微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)含10張CAD圖,微動(dòng),摩擦,磨擦,試驗(yàn),實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì),10,cad
微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)
摘 要
微動(dòng)摩擦的含義是指在工件間發(fā)生很小的相對(duì)位移所產(chǎn)生的摩擦。微動(dòng)摩擦與常見摩擦一樣，對(duì)生產(chǎn)生活有十分巨大的危害。比如，致使產(chǎn)生表面裂紋以及摩擦磨損加劇而使得零件更加容易損壞。尤其是在工業(yè)領(lǐng)域中造成的損壞已經(jīng)十分巨大。因此，對(duì)于微動(dòng)摩擦的研究，有十分重要的意義。微動(dòng)摩擦方面的研究已經(jīng)顯得十分迫切，但是相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝備略有不足。
這里描述了微動(dòng)摩擦的概念，簡(jiǎn)要記錄了摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)過程以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。以摩擦學(xué)為基礎(chǔ)，機(jī)械學(xué)科知識(shí)為理論依據(jù)，利用CAD、CATIA和ANSYS等軟件對(duì)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及優(yōu)化分析。
希望設(shè)計(jì)的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)能夠有效的改善當(dāng)前微動(dòng)摩擦研究不足的狀況，或者給別的研究人員以一定的研究思路。本設(shè)計(jì)采用凸輪和三角結(jié)構(gòu)來減少位移量，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)；采用上端加壓的方式來實(shí)現(xiàn)改變載荷；具有一定的自動(dòng)控制與反饋系統(tǒng)，可以方便地進(jìn)行各種情況下的微動(dòng)摩擦的實(shí)驗(yàn)以及環(huán)境模，并對(duì)方案的相關(guān)工件的夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：微動(dòng)摩擦，試驗(yàn)機(jī)，加壓，凸輪
Abstract
Fretting friction refers to the friction that occurs when there is very little movement between the contact surfaces. Fretting friction, like common friction, is a great hazard. For example, it leads to surface cracks and increased friction and wear, which results in a reduction in the life of parts. In particular, the damage caused in the industrial field has been enormous. Therefore, the study of fretting friction has very important significance . The study of fretting friction has become very urgent, but the relevant experimental equipment is also slightly inadequate.
This article describes the concept of fretting friction and briefly analyzes the design process and design data of the fretting friction tester. Based on tribology and knowledge of mechanical disciplines, the mechanical parts of the tester were designed and optimized using software such as CAD, CATIA and ANSYS.
It is hoped that the micro-motion friction testing machine designed can effectively improve the current research situation of fretting friction, or give other researchers a certain amount of research ideas. This design adopts cam and triangle structure to reduce the displacement and achieve micro-motion; adopts the upper end of the pressure to achieve the change of load; has a certain automatic control and feedback system, which can easily perform the fretting experiment under various conditions. As well as the environmental model, the fixtures of the related parts of the project were designed.
Key words：Fretting friction、Testing Machine、Pressurized、cam
目 錄
引 言 1
第一章 緒 論 2
1.1摩擦學(xué)概述 2
1.2 微動(dòng)摩擦學(xué)基本概念 2
1.2.1 微動(dòng)摩擦的定義 2
1.2.2微動(dòng)的分類 2
1.3 試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.4 本文的研究目的及工作 4
第二章 總體設(shè)計(jì) 5
2.1試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)指標(biāo) 5
2.2 總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及設(shè)計(jì)原則 5
2.3微位移系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6
2.4加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
2.5夾具部分設(shè)計(jì) 8
2.5本章小結(jié) 9
第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.1設(shè)計(jì)計(jì)算的幾個(gè)方面 10
3.2錐齒輪的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.2.1 選精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 10
3.2.2根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 10
3.2.3確定傳動(dòng)尺寸 12
3.2.4校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 12
3.2.5計(jì)算錐齒輪傳動(dòng)其它幾何參數(shù) 13
3.3高速軸設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.4低速軸設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.5 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 22
3.5.1計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd 22
3.5.2選擇帶型 22
3.5.3確定基準(zhǔn)直徑 23
3.5.4確定基準(zhǔn)長(zhǎng)度、驗(yàn)算小輪包角 23
3.5.5確定帶的根數(shù)z 24
3.5.6確定帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 24
3.5.7確定帶的張緊裝置 24
3.5.8計(jì)算壓軸力 24
第四章 工作裝置設(shè)計(jì) 25
4.1箱體主要結(jié)構(gòu)尺寸 25
4.2鍵的選擇 25
4.3聯(lián)軸器的選擇 25
4.4螺栓，螺母，螺釘?shù)倪x擇 25
4.5銷的選擇 26
4.6導(dǎo)軌滑塊的選用 26
4.7本章小結(jié) 26
總結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
謝 辭 31
引 言
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是為了加深對(duì)于所學(xué)習(xí)的機(jī)械專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生自身機(jī)械設(shè)計(jì)的綜合能力。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)范圍涉及機(jī)械所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用以及電機(jī)領(lǐng)域的參考知識(shí)。學(xué)習(xí)前人的實(shí)驗(yàn)成果，并進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。將眾多重要部件通過自我鉆研和查閱國(guó)內(nèi)國(guó)外刊物設(shè)計(jì)出來，在研究前輩們?cè)O(shè)計(jì)結(jié)果時(shí)，一定加入自我創(chuàng)新，這對(duì)于自我知識(shí)的完善總結(jié)有很大的幫助，使自身加深對(duì)于機(jī)械所學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。通過關(guān)注國(guó)內(nèi)外在微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)方面的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行探討研究，在目前的情況下，雖然通過自我研究很艱難，但是通過這一過程一定會(huì)對(duì)于以后的機(jī)械領(lǐng)域的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，這個(gè)堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)對(duì)于自身來說是相當(dāng)重要的。通過對(duì)機(jī)械原理以及機(jī)械設(shè)計(jì)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程的多方面深層次的研究探討，這對(duì)于機(jī)械領(lǐng)域的學(xué)習(xí)完善是相當(dāng)重要的，并且對(duì)于我們國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)等多領(lǐng)域具有重大的意義。研究過程，其對(duì)于所學(xué)知識(shí)的要求很高，其所含有的知識(shí)份量業(yè)很重，所以必須要有很扎實(shí)的知識(shí)功底來創(chuàng)造一個(gè)美好的工業(yè)時(shí)代，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于節(jié)能、環(huán)保、減排等多方面的綜合水平標(biāo)準(zhǔn)，為我們祖國(guó)的偉大復(fù)興貢獻(xiàn)積極的力量。
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第一章 緒 論
1.1摩擦學(xué)概述
摩擦學(xué)是一門發(fā)現(xiàn)物體表面的相互作用規(guī)律的學(xué)科，它不僅包括了摩擦、磨損，還包括了表面的潤(rùn)滑以及處理技術(shù)。而摩擦學(xué)的廣泛性導(dǎo)致，盡管是十分微小的摩擦，其帶來的損害也是非常巨大的。無論是能源上的消耗還是零部件的失效，或者是裝備事故。在當(dāng)前世界發(fā)展情況下，資源節(jié)約越來越成為國(guó)際性話題，而關(guān)于微動(dòng)摩擦的研究也就被提上日程，并且越來越加以重視。
從原始社會(huì)起，摩擦的發(fā)現(xiàn)與利用就已經(jīng)變得十分普遍。但是到目前為止，人們依然沒有完全認(rèn)清起其原理。其發(fā)生機(jī)理，作用因素以及機(jī)制等方面都沒有形成完整的體系。但是它的進(jìn)一步研究卻引起了一大批材料工程以及機(jī)械學(xué)科的革新。所以，對(duì)摩擦學(xué)的研究就被放在尤為重要的位置。很多的學(xué)習(xí)內(nèi)容都包含著摩擦學(xué)的內(nèi)容。而摩擦學(xué)的研究數(shù)據(jù)卻又來自于無數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和廣泛的生產(chǎn)實(shí)踐。開展并加深對(duì)摩擦學(xué)的研究對(duì)于人類的發(fā)展以及生活生產(chǎn)需要具有重大的意義和指導(dǎo)工作。
1.2 微動(dòng)摩擦學(xué)基本概念
1.2.1 微動(dòng)摩擦的定義
微動(dòng)摩擦其相對(duì)位移量十分微小，不易察覺。然而其大量的存在于裝置裝備和生活生產(chǎn)工具中。正是其隱蔽性，微動(dòng)摩擦導(dǎo)致的危害更加巨大且不易察覺。作為一種摩擦方式，微動(dòng)摩擦和別的摩擦方式的產(chǎn)生條件相同：相對(duì)位移、一對(duì)接觸表面、承受一定載荷。微動(dòng)摩擦和別摩擦的不同點(diǎn)在于這里的相對(duì)運(yùn)動(dòng)非常的難以察覺。
1.2.2微動(dòng)的分類
微動(dòng)摩擦大概的可以簡(jiǎn)化為球和面的高級(jí)副模型。按照微動(dòng)摩擦的運(yùn)動(dòng)方式我們可以將其大致分為四種類型：（1）切向摩擦；（2）徑向摩擦；（3）滾動(dòng)摩擦和（4）扭動(dòng)摩擦。其運(yùn)動(dòng)具有隱蔽和復(fù)雜的性質(zhì)。盡管四種摩擦都十分常見于微動(dòng)摩擦，由于其研究困難重重。微動(dòng)摩擦的磨損情況根據(jù)出現(xiàn)的磨傷狀態(tài)分為大致三種：（1）微動(dòng)磨損；（2）微動(dòng)疲勞；（3）微動(dòng)腐蝕。其造成的損壞有表面磨損和疲勞裂紋。
1.3 試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
使用微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的主要目的是測(cè)量工件的摩擦系數(shù)，模擬工件的工作環(huán)境，以此來得到工件的工作狀況。使用實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。但是這樣實(shí)驗(yàn)也有很多不足之處。比如，沒有辦法做到單一變量，對(duì)參數(shù)的測(cè)定比較困難，無法保證其精度，不具有普遍意義，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本較高。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)更加接近理想化實(shí)際工況，但也具有其局限性。但是如果避開其局限性用來研究微動(dòng)摩擦的摩擦情況，將會(huì)給微動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)帶了很大的便捷。微動(dòng)摩擦試驗(yàn)具有很多的方面，直到目前為止，關(guān)于這方面的標(biāo)準(zhǔn)不能夠進(jìn)行完全的統(tǒng)一。到現(xiàn)在為止，常見的的試驗(yàn)機(jī)被分為以下幾種：
表 1常用微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)形式
試驗(yàn)機(jī)形式
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
機(jī)械式
電磁式
電液伺服式
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低
頻帶寬、體積小
實(shí)現(xiàn)循環(huán)、控制精度高
精度差、自動(dòng)化程度低
振幅不高、激振力小
體積大、易漏油、成本高
微位移方面需要包含三個(gè)部分，即：微位移方面、檢測(cè)方面和控制方面的裝置。而微位移的實(shí)現(xiàn)方式可以使用機(jī)械傳動(dòng)、彈性變形和電磁等不同的產(chǎn)生方式。機(jī)械傳動(dòng)應(yīng)用的比較多一點(diǎn)，形式可以十分多樣，但是精度比較差，靈敏度低，傳動(dòng)具有很大的誤差。因此不適用于巨大和特別短的微位移中。彈性變形的方式，容易產(chǎn)生摩擦以及震動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而且彈性變形方式設(shè)計(jì)出來的微位移系統(tǒng)精度要求較高，難以維護(hù)。電磁式的微位移系統(tǒng)，容易發(fā)熱且易產(chǎn)生震蕩，靈敏度過高時(shí)十分不穩(wěn)定?？紤]到以上幾點(diǎn)，以及對(duì)于實(shí)驗(yàn)室研究能力的判斷以后，我們選擇機(jī)械方式的微位移更加方便和現(xiàn)實(shí)。在此過程中，調(diào)查大量的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段的摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)于自動(dòng)控制方面十分不足。只有由微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以后才能更好的開展對(duì)于微動(dòng)摩擦的實(shí)驗(yàn)。微動(dòng)摩擦本來就是十分的難以察覺，而自動(dòng)的傳感和測(cè)量就可以將小的位移進(jìn)行放大。由于微動(dòng)摩擦所造成的磨損十分微小可以忽略，而現(xiàn)有的磨損測(cè)量都是通過質(zhì)量，因此，我們的設(shè)計(jì)不進(jìn)行磨損方面的設(shè)計(jì)。
1.4 本文的研究目的及工作
從原始社會(huì)起，摩擦的發(fā)現(xiàn)與利用就已經(jīng)變得十分普遍。但是到目前為止，人們依然沒有完全認(rèn)清起其原理。其發(fā)生機(jī)理，作用因素以及機(jī)制等方面都沒有形成完整的體系。但是它的進(jìn)一步研究卻引起了一大批材料工程以及機(jī)械學(xué)科的革新。所以，對(duì)摩擦學(xué)的研究就被放在尤為重要的位置。很多的學(xué)習(xí)內(nèi)容都包含著摩擦學(xué)的內(nèi)容。而摩擦學(xué)的研究數(shù)據(jù)卻又來自于無數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和廣泛的生產(chǎn)實(shí)踐。開展并加深對(duì)摩擦學(xué)的研究對(duì)于人類的發(fā)展以及生活生產(chǎn)需要具有重大的意義和指導(dǎo)工作。
實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)更加接近理想化實(shí)際工況，但也具有其局限性。但是如果避開其局限性用來研究微動(dòng)摩擦的摩擦情況，將會(huì)給微動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)帶了很大的便捷。微動(dòng)摩擦試驗(yàn)具有很多的方面，直到目前為止，關(guān)于這方面的標(biāo)準(zhǔn)不能夠進(jìn)行完全的統(tǒng)一。
（一）緒論：提出摩擦學(xué)的概述和微動(dòng)摩擦學(xué)的一些理論，讓大家對(duì)微動(dòng)摩擦學(xué)有一定的了解，然后明白微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)的必要性。然后拋出現(xiàn)在試驗(yàn)機(jī)的研究現(xiàn)狀以及不足之處，從中的到一定的靈感，以便于設(shè)計(jì)自己的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)。
（二）試驗(yàn)機(jī)總體方案：由前面對(duì)現(xiàn)有的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)的闡明，找到得當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，對(duì)微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。然后對(duì)設(shè)計(jì)后的摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行一定的分析和優(yōu)化。通過上試樣不動(dòng)而下式樣移動(dòng)的方法來形成相對(duì)位移，采用上方加壓的方式來實(shí)現(xiàn)摩擦實(shí)驗(yàn)的載荷需求以及試件實(shí)際工況的模擬。
（三）微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算：對(duì)設(shè)計(jì)的摩擦試驗(yàn)機(jī)的零件設(shè)計(jì)及計(jì)算校核，尋找其主要配件的工作原理和型號(hào)參數(shù)。
（四）工作裝置設(shè)計(jì)：對(duì)于箱體的設(shè)計(jì)、軸承和電機(jī)等的選用進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)，來保證整機(jī)的工作狀況，對(duì)于滑軌型號(hào)的選用以及傳感器的選用的詳細(xì)描述。
（五）總結(jié)及鳴謝：對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和計(jì)算的總結(jié)，然后提出畢業(yè)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)和對(duì)未來發(fā)展的展望。同時(shí)，對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)過程給予我?guī)兔Φ娜酥乱猿绺叩母兄x。
第二章 總體設(shè)計(jì)
2.1試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)已有的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，以及對(duì)于本次設(shè)計(jì)實(shí)際需要，大致設(shè)計(jì)本試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如下：
表 2微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)技術(shù)指標(biāo)
試驗(yàn)機(jī)技術(shù)指標(biāo)
具體參數(shù)
水平運(yùn)動(dòng)行程
加載（豎直）運(yùn)動(dòng)行程
加載重復(fù)定位精度
載荷（正壓力）范圍
摩擦力范圍
1μm-2mm
0-40mm
0.02mm
0-1000N
0-500N
2.2 總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及設(shè)計(jì)原則
微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)總體可以分為一下幾個(gè)方面：微位移系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、夾具以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文記錄了微位移、負(fù)載和夾具的設(shè)計(jì)方面。通過對(duì)以上幾種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來完成在實(shí)驗(yàn)室能夠有效地將摩擦副工件工作狀態(tài)的重現(xiàn)，以此記錄摩擦副的情況，從而能夠總結(jié)其規(guī)律。作為研究微動(dòng)摩擦的基礎(chǔ)裝備，通過設(shè)置基礎(chǔ)的參數(shù)來改變摩擦環(huán)境，從而達(dá)到模擬工件實(shí)際工作環(huán)境和摩擦系統(tǒng)的目的。本設(shè)計(jì)從實(shí)際需要出發(fā)，結(jié)合了機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式以及現(xiàn)代化的測(cè)量與控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面，設(shè)計(jì)出一臺(tái)能夠滿足研究需要的一臺(tái)較為自動(dòng)化的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)裝置。而自動(dòng)化和傳感器的應(yīng)用不僅能夠解放人力資源而且使得測(cè)量的數(shù)據(jù)更加的接近真實(shí)，達(dá)到可靠的地步。本設(shè)計(jì)一部分程度上的完善了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的精度不足的問題。但是在與精度方面，相比于其他的系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的摩擦試驗(yàn)機(jī)還需要較大的改善。
圖 1摩擦試驗(yàn)機(jī)的組成
根據(jù)圖一可知，通過控制上下工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及其載荷、運(yùn)動(dòng)頻率、時(shí)間等因素。通過應(yīng)變片等檢測(cè)裝置來收集相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得摩擦力、摩擦系數(shù)、預(yù)應(yīng)力等數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)微動(dòng)摩擦的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)收集。
2.3微位移系統(tǒng)設(shè)計(jì)
微位移系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)中兩個(gè)摩擦副的左右運(yùn)動(dòng)的裝置。在保證位移的同時(shí)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)機(jī)還需要能夠?qū)崿F(xiàn)微小位移的移動(dòng)。此設(shè)計(jì)中的移動(dòng)裝置需要能夠有十分小的位移，而且還要有高頻率、低震動(dòng)和很好的穩(wěn)定性。
圖 2微位移系統(tǒng)概念圖
使用凸輪作為曲柄，由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)凸輪的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微小高頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為了確保工件的運(yùn)動(dòng)，將工件放置在滑塊上，滑塊與滑軌鏈接，以此來確保整個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)方向以及減小桌面對(duì)運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)的相關(guān)影響。由于對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度方面的要求，在電機(jī)與凸輪的連接過程中還需要加入減速的裝置，這里我們將連接過程中加入了減速器以及皮帶連接來達(dá)到能夠減速的目的。在連桿連接中，為了保持連接的穩(wěn)定性，制作一個(gè)前后對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)傳遞裝置，用一根桿進(jìn)行連接。這樣就可以保證滑塊前后側(cè)運(yùn)動(dòng)的同步，使水平左右移動(dòng)的十分平穩(wěn)。
圖 3微位移動(dòng)力傳遞方案
2.4加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在摩擦的幾個(gè)因素之中，想要發(fā)生摩擦就需要摩擦副間具有壓力。在摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中加壓系統(tǒng)也十分重要。因?yàn)樵谡麄€(gè)裝置中，工件下有滑軌與滑塊連接，因此加壓裝置必須放置在整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的上方。采用傳感器和一定的自動(dòng)控制和反饋原理，我們可以設(shè)計(jì)出能夠自動(dòng)運(yùn)行和停止的加壓裝置。在設(shè)計(jì)中我采用了絲杠來將桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來達(dá)到直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)加壓和卸載。而滑塊可以保障摩擦工件在Z軸方向的位移，來減少X軸方向上的影響。將力傳感器安置在夾具的上方，來測(cè)試系統(tǒng)的壓力，從而可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果想要的數(shù)據(jù)，以及求出摩擦力和摩擦系數(shù)。絲杠由電機(jī)帶動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)需要一定的可控性，我們將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過帶輪進(jìn)行減速，然后由聯(lián)軸器連接帶輪和電機(jī)以及帶輪和絲杠，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)的傳遞。
圖 4絲杠部分示意圖
2.5夾具部分設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)上試件為圓的，下試件為正方形的。在微動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)中，我們要滿足加壓以及左右的水平位移。對(duì)于下試件來說，由于下試件為方形，我們?cè)诨瑝K上開一個(gè)槽，將下試件放置在槽中，就可以保障其在水平方向和豎直方向的自由度，同時(shí)保障了下試件的旋轉(zhuǎn)方向的自由度。這樣，我們限制了下試件的六個(gè)自由度以后，我們就可以讓下試件只能夠隨著滑塊的移動(dòng)而移動(dòng)?；瑝K通過滑軌的限制，也只具有水平方向上的左右移動(dòng)，也就是X軸的自由度。這樣以后，整個(gè)下夾具的移動(dòng)方式也就被限制在水平方向上的左右移動(dòng)，滿足了實(shí)驗(yàn)的需求。上試件是圓的，上試件的運(yùn)動(dòng)就是隨著絲杠的移動(dòng)而上下移動(dòng)。我們依然將上試件夾具開一個(gè)槽可以保證上試件可以放置進(jìn)入槽中，這時(shí)，我們還要保證上試件不會(huì)掉落以及沿豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以這個(gè)時(shí)候就可以使用銷釘將上試件和上試件夾具進(jìn)行連接，不僅保證了上試件豎直方向的固定，而且還保證了其在沿豎直方向上旋轉(zhuǎn)的自由度。這樣我們就成功的限制了上試件，使其只能夠隨著上夾具以及絲杠的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。而絲杠只進(jìn)行Z軸方向的位移，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)所需的要求。
圖 5上下夾具及下試件示意圖
2.5本章小結(jié)
本章主要闡述了微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)過程中關(guān)于微位移、加壓和夾具方面的理論設(shè)計(jì)思路。這里可以是大家方便了解整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的思路以及原理，為后面對(duì)設(shè)計(jì)的計(jì)算以及校核做一個(gè)充分的準(zhǔn)備。
從上面的描述來看，我們使用凸輪來形成曲柄連桿機(jī)構(gòu)，然后用三角形的連桿來減少位移。通過滑塊來控制工件的移動(dòng)。通過電機(jī)帶動(dòng)的絲杠螺母來進(jìn)行豎直方向的加壓動(dòng)作，傳感器測(cè)試壓力大小然后反饋給微機(jī)，最后微機(jī)再次控制電機(jī)來進(jìn)行自動(dòng)控制的方式。夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量方便簡(jiǎn)單，而夾具上挖槽來控制工件的移動(dòng)很簡(jiǎn)單。
在設(shè)計(jì)中我采用了絲杠來將桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來達(dá)到直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)加壓和卸載。
第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1設(shè)計(jì)計(jì)算的幾個(gè)方面
設(shè)計(jì)計(jì)算是整個(gè)裝置中出標(biāo)準(zhǔn)件外的各種零件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來的零件需要能夠滿足試驗(yàn)機(jī)工作要求以及壽命分析。在全部設(shè)計(jì)中進(jìn)行計(jì)算的有以下幾點(diǎn)：1.減速器的錐齒輪一對(duì)；2.減速器中軸的設(shè)計(jì)；3.絲杠的相關(guān)計(jì)算；4.絲杠的帶輪的設(shè)計(jì)。這五個(gè)方面就可以設(shè)計(jì)完成整個(gè)裝置的加壓以及位移系統(tǒng)方面的工作。
3.2錐齒輪的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 選精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
（1）小齒輪45（調(diào)質(zhì)），197～286HBS，大齒輪45（正火），156～217HBS
（2）選小齒輪齒數(shù)Z1=27，可以求出大齒輪Z2=Z1×i=27×2=55。
實(shí)際傳動(dòng)比i = 2.037
（3）壓力角α= 20°。
3.2.2根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
（1）由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
試選KHt=1.3 查圖選取ZH=2.5 T=29.55kN/m 選齒寬系數(shù)?R=0.3
由圖查得接觸疲勞極限分別為：
查圖得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa^0.5
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1 = 60n1jLh =4.147*10^9 N2 = 20736*10^9
由圖查取接觸疲勞系數(shù)：
計(jì)算許用應(yīng)力，取損壞的概率為1%，安全系數(shù)S=1，得
取[σH]1和[σH]2中較小的那個(gè)用來進(jìn)行該齒輪副的應(yīng)力計(jì)算，即
（2）計(jì)算
1）小齒輪分度圓直徑d1t，帶入較小的值可以得到d1t>66.453mm
2）計(jì)算圓周速度v
56.485mm
2.839m/s
3）計(jì)算當(dāng)量齒寬系數(shù)φd
42.987mm
0.761
4）計(jì)算載荷系數(shù)
查表得使用系數(shù)KA=1
查圖得動(dòng)載系數(shù)KV=1.05
取齒間載荷分配系數(shù)：KHα=1
查表得齒向載荷分布系數(shù)：KHβ=1.738
實(shí)際載荷系數(shù)為
1.8249
5）算得分度圓直徑
6）計(jì)算模數(shù)
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=3mm。
3.2.3確定傳動(dòng)尺寸
（1）實(shí)際傳動(dòng)比
（2）大端分度圓直徑
（3）齒寬中點(diǎn)分度圓直徑
（4）錐頂距為
（5）齒寬為
取b=28mm
3.2.4校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為
1） K、b、m和φR同前
2）圓周力為
小齒輪當(dāng)量齒數(shù):
大齒輪當(dāng)量齒數(shù):
查表得：
疲勞極限為:
由圖查取彎曲疲勞系數(shù)：
取S=1.25，得
故彎曲強(qiáng)度足夠。
3.2.5計(jì)算錐齒輪傳動(dòng)其它幾何參數(shù)
（1）齒輪數(shù)據(jù)
（2）分錐角（由前面計(jì)算）
（2）計(jì)算齒頂圓直徑
（3）計(jì)算齒根圓直徑
（4）計(jì)算齒頂角
θa 1 = θa2 = atan(ha/R) = 1°52'10"
（5）計(jì)算齒根角
θf1 = θf2 = atan(hf/R) = 2°14'35"
（6）計(jì)算齒頂錐角
δa1 = δ1 + θa1 = 28°0'59"
δa2 = δ 2 + θa2 = 65°43'22"
（7）計(jì)算齒根錐角
δf1 = δ1 - θf1 = 23°54'13"
δf2 = δ2 - θf2 = 61°36'35"
3.3高速軸設(shè)計(jì)計(jì)算
1.已知 轉(zhuǎn)速n=960r/min；功率P=2.97kW；軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩T=29550N?mm
2.軸的材料為45調(diào)質(zhì)。許用彎曲應(yīng)力為60MPa
3.由于高速軸的彎矩大扭矩小，故取A0=112。 Dmin=25mm
故取dmin=25
4.確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度。
(1)聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩Tca = KA×T。取KA = 1.3
查GB T4323-2002，選用LX2聯(lián)軸器。半聯(lián)軸器的孔徑為25mm，長(zhǎng)度為62mm。選用平鍵，A型鍵，b×h = 8×7mm(GB T 1096-2003)，L=45mm。
(2)初步選擇滾動(dòng)軸承。根據(jù)d23 = 30 mm，選擇球軸承7207C，d×D×T = 35×72×17mm，故d34 = d56 = 35 mm。則d67=30mm。
(3)取小齒輪距箱體內(nèi)壁之距離Δ1 =10mm。考慮誤差，Δ=10mm，小齒輪寬L=36mm，那么
5.軸的受力分析
a.計(jì)算作用在軸上的支座反力
水平面內(nèi)的支反力
垂直面內(nèi)的支反力
總支承反力為：
b.繪制水平面彎矩圖
截面A在水平面內(nèi)彎矩
截面B在水平面內(nèi)彎矩
截面C在水平面內(nèi)彎矩
截面D在水平面內(nèi)彎矩
c.繪制垂直面彎矩圖
截面A在垂直面內(nèi)彎矩
截面B在垂直面內(nèi)彎矩
截面C在垂直面內(nèi)彎矩
截面D在垂直面內(nèi)彎矩
d.繪制合成彎矩圖
e.扭矩
f.當(dāng)量彎矩
A處當(dāng)量彎矩
B處當(dāng)量彎矩
C處當(dāng)量彎矩
D處當(dāng)量彎矩
圖 6高速軸受力
6.校核軸的強(qiáng)度
B為危險(xiǎn)剖面
其抗彎截面系數(shù)為
抗扭截面系數(shù)為
最大彎曲應(yīng)力為
剪切應(yīng)力為
折合系數(shù)α=0.6
45調(diào)質(zhì)處理σB=640MPa，軸的許用彎曲應(yīng)力[σ-1b]=60MPa，σca<[σ-1b]，所以強(qiáng)度滿足要求。
3.4低速軸設(shè)計(jì)計(jì)算
1.已知的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)速n=133.3r/min；功率P=2.77kW；軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩T=198450N?mm
2.使用45調(diào)質(zhì)，應(yīng)力為[σ]=60MPa
3. 由于低速軸受到的彎矩較小而受到的扭矩較大，故取A0=112。
故取dmin=40
(1)選取軸徑d12=40mm，取L1=56mm。用A型平鍵，b×h = 8×7mm(GB T 1096-2003)，L=45mm。
(2)初步選擇滾動(dòng)軸承。根據(jù)d23 = 43 mm，選擇滾動(dòng)球軸承7209C，其尺寸為d×D×T =45×85×19mm。
采用軸肩定位，h = 2.5 mm，因此，取d45 = 50mm
(3)取直徑d67 = 47 mm；故取L67 = 88 mm。
(4)螺釘C1=20mm，C2=18mm，箱座壁厚δ=16mm。
5.軸的受力分析
大齒輪圓周力
徑向力
軸向力
Fae=Fa4=202N
軸承A和軸承B在水平面上的支反力RAH和RBH
低速軸上徑向力Q=1248N
軸承A和軸承B在垂直面上的支反力RAV和RBV
軸承A的總支承反力為：
軸承B的總支承反力為：
a.計(jì)算彎矩
b.繪制合成彎矩圖
截面A處合成彎矩彎矩：
截面B處合成彎矩：
截面C左側(cè)合成彎矩：
截面C右側(cè)合成彎矩：
截面D處合成彎矩：
c.繪制扭矩圖
d.繪制當(dāng)量彎矩圖
截面A處當(dāng)量彎矩：
截面B處當(dāng)量彎矩：
截面C左側(cè)當(dāng)量彎矩：
截面C右側(cè)當(dāng)量彎矩：
截面D處當(dāng)量彎矩：
圖 7低速軸受力
6.校核軸的強(qiáng)度
A為危險(xiǎn)剖面
其抗彎截面系數(shù)為
抗扭截面系數(shù)為
最大彎曲應(yīng)力為
剪切應(yīng)力為
系數(shù)α=0.6，當(dāng)量應(yīng)力為
45調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限σB=640MPa，許用彎曲應(yīng)力[σ-1b]=60MPa，σca<[σ-1b]，強(qiáng)度滿足要求。
3.5 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
輸出功率P=4kW,轉(zhuǎn)速n1=1440r/min,n2=710r/min
3.5.1計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd
按照V帶的載荷平穩(wěn)，取KA＝1.1。
3.5.2選擇帶型
普通V帶的帶型根據(jù)傳動(dòng)的功率和小帶輪的轉(zhuǎn)速按書選取。
圖 8V帶輪帶型選擇
Pd＝4.4kW；n1＝1440r/min ，dd=80～100選取A型V帶。
3.5.3確定基準(zhǔn)直徑
由書得小帶輪基準(zhǔn)直徑為80～100mm
則取dd1=100mm> ddmin=75 mm
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查“V帶輪的基準(zhǔn)直徑”，得mm
誤差驗(yàn)算傳動(dòng)比：（為彈性滑動(dòng)率）
誤差 符合要求
② 帶速
滿足5m/s
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