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湘潭大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目：換向器性能測試臺設(shè)計
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： XXXXX
姓 名： XXXXX
指導(dǎo)教師： XXXXX
完成日期： 2014-5-4
目錄
第一章、 緒論…………………………………………………………10
第二章、 關(guān)鍵零部件的設(shè)計與計算…………………………………13
1、軸的設(shè)計 ………………………………………………………13
2、聯(lián)軸器的設(shè)計 …………………………………………………14
3、軸端擋圈與銷孔設(shè)計 …………………………………………16
4、軸支撐架的設(shè)計 …………………………………………… 16
5、測試儀探頭固定架的設(shè)計……………………………………… 17
6、頂尖設(shè)計…………………………………………………… 18
7、軌道設(shè)計 …………………………………………………… 20
第三章、 其他零部件的選取…………………………………………20
1、電機(jī)的選取………………………………………………………20
2、耐壓測試儀的選取 …………………………………………… 17
3、直流調(diào)速器的選取 …………………………………………… 25
4、軸承的選取…………………………………………………… 26
5、螺栓的選取…………………………………………………… 27
第四章、 校核…………………………………………………………27
1、軸的校核 ………………………………………………………28
2、鍵的校核 ………………………………………………………31
3、螺栓的校核…………………………………………………… 32
總結(jié)…………………………………………………………………… 33
致謝…………………………………………………………………… 35
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 37
附錄…………………………………………………………………… 30
1、譯文原文……………………………………………………… 38
2、譯文…………………………………………………………… 52
換向器性能測試臺設(shè)計
摘要 換向器性能測試臺設(shè)計實現(xiàn)了換向器超速與耐壓實驗等多功能平臺設(shè)計。換向器是組成電機(jī)必不可少的部件，也是電機(jī)能持續(xù)運行的保證。如果沒有換向器，電機(jī)只能轉(zhuǎn)不到半圈就卡死了。換向器在現(xiàn)代電機(jī)中扮演著舉足輕重的角色，所以換向器的性能測試是人類科學(xué)發(fā)展的重要內(nèi)容。工作平臺外型美觀，節(jié)省材料?？梢韵劝惭b換向器器，手動頂尖固定轉(zhuǎn)軸，打開電源轉(zhuǎn)軸即轉(zhuǎn)動即可實現(xiàn)換向器超速實驗；當(dāng)選擇表筆固定支撐移向換向器，打開耐壓測試儀，便可取得不同電壓，實現(xiàn)其耐壓實驗，在耐壓測試儀上讀出其數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞 換向器 超速 耐壓測試 軌道 頂尖
Commutator test bench design
Summary：Commutator test bench designed to achieve a commutator speeding and other multi-platform design pressure experiments. Commutator motor is composed of essential components, but also to ensure continuity of operation of the motor. If there is no commutator, the motor can only turn less than a half circle on the card died. Commutator plays an important role in modern motor, so the commutator performance testing is an important part of human science. Working platform appearance, material savings. You can install the commutator, manual top fixed shaft, turn the power shaft that is rotating commutator speeding experiment can be realized; When choosing a fixed support toward the commutator pen, turn pressure tester, you can get a different voltage, achieve its pressure experiments, which reads the data on the pressure tester.
第1章 緒論
1.1研究背景
社會發(fā)展迅速，科技日新月異。
人類文明經(jīng)過蠻長發(fā)展，科技在歷史進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用。不置可否，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。十八、十九、二十世界以來，科學(xué)更是以全新面目展現(xiàn)在世界面前，因為科學(xué)，這個世界瞬息變遷。馬克思在其名著《資本論》中高度強(qiáng)調(diào)了發(fā)展科學(xué)的重要性。現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)、國防及民用生活用品無不需要科學(xué)研究作為先驅(qū)，我們活在一個充滿著活力的世界，我們也一刻不能離開科學(xué)產(chǎn)品。無論是今天人們津津樂道的iphone，還是美國投在長崎、廣島的原子彈，盡管有著不同用途與巨大差別，其實都屬于科學(xué)研究，都來源于科學(xué)先驅(qū)的貢獻(xiàn)。我們在享受這個文明時代到來的同時，也要心懷感恩，感謝那些孜孜不倦、貢獻(xiàn)社會的先驅(qū)者。
受封建社會的影響，中國的現(xiàn)代科技時代貌似來得晚了些。中國從改革開放后，就積極引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)與資金，迅速發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)。不論西部大開發(fā)，還是深圳從一個小漁村變成現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)聚焦的貿(mào)易大都市，科技力量在其中都扮演者重要角色。
當(dāng)我們走出去，車水馬龍，人來人往。交通工具是人們史無前例地提高了辦事速度和效率，我們不再像以往一樣寸步難行。然而各種設(shè)備中很多都用到了電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)包括發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，其原理剛好互補。各類水電站中用到的都是發(fā)電機(jī)，其利用水的勢能驅(qū)動電機(jī)，使之切割磁感線，達(dá)到勢能轉(zhuǎn)化為動能的目的。電機(jī)也分為很多種類，按交直流形勢有交流電機(jī)和直流電機(jī)，按相角有三相電機(jī)、兩相或單相電機(jī)等等分類。
直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。工作時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用為產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢。換向器是組成電機(jī)必不可少的部件，也是電機(jī)能持續(xù)運行的保證。如果沒有換向器，電機(jī)轉(zhuǎn)不到半圈就卡死了。換向器在現(xiàn)代電機(jī)中扮演著舉足輕重的角色，所以換向器的性能測試是人類科學(xué)發(fā)展的重要內(nèi)容。
從十九世界以來，電機(jī)及其部件換向器一直在人類文明進(jìn)程中發(fā)揮重大作用。隨著工業(yè)化進(jìn)程與國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的高發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用已深入到交通運輸、工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)、辦公自動化、醫(yī)療器械、國防現(xiàn)代化等領(lǐng)域之中，而換向器性能的鑒定與實驗越來越成為換向器繼續(xù)發(fā)展的突破性因素。特別是自20世界以來，隨著設(shè)計實驗方法的改善，原材料性能和制造工藝水平的提高，利用計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)等高科技領(lǐng)域發(fā)展相結(jié)合，換向器研究與換向器實驗得到了更快更長足的發(fā)展，不斷滿足國民經(jīng)濟(jì)中個行業(yè)每日劇增的多樣化的需求。
1.2課題意義
在使用過程中，原本生產(chǎn)的換向器不一定具備完好功能滿足于我們的需求，因此我們需要對其性能進(jìn)行評估。通常我們選擇測試耐壓性能和做超速實驗，而換向器的性能實驗工作臺就成了必不可少的實驗設(shè)備。其檢測實驗必不可少，也為換向器發(fā)展、電機(jī)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的傳輸、采集和處理，即稱為通信技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機(jī)處理技術(shù)。目前國內(nèi)外關(guān)于換向器測試的技術(shù)一般都會用到這幾種技術(shù)，有的公司為了檢測換向器性能，自制簡單粗糙換向器檢測機(jī)器，因此換向器性能檢測工作臺是一項有開發(fā)空間的項目，值得更多經(jīng)濟(jì)資金的投入。
國外很多公司在電子測量儀方面已經(jīng)做到高可靠性、高精度、高分辨率的程度。例如如日本IMADA公司與德國的MAHR公司和EPK公司等等。這些發(fā)達(dá)國家的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域研究水平已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越于中國，其芯片技術(shù)、傳感技術(shù)均有很先進(jìn)的發(fā)展。
1.3設(shè)計內(nèi)容
本次換向器性能測試臺設(shè)計主要完成換向器的超速實驗和耐壓性能實驗的原理及機(jī)械部分。了解動力原件及傳動機(jī)構(gòu)，選擇傳感器及一些簡單機(jī)械機(jī)構(gòu)。
目標(biāo)設(shè)計能自動完成換向器絕緣耐壓性能測試實驗和超速實驗。
換向器原理是：當(dāng)線圈通過電流之后，其就會在永久磁鐵作用下，通過排斥和吸引力轉(zhuǎn)動。當(dāng)它轉(zhuǎn)到與磁鐵平衡時，以前通著電的線對著換向器上的觸片就和電刷分離開，然而電刷接到符合產(chǎn)生推動力的線圈對應(yīng)的觸片之上，經(jīng)過不停的重復(fù)，直流電動機(jī)就會轉(zhuǎn)起來。
絕緣耐壓測試的基本原理：把一些高于正常工作的電壓加到被測設(shè)備的絕緣體上，經(jīng)過持續(xù)一段規(guī)定的時間，如果它的絕緣性良好，上面的電壓就只產(chǎn)生很小的漏電流。當(dāng)一個被測設(shè)備絕緣體于規(guī)定的時間內(nèi)，如果其漏電電流能保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，這個被測設(shè)備能在正常的運行條件下安全運行就可以確定。
超速實驗原理：檢驗電動設(shè)備在電動機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速一定范圍時的運行狀態(tài)而進(jìn)行的實驗。通常情況，超速試驗是從小的轉(zhuǎn)速1500rpm作為開始，15~20秒之內(nèi)以額定加速度加速到2000rpm，維持2分鐘；之后從2000rpm開始，以1000rpm為單位均勻加速，在3000/min,4000r/min,5000r/min時分別穩(wěn)定1分鐘；超過5000rpm時，再以500rpm作為單位，于20~25內(nèi)進(jìn)行加速，再穩(wěn)定半分鐘，最后試驗轉(zhuǎn)速按需要可為發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的2.5倍。安全系數(shù)一般為K=2.5。
本次設(shè)計實驗臺的針對換向器槽數(shù)33片；額定轉(zhuǎn)速：3000rpm；電壓0~30V；外形尺寸：140*R50*r30（厚度*外徑*內(nèi)徑）。
1、搜集資料，了解國內(nèi)外現(xiàn)有換向器的發(fā)展及其性能檢測儀的發(fā)展情況，分析各種儀器的優(yōu)劣，找出可以改進(jìn)的地方；并弄懂其一般的工作原理、工作特性；
2、總體方案設(shè)計，包括方案的提出與確定，方案的實現(xiàn)，必要的設(shè)計計算及校核；
3、學(xué)習(xí)軟件制圖，并完成說明書等。
第2章 關(guān)鍵零部件的設(shè)計與計算
2.1 軸的計算
在超速實驗中需要用到轉(zhuǎn)軸承載換向器轉(zhuǎn)動，軸與電機(jī)鏈接，中間搭配聯(lián)軸器。軸的材料選取45鋼，正火處理，由《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》表10-2得，當(dāng)d≦100mm時，σb=588，σs=294，σ-1=238，τ-1=138，【σ+1】=196，【σ0】=93，【σ-1】=54.軸的工作圖如圖一所示：
圖一 轉(zhuǎn)動軸
2.1.1 軸L1段的計算
L1為軸插銷處的尺寸，根據(jù)需要取D1=20mm，L1=20mm。
2.1.2 換向器承載處軸L2的計算
因為考慮到換向器的上緊與拆下，換向器處選擇間隙配合，基孔制配合；由于軸不能對換向器造成損害，同時在超速時也不能使換向器打滑，故選擇一般精度等級IT8,；又根據(jù)換向器的基本參數(shù)：槽33片，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，電壓0-30v，外形尺寸140*100*60（厚度*外徑*內(nèi)徑），確定軸L2的基本尺寸為60，根據(jù)《機(jī)械精度設(shè)計與檢測》P46表3-4選擇其上偏差為es=0um，下偏差為ei=-10um。所以軸L2的直徑D2=60.
l2長度可根據(jù)換向器厚度140得l2=140mm。
2.1.3軸段3處的計算
其直徑可根據(jù)換向器外徑D=100確定：
D3=100，其長度亦可確定為5mm，即L3=5mm。
2.1.4關(guān)于軸5段的計算
L4可根據(jù)操作空間的需要定位20mm，即L4=20mm。
D4大小需要根據(jù)轉(zhuǎn)矩計算，根據(jù)所選電機(jī)（見第四章-其他零部件的選?。﹨?shù)P=0.035，轉(zhuǎn)矩T=54.88N.mm，由材料45鋼查機(jī)械設(shè)計手冊A=125，因為軸為實心軸，所以β=0，換向器的起始速度為3000rpm，根據(jù)公式有
為了安全起見和軸自身重量考慮，以及軸長期受彎矩等其他各方面因素綜合考慮，取d5=15mm。
L5的長度根據(jù)電機(jī)安裝尺寸確定為58mm，即L5=58mm.
2.1.5關(guān)于軸4段部分尺寸確定
軸4為臺階軸，作用是和尖頂一起卡緊軸，方便加工。其尺寸可確定為D4=30mm，L4=20mm。
2.1.6關(guān)于軸6段尺寸確定
可根據(jù)軸與電機(jī)軸的相連確定D6=D5=15mm，L6=16mm.
為了減輕軸的重量，避免給軸造成巨大載荷，軸2處采取去除多余材料的方法，將軸2處每隔20°除去100°扇形材料，中心直徑為20部分不去除材料。這樣既能滿足設(shè)計需求，又能避免過多材料浪費和減少軸的負(fù)載。
2.1.7軸上鍵槽的設(shè)計
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》P491表9-4的直徑選取軸上鍵槽尺寸，選取普通平鍵，據(jù)手冊可得軸上鍵槽尺寸為
軸的基本尺寸為：b=5 mm，h=5 mm，l=10 mm，t=3.0，r=0.4用公式編輯器編寫
；
孔的基本尺寸為：t1=2 mm，b=5,r=0.25 mm.
再由P496表9-9鍵和鍵槽尺寸公差表查得鍵與鍵槽尺寸公差，故有軸和鍵槽尺寸如下：
軸的尺寸：b=5 mm,精度選擇h9；h=5 mm,精度選擇h11；l=10 mm,精度選擇h14；r=0.4 mm。
鍵槽的尺寸為：，，，取較緊配合，精度選取P9;l=10 mm，精度選取H14.
2.2聯(lián)軸器的設(shè)計
設(shè)計中選取的55SZ08號電機(jī)的尺寸如下：b=2 mm;d=7 mm;G=4.3 mm,其精度為h11;L=12 mm.聯(lián)軸器工作三維圖如圖二所示：
圖二 聯(lián)軸器
2.3電機(jī)鍵的選擇設(shè)計
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》491頁表9-4選擇普通平鍵作為電機(jī)用鍵，再根據(jù)電機(jī)鍵槽的尺寸確定其尺寸如下：
b=2 mm，其精度等級為h9;
h=4 mm，其精度等級為h11;
L=12 mm,其精度等級為h14;
r=0.25 mm.
根據(jù)鍵的尺寸確定鍵槽公差后有鍵槽尺寸如下：
t=2.5 mm;
t1=1.5 mm;
b=2 mm,取較緊配合，配合精度等級為P9;
L=12 mm，配合精度等級為H14;
R=0.16 mmm;
2、 聯(lián)軸器尺寸及配合設(shè)計
由于國標(biāo)中很難找到符合此標(biāo)準(zhǔn)配合的聯(lián)軸器，因此聯(lián)軸器由自己設(shè)計加工，材料選取45鋼，中間采取環(huán)形鏈接，采用六個螺紋的聯(lián)接方式，其設(shè)計工作圖如下所示：
根據(jù)圖中所示計算各尺寸如下：
d1=d6=15mm；
d2=d=7mm；
令D1=25mm，D2=17mm；
孔1的深度L1=L6=16mm；
孔2的深度L2=L=12mm。
為了軸與聯(lián)軸器能穩(wěn)定進(jìn)行運轉(zhuǎn)，選取間隙配合為軸與聯(lián)軸器的配合，選用基軸制進(jìn)行配合，查《機(jī)械精度設(shè)計與檢測》選擇孔1配合精度為，采用精銑加工，表面粗糙度為Ra=1.6；因為電機(jī)軸的精度為h11，故孔2的配合精度選擇，孔2采用鉆孔加工方法，取Ra=3.2.根據(jù)多選取配合精度確定偏差得：
對于孔1有：
軸的偏差：es=0mm,ei=0mm;
孔的偏差：ES=+0.10mm，EI=0mm.
T1=T+T=0+0.01=0.01mm.
對于孔2有：
軸的偏差：es=0，ei=0；
孔的偏差：ES=+0.080mm,EI=0mmm.
T2=T+T=0+0.08=0.08mm。
3、螺栓的確定及載荷計算
根據(jù)前面計算有l(wèi)6=16mm，d6=15mm。選擇六角頭螺栓A級M3作為鏈接螺栓，L為14mm，b=12，c=0.4，d=3，d=4.6，e=6.07，k=2，s=5.5.
在螺栓的固定中，我們于螺栓尾人為加工銷孔如下圖所示：
其直徑為d=1.2，螺栓采用預(yù)緊方法連接。
根據(jù)公式
Kn為可靠系數(shù)，Kn=1.1~1.3,取1.3；
T為轉(zhuǎn)矩54.88W；
f為結(jié)合面摩擦系數(shù)，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》表7-3fc得f=0.40；
z為螺栓數(shù)量6；
r為螺栓中心距離載荷中心長度，r=…=r=15.5mm。
帶入數(shù)據(jù)求得：
F0=1.92N
2.4軸端擋圈與銷孔的設(shè)計
2.4.1擋圈設(shè)計
為了講換向器固定在轉(zhuǎn)動軸上，防止加速過程換向器發(fā)生偏離或脫落，設(shè)計軸端擋圈與銷孔，用普通鐵絲插入銷孔使之固定。擋圈的半徑可根據(jù)換向器外徑大小得來，即R=R=100mm，擋圈厚度b=5mm，為了避免加速過程中擋圈對換向器造成一定程度的微笑變形影響，所以擋圈與換向器接觸面精度要求較高，擋圈選擇七級精度，采用半精銑加工方式進(jìn)行加工，表面粗糙度去Ra=1.6；
其他面則無要求。
2.4.2銷孔設(shè)計
銷孔用普通鐵絲插入卡緊，對精度并無要求，取R=5mm即可。
4、軸支撐架的設(shè)計計算
支撐結(jié)構(gòu)起到支撐轉(zhuǎn)軸和鏈接軌道的作用，在整個結(jié)構(gòu)中占有重要位置。選取材料為45鋼，為了方便電機(jī)安裝，整個材料設(shè)計為“7”字型，既可以支撐軸的轉(zhuǎn)動，也可以方便電機(jī)的安裝，亦可以節(jié)省材料，其工作圖如下：
根據(jù)前面軸的計算與電機(jī)選擇，整個孔分為兩個部分，一部分與軸5段接觸，另一部分是聯(lián)軸器處（與聯(lián)軸器不接觸），此處令與軸接觸的孔為孔1，其基本尺寸為軸5尺寸，聯(lián)軸器處的孔為孔2.軸支撐架工作三維圖如下所示：
圖三 軸支撐架
1、 孔的計算
（1）孔1的計算
根據(jù)前面選取的配合，孔1的精度定為6級精度，采用鉸孔加工方式，基本尺寸為D5=15mm,
配合選取為，
根據(jù)《機(jī)械精度設(shè)計與檢測》表3-2有公差T=11um，再查表3-5選取軸的偏差，es=0，ei=-0.003mm，尺寸為d=
，根據(jù)公差計算公式T=T+TT=0.008mm。
又根據(jù)《機(jī)械精度設(shè)計》選取EI=0.006mm,T=ES-EIES=0.006+0.008=0.014 mm，孔1的完整尺寸為。表面粗糙度選Ra=1.6.L=L5=58mm.
(2)孔2 的確定
孔2 無需與軸進(jìn)行結(jié)合，只需留出聯(lián)軸器空間即可，故可簡單確定其直徑為40mm，長度為軸6段長度即16mm。對其表面質(zhì)量無太大要求。
2、 軸支撐架的外部尺寸
根據(jù)電機(jī)安裝尺寸P=58mm,確定支撐架寬度b=58mm，c=l6+l5=28mm，a=l5+l6+l7=58+12+16=86mm；根據(jù)設(shè)計需要定h=158mm，h1=158-58=100mm。
支撐材料按對稱設(shè)計，令下端角α=45°，β=135°，其余尺寸分別是：
e=20mm；f=10mm;
g=10mm;i=30mm;
m=mm;j=15mm;
n=mm,k=15mm;
u=28mm.
其中以m、j、h、n、k為邊的整個底面取6級精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；支撐架的其余沒確定精度的表面均取10級精度，采用半精銑加工，表面粗糙度取Ra=6.3。
支撐架上端臨軸4 29mm處設(shè)立油孔，直徑為4mm。
5、測試儀探頭固定支撐架的設(shè)計
測試儀探頭固定支撐架的作用是，換向器進(jìn)行絕緣耐壓測試時，需要用兩支探頭接觸換向器槽的兩端，支撐架可以固定兩支來自耐壓測試儀的探頭。支撐架分兩部分加工，然后再把其進(jìn)行結(jié)合，上端可以拆下，工作時便插入豎直孔，用邊上銷孔給固定。其工作圖如圖四：
圖四 探頭支撐架
根據(jù)換向器基本尺寸140*100*60（厚度*外徑*內(nèi)徑），即有換向器R=50換向器為33槽， θ=，
兩探頭固定處中心距O= 2Rsinθ =2×50× sin5.455°=9.5mm。根據(jù)所選耐壓儀的兩支探頭直徑為確定孔的直徑為8mm，孔的精度選為8級精度，采用鏜孔加工。探頭固定孔如圖五所示：
圖五 探頭固定孔
根據(jù)上述數(shù)據(jù)確定尺寸：a為30mm，b為16mm，厚度c=10mm；
根據(jù)前面軸的支撐架尺寸確定，采用下面加壓方式可節(jié)省材料， h=129-50=79mm，
C取20mm，d3為12，q=25mm，加緊孔d4取4mm；
L=79-28=51mm；
手柄長度取22；
F、j、n、k、u、α、β等底端尺寸可以根據(jù)前面支撐架的底端尺寸得來，即有：
F=10mm；
i=30mm；
j=15mm；
n=mm；
k＝30mm;
u=28mm;
α=45°;
β=135°.
支撐架下半部分厚度取45mm，取前面對齊的方式；其中以m、j、h、n、k為邊的整個底面取6級精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；支撐架的其余沒確定精度的表面均取10級精度，采用半精銑加工，表面粗糙度取Ra=6.3。
6、頂尖的設(shè)計
設(shè)計頂尖的目的是在超速實驗時不至于使轉(zhuǎn)動軸滑落出來，屬于實驗固定部件。
頂尖由軸承、芯軸和外圓筒組成，在各種機(jī)床中均有見。本次設(shè)計的換向器工作臺在進(jìn)行超速實驗時聯(lián)軸器不能對軸進(jìn)行軸向固定而設(shè)計。選取材料為45鋼。
頂尖頂角取60°，根據(jù)前面數(shù)據(jù)，為了使耐壓儀器部分不與頂尖在同一直線上，圖中R定位35mm，r的大小則根據(jù)軸承確定。頂尖芯軸圖如圖五所示：
圖六 頂尖芯軸
據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》表12-17，選擇深溝球軸承作為頂尖設(shè)計軸承，根據(jù)實際需求選取d為17的軸承，其基本數(shù)據(jù)如下：
軸承尺寸
軸承尺寸
/mm
基本載荷/KN
極限轉(zhuǎn)速 /r.min-
軸承代號
原軸承代號 /mm
d
D
B
r
動
靜
脂潤滑
油潤滑
17
30
7
0.3
4.60
2.60
19000
24000
61903
1000903
由R=35mm，r=d=17mm，設(shè)孔的截面尺寸為38×38，空長取L=120mm，分別將芯軸按照圖中標(biāo)示為L1、L2、L3、L4，其中L4為頂尖對應(yīng)尺寸，L2為臺階處，L3為孔對應(yīng)出軸，L4為末端軸處。于是有圖形分析得：
=L1=30.3mm
設(shè)L2=50mm，L3=180mm，L4=100mm；
故芯軸的總長L=L1=L2=L3=L4=360.5mm。
頂尖末端軸承安裝于孔的末端處，另外一個軸承安裝里孔末端73mm處，即可實現(xiàn)芯軸的自由伸縮。
根據(jù)平臺需求取工作圖中尺寸b=80mm，a=35mm。根據(jù)下端固定處總寬度為118，且工作臺為對稱安裝，可得下端尺寸：
c=21.5mm;
e=30mm;
i=10mm;
m=15mm;
u=28mm;
k=30mm;
h=129-=110mm.
頂尖支撐架工作三維圖如圖六所示：
圖七 頂尖支撐架
孔的內(nèi)部取8級精度，采用鉸孔加工方法進(jìn)行加工，孔與軸承為間隙配合，軸與軸承為過盈配合。
其他表面去10級精度，表面粗糙度為Ra=3.2.
其中g(shù)、m、h所在的地面均為6級精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；支撐架的其余沒確定精度的表面均取10級精度，采用半精銑加工，表面粗糙度取Ra=6.3，軸承與孔、軸承內(nèi)部均采用脂潤滑。
7、 軌道設(shè)計
軌道設(shè)計為此次換向器性能測試臺的特色之一，采用這種方式可使得測量與拆卸方便，簡單易行，使其具備直觀、功能齊全等優(yōu)點。選取軌道常用鋼材Q235作為設(shè)計材料，其初步工作圖如圖八所示：
圖八 軌道
根據(jù)前面各部件的計算，知圖中，a=c=mm，b=15mm，對于e相對于上面的移動支撐架把其深度變大些，可取
e=35mm；
f=28mm；
h=30mm。
記過計算，軌道為轉(zhuǎn)動軸對應(yīng)部分留280mm長度，為耐壓測試儀探頭部分留120mm，為頂尖部分留310mm，長度可維持各部件的運行。
再根據(jù)前面所算各部件長度L=280+120+310=710mm。
軌道寬度b=15×6+28=128mm。
其中g(shù)、m、h所在的地面均為6級精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；其余各面取12級精度，采用沖壓得到，表面粗糙度取Ra=6.3.
第3章 其他零部件的選取
在設(shè)計過程中除了關(guān)鍵零部件的設(shè)計之外還需要選取電機(jī)、耐壓測試儀、直流調(diào)速器、軸承及螺栓等零件或輔助儀器選用。下面將分別列舉選取的各部件。
3.1電機(jī)的選取
電機(jī)是現(xiàn)代大量應(yīng)用的一種能量形式，這種能量形式有許多優(yōu)點，如生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟(jì)，傳輸和分配比較容易，使用和控制比較方便等。電機(jī)的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制等都必須利用電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換或信號變換的幾點裝置。在電力工業(yè)中，發(fā)電機(jī)和變壓器是電站和變電所中的主要設(shè)備。在工業(yè)企業(yè)中，大量應(yīng)用電動機(jī)作為原動機(jī)去拖動各類生產(chǎn)機(jī)械。如在機(jī)械行業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)中，機(jī)床、挖掘機(jī)械、軋鋼機(jī)起重機(jī)械、抽水機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等都要用大大小小的電動機(jī)來拖動；在自動控制技術(shù)中，各式各樣的小巧靈敏的控制電機(jī)廣泛地被作為檢測、放大、執(zhí)行和結(jié)算原件。
本次設(shè)計中根據(jù)超速實驗的速度要求，再根據(jù)原換向器基本速度為3000rpm，電機(jī)選取的另一個重要因素就是實際所需轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的計算公式如下：
其中T為實際產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，J為軸的轉(zhuǎn)動慣量，m為電機(jī)驅(qū)動的所有負(fù)載的質(zhì)量，為軸的回轉(zhuǎn)半徑，β為轉(zhuǎn)軸的角加速度，根據(jù)不同軸段上面公式可化為：
各質(zhì)量可以根據(jù)公式
m==
計算。查資料得45鋼密度為7870kg/，由此得各質(zhì)量如下：
m1=7870××=0.0494kg
m2=7870××=0.80725kg
M3=7870×××0.005=0.3089kg
M4=7870×××0.02=0.048794kg
M5=7870×××0.058=0.322489kg
M6=7870×××0.016=0.08896kg
換向器質(zhì)量查閱相關(guān)資料得=1.5kg。
各回轉(zhuǎn)半徑可根據(jù)
=（圓柱）
或（圓筒、換向器）
計算。
1==0.00707；
2==0.021216
3==0.03536
4==0.00707
5==0.005304
6==0.005304
換==0.041
角加速度β根據(jù)轉(zhuǎn)速最初加速為2min從零加到3000rpm計算：
β==
據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：
T=
=0.01991N.m=19.91N.mm
根據(jù)以上轉(zhuǎn)矩，又選用額定轉(zhuǎn)速為6000rpm的電機(jī)，為了達(dá)到此轉(zhuǎn)速，根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》選用SZ系列電磁式直流伺服電動機(jī)中的55SZ08電機(jī)作為本設(shè)計的驅(qū)動電機(jī)，SZ系列電磁式直流伺服電動機(jī)具有體積小，重量輕，伺服性能好，力能指標(biāo)高等優(yōu)點，廣泛運用于控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件或驅(qū)動元件。
其符號含義如下：
55 SZ 05 F1 H1
派生代號
勵磁方式代號（C-串勵方式；F-復(fù)
勵式；不標(biāo)注表示他勵（并勵式）
規(guī)格代號（01~49表示短鐵心；51~
99表示長鐵心；101~149表示特長鐵
心。）
產(chǎn)品名稱代號（電磁式直流伺服電
動機(jī)。）
機(jī)座號
其基本參數(shù)如下：
型號
轉(zhuǎn)矩
N.mm
轉(zhuǎn)速r/min
功率 w
電壓v
電流
外形尺寸
mm
重量/kg
電樞
電磁
電樞
電磁
總長
直徑
軸徑
55SZ08
54.88
6000
35
110
110
0.54
0.09
118
Ф55
Ф5
0.75
前面零部件計算章節(jié)電機(jī)尺寸取自此表，電機(jī)在工作時屬于橫向安裝，端面有安裝輔助固定塊。所選電機(jī)的安裝簡圖和基本安裝尺寸如下：
3.2耐壓測試儀的選取
耐壓測試儀是測量耐電壓強(qiáng)度的儀器，它可以直觀、準(zhǔn)確、快速、可靠地測試各種被測對象的擊穿電壓、漏電流等電氣安全性能指標(biāo)，并可以作為交（直）流高電壓源用來測試元器件和整機(jī)性能。
根據(jù)換向器基本參數(shù)電壓為0~30v，選取ZHZ8耐壓測試儀作為實驗安裝耐壓測試儀器。ZHZ8耐壓測試產(chǎn)品系列是按照IEC、ISO、BS、UL、JIS等國際國內(nèi)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求而設(shè)計，耐壓為0~1000v，漏電流從0~200mA，特殊要求另定。適合各種家用電器、電源、電纜線、變壓器、接線端子、高壓膠木電器、開關(guān)電源插頭座、電機(jī)、電子儀器、儀表、整機(jī)等，以及強(qiáng)電系統(tǒng)的安全耐壓和漏電流的測試、同時也是科研實驗室、技術(shù)監(jiān)督部門不可少的耐壓試驗設(shè)備。
其技術(shù)規(guī)格如下：
技術(shù)規(guī)格
技術(shù)規(guī)格
ZHZ8
電壓測試范圍 V
AC 0~5 ±3% ±3個字
漏電流測試范圍 mA
AC：0.1~2/2~20 ±3% ±3個字
報警值預(yù)置范圍 （連續(xù)設(shè)定）
AC（kV）
0.3~2/2~20 ±5% ±3個字
時間測試范圍
1~99s (連續(xù)設(shè)定和手動)±1%
變壓器容量
500VA
輸出波形
50Hz 正弦波
工作條件
環(huán)境溫度：0~40℃；相對濕度：≤75%；大氣壓力：101.25kPa
體積（mm3）
315′165′320
重 量
15kg
供電電源
220V±10% 50Hz±2Hz
附 件
資料袋一只；測試探頭一副；說明書一份；電源線一根
3.3直流調(diào)速器的選取
超速實驗要求電機(jī)旋轉(zhuǎn)在不同的速度，并保持一段時間，本設(shè)計所選為直流電機(jī)，故選用直流調(diào)速器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。實驗需要用到小型調(diào)速電機(jī)，選擇依據(jù)是直流110v和電流大小，根據(jù)這兩個因素，選擇濟(jì)南科亞電機(jī)科技有限公司MMT-DC110RT15BL01。
1、產(chǎn)品性能指標(biāo)如下：
電源輸入范圍：VDC
110（72-130）
輸出電壓：VDC
0-110
輸出電流：A
20mA
軟啟動時間：S
0.2-20
軟停止時間：S
0.2-20
控制信號：V
0-5
力矩信號：V
0-5
輸入阻抗kΩ
50
轉(zhuǎn)速精度
1%
調(diào)速范圍
100:1
調(diào)速比
80:1
環(huán)境溫度：℃
0-50
相對濕度
無結(jié)露
重量：kg
0.75
匹配KZ010實現(xiàn)使用0-5v或0-5v控制速度和方向。
2、產(chǎn)品特點有：脈寬調(diào)制，四象限再生運轉(zhuǎn)模式，無觸點換向、可頻繁正反轉(zhuǎn)，再生制動，使能/制能/換向端子，狀態(tài)指示燈，正反向轉(zhuǎn)速可分別設(shè)定，力矩控制功能、輸出電流設(shè)定功能、制動電流設(shè)定功能、轉(zhuǎn)矩補償功能、標(biāo)準(zhǔn)模擬信號控制、邊熱保護(hù)功能等。
3、外型尺寸：150*103*34（mm）。
3.4軸承的選取
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》表12-17，選擇深溝球軸承61903，其直徑為17mm，其工作圖如下：
基本尺寸如下：
軸承尺寸
/mm
基本載荷/KN
極限轉(zhuǎn)速 /r.min-
軸承代號
原軸承代號 /mm
d
D
B
r
動
靜
脂潤滑
油潤滑
17
30
7
0.3
4.60
2.60
19000
24000
61903
1000903
3.5螺栓的選取
根據(jù)孔的直徑選取六角頭螺栓A級，M3號螺栓。為14mm，b=12，c=0.4，d=3，d=4.6，e=6.07，k=2，s=5.5.在螺栓的固定中，我們于螺栓尾人為加工銷孔如下圖所示：
其直徑為d=1.2，螺栓采用預(yù)緊方法連接。
第4章 校核
4.1軸的校核
4.1.1軸的疲勞強(qiáng)度校核
（1）軸的受力分析
根據(jù)軸的轉(zhuǎn)矩及兩端的受力情況，可初步確定軸右端受到軸的自身重量（重量對軸的影響巨大）造成的彎矩，軸的右端因為電機(jī)有凸緣安裝，故電機(jī)的重量可不考慮，另外轉(zhuǎn)軸受到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。
（2） 危險截面的確定
根據(jù)軸的直徑及所處位置，可斷定L5處即與支撐架接觸處為危險截面，軸的校核計算即可。
（3）軸的受力計算
1）軸的彎矩
軸的受力情況可化為如下圖形：
其中F1為軸的末端孔對軸的作用力，F(xiàn)2為軸與孔配合出左端對軸的作用力，F(xiàn)3為右端軸的重量對危險截面的作用力，即L2的自身重力。根據(jù)45鋼的質(zhì)量7870kg/m，G=10計算軸的質(zhì)量（m前面已計算完畢），得軸的重量G=36.2N，根據(jù)公式
代入數(shù)據(jù)計算得：F3=36.2N,X=58mm，Y=92.5mm，Z=150.5mm，F(xiàn)1=51.35mm，F(xiàn)2=83.55mm，F(xiàn)3=32.22mm。
1=,=,.
帶入數(shù)據(jù)：1=-51.35N,2=32.20N,M=3N.m。
受力圖和彎矩圖如下：
2） 軸的轉(zhuǎn)矩
軸的轉(zhuǎn)矩由前面計算得來T=54.88N.mm。
3） W取值
查《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》表10-24帶有平鍵槽軸的截面數(shù)據(jù)=0.1=0.1×=337.5，=0.2=675.
4） 、的選擇
查《袖珍機(jī)械設(shè)計手冊》表10-22得=0.34，=0.21.
5）、的選擇
由《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表10-15得=1.30，=1.20.
6） β的計算
由危險截面軸的表面為拉銷加工，Ra=0.4um，由《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表10-18得β=1.。
7）、的選取
由d=15mm，查《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表10-21得=0.91，=0.87.
8) 、
===8.89MPa,=0.
9)、的計算
==。
10） 的計算
=，代入數(shù)據(jù)=18.74.
11）的計算
=，帶入數(shù)據(jù)=1264
12） n的計算
n=，帶入數(shù)據(jù)n=18.7.
13） 【n】的確定
查《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表10-14，選取【n】=1.5.
結(jié)論：n>【n】=1.5，疲勞強(qiáng)度足夠安全。
2、 軸的靜強(qiáng)度校核
1）Tmax的計算
Tmax=2×T=2×0.05488=0.10976mm。
2）Mmax的計算
Mmax=2×M=2×3=6N..m
3)W的計算
查《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表10-24，由d=15mm，得W=0.642×m。
4）Wp的計算
查《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表10-24，由d=15mm，查得Wp=1.43×m。
5）的計算
=，帶入數(shù)據(jù)，=3.37.
6）[]的選擇
查《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表10-14，取=1.4.
結(jié)論：>[],靜強(qiáng)度足夠安全。
4.2鍵的校核
本設(shè)計中用到兩個鍵，承受的都是同樣的轉(zhuǎn)矩，因電機(jī)鍵較小，只校核吊機(jī)鍵即可。由前面鍵的設(shè)計有：T=19.91N.mm，d=7mm，l=12mm，k==2mm，b=2mm。
鍵的校核公式
帶入數(shù)據(jù)得=0.653，=0.3267.
鍵在工作中屬于微型沖擊，屬于動聯(lián)接，根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》查取=40,[]=90.
結(jié)論：≤，≤，故鍵的使用安全。
4.3螺栓的校核
本次設(shè)計設(shè)計所選螺栓為六角頭螺栓，采用預(yù)緊方式安裝，正對單個螺紋，按以下公式進(jìn)行校核：
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊》表7-11得：，將數(shù)據(jù)帶入直徑公式得d=0.1275。
結(jié)論：d
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