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機械系統(tǒng)設(shè)計
課 程 設(shè) 計
題 目：分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計（題目30）
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
姓 名： xxx xxx xxxx
學(xué) 號： xxx xxx xxxx
指導(dǎo)教師：
2012年 月 日
《目錄》
摘要 ………………………………………………… 2
第1章 緒論………………………………………………3
第2章 運動設(shè)計…………………………………………5
1.確定極限轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速數(shù)列，結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式..............5
2.主傳動轉(zhuǎn)速圖和傳動系統(tǒng)圖............................7
3.確定變速組齒輪齒數(shù)，核算主軸轉(zhuǎn)速誤差................8
第3章 動力計算…………………………………………9
1.傳動件的計算轉(zhuǎn)速................................... 9
2.傳動軸和主軸的軸徑設(shè)計............................ 10
3.計算齒輪模數(shù).......................................11
4.帶輪設(shè)計...........................................15
第4章 主要零部件選擇……………………………… 20
第5章 校核…………………………………………… 21
結(jié)束語……………………………………………………22
參考文獻…………………………………………………23
摘要
設(shè)計機床得主傳動變速系統(tǒng)時首先利用傳動系統(tǒng)設(shè)計方法求出理想解和多個合理解。根據(jù)數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)及主軸功率與轉(zhuǎn)矩特性要求，分析了機電關(guān)聯(lián)分級調(diào)速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法。從主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)入手，確定最佳機床主軸功率與轉(zhuǎn)矩特性匹配方案，計算和校核相關(guān)運動參數(shù)和動力參數(shù)。本說明書著重研究機床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計步驟和設(shè)計方法，根據(jù)已確定的運動參數(shù)以變速箱展開圖的總中心距最小為目標(biāo)，擬定變速系統(tǒng)的變速方案，以獲得最優(yōu)方案以及較高的設(shè)計效率。在機床主傳動系統(tǒng)中，為減少齒輪數(shù)目，簡化結(jié)構(gòu)，縮短軸向尺寸，用齒輪齒數(shù)的設(shè)計方法是試算，湊算法，計算麻煩且不易找出合理的設(shè)計方案。本文通過對主傳動系統(tǒng)中三聯(lián)滑移齒輪傳動特點的分析與研究，繪制零件工作圖與主軸箱展開圖及剖視圖。
第一章 緒論
（一） 課程設(shè)計的目的
《機械系統(tǒng)課程設(shè)計》課程設(shè)計是在學(xué)完本課程后，進行一次學(xué)習(xí)設(shè)計的綜合性練習(xí)。通過課程設(shè)計，使學(xué)生能夠運用所學(xué)過的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的有關(guān)理論知識，及生產(chǎn)實習(xí)等實踐技能，達到鞏固、加深和拓展所學(xué)知識的目的。通過課程設(shè)計，分析比較機械系統(tǒng)中的某些典型機構(gòu)，進行選擇和改進；結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行設(shè)計計算并編寫技術(shù)文件；完成系統(tǒng)主傳動設(shè)計，達到學(xué)習(xí)設(shè)計步驟和方法的目的。通過設(shè)計，掌握查閱相關(guān)工程設(shè)計手冊、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和資料的方法，達到積累設(shè)計知識和設(shè)計技巧，提高學(xué)生設(shè)計能力的目的。通過設(shè)計，使學(xué)生獲得機械系統(tǒng)基本設(shè)計技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行機械系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)造一定的條件。
（二） 課程設(shè)計題目、主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求
1 課程設(shè)計題目和主要技術(shù)參數(shù)
題目30：分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計
技術(shù)參數(shù)：Nmin=50r/min；Nmax=1120r/min；Z=8級；公比為1.41；電動機功率P=4KW；電機轉(zhuǎn)速n=710/1420r/min
2 技術(shù)要求
1. 利用電動機完成換向和制動。
2. 各滑移齒輪塊采用單獨操縱機構(gòu)。
3. 進給傳動系統(tǒng)采用單獨電動機驅(qū)動。
第二章 運動設(shè)計
1 運動參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定
（1） 轉(zhuǎn)速范圍。Rn== 1120/50=22.4
（2） 轉(zhuǎn)速數(shù)列。查《機械系統(tǒng)設(shè)計》表 2-9標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表，首先找到50r/min、然后每隔5個數(shù)取一個值，得出主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列為50 r/min、71 r/min、100r/min、140 r/min、200r/min、280r/min，400r/min，560r/min，800r/min，1120r/min共10級。
（3） 定傳動組數(shù)，選出結(jié)構(gòu)式。對于Z=8可得結(jié)構(gòu)式：Z=8=22×21×24。并在最后一級使用混合公比。
（4）根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)式,畫結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)“前多后少”,“ 前密后疏”，“升2降4”,“前滿后快”的原則,選取傳動方案 Z=22×23×24,可知第二擴大組的變速范圍 r2=1.415=5.57<8滿足“升2降4”要求，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖2-1。 圖2-1結(jié)構(gòu)網(wǎng) Z=8=22×23×24
（5） 畫轉(zhuǎn)速圖。轉(zhuǎn)速圖如下圖2-2。
圖2-2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖
（6）畫主傳動系統(tǒng)圖。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖及已知的技術(shù)參數(shù)，畫主傳動系統(tǒng)圖如圖2-3：
圖2-3 主傳動系統(tǒng)圖
（7）齒輪齒數(shù)的確定。根據(jù)齒數(shù)和不宜過大原則一般推薦齒數(shù)和在100～120之間，和據(jù)設(shè)計要求Zmin≥17,原則。并且變速組內(nèi)取模數(shù)相等，變速組內(nèi)由《機械系統(tǒng)設(shè)計》表3-1，根據(jù)各變速組公比，可得各傳動比和齒輪齒數(shù)，各齒輪齒數(shù)如表2-2。
表2-2 齒輪齒數(shù)
傳動比
第一擴大組
第二擴大組
1:1
1:2.8
1.41:1
1:2.8
代號
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
齒數(shù)
59
59
31
87
69
49
31
87
2 主軸傳動件計算
2.1 計算轉(zhuǎn)速
（1）.主軸的計算轉(zhuǎn)速
本設(shè)計所選的是中型普通車床，所以由《機械系統(tǒng)設(shè)計》表3-2中的公式
＝50×1.41（8/3-1） ＝88.6r/min 取90 r/min
(2). 傳動軸的計算轉(zhuǎn)速
在轉(zhuǎn)速圖上，軸Ⅱ在最低轉(zhuǎn)速140r/min時經(jīng)過傳動組b的69/49傳動副，得到主軸轉(zhuǎn)速為200r/min。這個轉(zhuǎn)速高于主軸計算轉(zhuǎn)速，在恒功率區(qū)間內(nèi)，因此軸2的最低轉(zhuǎn)速為該軸的計算轉(zhuǎn)速即nIIj=140/min,同理可求得軸1的計算轉(zhuǎn)速為nIj=400r/min
（3）確定各齒輪計算轉(zhuǎn)速
由機械設(shè)計知識可知，一對嚙合齒輪只需要校核危險的小齒輪，因此只需求出危險小齒輪的計算轉(zhuǎn)速。在傳動組b中Z46在軸Ⅲ上具有1120r/min,560r/min,400r/min,200/min這六種轉(zhuǎn)速都在恒功率區(qū)間內(nèi)，即都要求傳遞最大功率所以齒輪Z46的計算轉(zhuǎn)速為這四種轉(zhuǎn)速的最小值即=200r/min
同理可求得其余兩對嚙合齒輪中危險齒輪的計算轉(zhuǎn)速即
, =400r/min =280r/min
3驗算主軸轉(zhuǎn)速誤差
實際傳動比所造成的主軸轉(zhuǎn)速誤差，一般不應(yīng)超過±10(-1)％,即
|實際轉(zhuǎn)速n`-標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n|
———————————— < 10(-1)％
標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n
對于標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n=50r/min時，其實際轉(zhuǎn)速n`=400×31/87×31/87=50.78r/min
(50.78-50)/50=1.56%<4.1%
因此滿足要求。
同理可得各級轉(zhuǎn)速誤差如表
各級轉(zhuǎn)速誤差
n
50
100
140
200
280
400
560
1120
n`
50.78
101.57
142.53
200.70
285.06
394.29
563.27
1126.53
誤差
1.57%
1.57%
1.8%
0.35%
1.81%
1.42%
0.58%
0.58%
各級轉(zhuǎn)速都滿足要求，因此不需要修改齒數(shù)。
第三章 動力計算
1．主軸傳動軸直徑初選
（1）主軸軸徑的確定
在設(shè)計初期，由于主軸的結(jié)構(gòu)尚未確定，所以只能根據(jù)現(xiàn)有的資料初步確定主軸直徑。由<<機械系統(tǒng)設(shè)計>>表4-9初選取前軸徑 ，后軸頸的軸徑為前軸徑，所以。
（2）傳動軸直徑初定
傳動軸直徑按文獻[5]公式（6）進行概算
式中 d---傳動軸直徑（mm）
Tn---該軸傳遞的額定扭矩（N*mm） T=9550000；
N----該軸傳遞的功率（KW）
----該軸的計算轉(zhuǎn)速
---該軸每米長度的允許扭轉(zhuǎn)角，=~。
取=
N0=P0=4Kw。
N1=P1=P0×0.96=3.84Kw
N2=P2=P1×0.995×0.97=3.71Kw
N3=P3=P2×0.99=3.67Kw
軸Ⅰ：
取36mm
軸Ⅱ：
取44mm
軸Ⅲ：
取48mm
2．齒輪參數(shù)確定、齒輪應(yīng)力計算
（1） 齒輪模數(shù)的初步計算
一般同一組變速組中的齒輪取同一模數(shù)，選擇負荷最小的齒輪，按簡化的接觸疲勞強度由文獻[5]公式（8）進行計算：
式中：
為了不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，并且考慮到軸的直徑，防止在裝配時干涉，對齒輪的模數(shù)作如下計算和選擇：
軸Ⅰ-軸Ⅱ：以最小齒輪齒數(shù)34為準(zhǔn)
m=16338 =2.93 取m=3
軸Ⅱ-軸Ⅲ：以最小齒輪齒數(shù)31為準(zhǔn)
m=16338=4.16 取m=4
（2） 齒輪參數(shù)的確定
計算公式如下：
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒寬 φm=6~10 取φm=8
由已選定的齒數(shù)和計算確定的模數(shù)，將各個齒輪的參數(shù)計算如下表
（2）第一擴大組齒輪計算。
第一擴大組齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z1
Z1`
Z2
Z2`
齒數(shù)
59
59
31
87
分度圓直徑
177
177
93
261
齒頂圓直徑
183
183
99
267
齒根圓直徑
169.5
169.5
85.5
253.5
齒寬
25
25
25
25
按基本組最小齒輪計算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。計算如下：
① 齒面接觸疲勞強度計算：
接觸應(yīng)力驗算公式為
彎曲應(yīng)力驗算公式為：
式中 T1——主動軸傳遞扭矩（Nmm）
K——載荷系數(shù)，
——傳動比，，“+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合
——齒輪分度圓直徑（mm）
——齒寬（mm）
——齒輪模數(shù)（mm）
——齒寬系數(shù)，
——齒輪齒數(shù)
——彈性系數(shù)
——節(jié)點區(qū)域系數(shù)
——接觸強度重合系數(shù)
——齒形系數(shù)
——應(yīng)力修正系數(shù)
——彎曲強度重合度系數(shù)
——許用接觸應(yīng)力（Mpa）
——許用彎曲應(yīng)力（Mpa）
以上各系數(shù)，可查《機械設(shè)計》教材進行確定：
取，根據(jù)取1.08
——許用接觸應(yīng)力取650 Mpa；
——許用彎曲應(yīng)力取275 Mpa；
根據(jù)上述公式，可求得及查取值可求得：
=488.15 Mpa
=89.72 Mpa
（3）第二擴大組齒輪計算。
第二擴大組齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z3
Z3`
Z4
Z4`
齒數(shù)
69
49
31
87
分度圓直徑
276
196
124
348
齒頂圓直徑
284
204
132
356
齒根圓直徑
266
186
114
338
齒寬
35
35
35
35
按擴大組最小齒輪計算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。
同理根據(jù)第一擴大組的計算，
查文獻，可得：
取，=1.05
可求得：
3．帶傳動設(shè)計
定V帶型號和帶輪直徑
(1).工作情況系數(shù).
(2).計算功率.
(3).選帶型號
.
(4).確定帶輪直徑D1D2
計算帶長
(1).初取中心距.
(2).計算帶.基準(zhǔn)長度.
(3).計算實際中心距
(4)確定中心距調(diào)整范圍
(13)小輪包角.
求帶根數(shù)
(1).確定額定功率P0
(2)確定各修正系數(shù)
（3）確定V帶根數(shù)Z
求軸上載荷
(1)確定單根V帶初拉力
(2)計算壓軸力
（3）帶輪結(jié)構(gòu).
由機械設(shè)計表3.5查的
Pc＝KAP＝1.1×4＝4.4Kw
根據(jù)參考圖3.16及表3.3選帶型及小帶輪直徑
確定從動輪基準(zhǔn)直徑
=177.5mm
取D2=180mm
計算實際傳動比:
當(dāng)忽略滑動率時，
驗算傳動比相對誤差，題目的理論傳動比
傳動比相對誤差
=1204.0
按表3.2取標(biāo)準(zhǔn)值
=403mm
α＝180。-=
由D1及n1查表3.6并用線性插值法求得P0=1.3Kw
由《機械設(shè)計》表 3.8 kα=0.98
由《機械設(shè)計》表 3.9 kL=0.93
由《機械設(shè)計》表 3.7 △P0=0.15
=3.33
=124.27N
（《機械設(shè)計》表 3.1 ）
=
=983.31N
略.
KA＝1.1
Pc＝4.4Kw
A型
?。?00mm
D2＝177.5mm
取D2=180mm
1.4%<5%
合格
＝380mm
=1250mm
a=405mm
合格
P0=1.3Kw
kα=0.98
kL=0.93
△ P0=0.15
取z=4
=124.27N
FQ=983.31N
4 主軸合理跨距的計算
設(shè)機床最大加工回轉(zhuǎn)直徑為?400mm,電動機功率P=4kw，,主軸計算轉(zhuǎn)速為140r/min。
已選定的前后軸徑為:定懸伸量a=85mm。
軸承剛度，主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩:
TIII ＝
設(shè)該車床的最大加工直徑為300mm。床身上最常用的最大加工直徑，即經(jīng)濟加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑的50%，這里取60%，即180mm，故半徑為0.09m；
切削力（沿y軸） Fc=250.346/0.09=2781N
背向力（沿x軸） Fp=0.5 Fc=1390N
總作用力 F==3109N
此力作用于工件上，主軸端受力為F=3109N。
先假設(shè)l/a=2，l=3a=255mm。前后支承反力RA和RB分別為
RA=F×=3109×N
RB=F×=3109×N
根據(jù)《機械系統(tǒng)設(shè)計》得：=3.39得前支承的剛度：KA= 1376.69 N/ ；KB= 713.73 N/；==1.93
主軸的當(dāng)量外徑de=(85+65)/2=75mm，故慣性矩為
I==1.55×10-6m4
η===0.38
查《機械系統(tǒng)設(shè)計》圖 得 =2.5，與原假設(shè)接近，所以最佳跨距=85×2.5=212.5mm
合理跨距為（0.75-1.5），取合理跨距l(xiāng)=250mm。
根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，主軸的實際跨距大于合理跨距，因此需要采取措施
增加主軸的剛度，增大軸徑：前軸徑D=85mm，后軸徑d=55mm。后支承采用背對背安裝的角接觸球軸承。
第四章 主要零部件的選擇
選擇電動機,軸承，鍵和操縱機構(gòu)
(1)電動機的選擇：
轉(zhuǎn)速n＝710/1420r/min，功率P＝4kW
選用Y系列三相異步雙速電動機
(2)軸承的選擇(軸承代號均采用新軸承代號)
Ⅰ軸：與帶輪靠近段安裝雙列深溝球軸承代號6007，另一安裝深溝球軸承代號6007。
Ⅱ軸：左側(cè)布置深溝球軸承代號6008，右側(cè)布置深溝球軸承代號6009。
Ⅲ軸：輸出安裝角接觸球軸承配合推力球軸承代號分別為7012和5013，另一端安裝雙列圓柱滾子軸承。
(3)鍵的選擇
Ⅰ軸:安裝帶輪處選擇普通平鍵：
安裝齒輪處選擇普通平鍵：
Ⅱ軸:左側(cè)齒輪選擇普通平鍵:
右側(cè)齒輪選擇普通平鍵:
Ⅲ軸:選擇普通平鍵:
(4)變速操縱機構(gòu)的選擇：
選用左右擺動的操縱桿使其通過桿的推力來控制Ⅰ,Ⅱ軸上的二聯(lián)滑移齒輪。
第五章 校核
1．Ⅱ軸剛度校核
(1)Ⅱ軸撓度校核
單一載荷下，軸中心處的撓度采用文獻【5】中的公式計算:
L-----兩支承的跨距；
D-----軸的平均直徑；
X=/L；-----齒輪工作位置處距較近支承點的距離；
N-----軸傳遞的全功率；
校核合成撓度：
-----輸入扭距齒輪撓度；
-------輸出扭距齒輪撓度
；
---被演算軸與前后軸連心線夾角，取=91°，嚙合角=20°，齒面摩擦角=5.72°。
代入數(shù)據(jù)計算得：=0.147，=0.045，=0.075，=0.087。
合成撓度 =0.254；
查文獻【6】，帶齒輪軸的許用撓度=5/10000*L，即=0.287。
因合成撓度小于許用撓度，故軸的撓度滿足要求。
(2)Ⅱ軸扭轉(zhuǎn)角的校核
傳動軸在支承點A，B處的傾角可按下式近似計算：
將上式計算的結(jié)果代入得：
由文獻【6】，查得支承處的=0.001
因〈0.001，故軸的轉(zhuǎn)角也滿足要求。
2．軸承壽命校核
由Ⅱ軸最小軸徑可取軸承為6008深溝球軸承,ε=3，P=XFr+YFa
X=1，Y=0。
對Ⅱ軸受力分析
得：前支承的徑向力Fr=2847.32N，由軸承壽命的計算公式：預(yù)期的使用壽命 [L10h]=15000h，
軸承壽命滿足要求。
結(jié)束語
經(jīng)過兩周的課程設(shè)計，在老師的耐心指導(dǎo)和自己的努力分級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)及部分計算，到這里基本結(jié)束了，這次課程設(shè)計使我充分應(yīng)用了以前所學(xué)的知識，并應(yīng)用這些知識來分析和解決實際問題，進一步鞏固和深化了以前的所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識， 同時也是對《機械系統(tǒng)設(shè)計》學(xué)習(xí)的一個深入認識和理解的過程。同時也鍛煉了自己獨立完成工作的能力，熟悉了一些設(shè)計思想懂得了一些設(shè)計中的注意事項.本次課程設(shè)計進一步規(guī)范了制圖要求，學(xué)會應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范，和查閱相關(guān)資料的本領(lǐng)，掌握了機械設(shè)計的基本技能，對以后的工作有很大的幫助。
參考文獻
【1】 段鐵群.《機械系統(tǒng)設(shè)計》 科學(xué)出版社，第一版；
【2】 孫全穎.《機械精度設(shè)計與質(zhì)量保證》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社；
【3】于惠力 向敬忠 《機械設(shè)計》.高等教育出版社，第四版；
【4】于惠力 張春宜 《機械設(shè)計課程設(shè)計》，科學(xué)出版社；
【5】戴署 《金屬切削機床設(shè)計》.機械工業(yè)出版社；
【6】陳易新 《金屬切削機床課程設(shè)計指導(dǎo)書》；
【7】《金屬切削機床典型結(jié)構(gòu)圖集》主傳動部件；
【8】《機床設(shè)計手冊》2 上冊。
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