铣床主轴箱设计

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目 录

1.概述 ....................................................................... 2 1.1机床课程设计的目的` ..................................................... 2 1.2机床主要参数 ............................................................ 2 2.参数的拟定 ................................................................. 2 2.1 确定极限转速 ............................................................ 2 2.2 主电机选择 ............................................................. 2 3.传动设计 ................................................................... 3 3.1 主传动方案拟定 ......................................................... 3 3.2 传动结构式、结构网的选择 ............................................... 3 3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目 ................................. 3 3.2.2 传动式的拟定 ....................................................... 3 3.2.3 结构式的拟定 ....................................................... 4 3.3转速图的拟定 ............................................................ 4 4. 传动件的估算 .............................................................. 5 4.1 三角带传动的计算 ....................................................... 5 4.2 传动轴的估算 ........................................................... 7 4.2.1 传动轴直径的估算 ................................................... 7 4.3 齿轮齿数的确定和模数的计算 ............................................. 8 4.3.1 齿轮齿数的确定 ..................................................... 9 4.3.2 齿轮模数的计算 .................................................... 10 4.4 带轮结构设计 .......................................................... 11 5. 动力设计 ................................................................. 11 5.1主轴刚度验算 ........................................................... 11 5.2 齿轮校验 ............................................................... 14 5.3轴承的校验 ............................................................. 14 6.结构设计及说明 ............................................................ 15 6.1 结构设计的内容、技术要求和方案 ........................................ 15 6.2 展开图及其布置 ........................................................ 16 6.3 齿轮块设计 ............................................................ 16 6.4 传动轴的设计 .......................................................... 17 6.5 主轴组件设计 .......................................................... 19 总结 ........................................................................ 21 参考文献 .................................................................... 22

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1.概述

1.1机床课程设计的目的`

机床课程设计，是在金属切削机床课程之后进行的实践性教学环节。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的结构方案过程中，得到设计构思，方案分析，结构工艺性，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 1.2机床主要参数

电动机功率：2.2KW 工件材料：45

nmax?2120rpm nmin?125rpm

2.参数的拟定

2.1 确定极限转速

nmax?Rn ，Rn??z?? nmin∴?=1.26

2.2 主电机选择

合理的确定电机功率N，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。

已知电动机的功率是2.2KW，根据《金属切削机床设计简明手册》选Y90L-2，额定功率2.2kw，满载转速2840 rmin，最大额定转距2.2。

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3.传动设计

3.1 主传动方案拟定

拟定传动方案，包括传动型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个传动系统的确定。传动型式则指传动和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的传动型式、变速类型。

传动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，确定传动方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。

传动方案有多种，传动型式更是众多，比如：传动型式上有集中传动，分离传动；扩大变速范围可用增加传动组数，也可用背轮结构、分支传动等型式；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，我们采用集中传动型式的主轴变速箱。

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。 3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目

级数为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?Z1Z2Z3??

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??a??b ，可以有三种方案：

12=3×2×2；12=2×3×2；12=2×2×3； 3.2.2 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

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结构、装置和性能。

传动式选为12=3×2×2 3.2.3 结构式的拟定

对于12=2×3×2传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为：

???????????， ???????????， ???????????，

??????????? ??????????? ???????????

由于本次设计的机床I轴装有摩擦离合器，在结构上要求有一齿轮的齿根圆大于离合器的直径。初选12?21?32?26的方案。 3.3转速图的拟定

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上图为主轴箱右视图

4. 传动件的估算

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定比传动。

(1)选择三角带的型号 根据公式

Pca?KaP?1.1?2.2?2.42KW

式中P---电动机额定功率，Ka--工作情况系数 查《机械设计》图，因此选择A型带，尺寸参数为B=80mm，bd=11mm，h=10，??40?。

(2)确定带轮的计算直径D?，D?

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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。查《机械设计》表，取主动轮基准直径D?=100mm。

由公式D2?式中：

n?-小带轮转速，n?-大带轮转速，?-带的滑动系数，一般取0.02。

n1D1?1??? n2由《机械设计》表，取园整为150mm。 (3)确定三角带速度 按公式V??D1n160?1000?3.14?100?1400?7.48m

s60?1000(4)初定中心距

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： 根据经验公式0.7?D1?D2??A0?2?D1?D2?mm 取2??100?150??500mm，取A0=400mm. (5)三角带的计算基准长度L?

L???A?????D??D???D??D????

?A??150?100??1192mm3.14L0?2?400???100?150??

24?700由《机械设计》表，圆整到标准的计算长度 L?1200mm (6)验算三角带的挠曲次数 u?1000mv?8.33?40次，符合要求。

sL2(7)确定实际中心距A

A?A0?L?L0?400?（1200?1192）?2?404mm 2D2?D1?57.50?1720?1200，主动轮上包角合适。 A(8)验算小带轮包角?

?1?1800?(9)确定三角带根数Z 根据《机械设计》得

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传动比

i?z?pca

p0??p0k?klv1?1400/980?1.46 v2查表得?p0= 0.3KW,p0= 1.52KW 查表，k?=0.98；查表，kl=0.96 Z?6.05?3.4

?1.52?0.3??0.98?1.01所以取Z?4 根 (10)计算预紧力

查《机械设计》表，q=0.1kg/m

pca?2.5??1??qv2?vz?k??6.05?2.5??500??1??0.1?7.542 ?7.54?4?0.98??132.1NF0?500

4.2 传动轴的估算

传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。 4.2.1 传动轴直径的估算

P?mm Njd?KA4其中：P-电动机额定功率

K-键槽系数

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A-系数

?-从电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定。

查《机械制造装备设计》表取I，IV轴的K=1.05，A=100；II，III轴是花键轴，取K=1.06，A=2.0。

所以d1?(92?1.05)42.2?0.96mm?18mm 980d2?(92?1.05)42.2?0.96?0.99?0.98mm?20mm250,

d3?(92?1.05)42.2?0.96?0.99?0.98?0.99?0.98mm?24mm

125 此轴径为平均轴径，设计时可相应调整。

4.3 齿轮齿数的确定和模数的计算 第一组齿轮：

传动比：ia1?1?0?1 ，ia2?1?1?111, ia3?2? 1.29?1.66查表，齿数和Sz取72

Z?=36，Z2=36，Z3=27，Z4=45，Z5=31，Z6=41；

第二组齿轮：

传动比：ib1?1?0?1,ib2?1?2?1 1.66齿数和Sz取78：

，Z7=39，Z8=39，Z9=25，Z10=53；

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第三组齿轮：

传动比：i1c1?2.77,i1.66c2?1 齿数和Sz取81：

Z11=51，Z12=30，Z13=21，Z14=60，

4.3.1齿轮模数的计算

m(i?1).Ndj?16338?3?2]2.n[mm] m.z1..[i?jj式中：mj―――按接触疲劳强度计算的齿轮模数[mm]；

Nd―――驱动电机功率[KW]； nj―――该传动轴的计算转速

i―――大齿轮齿数与小齿轮齿数之比i?1；

z1―――小齿轮齿数；

?m―――齿宽系数，?m?Bm（B为齿宽，m为模数），?m＝6～10；[?j]―――许用接触应力[MPa]，查表26。

(1)Ⅰ-Ⅱ 齿轮弯曲疲劳的计算：

mj?16338?3(1.66?1)?36?27?45?1265?6002?1.67 取m＝2 (2) Ⅱ-Ⅲ齿轮弯曲疲劳的计算：

mj?16338?3(2.14?1)?36?25?53?980?6002?1.85 取m＝2

(3)Ⅲ-Ⅳ 齿轮弯曲疲劳的计算：

mj?16338?3(2.77?1)?36?22?62?270?6002?2.79 取m＝3 (4)标准齿轮：??20度，h*??1，c*?0.25

从机械原理 表10-2查得以下公式

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齿顶圆 da=(z1+2h*a)m 齿根圆 df?(z1?2h*a?2c*)m 分度圆 d=mz 齿顶高 ha=h*am

齿根高 hf=(h*a+c*)m 齿轮的具体值见表

齿轮尺寸表

齿轮 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

4.3.2齿宽的确定

由公式B??mm??m?6~10,m为模数?得：

第一套啮合齿轮BI??6~10??2?12~20mm

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齿数 z 36 36 27 45 31 41 39 39 25 53 51 30 21 60 模数 m 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 分度圆 d 72 72 54 90 62 82 78 78 50 106 153 90 63 180 齿顶圆齿根圆 齿顶高 da df 齿根高 hf ha 76 76 58 94 66 86 82 82 54 110 159 96 69 186 67 67 49 85 57 77 73 73 45 99.5 145.5 82.5 55.5 172.5 2 2 2 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 3.75 3.75 3.75 3.75 3.75 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3

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第二套啮合齿轮B???6~10??2?12~20mm 第三套啮合齿轮BIII??6~10??3?18~30mm

一对啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿的载荷，设计上，应主动轮比小齿轮齿宽大 所以B1?20mm,B2?25mm，B3?20mm，B4?25mm，

B5?20mm,B6?25mm,B7?20mm,B8?25mm,B9?20mm,B10?25mm，

B11?25mm,B12?30mm,B13?25mm,B14?30mm

4.4 带轮结构设计

查《机械设计》P156页，当dd?300mm时,采用腹板式。D是轴承外径，查《机械零件手册》确定选用深沟球轴承6211，d=55mm,D=100mm。带轮内孔尺寸是轴承外径尺寸100mm。齿《机械设计》表8-10确定参数得：

bd?8.5,ha?2.0,hf?9.0,e?12,f?8,?min?5.5,??38?

带轮宽度：B??z?1?e?2f??5?1??8?2?7?64mm 分度圆直径：dd?280mm，

d1?1.9D?1.8?100mm?180mm,C'?5/28?B?11.4?12mm，

L?B?64mm,

5. 动力设计

5.1主轴刚度验算

5.1.1 选定前端悬伸量C，参考《机械装备设计》P121，根据主轴端部的结构，前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，这里选定C=120mm. 5.1.2 主轴支承跨距L的确定

一般最佳跨距L0??2?3?C?240?420mm ，考虑到结构以及支承刚度因磨损会不断

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降低，应取跨距L比最佳支承跨距L0大一些，再考虑到结构需要，这里取L=600mm。

5.1.3 计算C点挠度 1）周向切削力Pt的计算

p2?955?104?Ndt?D

jnj其中Nd?5.5KW,??0.96?0.987,

Dj??0.5?0.6?Dmax??0.5?0.6??400?200?240mm,取D

j?240,nj?31.5r/min故p2?955?104?0.82?5.5t?240?35.5?1.15?104N，故P?1.12Pt?1.736?104N。 Pr?0.45Pt?6.98?103N,P3Nf?0.35Pt?5.43?10

1） 驱动力Q的计算

参考《车床主轴箱指导书》， Q?2.12?107Nnzn 其中

N?Nd??1.5?0.96?0.987?4.58KW,z?72,m?3,n?35.5r/min

所以

Q?2.12?107?4.584?72?35.5?1.13?104N

3）轴承刚度的计算

这里选用4382900系列双列圆柱子滚子轴承 根据C?22.222?1.50.103?d0.8求得：

CA?22.222?1.50.103?700.8?8.48?105N/mmCB?22.222?1.50.103?1000.8?9.224?105N/mm

4）确定弹性模量，惯性距I；Ic；和长度a,b,s。

①轴的材产选用40Cr，查《简明机械设计手册》P6，有

E?2.1?105MPa

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②主轴的惯性距I为：

I???D4外?D4内?64?4.27?106mm4

主轴C段的惯性距Ic可近似地算： Ic???D41?0.64D41?64?6.25?106mm4

③切削力P的作用点到主轴前支承支承的距离S=C+W，对于普通车床，W=0.4H，（H是车床中心高，设H=200mm)。

则：S?120?0.4?200?200mm ④根据齿轮、轴承宽度以及结构需要，取b=60mm ⑤计算切削力P作用在S点引起主轴前端C点的挠度

ycsp?3sc2?c3Lsc?L?S??L?C?sc??P????mm 22?6EI3EICLCLcAA??代入数据并计算得ycsp=0.1299mm。

⑥计算驱动力Q作用在两支承之间时，主轴前端C点子的挠度ycmq

??bc?2L?b??L?b??L?C??L?b?bc???mm ycmq?Q?22?6EILCLCLBA??计算得：ycmq=-0.0026mm

⑦求主轴前端C点的终合挠度yc

水平坐标Y轴上的分量代数和为ycy?ycspcos?p?ycmqcos?q?ycmcos?m,

其中?p?66?,?q?270?,?m?180?，计算得：ycy=0.0297mm.ycz?0.0928mm。综合挠

度yc?ycy2?ycz2?0.118mm。综合挠度方向角?yc?arctgycz?72.25?，又ycyL2??y??0.0000.0?002?60m0。因为m0.1y2c??y?，所以此轴满足要求。

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5.2 齿轮校验

在验算算速箱中的齿轮应力时，选相同模数中承受载荷最大，齿数最小的齿轮进接触应力和弯曲应力的验算。这里要验算的是齿轮2，齿轮7，齿轮12这三个齿轮。 齿轮12的齿数为18，模数为4，齿轮的应力：

2088?104 1）接触应力： Qf?zm?u?1?k?kvkaksNuBnj u----大齿轮齿数与小齿轮齿数之比；

k?---齿向载荷分布系数；kv----动载荷系数；kA----工况系数；ks----寿命系数 查《机械装备设计》表

kHB?1.15,kFB?1.20;kv?1.05,kA?1.25

10-4及图10-8及表10-2分布得

假定齿轮工作寿命是48000h，故应力循环次数为

N?60njLh?60?500?1?48000?1.44?109次

查《机械装备设计》图10-18得KFN?0.9,KHN?0.9，所以：

?72?2??1??1.15?1.05?1.25?0.9?7.5?0.96?0.98?18??1.024?103MPa

72?21?500182088?103?f?

18?42）弯曲应力： Qw?191?105k?kvkaksNzm2BYnj

查《金属切削手册》有Y=0.378，代入公式求得：Qw=158.5Mpa

查《机械设计》图10-21e,齿轮的材产选40Cr?渗碳?，大齿轮、小齿轮的硬度为60HRC，故有???f???1650MPa，从图10-21e读出??w??920MPa。因为：

?f????f??,?w???w?，故满足要求，另外两齿轮计算方法如上，均符合要求。

5.3轴承的校验

Ⅰ轴选用的是角接触轴承7206 其基本额定负荷为30.5KN

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由于该轴的转速是定值n?710r/min所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对Ⅰ轴未端的滚子轴承进行校核。

齿轮的直径 d?24?2.5?60mm

P n7.5?0.96 T?9550??59.3 Nm

7102T2?59.3 齿轮受力 Fr???1412 N

d60?103 Ⅰ轴传递的转矩 T?9550 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为 Rv1?Frl1?1060 N l1?l2 Rv2?1412?1060?352 N

因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，按《机械设计》表10-5查得

fp

为1.2到1.8，取fp?1.3，则有：

P1?fpX1R1?1.3?1062?1378 N P2?fpX2R2?1.3?352?457.6 N

轴承的寿命 因为P1?P2，所以按轴承1的受力大小计算：

106C?106172003()?()?38309.1 h Lh?60nP160?8501378故该轴承能满足要求。

6.结构设计及说明

6.1 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。

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