插床的设计与分析.doc

机械设计课程设计
计算说明书

设计题目： 插床的设计与分析

12机械 专业 10 班
设计者： 孙占成
指导教师： 田静宜老师
2023 年 6 月 26 日

华北理工大学轻工学院

目录
机械原理 插床机构设计部分
一、插床机构设计规定 - - - - - - - - - - - - - - - - - 2
1.插床机构简介 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2
2.设计内容 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2
二、插床机构的设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
连杆机构的设计及运动分析 - - - - - - - - - - - - - 3
三、飞轮设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5
四、凸轮机构设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5
机械设计 二级减速器设计部分
一、目的及规定 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7
二、减速器结构分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8
三、传动装置的总体设计 - - - - - - - - - - - - - - - - 9
（一）选择电动机 - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
（二）传动比分派 - - - - - - - - - - - - - - - - - 10
（三）运动和动力参数分析计算 - - - - - - - - - - - 10
1.计算各轴转速 - - - - - - - - - - - - - - - - 10
2.计算各轴输入功率 - - - - - - - - - - - - - - 10
3.计算各轴输入转矩 - - - - - - - - - - - - - - 11
四、传动件的设计计算 - - - - - - - - - - - - - - - - 11
（一）带传动的设计 - - - - - - - - - - - - - - - - 11
（二）高速轴齿轮的设计与校核 - - - - - - - - - - - 13
（三）低速轴齿轮的设计与校核 - - - - - - - - - - - 17
（四）联轴器的选择 - - - - - - - - - - - - - - - - 21
（五）轴的设计与校核 - - - - - - - - - - - - - - - 21
1.齿轮轴的设计 - - - - - - - - - - - - - - - 21
2.中间轴的设计 - - - - - - - - - - - - - - - 22
3.低速轴的设计与校核 - - - - - - - - - - - - 22
（六）键的校核 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25
（七）轴承的校核 - - - - - - - - - - - - - - - - - 27
五、润滑密封设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28
六、减速器箱体结构尺寸表 - - - - - - - - - - - - - - 29
七、重要参考文献 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 30

计 算 及 说 明
重要结果
机械原理 插床机构设计部分
一、插床机构设计规定
1.插床机构简介
图9—6所示为插床机构简图。插床是用插刀加工工件表面的机床。常用于加工键槽，加工时，插刀往复运动为主运动，工件的间歇移动或间歇转动为进给运动，直线运动(纵、横向)和圆周运动的工作台不允许三项同时进行。设计规定：原动机采用一台电机，执行机构涉及插削机构及进给机构，插削机构实现插削加工，进给机构实现工件的进给动作，这两个机构规定运动协调。

2.设计内容：
（1）机构的设计及运动分折
已知：设计参数见表1, lBC=(0.5～0.6)lBO1 ,电动机轴与曲柄轴O2平行，导杆机构的最小传动角不得小于60°。规定：
1）采用图解法或解析法设计平面连杆机构各构件尺寸，作机构运动简图；
2）按给定位置对机构进行运动分析，作机构的速度和加速度多边形；
3）作滑块的运动线图（s-j，v-j，a-j画在一个坐标系中）。
2、给出实现插削规定的执行机构的其他运动方案简图，并进行对比分析。

（2）给出实现插削规定的执行机构的其他运动方案简图，并进行对比分析。
（3）导杆机构的动态静力分析。
已知：滑块所受工作阻力见图1所示，结合连杆机构设计和运动分析所得的结果。规定：1）按给定位置拟定机构各运动副中的反力；
2）拟定加于曲柄上的平衡力矩Mb，在坐标纸上作出平衡力矩曲线Mb-j。
（4）飞轮设计
已知：机器运转的许用速度不均匀系数［δ］=0.03，力分析所得平衡力矩Mb ，驱动力矩Med为常数，飞轮安装在曲柄轴O2上。规定：拟定所需飞轮的转动惯量JF。
（5） 凸轮机构设计
已知：凸轮与曲柄共轴，设计数据见表1。摆动从动件8的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。规定：
1）按许用压力角［α］拟定凸轮机构的基本尺寸（基圆半径ro、机架lo2o8和滚子半径rr）。
2）绘制凸轮实际廓线。
二、插床机构的设计
连杆机构的设计及运动分析
根据行程速比系数求极位夹角

得

机架

得

摆杆长度

得

连杆

得

为满足最小压力角，到倒杆的距离

（1）机构运动简图：
（2）机构运动速度分析：
（3）机构运动加速度分析：
（4）机构动态静力分析
以上三步已作于A3图纸上。
（5）绘制滑块位移、速度、加速度曲线
（6）绘制力矩图

四、凸轮机构设计
1.基本参数
a=162mm

2.位移的计算
取5o为一个分段，分别计算推程和回程的位移
（1） 推程等加速段
由公式得

0o
5o
10o
15o
20o
25o

0o
0.278o
1.11o
2. 5o
4.45o
6.94 o

30o

10 o

推程等减速段
由公式得

35o
40o
45o
50o
55o
60o

13.05o
15.56o
17.5o
18.89o
19.72o
20 o

a=162mm
mm

2）回程等加速段
由公式得

0o
5o
10o
15o
20o
25o

20o
19.72o
18.89o
17.5o
15.56o
13.05 o

30o

10 o

回程等减速段
由公式得

35o
40o
45o
50o
55o
60o

6.94o
4.45o
2.5o
1.11o
0.278o
0 o
凸轮轮廓如下：

机械设计 二级减速器设计部分
一．目的及规定
（一）课程设计的目的
1、通过机械设计课程设计，综合运用机械设计课程和其它有关选修课程的理论和生产实际知识去分析和解决机械设计问题，并使所学知识得到进一步地巩固、深化和发展。
2、学习机械设计的一般方法。通过设计培养对的的设计思想和分析问题、解决问题的能力。
3、进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范。
（二）任务
1.电机选型设计
若传动系统方案采用图2方案，则考虑零件传动效率，根据计算的平衡力矩，拟定电机型号（参见《机械设计课程设计指导书》附录），无特殊需要，可选用Y系列三相交流异步电动机，规定：给定电机的额定功率和满载转速。
2.传动装置设计计算（参见《机械设计课程设计指导书》）
根据切削次数规定以及电机额定参数，设计V带传动和二级圆柱齿轮减速器。规定：
1）V带传动设计计算。
2）二级圆柱齿轮减速器设计计算（涉及齿轮传动设计及工作能力校核，轴的结构设计及工作能力校核，轴承选型设计及寿命计算，平键连接选型设计计算）；绘制一对齿轮传动的啮合图。
3）联轴器选型设计。
4）绘制二级圆柱齿轮减速器装配图（0号图纸）和关键零部件零件图。
3.编写设计说明书一份。应涉及综合设计任务书、设计参数数据、设计计算过程等。
二．减速器结构分析
（一）分析传动系统的工作情况
1、传动系统的作用：
作用：介于机械中原动机与工作机之间，重要将原动机的运动和动力传给工作机，在此起减速作用，并协调两者的转速和转矩。
2、传动方案的特点：
特点：结构简朴、效率高、容易制造、使用寿命长、维护方便。由于电动机、减速器与滚筒并列，导致横向尺寸较大，机器不紧凑。但齿轮的位置不对称，高速级齿轮布置在远离转矩输入端，可使轴在转矩作用下产生的扭转变形和轴在弯矩作用下产生的弯曲变形部分地抵消，以减缓沿齿宽载荷分布有均匀的现象。
3、电机和工作机的安装位置：
电机安装在远离高速轴齿轮的一端；
工作机安装在远离低速轴齿轮的一段。
初步拟定传动系统总体方案如:传动装置总体设计图所示。
三．传动装置的总体设计
（一）、选择电动机
1、选择电动机系列
按工作规定及工作条件，选用Y系列三相交流异步电动机。
2、选电动机功率
（1）、工作机所需输入功率

（2）、电机的实际输出功率

3、拟定电动机转速
所选电动机的额定功率应等于或稍大于电动机的实际输出功率，即，电动机的可选转速范围
选取电动机的型号为Y90L-4，机座中心高H=90mm，额定功率，满载转速为1400r/min，轴伸长E=50mm，伸出端直径D=48mm，具体参数见表19-3.
（二）、传动比分派
总传动比
取 ，
则
高速级齿轮传动比为
则低速级齿轮传动比为
（三）、运动和动力参数分析计算
1.计算各轴转速

2.计算各轴输入功率

3.计算各轴输入转矩

四．传动件的设计计算
（一）.带传动的设计计算
1.拟定V带截型
工作情况系数
两班倒天天工作16小时，软启动，载荷变化较小，由机械设计教材表
7-7得

计算功率
V带截型 根据和，由图7-12 选取Z型V带
2、拟定V带轮基准直径
小带轮基准直径 由图7-12及表7-4 选取
大带轮基准直径
由表7-5知，带轮基准直径中恰有此值，取
验算带速
3.拟定中心距及V带基准长度
初定中心距

计算V带基准长度
V带基准长度 由表7-2选取
实际中心距 拟将带传动设计成中心距可调的及结构，采用近似计算

验算小带轮包角
4.拟定V带根数
单根V带基本额定功率 由表7-6
单根V带额定功率增量 由表7-8
小带轮包角修正系数 由表7-9线性插值求得
带长修正系数 由表7-2
V带根数

取
5.计算初拉力
V带单位长度质量 由表7-1
单根V带的初拉力

作用在轴上的载荷

(二)高速轴齿轮的设计与校核
1.选择齿轮材料并拟定初步参数
（1）选择齿轮材料及其热解决 由表8-1选取
小齿轮：40Cr，调制解决，齿面硬度为260HBW
大齿轮：45钢，调制解决，齿面硬度为230HBW
（2）初选齿轮 选取小齿轮齿数
则大齿轮齿数
（3）选择齿宽系数螺旋角和传动精度等级
初估小齿轮直径
照表8-8选取齿宽系数

齿轮圆周速度
参照表8-9，齿轮精度选为8级
（4）计算许用接触应力
1）计算两齿轮许用循环次数N1，N2

2）寿命系数 由图8-24得：（不允许有一定量点蚀）
3） 接触疲劳极限
由图8-20a，查MQ线得=720MPa =580MPa
4）安全系数 参照表8-11，取=1
5）许用接触应力[]，根据式8-14得

小齿轮40Cr调制
小齿轮45钢调制

齿轮精度8级

2.按齿面接触疲劳强度设计齿轮的重要参数
（1）拟定各相关的参数值
1）计算小齿轮的转矩

2)拟定载荷系数K
使用系数 按电动机驱动，轻微冲击，查表8-4取=1.25
动载系数 按8级精度和速度，查图8-11，取=1.1
齿间载荷分派系数

由表8-5，取
齿向载荷分派系数 由图8-14a，取=1.07
载荷系数
3）拟定弹性系数 由表8-6得
4）拟定节点区域系数 由图8-16得=2.5
5）拟定重合度系数 由式8-8计算得
重合度

重合度系数

=2.5

（2）求所需小齿轮直径,由式8-21得

与初估大小基本相符
（3） 拟定模数，中心距a等重要几何参数
1）模数

由表8-7取标准模数 =1.75
2）中心距
，取=100mm，
3） 螺旋角

4）分度圆直径

5）拟定齿宽b
大齿轮齿宽 小齿轮齿宽
3.齿根弯曲疲劳强度校核
(1)计算许用弯曲应力
1）寿命系数 由图8-29取
2)极限应力 由图8-25a取

=100mm

3）尺寸系数 由图8-30取
4）安全系数 参照表8-11，取=1.6
5）计算许用弯曲应力 由式8-16得

（2）计算齿根弯曲应力
1）齿形系数
当量齿数

由图8-18取

2）应力修正系数 由图8-19取
3）重合度系数

由式8-28
由式8-27

5）齿根弯曲应力 由式8-25得

结论：齿根弯曲疲劳强度足够

（三）低速轴齿轮的设计与校核
1.选择齿轮材料并拟定初步参数
（1）选择齿轮材料及其热解决 由表8-1选取
小齿轮：40Cr，调制解决，齿面硬度为260HBW
大齿轮：45钢，调制解决，齿面硬度为230HBW
（2）初选齿轮 选取小齿轮齿数
则大齿轮齿数
（3）选择齿宽系数螺旋角和传动精度等级
初估小齿轮直径，照表8-8选取齿宽系数 =15
齿轮圆周速度
参照表8-9，齿轮精度选为8级
（4）计算许用接触应力
1）计算两齿轮许用循环次数N1，N2

2）寿命系数 由图8-24得：（不允许有一定量点蚀）
3） 接触疲劳极限
由图8-20a，查MQ线得=720MPa =580MPa
4）安全系数 参照表8-11，取=1.25
5）许用接触应力[]，根据式8-14得

小齿轮40Cr调制
小齿轮45钢调制

=15
齿轮精度8级

2.按齿面接触疲劳强度设计齿轮的重要参数
（1）拟定各相关的参数值
1）计算小齿轮的转矩T2

2)拟定载荷系数K
使用系数 按电动机驱动，轻微冲击，查表8-4取=1.25
动载系数 按8级精度和速度，查图8-11，取=1.06
齿间载荷分派系数

由表8-5，取
齿向载荷分派系数 由图8-14a，取=1.07
载荷系数
3）拟定弹性系数 由表8-6得
4）拟定节点区域系数 由图8-16得=2.5
5）拟定重合度系数 由式8-8计算得
重合度

重合度系数

6) 螺旋角系数

=2.5

（2）求所需小齿轮直径,由式8-21得

与初估大小基本相符
（3）拟定模数，中心距a等重要几何参数
1）模数
由表8-7取标准模数 =1.75
2）中心距
，取=115mm
3）螺旋角

4）分度圆直径

5）拟定齿宽b
大齿轮齿宽 小齿轮齿宽
3.齿根弯曲疲劳强度校核
(1)计算许用弯曲应力
1）寿命系数 由图8-29取
2)极限应力 由图8-25a取
3）尺寸系数 由图8-30取
4）安全系数 参照表8-11，取=1.6

=115mm

5）计算许用弯曲应力 由式8-16得

（2）计算齿根弯曲应力
1）齿形系数
当量齿数

由图8-18取
2）应力修正系数 由图8-19取
3）重合度系数

4）螺旋角系数
5）齿根弯曲应力 由式8-9得

结论：齿根弯曲疲劳强度足够

（四）联轴器的选择
初估低速轴的最小直径
低速轴的材料为45钢，C值根据课程设计指导书表3-1选取
有键槽轴径加大4%，，取
根据表17-2，选择HL2型弹性柱销联轴器
（五）轴的设计与校核
1.齿轮轴的设计
初估齿轮轴受扭段的最小轴径
齿轮轴的材料为40Cr，C值根据课程设计指导书表3-1选取
mm
有键槽轴径加大4%，，取
，取
，取
根据齿轮分度圆的大小，选取齿轮轴段的直径
轴径拟定后，初定轴承型号，采用角接触球轴承，型号为7204,从而查得轴承宽度B1=14。根据箱体的尺寸，拟定各轴段的长度。L1=64mm L2=50mm L3=28mm
L4=75mm L5=45mm L6=35mm

B1=14

2.中间轴的设计
初估齿轮轴受扭段的最小轴径
齿轮轴的材料为45钢，C值根据课程设计指导书表3-1选取
mm 取
，取
，取
，取
轴径拟定后，初定轴承型号，采用角接触球轴承，型号为7205,从而查得轴承宽度B2=15mm
根据箱体的尺寸，拟定各轴段的长度。
L1=39mm L2=66mm L3=8mm
L4=58mm L5=37mm
3.低速轴的设计与校核
（1）低速轴的设计
根据联轴器的型号，拟定
，取
取
轴径拟定后，初定轴承型号，采用角接触球轴承，型号为7208,从而查得轴承宽度B3=18mm

B2=15mm

B3=18mm

轴径拟定后，初定轴承型号，采用角接触球轴承，型号为7208,从而查得轴承宽度B3=18mm
根据箱体的尺寸，拟定各轴段的长度。
L1=60mm L2=40mm L3=40.5mm
L4=49mm L5=58mm L6=40.5mm
（2）低速轴的校核

（六）键的校核
对低速轴上的键进行校核
1.齿轮处键的校核
1）选择键的类型为A型普通平键
2）拟定键的尺寸 由表5-1查得：键宽b=12mm，键高h=9mm，
键长L=50mm
3）校核挤压强度 由表5-2查得，许用挤压应力
转矩T3=250530 N.mm
键工作长度 l=L-b=38mm
键与键槽的工作高度 k=h/2=4.5mm
挤压应力 由式5-1得

结论：键连接满足强度规定
2.联轴器处键的校核
1）选择键的类型为A型普通平键
2）拟定键的尺寸 由表5-1查得：键宽b=8mm，键高h=7mm，
键长L=56mm
3）校核挤压强度 由表5-2查得，许用挤压应力
转矩T3=250530 N.mm
键工作长度 l=L-b=48mm
键与键槽的工作高度 k=h/2=3.5mm
挤压应力 由式5-1得

结论：键连接满足强度规定

b=12mm
h=8mm
L=50mm

b=8mm
h=7mm
L=56mm

五、润滑密封设计
对于二级圆柱齿轮减速器，由于传动装置属于轻型的，切转速较低，齿轮的圆周速度v<2m/s,所以轴承采用脂润滑，箱体内选用SH0357-92中的50号润滑，装至规定高度，油的深度为H+h=46.54+13.46=60mm，其中油的粘度大，化学合成油，润滑效果好。
为了保证箱盖与箱座连接处密封，连接凸缘应有足够的宽度，密封的表面要通过刮研，并且，凸缘连接螺栓的距离不宜太大，并均匀布置，保证部分面处的密封性。

六、减速器箱体结构尺寸表
名称
符号
计算公式
结果

箱座厚度

8

箱盖厚度

8

箱盖凸缘厚度

37

箱座凸缘厚度

37

箱座底凸缘厚度

20

地脚螺钉直径

M16

地脚螺钉数目

查手册
4

轴承旁联结螺栓直径

M12

盖与座联结螺栓直径

=（0.5- 0.6）
M10

轴承端盖螺钉直径

=（0.4-0.5）
M8

视孔盖螺钉直径

=（0.3-0.4）
M5

定位销直径

=（0.7-0.8）
7

，，至外箱壁的距离

查手册表11—2
22
18
16

，至凸缘边沿距离

查手册表11—2
20
14

轴承旁凸台半径
R1
R1=
16

外箱壁至轴承端面距

39

大齿轮顶圆与内箱壁距离

>1.2
8
齿轮端面与内箱壁距离

>
8
箱盖，箱座肋厚

7
7
轴承端盖外径

+（5-5.5）
86（高速轴）
92（中间轴）
120（低速轴）
轴承旁联结螺栓距离

七、重要参考文献
《机械原理》教材 主编：孙恒、陈作模
《机械原理》教材 主编：冯立艳
《机械设计》教材 主编：李建功
《机械设计课程设计》 主编：陆玉
《理论力学》教材 哈尔滨工业大学理论力学教研室编
《机械制图》教材 主编：王新
《机械制图习题集》 主编：王新