轮辐磨边机传动与磨边装置设计论文-本科论文.doc

济南大学毕业设计

毕业设计

题 目 轮辐磨边机传动与磨边装置设计
学 院 机械工程学院
专 业 机械工程及其自动化
班 级 机升0901
学 生 刘庆斌
学 号 20090404039
指导教师 顾英妮

二 〇 一 一 年 五 月 二 十 日

26

济南大学毕业设计

1 前言
随着社会科技的进步和发展，人们的生活水平在提高，对衣食住行都有更高的需求，汽车作为更便捷的交通工具已经走进了人们的日常生活，买车同买房都成为现代社会个人成就的代名词，成为人们生活的一部分。尤其在中国，伴随着改革开放的发展，汽车的需求量和生产量都跃居世界第一位，成为当之无愧的第一汽车大国。由于众所周知的原因，汽车的性能和安全性日益成为关注的焦点，它关系到人民群众的出行安全和健康。
汽车是一个复杂的运行系统，它由各种各样的零部件组成，汽车运行系统的安全是由这些零部件的精确配合来保证的，也必然严格要求各种零件的精度标准。汽车轮辐作为汽车车轮不可或缺的一个零部件，它的使用关系到汽车的性能优劣，行驶安全。随着人们物质文化水平的提高，汽车的应用越来越广泛和普遍，汽车的保有量逐年增加，汽车生产的规模不断扩大，而汽车轮辐的用量也数量惊人，但是由于没有专门的生产设备，特别是轮辐磨边自动化程度低，一方面，限制了轮辐不能够实现大规模生产，另一方面，也不能够保证汽车轮辐的标准化和精度。
近年来出现了数起因货车车轮迸裂造成的事故 , 究其原因 ,一个很重要的方面就是因车轮辐板孔处发生裂纹并逐渐延伸 ,最终导致车轮迸裂。轮辐产生裂纹的主要原因是因为轮辐表面存在毛刺等生产缺陷，车轮在行驶过程中由于刹车的冷热变化产生热胀冷缩现象出现了应力疲劳，因此在轮辐的加工过程中需要对轮辐表面及轮辐孔进行打磨，去除毛刺或凹陷。毛刺的产生是因为凹凸模间隙配制困难是凸、凹模间隙不均匀，从而影响板料的冲裁效果。
目前国内对钢制车轮辐一般都是采用人工打磨的方法进行加工，加工费时费力，成产过程中存在由于人工的操作造成的缺陷，并对工人技巧要求较高。轮辐面的打磨要求对表面的毛刺及细微裂纹进行打磨修补，人肉眼很难发现细小的缺陷。[5]因此目前的加工过程存在一些的缺陷。
鉴于汽车轮辐在汽车中的重要作用，以及它的大规模需求不能够得到满足，在毕业设计中我选择了轮辐磨边机的研究设计。轮辐磨边机是一种新型专业机械，专门用于辐板式钢制车轮辐表面毛刺的打磨工艺。该机能够实现自动送料、自动磨削、自动卸料等工序，对轮辐磨削实现全程自动打磨，提高了轮辐打磨的效率节约生产成本。通过工件的进给实现磨轮对辐板异性面的打磨。使用数控技术实现对工件进给运动的控制和实时监测。设计内容包括整体机床结构的确定、传动部分的整体方案、零部件的结构设计、尺寸确定及主要零件的计算校核。
由于本人学习知识水平的有限，在设计方案中一定会有缺陷和不足，望各位老师、同学指正。

2 轮辐和磨边机的基本概念及相关标准
2.1 轮辐的相关知识
轮辐是汽车车轮的结构部件，承受汽车的全部重量。因此是影响汽车安全的安全的重要因素之一。车轮主要由轮辋和轮辐组成，轮辋已经实现标准化，需要设计一定的轮辐与之配合。
轮辐：车轮上连接轮辋和轮毂的部分。它是保护车辆车轮的轮圈、辐条的装置，其特征是一对圆形罩板，罩板的直径大小和轮圈的直径大小相接近，罩板的中央有大于车轮转动轴的孔，在罩板接近边缘的部分有孔口，罩板的边缘有环形轮板，轮板的曲面能与轮圈的曲面紧密贴合。一般的运动型车辆轮毂辐条数都为单数5、7等。

轮辐类型：星型轮辐、Y型轮辐、V型轮辐只是一个设计的问题 。在长期高速行驶的时候一般采用多幅的轮胎，可以提供良好的支撑，不至于在行驶时轮子产生较大的形变。换句话说轮幅越多越稳定，但是少幅的轮子也有其优势。至少在外观方面有独特的裸露感，一般在短距离技术跑道上使用有质量轻等特点。
钢制轮辐的制造工艺：用圆筒型坯料作板料，其工艺步骤包括圆筒型坯料备置；蒋圆筒形坯料在滚形机上滚成轴向对称的，两端直径大，中间凹槽直径小的杯型在制品；蒋杯形在制品从中间切断为两只相同的碗型在制品；在旋压机上将碗形在制品的底部旋压成形为平面，使整个工件成为碗形中间制品；冲中心工艺孔；旋压过渡曲线段和直线段；冲中心孔／螺栓孔、冲风孔；校平安装平面；车削加工中心孔／安装平面／外圆／端面和压字等工序。圆筒形坯料可以直接用钢管备制，也可以用钢带圈圆／焊接工艺备制。与传统制造工艺相对比，可以避免落料圆片形坯料四周的钢板成为费料，并减少预冲中心孔工序产生的废料，从而大大提高材料利用率。

图1 汽车轮辐实体

2.2 磨边机的相关知识
磨边机又称抛光技术, 是制造平坦而且加工变形层很小,没有擦痕的平面加工工艺。抛光不仅增加工件的美观, 而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械等领域应用广泛。抛光既可作为零件的最终工序, 也可用于镀膜前的表面预处理。抛光的质量对工件的使用性能有直接的影响。选择合适的抛光方法和抛光工艺是提高产品质量的重要手段。下面简要介绍各种抛光方法的原理、特点, 以便于选择使用。
磨边机分类：金属带磨边机，玻璃磨边机，石材磨边机等，瓷材磨边机等。
2.2.1金属带磨边机
主要功能：用于金属卷带双边角的磨削抛光加工。
适用材料：不锈钢、铜带铝带等金属卷板。
设备优点：具有粗磨、精磨、抛光一次完成的特点，适用于磨削不同尺寸和厚度的金属带的斜面，直边，配套装有磨轮和备用，该磨轮具有寿命长、成形规则、效率高等优点。
2.2.2玻璃磨边机
主要功能：用于玻璃边角的磨削抛光加工。
主要特点：可磨削各种圆边、直边、鸭嘴边等异型边型，且不受玻璃外型的长宽圆等尺寸大小的限制。
设备优点：集粗磨、精磨、抛光、倒角等工序一次加工而成，采用变频器调速，可调范围大，变速平稳；在磨削过程中可任意调节进料速度和进给量。还具有体积小、重量轻、携带方便、操作简单等优点.
2.2.3石材磨边机
主要功能：用于大理石，花岗石等磨削抛光加工。也可用于墓碑．台阶石等的研磨抛光加工
主要特点：采用变级调速电机，电机座盘，磨盘，磨盘、主轴，柔性橡胶联轴器组装在一起成为磨削头，扶手，环形杠杆、导向杆、导向套、配重及支点铰链组成一平衡杠杆式悬挂系统。磨削头安装在悬挂系统上，可使磨削头整体上下移动，磨盘和主轴之间采用特殊结构的橡胶联轴器，冷却系统为一环状水套。
设备优点：采用更换磨盘的方法可相继完成粗磨半细磨细磨抛光的全部作业。
2.2.4瓷材磨边机
主要功能：用于瓷砖进行磨边倒角。
主要特点：采用四组磨边、一组倒角设计而成。
设备优点：该机加工效果好，速度快、精度高，无大小头，更无波浪及崩边等缺陷.瓷砖加工厂设备：8-16头圆弧抛光机，瓷砖切割机。
用途：瓷砖加工厂、石材加工厂　
抛光方法有很多,各有其特点,应根据工件的材质、形状、尺寸及表面质量要求选择使用。实际应用时,可以采用一种方法嘟可以用两种或以上的方法组合，如，超声

波+化学方法，超声波+电化学方法等。另外，还要结合产品的批量与现有条件，在满足要求的情况下，尽可能地降低成本，以获得最大的经济效益。

图2 磨边机的实体

3 磨边机传动系统的设计方案

轮辐磨边机采用数控技术实现自动上料、自动加工、自动卸料等工序，实现对轮辐表面及风孔的全自动打磨。传动系统是磨边机的重要组成部分，是负责完成机械运动的中枢传动系统。由装夹装置和移动装置组成。通过工作台的移动与磨轮之间的配合完成对轮辐的各个位置的打磨。
3.1 传动系统的动作过程分析
轮辐表面由3部分组成：圆柱面部分、曲面部分以及平面部分。
圆柱面部分是焊接部分因此其表面不需要进行加工，故可以以此部分作为装夹面进行装夹。装夹机构采用四爪定心卡盘将轮辐固定在工作台平面。
曲面部分分布着风孔，风孔由冲压而成因此在风孔边缘容易形成毛刺或裂纹，因此需要对曲面部分及风孔内壁进行加工。对于表面加工根据轮辐曲面是回转面的特点，结合工作台的先后横移装置和磨具的进给运动完成打磨加工。
平面部分是螺钉的安装面，对起其作用表面也需要进行加工，需要由回转装置和进给装置共同完成。
根据以上分析传动系统应有装夹机构、横移机构两部分组成。
横移机构带动装夹机构和轮辐零件在工作平面内导轨上进行移动完成工件的进给运动。
3.1.1 装夹机构
装夹机构的功能是对轮辐进行固定保证其在加工过程中不会发生移动，使传动系统与磨边机配合顺利的完成打磨轮辐的工作。
装夹机构采用四抓自定心卡盘，当轮辐被机械手送料放置在横移机构上时，实现对轮辐的自动夹紧。

图3 四抓自定心卡盘实体

图4装夹机构的模型
3.1.2 横移机构
横移机构由机床床身、直线导轨以及一对齿轮齿条组成，通过步进电机带动支撑台沿直线导轨运动完成工件的进给动作。

图5横移机构模型
3.1.3 整体装配
通过组合2个功能模块，实现磨边机传动系统的整体设计，其三维实体装配模型 如图 6 所示。

4 磨边机的机构设计
由于本次设计的轮辐磨边系统是用于抛光钢制轮辐的外表面，而轮辐的形状较复杂，必须设计合适的磨具来适应轮辐的形状要求。根据上面关于磨边机的介绍，本次设计可选择超精研抛的方法进行设计。
设计内容包括三部分：底座设计；旋转机构设计，磨具设计。
4.1 底座设计
该结构由底座、电机、联轴器、丝杠和齿轮减速系统组成

图7 机座系统图
l 底座用材料HT200铸成，主要起支撑作用，用于安装；
l 电机采用步进电机110BF003型，采用直接调速电路；
l 丝杠与滑块采用螺纹连接，使滑块能上下往复运动；
l 齿轮减速系统由一组直齿轮和一组锥齿轮组合减速；
l 滑块用于与工作部分连接；
l 联轴器采用凸缘联轴器。

4.2 磨具设计
由于轮辐形状较复杂，因此必须专门设计，其形状如图所示。该形状的上平面用于研磨轮辐平面，弧面用于研磨轮辐的弧面。

图8 磨具模型

4.3 磨边机旋转机构设计

图9 旋转系统模型
把上面三个结构装配到轮辐传动系统上便构成轮辐磨边机。传动系统实现轮辐工件的装夹、固定，随着导轨的移动到达磨边系统的上方。当轮辐零件运动到磨边机上部时，磨具上升到达轮辐异性面，随着旋转机构的工作而打磨轮辐毛刺，完成工作任务。
其优点是结构简单，操作方便，获得的抛光精度高，使轮辐异性面磨削光滑。

图10 磨边机整体装配模型

5 磨边机系统的设计计算
本章将计算磨边机的最大磨削力，滚珠丝杠的选择、校和。进给箱传动比的计算。
5.1 磨边机加工中最大磨削力的计算
在计算过程中，采用经典磨削力公式：
Ft=Cf(ap)x(fa)y(vw)z (4-1)
式中Cf = 453；x = 0.90； y = 0.62；z = 0.76；切削深度ap一般取值为 0.005～
0.02mm，在这次计算中取值为 0.01mm；轴向进给速度 fa 的单位为 m/min；工作速度vw为 m/min。
此外，在磨削加工中，径向力Fn大于切向力Ft，通常根据经验参数可知Fn
一般为Ft的 2～4 倍，本文取 4 倍，即Fn = 4Ft
靠模加工过程中的的最大进给速度famax
加工过程中工件实际旋转一圈的时间固定为60s（加工经验获得），故的加工时间Tm为：

Tm=60/200=0.15（s）

另根据经验可知轮辐在上的变化不会大于10mm,因此假设在的最大工作量为10mm。故得出：
famax = (10/1000)/ （Tm /60 ）=4(m/min)
工件最大速度vwmax
自动加工中工件实际旋转一周的时间为60s，有因为工件最大加工直径为600mm，因此工件最大速度为：

vwmax= (π ×600/1000)/(60/60)=1.884(m/min)
最大磨削力矩
把上述结果带入磨削力计算公式中得出：

Ftmax=435 (0.01)0.90(4)0.62(1.884)0.76=26.35N
Fnmax=4 Ftmax=105.4N

得出最大磨削力矩

Mtmax=300*Ftmax/1000=7.91(Nm)
Mnmax=300*fnmax/1000=31.62（Nm）
Mmax= Mtmax+ Mnmax=39.53(Nm)

5.2 滚珠丝杠副的选择计算
丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变为旋转运动。有以传递能量为主的，也有以传递运动为主的，还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。
主要介绍磨边系统的设计计算，其包括滚珠丝杠副的选择计算，传动计算和零部件的选择并校核。

由于本次设计的是磨床，因此脉冲当量为0.002mm/步；根据设计经验确定轴上各力分别为Fz=2000N，Fx=1500N,Fy=1500N[1]。
1.计算Z轴方向的进给率引力Fm(N)
Z向进给为燕型导轨
（5-1）
=1.4×2000+0.2×（1500+2×1500+2000）
=3500N3
式中 K---考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕型导轨取K=1.4；
---滑动导轨摩檫系数为0.2；
G---溜板重力：G=800N。
2.计算最大动载荷C
（5-2）
（5-3）
（5-4）
式中，---滚珠丝杠导程，初选=6㎜
---最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（），
此处=0.06；

---使用寿命（按一年300天，每天8小时，一共10年算）；
---运转系数，按一般运转取=1.2~1.5；
---寿命，以转为1单位。

3.滚珠丝杠螺母副的选择
查阅机电专业课程设计指导书附录A表3，可采取W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为8800N，精度等级按表3—15选为3级。
4.传动效率计算
（5-5）
式中 λ—螺旋升角，W1L2005 λ=4°23′
—摩擦角取10′；滚动摩擦系数0.0030.004

5.刚度验算
丝杠最大牵引力为3500N，支撑间距L=400mm丝杠螺母及轴承进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。
(1)丝杠的拉伸或压缩变形量
查图3—6，根据=3500N,=20mm，查出可算出：
(mm) （5-6）
由于两端均采用滚动球轴承，且丝杠又进行预拉伸，故其拉压刚度可以提高四倍，其实际变形量
’= （5-7）
(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形
查图3—7，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量：

因进行了预紧，
（5-8）
(3)支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形
采用6004滚动球轴承，，滚动体直径，滚动体数量，
（5-9）
注意，此公式中单位应为
因施加预紧力，故
(5-10）
根据以上计算：
<定位精度 (5-11）
6.稳定性校核
滚珠丝杠两端不会产生失稳现象不需作稳定性校核
5.3 进给齿轮箱传动比的计算
以确定垂直方向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初步选不仅电动机步距角0.75度。可计算出传动比
（5-12）
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到垂直方向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：
（5-13）
可选直齿轮组为,;锥齿轮组为,
齿数

30
125
32
40
分度圆

60
250
96
120
齿宽

50
60
40
45
中心距
A=(d1+d2)/2
155

5.4 步电机的计算和选型
1等效转动惯量计算

传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量()可由下式计算：

（5-14）

（5-15）

式中 JM—步进电机转子转动惯量
J1、J2、J3、J4—各齿轮的转动惯量
—滚珠丝杠转动惯量
—各柱体的转动惯量
—各柱体的直径
—各柱体的长度
参考同类型机床，初选反应式步进电动110BF003，其转子转动惯量。

代入上式：

考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。

基本满足惯量匹配的要求。
2 电机力矩计算
机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：
（1）快速空载起动力矩M起
在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：

（5-16)

（5-17）
(5-18）

将前面数据代入，式中各符号意义同前。

起动加速时间

折算到电机轴上的摩擦力矩：

(5-19)
附加摩擦力矩

(5-20)
上述三项合计：

（2） 快速移动时所需力矩。
(5-21)
（3） 最大切削负载时所需力矩
(5-22)
上面计算可以看出，三种工况下，以快速空载起所需力矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。
从表3-22查出，当步进电机为三相六拍时

(5-23)

最大静力矩 (5-24)

按此最大静转矩从表3-23查出，110BF003型最大静转矩为7.84。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性。
3 计算步进电机空载起动频率和磨削时的工作频率
(5-25)

(5-26)

由此可看出110BF003型符合所需要求。
5.5 旋转部分的齿轮设计
在本次设计中，我们采取最为普通的渐开线齿轮传动。因为齿轮传动具有一下特点：
l 效率高 常用的机械传动中，齿轮传动的效率最高。一级圆柱齿轮的传 动效率高达99%。
l 结构紧凑 同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸较小。
l 工作可靠、寿命长。
l 传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。
因为设定的传动比为0.6，在正常工作情况下，输入功率为10kw，大齿轮转速为864r/min，小齿轮转速为1440r/min。工作寿命15年（每年工作300天），转向不变。
其设计过程如下：
1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数。
①　 选用直齿圆柱齿轮传动。
②　 因转速不高，选用7级精度(GB 10095-88)。
③　 材料选择。选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,小齿轮为45钢（调质），硬度为240HBS，二者硬度相差40HBS[16]。
④　 选小齿轮的齿数为Z1=60，大齿轮的齿数Z2=100。
2 按齿面接触强度设计
由设计计算公式计算，即

（5-27）

1）确定公式内的各计算值
①　 试选载荷系数Kt=1.3。
②　 计算齿轮传递的转矩。
③　
（5-28）

④　 选取齿宽系数=1。
⑤　 查得材料的弹性影响系数
⑥　 按齿面硬度查得主动齿轮的接触疲劳强度极限；从动齿轮的接触疲劳强度极限。
⑦　 计算应力循环次数。

=3.11 （5-29）

=1.87 （5-30）

⑧　 取接触疲劳寿命系数 ；。
⑨　 计算解除疲劳应力。
取失效概率为1%，安全系数S=1，由公式

=540(MPa) （5-31）

=522.5(MPa) （5-32）
2）计算
①　 试算小齿轮分度圆直径d1t，代入中较小的值。

（5-33）

②　 计算圆周速度v。

=4.60(m/s) （5-34）

③　 计算齿宽b。

=61.03(mm)

④　 计算齿宽与齿高之比。
模数=1.017 （5-35）

齿高h=2.25mt=2.25(mm)
26.67
⑤　 计算载荷系数。
根据v=4.60m/s，7级精度，查得动载系数=1.15；
直齿轮，；
查得使用系数=1；
插值法查得7级精度，齿轮相对支承对称布置时，。
又=26.67，1.318，查得；故载荷系数

=1.5157 （5-36）

⑥　 按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径，由公式得

=64.23(mm) （5-37）

⑦　 计算模数m。

=1.071 （5-38）

3 按齿根弯曲强度设计，由弯曲强度的设计公式为

（5-39）

1）确定公式内的各个计算数值。
①　 查得
；
。
②　 取弯曲疲劳寿命系数
。
③　 计算弯曲疲劳许用应力。
取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由公式

=303.57(MPa)
=238.86(MPa) （5-40）

④　 计算载荷系数K。

=1.3992 （5-41）

⑤　 查取齿形系数。
2.45，2.35
⑥　 查取应力校正系数。
查得
1.65，1.68。
⑦　 计算大小齿轮的并加以比较。
=0.01379
=0.01644
故从动轮的数值大。
2）设计计算
=0.9454mm)
取模数为m=0.9454，圆整为1.0mm。
(mm)
=61.03取Z1=62
=103.34取Z2=104。
这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。
4几何尺寸计算
1）计算分度圆直径

=62(mm)
=104(mm) （5-42）

2）计算中心距

=83(mm) （5-43）

3）计算齿轮宽度

=62(mm) （5-44）
取B1=65,B2=60
5.6 旋转机构电机的选择
已知条件：轴上功率W=10 kw；转速 n=1440(r/min );
根据公式 Pd= 得：
Pd===10.31(kw ) (5-45)
式中：Pd——工作机实际需要的电动机输出功率，kw
Pw——工作机所需输入功率，kw
——电动机至工作机之间传动装置的总效率。
经查机械手册指导：所需电动机型号Y160M-4(GB/T9616-1999)

5.7 导轨驱动电机的选择
导轨驱动电机需要带动整个机构实现横向的移动同时完成工件的进给工作，因此在启动时需要克服摩擦力，选取电机型号如下。

表5-3 电机性能
型号
步距角
相数
电压
电流
保持转 矩
相电感
转动惯量
启动频率
运行频率
130BYG4501
1.8
3
30-300
6 A
27
6.3
31.8
1200
18000

6 总 结
以上主要对轮辐磨边机的传动系统进行了研究。轮辐磨边机有两部分组成，一部分：轮辐传动系统，负责轮辐的装夹和固定，并将零件移动到磨边机一侧，。另一部分：磨边机系统，磨削轮辐异性面上的毛刺。两部分相互配合完成工作任务。对其工作台的装夹和横移机构进行了设计并对其部分零件的尺寸进行了确定校核。对传动系统的动作过程进行了分析阐述了各部分的具体设计，给出了磨边机的实际应用中出现问题的解决方法。对于传动部分的各电机进行了选型工作，与其他部分配合完成数控部分的工作。
伴随着我国经济快速发展的推进，人民生活水平的提高，居民购买汽车等交通工具迅速增加，汽车的需求的不断增加，整个汽车行业的飞速发展，必然要求生产汽车零部件的效率的大幅提高实现全自动化大规模生产。因此，研究新型自动化程度更高的轮辐磨边机，使其能够极大的提高轮辐生产效率，节约生产成本，提高我国的汽车行业的竞争力都有重大的意义。在未来市场中一定会有广阔的应用前景。
鉴于本人学习知识水品的有限，在设计过程中一定会有缺陷和不足，希望各位同学和老师指正。

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