機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)論文3

1、第1章數(shù)鈔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1電機(jī)選擇1.1.1電機(jī)類型的選擇電動機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，通過控制其電壓、電流、 頻率等。來實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復(fù)起動、停止的增量驅(qū)動以及復(fù)雜的驅(qū)動。 數(shù)鈔機(jī)構(gòu)中所用到控制電動機(jī)主要是指能提供回轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)。目前在驅(qū)動系統(tǒng) 中常用的驅(qū)動電機(jī)有異步電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等。所以我們對這 三種電機(jī)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了比較分析:1. 異步電機(jī) 它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每當(dāng) 輸入-個電脈沖吋，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分 別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在吋間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入 電脈沖

2、的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。其特點(diǎn)是工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的彩響；沒冇累積誤差;控制性能好, 在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”；但一般為開環(huán)控制，精度低；轉(zhuǎn)速較低且 效率較低。2. 直流伺服電機(jī) 直流電動機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。它冇著 很寬的功率調(diào)節(jié)范圍、適應(yīng)性強(qiáng)、具有很高的性價比。另外，它的啟動轉(zhuǎn)矩大， 過載能力強(qiáng)。適用范圍很廣，很多機(jī)器人都采用的直流電機(jī)。到目前為止，直流 電機(jī)仍是輸出功率最強(qiáng)勁的電機(jī)，數(shù)十年的研究使的直流電機(jī)變得更快、更強(qiáng)、 更高效，優(yōu)質(zhì)的直流電機(jī)效率可達(dá)90%。其特點(diǎn)是體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動

3、平滑， 力矩穩(wěn)定；控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電了換相方式靈活，可以方波換相或 正弦波換相；電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可 用于各種環(huán)境；其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，加上增量式編碼器反饋控制，可以實(shí)現(xiàn) 很高的控制精度。3. 交流伺服電機(jī) 交流伺服電動機(jī)包括同步型、感應(yīng)型兩種。在小功率伺 服系統(tǒng)中，一般使用永磁式同步電動機(jī)，因?yàn)樗袃?yōu)良的動態(tài)性能，過載能力大 等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)型交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，價格低，可用做主軸電機(jī)。 近年來交流駅動技術(shù)有了飛速的發(fā)展，由于它堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動態(tài)響應(yīng)好。 交流伺服系統(tǒng)已在很大程度上取代了直流伺服系統(tǒng)?？谇暗慕涣魉欧?qū)動裝置一

4、般采用dsp的全數(shù)字化控制。其特點(diǎn)結(jié)構(gòu)較簡單，體積較小，運(yùn)行可靠，使用維修方便；無電刷和換向器, 因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)耍求低；適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；價格高于直 流伺服電機(jī)。綜上，由于木次設(shè)計(jì)屮，要求功率小，轉(zhuǎn)速高，而且要求成木費(fèi)用比較低， 根據(jù)以上的分析，相比之下異步電機(jī)更加相對符合要求。1.1.2確定設(shè)計(jì)功率紙幣復(fù)點(diǎn)機(jī)的技術(shù)參數(shù)為100張紙幣4秒復(fù)點(diǎn)完畢，開機(jī)吋間為2秒，也就 是回轉(zhuǎn)體的加速時間為2秒，再2秒內(nèi)回轉(zhuǎn)體的速度達(dá)到最大值，回轉(zhuǎn)體的半徑 （r）、高度（h）、質(zhì)量（m）已知。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量（j）和轉(zhuǎn)動力矩（k）的關(guān) 系可算出回轉(zhuǎn)體功率p的值，然后根據(jù)工況系數(shù)和帶傳動的效率來近

5、似確定電機(jī) 的效率。己知參數(shù)如表31所示。表31計(jì)算已知參數(shù)半徑高度質(zhì)最轉(zhuǎn)速加速時間(r) mm(h) mm(m) g(n) r/s(t)sr=35h=23.5m=450n=5t=2轉(zhuǎn)動慣量j與回轉(zhuǎn)體的半徑（r）、質(zhì)量（m）與高度（h）所對應(yīng)的關(guān)系 為式3-1-1 ,轉(zhuǎn)動力矩k與轉(zhuǎn)動慣量j的關(guān)系為式3-1-4, q為角加速度，角加速度g又與角速度c有關(guān)，他們的關(guān)系為式3-1-3,角速度0與轉(zhuǎn)速n存在一 定的關(guān)系，關(guān)系為式3-1-2,這樣一來轉(zhuǎn)動力矩k為已知量，最后根據(jù)公式3-1-5,可計(jì)算得回轉(zhuǎn)體的實(shí)際功率p的值。計(jì)算過程如下。轉(zhuǎn)動慣量j與mj =12 v+ l2)= 158521.9 s-m

6、m2(3-1)角速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系co =n/r = 014(3-2)角加速度與角速度的關(guān)系a =3齊=0.07(3-3)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)系(3-4)/c = jx<z=158.6x10-6x0.07功率與轉(zhuǎn)動力矩的關(guān)系根據(jù)皮帶傳動的效率值和工況系數(shù)ka可以算得電機(jī)的額定輸出功率匕,p(l=kaxpm再根據(jù)額定功率、額定電壓及產(chǎn)品效率來確定屯機(jī)的基本型號。1.1.3具體型號選擇根據(jù)以上的計(jì)算得到了電機(jī)的基本參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)查表可得電機(jī)的型 號，選取的電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表31所示。表32界步電機(jī)技術(shù)參數(shù)品牌威特型號yn70-20/70jb20g額定功率20 (w)額定電壓24 (v)額定電

7、流0.95 (a)額定轉(zhuǎn)速3000 (rpm)額定轉(zhuǎn)矩800 (nm)產(chǎn)品認(rèn)證ccc效率83 (%)1.2皮帶傳動1.2.1帶型的選擇帶的選型：v型帶傳動是由一條截而為v型的環(huán)形皮帶和具冇相應(yīng)v型槽 的帶輪所組成，運(yùn)行時，帶與帶輪靠摩擦傳遞運(yùn)動和動力。帶傳動具有較為準(zhǔn)確 的傳動比，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，允 許線速度高，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，還適于多軸傳動，不需要潤滑，無污染， 因而可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場合卜止常工作。而且貝有耐屈撓 性好、仲長率低、高強(qiáng)力、耐熱、耐寒、耐老化、耐臭氧、抗龜裂的優(yōu)點(diǎn)。1.2.2帶輪的設(shè)計(jì)帶輪的設(shè)計(jì)的基本步驟如下所

8、示:首先根據(jù)電機(jī)的功率來確定帶輪的設(shè)計(jì)功 率，根據(jù)設(shè)計(jì)功率和小輪轉(zhuǎn)速來確定帶型，再由表查的小帶輪的直徑，根據(jù)帶輪 之間的傳動比來設(shè)計(jì)大帶輪的直徑，再計(jì)算帶速，確定屮心距，再根據(jù)計(jì)算基準(zhǔn) 長度來確定實(shí)際中心距，通過3.1電機(jī)的選擇我們確定了電機(jī)的額定功率耳與額定轉(zhuǎn)速m通過這兩個已知條件和工況系數(shù)心由表3-3選取，我們可以由公式化 計(jì)算出計(jì)算功率馬。再根據(jù)馬和n參照表34選取帶型，由表選取選取小帶輪直徑d,傳動比i=n/n因?yàn)閚、n都為已知所以i可求。大帶輪直徑d = ixd2.表3-3普通v帶工況系數(shù)ka選取普通v 帶1】況ka空、輕載啟動重載啟動每天工作小時數(shù)/h<1010-16

9、7;16<1010-16' 16載 荷變動 最小液體攪 拌機(jī)、 通風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng) 機(jī)1.01.11.21.11.21.3載 荷變動 小帶式輸 送機(jī)、 發(fā)電機(jī) 和金屬 切削機(jī)1.11.21.31.21.31.4載 荷變動 較大斗式提升 機(jī)、往 復(fù)式水 泵1.21.31.41.41.51.6載 荷變動 很大破 碎機(jī)、 磨碎機(jī)1.31.41.51.51.61.8表3-4帶型的選取類型傳動比帶速力j傳動效率x特點(diǎn)與應(yīng)用普通v帶20-30最佳20帶兩側(cè)少輪槽附著較好， 摩擦因數(shù)較大，允許包角 小，傳動比較人，中心距較小，預(yù)緊力較小窄v帶< 10最佳20-25極限40-5085-95帶定呈

10、弓形，兩側(cè)呈內(nèi)凹 形，與輪槽接觸面積增 大，柔性增加，強(qiáng)力層上 移，受力仍保持整齊排列帶輪的整體設(shè)計(jì)計(jì)算過程如表3-5所示。表3-5帶輪的設(shè)計(jì)過程計(jì)算項(xiàng)冃單位公式及數(shù)據(jù)結(jié)杲設(shè)計(jì)功率巳wpd-kaxpmpd =27.5帶型根據(jù)爲(wèi)和n由圖3-3-2選取傳動比i心i=5小帶輪棊準(zhǔn) 直徑dmm由表3-23選取d=20大帶倫基準(zhǔn) 直徑dmmd = dxid=98帶速vm/sv =叫<v 60x1000 max% =25-30v=0.03初定中心距mm07(d“ +d“2) 2(d| +d2)0=150基準(zhǔn)長度仃0mmso - 2a<)+ (ddi + "2)+a5 -486實(shí)際中心

11、距ainmj - t06/。+ 5o2a =b2小帶輪包角e表35（續(xù)）帶倫的設(shè)計(jì)過程q =180。一 如二1x57.3° 0=141 a1單根v帶額定功率片w根據(jù)帶型、®照表3-2-4選取片=160i h 1時單 根帶額定功率增量vv根據(jù)帶型、®照表3-2-4選取紹=50v帶根數(shù)zz =匕+ apjkvk lz=1單根皆陥初張緊力血nfo= 500(2,5 1) pd +mv2 k°2vf。=41.4作用在軸 .1：的力n臨貯3亦礙九廣1171.3內(nèi)嚙合齒輪傳動為滿足設(shè)計(jì)需求，在回轉(zhuǎn)體與吸鈔桿的傳動中選擇內(nèi)嚙合齒輪傳動，這樣一 來就可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體逆時針

12、公轉(zhuǎn)而吸鈔桿順時針自轉(zhuǎn)的耍求。但內(nèi)嚙合齒輪的設(shè) 計(jì)比較繁瑣，本科范圍內(nèi)接觸較少，這里只做粗略簡單的設(shè)計(jì)工作。圖31為內(nèi) 嚙合齒輪的結(jié)構(gòu)圖?，F(xiàn)已知的技術(shù)參數(shù)有大齒輪的轉(zhuǎn)動速度®，它和回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動速度是相同 的，小齒輪的轉(zhuǎn)動速度可求2 = 3® ,功率p已知。初始設(shè)計(jì)參數(shù)rn=300 (r/min) n2=900 (r/min) p=20 x(l + 15%) kw = 23(kw)原動機(jī)載荷特性 sf=均勻平穩(wěn)；工 作機(jī)載荷特性wf=輕微振動。設(shè)計(jì)過程如下。1.3.1材料選擇大齒輪：鋁合金，材料名稱zalsil2culmgl ,合金代號zl108,標(biāo)準(zhǔn) gb/t1173-19

13、95特性及適用范圍：可熱處理強(qiáng)化，具有較高的室溫和高溫力學(xué)性 能，該合金密度下，熱脹系數(shù)低，耐熱性好。其鑄造性能優(yōu)良，無熱裂傾向，氣 密性高，線收縮小，但有較大的吸氣傾向，切削加工性較弟，需要變質(zhì)處理。 化學(xué)成分:硅11-13銅1-2猛0.3-0.9鎂0.4-1.0鋁 余量0-0.7 力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度=255mpa碩度=90 (5、250、30) hb小齒輪 尼龍1010,是我國獨(dú)創(chuàng)的一種新型聚酰胺品種，它具有較好的減 摩、耐磨和自潤滑性，11抗霉、抗菌、無毒、半透明，吸水性較其他尼龍品種小, 有較好的剛性、力學(xué)性能和介電穩(wěn)定性，耐寒性也很好，可在-60£到80°c長期

14、使用，作為零件冇較好的吸音性，運(yùn)轉(zhuǎn)時噪聲??；耐油性良好，能耐弱酸，耐堿 及醇類溶劑，但不耐苯酚、濃硫酸及低分子有機(jī)酸的腐蝕。尼龍是一種新型材料是美國杰出的科學(xué)家卡羅瑟斯(carothers)及其領(lǐng)導(dǎo)下 的一個科研小組研制出來的，是世界上出現(xiàn)的第一種合成纖維。尼龍的出現(xiàn)使紡 織品的面貌煥然一新，它的合成是合成纖維工業(yè)的重大突破，同時也是高分了化 學(xué)的一個重要里程碑。尼龍材料的性能參數(shù)表3-6示。表3-6尼龍材料的基本性能參數(shù)項(xiàng)目尼龍1010尼龍66玻纖增強(qiáng)尼龍6密度1.04-1.051.10-1,141.30-1.40抗拉屈服強(qiáng)度49-5959-79118斷裂強(qiáng)度41-49相對伸長率160-32

15、0拉伸彈性模量08x104-0.22x104抗彎強(qiáng)度67-8098-118196表3-6 (續(xù))尼龍材料的基本性能參數(shù)彎曲彈性模量0.11x104-0.14x1040.2x104-0.3x104抗斥強(qiáng)度470-57079137抗剪強(qiáng)度400-420一布氏硬度7.3-s.51012沖擊韌度（缺口）15-25915沖擊韌度（無缺口）不斷50-10050-80按mq級質(zhì)量耍求，查圖32和圖33得人小齒輪的齒面接觸疲勞極限ohiim、 齒根彎曲疲勞極限 ofiim 及基木值 ofe 為：° hiimi= 1180n/mm2 o hiim2=1200 n/mm2 o 卜iimi=360 n/m

16、m2。fiim2=370 n/mm2。ppi =700 n/mm2 o ff2=720 n/mm21111me二mq1 lhrc|6065teen 二00000 02 0 0 0i i 8 6o o2o6()o o500o o200rl,三三乙=亠匕telum三三s000000 mei一 mqlkmlirc*50556065o o9006vh000(5o>(圖32齒根彎曲疲勞極限圖3-3齒面接觸疲勞極限(3-7)(3-6)132初選主要參數(shù)因?yàn)槭谴T齒面齒輪，所以優(yōu)先考慮齒根彎曲強(qiáng)度。用下面的人字齒輪簡化 設(shè)計(jì)計(jì)算公式以齒根彎曲強(qiáng)度初步確定模數(shù)：2 ktbdse式小參數(shù)：大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩t

17、t = 9549 = 9549 x n m = 63603n- m n,1485載荷系數(shù)k考慮到齒輪對稱軸承分布、傳遞功率較大、原動機(jī)為電動機(jī)等因素,取 k=1.4o大齒輪齒數(shù)z1根據(jù)高速齒輪傳動推薦的模數(shù)和齒數(shù)范圍表3-7所示。表37模數(shù)齒數(shù)范圍表傳遞功率/kw模數(shù)/mm推薦齒數(shù)<3 00016般zi>28,透平齒輪乙>30c應(yīng)盡量使zi和z2互為質(zhì)數(shù)3 0006 000576 00010 000610初步設(shè)定小齒輪齒數(shù)為z2=32,所以人齒輪齒數(shù)為n.z = z2 xn= 32x222300=96(3-8)取整并考慮到盡量使得zi、z2互為質(zhì)數(shù)，?。簔尸96復(fù)合齒形系數(shù)

18、yfs：根據(jù)色=20。、hap/mn = 1. hfp/mn=1.25> zvl= 183.23 .等條件,查得yfsi=3.95o齒寬系數(shù)血取值：血=25大齒輪許用彎曲應(yīng)力b”：設(shè)抗彎強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)sfmin=1.4, wij大齒輪許用彎曲應(yīng)力簡化計(jì)算值為(3-9)將以上參數(shù)代入式得(3-10)2 ktbd8f中心距d為(3-h)加(©-5)1x(96-32)“a =mm = 32mm2 2?。簃 = mm 標(biāo)準(zhǔn)中心距：a = 32mm1.3.3校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸應(yīng)力：% =zhzez率脣罟ke怎式屮參數(shù)：使用系數(shù)心考慮到原動機(jī)是電機(jī)（均勻平穩(wěn)），工作機(jī)是風(fēng)

19、機(jī)（輕微震動）,故而查表得ka=125 齒數(shù)比:動載系數(shù)心=1 +(3-12)其屮加 1% xllo3.882x1485v = =m!s = 85.ems （3-13）60x100060x1000根據(jù)齒輪的圓周速度，參考本增速器的用途，查表選擇齒輪的精度等級為:5-5-5 gb10095-1988o 并因此查得系數(shù) ki=6.7, k2=0.0087o將相關(guān)的參數(shù)值代入動載系數(shù)ky的計(jì)算式得:= 1 +6.71152391.25x +0.0087200119x85.8 0.2772100v1 + 0.2772= 1.544(3-14)2+ 02x10'3z? = 13=1.1 + 0齒

20、向載荷分布系數(shù)查表得(3-15)徑向載荷分布系數(shù)kha :按照 kaft/b = 1.25x115239/200n/mm2 = 720/v/mm2 查表 3-8 得：表3-8齒間載荷分配系數(shù)klia kfa7> ioo(n /mm)< 100(7v/ mm)精度等級li組567895級以下經(jīng)表面硬化的直齒輪51.01.11.2k肱經(jīng)表面硬化的斜齒輪51.01.11.21.4%os2a-k4kfa根據(jù)大小齒輪的材料，查表3-9得材料彈性系數(shù)ze=s9.n/mm2表3-9材料彈性系數(shù)ze小齒輪材料大齒輪材料鋼鑄鋼球墨鑄鐵鑄鐵錫青銅鑄錫青銅織物層壓塑料鋼189.8188.9181.416

21、2.0159.8155.056.4鑄鋼188.0180.5161.4球墨鑄鐵173.9156.6鑄鐵143.7計(jì)算安全系數(shù):場呂込zl式中，壽命系數(shù)：先計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n = 60n2kt = 60x5390x1x10000 = 3.23x10°根據(jù)算得的m、n2值，查得接觸強(qiáng)度的計(jì)算壽命系數(shù)為(3-16)(3-17)nt=0.92、znt2 = 0.88。潤滑油膜影響系數(shù)乙眛按照心85.跖/$、碩齒而、5級精度，查圖34得z軻=0.98。nun 2s i10020030040050()圖3-4軟齒而齒倫的乙必工作硬化系數(shù)zw =l.2-bs 13° = 1.141700(

22、3-18)接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)zx：查圖35得：zx = 0.97wn/mmn、= 60nrt = 60x1485x1 x 10000 = 8.91x10s3調(diào)制鋼、正火鋼疲勞強(qiáng)度；i掙強(qiáng)度所冇材料b短時間液體或氣體氮化長吋間氣體氮化鋼c滲碳淬火、感應(yīng)或火焰淬火表面碩度剛圖3-5接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)zx將以上數(shù)值代入安全系數(shù)的計(jì)算公式得:b刃 hml zg zu/* zx%b/7 limllvrwx1180x0.92x0.98x14x0.97736.56= 1.59712ooxo.88xo.98xl14xo.9773656= 1.554(3-19)(3-20)查表，選較高可靠度，取5wmin=1.3ossn，故安全。1.3.4校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算應(yīng)力為：= kakvkr.krdyfsy.式中，為了 bmn安全考慮，彎曲強(qiáng)度計(jì)算的載荷分布系數(shù)：k“ = k“=1.13,載荷分配系數(shù)k f6 k ha = 1 0復(fù)合齒形系數(shù) yfs：根據(jù) =20。、/叫=1、hfp/叫=1.25、zvl =185.86 >zv2= 51.54 等條件,查得 yfsi=3.95、yfs2=3.98o彎曲強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)丫加 按 =1.45、0=30。24,