CA6136普通车床主轴变速箱数字化设计与仿真分析.doc

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1、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

2、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20

3、13.12.102013.12.16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

4、；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

5、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

6、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

7、 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

8、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/sv100 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

9、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

10、, 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

11、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

12、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, =47.40

13、2=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

14、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。

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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。

25、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.