中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題目 光敏樹(shù)脂固化成型機(jī)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 系 別 工程技術(shù)系 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 何飛 學(xué) 號(hào) 05208308 指導(dǎo)教師 王勝曼 職 稱(chēng) 講師 2012 年 5 月 4 日 摘 要 闡述了快速成型技術(shù)的加工過(guò)程，突破了傳統(tǒng)的加工方法上的許多限制，在主要的幾種快速成型工藝方法中，光固化成型法已成為當(dāng)今研究發(fā)展最成熟、應(yīng)用最為廣泛的 RP 典型技術(shù)。光固化快速成型以光敏樹(shù)脂為原料，計(jì)算機(jī)控制紫外激光按零件的各分層截面信息在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐行掃描，使被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層 光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。文中設(shè)計(jì)的起升機(jī)構(gòu)借鑒了螺旋起升機(jī)的工作原理。 螺 旋傳動(dòng)起升機(jī)基本原理是利用電機(jī)，通過(guò)減速器減速后，帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為絲桿的軸向運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)物體上升。主要內(nèi)容如下：對(duì)光固化快速成型系統(tǒng)控制原理進(jìn)行了研究；設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)；選擇電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)；控制電路的設(shè)計(jì)；簡(jiǎn)要闡述在流水線(xiàn)作業(yè)中，螺旋傳動(dòng)原理等。 關(guān)鍵詞： 光固化快速成型；電動(dòng)；螺旋傳動(dòng) Abstract Expounds the machining process of the rapid prototyping technology, break through the traditional processing method many of the restrictions on, in a few of the main rapid prototyping technology method, uv-curable ChengXingFa has become the research and development the most mature, most widely used RP typical technology. Light curing photosensitive resin in rapid prototyping as raw materials, computer control laser by part of ultraviolet each layered section information in lightsensitive resins surface manufacture progressive-scan, make be scanning the area light thin layer of resin curing polymerization, forming parts of a thin layer. The design of lifting mechanism for the spiral up the work principle of mining. And the basic principle is that the motor drives the rotary nut through the deceleration agencies, screw into the axial campaign, and then lift the objects .The main contents as follows: research the principle of spiral jack and the principles and methods of the spiral lifting, design the agencies of spiral lifting； motor choice； design deceleration agencies； select keys and bearings, design the control circuit； describe the principle of the screw jack on the assembly line operation. Keywords: Stereo Lithography Apparatus； Electrical； Spiral drive 目 錄 1 緒論 . 1 1.1 快速成型技術(shù) . 1 1.2 光固化快速成型技術(shù)的控制原理及應(yīng)用 . 1 2 設(shè)計(jì)方案的確定 . 4 2.1 螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案 . 4 2.1.1 螺旋傳動(dòng)概述 . 4 2.1.2 螺旋傳動(dòng)方案的確定 . 5 2.2 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 . 6 3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 7 3.1 螺旋傳動(dòng)部分計(jì)算 . 7 3.1.1 螺桿直徑的計(jì)算 . 7 3.1.2 螺紋部分強(qiáng)度計(jì)算 . 7 3.2 電機(jī)的選擇 . 9 3.2.1 電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 . 10 3.2.2 傳動(dòng)效率 . 10 3.2.3 確定電機(jī)轉(zhuǎn)速 .11 3.3 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 12 3.3.1 材料的選擇 . 12 3.3.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)基本尺寸 . 13 3.3.3 強(qiáng)度校核 . 16 3.3.4 蝸輪蝸桿傳動(dòng)中的作用力分析 . 16 3.3.5 實(shí)際傳動(dòng)動(dòng)力參數(shù) . 17 4 輔助裝置的設(shè)計(jì) . 19 4.1 軸承的選擇 . 19 4.1.1 軸承的選擇因素 . 19 4.1.2 軸 承的型號(hào)確定 . 20 4.1.3 軸承校驗(yàn) . 20 4.2 鍵的選擇 . 23 4.3 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 . 24 結(jié)論 . 26 致 謝 . 27 參考文獻(xiàn) . 28 1 緒論 1.1 快速成型技術(shù) 快速成型 技術(shù)（ Rapid Prototyping,RP）是國(guó)際上 20 世紀(jì) 80 年代后期發(fā)展起來(lái)的一種新型的先進(jìn)制造技術(shù)。由于在其加工過(guò)程中，材料處在一個(gè)逐點(diǎn)或逐層堆積的過(guò)程中，因而該技術(shù)屬于材料堆積成型的制造技術(shù)，也稱(chēng)為“增加”加工法、“生長(zhǎng)型制造”，快速成型技術(shù)能夠根據(jù)零件的 CAD 模型直接成型復(fù)雜的零部件或模具，不需要任何工裝，突破了傳統(tǒng)“去材”加工法或“變形”加工法的許多限制，如：產(chǎn)生切削和工藝廢料等材料利用率的缺陷以及由于受刀具或模具形狀限制無(wú)法制造復(fù)雜形狀產(chǎn)品制件的不足，是制造技術(shù)領(lǐng)域得一次重大突破。 在主要 的幾種快速成型工藝方法中，光固化成型法 SLA 是最早被提出并商業(yè)化應(yīng)用的。1986 年美國(guó)的 Charles W Hull 博士首次在他的博士論文中提出用激光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂，固化分層制作三維物體的快速成型概念，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。 1988 年，美國(guó)的 3D Systems 公司根據(jù)該專(zhuān)利商業(yè)化了第一臺(tái)現(xiàn)代快速成型機(jī) SLA250，以液態(tài)樹(shù)脂選擇性地固化成形零件，開(kāi)創(chuàng)了快速成型技術(shù)的新紀(jì)元。 經(jīng)過(guò)了近 20 年的發(fā)展， SLA 已成為當(dāng)今研究發(fā)展最成熟、應(yīng)用最為廣泛的 RP 典型技術(shù)，在全世界安裝的快速成型機(jī)中光固化成型系統(tǒng)約占 60%。 1.2 光固化快速成型技術(shù)的控制原理及應(yīng)用 快速成型技術(shù)是當(dāng)今世界飛速發(fā)展的制造技術(shù)之一。這種方法能簡(jiǎn)捷、全自動(dòng)地制造出歷來(lái)各種加工方法難以制作的復(fù)雜立體形狀，在加工技術(shù)領(lǐng)域具有劃時(shí)代的作用。 光固化快速成型技術(shù) (Stereo Lithography Apparatus 簡(jiǎn)稱(chēng) SLA)是 80 年代中期開(kāi)發(fā)的先進(jìn)制造手段，在快速成型方法中使用較為廣泛。它的突破性在于將傳統(tǒng)的 “ 去除 ” 加工法(由毛坯去除多余部分制成零件 )改進(jìn)為增加加工法 (由材料逐層累積形成零件 )。 SLA 以其方便、生產(chǎn)周期短而在鑄造、模具與塑料加工行業(yè) 得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 。 1.2.1 成型原理 光固化快速成型制造技術(shù)不同于傳統(tǒng)的材料去除制造方法，它的成型原理是： SLA將所設(shè)計(jì)零件的三維計(jì)算圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列很薄的模型截面數(shù)據(jù)，然后在快速成型機(jī)上，用可控制的紫外線(xiàn)激光束，按計(jì)算機(jī)切片軟件所得到的每層薄片的二維圖形輪廓軌跡，對(duì)液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行掃描固化，形成連續(xù)的固化點(diǎn)，從而構(gòu)成模型的一個(gè)薄截面輪廓。下一層以同樣的方法制造。該工藝從零件的最底薄層截面開(kāi)始，一次一層連續(xù)進(jìn)行，直到三維立體模型制成。一般每層厚度為 0.076 0.381mm，最 后將制品從樹(shù)脂液中取出，進(jìn)行最終的硬化處理，再打光、電鍍、噴涂或著色即可。圖 1 所示為 SLA 控制原理示意圖。 圖 1 SLA 控制原理 要實(shí)現(xiàn)光固化快速成型，感光樹(shù)脂的選擇也很關(guān)鍵。它必須具有合適的粘度，固化后達(dá)到一定的強(qiáng)度，在固化時(shí)和固化后要有較小的收縮及扭曲變形等性能。更重要的是，為了高速、精密地制造一個(gè)零件， 感光樹(shù)脂必須具有合適的光敏性能，不僅要在較低的光照能量下固化，且樹(shù)脂的固化深度也應(yīng)合適。 1.2.2 成型過(guò)程及控制 光固化快速成型的過(guò)程分為前處理、分層疊加成型及后處理三個(gè)階段，具體步驟如圖 2 所示。 圖 2 SLA 的工藝過(guò)程 快速成型機(jī)只能接受計(jì)算機(jī)構(gòu)造的三維模型，然后才能進(jìn)行切片處理。因此， 應(yīng)在計(jì)算機(jī)上采用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)產(chǎn)品的要求設(shè)計(jì)三維模型或?qū)⒁延挟a(chǎn)品的二維三視圖轉(zhuǎn)換成三維模型。 制品越復(fù)雜，構(gòu)制三維模型越困難。用于構(gòu)造模型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件很關(guān)鍵，要求具有較強(qiáng)的三維造型功能。目前快速成型行業(yè)中常用的計(jì)算機(jī)輔助軟件系統(tǒng)主要有Pro/ENGINEER、 AutoCAD 等。其中， Pro/ENGINEER 軟件因有較強(qiáng)的實(shí)體造型和表面造型功能，可構(gòu)造非常復(fù)雜的模型，所以受到許多用戶(hù)的好評(píng)，但其價(jià)格較貴，系統(tǒng)較龐大，使用界面不夠友好，新用戶(hù)使用常需一段熟悉和積累經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。 AutoCAD 雖價(jià)格低，操作簡(jiǎn)單，但成型復(fù)雜制品困難，設(shè)計(jì)費(fèi)工費(fèi)時(shí)。近年推出的 SolidWorks 的價(jià)格比較便宜，能基本滿(mǎn)足三維造型的要求，且界面友好，容易掌握，因此不少用戶(hù)對(duì)此軟件感興趣。 上述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的模型文件輸出格式有多種，基中常見(jiàn)的有IGES(International Graphics Exchange Standard)、 HPGL(HP Graphics Language)、STEP(Standard for the Exchange of Product)、 DXF、 STL(Stereo Lithography Interface Specification)等。 STL 格式是快速成型機(jī)常采用的一種模型文件輸出格式。 1.2.3 應(yīng)用 要將一種新產(chǎn)品成功地投入到競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中需要其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度快及生產(chǎn)周期短。只有將快速與柔性制造工藝結(jié)合才能達(dá)到理想效果。 SLA 集現(xiàn)代控制技術(shù)、 CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)和新材料科學(xué)的成果與一體，突破了傳統(tǒng)加工模式，大大縮短了產(chǎn)品的生 產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前光固化快速成型技術(shù)的應(yīng)用主要有 : (1) 用 SLA 制造模具 用 SLA 工藝快速制成的立體樹(shù)脂?？梢源嫦?zāi)＿M(jìn)行結(jié)殼，型殼焙燒時(shí)去除樹(shù)脂膜，得到中空型殼，即可澆注出具有高尺寸精度和幾何形狀、表面光潔度較好的合金鑄件或直接用來(lái)制注射模的型腔，可以大大縮短制模過(guò)程，縮短制品開(kāi)發(fā)周期，降低制造成本。 (2) 對(duì)樣品形狀及尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行直觀分析 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，雖然可以借助設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算模擬對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)，但不直觀，特別是形狀復(fù)雜產(chǎn)品，往往因難于想象其真實(shí)形貌而不能作出正確、及時(shí)的判斷。采用 SLA可以快速制造樣品，供設(shè)計(jì)者和用戶(hù)直觀測(cè)量，并可迅速反復(fù)修改和制 造，可大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)符合預(yù)期的形狀和尺寸要求。 2 設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案 2.1.1 螺旋傳動(dòng)概述 螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。主要用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成推力。按工作特點(diǎn)，螺旋傳動(dòng)用的螺旋分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋。 （ 1）傳力螺旋：以傳遞動(dòng)力為主 ,它用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向推力 ,一般為間歇工作，工作速度不高，而且通常要求自鎖，例如螺旋壓力機(jī)和螺旋千斤頂上的螺旋。 （ 2）傳導(dǎo)螺旋：以 傳遞運(yùn)動(dòng)為主，常要求具有高的運(yùn)動(dòng)精度，一般在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作，工作速度也較高，如機(jī)床的進(jìn)給螺旋（絲杠）。 （ 3）調(diào)整螺旋：用于調(diào)整并固定零件或部件之間的相對(duì)位置，一般不經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)，要求自鎖，有時(shí)也要求很高精度，如機(jī)器和精密儀表微調(diào)機(jī)構(gòu)的螺旋。按螺紋間摩擦性質(zhì)，螺旋傳動(dòng)可分為滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)?；瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)又可分為普通滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和靜壓螺旋傳動(dòng)。 1）滑動(dòng)螺旋傳動(dòng) 通常所說(shuō)的滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)就是普通滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)。滑動(dòng)螺旋通常采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋，其中梯形螺紋應(yīng)用最廣，鋸齒形螺紋用于單面受力。矩形螺紋由 于工藝性較差強(qiáng)度較低等原因應(yīng)用很少；對(duì)于受力不大和精密機(jī)構(gòu)的調(diào)整螺旋，有時(shí)也采用三角螺紋。 一般螺紋升程和摩擦系數(shù)都不大，因此雖然軸向力 F相當(dāng)大，而轉(zhuǎn)矩 T則相當(dāng)小。傳力螺旋就是利用這種工作原理獲得機(jī)械增益的。升程越小則機(jī)械增益的效果越顯著?；瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)的效率低，一般為 30 40%，能夠自鎖。而且磨損大、壽命短，還可能出現(xiàn)爬行等現(xiàn)象。 2）靜壓螺旋傳動(dòng) 螺紋工作面間形成液體靜壓油膜潤(rùn)滑的螺旋傳動(dòng)。靜壓螺旋傳動(dòng)摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率可達(dá) 99%，無(wú)磨損和爬行現(xiàn)象，無(wú)反向空程，軸向剛度很高，不自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性，但螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要有一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定和過(guò)濾要求高的供油系統(tǒng)。靜壓螺旋常被用作精密機(jī)床進(jìn)給和分度機(jī)構(gòu)的傳導(dǎo)螺旋。這種螺旋采用牙較高的梯形螺紋。在螺母每圈螺紋中徑處開(kāi)有 3 6個(gè)間隔均勻的油腔。同一母線(xiàn)上同一側(cè)的油腔連通，用一個(gè)節(jié)流閥控制。油泵將精濾后的高壓油注入油腔，油經(jīng)過(guò)摩擦面間縫隙后再由牙根處回油孔流回油箱。當(dāng)螺桿未受載荷時(shí)，牙兩側(cè)的間隙和油壓相同。當(dāng)螺桿受向左的軸向力作用時(shí)，螺桿略向左移，當(dāng)螺桿受徑向力作用時(shí)，螺桿略向下移。當(dāng)螺桿受彎矩作用時(shí)，螺桿略偏轉(zhuǎn)。由于節(jié)流閥的作用，在微量移動(dòng)后各油 腔中油壓發(fā)生變化，螺桿平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。 3）滾動(dòng)螺旋傳動(dòng) 用滾動(dòng)體在螺紋工作面間實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)，又稱(chēng)滾珠絲杠傳動(dòng) .滾動(dòng)體通常為滾珠，也有用滾子的。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的摩擦系數(shù)、效率、磨損、壽命、抗爬行性能、傳動(dòng)精度和軸向剛度等雖比靜壓螺旋傳動(dòng)稍差，但遠(yuǎn)比滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)為好。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的效率一般在 90%以上。它不自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，抗沖擊性能差。它已廣泛地應(yīng)用于機(jī)床、飛機(jī)、船舶和汽車(chē)等要求高精度或高效率的場(chǎng)合。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式，按滾珠循環(huán)方式分外循環(huán)和 內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)的導(dǎo)路為一導(dǎo)管 ,將螺母中幾圈滾珠聯(lián)成一個(gè)封閉循環(huán)。內(nèi)循環(huán)用反向器，一個(gè)螺母上通常有 2 4 個(gè)反向器，將螺母中滾珠分別聯(lián)成 2 4個(gè)封閉循環(huán)，每圈滾珠只在本圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)。外循環(huán)的螺母加工方便，但徑向尺寸較大。為提高傳動(dòng)精度和軸向剛度，除采用滾珠與螺紋選配外，常用各種調(diào)整方法以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。 常用的載重螺旋有矩形，梯形和鋸齒形等。矩形螺紋傳動(dòng)效率高，但螺紋強(qiáng)度較低，精確制造較困難，對(duì)中準(zhǔn)確性較差，磨損后無(wú)補(bǔ)償，因此應(yīng)用受限制，矩形螺紋無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。梯形螺紋加工容易，強(qiáng)度較大，但效率較低。鋸齒形螺紋矩形螺紋效率高，梯 形螺紋強(qiáng)度大的特點(diǎn)，一般用于承受單向壓力，常用在壓力機(jī)上。 螺桿材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，以及良好的加工性能，不經(jīng)熱處理的螺桿一般選用 Q275， 35， 45 號(hào)鋼，重要的經(jīng)熱處理的螺桿可以選用 65Mn， 40Cr 或 20C rMnTi 鋼。精密傳動(dòng)螺桿可用 9MnV， CrMn， 38CrMoAl 鋼等。螺母材料除要有足夠的強(qiáng)度外，還要求在與螺桿材料配合時(shí)摩擦系數(shù)小和耐磨。常選用鑄造青銅 ZQSn6-6-3， ZQSn10-1，速度低，載荷較小時(shí)，也可選用高強(qiáng)度鑄造鋁青銅或鑄造黃銅，重載時(shí)可用鑄鐵，耐磨鑄鐵。尺寸大的螺母可用 鋼或鑄鐵做外套，內(nèi)部澆注青銅。高速螺母可澆注巴氏合金。 螺旋傳動(dòng)用矩形，梯形或鋸齒形螺紋，其失效形式多為螺紋磨損。而螺旋直徑螺母的高度由耐磨性要求決定。傳力較大時(shí)，應(yīng)校驗(yàn)螺桿部分或其他危險(xiǎn)部位強(qiáng)度，以及螺母，螺桿的螺紋牙的強(qiáng)度。要求自鎖時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)螺紋副的自鎖條件。對(duì)于長(zhǎng)徑比很大的受壓螺桿，應(yīng)檢驗(yàn)其穩(wěn)定性。 因此，本設(shè)計(jì)中螺旋副材料選取鋼 青銅材料，螺桿選取 45號(hào)鋼。螺紋選用梯型螺紋，右旋單線(xiàn)。 2.1.2 螺旋傳動(dòng)方案的確定 本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何將電機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺桿的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這也是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 關(guān)鍵。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)參考資料，可得到把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的四種方式：（ 1）螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)；（ 2）螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿移動(dòng)；（ 3）螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)、移動(dòng)；（ 4）螺桿固定，螺母轉(zhuǎn)、移動(dòng)； 考慮到起升部件與物體接觸，而起升部件與物體間不可發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且必須與物體充分接觸，因此排除方案（ 1）、（ 4），而方案（ 3）又不方便輸入傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，因此選擇方案（ 2）作為起升部分的傳動(dòng)方案。 2.2 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有蝸輪蝸桿傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，摩擦輪傳動(dòng)等等。考慮到本設(shè)計(jì)要求的傳 動(dòng)緊湊，傳動(dòng)比較大，因此選用蝸輪蝸桿傳動(dòng)作為本設(shè)計(jì)的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 蝸桿傳動(dòng)用于傳遞交錯(cuò)軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在絕大多數(shù)情況下，兩軸在空間上是互相垂直的，軸交角為 90 度。它廣泛應(yīng)用在機(jī)床、汽車(chē)、儀器、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械以及其他機(jī)械制造部門(mén)中，最大傳動(dòng)功率可達(dá)到 750 千瓦，通常用在 50 千瓦以下；最高滑動(dòng)速度可達(dá) 35m/s，通常用在 15m/s 以下。 蝸桿傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)，無(wú)噪聲，沖擊振動(dòng)小以及能得到很大的單級(jí)傳動(dòng)比。在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比一般為 8 100，常用的為 5 50。在機(jī)床工作臺(tái)中，傳動(dòng)比 可達(dá)幾百，甚至達(dá)到一千。這時(shí)，需采用導(dǎo)程角很小的單頭蝸桿，但傳動(dòng)效率很低，只能用在功率很小的場(chǎng)合。在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中正力求提高蝸桿傳動(dòng)的效率，多頭蝸桿的傳動(dòng)效率已經(jīng)可達(dá)到 98%。與多級(jí)齒輪傳動(dòng)相比，蝸桿傳動(dòng)零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。缺點(diǎn)是在制造精度和傳動(dòng)比相同的條件下，蝸桿傳動(dòng)的效率比齒輪傳動(dòng)低，同時(shí)蝸輪一般需用貴重的減磨材料制造。 3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 螺旋傳動(dòng)部分計(jì)算 3.1.1 螺桿直徑的計(jì)算 2 Fpdhp 式（ 3.1） 表 3-1 滑動(dòng)螺旋副許用比壓 P 螺桿材料 螺母材料 許用比壓 速度范圍 鋼 青銅 18 25 低速 鋼 鋼 7.5 13 低速 鋼 鑄鐵 13 18 2.4m/min 鋼 青銅 11 18 3.0m/min 取鋼 青銅螺旋副 p=20Mpa， f=0.080.1，最大負(fù)載 F=25000N， 代入式（ 3.1）得 : 2 25.9d mm 根據(jù)梯形螺紋國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，取螺紋為 Tr30 6 其基本參數(shù)為： 螺桿外徑： 30d mm ， 中徑：2227d D m m， 螺桿小徑：3 23d mm， 螺母小徑：1 24D mm， 螺母大徑：4 31D mm， 螺距： 6p mm 3.1.2 螺紋部分強(qiáng)度計(jì)算 梯形螺紋牙型角 30 當(dāng)量摩擦角 a r c t a n a r c t a n / c o s ( / 2 ) 5vv ff 將螺紋部分展開(kāi)，其受力圖如圖 3-1 所示， 圖 3-1 26a r c t a n a r c t a n 4 . 127pd 作用在螺母上的扭矩12/2T Qd 2t a n ( ) / 2vFd 54059 N m m 螺桿受力如圖 3-2 所示，由圖可知，螺桿上與螺母旋合處扭矩最大，且 m a x 1 54059T T N m m 圖 3-2 根據(jù)第四強(qiáng)度理論，得：螺桿危險(xiǎn)截面的當(dāng)量應(yīng)力 22m a x334( ) 3 ( )0 . 2vTFdd 22334 2 5 0 0 0 5 4 0 5 9( ) 3 ( )2 3 0 . 2 2 3 71.4Mpa 表 3-2 螺桿與螺紋牙強(qiáng)度 項(xiàng)目 許用應(yīng)力 Mpa 螺桿強(qiáng)度 3 5s s為屈服極限 螺紋牙強(qiáng)度 材料 剪切 彎曲min 鋼 0.6 （ 11.2） 青銅 30-40 40 60 鑄鐵 40 45 55 耐磨鑄鐵 40 50 60 蝸桿材料為 45 號(hào)鋼，由表 3-2 可知，它的許用應(yīng)力為 3 5s = 36035 =12072Mpa v ，滿(mǎn)足要求。 自鎖條件：26a r c t a n a r c t a n 4 . 127pd =12m/s26m/s 和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，離心鑄造的可得到致密的細(xì)晶粒組織，可取大值，沙型鑄造的取小值。 （ 2）鑄鋁青銅 適用于 Vs=10m/s 的工況，抗膠合能力差，蝸桿硬度應(yīng)不低于 45HRC。 （ 3）鑄鋁黃銅 點(diǎn)蝕強(qiáng)度高，但磨損性能差，宜用于低滑動(dòng)速度場(chǎng)合。 （ 4）灰鑄鐵和球墨鑄鐵 適用于 Vs=2.25 轉(zhuǎn)速系數(shù)： 74.0)18( 812 nz n， 彈性系數(shù)：根據(jù)蝸輪副材料查表 3-7 得 MpazE 147， 壽命系數(shù)：設(shè)機(jī)器使用壽命 hLh 10000，則壽命系 數(shù) 6.116.12 5 0 0 06 hh Lz 接觸系數(shù)：由參考文獻(xiàn) 1圖 13.12I 線(xiàn)查得 65.2z 接觸疲勞極限：查參考文獻(xiàn)表 3-7 得 MpaH 265lim 表 3-7 蝸輪材料 力學(xué)性能和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 蝸輪材料 力學(xué)性能 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) b S HB S 310E EZ limH limF maxfv Mpa Mpa % Mpa Mpa Mpa Mpa m/s 鑄錫青銅 220 130 80 3 88.3 147 265 115 12 330 170 90 4 88.3 147 425 190 26 鑄錫青銅 鑄錫青銅 240 120 70 12 98.1 152 350 165 12 270 140 80 7 98.1 152 430 190 26 鑄鋁青銅 490 180 100 13 122.6 164 250 400 10 續(xù)表 3-7 蝸輪材料 力學(xué)性能 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) b S HB S 310E EZ limH limF maxfv Mpa Mpa % Mpa Mpa Mpa Mpa m/s 鑄鋁青銅 540 200 110 15 122.6 164 265 500 10 鑄鋁青銅 630 250 157 16 122.6 164 550 270 10 700 300 160 13 122.6 164 660 377 10 鑄鋁青銅 670 310 167 18 122.6 164 250 402 10 750 400 185 5 122.6 164 265 502 10 注：表中每項(xiàng)第一行為砂型鑄造，第二項(xiàng)為離心鑄造 接觸疲勞最小安全系數(shù)： 取 3.1min HS 中心距： 3 2l i mm i n2 )(HHhnEaSzzzzTka 代入數(shù)據(jù)得： mma 1.67 ， 取標(biāo)準(zhǔn)值 mma 80 蝸桿頭數(shù)： 71.17.16/)804.27(/)4.27(3 iaz， 取 23 z 蝸輪齒數(shù)： 4.3327.1632 ziz， 取 302 z 模數(shù)： 5.47.3/)7.14.1( 2 zam ， 取 4m 蝸桿分度圓直徑： 4.3168.0 875.03 ad， 取標(biāo)準(zhǔn)值 401 d 蝸輪分度圓直徑： mmmzd 1 2 030422 蝸桿導(dǎo)程角： 031.11tan 蝸輪寬度： mmmdmb 5.30)15.0(2 12 ， 取 mmb 322 蝸桿圓周速度： 91.2)100060/(333 ndv 蝸桿尺寸：齒頂圓直徑 mmmdda 48233 齒根圓直徑 mmhddff 4.3023 33 蝸桿螺紋長(zhǎng)度 mmzmb 5.441223 ， 取 mmb 453 蝸輪尺寸：齒頂圓直徑 mmmdhddaa 12822 2222 齒根圓直徑 mmmdhddff 4.1102.122 2222 3.3.3 強(qiáng)度校核 （ 1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 許用接觸應(yīng)力： M p aSzzHHhnH 1733.126516.074.0m i nm i n 最大接觸應(yīng)力： 13480 5 5 1 6 21.165.2147 33 2 HAEH M p aa Tkzz 滿(mǎn)足條件 （ 2）輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 齒根彎曲疲勞極限 MpaF 115lim 彎曲疲勞最小安全系數(shù) 4.1min FS 許用彎曲疲勞應(yīng)力 M paS FFF 82 m inlim 輪齒最大彎曲應(yīng)力 9.72222 FAF M p admb Tk 滿(mǎn)足條件。 3.3.4 蝸輪蝸桿傳動(dòng)中的作用力分析 在蝸桿傳動(dòng)中作用在齒面上的法向壓力仍可分解為圓周力、徑向力和軸向力。顯然， 作用于蝸桿上的軸向力等于蝸輪上的圓周力，蝸桿上的圓周力等于蝸輪上的軸向力；蝸桿上的徑向力則等于蝸輪上的徑向力。這些對(duì)應(yīng)的力的數(shù)值相等，方向彼此相反。如圖 3-5所示。 圖 3-5 蝸輪蝸桿受力圖 蝸輪上作用力 NdTFt 4.9191205516222222 NFFF tat 17811t a n4.919t a n221 NFF ttr 8.53030t a n4.919t a n22 3.3.5 實(shí)際傳動(dòng)動(dòng)力參數(shù) 由于蝸輪蝸桿各基本尺寸需圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，傳動(dòng)比最終確定為 152/30/ 12 ZZi 且蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率與估計(jì)值略有差別，因此，實(shí)際傳動(dòng)、動(dòng)力參數(shù)如下 ： （ 1）各軸實(shí)際轉(zhuǎn)矩： 螺母： 540591 TN mm 蝸輪：22 /54059 T=54059/0.98=55162 N mm 蝸桿： 435215845.0 55162)/( 323 iTT N mm 電機(jī)軸： 7.448599.098.0 4352)/( 423 TT d N mm （ 2）各軸實(shí)際轉(zhuǎn)速 蝸桿： 13903 nr/min 蝸輪： 7.9215/139032 inn r/min 螺母： 7.92321 innn r/min 螺桿： 5 5 6.00 0 6.07.9211 pnv m/min （ 3）電機(jī)實(shí)際功率 653.010009550 13907.4485 mdd nTP KWF，滿(mǎn)足條件，因此下端軸承選用 51111 型。 上端軸承受力比較小，因此只需考慮安裝問(wèn)題，結(jié)合自制螺母的直徑，選用 51108 型平面推力軸承。 （ 2）蝸桿軸承的選擇 根據(jù)蝸桿的受力圖可知，蝸桿牙部分除受徑向力外還受軸向力的作用，因此 選用軸承時(shí)考慮優(yōu)先選用能同時(shí)承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承，型號(hào)： 30205。 4.1.3 軸承校驗(yàn) （ 1）計(jì)算 圓錐滾子軸承壽命 F s 2F s 1F R 2F a 1F r 1F R 1 圖 4-1 蝸桿及軸承受力分析 已求得：蝸桿所受徑向力 NFr 8.5301 ,軸向力 NFa 4.9191 . 查手冊(cè) 30205 軸承主要性能參數(shù)： Cr=32.2KN，rC0=37KN，0N=7000r/min， e=0.37，Y=1.6，0Y=0.9， a=12.5 NFFF rRR 8.5 3 0121 NFFF rRR 4.26521 121 所以，附加軸向力 NYFF Rs 9.826.12 4.2652 11 ； NYFF Rs 9.826.12 4.2652 22 因?yàn)?1 ssa FFF ，所以，右端軸承被壓緊，則： 軸承軸向力 NFFsA 9.8211 , NFFFasA 3.10029.824.919112 eFFRA 31.04.2 6 5 9.8211，取 1X =1， 1Y =0； eFFRA 78.34.265 3.100222，取 2X =0.4， 2Y =0.4cot12.5 =1.8 考慮平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，沖擊載荷系數(shù)df=1, 當(dāng)量動(dòng)載荷1 1 1 11 ( ) 2 6 5 . 4d R AP f X F Y F N NFYFXfPARd 5.2016)(2 2222 因?yàn)?P1T1（ 54059 mmN ） （ 2）螺桿與聯(lián)軸器處鍵的選擇 參考輪轂及軸徑，選擇 hb 為 66 的鍵， 取鍵長(zhǎng) L=25mm； 許用轉(zhuǎn)矩 41 pdhlT = mmN 49875701925641T3(4352 mmN ) 合格 4.3 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 聯(lián)軸器是用于連接不同機(jī)構(gòu)中兩軸，使他們?cè)趥鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力過(guò)程中一起回轉(zhuǎn)而不 脫開(kāi)。聯(lián)軸器主要有機(jī)械式，液力式和電磁式三種。機(jī)械式連軸器是應(yīng)用最廣泛的連軸器，它借助于機(jī)械構(gòu)件相互間的機(jī)械作用力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。液力式好電磁式是借助于液力和電磁力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。 聯(lián)軸器廣泛用于船舶，機(jī)車(chē)，汽車(chē)，冶金礦山，石油化工，其重運(yùn)輸，紡織，輕工，農(nóng)業(yè)機(jī)械，印刷機(jī)械和泵，風(fēng)機(jī)，機(jī)床等各類(lèi)機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中。 聯(lián)軸器的種類(lèi)很多，按其性能分為： （ 1） 剛性聯(lián)軸器 1）套筒聯(lián)軸器 2）凸緣聯(lián)軸器 3）夾殼聯(lián)軸器 4）緊箍咒夾殼聯(lián)軸器 （ 2）撓性聯(lián)軸器 1）無(wú)彈性元件撓性聯(lián)軸器 2）非金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器 3） 金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器 聯(lián)軸器選擇應(yīng)考慮的問(wèn)題： 在深知所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工況及技術(shù)要求的情況下，選擇聯(lián)軸器應(yīng)考慮以下問(wèn)題：（ 1）所需傳遞轉(zhuǎn)矩大小、載荷性質(zhì)及產(chǎn)品對(duì)緩沖和減振方面的要求；（ 2）軸的轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大??；（ 3）兩軸對(duì)位移大小（徑向位移、軸向位移、角位移）；（ 4）聯(lián)軸器的制造、安裝、維修、成本。 在本設(shè)計(jì)中，選擇聯(lián)軸器的基本決定因素是聯(lián)軸器所受扭矩的大小。（也即電機(jī)軸的扭矩） 求得，電機(jī)軸的扭矩 mNmmNTd 5.47.4 4 8 5 由于聯(lián)軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，只需根據(jù)其所受最大扭矩及軸徑大小選 擇聯(lián)軸器，因此，綜合考慮，選擇 YL1 型凸緣聯(lián)軸器，其基本參數(shù)見(jiàn)表 4-2。 表 4-2YL1 型凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù) 公稱(chēng)扭矩 Tn mN 許用轉(zhuǎn)速 n r/min 軸孔直徑 mm L mm D mm D1 mm 螺栓 L0 mm 重量 kg 數(shù) 直徑 10 8100 19 30 71 53 3 M6 64 0.94 圖 4-2YL1 型凸緣聯(lián)軸器 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)所學(xué)知識(shí)的全面應(yīng)用和檢測(cè)，它 使我對(duì)產(chǎn)品的先期調(diào)研、設(shè)計(jì)方案的提出、到最終設(shè)計(jì)的完成有了比較理性的認(rèn)識(shí)，為以后的工作打下了基礎(chǔ)，積累了經(jīng)驗(yàn)。 本次設(shè)計(jì)的起升機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、動(dòng)力源廣泛、無(wú)噪音、安裝方便、使用靈活、功能多、配套形式多、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)?？梢詥闻_(tái)或組合使用，能大致控制調(diào)整提升的高度，可以用電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力直接帶動(dòng)，也可以手動(dòng)。比如說(shuō)如果用液壓馬達(dá)代替電動(dòng)機(jī)，則可以