多用滑动摩擦磨损机设计【含10张CAD图纸、说明书、答辩稿】
I摘 要摩擦学一直是科学家们一直不断研究的学科,实验就完成研究的一项很重要的途径。摩擦磨损试验机可以非常详细的测出实验数据,帮助人们更细致的了解和掌控摩擦学。现在市场上正在出售的都是适用于商业化的摩擦磨损试验机,相比于学校中适合研究学习的试验机价格上要高出很多,而且结构繁琐,无法达到教学研究使用的要求。在仔细研究学习了摩擦学原理后,查找了许多关于磨损试验机工作原理的参考文献,经过一系列的研究与思考做出了一种简易的多用摩擦磨损试验机作为本次毕业设计。本次实验机采用柱盘式的机械结构,没有液压部件,紧凑的装载部件,稳定的装载,更少的动力测量装置,简单而直接的测量,减少中间环节错误,简单的加工,可靠的工作和低成本。该机可以进行多种滑动摩擦试验,试验过程的上试件可以自由更换,实验进行非常方便;下试件做成圆盘样式,可有效控制成本,使实验进行的过程中不会受到成本问题带来的阻碍。关键词:试验机; 摩擦; 磨损; 试验装置IIAbstractTribology is a discipline with relatively strong practicality, and experimentation is an important part of studying tribology. The friction and wear tester can measure the experimental data in detail and help people to understand and control the tribology. The commercial friction and wear testing machine is now being sold in the market and the price is high, and the structure is very complicated. It is not suitable for the laboratory teaching in the school.After careful study of the principles of tribology, many references have been found on the working principle of the wear tester. After a series of studies and reflections, a simple multi-use friction and wear tester was designed as the graduation design. The experimental machine adopts a cylindrical disc type mechanical structure, no hydraulic components, compact loading parts, stable loading, less power measuring devices, simple and direct measurement, reducing intermediate link errors, simple processing, and reliable work And low cost. The machine can carry out a variety of sliding friction test, the test specimen can be freely replaced during the test process, the experiment is very convenient; the next test specimen made of disc style, can effectively control the cost, so that the process of the experiment will not be subject to cost problems Impediments.Key words: Testing Machine;Friction;Wear; Testing Device目 录第一章 绪论 .51.1 课题研究的目的、意义 .51.2 试验机的类型和作用 .61.21 摩擦磨损试验机的种类根据功能特点可分为: 6第二章 对摩擦磨损试验机造成影响的因素 .132.1 试验参数的影响; 132.2、负荷对实验的影响; 15第三章 方案分析与结论 173.1 整体分析 173.2 制定设计方案 17方案一: 17方案二: 18设计方案三: 193.3 方案比较 20第四章 结构的设计与相关计算 214.1、主要的性能指标 214.2、主传动系统的设计流程 214.2.1 电机的选择与计算: 214.2.2 主轴计算: 224.2.3、主轴上键的强度校核: .2444.2.4、横梁的强度校核: .244.2.6、轴承的校核: .25第五章 摩擦磨损试验机的整体结构示意图 .285.1、整体结构 285.2、箱体设计 315.3、横梁设计 315.4、支架设计: 325.5、摩擦销的设计: 335.6、摩擦盘夹持器的相关设计: 33第六章 总 结 .34参考文献 .365第一章 绪论1.1 课题研究的目的、意义摩擦学是包括了许多学科一门综合科学,研究的主要内容有机械学、摩擦学材料等为主,同时也涉及到了流体力学、固体力学、流变学、应用数学、物理学、化学材料学等。摩擦学研究的出发角度是机械学、材料科学和表面科学,一直在整理融合相关科学的知识技术和最新的研究成果,可以以数据的形式直观地展现出来,研究新的科学理论、新的机械结构,加速摩擦学和减磨、抗磨技术的发展,并努力在实际生活中可以应用,并达到可观的节能效果、大大的提高了机械的工作性能以及使用寿命、同时可以方便快捷的方式完成的摩擦、磨损和润滑之间的实验。目前摩擦磨损试验机还没有得到广泛的应用是有少数的发达国家才有生产本产品,而我国在上个世纪 60 年代正式开始研制摩擦磨损试验机,开始研究出来的产品是四球摩擦试验机与 MM-200 磨损试验机,一直到到后来经过国家技术人员的努力研究出环块摩擦磨损试验机和立式万能摩擦磨损试验机等。现在工程机械行业发展迅速,人们已经意识到磨损的危害。 为了深刻的理解磨损机的工作原理以减少危害,各国科学家在各种材料使用的问题下完成了很多磨损实验,但在特殊的环境下实验室比较难以进行的,得到的研成果少, 最主要的是缺少相关测试设备。二十世纪前期,第一台摩擦磨损试验机于 1975年问世,美国润滑工程师学会编制了“摩擦磨损试验装置”中记载了上百种不同类型的实验,但由于就够的限制成完成的实验比较单一。 近几十年来,测试实验也在快速的发展,但是大多数试验机是由企业根据工作需求和实际工作情况自行设计的,很少有专门为研究部门提供的,这些试验机也都是结构比较复杂,价格相对较贵,因此试验机的类型也是影响实验结果的关键。摩擦磨损的在生活中比比皆是,如在汽车、设备、航天、和农业机械等都有存在着摩擦磨损的严重问题。根据数据显示,全世界的能源消耗中大约有有1/2- 1/3 是摩擦磨损的消耗,如果可以通过摩擦磨损实验可以减少这样的能源消耗,就是一项重大的科技突破。磨损造成的失效是机械零部件的三种主要失效形式之一,摩擦磨损会造成大量的零件失效,所以产生了大量的经济损失。6而现在机械设备存在于生活的每个角落,它们可以代替人们完成重载、高速以及高效率的工作,也因摩擦磨损正在消耗机器设备的这些功能,为了控制和改善这种状况科学家们也正在做大量的实验,逐步完善提高这方面的技术。1.2 试验机的类型和作用1.21 摩擦磨损试验机的种类根据功能特点可分为:1、载荷范围:(1)超纳米摩擦磨损试验机;(2)大载荷摩擦磨损试验机(1000KN);(3)微米级摩擦磨损试验机(10N);(4)纳米级摩擦磨损试验机(0.1mN-1KN)2、摩擦运动方式:(1)线性往复摩擦磨损试验机;(2)线性旋转组合摩擦磨损试验机;(3)旋转摩擦磨损试验机;(4)振动摩擦磨损试验机;(5)高速旋转摩擦磨损试验机。3、摩擦副:(1)高频率摩擦磨损试验机;(2)高温摩擦磨损试验机;(3)环块摩擦磨损试验机;(4)真空摩擦磨损试验机;(5)球盘摩擦磨损试验机;(6)销盘摩擦磨损试验机;(7)四球摩擦磨损试验机1.2.2 具体实例介绍摩擦磨损机1、 环块摩擦磨损机(1)主要用途:测量各种润滑剂的承载能力。在试验开始前测量好试件重量、尺寸等重要参数,在与试验后进行对比,由试件上磨痕宽度、试件的变化等参数可对材料的摩擦性能进行判定,可以测试出金属、非金属材料的滑动摩擦性能。在实验进行过程中,通过定量和变量的实验,对实验参数(载荷、线速度、润滑条件)进行测算,可以得到不同材料所带来的摩擦系数。(2)产品外形7(3) 技术参数:1、最大试验力:5000N 2、主轴转速范围内:1001500r/min3、试验力杠杆比: 10 :14、摩擦力杆标尺刻度:0.5N/100mm5、试验油温度范围: 室温1006、试验力施加速率: 8.9213.33N/s7、标准试环尺寸:49.22mm13.06mm8、标淮试块尺寸: 口 12.32mm19.05mm9、试验机外形尺寸(长宽高)mm:主 机:1140mm660mm1620mm施力装置:460mm460mm900mm 2、四球摩擦磨损试验机(1)、主要用途8该机器以点接触滑动摩擦的形式,可测定润滑剂的承载能力。(2)、主要技术参数1)试验力范围:60N10kN;误差1%2)摩擦力测试范围:0300N;误差3%3)主轴的转速范围:2002000r/min;可存在误差为10r/min 4)摩擦副工作的环境温度控制范围:室温200; 5)试验可进行的时间控制范围:1s99h6)主轴转速控制范围 1110-6转(3) 产品外形3、高温往复摩擦磨损试验机(1)主要用途与功能9主要用途在于对材料和表面涂层在高温环境下的摩擦磨损测试。这要机器使用的是磁致驱动可进行自动加载,可在高温、润滑的条件下完成点、线、面接触形式的测试。(2)参数指标1)行程范围:1 10mm;精度0.01 2)摩擦力测量范围:0 100N;精度 3% 3)试验力范围 1 200N;精度 1% 4)摩擦副的形式:销-盘摩擦、球-盘摩擦、柱-瓦摩擦 5)直线往复式运动6)测试环境温度范围:室温800;(3) 产品外形4、材料端面高温摩擦磨损试验机(1) 主要用途:该机主要用于在高温状态下以滑动摩擦的形式对端面、销盘等试样进行摩擦磨损性能的评定。该机器使用的是液压闭环伺服系统在未加10载,使用这种试验力的加载方式可以是机器运行平稳可靠,并且力的大小可控;并且计算机可控制主轴的转数、转速、时间等参数,可事实记录实验数据并绘制,调阅、存储、打曲线图。(2) 主轴及其驱动系统产品型号 MMU-5G试验力范围 505000N试验力精度 1主轴转速范围 12000 r/min最大摩擦力 300N测试环境温度范围 室温1000外形(长宽高) 1200mm810mm1700mm这种嵌入式计算机,能够达到对整机与试验全过程的控制,可以显示出各种参数,并能够自动记录存储时间曲线摩擦力时间曲线和温度。(3) 产品外形115、 高速端面摩擦磨损机(1)主要用途:这台机器能够在一定的压力下,用滑动摩擦的形式,在大范围的转速内和可变化的润滑条件下,可评估金属、润滑剂、涂层、陶瓷、塑料、橡胶等材料的摩擦磨损性能。这台机器优点是摩擦副种类多、微机控制方式灵活、高温工作、可大范围调速,方便使用等特点。(2)技术参数与指标:1) 试验载荷:02000N(示值误差0.5) 2) 主电机功率:5.5KW (三相 380V)3) 转速(变频无级调速):05800 转/分 4) 表面温度测量范围:室温300(示值误差1) 125) 油箱温度控制范围:室温200(示值误差5) 6) 摩擦力矩测量:020 Nm (示值误差0.5) 7) 标准试样尺寸 上试样 外径:120mm;内径:110mm;下试样: 125mm 8) 电源:三相电机、380V、40A、专用数据处理计算机、19 寸液晶、1 通讯卡、RS-485 通讯卡(3) 产品外形131.3 小结根据上述摩擦磨损试验机分析,得出本次设计的主要思路,完成多用滑动摩擦磨损试验机的设计,在设计过程中完成机械结构部分的设计并完成 CAD 二维图的绘制,并给出以下参数:(1) 主轴转速范围:03000 r/min、无级调速;(2) 机器工作的环境最高温度 1000 ;(3) 加载力可调范围:020 N,砝码加载;(4) 试件的最大尺寸为 80 mm,试件最大厚度 10 mm。本次设计要求设计合理,结构使用得当,计算数据准确,以达到本次设计的标准。14第二章 对摩擦磨损试验机造成影响的因素摩擦磨损试验就把生活中发生的或是预计发生的摩擦磨损现象放在实验室中进行测试、测算,并寻找到好的办法去改良、规避这样的摩擦磨损,在实验的过程中,选定的参数进行单一变量的测量方法研究摩擦磨损试验系统,其中会有其他元素的对实验产生影响。所以,在设计摩擦磨损试验机时,要考虑到一些因素的组成,如图 2-1 所示是基本的系统图,测试参数可由实验时的需求选定。图 2-1 ,1 、 2 摩擦件;3、润滑剂;4 气氛152.1 试验参数的影响;(1)运动形式的影响摩擦副和试件的形状可以确定运动的方式。在确定试验机前,需要对摩擦副部分进行确定,在这部分中的运动形式有:滑动摩擦、滚动摩擦、自旋式和冲击式,不同的摩擦形式都会对应着不同机构的使用方法。所以,实验前必须对照好实验所需摩擦副,再进行选择试验机。不同的试验机也有着不同的实验精度,在实验过程中也必须把握好试件的材料选择。(2)、负荷的影响实验的稳定性对实验结果会产生很大的影响,而负荷就是影响这一因素的关键参数,试验机对加载力的要求是有确定范围的,因此,加载系统的选择方面必须要慎重,以尽量减小摩擦阻力为原则进行选择,较常用加载方式以液压式、机械式、电磁式为主。液压加载方式最大的不足点就是不容易维持负荷的稳定。然而,机械式加载就弥补了这方面的缺点,这种加载方式可拆分为杠杆加载、弹簧加载、砝码加载等,其优点就是设计结构简单,方便操作,在加载时不会产生震动和冲击,不用考虑负荷问题。虽然弹簧加载产生振动小,但精度并不高,加载力的范围有限。电磁加载就可以有效解决上述两种方法中的问题,可以完成负荷的自动控制,但是很少有试验机把这种成本高、结构复杂的加载系统安装在实验机上。(3)、滑动速度的影响;滑动速度作为一个重要的参数会对实验结果产生很大的影响。滑动速度是一方面,在方向上也分为单向滑动、往复滑动,所以,技术人员就会根据滑动方向设计出相应的试验机,其中往复滑动也包括摆动式滑动和直动式滑动。为了达成摆动的方式常用凸轮机构或者曲柄摇杆机构来完成,同时也可以使用伺服电机和步进电机来完成此目的。滑动速度在实验过程中必须可以在一定的范围内进行调整以达到实验目的,一般情况下会使用有级调速和无级调速。其中有级调速的方式是通过变换齿轮的大小或用 V 带传动的方式改变速度比来完成而。无级调速有两种方法:(1)使用摩擦轮和差动轮系进行机械式无级调速,速度的可调节范围不大,(2)无级调速电机可以完成这样的操作,像直流伺服16这样的电机就可以完成 0-2000r / min 的调速范围,如果想使用电机完成无级调速,就必须要配合速度控制环节,使用闭环控制可以使速度更加稳定。(4)、温度对试验机的影响;温度也同样可以控制实验的结果。不同的温度环境下材料会出现不同的状态,对摩擦的影响会很大,有的试验必需要在限定的温度环境下进行,而这方面的试验机也并没有大量生产,对实验的数据收集造成了很大的影响。高温环境不仅对试件的性质造成影响,同样也会影响到实验机的结构、材料等因素。若想达到高温效果通常会采用电阻丝加热,或高频加热。低温操作时就简单得多,低温冷却或保持环境温度低。(5)、气氛的影响;有的实验也会对湿度或者真空有明确的要求。其中湿度是较容易就觉得因素,可以把实验部分密封起来在密封袋中加水,通过湿度计的测量,就可以实现实验的湿度要求。相比之下,真空的要求就会很高,绝对的真空还是很难实现的,但是一般情况下会使用泵来抽去密封容器的空气来达到真空的效果,这样会有一定的误差。(6)、试验时间对试验机的影响;实验时间同样会对实验结果会产生一定的影响,一般情况下试验机会安装计算机终端,试验时间会通过计算机软件进行控制,而且会自动绘出时间变化曲线,方便看出实验结果。2.2、负荷对实验的影响;(1)在设计装置时,需要有一个结构专门测量负荷,这种装置会根据加载方式而定。举例说明:如 Timken 试验机的杠杆砝码加载方式,负荷值是可以简单直观的根据砝码得到的;如 AMSLER 试验机由弹簧变形来确定负荷值,并通过游标显示变化量的,在进行计算可得结果;如 MQ-800 型四球式摩擦试验机是属于液压加载,其负荷值是通过压力计算得到的。包括上述的实验基金,都可以用安装负荷传感器,直接测得负荷值,安装时应靠近摩擦副的位置以减小误差。17(2)摩擦力、摩擦系数产生的影响;一般在实验机上会安装一个装置去测主轴上的扭矩,或者在试件上安装测摩擦力的装置这样就可以得到摩擦力、摩擦系数、主轴扭矩,由公式可知u=F/P ,P:负荷, F:摩擦力,就可以算出摩擦系数。测主轴上的扭矩通常使用弹性元件来测量的;如果测量摩擦力,在试件转动时沿着转动方向安装检测装置,这样放置可以减小摩擦阻力,放置测量时增加阻力值,有效的提高实验精度 。图 2-4 (3)速测装置的影响;有的试验机实验过程中需要确切的速度值,会在实验机上安装测速装置,一般使用机械式计数器,记录时间和转数得到速度。(4)测温方法对实验的影响;测温方法相对复杂,一般情况要测量润滑剂温度或是摩擦副的摩擦面温度,最不容易完成的就是摩擦面温度,因为在实验过程中,试件的表面温度在不断变化,而且没有仪器可以触碰到,所以只有红外测温法能完成测温。(5)磨损量对实验的影响;在实验中一定会产生磨损,而磨损量也会对实验产生一定的影响。通常测量磨损量的方法就是在试验之后把时间取下来,根据划痕,质量上的改变,进18行对比计算去估计其影响。19第三章 方案分析与结论3.1 整体分析根据前几章的分析:加载系统是试验机主要承载的负荷、主传动系统是由电机传递给主轴的再传给试件、摩擦盘夹持系统是为摩擦副专门设计制作的方便夹持试件、加热及冷却系统可以给实验一个良好的工作环境、等主要部分。上述的各个部分都有多种可选择,多种组合方式,同样也能得到不同的可组合方案。3.2 制定设计方案方案一:如图 3-1 所示20图 3-1 设计方案一的组成与分析:(1) 主传动系统:以同步带链接主轴与电机,驱动方式选用三相异步电动机和变频器的驱动,试件转动速度与电机保持一致;(2) 加载系统:为了达到大范围的加载力控制选用伺服控制可以进行持续的加载力;(3) 摩擦盘夹持系统:为了方便夹持试件制作特殊的夹持器,夹持器夹紧可以使试件固定从而随着主轴一起转动;(4) 摩擦销进给系统:通过分度盘和手动旋转调节横杆前后移动,可以方便调节摩擦副的位置。 方案二:如 3-2 所示。21图 3-2设计二方案的组成与分析:(1) 主传动系统:通过 V 带和带轮链接电机和主轴再带动摩擦盘转动,可以提高电机的传动效率;(2) 加载系统: 电机作为动力源控制加载,再由滑块和 T 型导轨调节加载力;(3) 摩擦盘夹持系统:为了方便夹持试件制作特殊的夹持器,夹持器夹紧可以使试件固定从而随着主轴一起转动;设计方案三:如图 3-3 所示。22图 3-3 设计方案三各部分的组成:(1) 主传动系统:由三相异步电动机、变频器直接链接主轴中间不加其他结构;(2) 加载系统: 砝码加载以保持系统的稳定性;(3) 摩擦盘夹持系统:为了方便夹持试件制作特殊的夹持器,夹持器夹紧可以使试件固定从而随着主轴一起转动;(4) 摩擦销进给系统:通过分度盘和手动旋转调节横杆前后移动,可以方便调节摩擦副的位置,同时添加可旋转分度盘可进行调节横梁,方便调节与加23载。(5) 加热、冷却系统:在摩擦副外面添加加热箱,加热箱与底座之间用隔热板隔开,以起到保护作用。3.3 方案比较方案一,使用同步带传动电机的动力,没有改变传动效率使传动较为平稳,这样可以防止过度的载荷损坏电机,由于使用齿轮传动,会造成较大的噪音并且伴随着震动,而齿轮与需要提前进行刚度、度的校核,工作时也会出现损坏导致工作的阻碍。伺服控制加载不是最合理的方式,这样做会使成本变高,机器变得更复杂,操作不顺会造成失误,得不偿失。横梁的刚性差,在实验中无法达到标准,对实验结果影响较大。方案二,V 带链接主轴与电机是一个较好的选择,既可以提高传动效率又可以减小加载时的冲击,运行平稳可以降低大量的噪音,使主轴与电机之间的热影响较小。特殊制造的摩擦盘夹持器在旋转的精度方面和整体性得以保障。电机控加载可以维持连续性,加载力在一定范围可进行调整,T 型导轨与横梁的配合会使整体结构更加稳定。但是工作效率比较低,设计复杂,制作成本高,不适合本次设计。方案三,使用的电机直接接到主轴上,避开齿轮的磨损,以及传递效率的降低,简化了结构,却规避了许多影响因素,特殊制造的摩擦盘夹持器在旋转的精度方面和整体性得以保障。电机控加载可以维持连续性。砝码加载虽然不如电机加载范围大,但是更加稳定,更加适用于学习研究的过程,准确的数据可以让实验室总结出的规律更加精准,误差小。立柱下端的旋转盘与特制横梁相结合是非常稳定的,并且容易调整固定,无论在使用操作上还是实验精度方面都起到良好的作用。经过分析可以得出结论,我的选择更倾向于砝码加载,电动机直接驱动主轴,即简化结构节约成本,又可以达到实验的目的和要求,满足设计的需求。所以使用方案三。24第四章 结构的设计与相关计算4.1、主要的性能指标由前几章中的分析比较,和第一张确定的参数数据可知:4.2、主传动系统的设计流程试验机的主传动路线为:变频调速三相异步电动机主轴摩擦盘夹持器摩擦盘。4.2.1 电机的选择与计算:摩擦销和摩擦盘之间的动摩擦系数: 则摩擦产生的最大功率 : (4-1)“注: Pm 是摩擦产生的最大功率(Kw)、 F 是相互作用力(N)、 v:是相对运动速度(m/s)、f 是滑动摩擦系数、 Fn 是正压力(N)、 R:是摩擦力作用电相对旋转轴的距离(m);”Pm 0.251 KaxfFn2/60R120.43/60滚动轴承的传动效率 : 则总传动效率: 电动机的输出功率: (4-2)总P出 m25出PKw 0.269598.01 为了使电动机的功率留有余量,负荷率取:0.85“根据参考资料得,选择的电机型号为 YVF280M1-4(摘自 JB/T 7118-2004)该电机的主要参数为: 额定功率 ; 额定转矩 ;同步转速: ; 电机轴: 。”结构图如图 4-1、 4-2 所示图 4-126图 4-24.2.2 主轴计算:1、主轴转速、输出功率、转矩计算:由电机计算可得出 , KWPm256.0min/30rn则转矩 NnTm .790256.992、轴的最小直径相关计算:计算公式为 (4-15)3032.095nPAdT选择主轴使用的材料为 ,根据手册可得:rC4126,50AT则 , 取md51.302.16d6所以主轴上直径最小处: mm3、主轴的结构相关设计(1)拟定轴上的零件装配方案,(2)确定轴向定位的需要的轴各段直径和长度:见图 4-727图 4-7 1)为了满足带轮的尺寸要求 ,mL172d2412)初步选择滚动轴承。因轴承受有径向力和轴向力的作用,故选取深沟球轴承和推力球轴承,初步选取 0 基本游隙组,标准精度级的深沟球轴承 6206 和推力球轴承 51206,其尺寸分别为 、mBDd16230,故 , 。mBDd752304L50433)根据结构要求拟定 , ;L36832, ;1054md405, ;L65365, 。3276d2076(3)、轴的强度校核:按扭矩的强度计算,如下:(4-16)TTdnPW32.095已知 ,25min,/0,56. TmrK则 32.09814dT由设计得轴的最小直径是 ,d2076TT 59.02.3814min则其他各段也符合要求。284.2.3、主轴上键的强度校核:键所在的轴,直径为 24mm,根据机械设计手册 ( 摘自 GB/T1095-2003,GB/T1096-2003)选取键的尺寸选定为 ,普通平键连接的强度条8714件为:(4-17)3210kldTpp式中: d 是轴的直径;l 是键的工作长度,l=L-b=14-8=6;h 是键的高度;p是许用压力;k 键与轮毂键槽的接触高度,k=0.5h,T 传递的转矩,取,则24,7,14,0phl33 3d202.5101.5610a624kllFTp MPapP :所以,键的强度是满足要求的。4.2.4、横梁的强度校核:横梁承受的是实验室的加载力,无论是轴向力或是切向力最大为 20 N,在试件一端固定在横梁上后,对横梁的冲击依然很小。所以,横梁是可以承受强度和刚度的载荷,并且满足试验机设计合理性。4.2.5、丝杠螺母副的计算:螺母的轴向位移: (4-18)2lspx式中: 是螺杆转角,rad;s 是导程,mm;p 是螺距,mm;x 是螺纹线数; 令该螺纹为单线螺纹,则 x1;摩擦销移动的距离为 40 mm,可设定螺纹长度 L50 mm;设计使螺纹移动 40 mm,手轮转动为 8 圈,即:rad 281629mm (4-19)240516lpx由此可知: mm sp螺纹中径: (4-20)20.8Fd式中: 为螺母的参数,整体式螺母取 1.2 - 2.5,分体式螺母取 2. 5- 3.5;P 是螺纹副的压强,N/mm2;可取 ; 2,9p带入数据,有: mm 200.8843pFd由系统结构特点,取: mm ;2.517.丝杆公称直径 d=20,小径:20-5.5=14.5mm螺母高度: mm 2.3Hd丝杆旋转圈数: 57(102)np:基本牙型高度: mm 0.h工作压强: 2110.0143.42.57Fp pdn工作收到的压强可以满足要求。为了保证自锁,螺纹升角: 0f.9arctnarctn4258osos螺纹牙根部的宽度: mm0.65.3.bp304.2.6、轴承的校核:在整个试验机的结构设计中,用到了三处轴承:主轴 3 上到轴向力和径向力使用深沟球轴承和推力球轴承、丝杠、横梁旋转轴处的轴承使用的是角接触球轴承。后两处轴承的作用在于支撑,受力小,不进行计算;再此需要校核深沟球轴承和推力球轴承校核:深沟球轴承、推力球轴承的使用寿命校核1 根据主轴设计可知: mNnPTm .7903256.095950由带轮计算可知:d8.75on20o则 NdTFt 79.2108.7592 NFntr 14.763cos20tan.cosa0ta则 0taF查机械设计得深沟球轴承的最小 e 值为 0.22,故此时0eFta多用滑动摩擦磨损机,导师: 老师,答辩人:,延边大学 时光匆匆 白驹过隙 感恩母校,答辩人:霍泽明,现状及研究目标,选题背景及意义,方案分析,设计结果,01,02,03,04,我的目录,选题背景及意义,01,我的目录,目前,世界只有美国、日本、瑞士等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专业生产企业,并且生产的试验机多为工厂所用,它们结构复杂,价格高不适用于研究院、学校进行实验研究与教学。 本次毕业设计所研究的课题就选为适合在实验室中进行研究及教学的摩擦磨损试验机。,选题的思路,摩擦,滑动摩擦,多用滑动摩擦磨损机,选题意义,2,3,1,摩擦磨损的危害,试验机的现状,环块摩擦磨损机,四球摩擦磨损试验机,高温往复摩擦磨损试验机,微机控制万能摩擦磨损试验机,对试验机造成的影响和因素,02,我的目录,影响试验机的因素,运动形式的影响,负荷的影响,滑动速度的影响,温度对试验机的影响,气氛的影响,试验时间对试验机的影响,因素,试验参数的影响,参数,01,02,03,负荷对实验的影响,摩擦力、摩擦系数产生的影响,速测装置的影响,04,05,磨损量对实验的影响,测温方法对实验的影响,加载方式,优点:砝码加载方式,负荷值是可以简单直观的根据砝码得到的缺点:加载力可调整范围小,优点:电机控加载可以维持连续性,加载力在一定范围可进行调整 缺点:振动大,工作时不平稳,影响精确度,优点:可以解决以上两点的缺点 缺点:价格过高,很少安装在实验机上使用,砝码,电机,电磁,摩擦力、摩擦系数的影响,一般的实验机会在试件上安装测摩擦力的装置这样就可以得到摩擦力、摩擦系数、主轴扭矩,由公式可知u=F/P ,P:负荷, F:摩擦力,就可以算出摩擦系数。,或者在主轴上安装的扭矩传感器,测得扭矩,从而得到摩擦系数,由公式可知,u=M/Nr M:摩擦力矩;N:加载实验力;r:试件半径;u:材料摩擦系数,01,02,方案分析,03,我的目录,方案分析,方案三,方案二,方案一,方案一,方案二,方案三,添加标题,砝码加载以保持系统的稳定性,通过分度盘和手动旋转调节横杆前后移动,可以方便调节摩擦副的位置,同时添加可旋转分度盘可进行调节横梁,方便调节与加载,为了方便夹持试件制作特殊的夹持器,夹持器夹紧可以使试件固定从而随着主轴一起转动,由三相异步电动机、变频器直接链接主轴中间不加其他结构,摩擦盘夹持系统,摩擦销进给系统,加载系统,主传动系统,设计结果,04,我的目录,主视图,侧视图,俯视图,总结,在完成这次毕业设计后,不但使我巩固了大学4年所学的专业知识,也让我了解到以前没有探索过的知识,在设计过程中,也会碰到各种各样的问题,虽然会令人感到烦恼,但是探索的过程却会让人心情愉悦。通过本次毕业设计,我深刻认识到了自己所学会知识的不广和不精,但是我相信本次设计会为我将来学习生活和工作奠定了良好的基础。,谢谢观赏,I摘 要摩擦学一直是科学家们一直不断研究的学科,实验就完成研究的一项很重要的途径。摩擦磨损试验机可以非常详细的测出实验数据,帮助人们更细致的了解和掌控摩擦学。现在市场上正在出售的都是适用于商业化的摩擦磨损试验机,相比于学校中适合研究学习的试验机价格上要高出很多,而且结构繁琐,无法达到教学研究使用的要求。在仔细研究学习了摩擦学原理后,查找了许多关于磨损试验机工作原理的参考文献,经过一系列的研究与思考做出了一种简易的多用摩擦磨损试验机作为本次毕业设计。本次实验机采用柱盘式的机械结构,没有液压部件,紧凑的装载部件,稳定的装载,更少的动力测量装置,简单而直接的测量,减少中间环节错误,简单的加工,可靠的工作和低成本。该机可以进行多种滑动摩擦试验,试验过程的上试件可以自由更换,实验进行非常方便;下试件做成圆盘样式,可有效控制成本,使实验进行的过程中不会受到成本问题带来的阻碍。关键词:试验机; 摩擦; 磨损; 试验装置IIAbstractTribology is a discipline with relatively strong practicality, and experimentation is an important part of studying tribology. The friction and wear tester can measure the experimental data in detail and help people to understand and control the tribology. The commercial friction and wear testing machine is now being sold in the market and the price is high, and the structure is very complicated. It is not suitable for the laboratory teaching in the school.After careful study of the principles of tribology, many references have been found on the working principle of the wear tester. After a series of studies and reflections, a simple multi-use friction and wear tester was designed as the graduation design. The experimental machine adopts a cylindrical disc type mechanical structure, no hydraulic components, compact loading parts, stable loading, less power measuring devices, simple and direct measurement, reducing intermediate link errors, simple processing, and reliable work And low cost. The machine can carry out a variety of sliding friction test, the test specimen can be freely replaced during the test process, the experiment is very convenient; the next test specimen made of disc style, can effectively control the cost, so that the process of the experiment will not be subject to cost problems Impediments.Key words: Testing Machine;Friction;Wear; Testing Device目 录第一章 绪论 .51.1 课题研究的目的、意义 .51.2 试验机的类型和作用 .61.21 摩擦磨损试验机的种类根据功能特点可分为: 6第二章 对摩擦磨损试验机造成影响的因素 .132.1 试验参数的影响; 132.2、负荷对实验的影响; 15第三章 方案分析与结论 173.1 整体分析 173.2 制定设计方案 17方案一: 17方案二: 18设计方案三: 193.3 方案比较 20第四章 结构的设计与相关计算 214.1、主要的性能指标 214.2、主传动系统的设计流程 214.2.1 电机的选择与计算: 214.2.2 主轴计算: 224.2.3、主轴上键的强度校核: .2444.2.4、横梁的强度校核: .244.2.6、轴承的校核: .25第五章 摩擦磨损试验机的整体结构示意图 .285.1、整体结构 285.2、箱体设计 315.3、横梁设计 315.4、支架设计: 325.5、摩擦销的设计: 335.6、摩擦盘夹持器的相关设计: 33第六章 总 结 .34参考文献 .365第一章 绪论1.1 课题研究的目的、意义摩擦学是包括了许多学科一门综合科学,研究的主要内容有机械学、摩擦学材料等为主,同时也涉及到了流体力学、固体力学、流变学、应用数学、物理学、化学材料学等。摩擦学研究的出发角度是机械学、材料科学和表面科学,一直在整理融合相关科学的知识技术和最新的研究成果,可以以数据的形式直观地展现出来,研究新的科学理论、新的机械结构,加速摩擦学和减磨、抗磨技术的发展,并努力在实际生活中可以应用,并达到可观的节能效果、大大的提高了机械的工作性能以及使用寿命、同时可以方便快捷的方式完成的摩擦、磨损和润滑之间的实验。目前摩擦磨损试验机还没有得到广泛的应用是有少数的发达国家才有生产本产品,而我国在上个世纪 60 年代正式开始研制摩擦磨损试验机,开始研究出来的产品是四球摩擦试验机与 MM-200 磨损试验机,一直到到后来经过国家技术人员的努力研究出环块摩擦磨损试验机和立式万能摩擦磨损试验机等。现在工程机械行业发展迅速,人们已经意识到磨损的危害。 为了深刻的理解磨损机的工作原理以减少危害,各国科学家在各种材料使用的问题下完成了很多磨损实验,但在特殊的环境下实验室比较难以进行的,得到的研成果少, 最主要的是缺少相关测试设备。二十世纪前期,第一台摩擦磨损试验机于 1975年问世,美国润滑工程师学会编制了“摩擦磨损试验装置”中记载了上百种不同类型的实验,但由于就够的限制成完成的实验比较单一。 近几十年来,测试实验也在快速的发展,但是大多数试验机是由企业根据工作需求和实际工作情况自行设计的,很少有专门为研究部门提供的,这些试验机也都是结构比较复杂,价格相对较贵,因此试验机的类型也是影响实验结果的关键。摩擦磨损的在生活中比比皆是,如在汽车、设备、航天、和农业机械等都有存在着摩擦磨损的严重问题。根据数据显示,全世界的能源消耗中大约有有1/2- 1/3 是摩擦磨损的消耗,如果可以通过摩擦磨损实验可以减少这样的能源消耗,就是一项重大的科技突破。磨损造成的失效是机械零部件的三种主要失效形式之一,摩擦磨损会造成大量的零件失效,所以产生了大量的经济损失。6而现在机械设备存在于生活的每个角落,它们可以代替人们完成重载、高速以及高效率的工作,也因摩擦磨损正在消耗机器设备的这些功能,为了控制和改善这种状况科学家们也正在做大量的实验,逐步完善提高这方面的技术。1.2 试验机的类型和作用1.21 摩擦磨损试验机的种类根据功能特点可分为:1、载荷范围:(1)超纳米摩擦磨损试验机;(2)大载荷摩擦磨损试验机(1000KN);(3)微米级摩擦磨损试验机(10N);(4)纳米级摩擦磨损试验机(0.1mN-1KN)2、摩擦运动方式:(1)线性往复摩擦磨损试验机;(2)线性旋转组合摩擦磨损试验机;(3)旋转摩擦磨损试验机;(4)振动摩擦磨损试验机;(5)高速旋转摩擦磨损试验机。3、摩擦副:(1)高频率摩擦磨损试验机;(2)高温摩擦磨损试验机;(3)环块摩擦磨损试验机;(4)真空摩擦磨损试验机;(5)球盘摩擦磨损试验机;(6)销盘摩擦磨损试验机;(7)四球摩擦磨损试验机1.2.2 具体实例介绍摩擦磨损机1、 环块摩擦磨损机(1)主要用途:测量各种润滑剂的承载能力。在试验开始前测量好试件重量、尺寸等重要参数,在与试验后进行对比,由试件上磨痕宽度、试件的变化等参数可对材料的摩擦性能进行判定,可以测试出金属、非金属材料的滑动摩擦性能。在实验进行过程中,通过定量和变量的实验,对实验参数(载荷、线速度、润滑条件)进行测算,可以得到不同材料所带来的摩擦系数。(2)产品外形7(3) 技术参数:1、最大试验力:5000N 2、主轴转速范围内:1001500r/min3、试验力杠杆比: 10 :14、摩擦力杆标尺刻度:0.5N/100mm5、试验油温度范围: 室温1006、试验力施加速率: 8.9213.33N/s7、标准试环尺寸:49.22mm13.06mm8、标淮试块尺寸: 口 12.32mm19.05mm9、试验机外形尺寸(长宽高)mm:主 机:1140mm660mm1620mm施力装置:460mm460mm900mm 2、四球摩擦磨损试验机(1)、主要用途8该机器以点接触滑动摩擦的形式,可测定润滑剂的承载能力。(2)、主要技术参数1)试验力范围:60N10kN;误差1%2)摩擦力测试范围:0300N;误差3%3)主轴的转速范围:2002000r/min;可存在误差为10r/min 4)摩擦副工作的环境温度控制范围:室温200; 5)试验可进行的时间控制范围:1s99h6)主轴转速控制范围 1110-6转(3) 产品外形3、高温往复摩擦磨损试验机(1)主要用途与功能9主要用途在于对材料和表面涂层在高温环境下的摩擦磨损测试。这要机器使用的是磁致驱动可进行自动加载,可在高温、润滑的条件下完成点、线、面接触形式的测试。(2)参数指标1)行程范围:1 10mm;精度0.01 2)摩擦力测量范围:0 100N;精度 3% 3)试验力范围 1 200N;精度 1% 4)摩擦副的形式:销-盘摩擦、球-盘摩擦、柱-瓦摩擦 5)直线往复式运动6)测试环境温度范围:室温800;(3) 产品外形4、材料端面高温摩擦磨损试验机(1) 主要用途:该机主要用于在高温状态下以滑动摩擦的形式对端面、销盘等试样进行摩擦磨损性能的评定。该机器使用的是液压闭环伺服系统在未加10载,使用这种试验力的加载方式可以是机器运行平稳可靠,并且力的大小可控;并且计算机可控制主轴的转数、转速、时间等参数,可事实记录实验数据并绘制,调阅、存储、打曲线图。(2) 主轴及其驱动系统产品型号 MMU-5G试验力范围 505000N试验力精度 1主轴转速范围 12000 r/min最大摩擦力 300N测试环境温度范围 室温1000外形(长宽高) 1200mm810mm1700mm这种嵌入式计算机,能够达到对整机与试验全过程的控制,可以显示出各种参数,并能够自动记录存储时间曲线摩擦力时间曲线和温度。(3) 产品外形115、 高速端面摩擦磨损机(1)主要用途:这台机器能够在一定的压力下,用滑动摩擦的形式,在大范围的转速内和可变化的润滑条件下,可评估金属、润滑剂、涂层、陶瓷、塑料、橡胶等材料的摩擦磨损性能。这台机器优点是摩擦副种类多、微机控制方式灵活、高温工作、可大范围调速,方便使用等特点。(2)技术参数与指标:1) 试验载荷:02000N(示值误差0.5) 2) 主电机功率:5.5KW (三相 380V)3) 转速(变频无级调速):05800 转/分 4) 表面温度测量范围:室温300(示值误差1) 125) 油箱温度控制范围:室温200(示值误差5) 6) 摩擦力矩测量:020 Nm (示值误差0.5) 7) 标准试样尺寸 上试样 外径:120mm;内径:110mm;下试样: 125mm 8) 电源:三相电机、380V、40A、专用数据处理计算机、19 寸液晶、1 通讯卡、RS-485 通讯卡(3) 产品外形131.3 小结根据上述摩擦磨损试验机分析,得出本次设计的主要思路,完成多用滑动摩擦磨损试验机的设计,在设计过程中完成机械结构部分的设计并完成 CAD 二维图的绘制,并给出以下参数:(1) 主轴转速范围:03000 r/min、无级调速;(2) 机器工作的环境最高温度 1000 ;(3) 加载力可调范围:020 N,砝码加载;(4) 试件的最大尺寸为 80 mm,试件最大厚度 10 mm。本次设计要求设计合理,结构使用得当,计算数据准确,以达到本次设计的标准。14第二章 对摩擦磨损试验机造成影响的因素摩擦磨损试验就把生活中发生的或是预计发生的摩擦磨损现象放在实验室中进行测试、测算,并寻找到好的办法去改良、规避这样的摩擦磨损,在实验的过程中,选定的参数进行单一变量的测量方法研究摩擦磨损试验系统,其中会有其他元素的对实验产生影响。所以,在设计摩擦磨损试验机时,要考虑到一些因素的组成,如图 2-1 所示是基本的系统图,测试参数可由实验时的需求选定。图 2-1 ,1 、 2 摩擦件;3、润滑剂;4 气氛152.1 试验参数的影响;(1)运动形式的影响摩擦副和试件的形状可以确定运动的方式。在确定试验机前,需要对摩擦副部分进行确定,在这部分中的运动形式有:滑动摩擦、滚动摩擦、自旋式和冲击式,不同的摩擦形式都会对应着不同机构的使用方法。所以,实验前必须对照好实验所需摩擦副,再进行选择试验机。不同的试验机也有着不同的实验精度,在实验过程中也必须把握好试件的材料选择。(2)、负荷的影响实验的稳定性对实验结果会产生很大的影响,而负荷就是影响这一因素的关键参数,试验机对加载力的要求是有确定范围的,因此,加载系统的选择方面必须要慎重,以尽量减小摩擦阻力为原则进行选择,较常用加载方式以液压式、机械式、电磁式为主。液压加载方式最大的不足点就是不容易维持负荷的稳定。然而,机械式加载就弥补了这方面的缺点,这种加载方式可拆分为杠杆加载、弹簧加载、砝码加载等,其优点就是设计结构简单,方便操作,在加载时不会产生震动和冲击,不用考虑负荷问题。虽然弹簧加载产生振动小,但精度并不高,加载力的范围有限。电磁加载就可以有效解决上述两种方法中的问题,可以完成负荷的自动控制,但是很少有试验机把这种成本高、结构复杂的加载系统安装在实验机上。(3)、滑动速度的影响;滑动速度作为一个重要的参数会对实验结果产生很大的影响。滑动速度是一方面,在方向上也分为单向滑动、往复滑动,所以,技术人员就会根据滑动方向设计出相应的试验机,其中往复滑动也包括摆动式滑动和直动式滑动。为了达成摆动的方式常用凸轮机构或者曲柄摇杆机构来完成,同时也可以使用伺服电机和步进电机来完成此目的。滑动速度在实验过程中必须可以在一定的范围内进行调整以达到实验目的,一般情况下会使用有级调速和无级调速。其中有级调速的方式是通过变换齿轮的大小或用 V 带传动的方式改变速度比来完成而。无级调速有两种方法:(1)使用摩擦轮和差动轮系进行机械式无级调速,速度的可调节范围不大,(2)无级调速电机可以完成这样的操作,像直流伺服16这样的电机就可以完成 0-2000r / min 的调速范围,如果想使用电机完成无级调速,就必须要配合速度控制环节,使用闭环控制可以使速度更加稳定。(4)、温度对试验机的影响;温度也同样可以控制实验的结果。不同的温度环境下材料会出现不同的状态,对摩擦的影响会很大,有的试验必需要在限定的温度环境下进行,而这方面的试验机也并没有大量生产,对实验的数据收集造成了很大的影响。高温环境不仅对试件的性质造成影响,同样也会影响到实验机的结构、材料等因素。若想达到高温效果通常会采用电阻丝加热,或高频加热。低温操作时就简单得多,低温冷却或保持环境温度低。(5)、气氛的影响;有的实验也会对湿度或者真空有明确的要求。其中湿度是较容易就觉得因素,可以把实验部分密封起来在密封袋中加水,通过湿度计的测量,就可以实现实验的湿度要求。相比之下,真空的要求就会很高,绝对的真空还是很难实现的,但是一般情况下会使用泵来抽去密封容器的空气来达到真空的效果,这样会有一定的误差。(6)、试验时间对试验机的影响;实验时间同样会对实验结果会产生一定的影响,一般情况下试验机会安装计算机终端,试验时间会通过计算机软件进行控制,而且会自动绘出时间变化曲线,方便看出实验结果。2.2、负荷对实验的影响;(1)在设计装置时,需要有一个结构专门测量负荷,这种装置会根据加载方式而定。举例说明:如 Timken 试验机的杠杆砝码加载方式,负荷值是可以简单直观的根据砝码得到的;如 AMSLER 试验机由弹簧变形来确定负荷值,并通过游标显示变化量的,在进行计算可得结果;如 MQ-800 型四球式摩擦试验机是属于液压加载,其负荷值是通过压力计算得到的。包括上述的实验基金,都可以用安装负荷传感器,直接测得负荷值,安装时应靠近摩擦副的位置以减小误差。17(2)摩擦力、摩擦系数产生的影响;一般在实验机上会安装一个装置去测主轴上的扭矩,或者在试件上安装测摩擦力的装置这样就可以得到摩擦力、摩擦系数、主轴扭矩,由公式可知u=F/P ,P:负荷, F:摩擦力,就可以算出摩擦系数。测主轴上的扭矩通常使用弹性元件来测量的;如果测量摩擦力,在试件转动时沿着转动方向安装检测装置,这样放置可以减小摩擦阻力,放置测量时增加阻力值,有效的提高实验精度 。图 2-4 (3)速测装置的影响;有的试验机实验过程中需要确切的速度值,会在实验机上安装测速装置,一般使用机械式计数器,记录时间和转数得到速度。(4)测温方法对实验的影响;测温方法相对复杂,一般情况要测量润滑剂温度或是摩擦副的摩擦面温度,最不容易完成的就是摩擦面温度,因为在实验过程中,试件的表面温度在不断变化,而且没有仪器可以触碰到,所以只有红外测温法能完成测温。(5)磨损量对实验的影响;在实验中一定会产生磨损,而磨损量也会对实验产生一定的影响。通常测量磨损量的方法就是在试验之后把时间取下来,根据划痕,质量上的改变,进18行对比计算去估计其影响。19第三章 方案分析与结论3.1 整体分析根据前几章的分析:加载系统是试验机主要承载的负荷、主传动系统是由电机传递给主轴的再传给试件、摩擦盘夹持系统是为摩擦副专门设计制作的方便夹持试件、加热及冷却系统可以给实验一个良好的工作环境、等主要部分。上述的各个部分都有多种可选择,多种组合方式,同样也能得到不同的可组合方案。3.2 制定设计方案方案一:如图 3-1 所示20图 3-1 设计方案一的组成与分析:(1) 主传动系统:以同步带链接主轴与电机,驱动方式选用三相异步电动机和变频器的驱动,试件转动速度与电机保持一致;(2) 加载系统:为了达到大范围的加载力控制选用伺服控制可以进行持续的加载力;(3) 摩擦盘夹持系统:为了方便夹持试件制作特殊的夹持器,夹持器夹紧可以使试件固定从而随着主轴一起转动;(4) 摩擦销进给系统:通过分度盘和手动旋转调节横杆前后移动,可以方便调节摩擦副的位置。 方案二:如 3-2 所示。21图 3-2设计二方案的组成与分析:(1) 主传动系统:通过 V 带和带轮链接电机和主轴再带动摩擦盘转动,可以提高电机的传动效率;(2) 加载系统: 电机作为动力源控制加载,再由滑块和 T 型导轨调节加载力;(3) 摩擦盘夹持系统:为了方便夹持试件制作特殊的夹持器,夹持器夹紧可以使试件固定从而随着主轴一起转动;设计方案三:如图 3-3 所示。22图 3-3 设计方案三各部分的组成:(1) 主传动系统:由三相异步电动机、变频器直接链接主轴中间不加其他结构;(2) 加载系统: 砝码加载以保持系统的稳定性;(3) 摩擦盘夹持系统:为了方便夹持试件制作特殊的夹持器,夹持器夹紧可以使试件固定从而随着主轴一起转动;(4) 摩擦销进给系统:通过分度盘和手动旋转调节横杆前后移动,可以方便调节摩擦副的位置,同时添加可旋转分度盘可进行调节横梁,方便调节与加23载。(5) 加热、冷却系统:在摩擦副外面添加加热箱,加热箱与底座之间用隔热板隔开,以起到保护作用。3.3 方案比较方案一,使用同步带传动电机的动力,没有改变传动效率使传动较为平稳,这样可以防止过度的载荷损坏电机,由于使用齿轮传动,会造成较大的噪音并且伴随着震动,而齿轮与需要提前进行刚度、度的校核,工作时也会出现损坏导致工作的阻碍。伺服控制加载不是最合理的方式,这样做会使成本变高,机器变得更复杂,操作不顺会造成失误,得不偿失。横梁的刚性差,在实验中无法达到标准,对实验结果影响较大。方案二,V 带链接主轴与电机是一个较好的选择,既可以提高传动效率又可以减小加载时的冲击,运行平稳可以降低大量的噪音,使主轴与电机之间的热影响较小。特殊制造的摩擦盘夹持器在旋转的精度方面和整体性得以保障。电机控加载可以维持连续性,加载力在一定范围可进行调整,T 型导轨与横梁的配合会使整体结构更加稳定。但是工作效率比较低,设计复杂,制作成本高,不适合本次设计。方案三,使用的电机直接接到主轴上,避开齿轮的磨损,以及传递效率的降低,简化了结构,却规避了许多影响因素,特殊制造的摩擦盘夹持器在旋转的精度方面和整体性得以保障。电机控加载可以维持连续性。砝码加载虽然不如电机加载范围大,但是更加稳定,更加适用于学习研究的过程,准确的数据可以让实验室总结出的规律更加精准,误差小。立柱下端的旋转盘与特制横梁相结合是非常稳定的,并且容易调整固定,无论在使用操作上还是实验精度方面都起到良好的作用。经过分析可以得出结论,我的选择更倾向于砝码加载,电动机直接驱动主轴,即简化结构节约成本,又可以达到实验的目的和要求,满足设计的需求。所以使用方案三。24第四章 结构的设计与相关计算4.1、主要的性能指标由前几章中的分析比较,和第一张确定的参数数据可知:4.2、主传动系统的设计流程试验机的主传动路线为:变频调速三相异步电动机主轴摩擦盘夹持器摩擦盘。4.2.1 电机的选择与计算:摩擦销和摩擦盘之间的动摩擦系数: 则摩擦产生的最大功率 : (4-1)“注: Pm 是摩擦产生的最大功率(Kw)、 F 是相互作用力(N)、 v:是相对运动速度(m/s)、f 是滑动摩擦系数、 Fn 是正压力(N)、 R:是摩擦力作用电相对旋转轴的距离(m);”Pm 0.251 KaxfFn2/60R120.43/60滚动轴承的传动效率 : 则总传动效率: 电动机的输出功率: (4-2)总P出 m25出PKw 0.269598.01 为了使电动机的功率留有余量,负荷率取:0.85“根据参考资料得,选择的电机型号为 YVF280M1-4(摘自 JB/T 7118-2004)该电机的主要参数为: 额定功率 ; 额定转矩 ;同步转速: ; 电机轴: 。”结构图如图 4-1、 4-2 所示图 4-126图 4-24.2.2 主轴计算:1、主轴转速、输出功率、转矩计算:由电机计算可得出 , KWPm256.0min/30rn则转矩 NnTm .790256.992、轴的最小直径相关计算:计算公式为 (4-15)3032.095nPAdT选择主轴使用的材料为 ,根据手册可得:rC4126,50AT则 , 取md51.302.16d6所以主轴上直径最小处: mm3、主轴的结构相关设计(1)拟定轴上的零件装配方案,(2)确定轴向定位的需要的轴各段直径和长度:见图 4-727图 4-7 1)为了满足带轮的尺寸要求 ,mL172d2412)初步选择滚动轴承。因轴承受有径向力和轴向力的作用,故选取深沟球轴承和推力球轴承,初步选取 0 基本游隙组,标准精度级的深沟球轴承 6206 和推力球轴承 51206,其尺寸分别为 、mBDd16230,故 , 。mBDd752304L50433)根据结构要求拟定 , ;L36832, ;1054md405, ;L65365, 。3276d2076(3)、轴的强度校核:按扭矩的强度计算,如下:(4-16)TTdnPW32.095已知 ,25min,/0,56. TmrK则 32.09814dT由设计得轴的最小直径是 ,d2076TT 59.02.3814min则其他各段也符合要求。284.2.3、主轴上键的强度校核:键所在的轴,直径为 24mm,根据机械设计手册 ( 摘自 GB/T1095-2003,GB/T1096-2003)选取键的尺寸选定为 ,普通平键连接的强度条8714件为:(4-17)3210kldTpp式中: d 是轴的直径;l 是键的工作长度,l=L-b=14-8=6;h 是键的高度;p是许用压力;k 键与轮毂键槽的接触高度,k=0.5h,T 传递的转矩,取,则24,7,14,0phl33 3d202.5101.5610a624kllFTp MPapP :所以,键的强度是满足要求的。4.2.4、横梁的强度校核:横梁承受的是实验室的加载力,无论是轴向力或是切向力最大为 20 N,在试件一端固定在横梁上后,对横梁的冲击依然很小。所以,横梁是可以承受强度和刚度的载荷,并且满足试验机设计合理性。4.2.5、丝杠螺母副的计算:螺母的轴向位移: (4-18)2lspx式中: 是螺杆转角,rad;s 是导程,mm;p 是螺距,mm;x 是螺纹线数; 令该螺纹为单线螺纹,则 x1;摩擦销移动的距离为 40 mm,可设定螺纹长度 L50 mm;设计使螺纹移动 40 mm,手轮转动为 8 圈,即:rad 281629mm (4-19)240516lpx由此可知: mm sp螺纹中径: (4-20)20.8Fd式中: 为螺母的参数,整体式螺母取 1.2 - 2.5,分体式螺母取 2. 5- 3.5;P 是螺纹副的压强,N/mm2;可取 ; 2,9p带入数据,有: mm 200.8843pFd由系统结构特点,取: mm ;2.517.丝杆公称直径 d=20,小径:20-5.5=14.5mm螺母高度: mm 2.3Hd丝杆旋转圈数: 57(102)np:基本牙型高度: mm 0.h工作压强: 2110.0143.42.57Fp pdn工作收到的压强可以满足要求。为了保证自锁,螺纹升角: 0f.9arctnarctn4258osos螺纹牙根部的宽度: mm0.65.3.bp304.2.6、轴承的校核:在整个试验机的结构设计中,用到了三处轴承:主轴 3 上到轴向力和径向力使用深沟球轴承和推力球轴承、丝杠、横梁旋转轴处的轴承使用的是角接触球轴承。后两处轴承的作用在于支撑,受力小,不进行计算;再此需要校核深沟球轴承和推力球轴承校核:深沟球轴承、推力球轴承的使用寿命校核1 根据主轴设计可知: mNnPTm .7903256.095950由带轮计算可知:d8.75on20o则 NdTFt 79.2108.7592 NFntr 14.763cos20tan.cosa0ta则 0taF查机械设计得深沟球轴承的最小 e 值为 0.22,故此时0eFta
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