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一種手持式電鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
專(zhuān)業(yè)班級(jí)：
XXXX
學(xué)生學(xué)號(hào)：
XXXXXXXX
學(xué)生姓名：
XXX
指導(dǎo)老師：
XXX
二〇一八年六月
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫(xiě)的研究成果，也不包含為獲得華東交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)所使用過(guò)的材料。
如在文中涉及抄襲或剽竊行為，本人愿承擔(dān)由此而造成的一切后果及責(zé)任。
本人簽名____________
導(dǎo)師簽名__________
年 月 日
Abdtract
摘要
一種手持式電鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
摘要
電鉆是一類(lèi)鉆孔切削的電動(dòng)工具，常常應(yīng)用于在金屬或者非金屬材料上進(jìn)行鉆孔加工，電鉆特點(diǎn)：體積小、靈活性高、重量輕、方便攜帶等。所以在我們的日常生活中經(jīng)常使用到電鉆，在我國(guó)的許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，也將會(huì)帶動(dòng)許多電動(dòng)工具行業(yè)的發(fā)展，電鉆就是其中之一。
手持式電鉆通常是由電動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、鉆夾頭、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開(kāi)光、電線、外殼等組成，電鉆工作原理是電動(dòng)機(jī)通電以后，電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)了齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)裝置減速后，驅(qū)動(dòng)鉆頭上的工具對(duì)材料進(jìn)行鉆孔加工。此次研究設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的電鉆優(yōu)勢(shì)的了解，和對(duì)電鉆行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)的比較，都對(duì)該次的設(shè)計(jì)提供了很好的的設(shè)計(jì)思路，在對(duì)電鉆的各個(gè)組成部分的選用上都進(jìn)行了比較。本次的研究主要對(duì)電鉆傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和說(shuō)明。最后利用proe5.0和AutoCAD2010完成電鉆的三維立體模型和二維圖的繪制
關(guān)鍵詞：電鉆、減速裝置設(shè)計(jì)
IV
Abstract
Design and analysis of a handheld electric drill
ABSTRACT
Electric drill is a kind of electric tool for drilling and cutting. It is often used in drilling on metal or non metal materials. The characteristics of electric drill are small volume, high flexibility, light weight, easy to carry and so on. So in our daily life, we often use electric drill, which has been widely applied in many areas of our country. The development of China's economic construction will also lead to the development of many electric tools industry. Electric drill is one of them.
The handheld electric drill is usually composed of electric motor, fan, drill chuck, gear transmission mechanism, open light, wire and shell. The principle of electric drill is that after electric motor is electrified, the motor drives the rotation of the gear shaft, and after decelerating the transmission device, the tool is driven to drill the material. Through the understanding of the advantages of the electric drills at home and abroad and the comparison of the trend of the development of the electric drill, the design provides a good design idea for this design, and compares the selection of the components of the electric drill. This research mainly focuses on the design calculation and explanation of the transmission structure of electric drill. Finally, we use proe5.0 and AutoCAD2010 to complete the 3D model and 2D drawing of the electric drill.
Key Words:Drills of electric drills, deceleration devices and drills
目錄
目錄
第一章 緒論 1
1.1電鉆的應(yīng)用 1
1.2電鉆的結(jié)構(gòu)組成 2
1.3電鉆的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.4存在的問(wèn)題與解決方案 3
第二章 電鉆的設(shè)計(jì)方案 4
2.1電鉆的工作原理 4
2.2傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 4
第三章 電鉆機(jī)的組成零件選擇 6
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 6
3.2風(fēng)扇的選擇 7
3.3電源線的選擇 7
3.4換向器的選擇 7
3.5 電刷裝置的選擇 8
3.6開(kāi)關(guān)裝置的選擇 9
3.7本章小結(jié) 9
第四章 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 10
4.1齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 10
4.1.1選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 10
4.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)′ 10
4.1.3齒輪計(jì)算 11
4.1.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 12
4.1.5幾何尺寸的計(jì)算 13
4.1.6校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 14
4.2齒輪軸的設(shè)計(jì) 15
4.2.1基本參數(shù)的計(jì)算 15
4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
4.2.3軸與軸承的校核 17
4.3軸II的設(shè)計(jì) 19
4.3.1基本參數(shù)的計(jì)算 20
4.3.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
4.3.3軸的校核 21
4.4本章小結(jié) 22
第五章 其余零件的設(shè)計(jì) 23
5.1鉆夾頭的設(shè)計(jì) 23
5.2外殼的設(shè)計(jì) 24
5.3鉆頭的選擇 26
第六章 總結(jié) 28
參考文獻(xiàn) 29
致謝 30
附錄A 外文翻譯原文 31
附錄B 外文翻譯譯文 39
附錄C 46
VI
第一章 緒論
I
第一章 緒論
1.1電鉆的應(yīng)用
手持式電鉆常常被叫做手電鉆或者電鉆，手持式電鉆都用于在許多的金屬材料和非金屬材料上進(jìn)行鉆孔加工，在所有的電動(dòng)工具里面，電鉆是研發(fā)最早，使用范圍最大的電動(dòng)工具了。手持式電鉆相比其他的電動(dòng)工工具體積相對(duì)小，在電鉆的重量上也很輕，手持式電鉆的使用也簡(jiǎn)單，操作容易，因?yàn)轶w積和重量都小，在工作的時(shí)候可以隨身攜帶。
建筑工業(yè)應(yīng)用：電鉆常常被用作在建筑梁、板、柱、墻等的建筑類(lèi)的實(shí)物上的加固，手持式電鉆更經(jīng)常用來(lái)安裝一系列的建筑物料比如裝修、墻體安裝、支架、欄桿、廣告牌、空調(diào)室外機(jī)、導(dǎo)軌、衛(wèi)星接收器電梯、鋼結(jié)構(gòu)廠房。
醫(yī)學(xué)應(yīng)用：在上個(gè)世紀(jì)最開(kāi)始的時(shí)候，國(guó)外的牙科是一個(gè)非常受到重視的職業(yè)，使用的器械產(chǎn)品也非常的精密，所以在那個(gè)時(shí)候國(guó)外發(fā)明了壁掛式三彎臂牙科電鉆，這種電鉆平常的轉(zhuǎn)速可以輕輕松松的達(dá)到4000r/mm，加大這類(lèi)電鉆的轉(zhuǎn)速的話可以達(dá)到10000r/mm，在當(dāng)時(shí)的牙科工作上提供了很大的幫助，比如說(shuō)現(xiàn)在我們?nèi)匀辉趶V泛使用的齒輪傳動(dòng)的三彎臂牙鉆機(jī)就是通過(guò)這種電鉆的設(shè)計(jì)里面和方法上設(shè)計(jì)出來(lái)的電鉆產(chǎn)品。除了牙科，還有耳科的醫(yī)學(xué)上，電鉆在耳科上也有很大的應(yīng)用在上個(gè)世紀(jì)的30年代，就有用電鉆產(chǎn)品來(lái)幫助耳科醫(yī)生來(lái)進(jìn)行耳科的手術(shù)，這件事情在當(dāng)時(shí)的紐約得到機(jī)械類(lèi)專(zhuān)家的推崇，這種手術(shù)可以幫助患者醫(yī)治慢性的耳科疾病，還有這降低患者面部神經(jīng)損傷發(fā)生的概率，可是當(dāng)時(shí)的電鉆在材料和設(shè)計(jì)上有很大的缺陷，就是穩(wěn)定性不高，所以醫(yī)生很難控制住電鉆的工作，而且電鉆的噪音也很大，所以需要在設(shè)計(jì)上一點(diǎn)點(diǎn)的改正處理?，F(xiàn)代的電鉆和氣鉆大大提高了轉(zhuǎn)速，加強(qiáng)了切削能力，快速切削鉆頭、金剛石鉆頭和沖洗-抽吸系統(tǒng)的使用使耳科醫(yī)師可以在很快的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確的進(jìn)行手術(shù)解剖，非?？斓乃俣龋苍诤艽蟮某潭壬蠝p少了手術(shù)所需要的時(shí)間。
海洋工業(yè)應(yīng)用：有一種最新的電鉆被用于在海洋上進(jìn)行鉆孔探查，這種電鉆叫做海洋柔桿電鉆，這種電鉆是用在海底的底層進(jìn)行取樣本，用來(lái)查探海洋海底的物質(zhì)產(chǎn)品尋找人類(lèi)需要的礦產(chǎn)和新的能源。
電鉆可以扥為三種類(lèi)別分別是手電鉆、沖擊鉆和錘鉆。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)研究電鉆就是三種電鉆的手電鉆。我們研究的就是其中的手電鉆，手持式電鉆是通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速，是安裝在夾頭上的鉆頭對(duì)甲供材料鉆孔切削等。
1.2電鉆的結(jié)構(gòu)組成
手持式電鉆的基本結(jié)構(gòu)如下圖1-1所示，它的組成有電動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、外殼、鉆夾頭、鉆頭。齒輪傳動(dòng)裝置、電刷裝置、電線、開(kāi)關(guān)和按鈕等。
1-電動(dòng)機(jī)??2-外殼??3-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)??4-鉆夾頭??5-手柄??6-電源開(kāi)關(guān)
圖1.1 電鉆的基本結(jié)構(gòu)圖
1.3電鉆的發(fā)展趨勢(shì)
電動(dòng)工具里面最早在世界發(fā)明出現(xiàn)的就是電鉆這一類(lèi)的電動(dòng)工具，最早的電鉆發(fā)明在19世紀(jì)時(shí)期的德國(guó)設(shè)計(jì)發(fā)明了第一臺(tái)的直流電鉆，但是當(dāng)時(shí)的這種電鉆的外殼都是用鐵制造的，所以這種電鉆很重，不利于操作，鉆的孔直徑也分廠的小，只有4mm的孔。隨著科技的進(jìn)步，又發(fā)明了一種三項(xiàng)工頻的電鉆產(chǎn)品，這種電鉆的轉(zhuǎn)速很慢，最高的轉(zhuǎn)速也就是3000r/min。到了上個(gè)世紀(jì)的初期，科學(xué)家由發(fā)明研究出來(lái)現(xiàn)在最常用的單相串激電動(dòng)機(jī)作為電鉆的電動(dòng)機(jī)，大大的提高了電鉆的轉(zhuǎn)速，最高的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到了10000r/min。
上個(gè)世紀(jì)的中期，出現(xiàn)了用電池作為電源的電鉆，應(yīng)為當(dāng)時(shí)的電池制作水平不高，制作成本也非常的昂貴，所以很少在市面上被出售，隨著不斷地改進(jìn)，電池的技術(shù)革新，使得電池的價(jià)格大大的降低，而且每次的充電時(shí)間也大大的縮減，這種用電池作為電源的電鉆產(chǎn)品受到了大家的熱捧，在許多國(guó)家都被大量的使用。
在電鉆的外殼發(fā)展上也是從最初的用鐵制作外殼，到之后用鋁合金材料來(lái)作為制作電鉆外殼的材料，在重量上大大的降低了電鉆的重量。同樣在上個(gè)世紀(jì)的中期，一種新的材料出現(xiàn)，這種材料就是熱塑性的工程塑料，這種材料不僅可以絕緣還質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)。所以這種材料知道現(xiàn)在都是作為電鉆的外殼制造原材料。在電鉆開(kāi)關(guān)上也發(fā)明了電子調(diào)速開(kāi)關(guān)電鉆，這種電鉆的開(kāi)關(guān)是一種電子線路控制類(lèi)開(kāi)關(guān)，可以控制電鉆的不同轉(zhuǎn)速，大大的提高了電鉆的使用效率。
1.4存在的問(wèn)題與解決方案
因?yàn)槲覀儑?guó)家的工業(yè)發(fā)展時(shí)間落于其他的發(fā)達(dá)國(guó)家，所以我們國(guó)家的電鉆研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的電鉆產(chǎn)品有一定的差距。在以前我們國(guó)家的電鉆的優(yōu)點(diǎn)少，缺點(diǎn)多，比如品種單一，外觀設(shè)計(jì)上也不好看，功能上噪音太大、輸出的功率低，電鉆的使用壽命也短，由于產(chǎn)品的單一，我國(guó)經(jīng)常從別的國(guó)家購(gòu)買(mǎi)電鉆產(chǎn)品。但是，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)末到現(xiàn)在，我們國(guó)家對(duì)工業(yè)建設(shè)的重視和發(fā)展，在電鉆行業(yè)上哦我們漸漸的拉低了與其他國(guó)家先進(jìn)水平的差距，一點(diǎn)點(diǎn)的把以前電鉆的缺點(diǎn)改正，還進(jìn)行了優(yōu)化。我們國(guó)家的許多的電鉆產(chǎn)品也有了向海外國(guó)家出口的資格。在這我主要說(shuō)明一些我們國(guó)家電鉆產(chǎn)品存在的一點(diǎn)問(wèn)題和解決方案：
1、電鉆的單位重量出力低，可以通過(guò)提高電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，使得電鉆的額定負(fù)載轉(zhuǎn)速與空載轉(zhuǎn)速基本相同來(lái)提高電鉆的單位重量出力。
2、國(guó)外大部分都是采用電子調(diào)速，重點(diǎn)研究在電子控制上?？梢圆捎秒娮訜o(wú)級(jí)調(diào)速開(kāi)關(guān)裝置。
3、電鉆的噪聲大、振動(dòng)大。在電鉆的結(jié)構(gòu)材料選擇上和零件的質(zhì)量以及零件的加工工藝水平上進(jìn)行不同的測(cè)試和工藝水平的提高
4、外殼不精美、不舒適。采用人體工程學(xué)原理設(shè)計(jì)電鉆的外殼。
33
第二章 電鉆的設(shè)計(jì)方案
第二章 電鉆的設(shè)計(jì)方案
2.1電鉆的工作原理
這次設(shè)計(jì)的電鉆的電動(dòng)機(jī)是單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，接通電源電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上的繞線組經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向器兩邊的電刷裝置組成一個(gè)串聯(lián)，電流經(jīng)過(guò)會(huì)產(chǎn)生大量的磁力線和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的磁力線相互的作用，使得電鉆的轉(zhuǎn)子發(fā)展旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置使得主軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)物體進(jìn)行鉆孔或者切削。手持式電鉆就是用交流電源或者直流電源作為動(dòng)力的鉆孔工具。電鉆的主要技術(shù)參數(shù)如下表2-1：
表2-1
額定電壓（v)
輸入功率（W)
空載轉(zhuǎn)速(r/min)
額定輸出功率（w)
220
385
0-2700
160
2.2傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
電鉆的傳動(dòng)裝置采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)。其傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖如下圖2-1：
1—齒輪??2—軸齒輪??3—風(fēng)扇??4—電動(dòng)機(jī)
圖2-1 ?電鉆傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖
傳動(dòng)裝置的實(shí)物圖如下圖2-2，根據(jù)實(shí)物圖的模型更方便理解電鉆傳動(dòng)裝置工作的原理，在設(shè)計(jì)上可以啟發(fā)更大的想象空間。
圖2-2? 電鉆傳動(dòng)裝置實(shí)物圖
第三章 電鉆機(jī)的組成零件選擇
第三章 電鉆機(jī)的組成零件選擇
3.1電動(dòng)機(jī)的選擇
電鉆的主要組成零件之一就是電動(dòng)機(jī)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)是整個(gè)電鉆的核心，一個(gè)好的電動(dòng)機(jī)可以使得電鉆的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于其他的電鉆產(chǎn)品。在對(duì)電鉆一類(lèi)電動(dòng)工具產(chǎn)品的電動(dòng)機(jī)比較和選擇上主要有3類(lèi)電動(dòng)機(jī)：?jiǎn)蜗虼畡?lì)電動(dòng)機(jī)、三相工頻電動(dòng)機(jī)和三相中頻電動(dòng)機(jī)。通過(guò)網(wǎng)上的查閱，對(duì)上述3類(lèi)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)分析比較，單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)明顯遠(yuǎn)比其他兩種電動(dòng)機(jī)更適合用于電鉆產(chǎn)品，所以這次的研究設(shè)計(jì)，我選擇用單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)作為手持式電鉆的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和介紹如下：
單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：?jiǎn)蜗啻畡?lì)電動(dòng)機(jī)是將轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組串聯(lián)后接到電源上，可以使用直流電源，也可以使用交流電源，故又稱(chēng)為交直流兩用電動(dòng)機(jī)。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)采用換向器結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上屬直流電動(dòng)機(jī)范疇。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、調(diào)速方便、體積小、重量輕等很多優(yōu)點(diǎn)。
單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是交流點(diǎn)和直流電都可以用的電動(dòng)機(jī)，所以又把單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)腳做了叫直線流兩用單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)檫@種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，體質(zhì)又小，啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速有可以更具需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)的有可以交流電來(lái)使用，還有直流電的時(shí)候來(lái)使用，所以在電動(dòng)工具中特別是電鉆類(lèi)的電動(dòng)工具常常用這個(gè)電動(dòng)機(jī)來(lái)作為電鉆的主體部分。滿足電鉆的選擇要求。
單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)組成零件是定子、電刷、轉(zhuǎn)子、電刷裝置還有風(fēng)扇組成，單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)里面的定子組成不僅有定子鐵心，還有定子繞組組成，定子鐵芯的作用主要是用于接通電源后產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，對(duì)處在其中的通電導(dǎo)體產(chǎn)生力的作用，因?yàn)槎ㄗ颖仨殱M足剛度好、振動(dòng)好、導(dǎo)磁性好、損耗小的作用，所以我們的定子鐵心就選擇用硅鋼片來(lái)制做。轉(zhuǎn)子就是用轉(zhuǎn)子鐵心、電樞繞組、換向器及轉(zhuǎn)軸等零件來(lái)組成，轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵芯一樣，都是用硅鋼片來(lái)制作，用硅鋼片沖制變成具有槽的圓片，然后把這些圓片進(jìn)行疊壓。轉(zhuǎn)子上的沖片，它的槽型一般都是制作成了半閉口的槽型，然后在這些半閉口的槽內(nèi)放置絕緣的材料，接下來(lái)就是電樞繞組的部分，在鐵芯上不斷的疊和繞電樞線圈，線圈上的進(jìn)線端和線圈上的出線端都與整流子銅片進(jìn)行著焊接，這就是轉(zhuǎn)子鐵心和電樞繞組的組成辦法。同時(shí)轉(zhuǎn)子鐵芯的槽口，都和轉(zhuǎn)軸軸線要相互的平行，或者在疊槽口的時(shí)候把轉(zhuǎn)子鐵心的槽口疊裝成斜槽口的樣子，因?yàn)樾辈鄣慕Y(jié)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，可以減小電動(dòng)機(jī)的噪聲，這樣對(duì)電鉆的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)上有很大的幫助。同時(shí)電動(dòng)機(jī)的組成零件風(fēng)扇也是裝在了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上，這樣方便對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量更快的散發(fā)出去，獲得更好的散熱功效。對(duì)風(fēng)扇的選擇和設(shè)計(jì)會(huì)在下一個(gè)小節(jié)重點(diǎn)的描述和總結(jié)。
在電鉆的發(fā)展中，世界上不斷的對(duì)這個(gè)電動(dòng)工具進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。我們國(guó)家也一樣，為了趕上世界工業(yè)設(shè)計(jì)的步伐，努力的趕超那些發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)水平，在20世紀(jì)中期的時(shí)候我們國(guó)家對(duì)電鉆這一類(lèi)的電動(dòng)工具產(chǎn)品做了很多的研究和測(cè)試。最后設(shè)計(jì)總結(jié)出來(lái)單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)最好的3種規(guī)格，同時(shí)這3種規(guī)格的單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是對(duì)它們的轉(zhuǎn)子沖片大小進(jìn)行區(qū)別，這3種規(guī)格分別是沖片直徑為56mm、71mm還有90mm。這次的電鉆設(shè)計(jì)研究上，我準(zhǔn)備也在這3種規(guī)格的轉(zhuǎn)子沖片中選擇。通過(guò)查閱 上海市電動(dòng)工具研究所編.電動(dòng)工具.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1975 這本書(shū)籍得到了單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的性能數(shù)據(jù)表，如下表3-1：
表3-1 電動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)
定子沖片D
輸出功率P
電壓V
頻率f
電流I
轉(zhuǎn)矩M
轉(zhuǎn)速n
效率
功率因素
71
385
220
50
2.71
0.278
13200
68
0.955
3.2風(fēng)扇的選擇
風(fēng)扇的放置位置在換向器的對(duì)面，電鉆里電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這個(gè)時(shí)候這些熱量就必須要散發(fā)出去，否則會(huì)使電鉆內(nèi)部產(chǎn)生高溫，甚至燒壞電鉆，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量會(huì)由電動(dòng)機(jī)本身攜帶的風(fēng)扇散發(fā)出去，對(duì)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)上我們選擇用抽風(fēng)式的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部產(chǎn)生的熱量抽出的形式達(dá)到對(duì)電鉆的散熱。同時(shí)在風(fēng)扇大小材料的設(shè)計(jì)上都會(huì)根據(jù)齒輪軸的大小和選擇電動(dòng)機(jī)的大小進(jìn)行最好的方案設(shè)計(jì)。
在軸輪式的風(fēng)扇還有離心式的風(fēng)扇兩種，大部分的電鉆產(chǎn)品采用的都是離心式的風(fēng)扇，在風(fēng)扇的材料選擇上，選用工程塑料來(lái)制造，因?yàn)檫@樣的材料重量輕，可以有效的減輕電鉆機(jī)的重量，應(yīng)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生的氣流也較大，防止風(fēng)扇葉片間發(fā)生渦流的情況，葉片數(shù)設(shè)計(jì)的30片，數(shù)目多點(diǎn)。因?yàn)槎ㄗ又睆接?1mm在定子直徑的基礎(chǔ)上風(fēng)扇直徑減少7mm，設(shè)計(jì)風(fēng)扇直徑為64mm。
3.3電源線的選擇
因?yàn)槭殖质诫娿@在進(jìn)行工作的時(shí)候要不斷地移動(dòng)，所以電源線就會(huì)受到反反復(fù)復(fù)的彎曲和扭轉(zhuǎn)，在電源線的材料上要輕便，還要有很好的耐磨性，在電源線的軟電纜采用QY型輕型橡套軟電纜，手持式電鉆是用單相電源來(lái)供電的，所以在規(guī)格電纜上我選擇采用兩芯電纜。
3.4換向器的選擇
換向器的放置位置在風(fēng)扇的另一邊，換向器的組成部分有：梯形換向片、塑料、內(nèi)襯套、云母片等。梯形換向片一般的話是用銅材料制成的，導(dǎo)電性比較好。換向器也有兩種，分別是半塑性還有全塑性?xún)煞N，它們是由按片間絕緣進(jìn)行區(qū)分。
半塑性的換向器是在每一個(gè)換向片之間用云母片相互隔開(kāi)，然后在它們的下面部分壓進(jìn)玻璃纖維酚醛塑料，這樣不僅把換向片、云母片還有銅襯套相互之間固定，變成圓柱體，還起到了絕緣的作用。
全塑性換向器是在每一片梯形換向片之間用耐弧酚醛塑料絕緣，云母片不會(huì)高過(guò)換向器的圓柱面，因?yàn)檫@樣子可以避免多出來(lái)的云母片絕緣會(huì)讓電刷裝置和換向片之間接觸不良，然后在換向器上產(chǎn)生火花，使得電刷裝置內(nèi)的碳刷磨損嚴(yán)重。
換向器是電動(dòng)機(jī)為了可以持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)下去的一個(gè)零部件，通常換向器又被稱(chēng)作整流子，它的結(jié)構(gòu)上很簡(jiǎn)單，一般都是幾個(gè)接觸片圍成圓柱形狀，這些接觸片每一個(gè)都連接有轉(zhuǎn)子上的每一個(gè)觸頭，然后在換向器的外邊還有兩個(gè)電刷和接觸片接觸，可是種植可以在相互對(duì)立的面接觸兩片接觸片。
換向器還有槽形換向器和鉤形換向器，這兩種換向器是根據(jù)它換向器上每一個(gè)換向片和繞組相應(yīng)的線圈連接的形式來(lái)區(qū)分。因?yàn)殂^形換向器有絕緣加環(huán)，所以我選擇鉤形加固型換向器。
型號(hào)：DZQD-RA-D-441 結(jié)構(gòu)：鉤形加固 片數(shù)：24
內(nèi)徑：10mm 外徑：25.5mm 總高:18.5mm
片高：17.3mm 溝長(zhǎng):3mm 鉤外徑：30mm
3.5 電刷裝置的選擇
電刷是電鉆的關(guān)鍵零件，電刷裝置的好壞會(huì)直接影響到電鉆的使用壽命，電刷裝置是由刷體、彈簧、電刷的軟接線和銅聯(lián)接片組成的。
電刷裝置有卡式電刷、辮式電刷、和芯式電刷。這3種電刷裝置都是按照電刷裝置的結(jié)構(gòu)樣子來(lái)進(jìn)行區(qū)分。
卡式電刷：盤(pán)簧通過(guò)導(dǎo)電片把電刷壓在換向器表面，隨著電刷的磨短，盤(pán)簧、導(dǎo)電片和電刷下移，當(dāng)電刷磨損使得盤(pán)簧、導(dǎo)電片被凹槽底部擋住，電刷就不再受壓，電流不再導(dǎo)通，此時(shí)需更換新電刷。這種結(jié)構(gòu)的電刷產(chǎn)生火花等級(jí)在二級(jí)以?xún)?nèi)。
辮式電刷:壓縮彈簧作用于電刷上，使之與換向器表面接觸，彈簧隨著電刷磨短而伸長(zhǎng)，同時(shí)電刷辮也逐漸伸直，當(dāng)電刷磨至刷辮完全伸直時(shí)，彈簧不再對(duì)電刷施壓，此時(shí)電刷與換向器面脫離接觸，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
芯式電刷：在電刷內(nèi)部埋有帶反力彈簧的圓柱塑料芯。當(dāng)電刷磨到某一位置時(shí)，反力彈簧作用力使塑料芯沖破電刷面，同時(shí)電刷脫離換向器表面，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
通過(guò)比較，卡式電刷和辮式電刷在結(jié)構(gòu)上相對(duì)更加簡(jiǎn)單，更加好制造成功而且所需要的經(jīng)濟(jì)成本也低。在這兩種電刷中選擇辮式電刷，因?yàn)檫@種電刷更加的耐磨，不易損壞。這樣就更加耐用。
電刷大部分是用電化石墨制成，也可以把電刷叫做碳刷，在形狀上電刷都是長(zhǎng)方形，在里面安裝有彈簧還有引線。在電鉆里面，我選用了常用的電刷型號(hào)D374L，查閱電動(dòng)工具書(shū)籍這種電刷的規(guī)格和性能數(shù)據(jù)如下：
型號(hào)：D374L 規(guī)格(l×a×r) :5×8×16(mm) 導(dǎo)線面積:0.3(mm2)
導(dǎo)線長(zhǎng)度：29（mm） 電阻率：50 硬度：90（HRC) 電流密度:12
3.6開(kāi)關(guān)裝置的選擇
電鉆的開(kāi)關(guān)裝置主要是用于控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止運(yùn)行，具體的辦法是接通和斷開(kāi)電源，開(kāi)關(guān)的放置位置在電刷裝置的下方，位于電鉆外殼的手柄內(nèi)。在設(shè)計(jì)的電鉆開(kāi)關(guān)的材料選擇和這次設(shè)計(jì)的電鉆的外殼材料一樣，我選擇使用絕緣的工程塑料材料，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)和電鉆的外殼一樣，開(kāi)關(guān)是和我們?nèi)梭w直接接觸的，如果漏電的話，與人體接觸的地方就會(huì)發(fā)生觸電，對(duì)人體造成傷害，所以為了避免這種情況的出現(xiàn)，電鉆的開(kāi)關(guān)一定是絕緣材料。
在手柄的設(shè)計(jì)上，為了方便開(kāi)關(guān)的安裝，我選擇了手槍式的手柄，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電鉆比較小，手槍式的手柄更加方便掌控。除了一個(gè)控制電源的接通和斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)外，還需要一個(gè)控制鉆頭正反轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)。正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的原理很簡(jiǎn)單，就是保持電動(dòng)機(jī)里面的定子或者轉(zhuǎn)子中的一個(gè)電流方向不變，另外一個(gè)電流的方向改變，這樣電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向改變了帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)裝置方向的改變，鉆頭上軸的方向改變帶動(dòng)鉆頭工作方向變成相反的方向。為了加上可以控制電鉆產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速的作用，我選擇采用電子無(wú)級(jí)調(diào)速開(kāi)關(guān)，這樣可以使得電鉆轉(zhuǎn)速?gòu)?到轉(zhuǎn)速的最大值之間進(jìn)行調(diào)控，針對(duì)不同的加工材料，選用不同的合適轉(zhuǎn)速，查閱電動(dòng)工具書(shū)籍，選擇型號(hào)DZKE-A的開(kāi)關(guān)。
3.7本章小結(jié)
本章主要對(duì)電鉆的組成零件進(jìn)行選擇，這次設(shè)計(jì)研究的電鉆在零件材料和大小數(shù)據(jù)規(guī)格上都需要進(jìn)行比較選擇，電動(dòng)機(jī)是電鉆產(chǎn)品的重要組成零件，對(duì)各種類(lèi)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上選擇了單向串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇、開(kāi)關(guān)、換線器等零部件的選擇都查閱了相關(guān)的書(shū)籍，在材料選擇上都要求滿足零件質(zhì)量合格并且滿足設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)的零件。
第四章 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
第四章 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
4.1齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
根據(jù)電鉆的特點(diǎn)，要求齒輪傳動(dòng)間的速度比大，模數(shù)要小，我選擇齒輪的材料為40Cr，在齒輪形狀上有圓柱直齒輪和圓柱斜齒輪兩種，因?yàn)橐酝脑O(shè)計(jì)研究里面發(fā)現(xiàn)，圓柱直齒輪沒(méi)有軸向力，設(shè)計(jì)出來(lái)的電鉆噪音太大，而且電鉆承受的沖擊負(fù)荷也大。圓柱斜齒輪設(shè)計(jì)出來(lái)的電鉆噪音低，可是會(huì)有軸向力，查閱書(shū)籍，為了可以減小軸向力的辦法是減小齒輪的傾斜角，在這次的研究中，我選擇齒輪的傾斜角為12度。
4.1.1選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料和齒數(shù)。
齒輪的類(lèi)型是圓柱斜齒輪，由[5]表10-1選擇齒輪的材料為40Cr，材料經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)和高頻淬火，這樣的齒輪材料會(huì)具有很好的強(qiáng)度還有韌性，齒面的硬度是48～55HRC。進(jìn)度等級(jí)：6級(jí)。齒數(shù):先選擇小齒輪的齒數(shù)為6，Z1=6，可以求得齒輪傳動(dòng)之間的傳動(dòng)比W1/W2=13200/2700=4.88，根據(jù)傳動(dòng)比和小齒輪的齒數(shù)求得大齒輪齒數(shù)Z2=6× 4.88=29.28，把齒數(shù)取整，得大齒輪齒數(shù)為29。螺旋角最開(kāi)始我選擇12度，為了減小齒輪的軸向力。
4.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)′
按[5]式（10-21）計(jì)算，即：
試選擇載荷系數(shù)Kt=1.6。
1）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
2）由[5]表10-7選取齒寬系數(shù)=0.5.
3）由[5]中的表10-26,得=6，=29，得出=0.58，=0.80，=+=1.38。
4）由[5]中的圖10-30選取區(qū)域系數(shù)=2.46。
5)由[5]表10-6查得材料彈性影響系數(shù)=189.8（MPa）
6)由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的解除疲勞強(qiáng)度極限分別都是1100MPa。
7)由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù) ：N1=60nj=60×13200×1×4800=3.8×109
8)由[5]表10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)分別是0.91和0.97。
9）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為0.01，安全系數(shù)S=1，由式10-12：
得許用接觸應(yīng)力分別是1001和1067，計(jì)算的最終的許用應(yīng)力是（1001+1067）/2=1034MPa。
4.1.3齒輪計(jì)算
1) 計(jì)算小齒輪的分度圓的直徑，由計(jì)算公式，將上面所有的數(shù)據(jù)代入公式得出：d≥6.827mm。
2) 計(jì)算圓周速度V=3.14dn/60×1000=4.7m/s。
3) 計(jì)算齒輪寬b還有模數(shù)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)得公式如下：
得出b=3.4135mm，=1.113mm。
4) 計(jì)算齒寬與齒輪高的比b/h，得出h=2.25=2.25×1.113=2.5mm，b/h=1.3654.
5） 計(jì)算縱向重合度：。
6） 計(jì)算載荷系數(shù)K：由[5]表10-2查得系數(shù)=1，根據(jù)V=4.7m/s，6級(jí)精度，由[5]圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.08，由[5]表10-3得==1.1,由表10-4查得KH=1.2，由[5]圖10-13查得=1.14，K=1×1.08×1.2×1.14=1.47。
7） 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由[5]式（10-10a）得：
=6.636mm。
8） 計(jì)算模數(shù)：由上述公式將分度圓的直徑代入公式里面得出：=1.08mm。
4.1.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1）由[5]式（10-17）得設(shè)計(jì)計(jì)算公式為
1） 計(jì)算載荷系數(shù) ，K=1×1.08×1.1×1.14=1.35。
2） 根據(jù)縱向重合度=0.2027，從[5]圖10-28查得螺旋角影響系數(shù)=0.97。
3） 由[5]圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限為620MPa，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限為620MPa ，。
4） 由[5]圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)0.85和0.88。
5） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由[5]式10-12得出彎曲疲勞許用應(yīng)力分別是376.4MPa和389.7MPa。
6） 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)：
得：=6.41 =30.98 。
7） 由[5]表10-5查得齒形系數(shù)分別為；和應(yīng)力校正系數(shù)分別為
8） 設(shè)計(jì)計(jì)算： 將上面所求的的各項(xiàng)數(shù)值代入公式
得出來(lái)模數(shù)≥0.6616。
通過(guò)對(duì)齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，都得出了齒輪法面模數(shù)，對(duì)這兩個(gè)法面模數(shù)比較大小，發(fā)現(xiàn)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中齒輪的設(shè)計(jì)模數(shù)要求是齒輪模數(shù)的大小主要取決于齒輪彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，取整作為標(biāo)準(zhǔn)值，所以根據(jù)上述要求齒輪模數(shù)取整是1.0mm，同時(shí)為了要滿足接觸疲勞強(qiáng)度，用分度圓的直徑6.636mm來(lái)計(jì)算應(yīng)該有的齒數(shù)，得出Z1=6，Z2=29。和之前的齒數(shù)沒(méi)變化。
4.1.5幾何尺寸的計(jì)算
1） 計(jì)算中心距:
==17.89mm 取整a=18mm。
2） 按圓整后的中心距修正螺旋角：
。
3） 計(jì)算大小齒輪分度圓的直徑:
。
4） 計(jì)算齒輪寬度：
加寬5到10mm 得出：。
5） 計(jì)算該齒輪的變位系數(shù)：
。
6） 取標(biāo)準(zhǔn)值：，齒頂高的公式：。
7） 計(jì)算齒根高：取值，齒根高的計(jì)算公式：。
8） 計(jì)算齒高：
9） 計(jì)算齒頂圓直徑： 。
10） 計(jì)算齒根圓直徑:
11） 計(jì)算基圓直徑：
12） 計(jì)算齒頂圓壓力角：
4.1.6校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度公式為
因?yàn)閺澢诎踩禂?shù)S=1.4，由[5]式10-22得
將上面所求的數(shù)據(jù)代入上面公式中得：
所以經(jīng)過(guò)齒輪校核 大小斜齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度都小于許用的彎曲疲勞應(yīng)力，符合彎曲疲勞強(qiáng)度條件。
4.2齒輪軸的設(shè)計(jì)
4.2.1基本參數(shù)的計(jì)算
1) 齒輪軸上的功率P=385W，齒輪軸上的轉(zhuǎn)速n=13200r/min
求齒輪軸上的轉(zhuǎn)矩T：
2) 求作用在小齒輪上的圓周力，徑向力，軸向力
==92.8N; ==34.7N; ==22.27N.
3) 選取齒輪軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)熱處理。根據(jù)[5]中的表15-3查取=107于是按[5]中的式（15-2）初步計(jì)算出軸的最小直徑得 :
4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
齒輪軸的模型如下圖4-2所示:
圖4-2 齒輪軸模型圖
如圖4-2所示，1-2所在的軸段安置一個(gè)軸承，軸承的選用在下一個(gè)章節(jié)詳細(xì)的計(jì)算和介紹，2-3所在的軸段是一段軸肩，軸肩的高度和長(zhǎng)度都用公式進(jìn)行計(jì)算，3-4段安置著換向器，4-5段所在的軸段安置電動(dòng)機(jī)的定子部分，5-6段所在的軸段安置著用于散熱的風(fēng)扇，6-7段所在的軸段也是一個(gè)軸肩，7-8段所在的軸段安置一個(gè)軸承，8-9段就是小的斜齒輪部分。
1） 軸承上1-2段初步選用滾動(dòng)球軸承，因?yàn)樵谳S上由徑向力還有軸向力同時(shí)作用，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，初步懸著軸承代號(hào)為608-Z的滾動(dòng)軸承，這種軸承的基本尺寸是d=8mm，D=22mm，B=7mm。在軸承的基本數(shù)據(jù)下分別設(shè)計(jì)出齒輪軸1-2段的。
2） 因?yàn)檫x用的軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位，所以齒輪軸的2-3段是軸肩，軸肩的高度和長(zhǎng)度都可以計(jì)算，由[9]表1-31查得608-Z型軸承定位軸肩高度是a=0.7mm，于是，。在長(zhǎng)度上，需要根據(jù)軸承到換向器之間的距離來(lái)判斷，初步選擇兩個(gè)零件之間的距離為8mm。
3） 由第三章中的換向器選擇上，我們?cè)O(shè)計(jì)的換向器基本數(shù)據(jù)為換向器的內(nèi)直徑是10mm，總的長(zhǎng)度是18.5mm。3-4段的軸根據(jù)換向器的數(shù)據(jù)得出：，在長(zhǎng)度上換向器到轉(zhuǎn)子一段的距離根據(jù)設(shè)定合適值，初步選擇為5mm，總的長(zhǎng)度為。
4） 在齒輪軸的4-5段就是一個(gè)電動(dòng)機(jī)，在第三章的電動(dòng)機(jī)選擇上根據(jù)設(shè)計(jì)電鉆要求的額定功率和設(shè)計(jì)選擇的沖片直徑，得到了莊子的內(nèi)直徑為11.5mm，鐵心長(zhǎng)度為52mm，所以取總長(zhǎng)度74mm。得出：。
5） 在上一章的風(fēng)扇選擇中，選擇了風(fēng)扇的內(nèi)直徑為13mm，高度為12.8mm，和換向器到轉(zhuǎn)子一端的距離為5mm一樣，選擇風(fēng)扇到轉(zhuǎn)子的另一端的距離也定為5mm，得出:。
6） 齒輪軸6-7段的高度和長(zhǎng)度需要根據(jù)7-8段的軸承大小來(lái)確定，應(yīng)為小斜齒輪的齒頂圓直徑為8mm那么7-8段的軸承選擇上，查[8]表1-5選擇右端的滾動(dòng)軸承代號(hào)為6000-Z，這種軸承的基本數(shù)據(jù)是d=10mm，D=26mm，B=8mm。和左端的軸承一樣，選擇用軸肩來(lái)進(jìn)行定位，查閱得知，軸肩高度a=0.7mm，和左端的一樣。計(jì)算得:。也同時(shí)得出軸段7-8的直徑和長(zhǎng)度：。
7） 齒輪軸的做右端8-9段便是小斜齒輪，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出了：。
8） 齒輪軸的總長(zhǎng)度L:
L=7+8+23.5+74+17.8+5+8+15=158.3mm
9） 在齒輪軸上換向器 、轉(zhuǎn)子還有風(fēng)扇都是用膠水粘合的辦法，將這3個(gè)零件固定在在齒輪軸上，在齒輪軸上的滾動(dòng)球軸承是用軸的周向定位配合和固定，我選擇齒輪軸的直徑尺寸公差j5。
10） 參考機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)中的表15-2，設(shè)計(jì)齒輪軸的左端倒角為0.5x45度，其他歌部分的軸肩倒角一樣。
4.2.3軸與軸承的校核
1) 齒輪軸上的功率P=385W，齒輪軸上的轉(zhuǎn)速n=13200r/min
求齒輪軸上的轉(zhuǎn)矩T：
2) 求作用在小齒輪上的圓周力，徑向力，軸向力
==92.8N; ==34.7N; ==22.27N.
3) 選取齒輪軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)熱處理。根據(jù)[5]表15-3查取=107于是按式（15-2）初步估算軸的最小直徑得 :
4) 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
式中：是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。
T是軸所受的扭矩，。
是軸的抗扭截面系數(shù)，。
n是軸的轉(zhuǎn)速。
P是軸傳遞的功率,KW。
d是計(jì)算截面出軸的直徑。
是許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，見(jiàn)[5]表格15-3，因?yàn)檩S的材料是40，所以軸的許用切應(yīng)力為35-55MPa之間。
將數(shù)據(jù)代入公式得到=27.19MPa
可以得出，軸的安全校核滿足要求。
5) 在齒輪軸上，軸承的支撐點(diǎn)在軸承的中心點(diǎn)，所以受力距離如下圖：
得到。在小齒輪的重點(diǎn)截面進(jìn)行受力分析得：。進(jìn)行對(duì)齒輪軸的受力分析：
水平面：
垂直面：
合成彎矩：
6) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：
從齒輪軸的載荷分析圖上可以看出來(lái)截面D是危險(xiǎn)截面，所以只校核這個(gè)危險(xiǎn)界面的強(qiáng)度，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)籍的式15-5，取值a=0.6。
因?yàn)橐呀?jīng)選定齒輪軸的材料為40Cr，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)籍[5]中的表15-1，得=70MPa，將數(shù)據(jù)代入式子中求得 ：
所以齒輪軸的強(qiáng)度校核合格。
7) 軸承的壽命校核
① 在齒輪軸最左端的軸承受到軸承徑向載荷3.45N，軸向載荷3.7N，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)籍的表13-5滾動(dòng)球軸承的最大e只為0.44，兩個(gè)載荷的比值》e。
計(jì)算當(dāng)量載荷P，P=
按照[5]表格13-6，取=1.2，按照[5]表13-5，得X=0.56，Y=1.5，代入式中得，P=8.9N。根據(jù)[5]式13-6，求軸承應(yīng)有的基本額定載荷值:
因?yàn)槭菨L動(dòng)球軸承，所以，將數(shù)據(jù)代入式子中得C=138.9。
按照軸承樣子本和設(shè)計(jì)手冊(cè)得608-Z軸承的C=130N，按照[5]公式13-5計(jì)算該軸承的壽命：
將數(shù)據(jù)代入式中求得軸承的壽命。
低于預(yù)期的計(jì)算壽命，所以軸承校核合格。
②在齒輪的右端軸承承受的軸承徑向載荷37.14N，軸向載荷96.5N，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)籍[5]的表13-5滾動(dòng)球軸承的最大e只為0.44，兩個(gè)載荷的比值》e。
計(jì)算當(dāng)量載荷P，P=
按照[5]表格13-6，取=1.2，按照[5]表13-5，得X=0.56，Y=2，代入式中得，P=256.7N。根據(jù)[5]式13-6，求軸承應(yīng)有的基本額定載荷值:
因?yàn)槭菨L動(dòng)球軸承，所以，將數(shù)據(jù)代入式子中得C=4006N。按照軸承樣子本和設(shè)計(jì)手冊(cè)得6000-Z軸承的C=3800N，按照公式13-5計(jì)算該軸承的壽命:
將數(shù)據(jù)代入式中求得軸承的壽命.
低于預(yù)期的計(jì)算壽命，所以軸承校核合格。
4.3軸II的設(shè)計(jì)
4.3.1基本參數(shù)的計(jì)算
1)齒輪的傳動(dòng)效率0.97，于是求得P1=P
P1=385X0.97X0.97=362.5W;
n1==2704.9r/min
T1==1279.8N.mm
2) 求在大斜齒輪上作用的力，在上一節(jié)中求的大斜齒輪的分度圓直徑為d2=29mm。
3) 選取齒輪軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)熱處理。根據(jù)[5]表15-3查取=107于是按式（15-2）初步估算軸的最小直徑得 :
4.3.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
輸出軸的圖形如下圖4-3：
1 2 3 4 5 6 7
圖4-3 輸出軸三維模型圖
上圖就是輸出軸的三維模型圖，在上圖的標(biāo)注中1是安裝一個(gè)軸承，2是軸承需要定位，選擇用軸肩定位，所以2是一個(gè)軸肩部分，3則是安裝一個(gè)大齒輪的軸段，凸出來(lái)的部分用于將大齒輪的結(jié)構(gòu)固定，增加自由度。在設(shè)計(jì)上在第5軸段安裝有一個(gè)軸承和一個(gè)軸套。所以4軸段設(shè)計(jì)為一個(gè)軸肩，用于軸向定位，6段是設(shè)計(jì)將軸套固定，，7段軸是用于用反牙螺旋段將輸出軸和鉆頭部分聯(lián)接在一起，固定和夾緊兩個(gè)零件。
1）輸出軸段1部分，初步選用滾動(dòng)球軸承，因?yàn)樵谳S上由徑向力還有軸向力同時(shí)作用，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，初步懸著軸承代號(hào)為601-Z的滾動(dòng)軸承，這種軸承的基本尺寸是d=5mm，D=12mm，B=5mm。所以根據(jù)選用軸承的基本尺寸確定 1軸段的直徑和長(zhǎng)度分別是=5mm，=5mm。
2）查閱書(shū)籍的值該軸承的軸肩高度，于是求得=5+22.2=9.4mm，同時(shí)設(shè)計(jì)軸肩距離為=2mm。
3）輸出軸段3，安裝固定大齒輪，因?yàn)榇簖X輪的齒輪厚度為5mm，所以設(shè)計(jì)該軸段的長(zhǎng)度為=5mm，根據(jù)軸肩的直徑和大齒輪的分度圓直徑設(shè)。
4）輸出軸段4，是一個(gè)軸肩部分，軸段的直徑和距離由安裝在軸段5的軸承決定，初步選擇軸承代號(hào)為608-Z的滾動(dòng)球軸承，這種軸承的基本尺寸數(shù)據(jù)是：d=8mm，D=22mm，B=7mm。所以根據(jù)選用的軸承定位，軸肩高度和齒輪軸的左端軸承相同，軸肩定位高度a=0.7mm，于是求得：=8+20.7=9.4mm，=2mm。
5）輸出軸段5，由軸承和軸套安裝位置和要求確定軸段5的直徑和長(zhǎng)度，由選用的軸承基本數(shù)據(jù)確定直徑為8mm，得：=8mm，=30.5mm。
6）輸出軸段6的作用是固定軸套的作用，查閱得：，。
7）輸出軸段7，是用于將輸出軸與鉆頭聯(lián)接固定成一體，用輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鉆頭部分的轉(zhuǎn)動(dòng)，則 這個(gè)軸段的直徑和距離由下一個(gè)章節(jié)的鉆頭部分選擇和設(shè)計(jì)上確定數(shù)據(jù)。
4.3.3軸的校核
輸出軸的校核和齒輪軸的校核一樣都是通過(guò)對(duì)軸上的危險(xiǎn)界面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力校核：
輸出軸上的功率P=362.5W，齒輪軸上的轉(zhuǎn)速n=2704.9r/min
求齒輪軸上的轉(zhuǎn)矩T：
1) 選取齒輪軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)熱處理。根據(jù)[5]表15-3查取=107于是按式（15-2）初步估算軸的最小直徑得 :
2) 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
式中：是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。
T是軸所受的扭矩，。
是軸的抗扭截面系數(shù)，。
n是軸的轉(zhuǎn)速。
P是軸傳遞的功率,KW。
d是計(jì)算截面出軸的直徑。
是許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，見(jiàn)[5]表格15-3，因?yàn)檩S的材料是45，所以軸的許用切應(yīng)力為35-55MPa之間。因?yàn)樵谳敵鲚S上最左端的軸段受到切應(yīng)力最大，所以d=5mm。
將數(shù)據(jù)代入公式得到=22.62MPa ，可以得出，輸出軸的安全校核滿足要求。
4.4本章小結(jié)
本章主要分成三個(gè)部分，分別是對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)，根據(jù)電鉆的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出合適的齒輪，一個(gè)大的斜齒輪和齒輪軸上的斜齒輪嚙合，構(gòu)成一個(gè)一級(jí)的齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)的齒輪計(jì)算出斜齒輪的各項(xiàng)基本數(shù)據(jù)，最后對(duì)齒輪校核。第二部分是對(duì)電鉆齒輪軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，記錄設(shè)計(jì)的尺寸數(shù)據(jù)，最后對(duì)齒輪軸進(jìn)行校核成功，同時(shí)對(duì)齒輪軸上的軸承也進(jìn)行校核成功。第三部分是對(duì)主軸的設(shè)計(jì)和校核。
第五章 其余零件的設(shè)計(jì)
第五章 其余零件的設(shè)計(jì)
5.1鉆夾頭的設(shè)計(jì)
在電動(dòng)工具行業(yè)里面，鉆夾頭零件是電鉆的主要配件，用于連接輸出軸和鉆頭，用輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鉆頭工作，完成鉆孔等一系列的切屑工作，鉆夾頭和電鉆的輸出軸連接的方式有兩種，一種是用螺紋連接，還有一種是錐孔連接的方法，查閱書(shū)籍，大部分的手持式電鉆都是使用了螺紋連接的方式，所以這次的設(shè)計(jì)上，在鉆夾頭和電鉆主體的連接上使用螺紋連接的方式，現(xiàn)在的螺紋連接的規(guī)格有很多。這次的電鉆設(shè)計(jì)里，選擇用螺紋連接鉆夾頭和輸出軸，根據(jù)輸出軸的設(shè)計(jì)，螺紋的長(zhǎng)度選擇用20mm，考慮軸承的安裝，螺紋的孔徑選擇8mm，所以鉆夾頭的螺紋規(guī)格連接為B8。
鉆夾頭的設(shè)計(jì)主要看三個(gè)方面，一個(gè)是鉆夾頭的精度，一個(gè)是鉆夾頭的夾持力，最后就是鉆夾頭的夾持范圍了，鉆夾頭的精度就是用來(lái)控制夾持兩連接部分之間的跳動(dòng)量，這樣的話可以保證鉆頭進(jìn)行加工時(shí)不會(huì)出現(xiàn)劇烈的跳動(dòng)，使得出現(xiàn)加工誤差的增大，保證一定的孔加工精度。
夾持范圍就是用來(lái)控制手電鉆的夾頭部分夾持鉆頭的最小直徑和最大的直徑，可以根據(jù)鉆頭大小來(lái)設(shè)計(jì)。一般夾持范圍的大小只會(huì)比夾頭的規(guī)格大一點(diǎn)點(diǎn)，太大的話就有點(diǎn)浪費(fèi)材料，增加了設(shè)計(jì)成本。
設(shè)計(jì)的鉆夾頭根據(jù)它的結(jié)構(gòu)有兩種類(lèi)型的鉆夾頭，一種是扳手式的鉆夾頭，另外一種是手緊式的鉆夾頭，顧名思義，扳手式鉆夾頭就是需要用扳手來(lái)將電鉆主體和鉆夾頭連接擰緊，手緊式鉆夾頭就是靠握住前后套來(lái)擰緊鉆夾頭的，這種鉆夾頭又根據(jù)結(jié)構(gòu)上的區(qū)分有帶鎖的不帶鎖的、一個(gè)套的和兩個(gè)套的分別。因?yàn)榘馐质降你@夾頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件好加工，價(jià)格不貴，性能好的優(yōu)點(diǎn)，這次的設(shè)計(jì)研究上選用扳手式的鉆夾頭。
在鉆夾頭的夾頭部分也是個(gè)小零件可以拆卸，夾頭的性能測(cè)試上和鉆夾頭一樣都是需啊喲對(duì)夾頭的精度還有夾持力進(jìn)行測(cè)試，夾頭的精度就是用它的最大夾持的范圍來(lái)檢驗(yàn)的。不同的夾持范圍，它們夾持力不同，相對(duì)的夾持精度也不相同，加工質(zhì)量越高，精度上的差異就越小。設(shè)計(jì)的鉆夾頭三維模型如下圖5-1：
圖5-1 鉆夾頭三維模型圖
在設(shè)計(jì)上，因?yàn)閵A頭部位所需要樁孔8mm大小所以設(shè)計(jì)為8mm，在鉆夾頭的主圖部位上直徑設(shè)為25mm，這樣與輸出軸的連連上跳動(dòng)精度不會(huì)很大。
5.2外殼的設(shè)計(jì)
外殼設(shè)計(jì)根據(jù)工程塑料制作，用的是絕緣材料。手電鉆的外殼用SLS工藝制造，這種工藝是一種快速成型的方法，隨著世界的工業(yè)進(jìn)步和制造業(yè)的不斷發(fā)展，這種類(lèi)型的快速成型方法更加的重要，所以這次的設(shè)計(jì)上也使用這種方法制造。首先是利用激光沒(méi)以層的掃描粉末材料，使得這種粉末材料漸漸的發(fā)生固話，形成在三維圖形中制作的樣子。這種工藝的特點(diǎn)是：強(qiáng)度高、精度高、可以供給選擇的材料多、使用的成本也低。
激光處理以后，要自然冷卻到常溫再取出。三維圖形如圖5-2和圖5-3：
圖5-2 電鉆下外殼三維模型圖
圖5-3 電鉆上外殼三維模型圖
如圖所示，在外殼體上根據(jù)內(nèi)部的組成部分，在齒輪和風(fēng)扇還有軸承的一系列的零件上都多留有1到2mm的空間，這樣可以方便零件的安裝和拆卸，在外殼的電動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇部位都有寬闊的散熱部分。在設(shè)計(jì)的原則上是要保證氣流要經(jīng)過(guò)軸承，和里面在齒輪軸上的零件，將熱量通過(guò)熱空氣的形式散發(fā)出去。
開(kāi)關(guān)掣位的設(shè)計(jì):在手持式的電鉆上開(kāi)關(guān)掣的位置大都是放置在手持式電鉆的手柄處的位置上，但是因?yàn)殡娿@的體積小所以在電鉆的手柄處的空間也十分的狹小，所以在工作是電鉆十分容易發(fā)生壓傷了電鉆內(nèi)部電線的事情，還有發(fā)生開(kāi)關(guān)部位的卡死甚至發(fā)生電鉆回彈的現(xiàn)象，所以在電鉆的外殼設(shè)計(jì)上，需要考慮很多的方面；首先，電鉆的手柄處位置需要有足夠的空間來(lái)安放開(kāi)關(guān)零件，入社設(shè)計(jì)的空間出現(xiàn)不夠的情況，就要修改開(kāi)關(guān)的外形，或者修改電鉆的外形，一定要有足夠的空間來(lái)安裝防止開(kāi)關(guān)還有和開(kāi)關(guān)連接的所有電線，電鉆的制造后還需要通過(guò)一項(xiàng)測(cè)試，叫做跌落測(cè)試，座椅必須保證手持式電鉆的外部機(jī)殼的開(kāi)關(guān)處位置上有著足夠的空間和穩(wěn)定性來(lái)通過(guò)手持式電鉆的跌落強(qiáng)度測(cè)試。
在開(kāi)關(guān)掣的位置擺放上，也有很大的要求，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的理念上要求電鉆的外形要小，同時(shí)開(kāi)關(guān)處的位置也是手持式電鉆機(jī)的外殼部分薄弱的地方，所以在電鉆機(jī)的跌落測(cè)試中，這個(gè)位置也是最容易發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，所以在開(kāi)光的設(shè)計(jì)上，一定要保證電鉆機(jī)外殼的強(qiáng)度要求。
在電鉆機(jī)的外殼上需要設(shè)計(jì)許多的筋骨結(jié)構(gòu)來(lái)保證有足夠的穩(wěn)定強(qiáng)度和放置處大量的開(kāi)間，在電鉆機(jī)的外殼上還應(yīng)該合理的設(shè)置一些的槽來(lái)放置電鉆機(jī)內(nèi)部的電線，可以有效地防止電線在設(shè)計(jì)裝配的時(shí)候本壓斷了，影響電鉆機(jī)的正常工作。開(kāi)關(guān)和幾顆之間的間隙應(yīng)該根據(jù)要求設(shè)計(jì)，因?yàn)殚g隙太小的話，會(huì)使開(kāi)關(guān)開(kāi)電鉆工作的時(shí)候發(fā)生卡死的現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)和電鉆機(jī)的外殼間隙如果設(shè)計(jì)太大的話會(huì)使得電鉆機(jī)的外觀不好看，而且容易使得工作是的一些切屑垃圾或則小的切削材料進(jìn)入到電鉆內(nèi)部，對(duì)電鉆的正常工作造成影響，查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，開(kāi)關(guān)和外殼之間的間隙一般設(shè)計(jì)為0.3mm左右。
5.3鉆頭的選擇
鉆頭的位置是安裝在電鉆的鉆夾頭上，鉆頭就是一種通過(guò)不斷地旋轉(zhuǎn)，然后在鉆頭的的頭端部位有著切削能力的一種工具，鉆頭的材料都有碳鋼、高速鋼等一系列的材料，一般這兩種材料最經(jīng)常被使用，其他的材料選擇需要根據(jù)不同的加工環(huán)境和加工材料選用不同的合適的材料制造合適的鉆頭。鉆頭的制造通常都是先經(jīng)過(guò)銑制，然后在經(jīng)過(guò)淬火，還有進(jìn)過(guò)回火熱處理后最后在磨制成的，這樣的鉆頭才可以在金屬材料或者非金屬材料上進(jìn)行鉆孔加工。
鉆頭的種類(lèi)有許多種，分別有按結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行分類(lèi)，按照鉆頭的鉆柄部位來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，最后一種分類(lèi)是根據(jù)鉆頭的用途來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。第一種分類(lèi)，按照結(jié)構(gòu)形狀上分類(lèi)有兩種鉆頭：整體式鉆頭，這個(gè)鉆頭的整體材料都是一樣的，相當(dāng)于就是從一個(gè)材料上整體的制造出來(lái);另外一種鉆頭就是端焊式鉆頭，這個(gè)鉆頭其他的部分和其他鉆頭沒(méi)有太大的區(qū)別，主要就是在鉆頭的鉆頂部位是通過(guò)碳化物焊接成的。鉆頭整體上有三個(gè)部位，分別是鉆頂和鉆身，還有鉆柄。其中一種鉆頭的分類(lèi)方式就是根據(jù)鉆柄來(lái)進(jìn)行分類(lèi)的：第一種就是直柄鉆頭，這種鉆頭的直徑是低于13mm的，所有的鉆頭的直徑如果低于13mm的話，那么在鉆柄的位置都是采用了直柄的方式；另外一種就是錐柄鉆頭，顧名思義，這種鉆頭的鉆頭鉆柄部位是有錐度的，在錐度的使用選擇上都是采用了莫氏錐度，所以這種鉆頭的鉆柄處是錐度狀。
根據(jù)電鉆的用途進(jìn)行分類(lèi)的話，鉆頭有