關節(jié)軸承搖擺試驗機設計【含CAD圖紙、說明書】【三維SolidWorks】

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Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks This text introduce upper and lower material spend design process of manipulator , it include to whole job requirements and analysis of situation of system mainly, confirm the whole structural design systematic in hydraulic pressure through the working course of the system. Analyse whole cyclical process , confirm systematic operation principle picture , require the hydraulic pressure component of the standard for selection according to systematic parameter, finish the installation diagram systematic in hydraulic pressure. Hydraulic pressure integrate piece as now main part , hydraulic pressure of system , hydraulic pressure at present integrate pieces of application and development receive domestic and international hydraulic pressure extensive attention of circle, hydraulic pressure integrate research and development of CAD of piece already offer effective support for engineering design of the hydraulic pressure, while design the system integration one of hydraulic pressure of the manipulator, can combine with real processing technology . And CAD integrating one to the present hydraulic pressure has very good understanding. Keywords: manipulator ,Drive , Hydraulic manifold block , Elements 目錄 一、前言-----------------------------------------------------------3 1.1關節(jié)軸承的研究與發(fā)展----------------------------------------3 1.2 設計意義----------------------------------------------------4 二、產品設計過程---------------------------------------------------7 4.1徑向加載部分電機的設計計算--------------------------------8 4.2 軸動加載部分電機的設計計算-------------------------------8 4.3扭矩傳感器的設計------------------------------------------9 三、關節(jié)軸承搖擺試驗機主機的三維建模--------------------------5 3.1 徑向加載部分的三維建模-------------------------------------5 3.2 軸向加載部分的三維建模------------------------------------6 3.3 夾具部分的三維建模----------------------------------------6 四、設計總結--------------------------------------------------21 參考文獻---------------------------------------------------22 致謝---------------------------------------------------------------23 前言 軸承的旋轉擺動因幅度大而不同于微動，也不同于普通的單向直線和旋轉運動，因此關節(jié)軸承在擺動運動下的摩擦磨損性能研究逐漸受到人們的關注。 目前評價關節(jié)軸承摩擦學性能的試驗機主要有2種：一種是以軸承為試驗對象，把主軸設計成圓周方向旋轉擺動，進行軸承旋轉摩擦試驗；另一種則是以軸承材料的標準試塊為試驗對象的直線往復式摩擦磨損試驗機［5］。文獻［4，－8］研制了關節(jié)軸承隨主軸做圓周方向旋轉擺動的試驗機，并能對一定尺寸的關節(jié)軸承做磨損試驗。文獻［4］研制了大中型關節(jié)軸承磨損壽命試驗機，該試驗機加載系統(tǒng)采用液壓加載；擺動系統(tǒng)采用液壓推動齒條，帶動主軸齒輪擺動；測量系統(tǒng)采用測長傳感器測量徑向磨位移量，采用鉑電阻通過顯示儀表監(jiān)測軸承外圈端面溫度。該試驗機的參數(shù)為：被試關節(jié)軸承內徑50～150mm，擺動角度+40°～－40°，擺動頻率0～15次/min，最大加載值 1000kN。向心關節(jié)軸承的運動形式一般是擺動，所受的載荷主要是徑向載荷。文獻［6］按關節(jié)軸承在徑向載荷作用下做擺動運動來設計，研制了新型關節(jié)軸承壽命試驗機，如圖1所示。該試驗機以整個關節(jié)軸承為試驗對象，把關節(jié)軸承安裝在主軸上，電動機通過皮帶帶動減速器，再由曲柄、連桿和搖桿機構實現(xiàn)主軸的擺動運動，并利用螺紋的自鎖性實現(xiàn)無級加載。通過測量軸承外圈的徑向位移和摩擦系數(shù)判斷軸承是否失效，并監(jiān)測軸承外圈的溫度以了解軸承內部摩擦力的變化情況。該試驗機的技術參數(shù)為：被試關節(jié)軸承內徑為15～50mm，徑向載荷為0～98kN，擺動頻率為02．5Hz，擺動角度為20°～100°。圖1新型關節(jié)軸承壽命試驗機工作原理圖文獻［7］研制了E06－12型自潤滑桿端關節(jié)軸承試驗機，該試驗機采用曲柄搖桿機構驅動主軸擺動，主軸帶動裝配在主軸一側的2個試驗頭在一定的空間范圍內同步擺動。試驗軸承采用懸掛式，杠桿加載裝置施加的力通過軸承殼體螺紋部分傳遞到軸承內圈，以使軸承試驗條件與實際使用狀況相吻合的方法進行磨損試驗。該試驗機的技術參數(shù)為：試驗軸承的內徑尺寸為6～12mm，單套試驗軸承的最大載荷為9．8kN，擺頻20～40次/min，擺幅0°～±40°。文獻［8］研制了可滿足各種載荷的大、中、小關節(jié)軸承測試需求的磨損試驗機。該軸承磨損試驗機主要由主機、液壓源、測量控制系統(tǒng)3部分組成，軸承徑向載荷采用伺服油缸加載。利用電液伺服閉環(huán)控制原理， 進行載荷和位移控制，扭轉部分通過伺服電動機帶動擺線針輪減速機輸出扭矩，由扭矩傳感器、光電編碼器分別測量扭矩、扭角，并組成閉環(huán)系統(tǒng)進行控制。磨損測量采用差動壓器式位移傳感器，測量試驗過程中外圈相對于內圈的徑向位移。計算機可實時采集試驗數(shù)據(jù)繪制曲線，并可存儲試驗數(shù)據(jù)進行后處理。該試驗機的參數(shù)為：徑向載荷最大試驗力分別為00，300和100kN，擺動角度±25°，擺動頻率為1～15次/min。與關節(jié)軸承繞單軸做圓周方向旋轉擺不同，文獻［9］研制了直升機自動傾斜器球鉸自潤滑關節(jié)軸承試驗機，該試驗機采用2套空間四桿機構實現(xiàn)了關節(jié)軸承在2個坐標軸方向的任意擺動；通過1套凸輪機構實現(xiàn)主軸的上、下往復運動。以運動分解的方式獲得了關節(jié)軸承3個自由度的運動目標，采用可編程控制器及觸摸屏實時控制關節(jié)軸承在試驗過程中的擺動速度、頻率和載荷的大小，可以監(jiān)測、顯示襯墊磨損量、摩擦力、溫度和振動信號。該試驗機的參數(shù)為：最大載荷8kN，最大頻率3Hz，擺動角度±9°。此外，還有學者通過研制直線往復式摩擦磨損試驗機來研究自潤滑材料的性能，如文獻［10］中的試驗機能夠通過六桿機構實現(xiàn)直線往復運動，并用液壓機實現(xiàn)加載對自潤滑材料進行試驗，從而得出其摩擦、磨損性能。這為研制關節(jié)軸承試驗機提供了參考。2關軸承磨損性能的影響因素關節(jié)軸承磨損性能受到載荷、溫度、軸承摩擦副材料及自潤滑材料等因素的影響。2．1載荷文獻［1113］研究了關節(jié)軸承受重載情況下的磨損性能，為研究關節(jié)軸承磨損性能提供了重要參考。文獻［11］采用上海市軸承技術研究所研制的ZMS1500磨損試驗機對織物類襯墊鋁合金自潤滑關節(jié)軸承進行磨損試驗，該試驗對內徑尺寸為110和130mm的關節(jié)軸承進行了擺角為25°、擺頻為10次/min、載荷為200～600kN的擺動磨損試驗。試驗中采用測長法測量磨損量，即在試件內、外套圈相對擺動后，以徑向尺寸發(fā)生的變化測定磨損量，并采用徑向位移量與電測量相互轉換的方法，對磨損量進行連續(xù)測量。試驗結果表明：凡是內、外球面滾道接觸良好者，其磨損性能優(yōu)良；若磨痕區(qū)域呈黑褐色狹長狀，則其磨損性能較差。所謂內、外球面滾道接觸良好，即吻合度好， 接觸面積相對較大，因此，在相同載荷條件下單位面上的壓強小，磨損均勻，故其磨損性能較好，反之磨損性能則差。文獻［12］研究了PTFE編織復合材料重載關節(jié)軸承的旋轉摩擦特性，采用自制的重載摩擦試驗機，在轉速為2．5r/min時測試了PTFE編織復合材料關節(jié)軸承承載能力與摩擦系數(shù)的關系，以及摩擦的時間效應。在承載為135MPa時，測試了軸承的磨損曲線、軸承的溫升以及摩擦系數(shù)隨連續(xù)擺動時間變化的關系曲線。試驗結果表明，隨著承載由25MPa增加到135MPa，干摩擦系數(shù)由0．061降低到0．038。通過掃描電鏡分析了軸承失效機理，在擺動的過程中PTFE不斷被擠出，軸承自潤滑功能下降，導致編織基體材料發(fā)生磨損。文獻［13］利用自制的高頻重載關節(jié)軸承摩擦磨損試驗機，研究了不同擺動頻率和接觸壓強條件下PTFE/銅網復合材料襯關節(jié)軸承摩擦系數(shù)、線磨損量和摩擦溫度變化規(guī)律。借助掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）分析了關節(jié)軸承襯墊的磨損表面并探討了其磨損機理。結果表明：在接觸應力≤47．6MPa時，擺動頻率的升高對軸承的摩擦系數(shù)、磨損量和摩擦溫度影響較?。辉诮佑|應力＞47．6MPa，隨著擺動頻率的變化，軸承的摩擦系數(shù)、磨損量波動范圍較大，摩擦溫度上升較快。由圖2a可以看出，襯墊表層保存完好，基體材料銅尚未顯露出，襯墊材料幾乎沒有遭到破壞，自潤滑性能依然良好；隨著擺動頻率升高．8Hz，摩擦過程產生的熱應力以及摩擦面上的剪切拉引起聚合物表面龜裂，并且發(fā)生塑性變形，甚至出現(xiàn)了剝落說明此狀態(tài)下襯墊材料發(fā)生剝落磨損（圖2b）。當接觸應力為95．2MPa，擺動頻率為1．2Hz時，軸承襯墊表層材料磨損較為嚴重，襯墊表層材料已幾乎被磨完，襯墊基體材 料也遭到了破壞，剝落面積增大（圖2c）；當擺動頻率為8Hz時，襯墊表層材料已經磨完，表面有大量的附著顆粒（圖2d）。載荷發(fā)生變化時會影響自潤滑關節(jié)軸承的力學性能。在重載條件下，軸承內外圈擺動將在內、外圈接觸面產生摩擦熱，襯墊材料發(fā)生塑性變形、擠壓變形和剝落，致關節(jié)軸承自潤滑能力下降，進而發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損，導致軸承失效。圖2PTFE編織物磨損表面形貌SEM照片［3］2．2溫度當關節(jié)軸承應用于航空航天等領域時，溫度對自潤滑材料摩擦磨損特性的影響尤為明顯，因而溫度對關節(jié)軸承性能的響也受到了廣泛的關注。文獻［14］為研究低溫環(huán)境下PTFE的摩擦磨損屬性，進行了環(huán)境溫度為～77K熱力學溫度的盤銷磨損試驗，果表明，TFE在低溫環(huán)境下的摩擦性能提高。這是由于在低溫環(huán)境下PT-FE的硬度和機械強度提高。文獻［15］研究了速度、載荷、溫度對35%填充TFE復合材料摩擦磨損特性的響。試驗結果表明，通過使軸承冷卻，載荷和速度對磨損的影響減少。因此，可以通過降低關節(jié)軸承的工作溫度來提高PTFE的磨損性能，進而提高關節(jié)軸承的磨損性能。2．3軸承材料和自潤滑材料軸承材料的選擇直接影響著關節(jié)軸承的使用性能和壽命，因此，為了得到關節(jié)軸承優(yōu)良的使用性能，選擇合理的軸承材料非常重要。文獻［16］為了避免軸承鋼關節(jié)軸承發(fā)生銹蝕卡死，采用洛陽軸承研究所研制的能同時監(jiān)視軸承的摩擦、溫度以及磨損情況的SPBTM－Ⅱ型關節(jié)軸承試驗機對UG20和UC20X進行了摩擦性能試驗對比分析。試驗結果表明：不銹鋼關節(jié)軸承UC20X的壽命高于軸承鋼關節(jié)軸承UG20，這是因為不銹鋼材料的自適應性和耐磨性優(yōu)于軸承鋼的緣故。自潤滑材料的性能直接影響關節(jié)軸承的磨損性能和使用壽命。陶瓷基復合材料是以陶瓷作為黏接劑的自潤滑材料，這類材料具有高硬度、高強度、高剛度、低密度和優(yōu)異的化學穩(wěn)定特性，也具有良好的減摩耐磨特性。文獻［17］指出，CaF2在高溫下由脆性向塑性轉變而具有潤滑性。在摩擦過程中，CaF2中的氟與磨損表面所起的化學作用也是具有潤滑性的重要原因。但是材料的力學、摩擦學性能并不一定隨固體潤滑劑含量的增加呈線性變化。文獻［18］研究了通過熱壓成形工藝制的Al2O3TiC/CaF2自潤滑陶瓷材料在室溫下的摩擦磨損性能，結果表明：當CaF2含量為10%時，該材料具有較好的力學性能，其摩擦系數(shù)隨aF2含量、載荷和速度的增加而降低。Al23TiC/CaF2材料在高速摩擦條件下能夠在磨損表面形成一層固體潤滑膜，正是由于這層膜的存在使得其在高速、高載荷下具有較低的摩擦系數(shù)；而低速下其磨損機理主要是磨粒磨損。 二、產品設計過程 2.1徑向加載部分電機的設計計算 由于徑向加載部分的電機需要可調速的，則從電機的運動路線為定比傳動，其總的傳動比可利用自身攜帶的減速器來得到。 電機的轉速不易太高，因為絲桿的移動能力并不是隨轉速增加而增加。當速度達到一定值以后，效率反而下降，因此電機的轉速一般在200一400r/min比較適宜。在本機選用326r/min。 由傳動比標準系列查B2表2－1 初步取1.76 2.5 根據(jù)選用的電機和絞籠轉速要求設計傳動路線如下： 2.1電機的選擇 N=＝4(KW) G－絲桿的轉動慣量，1000kg/h W－切割1kg物料耗用能量，其值與孔眼直徑有關，d小則w大，當d＝3mm， 取w＝0.0030kw.h/kg。（查B5p） －傳動效率，取0.75 所以根據(jù)N＝4kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機的結構。 圖4-1 Y112M-4電動機的外觀圖 2.2軸向加載部分電機的設計計算 由于軸向加載部分的電機需要可調速的，則從電機的運動路線為定比傳動，其總的傳動比可利用自身攜帶的減速器來得到。 電機的轉速不易太高，因為絲桿的移動能力并不是隨轉速增加而增加。當速度達到一定值以后，效率反而下降，因此電機的轉速一般在200一400r/min比較適宜。在本機選用326r/min。 由傳動比標準系列查B2表2－1 初步取1.76 2.5 根據(jù)選用的電機和絞籠轉速要求設計傳動路線如下： 2.2電機的選擇 N=＝4(KW) G－絲桿的轉動慣量，1000kg/h W－切割1kg物料耗用能量，其值與孔眼直徑有關，d小則w大，當d＝3mm， 取w＝0.0030kw.h/kg。（查B5p） －傳動效率，取0.75 所以根據(jù)N＝4kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機的結構。 2.3扭力傳感器的選型計算 彈簧機構扭矩測量傳感器選型 主要查找了力傳感器和扭矩傳感器力傳感器有國內和國外兩種傳感器， 均為壓電式傳感器，尺寸和安裝方面比較合適（后面1，2）；扭矩傳感器都比較大，沒有找到合適安裝的傳感器（后面3，4）力測量方法接測量直接測量力需要將結構沿垂直力傳遞垂直分成兩部分, 以便安裝已校準的力傳感器。這樣會給試驗結構帶來一定的影響, 安裝力傳感器必須滿足試驗結構的強度和剛度要求。傳感器測量范圍必須大于被測量的過程力。這種安裝方法的一個主要優(yōu)點是不需考慮力作用點, 總是可以準確、線性完美地測量力。應用:試驗室單分量與多分量力測量, 微小力測量, 絕對力測量適用的傳感器類型:已校準的單分量或多分量力傳感器。奇石樂力測量技術主要用于生產、車輛工程和生物力學。我們的實踐經驗、試驗臺以及與客戶的緊密聯(lián)系使得我們成為全球這一高要求的市場中理想的合作伙伴。除了傳統(tǒng)應用領域, 奇石樂還在眾多不同的挑戰(zhàn)性的測力應用領域發(fā)揮著重要作用。無論很大的力還是微小力, 單向力或是多向力, 只要能夠在不影響部件性能的前提下安裝力傳感器, 就可以使用奇石樂力傳感器測量。壓電式測量是唯一滿足高固有頻率要求的測量技術。幾乎無限的使用壽命是選擇奇石樂力傳感器解決測量難題的另一個充分理由。間接測量如需測量很大的力或結構不能分解成兩部分 , 必須測量部分力。傳感器安裝在力的分流道中的合適位置, 并與測試結構堅固結合, 因此它只能測量部分力。部分力的大小取決于傳感器安裝的方式。這種安裝方法的優(yōu)點在于對已有結構的改動較小。只需要量程較小的傳感器。一旦傳感器安裝后, 需要對力進行現(xiàn)場校準, 三、關節(jié)軸承搖擺試驗機主機的三維建模 3.1徑向加載部分的三維建模 徑向加載部分安裝在主機橫梁上部，加載裝置中的減速電機帶動傳動絲杠通過杠桿、連接部件對安裝在夾具內上的軸承進行徑向加載，加載的徑向力通過傳感器測量。機構圖如下： 3.2軸向加載部分的三維建模 3.3夾具部分的三維建模 設計總結 本設計主要是基于國內關節(jié)軸承搖擺試驗機的發(fā)展，節(jié)水和環(huán)境保護以及車業(yè)投資和成本控制的要求，設計具有一定經濟和好實用性。 本設計主要完成的工作包括以下幾個方面： 1、通過對關節(jié)軸承搖擺試驗機現(xiàn)狀分析，找到設計出發(fā)點，確定設計的方向。 2、完成了關節(jié)軸承搖擺是樣機的結構設計、系統(tǒng)設計，同時進行創(chuàng)新設計，突出質量的優(yōu)勢，實現(xiàn)自己動手洗車簡潔化。通過三維軟件對各部分零件建模，在建模期間一般應進行深入的特征分析，搞清零件是由那幾個特征組成，明確各個特征的形狀，他們之間的相對位置和表面連接關系，然后按照特征的主次關系，按一定的順序進行建模。一個復雜的零件，可能是許多個簡單特征經過相互之間的疊加、切除或相交組成。所以零件建模時，特征的生成順序十分重要，不同的建模過程雖然可以構造出同樣的實體零件，但其造型過程及實體的構型結構卻直接影響到實體模型的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性及實體模型的應用。 尤其在二維圖紙上，我們能看到的只是零件的平面圖，而內部特征則以虛線給予表示，另外還有零件的相貫線，這表示了各個特征相交時出現(xiàn)線段。在零件的草圖繪制過程中，必須要選好第一個草繪平面，這很關鍵，這個平面決定了往后建模的所用到的命令，簡單的說，一個圓柱可以作一個圓形然后拉伸，也可以作一個長方體旋轉，雖然他們的結果都一樣，但所用的草繪平面和命令就截然不同。如果我們要的是一條軸，那我們就應該選擇第二種方法為好了。 致 謝 時光飛逝，歲月如梭，轉眼之間大學生活已經接近尾聲，回首大一剛入學的場景依然歷歷在目，仿佛還是昨天的事情。再從頭到尾看一看這篇畢業(yè)設計，每一個環(huán)節(jié)都離不開xxx老師的幫助，從題目的擬定，到結構框架，資料搜集，整理提煉，以及最后的反復斟酌。在具體的寫作過程中，我遇到了許多這樣或那樣的預料之外的困難，讓我感到困惑和焦慮，但最終在xxx老師的指導和幫助下，還是獨立完成了單拐曲軸的機械加工工藝規(guī)程及夾具設計。論文的最終完成，是一波三折的過程，在不斷完善和修改的過程中讓我更加懂得“一分耕耘一分收獲”的道理。 除了要衷心的感謝我的指導老師以外，我還要感謝在校期間所有傳授過我知識的老師們，他們孜孜不倦的教誨是我完成這篇論文的基礎。作為一個機械工程及自動化專業(yè)的學生，在一些其他課程上遇到過許多問題，多虧老師們在百忙之中抽出時間為我答疑解難，給予我耐心的指點，讓我少走了許多彎路。在此我對他們無私的愛心表示由衷的感謝。同時也感謝大學生活中與我朝夕相處的同學們，他們給我留下了最難忘的回憶。在一起走過的日子里，我們一同歡笑，一起悲傷，相互鼓勵，共同進步。我要感謝在這漫長而短暫的四年里陪我一同走過的同學們，因為有了你們，我的生命中多了很多歡樂的瞬間和美好的回憶，愿我們的情義地久天長。 最后感謝我的家人，是他們一直站在我身后，做我堅強的后盾，無論我成功與否，他們都默默地給予我支持與鼓勵，讓我感到我不是一個人在戰(zhàn)斗。謝謝你們，我一定會更加努力，不辜負你們對我的期望。 四年時光，說長不長說短不短，不知不覺中我們已經共同經歷了許多，我們手拉著手一同走過了快樂與悲傷，收貨了屬于我們的成長與堅強。也許在今后的日子里還有更多的困難等待著我們，但是我不會害怕，我會勇敢的迎接挑戰(zhàn)，我要用自己的努力搏一個美好的未來。最后我想說：畢業(yè)，是終點，亦是起點。 本文是在導師xx老師的悉心指導下完成的，字里行間都凝聚者導師的智慧和心血。半年來，導師不僅在學術上循循善誘，引導學生不斷進取、精益求精，而且在思想方法上諄諄教誨，傳授學生生活和做人的道理。導師活躍的學術思想、淵博的學識和對工作一絲不茍的工作作風將對我的一生產生重要的影響。在畢業(yè)之際，謹向導師致以深深的謝意。 感謝導師xxx老師在畢業(yè)設計過程中的關心和支持。 也感謝各位同學在設計過程中的鼎立相助。 原此次設計順利完成，以答謝各位老師和同學的支持！ 最后，向在百忙之中評閱本文的各位老師表示衷心的感謝！ 參考文獻 [1] 張煉. 以政策和市場為導向、推動產學研合作教育深入開展. 中國高等教育： 2000（21）. 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