-18-第一章緒論1.1傳動系統(tǒng)實驗臺現(xiàn)狀制造業(yè)是一個國家基礎(chǔ)工業(yè)的重要依托，也，雖然近些年中國的制造業(yè)發(fā)展并不景氣，整體社會的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟和金融等發(fā)展速度和勢頭遠超制造業(yè)，但制造業(yè)作為國家經(jīng)濟的基礎(chǔ)和國民物質(zhì)生活的載體，依然在我國占有十分重要的地位，首先，制造業(yè)創(chuàng)造了大量的就業(yè)機會，現(xiàn)在我國的制造業(yè)還處于發(fā)展的早期階段，還處于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，大量的工廠雇傭了大量的工人解決了人民的就業(yè)，為社會穩(wěn)定做出了重要貢獻；另一方面，制造業(yè)是其他行業(yè)的載體，各行各業(yè)的發(fā)展都離不開自動化的機械，包括國防事業(yè)的發(fā)展，更是得依托國民強大的制造業(yè)為后盾[1]。我國在上個世紀末端開始，全民經(jīng)濟活力隨著改革開放被釋放出來，中國人民依靠其勤勞和智慧，中國經(jīng)濟經(jīng)過黃金發(fā)展的10年，已經(jīng)成為國際的大工廠，其工業(yè)化總量居在世界前列，但依然擺脫不了大而不強的帽子，國民大部分制造業(yè)還處于技術(shù)含量較低的階段，依然存在粗制仿造、總量不重質(zhì)、價格低廉，技術(shù)附加量低等問題[2]。縱觀世界上的制造業(yè)強國，美國、德國、日本及其他歐洲國家，都掌握著最為先進的技術(shù)，其生產(chǎn)的產(chǎn)品占用國內(nèi)資源少，全能夠賣出高價，具有很高的技術(shù)含量及市場競爭力，這和這些歐美國家的制造業(yè)發(fā)展時間較廣也有關(guān)系，歐美國家從第一次工業(yè)革命開始，就重視到了制造業(yè)的重要性，以國家為主導(dǎo)力量，成立多個科研小組，將當前社會上急需的技術(shù)進行立項攻關(guān)，實現(xiàn)了整體社會的技術(shù)創(chuàng)新和革命?，F(xiàn)在，整體世界上的制造業(yè)發(fā)展越來越趨于全球性和集成性，各個國際著名跨國企業(yè)為了能夠打入本地市場及攤薄其高昂的研發(fā)費用，其紛紛采用各個其他國家大肆收購、獨資建廠及合資建廠等多種方式，在自己行業(yè)中的龍頭企業(yè)如SKF、海瑞克等，紛紛采用這種方式打入到其他國家的市場，并憑借其雄厚的產(chǎn)品研發(fā)能力，過硬的產(chǎn)品質(zhì)量，而迅速占據(jù)了其行業(yè)的高端市場，并形成了極強的壁壘性，其他企業(yè)很難突破[3]。目前，制造業(yè)發(fā)展的趨勢正向現(xiàn)代化、集成化、信息化及智能化多方面發(fā)展。首先，各地都出現(xiàn)某些產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展的趨勢，在改革開放初期，現(xiàn)代化的家電等設(shè)備剛有，基本是某一個地方的廠家對這臺設(shè)備有了一定的深入研究之后，后續(xù)在這個工廠中會跳槽出去幾位有能力的人員在當?shù)胤謩e建廠，而各家企業(yè)通過不斷競爭，不斷創(chuàng)新，他們將其他地方的相關(guān)企業(yè)壓緊生存空間，國家這個領(lǐng)域的設(shè)備徹底被他們所壟斷。第二，制造業(yè)增加自動化的功能能夠解決工人價格過高的問題，到了2000年之后，工廠就發(fā)現(xiàn)雇傭工人的價格升高，從2000元一只漲到了5000元，制造業(yè)對勞動力的增長成本更為敏感，近些年，以數(shù)控機床、自動化生產(chǎn)線、自動機器人在中國得到了迅猛發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)逐漸向制造業(yè)進行滲透，其將原本壁壘或者潛規(guī)則很明顯的機械行業(yè)的枷鎖撬開，解放了一大批民營制造業(yè)的活力，但不可否認的一點，中國的高端制造業(yè)還是被國外的企業(yè)所壟斷，國外生產(chǎn)的數(shù)控機床、自動化的高端機器人在國內(nèi)還不能實現(xiàn)替代，這不僅僅是設(shè)計水平的不足，其更多是表現(xiàn)為全民工業(yè)實力的落后，包括了材料冶金水平、熱處理水平、制造加工水平及裝配水平等多方面的，中國制造業(yè)要想在全民經(jīng)濟低谷中突圍，必須緊握市場命脈，提高自己的核心競爭力。第三、服務(wù)全民化，現(xiàn)在的制造業(yè)公司不僅僅提供了材料的加工方案，一些專業(yè)的設(shè)計公司還能提供各設(shè)備的設(shè)計方案、整體問題的解決方案等多方面內(nèi)容，互聯(lián)網(wǎng)社會都圍繞顧客滿意度大做文章，制造業(yè)同樣是如此，各家單位提供了更為細致的個性化服務(wù)；四、設(shè)備的技術(shù)含量高，現(xiàn)在的制造業(yè)產(chǎn)品從外觀上來說，和10年前的都有著極大的改善，表面不像以前全是銹的樣子，隨著其他行業(yè)的技術(shù)快速發(fā)展，制造業(yè)在近些年的技術(shù)含量上也有了顯著的提高，其采用智能化，設(shè)計的巧妙化的設(shè)備也越來越多了，國家也對能源消耗大戶的制造業(yè)提出了節(jié)能減排的要求，各家企業(yè)在依托先進的設(shè)備，向高端化、精細化、智能化等多方面發(fā)展[4]。在機械設(shè)備中，都離不開動力設(shè)備，其形式可以采用電動機、液壓泵及空壓機等，這些動力設(shè)備是設(shè)備運轉(zhuǎn)的動力提供者，而目前常用的設(shè)備當中，還是以電動機使用量最多，這是由于電動機的結(jié)構(gòu)簡單，電能也比較容易獲得。電動機的輸出轉(zhuǎn)速一般較高，每分鐘都能達到幾百到上千轉(zhuǎn)，但同時其輸出扭矩較低，執(zhí)行元件的一般的需求轉(zhuǎn)速低、扭矩高，這就需要在電動機后面增加傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)是目前使用最多的在電動機和工作機之間連接的組件，傳動系統(tǒng)包括減速機構(gòu)，能夠根據(jù)輸出端的目標轉(zhuǎn)速，對其進行合理的調(diào)速。隨著現(xiàn)代技術(shù)的更新?lián)Q代，傳動系統(tǒng)的策略產(chǎn)生了很大的改變，最開始機械傳動技術(shù)采用的是齒輪傳動技術(shù)，而后人們對減速機構(gòu)的尺寸、可靠性及減速比提出了更高的要求，傳動機構(gòu)也進行了更新?lián)Q代，行星齒輪減速器等先進的減速器機構(gòu)逐漸誕生，并被大量工廠所采用，并憑借其各自的技術(shù)特點，在很多場合都起到了決定的作用。將來傳動系統(tǒng)的發(fā)展還要向著尺寸更加緊湊、傳動效率更高、減速比更大地方向發(fā)展[5]。1.2國內(nèi)外傳動實驗臺研究現(xiàn)狀傳動實驗臺是隨著傳動系統(tǒng)的研究深入被部分企業(yè)生產(chǎn)出來的，其最初的目的是測試模型傳動齒輪箱的性能，而后研發(fā)了特制的實驗臺，用于一些高精端技術(shù)的相關(guān)研究。在美國對傳動實驗臺的研究起步較早，Gleason公司在1950年就已經(jīng)研發(fā)出了第一臺傳動實驗臺，其采用一臺直流電機驅(qū)動，使用輪系作為傳動和載荷系統(tǒng)，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空設(shè)備對傳動系統(tǒng)的可靠性要求極高，美國的航空研究局NASA的技術(shù)研究中心建立了先進的傳動系統(tǒng)實驗臺對航空設(shè)備的傳動系統(tǒng)性能進行測試，俄國的中央設(shè)備研究中心，美國的通用汽車研究中心也成立傳動系統(tǒng)實驗臺。這些公司對傳動系統(tǒng)實驗臺的設(shè)計有著豐富的經(jīng)驗，對實驗臺適合的設(shè)備類型，測試數(shù)據(jù)的處理方面也進行了一定程度的探索[6]。我國傳動系統(tǒng)實驗臺的相關(guān)研究是從1980年之后開始的，與國外的開始時間相比，還是有一些差距的，在我國主要是以科研院所為主，主導(dǎo)了傳動系統(tǒng)實驗臺的相關(guān)研究，清華大學、大連理工大學、東北大學等高校先后建立了傳動系統(tǒng)實驗臺，并以這些實驗臺為依托，和企業(yè)進行產(chǎn)學研合作，也一定程度上為企業(yè)的相關(guān)研究給予了很大的幫助，在近些年，國產(chǎn)企業(yè)逐漸發(fā)展起來，為了擺脫國外企業(yè)對于汽車發(fā)動機的壟斷地位，我國企業(yè)企業(yè)也相繼成立了傳動系統(tǒng)實驗臺，其采用磁粉制動器，對發(fā)動機的加載及長時間運轉(zhuǎn)可靠性進行測試，這也研究都代表了我國的傳動系統(tǒng)實驗臺的相關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀，也從側(cè)面體現(xiàn)了我國機械行業(yè)的發(fā)展歷程[7]。目前，我國重視各大高校學生的做實驗的能力很欠缺，各大高校為了讓學生增加對傳動系統(tǒng)的理解，紛紛搭建傳動系統(tǒng)平臺，機械傳動系統(tǒng)平臺也隨著高校的研發(fā)取得了很大的進展，在二十世紀初期，西安交通大學組織研發(fā)了一款新型的傳動系統(tǒng)測試平臺，該實驗臺的測試性能優(yōu)良，但由于價格過高，并沒有投入到后續(xù)使用?？蒲性盒Ｑ邪l(fā)的LWB型傳動系統(tǒng)實驗臺是具有典型性意義的實驗臺[8]，它根據(jù)國家教育部門的定制需求及教育人員的教學經(jīng)驗，具有多功能、模塊化的特點，采用拼裝性底座，各部位都設(shè)計成模塊化，能夠相互連接，提高了整體系統(tǒng)的實用性，可組成多套系統(tǒng)。實驗臺對電機的輸出轉(zhuǎn)速和負載端的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等重要參數(shù)進行采集，能夠保證測量數(shù)據(jù)的準確性，并且通過工控機對測量數(shù)據(jù)進行處理，得出整體數(shù)據(jù)的變化趨勢，對較為關(guān)鍵的幾個因素，如轉(zhuǎn)速、扭矩等進行模糊性分析，去除干擾性因素，分析系統(tǒng)的特有屬性。圖1.1LWB型傳動系統(tǒng)實驗臺1.3傳動系統(tǒng)實驗臺的發(fā)展方向傳動系統(tǒng)實驗臺經(jīng)過近些年的發(fā)展，其發(fā)展程度也逐步成熟，傳動系統(tǒng)實驗臺的發(fā)展方向傾向于電循環(huán)式傳動臺的的相關(guān)技術(shù)，電循環(huán)式傳動臺是采用了電動機作為驅(qū)動設(shè)備，電動機和傳動減速設(shè)備相連接，后端采用發(fā)電機作為負債設(shè)備，發(fā)電機能夠根據(jù)需求的負載進行有機的調(diào)節(jié)，同時，發(fā)電機產(chǎn)生的電能能夠提供給電動機使用，能夠最大程度地節(jié)約系統(tǒng)的能量，這對于長時間運轉(zhuǎn)的實驗臺尤為關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)是實驗平臺的核心內(nèi)容，在最早的傳動系統(tǒng)實驗臺的使用過程中，并沒有配備相對應(yīng)的控制系統(tǒng)，其只是控制電機的啟動及停止，隨著現(xiàn)代技術(shù)的逐步發(fā)展，電機控制技術(shù)也達到了前所未有的靜姐，能夠通過控制電機轉(zhuǎn)速、電機輸出功率等方式控制傳動系統(tǒng)實驗臺的加載條件，使得傳動系統(tǒng)實驗臺的實驗條件更加與實際情況相符。測量系統(tǒng)是整個實驗臺的眼睛，能夠通過測量系統(tǒng)得到操作人員想要的數(shù)據(jù)，最開始的傳感器的測量能力有限，也導(dǎo)致了實驗臺的發(fā)展受限，隨著傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的相關(guān)發(fā)展，實驗臺多采集系統(tǒng)作為整個實驗臺的數(shù)據(jù)采集終端，對各傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析。1.4文章研究的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)機械傳動實驗臺主要是針對各傳動設(shè)備的力學性能進行測試，針對一些平時使用較多的傳動設(shè)備，包括齒輪傳動機構(gòu)、擺線針輪傳動機構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)等傳動設(shè)備，針對其特有的物理特性，采用直流電機驅(qū)動，通過聯(lián)軸節(jié)連接各部件，操作臺上有安裝孔和連接臺，對這些設(shè)備進行安裝和連接，并搭配磁粉制動器對整體系統(tǒng)進行加載。機械傳動實驗臺能夠測試傳動系統(tǒng)的傳動性能，針對加工、裝配等出現(xiàn)的問題能夠及時察覺，并針對一個新的設(shè)計，進行模擬工況實驗，測試這臺設(shè)備的設(shè)計合理性及使用壽命。測試臺能夠針對運行過程中的實時數(shù)據(jù)進行測試，包括輸入端和輸出端的扭矩、轉(zhuǎn)速、振動及溫度等相關(guān)指標，設(shè)計人員針對以上指標深入分析，能夠極大地為設(shè)計人員的設(shè)計和改進提供了借鑒意義。隨著旋轉(zhuǎn)設(shè)備逐步向大型化、高速化等極端方向發(fā)展，設(shè)計人員對傳動系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求，這就依靠傳動實驗臺模擬真實的工況對傳動系統(tǒng)的設(shè)計提供了借鑒，因此，本文對傳動系統(tǒng)實驗臺的結(jié)構(gòu)原理及整體架構(gòu)進行深入的研究，具有很強的現(xiàn)實意義。本文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)如下：第一章：論文選題意義、傳動系統(tǒng)實驗臺分類和特點以及國內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀；第二章：分析現(xiàn)有減速傳動術(shù)，采用三維軟件SolidWorks，對傳動系統(tǒng)實驗臺的機械結(jié)構(gòu)進行三維造型；第三章：對傳動系統(tǒng)實驗臺的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計，包括電動機選型、減速比分配、減速器選型及設(shè)計等內(nèi)容；第四章：利用材料力學所學知識，對軸結(jié)構(gòu)進行強度校核；第五章：結(jié)論與展望。

第二章機械傳動實驗臺機械設(shè)計2.1機械傳動含義機械傳動是將輸出動力傳遞給執(zhí)行部件的一類設(shè)備的總稱，機械傳動是在日常生活中常見的一類機械設(shè)備，按照作用原理分類，能夠?qū)C械傳動分為以下兩類：首先，作用機理是摩擦力，代表傳動機構(gòu)為帶傳動，其依靠傳遞部件之間產(chǎn)生的摩擦力，進而驅(qū)動執(zhí)行元件運動的過程。摩擦傳動是借助于摩擦力實現(xiàn)傳動，能夠達到無極變速的要求，同時，摩擦傳動大多適用于兩個軸距離較遠的場合，而且遇到過載傳動的時候，能夠出現(xiàn)打滑情況，防止電機端被卡死等情況發(fā)生[9]；第二類，靠兩個元件相互嚙合完成的傳動過程，其代表類型為齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動等，諧波齒輪傳動適用于機器人、自動化設(shè)備等，其具有傳動比大、傳動平穩(wěn)及傳動運轉(zhuǎn)性高等優(yōu)點，是目前最為先進的一代減速機，很符合機械手對減速機的使用要求，但由于諧波壁的加工難點，國內(nèi)企業(yè)還不能自主生成諧波壁。但是機械傳動件的種類很多，各種傳動設(shè)備的減速比及傳動原理各部相同，機械類學生在學習相關(guān)章節(jié)時，理解較難，不能準確掌握。另一方面，機械傳動件是機械設(shè)備中的一個十分關(guān)鍵的組成部分，機械傳動件直接關(guān)系到整體設(shè)備的傳動效率和使用可靠性，往往設(shè)備出現(xiàn)問題，是由于傳動系統(tǒng)的故障導(dǎo)致的，機械設(shè)計師在設(shè)計機械傳動系統(tǒng)的時候，希望能夠設(shè)計出整體性能可靠，傳動效率高的傳動系統(tǒng)，但是，由于擺線針輪減速機、諧波減速機等都是內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，如果出現(xiàn)了一點制造誤差，就會導(dǎo)致整體系統(tǒng)的傳遞效率到不到設(shè)計要求，進而影響整體設(shè)備的運轉(zhuǎn)，同時設(shè)計效率是根據(jù)理想情況設(shè)計的，而往往實際工況的工作環(huán)境較為惡劣，軸承的潤滑情況也不能達到理想狀態(tài)，這都導(dǎo)致了設(shè)計與實際工況有很大的距離，這往往需要提前對整體傳動系統(tǒng)進行模擬實際工況的實驗，并分析實驗數(shù)據(jù)，對設(shè)計進行一定的修改，并能夠滿足使用要求[10]。隨著傳動系統(tǒng)實驗臺的逐步發(fā)展，國內(nèi)各所大學都配備了傳動系統(tǒng)實驗臺，同時，這些實驗臺能夠配備不同的減速傳動系統(tǒng)，能夠滿足演示和實驗大部分常用的傳動設(shè)備的要求，這種一臺實驗臺多種演示功能的實驗臺能夠減少在實驗臺的占地面積，減少學校的采購費用。這種實驗臺能夠配合學校相關(guān)課程的講解，增加學生對相關(guān)設(shè)備的理解，讓學生們懂得傳動原理，及一般設(shè)備的傳動系統(tǒng)的組成因素，其主要分為驅(qū)動電機、聯(lián)軸設(shè)備、傳動設(shè)備、測量設(shè)備及負載設(shè)備等幾部分，在學校搭建傳動系統(tǒng)實驗臺能夠培養(yǎng)學生依靠課本當中所學的機械專業(yè)知識，對各種傳動系統(tǒng)進行動手的組裝，能夠培養(yǎng)學生的自主實驗?zāi)芰?，這能夠讓學生們更好地理解傳動系統(tǒng)的設(shè)計思想，為將來走上工作崗位進行難度更好的設(shè)計工作打好基礎(chǔ)。2.2SolidWorks三維軟件簡介Solidworks軟件是目前最為流行的機械工程師建立模型的三維軟件，其以后自身強大的功能及人性化的設(shè)計，已經(jīng)成為幫助機械工程師進行設(shè)計的最佳工具。SolidWorks公司成立于90年代初期，發(fā)起人是兩個機械工程師，他們建立公司的初衷是研發(fā)一款建立實體模型的單位軟件，幫助機械工程師解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計難題，原始沒有三維軟件的時候，機械工程師進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，都是依靠自身的設(shè)計經(jīng)驗和強大的空間三維想象能力，工作效率低、易出現(xiàn)錯誤、入職門檻過高。當這個軟件研發(fā)出來后，解決了機械工程師的難題，正因為如此，SolidWorks軟件自創(chuàng)辦以來，得到了迅速發(fā)展，目前已經(jīng)在全球成立了累計達到300余家的經(jīng)銷網(wǎng)點，并多次獲得最受機械工程師最受歡迎軟件稱號[11]。SolidWorks軟件帶來了一個創(chuàng)新的時代，其采用創(chuàng)新性的三維模型技術(shù)，是世界上第一款在Windows系統(tǒng)上實現(xiàn)三維建模的軟件，其軟件功能十分強大，同時，其采用的窗口型操作方式，和windows操作極為相似，并通過人性化的幫助向?qū)Чδ埽嵘诵氯说氖煜ざ?，SolidWorks軟件特點是功能豐富、極易入手和技術(shù)創(chuàng)新，其具體表現(xiàn)為以下幾點：首先，隨著軟件的更新，內(nèi)部逐漸兼容了有限元分析功能、標準件導(dǎo)入功能、二維圖制作功能、演示動畫制作、管路及電纜制作等多項功能，基本是涵蓋了機械工程師在日常工作中所需的所有功能，方便使用者通過這一個軟件完成整個設(shè)計的完整的過程，極大地簡化了平時工作的繁瑣性，提升了工作效率；軟件極易上手，SolidWorks內(nèi)部包含了多種語言的演示實例和幫助文件，并且其采用和windows相似的窗口操作系統(tǒng)，使初學者只要熟悉了Windows系統(tǒng)之后，就能極易入手。2.3整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計本方案用三維軟件對整體結(jié)構(gòu)進行三維造型，首先在零件操作中，根據(jù)各零件的實體尺寸建立零件，螺栓、螺釘、螺母等標準件不需要建立三維模型，三維軟件能夠直接查找到這些標準件的模型，節(jié)約了設(shè)計者的建模時間。各零件模型建立成功后，在軟件中建立裝配體，根據(jù)各零件自身的裝配關(guān)系，現(xiàn)將零件裝配到子裝配體中，包括驅(qū)動電機裝配體、聯(lián)軸節(jié)裝配體、減速器裝配體、測速傳感器裝配體、磁粉制動器裝配等幾部分。對其外表改變其顏色，完成整體結(jié)構(gòu)的建模[12]。本方案設(shè)計的傳動實驗臺由操作實驗臺和實驗設(shè)備擺放臺組成，操作實驗臺是采用鋼板焊接制成，上面有兩個操作控制箱，操作箱上是一個多按鈕、多開關(guān)及多顯示燈集成的操作臺，操作實驗臺的正面面板上還有兩個顯示屏，顯示屏上能夠顯示各個傳感器的測量數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理分析，將其按照算法繪制數(shù)據(jù)分析曲線，操作臺內(nèi)部裝載了單片機控制器，單片機控制器固定在操作臺內(nèi)部，是本次試驗的大腦，通過采集各傳感器及開關(guān)的信號，對其內(nèi)容進行分析、處理，進而控制各執(zhí)行器動作及將相關(guān)信息顯示在顯示屏上，完成了整體系統(tǒng)的控制[14]。試驗設(shè)備擺放臺采用方形鋼管和鋼板焊接制成，鋼板作為試驗設(shè)備的擺放載體，在鋼板下側(cè)焊接有方形鋼管，其作為鋼板的加強筋，提高鋼板的剛度，鋼板上方鉆有設(shè)備安裝孔，各設(shè)備能和安裝孔通過螺栓連接，完成設(shè)備的固定。試驗設(shè)備擺放臺上擺放了驅(qū)動電機、聯(lián)軸節(jié)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、磁粉制動器及傳動測試設(shè)備[15]。驅(qū)動電機作為整體設(shè)備的驅(qū)動端，放置于擺放臺的一段，驅(qū)動電機可以通過控制臺調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速和扭矩，驅(qū)動電機通過聯(lián)軸節(jié)和輸傳感器連接，這個輸入端的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器主要是測量電機輸入端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩及其他參數(shù)，這個減速器端可以使擺線針輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、齒輪箱減速器、V型帶輪減速器中的一種或者幾種，它們之間可以通過聯(lián)軸節(jié)實現(xiàn)連接，根據(jù)具體的實驗要求及減速比等設(shè)計要求，選擇它們之間的一種或者幾種減速器進行減速傳動，選擇幾種減速器配合使用的時候，如果想觀測其中每個減速器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以在當中增加中間端的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，實現(xiàn)觀測中間端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。在待測減速器的后端和輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器相連，輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器檢測輸出端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過檢測輸出端的數(shù)據(jù)和輸入端的數(shù)據(jù)，通過控制臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠得出減速系統(tǒng)的減速比，功率損失，轉(zhuǎn)矩比等關(guān)鍵參數(shù)，對后續(xù)研究人員對減速器的設(shè)計有著指導(dǎo)意義。減速器末端和磁粉聯(lián)軸器相連，磁粉聯(lián)軸器根據(jù)系統(tǒng)需要的負載，可以調(diào)節(jié)特殊的和真實情況相符的載荷情況，能夠仿真真實的負載情況[16]。圖2.1傳動系統(tǒng)實驗臺整體結(jié)構(gòu)2.4操作實驗臺結(jié)構(gòu)操作臺共有兩個操作面板、兩個顯示屏和一個單片機處理器，左操作面板主要是控制驅(qū)動端電機的啟動及停止，并能夠根據(jù)實際工況調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)，左操作面板上面有按鈕指示燈，用于觀察個傳感器是否安裝到位及設(shè)備的其他相關(guān)狀態(tài)，左操作面板上面還有急停開關(guān)，急停開關(guān)是設(shè)備的總開關(guān)，遇到緊急情況氣動急停開關(guān)，能夠關(guān)掉所有設(shè)備的電能，當急停開關(guān)恢復(fù)功能時，各電氣設(shè)備才能正常運轉(zhuǎn)。右操作面板上面有旋鈕開關(guān)和操作指示燈，用于控制磁粉制動器的制動扭矩等參數(shù)。同時，操作臺的正面板上還有兩個顯示屏，左顯示屏顯示了各傳感器的采集參數(shù)及電機運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，右顯示屏能夠根據(jù)操作者要求，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理及分析，為操作者分析測量減速設(shè)備的狀態(tài)提供參考。操作臺采用厚度為3mm的鋼板焊接制成，為了增加內(nèi)部的剛度，在棱邊處焊接有寬度為30mm的方形鋼管，操作臺后側(cè)采用折頁開門形式，所有設(shè)備安轉(zhuǎn)通過將操作臺后門打開，完成設(shè)備的放入和安裝。圖2.2控制臺操作面板2.5行星減速器結(jié)構(gòu)行星減速器是較為常用的一種減速器，它的運動原理是通過太陽輪作為輸入軸端，行星輪作為輸出軸端完成的一種減速增扭傳動機構(gòu)，行星減速器的行星輪數(shù)量一般為3個，如果尺寸較大的行星減速器，可以根據(jù)設(shè)計要求增加行星輪數(shù)量，以便滿足高功率的傳遞要求[17]。行星減速器是在上世紀80年代被美國公司首先研發(fā)出來，之后經(jīng)過的多年的發(fā)展改進，目前，已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，行星減速器最大的優(yōu)點是作為一個普遍在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的行星減速器，其性能能夠達到其他種類減速器軍品級別的性能要求，而其價格也比其他那種軍品類減速器低廉很多，所以在其性能得到完善之后，迅速得到了廣泛的應(yīng)用[13]。行星減速器優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）單級減速比最大為10，這個減速比和擺線針輪等大傳動比的減速機相比，還有一定的差距，但與傳統(tǒng)的齒輪減速機相比，行星減速器的減速比超過了同尺寸的齒輪減速機；2）結(jié)構(gòu)緊湊，行星減速機是采用同軸傳遞的原理，并采用多級行星輪分擔扭矩，所以整體尺寸能夠做到很緊湊，尺寸遠小于普通的齒輪減速機，因此機器適用于結(jié)構(gòu)緊湊的需求場所；3）承載能力強，行星減速器采用功率分流原理，多個行星輪同時嚙合，傳遞平穩(wěn)，承載能力強；4）使用壽命高，由于行星減速器多齒輪同時嚙合，在設(shè)計合理的前提下，并保證在行星齒輪減速器使用過程中，對其及時潤滑，行星齒輪減速器的使用壽命會達到很長，超過傳統(tǒng)使用壽命[20]。本文設(shè)計的行星減速器的減速比為8，根據(jù)機械設(shè)計標準選用功率和電動機匹配的行星齒輪減速器進行設(shè)計，包括了太陽輪、行星輪、保持架、大齒圈、殼體、法蘭蓋、安裝座、輸入軸、輸出軸及連接螺栓等幾部分組成。圖2.3行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)輸入軸是采用花鍵形式，和前段的減速器及其他機構(gòu)，通過花鍵連接方式進行配合，輸入軸的總長為105mm，最大軸徑處的直徑為40mm，輸入軸材質(zhì)為45#鋼，45#鋼具有很好的力學強度及很好的韌性，同時45#鋼是市場上常用的一種鋼材，性價比高，價格低于同種強度的其他鋼材。輸入軸的加工精度要求較高，需采用車削工藝能夠達到輸入軸的工藝需求，并需保證關(guān)鍵配合圓周的同軸度和圓度[21]。太陽輪和輸入軸采用鍵連接方式，通過輸入軸的旋轉(zhuǎn)，帶動內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)矩的傳遞，太陽輪是行星齒輪的關(guān)鍵因素，其強度及設(shè)計合理性，直接關(guān)系到行星齒輪減速器的性能，太陽輪模數(shù)為1.5，共有50個齒，材質(zhì)采用20CrMnTi滲碳淬火，整體強度可靠，使用性能能夠滿足要求。太陽輪加工采用插齒工藝，插齒工藝需配合和太陽輪嚙合的齒輪相同的插齒刀，插齒刀對太陽輪的加工分為以下幾個步驟：1）切削運動：插齒刀和太陽輪位于正確的切削位置后，插齒刀的切斷磨有切削人，通過插齒刀的向下切削運動，太陽輪被完成切削；2）齒輪回轉(zhuǎn)運動：在插齒刀對太陽輪的某幾個齒形完成切削后，太陽輪旋轉(zhuǎn)一定角度，旋轉(zhuǎn)的角度需保證和齒輪下次需加工的角度相對應(yīng)，同時，控制太陽輪旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸需和太陽輪有相同的同軸精度；3）回程運動：插齒刀在完成一個切削行程后，需要進行回程運動，插齒刀退回到初始位置，以便于進行下一次切削；4）讓刀運動：在插齒刀回程運動之前，為保證不破壞已經(jīng)加工好的切削面，插齒刀需向后退出一定的距離；5）進給運動：一個齒形往往需要多次切削才能完成，在一次切削完成后，插齒刀向前方前進一定的距離，進行下一次切削[22]。本方案設(shè)計的行星減速器中的行星輪共有3個，它們相隔120度，均勻分布在太陽輪的四周，性能輪內(nèi)部和太陽輪嚙合，外部和外齒輪嚙合，繞著太陽輪旋轉(zhuǎn)，行星輪一邊產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，一邊產(chǎn)生繞著太陽輪的公轉(zhuǎn)，進而帶到保持架，實現(xiàn)了從輸入軸到輸出軸的減速運動。行星輪模數(shù)和材質(zhì)材質(zhì)為20CrMnTi，模數(shù)為1.5，齒數(shù)為24個，行星輪內(nèi)部留用18mm的圓孔，這個圓孔的作用是和保持架進行配合，需保證行星輪內(nèi)圓和外齒的同軸度誤差不超過0.05mm，同樣，行星輪也是采用插齒工藝生產(chǎn)。最大的外齒輪是保持行星輪的作用，最大的外齒輪并不旋轉(zhuǎn)，上面有8個直徑為5mm的圓孔，用于和殼體采用直徑為4mm的M4螺栓進行連接，內(nèi)齒圈不旋轉(zhuǎn)，固定行星輪和保持行星輪繞著太陽輪進行旋轉(zhuǎn)，內(nèi)齒圈和太陽輪的模數(shù)相同為1.5，齒數(shù)為120個，同時，內(nèi)齒圈厚度為15mm，整體結(jié)構(gòu)緊湊，能夠滿足在狹小空間的使用要求。2.5擺線針輪減速器結(jié)構(gòu)擺線針輪減速器是采用KHV傳動原理理論研究出來的減速傳動機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)具有創(chuàng)新性，它不同于傳統(tǒng)的齒輪型減速機，單獨依靠齒數(shù)比進行減速傳動，其結(jié)構(gòu)采用新穎的少齒差結(jié)構(gòu)，外圓和內(nèi)圓采用偏心原理，同時外圓的齒比內(nèi)圓的齒數(shù)多一個，行程一種減速傳動的機構(gòu)。目前，擺線針輪減速機已經(jīng)廣泛用于建筑、化工、市政等各種機械上，其采用的是類似于行星齒輪傳動的方式進行驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動輪、偏心軸、執(zhí)行輪等幾個部分，采用巧妙的設(shè)計將其結(jié)合在一起，并且執(zhí)行輪比外面的針輪齒圈少一個齒，利用差齒配合傳動原理，在驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動一圈的時候，執(zhí)行輪只轉(zhuǎn)過了一個齒，通過這種運行方式，實現(xiàn)了大幅減速的目的[25]。擺線針輪減速機自從面世以來，就收到了各行各業(yè)設(shè)備的青睞，這是以后幾點優(yōu)點：1.大減速比：目前擺線針輪減速機的最大減速比能夠做到87，僅次于諧波齒輪結(jié)構(gòu)，是目前單級減速比較大的減速機；2.結(jié)構(gòu)緊湊，由于擺線針輪減速機的輸出軸和輸入軸的同軸性，整體結(jié)構(gòu)緊湊，能夠滿足各種狹小空間的使用要求；3.運行平穩(wěn)，嚙合機構(gòu)是整個機構(gòu)完整受力，受力性能優(yōu)良，力學性能好，使用可靠性高。本文采用三維設(shè)計軟件設(shè)計的擺線針輪結(jié)構(gòu)，擺線針輪結(jié)構(gòu)是按照國家標準進行設(shè)計的，擺線針輪的選型和設(shè)計已經(jīng)達到標準化了，國家已經(jīng)出臺了相關(guān)標準，本項目中選擇的擺線針輪減速機的減速比為35，查找相關(guān)表格，確定擺線針輪減速器的對應(yīng)尺寸，進而繪制出三維模型，如下圖所示。圖2.4擺線針輪減速器結(jié)構(gòu)2.6蝸輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)在很多工業(yè)場合還在使用蝸輪蝸桿減速器，蝸輪蝸桿傳動是采用蝸輪和蝸桿傳動原理的一種減速器，也是常用的減速器中的一種，但技術(shù)相對落后，一些場合被這些技術(shù)所替代，蝸輪減速器的特點較為明顯，減速比高，標準型蝸輪蝸桿傳動減速器能夠達到減速比63，同時蝸輪蝸桿減速器兩個軸都是垂直布置，蝸輪蝸桿減速器的傳遞效率較低，國產(chǎn)的蝸輪蝸桿減速器的傳動比約為65%。本方案設(shè)計的蝸輪蝸桿減速器采用蝸桿輸入，蝸輪輸出的方式，減速比能夠達到35，整體外殼材質(zhì)為Q235，蝸桿的材質(zhì)是45#鋼，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，蝸桿的兩端通過兩個深溝球軸承拖起，根據(jù)蝸桿尺寸，選取標準的深溝球軸承進行配合，蝸輪的兩端也是通過深溝球軸承對其實現(xiàn)對中和固定，蝸輪為實現(xiàn)減重，在其圓周方向上鉆幾個減重孔，實現(xiàn)對其減重。殼體分為上殼體和下殼體兩部分，上下殼體通過螺栓連接實現(xiàn)固定。在蝸輪上方鉆有注油孔，可以在注油孔中加入潤滑油，潤滑油主要是由潤滑和冷卻兩個功能，使得蝸輪蝸桿運動副在良好的工作條件下實現(xiàn)運轉(zhuǎn)。圖2.5蝸輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)2.7圓錐齒輪減速器結(jié)構(gòu)齒輪減速箱是最古老的一種，其采用兩種齒形相同，齒數(shù)不同的圓錐齒輪對其實現(xiàn)傳遞扭矩的運動，齒輪減速器目前依然是使用種類最多的減速器，按照其結(jié)構(gòu)又可以分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器。這兩種減速器的最大區(qū)別在于兩個軸是否在一個平面上，但一般軸線并不相同，根據(jù)客戶的定制要求，也可以做成同軸線的圓柱齒輪減速器，圓錐齒輪減速器采用兩個圓錐齒輪相互嚙合，其輸入軸和輸出軸并不在一個截面上，兩個軸相互垂直，所以主要用于需要改變兩個軸方向的場合。在1990年以后，以SEW為代表的一批國際巨頭齒輪企業(yè)進軍到中國市場，我國上千家齒輪減速箱生產(chǎn)企業(yè)，但我國的齒輪減速箱企業(yè)還處于低端，一部分企業(yè)在按照國家標準，剩下的企業(yè)則在模仿國外的頂尖企業(yè)在生產(chǎn)相同規(guī)格的減速箱，并沒有自己的核心技術(shù)[28]。齒輪傳動的優(yōu)缺點都比較明顯，分別為以下幾類：1效率高：齒輪傳動是采用與其他傳動系統(tǒng)不相同，齒輪傳動由于其傳動的特性，傳動效率較高。普通的齒輪傳動，傳動效率能夠做到99%，就是因為齒輪傳動效率的高效性，齒輪傳動被廣發(fā)使用；2)結(jié)構(gòu)緊湊：傳統(tǒng)的齒輪箱的結(jié)構(gòu)采用平行軸，在兩個軸之間可以采用多級齒輪傳動，能夠極大地節(jié)約空間；3)工作可靠、壽命長：齒輪結(jié)構(gòu)是采用多個輪齒交替嚙合完成動力傳遞的情況，在載荷設(shè)計合理的前提下，整體工作較為平穩(wěn)，使用壽命可靠，一般使用壽命能夠達到20年左右，穩(wěn)定的可靠性能夠保證系統(tǒng)性能，在維護性不好的場所，這點事很關(guān)鍵的，因此齒輪傳動機構(gòu)在煤礦、航空領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用；4)傳動比穩(wěn)定：齒輪采用嚙合原理，傳動比能夠保證在一個較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，適合用于對傳動比要求較高的場合。齒輪傳動按照結(jié)構(gòu)的組成可以分為開式、半開式及閉式。開式齒輪傳動是指在一些與齒輪結(jié)構(gòu)要求不強的場所，在齒輪結(jié)構(gòu)外面并沒有專用的防護罩或者機殼，并且開式齒輪結(jié)構(gòu)并沒有相應(yīng)的齒輪油，齒輪工況較為惡劣，屬于干摩擦情況，這種多用于拖拉機、生產(chǎn)設(shè)備等。半開式齒輪傳動是指并沒有完全封閉性的機殼，只有部分機殼對齒輪進行防護，部分齒輪浸泡在潤滑油總，這種工況相比較開式齒輪結(jié)構(gòu)，齒輪工作的工況有些改善，但是還是不能解決齒輪之間的進雜質(zhì)等問題，適合用于對工況要求不苛刻的機械設(shè)備中。閉式齒輪傳動是指齒輪在一個封閉的箱體內(nèi)，齒輪在充分潤滑的過程中完成運轉(zhuǎn)，大部分機械設(shè)備都采用這種齒輪傳動結(jié)構(gòu)，其具有工作條件優(yōu)良、齒輪工作壽命長等優(yōu)點。齒輪減速箱的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于拆卸，使用壽命長，本方案設(shè)計的為圓錐齒輪減速器，和以上幾種減速器相比，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，包括上殼體、下殼體、輸入軸、輸出軸、擋圈及軸承等幾部分，輸入軸和輸出軸整體結(jié)構(gòu)和下殼體裝配完成后，安裝好上殼體完成裝配，上殼體安裝有注油孔，用于向殼體內(nèi)部注入潤滑油脂，完成整體潤滑和冷卻。輸入軸和高速端是采用平鍵連接，輸出軸和低速端采用花鍵連接，整體結(jié)構(gòu)性能可靠，完成整體系統(tǒng)的扭矩傳遞[30]。圖2.6圓錐齒輪減速器結(jié)構(gòu)2.8帶傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶傳動是采用摩擦傳動原理實現(xiàn)的傳動運動，結(jié)構(gòu)主要是由三部分組成，皮帶、大皮帶輪和小皮帶輪，大皮帶輪一般都固定于低速輸出端，小皮帶輪一般固定于高速輸入端，通過兩個皮帶輪尺寸的不同，由于皮帶運動的速度是等于兩個皮帶輪圓周的線速度，所以帶傳動傳動的減速比等于兩個皮帶輪直徑的反比。皮帶輪開始的過程是有電動機驅(qū)動小皮帶輪進行運轉(zhuǎn)，通過皮帶輪和皮帶之間的嚙合或者摩擦，進而帶動大皮帶輪的運動。同步帶傳動，是一種嚙合式的傳動方式，他是利用皮帶和帶輪做出類似于齒輪的輪齒，利用皮帶和帶輪嚙合運動實現(xiàn)的帶傳動，它客服傳統(tǒng)帶傳統(tǒng)的傳動比準確率低的問題，這種同步帶傳動機構(gòu)能夠保持穩(wěn)定的傳動比，不會造成滾輪產(chǎn)生滑動等，將帶輪的優(yōu)點和鏈傳動的優(yōu)點兩個皮帶輪，同時，同步帶傳動的皮帶是采用氟丁橡膠及其他相似橡膠材料制作而成，有著良好的延展性，并適應(yīng)高速端運轉(zhuǎn)的情況，帶傳動一般都接在電機的高速端，作為電機的首次減速裝置，同步帶的減速比最大可以做到10，整體傳送效率也較高，傳動的噪聲較小，由于皮帶是較軟材料，所以能夠有效地減小傳遞噪聲，遠小于齒輪、鏈傳動。但是同步帶對安裝精度要求極高，由于皮帶輪兩個輪需要和皮帶的齒完全嚙合上，所以對安裝精度要求特別高。普通帶傳動的結(jié)構(gòu)較為簡單，適合大軸距間的減速傳遞運動，由于其特有的特點，普通帶傳動的傳遞原理是采用摩擦原理進行傳遞，按照帶的類型，可以將普通帶傳動又分為平帶傳動、V形帶傳動及多口帶傳動，目前被廣泛用于各種設(shè)備上，作為電機端的首級傳遞減速機構(gòu)還能起到保護電機的作用，當負載端出現(xiàn)卡死、過載情況，皮帶輪會出現(xiàn)打滑情況，保護電機，避免電機損壞，同時還能避免將負載端的振動傳遞給電機端，也起到電機保護作用，但是普通帶傳動的傳動比并不準確，皮帶會出現(xiàn)滑動情況，具體滑動距離需根據(jù)張緊輪的漲緊量進行確定，皮帶輪傳動還可以被用于傳遞物料等場所，這種工作場所的時候，兩個皮帶輪的直徑基本相同，不對傳動比進行改變。普通帶傳動的三種，針對一般機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)工況，v帶傳動可以滿足大部分工況的使用要求，v帶的斷面形狀類似于英文字母V，它的橫截面呈等腰梯形，同時，需要根據(jù)皮帶的形狀，對帶輪的形狀進行相應(yīng)的配做。和普通平帶傳動的摩擦機理不同，V形輪是采用兩個等腰梯形的側(cè)邊和帶輪采用配合接觸，通過皮帶和帶輪之間的摩擦，傳遞相應(yīng)的傳動，V形帶等腰梯形的側(cè)面是和帶輪的接觸面，當張緊輪進行張緊時，帶輪和摩擦輪即以兩側(cè)面為工作面，由于V形帶傳動的接觸面更大，所以比平帶傳動有更好的摩擦力。本方案設(shè)計的帶傳動為V形帶傳動，兩端都通過帶有鍵槽的軸傳遞運動，同時，兩個皮帶輪直徑直徑比為2.5，因此減速比為2.5。圖2.7V形帶輪減速器結(jié)構(gòu)

第三章傳動系統(tǒng)實驗臺傳動系統(tǒng)選型設(shè)計本項目設(shè)計的傳動實驗臺是一個針對不同減速機構(gòu)的實驗臺，在實驗臺測試機構(gòu)的前方和后方分別增加了測試實驗臺主軸扭矩轉(zhuǎn)速等實驗裝置，便于研究人員分析不同的傳統(tǒng)裝置的傳動特性，下文實驗臺的傳動系統(tǒng)進行選型設(shè)計。3.1電動機選擇電動機是是本實驗臺的工作母機，其提供能量驅(qū)動各個實驗設(shè)備的運轉(zhuǎn)和運行，本方案的設(shè)計經(jīng)過多級減速設(shè)備的輸出端的功率最大為0.5kw，因此，對本方案的電機記性選型設(shè)計。(1)電動機類型：計算電動機工作所需功率：輸出所需功率：;電機驅(qū)動功率：;本實驗臺主要是針對皮帶輪傳動系統(tǒng)，圓錐齒輪減速器及蝸輪蝸桿減速器進行試驗性能校核，所需功率最大的工況是連接皮帶輪、蝸輪蝸桿及圓錐齒輪的工況，因此，針對此種工況，進行電動機所需功率設(shè)計。其中，為聯(lián)軸節(jié)及軸承工作效率，0.8為皮帶輪效率，0.97為圓錐齒輪效率，0.97為蝸輪蝸桿減速器效率，0.7所以（2）電機型號確定根據(jù)電機選型手冊，對電機功率留有一定安全系數(shù)，對電機型號查表得出，驅(qū)動電機為：Y90L-6，電機功率：1.1Kw，轉(zhuǎn)速：＝910。3.2聯(lián)軸器設(shè)計計算聯(lián)軸器在實驗臺設(shè)備中起到了連接各軸徑的作用，同時也傳遞軸的轉(zhuǎn)矩，為保證設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)，聯(lián)軸器強度設(shè)計的合理性尤為關(guān)鍵。電機輸出功率為1.1kw，采用多級轉(zhuǎn)速驅(qū)動，減速比最大為60，電機的輸出轉(zhuǎn)速為15r/min，針對這種情況，對聯(lián)軸器進行設(shè)計計算。軸所承受的最大扭矩為：聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算：式中，載荷系數(shù)，按下表查得，取=1.1。載荷性質(zhì)無沖擊平穩(wěn)轉(zhuǎn)動一般運動有沖擊和振動運轉(zhuǎn)1～1.21.2～1.51.5～2.5硬度系數(shù)，按下表查得，取=1.0。滾道實際硬度HRC≥58555045401.01.111.562.43.85精度系數(shù)，按下表查得，取=1.0。精度系數(shù)C、DE、FGH1.01.11.251.43因此，計算得出，聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩為875N.M。選取聯(lián)軸節(jié)時，需選取公稱轉(zhuǎn)矩大于實際工作轉(zhuǎn)矩的聯(lián)軸節(jié)，根據(jù)機械設(shè)計手冊，查表得出，選取公稱轉(zhuǎn)矩為900N.M的凸緣聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器是在平時應(yīng)用較多的一種聯(lián)軸器，其具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，整體性能可靠，易拆裝，易維護等多方面優(yōu)點。 ；3.3傳動系統(tǒng)選型及設(shè)計針對目前較為常用的擺線針輪減速機、齒輪減速機、V型帶傳動、蝸輪蝸桿傳動等進行選型和設(shè)計，由于實驗臺的負載情況情況各不相同，還有可能采用他們之間相互配合的兩級及多級傳動方式，本文對采用以上方法的減速其進行設(shè)計，同時減速比根據(jù)具體設(shè)計要求，特定給出。3.3.1擺線針輪減速機選型及設(shè)計目前，擺線針輪減速機已經(jīng)廣泛用于建筑、化工、市政等各種機械上，其采用的是類似于行星齒輪傳動的方式進行驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動輪、偏心軸、執(zhí)行輪等幾個部分，采用巧妙的設(shè)計將其結(jié)合在一起，并且執(zhí)行輪比外面的針輪齒圈少一個齒，利用差齒配合傳動原理，在驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動一圈的時候，執(zhí)行輪只轉(zhuǎn)過了一個齒，通過這種運行方式，實現(xiàn)了大幅減速的目的。擺線針輪減速機自從面世以來，就收到了各行各業(yè)設(shè)備的青睞，這是以后幾點優(yōu)點：1.大減速比：目前擺線針輪減速機的最大減速比能夠做到87，僅次于諧波齒輪結(jié)構(gòu)，是目前單級減速比較大的減速機；2.結(jié)構(gòu)緊湊，由于擺線針輪減速機的輸出軸和輸入軸的同軸性，整體結(jié)構(gòu)緊湊，能夠滿足各種狹小空間的使用要求；3.運行平穩(wěn)，嚙合機構(gòu)是整個機構(gòu)完整受力，受力性能優(yōu)良，力學性能好，使用可靠性高。擺線針輪的選型和設(shè)計已經(jīng)達到標準化了，國家已經(jīng)出臺了相關(guān)標準，在標準中設(shè)計了BL、BW型等多種擺線針輪減速機的外形尺寸和載荷系數(shù)，設(shè)計時，需根據(jù)具體要求對相關(guān)數(shù)據(jù)進行設(shè)計，本項目中選擇的擺線針輪減速機的減速比為35，查找相關(guān)表格，可以確定采用BL2-35-1.5型擺線針輪減速器，具體參數(shù)如下表所示。表3.1BL2-35-1.5擺線針輪減速器的主要參數(shù)輸入轉(zhuǎn)速r/min輸入功率kw減速比輸入軸軸徑mm輸出軸軸徑mm9551.13530553.3.2V形帶選型及設(shè)計V形帶也是常用的一種減速驅(qū)動方式，一般用于電機的驅(qū)動端，減速比高，能夠遠距離改變電機輸出軸徑的目的，同時，V形帶是軟連接方式，能夠避免負載端的振動或者卡死將電機端憋壞，本文針對V形帶的設(shè)計要求，進行詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計。（1）確定計算功率根據(jù)機械設(shè)計手冊，查表得出：故（2）選V帶帶型根據(jù)，，查找V帶輪選型表，進而選擇A型帶。（3）計算帶輪直徑和帶速v1）查表得出，小帶輪基準直徑2）驗算帶速v：3）查表得：（4）計算V帶中心距a和基準長度 由于V帶輪中心距公式為取計算所需基準長度選取基準長度計算實際中心距變動范圍（5）驗算小帶輪的包角（6）計算帶的根數(shù)1）計算單根由和，查表得出。根據(jù)，，A型帶，查表得出。查表得：，進而得：2）V帶根數(shù)根，為留有較大的安全系數(shù)，取Z＝2（7）計算V形帶受力情況查表得出，由于V形帶為A型，取（8）計算壓軸力3.3.3圓錐齒輪減速器選型及設(shè)計齒輪減速器是目前使用種類最多的減速器，按照其結(jié)構(gòu)又可以分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器。齒輪減速器是使用最早的減速器結(jié)構(gòu)，在人們發(fā)現(xiàn)不同齒數(shù)的齒輪進行嚙合的時候，會參生兩個齒輪的轉(zhuǎn)速不一樣的情況，而它們轉(zhuǎn)速比正是兩個齒輪齒數(shù)比的時候，齒輪減速器就產(chǎn)生了。在1990年以后，以SEW為代表的一批國際巨頭齒輪企業(yè)進軍到中國市場，我國上千家齒輪減速箱生產(chǎn)企業(yè)，但我國的齒輪減速箱企業(yè)還處于低端，一部分企業(yè)在按照國家標準，剩下的企業(yè)則在模仿國外的頂尖企業(yè)在生產(chǎn)相同規(guī)格的減速箱，并沒有自己的核心技術(shù)。本文針對圓錐齒輪減速機進行選型和設(shè)計，減速比為2.3。1、圓錐齒輪設(shè)計計算根據(jù)齒形國家標準GB12369-90，齒形角（1）確定齒輪材質(zhì)①根據(jù)強度設(shè)計要求，齒輪材料均選取45號鋼。小齒輪齒面硬度為250HBS，大齒輪齒面硬度為220HBS。②精度等級取8級。③試選小齒輪齒數(shù)取調(diào)整后（2）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計根據(jù)傳統(tǒng)接觸強度計算公式，計算齒輪齒面為試選載荷系數(shù)：。計算小齒輪傳遞的扭矩：取齒寬系數(shù)：查表得出彈性影響系數(shù)：查表得出區(qū)域因子：查表計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：查表得接觸疲勞壽命系數(shù)：，查表得疲勞極限應(yīng)力：，計算接觸疲勞許用應(yīng)力，安全系數(shù)，，計算出小齒輪直徑：，則齒輪的圓周速度計算載荷系數(shù)：a：查表得齒輪使用系數(shù)b：查表得動載系數(shù)c：查表得齒間分配系數(shù)d：查表得齒向載荷分布系數(shù)查表得，所以e：接觸強度載荷系數(shù)按載荷系數(shù)校正分度圓直徑取標準值，模數(shù)圓整為計算齒輪的相關(guān)參數(shù)，，確定齒寬：圓整取(3)校核齒根彎曲疲勞強度eq\o\ac(○,1)載荷系數(shù)eq\o\ac(○,2)當量齒數(shù)，eq\o\ac(○,3)查表得，，，eq\o\ac(○,4)取安全系數(shù)查表得彎曲疲勞壽命系數(shù)，查表得彎曲疲勞極限為：，許用應(yīng)力eq\o\ac(○,5)校核強度計算得出，，因此得出齒輪能夠滿足使用要求。3.3.4蝸輪蝸桿傳動計算蝸輪蝸桿傳動是采用蝸輪和蝸桿傳動原理的一種減速器，也是常用的減速器中的一種，目前，在很多工業(yè)場合還在使用蝸輪蝸桿減速器，但由于擺線針輪減速器和行星減速器的適用性越來越強，一些場合被這些技術(shù)所替代，因此，蝸輪蝸桿減速器呈減少趨勢。蝸輪蝸桿減速器的特點較為明顯，蝸輪蝸桿減速器的減速比高，標準型蝸輪蝸桿傳動減速器能夠達到減速比63，同時蝸輪蝸桿減速器的輸入軸和輸出軸不在一個軸線上，他們同時也不在一個平面上，蝸輪蝸桿減速器的傳遞效率較低，國產(chǎn)的蝸輪蝸桿減速器的傳動比約為65%，國外的能夠達到80%，但傳動效率依然和齒輪傳動的效率相差很大，下文對蝸輪蝸桿減速器進行設(shè)計計算，蝸輪蝸桿減速器搭配帶輪傳動機和擺線針輪減速器傳動，對驅(qū)動電機進行大幅減速。1.蝸桿功率與材料的選擇蝸桿的輸入功率式中，—擺線針輪減速機的傳動效率，；—聯(lián)軸器的傳動效率，。由于電機轉(zhuǎn)速為955r/min，擺線針輪減速比為35，計算蝸桿的轉(zhuǎn)速n根據(jù)蝸桿輸入功率及轉(zhuǎn)速，選取蝸桿材料為45鋼；蝸輪齒圈材料采用ZCuSn10P1。設(shè)螺母高為H，螺距為P，螺紋中徑為，螺紋工作高度為h，則螺紋承載圈數(shù)Z=H/P，螺旋總軸向載荷為，每一圈螺紋承受的軸向載荷為,其成載面積。因此。螺紋工作面上的壓強為,己耐磨性條件為：表3.2滑動螺旋副材料的許用壓強[]螺桿材料螺母材料滑動速度（m/s）許用壓強鋼青銅低速18～25鋼鋼7.5～13鋼鑄鐵＜0.0413～18鋼青銅＜0.0511～18鋼鑄鐵0.1～0.24～7鋼耐磨鑄鐵6～8鋼青銅7～10設(shè)，則，代入上式并整理后可得：對于鋸齒螺紋，h=0.75P，由上表3-1，選取[]=6Mpa則考慮到螺旋導(dǎo)程不能太小,取導(dǎo)程P=10mm。2.主要參數(shù)計算根據(jù)傳動比，查《機械設(shè)計》表12-2，取，采用蝸輪的工作轉(zhuǎn)矩進行設(shè)計計算，則查《機械設(shè)計》表12-5得基本許用接觸應(yīng)力，設(shè)計使用期限為10年（=24000h），則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)進而計算壽命系數(shù)計算許用應(yīng)力由于是蝸桿與蝸輪配對使用，故=160。根據(jù)蝸輪蝸桿設(shè)計要求，進而確定蝸輪及蝸桿的主要參數(shù)，各參數(shù)如下表所示。表3.3蝸輪及蝸桿的主要尺寸參數(shù)表名稱符號計算公式及結(jié)果mm中心距aa=245蝸桿軸向模數(shù)mm=10蝸桿頭數(shù)Z1Z1=1蝸輪齒數(shù)Z2Z2=i×Z1=33傳動比ii=33蝸桿直徑系數(shù)q16齒頂高系數(shù)ha*ha*=1蝸桿軸向齒距PxPx=π×m=31.41蝸桿導(dǎo)程PzPz=Z1×Px=31.41蝸桿軸截面齒廓壓力角αα=20°間隙CC=（0.2~0.3）m，取C=1.5蝸桿齒頂高ha1ha1=ha*×m=10蝸桿齒根高蝸桿齒高=+=21.5蝸桿分度圓直徑蝸桿齒頂圓直徑蝸桿齒根圓直徑蝸輪分度圓直徑=*m=3303.蝸輪蝸桿強度校核蝸桿材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查《機械設(shè)計手冊》，蝸桿的屈服硬度σ為590MPa，安全系數(shù)取，計算蝸桿許用屈服強度[σ]==590/2=295Mpa蝸輪的工作扭矩為，蝸桿為單頭，故，設(shè)蝸桿的工作扭矩為,則故，滿足設(shè)計使用要求。由于軸承為標準件，在設(shè)計軸徑的同時，需根據(jù)軸徑選擇所需軸承的型號。這里由于所受軸向力向里，考慮到設(shè)計的經(jīng)濟性，這里決定選用圓錐滾子軸承；根據(jù)蝸桿軸與軸承配合處的軸徑為d=90mm，選用雙列向心軸承，型號為：滾動軸承3218GB/T297—1994

第四章磁粉制動器軸強度校核4.1軸強度校核定義強度是指零件抵抗外力而產(chǎn)生形狀變化的能力或者抵抗破壞的能力，它是零件設(shè)計的關(guān)鍵指標，也是機械工程師在設(shè)計機械系統(tǒng)中，保證機械運轉(zhuǎn)可靠性的最基本指標。軸的強度分析是機械工程師進行轉(zhuǎn)動體設(shè)計的必備環(huán)節(jié)，軸是承擔著主要零部件的載體，其受到了零部件的重量，并且軸還是傳遞扭矩的關(guān)鍵部件，如果軸強度有欠缺，出現(xiàn)了屈服變形甚至破壞，則整體設(shè)備將出現(xiàn)嚴重的事故，對軸的強度進行校核分為彎曲強度校核、屈服強度校核及彎扭合成強度校核，需要根據(jù)各種軸的實際受力情況，進行具體的受力分析，進而得出采用何種方式對軸的強度進行校核。4.2磁粉制動器軸強度校核實驗臺的傳動軸共用電機軸、傳感器傳動軸、減速器傳動軸、磁粉傳動軸等5個軸，其中磁粉制動器軸的受力最為惡劣，其需承擔磁粉制動器的重量，同時需承擔磁粉制動器的扭矩，因此針對磁粉制動器軸進行強度校核，由于篇幅有限，其他幾個軸的受力情況和磁粉制動器軸相似，在這里就不贅述了。滑輪軸為不產(chǎn)生扭矩傳遞的心軸形式，需對滑輪軸進行彎曲強度校核計算，滑輪軸材質(zhì)為Q235，抗拉強度為380MPa，屈服強度為235MPa，彎曲疲勞極限為170MPa，剪切疲勞極限為105MPa，許用彎曲應(yīng)力為40MPa。圖4.1磁粉制動器軸結(jié)構(gòu)4.2.1磁粉制動器軸受力分析軸強度分析的第一步，需根據(jù)軸的實際受力情況，對軸繪制出軸的受力圖，軸的彎矩圖及軸的彎扭合成圖，分析磁粉制動器受力情況如下圖所示。圖4.2磁粉制動器軸彎矩圖按照上面提到的第三強度理論公式：式中：-軸的受力，Mpa；M-作用在軸上的最大彎矩，N.mm；T-作用在軸上的最大扭矩，N.mm；W-軸的抗彎截面系數(shù)，mm3。根據(jù)傳動實驗臺各系統(tǒng)的詳細設(shè)計參數(shù)，進而可以確定磁粉制動器軸的上式參數(shù)，如下所示：根據(jù)圖分析可得：因此：=591200N.mm=530300N.mm同時，根據(jù)磁粉制動器軸的使用工況，查表得，取=0.6。4.2.2磁粉制動器軸抗彎截面系數(shù)計算對設(shè)備各組成元素及零部件的截面分析特性，這種截面的狀態(tài)叫做截面模量。截面模量是計算軸、梁的彎曲強度和扭曲強度的必備因數(shù)，是橫梁軸、梁抵抗彎曲或者扭曲變形能力的因數(shù)。如果截面模量越大，表示這種截面抵抗彎曲或者扭曲變形的能力越強，反之則為越弱。根據(jù)以上彎扭合成受力分析圖計算可知，磁粉制動器危險截面出現(xiàn)在帶鍵槽的截面，其截面形狀如下所示：圖4.3磁粉制動器軸危險截面結(jié)構(gòu)圖根據(jù)機械設(shè)計手冊，確定帶有鍵槽的圓軸的抗彎截面系數(shù)計算公式為可得：根據(jù)危險截面分析,取M=5912000N.mm強度的計算：將以上數(shù)據(jù)分別帶入上式中可得：前面已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，根據(jù)機械設(shè)計手冊，查表得,所以，故軸安全。4.2.3磁粉制動器軸強度精確計算軸的精確強度計算是根據(jù)傳統(tǒng)計算方式的改進版本，其按照分類能夠分為按疲勞強度條件和按精強度條件進行精確計算。1.按疲勞強度條件進行精確計算疲勞強度校核是指軸在交變應(yīng)力作用下的，軸經(jīng)過多次交變應(yīng)力的抵抗其強度的屬性，由于針對力的方向經(jīng)常改變的情況，只校核軸的靜強度不能反映出軸的實際受力情況，因此，針對軸校核其疲勞強度，分析其在交變應(yīng)力作用下的強度。對軸的疲勞強度校核，首先也是要分析危險截面，對危險截面的計算公式如下式所示。公式如下：其中：為彎矩的安全系數(shù)為扭矩的安全系數(shù)[S]為按疲勞強度計算的許用安全系數(shù)：見下表。表4.1許用安全系數(shù)選取條件[S]選取條件1.3-1.5載荷確定精確,材料性質(zhì)均勻1.5-1.8載荷確定不夠精確,材料性質(zhì)不夠均勻1.8-2.5載荷確定不精確,材料性質(zhì)均度較差由于受力情況較為復(fù)雜需根據(jù)垂直方向應(yīng)力和周向方向應(yīng)力單獨進行校核，僅有垂直方向應(yīng)力時，應(yīng)滿足僅有周向切應(yīng)力時，應(yīng)滿足式中：對彎曲疲勞強度(MPa)；對材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限(MPa)；為特殊因素；為表面系數(shù)；為應(yīng)力折算系數(shù)；為平均彎曲應(yīng)力(MPa)；為平均轉(zhuǎn)應(yīng)力MPa)圖4.3磁粉制動器軸連接圖根據(jù)上圖分析可知，對圖中的各截面進行強度校核，可得：A、a-a截面上的應(yīng)力：彎曲應(yīng)力幅：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅：彎曲平均應(yīng)力：扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力：B、材料的疲勞極限：根據(jù)，查表7-1附注得：，C、a-a截面應(yīng)力集中系數(shù)：查附表7-1得：，D、表面狀態(tài)系數(shù)及尺寸系數(shù)：查附表7-5、附表7-4,得：

，E、分別考慮彎矩或扭矩作用時的安全系數(shù)：故安全。2.按靜強度條件進行精確計算這種校核目的是評定軸對塑性變形的抵抗能力。根據(jù)軸材料的屈服強度和軸上作用的最大瞬時載荷，計算軸危險截面處的靜強度安全系數(shù)。靜強度校核時的強度條件是：式中：為危險截面靜強度的計算安全系數(shù)為按屈服強度的設(shè)計安全系數(shù)為1.2-1.4用于高塑性材料制成的剛軸為1.4-1.8，用于材質(zhì)為一般調(diào)節(jié)制成的剛軸為1.8-2，用于低塑性材料制成的剛軸為2-3，用于鑄造軸為彎矩作用安全系數(shù)為扭矩作用安全系數(shù)式中：為材料的抗彎和抗扭屈服極限，MPa為軸的危險截面上所受的最大彎矩和最大扭矩，N·mm為軸的危險截面上所受的最大的軸向力，NA為軸的危險截面的面積，分別為危險截面的抗彎和抗扭截面系數(shù),；根據(jù)靜強度校核得出，磁粉制動器軸能夠滿足靜強度設(shè)計的要求。

結(jié)論在機械設(shè)備中，都離不開動力設(shè)備，其形式可以采用電動機、液壓泵及空壓機等，這些動力設(shè)備是設(shè)備運轉(zhuǎn)的動力提供者，而目前常用的設(shè)備當中，還是以電動機使用量最多，這是由于電動機的結(jié)構(gòu)簡單，電能也比較容易獲得。電動機的輸出轉(zhuǎn)速一般較高，每分鐘都能達到幾百到上千轉(zhuǎn)，但同時其輸出扭矩較低，執(zhí)行元件的