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畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）
論文（設(shè)計）題目：
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計
姓 名
學(xué) 號
學(xué) 院
專 業(yè)
年 級
指導(dǎo)教師
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目錄
摘 要 I
Abstract III
第1章 概 述 1
1.1 液體靜壓支承技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況 1
1.2 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計的目的和意義 2
1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容 3
1.4 靜壓技術(shù)的發(fā)展趨勢 3
第2章 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的原理與應(yīng)用 5
2.1 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺 5
2.2 主要技術(shù)參數(shù) 6
2.3 靜壓支承相關(guān)設(shè)計 6
2.4 閉式靜壓回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計計算 10
2.5 相關(guān)部件的選型 13
2.6 本章小結(jié) 13
第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
3.1 傳動方案的確定 15
3.2 軸的設(shè)計與校核 20
3.3 軸上配合件的選用 23
3.4 蝸桿傳動的設(shè)計與校核 29
3.5 帶傳動的設(shè)計與校核 36
3.6 本章小結(jié) 39
結(jié) 論 41
參考文獻 43
致 謝 45
譯文和原文 47
72
摘要
摘 要
回轉(zhuǎn)工作臺，即帶有可轉(zhuǎn)動的工作臺面、用以裝夾加工工件并實現(xiàn)回轉(zhuǎn)和分度的機械設(shè)備，簡稱為轉(zhuǎn)臺或第四軸。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，機械加工對加工精度的要求越來越高，而回轉(zhuǎn)工作臺作為鏜床、鉆床、銑床等的重要附件，其性能對加工精度的影響極為顯著。傳統(tǒng)工作臺由于結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等條件的限制，已經(jīng)難以滿足日益提高的技術(shù)需求。動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺，是在傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加入一層常轉(zhuǎn)中盤結(jié)構(gòu)，并輔以靜壓支承技術(shù)，在純液體潤滑工作條件下實現(xiàn)差動回轉(zhuǎn)，從而克服如爬行等運動問題，提高回轉(zhuǎn)工作臺的運動精度和抗震能力，擴大工作臺的速度范圍，提高承載能力，使之具有較高的運動平穩(wěn)性，以符合更高的生產(chǎn)要求。本課題主要從主體結(jié)構(gòu)、傳動方式、動靜壓支承等方面探究了動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理及其實現(xiàn)方式。
關(guān)鍵詞 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺；液體靜壓支承；供油回路；蝸桿傳動；帶傳動
Abstract
Abstract
Rotating table is a mechanical equipment which is for workpiece clamping fixture. With development of modern industry, the demand for machining precision has greatly increased. As an important accessory for machine tools, rotating table has obvious significance on working accuracy. But the traditional rotating table is limited by lagging design and mechanical structure, this leads to a huge disparity between traditional rotating table and increasing technical requirement. Hybrid rotating table is an improvement based on old-fashioned rotating table. Changes in the mechanical structure and hydrostatic support make performance a big progress. Hybrid rotating table works in the pure liquid lubricant condition, and it helps to cover some motion problems like “crawling”. The new design brings better kinematic accuracy and shock resistance, amplifies the range of speed and carrying capacity. It makes hybrid rotating table high stability. This topic is trying to explore the working principle and implementation about hybrid rotating table by means of designing the major structure, kind of drive, dynamic and static pressure bearing.
Key word hybrid rotating table; hydrostatic support; fuel supply circuit; worm drive; belt drive
第1章 概述
第1章 概 述
1.1 液體靜壓支承技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況
液體靜壓支承是指借助外部的液壓系統(tǒng)將壓力油輸入支承工作面之間，借助液體的靜壓力來支承載荷，從而實現(xiàn)純液體摩擦的滑動支承。
與傳統(tǒng)支承技術(shù)相比，液體靜壓支承具有速度范圍寬、承載能力大、運動精度高等一系列的優(yōu)點，它也因此獲得了普遍的重視和廣泛的應(yīng)用。早在1878年的巴黎國際博覽會上，就曾出現(xiàn)了能靈活浮動的展品，這也被視作是液體靜壓支承最早的雛形。在1938年美國加利福尼亞州的帕洛馬爾山天文觀測站里，設(shè)計師在一臺200英寸天文望遠鏡上首次成功使用了液體靜壓推力軸承。這一望遠鏡雖然重達500t，轉(zhuǎn)速僅為1轉(zhuǎn)/天，但驅(qū)動功率僅為70W[[] 丁振乾. 我國機床液體靜壓技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)況[J]. 精密制造與自動化, 2003, 3: 19-21.
]。液體靜壓支承技術(shù)的優(yōu)勢在此得到了充分的展示。1945年，法國工程師P.Gerard發(fā)明了向心靜壓軸承，并將其成功地應(yīng)用于磨床砂輪主軸。在之后的數(shù)十年里，靜壓支承技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，應(yīng)用范圍日益擴大，幾乎滲透進了整個機械制造行業(yè)，催生了一批又一批的新興技術(shù)。
在國內(nèi)，上海機床廠于1958年首先開展了對這項技術(shù)的研究，以制造精密磨床。隨著研究的不斷深入和推廣，靜壓支承技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用也越來越頻繁，特別是在高精度、高效率和重型機床中取得了良好的成效。
伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，靜壓支承技術(shù)也取得了長足的進步，靜壓支承的應(yīng)用在今天已經(jīng)相當(dāng)?shù)钠毡椋⑶页蔀榱烁呔群椭剌d設(shè)備的主要手段，衍生出靜壓蝸桿齒條、靜壓花鍵、自調(diào)節(jié)靜壓支承、動靜壓混合軸承等新型設(shè)備。這些技術(shù)的出現(xiàn)，不僅給新產(chǎn)品的設(shè)計提供了性能良好的新型支承，使產(chǎn)品的整體性能有了質(zhì)的飛躍，而且也有利于舊設(shè)備的改進。液體靜壓支承的作用并不僅僅限于支承元件，由于其油腔壓力會隨外載荷而變動，它也被應(yīng)用于自動控制及測量裝置中，例如用于實現(xiàn)高精度微進給裝置[[] 戴一帆, 李圣怡. 超精密加工精度分析[J]. 中國機械工程, 1999, 10(2): 203-206.
]、對刀裝置、砂輪自動平穩(wěn)等。靜壓支承的實際應(yīng)用還有很多。
作為引入靜壓支承技術(shù)的新型工作臺，液體靜壓轉(zhuǎn)臺在歐美等工業(yè)發(fā)達國家有著十分普遍的應(yīng)用。英國LOADPOINT公司生產(chǎn)的PICOACE系列研磨設(shè)備，就采用了液體靜壓轉(zhuǎn)臺。該轉(zhuǎn)臺最大工作直徑305mm，最大轉(zhuǎn)速200r/min，在保持高動靜剛度的同時，還擁有較小的運動誤差，能夠進行納米級的加工，同時保證較小的表面損傷[[] 周堃, 熊萬里, 呂浪, 等. 液體靜壓轉(zhuǎn)臺技術(shù)綜述[J]. 制造技術(shù)與機床, 2011, 4: 012.
]。美國PRECITECH公司將麻省理工大學(xué)研制的新型液體靜壓回轉(zhuǎn)臺成功應(yīng)用于NANOFORM系列高精度金剛石車床，也取得了極好的效果，為后來者提供了極具參考價值的技術(shù)案例。在國內(nèi)，陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司[[] 薛宏麗, 王貴成, 劉鋼. 高速刀柄及其工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能[J]. 工具技術(shù), 2008, 42(10): 31-34.
]和無錫永凱達齒輪有限公司[[] 胡雅琴, 何楨. 響應(yīng)曲面二階設(shè)計方法比較研究 [D]. 天津大學(xué), 2005.
]開發(fā)了用于YK73125磨齒機床的液體靜壓轉(zhuǎn)臺，這一成果提高了成形磨齒機的齒形加工精度。在學(xué)術(shù)界，學(xué)者們對靜壓支承技術(shù)也是格外的重視，諸如《機床與液壓》《潤滑與密封》《磨床與磨削》等知名技術(shù)雜志上也頻頻出現(xiàn)以這項技術(shù)為研究對象的文章。
1.2 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計的目的和意義
近年來，隨著機械加工中心不可避免地向著大型化、精確化、重型化的方向發(fā)展，人們對工作臺承載能力的需求急速上漲，對回轉(zhuǎn)精度、剛度的要求也越來越高。傳統(tǒng)的工作臺由于其結(jié)構(gòu)、材料、裝備制造能力等方面的缺陷，已經(jīng)不可能滿足日益復(fù)雜的加工需求。于是，具有更大承載能力和高回轉(zhuǎn)精度的新型回轉(zhuǎn)工作臺成為機械加工的必需品。動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計工作，就是在這樣的背景下進行的。
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺采用了液體靜壓回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌作為支承，以壓力油膜作為工作介質(zhì)，這使得它具有高承載剛度的特性。摩擦副在純液體潤滑條件下工作，受到的磨損極小，并且可克服爬行現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)靈敏度高，運行平穩(wěn)。
相較于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)工作臺，動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點上：
（1）動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的運轉(zhuǎn)速度范圍很寬，其承載能力受滑動表面相對速度的影響較小，只要液壓系統(tǒng)正常工作，各部分尺寸設(shè)計也合理，那么在極低的速度甚至是靜止?fàn)顟B(tài)下也能正常的工作，實現(xiàn)液體摩擦。
（2）如果能選擇合理的支承有效承載面積和節(jié)流器形式，則能夠獲得很大的承載能力。
（3）油膜將支承件和滑動件隔開，油膜均化效應(yīng)[[] 許尚賢. 液體靜壓和動靜壓軸承綜述[J]. 精密制造與自動化, 1985, 4: 004.
]減小了兩相對滑動面本身的制造誤差對運動精度的影響，從而使動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺能保持較高水平的運轉(zhuǎn)精度。
（4）油膜具有良好的吸振作用，能削弱沖擊對回轉(zhuǎn)工作臺的影響，因此回轉(zhuǎn)臺能平穩(wěn)的運動。
（5）由于工作部件處于純液體潤滑狀態(tài)，兩相對滑動面并不直接接觸，因此磨損教少，使用壽命長，啟動功率的消耗也隨之減少。
1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容
此次課題的題目為：動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計。其研究范圍主要包括了對傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)的改進和靜壓支承技術(shù)的應(yīng)用。具體來說，本次設(shè)計任務(wù)需要解決的問題有：在傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)工作臺的基礎(chǔ)上進行必要的改良和創(chuàng)新，以確定動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的功能結(jié)構(gòu)；完成相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計（傳動、鎖緊、潤滑等）和尺寸計算；進行關(guān)鍵零部件的強度校核；設(shè)計供油回路；根據(jù)主要的設(shè)計參數(shù)要求，分析計算靜壓油腔數(shù)量、形狀及尺寸；繪制相關(guān)圖紙。
1.4 靜壓技術(shù)的發(fā)展趨勢
靜壓支承技術(shù)在回轉(zhuǎn)工作臺中的應(yīng)用，將朝著大規(guī)模、高回轉(zhuǎn)精度、高承載能力、高剛度、高熱穩(wěn)定性等方面發(fā)展，以滿足日益復(fù)雜的技術(shù)需求。具體來說主要集中在以下幾個方面：
（1）改良現(xiàn)有的油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，在不損害回轉(zhuǎn)精度和承載能力的條件下，解決系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性問題。
（2）降低供油回路，特別是定量泵的成本及功耗問題，同時也要保證油膜剛度。通過對油路設(shè)備的改良來簡化油路本身的復(fù)雜性。
（3）研發(fā)特大規(guī)模靜壓回轉(zhuǎn)工作臺，并開發(fā)相應(yīng)的精密加工工藝和精密裝配工藝，提高制造效率。
（4）運用更為先進的分析設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)精確定量優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)超精密工作臺，實現(xiàn)工藝的復(fù)合性。
有靜壓支承技術(shù)支持的回轉(zhuǎn)工作臺，必將得到業(yè)內(nèi)越來越多的重視。
第2章 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的原理與應(yīng)用
第2章 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的原理與應(yīng)用
2.1 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的外形與一般工作臺幾乎無異，但其采用三層差動運轉(zhuǎn)的工作方式，中間層保持較高的轉(zhuǎn)速，消除了工作臺啟動時因克服靜摩擦所導(dǎo)致的不穩(wěn)定的運動狀態(tài)，因而提高了工作臺運動的平穩(wěn)性，克服了爬行等運動問題。
1—上轉(zhuǎn)臺 2—上轉(zhuǎn)臺軸（低速軸） 3—中盤軸（高速軸）
4—中盤 5—蝸桿 6—蝸輪 7—帶輪
圖2-1 動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺
圖2-1為動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的機械結(jié)構(gòu)部分。動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的上轉(zhuǎn)臺為放置工件的工作臺面，用蝸桿傳動方式為其傳遞動力，并借此獲得較低的轉(zhuǎn)速。上轉(zhuǎn)臺與上轉(zhuǎn)臺軸（即低速軸）用鍵連接在一起，二者之間為間隙配合。低速軸可以完成上轉(zhuǎn)臺的徑向定位，而上轉(zhuǎn)臺的軸向定位通過與上轉(zhuǎn)臺相連接的摩擦副的特殊結(jié)構(gòu)來完成。該結(jié)構(gòu)使動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺成為閉式回轉(zhuǎn)工作臺，可加強臺面對偏載荷的承載能力，并負責(zé)保證蝸輪的對中性。中盤軸（即高速軸）與中盤用鍵連接在一起，并通過帶傳動方式傳遞動力，使中盤以較高的轉(zhuǎn)速長時間的運轉(zhuǎn)。帶傳動的電機放置于動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的底座之外，以節(jié)省內(nèi)部空間，用于供油回路的設(shè)計。兩軸的軸承組都選用角接觸球軸承，背對背安裝，并通過預(yù)緊裝置提高回轉(zhuǎn)精度。
2.2 主要技術(shù)參數(shù)
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的主要設(shè)計參數(shù)如下：
（1）工作臺面直徑左右。
（2）工作臺面承受載荷左右（包括動載荷）。
（3）供油壓力不超過。
（4）上臺面轉(zhuǎn)速小于1轉(zhuǎn)/分。
（5）中間臺面轉(zhuǎn)速500~1000轉(zhuǎn)/分。
2.3 靜壓支承相關(guān)設(shè)計
為了實現(xiàn)動靜壓支承的設(shè)計理念，需要進行一系列的設(shè)計工作，比如：合理的基本結(jié)構(gòu)形式；一套運行良好的液壓供油系統(tǒng)，為靜壓支承系統(tǒng)提供壓力油，保證油壓能隨著外載荷的變化自動調(diào)節(jié)，以使工作面始終處于純液體摩擦狀態(tài)；合理的油腔數(shù)量、形狀、尺寸和分布位置。
2.3.1 靜壓回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形式
靜壓回轉(zhuǎn)臺按其結(jié)構(gòu)可分為開式及閉式兩類[[] 李列. XK2125 床身工作臺導(dǎo)軌副采用恒流供油式靜壓導(dǎo)軌的探討[J]. 機床與液壓, 2006, 10: 64-66.
]。
左圖為開式回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu) 右圖為閉式回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)
圖2-2 回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)對比圖
開式靜壓回轉(zhuǎn)臺依靠運動件的自重或載荷保持運動件不與支承件分離，沒有結(jié)構(gòu)上的限制，屬于力封閉。開式靜壓回轉(zhuǎn)臺只能在回轉(zhuǎn)臺的一個方向上開有油腔。開式靜壓回轉(zhuǎn)臺的特點可總結(jié)為以下幾點：
（1）承受正向載荷的能力大，承受偏置載荷及顛覆力矩的能力較差，不能承受反向載荷。
（2）結(jié)構(gòu)簡單，制造及調(diào)整方便。
（3）當(dāng)幾何尺寸確定后油腔壓力唯一由載荷確定，因此小載荷時油膜剛度低。
閉式靜壓回轉(zhuǎn)臺的運動件，除在其運動方向具有一個自由度外，其余運動自由度都由回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)所約束，屬于幾何封閉。閉式回轉(zhuǎn)臺的特點為：
（1）能承受正、反向的載荷，承受偏載荷及顛覆力矩的能力較強。
（2）油膜剛度高，因此導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)剛度要求較高。
（3）制造及調(diào)整較復(fù)雜。
（4）為減少功率消耗，閉式回轉(zhuǎn)臺一般采用不等面積油腔的結(jié)構(gòu)。
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的載荷不均勻，偏載較大，且需要設(shè)計對置油腔結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計為閉式結(jié)構(gòu)。
2.3.2 供油形式的選擇
液體靜壓支承按液壓系統(tǒng)供油形式不同，可分為定壓供油式靜壓支承和定量供油式液壓支承[[] 謝黎明, 徐錚. 重載荷靜壓支承供油方式的選擇[J]. 中國制造業(yè)信息化, 2008, 11.
]。
左圖為定壓式供油 右圖為定量式供油
圖 2-3 供油方式對比圖
定壓供油式靜壓支承，是通過調(diào)節(jié)油腔的流量來調(diào)節(jié)油腔的油膜厚度，常用的節(jié)流方式有毛細管節(jié)流、小孔節(jié)流、滑閥節(jié)流和薄膜節(jié)流等。在實際工程應(yīng)用中，上述節(jié)流器存在易堵塞、難于維修調(diào)整等缺陷。
定量供油式靜壓支承，不需要節(jié)流器，采用多個油泵對每個油腔進行定流量供油，并在壓力允許的范圍內(nèi)形成油膜。相對于定壓供油式，定量供油式調(diào)節(jié)的工作可靠、方便、易于控制、油泵功率小、對油的清潔度要求低，且對溫度變化不敏感、穩(wěn)定性好、基本上消除了節(jié)流間隙的堵塞現(xiàn)象。由于每個油腔需要一個流量相同的油泵供油、成本較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。隨著液壓元件的發(fā)展，工程上開始使用多供油點的定量油泵。
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺選用定量供油的方式。
實現(xiàn)定量供油有兩種方法[[] 丁振乾. 流體靜壓支承設(shè)計[M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1989.
]：
（1）用定量油泵：油泵以恒定的流量直接供油給油腔，所以油腔壓力始終等于油泵壓力。
（2）用定量節(jié)流閥：類似于定壓式，僅是用定量節(jié)流閥代替節(jié)流器，使通過油腔的流量恒定。
2.3.3 油腔的結(jié)構(gòu)形式
油腔的數(shù)量、形狀及尺寸，都對動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的動靜壓支承性能有極大的影響。油腔設(shè)計的基本形式如下：
（1）單油腔。單油腔是靜壓支承最基本的形式。一個單油腔靜壓支承由油腔、進油孔及四周封閉的封油面組成。單油腔的靜壓支承往往不能承受偏載荷，若載荷偏置時，偏離載荷遠的一邊間隙大，壓力小，而間隙小處壓力大，滑動件會發(fā)生傾斜。
（2）多油腔。在一個支承上開有兩個以上的油腔，即為多油腔。多油腔可承受偏置載荷，各個油腔的壓力可以不同，以平衡各自承受的不同載荷。
（3）對置油腔和向心軸承。對置油腔由兩個互相對置的油腔組成惡棍，這種結(jié)構(gòu)的閉式靜壓導(dǎo)軌中極為常見。而向心靜壓軸承實際上是多個油腔沿著圓周分布而成的。
為了使油膜均勻，本次設(shè)計采用多油腔的承載方案。由于載荷分布可能不均勻，并且對運動精度要求較高，油腔的數(shù)目可相應(yīng)增多。在油腔之間留適當(dāng)?shù)拈g隔，其上不設(shè)油槽。在動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺運動過程中，要保證油腔不得外露，因此油腔開在支撐件上。
在確定油腔的主要參數(shù)時，應(yīng)考慮多方的因素[[] 汪星橋, 盛伯浩, 遇立基. 機床設(shè)計手冊[J]. 1986.
]：
（1）油腔要有足夠的初始托舉力。初始托舉力是指油泵供油壓力剛建立，而運動件尚未浮起時的靜壓推力。
（2）油槽不能太寬。
（3）要減小動壓力的影響，使回轉(zhuǎn)工作臺運行平穩(wěn)。
（4）油槽應(yīng)便于加工。
本次設(shè)計的油腔形狀及分布的情況如下圖：
A、C—支承平臺 B—靜壓腔 D—油楔 β—螺旋角
圖2-4 油腔及其分布圖
靜壓油腔部分為環(huán)形，半徑為100mm到150mm，深度為5mm左右，其結(jié)構(gòu)類似于推力軸承。
動壓油腔部分，其邊緣線為對數(shù)螺旋線[[] 周偉, 葉林, 李蒲建, 等. 對數(shù)螺旋線與對數(shù)螺旋型拱壩研究[J]. 電網(wǎng)與水力發(fā)電進展, 2008, 24(3): 66-69.
]，曲線方程為：。分布范圍從半徑150mm到210mm，油楔等深，其深度約為2mm。共有6個油楔，油楔D與支承平面C所占角度比為2:1。
由《機床設(shè)計手冊》查得，油膜厚度的推薦值為0.015~0.030mm。
2.4 閉式靜壓回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計計算
2.4.1 確定油腔的初始壓力
按已知的最大外載荷并選定相對位移（一般?。氤休d能力的計算公式，即可求得油腔初始壓力或按已知所需的油膜剛度代入油膜剛度的計算公式中，即可求得值。
（2-1）
式中 ——副導(dǎo)軌的有效承載面積
——主副導(dǎo)軌面積比
一個油腔的有效承載面積指的是：假設(shè)在該面積上均勻地分布著油腔壓力，且其產(chǎn)生的總推力等于一個油腔和它周圍的封油面上的實際總推力，即。由此可計算環(huán)形油腔推力軸承的有效面積。
環(huán)形油腔推力軸承的總推力可分為三部分，即環(huán)內(nèi)支承平臺部分（），油腔部分（），環(huán)外支承平臺部分（）。三部分皆按環(huán)形面積計算，則各圓環(huán)面積上的推力分別為：
可得
則環(huán)形油腔推力軸承的有效承載面積為：
由設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)可知，工作臺面承受載荷400左右（包含動載荷），即。取。動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的軸向位移極小，取正反向載荷比，則有效承載面積之比為：
由式（2-1）可得：
2.4.2 確定油泵額定供油壓力
由油腔的初始壓力及相對位移代入壓力的計算公式即可求得，此值即油泵的確定輸出壓力。
（2-2）
由式（2-2）得：
2.4.3 確定每個油腔的流量
每個油腔的流量即定量泵的流量，選擇合理的潤滑油粘度后，按最高允許工作濕度（一般低于50~60°）的粘度值及值代入流量計算式，就可確定所需的定量泵流量。
（2-3）
式中 ——流量系數(shù)
——初始油膜厚度
——潤滑油粘度
取，取20號機油，則，流量系數(shù)由下式計算可得：
由式（2-3）得：
計算油膜剛度：
（2-4）
式中 ——無綱量油膜剛度
由式（2-4）得：
2.5 相關(guān)部件的選型
首先選擇定量泵。外嚙合齒輪泵流量和壓力脈動大，噪聲大；內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工性能差，價格較貴；柱塞泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對油污染敏感，皆不予選用?？蓮碾p作用葉片泵、凸輪轉(zhuǎn)子葉片泵選用。
由前文的計算可知，油泵的輸出壓力，流量。由此選擇定量葉片泵，其技術(shù)參數(shù)如下表：
表2-1 定量葉片泵技術(shù)參數(shù)
型號
排量/
額定壓力/
轉(zhuǎn)速范圍/
備注
2.5~100
6.3
900~1450
可雙聯(lián)
2.6 本章小結(jié)
本章從整體上介紹了動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理和機械結(jié)構(gòu)，總結(jié)了本次設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)，并借助動靜壓支承技術(shù)的相關(guān)理論，為動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計了一套供油系統(tǒng)及相應(yīng)的油腔結(jié)構(gòu)。最后通過計算確定靜壓支承的相關(guān)參數(shù)。
第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計
第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 傳動方案的確定
傳動是指機械之間的動力傳遞，是將機械力通過中間媒介傳遞給終端設(shè)備的過程。傳動應(yīng)當(dāng)滿足機械設(shè)備工作部分的要求，并且使得動力機能在較佳工況下運轉(zhuǎn)。
3.1.1 傳動方案的選擇原理
傳動裝置負責(zé)傳送原動機的動力，變換其運動形式，以實現(xiàn)工作機預(yù)定的工作要求。傳動裝置的設(shè)計是否合理，直接影響到整部機器的性能、成本及整體的尺寸。傳動裝置首先應(yīng)滿足工作機的性能要求，適應(yīng)工作條件，此外還應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，成本低。傳動效率高和操作維護方便等。當(dāng)然，同時滿足所有要求往往比較困難，因此要根據(jù)具體的設(shè)計任務(wù)有側(cè)重地保證主要設(shè)計要求，進行合理地選擇和組合[[] 卜炎, 機械設(shè)計. 機械傳動裝置設(shè)計手冊[M]. 機械工業(yè)出版社, 1999.
]。參考如下：
（1）大功率、高強度、長期工作的工況，宜用齒輪傳動。
（2）低速、大傳動比，可用單級蝸桿傳動或是多級齒輪傳動。
（3）帶傳動多用于平行軸傳動，鏈傳動只能用于平行軸傳動，齒輪可用于各向軸線傳動，蝸桿常用于空間垂直交錯軸傳動。
（4）有自鎖要求時宜采用螺旋傳動或蝸桿傳動。
（5）帶傳動可以緩沖吸振，同時還有過載保護作用，但不宜用于易燃、易爆的場合。
（6）改變運動形式的機構(gòu)（連桿、凸輪）應(yīng)布置在運動系統(tǒng)的末端或低速級。
3.1.2 高速軸的傳動方案
3.1.2.1 高速軸的傳動方式
高速軸為中盤的連接軸，在動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的工作過程中一直保持高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為500~1000轉(zhuǎn)/分，作為回轉(zhuǎn)工作臺的差速層，不要求十分精確的轉(zhuǎn)速。為節(jié)省工作臺的內(nèi)部空間以安置液壓泵，高速軸選擇帶傳動作為傳動方式，將電機置于工作臺外部。
帶傳動的優(yōu)勢在于[[] 秦書安. 帶傳動技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]. 機械傳動, 2002, 26(4): 1-2.
]：
（1）能夠在一定程度上緩和載荷的沖擊。
（2）運動較為平穩(wěn)，無噪聲。
（3）制造和安裝精度相對較低，不像嚙合傳動那樣嚴(yán)格要求。
（4）如過載，則將引起帶與帶輪之間打滑，可有效防止其他零件的損壞。
（5）通過增加帶長，可以適應(yīng)中心距較大的工作條件。
（6）兩帶輪的相對位置要求不嚴(yán)格。
帶傳動的傳動比可以滿足高速軸傳動的要求，高速軸的傳動方案為：電機—帶傳動—工作臺。
3.1.2.2 高速軸傳動裝置的選型
高速軸帶傳動的傳動比估算約為，大帶輪基準(zhǔn)直徑估算為，則電機功率約為。選擇Z3-41直流電動機，其主要參數(shù)如下表：
表3-1 Z3-41直流電動機主要參數(shù)
機座號
序號
功率/
電壓/
額定轉(zhuǎn)速/
電流/
Z3-41
5
3
220
1500
17
3.1.3 低速軸的傳動方案
3.1.3.1 低速軸的傳動方式
低速軸為上轉(zhuǎn)臺的連接軸，在動靜壓工作回轉(zhuǎn)臺的工作過程中只做低速的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速小于1轉(zhuǎn)/分。為了實現(xiàn)低速轉(zhuǎn)動并占用較小的空間，低速軸的傳動采用蝸桿傳動。
蝸桿傳動的優(yōu)勢在于[[] 楊蘭春. 蝸桿傳動手冊[M]. 華東化工學(xué)院出版社, 1990.
]：
（1）傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊。若換用齒輪傳動，則需要采取多級傳動才行，所以蝸桿傳動結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕。
（2）結(jié)構(gòu)平穩(wěn)，無噪聲，沖擊、震動都比較小。
（3）具有自鎖性，只能蝸桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，而蝸輪不能帶動蝸桿傳動，可防止機器倒轉(zhuǎn)。
僅憑借蝸桿傳動的傳動比，難以滿足低速軸的傳動要求，因此加入減速器對傳動比加以調(diào)整，使低速軸的轉(zhuǎn)速進一步降低。低速軸的傳動方案為：電機—減速器—蝸桿傳動—工作臺。
3.1.3.2 低速軸傳動裝置的選型
減速器是用于降低轉(zhuǎn)速、傳遞動力、增大轉(zhuǎn)矩的獨立傳動部件，用以滿足工作需要，在現(xiàn)在機械中應(yīng)用極為廣泛。本次設(shè)計初選ZDY、ZLY、ZSY型硬齒面圓柱齒輪減速器（JB/T 8853—2001）
減速器的承載能力受到熱平衡許用功率和機械強度兩方面的限制。因此選用減速器必需經(jīng)過兩個步驟[[] 吳宗澤. 機械設(shè)計實用手冊[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 1999.
]：
（1）選用減速器的公稱輸入功率
應(yīng)滿足：
（3-1）
式中 ——機械強度計算功率（）
——負載功率（）
——工況系數(shù)（即使用系數(shù)），見表（3-2）
——安全系數(shù)，見表（3-3）
——減速器公稱輸入功率（）
表3-2 工況系數(shù)
原動機
每日工作時間/h
均勻載荷U
中等沖擊載荷M
強沖擊載荷H
電機
汽輪機
水力機
0.8
1
1.5
1
1.25
1.75
1.25
1.5
2
表3-3 安全系數(shù)
重要性與安全要求
一般設(shè)備，減速器失效僅引起單機停產(chǎn)且易更換設(shè)備
重要設(shè)備，減速器失效引起機組、生產(chǎn)線或全廠停產(chǎn)
高度安全要求，減速器失效引起設(shè)備、人身事故
1.1~1.3
1.3~1.5
1.5~1.7
按動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計要求，從上述各表中選取數(shù)據(jù)。工作臺不受沖擊載荷作用，按工作時長較長選擇，可得，，負載功率預(yù)估，由式（3-1）得：
（2）校核熱平衡許用功率
應(yīng)滿足：
（3-2）
式中 ——計算熱功率（）
，——減速器熱功率，無冷卻裝置為，
有冷卻裝置為
，，——系數(shù)，查表（3-4），（3-5），（3-6）
表3-4 環(huán)境溫度系數(shù)
冷卻條件
環(huán)境溫度/
10
20
30
40
50
無冷卻
0.9
1
1.15
1.35
1.65
冷卻管冷卻
0.9
1
1.1
1.2
1.3
表3-5 載荷率系數(shù)
小時載荷率/%
100
80
60
40
20
1
0.94
0.86
0.74
0.56
表3-6 公稱功率利用率
40
50
60
70
80~100
1.25
1.15
1.1
1.05
1
根據(jù)動靜壓回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計要求，從上述各表中選取數(shù)據(jù)，得，，。由式（3-2）得：
根據(jù)以上計算結(jié)果，按照使用要求，選擇減速器ZLY型。該減速器主要參數(shù)如下表：
表3-7 ZLY型電動機基本參數(shù)
型號ZLY（低速級中心距）
公稱傳動比
公稱轉(zhuǎn)速/
輸入
輸出
112
8
750
94
根據(jù)設(shè)計要求及減速器參數(shù)，選擇電動機型號為Z3-52，重要參數(shù)如下表：
表3-8 Z3-52電動機主要參數(shù)
機座號
序號
功率/
電壓/
額定轉(zhuǎn)速/
電流/
Z3-52
10
3
220
750
17.4
3.2 軸的設(shè)計與校核
3.2.1 軸的設(shè)計要求和設(shè)計步驟
作為組成機械的重要零件之一，軸的設(shè)計應(yīng)滿足多方面的要求，比如：受力合理，盡量避免或減少應(yīng)力集中，足夠的強度和必要的剛度等。
通常的設(shè)計步驟如下[[] 成大先. 機械設(shè)計手冊: 單行本: 軸及其聯(lián)接[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.
]：
（1）擬定軸上零件的布置和裝配方案。
（2）選擇軸的材料
（3）對軸的直徑進行初步估算
（4）對軸進行強度校核
（5）必要時應(yīng)校核軸的剛度和臨界轉(zhuǎn)速
3.2.2 高速軸的設(shè)計
3.2.2.1 高速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
高速軸與動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的中盤相連接，用于傳遞轉(zhuǎn)矩并完成中盤的徑向定位，為空心傳動軸。其結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使軸系部件有較準(zhǔn)確的軸向工作位置，便于安裝拆卸，且便于加工。高速軸的設(shè)計如下圖：
圖3-1 高速軸
3.2.2.2 高速軸的強度計算
軸的強度計算一般可以分為三種：按扭轉(zhuǎn)強度或剛度計算；按彎扭合成強度計算；精確強度校核計算。
此高速軸不受彎矩或僅受較小的彎矩，強度計算的重點在于傳遞扭矩，所以選擇按扭轉(zhuǎn)強度計算。
空心軸的扭轉(zhuǎn)強度計算公式為：
（3-3）
式中 ——軸端直徑（）
——軸所傳遞的扭矩（）
——軸所傳遞的功率（）
——軸的工作轉(zhuǎn)速（）
——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（），見表（3-9）
——系數(shù)，見表（3-9）
——空心軸的內(nèi)徑與外徑之比（）
表3-9 幾種常用軸材料的及A值
軸的材料
Q235-A、20
Q275、35（1Cr18Ni9Ti）
45
40Cr、35SiMn、42SiMn、40MnB、38SiMnMo、3Cr13
/MPa
15~25
20~35
25~45
35~55
A
149~126
135~112
126~103
112~97
注：1、表中所給出的值已考慮了彎曲影響。
2、當(dāng)彎矩較小或只受扭矩作用、載荷較為平穩(wěn)、無軸向載荷或只有較小的軸向載荷、軸單向旋轉(zhuǎn)時，取較大值、A取較小值。反之，取較小值、A取較大值。
高速軸為空心軸，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為保持尺寸穩(wěn)定性和減少熱處理變形，選擇鉻鋼，40Cr，查表（3-9）可得：取較大值55，A取較小值100。
由設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)可知，回轉(zhuǎn)工作臺需承受的最大載荷約為400（包含動載荷）。動壓潤滑摩擦系數(shù)為0.001到0.01，取較大值0.01。由此可計算高速軸所受摩擦力，即軸所傳遞的扭矩。
計算過程如下：
摩擦力
中間層上下表面均受摩擦力，則
設(shè)單位面積質(zhì)量為，取面積微元，質(zhì)量微元。
則
由式（3-3）得：
即高速軸最小半徑為。
3.2.3 低速軸的設(shè)計
低速軸的直徑受高速軸內(nèi)徑以及配合軸承內(nèi)徑的限制，并且需考慮到油路的通行。其直徑在可行范圍內(nèi)盡量大，為油路的設(shè)計保證足夠的空間。
3.2.3.1 低速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
低速軸與動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的上轉(zhuǎn)臺相連接，用于完成上轉(zhuǎn)臺的徑向定位，基本不傳遞轉(zhuǎn)矩和彎矩，因此強度上的要求較高速軸低。其結(jié)構(gòu)設(shè)計更多的考慮到使軸系部件有較準(zhǔn)確的軸向工作位置，便于安裝拆卸，且便于加工。低速軸的設(shè)計如圖（3-2）。低速軸內(nèi)需要通行油路，但油路幾何尺寸在結(jié)構(gòu)設(shè)計圖內(nèi)未標(biāo)出。
圖3-2 低速軸
3.2.3.2 低速軸的強度計算
按照最初的設(shè)計，低速軸需要通行油路，以實現(xiàn)上轉(zhuǎn)臺的供油。但相對于軸的半徑，油路尺寸要小得多，因此低速軸可按實心軸進行校核，其校核過程與高速軸基本一致。
實心軸的扭轉(zhuǎn)強度計算公式為：
（3-4）式中系數(shù)按表（3-9）選取。低速軸的材料選用45號鋼。
3.3 軸上配合件的選用
作回轉(zhuǎn)運動的零部件，都需要轉(zhuǎn)在軸上以實現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運動。軸不能獨立完成傳遞轉(zhuǎn)矩的功能，還需要如鍵、螺栓等配合件的協(xié)助。正確的選擇軸上配合件，能夠保證軸系的正常運轉(zhuǎn)。
3.3.1 鍵的選取與校核
所謂鍵聯(lián)接，是指通過鍵來實現(xiàn)軸和軸上零件之間的周向定位，并傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的連接方式。鍵的類型一般可以通過使用要求、工作條件以及聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點來進行選取。
鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，它的剖面尺寸是根據(jù)軸的直徑來制定標(biāo)準(zhǔn)，鍵的長度則是按軸轂長度從標(biāo)準(zhǔn)中選取[[] 成大先. 機械設(shè)計手冊: 單行本. 聯(lián)接與緊固[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.
]。鍵的相關(guān)尺寸可通過設(shè)計手冊查詢，設(shè)計時進行強度校核即可。
鍵或鍵槽工作面的擠壓或磨損：
（3-5）
鍵的剪切：
（3-6）
式中 ——轉(zhuǎn)矩（）
——軸的直徑（）
——鍵與輪轂的接觸高度（），平鍵
——鍵的工作長度（）
——鍵的寬度（）
、——鍵連接的許用擠壓應(yīng)力及許用擠壓壓強（），見表3-10
——鍵連接的許用剪切應(yīng)力（）見表3-10
表3-10 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力、許用擠壓壓強和許用剪應(yīng)力
許用應(yīng)力及許用壓強
聯(lián)接工作方式
被連接零件材料
不同載荷性質(zhì)的許用值
靜載
輕微沖擊
沖擊
靜聯(lián)接
鋼
125~150
100~120
60~90
鑄鐵
70~80
50~60
30~45
動聯(lián)接
鋼
50
40
30
120
90
60
高速軸上端的鍵用于聯(lián)接高速軸和中盤，其作用是傳遞扭矩，選用薄型平鍵。由《機械設(shè)計手冊》查得鍵的公稱尺寸為，。鍵和軸的材料都是鋼，因此由表（3-10）可查得，取較小值125MPa；。由式（3-5）得：
由式（3-6）得：
滿足強度要求。
高速軸下端的鍵用于聯(lián)接高速軸和帶輪，其作用是傳遞扭矩，選用薄型平鍵。由《機械設(shè)計手冊》查得鍵的公稱尺寸為，。鍵和軸的材料都是鋼，由表（3-10）可得其參數(shù)同上。由式（3-5）得：
由式（3-6）得：
滿足強度要求。
低速軸的鍵用于聯(lián)接低速軸和上轉(zhuǎn)臺，其作用是對上轉(zhuǎn)臺進行徑向定位，不傳遞扭矩，選用普通平鍵。由《機械設(shè)計手冊》查得鍵的公稱尺寸為，。鍵和軸的材料都是鋼，由表（3-10）可查得其參數(shù)同上。由式（3-5）得：
由式（3-6）得：
滿足強度要求。
3.3.2 軸承的選用及組合設(shè)計
滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，在機械設(shè)計中一般根據(jù)工作條件選用合適的滾動軸承類型和型號進行組合設(shè)計。作為現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一，滾動軸承安裝、維修方便，價格也較為便宜。
選擇滾動軸承的類型時，必須了解軸承的工作載荷（大小、性質(zhì)、方向）、轉(zhuǎn)速及其使用要求。本次設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高、載荷較小，且要求較高的旋轉(zhuǎn)精度，此時宜選用球軸承[[] 唐金松, 機械設(shè)計. 簡明機械設(shè)計手冊[M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2000.
]?？紤]到軸承上可能同時受徑向載荷和軸向聯(lián)合載荷，選用角接觸球軸承。
高速軸選用軸承的軸承代號為7024C，低速軸選用代號為7010C，其主要參數(shù)見表（3-11）。
表3-11 選用軸承主要參數(shù)
軸承代號
基本尺寸/mm
基本額定載荷/kN
極限轉(zhuǎn)速/
d
D
B
脂
油
7024C
120
180
28
108
110
2800
3800
7010C
50
80
16
26.5
22.0
6700
9000
為了保證軸承的正常工作，除了正確選擇軸承類型和確定型號外，還需要設(shè)計合理的軸承組合。軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮以下幾個方面的問題[[] 成大先. 機械設(shè)計手冊: 單行本: 軸承[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.
]：
（1）軸系的固定。
（2）軸承與相關(guān)零件的配合。
（3）軸承的潤滑與密封。
（4）提高軸承系統(tǒng)的剛度。
此次設(shè)計中，工作間處于軸的懸伸端，背對背安裝能保證較好的剛度。同時需要設(shè)計軸承預(yù)緊裝置，使?jié)L動體和內(nèi)、外套圈之間產(chǎn)生一定的預(yù)變形，使軸承帶負游隙運行，借此增加軸承剛度，提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，延長其使用壽命。
3.3.3 軸承預(yù)緊裝置的設(shè)計
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺所使用的角接觸球軸承，常常處于高速輕載的運動狀態(tài)。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊可以有效地防止軸承在高速旋轉(zhuǎn)時鋼球發(fā)生公轉(zhuǎn)打滑及陀螺旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，減小鋼球的自旋滑動，從而減小軸承內(nèi)部的摩擦和發(fā)熱，延長軸承的使用壽命。
軸承的預(yù)緊方式有兩種，即徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊[[] 姜韶峰, 劉正士, 楊孟祥. 角接觸球軸承的預(yù)緊技術(shù)[J]. 軸承, 2003, 3(1): 4.
]。角接觸球軸承通常采用軸向預(yù)緊的方式。本次設(shè)計中，使用預(yù)選的內(nèi)外圈隔套使一組軸承的內(nèi)圈和外圈之間處于某一固定位置，從而使軸承獲得合適的預(yù)緊，即所謂的定位預(yù)緊。定位預(yù)緊的軸承在使用過程中，其相對位置是不會改變的。但是工作溫度的變化所引起的軸及軸承座的尺寸以及相關(guān)定位部件尺寸的變化會直接影響到軸承預(yù)緊力的變化。
本次設(shè)計的預(yù)緊系統(tǒng)如下圖：
A— 套筒 B—端蓋 C—內(nèi)螺紋盤 D—軸上外螺紋部 E—特制墊圈
圖3-3 預(yù)緊系統(tǒng)
低速軸上，兩軸承之間的相對位置用套筒固定，使得兩軸承外圈的距離一定。而兩側(cè)分別用軸肩和內(nèi)螺紋盤固定軸承的內(nèi)圈。內(nèi)螺紋盤可在軸上有外螺紋的部分上下移動，通過旋緊螺紋盤，可對軸承內(nèi)圈施加軸向力的作用，來達到預(yù)緊的目的，且預(yù)緊力可調(diào)整。
高速軸上，兩軸承的位置用套筒和特制墊圈固定，兩軸承內(nèi)圈的距離一定，特制墊圈與端蓋上的螺栓接觸，通過擰緊螺栓來對軸承外圈施加軸向力的作用，以達到預(yù)緊的目的，且預(yù)緊力可調(diào)整。
3.3.4 軸承端蓋的設(shè)計
為了完成高速軸軸承的軸向定位及預(yù)緊工作，需要對高速軸軸承端蓋進行設(shè)計。
軸承端蓋是用于固定軸承、調(diào)整軸承間隙，并且承受軸向力的軸承配件。軸承端蓋的結(jié)構(gòu)有嵌入式和凸緣式兩種[[] 夏仁豐, 高偉, 姜威, 等. 便捷式端蓋[J]. 現(xiàn)代機械, 2002, 4: 045.
]。
嵌入式軸承端蓋的結(jié)構(gòu)較為簡單、緊湊，且不需要固定螺釘，外徑小，重量輕，但裝拆端蓋和調(diào)整軸承的間隙相對困難，密封性能差。在座孔上開槽，加工費時。
凸緣式軸承端蓋安裝。拆卸、調(diào)整軸承間隙都比較方便，密封性能也好，但外廓尺寸較大，需要螺釘來連接。
為了滿足預(yù)緊要求，保證密封性能，本次設(shè)計選用凸緣式軸承端蓋。
由前文可知，軸承外徑為，其相關(guān)數(shù)據(jù)可按下表選?。?
圖3-12 凸緣式軸承端蓋的尺寸
軸承外徑
螺栓直徑
端蓋上螺栓數(shù)目
45~65
6
4
70~100
8
4
100~140
10
6
150~230
12~16
6
由表（3-12）可查得：螺栓直徑，端蓋上螺栓數(shù)目為6。選擇螺栓直徑為，由此可計算得：
螺栓間距，端蓋外徑，軸承接觸內(nèi)徑。
固定端蓋所用的螺栓選型為：GB/T 5781 M5X13（螺紋規(guī)格d=M5、公稱長度l=13mm、性能等級為4.8級、不經(jīng)表面處理、C級的六角頭螺栓）。
為了方便調(diào)整軸承的游隙，在端蓋上設(shè)計了一個特殊結(jié)構(gòu)，通過螺栓推進特殊墊圈，由特殊墊圈擠壓軸承外圈，以完成預(yù)緊工作。預(yù)緊螺栓選型為：GB/T 5781 M5X13（螺紋規(guī)格d=M5、公稱長度l=13mm、性能等級為4.8級、不經(jīng)表面處理、C級的六角頭螺栓）
3.4 蝸桿傳動的設(shè)計與校核
蝸桿傳動可用于傳遞空間交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動，其軸線夾角可以為任意值，最為常用的是90°。其主要優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)較為緊湊、工作平穩(wěn)、無噪聲、沖擊振動小，并且能夠得到很大的單機傳動比，在部分機床工作臺中，傳動比甚至可到1000，同樣的傳動比用其他的機構(gòu)則極難實現(xiàn)。蝸桿傳動多以蝸桿作為原動件，用于減速運動。在動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺的上轉(zhuǎn)臺部分選用蝸輪蝸桿作為傳動方式。
3.4.1 傳動類型
按照蝸桿螺旋線方向的不同，蝸桿分為左旋和右旋兩種。除了特殊需要外，一般多采用右旋。兩者的運行原理相同，計算方法也一樣，但作用力的方向不同（除徑向力外）。此次選用右旋。
按照蝸桿頭數(shù)的不同，蝸桿可分為單頭蝸桿和多頭蝸桿兩種。單頭蝸桿主要適用于要求傳動比較大的場合。如果傳動要求自鎖功能，則此時必須采用單頭蝸桿。而多頭蝸桿則主要用于傳動比不大和要求效率較高的場合。此次選用單頭蝸桿。
按照蝸桿形狀的不同，蝸桿可分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動三大類。由于刀具的加工位置不同，圓柱蝸桿又可以分為阿基米德蝸桿（ZA型）、漸開線蝸桿（ZI型）、法向直廓蝸桿（ZN型）等多種類型。由于要求較為精密的傳動，本次設(shè)計選用圓柱蝸桿傳動中的漸開線蝸桿（ZI型）[[] 邱宣懷, 郭可謙, 吳宗澤, 等. 機械設(shè)計[M]. 高等教育出版社, 1997.
]，其端面齒廓為漸開線。
3.4.2 材料的選擇
蝸桿按材料分有碳鋼和合金鋼，其工藝要求見表（3-13）。按熱處理不同可分為硬面蝸桿和調(diào)制蝸桿。一般首先考慮選用硬面蝸桿。
表3-13 蝸桿材料及工藝要求
蝸桿材料
熱處理
硬度
表面粗糙度
40 45 45Cr40CrNi 42SiMn
表面淬火
45HRC~55HRC
1.6~0.8
20Cr 20CrMnTi 12CrNi3A
表面滲碳淬火
58HRC~63HRC
1.6~0.8
32CrMo 50CrV
滲氮
65HRC~70HRC
3.2~1.6
45 40Cr 40CrNi 42CrMo
調(diào)質(zhì)
270HB
6.3
本次設(shè)計需要保證持久性高的動力傳動，因此蝸桿選用45號鋼進行表面滲碳淬火。
渦輪材料通常是指渦輪齒冠部分的材料。主要有：
（1）鑄錫青鋼。適用于和持續(xù)運轉(zhuǎn)的工況。
（2）鑄鋁青鋼。適用于的工況，抗膠和能力較差，蝸桿硬度不得低于45HRC。
（3）鑄鋁黃銅。點蝕強度高，但磨損性能差，宜用于低滑動速度場合。
（4）灰鑄鐵和球墨鑄鐵。適用于的工況，前者的表面若經(jīng)硫化處理，有利于減輕磨損，后者若與淬火蝸桿配對，能用于重載場合。
本次設(shè)計要求蝸桿轉(zhuǎn)速較低，所以選用灰鑄鐵蝸輪（HT200）。
3.4.3 主要參數(shù)和幾何尺寸
模數(shù)：在圓柱蝸桿傳動中，蝸桿的軸向模數(shù)和蝸輪的端面模數(shù)已經(jīng)定為標(biāo)準(zhǔn)值，查詢設(shè)計手冊可得。查閱《機械設(shè)計手冊后》后，選取。（GB/T 10088-1988）
中心距：一般圓柱蝸桿傳動作為減速裝置的中心距，可從《機械設(shè)計手冊》中選取，本次設(shè)計選取。
蝸桿分度圓直徑：查《機械設(shè)計手冊》可得：。
蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角：。
式中 ，為蝸桿直徑系數(shù)。
變位系數(shù)：圓柱蝸桿傳動變位的主要目的是配湊中心距。根據(jù)本次的設(shè)計要求，。
由此可計算蝸輪蝸桿的各相關(guān)參數(shù)和幾何尺寸。
傳動比
齒頂高系數(shù)，齒頂高
頂隙系數(shù)，頂隙
（1）蝸桿：
蝸桿軸向齒距
蝸桿導(dǎo)程
蝸桿齒頂圓直徑
蝸桿齒根圓直徑
蝸桿節(jié)圓直徑
蝸桿分度圓導(dǎo)程角
蝸桿齒寬（螺紋長度）
（2）蝸輪：
蝸輪分度圓直徑
蝸輪喉圓直徑
蝸輪齒根圓直徑
渦輪外徑
蝸輪咽喉圓半徑
蝸輪節(jié)圓直徑
蝸輪齒寬
蝸輪齒寬角
根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)，繪制蝸輪蝸桿如下圖：
圖3-4 蝸輪蝸桿
3.4.4 蝸桿傳動的強度計算
圓柱蝸桿傳動的破壞形式，主要是蝸輪的輪齒表面產(chǎn)生膠合、點蝕和磨損等問題，而齒輪的彎曲折斷則少有發(fā)生。通常多按齒面接觸強度對蝸桿傳動進行計算，只是當(dāng)時，才進行彎曲強度核算[[] 秦大同, 謝里陽. 現(xiàn)代機械設(shè)計手冊[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.
]。本次蝸桿傳動需進行這兩種強度校核。
3.4.4.1 蝸桿傳動齒面接觸強度驗算
齒面接觸強度的驗算公式為：
（3-7）
式中 ——許用接觸應(yīng)力，其值與蝸輪輪緣的材料有關(guān)。對無錫青銅、黃銅和鑄鐵的輪緣，取決于膠合，其值可按表（3-14）查詢
——作用于蝸輪軸上的名義轉(zhuǎn)矩（）
——彈性系數(shù)，查表（3-15）
——使用系數(shù)，查表（3-16）
——動載系數(shù)，其值按速度選取。當(dāng)時，；當(dāng)時，
——載荷分布系數(shù)，載荷平穩(wěn)時，，載荷變化時，
表3-14 無錫青銅、黃銅及鑄鐵的許用接觸應(yīng)力
蝸輪材料
蝸桿材料
滑動速度
0.25
0.5
1
2
3
4
6
8
ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2
鋼經(jīng)淬火
—
245
225
210
180
160
115
90
ZCuZn38Mn2Pb2
鋼經(jīng)淬火
—
210
200
180
130
130
95
75
HT200、HT150（120~150HB）
滲碳鋼
160
130
115
90
—
—
—
—
HT150（120~150HB）
調(diào)質(zhì)或淬火鋼
140
110
90
70
—
—
—
—
表3-15 彈性系數(shù)
蝸桿材料
渦輪材料
鑄錫青銅
鑄鋁青銅
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
鋼
155
156
162
181.4
表3-16 使用系數(shù)
原動機
工作特點
平穩(wěn)
中等沖擊
嚴(yán)重沖擊
電動機、透平
0.8~12.5
0.9~1.5
1~1.75
多缸內(nèi)燃機
0.9~1.5
1~1.75
1.25~2
單杠內(nèi)燃機
1~17.5
1.25~2
1.5~2.25
根據(jù)設(shè)計中蝸桿傳動的工作情況，查表（3-14）得，查表（3-15）得，查表（3-16）得。，。
由式（3-7）得：
滿足強度要求。
3.4.4.2 蝸桿傳動齒根彎曲強度
動靜壓回轉(zhuǎn)工作臺所使用的蝸輪齒數(shù)為，需進行齒根彎曲強度的校核工作。
齒根彎曲強度的驗算公式為：
（3-8）
式中 ——蝸輪的綜合齒形系數(shù)，可根據(jù)圖（3-5）選取
——導(dǎo)程角系數(shù)，
蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)，由此可根據(jù)圖（3-5）查得蝸輪的綜合齒形系數(shù)。
由式（3-8）得：
滿足強度要求。
圖3-5 齒輪綜合齒形系數(shù)
3.4.5 蝸桿傳動的剛度驗算
蝸桿軸剛度驗算公式為：
（3-9）
式中：
——蝸桿材料的彈性模量，
——蝸桿齒根截面的慣性矩，
——蝸桿的跨度（）
蝸桿齒根截面的慣性矩
由式（3-9）得：
剛度滿足要求。
3.4.6 蝸桿傳動支承設(shè)計
蝸桿用軸承組進行支撐，軸承用軸肩和軸承端蓋進行固定。軸承選用角接觸球軸承，軸承代號為7004C，主要參數(shù)如下表：
表3-17 所選軸承主要參數(shù)
軸承代號
基本尺寸/
基本額定載荷/
極限轉(zhuǎn)速/