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1、普通數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 摘要 數(shù)控車床不僅能夠車外圓還能用于鏜孔、車端面、鉆孔與鉸孔。與其他種類的機(jī)床相比，車床在生產(chǎn)中使用最廣。 本論文首先介紹了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀 ,并分析了其存在的問題 ;對數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討；并對數(shù)控車床主軸箱傳動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與計算。 主軸箱有安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。 目前，數(shù)控車床的發(fā)展趨勢是通過電氣與機(jī)械裝置進(jìn)行無級變速。變頻電機(jī)通過帶傳動和變速齒輪為主軸提供動力。通常變頻電機(jī)調(diào)速范圍3—5，難以滿足主軸變速要求；串聯(lián)變速齒輪則擴(kuò)大了齒輪的變速

2、范圍 。 本設(shè)計將原來的帶輪不卸荷結(jié)構(gòu)變?yōu)榱藥л喰逗山Y(jié)構(gòu)，使輸入軸在帶處只受轉(zhuǎn)矩，將軸上的徑向力傳動到車床機(jī)體上,改善了輸入軸的受力情況，。 關(guān)鍵詞：主軸箱，無級調(diào)速，傳動系統(tǒng) Abstract NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared t

3、o other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used. In this design ，the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented f

4、or the development of NC machine in China and then the headstock of NC lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the proces

5、sing requirements of cutting. At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is us

6、ually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading s

7、tructure into the loading structure, transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improved the forcing state of the input shaft. Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm 目 錄 摘 要 Ⅰ ABSTRACT（英文摘要） Ⅱ 目 錄 Ⅲ 第一章 緒

8、論 1 1.1 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的要求 1 1.2 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)方式 1 1.3國內(nèi)外數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 2 1.3.1 設(shè)數(shù)控車床發(fā)展總趨勢................................. 2 1.3.2 確中國數(shù)控車床發(fā)展的主要問題 .............. .......... 4 第二章 變速主傳動系統(tǒng)法案的制定 6 2.1主傳動技術(shù)指標(biāo)的制定 7 2.1.1 動力參數(shù)的確定計的數(shù)................................... 7 2.1.2 主運(yùn)動

9、調(diào)速范圍的確定................................. 8 2.1.3 主軸計算轉(zhuǎn)速的確定................................... 9 2.2 變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 10 2.2.1 確定傳動方案........................................... 10 2.2.2 轉(zhuǎn)速圖的擬定........................................ 11 2.2.3 擬定傳動變速系統(tǒng)圖.......................

10、........... 12 第三章 傳動系統(tǒng)零部件設(shè)計 15 3.1 傳動皮帶的設(shè)計與選定 15 3.1.1 V帶傳動設(shè)計......................................... 15 3.1.2 帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計......................................... 16 3.2齒輪的設(shè)計與校核 17 3.2.1各傳動軸傳遞動力計算....................................17 3.2.2齒輪副32/76齒輪的設(shè)計與校核...........

11、................ 19 3.2.3齒輪副30/54齒輪的設(shè)計與校核............................23 3.2.4齒輪副54/54齒輪的設(shè)計與校核............................26 3.3 傳動軸的設(shè)計與校核 30 3.3.1 傳動軸I的設(shè)計與校核................................... 30 3.3.2 軸II的設(shè)計與校核..................................... 33 第四章 主軸組件的設(shè)計與校核 35

12、 4.1主軸的要求 35 4.2 主軸軸承選擇 36 4.3 主軸的設(shè)計與校核 36 第五章 主軸驅(qū)動與控制 39 5.1 主軸轉(zhuǎn)速的自動變換 39 5.2 齒輪有級變速變擋裝置 40 5.3 主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給的同步控制 40 5.3 主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的同步控制 40 第六章總結(jié)與展望 41 參考文獻(xiàn) 43 致謝 45 第一章 緒論 數(shù)控車床利用數(shù)字化的信息對車床運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制，是一種可編程的通用加工設(shè)備，能自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類和盤套類零件。 與通

13、用機(jī)床和專用機(jī)床相比，數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強(qiáng)、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點(diǎn)，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動化的要求，是一種柔性的、高性能的自動化車床，代表了現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。 數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，變速功能絕大部分由主軸電機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有些只有兩極或三級齒輪變速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用以擴(kuò)大電機(jī)無級調(diào)速的范圍 1.1數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的要求 數(shù)控機(jī)床作為高自動化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)滿足以下基本要求。

14、 使用性能要求高 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動特性。如機(jī)床主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)，不僅有低速大轉(zhuǎn)矩功能而且還要有較高的轉(zhuǎn)速。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠。 傳遞動力要求 主電動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)速，具有較高的傳遞效率。 工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度、和抗振性、熱變形特性穩(wěn)定，才能保證加工零件有較高的質(zhì)量。電動機(jī)、主軸及傳動部件都是熱源，低溫升、小變形是對主軸傳動系統(tǒng)的重要指標(biāo)；主軸要較高的旋轉(zhuǎn)精度與運(yùn)動精度；主軸軸頸尺寸、軸承類型及裝配方式，軸承預(yù)緊量大小、主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻及主軸組件的阻尼對主軸組件的靜剛度和抗振性都

15、會產(chǎn)生影響；主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之保持良好的精度；軸承處還要有良好的潤滑。 此外，還要求主創(chuàng)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整與維修；工藝性好，便于加工與裝配；防護(hù)性好；使用壽命長。 1.2數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的方式 機(jī)床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機(jī)床。無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床得主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速。 與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直主軸調(diào)速電動機(jī)，電動機(jī)調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸

16、結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需求數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)有以下三種方式。 ⑴電動機(jī)直接驅(qū)動 主軸電動機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機(jī)驅(qū)動。采用直接驅(qū)動可大大簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點(diǎn)是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定主軸電機(jī)的性能，因而這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。 ⑵采用定比傳動 主軸電動機(jī)經(jīng)定比傳動給主軸。 定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，這種傳動方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉(zhuǎn)矩的要求，但其變速范圍仍和電動機(jī)的調(diào)速范圍相同。 目前，交流、直流主軸電動機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2-4，而恒

17、轉(zhuǎn)矩范圍則達(dá)100以上；許多大、中型機(jī)床的主軸要求有更寬的恒功率轉(zhuǎn)速范圍。很明顯，這種情況下主軸電動機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動機(jī)的恒功率范圍遠(yuǎn)小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數(shù)控機(jī)床。 ⑶采用分檔變速方式 采用這種變速方式主要是為了解決主軸電動機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實(shí)現(xiàn)，電動機(jī)的無級變速配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。 ⑷用兩個電機(jī)分別驅(qū)動主軸 上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅(qū)動主軸，低速時另一個電機(jī)通過齒輪減速后

18、驅(qū)動主軸 1.3國內(nèi)外數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 .1.3.1 數(shù)控車床發(fā)展總趨勢 近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合化、柔性化。 ⑴高速主軸單元 為了適應(yīng)數(shù)控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數(shù)控車床采用了電主軸。電主軸又稱內(nèi)置式電動機(jī)主軸單元，就是將高速的主軸電動機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)、主軸的一體化功能；取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振

19、動和噪聲問題；可精確實(shí)現(xiàn)主軸的定位和軸傳動功能。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、高速變頻驅(qū)動技術(shù)，是技術(shù)含量很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 ⑵功能復(fù)合化、柔性化 隨著數(shù)控車床對加工對象的適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床（特別適合主傳動系統(tǒng)）的設(shè)計發(fā)生了很大變化，并向著功能復(fù)合化和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。 ????功能復(fù)合化的目的是進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴(kuò)大車床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺數(shù)控車床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工 。寶雞機(jī)床廠已經(jīng)研制

20、成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該機(jī)床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實(shí)現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機(jī)床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。 數(shù)控車床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造

21、業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓和完善。CNC單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展 由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計不僅限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現(xiàn)代制造對機(jī)床的整體要求，如制造控制、過程控制以及物料傳送，以縮短產(chǎn)品的加工時間、周轉(zhuǎn)時間、制造時間，以最大限度的提高生產(chǎn)率。 中國數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀及發(fā)展中的主要問題 1.3.2中國發(fā)展數(shù)控車床存在

22、的主要問題 中國於1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958～1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠佳，無法用於生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省共11國(地區(qū))引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機(jī)床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。 在20余年間，

23、數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計、制造、使用和維護(hù)的人才；通過合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過利用國外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控車床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機(jī)電法”、“機(jī)信法”那樣的指引；嚴(yán)重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的

24、科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。 中國今后要加速發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，既要深入總結(jié)過往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，切實(shí)改善存在的問題，又要認(rèn)真學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，沿正確的道路前進(jìn)。建議切實(shí)做好以下幾點(diǎn)： 中國廠多人眾，極需正確的方針、政策對數(shù)控車床的發(fā)展進(jìn)行有力的指引。應(yīng)學(xué)習(xí)美、德、日經(jīng)驗(yàn)，政府高度重視、正確決策、大力扶植。在方針政策上，應(yīng)講究科學(xué)精神、經(jīng)濟(jì)實(shí)效，以切實(shí)提高生產(chǎn)率、勞動生產(chǎn)率為原則。在方法上，深入用戶，精通工藝，低中高檔并舉，學(xué)習(xí)日本，首先解決量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，批量生產(chǎn)，占領(lǐng)市場，減少進(jìn)口，擴(kuò)大出口。在步驟措施上，

25、必須使國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進(jìn)、可靠，狠抓產(chǎn)品質(zhì)量與配套件過關(guān)，打好技術(shù)基礎(chǔ)。近期重在打基礎(chǔ)，建立信譽(yù)，擴(kuò)大國產(chǎn)數(shù)控車床的國內(nèi)市場份額，遠(yuǎn)期謀求趕超世界先進(jìn)水平，大步走向世界市場； 必須狠抓根本，堅持“以人為本”，加速提高人員素質(zhì)、培養(yǎng)各種專家人才，從根本上改變目前低效、落后的狀態(tài)。人是一切事業(yè)成敗的根本，層層都要重視“培才、選才、用才”，建立學(xué)習(xí)型企業(yè)，樹立企業(yè)文化，加速培育新人，培訓(xùn)在職人員，建立師徒相傳制度，舉辦各種技術(shù)講座、訓(xùn)練班和專題討論會，甚至聘請外國專家、顧問等，盡力提高數(shù)控。 隨著世界科技進(jìn)步和機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控車床作為機(jī)床工業(yè)的主流產(chǎn)品，已成為實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備，

26、是國防軍工裝備發(fā)展的戰(zhàn)略物資。數(shù)控機(jī)床的擁有量及其性能水平的高低，是衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。加快發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)也是我國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求。 第二章 變速主傳動系統(tǒng)方案的制定 2.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 中等規(guī)格的二軸聯(lián)動的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠460mm，最大工件長度1000mm；主軸通孔直徑56mm，主軸錐度莫氏六號，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運(yùn)動驅(qū)動電動機(jī)的功率；運(yùn)動參數(shù)是指主運(yùn)動變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)

27、合國內(nèi)外機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。 2.1.1動力參數(shù)的確定 主傳動中個傳動件的尺寸要根據(jù)傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費(fèi)能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實(shí)際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計方法相互比較來確定。 查機(jī)電一體化手冊車削功率在8-16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動鏈的總效率η估算,即P=。主傳動鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機(jī)和較短的機(jī)械傳動鏈，

28、效率較大，因此取=0.78,則估計P在10.26kw~20.51kw.之間。 數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力 PC=KW ---主切削力的切向分力，N； ---切削速度N??； 查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r\min，則知道 PC=2500200\60000=8.333kw P==10.68kw 考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦

29、損耗等。 J1FCNCI-B機(jī)床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機(jī)床的電動機(jī)功率，此機(jī)床可以選取11kw的電動機(jī)，考慮到數(shù)控機(jī)床變速范圍比較大，選用交流變頻電動機(jī)YVP160-4，標(biāo)稱功率11kw，額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動機(jī)功率轉(zhuǎn)矩與 2.1.2主運(yùn)動調(diào)速范圍的確定 主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定 =（r/min） 計算該數(shù)控車床 =、=， 則數(shù)控車床變速范圍= 代入公式，選擇，，，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進(jìn)去，也不是加工情況的最大值和最小值。 經(jīng)統(tǒng)計分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中

30、，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250 r\min；高速車刀粗車圓柱體=30-50 r\min（隨被吃刀量與進(jìn)給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5 r\min，車床主參數(shù)￠460mm，加工絲杠的最大直徑=50mm，則 =0.5D=0.5460mm=230mm =（0.2-0.25）=（46-58）mm，取=50mm。 max ===1591 r/min ==41.52 r/min 由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=20 r\min，

31、=2000 r\min。 則數(shù)控車床總變速范圍==100 2.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定 由切削原理知主運(yùn)動為直線運(yùn)動的機(jī)床，主運(yùn)動為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動；主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)床，主運(yùn)動為恒功率運(yùn)動。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進(jìn)給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動電動機(jī)的全部功率。我們把機(jī)床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動機(jī)的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸

32、輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。 數(shù)控車床變速范圍比較廣，計算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機(jī)床計算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機(jī)床，并結(jié)合該機(jī)床加工工藝要求，使=154 r\min. 圖2.2 主軸轉(zhuǎn)速曲線 2.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 2.2.1確定傳動方案 機(jī)床傳動形式分為有極和無極變速兩種，無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速，這對與提高機(jī)床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時采用無級變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應(yīng)用日益廣泛。 該數(shù)控機(jī)床總變速范圍是=2000

33、\20=100，變速范圍較大，單靠無級變速裝置有難以實(shí)現(xiàn)。而且，無級變速裝置的功率扭轉(zhuǎn)特性應(yīng)同傳動鏈的工作要求相適應(yīng)，這就要求串聯(lián)機(jī)械有級變速來擴(kuò)大變速范圍并選擇合適的無級變速器以滿足機(jī)床的功率扭矩特性要求。 該數(shù)控機(jī)床是以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，設(shè)計主軸由交流變頻電動機(jī)經(jīng)皮帶論、齒輪傳動至主軸。 從圖1與圖2可以看出：調(diào)頻電機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4500\1500=3，而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為2000\250=8，顯然電動機(jī)不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設(shè)計師不能依據(jù)總變速范圍來設(shè)計主創(chuàng)動系統(tǒng)，而應(yīng)考慮電動機(jī)與主軸的功率匹配。 主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=2000\250

34、=8, 電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4500\1500=3 為了使主軸和電動機(jī)的恒功率匹配，現(xiàn)通過增加變速齒輪來滿足要求，該變速齒輪組擴(kuò)大了電動機(jī)的恒功率調(diào)速。 2.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定 1．轉(zhuǎn)速圖的擬定 　 分析和設(shè)計主傳動系統(tǒng)須應(yīng)用一種特殊線圖，稱為轉(zhuǎn)速圖。 　　轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達(dá)出：傳動軸的數(shù)目，主軸及各傳動軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動路線，變速組的個數(shù)、傳動順序及擴(kuò)大順序，各變速組的傳動副數(shù)及其傳動比數(shù)值，變速規(guī)律等。 　　首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉(zhuǎn)速級數(shù)，繪制轉(zhuǎn)速圖。 ：已知機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~2000r

35、/min，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，電動機(jī)的額定功率P=11kW，確定主軸箱結(jié)構(gòu)． （1）確定主軸的變速范圍 （2）確定主軸的計算轉(zhuǎn)速 由于數(shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大，計算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計算值高些，所以圓整取計算轉(zhuǎn)速nc=。 （3）確定主軸的恒功率變速范圍 （4）確定電動機(jī)所能夠提供的恒功率變速范圍 由于Rnp>>Rdp，電動機(jī)直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。 （5）確定轉(zhuǎn)速級數(shù) 取，則 對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速

36、有一些重復(fù)，故取Z=2 （6）擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖 2.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機(jī)床的運(yùn)動和使用要求的前提下，運(yùn)動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問題，考慮結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。 該機(jī)床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結(jié)構(gòu)，使機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實(shí)現(xiàn)，需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進(jìn)入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距

37、離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個因素，擬訂傳動系統(tǒng)示意圖，如圖。 主傳動系統(tǒng)示意圖 第三章 傳動系統(tǒng)零部件設(shè)計 3.1傳動皮帶的設(shè)計和選定 帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運(yùn)動和動力的傳動。根據(jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。摩擦帶傳動是機(jī)床主要傳動方式之一，常見的有平帶傳動和V帶傳動；嚙合傳動只有同步帶一種。 普通V帶傳動是常見的帶傳動形式，其結(jié)構(gòu)為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對高度進(jìn)似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點(diǎn)為：當(dāng)量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動比

38、大、預(yù)緊力小。繩芯結(jié)構(gòu)帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應(yīng)用于：帶速V＜25～30m/s;傳動功率P＜700kW;傳動比i≤10軸間距小的傳動。 一．主要失效形式 1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力； 2．帶由于疲勞產(chǎn)生脫層、撕裂和拉斷； 3．帶的工作面磨損。 保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強(qiáng)度和使用壽命是V帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)。 3.1.1．V帶傳動設(shè)計 　 (1)設(shè)計功率的確定： 查得工況系數(shù) (2) 選定帶型： 根據(jù)和 確定為B型。 (3)傳動比： 根據(jù)轉(zhuǎn)速圖知,

39、傳動比為 (4)確定小帶輪基準(zhǔn)直徑： 參考表取 (5)確定大帶輪直徑： 取標(biāo)準(zhǔn)值 (6) 驗(yàn)算帶速： 因?yàn)樵谥g，所以經(jīng)濟(jì)耐用。 (7)初定帶輪軸中心距： 得： 即： 初取 (8)確定帶基準(zhǔn)長度： 選取基準(zhǔn)長度 (9)計算實(shí)際軸間距： 取標(biāo)準(zhǔn)值。 安裝時所需最小軸間距： 張緊或補(bǔ)償伸長所需最大軸間距： (10)驗(yàn)算小帶輪包角： 所以小帶輪包角合適。 (11)單根V帶的基本額定功率： 根據(jù)和查得B型V帶的基本額定功率。 (12)單根V帶的額定功率增量： 考慮到傳動比的影響，額定功率的

40、增量由表查得： (13)計算帶的根數(shù)： 取 根。 (14)單根V帶的預(yù)緊力： (15)作用在軸上的力： (16)帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸： 由表可查得 帶輪的具體結(jié)構(gòu)參見零件圖 為了減輕傳動軸上載荷，采用卸荷式帶輪結(jié)構(gòu)，使帶輪上的載荷由軸承支撐進(jìn)而傳給箱體，軸只承受轉(zhuǎn)矩，裝配裝置參見裝配圖。 3.2齒輪的的設(shè)計與校核 一般同一變速組的齒輪模數(shù)相同,所有齒輪中首先選擇負(fù)荷較重的小齒輪按接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行初算。所以從最小齒輪Z=26開始設(shè)計校核。（注意：為便于閱讀在本節(jié)內(nèi)容中，在相嚙合的每對齒輪的設(shè)計與校核時，主動齒以數(shù)字1為下角標(biāo)，被

41、動齒輪以數(shù)字2為下角標(biāo)） 3.2.1各傳動軸傳遞動力計算 電動機(jī) 輸出功率==11kw，額定轉(zhuǎn)速=1500r/min， 輸出轉(zhuǎn)矩=9550= 軸I ==110.96=10.56kw 為帶傳動效率 ===750r/min =9550= 中間軸II ==10.560.990.97=10.14kw， 分別為軸承、齒輪傳動效率。 ==937.51.8=521 r/min =9550=9550= 高速檔軸III ==10.140.990.97=9

42、.7kw，分別為、軸III上軸承、齒輪傳動效率 ==5211=521 r\min =9550=9550= 低速檔軸III ==9.7kw ==5212.4=217 r\min =9550=9550= 動力傳動情況表： 軸號 功率kw 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速r\min 傳動比 傳動效率 輸入 輸出 輸入 輸出 電機(jī) -- 11 -- 70 1500 --- 0.96 軸I 10.56 10.14 70 107 937.5 1：

43、1.6 0.9603 軸II 10.14 9.7 134.46 183 521 1：1.8 0.9603 軸III 高速 9.7 9.3 155 183 521 1:1 0.9603 低速 9.7 9.3 155 484 217 1:2.4 0.9603 3.2.2齒輪副(32/76)齒輪的設(shè)計與校核 因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用42SiMn合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度217HB~255HB,平均取為235HB.載荷變化規(guī)律如圖3.2: 圖3.2

44、載荷變化圖 計算步驟如下： 1. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 1）.初步計算 轉(zhuǎn)矩 =9550 =9550 =. 齒寬系數(shù) =0.4 接觸疲勞強(qiáng)度極限 =710MPa, =580MPa, 許用接觸疲勞強(qiáng)度極 =0.9=639 MPa, =0.9=522MPa 取 值β= 查表=82 初步計算小齒輪直徑= = =85.2mm 取=90mm 初步計算齒寬 b=36mm,取b=35mm 2).校核計算 圓周速

45、度v v= =2.69m/s. 精度等級 8級 齒數(shù)Z和模數(shù)m =32,m==2.9,所以取m=3 , =96mm =76,m=3, =763=232mm 使用系數(shù)=1.1 動載荷系數(shù)=1.16 齒間載荷分配系數(shù) ==3751N ==117.2N\mm>100N\mm =[1.88-3.2 (+)]cosβ =[1.88-3.2×]=1.86

46、 由此得 齒間載荷分布系數(shù) 查表= = 載荷系數(shù)K K==1.21.11.711.16=3.05 彈性系數(shù) =189.8 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.45

47、重合度系數(shù) 由式得因得故 螺旋角系數(shù) 接觸最小安全系數(shù) =1.05 總工作時間 =1030080.2=4800h 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計<<,則查表指數(shù)m=8.78 = =6016254800(0.2+

48、0.5+0.2)=3.62 =1.45 接觸壽命系數(shù) 查圖=1.2, =1.25 許用接觸應(yīng)力 = = =798MPa ===690MPa 驗(yàn)算 = = 189.82.450.73 =640MPa <698MPa 滿足要求. 3).確定傳動主要尺寸 分度圓直徑 由以上運(yùn)算知道=32, =76,模數(shù)=3; 分度圓直徑

49、 ==3.0532=96.1mm =3.0576=231.8mm 中心距a ==165mm 齒寬b 大齒輪,小齒輪 2. 齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 齒形系數(shù) 查表得 應(yīng)力重合修正系數(shù)

50、 查表得 重合系數(shù) = =1.72 =0.25+=0.25+=0.69 螺旋角系數(shù) > 齒間載荷分配系數(shù) 由上面知=1.71 齒間載荷分布系數(shù) b/h=35/ (2.253.5)=4.44查相關(guān)圖知=1.175 載荷系數(shù)K K==1..251.11.751.175=2.77 彎曲疲勞極限

51、 查試驗(yàn)齒輪的彎曲極限表=600MPa, =450 MPa, 彎曲最小安全系數(shù) 有相關(guān)表=1.25 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計<<,則查表指數(shù)m=49.91 ==6026254800(0.2+0.5+0.2)=7.24 =6016984800(0.2+0.5+0.2)=4.02 彎曲壽命系數(shù) 查彎曲壽命系數(shù)圖=1.01, =1.03 尺寸系數(shù) 査尺寸系數(shù)圖 =1.0 許用彎曲應(yīng)力 = = 驗(yàn)算 =

52、 =277MPa< < 傳動無嚴(yán)重過載情況,固不作靜強(qiáng)度校核. 3.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 估計傳動軸II的直徑在35mm左右,小齒輪分度圓直徑=96mm,所以沒必要做成齒輪軸.考慮到該齒輪與Z=54齒輪作滑移齒輪,所以應(yīng)與Z=54齒輪一起進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,見零件圖. 3.2.3齒輪副()齒輪設(shè)計與校核 因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用40Cr合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,

53、平均取為260HB.載荷變化規(guī)律如上圖。 計算步驟如下： 3. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 1）.初步計算 轉(zhuǎn)矩 =9550 =9550 =. 齒寬系數(shù) =0.8 接觸疲勞強(qiáng)度極限 =710MPa, =580MPa, 許用接觸疲勞強(qiáng)度極 =0.9=639 MPa, =0.9=522MPa 取 值β= 查表=82 初步計算小齒輪直徑= = =83mm 取=90mm 初步計算齒寬 b=70mm,取b=7

54、0mm 2).校核計算 圓周速度v v= =4.417m/s. 精度等級 8級 齒數(shù)Z和模數(shù)m =30,m==3,所以取m=3 , =90mm =54,m=3, =543=165mm 使用系數(shù)=1.25 動載荷系數(shù)=1.2 齒間載荷分配系數(shù) ==2360N ==117.2N\mm>100N\mm =[1.88-3.2 (+)]cosβ =[1.88-3.2×

55、]=1.57 由此得 齒間載荷分布系數(shù) 查表= = 載荷系數(shù)K K==1.251.21.61.2=2.95 彈性系數(shù) =189.8 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)

56、 =2.45 重合度系數(shù) 由式得因得故 螺旋角系數(shù) 接觸最小安全系數(shù) =1.05 總工作時間 =1030080.2=4800h 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計<<,則查表指數(shù)m=8.78 = =

57、6016254800(0.2+0.5+0.2)=3.62 =1.45 接觸壽命系數(shù) 查圖=1.2, =1.25 許用接觸應(yīng)力 = = =798MPa ===690MPa 驗(yàn)算 = = 189.82.450.92 =652MPa <698MPa 滿足要求. 3).確定傳動主要尺寸 分度圓直徑 由以上運(yùn)算知道=30, =54,模數(shù)=3;

58、 分度圓直徑 ==3.0530=91.5mm =3.0554=165.2mm 中心距a ==127mm 齒寬b 大齒輪,小齒輪 4. 齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 齒形系數(shù) 查表得 應(yīng)力重合修正系數(shù)

59、 查表得 重合系數(shù) = =1.69 =0.25+=0.25+=0.69 螺旋角系數(shù) > 齒間載荷分配系數(shù) 由上面知=1.6 齒間載荷分布系數(shù) b/h=70/ (2.253.5)=8.88查相關(guān)圖知=1..2 載荷系數(shù)K K==1..251.21.61.2=2.88 彎曲疲勞極限 查

60、試驗(yàn)齒輪的彎曲極限表=600MPa, =450 MPa, 彎曲最小安全系數(shù) 有相關(guān)表=1.25 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計<<,則查表指數(shù)m=49.91 ==6026254800(0.2+0.5+0.2)=7.24 =6016984800(0.2+0.5+0.2)=4.02 彎曲壽命系數(shù) 查彎曲壽命系數(shù)圖=1.01, =1.03 尺寸系數(shù) 査尺寸系數(shù)圖 =1.0 許用彎曲應(yīng)力 = = 驗(yàn)算 =

61、 =220MPa< < 傳動無嚴(yán)重過載情況,固不作靜強(qiáng)度校核. 3.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 為保證滑移齒輪在滑移時總處于嚙合狀態(tài)，小齒輪因足夠?qū)挘↓X輪寬度最少應(yīng)大于最大滑移距離與Z=54齒輪的寬度值之和。見零件圖 3.2.4齒輪副()各齒輪設(shè)計與校核 因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用40Cr合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB.載荷變化規(guī)律同上圖。 計算步驟如下：

62、 5. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 1）.初步計算 轉(zhuǎn)矩 =9550 =9550 =. 齒寬系數(shù) =0.3 接觸疲勞強(qiáng)度極限 =710MPa, =580MPa, 許用接觸疲勞強(qiáng)度極 =0.9=639 MPa, =0.9=522MPa 取 值β= 查表=82 初步計算小齒輪直徑= = =165mm 取=165mm 初步計算齒寬 b=25mm,取b=25mm 2).校核計算 圓周速度v

63、 v= =4.5m/s. 精度等級 8級 齒數(shù)Z和模數(shù)m =54,m==3.1,所以取m=3 , =165mm =54,m=3, =543=165mm 使用系數(shù)=1.25 動載荷系數(shù)=1.2 齒間載荷分配系數(shù) ==2208N ==117.2N\mm>100N\mm =[1.88-3.2 (+)]cosβ =[1.88-3.2×]=1.2

64、 由此得=1.23 齒間載荷分布系數(shù) 查表= = 載荷系數(shù)K K==1.251.21.231.15=2.12 彈性系數(shù) =189.8 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.45 重合度系數(shù) 由式得因得故

65、 螺旋角系數(shù) 接觸最小安全系數(shù) =1.05 總工作時間 =1030080.2=4800h 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計<<,則查表指數(shù)m=8.78 = =6016254800(0.2+0.5+0.2)=3.62 =1.45 接觸壽命系數(shù) 查圖=1.2, =1.25 許用接觸應(yīng)

66、力 = = =798MPa ===690MPa 驗(yàn)算 = = 189.82.450.91 =632MPa <698MPa 滿足要求. 3).確定傳動主要尺寸 分度圓直徑 由以上運(yùn)算知道=54, =54,模數(shù)=3; 分度圓直徑 ==3.0530=165.2mm =3.0554=165.2mm 中心距a ==165mm 齒寬b 大齒輪,小齒輪 6. 齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 齒形系數(shù) 查表得