1、课 程 设 计 说 明 书课程名称： 现代设计方向课程设计 题 目：CA6140 车床箱体设计分析优化仿真 机 械 工 程 学 院 （ 系 ） 机 械 设 计 专 业班 级： 机 自 0806 学 号： 0401080625 学生姓名： 刘体欢 指导教师： 何雪明 2011 年 9 月 1现代机械 CAD课程设计任务书一. 设计目的和要求现代机械 CAD课程设计是机械设计专业方向课程中实践性较强、综合性突出的重要教学环节，使该专业方向的学生在校期间最后一次（除毕业设计外）进行的较长时间、较系统、较全面的工程设计能力训练，在实现学生总体培养目标中占有特别重要的地位。对于树立学生的创新精神，培养学
2、生设计的系统性、可靠性、完整性意识，激发学生用依据理论结合计算机技术解决工程实践问题的兴趣，加深同学对课程所学内容的综合理解和掌握具有举足轻重的作用和十分重要的意义。本教学环节的实施目的是：1、通过课程设计实践，树立正确的现代的机械设计思想，培养综合运用机械设计 、 现代设计方法学 、 自动机械设计课程和计算机辅助设计/辅助分析/辅助制造（CAD/CAE/CAM） 、 有限元分析 、 优化设计 、可靠性设计等其他先修课程的理论与生产实践知识来分析和解决用计算技术对现代机械的进行完整设计所涉问题的能力。2、学习用计算机技术进行现代机械设计的一般方法，掌握计算机辅助现代机械设计的一般规律和所需技术
3、和软件。3、用计算机进行现代机械设计基本技能的训练：例如计算（Matlab） 、分析（UG/Scinario、有限元分析、机构运动分析、结构分析和参数化设计模块） 、修正、绘图（UG/Drafting/Assembly/FreeForm） 、查阅资料和手册、运用标准和规范。24、有条件的话，可熟悉现代设计中涉及的计算机技术（计算机辅助制造 UG/Manufacturing）和其他流行 CAD 软件（ANSYS、ADAMS、Pro/E）的使用操作，全面掌握现代计算机辅助机械设计的全过程。课程设计教学的基本要求是：1、能从机器功能要求出发，制定或分析设计方案，合理的选择电动机、传动机构和零件。2、
4、能按机器的工作状况用 Matlab 分析和计算作用在零件的载荷，合理选择零件材料，正确计算零件主要参数及尺寸。3、能考虑制造工艺、安装与调整、使用与维护、经济性和安全性等问题，对机器和零件进行结构设计。4、绘图表达设计结果，图样符合国家制图标准，尺寸及公差标注完整、正确，技术要求合理、全面。5、掌握使用计算机进行设计计算和使用计算机进行结构设计并绘制装配图（UG/Assembling） 、零件图（UG/Drafting）的方法。6、进行有限元分析（UG/Master FEM+或 ANSYS） 、机械运动动态分析（UG/Motion 或 ADAMS）或和机械结构分析（UG/Structures
5、或 ADAMS）并对整个装置进行针对性分析并取得合理的改进。二、设计学时和学分学时：3 周 学分：1.5三、设计的主要内容课程设计题目常以一般用途的机械装置为主，也可以做其他设计题目，其他工作量相当于 C6140 机床的主传动部分设计。3每个学生应相对独立完成：确定机器或传动装置的总体方案，选定电动机和传动机构，并完成其运动学计算；进行传动零件以及轴、轴承、键联接、联轴器的设计计算，选择有关零、部件的规格；结合设计计算，穿插进行主要零件的结构设计；用绘图机器或传动装置的总体结构设计并综合考虑其润滑与密封等问题；进行轴的精确校核计算；用计算机绘图软件（Ug 或 Pro/E）绘制正式装配图和零件图
6、；用有限元分析模块（UG/Motion 或 ADAMS）和机械结构分析模块（UG/Structures 或 ADAMS）对整个装置进行分析并取得合理的改进，整理、撰写设计说明书；总结设计，准备答辩内容。设计题目可仅给机器所需实现的功能，由学生自行设计传动方案；亦可给定传动方案，由学生分析后进行设计。学生应提交的设计成果包括：1. 机器或部件正式计算机装配图 1 张（UG/Assembly） ，A0 图纸。2. 零件工作图 3 张（UG/Drafting） ，A2、A3 或 A4 图纸。通常为关键轴、关键零件工作图。3. 有限元分析效果图 1 张（UG/Master FEM+）4. 设计计算说明
7、书一份，说明书应包括：确定装置总体方案，运动学、动力学计算（Matlab 程序） ，关键零件的设计计算，轴、轴承、键联接的校核计算（Matlab 程序）等内容。四、设计的进行方式由指导老师给出设计课题，学生在规定时间内。在规定的地点由教师指导独立完成设计。五设计时间安排按以下进程安排 4 周，共 20 天设计周期：4（1） 方案设计（含选电动机、传动装置的运动学、动力学计算） （2 天） ；（2） 传动件设计（0.5-1 天） ；（3） 装配草图设计（4-5 天） ；（4） 装配工作图设计（3、5-4、5 天） ；（5） 零件工作图设计（0、5 天） ；（6） 有限元分析效果（3 天） ；（7
8、） 机械运动动态分析图（1、5-2 天） ；（8） 机械结构分析图（1、5-2） ；（9） 某个零部件的修正图（0、5-1 天） ；（10） 编写设计计算说明书（1-2 天） ；（11） 答辩（1 天） 。设计过程中安排一次机床或成熟机械装置装拆试验和观摩模型实物展览室，进一步增强学生的感性认识；安排 16-24 学时集中讲课，讲解各软件及其模块的使用要点；其他时间采取集体辅导与个别指导相结合的指导方式。其中讲课、辅导穿插在各阶段进行。目 录第一章 机床的规格和用途 6第二章 机床主要参数的确定 6-7第三章 传动方案和传动系统图 7-105第四章 主要设计零件的计算和验算 10-21第五章
9、运动仿真及有限元分析 21-27第六章 操纵机构、制动机构及润滑、调整的明 27-30第七章 设计优缺点和设计体会 30第八章 参考资料编目 30-31第一章 机床的规格和用途CA6140 机床可进行各种车削工作，并可加工公制、英制、模数和径节螺纹。主轴三支撑均采用滚动轴承；进给系统用双轴滑移共用齿轮机构；纵向与横向进给由十字手柄操纵，并附有快速电机。该机床刚性好、功率大、操作方便。第二章 主要技术参数工件最大回转直径：在床面上400 毫米6在床鞍上210 毫米工件最大长度（四种规格）750、1000、1500、2000 毫米主轴孔径 48 毫米主轴前端孔锥度 400 毫米主轴转速范围：正传（
10、24 级） 101400 转/ 分反传（12 级） 141580 转/ 分加工螺纹范围：公制（44 种）1192 毫米英制（20 种） 224 牙/ 英寸模数（39 种） 0.2548 毫米径节（37 种） 196 径节进给量范围：细化 0.0280.054 毫米/ 转纵向（64 种） 正常 0.081.59 毫米/转加大 1.716.33 毫米/ 转细化 0.0140.027 毫米/ 转横向（64 种） 正常 0.040.79 毫米/转加大 0.863.16 毫米/ 转刀架快速移动速度：纵向 4 米/分横向 4 米/分主电机：功率 7.5 千瓦转速 1450 转/分快速电机：功率 370 瓦
11、转速 2600 转/ 分冷却泵：功率 907瓦流量 25 升/分工件最大长度为 1000 毫米的机床：外形尺寸（长宽高）266810001190 毫米重量约2000 公斤第三章 传动方案和传动系统图1.确定极限转速已知主轴最低转速 nmin 为 10mm/s,最高转速 nmax 为 1400mm/s，转速调整范围为 Rn=nmax/nmin=142.确定公比选定主轴转速数列的公比为 1.123.求出主轴转速级数 ZZ=lgRn/lg+1= lg14/lg1.12+1=244.确定结构网或结构式24=23225.绘制转速图（1）选定电动机一般金属切削机床的驱动，如无特殊性能要求，多采用 Y 系列
12、封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。Y 系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠。根据机床所需功率选择 Y160M-4，其同步转速为 1500r/min。（2）分配总降速传动比总降速传动比为 uII=nmin/nd=10/15006.6710 3,nmin 为主轴最低转速，考虑是否需要增加定比传动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向与轴向尺寸，并分担总降速传动比。然后，将总降速传动比按“先缓后急”的递减原则分配给串联的各变速组中的最小传动比。（3）确定传动轴的轴数传动轴数变速组数+定比传动副数+1=6（4）绘制转速图先按传动轴数及主轴转速级数格距 lg 画出网格
13、，用以绘制转速图。在转速图上，先8分配从电动机转速到主轴最低转速的总降速比，在串联的双轴传动间画上u(kk+1)min.再按结构式的级比分配规律画上各变速组的传动比射线，从而确定了各传动副的传动比。101112第四章 主要设计零件的计算和验算本人主要担任的设计任务为 CA6140 型普通车床轴及轴上零件设计，包括了轴以及齿轮轴承的设计与校核，先选择部分分析如下。4.1 齿轮的验算验算齿轮强度，应选择相同模数承受载荷最大的齿数最小的齿轮，进行接触应力和弯曲应力验算。一般对高速传动的齿轮验算齿面接触应力，对低速传动的齿轮验算齿根弯曲应力。对硬齿面、软齿芯渗碳淬火的齿轮，一定要验算齿根弯曲应力。接触
14、应力的验算公式为（MPa） （4-1）123j2081SjuKNZmBn j弯曲应力的验算公式为（4-2）5123w()SwjMPaY式中 N-齿轮传递功率（KW） ，N= ；dN-电动机额定功率（KW） ；dN-从电动机到所计算的齿轮的机械效率；13-齿轮计算转速（r/min）;jnm-初算的齿轮模数（mm）;B-齿宽（mm）Z-小齿轮齿数；u-大齿轮与小齿轮齿数之比，u1， “+”号用于外啮合， “-”号用于内啮合；-寿命系数：SKTnNQ-工作期限系数： 160TOKmCT-齿轮在机床工作期限（ ）内的总工作时间（h） ，对于中型机床的齿轮取ST=1500020000h，同一变速组内的齿
15、轮总工作时间可近似地认为 T= /P，P 为变速S ST组的传动副数； -齿轮的最低转速（r/min）;1n-基准循环次数；查表 3-1（以下均参见机床设计指导 ）OCm疲劳曲线指数，查表 3-1；速度转化系数，查表 3-2；nK功率利用系数，查表 3-3；N材料强化系数，查表 3-4；Q的极限值 ， 见表 3-5，当 时，则取 = ；当 SKmaxSinSKSKmaxSKmaxS时，取 = ；minin工作情况系数，中等冲击的主运动，取 =1.21.6；1 1动载荷系数，查表 3-6；2K齿向载荷分布系数，查表 3-9；3Y标准齿轮齿形系数，查表 3-8；14 许用接触应力（ MPa）,查表
16、 3-9；j 许用弯曲应力（ MPa） ，查表 3-9。w如果验算结果 或 不合格时，可以改变初算时选定的材料或热处理方法，如仍不满jw足时，就得采取调整齿宽或重新选择齿数及模数等措施。三轴上的三联滑移齿轮采用整淬的方式进行热处理传至三轴时的最大转速为： 1305694148.6/min2nr3 7.0238N= =5.42kwdN14.6/injnr3在三联滑移齿轮中齿数最少的齿轮为 412.25，且齿宽为 B=12mmu=1.05= =1250MPj32081(.051).23.04725.1894. 86MPAAj故三联滑移齿轮符合标准验算 502.5 的齿轮：502.5 齿轮采用整淬
17、148.6/minjnr372059.0.90.682N= =5.1kw B=15mm u=1 dN= =1250MPj3081()1.243.7519052.86MPAAj故此齿轮合格验算 633 的齿轮：633 齿轮采用整淬 148.6/minjnr72059.0.90.68215N= =5.1kw B=10mm u=4dN= =1250MPj32081(4)1.2043.7518686MPAAj故此齿轮合格验算 442 齿轮：442 齿轮采用整淬 148.6/minjnr372059.0.90.68N= =5.1kw B=10mm u=1dN= =1250MPj32081()1.243.
18、75129486MPAAj故此齿轮合格图 4-14.2 传动轴的优化设计与验算4.2.1 传动轴的优化在满足设计结果的基础上，尽量降低轴的成本，其中最重要的方法之一就是降低轴的质量，因此就需要我们进行优化设计。16由传动轴上弯曲载荷的计算，一般由危险断面上的最大扭矩求得： m105.486.12095mn1095 44j4 NNM）（扭式中 N该轴传递的最大功率（kw）;该轴的计算转速（ r/min） 。j以传动轴的质量最小作为目标函数，在满足强度和刚度的条件下追求质量最小。轴所选用的材料 20CrMnMo 的密度 为 36-m/kg108.7目标函数建立如下： 22)()5()23(), d
19、aadf 约束条件如下：（1）扭转强度约束条件要使轴正常工作，其工作应力必须须小于许用应力，即 TW式中 T-传动轴的最大扭矩，给定 mNT4105. 336/dWTT 实 心 轴轴 的 抗 扭 截 面 模 量 ， 对PaM2轴 的 许 用 抗 扭 应 力 ， 取因此轴的扭转强度所决定的约束条件为即 0163dT0514.363d（2）扭转刚度度约束条件根据扭转刚度，要求扭转变形小于许用值，即80PGJT式中32/ /109.7P109.7-4dJmNaGP实 心 轴轴 的 抗 扭 截 面 模 量 ， 对的 许 用 值 ，单 位 长 度 的 扭 转 角因此扭转刚度所决定的约束条件为 014.3
20、814.309.75218032 adadGT即17（3）几何约束条件 mda3502建立数学模型如下： 261261 )(108.743)5(108.743)2()in xxxf )(1xg5.0632)(2 014.3814.09.712x035)(265143xg在 LINGO 中输入代码并得到结果：图 4-218因此 选取 a=5mm，d=30mm4.2.2 传动轴的验算对于传动轴，除重载轴外，一般无须进行强度校核，只进行刚度验算。轴的抗弯断面惯性矩（ ）4m花键轴 =424()()6dbNDdIA4 243268(3)().5310m式中 d花键轴的小径（mm） ；i花轴的大径（mm
21、） ；b、N花键轴键宽，键数；传动轴上弯曲载荷的计算，一般由危险断面上的最大扭矩求得：=4j9510(m)nMA扭 445.2910.1086NmA式中 N该轴传递的最大功率（kw）;该轴的计算转速（ r/min） 。jn传动轴上的弯矩载荷有输入扭矩齿轮和输出扭矩齿轮的圆周力、径向力，齿轮的圆周力：tP432.510.81NDt 扭 （ ）式中 D齿轮节圆直径（mm）,D=mZ。齿轮的径向力 ：rP()/cos()902rtgNA式中 为齿轮的啮合角；齿面摩擦角；齿轮的螺旋角；=27.86mm22()0.1MTdm符合校验条件花键轴键侧挤压应力的验算花键键侧工作表面的挤压应力为： max28,
22、()()njy jyMPaDdlNK19式中 花键传递的最大转矩（ ） ；maxnMNmAD、d花键轴的大径和小径（mm） ；L花键工作长度；N花键键数；K载荷分布不均匀系数，K=0.70.8；428.5102.20()(36)7jy jyMPaPaA故此三轴花键轴校核合格图 4-34.3 轴组件的刚度验算两支撑主轴组件的合理跨距主轴组件的跨距对其刚度的影响很大，在绘制主轴组件的结构草图后，可以对合理跨距L。进行计算，以便修改草图，当跨距远大于 L。时，应考虑采用三支撑结构。机床设计的教科书中的主轴组件柔度方程系在主轴端部 C 点家在时主轴和轴承两相柔度的迭加，其极值方程为： 3610oBOB
23、AEIlCL式中 L。合理跨距；C 主轴悬伸梁；20 后前支撑轴承刚度ACB该一元三次方程求解可得为一实根：3321()()1BOABAOEILmCL并 且机床传动轴用滚动轴承，主要是因疲劳破坏而失效，故应进行疲劳验算。其额定寿命的计算公式为：hjhjFNnnj50()()CfKlP() Lh T105nFfLThl或 按 计 算 负 荷 的 计 算 公 式 进 行 计 算 ：式 中 额 定 寿 命 （ ;计 算 动 载 荷工 作 期 限 （ ),对 一 般 机 床 取 小 时 。C滚动轴承的额定负载（N）,根据轴承手册 或机床设计手册查取，单位用（kgf ）应换算成（ N） ；速度系数， 为
24、滚动轴承的计算转速（r/mm） nf 103nif寿命系数， nf 50nnLf等 于 轴 承 的 工 作 期 限 ；寿命系数，对球轴承 =3，对滚子轴承 = ；103工作情况系数，对轻度冲击和振动的机床（车床、铣床、钻床、磨床等多数Ff机床） ， ；1.3功率利用系数，查表 33；NK21速度转化系数，查表 32；nK齿轮轮换工作系数，查机床设计手册 ；lP当量动载荷，按 机床设计手册 。124863nLhT0395n故轴承校核合格第五章 运动仿真及有限元分析整体运动仿真如下：22图 5-1对齿轮进行简化，应用 UG 软件进行静力学分析，结果如下：齿轮受力变形图和节点云彩图（X 和 Y 方向
25、）23图 5-2图 5-324第六章 操纵机构、制动机构及润滑、调整的说明一机床的操纵机构用于控制机床各执行件运动的启动、停止、制动、变速、换向等。随着机床的自动化，操纵机构越来越简化。操纵机构不直接参与机床的成形运动，对机床的精度和刚度无直接影响，但对机性能的发挥和操作者的劳动强度有一定的影响。因此对操纵机构的要求是：轻便省力，操作方便，便于记忆，安全可靠。操纵机构一般是由三个部分组成的：（1）操作件，包括手柄、手轮等，见金属切削机床设计简明手册 。 （2）传动装置，包括机械的、电力的、液压的、气动的数种。在机械传动装置中常用的有杠杆、齿轮齿条和凸轮机构等。 （3）执行件，如拨块、滑块和销子
26、等。在机床课程设计中，常用的有摆动式操纵机构、移动式操纵机构和凸轮操纵机构等。二制动机构一般采用制动器。制动器的作用，是在机床停车时使执行件及其传动链迅速停止运动。它的工作原理是利用摩擦力矩使机件的动能转化为热能。机床的制动机构应满足如下要求：（1）机构简单、尺寸小。为此制动器应尽量装在高速轴上。 （2）制动时间在可能条件下应该尽量短些。但也不是越短越好。如果制动时间太短，则有可能因制动力矩太大而损坏机件。例如打掉齿轮，扭坏轴等。 （3）要保证使用安全。为此，制动机构与开停机构必须互锁。即离合器脱开时，制动器应制动；接通离合器前，制动器必须先断开。最简单的互锁方法是用同一个操纵机构，同时操纵离
27、合器和制动器。三润滑包括变速箱的润滑方式和润滑液压泵的选用1变速箱的润滑方式主要有飞溅润滑和循环润滑飞溅润滑，通过溅油轮和溅油齿轮，将润滑油甩至需润滑的部位，或经箱壁流到需润滑的部位。溅油轮应该安装在变速箱内接近油面部位的转速不变或25变化范围较小的轴上。溅油轮的圆周速度在 3-12.5m/s 为宜，浸入油面的深度通常为 12-25mm。如采用齿轮溅油，则浸入油面的深度通常为 2-3 倍齿高。飞溅润滑结构简单。缺点是搅油起泡影响润滑效果，并增加变速箱内的发热量和增大噪音。因此，只在要求不高和结构简单的情况下才有应用。循环润滑又可分体内循环和体外循环润滑两种。采用体内循环润滑时变速箱兼作润滑油箱
28、，各润滑元件均在变速箱体内，因而结构比较简单。但摩擦产生的热量仍留在变速箱体内。常用于较简单的变速箱。采用体内循环润滑方式时，应该尽量使传动件不浸入油内。体外循环润滑时，油箱、滤油器、润滑泵等润滑元件均在变速箱外。其优点是润滑油可以把热量带出变速箱，在油箱内冷却。这种办法可以使变速箱的温升较低，但结构要复杂些。2润滑油泵的选用润滑液压泵可以从金属切削机床设计简明手册中选取，有齿轮液压泵、柱塞液压泵和叶片液压泵等。3防漏和密封机床漏油分三等：渗油、滴油和流油。固定联接的部位每半小时滴一滴为渗油。活动联接的部位每五分钟滴一滴为渗油，每 2-3min 滴一滴为滴油，每分钟滴 5 滴为流油。防止漏油的
29、办法是堵和引，不堵就流出去了，只堵不引，等油积累多了也会渗出，要把堵住的油引回油池，就不会漏出体外了。四在课程设计中常会出现一些错误，通过调整消除影响。以下举几个常见的错误。1滑移齿轮运动干涉：在设计中有时为了缩短轴向尺寸，将固定齿轮之26间所需要的间距取小了，使滑移齿轮不能实现正常的滑移。设计时要注意画出运动极限的想象位置，以便检查是否会发生干涉，或是在齿轮两端倒圆角。同时滑移齿轮和轴承的干涉问题也要注意，适当在两者间留下空隙。2操纵机构的干涉：如拨叉和拨块间的干涉，可以通过其他组成零件的适当修改达到好的效果。对于在操纵过程中，滑移齿轮有越程的操纵机构，还要考虑到滑移齿轮的极限位置，以免滑移
30、齿轮与其他零件产生干涉。3展开图与剖视图的对应检查：主要是检查各零件之间的相对位置是否可行。4安装和拆卸：在主轴箱中，轴通常是先在外面装好，然后整个组件装入箱体。5轴的定位不足与超定位：装入箱体的轴要轴向固定，即限制向两端移动的自由度。如有一侧未限制，则轴将发生窜动，这是不允许的。但是，一侧有两处或两处以上的限制称为超定位，也是不允许的。结构比较简单的轴，一般易于判断。结构比较复杂时就较易发生超定位现象。第七章 课程设计体会历经三周的课程设计CA6140 车床主轴箱体及其传动间运动仿真，以及有限元分析和结构优化设计，尽管分配到 42 个人后的工作量并不是很大，但彼此之间的交流让我们设计感到非常
31、充实，并且从中学到许多知识。但是，因为是分工合作，所以每个人画的零件的尺寸在配合处存在很大的误差，这个最后的装配带来了很大的困难，但最后经过一次次的商讨，确定统一的尺寸还是解决了这个难题。还有应用优化设计软件对轴零件进行尺寸优化。这次设计在开25始的时候我们存在不少困难：在缺少设计图纸的情况下靠组员之间的默契配合对唯一一张装配图进行测绘再应用三维建模软件 UG 画出三维实体模型进行装配，之后再进行运动仿真。在这次设计之中，我们存在了许多不足，时间主要花在了实体建模和仿真的构建上。还有分析软件 -ANSYS 应用的并不不是那么得心应手，还存在了很大的问题。对于我们来说，分析起来充满了实际的困难。
32、第八章 参考资料编目1. 任殿阁，张佩勤 。机床设计手册。辽宁科学技术出版社。1991 年 9 月2. 东南大学机械学学科组 郑文纬 吴克坚。机械原理。高等教育出版社。1997年 7 月3. 付铁。计算机辅助机械设计实训教程。北京理工大学出版社。4. 查康 杨万能 麦灿基 王玉海 董敏。产品造型设计白金案例。山东电子音响出版社。2005 年 1 月5. 方世杰 。机械优化设计。机械工业出版社。2003 年 3 月6. 曹桄 高学满。金属切削机床挂图。上海交通大学出版社。1984 年 8 月7. 宋宝玉。简明机械设计手册。哈尔滨工业大学出版社。2008 年 8 月8. 华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学。机床设计图册。上海科学技术出版社。9. 陈易新。金属切削机床课程设计指导书。机械工业出版社。1985 年 11 月10. 戴曙。金属切削机床。机械工业出版社。2000 年 5 月11. 机械设计手册编写组。机械设计手册。机械工业出版社。1986 年 12 月12. 周四新。PROE 实用设计百例。清华大学出版社。2005 年 3 月13. 翁世修 王良申。金属切削机床设计指导书。上海交通大学出版社。1987 年8 月14. 邱宣怀。机械设计。高等教育出版社。2004 年 5 月
