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XX 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ） 題目 五自由度自動多功能實驗 臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 作者 學(xué)院 機電工程學(xué)院 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)號 指導(dǎo)教師 年 月 日 XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 機電工程 院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室） 系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日 學(xué)生姓名: 學(xué)號: 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 1 設(shè)計（論文）題目及專題： 五自由度自動多功能實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自 年 月 日開始至 年 月 日止 3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料： ① 畢業(yè)實習(xí)、上一學(xué)期所搜集的資料； ②相關(guān)教材及、工藝手冊，熟悉五自由度自動多功能實驗臺的功能； ③要求熟練使用 AutoCAD、PRO/E 繪圖軟件。 4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容： 根據(jù)實驗要求設(shè)計自由度小型實驗臺，并編寫典型零件的數(shù)控加工程序 ①往多自由度小型實驗的的研究用途、特點及設(shè)計目標(biāo)等介紹； ②本多自由度小型實驗的工作原理方案選擇設(shè)計說明； ③實驗臺的總體結(jié)構(gòu)與布局的設(shè)計說明； 本實驗臺的具重要零部件結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計計算說明；○4 裝配圖及主要零部件的零件圖?！? 編寫設(shè)計說明書一份。 ○6 5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求： ①零件圖、裝配圖（Pro/E 或 AutoCAD 完成），折合 1 號圖 5 張； ②編寫的設(shè)計說明書不少于 40 頁 ； ③典型零件的數(shù)控加工程序； ④課題相關(guān)論文的翻譯（英譯中，不少于 3000 字）一篇。 6 發(fā)題時間： 年 月 日 指導(dǎo)教師： （簽名） 學(xué) 生： （簽名） XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語 [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性， 科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價] 指導(dǎo)人： （簽名） 年 月 日 指導(dǎo)人評定成績： XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語 [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與 科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價] 評閱人： （簽名） 年 月 日 評閱人評定成績： XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄 日期： 學(xué)生： 學(xué)號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料： 1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁 2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁 3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語： [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論 文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價] 答辯委員會主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績： 總評成績： i 摘 要 本設(shè)計是為了方便學(xué)生對自由度有更清楚的了解，對于機械原理等基礎(chǔ)課程有更 深一步的認(rèn)識。本設(shè)計是按照現(xiàn)代機械原理和結(jié)構(gòu)理論，以提高設(shè)計思維能力、動手 能力、創(chuàng)新能力為出發(fā)點，設(shè)計的一種自動多功能實驗臺。它具有五個自由度，其中， 有兩個轉(zhuǎn)動自由度，三個移動自由度。在實驗過程中，會為學(xué)生提供不同的齒輪、軸、 軸承等相關(guān)零件，提高學(xué)生對自由度的理解，更好地學(xué)習(xí)和掌握自由度的知識重點， 加深對其的理解，真正地做到學(xué)以致用。 關(guān)鍵字：實驗臺；齒輪；軸；軸承 ii ABSTRACT This design is to facilitate the students to have a better understanding of degree of freedom and a deeper understanding of the courses such as Mechanic Principle and so on. This design is an automatic and multifunctional experimental platform, in order to improve the design ability, practical ability and innovation ability, according to the modern theory of mechanical principle and structure. It has five degrees of freedom, among them, there are two rotational degrees of freedom, three degrees of freedom of movement. There will be different kinds of related components such as the gears, shafts,bearings and other parts in the process of experiment to make the students make an improvement in understanding the degree of freedom, to learn and master its key knowledge better and to deepen the understanding, therefore they can truly learn in order to practice. Key Words: Experimental platform;Gear; Shaft,;Bearing XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） iii 目 錄 第一章 緒論…………………………………………………………………………… 1 1.1 概述…………………………………………………………………………… 1 1.2 課題的意義…………………………………………………………………… 1 1.3 實驗臺發(fā)展趨勢…………………………………………………………………2 第二章 實驗臺的方案擬定………………………………………………………4 2.1 對設(shè)計目標(biāo)的分析………………………………………………………………4 2.2 工作原理方案的選擇……………………………………………………………5 第三章 實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………9 3.1 X，Y 軸方向的轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計……………………………………………………9 3.2 Z 軸方向的移動機構(gòu)設(shè)計……………………………………………………… 12 3.3 X 軸方向的移動機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………… 15 3.3.1 齒輪齒條傳動設(shè)計…………………………………………………………15 3.3.2 軸的設(shè)計……………………………………………………………………23 3.3.3 導(dǎo)軌設(shè)計……………………………………………………………………31 3.4 Y 軸方向的移動機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………… 35 第四章 結(jié)論……………………………………………………………………………38 參考文獻…………………………………………………………………………………39 致謝………………………………………………………………………………………40 附錄 A:典型零件的數(shù)控加工程序………………………………………………… 41 附錄 B：五自由度實驗臺總裝配圖 附錄 C：五自由度實驗臺零件圖 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 1 - 第一章 緒論 1.1 概述 一切認(rèn)識都來源于實踐，特別是當(dāng)今時代的高科技，大多數(shù)是通過實驗得到的， 相應(yīng)實驗設(shè)備的作用是無法替代的。教育工作者和科研工作者對于作為實驗設(shè)備的集 合體的實驗臺越來越重視。 實驗臺建設(shè)與學(xué)科建設(shè)具有辯證關(guān)系。中國科學(xué)院院士朱靜就曾觀點鮮明地闡述 過這種關(guān)系。一個好的實驗室顯然是學(xué)科發(fā)展的一個關(guān)鍵，學(xué)科的建設(shè)必然推動了實 驗臺的建設(shè)，實驗臺建設(shè)反過來又促進了學(xué)科的建設(shè)，一流的學(xué)科無疑需要一流的實 驗臺，實驗臺的建設(shè)是學(xué)科的發(fā)展必然要求。 作為高等教學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)施和科研的重要基地，實驗室承擔(dān)著重要任務(wù)，包括培養(yǎng) 國家專業(yè)人才，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力以及實施科學(xué)教育、全面教育、創(chuàng)新教育。怎樣將 學(xué)生置于實驗主體的位置上，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和挖掘?qū)W生的創(chuàng)造性，引導(dǎo)他們 邁向自己的未知領(lǐng)域，這些都是至關(guān)重要的。而作為實驗室里的主要設(shè)備，實驗臺扮 演著至關(guān)重要的角色。 實驗在教學(xué)過程中占有著相當(dāng)一部分的比例，各類學(xué)校在各學(xué)科教學(xué)中使用的教 學(xué)實驗用的實驗臺是關(guān)鍵而且必不可少的學(xué)習(xí)設(shè)備。在教育深化改革過程中，教材改 革作為伴隨教育改革中最重要的部分，也增加了一些加強學(xué)生實際操作實驗?zāi)芰Φ恼n 程以及課堂實驗教學(xué)的內(nèi)容。隨著產(chǎn)品的綜合性及多功能化的日益加強，選擇一種能 夠同時滿足多種類型實驗的實驗臺，也將逐漸成為一種趨勢。 由此可知，為了確切地適應(yīng)現(xiàn)代課程的需要，提供教師最佳的展示效果，使得教 學(xué)質(zhì)量得到提升，培養(yǎng)學(xué)生的實驗興趣，新型的自動多功能實驗臺必不可少。 1.2 課題的意義 21 世紀(jì)社會對復(fù)合型人才的需求不僅要求專業(yè)知識扎實、知識面廣，而且要求解 決實際問題的能力強。在工程型、研究型大學(xué)的教學(xué)注重知識積累的同時，還要加強 學(xué)生的思維能力、實踐能力、開拓創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過系統(tǒng)的教學(xué)訓(xùn)練使學(xué)生掌握 各種機械傳動裝置，構(gòu)筑產(chǎn)品研發(fā)的工程思維，對工程問題綜合分析和評估。豐富和 鞏固理論知識的同時，確立和強化了學(xué)生的工程回歸意識，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，體 現(xiàn)了“以人為本”的教育理念。由此可見多功能實驗臺在當(dāng)今的素質(zhì)教育中有著重要 的作用，因此開發(fā)出新型的多功能實驗臺具有重大的現(xiàn)實意義。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 2 - 五自由度自動多功能實驗臺的基本設(shè)計要求是能夠?qū)崿F(xiàn)空間相對位置的變化，包 括 X 軸方向、Y 軸方向、Z 軸方向的位移變化以及 X 軸方向、Y 軸方向的轉(zhuǎn)角變化。在 實驗時，由于受到實驗設(shè)備的約束，很多功能都只能單一實現(xiàn)，不僅使實驗復(fù)雜化， 而且成本高。而五自由度自動多功能實驗臺能夠在一定程度上解決上述問題。它能實 現(xiàn)多個自由度的轉(zhuǎn)換。五自由度自動多功能實驗臺在空間上不僅能夠?qū)崿F(xiàn)前后、左右、 上下移動，而且能旋轉(zhuǎn)運動。 五自由度自動多功能實驗臺是教師課堂教學(xué)的重要輔助平臺，教師通過實驗臺這 種媒介平臺，以實驗實踐的方式將原先略顯呆板乏味的科學(xué)理論知識生動形象地表述 給學(xué)生，營造出新型的良好的課堂教育氛圍，并且提升了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生可以通過多 功能實驗臺，將掌握到的科學(xué)理論知識與具體實踐相結(jié)合，既提高了自我的實際動手 操作能力，從而加強了鞏固了理論知識，又提升了學(xué)習(xí)興趣，拓展了自身的視野。 本課題的研究目標(biāo)是設(shè)計出一套安全穩(wěn)定、經(jīng)濟高效、綠色環(huán)保的五自由度自動 多功能實驗臺，進一步完善學(xué)校的硬件設(shè)施，提升教學(xué)實驗的質(zhì)量，為老師的教學(xué)工 作帶來便利，通過課堂的理論教學(xué)與實驗實踐讓學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，為今后成 為高素質(zhì)的人才打下基礎(chǔ)。為了便于觀察實驗過程，實驗臺實驗過程和實驗數(shù)據(jù)的可 視化是其發(fā)展的一個重要方向。 本設(shè)計的特色與創(chuàng)新之處在于： （1）五自由度自動多功能實驗臺作為教學(xué)用具，用于演示空間機構(gòu)的 5 個自由度。 良好的交互性實驗更有利于學(xué)生直觀地觀察和理解其概念，使教師的指導(dǎo)與學(xué)生的獨 立思考步步緊扣，生動地把教與學(xué)融為一體。 （2）豐富和鞏固理論知識的同時，確立和強化了學(xué)生的工程思維，激發(fā)了學(xué)生的 求知欲。 （3）由于學(xué)科的交叉滲透性越來越強，實驗臺設(shè)計時充分考慮實驗設(shè)備要為科研 服務(wù)的思想，使多功能實驗臺不僅可做專業(yè)實驗又可做相近專業(yè)的實驗，大大滿足了 實驗教學(xué)的需求，使實驗臺有了更廣泛的適應(yīng)性。 1.3 實驗臺的發(fā)展趨勢 最初的實驗臺只是多個實驗儀器的簡單的集合，計算機技術(shù)的出現(xiàn)使得實驗臺在 集成性、可靠性方面有了質(zhì)的發(fā)展，先進的自動多功能實驗臺大多是集計算機硬件、 軟件模塊和相關(guān)實驗儀器為一體的綜合實驗裝置，多功能實驗臺將會向數(shù)字化、智能 化方向發(fā)展。 隨著科學(xué)技術(shù)的進步和社會需求，其總的發(fā)展趨勢可概括為以下幾個方面： 1）性能上，向高精度、高效率、智能化的方向發(fā)展。 2）功能上，向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展。小型化、輕型化是精細(xì)加工 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 3 - 技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是提高效率的需要。多功能化是自動化發(fā)展的要求和必然結(jié) 果。 3）層次上，向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化的方向發(fā)展。 目前我國高校中新型智能化多功能實驗臺正處于起步階段，還需要借鑒國外的高 科技，工業(yè)發(fā)達的國家已經(jīng)將虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子、機械等各個領(lǐng)域，進行 工程技術(shù)工作和科學(xué)研究，虛擬實驗和虛擬儀器技術(shù)代表了未來實驗技術(shù)的發(fā)展方向。 可見，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展，增加了實驗臺實驗的手段和方法。 同時，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是以各學(xué)科的發(fā)展為基礎(chǔ)的，學(xué)科的發(fā)展必然要有實驗的保證。 我國經(jīng)濟的快速可持續(xù)發(fā)展，高效的硬件設(shè)施也在不斷完善，實驗臺作為實驗室 的主要設(shè)備扮演著關(guān)鍵角色?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展給各類多功能實驗臺的問世帶來契 機，數(shù)字化、智能化的新型多功能實驗臺的問世必將對我國高校的教育研究帶來新氣 象，促使高校的教育研究事業(yè)邁向新的高度。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 4 - 第二章 實驗臺的方案擬定 2.1 對設(shè)計目標(biāo)的分析 本設(shè)計是為了方便學(xué)生對自由度有更清楚的了解，對于機械原理等基礎(chǔ)課程有更 深一步的認(rèn)識。機構(gòu)維持確定運動所必需的獨立運動參數(shù)稱為機構(gòu)的自由度。因為機 構(gòu)是由若干個構(gòu)件經(jīng)運動副連接而成的，那么機構(gòu)的自由度必定與構(gòu)件的自由度以及 運動副引入的約束數(shù)相關(guān)。 對于平面機構(gòu)而言，所有的構(gòu)件均被限制在平面內(nèi)運動，每個構(gòu)件在未構(gòu)成運動 副之前只有 3 個自由度，而當(dāng)構(gòu)成運動副之后，由于引入了約束，其自由度還將進一 步減少。平面機構(gòu)的自由度數(shù)等于機構(gòu)中所有活動構(gòu)件在平面自由狀態(tài)下的平面自由 度總數(shù)減去由運動副產(chǎn)生的約束總數(shù)。對多設(shè)計的機構(gòu)進行可行性和運動確定性評價， 是工程技術(shù)人員進行機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)。 顯然，只有當(dāng)機構(gòu)的自由度大于零時，機構(gòu)才能運動。自由度為 1 的機構(gòu)，運動 確定的條件是需要一個原動件，因為一個原動件只能提供一個獨立運動。自由度為 2 的機構(gòu)，運動確定的條件是需要 2 個原動件。推廣到一般，可得到機構(gòu)具有確定運動 的條件是機構(gòu)的自由度等于原動件的數(shù)目。當(dāng)原動件數(shù)目少于機構(gòu)的自由度時，機構(gòu) 運動是不確定的；而當(dāng)原動件數(shù)目大于機構(gòu)的自由度時，機構(gòu)將出現(xiàn)運動干涉而無法 確定。 自動多功能實驗臺是教師課堂教學(xué)、提升教學(xué)質(zhì)量的重要輔助平臺，教師通過實 驗臺媒介平臺，將原先略顯乏味呆板的理論知識以實驗實踐的方式生動形象地表述給 學(xué)生，營造出新型的課堂教育氛圍。學(xué)生通過多功能實驗臺將學(xué)到的理論知識與實踐 相結(jié)合，提高了自我的實驗操作能力，加強了對理論知識的鞏固，拓展了自身的視野， 提升了學(xué)習(xí)興趣。 實驗臺作為實驗室的主要設(shè)備，扮演者關(guān)鍵角色。通過系統(tǒng)的教學(xué)訓(xùn)練使學(xué)生掌 握各種機械傳動裝置，構(gòu)筑產(chǎn)品研發(fā)的工程思維，對工程問題綜合分析和評估。豐富 和鞏固理論知識的同時，確立和強化了學(xué)生的工程回歸意識，激發(fā)了學(xué)生的求知欲， 體現(xiàn)了“以人為本”的教育理念。由此可見多功能實驗臺在當(dāng)今的素質(zhì)教育中有著重 要的作用，因此開發(fā)出新型的多功能實驗臺具有重大的現(xiàn)實意義。由此可知，為了確 切地適應(yīng)現(xiàn)代課程的需要，提供教師最佳的展示效果，使得教學(xué)質(zhì)量得到提升，培養(yǎng) 學(xué)生的實驗興趣，新型自動多功能實驗臺必不可少。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 5 - 本課題的研究目標(biāo)是設(shè)計出一套安全穩(wěn)定、經(jīng)濟高效、綠色環(huán)保的五自由度自動 多功能實驗臺，進一步完善學(xué)校的硬件設(shè)施，提升教學(xué)實驗的質(zhì)量，為老師的教學(xué)工 作帶來便利，通過課堂的理論教學(xué)與實驗實踐讓學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，為今后成 為高素質(zhì)的人才打下基礎(chǔ)。為了便于觀察實驗過程，實驗臺實驗過程和實驗數(shù)據(jù)的可 視化是其發(fā)展的一個重要方向。 本設(shè)計的特色與創(chuàng)新之處在于五自由度自動多功能實驗臺可作為教學(xué)用具，用于 演示空間機構(gòu)的 5 個自由度。良好的交互性實驗更有利于學(xué)生直觀地觀察和理解其概 念，使教師的指導(dǎo)與學(xué)生的獨立思考步步緊扣，生動地把教與學(xué)融為一體。豐富和鞏 固理論知識的同時，確立和強化了學(xué)生的工程思維，激發(fā)了學(xué)生的求知欲。由于學(xué)科 的交叉滲透性越來越強，實驗臺設(shè)計時充分考慮實驗設(shè)備要為科研服務(wù)的思想，使多 功能實驗臺不僅可做專業(yè)實驗又可做相近專業(yè)的實驗，大大滿足了實驗教學(xué)的需求， 使實驗臺有了更廣泛的適應(yīng)性。 本設(shè)計是按照現(xiàn)代機械原理和結(jié)構(gòu)理論，以提高設(shè)計思維能力、動手能力、創(chuàng)新 能力為出發(fā)點，設(shè)計的一種自動多功能實驗臺。它具有五個自由度，其中，有三個轉(zhuǎn) 動自由度和兩個移動自由度，分別是 X 軸，Y 軸方向的轉(zhuǎn)動自由度以及 X 軸，Y 軸， Z 軸方向的移動自由度。 2.2 工作原理方案的選擇 通過對設(shè)計目標(biāo)的分析，必須提出可能的解決方案。方案設(shè)計階段對設(shè)計的成敗 起關(guān)鍵作用。在這一過程中也充分地表現(xiàn)出設(shè)計工作有多個解的特點。首先進行功能 分析，就是對設(shè)計任務(wù)書提出的功能中必須達到的要求、最低要求及希望達到的要求 進行綜合分析，即這些功能能否實現(xiàn)，多項功能間有無矛盾，相互間能否替代等。最 后確定出功能參數(shù)，作為進一步設(shè)計的依據(jù)。確定出功能參數(shù)后，即可提出可能的解 決辦法，亦即提出可能采用的方案。尋求方案時，按原動件部分、傳動部分以及執(zhí)行 部分分別進行討論。根據(jù)不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機構(gòu)的具體方案。 方案一：采用液壓裝置實現(xiàn)。 其原理圖如圖 2.1 所示。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 6 - 圖 2.1 五自由度液壓實驗臺的原理圖 五自由度液壓實驗臺是由六支液壓油缸，上、下各六只萬向鉸鏈以及上、下兩個 平臺組成。下平臺固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運動，完成上實驗臺在空間五 個自由度的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。原動件是電動機，傳動部分是 液壓系統(tǒng)。 五自由度液壓實驗臺涉及到機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器、空間運 動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理等一系列高科技領(lǐng)域，因此六自由度運動平臺是液壓 和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。主要包括平臺的空間運動機構(gòu)、空間運動模型、液壓 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。 空間運動的目標(biāo)是實現(xiàn)實驗臺在空間運動的三個轉(zhuǎn)動自由度和兩個移動自由度。 而空間目標(biāo)是通過六個液壓缸的行程實現(xiàn)的，這就需要一個空間的運動模型完成空間 運動的轉(zhuǎn)換。六個液壓缸上端點兩兩組成上平臺三個支點，六個液壓缸下端點兩兩組 成下平臺三個支點。上下三個支點分別在假設(shè)的圓周上，并且是 120°等分，既分別是 兩個等邊三角形的頂點。根據(jù)不同的運動范圍，油缸的行程和上下平臺半徑不同。 五自由度液壓實驗臺結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 7 - 圖 2.2 五自由度液壓實驗臺結(jié)構(gòu)圖 方案二：采用軸以及齒輪齒條傳動方式。 原動機的動力輸出絕大多數(shù)呈旋轉(zhuǎn)運動的狀態(tài)，輸出一定的扭矩。因此，X 軸， Y 軸方向的轉(zhuǎn)動自由度可以直接靠轉(zhuǎn)動手柄得到。而 X 軸、Y 軸方向的移動自由度則 依靠齒輪齒條傳動來實現(xiàn)，Z 軸方向的移動自由度由螺旋運動獲得。 輪齒條傳動的原理是將齒輪的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X條的往復(fù)直線運動，或?qū)X條的 往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的回轉(zhuǎn)運動。齒輪機構(gòu)是有齒輪、機架組成的高副機構(gòu)，它 依靠輪齒齒廓直接接觸來傳遞任意兩軸間的運動和動力，是各種機構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的 一種機構(gòu)。齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應(yīng)用廣泛。 五自由度實驗臺的原動件數(shù)目為五，而原動件的動力輸出絕大多數(shù)呈旋轉(zhuǎn)運動的 狀態(tài)，輸出一定的轉(zhuǎn)矩，因此 X 軸，Y 軸方向的轉(zhuǎn)動自由度分別由轉(zhuǎn)動手輪手柄提供 功率。X 軸，Y 軸方向的移動自由度則將手輪手柄的轉(zhuǎn)動通過齒輪傳動轉(zhuǎn)化為齒條的 移動。Z 軸方向的移動自由度由螺旋副的轉(zhuǎn)動得到。 其原理圖如圖 2.3 所示。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 8 - 圖 2.3 方案二的原理圖 軸 A 與軸 B 均由支柱 C 支承而轉(zhuǎn)動，即得到 X 軸、Y 軸方向的轉(zhuǎn)動自由度。立柱 C 在支座螺旋副的作用下轉(zhuǎn)動，即得到 Z 軸方向的移動自由度。在齒輪齒條 D 傳動中， 齒條固定在導(dǎo)軌（圖中省略）面上，齒輪轉(zhuǎn)動從而帶動載有支座的平板一起左右移動， 即得到 X 軸方向的移動自由度。齒輪齒條 E 傳動同理可得前后移動即 Y 軸方向的移動 自由度。 對以上兩種可行的方案，從技術(shù)方面和經(jīng)濟及環(huán)保方面進行綜合評價。進行評價 時，必須對可靠性進行分析，把可靠性作為一項評價指標(biāo)。環(huán)境保護也是設(shè)計中必須 認(rèn)真考慮的重要方面。通過方案評價，最后進行決策，確定一個據(jù)以進行下步技術(shù)設(shè) 計的原理圖或機構(gòu)運動簡圖。 對兩種方案的評價： 第一種方案的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計制造的成本也相對增大。一般地將，系統(tǒng)越復(fù)雜， 則系統(tǒng)的可靠性也越低。為了提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，就必須增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，而 這不可避免地會提高機器的成本。液壓伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是可以承受大負(fù)載，原理簡單， 容易實現(xiàn)。但是控制難度大，而且需要油源泵站，對環(huán)境和場地都有嚴(yán)格的要求，而 且不符合當(dāng)今社會所提倡的低碳環(huán)保要求。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 9 - 第二種種方案的優(yōu)點是：壽命長，工作穩(wěn)定，可靠性高，傳遞效率高。軸設(shè)計制 造簡便，成本相對較低。從環(huán)境保護方面來講，第二種方案比第一種方案更有優(yōu)勢。 而且第二種方案能讓學(xué)生更直觀而了解到齒輪傳動部分，不僅豐富了《機械原理》的 相關(guān)知識，更為《機械設(shè)計》等后續(xù)課程奠定了基礎(chǔ)。另外，設(shè)計制造正確合理、使 用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這也是其他機械傳 動所不能比擬的。 根據(jù)上述評價分析，綜合考慮，本設(shè)計采用第二種工作方案。 第三章 實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 10 - 3.1 X,Y 軸方向的轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計 采用軸為轉(zhuǎn)動機構(gòu)。 軸是組成機器的一個重要零件。它支承著其他轉(zhuǎn)動件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時它又 通過軸承和機架聯(lián)接。因此軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。 一切作回轉(zhuǎn)運動的傳動零件都必須安裝在軸上才能進行運動和動力的傳遞。所有 軸上零件都圍繞軸心線作回轉(zhuǎn)運動，形成了一個以軸為基準(zhǔn)的組合件——軸系部件。 因此，在軸的設(shè)計中，不能只考慮軸本身，還必須和軸系零、部件的整個結(jié)構(gòu)密切聯(lián) 系起來。 軸的設(shè)計計算 1、根據(jù)機械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案。 確定軸上的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩 設(shè)定小手輪輸入功率 P=0.1kW，轉(zhuǎn)速 n=100r/min。 則轉(zhuǎn)矩 T=9550000 =9550000 =9550N/mm。n10.? 2、選擇軸的合適材料 軸的材料種類很多，根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現(xiàn)這些要 求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題，選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 3、初步確定軸的最小直徑 根據(jù) d≥ 初步估算軸的最小直徑，式中????303332.0952.095nPAnPTT???? 。30.TA? 根據(jù)表 3.1，取 A0=110，于是得 dmin= =110× mm=11mm。30nPA310. 表 3.1 軸常用幾種材料的[τ T]及 A0值 軸的材料 Q235- A、20 Q275、 35（1Cr18Ni9Ti ） 45 40Cr、35SiMn、38Si MnMo、3Cr13 [τT]/MPa 15~25 20~35 25~45 35~55 A0 149~126 135~112 126~103 112~97 4、進行軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)取決于受載情況，軸上零件的布置和固定方式，軸承的類型和尺寸，軸 的毛坯、制造和裝配工藝及安裝、運輸條件等。軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)是盡量減小應(yīng)力集中，受 力合理，有良好工藝性，并使軸上零件定位可靠，裝拆方便。一般情況下，為了保證 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 11 - 零件在軸上具有固定的工作位置，需從軸向和周向加以固定。 初步選擇滑動軸承。由軸承目錄產(chǎn)品中初步選取帶擋邊的銅合金整體軸套式滑動 軸承，其尺寸為內(nèi)徑 d=12mm，為便于軸承的裝配，取裝軸承處的軸的直徑為 12mm。 其余尺寸為 D=18mm，D 1=22mm，厚度 e=3mm。 軸與小手輪用圓錐銷定位與連接，因此，距離軸左端 11mm 處應(yīng)有一錐銷孔，公 稱直徑為 d=4mm。 為了對軸進行周向定位，軸上應(yīng)制出一定位軸肩，軸肩距軸左端 35mm，軸肩寬 度為 3mm，直徑為 23mm。 軸的尺寸見圖 3.1。 圖 3.1 軸的尺寸 5、確定軸上圓角和倒角尺寸 參考表 3.2，取軸端倒角為 0.8×45°，軸肩處的圓角半徑為 R1。 表 3.2 零件倒角 C 與圓角半徑 R 的推薦值 (單位：mm) 直徑 d ＞ 6~10 ＞10~18 ＞18~30 ＞30~50 ＞50~80 ＞ 80~120 C 或 R 0.5 0.6 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 6、進行強度計算 進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方 法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對于僅僅或主要承受扭矩的軸即傳動軸，應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強 度條件計算。這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強度。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時， 通常用這種方法初步估算軸的直徑。對于不大重要的軸，也可作為最后計算結(jié)果。 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 ][32.095Tdn PTW????? XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 12 - （3.1） 式中： τT——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； T——軸所受的扭矩， N·mm； WT——軸的抗扭截面系數(shù)，mm 3； n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P——軸傳遞的功率，kW； d——計算截面處軸的直徑，mm； [τT]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa τT=9550000× =2.7MPa，45 鋼的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τ T]為 25MPa~45MPa，滿312.0? 足安全條件。 7、進行剛度計算 軸在載荷作用下，將會產(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器應(yīng)有的工作性能。軸的彎曲剛度以撓度或偏 轉(zhuǎn)角來度量。扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。軸的剛度校核計算通常是計算出軸在受載時 的變形量，并控制其不大于允許值。 軸的扭轉(zhuǎn)變形，用每米軸長的扭轉(zhuǎn)角 φ 來表示。 對于實心階梯軸，圓軸扭轉(zhuǎn)角 φ 的簡化計算公式為 ?? n1458iidlTG? （3.2） 式中： G——材料的切變模量，MPa，對于鋼材，G=8.1*10 4MPa； Ti——階梯軸第 i 段上所傳遞的扭矩，N·mm； li——階梯軸第 i 段的長度， mm； di——階梯軸第 i 段的外直徑，mm； 根據(jù)公式，可求得： ?????????43241dl0.85T???4441589. =0.31°/m XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 13 - 查得[φ ]=0.5°/m 因此，滿足剛度條件。 8、手輪的選擇 根據(jù)工作要求，選擇小波紋手輪。 （1）小波紋手輪分為 A 型和 B 型兩種。根據(jù)工作要求，采用 A 型小波紋手輪。小 波紋手輪的材料為塑料。 （2）軸左端直徑為 d=12mm，選擇 d=12mm 的小波紋手輪。軸與小波紋手輪用圓錐 銷定位連接，因此軸左端應(yīng)鉆一圓錐孔。圓錐孔 d=4mm，a≈0.5，錐度為 1:50，l=28mm 。詳細(xì)尺寸見零件圖。 （3）小波紋手輪的尺寸如圖 3.2 所示。 圖 3.2 小波紋手輪 3.2 Z 軸方向的移動機構(gòu)設(shè)計 Z 軸方向的移動自由度是依靠與立柱形成螺旋副的支座的支承而形成的螺旋上升 或下降位移。 立柱的設(shè)計計算 1、根據(jù)機械傳動方案的整體布局，擬定立柱上零件的布置和裝配方案。 確定立柱上的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩 設(shè)定輸入功率 P=0.2kW。 轉(zhuǎn)速 n=100r/min。 則轉(zhuǎn)矩 T= =19100N·mm。102.95950??n XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 14 - 2、選擇立柱的合適材料 根據(jù)對立柱的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理 方式，同時考慮制造工藝問題，選取立柱的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 3、初步確定立柱的最小直徑 根據(jù)公式 ，初步估算立柱的最小直徑，式中????303332.0952.095nPAnPTT???? 。30.TA? 根據(jù)表 3.1，取 A0=110，于是得 dmin= =110× mm=13.9mm。30nPA3102. 又因為立柱上裝有維持 X 軸、Y 軸方向的轉(zhuǎn)動自由度的零件，整體軸套 D=18mm，取 dmin≥18mm 。 4、進行零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）擬定立柱上零件的裝配方案 根據(jù)本設(shè)計的裝配方案，立柱上應(yīng)打出 2 個直徑為 18mm 的通孔。為了美觀，初 選立柱直徑為 30mm。 （2）根據(jù)設(shè)計要求確定立柱的尺寸 由于受到小手輪的位置限制，兩個通孔需隔開一定的距離。通過比較分析，取兩 個通孔的圓心距為 90mm。立柱下端有 50mm 長的外螺紋。為了方便旋轉(zhuǎn)立柱，立柱 上端壓有網(wǎng)紋，壓有網(wǎng)紋處的直徑為 40mm。 至此，已初步確定了立柱的尺寸，如圖 3.3 所示。 圖 3.3 立柱的尺寸 5、確定立柱上圓角和倒角尺寸 參考表 3.2，取軸端倒角為 1.2×45°。 6、進行強度計算 對于主要承受扭矩的軸，應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 15 - 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 。][32.095Tdn PTW????? τT=9550000× =3.537MPa。302.1? 45 鋼的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τ T]為 25MPa~45MPa，滿足安全條件。 7、繪制立柱的零件工作圖，見零件圖紙。 8、支座的設(shè)計 支座做成圓凸臺狀，并鉆有螺紋孔。為了美觀，取凸臺最大直徑為 140mm。 為了固定支座，支座上應(yīng)打螺孔。俯視圖如圖 3.4 所示。 圖 3.4 支座俯視圖 與立柱配合的螺紋孔公稱直徑為 D=30mm，采用公稱直徑為 12mm 的六角頭螺栓 固定支座。凸臺高度如圖 3.5 所示。 圖 3.5 凸臺高度 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 16 - 螺孔深度為 50mm。鉆螺紋孔之前應(yīng)先鉆孔，鉆孔深度為 60mm。如圖 3.6 所示。 圖 3.6 螺孔及鉆孔深度 3.3 X 軸方向的移動機構(gòu)設(shè)計 選擇齒輪齒條傳動方式，采用導(dǎo)軌加以配合。 3.3.1 齒輪齒條傳動設(shè)計 輪齒條傳動的原理是將齒輪的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X條的往復(fù)直線運動，或?qū)X條的 往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的回轉(zhuǎn)運動。齒輪齒條傳動主要適用于快速、精確定位機構(gòu) 或重負(fù)荷、高精度、高剛度、高速度、長行程的銑床、車床、加工中心等。齒輪機構(gòu) 是有齒輪、機架組成的高副機構(gòu)，它依靠輪齒齒廓直接接觸來傳遞任意兩軸間的運動 和動力，是各種機構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一種機構(gòu)。齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動 之一，形式很多，應(yīng)用廣泛。與其他傳動相比，具有以下優(yōu)點：1）傳遞動力大、效率 高。在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。2）結(jié)構(gòu)緊湊。在同樣的使用條 件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。3）壽命長，工作穩(wěn)定，可靠性高。設(shè)計制 造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這 也是其他機械傳動所不能比擬的。4）能保證恒定的傳動比，傳動比范圍大。傳動比穩(wěn) 定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于具有這一特點。 但是齒輪傳動的制造、安裝精度要求較高，因而成本也較高，并且不宜用于傳動距離 過大的場合。 一般地說，齒輪傳動的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失效又是多種多樣的， 較為常見的有輪齒折斷、工作齒面磨損、點蝕、膠合及塑性變形。其中，輪齒折斷有 多種形式，在正常情況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷，因為在輪齒受載時，齒根處產(chǎn) 生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 17 - 用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴展，致使輪齒疲勞折斷。 此外，在輪齒受到突然過載時，也可能出現(xiàn)過載折斷或剪斷；在輪齒經(jīng)過嚴(yán)重磨損后 齒厚過分減薄時，也會在正常載荷作用下發(fā)生折斷。若制造及安裝不良或軸的彎曲變 形過大，輪齒局部受載過大時，直齒圓柱齒輪也會發(fā)生局部折斷。為了提高輪齒的抗 折斷能力，可采取下列措施：1）用增大齒根過渡圓角半徑及消除加工刀痕的方法來減 小齒根應(yīng)力集中；2）增大軸及支承的剛性，使輪齒接觸線上受載較為均勻；3）采用 合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性；4）采用噴丸、滾壓等工藝措施對齒根 表層進行強化處理。在齒輪傳動中，齒面隨著工作條件的不同會出現(xiàn)多鐘不同的磨損 形式。例如當(dāng)嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)如砂粒、鐵屑時，齒面即被逐漸磨損而導(dǎo)致 報廢。磨粒磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式之一。改用閉式齒輪傳動是避免齒面 磨粒磨損最有效的辦法。點蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤滑良好的閉式齒輪傳 動中，常見的齒面失效形式多為點蝕。所謂點蝕就是齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作 用下，由于疲勞而產(chǎn)生麻點狀損傷現(xiàn)象。齒面上最初出現(xiàn)的點蝕僅為針尖大小的麻點， 如工作條件未加改善，麻點就會逐漸擴大，甚至數(shù)點連成一片，最后形成了明顯的齒 面損傷。輪齒在嚙合過程中，齒面間的相對潤滑起著形成潤滑油膜的作用，而且相對 滑動速度越高，越容易在齒面間形成油膜，潤滑也就越好。當(dāng)輪齒在靠近節(jié)線處嚙合 時，由于相對滑動速度低，形成油膜的條件差，潤滑不良，摩擦力較大，特別是直齒 齒輪，通常這時只有一對齒嚙合，輪齒受力也最大，因此，點蝕也就首先出現(xiàn)在靠近 節(jié)線的齒根面上，然后再向其他部位擴展。從相對意義上說，也就是靠近節(jié)線處的齒 根面抵抗點蝕的能力最差，即接觸疲勞強度最低。提高齒輪材料的硬度，可以增強齒 輪抗點蝕的能力。在嚙合的輪齒間加注潤滑油可以減小摩擦，減緩點蝕，延長齒輪的 工作壽命。并且在合理的限度內(nèi)，潤滑油的粘度越高，上述效果也越好。 由上述分析可知，所設(shè)計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相 應(yīng)的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計一般使用的齒輪傳動 時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準(zhǔn)則進行計算。 設(shè)定手柄輸入功率 P=0.2kW，n=120r/min。 1、齒輪類型選擇 根據(jù)實驗臺的傳動方案，選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，開式齒輪傳動。 2、精度等級 齒輪與軸是作固定連接的結(jié)合，用來傳遞力和力矩，其結(jié)合件間應(yīng)具有一定的過 盈。實驗臺工作時速度不高，選用 7 級精度。 3、材料選擇 由齒輪的失效形式可知，設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、 抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷能力。因此，對齒輪材料性能 的基本要求為齒面要硬，齒芯要韌。提高齒輪材料的硬度，可以增強齒輪抗點蝕的能 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 18 - 力。 選擇齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS，齒條材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬 度為 220HBS，材料硬度差為 20HBS。 4、齒數(shù)選擇 由機械原理可知，增加壓力角 α，輪齒的齒厚及節(jié)點處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增 加，有利于提高齒輪傳動的彎曲強度及接觸強度，但增大壓力角 α 不一定都對傳動有 利。對一般用途的齒輪傳動，國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1356-1988 ）中規(guī)定，分度圓壓力角為標(biāo) 準(zhǔn)值，壓力角 α=20°。 為使輪齒免于根切，對于 α=20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，應(yīng)取 z≥17。 5、按齒面接觸強度設(shè)計 由標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的設(shè)計計算公式 進行計算。??3 212. ?????????HEdZKT??? 式中： K——載荷系數(shù)； T1——齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·mm； ——齒寬系數(shù)；d? ZE——彈性影響系數(shù)， MPa1/2； [σH]——接觸疲勞許用應(yīng)力，MPa； （1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1）計算齒輪強度用的載荷系數(shù) K，包括使用系數(shù) KA、動載系數(shù) KV、齒間載荷分 配系數(shù) Kα及齒向載荷分布系數(shù) 。? 試選載荷系數(shù) Kt=1.2。 2）計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 =15916N·mmnPT950? 3）由齒輪的強度計算公式可知，輪齒愈寬，承載能力也愈高，因而輪齒不宜過窄； 但增大齒寬又會使齒面上的載荷分布更趨不均勻，故齒寬系數(shù)應(yīng)取得適當(dāng)。 由表 3.3，選取齒寬系數(shù) =1。d? 表 3.3 圓柱齒輪的齒寬系數(shù) d? 裝置狀況 兩支承相對于齒輪做對稱 兩支承相對于齒輪做不對稱 齒輪做懸臂布置 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 19 - 布置 布置d? 0.9~1.4 0.7~1.15 0.4~0.6 4）由表 3.4，查得材料的彈性影響系數(shù) ZE=189.8MPa1/2。 表 3.4 彈性影響系數(shù) ZE 5）按齒面硬度查得齒輪接觸疲勞強度極限 σHlim=550MPa。 6）由公式 N=60njLh，計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 式中： j——齒輪每轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合的次數(shù)； Lh 為齒輪的工作壽命， h； 設(shè)定齒輪的工作壽命為 50000 小時。 求得 N=60×120×1×50000=360000000=3.6×108。 7）取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN=0.95。 8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1。 由公式 ，??SNlim?? 求得[σ H]=0.95*550MPa=522.5MPa。 （2）計算 1）試算齒輪分度圓直徑 dt 求得 =38.406mm。??3 2t 1. ?????????HEdZKT??? 配對齒輪材料彈性模量 E/MPa 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 鑄鋼 鍛鋼 夾布塑膠 齒輪材料 11.8×104 17.3×104 20.2×104 20.6×104 0.785×104 鍛鋼 162.0 181.4 188.9 189.8 56.4 鑄鋼 161.4 180.5 188 球墨鑄鐵 156.6 173.9 灰鑄鐵 143.7 — — — — — XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 20 - 2）計算圓周速度 v = =0.24m/s。106??ndvtπ 10624.38?π 3）計算齒寬 b b= dt=1×38.406=38.406mm。? 4）計算齒寬與齒高之比 h 模數(shù) = =1.9203mmztm?2046.38 齒高 h=ha+hf 其中： 齒頂高 ha=ha*m，齒頂高系數(shù) ha*=1。 齒根高 hf=(ha*+c*)m，頂隙系數(shù) c*=0.25。 h=2.25m=2.25×1.9203=4.32mm。 求得 =8.89。b 5）計算載荷系數(shù) 根據(jù) v=0.2m/s，7 級精度，查得動載系數(shù) KV=1.0； 對于直齒輪，取 KHα=KFα=1； 使用系數(shù) KA 是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。這種附 加載荷取決于原動機和從動機械的特性、質(zhì)量比以及運行狀態(tài)等。 取使用系數(shù) KA=1； 齒向載荷分布系數(shù) Kβ可分為 KFβ和 KHβ。其中 KHβ為按齒面接觸疲勞強度計算 時所用的系數(shù)，而 KFβ為按齒根彎曲疲勞強度計算時所用的系數(shù)。K Hβ與齒輪在軸 上的支承情況、齒輪的精度等級、齒寬以及齒寬系數(shù)等有關(guān)。 用插值法可得 7 級精度，兩支承相對于齒輪做對稱布置時，K Hβ=1.3085。 由 =8.89，K Hβ=1.3085，K Fβ=1.25。hb 故載荷系數(shù) K=KAKVKHαKHβ=1×1.0×1×1.3085=1.3085。 6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，根據(jù)公式可求得 =38.406 =39.53mm。3tdtK?32.1085? 7）計算模數(shù) m= = mm=1.9765mm。z0.9 6、按齒根彎曲強度設(shè)計 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 21 - 輪齒在受載時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強度最弱。根據(jù) 分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點位于單對齒嚙合區(qū)最高點。因此，齒根 彎曲疲勞強度也應(yīng)當(dāng)按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點來計算。這種算法只用于高精 度的齒輪傳動。 彎曲強度的設(shè)計公式為 。??321dmFSaYzKT???? （1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1）查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 σFE=380MPa。 2）取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN=0.88。 3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4。 由公式 = =238.86MPa。??SNlim??4.1380? 4）計算載荷系數(shù) K。 K=KAKVKFαKFβ=1×1.0×1×1.25=1.25 5）查取齒形系數(shù)。 齒形系數(shù) YFa 是一個無因次量，只與輪齒的齒廓形狀有關(guān)，而與齒的大小或模 數(shù)無關(guān)。Y Fa 小的齒輪抗彎強度高。 由表 3.5 查得 YFa=2.80。 6）查取應(yīng)力校正系數(shù)。 由表 3.5 查得 YSa=1.55。 表 3.5 齒形系數(shù) YFa及應(yīng)力校正系數(shù) YSa z 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 YFa 2.97 2.91 2.85 2.80 2.76 2.72 2.69 2.65 2.62 2.60 YSa 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.575 1.58 1.59 1.595 7）計算 = =0.01817。??FSaY?86.23510? （2）設(shè)計計算 = =1.48mm??321dmFSazKT???320187.165.? 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算 的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸 疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)的大小與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 22 - 取由彎曲強度算得的模數(shù) 1.48 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=1.5mm，按接觸強度算得的分度 圓直徑 d=39.53mm，算出齒輪輪齒數(shù) = ≈27。dz?5.139 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強 度，并做到避免浪費。 7、幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 d=mz=1.5×27=40.5mm （2）計算齒輪寬度 b=?dd=1×40.5=40.5mm （3）計算齒高 h=ha+hf=2.25m=2.25×1.5=3.375mm （4）計算齒頂圓直徑 da=d+2ha=40.5+2×1.5=43.5mm （5）計算齒根圓直徑 df=d－2h f=40.5－2×1.875=36.75mm （6）計算分度圓齒厚 s= =0.75πm?? （7） 計算分度圓齒槽寬 e=s=0.75π （8）計算齒距 p=s+e=1.5π 8、齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過齒輪傳動的設(shè)計計算，只能確定出齒輪的主要尺寸，如齒數(shù)，模數(shù)，齒寬， 分度圓直徑等，而齒圈、輪輻、輪轂等的結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小，通常由結(jié)構(gòu)設(shè)計而定。 齒輪的機構(gòu)設(shè)計與齒輪的幾何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及經(jīng)濟性 等因素有關(guān)。進行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須綜合考慮上述各方面的因素。通常是先按 齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，然后再根據(jù)薦用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 對于直徑很小的鋼制齒輪，當(dāng)為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離小于 2m，應(yīng)將齒輪和軸做成一體，即齒輪軸。若齒根圓到鍵槽底部的距離超過 2m，齒輪 與軸以分開制造為合理。顯然，本設(shè)計中的齒輪與軸應(yīng)該分開制造為宜。 當(dāng)齒頂圓直徑 da≤160mm 時，可以做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。根據(jù)齒頂圓直徑的計算 結(jié)果，齒輪做成實心結(jié)構(gòu)。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 23 - 進行齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要進行齒輪和軸的連接設(shè)計。通常采用單鍵連接。 9、齒輪的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖 3.7 所示。 圖 3.7 齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸 10、齒輪傳動的潤滑 齒輪在傳動時，相嚙合的齒面間有相對滑動，因此就要發(fā)生摩擦和磨損，增加動 力消耗，降低傳動效率。 輪齒嚙合面間加注潤滑劑，可以避免金屬直接接觸，減少摩擦損失，還可以散熱 及防銹蝕。因此，對齒輪傳動進行適當(dāng)?shù)貪櫥?，可以大為改善輪齒的工作狀況，確保 運轉(zhuǎn)正常及預(yù)期的壽命。 開式齒輪傳動通常用人工做周期性加油潤滑，所以潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。 11、齒條參數(shù)計算 （1）模數(shù) m=1.5mm （2）壓力角 α=20° （3）齒寬 B=40.5mm （4）齒條的長度 L=150mm 齒條的齒高為 3.375mm，分度圓齒厚與齒槽寬均為 0.75π。齒條的幾何尺寸如圖 3.8 所 示。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 24 - 圖 3.8 齒條的幾何尺寸 3.3.2 軸的設(shè)計 1、確定軸上的功率 P，轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 T P=0.2kW n=120r/min =15916N·mmT950? 2、求作用在齒輪上的力 因已知齒輪的分度圓直徑為 d=mz=1.5×27=40.5mm， 圓周力 Ft = =786Nd 徑向力 Fr =Ft ×tan20°=286N 法向載荷 Fn = =836N?cost 3、初步確定軸的最小直徑 根據(jù)公式 d≥ 初步估算軸的最小直徑。????303332.0952.095nPAnPTT???? 選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 取 A0=112，于是得 dmin= =13.28mm。330120.?nA 4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1）初步選定滾動軸承。 因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，選用單列圓錐滾子軸承。參照設(shè)計要 求，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 0 基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級的單列圓錐滾子軸承 30203，圓錐角 α=12°57′10″，其尺寸為 d×D×T=17mm×40mm×13.25mm。因此安裝 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） - 25 - 軸承處的軸的直徑為 17mm。 2）取安裝齒輪處的軸段直徑為 19mm；齒輪的左端與左軸承之間采用軸套定位。 已知齒輪輪轂的寬度為 40.5mm，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪 轂寬度，故取 36mm。齒輪采用軸肩定位，軸肩高度 h=(0.07~0.1)d，故取 h=1.5mm， 則軸環(huán)處的直徑為 22mm。軸環(huán)寬度 b≥1.4h，取 3mm。 3）根據(jù)設(shè)計要求，選取 B 型手輪。為了滿足手輪的使用要求，與手輪配合處的軸 的直徑取 14mm。手輪與軸之間采用平鍵連接。按安裝手輪處的軸段直徑查得平鍵截 面 b×h=5mm×5mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為 16mm。為了使手輪定位可靠，除了 設(shè)有定位軸肩外，在手輪的另一邊用圓柱銷定位。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度，如圖 3.9 所示。 圖 3.9 軸的各段直徑和長度 （2）