三头钻床设计说明书.doc

2010－20111学年第二学期

机械设计课程设计
设计计算说明书

成 绩：
课程名称： 机械设计课程设计
学 分： 4.0
开课学院： 机械工程及自动化学院
任课教师： 毕树生

学 号： 38071117
姓 名： 张海波
专 业： 机械设计
班 级： 390711

提交日期： 2012-6-8

目录

一、 设计任务书 - 1 -
1、 设计题目 - 1 -
2、 设计背景 - 1 -
3、 设计参数 - 1 -
4、 设计任务 - 1 -
二、 机设装置总体方案设计 - 1 -
1、 传动方案的拟定 - 1 -
2、 电动机的选择 - 1 -
3、 分配传动比 - 2 -
4、 运动和动力参数计算 - 3 -
三、 主要零部件的设计计算 - 4 -
1、 锥齿轮设计 - 4 -
2、 斜齿圆柱齿轮设计 - 7 -
3、 轴的设计 - 14 -
4、 轴承的校核 - 26 -
5、 键的校核 - 30 -
四、 减速器箱体及附件的设计 - 32 -
1、 润滑和密封形式的选择，润滑油和润滑脂的选择 - 32 -
2、 箱体设计： - 33 -
3、 技术要求 - 33 -
五、 参考资料 - 33 -

一、 设计任务书
1、 设计题目
简易专用半自动三轴钻床传动装置设计
2、 设计背景
a、 题目简述：三个钻头以相同的切削速度作切削主运动，安装工件的工作台作进给运动。每个钻头的切削阻力矩为T，每个钻头轴向进给阻力为F，被加工零件上三孔直径均为D，每分钟加工两件。
b、 使用状况：室内工作，生产批量为5台；动力源为三相交流电380/220V，电机单向转动，载荷较平稳；使用期限为10年，大修周期为3年，双班制工作。
c、 生产状况：专业机械厂制造，可加工7、8级精度齿轮、蜗轮。
3、 设计参数
切削速度为0.23m/s，孔径D为6mm，总切削阻力矩T为100N.m。
4、 设计任务
a、 完成钻床总体传动方案的设计和论证，绘制总体设计原理方案图。
b、 完成钻头主要传动装置的结构设计。
c、 完成装配图1张（用A0或A1图纸），零件图2张（A3图纸）。
d、 编写设计说明书1份。
二、 机设装置总体方案设计
1、 传动方案的拟定
钻床的整个变速系数分为两部分，一部分是闭式的二级齿轮-蜗杆减速器，
部分是由一对锥齿轮和一个三行星轮和一个结构的轮系构成的换向增速结构，用以
最终向钻头提供动力。其结构简图如下：

2、 电动机的选择
a、 选择电动机类型
按工作条件和要求，选用Y系列全封闭自扇冷式笼型三相异步卧式电动机，电压380V。
b、 选择电动机容量
由给定参数易得钻头所需功率
各部分传动装置效率如下：
V带传动效率 ，
圆锥滚子轴承（一对）效率
凸轮传动效率
闭式油润滑8级圆柱齿轮传动效率
闭式油润滑8级圆锥齿轮传动效率
联轴器效率
蜗轮蜗杆效率
传动装置的总效率为

所需电机功率为
因载荷较平稳，电动机额定功率 略大于即可。选电动机额定功率
kW，电机型号为，最大转速为730r/min。
3、 分配传动比
（1）下半部分
a、 总传动比

b、 分配传动装置各级传动比
取第一级V带传动的传动比.，第二级，则减速器的
传动比

其中减速器高速级的传动比
则低速级的传动比。
（2）上半部分
a、总传动比

b、分配传动装置各级传动比
第一级V带传动比i
第二级V带传动比，锥齿轮传动比，行星轮传动比

4、凸轮轮廓设计
（1） 工作台不动，即预留工件装夹时间t1=5s,等加速上升t2=5s,匀速上升t3=7.5s,等减速上升t4=5s,等加速等减速下降t5=7.5s.
（2） 选定匀速运动速度v=3mm/s,则匀速运动距离.
（3） 上升阶段加速度a1=a2=v/t=3/5=0.6mm/s^2.
（4） 工作台最大行程。
（5）下降阶段加速度a3=a4=2.67mm/s^2,
最大速度
（6）选择凸轮基圆半径,滚子半径。
作图如下：

5、运动和动力参数计算
凸轮轴：

低速轴：

中间轴：

高速轴：

三、 传动件设计
1、蜗轮蜗杆设计
计算项目
计算内容
计算结果
选择传动精度等级，材料
考虑传动功率不大，转速也不高，选用ZA型蜗杆传动，精度等级为8级，蜗杆用45号钢淬火，表面硬度45~50HRC，蜗轮轮缘材料用ZCuSn10P1砂模铸造。

确定蜗杆，涡轮齿数
传动比

涡轮转速为：

确定蜗轮许用接触应力
蜗杆材料为锡青铜，则,
由表28.10查得
,

接触强度设计
载荷系数
蜗轮转矩：由表28.8，估取蜗杆传动效率

主要几何尺寸计算

蜗轮分度圆直径：
蜗杆导程角
蜗轮齿宽为

计算蜗轮的圆周速度和传动效率

蜗轮圆周速度，
由表28-7查出当量摩擦角
由式28.5

由式28.4
搅油效率滚动轴承效率
与估取值近似

校核接触强度
蜗轮转矩
由式28.11

由表28.12可查弹性系数
由表28.13使用系数
取动载荷系数
载荷分布系数

轮齿弯曲强度校核
由式28.13
确定许用弯曲应力
由表28.10查出
由图28.11查出弯曲强度寿命系数

确定涡轮的复合齿形系数
涡轮当量齿数
涡轮无变位查图27.20，27.21得
导程角

蜗杆轴刚度验算
由式28.14
蜗杆所受圆周力
蜗杆所受径向力
蜗杆两支撑间距离L取
蜗杆危险及面惯性矩

许用最大变形

蜗杆传动热平衡计算

由式28.15
蜗杆传动效率
导热率取为）
K工作环境温度
传动装置散热的计算面积为

2、齿轮设计

计算项目
计算内容
计算结果
选材精度
选用斜齿轮，批量较小，小齿轮用40Cr，调质处理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齿轮用45钢，调质处理，硬度为2 29HB～286HB，平均取240HB。8级精度。

初步计算小齿轮直径
因为采用闭式软齿面传动,按齿面接触强度初步估算小齿轮分度圆直径,由附录B,由表B-1初取,动载荷系数，转矩，由表27-14,查取
接触疲劳极限

考虑轴的设计，齿轮的直径不应过小

取
确定基本参数
圆周速度精度等级取8级精度合理
取,,
确定模数,查表27-4取

后设计为b=30mm
校核传动比误差：。
8级精度合理

取

校核齿面接触疲劳强度
1〉计算齿面接触应力
节点区域系数:查图27-18非变位斜齿轮
弹性系数:查表27.15
重合度系数:

端面重合度

螺旋角系数

齿间载荷分配系数

齿面接触应力

2>计算许用接触应力

总工作时间

接触寿命系数由图27-27查出

（单向运转取）
齿面工作硬化系数

接触强度尺寸系数由表27.18查得

润滑油膜影响系数取为

由表27.17取最小安全系数
许用接触应力:

3〉验算:

接触疲劳强度较为合适,齿轮尺寸无须调整
确定主要传动尺寸

小齿轮直径

大齿轮直径

齿宽， ,

齿根弯曲疲劳强度验算
1〉由式27.11

, ,
齿形系数 ,,
应力修正系数 ,

螺旋角系数

齿根弯曲应力:
2〉计算许用弯曲应力
由式27.17
实验齿轮的齿根弯曲疲劳极限查图27-30得，
另外取

由图27-33确定尺寸系数=
由表27.17查最小安全系数

3〉弯曲疲劳强度验算

=

合格
静强度校核
静强度校核,因传动无严重过载,故不作静强度校核

3、轴的设计校核
a) 高速轴的设计校核

设计项目
计算公式或说明
材料的选择
材料选择45钢，正火处理，硬度HB=170~217。
选取材料系数
查表取C=112
初步设计轴的结构

初选深沟球轴承6004，轴承尺寸为外径D=42mm，宽度B=12mm。轴的结构如图所示。

轴的空间受力分析

该轴所受的外载荷为转矩和小齿轮上的作用力，空间受力如图所示。

轴的受力分析如下：
1) 输入转矩为 。
2) 小齿轮圆周力为

3) 小齿轮径向力为

4) 小齿轮轴向力为

校核轴的强度
1) 垂直面（YZ平面）支反力及弯矩计算如下：

其受力弯矩图如图所示

2) 水平面（XZ平面）支反力及弯矩计算如下：

其受力弯矩图如图所示

校核轴的强度
3) 计算并绘制合成弯矩图

4) 计算并绘制当量转矩图

校核轴的强度

5) 按弯扭合成应力校核轴的强度
危险截面处的弯曲应力为

，安全。

b) 蜗杆轴的设计

设计项目
计算公式或说明
材料的选择
材料选择40Cr，调质处理，硬度HB=241~286。
选取材料系数
查表取C=112
初步设计轴的结构
初选深沟球轴承6005，轴承尺寸为外径D=47mm，宽度B=12mm，角接触轴承7007C,轴承尺寸为外径D=62mm，宽度B=14mm。轴的结构如图所示。

轴的空间受力分析

该轴所受的外载荷为蜗杆和大斜齿轮上的作用力，空间受力如图所示。

轴的受力分析如下：
1) 输入转矩为 。
2)

校核轴的强度
1) 垂直面（YZ平面）支反力及弯矩计算如下：

其受力弯矩图如图所示

2) 水平面（XZ平面）支反力及弯矩计算如下：

校核轴的强度
其受力弯矩图如图所示

3) 计算并绘制合成弯矩图

校核轴的强度

4) 计算当量弯矩
转矩按脉动循环考虑，取
由公式求出危险截面A处当量弯矩为

5) 按弯扭合成应力校核轴的强度
危险截面A处的弯曲应力为

，安全。

c) 蜗轮轴的设计校核

设计项目
计算公式或说明
材料的选择
材料选择45钢，正火处理，硬度HB=170~217。
选取材料系数
查表取C=112
初估轴径

初步设计轴的结构

初选02系列圆锥滚子轴承30206，轴承尺寸为外径D=62mm，宽度B=16mm。初步设计轴的结构如图所示。

轴的空间受力分析

该轴所受的外载荷为大斜齿轮上的作用力。

轴的受力分析如下：
1) 输入转矩为 。
2) 大斜齿轮圆周力为

轴的空间受力分析
3) 大斜齿轮径向力为
4) 大斜齿轮轴向力为
校核轴的强度
1) 垂直面（YZ平面）支反力及弯矩计算如下：

其受力弯矩图如图所示

2) 水平面（XZ平面）支反力及弯矩计算如下：

其受力弯矩图如图所示

校核轴的强度
3) 计算并绘制合成弯矩图

4) 计算并绘制转矩图

5) 计算并绘制当量转矩图
转矩按脉动循环考虑，取。查表得，，，则。
由公式求出危险截面C处当量弯矩为

校核轴的强度
绘制当量弯矩图如图所示

6) 按弯扭合成应力校核轴的强度
危险截面C处的弯曲应力为

，安全。
4、 轴承的校核
(a)高速轴轴承6004的校核
设计项目
计算公式或说明
计算轴承支反力

轴承轴向载荷

当量动载荷计算
1) 由，查得，，并查得
则轴承A的当量动载荷

轴承B的当量动载荷必然小于轴承A
取
轴承寿命校核
1) 轴承预计使用寿命
2) 查得此轴承额定动载何为
3) 此轴承寿命为
满足使用寿命要求

(b)中间轴轴承6005、圆锥滚子轴承30206的校核

设计项目
计算公式或说明
计算轴承支反力

轴承轴向载荷

当量动载荷计算
1) 由，查得，，并查得
则轴承A的当量动载荷

2) 由，查得，
则轴承B的当量动载荷

轴承寿命校核
4) 轴承预计使用寿命
5) 查得此轴承额定动载何为

6) 轴承寿命为

满足使用寿命要求

(c)低速轴轴承7009C校核

设计项目
计算公式或说明
计算轴承支反力

轴承轴向载荷

当量动载荷计算
3) 由，查得，，并查得
则轴承A的当量动载荷

4) 由，查得，
则轴承B的当量动载荷

5) 取
轴承寿命校核
7) 轴承预计使用寿命
8) 查得此轴承额定动载何为
9) 此轴承寿命为

满足使用寿命要求

5、 键的校核
(a)小齿轮轴外伸端键的校核

设计项目
计算公式或说明
键的选择和参数
静连接，选用普通平键，圆头。选用键
接触高度查得。
轴上转矩

键的强度校核
1) 查表得，钢的许用挤压应力为
2) 对键进行强度校核

该键使用安全。

(b)蜗轮轴外伸端键的校核

设计项目
计算公式或说明
键的选择和参数
静连接，选用普通平键，圆头。选用键
接触长度，接触高度查得。
轴上转矩

键的强度校核
1) 查表得，钢的许用挤压应力为
2) 对键进行强度校核

该键使用安全。

(c)中间轴与大齿轮配合键的校核

设计项目
计算公式或说明
键的选择和参数
静连接，选用普通平键，圆头。选用键
接触长度，接触高度查得。
轴上转矩

键的强度校核
1) 查表得，钢的许用挤压应力为
2) 对键进行强度校核

该键使用安全。

(d)低速轴与蜗轮配合键的校核

设计项目
计算公式或说明
键的选择和参数
静连接，选用普通平键，选用键接触长度，接触高度查得。
轴上转矩

键的强度校核
3) 查表得，钢的许用挤压应力为
4) 对键进行强度校核

该键使用安全。

四、减速器箱体及附件的设计

（a）箱体设计：
计算项目
计算内容
计算结果
箱座厚度
箱盖厚度
箱座凸缘厚度
箱盖凸缘厚度
箱座底凸缘厚度
地角螺钉直径
地角螺钉数目
轴承旁连接螺钉直径
机盖与机座连接螺栓直径
轴承端盖螺钉直径
窥视孔盖螺钉直径
连接螺栓d2的间距
定位销直径
大齿轮顶圆与内机壁距离
蜗轮轮毂端面与内机壁距离
轴承端盖外径
轴承端盖突缘厚度
机盖肋厚
机座肋厚
δ=0.04a+3≥8
δ1=0.85δ=8.5
b=1.5δ
b1=1.5δ1
b2=2.5δ
df=0.036a+12

d1=0.75 df =15
d2=(0.5—0.6) df
d3=(0.4—0.5) df
d4=(0.3—0.4) df
l=(120—200)mm
d=(0.7—0.8)d2
Δ1>1.2δ
Δ2>δ
D2=1.25D+10
t=(1.1—1.2)d3
m1=0.85δ1
m=0.85δ
取δ=8mm
取δ1=8mm
b=12mm
b1=12mm
b2=20mm
df =16.5mm
n=4
取d1=12.375mm
取d2=8.75mm
取d3=8mm
取d4=6mm
取l=150mm
取d=6mm
取Δ1=10mm
取Δ2=10mm

取m1=7mm
取m=7mm

(b)技术要求

1. 装配前，所有零件用煤油清洗，不允许有任何杂物存在。内壁涂上不被机油腐蚀的涂料两次。
2. 啮合侧隙用铅丝检验，圆柱齿轮啮合不小于0.13，铅丝不得大于最小侧隙的四倍。
3. 用涂色法检验斑点。圆柱齿轮按齿高接触斑点小齿轮不小于40%，大齿轮不小于20%；按齿长接触斑点大、小齿轮不小于35%。
4. 应调整轴承间隙。
5. 检验减速器剖分面、各接触面及密封处，均不许漏油。剖分面允许涂以密封油漆或水玻璃，不允许使用任何填料。
6. 减速器装L-AN46润滑油至规定高度。
7. 减速器外表面涂灰色油漆。
五、参考资料
1、 王之栎、王大康主编《机械设计综合课程设计》，机械工业出版社。
2、 吴瑞祥、王之栎、郭卫东、刘静华主编《机械设计基础（下册）》，北京航空航天大学出版社。

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