3。为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸，一般限制降速最小传动比，又为避免扩大传动误差，减少振动噪声，限制最大升速比。于是，II轴的最低转速是315/min，三级转速分别为315，450，630r/min。确定I轴转速同理，轴I可取：，于是就确定了轴I的转速为630r/min。根据以上计算，绘制转速图如下：图4-1 转速图4.2.6 绘制传动系统图（1）确定变速组齿轮传动副的齿数速组a： 变速组a有三个传动副，传动比分别是，由参考文献1表2-5查得：符合条件，可取，查表可得轴I主动齿轮齿数分别

12、为：36、30、24。根据相应的传动比，可得轴II上的三联齿轮齿数分别为：36、42、48。速组b：变速组b有两个传动副，传动比分别是，。查表得：可取，于是可得轴II上主动齿轮齿数分别是：42，22。于是根据相应传动比，得轴III上三齿轮的齿数分别是：42，62。速组c：变速组c有两个传动副，传动比分别是，。查表得：可取，于是可得轴III上主动齿轮齿数分别是：60，18。于是根据相应传动比，得轴上两齿轮的齿数分别是：30，72。（2）校核主轴转速误差实际传动比所造成的主轴转速误差，要求不超过：下表为主轴转速误差与规定值之间的比较：标准转速r/min实际转速r/min主轴转速误差在标准值范围之内

13、2827.940.21%4039.920.20%5655.890.20%8078.751.56%112112.50.45%160157.51.56%224223.550.20%315319.351.38%450447.100.64%6306300%9009000%125012600.8%表4-2主轴转速误差表（3）绘制传动系统图电机额定转速1400r/min，I轴转速630r/min。根据参考文献2表5.7确定工作情况系数KA=1.11.3，计算设计功率Pd，并且根据参考文献2图5.17普通V带选型图确定小带轮直径112140。最终选用小带轮直径，大带轮直径。图4-2传动系统图4.3 动力设计

14、4.3.1 传动零件的初步计算4.3.1.1传动轴的直径的确定传动轴的直径可以按照扭转刚度进行初步计算：式中 传动轴直径 电机额定功率 该轴的计算速度 ，（1）主轴的计算转速。（2）各个传动轴的计算转速由转速图可以得到I、II、III轴的计算转速分别为630,315,112r/min。（3）各轴功率的确定经过查阅资料，知一般情况下，滚动轴承的效率，齿轮副的效率。III轴：；II轴：；I轴：。（4）各传动轴直径I轴：；II轴：；III轴：。（5）主轴轴颈尺寸的确定根据参考文献1表2-14，最大加工直径。通过查表获得主轴前轴轴颈范围为85105mm，取，后轴颈直径，取。4.3.1.2、齿轮模数的初

15、步计算（1）齿轮计算转速的确定主轴计算转速为80r/min，III轴计算转速112r/min，II轴计算转速315r/min，I轴计算转速630r/min。齿轮序号Z112Z256Z36Z36Z30Z42Z24Z48计算转速nj1440630630630630450630315齿轮序号Z42Z42Z22Z62Z60Z30Z18Z72计算转速nj31531531511211222431580表4-3齿轮计算转速表只需计算变速组内最小的也是强度最弱的齿轮即可。变速组内最小齿轮齿数是z=24，该齿轮计算转速为630r/min；变速组内最小齿轮齿数是z=22，该齿轮计算转速为315r/min；变速组内

16、最小齿轮齿数是z=18，该齿轮计算转速为315r/min。（2）模数的计算要求每个变速组的模数相同。根据：其中：按接触疲劳强度计算的齿轮模数 大小齿轮的齿数比 电动机功率kW， 齿宽系数，取 小齿轮齿数 齿轮传动许用接触应力，取 计算齿轮计算转速（r/min）变速组：，取；验证：，满足要求。变速组：，取；验证：，满足要求。变速组：，取；，满足要求。4.3.2 零件的验算（1） V型带的计算和选定电机传递功率为5.5KW，小带轮转速为630r/min，传动比为2.29，假定载荷平稳，每天工作时间在10-16小时之间，电机工作在反复启动、正反转频繁、工作条件恶劣的场合。选用A型带，小带轮直径112

17、mm，初步估算中心距为300mm，可知工作情况系数,则大带轮直径，取为256mm。带的速度公式符合要求初算带的基准长度Ld：计算实际中心距a计算小带轮包角确定V带根数Z式中：为包角修正系数，查参考文献2得=0.93为带长修正系数，查参考文献2得=0.93为V带基本额定功率。由参考文献2查取单根V带所能传递的功率为1.32kW；计算功率增量其中：为弯曲影响系数，由参考文献2查得；为传动比系数，由参考文献2查得；计算功率增量。所以根据公式可算得Z=4.6，取Z=5根。单根普通V带初拉力计算轴向力从结果看出，支撑轴的径向力为3241.4N，此力较大，结构设计时应考虑采用卸荷带轮结构。（2）齿轮的应力

18、计算验算第三变速组的最小齿轮和与其相啮合的齿轮。大齿轮的弯曲强度验算由参考文献2，对于直齿圆柱齿轮，弯曲应力需要满足下式： 式中：齿轮的弯曲疲劳强度()载荷系数, 工作期限系数转速变化系数功率利用系数材料强化系数齿形系数，取得齿宽(mm),此处齿向载荷分布系数动载荷系数工作状况系数，取许用弯曲应力(MPa),，本齿轮采用20Cr钢渗碳淬火，查表得弯曲疲劳极限应力：，代入公式，得满足齿根弯曲疲劳强度。小齿轮的接触强度验算由参考文献2，对于直齿圆柱齿轮,接触疲劳强度的校核公式: 式中：载荷系数, 工作期限系数转速变化系数功率利用系数材料强化系数齿形系数，取得，齿宽(mm),此处齿向载荷分布系数 动

19、载荷系数工作状况系数，取传动比，为4许用接触应力,其中为试验齿轮的齿面接触疲劳极限,由参考文献2知,则满足接触疲劳强度的要求。(3)传动轴II的验证计算齿轮传动轴的抗弯刚度验算，包括轴的最大挠度，滚动轴承处及齿轮安装处的倾角验算.其值均应小于允许变形量及，允许变形量见参考文献2上，得y=0.0005l = 0.0005320=0.16mm由参考文献1，传动轴的抗弯刚度验算满足要求时，除重载轴外，一般无需再进行强度计算。因此对于传动轴II，仅需要进行刚度计算，无须进行强度验算.传动轴II的载荷分析对传动轴II的受力进行简化，得到下示载荷分布图：图4-3 传动轴II刚度验算简图1图4-4 传动轴I

20、I刚度验算简图2其中，是轴的驱动力，且3个驱动力不能同时作用，是轴的驱动阻力，且2个驱动阻力不能同时作用。其弯曲载荷由下式计算： 式中：该齿轮传递的全功率()，如前述原因，此处均取；该齿轮的模数，齿数该传动轴的计算工况转速()，(或)该轴输入扭矩的齿轮计算转速()该轴输出扭矩的齿轮计算转速() 将五种驱动力或驱动阻力分别带入式，可得到各驱动力为：对于输出驱动阻力，由于各种情况转速不定，故应在选定校核用轴II速度以后计算，选取产生挠度最大时的驱动力对应的速度. 传动轴II的最大挠度计算为了计算上的简便，可以近似地以该轴的中点挠度代替最大挠度，其最大误差不超过3%.由参考文献1，若两支承的齿轮传动

21、轴为实心的圆形钢轴，忽略其支承变形，在单在弯曲载荷作用下，其中点挠度为：式中：两支承间的跨距(mm)，对于轴II，=360mm该轴的平均直径(mm)，本轴的平均直径D36mm.齿轮的工作位置至较近支承点的距离()输入扭矩的齿轮在轴的中点引起的挠度()输出扭矩的齿轮在轴的中点引起的挠度()其余各符号定义与之前一致.对于输入的三个驱动力，计算其分别作用时对于轴中点的挠度值对于，其输入位置，故对于，其输入位置，故对于，其输入位置，故故引起的中点挠度最大，在计算合成挠度时使用，进行计算.此时轴III转速为450r/min。此时对之前计算的输出驱动阻力进行计算，各力为带入上式，对于输出的三个驱动阻力，计

22、算其分别作用时对于轴中点的挠度值.对于，其输入位置，故对于，其输入位置，故故引起的中点挠度最大，在计算合成挠度时使用， 进行计算。由参考文献1，中点的合成挠度可按余弦定理计算，即： 式中：被验算轴的中点合成挠度(mm);驱动力和阻力在横剖面上，两向量合成时的夹角(deg)，在横剖面上，被验算的轴与其前、后传动轴连心线的夹角(deg)，按被验算的轴的旋转方向计量，由剖面图上可得值为90，啮合角，齿面磨擦角，得代入计算，得：满足要求.传动轴II在支承处的倾角计算由参考文献1，传动轴在支承点A，B处的倾角时，可按下式进行近似计算：代入，得能够满足要求，故不用计算其在齿轮处的倾角.（4）主轴的验证计算

23、计算条件的确定a.变形量的允许值验算主轴轴端的挠度，目前广泛采用的经验数据为: 式中：两支承间的距离，在本主轴中，。故取由参考文献1，对于最大加工直径为320mm的卧式车床，其主轴前端静刚度为120N/um。根据不产生切削自激振动的条件来确定主轴组件的刚度。由参考文献1，上述可以任选一种，进行判定.此处，选用验算主轴轴端的挠度b.切削力的确定最大圆周切削力须按主轴输出全功率和最大扭矩确定，其计算公式为： 式中：电动机额定功率(kW)，此处。主传动系统的总效率， ，为各传动副、轴承的效率。由参考文献1，计算得出主轴的计算转速，由前知，主轴的计算转速为80r/min.计算直径，对于车床，为溜板上的

24、最大加工直径，=（0.50.6），为最大加工直径=(0.50.6)x320=160192mm，取180mm。将参数值带入上式，得。验算主轴组件刚度时，须求出作用在垂直于主轴轴线的平面内的最大切削合力，总切削力，如果按通常采用未磨钝的，其主偏角为45的车刀，切削钢材时的进给量较大，各切削分力的比例关系大致为：径向分力；进给力，则。对于普通车床切削力合力。c.切削力的作用点设切削力的作用点到主轴前支承的距离为，则 式中：主轴前端的悬伸长度，此处 对于普通车床，代入，切削力的作用点到主轴前支承的距离为d.两支承主轴组件的静刚度验算由于主轴上的大齿轮比小齿轮对主轴的刚度影响较大，故仅对大齿轮进行计算.

25、为了计算上的简便，主轴部件前端挠度可将各载荷单独作用下所引起的变形值按线性进行向量迭加，由参考文献1其计算公式为：计算切削力作用在点引起主轴前端占的挠度 式中：抗拉弹性模量，钢的为段惯性矩，对于主轴前端，有为AB段惯性矩，有径向分力。做出双支撑主轴径向力计算简图图4-4图4-5 主轴部件的计算简图，计算得；，计算其余各参数定义与之前保持一致。代入计算，得：其方向如图4-4所示，沿方向， .计算力偶矩作用在主轴前端点产生的挠度 式中各参数定义与之前保持一致。则力偶矩 其方向在H平面内，如图4-5所示，.计算驱动力作用在两支承之间时，主轴前端点的挠度 式中各参数定义与之前保持一致。驱动力b=80m

26、m。代入得 其方向如图4-5所示，角度求主轴前端点的综合挠度H轴上的分量代数和为： 代入，得：V轴上的分量代数和为：代入，得：综合挠度为： 综合挠度的方向角为故满足对主轴的刚度要求。5技术指标分析由校核可知，主轴11级转速均在误差允许范围内，所校核齿轮的疲劳强度和弯曲疲劳强度均在允许的范围内，主轴刚度在允许范围内，传动轴的最大挠度也在额定值内。6. 存在的问题与建议 首先,本次的课程设计资料比较乱,而且课程设计指导书许多地方特别是图片都看不清楚。许多计算步環都是经验公式,而不同的資料上的经验公式不完全相同, 常常会出現某公式中某几个参数很肅商到的情况,比如课程设计指导书中的齿轮按触疲劳和弯曲强

27、度计算的公式, 在其他的参考資料就几乎找不到, 其中的某些参数更是难費。并且图书馆的参考书数量比较少,某些标准件只在少数的书上能査到,通常一个班只能借到2-3本,这使得同学们画图时常常因为资料的冲突耽误进度.希望今后学校的课程设计指一导书能够编得更全面、更清晰 。其次,课程设计时间安排比较让人纠结, 在考研前一个月要抽出三个周的时间做课程设计,打乱了考研学生的学习进度,让考研的学生倍感痛普,却又无可奈何! 希望今后学校的课程设计能安排在一个合理的时同内。7.参考文献1哈尔滨工业大学.金属切削机床课程设计指导书.2冯辛安.机械制造装备设计第二版.北京:机械工业出版社. 2005. 123李洪主编.实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社. 1999. 14未宝玉、 王黎钦主编.机械设计.北京:高等教育出版社. 2010. 55 机床设计手册编写组.机床设计手册2:零件设计(上、下册).北京:机械工业出版社. 19806王连明,未宝玉.机械设计课程设计,第二版.哈尔演:哈尔演工业大学出版社. 20077陈铁鸣主编.机械设计,第四版.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社. 2006