1、普通型车床主轴变速箱课程设计1.概述1.1金属切削机床在国民经济中的地位金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器， 它是制造机器的机器，又称为“工作母机”或“工具机”。在现代机械制造工业中，金属切削机床是加工机器零件的主要设 备，它所担负的工作量，约占机器总制造工作量的40%-60%机床的 技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。1.2机床课程设计的目的课程设计是在学生学完相应课程及先行课程之后进行的实习性 教学环节，是大学生的必修环节，其目的在于通过机床运动机械变 速传动系统的结构设计，使学生在拟定传动和变速的结构方案过程 中，得到设计构思，方案分析，结构工艺性，
2、机械制图，零件计算， 编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计 思想，掌握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析，结 构设计和计算能力。1.3设计任务和主要技术要求普通机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。 因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计的是普通型 车床主轴变速箱。主要用于加工回转体。2.参数的拟定2.1设计题目及已知条件以设计传动级数较少的中型通用车床的主传动部件为主。N=4KwZ=12设计床身最大工件回转直径400mm普通车床的主轴变速箱，其 条件为：1.电动机功率：N=4Kw2.nmin 30r / min1.41nmax 1320
3、r / m级数：Z=123.最小转速：nmin 30r/mi n4.公比： 1.412.2主运动参数的拟定已知 Rn , Rn z1 1。1121 44，其中 nmin 30r/min, 1.41n min所以 nmax 1320r/min在标准数列表取相应的转速序列，由 13按相隔4级取值，即30、42.3、59.7、84.2、118.8、167.6、236.3、333.4、470.3、663.4、935.8、1320.0 共 12级转速。2.3动力参数的确定一电机的选择N 4.0KW功率估算法：1）主切削力：Fz 1900ap? f075 1900 4 0.40.75 3822.6N2）切
4、削功率:Fzv 3822.6 10061200 612003）估算主电机功率：N N切-3.2 4.0KW总 0.8选用丫系列三相异步电动机丫132M 4,额定功率为4.0KW，满载转速 1440r/min。3.传动设计3.1主传动方案的拟定拟定变速方案，包括变速型式的选择以及开停、换向、制动、 操纵等整个变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元件、机 构以及组成、安排不同特点的变速型式、变速类型。变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有 关系。因此，确定变速方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济 等多方面统一考虑。变速方案有多种，变速型式更是众多，比如：变速型式上有集 中变速
5、，分离变速；扩大变速范围可用增加变速组数，也可采用背 轮结构、分支变速等型式；变速箱上既可用多速电机，也可用交换 齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然，可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设 计中，我们采用集中变速型式的主轴变速箱。3.2传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有 用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并 非十分有效。考虑到课程设计题目的机床级数和变速范围都不会太 多、太大，一般均可用串联式传动就能获得连续不重复的转速数列。 因此，对结构式、结构网作必要的分析，还是需要的。3.2.1确定传动组及各传动组中传动副的数目级
6、数为Z的传动系统由若干个顺序的传动组组成， 各传动组分 别有Z、Z、个传动副。即 Z Z,Z2Z3传动副中由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为 2和3的因子：z 2a 3b，可以有多种方案。12级转速传动系统的传动组方案，可以安排成：2 2 3，或 3 2 23.2.2传动式的拟定12 级转速传动系统的传动组，选择传动组安排方式时，考虑到 机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在I轴如果安置换向摩擦离合器时，为减少轴向尺寸，第一传 动组的传动副数不能多，以2为宜。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少 些为好。最后一个传动组的传动副常选用2o所以传动式为 12 2 3
7、 2,但这样就有转速重复，且我们这次课设 I轴没有换向摩擦离合器，我们直接用电机正反转实现换向，这样 I轴就可以有3个传动副。综上所诉最终取12 3 2 2 o3.2.3结构式的拟定对于12 3 2 2传动式，有6种结构式和对应的结构网，分别为：12 色 23 26 12 32 2! 26 1 2 34 2 , 2212 31 26 23 12 32 26 21 12 34 2? 211)设计车床主变速传动系时，为避免从动齿轮尺寸过大而增加 箱体的径向尺寸，在降速变速中，一般限制限制最小变速比 Umin 1 4 ；为避免扩大传动误差，减少震动噪声，在升速时一般限 制最大转速比Umax 2。斜齿
8、圆柱齿轮传动较平稳，可取Umax 2.5 o因此在主变速链任一变速组的最大变速范围应该为Rmax Umax Umin (2 2.5) 0.25 (810)在设计时必须保证中间变速轴的变速范围最小。2)12 31 23 2 6基本组和扩大组的排列顺序。选择中间传动轴变速范围最小 的方案。因为如果各方案同一传动轴的最高转速相同，则变速 范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以 小些。如果没别的要求，则应尽量使扩大顺序和传动顺序一致， 所以取结构式为12 31 23 26324转速图的拟定3.3齿轮齿数的确定根据拟定的转速图上各传动件的传动比，用计算法或查表法就 可以确定齿轮的齿数。后
9、者更为简便。根据要求的传动比 u，和初步定出的齿轮副齿数和Sz，查表即可求出小齿轮齿数。选取时应注意：1） 不产生跟切，一般取Zmin 18202） 同一传动组的各对齿轮副的中心距应当相等，若模数相等时，贝U 齿数和亦应相等。但由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公 用齿轮后，常常满足不了上述要求。机床上可用修正齿轮，在一定 范围内调整中心距使其相等，但修正量不能太大，一般齿数差不能 超过3 4个齿。3） 如果采用三联滑移齿轮，则相邻两齿轮齿数差应大于 4,防止各种碰撞与干涉。若小于4,则适量磨齿，减小齿顶圆。iai 1 , ib2 二, ia3 丄查 i 为 1.41,2,2.82 三行1
10、.41 1.41 1.411当 ia1 时，Sz 72、73、75、77、79、80、82、841.411当 ib2 2 时，Sz 63、66、69、72、75、78、81、841.4121当 ia3 3 时，Sz 73、76、77、80、82、841.413从以上三行中可以挑出Sz 84是共同适用的，则从表中查出小齿轮齿数分别为35、28、22。千曰. 35 . 28 . 22于疋 ia1 ， ia2 ， ia3 49 56 62(2)变速组b :1ib1 1.41，ib2 -，查 i 为 1.41，2, 二行1.41当 ib1 1.41 时，Sz 72、73、75、77、79、80、82、
11、841当 ib2 2 时，Sz 63、66、69、72、75、78、81、841.41从以上三行中挑出Sz 72是共同适用的，则从表中查出小齿轮齿数分别为30、24。于是i 30 i 24于疋 ib1 42，ib2 48 .(3)变速组c:1ic1 1.412 iC2 ，查 i 为 2，3.98 两行1.41当 ic1 1.412 时，Sz 63、66、69、72、75、78、81、841当 ic2 4 时，Sz 80、81、84、85、86、89、90、911.414从以上两行中挑出Sz 81是共同适用的，则从表中查出小齿轮齿数分别为27、16。于是 27 16于是 ic1 ， ic2 。5
12、4 653.4主轴转速系列的验算35ia14928 ia25622ia3 6230ib1 4224 ib2 4827 ic1 54主轴转速在使用上并不要求十分准确，转速稍高或稍低并无太 大影响。但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太 大。由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过 10( 1)，即经验算，主轴转速全部都在误差范围内4.传动件的估算和验算4.1三角带传动的计算三角带传动中，轴间距 A可以加大。由于是摩擦传递，带与轮 槽间会有打滑，宜可缓和冲击及隔离振动，使传动平稳。带轮结构简单，但尺寸大，机床中常用作电机输出轴的
13、定比传动。(1)选择三角带的型号根据公式 N1 KwNd 1.1 7.5 8.25KW式中Nd -电动机额定功率，Kw -工作情况系数查图4-1选择B型带。(2)确定带轮的计算直径D1， D2带轮的直径越小带的弯曲应力就越大。为提高带的寿命，小带轮的直径D不宜过小，即D Dmin o查表取主动轮基准直径D1 150mm。由公式D2 巴D1(1 ) 式中：门2n -小带轮转速，n -大带轮转速，-带的滑动系数，一般取N1 KwNd4OKW14400.02 所以 D2 150 (1 0.02) 282.24，查表取圆整为 250mm750(3)确定三角带速度按公式 v 11.31m/s60 100
14、0对于 O、A B C型胶带,5m/s v 25m/s，v 10 15m/ s 时最为经济耐用，所以选择合适。(4)D1 90mm初步初定中心距 A带轮的中心距，通常根据机床的总体布局初步选定，一般可在下列范围内选取：D2 190mmv 11.31 m/ sA (0.62)(D1 D2) (0.6 2) (150 280) 258 860取 A 800(5)三角带的计算基准长度L及内周长Ln2D2 D1L。2A0 2 D1 D2一2 1 2 800 一（150 280）4A0 21302 2280.724 800(6)验算三角带的挠曲次数2273u 1000mv 1000 2 11.31 9.
15、95 60r /min也能传递全功率。所以 nm =75r/min同理可得：n” =236r/min,n i =750r/minnm =75r/m inn”=236r/minn i =750r/m in4.2.3各轴直径的估算“ !Nd 914 mm其中：N 该传动轴的输入功率 N N dNd 电机额定功率从电动机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积 nj 该传动轴的计算转速。计算转速nj是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系确I轴：d91 4 7.5 0.96 21.64mm 取 20mm750 1.5 2236 1.25 1.5
16、II 轴：d 91 4 7.5 0.96 0.985 0.995 32.34mm 取30mm24 7.5 0.96 0.985 0.995 0.99III 轴：d 91 4 42.9mm 75 1.25 1.5取 35mm此轴径为平均轴径，设计时可相应调整。4.2.4驱动轴和主轴刚度的验算(1)驱动轴刚度的验算机床驱动轴是弯曲刚度的验算，主要验算轴上装齿轮和轴承处的挠度y和倾角。各类轴的挠度y和倾角 应小于许用值丫和 值：即： y 丫 ；计算轴本身弯曲变形产生的挠度 y和倾角，一般常把轴简化为集中载荷下的简支梁。 _- - - 一 : 4 Tfii轴对hi轴的作用力简图为当 a 263mm,
17、b 414mm时9550 P2 9550 孔。上6。亦 0.995n236285.55N m2T2 2 285.55d2 60.59.44 KNFr2Ft2 tan9.44 tan 203.44KNFx合F t2xF r2xFt2si n35.76Fr2cos35.768.31KNFy合F t2yF r2yFt2cos35.76Fr2si n 35.765.65 KNF合Fx合2Fy合2 10.05 KNFt2341mm , b 336mm时9550 & 9550n7.5 o.9630.985 0.995300222.4N mFt32T3 2 222.4d3 1104.04 KNFr3Ft3
18、tan4.04tan 201.47 KNFx合F t3x F r3x F t3si n35.76Fr3cos35.763.55KNFy 合 Ft3y Fr3y FtsCOs35.76 F“si n35.76 2.42KNf 2 2F合 ；Fx合 Fy 合 4.3KN当 a 419mm , b 258mm 时P2 7.5 o.96 0.985 0.995T2 9550 2 9550 285.55N mn 236l 2T2 2 285.55 “c Ft 2 5.93 KNd2 96.25Fr2 Ft2tan 5.93 tan20 2.16KNFx 合 Ft2x Fr2x Ft 2si n35.76
19、 Fr2coS35.76 5.22 KNFy合 Ft2y Fr2y Ft2cos35.76 Fr2si n 35.76 3.54 KN1 2 2F合 Fx合 Fy 合 6.31KN由上可知当a 263mm, b 414mm时，11轴作用在III轴上的力最大， 由此计算挠度和倾角。Y （0.203 0.339）mm 0.00252 2 2 2F合a b 10.05 2632 4142 门 、，yp 3 0.271mm Y3EIL 3 2.1 10 102981 677F 合ab（ L b）a 0.00136 rad6EILF 合ab（L a）B 合 0.00117 rad6EIL4 2廿宀曲皿比
20、, d 6Z D d D d其中惯性矩I 64E为材料的弹性模量由此可知此种条件下刚度符合要求yp 0.271 mmA 0.00136radB 0.00117radIV轴对III轴的作用力简图为Ft 3当 a 476mm , b 201mm 时Fr 4Ft 4 tan8.9 tan 203.24KNFx合F t4xFr4x Ft 4si n14Fr4cos140.99 KNFy合Ft4yFr4y Ft4cos14Fr4si n149.42 KN: 22F合vFx合Fy 合 9.47KNFt42T4d4当 a 554mm, b 123mm 时9550 F339550 7.5 096。亦。股Ft3
21、空 2 889.57 29.65KNd360yp0.308Fr3Ft3 tan29.65 tan20 10.79KNmmFx合F t3xFr3x Ft3si n14 Fr3cos14 3.3 KN0.0018radFy合F t3yFr3y Ft3COS14Fr3sin 14 28.96 KN0.0024Fx合2 Fy合229.15KNrad由上可知当a 554 mm， b123mm时，11轴作用在III轴上的力最大,由此计算挠度和倾角。(0.203 0.339) mm0.0025ypF 合 a2b229.15 5542 12323EIL 3 2.1103 1029810.308mm Y677F
22、 合ab ( L b)6EIL0.0018radF 合ab (L a)6EIL0.0024rad其中惯性矩I 6Z D d D64E为材料的弹性模量由此可知此种条件下刚度符合要求(2)主轴刚度的验算ZS 2I.L主轴计算图由展开图可知主轴的跨距L 698mm当量外径:de77.54 15 804 443 814 125 904 3 1004 88 1034 246980.085m主轴刚度:由于 di 42 0.494 0.5，de 85故根据式4 4/ 3 10 0.085Ks 20.1822 0.698 0.108298.6N / m主轴的刚度可根据自激震动稳定性决定。取阻尼比0.025 ；
23、Kcb 2.46N / m mm ，68.8 ，取 bim 0.02Dmax 3.4mm代入式Kb2.46 3.42 0.025 (1 0.025)cos68.858N / mKa163258 0.6 28220.41 1621982 165.7N/ m1 82698Ks1.66Ka 275N /可以看出，该机床主轴是合格的4.3齿轮模数的估算1-11 轴(28/56)齿轮弯曲疲劳的估算:mw323 N mm 323, 了5 阿。85 0995 2.22:znj 齿面点蚀的估算:A 3703 N mm 3703 7.5 阿 诅5 099598.4375mf乙乙2A 2.34取 m 2.251-
24、11 轴（24/60 ）齿轮弯曲疲劳的估算:mw 323 :Nmmznj323,7.5 0.96 0.985 09952.34齿面点蚀的估算:N3703 mm60 3003703 7.5 0.96 0.985 0.995106.01300mf2A 2.52取 m 2.52.251-11 轴（20/64 ）齿轮弯曲疲劳的估算:mw 323Nmm znj323.7.5 0.96 0.985 09952.48齿面点蚀的估算:3703一mmnj64 2363703,7.5 0.96 0.985 0.995144.8236mf2A 2.73取 m 2.75综上1-11轴齿轮模数取m 2.25II-III
25、 轴（51/40 ）齿轮弯曲疲劳的估算:mw 3231Nmmznj3 7.5 0.96 0.9852 0.995 0.993251 2362.65齿面点蚀的估算:A 3703Nmmnj3703.7.5 0.96 0.9852 0.995 0.99236113.882Amf 乙乙2.5取 m 2.25II-山轴(35/56 )齿轮弯曲疲劳的估算:mw 323Nmm znj323：7.5 0.96 0.9852 0.995 0.992.99齿面点蚀的估算:3703 mm和j2A56 15023703 7.5 0.96 0.985 0.995 0.99132.45150mf2.92.75II- II
26、I 轴(22/69 )齿轮弯曲疲劳的估算:mw323 止 mmznj2323.7.5 0.96 0.985 0.995 0.3.5齿面点蚀的估算:3703rmmnj370369 7527.5 0.96 0.985 0.995 0.99166.88mf乙Z2综上II-III轴齿轮模数取m 2.75III-主轴（66/33 ） 齿轮弯曲疲劳的估算:mw323 ： N mmznj3232 27.5 0.96 0.985 0.995 0.9966 753.54齿面点蚀的估算:I 2 23703 7.5 0.96 0.985 0.995 0.9975mf2A3.34取 m 3.5齿面点蚀的估算:3703
27、一mm nj3703,7.5 0.96 0.9852V 600.995 0.99178.3mf2A乙Z23.6取m 4综上III -主轴齿轮模数取m 3其中nj为大齿轮的计算转速。5.展开图设计5.1 结构设计的内容、技术要求和方案设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴、轴承、带轮、齿 轮、离合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱 体及其联结件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计由于时间的限制，一般只画展开图和一张截面图。主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的 有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题。精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，传动效率要求，主轴 前轴承处温度和温升的控制，结构工艺性，操作方便、安全、可靠 原则，遵循标准化和通用化的原则。主轴变
