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機床主軸箱的設計
閱讀：2908 發布時間：2013-3-20一、 概述
1.1金屬切削機床在國民經濟中的地位
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”。
在現代機械制造工業中，金屬切學機床是加工機器零件的主要設備，它所擔負的工作量，約占機器總制造工作量的40%～60%。機床的技術水平直接影響機械制造工業的產品質量和勞動生產率。
1.2機床課程設計的目的
課程設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節，是大學生的必修環節，其目的在于通過機床運動機械變速傳動系統的結構設計，使學生在擬定傳動和變速的結構的結構方案過程中，得到設計構思，方案分析，結構工藝性，機械制圖，零件計算，編寫技術文件和查閱技術資料等方面的綜合訓練，樹立正確的設計思想，掌握基本的設計方法，并培養學生具有初步的結構分析，結構設計和計算能力
1.3車床的規格系列和用處
普通機床的規格和類型有系列型譜作為設計時應該遵照的基礎。因此，對這些基本知識和資料作些簡要介紹。本次設計的是普通型車床主軸變速箱。主要用于加工回轉體。
表1 車床的主參數（規格尺寸）和基本參數
工件zui大回轉直徑
D
（mm） 正轉zui高轉速
Nmax
（ ）
電機功率
N（kw） 公比
轉速級數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主軸的正反轉及停止運動要求
3）主軸的變速由變速手柄完成
二、參數的擬定
2.1 確定轉速范圍
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，使機床既能充分發揮其使用性能，滿足生產需要，又不致使電機經常輕載而降低功率因素。
已知電動機的功率是3KW，根據《車床設計手冊》附錄表2選JO2-32-4，額定功率3 ，滿載轉速1430 ，zui大額定轉距2.2 。
三、傳動設計
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的確定。傳動型式則指傳動和變速的元件、機構以及組成、安排不同特點的傳動型式、變速類型。
傳動方案和型式與結構的復雜程度密切相關，和工作性能也有關系。因此，確定傳動方案和型式，要從結構、工藝、性能及經濟等多方面統一考慮。
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，也可用背輪結構、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，優化的方案也因條件而異。此次設計中，我們采用集中傳動型式的主軸變速箱。
3.2 傳動結構式、結構網的選擇
結構式、結構網對于分析和選擇簡單的串聯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目
級數為Z的傳動系統由若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有 、 、……個傳動副。即
傳動副中由于結構的限制以2或3為合適，即變速級數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級轉速傳動系統的傳動組，選擇傳動組安排方式時，考慮到機床主軸變速箱的具體結構、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 結構式的擬定
對于12=2×3×2傳動式，有6種結構式和對應的結構網。分別為：
， ， ，
初選 的方案。
3.3轉速圖的擬定
圖1正轉轉速圖
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。帶輪結構簡單，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
根據公式：
式中P---電動機額定功率， --工作情況系數
查《機械設計》圖8-8因此選擇A型帶，尺寸參數為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《機械設計》表8-3，8-7取主動輪基準直徑 =100m
由公式
式中：
-小帶輪轉速， -大帶輪轉速， -帶的滑動系數，一般取0.02。
所以 ，由《機械設計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，通常根據機床的總體布局初步選定，一般可在下列范圍內選取： 根據經驗公式 取 ，取 =600mm.
（5）三角帶的計算基準長度
由《機械設計》表8-2，圓整到標準的計算長度
（6）驗算三角帶的撓曲次數
，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
根據《機械設計》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生疲勞破壞。機床主傳動系統精度要求較高，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 A-系數
-從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積；
-該傳動軸的計算轉速。
計算轉速 是傳動件能傳遞全部功率的zui低轉速。各傳動件的計算轉速可以從轉速圖上，按主軸的計算轉速和相應的傳動關系確定。
查《機械制造裝備設計》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，設計時可相應調整。
4.3 齒輪齒數的確定和模數的計算
4.3.1 齒輪齒數的確定
當各變速組的傳動比確定以后，可確定齒輪齒數。對于定比傳動的齒輪齒數可依據機械設計手冊推薦的方法確定。對于變速組內齒輪的齒數，如傳動比是標準公比的整數次方時，變速組內每對齒輪的齒數和 及小齒輪的齒數可以從表3-6（機械制造裝備設計）中選取。一般在主傳動中，zui小齒數應大于18～20。采用三聯滑移齒輪時，應檢查滑移齒輪之間的齒數關系：三聯滑移齒輪的zui大齒輪之間的齒數差應大于或等于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《機械制造裝備設計》表3-6，齒數和 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
齒數和 取72： Z11=43，Z12 =20，Z13=27，Z14=50;
4.3.2 齒輪模數的計算
（1） 一般同一變速組中的齒輪取同一模數，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
——驅動電機功率 ——計算齒輪的計算轉速
——大齒輪齒數和小齒輪齒數之比 ——小齒輪齒數
——齒寬系數， （B為齒寬，m為模數），
——許用接觸應力
傳動組a模數：
傳動組b模數：
傳動組c模數：
故選取標準模數 。
（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
z 模數
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生軸向錯位時導致嚙合齒寬減小而增大輪齒的載荷，設計上，應主動輪比小齒輪齒寬大
所以 ， ， ， ，
4.4 帶輪結構設計
查《機械設計》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。帶輪內孔尺寸是軸承外徑尺寸100mm。齒《機械設計》表8-10確定參數得：
帶輪寬度：
分度圓直徑： ，
，
五、動力設計
5.1主軸剛度驗算
5.1.1 選定前端懸伸量C
參考《機械裝備設計》P121，根據主軸端部的結構，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 ，考慮到結構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，再考慮到結構需要，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 求得：
4）確定彈性模量，慣性距I； ；和長度 。
①軸的材產選用40Cr，查《簡明機械設計手冊》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H=200mm）。
則：
④根據齒輪、軸承寬度以及結構需要，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
代入數據并計算得 =0.1299mm。
⑥計算驅動力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，選相同模數中承受載荷zui大，齒數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的齒數為18，模數為4，齒輪的應力：
1）接觸應力：
u----大齒輪齒數與小齒輪齒數之比；
---齒向載荷分布系數； ----動載荷系數； ----工況系數； ----壽命系數
查《機械裝備設計》表10-4及圖10-8及表10-2分布得
假定齒輪工作壽命是48000h，故應力循環次數為
查《機械裝備設計》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《機械設計》圖10-21e,齒輪的材產選 ，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、結構設計及說明
6.1 結構設計的內容、技術要求和方案
設計主軸變速箱的結構包括傳動件（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、潤滑密封系統和箱體及其聯結件的結構設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設計由于時間的限制，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，選相同模數中承受載荷zui大，齒數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的齒數為18，模數為4，齒輪的應力：
1）接觸應力：
u----大齒輪齒數與小齒輪齒數之比；
---齒向載荷分布系數； ----動載荷系數； ----工況系數； ----壽命系數
查《機械裝備設計》表10-4及圖10-8及表10-2分布得
假定齒輪工作壽命是48000h，故應力循環次數為
查《機械裝備設計》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《機械設計》圖10-21e,齒輪的材產選 ，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、結構設計及說明
6.1 結構設計的內容、技術要求和方案
設計主軸變速箱的結構包括傳動件（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、潤滑密封系統和箱體及其聯結件的結構設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設計由于時間的限制，一般只畫展開圖。
主軸變速箱是機床的重要部件。設計時除考慮一般機械傳動的有關要求外，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，結構工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵循標準化和通用化的原則。
主軸變速箱結構設計時整個機床設計的重點，由于結構復雜，設計中不可避免要經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，得到一級反向轉動，右邊接通得到三級反向轉動。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構。
齒輪在軸上布置很重要，關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 齒輪塊設計
齒輪是變速箱中的重要元件。齒輪同時嚙合的齒數是周期性變化的。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，并影響主軸回轉均勻性。在齒輪塊設計時，應充分考慮這些問題。
齒輪塊的結構形式很多，取決于下列有關因素：
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，根據實際結果得知，圓周速度會增加一倍，噪聲約增大6dB。
工作平穩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，對結構要求也有所不同。
6.3.1其他問題
滑移齒輪進出嚙合的一端要圓齒，有規定的形狀和尺寸。圓齒和倒角性質不同，加工方法和畫法也不一樣，應予注意。
選擇齒輪塊的結構要考慮毛坯形式（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 主軸組件設計
主軸組件結構復雜，技術要求高。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量（加工精度和表面粗糙度），設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，而且涉及多方面的因素。
1） 內孔直徑
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，車床主軸內孔直徑有增大的趨勢。
2） 軸頸直徑
設計時，一般先估算或擬定一個尺寸，結構確定后再進行核算。
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 。選擇適當的支撐跨距 ，一般推薦取： =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。