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X X 大 學(xué)
課 程 設(shè) 計(jì)
題 目： 分級(jí)變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
姓 名：
指導(dǎo)教師：
系 主 任：
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目 錄
第1章 緒 論 1
1.1 課程設(shè)計(jì)的目的 1
1.2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1
1.3 課程設(shè)計(jì)題目、主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求 1
第2章 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 1
2.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定 1
2.2 核算主軸轉(zhuǎn)速誤差 1
第3章 動(dòng)力計(jì)算 1
3.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 1
3.2 計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算 1
3.3 齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算 1
3.4 傳動(dòng)軸最小軸徑的初定 1
3.5 主軸合理跨距的計(jì)算 1
第4章 主要部件的校核 1
4.1 主軸強(qiáng)度、剛度校核 1
4.2 軸的剛度校核 1
4.3 軸承壽命校核 1
第5章 總 結(jié) 1
第6章 參 考 文 獻(xiàn) 1
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第1章 緒 論
1.1 課程設(shè)計(jì)的目的
《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完本課程后，進(jìn)行一次學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的綜合性練習(xí)。通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)過的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的有關(guān)理論知識(shí)，及生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐技能，達(dá)到鞏固、加深和拓展所學(xué)知識(shí)的目的。通過課程設(shè)計(jì)，分析比較機(jī)械系統(tǒng)中的某些典型機(jī)構(gòu)，進(jìn)行選擇和改進(jìn)；結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并編寫技術(shù)文件；完成系統(tǒng)主傳動(dòng)設(shè)計(jì)，達(dá)到學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)步驟和方法的目的。通過設(shè)計(jì)，掌握查閱相關(guān)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料的方法，達(dá)到積累設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)技巧，提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力的目的。通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生獲得機(jī)械系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造一定的條件。
1.2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容
《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)內(nèi)容由理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算、圖樣技術(shù)設(shè)計(jì)和技術(shù)文件編制三部分組成。
1.2.1 理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算：
（1）機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案的分析，最佳功能原理方案的確定。
（2）根據(jù)總體設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和計(jì)算。
（3）根據(jù)設(shè)計(jì)方案和零部件選擇情況，進(jìn)行有關(guān)動(dòng)力計(jì)算和校核。
1.2.2 圖樣技術(shù)設(shè)計(jì)：
（1）選擇系統(tǒng)中的主要機(jī)件。
（2）工程技術(shù)圖樣的設(shè)計(jì)與繪制。
1.2.3編制技術(shù)文件：
（1）對(duì)于課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行自我經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)。
（2）編制設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。
1.3 課程設(shè)計(jì)題目、主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求
1.3.1課程設(shè)計(jì)題目和主要技術(shù)參數(shù)
題目：分級(jí)變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
技術(shù)參數(shù)：Nmin=71r/min；Nmax=900r/min；Z=12級(jí)；公比為1.26；電動(dòng)機(jī)功率P=3.5/5KW；電機(jī)轉(zhuǎn)速n=710/1420r/min
1.3.2技術(shù)要求：
（1）利用電動(dòng)機(jī)完成換向和制動(dòng)。
（2）各滑移齒輪塊采用單獨(dú)操縱機(jī)構(gòu)。
（3）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用單獨(dú)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
第2章 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
2.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定
（1）轉(zhuǎn)速范圍。Rn===12.67
（2）轉(zhuǎn)速數(shù)列。查[1]表 2.12，首先找到71r/min、然后每隔3個(gè)數(shù)取一個(gè)值，得出主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列為71 r/min、90 r/min、112 r/min、140 r/min、180 r/min、230 r/min，280 r/min，355 r/min，450 r/min、560 r/min、710r/min、900 r/min共12級(jí)。
（3）定傳動(dòng)組數(shù)。對(duì)于Z=12可分解為：12=2×3×2。
（4）寫傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式。根據(jù)“前多后少” , “先降后升” , 前密后疏,結(jié)構(gòu)緊湊的原則,選取傳動(dòng)方案 Z=12=23×31×26。
（5） 畫轉(zhuǎn)速圖。轉(zhuǎn)速圖如下圖2-2。
圖2-2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖
（6）畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖及已知的技術(shù)參數(shù)，畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2-3：
圖2-3 主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
（7）齒輪齒數(shù)的確定。變速組內(nèi)取模數(shù)相等，據(jù)設(shè)計(jì)要求Zmin≥17,齒數(shù)和Sz≤100～120，由【1】表4.1，根據(jù)各變速組公比，可得各傳動(dòng)比和齒輪齒數(shù)，各齒輪齒數(shù)如表2-2。
表2-2 齒輪齒數(shù)
傳動(dòng)比
基本組
第二擴(kuò)大組
1
1:1.26
1:1.58
1:1
1:4
代號(hào)
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
齒數(shù)
35
35
31
39
27
43
45
45
18
72
2.2 核算主軸轉(zhuǎn)速誤差
實(shí)際傳動(dòng)比所造成的主軸轉(zhuǎn)速誤差，一般不應(yīng)超過±10(-1)％,即
〈 10(-1)％
對(duì)Nmax=710r/min，Nmax`=1420*100/160*31/39*45/45=705.44r/min
則有=0.64％ < 4.1％
因此滿足要求
各級(jí)轉(zhuǎn)速誤差
n
900
710
560
450
355
280
n`
898.73
714.38
564.32
449.37
357.19
282.16
誤差
0.41％
0.64％
0.77％
0.14％
0.62％
0.77％
n
230
180
140
112
90
71
n`
230.68
178.59
141.08
112.34
89.3
70.54
誤差
0.31％
0.78%
0.77%
0.31%
0.78％
0.65％
沒有轉(zhuǎn)速誤差大于1％，因此不需要修改齒數(shù)。
第3章 動(dòng)力計(jì)算
3.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
(1) 直徑計(jì)算
初取小帶輪直徑d 取 d=100 mm
大帶輪直徑D： D== =157.8mm
取D=160mm
（2）計(jì)算帶長(zhǎng)
求Dm Dm=(D+D)/2=(100+160)/2=130mm
求△ △=（D-D）/2=（160-100）/2=30mm
初取中心距 取a=400mm
帶長(zhǎng) L=×Dm+2×a+△/a=1300.66 mm
基準(zhǔn)長(zhǎng)度 由【1】表3.2得：Ld=1250mm
（3） 求實(shí)際中心距和包角
中心距 a=(L-×Dm)/4+ /4 =400.11mm，取a=400mm
小輪包角 =180-（D-D）/a×57.3=171.41>120
（4） 求帶根數(shù)
帶速 =Dn/(60×1000)=3.14×100×1420/(60×1000)= 7.43m/s
傳動(dòng)比i i=n/n=1420/900=1.58
帶根數(shù) 由【2】中表3.6，并用插值法得P=1.30KW；
由【2】中表3.7，并用插值法得
△P=0.17KW；
由【2】中表3.8，得包角系數(shù)K=0.95；
由【2】中表3.9，得長(zhǎng)度系數(shù)K=0.93；
Z=P/[（P+△P）×K×K]
=（5.0×1.2）/(1.32+0.15)×0.95×0.93=3.48
取Z=4根
3.2 計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算
（1） 主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速nj，由公式n=n 得，主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速nj=140r/min。
（2） 確定各傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速。Ⅱ軸共有3級(jí)轉(zhuǎn)速：180 r/min、250 r/min、355 r/min。若經(jīng)傳動(dòng)副Z/ Z傳動(dòng)主軸，則只有355r/min傳遞全功率；若經(jīng)傳動(dòng)副Z/ Z傳動(dòng)主軸，全部傳遞全功率，其中180r/min是傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速， 故其計(jì)算轉(zhuǎn)速nⅡj=180 r/min；Ⅰ 軸有1級(jí)轉(zhuǎn)速，且都傳遞全功率，所以其計(jì)算轉(zhuǎn)速nⅠj=500 r/min。各計(jì)算轉(zhuǎn)速入表3-1。
表3-1 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速
軸 號(hào)
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
計(jì)算轉(zhuǎn)速 r/min
450
280
140
（3） 確定齒輪副的計(jì)算轉(zhuǎn)速。齒輪Z裝在主軸上并具有45-90r/min共3級(jí)轉(zhuǎn)速，其中只有90r/min傳遞全功率，故Zj=90 r/min。
齒輪Z裝在Ⅱ軸上，有180-355 r/min共3級(jí)轉(zhuǎn)速，但經(jīng)齒輪副Z/ Z傳動(dòng)主軸，則只有355r/min傳遞全功率，故Zj=355r/min。依次可以得出其余齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，如表3-2。
表3-2 齒輪副計(jì)算轉(zhuǎn)速
序號(hào)
Z
Z
Z
Z
Z
n
500
500
500
180
355
3.3 齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算
（1）模數(shù)計(jì)算。一般同一變速組內(nèi)的齒輪取同一模數(shù)，選取負(fù)荷最重的小齒輪，按簡(jiǎn)化的接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，即mj=16338可得各組的模數(shù)，如表3-3所示。
表3-3 模數(shù)
組 號(hào)
基本組
第二擴(kuò)大組
模數(shù) mm
3.5
4
（2）基本組齒輪計(jì)算。
基本組齒輪幾何尺寸見下表
齒 輪
Z1
Z1`
Z2
Z2`
Z3
Z3`
齒 數(shù)
35
35
31
39
27
43
分度圓直徑
122.50
122.50
108.50
136.50
94.50
150.50
齒頂圓直徑
129.50
129.50
115.50
143.50
101.50
157.50
齒根圓直徑
113.75
113.75
99.75
127.75
85.75
141.75
齒 寬
30
30
30
30
30
30
按基本組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度301HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取300HB。計(jì)算如下：
① 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：
接觸應(yīng)力驗(yàn)算公式為
彎曲應(yīng)力驗(yàn)算公式為：
式中 N----傳遞的額定功率（kW），這里取N為電動(dòng)機(jī)功率，N=3.5kW;
----計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）. =500（r/min）;
m-----初算的齒輪模數(shù)（mm）, m=3.5（mm）;
B----齒寬（mm）;B=30（mm）;
z----小齒輪齒數(shù)；z=19;
u----小齒輪齒數(shù)與大齒輪齒數(shù)之比,u=2.79;
-----壽命系數(shù)；
=
----工作期限系數(shù)；
T------齒輪工作期限，這里取T=15000h.;
-----齒輪的最低轉(zhuǎn)速（r/min）, =500（r/min）
----基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)，接觸載荷取=，彎曲載荷取=
m----疲勞曲線指數(shù)，接觸載荷取m=3；彎曲載荷取m=6;
----轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，查【5】2上，取=0.60
----功率利用系數(shù)，查【5】2上，取=0.78
-----材料強(qiáng)化系數(shù)，查【5】2上， =0.60
-----工作狀況系數(shù)，取=1.1
-----動(dòng)載荷系數(shù)，查【5】2上，取=1
------齒向載荷分布系數(shù)，查【5】2上，=1
Y------齒形系數(shù)，查【5】2上，Y=0.386；
----許用接觸應(yīng)力（MPa）,查【4】，表4-7，取=650 Mpa；
---許用彎曲應(yīng)力（MPa），查【4】，表4-7，取=275 Mpa；
根據(jù)上述公式，可求得及查取值可求得：
==635 Mpa
=78 Mpa
（3）擴(kuò)大組齒輪計(jì)算。
擴(kuò)大組齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z4
Z4`
Z5
Z5`
齒數(shù)
45
45
18
72
分度圓直徑
180.00
180.00
72.00
288.00
齒頂圓直徑
188.00
188.00
80.00
296.00
齒根圓直徑
170.00
170.00
62.00
278.00
齒寬
30
30
30
30
按擴(kuò)大組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度301HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取300HB。
同理根據(jù)基本組的計(jì)算，
查文獻(xiàn)【6】，可得 =0.62， =0.77，=0.60，=1.1，
=1，=1，m=3.5，=355；
可求得：
=574.35 Mpa=650Mpa；
=118.77Mpa=275Mpa。
3.4 傳動(dòng)軸最小軸徑的初定
由【5】式6，傳動(dòng)軸直徑按扭轉(zhuǎn)剛度用下式計(jì)算：
d=1.64（mm）
或 d=91（mm）
式中 d---傳動(dòng)軸直徑（mm）
Tn---該軸傳遞的額定扭矩（N*mm） T=9550000；
N----該軸傳遞的功率（KW）
----該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
---該軸每米長(zhǎng)度的允許扭轉(zhuǎn)角，==。
各軸最小軸徑如表3-3。
表3-3 最小軸徑
軸 號(hào)
Ⅰ軸
Ⅱ 軸
最小軸徑mm
35
40
3.5 主軸合理跨距的計(jì)算
由于電動(dòng)機(jī)功率P=５Kw，根據(jù)【1】表3.20，前軸徑應(yīng)為60~90mm。初步選取d1=80mm。后軸徑的d2=（0.7~0.9）d1，取d2=60mm。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，前軸承為NN3016K型，后軸承為圓錐滾子軸承。定懸伸量a=120mm，主軸孔徑為30mm。
軸承剛度，主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩
T=9550×=9550×=341.07N·m
設(shè)該車床的最大加工直徑為300mm。床身上最常用的最大加工直徑，即經(jīng)濟(jì)加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑的60%，即180mm，故半徑為0.09m；
切削力（沿y軸） Fc==3789.7N
背向力（沿x軸） Fp=0.5 Fc=1894.8N
總作用力 F==4237.0N
此力作用于工件上，主軸端受力為F=4237.0N。
先假設(shè)/a=2，=2a=300mm。前后支承反力RA和RB分別為
RA=F×=4237×=6355.5N
RB=F×=4237×=3018.5N
根據(jù) 文獻(xiàn)【1】式3.7得：Kr=3.39
得前、后支承的剛度：
KA= 1689.69 N/； KB= 785.57 N/；
求最佳跨距：= =2.15
主軸的當(dāng)量外徑de=(80+60)/2=70mm，故慣性矩為
I==113.8×10-8m4
η== =0.084
查【1】圖3-38 得 =1.7，與原假設(shè)接近，所以最佳跨距=120×1.7=204mm
合理跨距為（0.75~1.5），取合理跨距l(xiāng)=250mm。
根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，主軸的實(shí)際跨距大于合理跨距，因此需要采取措施
增加主軸的剛度，增大軸徑：前軸徑D=100mm，后軸徑d=80mm。前軸承
采用雙列圓柱滾子軸承，后支承采用背對(duì)背安裝的角接觸球軸承。
第4章 主要部件的校核
4.1 主軸強(qiáng)度、剛度校核
4.1.1軸的強(qiáng)度校核
（1）軸的受力分析
1）求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
T=9.55×=9.55××=238.75×N·mm
2)求軸上的作用力
齒輪上的圓周力
= = =2652N·mm
齒輪上的徑向力
=tan= 2652·tan20°=965N·mm
3)確定軸的跨距
=255，=130，=80
（2）軸的受力分析
1）作軸的空間受力簡(jiǎn)圖
2）作水平受力簡(jiǎn)圖和彎矩圖
=292N =5549N
=74460N =-303120N
3）作垂直受力簡(jiǎn)圖和彎矩圖
=466N =913N
=118830N
4）作合成彎矩圖
==140231N·mm
==303120N·mm
5）作轉(zhuǎn)矩圖
=341.07×N·mm=341070 N·mm
6）作當(dāng)量彎矩圖
==368773N·mm
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材表7.5查得，對(duì)于45鋼，=600Mpa, =55Mpa,由公式
===30.0Mpa<，故軸的強(qiáng)度足夠。
4.2 軸的剛度校核
單一載荷下，軸中心處的撓度采用文獻(xiàn)【5】中的公式計(jì)算：:
L-----兩支承的跨距；
D-----軸的平均直徑；
X=/L；-----齒輪工作位置處距較近支承點(diǎn)的距離；
N-----軸傳遞的全功率；
校核合成撓度
-----輸入扭距齒輪撓度；
-------輸出扭距齒輪撓度
；
---被演算軸與前后軸連心線夾角；=144°
嚙合角=20°，齒面摩擦角=5.72°。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：=0.030；=0.078；=0.128；
=0.203；=0.098；=0.044。
合成撓度 =0.230
查文獻(xiàn)【6】，帶齒輪軸的許用撓度=5/10000 L
即=0.2325。
因合成撓度小于許用撓度，故軸的撓度滿足要求。
（2）扭轉(zhuǎn)角的校核
傳動(dòng)軸在支承點(diǎn)A，B處的傾角可按下式近似計(jì)算：
將上式計(jì)算的結(jié)果代入得：
由文獻(xiàn)【6】，查得支承處的=0.001
因〈0.001，故軸的轉(zhuǎn)角也滿足要求。
傳動(dòng)軸在支承點(diǎn)A，B處的傾角可按下式近似計(jì)算：
將上式計(jì)算的結(jié)果代入得：
由文獻(xiàn)【6】，查得支承處的=0.001
因〈0.001，故軸的轉(zhuǎn)角也滿足要求。
4.3 軸承壽命校核
由П軸最小軸徑可取軸承為6016深溝球軸承,ε=3；P=XFr+YFa
X=1，Y=0。
對(duì)Ⅱ軸受力分析
得：前支承的徑向力Fr=5623.6N。
由軸承壽命的計(jì)算公式：預(yù)期的使用壽命 [L10h]=15000h
L10h=×=×=55808h≥[L10h]=15000h
軸承壽命滿足要求。
第5章 總 結(jié)
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束了，時(shí)間雖然短暫，但對(duì)我們來說是受益匪淺，收獲頗豐的。通過這設(shè)計(jì)使我們不再只是胸中空有理論，不再是紙上談兵，而是將理論和實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)行實(shí)實(shí)在在的設(shè)計(jì)。這使得我們不但鞏固了理論知識(shí)，而且掌握了設(shè)計(jì)的步驟和要領(lǐng)，使我們更好的利用圖書館的圖書資料和網(wǎng)絡(luò)信息資源，更熟練的使用我們手中的各種設(shè)計(jì)手冊(cè)以及AutoCAD等繪圖軟件，為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。
課程設(shè)計(jì)使我們認(rèn)識(shí)到了只是努力的學(xué)好書本上的知識(shí)是不夠的，還應(yīng)該更好的做到理論聯(lián)系實(shí)踐，理論運(yùn)用到實(shí)際。這無論對(duì)我們大學(xué)學(xué)習(xí)，還是日后工作都是很有幫助的。在此，學(xué)生也非常感謝老師給我們的辛勤指導(dǎo)，使我們學(xué)到了好多，也非常珍惜學(xué)院給我們的這次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，它將是我們畢業(yè)設(shè)計(jì)完成的更出色的關(guān)鍵一步。
最后，衷心的感謝段鐵群老師以及其他幾位幫助過我的老師，感謝你們的精心指導(dǎo)和悉心幫助，使我順利的完成此次設(shè)計(jì)。謝謝！
第6章 參 考 文 獻(xiàn)
1 侯珍秀主編.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.
2000
2 戴曙主編．金屬切削機(jī)床．機(jī)械工業(yè)出版社，1994
3 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版 社.1986
4 戴曙主編．金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)，第2版．機(jī)械工業(yè)出版 社，1995
5 于惠力主編.機(jī)械設(shè)計(jì).科學(xué)出版社.2006
6 于惠力主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).科學(xué)出版社.2006
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