機械畢業(yè)設(shè)計無碳重力勢能小車設(shè)計
機械畢業(yè)設(shè)計無碳重力勢能小車設(shè)計,機械,畢業(yè)設(shè)計,重力,勢能,小車,設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計任務書
學生姓名：
任務下達日期：
設(shè)計開題日期：
設(shè)計開始日期：
中期檢查日期：
設(shè)計完成日期：
一、設(shè)計題目：無碳重力勢能小車設(shè)計
二、設(shè)計的主要內(nèi)容：綜合運用知識，全面考慮有關(guān)科學的、經(jīng)濟的及社會的情況，進行多種方案比較，確定最優(yōu)方案。設(shè)計計算——這是設(shè)計過程中工作量最大的階段， 它包括設(shè)計計算與工程圖繪制和技術(shù)文件的編制，完成主動軸加工工藝及主要工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中1張圖必須徒手畫。按照工程技術(shù)規(guī)范要求，整理好技術(shù)資料，編寫設(shè)計說明書。
三、設(shè)計目標：根據(jù)功能設(shè)計要求，設(shè)計一種可將重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置，小車前進的路線以“s”周期性變化能夠自動避開路線上設(shè)置的障礙物。按照工程技術(shù)規(guī)范要求，整理好技術(shù)資料，編寫出設(shè)計說明書。
指 導 教 師：
院（系）主管領(lǐng)導：
年 12月19 日
摘 要
通過對第二屆全國大學生工程訓練參賽作品“無碳重力勢能小車”的分析。發(fā)現(xiàn)小車在設(shè)計方面存在不足。為了改進小車的不足之處，對小車的結(jié)構(gòu)部分進行重新設(shè)計。通過每一階段的深入分析把設(shè)計盡可能向最優(yōu)設(shè)計靠攏。
根據(jù)小車功能要求，把小車分為車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) 、微調(diào)機構(gòu)六個模塊，進行模塊化設(shè)計。首先針對每一個模塊進行多方案設(shè)計，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。確定的方案為：車架采用三角底板式、原動機構(gòu)采用了錐形軸、傳動機構(gòu)采用齒輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄搖桿、行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速、微調(diào)機構(gòu)采用微調(diào)螺母。然后對方案進行理論分析，綜合考慮零件材料性能、加工工藝等，進而得出了小車的具體參數(shù)和運動規(guī)律。
關(guān)鍵字：工程訓練；參賽作品；重力勢能小車；
Abstract
Based on the second national college engineering training entries" carbon-free gravitational potential energy car" analysis. Find cart in the design deficiencies. In order to improve the deficiency of the trolley car, a portion of the structure redesign. Through each phase of the in-depth analysis of the design as possible to move closer to optimal design.
According to the functional requirements of the trolley car, divided into frame, driving mechanism, a transmission mechanism, a steering mechanism, a walking mechanism, a fine adjustment mechanism of six modules, modular design. First, for each module performs multiple design, through comprehensive comparison and choose the optimal scheme of combination. Determining the scheme are: frame with triangular bottom plate type, motive mechanism adopts a conical shaft, the drive mechanism adopts gear, steering mechanism with crank rocker, walking mechanism driven by a single wheel to achieve differential, fine tuning mechanism by fine adjustment nut. Then the scheme theory analysis, considering the parts and materials properties, processing technology, and then the specific parameters, and movement rules.
Keywords:engineering training; entries; gravitational potential energy;
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1小車功能設(shè)計要求 1
1.2小車的設(shè)計方法 1
第2章 方案設(shè)計 2
2.1重塊支架 3
2.2原動機構(gòu) 3
2.3傳動機構(gòu) 4
2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu) 5
2.5行走機構(gòu) 6
2.6微調(diào)機構(gòu) 7
第3章 技術(shù)設(shè)計 8
3.1影響小車性能主要因素的分析 8
3.1.1能耗規(guī)律分析 8
3.1.2運動學分析 10
3.1.3動力學分析 14
第4章 典型零件的設(shè)計及強度校核 16
4.1 主動齒輪的設(shè)計 16
4.2 主動齒輪的強度校核 17
4.2.1齒輪的設(shè)計計算 17
第五章 典型零件加工工藝的分析及編寫 20
5.1驅(qū)動軸加工工藝分析 20
5.1.1零件結(jié)構(gòu)及其工藝性分析 20
5.1.2零件技術(shù)要求分析 20
5.2 驅(qū)動軸加工工藝編寫 21
結(jié)論 22
致謝 23
附錄 24
參考文獻 29
Catalog
Chinese abstract I
Abstract II
First chapter Introduction 4
1.1 Car functional design repuirements 4
1.2 Car design method 4
The second chapter Scheme design 2
2.1 A heavy block bracket 3
2.2 Driving mechanism 3
2.3 Transmission mechansim 4
2.4 Steering mechansim 5
2.5 Walking mechansim 6
The third chapter Technical design 7
3.1 Analysis of the factors affecting the performance car 8
3.1.1 Energy dissipation analysis 8
3.1.2 Kinematic analysis 8
3.1.3 Dynamics analysis 14
The fourth chapter Typical part desgin and strength check 16
4.1 Driving gear desgin 16
4.2 Driving gear strength 17
3.1.3 Dynamics analysis 17
The fifth chapter Typical part machining analysis preparationof 20
5.1 Drive shaft processing technology analysis 20
5.1.1 Parts of the structure and process analysis 20
5.1.2 Technical requirements of 20
5.2 Drive axle processingpreparation 21
Conclusion 22
Thank 23
Appendix 24
Reference 29
22
第1章 緒論
1.1小車功能設(shè)計要求
給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔1米，放置一個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。
給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1kg的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。
要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。
小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為60×20 mm的實心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應不小于30mm。
1.2小車的設(shè)計方法
小車的設(shè)計一定要做到目標明確，通過對命題的分析得到了比較清晰開闊的設(shè)計思路。設(shè)計需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計過程中需要綜合考慮材料、加工、制造成本等給方面因素。
小車的設(shè)計是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計方法上考慮優(yōu)化設(shè)計 、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計理論方法。
第2章 方案設(shè)計
通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設(shè)計（車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) 、微調(diào)機構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。設(shè)計圖框如圖2-1
圖2-1 設(shè)計步驟
在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。
圖2-2 方案選擇
2.1重塊支架
車架不用承受很大的力，精度要求低。但考慮到重量以及小車轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力造成重塊晃動從而使小車不穩(wěn)定等，重塊支架采用鋁合金制作成三角底板式。
2.2原動機構(gòu)
原動機構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機構(gòu)還有其它的具體要求。
1. 驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。
2. 到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。
3. 由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。
4. 機構(gòu)簡單，效率高。
圖2-1-1 繞線軸
基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的錐形螺旋槽原動機構(gòu)。如上圖可以通過改變繩子繞在繞線軸上不同位置來改變其輸出的動力。
2.3傳動機構(gòu)
傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。
1. 不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。
2. 帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點，但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。
3. 齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。
2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)
轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的周期回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄滑塊等等。
凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。
優(yōu)點：只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便。
缺點：凸輪輪廓加工比較困難。
在本小車設(shè)計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動摩擦）因此不采用
曲柄連桿+搖桿
優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。
缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設(shè)計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構(gòu)中做平面復雜運動和作往復運動的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。
在小車設(shè)計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大，故機構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構(gòu)并不復雜。對于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調(diào)機構(gòu)來解決。
曲柄搖桿
結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低且急回特性導致難以設(shè)計出較好的機構(gòu)。
綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方案。
2.5行走機構(gòu)
行走機構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。
有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為
文獻[7]
對于相同的材料為一定值，滾動摩擦阻力
文獻[7]
所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。
由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。
雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。
雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運動。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動不準確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。
單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為主動輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與主動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。
綜上所述行走機構(gòu)的輪子應有恰當?shù)某叽?，采用單輪?qū)動。
2.6微調(diào)機構(gòu)
一臺完整的機器包括：原動機、傳動機、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿+滑塊方案，并且曲柄連桿機構(gòu)對于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調(diào)機構(gòu)，對誤差進行修正。這是采用微調(diào)機構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。
微調(diào)機構(gòu)可以采用微調(diào)螺母式如圖2-6-1
圖2-6-1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)
第3章 技術(shù)設(shè)計
技術(shù)設(shè)計階段的目標是完成詳細設(shè)計確定個零部件的的尺寸。設(shè)計的同時綜合考慮材料加工成本等各因素。
3.1影響小車性能主要因素的分析
通過對小車的能耗規(guī)律、運動學、動力學進行分析，可以實現(xiàn)小車的優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計方案。
3.1.1能耗規(guī)律分析
為了簡化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有
文獻[1]
式中 ──為第i個輪子對地面的壓力
──為第i個輪子的半徑
──為第i個輪子行走的距離
──為小車總質(zhì)量
為了更全面的理解小車的各個參數(shù)變化對小車前進距離的變化下面分別從1.輪子與地面的滾動摩阻系數(shù)、2.輪子的半徑、3.小車的重量、4.小車能量轉(zhuǎn)換效率。四方面考慮。
由文獻[10]知道一般材料的滾動摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。圖3-1-1為當車輪半徑分別為（222mm，70mm）摩阻系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5.....mm時小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖。
由圖3-1-1可知滾動摩阻系數(shù)對小車的運動影響非常顯著，因此在設(shè)計小車時也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。
同時可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進的距離也提高一倍。因此應盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡化機構(gòu)，充分潤滑。
圖3-1-2為當摩阻系數(shù)為0.5mm，車輪半徑依次增加10mm時的小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖。
圖3-1-1
圖3-1-2
由圖3-1-2可知當小車的半徑每增加1cm小車便可多前進1m到2m。因此在設(shè)計時應考慮盡可能增大輪子的半徑。
圖3-1-3
3.1.2運動學分析
涉及的物理量：
──驅(qū)動輪半徑
──齒輪傳動比
──驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距
──驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距
──驅(qū)動軸（軸2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離
──曲柄軸（軸1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離
──曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑
──搖桿長
──連桿長
──繞線軸的半徑
圖3-1-4
a、驅(qū)動：
當重物下降dh時，驅(qū)動軸（軸2）轉(zhuǎn)過的角度為d，
則有
文獻[1]
則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過的角度
文獻[1]
小車移動的距離為（以A輪為參考）
文獻[1]
b、轉(zhuǎn)向：
當轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動軸間的夾角為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為
則與滿足以下關(guān)：
文獻[1]
解上述方程可得與的函數(shù)關(guān)系式
文獻[1]
c、小車行走軌跡
只有A輪為驅(qū)動輪，當轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時，
則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為
文獻[1]
小車行走ds過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度
文獻[1]
當小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有
d、小車其他輪的軌跡
以輪A為參考，則在小車的運動坐標系中，B的坐標、C的坐標
在地面坐標系中，有
整理上述表達式有：
求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過設(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運動軌跡如圖
圖3-1-5
3.1.3動力學分析
a、驅(qū)動
重物以加速度向下加速運動，繩子拉力為，有
文獻[11]
產(chǎn)生的扭矩
文獻[11]
式中 ──考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)。
驅(qū)動輪受到的力矩，曲柄輪受到的扭矩，為驅(qū)動輪A受到的壓力，為驅(qū)動輪A提供的動力，有
文獻[11]
式中 ──考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)
文獻[11]
b、轉(zhuǎn)向
假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為，其大小可由赫茲公式求得
文獻[9]
由于b比較小，故
對于連桿的拉力，有
c、小車行走受力分析
設(shè)小車慣量為，質(zhì)心在則此時對于旋轉(zhuǎn)中心的慣量為
文獻[11]
小車的加速度為：
整理上述表達式得：
第4章 典型零件的設(shè)計及強度校核
4.1 主動齒輪的設(shè)計
主動齒輪設(shè)計如圖4-1-1
圖4-1-1
4.2 主動齒輪的強度校核
4.2.1齒輪的設(shè)計計算
1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
（1）按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪
（2）選用7級精度
（3）材料選擇。由參考文獻[9]表10—1選擇大齒輪材料為LD6061鋁合金，硬度為280HBS，小齒輪材料為黃銅，硬度為280HBS
（4）選大齒輪齒數(shù)z1=120，小齒輪的齒數(shù)為z2=30
2． 按齒面強度設(shè)計
(1) 確定各式計算數(shù)字
試選載荷系數(shù)。
1） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。
大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
2） 由參考文獻[10]查得，大齒輪做懸臂布置，選取齒寬系數(shù)。
3） 由參考文獻[10]查得，鋁合金的彈性影響系數(shù)
4） 由參考文獻[10]查得，按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限；大齒輪的接觸疲勞極限。
5） 計算應力循環(huán)次數(shù)
6） 由參考文獻[10]查得，接觸疲勞壽命系數(shù)；
7） 計算接觸疲勞需用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1
（2）計算
1）試算大齒輪分度圓直徑d1t，代入中較小的值。
2）計算圓周速度v
3）計算齒寬
4）計算齒寬與齒高之比。
模數(shù)
齒高
5）計算載荷系數(shù)。
根據(jù)，7級精度，查得動載系數(shù)，直齒輪；
由參考文獻[9]查得使用系數(shù)；
由參考文獻[9]用插值法查得7級精度，大齒輪相對支撐為懸臂布置 。
由 ，，由參考文獻[10]查得；故載荷系數(shù)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
7）計算模數(shù)
3．幾何尺寸計算。
表3 直齒圓柱齒輪傳動計算結(jié)果
名稱
符號
計算公式
小齒輪
大齒輪
模數(shù)
m
0.75
齒數(shù)
z
變位系數(shù)
x
嚙合角
分度圓直徑
d
中心距
a
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒輪寬度
B
B1=10
B2=4
第5章 典型零件加工工藝的分析及編寫
5.1驅(qū)動軸加工工藝分析
驅(qū)動軸是無碳小車的一個典型零件，它主要用來支承傳動零部件，傳遞扭矩和承受載荷。該軸按給定的生產(chǎn)綱領(lǐng)600件/年，則生產(chǎn)批量為50件/月，生產(chǎn)類型屬于中批生產(chǎn)。而生產(chǎn)
類型的不同，則其工藝特征也不同，則該驅(qū)動軸的工藝應結(jié)合中批生產(chǎn)的工藝特征來考慮。
5.1.1零件結(jié)構(gòu)及其工藝性分析
該軸為細長小臺階軸，由外圓柱面、螺紋和鍵槽組成，結(jié)構(gòu)比較簡單，但長徑比L/d>12屬撓性軸，剛性差，工藝性差，加工時極易造成彎曲變形，但可以使用中心架來防止其變形，能夠保證以高生產(chǎn)率和低成本制造。
5.1.2零件技術(shù)要求分析
1. 尺寸精度
該軸的主要尺寸精度要求在幾處臺階軸處，即安裝軸承和安裝齒輪的部位，精度較高，均是6級精度，過渡配合?？赏ㄟ^在MG1320E高精度磨床上磨削加工，均能保證其要求。
2. 形狀與位置精度分析
該軸沒有形狀精度要求，只有3處階梯軸段對兩處基準的徑向圓跳動的要求，屬位置精度要求，精度較高，最高值為0.008mm，且該軸長徑比比較大，屬細長軸類零件，該徑向圓跳動要求屬于加工關(guān)鍵，加工時應優(yōu)先考慮基準統(tǒng)一的原則，可通過以兩端中心孔為工藝基準（精基準）和中心架來保證其圓跳動的位置精度要求；兩處鍵槽的對稱度要求較高，為0.01mm，在普通銑床上很難保證，應使用數(shù)控銑床來完成，但必須以兩端中心孔為工藝基準再輔以千斤頂做輔助支撐。
3. 表面粗糙度分析
表面粗糙度最低值為Ra 1.6μm，要求不高，通過磨削可以保證。
4. 零件選材及熱處理分析
該軸雖屬臺階軸，但外圓直徑尺寸相差不大，且強度要求不高，毛坯選用棒料即可。該軸選用了比較常用的45圓鋼，切削性能良好，加工時不需采取特殊工藝措施，刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或YT類硬質(zhì)合金均可。選材合理。熱處理調(diào)質(zhì)硬度170-230HBS，容易達到。
5.2 驅(qū)動軸加工工藝編寫
驅(qū)動軸加工工藝卡片詳見附錄
結(jié)論
從對試制的樣品小車進行反復實驗來看小車的優(yōu)點：
（1）小車機構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少。
（2）多處采用微調(diào)機構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物。
（3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠。
（4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過快。
小車的缺點：
（1） 小車精度要求高，使得加工零件成本高。
（2） 微調(diào)各個機構(gòu)都很費時，避障穩(wěn)定性差，時而偏左，時而偏右。
小車需要的改進方向：
（1） 小車最大的缺點是精度要求非常高，改進小車的精度要求。
（2） 使調(diào)整簡單，小車便能達到很好的行走效果。
致謝
為期近四個月的畢業(yè)設(shè)計，將近尾聲，大學生活也即將結(jié)束，畢業(yè)前的這次畢業(yè)設(shè)計，是對四年來所學知識的一次系統(tǒng)復習和綜合運用。這次畢業(yè)設(shè)計，復習并運用了以前所學過的知識，是在老師的帶指導下接觸和學習新知識的過程，更是將所學知識運用到生產(chǎn)生活具體實踐的一次練習。其實知識并不難學，也并不是最重要的；重要的是知識的運用，也就是說學會運用知識遠比知識本身更重要。只有通過不斷的練習，通過老師的指點和同學的幫助，才能將課本知識熟練的運用到生產(chǎn)生活實踐中，為人類社會造福。在這一過程中，老師的指導非常重要，沒有老師的細心指導我不可能順利完成設(shè)計。
尤其是李光輝導師的科學研究精神，惜時如金的工作態(tài)度深深地影響了我，使學生受益匪淺。在此表示衷心感謝，并致以崇高的敬意。同時也感謝所有關(guān)心、支持和幫助過我的各級領(lǐng)導、老師、同學。由于學生水平有限，論文難免有不足和錯誤之處，懇請各位專家、教授批評、指正，再次表示感謝。
附錄
后軸加工工藝卡
參考文獻
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附錄
翻譯部分
車床和車削
車床及它的結(jié)構(gòu)
車床是一個主要用來生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)表面和端面的機床。 基于他們的目的，結(jié)構(gòu)，能同時裝夾刀具的數(shù)量，自動化的程度，車床， 或更正確的說， 車床類型的機床依下列各項被分類為:
(1) 普通車床
(2) 刀剖車床
(3) 六角轉(zhuǎn)塔車床
(4) 立式的車削和鏜銑機床
(5) 自動化車床
(6) 專用車床
盡管車床類型機床的多種多樣，他們結(jié)構(gòu)和工作的原則都有很大程度上的相似性。通過具有代表性的普通車床這些特征能最好地被說明。
床身 車床的床身是主要的框架，包括在二個垂直支撐架上的水平橫梁。它通常由鑄鐵或者球墨鑄鐵通過鑄造加工而成的用于減少振動。車床上的導軌讓床鞍容易地沿縱長滑動。車床床身的高度應該適中，這樣使操作人員能夠容易地而且舒適地做他或她的工作。
主軸箱 主軸箱安裝在車床床身的左手邊位置而且主軸與導軌(床的滑動表面)平行。 主軸由齒輪箱驅(qū)動，齒輪箱安裝在主軸箱中。齒輪箱的功能將提供一些不同的主軸轉(zhuǎn)速(通常由6到 18 速度)。一些現(xiàn)代的車床具有無級調(diào)速的功能，由摩擦力、電或液壓來驅(qū)動。
主軸箱通常為中空的，舉個例子而言，它在整個長度方向上是空的。如果采取連續(xù)生產(chǎn)桿狀坯料可以通過這個洞進給。當然，這個洞有一個錐形表面用于安裝車床頂尖。這個外部表面由螺紋連接吸盤，尖盤以及類似的東西。
尾座 尾座基本上三個部份組成，下部分的基礎(chǔ)，一個中間的部份和套筒。下部份的基礎(chǔ)是沿著機床床身導軌上滑動的鑄件，而且它有一個夾緊裝置使其鎖定在整個尾座的任何需要的位置，根據(jù)工件的長度。中間部分是一個能沿著橫向移動用的鑄件。第三個部份套筒，是一個淬火處理的鋼管，它可以根據(jù)需要滑進滑出中間部分。它可以通過手輪實現(xiàn)，在它的周圍螺母固定在套筒上，在套筒開放一端的洞中能夠固定車床中心線或者其他的像麻花鉆鏜桿一類的東西，通過夾緊裝置套筒能夠加緊在任何位置。
刀架 刀架的主要功能是用在刀具的安裝和縱向和橫向的進給。當被機床V形導軌引導的時候，它實際上是在主軸箱和尾座之間滑動的一個 H 形塊。刀架可以用手動或機械方式通過托板箱和絲杠或光杠移動。
當用于加工螺紋的時候，動力是由托板箱的齒輪箱提供的。在所有的其他車削操作方面，它是由光杠提供動力驅(qū)動刀架的。絲杠通過一對半合螺母固定。這個螺母安裝在托板箱的后面，當操作特定的杠桿時兩個半螺釘一起被夾緊而且與旋轉(zhuǎn)的絲杠構(gòu)成一個完整的螺釘，當進給時沿床身和刀架一起。當杠桿脫離的時候，這兩個半螺釘離開并且刀架停止運動。另一方面，當使用光杠的時候，它經(jīng)過蝸輪提供力量給托板箱。后者對于光杠和沿著光杠移動的絲杠是關(guān)鍵的，它在整個長度是關(guān)鍵的一部分。一個現(xiàn)代的車床通常在主軸箱之下位于一個快速變速的齒輪箱和經(jīng)過一列齒輪傳動的主軸。刀架被連接到絲杠和光杠而且能夠通過操作杠桿迅速簡單地選擇一系列的進給，變速齒輪箱應用于普通的車削、平面和螺紋的切削操作。因為那齒輪箱被連接到主軸上的，對于托板箱移動的距離可以被控制。。
車刀
車刀的形狀和幾何尺寸根據(jù)車床應用的目的而決定。車削刀具可以分為兩種主要的類型即外部的切削刀具和內(nèi)部的切削刀具，每一個這些小組包括刀具的有下列類型:
車刀 車刀能用于精加工或者粗加工的工具。粗加工的車刀具有小的刀尖圓弧半徑用于大的切削用量。另一方面精加工的車刀具有大的刀尖圓弧半徑用于獲得最終需要的尺寸這個尺寸通過小的切削深度獲得高的表面質(zhì)量。粗車刀具有用右手或左手的兩種類型，根據(jù)進給的方向而定。它們能有直的，彎的，或偏置的刀柄。
端面刀 端面車刀用于待加工的表面或者端面的平面加工。這些刀具有用左手邊操作加工表面的和用右手邊操作加工表面的。這些表面通過刀具的橫向進給實現(xiàn)，和車削刀具相反的是，縱向進給通常被應用。
切斷刀 切斷刀具，有時叫做分離刀具，可用于切斷工件以及/或以機器制造外的凹槽。
螺紋車刀 螺紋車具有三角形的，正方形，或梯形的刃口，取決于需要的螺紋的橫截面的樣式。同時，這些刀具的面角度總是和那些螺紋現(xiàn)狀相同的。螺紋切削刀具的直刀柄用于外部的螺紋切削而偏置刀具用于外部螺紋的切削 。
成形車刀 成形車刀是特別用于加工特殊形式截面的加工刀具，與被加工的工件的形狀相反。高速鋼刀具通常是做成單獨的一塊整體，和硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具相反的是 ， 它們是做成刀尖的形式。后者是由焊接的或者機械方式夾緊與刀柄構(gòu)成一個整體。圖一指出了一系列后者的類型，這些包括碳化物頂尖、斷屑器、刀片，緊固螺絲釘 (一個墊圈和一個螺釘 ) 和刀柄。當做名字所說的那樣，斷屑器的功能是時不時的切斷切屑，如此避免長的帶狀切屑形成這些帶狀切屑在操作時可能會帶來問題。 碳化物頂尖 ( 或陶瓷的頂尖 ) 可以有不同的形狀，根據(jù)他們應用的機床操作。頂尖可以是一個整體或者是中央有一個洞，根據(jù)這個頂尖是焊接還是用機械夾緊方式使其安裝在刀柄上。
車床操作
在下列的部分中，我們將討論能在傳統(tǒng)的車床上被運行的各種不同的機床操作。 這個必須銘記于心，然而，現(xiàn)代的數(shù)控車床具有更多的功能 并且能做其他的操作，舉例來說，比如曲面仿型。下列各項是普通的車床操作。
外圓車削 外圓車削是最簡單的和最通常的車床操作。工件每旋轉(zhuǎn)一周就在工件上產(chǎn)生一個圓心在車身軸線上的軌道; 這個動作的多次產(chǎn)生才能實現(xiàn)切削加工。 加工的結(jié)果是一個具有很小螺距的螺旋線。結(jié)果，已加工表面是圓形的。
軸向進給是由刀架或者是小刀架提供，可用手動或自動化方式實現(xiàn)，然而削減的深度由橫向進給實現(xiàn)。在粗車加工時，一般推薦大的切削深度 (從 0.25 到 6 毫米左右，取決于工件的材料) 并且會采取較小的進給量。 另一方面，非常小的進給量，非常小切削深度 (小于 0.05 或 0.4 毫米)，和高的切削速度應用于精加工。
平面車削 平面加工的結(jié)果是一平表面這個表面既可以是整個端面或或者是軸間處的一個環(huán)形表面 。 在平面車削過程中，進給量是由橫向進給提供的，然而削減的深度是有刀架或者小刀架提供的。平面車削可以從工件的外圓向中心也可以從工件的中心向外圓。很明顯這兩種加工都產(chǎn)生螺旋形的加工軌跡。通常，在平面加工過程中最好要夾緊刀架，因為切削力容易推動刀具 ( 當然 ， 整個的刀架 ) 遠離工件。在大多數(shù)平面加工過程中，工件被夾緊在吸盤上或者工作臺上。
凹槽切削 在切斷和切槽的加工中，只應用刀具的橫向進給。那切斷和切槽工具，在先前已經(jīng)討論過了，用過了。
鉆孔和內(nèi)表面車削 鉆孔和內(nèi)表面車削是在工件內(nèi)表面上有鉆桿或者是適當?shù)膬?nèi)表面切削刀具， 如果最初的工件是實心的，必須先進行鉆孔加工。 鉆孔刀具安裝在刀架上， 而后刀架相對于工件進行進給。
圓錐面車削 圓錐面車削是通過驅(qū)動刀具沿著與車床軸線方向不平行而是與軸線傾斜方向即想得到的圓錐角。下列各項是用圓錐面車削的不同的方法:
（1）旋轉(zhuǎn)小刀架上的刀盤使其達到半頂角的度數(shù)。進給是通過手動方式旋轉(zhuǎn)小刀架上的手柄方式完成的。這一個方法大多數(shù)應用于較大的內(nèi)圓錐角和角大的外圓錐角切削。
（2）采用專用成形刀具 對非常短的錐形表面加工。工件的寬度一定要比刀具的稍微小一點，而且工件通常被安裝在吸盤上或者在工作臺上。在這種情形下，只有橫向進給應用于這種加工過程中而且刀架被夾緊到機器床身上。
（3）偏置尾座中心 這一個方法應用于較長的和錐角較小（小于8度）的外圓錐面車削。工件被裝在兩個頂尖之間 ; 然后尾座在垂直于車床主軸線移動距離 S。
（4）采用錐面切削裝置 這一個方法應用于車削較長的工件。當長度比小刀架長度還要大時 在如此的情況橫向進給機構(gòu)和刀架完全脫離，然后橫向進給由附加裝置提供。 在這一個過程中，自動的軸向進給能像往常一樣使用。這一個方法是為非常長的工件以及比較小的圓錐體角度，比如8 度到10度。
車削螺紋 當進行螺紋切削的時候，軸向進給必須保持恒定的速度，速度大小取決于工件工件轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/每分)。兩者之間的關(guān)系主要有切削螺紋的螺距決定。
正如先前提到的那樣，通過絲杠切削螺紋自動產(chǎn)生的，軸向進給驅(qū)動刀架 。當絲杠旋轉(zhuǎn)一周時刀架運動距離等于絲杠的螺距，因此，如果絲杠旋轉(zhuǎn)速度等于主軸旋轉(zhuǎn)速度（工件主軸）切削結(jié)果工件螺距等于絲杠螺距
= = 主軸和刀架的傳動比
這個等式對于車床主軸和絲杠的傳動鏈的決定很有用具體的說也就是對傳動鏈中齒輪的選擇很有幫助 。
在螺紋切削加工過程中 相對較長的工件安裝在吸盤上或者在車床兩頂尖之間 。 使用的刀具的形狀必須與要切削螺紋輪廓非常精確，比如三角形的車刀必須用于切削三角形螺紋，以此類推。
滾花加工 滾花加工主要是一種成形加工方式，這種加工沒有切屑的產(chǎn)生。這種加工方法是用兩個有粗銼式的表面的硬化滾軸壓在滾動工件上在工件表面上產(chǎn)生塑性變形。
滾花加工應用于比較粗糙的外圓柱面 ( 或者圓錐面)，通常用來做手柄。有時候，表面僅僅用來做裝飾用; 而且有不同式樣滾花可供選擇。
切削速度和進給量
切削速度 通常由每分鐘表面的進給量(SFM)表示，是在一分鐘內(nèi)在工件的表面 (正在削減 )沿切削方向移動的數(shù)量。表面的切削速度和轉(zhuǎn)/每分之間的關(guān)系根據(jù)下列等式有 :
SMF=πDN
在這里：
D = 工件的直徑
N = 轉(zhuǎn)/每分
表面的切削速度主要取決于加工工件的材料，刀具的材料，和通過手冊獲得的關(guān)于切削刀具的信息。通常，SFM 指的是 100 當切削冷壓鋼或低碳鋼時，當較強硬的金屬時取50，當較軟材料取200。對于鋁而言，通常要達到400 或更多。也有其他的變量影響表面切削速度的最佳值。這些包括刀具幾何現(xiàn)狀、潤滑物的類型或制冷劑，進給量和削減深度 。 只要切削速度被選定，主軸的轉(zhuǎn)速度 (轉(zhuǎn)/每分) 能依下列等式獲得 :
N =
適當進給量的選擇取決于許多因素，像是最后加工的表面，削減深度和使用刀具的幾何形式。小的進給量能產(chǎn)生好的加工表面質(zhì)量，然而較高的進給量能減少切削加工時間。 因此，它通常進給加工通常使用大的進給量精加工使用小的進給兩。 再進給的最佳值可以從手冊和刀具生產(chǎn)商提供的信息中查取。
在這里我介紹一下鉆削加工:
鉆削是使用刀具生產(chǎn)通孔，或者盲孔，相對于工件刀具沿著主軸旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，沿著主軸切削的范圍和需要的孔的半徑相等。在實際加工過程中，兩個對稱的切削刃繞著同一個軸線切削。
鉆削可以通過手鉆或者鉆床來執(zhí)行。鉆床在尺寸和構(gòu)造上和手鉆不一樣。然而，當工件被完全夾緊的時候，刀具總是在它的軸向旋轉(zhuǎn)。這個與車床上是相反的。
用于鉆削加工的切削刀具
在進行鉆削加工時，一圓筒形的端面旋轉(zhuǎn)切削刀具被應用，這個刀具叫做鉆頭。鉆頭有一個或者較多的刃口和對應的容屑槽，可以是直或螺旋狀的。容屑槽的功能是在鉆削過程中將提供出口通道給切屑而且讓潤滑劑和制冷劑到達切削刃口和被加工表面。下列各項是普通鉆頭的一個調(diào)查。
麻花鉆 麻花鉆是那最常用類型的鉆頭。它有二個切削刃口和二個沿著整個鉆頭長度的螺旋狀的容屑槽，鉆頭由頸部和直線形或錐形的柄部組成。在后者情況而言，被作為鍥塊安裝在鍥形孔中和一個柄角，進入主軸的狹槽中，在傳輸旋轉(zhuǎn)的時候作為一個完整的部件。另一方面，直柄被直接安裝在鉆床吸盤上，依次，作為錐柄鉆以同樣的方式安裝在主軸的槽中。
正如上面說的，這二個刃口被稱為唇，而且一起被稱為楔子，是像鑿子一樣的切削刃 。 麻花鉆有二個刃帶，在操作時能夠真確的引導和定位鉆頭。刀具頭角度 (TPA) 由兩個唇形成而且選擇要基于切割的材料。通常的頂角是 118度，這種適合鉆削的低碳鋼和鑄鐵。對于硬的和更強硬的金屬，像是熱處理的鋼，黃銅和青銅選取比較大的刀具頭角度(130 度或 140度) 提供較好的加工性能。普通的麻花鉆的容屑槽螺旋角度在 24度和 30度之間。當鉆削銅或軟的塑料的時候，較高螺旋角度值被推薦 (在 35度和 45和之間)。
麻花鉆通常是用高速鋼做成的，雖然碳素鋼鉆頭也經(jīng)常被使用。被用于工業(yè)的范圍的麻花鉆的大小從 0.01到3.25 英寸。(也就是 0.25 到 80 毫米 )。
擴孔鉆。擴孔鉆由斜面、主體、頸部和柄組成。這類型的鉆頭有三個或者四個容屑槽和相等數(shù)量的刃帶，確定好的指導，如此有高的準確性。那樣擴孔鉆有一個平的端面。這個斜面上有三或者四個刃口和唇，而且唇角度可能在 90和 120之間改變。擴孔鉆應用于擴大先鉆的洞而且不是開始鉆孔。這類型的鉆孔機有較大的生產(chǎn)力，高的加工準確性和高質(zhì)量的加工表面等特點。
槍鉆 槍鉆用來鉆削較深的孔。所有的槍鉆都是直的容屑槽，而且每個都有一個刃口。在主體上的洞擔任一個導管的作用在可以支持的壓力下傳遞冷卻液。
這里有兩種類型的槍鉆，有時被稱為中心切削槍鉆用于鉆削盲洞和套筒鉆。套筒鉆的中心有一個圓柱孔，鉆孔時可在工件上形成一個芯子，當鉆頭連續(xù)進給進行鉆孔時，芯子對鉆頭起導向作用。
扁鉆 扁鉆用來鉆削大的孔 如3.5英寸 (90 毫米 ) 或更多。這種設(shè)計造成它的成本顯著降低并且使其質(zhì)量降低，有利于刀具的管理。而且，這種類型的鉆頭很容易刃磨。
Lathe and Turning
The Lathe and Its Construction
A lathe is a machine tool used primarily for producing surfaces of revolution flat edges. Based on their purpose ,construction , number of tools that can simultaneously be mounted , and degree of automation ,lathes or, more accurately, lathe-type machine tools can be classified as follows:
(1) Engine lathes
(2) Toolroom lathes
(3) Turret lathes
(4) Vertical turning and boring mills
(5) Automatic lathes
(6) Special-purpose lathes
In spite of that diversity of lathe-type machine tools, they all have all have common features with respect to construction and principle of operation .These features can best be illustrated by considering the commonly used representative type, the engine lathe. Following is a description of each of the main elements of an engine lathe , which is shown in Fig.11.1.
Lathe bed . The lathe bed is the main frame , involving a horizontal beam on two vertical supporis. It is usually made of grey or nodular cast iron to damp vibrations and is made by casting . It has guideways to allow the carriage to slide easily lengthwise. The height of the lathe bed should be appropriate to enable the technician to do his or her jib easily and comfortably.
Headstock. The headstock is fixed at the left hand side of the lathe bed and includes the spindle whose axis is parallel to the guideways (the silde surface of the bed) . The spindle is driven through the gearbox , which is housed within the headstock. The function of the gearbox is to provide a number of different spindle speeds (usually 6 up to 18 speeds) . Some modern lathes have headstocks with infinitely variable spindle speeds, which employ frictional , electrical , or hydraulic drives.
The spindle is always hollow , I .e ,it has a through hole extending lengthwise. Bar stocks can be fed througth that hole if continous production is adopted . A lso , that hole has a tapered surface to allow mounting a plain lathe center . The outer surface of the spindle is threaded to allow mounting of a chuck , a face plate , or the like .
Tailstock . The tailstock assembly consists basically of three parts , its lower base, an intermediate part, and the quill . The lower base is a casting that can slide on the lathe bed along the guidewayes , and it has a clamping device to enable locking the entire tailstock at any desired location , depending upon the length of the workpiece . The intermediate part
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