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機床主軸箱的設(shè)計
閱讀：2910 發(fā)布時間：2013-3-20一、 概述
1.1金屬切削機床在國民經(jīng)濟中的地位
金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器，它是制造機器的機器，又稱為“工作母機”或“工具機”。
在現(xiàn)代機械制造工業(yè)中，金屬切學機床是加工機器零件的主要設(shè)備，它所擔負的工作量，約占機器總制造工作量的40%～60%。機床的技術(shù)水平直接影響機械制造工業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。
1.2機床課程設(shè)計的目的
課程設(shè)計是在學生學完相應課程及先行課程之后進行的實習性教學環(huán)節(jié)，是大學生的必修環(huán)節(jié)，其目的在于通過機床運動機械變速傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使學生在擬定傳動和變速的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案過程中，得到設(shè)計構(gòu)思，方案分析，結(jié)構(gòu)工藝性，機械制圖，零件計算，編寫技術(shù)文件和查閱技術(shù)資料等方面的綜合訓練，樹立正確的設(shè)計思想，掌握基本的設(shè)計方法，并培養(yǎng)學生具有初步的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算能力
1.3車床的規(guī)格系列和用處
普通機床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設(shè)計時應該遵照的基礎(chǔ)。因此，對這些基本知識和資料作些簡要介紹。本次設(shè)計的是普通型車床主軸變速箱。主要用于加工回轉(zhuǎn)體。
表1 車床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)
工件zui大回轉(zhuǎn)直徑
D
（mm） 正轉(zhuǎn)zui高轉(zhuǎn)速
Nmax
（ ）
電機功率
N（kw） 公比
轉(zhuǎn)速級數(shù)Z
11 400 2000 3 1.26 12
1.4 操作性能要求
1）具有皮帶輪卸荷裝置
2）手動操縱雙向摩擦片離合器實現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)及停止運動要求
3）主軸的變速由變速手柄完成
二、參數(shù)的擬定
2.1 確定轉(zhuǎn)速范圍
查金屬切削機床表7-1得：160r/min，200r/min，250r/min，315r/min，400r/min，500r/min，630r/min，800r/min，1000r/min，1250r/min，1600r/min，2000r/min.
2.2 主電機選擇
合理的確定電機功率，使機床既能充分發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機經(jīng)常輕載而降低功率因素。
已知電動機的功率是3KW，根據(jù)《車床設(shè)計手冊》附錄表2選JO2-32-4，額定功率3 ，滿載轉(zhuǎn)速1430 ，zui大額定轉(zhuǎn)距2.2 。
三、傳動設(shè)計
3.1 主傳動方案擬定
擬定傳動方案，包括傳動型式的選擇以及開停、幻想、制動、操縱等整個傳動系統(tǒng)的確定。傳動型式則指傳動和變速的元件、機構(gòu)以及組成、安排不同特點的傳動型式、變速類型。
傳動方案和型式與結(jié)構(gòu)的復雜程度密切相關(guān)，和工作性能也有關(guān)系。因此，確定傳動方案和型式，要從結(jié)構(gòu)、工藝、性能及經(jīng)濟等多方面統(tǒng)一考慮。
傳動方案有多種，傳動型式更是眾多，比如：傳動型式上有集中傳動，分離傳動；擴大變速范圍可用增加傳動組數(shù)，也可用背輪結(jié)構(gòu)、分支傳動等型式；變速箱上既可用多速電機，也可用交換齒輪、滑移齒輪、公用齒輪等。
顯然，可能的方案有很多，優(yōu)化的方案也因條件而異。此次設(shè)計中，我們采用集中傳動型式的主軸變速箱。
3.2 傳動結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動不失為有用的方法，但對于分析復雜的傳動并想由此導出實際的方案，就并非十分有效。
3.2.1 確定傳動組及各傳動組中傳動副的數(shù)目
級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)由若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有 、 、……個傳動副。即
傳動副中由于結(jié)構(gòu)的限制以2或3為合適，即變速級數(shù)Z應為2和3的因子： ，可以有三種方案：
12=3×2×2；12=2×3×2；12=2×2×3；
3.2.2 傳動式的擬定
12級轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的傳動組，選擇傳動組安排方式時，考慮到機床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。
主軸對加工精度、表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好。zui后一個傳動組的傳動副常選用2。
綜上所述，傳動式為12=2×3×2。
3.2.3 結(jié)構(gòu)式的擬定
對于12=2×3×2傳動式，有6種結(jié)構(gòu)式和對應的結(jié)構(gòu)網(wǎng)。分別為：
， ， ，
初選 的方案。
3.3轉(zhuǎn)速圖的擬定
圖1正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速圖
圖2主傳動系圖
四、 傳動件的估算
4.1 三角帶傳動的計算
三角帶傳動中，軸間距A可以加大。由于是摩擦傳遞，帶與輪槽間會有打滑，宜可緩和沖擊及隔離振動，使傳動平穩(wěn)。帶輪結(jié)構(gòu)簡單，但尺寸大，機床中常用作電機輸出軸的定比傳動。
（1）選擇三角帶的型號
根據(jù)公式：
式中P---電動機額定功率， --工作情況系數(shù)
查《機械設(shè)計》圖8-8因此選擇A型帶，尺寸參數(shù)為B=80mm， =11mm，h=10， 。
（2）確定帶輪的計算直徑 ，
帶輪的直徑越小帶的彎曲應力就越大。為提高帶的壽命，小帶輪的直徑 不宜過小，即 。查《機械設(shè)計》表8-3，8-7取主動輪基準直徑 =100m
由公式
式中：
-小帶輪轉(zhuǎn)速， -大帶輪轉(zhuǎn)速， -帶的滑動系數(shù)，一般取0.02。
所以 ，由《機械設(shè)計A》表8-7取園整為224mm。
（3）確定三角帶速度
按公式
（4）初定中心距
帶輪的中心距，通常根據(jù)機床的總體布局初步選定，一般可在下列范圍內(nèi)選?。?根據(jù)經(jīng)驗公式 取 ，取 =600mm.
（5）三角帶的計算基準長度
由《機械設(shè)計》表8-2，圓整到標準的計算長度
（6）驗算三角帶的撓曲次數(shù)
，符合要求。
（7）確定實際中心距
（8）驗算小帶輪包角
，主動輪上包角合適。
（9）確定三角帶根數(shù)
根據(jù)《機械設(shè)計》式8-22得
傳動比
查表8-5c，8-5d 得 = 0.15KW, = 1.32KW
查表8-8， =0.98；查表8-2， =0.96
所以取 根
（10）計算預緊力
查《機械設(shè)計》表8-4，q=0.1kg/m
4.2 傳動軸的估算
傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度的要求，強度要求保證軸在反復載荷和扭載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大變形。因此疲勞強度一般不失是主要矛盾，除了載荷很大的情況外，可以不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下不至發(fā)生過大的變形。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。
4.2.1 傳動軸直徑的估算
其中：P-電動機額定功率 K-鍵槽系數(shù) A-系數(shù)
-從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積；
-該傳動軸的計算轉(zhuǎn)速。
計算轉(zhuǎn)速 是傳動件能傳遞全部功率的zui低轉(zhuǎn)速。各傳動件的計算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上，按主軸的計算轉(zhuǎn)速和相應的傳動關(guān)系確定。
查《機械制造裝備設(shè)計》表3-8取I，IV軸的K=1.05，A=100；II，III軸是花鍵軸，取K=1.06，A=2.0。
所以 ， 取30mm
, 取35mm
, 取40mm
此軸徑為平均軸徑，設(shè)計時可相應調(diào)整。
4.3 齒輪齒數(shù)的確定和模數(shù)的計算
4.3.1 齒輪齒數(shù)的確定
當各變速組的傳動比確定以后，可確定齒輪齒數(shù)。對于定比傳動的齒輪齒數(shù)可依據(jù)機械設(shè)計手冊推薦的方法確定。對于變速組內(nèi)齒輪的齒數(shù)，如傳動比是標準公比的整數(shù)次方時，變速組內(nèi)每對齒輪的齒數(shù)和 及小齒輪的齒數(shù)可以從表3-6（機械制造裝備設(shè)計）中選取。一般在主傳動中，zui小齒數(shù)應大于18～20。采用三聯(lián)滑移齒輪時，應檢查滑移齒輪之間的齒數(shù)關(guān)系：三聯(lián)滑移齒輪的zui大齒輪之間的齒數(shù)差應大于或等于4，以保證滑移是齒輪外圓不相碰。
*組齒輪：
傳動比： , u2=1/1.26,u3=1/1.58
查《機械制造裝備設(shè)計》表3-6，齒數(shù)和 取72
=36， =42， =32,Z4=36,Z5=32,Z6=42；
第二組齒輪：
傳動比： ,u2=1/2，
齒數(shù)和 取72： Z7=36，Z8 =24，Z9=36,Z10=48；
第三組齒輪：
傳動比：u1=1.58,u2=1/2.52
齒數(shù)和 取72： Z11=43，Z12 =20，Z13=27，Z14=50;
4.3.2 齒輪模數(shù)的計算
（1） 一般同一變速組中的齒輪取同一模數(shù)，選擇負荷zui重的小齒輪按簡化的接觸疲勞強度公式計算
式中： ——按疲勞接觸強度計算的齒輪模數(shù)
——驅(qū)動電機功率 ——計算齒輪的計算轉(zhuǎn)速
——大齒輪齒數(shù)和小齒輪齒數(shù)之比 ——小齒輪齒數(shù)
——齒寬系數(shù)， （B為齒寬，m為模數(shù)），
——許用接觸應力
傳動組a模數(shù)：
傳動組b模數(shù)：
傳動組c模數(shù)：
故選取標準模數(shù) 。
（4）標準齒輪：
從機械原理 表10-2查得以下公式
齒頂圓 齒根圓
分度圓 齒頂高
齒根高
齒輪的具體值見表
齒輪尺寸表
齒輪
齒數(shù)
z 模數(shù)
m 分度圓
d 齒頂圓
齒根圓
齒頂高
齒根高
1 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125
2 40 2.5 100 105 93.75 2.5 3.125
3 32 2.5 80 85 73.75 2.5 3.125
4 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125
5 32 2.5 80 85 73.75 2.5 3.125
6 40 2.5 100 105 93.75 2.5 3.125
7 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125
8 24 2.5 60 65 53.75 2.5 3.125
9 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125
10 48 2.5 120 125 113.75 2.5 3.125
11 43 3 129 132 125.25 3 3.75
12 20 3 60 63 56.25 3 3.75
13 27 3 81 84 87.25 3 3.75
14 50 3 150 153 146.25 3 3.75
4.3.4齒寬確定
由公式 得：
*套嚙合齒輪
第二套嚙合齒輪
第三套嚙合齒輪
一對嚙合齒輪，為了防止大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯位時導致嚙合齒寬減小而增大輪齒的載荷，設(shè)計上，應主動輪比小齒輪齒寬大
所以 ， ， ， ，
4.4 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
查《機械設(shè)計》P156頁，當 。D是軸承外徑，查《機械零件手冊》確定選用深溝球軸承6211，d=55mm,D=100mm。帶輪內(nèi)孔尺寸是軸承外徑尺寸100mm。齒《機械設(shè)計》表8-10確定參數(shù)得：
帶輪寬度：
分度圓直徑： ，
，
五、動力設(shè)計
5.1主軸剛度驗算
5.1.1 選定前端懸伸量C
參考《機械裝備設(shè)計》P121，根據(jù)主軸端部的結(jié)構(gòu)，前支承軸承配置和密封裝置的型式和尺寸，這里選定C=120mm.
5.1.2 主軸支承跨距L的確定
一般*跨距 ，考慮到結(jié)構(gòu)以及支承剛度因磨損會不斷降低，應取跨距L比*支承跨距 大一些，再考慮到結(jié)構(gòu)需要，這里取L=600mm。
5.1.3 計算C點撓度
1）周向切削力 的計算
其中 ,
故 ，故 。
1） 驅(qū)動力Q的計算
參考《車床主軸箱指導書》，
其中
所以
3）軸承剛度的計算
這里選用4382900系列雙列圓柱子滾子軸承
根據(jù) 求得：
4）確定彈性模量，慣性距I； ；和長度 。
①軸的材產(chǎn)選用40Cr，查《簡明機械設(shè)計手冊》P6，有
②主軸的慣性距I為：
主軸C段的慣性距Ic可近似地算：
③切削力P的作用點到主軸前支承支承的距離S=C+W，對于普通車床，W=0.4H，（H是車床中心高，設(shè)H=200mm）。
則：
④根據(jù)齒輪、軸承寬度以及結(jié)構(gòu)需要，取b=60mm
⑤計算切削力P作用在S點引起主軸前端C點的撓度
代入數(shù)據(jù)并計算得 =0.1299mm。
⑥計算驅(qū)動力Q作用在兩支承之間時，主軸前端C點子的撓度
計算得： =-0.0026mm
⑦求主軸前端C點的終合撓度
水平坐標Y軸上的分量代數(shù)和為
，計算得： =0.0297mm. 。綜合撓度 。綜合撓度方向角 ，又 。因為 ，所以此軸滿足要求。
5.2 齒輪校驗
在驗算算速箱中的齒輪應力時，選相同模數(shù)中承受載荷zui大，齒數(shù)zui小的齒輪進接觸應力和彎曲應力的驗算。這里要驗算的是齒輪2，齒輪7，齒輪12這三個齒輪。
齒輪12的齒數(shù)為18，模數(shù)為4，齒輪的應力：
1）接觸應力：
u----大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比；
---齒向載荷分布系數(shù)； ----動載荷系數(shù)； ----工況系數(shù)； ----壽命系數(shù)
查《機械裝備設(shè)計》表10-4及圖10-8及表10-2分布得
假定齒輪工作壽命是48000h，故應力循環(huán)次數(shù)為
查《機械裝備設(shè)計》圖10-18得 ，所以：
2） 彎曲應力：
查《金屬切削手冊》有Y=0.378，代入公式求得： =158.5Mpa
查《機械設(shè)計》圖10-21e,齒輪的材產(chǎn)選 ，大齒輪、小齒輪的硬度為60HRC，故有 ，從圖10-21e讀出 。因為：
，故滿足要求，另外兩齒輪計算方法如上，均符合要求。
六、結(jié)構(gòu)設(shè)計及說明
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案
設(shè)計主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動件（傳動軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動器等）、主軸組件、操縱機構(gòu)、潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結(jié)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設(shè)計由于時間的限制，一般只畫展開圖。
5.2 齒輪校驗
在驗算算速箱中的齒輪應力時，選相同模數(shù)中承受載荷zui大，齒數(shù)zui小的齒輪進接觸應力和彎曲應力的驗算。這里要驗算的是齒輪2，齒輪7，齒輪12這三個齒輪。
齒輪12的齒數(shù)為18，模數(shù)為4，齒輪的應力：
1）接觸應力：
u----大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比；
---齒向載荷分布系數(shù)； ----動載荷系數(shù)； ----工況系數(shù)； ----壽命系數(shù)
查《機械裝備設(shè)計》表10-4及圖10-8及表10-2分布得
假定齒輪工作壽命是48000h，故應力循環(huán)次數(shù)為
查《機械裝備設(shè)計》圖10-18得 ，所以：
2） 彎曲應力：
查《金屬切削手冊》有Y=0.378，代入公式求得： =158.5Mpa
查《機械設(shè)計》圖10-21e,齒輪的材產(chǎn)選 ，大齒輪、小齒輪的硬度為60HRC，故有 ，從圖10-21e讀出 。因為：
，故滿足要求，另外兩齒輪計算方法如上，均符合要求。
六、結(jié)構(gòu)設(shè)計及說明
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案
設(shè)計主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動件（傳動軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動器等）、主軸組件、操縱機構(gòu)、潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結(jié)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設(shè)計由于時間的限制，一般只畫展開圖。
主軸變速箱是機床的重要部件。設(shè)計時除考慮一般機械傳動的有關(guān)要求外，著重考慮以下幾個方面的問題。
精度方面的要求，剛度和抗震性的要求，傳動效率要求，主軸前軸承處溫度和溫升的控制，結(jié)構(gòu)工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵循標準化和通用化的原則。
主軸變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時整個機床設(shè)計的重點，由于結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計中不可避免要經(jīng)過反復思考和多次修改。在正式畫圖前應該先畫草圖。
6.2 展開圖及其布置
展開圖就是按照傳動軸傳遞運動的先后順序，假想將各軸沿其軸線剖開并將這些剖切面平整展開在同一個平面上。
I軸上裝的摩擦離合器和變速齒輪。有兩種布置方案，一是將兩級變速齒輪和離合器做成一體。齒輪的直徑受到離合器內(nèi)徑的約束，齒根圓的直徑必須大于離合器的外徑，負責齒輪無法加工。這樣軸的間距加大。另一種布置方案是離合器的左右部分分別裝在同軸線的軸上，左邊部分接通，得到一級反向轉(zhuǎn)動，右邊接通得到三級反向轉(zhuǎn)動。這種齒輪尺寸小但軸向尺寸大。我們采用*種方案，通過空心軸中的拉桿來操縱離合器的結(jié)構(gòu)。
齒輪在軸上布置很重要，關(guān)系到變速箱的軸向尺寸，減少軸向尺寸有利于提高剛度和減小體積。
6.3 齒輪塊設(shè)計
齒輪是變速箱中的重要元件。齒輪同時嚙合的齒數(shù)是周期性變化的。也就是說，作用在一個齒輪上的載荷是變化的。同時由于齒輪制造及安裝誤差等，不可避免要產(chǎn)生動載荷而引起振動和噪音，常成為變速箱的主要噪聲源，并影響主軸回轉(zhuǎn)均勻性。在齒輪塊設(shè)計時，應充分考慮這些問題。
齒輪塊的結(jié)構(gòu)形式很多，取決于下列有關(guān)因素：
1） 是固定齒輪還是滑移齒輪；
2） 移動滑移齒輪的方法；
3） 齒輪精度和加工方法；
變速箱中齒輪用于傳遞動力和運動。它的精度選擇主要取決于圓周速度。采用同一精度時，圓周速度越高，振動和噪聲越大，根據(jù)實際結(jié)果得知，圓周速度會增加一倍，噪聲約增大6dB。
工作平穩(wěn)性和接觸誤差對振動和噪聲的影響比運動誤差要大，所以這兩項精度應選高一級。
不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結(jié)構(gòu)要求也有所不同。
6.3.1其他問題
滑移齒輪進出嚙合的一端要圓齒，有規(guī)定的形狀和尺寸。圓齒和倒角性質(zhì)不同，加工方法和畫法也不一樣，應予注意。
選擇齒輪塊的結(jié)構(gòu)要考慮毛坯形式（棒料、自由鍛或模鍛）和機械加工時的安裝和定位基面。盡可能做到省工、省料又易于保證精度。
齒輪磨齒時，要求有較大的空刀（砂輪）距離，因此多聯(lián)齒輪不便于做成整體的，一般都做成組合的齒輪塊。有時為了縮短軸向尺寸，也有用組合齒輪的。
6.4 主軸組件設(shè)計
主軸組件結(jié)構(gòu)復雜，技術(shù)要求高。安裝工件（車床）或者刀具（車床、鉆床等）的主軸參予切削成形運動，因此它的精度和性能直接影響加工質(zhì)量（加工精度和表面粗糙度），設(shè)計時主要圍繞著保證精度、剛度和抗振性，減少溫升和熱變形等幾個方面考慮。
主軸形狀與各部分尺寸不僅和強度、剛度有關(guān)，而且涉及多方面的因素。
1） 內(nèi)孔直徑
車床主軸由于要通過棒料，安裝自動卡盤的操縱機構(gòu)及通過卸*的頂桿，必須是空心軸。為了擴大使用范圍，加大可加工棒料直徑，車床主軸內(nèi)孔直徑有增大的趨勢。
2） 軸頸直徑
設(shè)計時，一般先估算或擬定一個尺寸，結(jié)構(gòu)確定后再進行核算。
3） 前錐孔直徑
前錐孔用來裝*或其他工具錐柄，要求能自鎖，目前采用莫氏錐孔。
4） 支撐跨距及懸伸長度
為了提高剛度，應盡量縮短主軸的外伸長度 。選擇適當?shù)闹慰缇?，一般推薦?。?nbsp; =3～5，跨距 小時，軸承變形對軸端變形的影響大。所以，軸承剛度小時， 應選大值，軸剛度差時，則取小值。