數(shù)控車床無級變速主軸箱設(shè)計含開題及4張CAD圖
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XX設(shè)計（XX）
題目 數(shù)控車床無級變速主軸箱設(shè)計
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摘要
目前，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化已成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個制造大國，仍然還是依靠價格、資源等方面的比較優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。因此，對其進(jìn)行研究和設(shè)計顯得尤為重要。
本次設(shè)計的題目是數(shù)控車床無級變速主軸箱設(shè)計。本文闡述了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢，并介紹了主軸的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)。對機(jī)床進(jìn)行總體方案設(shè)計，進(jìn)而確定機(jī)床的總體布局，然后，確定了合理的主軸總體結(jié)構(gòu)，分別對主軸的電機(jī)、編碼器和冷卻系統(tǒng)等各零部件進(jìn)行了設(shè)計，對主軸及其主要零部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計、計算、校核與確定。計算表明，該主軸設(shè)計符合要求。主軸在滿足剛度、精度等要求下，完成其它（如軸承、軸向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)等）所有零件的設(shè)計。繪制了機(jī)構(gòu)總裝配圖、主要部件圖、零件圖等，編寫了設(shè)計說明書。
通過本次設(shè)計在鞏固、總結(jié)大學(xué)所學(xué)知識的同時，還為今后的學(xué)習(xí)和工作夯實基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；無級變速；主軸箱；設(shè)計；校核
Abstract
At present, the rapid development of CNC machine tools, high-speed, high-precision, complex, network, extreme, green has become the development trend of CNC machine tools and direction. China as a manufacturing power, still rely on price, resources and other aspects of comparative advantage, and in product innovation and independent development of foreign counterparts with the gap is still great. Therefore, its research and design is particularly important.
This design is the design of CNC lathe stepless speed control spindle box design. This paper describes the development history, current situation and trend of CNC machine tools, and introduces the working principle and key technology of spindle. The overall design of the machine tool, and then determine the overall layout of the machine, and then determine the reasonable spindle overall structure, respectively, the spindle motor, encoder and cooling systems and other components were designed, the main shaft and its main parts Carried out a detailed design, calculation, verification and determination. The calculation shows that the spindle design meets the requirements. The spindle completes the design of all parts (such as bearings, axial adjustment mechanism, locking mechanism, etc.) to meet the requirements of stiffness and precision. Drawing the organization assembly diagram, the main parts of the map, parts, etc., prepared a design manual.
Through this design in the consolidation, summed up the University of knowledge at the same time, but also for the future study and work to lay a solid foundation.
Key words：CNC lathe; stepless speed change; spindle box; design; check
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 數(shù)控車床的概述 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 3
1.4 本課題研究的目的、意義 5
第2章 總體方案的設(shè)計與確定 6
2.1 數(shù)控車床主軸組件的組成 6
2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定 6
2.3 數(shù)控車床主軸組件總體設(shè)計方案的確定 7
2.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 8
2.5 設(shè)計參數(shù)的確定 8
第3章 主軸組件的主運(yùn)動零部件的設(shè)計與計算 9
3.1 主軸電動機(jī)的選用 9
3.1.1 主電機(jī)功率估算 9
3.1.2 主電機(jī)選型 10
3.2 主軸的設(shè)計與計算 10
3.2.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.2.2 主軸受力分析 11
3.2.3 主軸的強(qiáng)度校核 13
3.2.4 主軸的剛度校核 13
3.2.5 軸承的配合 14
3.2.6 主軸軸承設(shè)計計算 14
3.3 同步帶的概述及計算 16
3.3.1 同步帶的簡介 16
3.3.2 同步帶的特點 17
3.3.3 同步帶傳動的主要失效形式 17
3.3.4 同步帶傳動的設(shè)計準(zhǔn)則 20
3.3.5 同步帶分類 20
3.3.6 同步帶的設(shè)計計算 20
第4章 三爪卡盤的設(shè)計與計算 23
4.1 總體框架的設(shè)計與確定 23
4.2 主要參數(shù)確定與結(jié)構(gòu)計算 24
4.2.1 液壓腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
4.2.2 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的設(shè)計 24
4.2.3 擺動角的設(shè)計 24
4.2.4 定子圓柱活塞杠面積的設(shè)計 24
4.2.5 活塞杠的升程 25
結(jié)論 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
I
第1章 緒論
1.1 數(shù)控車床的概述
近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，尤其是機(jī)械制造業(yè)中，普通機(jī)械正逐漸被高效率、高精度、高自動化的數(shù)控機(jī)械所代替。目前國外機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率已達(dá)到85%以上，而我國的機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率不足20%，隨著我國機(jī)制行業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對國計民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢來看，加強(qiáng)數(shù)控車床的整機(jī)設(shè)計中應(yīng)該把握的主要問題的訓(xùn)練。
數(shù)控車床可以分為、臥式和立臥兩用式數(shù)控車床，數(shù)控車床的應(yīng)用越來越廣泛，主要具有下列功能：
1、點位控制功能
利用這一功能，數(shù)控車床可以進(jìn)行只需要作點位控制的磚孔、擴(kuò)孔、忽孔、鉸孔和鏜孔等加工。
2、連續(xù)輪廓控制功能
數(shù)控車床通過直線和圓弧插補(bǔ)，可以實現(xiàn)對刀具運(yùn)動軌跡的連續(xù)輪廓控制，加工出由直線和圓弧兩種幾何要素構(gòu)成的平面輪廓工件。對非圓曲線構(gòu)成的平面輪廓，在經(jīng)過直線或圓弧逼近后也可以加工。除此之外，還可以加工一些空間曲面。
3、刀具半徑自動補(bǔ)償功能
使用這一功能，在編程時可以很方便地按工件實際輪廓形狀和尺寸進(jìn)行編程計算，而加工中可以使刀具中心自動偏離工件輪廓一個刀具半徑，加工出符合要求的輪廓表面。也可以利用該功能，通過改變刀具半徑補(bǔ)償量的方法來彌補(bǔ)車刀制造的尺寸精度誤差，擴(kuò)大刀具直徑選用范圍及刀具返修刃磨的允許誤差。
4、刀具長度補(bǔ)償功能
利用該功能可以自動改變切削平面高度，同時可以降低在制造與返修時對刀具長度尺寸的精度要求，還可彌補(bǔ)軸向?qū)Φ墩`差。
5、鏡像加工功能
鏡像加工也稱為軸對稱加工。對于一個軸對稱形狀的工件來說，利用這一功能，只要編出一半形狀的加工程序就可完成全部加工了。
6、固定循環(huán)功能
利用數(shù)控車床對空進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、鍃和鏜加工時，加工的基本動作是：刀具無切削快速到達(dá)孔位—慢速切削進(jìn)給—快速退回。對于這種典型化動作，可以專門設(shè)計一段程序在需要的時候進(jìn)行掉用來實現(xiàn)上述加工循環(huán)，特別是在加工許多相同的孔時，應(yīng)用固定循環(huán)功能可以大大簡化程序。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
建國60年來，在黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的關(guān)懷下，中國機(jī)床工業(yè)歷經(jīng)幾代人的拼搏，從無到有，從小到大，發(fā)生了天翻地覆的變化，如今發(fā)展成為產(chǎn)品布局合理，門類齊全，具有較大經(jīng)濟(jì)規(guī)模和較強(qiáng)技術(shù)實力的產(chǎn)業(yè)。
中國機(jī)床工具行業(yè)已開始走出國門與國際市場競爭，在國際上有了舉足輕重的話語權(quán)和產(chǎn)業(yè)地位，正在向世界機(jī)床工具制造強(qiáng)國的目標(biāo)邁進(jìn)。機(jī)床是一切機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)裝備，被稱之為“工作母機(jī)”。
中國機(jī)床工具行業(yè)一直在當(dāng)合國家領(lǐng)導(dǎo)人的關(guān)懷中不斷發(fā)展壯大。如今，中國數(shù)控機(jī)床的品種已達(dá)到2000余中種。通過突破國外多年的技術(shù)封鎖，相繼開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的各類數(shù)控機(jī)床，特別是研制出一批國際上首臺重型數(shù)控機(jī)床，滿足了國家重點工程的需要。
1、成功研發(fā)了一大批多種類型，多種規(guī)格多坐標(biāo)，智能，帶刀庫，帶A,B軸五軸聯(lián)動的臥式復(fù)合機(jī)床。
2、成功研發(fā)了一大批大規(guī)格，大尺寸，大噸位多品種的重型，超重型機(jī)床，其中許多是世界首臺最大規(guī)格的數(shù)控機(jī)床。
3、研發(fā)成功一大批高精，高速，高效的各類機(jī)床。
4、功能部件，數(shù)控系統(tǒng)，刃量具等方面產(chǎn)品研發(fā)。
我國的機(jī)床工業(yè)在新中國成立后建立起來的，解放后50年來，我國機(jī)床工業(yè)獲得了高速發(fā)展，我國已制定了完整的機(jī)床系列，機(jī)床品種日趨齊全，能生產(chǎn)上千個品種。數(shù)控車床從結(jié)構(gòu)上可分為、臥式及立臥兩用三種。
（1）數(shù)控車床
數(shù)控車床主軸軸線垂直于水平面，這種車床占數(shù)控車床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。
（2）臥式數(shù)控車床
臥式數(shù)控車床主軸的軸線平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充功能，臥式數(shù)控車床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)四坐標(biāo)、五坐標(biāo)加工。
（3）立臥兩用數(shù)控車床
這類車床可在一臺機(jī)床上進(jìn)行加工或臥式加工，同時具備立、臥式車床的功能。它的使用范圍更廣，功能更全。
日本、美國、英國、德國、法國、意大利等六國1989年金屬切削機(jī)床的總產(chǎn)值與1980年比，僅增加54%，但同期數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值比1980年刪增加了256%。1990年，日本數(shù)控機(jī)床的年產(chǎn)量已達(dá)61697臺，年產(chǎn)量的數(shù)控化率為31.8%，年產(chǎn)值的數(shù)控化率為76%。其他五國的年產(chǎn)量數(shù)控化率均在20%以上，年產(chǎn)值數(shù)控化率均在50%以上。上述六國擁有量數(shù)控化率在10%以上。1994年日本擁有量的數(shù)控化率為20.8%。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家的機(jī)床廠均生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，普通機(jī)床已逐步甩給第三世界營家去生產(chǎn)。在數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)中，生產(chǎn)最多的仍然是普通數(shù)控機(jī)床，特別是數(shù)控車床，但發(fā)展最快的則是可以自動換刀的數(shù)控車床。在近幾年的國際機(jī)床展覽會上，展品均以數(shù)控車床及由數(shù)控車床為主體的柔性加工單元及柔性制造系統(tǒng)為主?，F(xiàn)在，日本、德國、美國等三國生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)約占國際市場的三分之二。
中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展正當(dāng)其時。中國機(jī)床出口盡管比例不高，總金額比較少，但增長速度遠(yuǎn)高于進(jìn)口產(chǎn)品增速。目前中國國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平正在提高，在部分領(lǐng)域已經(jīng)能夠替代進(jìn)口，占據(jù)國內(nèi)高端數(shù)控機(jī)床主要市場的進(jìn)口產(chǎn)品即將面臨國產(chǎn)產(chǎn)品的沖擊。未來高端數(shù)控機(jī)床對進(jìn)口產(chǎn)品的替代潛力巨大。面對外出口的市場現(xiàn)在還處于萌芽期，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
1、高速化
隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。
2、高精度化
數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。
3、功能復(fù)合化
復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺機(jī)床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機(jī)床 如鏜銑鉆復(fù)合—加工中心、車銑復(fù)合—車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心等；工序復(fù)合型機(jī)床如多面多軸聯(lián)動加工的復(fù)合機(jī)床和雙主軸車削中心等。采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制 造商的市場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機(jī)床向模塊化、多軸化發(fā)展。
4、控制智能化
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。
5、體系開放化
（1）向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；
（2）向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求；
（3）數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立。
6、驅(qū)動并聯(lián)化
并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動性不夠等固有缺 陷，在機(jī)床主軸與機(jī)座之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)構(gòu)驅(qū)動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動，可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。
并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個重要研究方向，受到了國際機(jī)床行業(yè)的高度重視，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。
7、極端化
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)，需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機(jī)床包括微切削加工機(jī)床、微電加工機(jī)床、微激光加工機(jī)床和微型壓力機(jī)等的需求量正在逐漸增大。
8、信息交互網(wǎng)絡(luò)化
對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)，還可實現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)。
9、新型功能部件
為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。
10、高可靠性
11、加工過程綠色化
12、多媒體技術(shù)的應(yīng)用
1.4 本課題研究的目的、意義
數(shù)控車床廣泛應(yīng)用于加工回轉(zhuǎn)類復(fù)雜零件，作為數(shù)控車床重要組成部分的主傳動系統(tǒng)包括主軸電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸組件，本課題對數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計以滿足無級調(diào)速范圍、熱變形小、運(yùn)動精度高等加工要求。
主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的，它將主電動機(jī)的原動力變成可供主軸上刀具切削力矩和切削速度。為適應(yīng)各種不同的加工及各種不同的加工方法，數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)具有無級調(diào)速范圍，以保證加工時能選用合理的切削用量，同時主傳動系統(tǒng)還需要有較高精度及剛度并盡可能降低噪聲，從而獲得最佳的生產(chǎn)率，加工精度和表面質(zhì)量。
本次課題通過對數(shù)控車床無級變速主軸箱進(jìn)行設(shè)計，通過設(shè)計達(dá)到改善機(jī)床的加工性能，提高加工精度，穩(wěn)定加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的目的。
另外通過本次設(shè)計能夠?qū)Υ髮W(xué)所學(xué)到的知識進(jìn)行一次較為全面的總結(jié)，為以后的學(xué)習(xí)、工作以及研究打下基礎(chǔ)。這也是本次設(shè)計的主要目的之一。
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第2章 總體方案的設(shè)計與確定
數(shù)控車床具有數(shù)控車床的特點，自動變速，變速方法采用無級變速加有級變速。無級變速采用交流變頻調(diào)速電機(jī)，實現(xiàn)兩極變速，變速過程中齒輪的嚙合通過離合器的得電和失電來實現(xiàn)。
數(shù)控車床主軸部件的設(shè)計主要有軸以及軸上零件，選擇合適的電機(jī)，滿足切削時的功率要求，選擇電機(jī)時根據(jù)典型切削工藝求得切削是需要的功率。機(jī)械部分?jǐn)?shù)控化設(shè)計需涉及電機(jī)的選擇、機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算等方面的內(nèi)容：
經(jīng)過權(quán)衡，決定伺服驅(qū)動元件選用混合式步進(jìn)電機(jī)，其不僅步距角小運(yùn)行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命長。橫縱向進(jìn)給電機(jī)均選用同一型號以便于設(shè)計和日后維修。脈沖當(dāng)量t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6°。對機(jī)床的主傳動系統(tǒng)均維持不變。
2.1 數(shù)控車床主軸組件的組成
主軸組件是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等組成的。主軸的啟動、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是數(shù)控車床的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對數(shù)控車床的性能有很大的影響，它決定著數(shù)控車床的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。主軸內(nèi)部刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)是自動刀具交換裝置的組成部分。
2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定
對于現(xiàn)在的機(jī)床主軸傳動機(jī)構(gòu)來說，主要分為齒輪傳動和同步帶傳動。
齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動之一，應(yīng)用普遍，類型較多，適應(yīng)性廣。其傳遞的功率可達(dá)近十萬千瓦，圓周速度可達(dá)，效率可達(dá)。齒輪傳動大多數(shù)為傳動比固定的傳動。其制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。
同步帶是嚙合傳動中唯一一種不需要潤滑的傳動方式。在嚙合傳動中，它的結(jié)構(gòu)最簡單，制造最容易，最經(jīng)濟(jì)，彈性緩沖的能力最強(qiáng)，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產(chǎn)，帶輪自行設(shè)計制造，它在遠(yuǎn)距離、多軸傳動時比較經(jīng)濟(jì)。同步帶傳動時的線速度可達(dá)，傳動功率可達(dá)，傳動比可達(dá)，傳動效率可達(dá)。
同步帶傳動的優(yōu)點有：
1、無滑動，能保證固定的傳動比；
2、預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷??；
3、帶的厚度小，單位長度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高；
4、帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。
其主要缺點是安裝時中心距的要求嚴(yán)格。
由于齒輪傳動需要具備較多的潤滑條件，而且為了使主軸能夠達(dá)到一定的旋轉(zhuǎn)精度，必須選擇較好的工作環(huán)境，以防止外界雜物侵入。而同步帶傳動則避免了這些狀況，并且傳動效率和傳動比等都能符合課題的要求，故本課題的主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。
2.3 數(shù)控車床主軸組件總體設(shè)計方案的確定
綜合上節(jié)中的方案，本課題的總體設(shè)計方案現(xiàn)確定如下：
由于同步帶無滑動，能保證固定的傳動比，且傳動效率高，允許的線速度較高，無需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。
在主軸的進(jìn)給運(yùn)動中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時無爬行、無振動，能夠很好地確保Z軸的進(jìn)給精度。
由于數(shù)控車床具備自動換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢測定向，其不僅能夠使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測到主軸的轉(zhuǎn)速，并在數(shù)控車床的操控面板上顯示出來，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。
在換刀過程中，刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)也是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時能緊緊地固定在主軸上，在換刀時能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運(yùn)行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動來達(dá)到刀桿的松緊目的。同時，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個緩沖的作用。同時，在換刀過程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。
2.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝
主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測裝置，微機(jī)從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進(jìn)給量保持一定關(guān)系，確保螺距的準(zhǔn)確性。主軸脈沖發(fā)生器安裝通常有兩種：一種是同軸安裝，另一種是異軸安裝。
一般經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設(shè)計選用MCZ-2主軸脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝方式并采用波紋管與主軸柔性連接，該連接方式在實現(xiàn)角位移傳遞的同時，能夠吸收車床的部分振動，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。
2.5 設(shè)計參數(shù)的確定
通過對任務(wù)書的解讀，能夠知道本次設(shè)計課題的設(shè)計參數(shù)為：
1、主軸最小轉(zhuǎn)速；
2、主軸最大轉(zhuǎn)速；
3、主軸最大輸出功率。
30
第3章 主軸組件的主運(yùn)動零部件的設(shè)計與計算
3.1 主軸電動機(jī)的選用
3.1.1 主電機(jī)功率估算
通過對任務(wù)書的解讀，能夠知道主軸最大輸出功率
主電機(jī)功率
式中：—機(jī)床主傳動系統(tǒng)傳動效率。滾珠軸承傳動效率0.99，同步帶傳動效率0.98
現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床常用直流電動機(jī)和交流調(diào)頻電機(jī)兩種。目前，中小型數(shù)控機(jī)床中，交流調(diào)頻電機(jī)已占優(yōu)勢，有取代直流電機(jī)之勢。本文所設(shè)計的車床采用交流調(diào)頻電機(jī)調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的，額定轉(zhuǎn)速常為1500r/min，如圖3-1所示是變速電機(jī)的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域Ⅱ為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。
圖3-1 變速電動機(jī)的功率特性
在設(shè)計數(shù)控車床主傳動時，必須考慮電機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電機(jī)的恒功率變速范圍，所以在電機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴(kuò)大其功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時對電機(jī)的輸出功率要求。為了簡化變速箱結(jié)構(gòu)，變速級數(shù)應(yīng)少些，變速箱公比可取大于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即>。這時，變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng)功率特性圖中出現(xiàn)“缺口”，稱之功率降低區(qū)。使用“缺口”范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時，為限制轉(zhuǎn)矩過大，得不到電動機(jī)輸出的全部功率。為保證缺口處的輸出功率，電動機(jī)的功率應(yīng)相應(yīng)的增大。為了滿足主軸傳遞5kw，最高轉(zhuǎn)速1600r/min的要求，選擇上海富田電機(jī)生產(chǎn)的IAG系列變頻調(diào)速專用感應(yīng)電動機(jī)，其型號為IAG132M—1500—5.5。
其中：IAG—系列代號
132—極座號（中心高）
M—機(jī)座長度代號，有S、M、L三種類型
1500—基本轉(zhuǎn)速（單位：r/min）
7.5—額定功率（單位：kw）
電機(jī)1500rmin內(nèi)，實現(xiàn)恒扭矩輸出，在11.5—3200r/min內(nèi)實現(xiàn)恒功率輸出；
3.1.2 主電機(jī)選型
利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制，可作為CNC機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等執(zhí)行元件。
FANUC交流主軸電機(jī)S系列從0.65kW～37kW共分13種。它的特點是轉(zhuǎn)速高、輸出功率大、性能可靠、精度好、振動小、噪音低，既適合于高速切削又適合于低速重切削。該系列可應(yīng)用在各種類型的數(shù)控機(jī)床上。根據(jù)主電機(jī)功率PE=7.5kW，故本課題選用FANUC交流主軸電機(jī)6S型號。其主要技術(shù)參數(shù)如下：
1. 額定輸出功率：；
2. 最高速度：；
3. 額定輸出轉(zhuǎn)矩：；
3.2 主軸的設(shè)計與計算
3.2.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內(nèi)孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見圖3-2。
圖3-2 主軸主要參數(shù)示意圖
主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應(yīng)取較小值。
設(shè)計時主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。數(shù)控車床主軸前軸頸直徑按主電動機(jī)功率來確定，查得。
由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關(guān)系：
3.2.2 主軸受力分析
軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。
(a)
(b)
(c)
圖3-3 軸承受力圖
主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動的支承形式。圖示3-3a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3-3b）和水平面（圖3-3c）兩個平面力系。
由公式得出切向車削力
徑向負(fù)荷
切向負(fù)荷
軸向負(fù)荷
圖3-4 靜不定梁鉛垂面分解圖
由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。圖示3-4為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調(diào)條件，即要求。
利用疊加法，得撓度為：
式中：—徑向（切向）負(fù)荷分力，單位為；
—徑向（切向）負(fù)荷，單位為；
—材料的彈性模量，；—軸慣性矩，。
。將，代入公式，則鉛垂面的撓度為：
，得
，得
，得
將，代入公式，則水平面的撓度為：
，得
，得
，得
3.2.3 主軸的強(qiáng)度校核
從合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖上得知，主軸在截面C、D處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩。因此，這兩個截面是危險截面。在校核主軸的強(qiáng)度時應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計算。
軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為
式中：—軸的計算應(yīng)力，；—軸的抗彎截面系數(shù)，；
—折合系數(shù)；—軸的許用彎曲應(yīng)力，；
—軸所受的扭矩，單位為；—軸所受的彎矩，單位為。
軸的抗彎截面系數(shù)為
式中：—軸頸處直徑，單位為；—，此處，為軸孔直徑。
得
根據(jù)主軸材料為，查得許用彎曲應(yīng)力。按扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)。
將上述參數(shù)代入公式，則軸的計算應(yīng)力為
因為，所以主軸的強(qiáng)度符合要求。
3.2.4 主軸的剛度校核
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對于本課題的主軸，應(yīng)該按軸的彎曲剛度校核。軸計算剛度經(jīng)驗公式為
式中：—軸的計算撓度，單位為；—軸慣性量，單位為；
—軸所用材料的彈性模量，單位為；—支承跨度，單位為；
—軸所受圓周力，；—軸所受徑向力，單位為。—軸的允許撓度
已知：，，，，。
查得軸的允許撓度為
將上述參數(shù)代入公式，則軸的計算剛度為
由于，所以軸能夠滿足剛度要求。綜上所述，軸的強(qiáng)度，剛度均符合校核要求。
3.2.5 軸承的配合
由于主軸軸承在工作時基本上都是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈相對固定不動,且主軸承受載荷多為定向載荷。因此,為了提高軸承的剛性,防止軸承在工作期間因摩擦發(fā)熱而引起內(nèi)圈膨脹,導(dǎo)致內(nèi)圈與主軸之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動現(xiàn)象, 精密機(jī)床主軸軸承內(nèi)圈與主軸之間一般選擇過盈配合。另外,為了使軸承外圈溝道不只在某一局部受力,允許軸承外圈在軸承座內(nèi)出現(xiàn)蠕動現(xiàn)象, 以盡可能地延長軸承的使用壽命。同時,為防止軸承外圈因熱膨脹引起與軸承座之間的過緊現(xiàn)象, 引起軸承預(yù)緊增加,導(dǎo)致摩擦發(fā)熱加劇,故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合。
在本課題中，固定端前支承的7017C角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配合,配合目標(biāo)間隙值取3～8μm。為了提高機(jī)床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過盈配合, 配合目標(biāo)過盈量取0～4μm。而后支承的7015C角接觸球軸承與主軸選用過盈配合, 配合目標(biāo)過盈量取0～3μm。與軸承座之間為間隙配合,配合目標(biāo)間隙值取9～15μm。
3.2.6 主軸軸承設(shè)計計算
1、軸承受力分析
軸承的受力簡圖參見圖3-3。從圖上可知，在A、B兩處所用的是同種型號的角接觸球軸承，且D處的軸承是成對使用，共同承擔(dān)支承作用。所以，校驗C、D處7017AC軸承只需取受力最大處即可。
已知：，，，
則軸承7017AC所受徑向合力為
軸承7015AC所受徑向合力為
2、軸承7017AC壽命計算
軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預(yù)期計算壽命為
已知軸承7017AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷。由表13-5[23]查得分界判斷系數(shù)。
查得徑向動載荷系數(shù)X=1，軸向動載荷系數(shù)Y=0。
根據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動載荷為
以小時數(shù)表示的軸承壽命（單位為h）為
式中：—失效率（可靠度）的基本額定壽命（）
—軸承的轉(zhuǎn)速，單位為；—基本額定動載荷，單位為；
—當(dāng)量動載荷，單位為；—壽命指數(shù)，對球軸承，滾子軸承。
基本額定動載荷。將上述參數(shù)代入，則以小時數(shù)表示的軸承壽命為
由于，所以能夠滿足要求。
3、軸承7015AC壽命計算
軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預(yù)期計算壽命為
已知軸承7015AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷。由表13-5[23]查得分界判斷系數(shù)。
查得徑向動載荷系數(shù)X=0.41，軸向動載荷系數(shù)Y=0.87。根據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動載荷為
基本額定動載荷。將上述參數(shù)代入，則以小時數(shù)表示的軸承壽命為
由于，所以能夠滿足要求。
3.3 同步帶的概述及計算
3.3.1 同步帶的簡介
同步帶是綜合了帶傳動、鏈條傳動和齒輪傳動的優(yōu)點而發(fā)展起來的新塑傳動帶。它由帶齒形的一工作面與齒形帶輪的齒槽嚙合進(jìn)行傳動，其強(qiáng)力層是由拉伸強(qiáng)度高、伸長小的纖維材料材料組成，以使同步帶在傳動過程中節(jié)線長度基本保持不變，帶與帶輪之間在傳動過程中投有滑動，從而保證主、從動輪間呈無滑差的間步傳動。
同步帶傳動（見圖3-5）時，傳動比準(zhǔn)確，對軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用溫度-20℃―80℃，v<50m/s，P<300kw,i<10,對于要求同步的傳動也可用于低速傳動。
圖3-5 同步帶傳動
同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點。轉(zhuǎn)動時，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達(dá)1：10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 本產(chǎn)品廣泛用于紡織、機(jī)床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、食品等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳動中。同步帶的使用，改變了帶傳動單純?yōu)槟Σ羵鲃拥母拍?，擴(kuò)展了帶傳動的范圍，從而成為帶傳動中具有相對獨(dú)立性的研究對象，給帶傳動的發(fā)展開辟了新的途徑。
3.3.2 同步帶的特點
1、傳動準(zhǔn)確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比；
2、傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；
3、傳動效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯；
4、維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用低；
5、速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；
6、可用于長距離傳動，中心距可達(dá)10m以上。
3.3.3 同步帶傳動的主要失效形式
在同步帶傳動中常見的失效形式有如下幾種：
1、同步帶的承載繩斷裂破壞
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承載繩斷裂損壞是常見的失效形式。失效原因是帶在傳遞動力過程中，在承載繩作用有過大的拉力，而使承載繩被拉斷。此外當(dāng)選用的主動撈輪直徑過小，使承載繩在進(jìn)入和退出帶掄中承受較大的周期性的彎曲疲勞應(yīng)力作用，也會產(chǎn)生彎曲疲勞折斷(見圖3-6)。
圖3-6 同步帶承載繩斷裂損壞
2、同步帶的爬齒和跳齒
根據(jù)對帶爬齒和跳齒現(xiàn)象的分析，帶的爬齒和眺齒是由于幾何和力學(xué)兩種因素所引起。因此為避免產(chǎn)生爬齒和跳齒，可采用以下一些措施：
（1）控制同步帶所傳遞的圓周力，使它小于或等于由帶型號所決定許用圓周力。
（2）控制帶與帶輪間的節(jié)距差值，使它位于允許的節(jié)距誤差范圍內(nèi)。
（3）適當(dāng)增大帶安裝時的初拉力開。，使帶齒不易從輪齒槽中滑出。
（4）提高同步帶基體材料的硬度，減少帶彈性變形，可以減少爬齒現(xiàn)象的產(chǎn)生。
3、帶齒的剪切破壞
帶齒在與帶輪齒嚙合傳力過程中，在剪切和擠壓應(yīng)力作用下帶齒表面產(chǎn)生裂紋此裂紋逐漸向齒根部擴(kuò)展，并沿承線繩表面延件，直至整個帶齒與帶基體脫離，這就是帶齒的剪切脫落（見圖3-7）。造成帶齒剪切脫落的原因大致有如下幾個：
（1）同步帶與帶輪問有較大的節(jié)距差，使帶齒無法完全進(jìn)入輪齒槽，從而產(chǎn)生不完全嚙合狀態(tài)，而使帶齒在較小的接觸面積上承受過大的載荷，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致帶齒剪切損壞。
（2）帶與帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)過少，使嚙合帶齒承受過大的載荷，而產(chǎn)生剪切破壞。
（3）同步帶的基體材料強(qiáng)度差。
為減少帶齒被剪切，首先應(yīng)嚴(yán)格控制帶與帶輪間的節(jié)距誤差，保證帶齒與輪齒能正確嚙合；其次應(yīng)使帶與帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)等于或大于6，此外在選材上應(yīng)采用有較高勿切韌擠壓強(qiáng)度的材料作為帶的基體材料。
圖3-7 帶齒的剪切破壞
4、帶齒的磨損
帶齒的磨損（見圖3-8）包括帶齒工作面及帶齒齒頂因角處和齒谷底部的廓損。造成磨損的原因是過大的張緊力和忻齒和輪齒間的嚙合干涉。因此減少帶齒的磨損，應(yīng)在安裝時合理的調(diào)整帶的張緊力；在帶齒齒形設(shè)計時，選用較大的帶齒齒頂圓角半徑，以減少嚙合時輪齒的擠壓和刮削；此外應(yīng)提高同步帶帶齒材料的耐磨性。
圖3-8 帶齒磨損
5、同步帶帶背的龜裂(圖3-9)
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時期后，有時在帶背會產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，而使帶失效。同步帶帶背產(chǎn)生龜裂的原因如下：
（1）帶基體材料的老化所引起；
（2）帶長期工作在道低的溫度下，使帶背基體材料產(chǎn)生龜裂。
圖3-9 同步帶帶背龜裂
防止帶背龜裂的方法是改進(jìn)帶基體材料的材質(zhì)，提向材料的耐寒、耐熱性和抗老化性能，此外盡量避免同步帶在低溫和高溫條件下工作。
3.3.4 同步帶傳動的設(shè)計準(zhǔn)則
據(jù)對同步帶傳動失效形式的分析，可知如同步帶與帶輪材料有較高的機(jī)械性能，制造工藝合理，帶、輪的尺寸控制嚴(yán)格，安裝調(diào)試也正確，那么許多失效形式均可避免。因此，在正常工作條件下，同步帶傳動的主要失效形式為如下三種；
1、同步帶的承載繩疲勞拉斷；
2、同步帶的打滑和跳齒；
3、同步帶帶齒的磨損。
因此，同步帶傳動的設(shè)計淮則是同步帶在不打滑情況下，具有較高的抗拉強(qiáng)度，保證承線繩不被拉斷。此外，在雜質(zhì)較多的工作條件下應(yīng)對帶齒進(jìn)行耐磨性計算。
3.3.5 同步帶分類
同步帶齒有梯形齒和弧齒兩類，弧齒又有三種系列：圓弧齒(H系列又稱HTD帶)、平頂圓弧齒(S系列又稱為STPD帶)和凹頂拋物線齒（R系列)。
梯形齒同步帶
梯形齒同步帶分單面有齒和雙面有齒兩種，簡稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為對稱齒型（代號DA)和交錯齒型(代號DB〕。
梯形齒同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制和模數(shù)制。我國采用節(jié)距制。
弧齒同步帶
弧齒同步帶除了齒形為曲線形外，其結(jié)構(gòu)與梯形齒同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當(dāng)，其齒高、齒根厚和齒根圓角半徑等均比梯形齒大。帶齒受載后，應(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)力集中，提高了齒的承載能力。故弧齒同步帶比梯形齒同步帶傳遞功率大，且能防止嚙合過程中齒的干涉。
弧齒同步帶耐磨性能好，工作時噪聲小，不需潤滑，可用于有粉塵的惡劣環(huán)境。已在食品、汽車、紡織、制藥、印刷、造紙等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
3.3.6 同步帶的設(shè)計計算
1、設(shè)計功率
根據(jù)工作機(jī)為數(shù)控車床，原動機(jī)為交流電動機(jī)，每天兩班制工作（按計），查得。故設(shè)計功率為
式中：—傳遞的功率，；—載荷修正系數(shù)
2、選定帶型和節(jié)距
根據(jù)設(shè)計功率，小帶輪轉(zhuǎn)速，確定帶輪帶型為H型。
按照同步帶的帶型為H型，查得節(jié)距
3、小帶輪齒數(shù)
根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速，同步帶的帶型為H型，查得小帶輪的最小齒數(shù)，故取
4、小帶輪節(jié)圓直徑
式中：—小帶輪齒數(shù)；—節(jié)距。
按照小帶輪齒數(shù)，同步帶的帶型為H型，查得其外徑
5、大帶輪齒數(shù)
式中：—小帶輪轉(zhuǎn)速；—大帶輪轉(zhuǎn)速。
大帶輪齒數(shù)
6、大帶輪節(jié)圓直徑
式中：—節(jié)距。
按大帶輪齒數(shù)，同步帶帶型為H型，查得其外徑
7、帶速
式中：—小帶輪節(jié)圓直徑；—小帶輪轉(zhuǎn)速。
8、初定軸間距
經(jīng)驗公式：
式中：—小帶輪節(jié)圓直徑；—大帶輪節(jié)圓直徑。
將，值代入公式，得。故取。
9、帶長及其齒數(shù)
式中：-帶長；-初定軸間距；-小帶輪節(jié)圓直徑；-大帶輪節(jié)圓直徑。
按帶長，同步帶的帶型為H型，查得應(yīng)選用帶長代號為的H型同步帶，節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數(shù)。
10、實際軸間距
實際軸間距
式中：—初定軸間距；—節(jié)線長；—帶長。
11、小帶輪嚙合齒數(shù)
式中：—小帶輪嚙合齒數(shù)；—節(jié)距。
12、基本額定功率
按照同步帶的帶型為H型，查得帶的許用工作拉力，帶的單位長度的質(zhì)量?；绢~定功率為：
式中：—寬度為的帶的許用工作拉力；—寬度為的帶單位長度的質(zhì)量；
13、帶寬
按同步帶的帶型為H型，查得；按小帶輪嚙合齒數(shù)，查得嚙合齒數(shù)系數(shù)。帶寬為：
式中：—嚙合齒數(shù)系數(shù)；—同步帶的基準(zhǔn)寬度，
按照帶寬，同步帶帶型為H型，確定選帶寬代號為的H型帶，其帶寬。
第4章 三爪卡盤的設(shè)計與計算
4.1 總體框架的設(shè)計與確定
本設(shè)計是在三爪卡盤的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增設(shè)一個液壓機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)夾緊省力的，設(shè)計方案如圖4-1所示，主要是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個螺旋盤，一個擺動油缸及柱塞等。大錐齒輪背面加工出凹槽，圓柱活塞一端與槽配合，另一端裝在液壓缸定子葉片的孔中，端部裝有彈簧，柱塞在彈簧作用下，一端始終與凹槽接觸。
工作時利用轉(zhuǎn)動杠轉(zhuǎn)動小錐齒輪2帶動大錐齒輪3,當(dāng)卡爪7未接觸工件時,圓錐螺旋彈簧5所受載荷較小,圓柱活塞4與大錐齒輪3無相對運(yùn)動,缸體6隨之一起轉(zhuǎn)動,卡爪7徑向移動,接近工件,此為空行程。當(dāng)卡爪7接觸工件后,所受阻力激增,進(jìn)給激減，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄，活塞4受力增大，當(dāng)其達(dá)到一定程度時，圓錐螺旋彈簧5被壓縮，活塞4與大錐齒輪3產(chǎn)生相對運(yùn)動，活塞4向定子孔中運(yùn)動，液壓油12被加壓縮，液體推動轉(zhuǎn)子葉片10旋轉(zhuǎn)，卡爪7徑向微進(jìn)給，此為夾緊行程。當(dāng)大錐齒輪3繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至某一角度，活塞4將復(fù)位，繼續(xù)轉(zhuǎn)動，將重復(fù)上一次的運(yùn)動直到把工件完全夾緊。
1.卡盤體端蓋；2.小錐齒輪；3.大錐齒輪；4.圓柱活塞；5.圓錐螺旋彈簧；6.液壓缸體；7.卡爪；8.定子葉片；9.換油機(jī)構(gòu)；10.轉(zhuǎn)子葉片；11.缸體端蓋；12.液壓油；13.卡盤體
圖4-1 卡盤結(jié)構(gòu)方案簡圖
4.2 主要參數(shù)確定與結(jié)構(gòu)計算
以下以在KZ320型卡盤基礎(chǔ)上增設(shè)一個螺旋擺動式液壓機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析。
4.2.1 液壓腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)其具體的安裝條件和強(qiáng)度剛度要求，擬對其尺寸初步?。?
外壁厚：n1=16mm；內(nèi)壁厚：n2=8mm；油腔寬：a=30mm；空隙寬：x=1mm
故液壓腔的面積：S1=a(D/2-d/2-L1-L2-x-n1-n2) =1350mm2
其中：卡盤體大徑D=320mm；小徑d=100mm；卡盤體外壁厚L1=25mm；卡盤體內(nèi)壁厚L2=15mm。
4.2.2 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的設(shè)計
擺動缸中轉(zhuǎn)子葉片的作用是得到盡可能大的扭矩,其輸出扭矩的表達(dá)式為：
M=Zb(2-2)Pym
其中：Z：葉片數(shù)；b：軸間寬度；D1：油腔大徑；d1：油腔小徑；P：進(jìn)油口壓力(Pa)；Ym：機(jī)械效率；
D1=D-2L1-2X1-2n1=236mm；d1=d+2L1+2L2=146mm
在b、D1、d1、P及Ym等一定的情況下，理論上葉片數(shù)越大，得到輸出扭矩也越大。
在本設(shè)計中，擺動液壓缸是利用液體壓強(qiáng)向各個方向等壓強(qiáng)傳遞的原理，來實現(xiàn)軸向運(yùn)動向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)換。由于已知結(jié)構(gòu)特定，故在本方案中其輸出扭矩并不隨葉片數(shù)的增大而增大，在外力一定的情況下，M只與油腔軸向面積成正比。葉片數(shù)Z只影響壓力油壓強(qiáng)，但最終扭矩不變。故為了便于制造、安裝和密封，取 Z=3.
4.2.3 擺動角的設(shè)計
由經(jīng)驗可知，在通常情況下，工件被夾緊時其變形B≤1mm,取每次夾緊行程中卡爪進(jìn)給0.05mm,故可得擺動角θ=360o∕tf=1.5o
其中：平面螺旋機(jī)構(gòu)的升程t=12，卡爪每次進(jìn)給量f=0.05。
4.2.4 定子圓柱活塞杠面積的設(shè)計
由結(jié)構(gòu)可知，葉片輸出扭矩M=PS1rZ1Ym
其中P：進(jìn)油口壓強(qiáng)；S：葉片面積；Z：葉片數(shù)
r：葉片面積的幾何中心到軸心線的距離；Ym：機(jī)械效率
油液壓強(qiáng)P=F2/S2（3.4）
其中F2=F/Z，每個葉片受力F1=PS1，F(xiàn)1/F2=S1/S2=σ1，其中σ1為增力比,為一常數(shù),故S2=S1/σ1
4.2.5 活塞杠的升程
活塞杠的升程H=H1+H2 分別確定H1、H2
再根據(jù) H=σm；其中σ：增力比
m：卷子葉片的平均移動距離m=θ0/πr=θ0/π（D1+d2/2）191/2×2π/200=3mm
根據(jù)安裝的需要，活塞杠軸線與卡盤體軸線R=（191-6）/2==92mm
得輪廓線參數(shù)L=2πr/6=90.3mm
則H=mσ1=12mm, 故S2=S1/σ1,=1350/15=270mm；r2=σ1S2/π=9.0mm
凹槽輪廓線的增力部分增力比最大為σ3=J/L
對活塞杠進(jìn)行受力分析,如圖4-2所示
圖4-2 活塞杠受力圖
θ=Nsinα+Fcosα；J=Ncosα；F=Nf
其中f為摩擦系數(shù),可取f=0.18,則：σ3=T/Q=1/tgα+ f
若α取極大值,則 tgα≤H/L-2r1=15/96.3-18=0.20
故可得：σ3min=1/0.20+0.18=1/0.36=2.6
σ1σ3=4×2.5=10.4
由于新增機(jī)構(gòu)增力比為σ1σ3,且其他機(jī)構(gòu)不變,故σ1σ3就是最終的增力比.設(shè)計目標(biāo)為增力比σ0=10,故σ1σ3=10.4相差不大,符合要求。
故取σ1=4,H=mσ1=12mm可設(shè)H1=4mm,H2=8mm。
參數(shù)θ1的設(shè)計
當(dāng)活塞杠處于與凹槽配合狀態(tài)，與大錐齒輪還沒有相對滑動時，其受力如圖4-3所示：
圖4-3 活塞杠—凹槽受力圖
取臨界狀態(tài)分析，則根據(jù)平衡條件可得：
Fcosθ+Nsinθ+R2=R 水平力平衡
F1+F2+Fsinθ+T=Nsinθ 豎直力平衡
Fcosθ+Nsinθ=Q
F=Rf；T=PS2+T0
T：圓錐螺旋彈簧彈力；F1、F2為密封圈處摩擦力；R1、R2為密封圈處空壁對活塞杠作用力；f：摩擦系數(shù)取f=0.15，f1=f2=0.3
已知H1=4,力N的作用點在h=H1/2=2處,為方便計算和實際需要,初取θ=45
由以上各式可得：
(3.83sinθ-0.85cosθ)T/(0.1cosθ+sinθ)=2R1
(1.83sinθ-1.15cosθ)Q/(0.15cosθ+sinθ)=2R2
由于T≥0，θ≤52°38′；由于R2≥0，θ≤32°9′
取θ=32°9′，則T=0.86Q，R2=0
取θ=52°38′，則T=0.故可得：
隨著θ的增大,T急劇減少,且T隨活塞杠升程增大而增大,其與彈簧彈力及液體壓強(qiáng)有關(guān),若彈簧確定,則臨界T確定,即能求得螺旋盤從空行程轉(zhuǎn)入到夾緊行程的最小動力，故θ=45符合要求,此時R1=1.3Q，R2=0.3Q，T=0.26Q。
結(jié)論
論文終于完成了，完成這篇論文的過程實際上就是對我大學(xué)所學(xué)知識的一次溫習(xí)。在完成論文的這段時間里面，有很多知識點是書本上沒有的，我要在課外資料里面進(jìn)行尋找，這樣一來，擴(kuò)展了我的知識面，針對論文里面研究的無級變速主軸箱，讓我進(jìn)一步有所了解。在對無級變速主軸箱設(shè)計的時候，具體是怎么樣的一個流程現(xiàn)在我也有所了解了。這篇論文也是我將理論知識與實踐很好結(jié)合的一次體驗。本次設(shè)計的內(nèi)容大致可以歸納為：
1、對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、公差配合、AUTOcad、Word等辦公軟件有更深的了解和更熟練的掌握。
2、對機(jī)械設(shè)計和液壓傳動得到進(jìn)一步了解。掌握了零部件設(shè)計的步驟和方法。
3、通過查閱資料，我學(xué)會了如何利用工具書上的公式，對主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的校核。
4、因本次設(shè)計所有的資料都來源于圖書館和累積下來的手稿。來自網(wǎng)絡(luò)粗糙的的知識，可直接利用的卻不夠詳盡，不夠本原。
5、沒有通過分析軟件對本結(jié)構(gòu)進(jìn)行干涉、變形及穩(wěn)定性的分析，這也是本次設(shè)計的不足之處。我將通過在今后的工作中來彌補(bǔ)這一不足，使得設(shè)計更加完美。
本次設(shè)計雖然已經(jīng)完成，但我的課題研究仍沒結(jié)束，希望在將來的學(xué)習(xí)與工作中為機(jī)械工業(yè)設(shè)計的理學(xué)與美學(xué)的融合出出一份力。
致謝
在這里我要特別感謝我的指導(dǎo)老師。他為人隨和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心。在閑聊中他總是能像知心朋友一樣鼓勵我，在論文的寫作和措辭等方面他也總會以“專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”嚴(yán)格要求我，從選題、定題開始，一直到最后論文的反復(fù)修改、潤色，指導(dǎo)老師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我深刻而細(xì)致地指導(dǎo)，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。正是老師的無私幫助與熱忱鼓勵，我的說明書才能夠得以順利完成。
還有許多人，也許他們只是我生命中匆匆的過客，但他們對我的支持和幫助依然在我記憶中留底了深刻的印象。在此無法一一羅列，但對他們，我始終心懷感激。最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進(jìn)行審閱、評議和參加本人論文答辯的各位師長表示感謝！
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