CA6136普通车床主轴变速箱数字化设计与仿真分析.doc

各专业全套优秀毕业论文图纸 设计综合实训课程设计说明书设计内容： CA6136普通车床主轴变速箱 数字化设计与仿真分析 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2015年 1 月 4 日设计综合实训任务书设计时间2014年 12月 15 日 2015年 1月4 日设计题目车床主轴箱部件设计设计条件设计任务详见“表1 主要技术参数”及图1、图2车床传动系统图根据给定的技术参数，完成车床主轴箱部件设计。设计要求1. 确定传动件计算转速2. 传动件计算与估算 3. 总体控制结构(变量m,z等) 4. 起始部件的建立5. 建立各轴的控制结构6. 轴组件的设计（轴承、键和联轴器的选择及校核，非标准件的设计，并建立引用集）7. 轴的强度校核8. 箱体的设计9. 建立连接部件进行部件总体装配10. 装配工程图、零件工作图（必须符合GB)11. 运动仿真12. 典型零件的结构分析13. 整理设计资料，编写说明书进度计划时间（日期）设计内容传动件计算与估算(齿轮模数m,齿宽b、初估轴的直径等) 2013.11.212013.11.30总体控制结构(变量m,z等) 2013.11.282013.12.7.起始部件的建立2013.12.72013.12.7建立各轴的控制结构2013.12.82013.12.9轴组件的设计2013.12.102013.12.16轴的强度校核2013.12.102013.12.16箱体的设计2013.12.102013.12.16部件总体装配2013.12.102013.12.16装配工程图、零件工作图（必须符合GB)2013.12.102013.12.16运动仿真 2013.12.122013.12.13典型零件的结构分析2013.12.142013.12.15整理设计资料，编写说明书2013.12.122013.12.16附：设计说明书主要内容：1、封面（见计算说明书样式）、目录（标题及页次）；2、设计任务书；3、齿轮设计(m,B) ；4、总体控制结构(变量m,z等) ；5、起始部件的建立；6、初估轴的直径；7、建立各轴的控制结构；8、轴组件的设计（轴承、键和联轴器的选择及校核，非标准件的设计，并建立引用集）；9、轴的强度校核；10、箱体的设计；11、建立连接部件进行部件总体装配；12、装配工程图、零件工作图（必须符合GB) ；13、运动仿真 ；14、典型零件的结构分析。参考资料侯秀珍主编.机械系统设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000张进生,房晓东.机械工程专业课程设计指导书.北京:机械工业出版社,2003李云.机械制造工艺及设备设计指导手册.北京:机械工业出版社,1996黄鹤汀,俞光主编.金属切削机床设计.上海:上海科学技术文献出版社,1986姚永明非标准设备设计上海：上海交通大学出版社，1999成大先. 机械设计手册. 北京：化学工业出版社，2004指导教师（签字） 年 月 日 表1 主要技术参数参数型号C6136AC6240C最大回转直径床身上mm360400刀架上mm190230最大工件长度mm7501000主轴通孔直径mm3852内孔锥度M.T.No.5(莫氏5号)M.T.No.6(莫氏6号)转速级数89转速范围r/min42980401400切削螺纹公制范围种数0.310mm190.2514mm19英制范围种数n/124-1.52140-227模数范围种数mm0.25-3.511进给量纵向mm0.08322.32580.0844.74横向mm0.04802.68800.0754.20电动机功率KW44转速r/min14401440小带轮直径mm100110大带轮直径mm160165丝杠导程mm66图2 CA6136型车床传动系统图目 录1 皮带设计11.1 计算功率P11.1.1工作情况系数11.1.2 计算功率11.1.3选取V带型号11.1.4确定带轮直径11.1.5计算大带轮转速11.2 计算带长11.2.1求11.2.2求21.2.3初定中心距21.2.4确定带的基准长度21.2.5计算实际中心距21.2.6验算小带轮的包角21.3 计算单根V带的额定功率21.3.1计算V带的根数z31.4 计算单根V带的初拉力31.5 计算对轴的压力32 齿轮设计(m,B)42.1 主轴传动件计算42.1.1计算转速42.2 确定齿轮齿数52.2.1确定轴轴啮合齿轮的模数62.2.2确定轴轴啮合齿轮的模数92.2.3确定轴主轴啮合齿轮的模数122.2.4齿轮参数表163 总体WAVE控制结构173.1 总体wave控制图174传动轴的结构设计及相关组件设计174.1初算轴的直径175 箱体的设计196 三维模型的建立197 二维工程图的绘制198 主轴的有限元分析199 运动仿真239.1定义连杆和运动副239.2定义齿轮副2511 参考文献261 皮带设计1.1 计算功率P1.1.1工作情况系数在电动机和主轴箱之间采用普通V带传动，分析C6136A机床的工况，一般情况下，采用负载启动，载荷变动小，取工况系数。1.1.2 计算功率 由条件可知所需传递的额定功率为P=3.2 KW，所以：计算功率为。1.1.3选取V带型号 电机转速，通过查阅普通V带型号表，确定V带为A型。V带顶宽b13mm，节宽，带高h8mm，楔角。1.1.4确定带轮直径验算带的转速：，因为5m/s<v<30m/s,故带合适。1.1.5计算大带轮转速 1.2 计算带长1.2.1求 1.2.2求 1.2.3初定中心距初定中心距：根据公式，即 182mm520mm.中心距稍微大一点，可以增大小带轮的包角，便于传动。所以选=480mm。1.2.4确定带的基准长度带的基准长度:，然后查阅普通V带的基准长度表，取基准长度=1350mm，长度系数=0.96。1.2.5计算实际中心距实际中心距：，中心距地变化范围为1.2.6验算小带轮的包角，一般要求,所以满足条件。1.3 计算单根V带的额定功率根据小带轮、和带的型号，经过查表，得出试验条件下带的额定功率=1.32KW。由上面算得小带轮包角=，经过查表，取包角系数。小带轮和大带轮传动比为160：100=1.6:1，查阅表，可以得出单根普通V带的额定功率的增量。实际工况下单根带所能传递的功率:1.3.1计算V带的根数z。综上所述，取Z=3根。1.4 计算单根V带的初拉力由文献1表8-3得A型带的单位长度质量q=0.1kg/m，所以1.5 计算对轴的压力2 齿轮设计(m,B)2.1 主轴传动件计算2.1.1计算转速（1）主轴计算转速的确定由P63页公式可知，主轴计算转速为r/min,根据绘制的转速图取为100 r/min。（2）其他各轴计算转速的确定主轴从计算转速起至最高转速间的所有转速都能传递全部功率，因此实现上述主轴的其他传动件的实际工作转速也传递全部功率，这些实际工作转速中的最低转速，就是该传动件的计算转速。当主轴的计算转速确定后，就可以从转速图上确定其他各传动件的计算转速。确定的顺序通常是由后往前，即先确定出靠近主轴的传动件的计算转速，再顺次由后往前定出各传动件的计算转速。一般可先找出该传动件共有几级实际转速，再找出其中能够传递功率的那几级转速，最后确定能够传递全部功率的最低转速，即为该传动件的计算转速。1）III轴的计算转速主轴的计算转速是轴III经23/87的传动副获得的，此时轴III相应转速为400 r/min，但变速组c有两个传动副，轴III转速为160 r/min时，通过67/43的传动副可使主轴获得250 r/min，250 r/min>100 r/min,能传递全部功率，所以轴III的计算转速为160 r/min。2）II轴的计算转速轴III的计算转速是通过轴II的最低转速400r/min获得的，所以轴II的计算转速为400r/min3）I轴的计算转速轴II的计算转速是通过轴I的最低转速900r/min获得的，所以轴I的计算转速为900r/min（3）各齿轮副的计算转速1）c变速组中：Z23/Z87产生主轴的计算转速，轴III的相应转速400r/min就是主动轮Z23的计算转速；Z87的计算转速即为主轴的计算转速160 r/min，Z67/Z43齿轮副中，主动轮Z67的计算转速为160 r/min，从动轮Z43的计算转速为250r/min；2）b变速组中：Z25/Z63齿轮副中, 主动轮Z25的计算转速为400 r/min，从动轮Z63的计算转速为160 r/min, Z43/Z45齿轮副中, 主动轮Z43的计算转速为400 r/min，从动轮Z45的计算转速为400r/min；3）a变速组中：Z33/Z55齿轮副中, 主动轮Z33的计算转速为900 r/min，从动轮Z55的计算转速为630 r/min, Z43/Z45齿轮副中, 主动轮Z43的计算转速为400r/min，从动轮Z45的计算转速为400 r/min。表2-1齿轮的计算转速齿轮序号Z1Z1Z2Z2Z3Z3Z4Z4Z5Z5Z6Z6计算转速（r/min）9006304004004004004001601602504001002.2 确定齿轮齿数查表得皮带轮、轴、齿轮的传动效率分别为：0.96、0.99、0.97电机轴：；轴： ; ；;轴： ; ；轴： ； ； 主轴： ; ;2.2.1确定轴轴啮合齿轮的模数（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 C6136A车床为一般工作机，速度不高，故选用7级精度（GB-10095-88）。材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280 HBS，大齿轮材料45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。选取小齿轮齿数，大齿轮齿数（2）按齿面接触强度设计，由设计计算公式进行试算，即确定公式内的各项参数值：试选载荷系数。计算小齿轮传递的转矩。由文献1表10-7选取齿宽系数。由文献1表10-6查得材料的弹性影响系数。由图10-21按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。计算应力循环次数 N2=3.914X/(55/33)=2.348X由文献1图10-19取接触疲劳寿命系数计算接触疲劳许用应力。取安全系数， ;计算试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值 计算圆周速度：计算齿宽b： b=1x47.402=47.402mm计算齿宽与齿高之比模数 47.402/33=1.4361.436=3.231mm； b/h=47.402/3.231=14.67计算载荷系数根据v=2.25m/s,7级精度,由文献1图10-8得动载荷系数，直齿轮： 。由文献1表10-2查得使用系数 ；由文献1表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时，。 由，查文献1图10-13得 ；故载荷系数; 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径, =47.402=54.29mm 计算模数m 54.29/33=1.65mm(3)按齿根抗弯强度设计弯曲强度的设计公式为： 确定公式内的各项参数数值查文献1图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳极限；大齿轮的弯曲疲劳极限；由文献1图10-18取弯曲疲劳寿命系数: ，计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式得 计算载荷系数2.87查取齿形系数 由文献1表10-5可查得, ；查取应力校正系数.由表10-5可查得；计算大,小齿轮的并加以比较大齿轮的数值大.设计计算对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m略大于由齿根弯疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小取决于抗弯强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径有关,可取由抗弯强度算得的模数2.42,并就近圆为标准值(4)几何尺寸计算计算分度圆直径 ，计算中心距计算齿轮宽度mm(5)验算，所以合格。 2.2.2确定轴轴啮合齿轮的模数（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 C6136A车床为一般工作机，速度不高，故选用7级精度（GB-10095-88）。材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280 HBS，大齿轮材料45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。选取小齿轮齿数，大齿轮齿数（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即确定公式内的各项参数值试选载荷系数。计算小齿轮传递的转矩。由文献1表10-7选取齿宽系数。由文献1表10-6查得材料的弹性影响系数。由图10-21按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。计算应力循环次数由文献1图10-19取接触疲劳寿命系数计算接触疲劳许用应力。取安全系数， ;计算试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值计算圆周速度：计算齿宽b：计算齿宽与齿高之比：模数 ；计算载荷系数：根据v=1.22m/s,7级精度,由文献1图10-8得动载荷系数，直齿轮, 。由文献1表10-2查得使用系数 ；由文献1表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时，。 由，查文献1图10-13得 ；故载荷系数2.148按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,计算模数m： (3)按齿根抗弯强度设计弯曲强度的设计公式为： 确定公式内的各项参数数值查文献1图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳极限；大齿轮的弯曲疲劳极限；由文献1图10-18取弯曲疲劳寿命系数: ，计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式得 计算载荷系数查取齿形系数 由文献1表10-5可查得, ；查取应力校正系数.由表10-5可查得；计算大,小齿轮的并加以比较大齿轮的数值大.设计计算对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m略大于由齿根弯疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小取决于抗弯强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力与齿轮直径有关,综合选择齿轮模数为m=3 (4)几何尺寸计算计算分度圆直径计算中心距计算齿轮宽度(5)验算 ，所以合格。2.2.3确定轴主轴啮合齿轮的模数（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 C6136A车床为一般工作机，速度不高，故选用7级精度（GB-10095-88）。材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280 HBS，大齿轮材料45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。选取小齿轮齿数，大齿轮齿数（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即确定公式内的各项参数值试选载荷系数。计算小齿轮传递的转矩。由文献1表10-7选取齿宽系数。由文献1表10-6查得材料的弹性影响系数。由图10-21按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。计算应力循环次数由文献1图10-19取接触疲劳寿命系数计算接触疲劳许用应力。取安全系数， 计算试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值计算圆周速度。计算齿宽b。计算齿宽与齿高之比模数 ；计算载荷系数根据v=1.13m/s,7级精度,由文献1图10-8得动载荷系数，直齿轮, 。由文献1表10-2查得使用系数 ；由文献1表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时，。 由，查文献1图10-13得 ；故载荷系数。按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,计算模数m：(3)按齿根抗弯强度设计弯曲强度的设计公式为： 确定公式内的各项参数数值查文献1图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳极限；大齿轮的弯曲疲劳极限；由文献1图10-18取弯曲疲劳寿命系数: ，计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式得 计算载荷系数查取齿形系数 由文献1表10-5可查得, ；查取应力校正系数.由表10-5可查得；计算大,小齿轮的并加以比较大齿轮的数值大.设计计算对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m略大于由齿根弯疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小取决于抗弯强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径有关,可取由抗弯强度算得的模数2.02,并就近圆为标准值 (4)几何尺寸计算计算分度圆直径 ，计算中心距计算齿轮宽度 (5)验算 ，所以合格。2.2.4齿轮参数表表2-1齿轮参数表轴齿数z模数m分度圆直径d齿宽B代号齿数I333992443129IIZ15516545135431292575III4513563189672012369IV43129872613 总体WAVE控制结构3.1 总体wave控制图设计思路：根据主轴相对导轨中心线向工人方向偏移9mm，有根据主轴加工最大工件直径360mm,确定主轴位置，通过主轴上齿轮与第三根轴上齿轮啮合这一条件，主轴与第三个根轴的位置为两相互啮合的齿轮的分度圆的半径和，于是可以确定第三根轴的位置，以此类推，第三根轴确定第二轴的位置，第二根轴确定第一轴的位置。每根轴的的位置确定好后，确定箱体大致形状，箱体内壁和底部与内部齿轮间隙为20mm,箱壁为12mm,底为15mm,箱体长度与轴的长度相当。 总体wave控制图4传动轴的结构设计及相关组件设计4.1初算轴的直径对于直径的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%；有两个键槽时，应增大10%15%。根据传动轴传递功率，利用轴的扭转强度条件估算轴的直径。轴的扭转强度条件为：式中：表示扭转切应力； T表示轴所受的扭矩； 表示轴的抗扭截面系数； n表示轴的计算转速； P表示轴传递的功率； d表示截面处轴的直径；表示许用扭转切应力。由上式可得轴的直径：对实心轴：对空心轴：轴的材料均用45号钢，调质处理,，。轴：，根据键的数目确定，圆整为标准直径25mm；轴：，根据键的数目确定，圆整为标准直径30mm；轴：，圆整为标准直径35mm。轴:,根据键的数目确定,圆整为标准直径50mm。5 箱体的设计根据四根轴的空间位置以及尺寸，初步估算箱体的长宽高；根据滑移齿轮以及拨叉初步得出手柄的位置；根据齿轮的排布，初步得出箱体腔的尺寸；根据油路，初步得出箱体上油腔的位置和尺寸；最后参考国家标准以及企业标准将得出箱体具体数据。6 三维模型的建立 轴1 轴承座 压板 双联齿轮 皮带轮 轴4 顶针 压圈 螺母 滑移齿轮 齿轮 螺母7 二维工程图的绘制 轴1 皮带轮 轴承座 双联齿轮 压板 轴4 齿轮 齿轮2 齿轮3 压圈 顶针 螺母 套筒 调节螺母8 主轴的有限元分析主轴扭矩：T=9550P/，带入电机功率为3.2kw，取效率为0.9，为主轴计算转速为100r/min,得T=259.7，切削过程中主轴平稳得：；主轴全功率转动时，通过齿轮传递到主轴，因此导出的切向力：=1990N,轴向力。低速时一般大于切削用量，取工件为0.1m，由此估算主轴传递扭矩为时主切削力：。（1）材料的指定选择图标，指定材料为Steel2）划分网格选择图标，定义单元格数为自动获取：22.5图8-3划分网格后（3）添加约束固定约束加在两个端面：图8-4添加约束后（4）添加载荷（扭矩）扭矩添加在安装齿轮的轴段上：图8-5添加扭矩后（5）有限元分析结果图8-6主轴变形位移量图8-7主轴旋转量9 运动仿真9.1定义连杆和运动副9.2定义齿轮副10 设计小结本次实践部分是机床的传动设计，老师知道我们这方面基础比较差，所以特意给我们教学的视频资料了，很感谢老师，在细心的观看之后，我对机床设计的很多基础知识有所了解和巩固，再加上老师发给我们的资料，发现资料书里面有很多具体的设计实例给我们作参考，计算方面比较困难，因为没有计算模板，每一步都要自己算，但是经过与同组同学的合作交流之后还是最终完成。在这期间有很多不懂的地方，模数的计算，运动仿真，wave的设计，但是与同学交流之后，不懂的地方基本上解决了，主轴箱的部件设计是机床设计最终要的一部分，因为都是细节方面的计算。所以我很重视这一部分的学习，希望加下来的时间继续加油。11 参考文献1侯秀珍.机械系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.2张进生,房晓东.机械工程专业课程设计指导书M.北京:机械工业出版社,2003.3李云.机械制造工艺及设备设计指导手册M.北京:机械工业出版社,1996.4工程学院机械制造教研室 主编.金属切削机床指导书M.5濮良贵,纪名刚.机械设计(第七版)M.北京:高等教育出版社,2001年6月.6毛谦德,李振清.袖珍机械设计师手册第二版M.机械工业出版社,2002年5月.7减速器实用技术手册编辑委员会编.减速器实用技术手册M.北京:机械工业出版社,1992年.8戴曙.金属切削机床M.北京:机械工业出版社,2005年1月.9机床设计手册编写组.机床设计手册M.北京:机械工业出版社,1980年8月.10华东纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学.机床设计图册M.上海:上海科学技术出版社,1979年6月.