三面翻广告牌传动系统设计.docx
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三面翻广告牌传动系统设计
摘要
户外广告是一种典型的城市广告形式,随着社会经济的发展,户外广告已不仅仅是广告业发展的一种传播媒介手段,而是现代化城市环境建设布局中的一个重要组成部分。
本设计为三面翻广告牌的传动系统,三面翻广告牌是由一组并排的三棱柱组成,三棱柱可由铝型材制成,且可围绕自身中心轴转动,将三种广告画面分别设置在改组三棱柱的三个面上,从而利用三棱柱的三个侧面可形成三副画面,转动三棱柱即可变换广告画面。
本文介绍了三面翻广告牌传动系统方案,能够实现多种翻动效果,实现非单一的翻动效果,并完成三面翻广告牌传动系统中关键零部件的结构参数设计,包括传动部件的设计,轴的设计与校核,电机的选择等。
运用CAD软件完成了三面翻广告牌结构装配图与相关零件图,并运用Pro/e软件对三面翻广告牌传动系统进行三维造型设计。
关键字:
三面翻、传动系统、广告牌、设计
Abstract
Outdooradvertisingisatypicalurbanformsofadvertising,withthesocialandeconomicdevelopment,outdooradvertisingisnotonlythedevelopmentoftheadvertisingindustryasameansofmassmedia,butthelayoutofmodernurbanenvironmentisanimportantcomponent.Thedesignforthethreebillboardsinthetransmissionsystem,threebillboardssidebysidebyagroupcomposedofthreeprism,triangularprismcanbemadeofaluminum,andcanrotatearounditscentralaxis,thethreeadscreensweresetupintherestructuringofThethreeprismsurfacetotakeadvantageofthethreeprismcanbeformedthreepicturesside,turntheprismtochangeadvertisingdisplay.
Thisarticledescribesthreebillboardsdrivesolutionthatcanachieveavarietyofflipeffects,toachievenon-singleflipeffects,andcompletethethreebillboardsdrivethestructuralparametersinthedesignofkeycomponents,includingthedesignoftransmissioncomponents,theaxisdesignandverification,motorselection.TheuseofCADsoftwaretocompletethestructureofthethreebillboardsassemblydrawingandrelatedpartsdiagram,andtheuseofPro/esoftware,threebillboardsonthethree-dimensionaldrivesystemdesign.
朗读
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Keywords:
Threesides、Transmission、Billboard、Design
3传动方案的论..................................................................................4
1.前言
1.1简介:
户外广告是一种典型的城市广告形式,随着社会经济的发展,户外广告已不仅仅是广告业发展的一种传播媒介手段,而是现代化城市环境建设布局中的一个重要组成部分。
本设计为三面翻广告牌的传动系统,三面翻广告牌是由一组并排的三棱柱组成,三棱柱可由铝型材制成,且可围绕自身中心轴转动,将三种广告画面分别设置在改组三棱柱的三个面上,从而利用三棱柱的三个侧面可形成三副画面,转动三棱柱即可变换广告画面。
因此,三面翻广告牌具有同一面积可三陪表现的空间和视觉感的优点。
现有三面翻广告牌通常由传动装置来实现其不断变换画面的功能,但现有的传动装置结构复杂,复杂的结构使其制造成本较高,而且使用上容易出现故障,使得三面翻广告牌的工作可靠性降低。
针对上述现有技术的不足,本设计的主要目的是提供三面翻广告牌的传动装置,其结构简单、成本低且工作可靠度高。
为实现上述目的,本三面翻广告牌传动装置包括一用于连接电机的第一传动轴、一用于连接广告牌的第二传动轴,连接在第一传动轴的第一传动轮及连接在第二传动轴的第二传动轮垂直设置,第一传动轮可以带动第二传动轮转动,而第二传动轮的转动带动第二传动轴及广告牌进行转动,所述述第二传动轮包括一第一齿轮于一第二齿轮,所述凸起可推动第一齿轮转动,而所述凹槽则可配合且以其侧壁带动第二齿轮转动,且在凹槽和凸起分别于第一和第二齿轮完成一次啮合后,第二传动轮绕第二传动轴转动120°。
三面翻广告牌的传动装置,其中,所述第一于第二齿轮分别具有三个等角度间隔设计的齿,且第一于第二齿轮分别呈三角形状。
第一与第二齿轮沿其中心线重叠设计,且六个齿为等角度间隔设计。
凹槽与凸起沿第一传动轮的径向设计,凸起大致呈圆弧状,且其两端设有导引面;凹槽的相对两壁设有导引面,且大致呈八字状。
传动装置包括数个第一、第二传动轮及第二传动轴,且所述第一传动轮的凹槽与凸起排列在同一条直线上,沿广告牌中心将数个第一传动轮分成呈镜像对称设置的两部分,且每一部分的凹槽与凸起依次沿一条曲线排列设置。
1.2.国内外三面翻广告的发展趋势:
日前,由国家发改委工业司牵头编制的专项研究报告《国际装备三面翻业的最新发展动态与趋势》出炉。
该报告对2000~2006年美国、日本、德国、法国、意大利、韩国、巴西、印度和国九个国家的装备三面翻业总产值、增加值等数据进行了全面统计,以定量分析的方法研究了国际装备三面翻业的发展现状、动态及趋势,以及国际装备三面翻业的技术发展趋势与组织结构调整演变。
该报告预测,在国内需求拉动与国际产业转移的“双重动力”带动下,我国装备三面翻业将继续保持快速稳定增长的良好势头,预计未来五年内利润增长率仍可持续在30%左右,而行业发展也将体现以下四个方面的特征:
第一,产业总规模进一步扩大,基础地位不断增强。
作为为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性、支柱性和战略性的产业,装备三面翻业目前已成为我国规模最大的产业门类之一。
据统计,2007年我国装备三面翻业总产值首次突破7万亿元,比2006年增长近32%,连续5年以超过20%的速度持续快速发展;国内规模以上装备三面翻企业实现利润3886.66亿元,同比增长47.79%。
第二,研发投入进一步增加,创新能力不断提高。
今后一段时期,我国增强自主创新能力、振兴装备三面翻业的一系列重大项目将继续实施,对于引导企业等社会各方面加大对装备三面翻业的研发投入,提升装备三面翻企业的创新能力,具有十分重要的意义。
报告预测,未来5年内我国装备三面翻企业研发投入占销售收入的比重将由现在的1.4%左右增长到2%左右。
第三,创造的自主知识产权总量进一步增大,核心竞争力不断提升。
我国装备三面翻业九大重点领域(发电设备、石化设备、冶金设备、机床、仪器仪表、煤炭机械、工程机械、农业机械、环保设备)的国内单位或个人,在华申请专利数量呈现出持续增长的态势。
报告预测,未来5年内装备三面翻业九大重点领域的国内单位或个人在华发明专利授权总量、发明专利申请总量和实用新型专利总量的增长率都将达到30%以上;我国装备三面翻业被授予国驰名商标的数量仍会进一步增加,年均增长率将达到30%以上。
第四,国家重大工程项目进一步实施,一大批重大技术装备不断实现自主化。
报告预测,未来5年内,依托国家重大工程,在能源、材料、机械三面翻等领域,加快研制开发大容量高水头水电机组、百万千瓦压水堆核电关键设备、大型石油天然气长输管线成套装备、大型煤矿综合采掘及洗选成套装备、百万吨级大型乙烯成套设备、大型煤化工成套设备、大型宽带薄板及宽厚钢板生产关键装备、新型船舶和海洋石油工程设备等,一大批重大技术装备必将逐步实现自主化。
2.总体方案的论证
三面翻广告牌传动机构性能的好坏直接影三面翻广告牌的使用效果,其主要体现在一下几方面:
1、安装更简单,将所有程序输入微电脑控制系统,整个广告牌只需三根电线连接,即可实现全部功能,不需任何调试即可正常工作;更换元件非专业人员只需几分钟;2、性能更稳定,内设三级自动保护系统,几乎无须维护,无故障连续工作时间可达3-5年,使用寿命可达20年;3、结构更稳定,电机内部设力矩自锁系统,抗风可达10级,不会出现三棱柱敌乱序现象,由于电机定位装置全部采用模具生产,各三棱柱(画面)排序也更平整。
主要传动方案:
方案一:
单电机传动,主要结构为每个三面翻由对应的电机控制其相应的转动,其结构较复杂,成本较高等;
方案二:
包括有一电机、输出轴、传动轴和设在三面广告柱传动中心轴处的转动轴,在传动轴与转动轴之间设有配合连接传动机构,配合连接传动机构包括有固定安装在传动轴上的缺口圆盘和固定在传动轴上的双三角传动块,其中双三角传动块有小三角形块和大三角形块错位叠加为一体结构,小三角形块的顶角正对于大三角形块的边中线位置,大三角形块的边缘贴在缺口圆盘的侧面,缺口圆盘一位置开有一缺口,并且缺口能容纳大三角形块的角,在缺口圆盘的缺口旁靠近圆心处设有凸块,其特征在于缺口圆盘与传动轴之间设有可移动定位机构。
方案二结构紧凑,布局合理,传动简单,可靠性高,使用寿命可以得到保障,制造成本低,加工简单。
方案一结构较复杂,成本较高,安装不方便。
经过二个方案的比较,选用方案二。
图2-1局部图
3.传动方案的论证
3.1方案一齿轮传动
图3-1齿轮传动
齿轮传动的主要优点是:
①瞬时传动比恒定,工作平稳,传动准确可靠,可传递空间任意两轴之间的运动和动力;②适用于功率和速度范围广,功率从接近于零的微小值到数万千瓦,圆周速度从很低到300m/s;③传动效率高,η=0.92~0.98,在常用的机械传动中,齿轮的传动效率较高;④工作可靠,使用寿命长;外廓尺寸小,结构紧凑。
齿轮传动的主要缺点:
制造和安装精度要求较高,需专门设备制造,成本较高,不宜用于较远距离两轴之间的传动。
齿轮传动应满足的基本要求是:
①瞬时传动比不变,冲击、振动和噪声小,能保证较好的传动平稳性和较高的运动精度;②在尺寸小、质量轻的前提下,轮齿的强度高,耐磨性好,承载能力大,能达到预期的工作寿命。
3.2方案二带传动
图3-2带传动
带传动的主要优点:
①缓冲和吸振,传动平稳、噪声小;②带传动靠摩擦力传动,过载时带与带轮接触面间发生打滑,可防止损坏其他零件;③适用于两轴中心矩较大的场合;④结构简单,制造、安装和维护等均较为方便,成本低廉。
带传动的缺点:
①不能保证准确的传动比;②需要较大的张紧力,增大了轴和轴承的受力;③整个传动装置的外廓尺寸较大,不够紧凑;④带的寿命较短,传动效率较低。
鉴于上述特点,带传动主要适用于:
①速度较高的场合,多用于原动机输出的第一级传动。
②中小功率传动,通常不超过50kw。
③传动比一般不超过7,最大用到10。
④传动比不要求十分准确。
3.3方案三链传动
图3-3链传动
链传动具有带传动和啮合传动的一些特点,其优点是:
链传动没有弹性滑动和打滑,能保持准确的平均传动比;传动尺寸比较紧凑;不需要很大的张紧力,作用在轴上的载荷较小;承载能力大;效率高(η=0.95~0.98)。
同时;链传动能吸振与缓和冲击,结构简单,加工成本低廉,安装精度要求低,适合较大中心距的传动,并能在温度较高、湿度较大、油污较重等恶劣环境中工作。
链传动的缺点是:
高速运转时不够平稳;传动中有冲击和噪声;不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中使用;只能用于平行轴间的传动;安装精度和制造费用比带传动高。
链传动的适用场合:
广泛应用于中心距较大、多轴、平均传动比要求准确的传动。
环境恶劣的开式传动、低速重载传动及润滑良好的高速传动,均可采用链传动。
滚子链传递的功率通常在100kw以下,链速在15m/s以下,传动比I<=7。
目前其最大传递功率可达500kw,最高中心距可达8m。
综合分析上述三种方案,从传动效率、传动比范围、传动速度、制造成本和安装精度、传动装置外廓尺寸等方面综合考虑,本设计课题的传动方案采用方案一,即采用齿轮传动。
4选用电动机
电动机的容量(功率)选得是否合适,对电动机的工作和经济性都有影响。
当容量小于工作要求时,电动机不能保证工作装置的正常工作,或电动机因长期过载而过早损坏;容量过大则电动机的价格高,能量不能充分利用,且因经常不在满载下运动,其效率和功率因数都较低,造成浪费。
根据后面所计算各轴的转矩初步选择电机参数为:
电源为220V,频率为50HZ,电流为0.56A
功率:
90W
转速:
60r/min
松下电机型号:
M9MZ90GB4YGA
5机械传动装置的总体设计与计算
5.1本设计选定三面翻的有效净尺寸为2000(高)*700(长),三角通宽为132mm,缝隙为6~8mm,一下为机械传动部分布局图:
图5-1机械传动装置
电动机选定后,根据电动机的满载转速nm及三棱柱的转速nw即
可确定传动装置的总传动比
。
具体分配传动比时,应注意以下几点:
a.各级传动的传动比最好在推荐范围内选取,对减速传动尽可能不超过其允许的最大值。
b.应注意使传动级数少﹑传动机构数少﹑传动系统简单,以提高和减少精度的降低。
c.应使各级传动的结构尺寸协调﹑匀称利于安装,绝不能造成互相干涉。
d.应使传动装置的外轮廓尺寸尽可能紧凑。
传动装置的计算:
A.电动机转速nm=60r/min
三棱柱转速nw=20r/min
传动装置的总传动比
60/20=3
B.分配各级传动比
因
,取
1
则
3/1=3
C.计算传动装置的运动参数和动力参数
a)确定各轴转速
轴
60r/min
轴
20r/min
b)各轴功率
轴
η=90*0.98=88.2W
轴
/N=90*0.96/25=3.75W
c)各轴转矩
轴
9550*0.0882/60=14.038N.m
轴
9550*0.00375/20=1.79N.m
将运动和动力参数计算结果整理并列于表5-1
表5-1运动和动力参数表
参数
轴名
轴
轴
转速r/min
60
20
功率W
88.2
3.75
转矩N.m
14.038
1.79
传动比
3
效率
0.91
6机械传动部件的设计计算
6.1齿轮传动的设计与计算
1.类型
(1)根据两轴的相对位置和轮齿的方向,可分为以下类型:
<1>圆柱齿轮传动;
<2>锥齿轮传动;
<3>交错轴斜齿轮传动。
结合本次设计的设计情况,选择圆柱齿轮传动;
(2)根据齿轮的工作条件,可分为:
<1>开式齿轮传动式齿轮传动,齿轮暴露在外,不能保证良好的润滑。
<2>半开式齿轮传动,齿轮浸入油池,有护罩,但不封闭。
<3>闭式齿轮传动,齿轮、轴和轴承等都装在封闭箱体内,润滑条件良好,灰沙不易进入,安装精确,齿轮传动有良好的工作条件,是应用最广泛的齿轮传动。
根据本次设计的条件选择开式齿轮传动;
2.设计准则
针对齿轮五种失效形式,应分别确立相应的设计准则。
但是对于齿面磨损、塑性变形等,由于尚未建立起广为工程实际使用而且行之有效的计算方法及设计数据,所以目前设计齿轮传动时,通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。
对于高速大功率的齿轮传动(如航空发动机主传动、汽轮发电机组传动等),还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算(参阅GB6413-1986)。
至于抵抗其它失效能力,目前虽然一般不进行计算,但应采取的措施,以增强轮齿抵抗这些失效的能力。
开式(半开式)齿轮传动,按理应根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算,对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善,故对开式(半开式)齿轮传动,目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。
为了延长开式(半开式)齿轮传动的寿命,可视具体需要而将所求得的模数适当增大。
对于齿轮的轮圈、轮辐、轮毂等部位的尺寸,通常仅作结构设计,不进行强度计算。
图6-1齿轮啮合图
3.齿轮的设计计算
1.选择齿轮材料和热处理方法
查表7-1得,确定两齿轮的材料都用45钢调质处理,齿面硬度为215~240HBS;
由图9-19,图9-25
σHLmin1=610MPa
σHLmin2=475MPa
σFLmin1=610MPa
σFLmin2=475MPa
2.按齿面接触疲劳强度设计主要参数
按齿面接触强度公式试算,即
确定公式内的各计算数值
1)试选载荷系数
=1.3
2)由机械设计实用手册表8-3-4(计算参数的选择)选取齿宽系数都为
=0.6;
3)由机械设计实用手册表8-3-34(弹性系数
值)查材料的弹性影响系数
ZE1=ZE2162MPa0.5,
4)计算齿轮转矩
T1=9550*P/n=9550*0.09/60=14.352N/m
5)确定齿形系数
由图7-18,YFa1=YFa2=2.53
6)确定齿根应力集中系数
由图7-19,Ysa1=Ysa2=1.65
7)确定齿数比u
U=n1/n2=60/60=1
8)计算应力循环次数:
由式7-13得
60*60*1*(2*8*300*10)=1.728*108
N1/u=1.728*108/1=1.728*108
9)由机械设计实用手册图8-3-17(接触强度的寿命系数)查得接触疲劳寿命系数
;
;
10)计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%,安全系数S=1,则:
0.9*610=549MPa
0.95*475=451.25MPa
3.计算
1)试算齿轮分度圆直径dt
代入较小值得37.8mm取dt=40mm
2)计算圆周速度
=3.14*40*60/(60*1000)=0.1256m/s
3)计算齿宽b
0.6*40=24mm
4)确定齿数和其他参数
现在取z1=27,m=dt/z1=40/27=1.48,m选取标准模数值,取m=1.5,
则d1=mz1=1.5*27=40.5mm
5)确定重合度系数Zε
由式7-13得
εα=1.88-3.2(1/z1+1/z2)=1.88-3.2(1/27+1/27)=1.643
由式7-12,得
Yε=0.25+0.75/1.643=0.706
6)计算载荷系数K
已知载荷平稳,所以由机械设计实用手册表8-3-31(使用系数)查的得
1;
根据
=0.1256m/s;8级精度,由机械设计书查得动载系数
1.2;
K3=1.05直齿轮
;
由机械设计实用手册表8-3-32(按硬齿面齿轮)查的硬齿面,
;
故载荷系数:
1.2*1.0*1.5*10.5=1.89
4.按齿根弯曲强度设计
由齿根弯曲强度公式试算
σF1=2YFa1Ysa1YεK1T1/(Ψdz12m3)
=2*1.89*2.53*1.65*14352/(0.6*272*1.53)
=153.4MPa
5.计算弯曲疲劳许用应力
查表7-8取弯曲疲劳安全系数S=1.1,
由图7-9,YN1=YN2=0.9,
则:
σFLmin1YN1/S=610*0.9/1.1=499MPa
所以
499MPa
σF1﹤[σF]1,σF2﹤[σF]2安全
6.计算中心距
(40.5+40.5)/2=40.5mm
7.各齿轮参数如下表
表3-6-3所有齿轮几何参数
参数
主动齿轮
从动齿轮
模数
1.51.5
齿数
27
27
齿宽
24
24
分度圆直径
40.5
40.5
齿顶圆直径
43.5
43.5
齿根圆直径
36.75
36.75
全齿高
3.375
3.375
齿根高
1.875
1.875
齿顶高
1.5
1.5
压力角
20°
20°
传动比
1
中心矩
81
齿形及主要参数分布图
6.2主要失效形式
齿轮传动的失效主要发生在轮齿部分,其常见失效形式有:
轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形等五种。
齿轮其他部分(如齿圈、轮辐、轮毂等)失效很少发生,通常按经验设计。
轮齿间的接触压力通常是很大的,而且是一种高副线接触,在接触线上将产生很大的接触应力(即局部挤压应力),并且也是脉冲交变应力。
1.轮齿折断
轮齿在工作过程中,齿根部受较大的交变弯曲应力,并且齿根圆角及切削刀痕产生应力集中。
当齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限时,轮齿在受拉一侧将产生疲劳裂纹,随着裂纹的逐渐扩展,导致轮齿疲劳折断。
齿宽较小的直齿轮常发生整齿折断。
齿宽较大的直齿轮,因制造装配误差易产生载荷偏置一端,导致局部折断。
斜齿轮及人字齿轮的接触线是倾斜的,也容易产生局部折断。
轮齿受到短期过载或冲击载荷的作用,会发生过载折断。
采用正变位齿轮,增大齿根过渡圆角半径,提高齿轮制造精度和安装精度,采用表面强化处理(如喷丸、碾压)等,都可以提高轮齿的抗折断能力。
2.齿面点蚀
齿轮工作时,在循环变化的接触应力、齿面摩擦力及润滑剂的反复作用下,轮齿表面或次表层出现疲劳裂纹,裂纹逐渐扩展,导致齿面金属剥落形成麻点状凹坑,这种现象称为齿面疲劳点蚀。
齿面疲劳点蚀首先出现在齿面节线偏齿根侧。
这是因为节线附近齿面相对滑动速度小,油膜不宜形成,摩擦力较大; 且节线处同时参与啮合的轮齿对数少,接触应力大。
点蚀的发展,会产生振动和噪声,以至不能正常工作而失效。
软齿面(≤350HBS)的新齿轮,开始会出现少量点蚀,但随着齿面的跑合,点蚀可能不再继续扩展,这种点蚀称为收敛性点蚀。
硬齿面(>350HBS)齿轮,不会出现局限性点蚀,一旦出现点蚀就会继续发展,称为扩展性点蚀。
对于润滑良好的闭式齿轮传动,点蚀是主要失效形式。
而在开式传动中,由于齿面磨损较快,一般不会出现点蚀。
提高齿面硬度,降低齿面粗糙度值,合理选择润滑油的粘度及采用正变位齿轮传动等,都可以提高齿面抗点蚀能力。
3.齿面磨损
由于粗糙齿面的摩擦或有砂粒、金属屑等磨料落入齿面之间,都会引起齿面磨损。
磨损引起齿廓变形和齿厚减薄,产生振动和噪声,甚至因轮齿过薄而断裂。
磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。
采用闭式齿轮传动,提高齿面硬度,降低齿面粗糙度值,注意保持润滑油清洁等,都有利于减轻齿面磨损。
4.齿面胶合
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