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四级变速箱设计说明书
MB106A进给系统四级变速装置设计
1概述
1.1设计目的和容
(1)木工机床课程设计目的:
木工机床课程设计是《木工机床设计》课程的一个实践教学环节,其目的在于,通过机床的传动设计,使学生受到方案比较、结构分析、零件计算、机械制图、技术条件编写及技术资料查阅等方面的综合训练,培养初步具有机床部件的设计能力。
(2)木工机床课程设计容:
包括以下几项:
1)运动设计根据设计题目给定的设计原始数据确定其他有关运动参数,选定各级转速值;通过分析比较,选择传动方案;拟订结构式或结构网,拟订转速图;确定齿轮齿数及带轮直径;绘制传动系统图。
2)动力设计根据设计题目给定的机床类型和电动机功率,确定各传动件的设计转速,初定传动轴直径、齿轮模数,确定传动带型号及根数,摩擦片尺寸及数目;装配草图完成后要验算传动件(传动轴、主轴、齿轮、滚动轴承)的强度、刚度或寿命。
3)结构设计完成运动设计和动力设计后,要将主传动方案“结构化”,设计进给变速箱装配图及零件工作图,侧重进行传动轴组件、变速机构、操纵机构、箱体、润滑与密封,以及传动轴和滑移齿轮零件的设计。
1.2设计要求
木工机床课程设计的容体现在设计图纸和设计计算说明书中,因此图纸和说明书的质量应并重,其具体要求如下:
(1)进给变速箱部件装配图。
它用以表明该部件的结构、机构工作原理、各零件的功用、形状、尺寸、位置、相互联接方法、配合及传动关系等。
进给变速箱的装配图通常由外观图、展开图和若干横向剖视图等组成。
如受学时所限,可绘制展开图和主要横向视图。
在装配图上,零件要标注件号、参数及数量,各轴要标注轴号。
展开图上要标注各传动轴组件的主要配合尺寸(如轴承、花键等),还要标注一个能影响轴向装配尺寸的轴向尺寸链,横向剖视图应完整表达出一个操纵机构,标注啮合齿轮的中心距及公差,标注主要轮廓尺寸、定位及联系尺寸等,装配图的方案和结构要合理,图面整洁清晰,尺寸标注正确,符合国家标准。
(2)零件工作图。
绘制若干个零件(如传动轴、滑行齿轮等)工作图,应能正确表达零件的结构形状、材料及热处理、尺寸公差和形位公差、表面粗糙度和技术条件等,符合有关标准规定。
(3)设计计算说明书,设计计算说明书是对所设计部件的性能、主要结构、系统等方面进行设计分析及理论计算的技术文件,应谁合理,依据充分,计算正确,条理清晰,文句通顺,标点正确,图表清晰,字迹工整;篇幅不少于5000字,一律采用国家法定计量单位,引用参考文献的有关结论及公式需用方括号标出,其主要容:
概述(机床的用途使用围、主要技术参数及特点等,同类型机床对比分析);运动设计;动力设计(包括零件的初算及验算)结构设计(主要结构的分析、操纵机构、润滑及密封方式的说明);其他(另需说明或谁的有关问题);参考文献。
1.3设计的任务
1.3.1设计的题目
将MB106A进给系统中的无级调速装置改为六级有级变速装置,并进行系统的设计与计算。
1.3.2设计原始数据
加工木料最大宽度600mm
加工木料最大厚度200mm
最小刨削长度290mm
最大刨削厚度5mm
刀头切削圆直径128mm
刀轴转速6000r/min
刀片数4片
进料辊筒直径90mm
进料速度8,12,16,24m/min
主电机功率5.5kW
加工材种软、硬杂木
木材含水率10%-15%
1.3.2课程设计的工作量
(1)编写设计计算说明书
a.机床用途说明
b.运动计算——拟定结构图,转速图和传动系统
c.动力计算——通过计算,决定进给电机功率和主要零件的尺寸和材料
d.设计方案的分析比较
(2)设计图纸
a.绘制进给变速箱装配图(1或2),表明齿轮传动关系,操纵机构的装配关系和工作位置关系
b.绘制主要零件工作图1
1.4设计步骤
(1)设计准备工作。
根据给定的设计题目,应明确设计任务、容、要求及步骤。
拟定工作计划;收集查阅技术资料;对1-2台同类型机床进给运动部件分析研究,做到理解、消化交流工作经验能有所改进,在此基础上进行设计构思。
(2)运动设计。
(3)传动件选择及初算。
绘制装配草图之前,需要初步定出各传动件的结构尺寸。
如传动轴直径、齿轮的模数及宽度、V带的型号及根数、摩擦片的尺寸及片数、滚动轴承的类型及配置等。
(4)绘制部件装配草图。
(5)零件验算。
零件在部件中的位置和尺寸确定之后,即可分析其受力状态,并进行较精确的验算,验算指定的零件及其项目,一般可验算传动轴弯曲刚度及抗振性,花键侧挤压应力,直齿圆柱齿轮疲劳强度、滚动轴承疲劳寿命等。
(6)加深部件装配图。
根据验算结果修改草图,进一步完善草图,经审查同意后,按制图标准加深装配图。
要先画展开图,后画横向剖视图,必要时还要交叉进行,并按要求完成部件装配图。
(7)绘制零件图。
(8)编写设计计算说明书,设计过程中的计算与分析要及时整理,待图纸完成后,要对说明书草稿进行认真修改抄清完成。
2传动系统的运动设计
2.1选择传动方案
应根据机床的使用要求和结构性能综合考虑,参考同类机床,合理选择传动方案并加以论证,初步拟出传动系统示意图。
(1)选择传动布局选择分离传动式。
(2)选择变速方式有级变速,选用滑移齿轮变速机构[1,2,3]。
2.2进给电机功率的确定
压刨床在加工的过程中,对木材的作用力有主切削力FX和垂直分力FY
进给力FU=FXconθ+FYsinθ+μ(FYconθ-FXsinθ)[5]
压刨加工深度一般为2-3mm,可认为是厚切削,则:
[4]
垂直分力:
[6]
(
为推力,
为拉力,其中
[1]
[3]
摩擦系数μ=0.2-0.3,取0.3;摩擦角
=150-170,取160
压刨床在加工的过程中,主要进行的是纵端向刨削,取切削角δ=550,φ=600,假设当时木材含水率为12%,刨削木材为松木,切削速度为40m/s,切削厚度为3mm,刀的工作小时数为4h,查表得:
=1.20,
h=1.85,
=1.03,x=0.45,e=3mm,b=600mm[7]
端向切削时的单位切削力:
=19.053MPa[12]
纵向切削时的单位切削力:
=10.774MPa[12]
单位切削力
=17.7MPa[12]
切削功率P=FXv/1000kW=1279.8w=1.2798kW[12]
所以选用电机型号[4]:
Y100L-6,额定功率:
1.5kW,同步转速:
1000r/min,
满载转速:
940r/min的电机
2.3拟定结构式、结构网和转速图[1,2,3]
最小转速:
[9]
最大转速:
[11]
变速围:
[11]
公比:
查表取
=1.4
1
结构式:
4=2
(1)×2
(2),4=2
(2)×2
(1)。
由降速“前慢后快”,级数排列“前多后少”,转速分布“前密后疏”,转速变换“升早降晚”,选择:
结构式为:
4=2
(1)×2
(2)
图一:
结构网
转速图:
(1)确定总传动比:
由电动机转速n0=940r/min,到主轴最小转速n1=28.31r/min,总传动比为:
I总=
从电动机转速到主轴最小转速之间用虚线连接起来,这虚线斜率即表示总传动比变化趋势。
(2)由于电动机转速较高(1000r/min),因此传动链始端采用三角皮带传动,传动比为:
i1=
;末端由于MB106A原系统采用链轮传动,采用传动比为i6=
(3)中间各
轴之间的传动比根据速比拟定原则:
降速“前慢后快”,级数排列“前多后少”,转速分布“前密后疏”,转速变换“升早降晚”进行分配。
图二:
转速图
各级转速分配如下:
i1=
,I2=
i3=
i4=
,I5=
,i6=
2.4确定齿轮齿数
1
2
3
4
5
6
7
将传动比化为无公因子整数值的分数
计算fj+gj之和
求fj+gj的最小公倍数
升速不大,而降速最大,应用下式求
求齿数和2Z0
求主动轮齿数
求被动轮齿数
fj+gj
K
Ⅱ-Ⅲ
1+2=3
12
5
60
20
40
5/7
5+7=12
25
35
Ⅲ
-
Ⅳ
i4=
1/4
1+4=5
15
6
90
18
72
I5=
1/2
1+2=3
30
60
根据转速分布图进行计算各传动副齿轮的齿数:
(见下表)
齿轮齿数计算表
2.5绘传动系统图
根据变速箱在MB106A机床安装尺寸以及转速分配情况,选择两个变速组交错排列,无公用齿轮,轴向尺寸为两个变速组轴向尺寸之和。
(注:
Z3-Z4>4且Z1-Z2>4)
图三:
传动系统图
3主要零件的设计计算
3.1带传动设计
已知:
电动机功率P=1.5kW,转速n1=940r/min,变速器输入轴转速n2=442.3r/min,载荷变动小,每天工作8h,要求结构紧凑。
(1)确定V带截型
工况系数
设计功率Pd=KAP=1.5×1.1=1.65kW
V带截型
(2)确定带轮直径
小带轮基准直径
验算带速
大带轮基准直径d2=d1
=100×940/442.3≈212.5
传动比i=d2//d1=224/100
(3)确定中心距及V带基准长度
初定中心距由0.7(d1+d2)≤a0≤2(d1+d2)知
226.8≤a0≤648
初定V带基准长度
L0=2a0+π/2(d1+d2)+(d2-d1)2/4a0=1417.22
V带基准长度
传动中心距a≈a0+(Ld-L0)/2=450+(1400-1417.22)/2
小带轮包角α1=1800-(d2-d1)/a×57.30=163.9o
(4)确定V带根数[5]
单根V带的基本额定功率
额定功率增量
包角修正系数
带长修正系数
V带根数Z=Pd/[(P1+ΔP1)Ka×kL]≈1.98
(5)带轮结构设计
带轮宽度B=(z-1)e+2f=(2-1)×15+2×11=37
其他结构尺寸的确定参见机械零件设计手册。
3.2传动轴设计
(1)各轴的传递功率
闭式圆柱齿轮传动效率:
0.96~0.98,V带传动效率:
0.95~0.96,
滚动轴承传动效率:
0.98~0.99,链传动效率:
0.90~0.92
Ⅱ轴:
P2=Pη1=1.5×0.95=1.43kW
Ⅲ轴:
P3=P2η2η3=1.43×0.96×0.98²=1.32kW
Ⅳ轴:
P4=P3η2η3=1.32×0.98²×0.96=1.22kW
Ⅴ轴:
P5=P4η2η3=1.22×0.98²×0.92=1.08kW
P(kw)
N(r/min)
Ⅰ
1.5
940
Ⅱ
1.43
442.3
Ⅲ
1.32
313.67
Ⅳ
1.22
157.77
Ⅴ
1.08
79.36
(2)轴径计算:
轴的材料采用45钢调质处理
由公式
[8]
其中:
P为各轴的输入功率,n为各轴的相应计算转速。
轴允许的扭转角,一般轴
一般情况下,开一个键槽,轴径应增大4%~5%;花键轴可将估算的d值减少7%作为其小径。
由已知数据,求得各轴的轴径为:
3.3齿轮模数计算
以Ⅱ轴上的齿轮为依据进行计算
1闭式软齿面齿轮传动,小齿轮选用45钢调质,齿面平均硬度240HBS;大齿轮选用45钢正火,齿面平均硬度200HBS。
(1)许用接触应力:
极限应力:
σHlim=0.87HBS+380
安全系数:
取
许用接触应力:
[σ]H=
[6]
(2)计算小齿轮分度圆直径:
小齿轮转矩:
T1=9.55×106×
=9.55×106×
=3.09×104Nmm[4]
小齿轮计算直径:
[2]
=
=46.6mm[5]
2确定几何尺寸:
齿数:
取
Z1=20
Z2=iZ1=2×20
模数:
m=d1/Z1=46.6/20=2.33,取标准模数
分度圆直径d=mz
根据模数计算所有齿轮的相关尺寸参数。
其中,为减小箱体尺寸,齿宽采用20mm和35mm。
3校核齿根弯曲疲劳强度
(1)许用齿根应力
极限应力σFlim=0.7HBS+275
安全系数取
许用齿根应力[σ]F=σFlim/SF
(2)验算齿根应力
复合齿形系数
齿根应力σF1=(2KT1/bd1m)YFS1[1]
σF2=σF1YFS2/YFS1
σF1<[σ]F1σF2<[σ]F2
弯曲疲劳强度足够
4齿轮模数验算
按弯曲疲劳强度验算
使用系数
变量工作系数:
KFPnt=KFP×KFn×KFt=0.79×0.97×1.96=1.5
动载系数:
KV=1+(
+K2)×
=1.004[6]
齿向载荷分配系数:
KFβ=1+KβS+KβM=1+0.1325+0.35=1.5
齿间载荷分配系数:
复合齿形分布系数:
重合度及螺旋角系数:
齿宽系数:
齿轮转速:
齿数:
许用齿根应力:
δFP=471×1.3=612MPa则
mFa≥267
=1.5
m=2.5>1.5齿轮模数符合要求
3.4操纵机构设计
(1)单独操纵机构
本变速箱采用两个单独的操纵机构
操纵机构1:
滑移齿轮1的总移动量L=2b+2Δ+10+3×2=64
滑块高度
滑块偏移量为a
为使滑块不脱离齿轮的环形槽而正常工作,一般要求
a≤0.3h取a=3mm
A=60mm
摆杆轴线与齿轮轴线之间的距离A≥L2/4.8h
摆杆的摆角为
操纵机构2:
滑移齿轮2的总移动量
滑块高度
滑块偏移量为a
摆杆轴线与齿轮轴线之间的距离A≥L2/4.8h
摆杆的摆角为
[7]
(2)操纵机构的定位
采用钢球定位
图四:
操纵机构图
3.5链轮设计
链轮齿数确定:
小带轮转速<0.6m/s,Z1≥13取
Z2=iZ1=1.412×13
链条节距:
初定中心距:
a0=30~50p,a0=40p
计算链长:
Lp=(Z1+Z2)/2+2a0/p+(p/a0)[(Z2-Z1)/2π]2[5]
计算额定功率:
工况系数KA:
查表中等冲击电动机
小链轮齿数系数:
kz=()1.08
链长系数:
0.26
多排链系数KP:
查表链排数为1
链节距:
取20Ap=31.75mm
实际中心距:
[6]
分度圆直径:
齿顶圆直径:
齿根圆直径:
其他尺寸参见机械零件设计手册[6]
4主要零件校核
4.1轴承的选择与校核
各轴都选择深沟球轴承,采用的轴承代号如下:
Ⅱ轴:
6205Ⅲ轴:
6205Ⅳ轴:
6206
以轴Ⅱ为依据进行计算:
选择6205系列
该轴上的齿轮分度圆直径为:
d1=50mm
传递功率P=1.43kW转速n=442.3r/min
转距:
9.55×106×1.43/442.3=3.09×104Nmm
Fa=2T1/d1=1236N
Fr=Fatgα=1236×tg200=449.9N
由于轴承只承受径向载荷,故当量动载荷即为轴承承受的径向载荷
=345832h[4]
其中C=22.4×103Nft=1.0fp=1.5ε=3
MB106A变速箱用轴承的额定寿命为:
14000-30000h计算实际使用寿命远大于额定寿命,完全符合要求。
4.2轴的校核
以II轴为计算依据,对轴的强度进行校核
该轴上的小齿轮分度圆直径:
传递的转矩为:
作用在齿轮上的切向力:
Ft=2T1/d1
径向力:
Fr=Fttga
法向力:
Fn=Ft/cosa
(其中a=20o)
轴的材料采用45钢调质
水平支反力:
FAH=FBH=Ft/2
水平面弯矩:
MCH=FAHL1
垂直面支反力:
FBV=(FrL1+Fn)/L[9]
FAV=Fr-FBV
垂直面弯矩:
MCV=FAVL1
M’CV=FBVL2
合成弯矩:
[9]
转矩计算:
T=Ft×d/2
根据弯矩图可知齿轮对称中面处的轴截面为危险截面,应计算其当量弯矩。
或Me=M’C
取两者者计算轴径:
根据轴的材料,查得轴的抗拉强度σb=650MPa
对称循环的许用弯曲应力[σ-1]w=60MPa
由公式
[9]得
考虑键槽的影响,该截面轴径应加大4%,则,
经与结构设计比较,该截面的计算直径小于其结构设计确定的直径(25mm),故轴的强度符合要求。
5润滑
齿轮润滑:
v=3.14×180×56.28÷60000=0.53m/s<12m/s
通用的闭式齿轮传动,其润滑方法根据齿轮的圆周速度大小而定。
当齿轮的圆周速度V<12m/s时,常将大齿轮的轮齿浸入油地中进行浸油润滑。
这样,齿轮在传动时,就把润滑油带到啮合的齿面上,同时也将油甩到箱壁上,借以散热。
用L-FC3工业齿轮油,适用于主轴承,轻载工业齿轮。
滚动轴承润滑:
采用润滑脂润滑,通过挡油环阻止机箱的油进入轴承腔,以免污染润滑脂,降低轴承寿命,用通用锂基润滑脂,其适用于-20到120摄氏度的各种机械设备的滚动轴承,滑动轴承等。
6总结
本次课程设计对MB106A木工机床无级变速装置的改进设计,我们对设计方案进行比较,结构进行分析,零件设计与计算,AutoCAD辅助机械制图,可以说,将变速箱的设计过程进行了一遍。
通过本次课程设计加强了我们综合分析能力,明白了许多设计过程的细节性问题,经历了从遇到问题到思考问题,及最终解决问题的设计过程;通过运用AutoCAD绘图,对计算机软件的应用有了初步的认识、了解与掌握,对未来的设计绘图积累了宝贵的经验。
在整个课程设计的过程中,我们将课堂学过的知识结合设计容结合在一起,学会独立地进行思考与设计,充分发挥了我们的主动性,启发了我们独立思考、认真主动地查阅文献资料、分析问题和解决问题的能力。
同时,指导老师非常认真负责,指导耐心,给予了我们很大的帮助。
最后,感老师的精心指导。
主要结果
KA=1.1
Pd=1.65kW
选取A型
d1选取100mm
在允许围
选取d2=224mm
i=2.24
a0=450mm
取Ld=1400mm
a=442mm
α1=163.90
P1=0.94kw
ΔP1=0.107
Ka=0.96
KL=0.96
取Z=2
B=37mm
P2=1.43kW
P3=1.32kW
P4=1.22kW
P5=1.08kW
轴径增大5%
根据结果查标准取得:
d2=25mm
d3=25mm
d4=30mm
σHlim1=589MPa
σHlim2=554MPa
SH=1.1
[σ]H1=535MPa
[σ]H2=504MPa
T1=3.09×104Nmm
齿宽系数:
=1
载荷系数:
K=1.4
节点区域系数:
ZH=2.5
弹性系数:
ZE=189.8
Z2=40
m=2.5
d1=50mm
d2=100mm
σFlim1=443MPa
σFim2=415MPa
SF=1.4
[σ]F1=316MPa
[σ]F2=296MPa
YFS1=4.05
YFS2=4.00
σF1=140MPa
σF2=138MPa
KA=1.1
KFPnt=1.5
KV=1.004
KFβ=1.5
KFa=1.0
YFS=4.24
Yεβ=0.57
φm=10
nc=395r/min
Z1=20
δFP=612MPa
mFa≥1.5
Δ=4mm
L=64mm
h=15mm
α=62°
L=64mm
h=10mm
a=2.5mm
A=86mm
α=59°
Z1=13
Z2=27
查图表p=25.4mm
a0=1016mm
Lp=100.12mm
KA=1.3
KZ=0.66
KL=1.04
KP=1
P0=2.3kW
p=31.75mm
a=714.02mm
d=132mm
da=142mm
df=120mm
T1=3.09×104Nmm
Fa=1236N
Fr=449.9N
Fp=657.67N
Lh=441141.6h
d1=50mm
T1=3.09×104Nmm
Ft=1.236×103N
Fr=449.9N
Fn=1.315×103N
FAH=FBH=618N
(L1=82mm)
MCH=5.×104Nmm
FBV=234N
FAV=215.9N
(L=298mm)
(L2=216mm)
MCV=-1.×104Nmm
M’CV=5.×104Nmm
MC=5.07×104Nmm
M’C=7.1×104Nmm
T=1.5×104Nmm
()
Me=7.2×104Nmm
d≥23mm
d≥24mm
参考文献:
[1]花军主编.现代木工机床设计.:
东北林业大学,2004.10
[2]秀珍曲玉峰主编.机械设计基础.:
机械工业,2005
[3]涂发越主编.机械零件制造结构设计手册[D].:
广西科学技术,2002.5
[4]吴宗泽主编.机械设计实用手册.:
高等教育,2003.11
[5]机械设计手册编委会编著.机械设计手册-3版.:
机械工业,2004.8
[6]开元许夏芬主编.机械制图与工差测量速查手册.:
化工工业,2008.2
[7]成大先主编.机械设计手册.单行本.联接与紧固.:
化工工业,2004.1
[8]成大先主编.机械设计手册.单行本.机械传动.:
化工工业,2004.1
[9]机械设计手册编委会编著.机械设计手册.单行本.减速器和变速器.:
机械工业,2007.3
[10]机械设计手册编委会编著.机械设计手册.单行本.滚动轴承.:
机械工业,2007.3
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