机械设计制造毕业设计论文一种高压断路器电动操作机构的设计和加工工艺研究.doc

本科生毕业论文（设计）

题 目 一种高压断路器电动操作机构的设计和加工工艺研究

摘 要
电动操动机构可以实现高压断路器的“合”、“分”、“接地”三工位动作。弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧的储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元使高压断路器实现合分闸运动。设计出一种弹簧操动机构，使其输出扭矩为，输出转速为。为了尽量避免弹簧操动机构存在的手动操作费力、传动不能准确到位等问题，设计出一种手动脱开机构，当搬动手柄轴调至手动位置时，手动合分闸需要的力量适中。本文介绍了高压断路器操动机构的发展历史及各种操动机构的优缺点，并针对一种高压断路器合分闸需要的扭矩，对其进行电动操作机构的设计，并着重介绍了操作机构主要零部件轴、齿轮的强度计算、机构设计和机械加工工艺的制定，以及操作机构箱体的机械加工工艺的研究和箱体钻孔的夹具设计。

关键词：电动操作机构；强度计算；结构设计；加工工艺；夹具设计

The design and processing technology research of a kind of high voltage circuit breaker electric operator
Abstract
Electric operation system can realize of high voltage circuit breaker "close", "points", "ground" 3 Labor movements. Spring operation structure is a spring as energy-storage components mechanical operation structure. Spring's stored energy completes with the aid of the electric motor through the decelerating device, and maintains at after the lock catch system the stored energy condition. Open circuit, lock using magnetic tripping, spring release energy, after mechanical transmission unit to realize high voltage circuit breaker fits break-brake movement. Designs one kind of spring to hold the drive mechanism, causes its output torque is 90~110N.m, the output rotational speed is 5r/min.In order to avoid spring operation manual operation of dynamic organizations are not accurate in place strenuous and transmission, design a kind of manual withdraw institutions, when move handle axis moves to a manual position, manual close break-brake need strength moderate. This paper introduces the high voltage circuit breaker operation structure and history of the advantages and disadvantages of various operation system, and in the light of a kind of high voltage circuit breaker close break-brake need torque, and carry on the electric operator design, and emphatically introduces the major parts of the shaft, operating mechanism of gear strength calculation, mechanism design and machining technology formulation, and operating mechanism of the machining process of the body and the research of fixture design drilling.

Keyword：Electric operator; Strength calculation; Structure design; Processing craft; Fixture design
目 录
1 引言 1
1.1 常见的高压断路器 1
1.2 高压断路器的组成 3
1.3 高压断路器操动系统的简介 3
1.4 现有操动机构存在的主要问题 4
2 课题设计的参数要求及总体设计原则 5
3 课题设计传动方案的设计 6
3.1 传动方案的选择 6
3.2 电动机的选取 7
3.3 微动开关的选择 8
3.4 确定传动装置的总传动比和分配传动比 10
3.5 确定传动装置的运动和动力参数 10
4 主要零部件的设计和工艺制定 13
4.1 齿轮的设计及计算 13
4.2 轴的设计及计算 17
4.3 II轴加工工艺的制定 21
4.4 大齿轮加工工艺的制定 23
5 箱体加工工艺的制定和钻孔夹具的设计 25
5.1 箱体加工工艺的制定 25
5.2 箱体钻孔夹具的设计 42
6 结果分析 46
7 结束语 47
参考文献 48
致谢 49
附录1：外文翻译原文 50
附录2：外文翻译译文 58

1 引言
随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力的需求量越来越多，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。在配电和供电系统中，由于高压断路器的特殊作用，对其可靠性和免维护的要求更高，因此世界各国对高压断路器的理论研究和设计开发一直在不断进行着。
3KV及以上的电力系统中使用的断路器称为高压断路器。高压断路器是电力系统中最主要的控制、保护元件，对电网的安全运行起着关键作用。概括地说，高压断路器在电网中主要起两方面的作用：第一，控制作用。即根据电网的运行需要，用高压断路器把一部分电力线路和设备投入或退出运行。第二，保护作用。高压断路器可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网中快速切除，保证电网中无故障部分正常运行[1]。如果它们一旦在运行中发生故障或在故障时不能正常的动作，将会造成严重的后果，小则引起一个地区的停电，给人们的社会生活带来很大的不便；重则导致电网瓦解、系统崩溃，给国家的经济建设和政治生活带来不可弥补的重大损失。因此，高压断路器及其运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。
高压断路器是电力系统中最重要，也是最复杂的电器设备之一。其工作理论和工作原理牵扯面较大，内容庞杂，既有电磁学理论，又有热学和力学理论，所以它的设计计算非常复杂，过去着重研究电磁静态吸力与负载反力的配合，按照能量的方法进行粗略计算，在规定操作电压下吸力特性在全部行程里都高于反力特性，以保证闭合的可靠性。实际上，电磁机构衔铁的运动过程中只存在动态吸力而不存在静态吸力。这就是说，只有动态过程才是表征电磁系统动作时的真实过程，只有进行电磁系统的动态特性的分析和计算才是电磁机构设计的关键。
1.1常见的高压断路器
油断路器：油断路器是发展最早的一种断路器，它以矿物油或者合成油作为灭弧和绝缘介质。它是一种完全利用电弧本身产生的能量使其灭弧的机构，电弧的能量与电流和电弧压降的大小以机 燃弧时间的长短有关。当电弧能量足够大时，电弧的熄灭较为顺利，燃弧时间短。如果电弧能量不足，则燃弧时间超长，因而燃弧时间与开断电流成反比关系，但是当开断电流甚小时，因弧道去游离化微弱，电弧是不容易燃弧的，所以在开断特性上出现了临界电流值，其燃弧时间达到最长。油断路器的燃弧时间比其它断路器要长一些。
油断路器的机构多用弹簧操动机构和液压操动机构，尤其是高压和超高压油断路器的操动机构均为液压操动机构。
压缩空气断路器：压气式灭弧室利用压缩空气气流对电弧去游离并建立弧后绝缘的装置。开断电流与压缩空气的压力和流量成正比。这种灭弧室的特点是从燃弧开始，气吹就十分剧烈，电流过零以后，介质绝缘强度的恢复较缓慢，最后则总绝缘强度高。因而，对于开断空载线路极为有利，能给灭弧室并联电阻起到增容的作用。
在高压和超高压压缩空气断路器中使用的大多是纵吹灭弧室。其操动机构多用气动机构，但压缩空气断路器现在已很少使用，它以被油断路器和SF6断路器所取代。
六氟化硫（SF6）断路器：SF6断路器目前在高压和超高压中应用最为广泛的是单压式灭弧室机构，灭弧室由压气缸和活塞组成。这里活塞是静止的，而压气缸内与触头固定在一起，是可动的，随着动触头的打开，压气缸SF6气体的流速和密度依压气缸的压强而定，这使灭弧的主导因素，喷嘴的合理设计和断口间的电场分布，决定着电流开断的成败。
单气式SF6断路器的灭弧系统消耗能量最大，约为少油、空气和双压式SF6断路器消耗能量的一倍，当单压式SF6断路器刚刚出项的时候，操动机构都采用压缩空气式，采用弹簧操动机构和液压操动机构的很少，到1983年以后，采用液压和弹簧操动机构才占大多数，而压缩空气机构局少数地位，许多制造厂家转而生产液压操动机构是因为它适应能量需要，且具有合分闸缓冲简单、运动质量小及操动机构时间短等优点。
真空断路器：真空断路器是通过对接式触头进行合分操作的，由于真空度好的间隙绝缘强度很高，所以，其最大触头开距很小，相对操作功也不大。为更好的开断电流，触头结构设计为带有不同形式的磁场方式。研制初期，还只限于小容量，随着真空断路器技术和理论的不断完善，触头结构和断路器结构的不断发展和深入，真空断路器正向高压、大容量方向发展。
影响真空断路器开断能力的因素很多，其中主要有灭弧室内的触头结构及材料、触头直径、真空度、触头开距、外加磁场等。众所周知，对于触头结构而言，产生横向或者纵向磁场的电极结构，其开断能力明显高于平板型电极；对触头材料而言，目前Cu、Cr材料比较理想。真空断路器的极限开断电流与电极直径近似成正比。
根据以上特点，加上真空断路器的机械寿命达上万次之多，而且操作功不大，所以最佳操动机构为弹簧操动机构或者电磁操动机构。
1.2高压断路器的组成
高压断路器按功能可分为以下几个部分：
导电部分：断路器导通电流的部分。它允许通过长时间的正常负荷电流和一定时间的异常电流，如负荷电流和短路电流。
绝缘部分：保证断路器电器绝缘的部分。它包括三个基本部分，即对地绝缘、相对绝缘和断口绝缘。
接触系统和灭弧系统：执行电路开断和关合的部分。它表征断路器的合闸和分闸能力。
操作系统：促使触头分断和接通的部分。它赋予断路器以规定程序的动作以及一定的动作时间和速度[2]。
1.3高压断路器操动机构的简介
1.3.1操动机构的结构组成和作用
通常把独立于断路器本体以外的部分称为操动机构，因此操动机构往往是一个独立的装置，操动机构由做功元件、连杆系统、维持和脱扣部件等几个主要部分组成。
操动机构的高压开关的重要组成部分。高压开关采用电动操动机构后，不仅可以减少操动人员的劳动强度，提高操动的安全可靠程度，缩短操作时间，而且还可以实现操作的遥控化.该机构与真空断路器负荷开关配装后,可以实现电动合闸、分闸、接地、遥控分闸及自动重合闸等一系列动作。
1.3.2操动机构的可靠性要求
操动机构是断路器的重要组成部分，断路器的工作可靠性在很大程度上依赖于操动机构的动作可靠性。断路器事故分析表明，由于操动机构原因而导致的断路器事故占总事故的 60%以上，足见操动机构对断路器工作性能和可靠性起着至关重要的作用。
操动机构的动作性能必须满足断路器的工作性能和可靠性的要求，这些要求有：有足够的短路关合能力。操动机构不仅在断路器在正常工作的情况下能顺利合闸，而且当断路器关合到有预伏短路故障的电路时，操动机构必须能克服短路电动力的阻碍，顺利合闸；合理的输出特性以保证断路器动触头的分合闸速度，并在分合闸终了时，其剩余能量不致造成断路器的过分振动和零部件的损伤；能使断路器可靠的保持在合闸位置。操动机构在合闸过程中，合闸信号维持的时间很短，操动机构的操作力也只在短时间内提供，因此，操动机构必须保证在合闸信号和操作力消失以后，使断路器能可靠地保持在合闸位置；操动机构应保证能源（电压、液压、气压）在一定变化范围内可靠动作，如在额定值的 80%或 85%～110%的范围内可靠合闸，在额定值的 65%～120%的范围内可靠分闸；具有自动脱扣和防跳跃能力；动作快速、机械寿命长和便于维修等[3]。
1.3.3操动机构的工作原理
电动操动机构用电动机作为动力源，其功率根据主轴最大输出力矩选择，电动机通电，当该机构电动操作时，电机通电，带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮转动，由于大齿轮与传动轴通过轴、键、或销相连，所以传动轴随之转动，并通过连接套带动操作开关用的主轴低速转动，实现高压断路器实现“合”、“分”、“接地”等操作[4]。
1.4现有操动机构存在的主要问题
目前用于中压等级断路器的操动机构主要有电磁式和弹簧式两种。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛的应用，这是因为电磁操动机构能较好的迎合真空灭弧室的要求：一是行程短(8-25mm)；二是合闸位置需要较大的操作力(2000-4000N/相)。然而电磁操动机构也存在不容忽视的缺点，磁路电感L在合闸过程中变化较快，产生反电动势idL/dt，从而抑制了合闸线圈动态电流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增强[5]。这样，当线圈的稳态电流已经较大时，若想用进一步提高线圈稳态电流的方法来抵消这种抑制作用，常受到合闸电源容量的限制。因此，电磁操动机构合闸时间较长，电源电压波动对合闸速度影响较大。相比之下，弹簧操动机构采用手动或小功率交流电动机储能，其合闸功不受电源电压的影响，相当恒定，既能获得较高的合闸速度，又能实现快速自动重合闸操作，在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点。然而弹簧操动机构也存在以下缺点：完全依靠机械传动，零部件总数多，一般弹簧操动机构有上百个零件，且传动机构较为复杂，故障率较高，运动部件多，制造工艺要求较高。另外，弹簧操动机构的结构复杂，滑动摩擦面多，而且多在关键部件。在长期运行过程中，这些零部件的磨损、锈蚀、以及润滑剂的流失、固化等都会导致操作失误。
可靠性是考核断路器性能的重要指标，从国际、国内的统计数字来看，在断路器的故障中，机械故障占绝大多数。国际大电网会议组织的国际调查表明，机械故障高达总故障的70.3%。可靠性的高低和零部件数量的多少有直接关系，减少零件的数量将明显提高系统的可靠性。所以，必须对传统的操动机构进行改进，减少零件数量，改善出力特性，提高断路器的可靠性。
2 课题设计的数据要求及总体设计原则
（1）数据和要求
高压断路器要求的输入扭矩为：；
高压断路器主轴转速为：；
传动机构的寿命按断路器主轴能够转动计算；
电机里齿轮上抹油必须是耐高、低温，不易挥发的；
机加件防腐处理、密封处理，电机固定螺丝必须统一。
（2）总体设计原则
高压断路器电动操作机构的设计包括零部件设计和总体设计两方面。一台机器设计的好坏固然与每个零部件的设计有关，但对整机性能起决定作用的却是总体设计，如果在设计中对整体缺乏全盘考虑，即使各部件的设计是良好的，但组合在一起却不一定获得好的效果，因此，在进行设计时，考虑总体原则是十分必要的。
进行总体配置就是要合理地布置各部件的位置，从而进一步确定机器的总体尺寸，确定传动机构的方案，以及手动机构的设置等。
总体配置的具体要求可以归纳如下：
（1） 工艺过程连续顺畅，便于制造。
（2） 在达到设计要求的前提下，尽量使结构紧凑。
（3） 降低生产成本。
（4） 便于使用，调整和维修。
（5） 外形美观。
3 课题设计传动方案的设计
3.1传动方案的选择
由给定的参数和要求可知，操作机构需要传递动力不是很大，所以其传动机构的设计方案大致有四种，即分别采用带传动、链传动，齿轮传动和涡轮蜗杆传动。它们的优缺点见下表：
表3-1 四种常见传动形式的优缺点比较
传动形式
优点
缺点

带传动
①结构简单，适用于两轴中心距较大的传动场合
②传动平稳无噪声，能缓冲、吸振
③过载时带将会在带轮上打滑，可防止薄弱零部件损坏，起到安全保护作用
①不能保证精确的传动比
②滑动损失
③滞后损失

链传动
①可以在两轴中心距较远的情况下传递运动和动力
②能在低速，重载和高温条件下及尘土大的情况下工作
③能够保证准确的传动比，传递效率较高，并且作用在轴上的力较小
①链条的铰链磨损后，使节距变大造成脱节
②安装和维护要求较高
③失效较大,传动精度不高

齿轮传动
①能保证瞬时传动比恒定，平稳性高
②传递的功率和速度范围较大
③结构紧凑，工作可靠，可实现较大的传动比
④传动效率高，使用寿命长
①制造和安装要求较高
②工作环境要求高

涡轮蜗杆传动
①具有反向自锁的功能
②具有较大的速比
③传动比和承载能力较高
④振动小、噪音低
①传动效率较低，传动中容易发生的磨损严重
②传动精度较低
③制造成本高
在选择传动方案时，首先应该明确的一点是，高压断路器并不经常进行合分闸，所以操作机构也并不经常运作。综合考虑操作机构的尺寸、内部空间大小和生产成本等因素，故而选择齿轮传动。
3.2电动机的选取
3.2.1选择电动机类型和结构形式
电动机分为交流电动机和直流电动机。由于交流电动机的功率、转速和体积一般都较大，而此电动操作机构并不需要太大的转速和功率，再者，考虑到此电动操作机构不经常运作，根据其结构尺寸、使用寿命和工作要求，选择直流微型电动机。
3.2.2确定电动机的容量
根据给定的设计数据，可以得到所需电动机的工作功率，查机械设计指导书[6]得到计算电动机工作功率的公式为
（3-1）
其中

所以有
3.2.3 确定电动机转速
已知高压断路器主轴转速为，查机械设计指导书[6]中常用传动机构传动比表可知，齿轮的传动比为。
故电动机的转速范围为
（3-2）
根据容量和转速，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格等因素，选定电动机的类型为直流微型电动机，型号为59YZ-CJ002-P.
其主要性能为：额定功率70 W，额定电压24 V，额定电流6.8 A，满载转速17 r/min。
微电机的三维效果图如下图所示：

图3-1 微电机的三维视图
3.3微动开关的选择
3.3.1微动开关的选择及结构
微动开关选择HGW4—10KV型户外高压隔离开关。HGW4—10KV型户外高压隔离开关适用于装置在户外高压配电设备线路上，供线路在有电压无负载时，分合操动之用。其使用环境条件：海拔高度不超过1000米；周围介质温度不高于+40℃，不低于-30℃（注：海拔高度及周围介质温度不能满足上述条件时，可按GB311—64国家标准规定要求使用此种隔离开关）；无大量导电气体和尘埃及去爆炸危险场所；风压不超过700pa（相当于风速34m/s）。
HGW4—10KV型户外隔离开关的结构由底座、支柱瓷绝缘子、导电部分及接地部分组成。每极有两个瓷柱，一个瓷柱装在底座一端轴承上，另一个瓷柱固定在底座的另一端，其导电部分采用闸刀插入式结构分成两半，分别固定在两个瓷柱的顶端，作水平分闸运动。触头接触地方在两个瓷柱的中间，当操动机构操动时，装在底座轴承上一端的瓷柱几导电体转动91°，另一端固定，闸刀便向同一侧方向断开或闭合。接地型开关当闸刀断开时，接地连杆可开始联动，合闸动作先把接地开关断开，再闭合开关。
3.3.2 控制电路的设计
（1）合分闸的指示灯控制电路

图3-2 合、分闸的指示灯控制电路
（2）合分闸开关的控制电路

（1）

（2）
图3-3 合、分闸开关的控制电路
3.4确定传动装置的总传动比和分配传动比
由选定的电动机的满载转速和高压断路器主轴转速,可得传动装置的总传动比，即 （3-3）
总传动比为各级传动比的乘积，即
（3-4）
所以有 （3-5）
初步选取 ，则
3.5确定传动装置的运动和动力参数
1各轴转速
查机械设计指导书[6]，由公式算得
（3-6）
（3-7）
2各轴输入功率、输出功率
（3-8）

（3-9）

3各轴输入转矩、输出转矩
电动机轴的输出转矩为
（3-10）
（3-11）
（3-12）

运动和动力参数计算结果整理于下表：
表3-2 各轴运动和动力参数

功率P/W
转矩T/
转速n

输入
输出
输入
输出
电动机轴

70

37.19
17
I轴
61.57
60.34
32.86
32.20
17.9
II轴
59.73
57.95
113.61
111.33
5

根据选择的微电机和计算出来的传动装置的数据参数，对电动操作机构进行预设计，画出预设计的三维效果视图，如下图所示：

图3-4 预设计三维效果图
4 主要零部件的设计和工艺制定
4.1齿轮的设计及计算
4.1.1确定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
（1）由于传递的功率和转矩不是很大，考虑到齿轮加工的难易程度和成本等因素，故而选用直齿圆柱齿轮传动。
（2）此负载开关的主轴转速不大，所以齿轮传动的速速不高，故选用7级精度即可满足要求。
（3）材料选取45钢，调质处理，硬度为28~32HRC，小齿轮齿面硬度略高于大齿轮齿面硬度。
（4）初步选取小齿轮齿数，大齿轮齿数。
4.1.2按齿面接触强度设计
查机械设计[7]得齿面接触强度设计公式为
（4-1）
（1） 确定公式中各计算数值
1）由于载荷不大，初步试选载荷系数；
2）小齿轮传递的转矩；
3）小齿轮做悬臂布置，选取齿宽系数；
4）由齿轮的材料，查机械设计得材料的弹性影响系数；
5）按齿面硬度，查机械设计得小齿轮的接触疲劳强度极限 ，大齿轮的接触疲劳强度极限；
6）计算应力循环次数
（4-2）
（4-3）
7）按计算出的应力循环次数，取得接触疲劳寿命系数 ，；
8）计算接触疲劳许用应力
取安全系数 ，则
（4-4）

（2） 计算
1）试算小齿轮分度圆直径 ，代入中较小的值
即

2）计算圆周速度
（4-5）
3）计算齿宽

4）计算齿宽与齿高之比
模数 （4-6）
齿高 （4-7）
所以
5）计算载荷系数
根据 ，7级精度，查机械设计得动载荷系数 ；
由于是直齿轮，所以取 ；
此齿轮传动并不经常运作，运作时，载荷也较平稳，故而查机械设计得使用系数 ；
由7级精度、小齿轮相对支承非对称布置，用插值法查机械设计，得；
由 ， 查机械设计得 ；
故，载荷系数 （4-8）
6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径
（4-9）
7）计算模数
（4-10）
4.1.3按齿根弯曲强度设计
查机械设计得齿根弯曲强度设计公式为
（4-11）
（1）确定公式中的各计算数值
1）由齿面硬度，查机械设计得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限；
2）由应力循环次数，查机械设计得弯曲疲劳寿命系数为,；
3）计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数 ，则有
（4-12）

4）计算载荷系数
（4-13）
5）查取齿形系数
按齿轮齿数，并用插值法查机械设计有，；
6）查取应力校正系数
按齿轮齿数，并用插值法查机械设计得，；
7） 计算大小齿轮得 ，并加以比较
（4-14）

小齿轮的数值较大，用小齿轮的数值代入计算。
（2） 计算

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，故而可取由弯曲强度算得的模数1.15，并就近圆整为标准值，按接触强度算得得分度圆直径算出小齿轮得齿数。
即 （4-15）
则有 大齿轮齿数 （4-16）
这样设计出的齿轮传动，既满足齿面接触疲劳强度，又满足齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。
4.1.4 齿轮几何尺寸的计算
（1）计算分度圆直径
（4-17）

（2）计算中心距
（4-18）
（3）计算齿轮宽度
（4-19）
取大齿轮宽度 ，小齿轮宽度
根据算得的数据，画出大齿轮的三维效果图，如下图所示：

图4-1 大齿轮的三维视图
4.2轴的设计及计算
4.2.1 I轴（小齿轮轴）的设计及计算
（1）求出I轴上传递的功率 、转速 和传递的转矩
由前面的计算有 , ，
（2）初步确定I轴的最小直径
选取轴的材料为2Cr13，由于此操作机构中的轴主要承受的是扭矩，故而按扭转强度设计计算，并且许用扭转切应力取较大值，取较小值，查表，取 ， ,弯曲疲劳极限
则 （4-20）
所以取I轴（小齿轮轴）的最小直径为。
4.2.2 II轴（大齿轮轴）的设计及计算
（1）求出II轴上传递的功率 、转速 和传递的转矩
由前面的计算有 , ，
（2）初步确定II轴的最小直径
则 （4-21）
所以取II轴（大齿轮轴）的最小直径为。
4.2.3 II轴（大齿轮轴）的结构设计
II轴的一端手柄螺母相连，另一端与连轴套相连，两端都需要传递扭矩，为了在不破坏轴的结构的前提下，使其更好地传递扭矩，故而轴的两端做成方形截面；
考虑到操作机构的工作环境问题，操作机构箱体内应保持一定的干燥度，所以箱体要密封处理，在轴与箱体相连的部位要加密封圈，所以在轴的两端与箱体相配合的部位要切削密封圈槽，每端两道；另外，为使轴安装方便，不在轴上加工轴肩，在轴上开卡簧槽，用卡簧保证轴的轴向定位。
轴的结构设计如下图所示：

图4-2 II轴的结构图
4.2.4 II轴（大齿轮轴）的强度校核
（1）求出作用在齿轮上的力
由前面的计算知大齿轮的分度圆直径为，查机械设计得齿轮的载荷公式为 （4-22）
（4-23）
（2）作出II轴的力学模型
II轴的受力分析图如下图所示：

图4-3 II轴的载荷分析图
经计算得：
， ， ，
II轴的弯矩图、扭矩图如下图所示：

图4-4 II轴的弯矩和扭矩图
（3）II轴的强度校核
从II轴的结构图中及弯矩和扭矩图中可以看出，由于大齿轮与II轴间不传递扭矩作用，所以在大齿轮与II轴接触处主要承受弯矩，按弯曲强度校核；在II轴销孔截面上主要承受扭矩，按扭转强度校核。
大齿轮与II轴接触处
（4-24）
II轴销孔截面的扭转切应力为
（4-25）
由前知，轴的材料为2Cr13，其弯曲疲劳极限，许用扭转切应力为 。
所以， ， ，故而设计的II轴，安全可用。
根据设计出的II轴的数据，画出II轴的三维视图，如下图所示：

图4-5 II轴三维视图
4.3 II轴加工工艺的制定
4.3.1II轴的作用
II轴主要用来支撑传动零件（即大齿轮和牙嵌拨叉）和传递扭矩。
4.3.2II轴的零件图分析
大齿轮轴的零件图如下图所示：

图4-6 大齿轮轴零件图

从零件图中可以看出，A面尺寸为，其公差为，由设计手册查得精度为，其表面粗糙度为3.2。B面尺寸为，其公差为，由设计手册查得精度为IT7,其表面粗糙度为0.8。A面的轴线应分别位于直径为公差值为，且以理想位置为轴线的圆柱面内。调质处理，HRC28-32。
4.3.3II轴的毛坯选择
根据零件的需要，各部分的直径相差不大，我们所选的毛坯的材料为45钢，圆钢，调制处理，尺寸大小为。
4.3.4加工基本方案的确定
1、 先加工粗基准面，再以粗基准面定位加工其他面。
2、先加工外圆面，再加工光孔和螺纹孔。
3、为了改善材料的切削性能，在切削加工之前，对材料进行正火处理（粗加工前后皆可）。
4、粗加工之后，为消除内应力，进行人工时效处理。
5、在半精加工之后，对材料进行调质处理，以改善材料的力学性能。
6、检查，检验，去毛刺，平衡，清洗。
4.3.5加工路线的确定
1、热处理，正火。
2、粗车：夹一端车端面，见平即可，钻中心孔，粗车外圆，保证其直径为，留加工余量.
3、精车：精车外圆，保证其直径为.
4、切槽。
5、钻孔，车螺纹孔，然后在保证总长为的前提下切断轴。
6、掉头另一端，车螺纹。
7、铣两端四方，夹具采用三爪卡盘定位。
4.3.6工艺规程的制定
工艺规程的制定如下表：

表4-1 II轴加工的工艺规程
工序号
工序名称
工序内容
车间
工段
设备
工艺装备
Ⅰ
下料
选基本外形为Ø20.5mmx192mm的圆钢

Ⅱ
热处理
正火

Ⅲ
粗车端面
夹一端车端面见平即可钻中心孔
机加工

车
车床
车刀，钻头，切削液
Ⅳ
粗车外圆
粗车外圆保证其直径Ø20.1mm，留加工余量0.1mm
机加工

车
车床
车刀，切削液
Ⅴ
精车
精车外圆，保证其直径为Ø20mm
机加工
车
车床
车刀，切削液
Ⅵ
切槽
将图中槽切完后，在保证总长为191.5mm的前提下切断轴
机加工
车
车床
车刀，切削液
Ⅶ
钻孔
钻一端
调头车另一端
机加工
钻
钻床
钻头，切削液
Ⅷ
车螺纹孔
车一端
调头车另一端
机加工
车
车床
车刀，钻头，切削液
Ⅸ
铣两端四方

夹具用三爪卡盘定位
机加工
铣
铣床
铣刀，切削液
4.4大齿轮加工工艺的制定
4.4.1大齿轮的零件图样分析
大齿轮的零件图如下图所示：

图4-7 大齿轮零件图
从零件图中可以看出：
（1）齿轮上下端面对称度为。
（2）整体调质处理,齿圈高频淬火.
（3）齿轮精度等级为8级。
4.4.2工艺分析
（1）齿轮根据其结构，精度等级及生产批量的不同，机械加工工艺过程也不相同，但基本工艺路线大致相同，即:毛坯制造及热处理-----齿坯加工----齿形加工-----齿部淬火-----精基准修正-----齿形精加工。
（2）齿轮精度等级为8级，滚齿加工应留有加工余量，进行精加工。
（3）根据齿轮的精度等级进行滚齿加工。
4.4.3工艺规程的制定
大齿轮机械加工工艺规程如下表：
表4-2 大齿轮加工工艺规程
工序号
工序名称
工序内容
工艺装备
Ⅰ
下料

锯
Ⅱ
锻
毛坯锻造
空气锤
Ⅲ
热处理
调质处理

Ⅳ
车
夹外圆找正工件（照顾各部加工余量），车一端面，钻孔
车床
Ⅴ
车
掉头，夹外圆，按内表面找正，车另一端面保证总长,车内孔尺寸至
车床
Ⅵ
铰
以外圆和端面定位，铰孔、
车床
Ⅶ
磨
磨2端面，保证尺寸
磨床
Ⅷ
精车
以内孔及端面装夹，精车外圆至图样尺寸，倒角
车床
Ⅸ
滚齿
以内孔及一端面定位装夹，滚齿，
滚齿机
Ⅹ
热处理
高频淬火
台转Z4006A组合夹具
Ⅺ
剃齿
剃齿
剃齿机
5 箱体加工工艺的制定和钻孔夹具的设计
5.1箱体加工工艺的制定
5.1.1零件的分析
（1）零件的作用
本设计所设计的零件是负载开关电动操作机构的箱体部分，它的作用是：（1）与负载开关相固连在一起，起到支撑固定操作机构的作用；（2）给操作机构一个相对封闭的空间，使其与周围工作环境隔离开，以保证操作机构的正常运作和其使用寿命；（3）与操作机构的传动零件相配合，并起到固定支撑定位的作用，使传动机构能够正常工作，精确传递动力。
箱体各部分尺寸详细标注如下图：

图-51 箱体零件图
（2）零件图的审核