單管式電動高壓氣泵傳動裝置的設(shè)計說明書

1、浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院汽車與機械工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 課題名稱： 電動高壓氣泵傳動裝置的設(shè)計專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 教師職稱： 完成時間 2012年 1月9 日論文題目： 電動高壓氣泵傳動裝置的設(shè)計 專 業(yè)： 機電一體化 學 生： （簽名） 指導教師： （簽名） 摘 要去野外狩獵，需要隨時能夠給氣動獵槍沖氣。如何設(shè)計一種依靠汽車110V電壓主驅(qū)動的、能夠達到20MPa氣壓的電動高壓氣泵的?確定設(shè)計內(nèi)容；其次開始電動高壓氣泵的方案設(shè)計，通過分析設(shè)計方案，并對這些方案進行評價和比較，選擇了一個最優(yōu)方案，然后針對選擇的方案開始著手設(shè)計，通過運動學分析和動力學計算，選擇電

2、動機和減速器，并計算傳動裝置運動和動力參數(shù)；接著根據(jù)確定的最滿意方案在圖紙上進行技術(shù)設(shè)計，主要內(nèi)容包括總體布置草圖和總裝配草圖；然后運用AutoCAD二維繪圖軟件根據(jù)繪制的草圖進行零件圖的繪制，在零件設(shè)計時通過工作能力計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定零件制造所需的所有尺寸及其偏差、表面粗糙度、材料與熱處理及技術(shù)要求等；通過不斷的修改和完善之后，按照最終定型的零件工作圖重新繪制總裝配圖。設(shè)計出的單管式電動高壓氣泵關(guān) 鍵 詞：目錄1. 電動高壓氣泵概述21.1 電動高壓氣泵的分類21.2 產(chǎn)生高壓的方法22傳動方案設(shè)計32.1 擬定傳動方案42.2 選擇電動機42.3 核算傳動裝置總傳動比73減速器傳動零件的

3、設(shè)計計算83.1傳動零件的設(shè)計計算83.2 蝸輪蝸桿減速器的傳動設(shè)計計算84、軸的設(shè)計計算及校核134.1 蝸輪軸的設(shè)計134.2 蝸桿軸的設(shè)計155、蝸輪軸軸承的選擇185.1 按承載較大的軸承選擇其型號：185.2 初選滾動軸承型號：195.3 滾動軸承的強度計算：196鏈傳動的設(shè)計197. 總結(jié)207.1 設(shè)計成果207.2 工作展望21參考文獻21結(jié)束語221. 電動高壓氣泵概述電動高壓氣泵由原動機、傳動裝置、空氣壓縮裝置和其他附件組成。電動高壓氣泵壓縮空氣一般由空氣壓縮機來實現(xiàn)?？諝鈮嚎s機是氣源裝置中的主體，它是將原動機（通常是電動機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓

4、發(fā)生裝置。1.1 電動高壓氣泵的分類1） 按輸出壓力P分類：低壓氣泵（02MPaP1MPa）、中壓氣泵（1MPa<P1OMPa）、高壓氣泵（1OMPa<P1OOMPa）。2）按其工作原理可分為：容積型氣泵和速度型氣泵，容積型氣泵的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增大以提高壓縮空氣的壓力。速度型氣泵的工作原理是提高氣體分子的運動速度，然后使氣體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能以提高壓縮空氣的壓力。1.2 產(chǎn)生高壓的方法產(chǎn)生高壓的原理有：1） 增溫法，2）壓縮氣體法。其中增溫法需要燃燒可燃氣體或液體等方法提供熱源，使氣體壓強升高。由于這種方法所需設(shè)計的設(shè)備比較復雜，體積也較大，所

5、以不適合用于本次設(shè)計的高壓氣壓泵上，一般先采用壓縮氣體體積的方法，已達到增壓目的。下面介紹氣動增壓法。理論依據(jù)：根據(jù)克拉伯龍方程式PV=nRT，給定容器內(nèi)物質(zhì)的量n和絕對溫度T是定量，方程式變形為P=nRT/V，把定量歸為C，則有f(V)=C/V ，所以縮小氣體體積，可以增加氣體壓強。實現(xiàn)方法：利用一個大面積氣動活塞與一個較小面積的活塞/滑閥相連。根據(jù)可知，利用大面積活塞的低壓氣體驅(qū)動小面積活塞，可以產(chǎn)生高壓氣體，如圖1-1所示。壓縮氣體，輸出氣壓可通過驅(qū)動氣壓無級調(diào)節(jié)。達到壓力：輸出壓力很高，如：氣動氣體管道增壓泵的最高工作壓力可達到300MPa。圖1-1 氣動增壓原理示意圖，多級增壓法：多

6、級增壓法就是將大容積里的氣體壓到小容積里先實現(xiàn)一級增壓，再將小容積里的氣體壓到儲氣瓶中，實現(xiàn)二級增壓。圖1-2為活塞式壓縮機的二級增壓機構(gòu)。圖1-2 活塞式壓縮機的二級增壓機構(gòu)2傳動方案設(shè)計本電動高壓氣泵用于發(fā)射氣壓為20MPa的氣動獵槍，為了在野外隨時能夠給獵槍沖氣，需要設(shè)計一個依靠汽車110V電壓主驅(qū)動的、能夠達到20MPa氣壓的電動高壓氣泵。本次設(shè)計主要是對電動高壓氣泵的傳動的設(shè)計。2.1 擬定傳動方案電動高壓氣泵由原動機、傳動裝置和工作裝置等三部分組成。傳動裝置位于原動機和工作裝置之間，用來傳遞運動和動力，并可用以改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的大小或改變運動形式，以適應工作裝置功能要求。傳動裝置的設(shè)

7、計對電動高壓氣泵的性能、尺寸、重量和成本都有很大的影響，因此應當合理地擬定傳動方案。 傳動裝置方案選擇為了估計傳動裝置的總傳動范圍，以便選擇合適的傳動機構(gòu)和擬定傳動方案，可先由已知條件確定曲柄搖桿機構(gòu)中曲柄的轉(zhuǎn)速，考慮到三級增壓氣筒的響應速度和發(fā)熱情況，擬定增壓氣筒的工作周期T=1秒，即曲柄的轉(zhuǎn)速=60r/min。一般常選用同步轉(zhuǎn)速大于750r/min的電動機作為原動機，因此傳動裝置總傳動比應大于12。比較表3-1的四種方案，帶傳動傳動比太小，二級圓表3-1 幾種機械傳動傳動比推薦值類型帶傳動二級圓柱齒輪傳動單級蝸輪蝸桿傳動單級擺線針輪傳動推薦傳動比2486010801187運動簡圖柱齒輪傳動

8、、單級蝸輪蝸桿傳動和單級擺線針輪的傳動比都達到要求，但是從安裝的位置布置來看，單級蝸輪蝸桿傳動占用空間最少、結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且蝸輪蝸桿減速器的所以選擇單級蝸輪蝸桿傳動方案。2.2 選擇電動機電動機選擇包括選擇類型、結(jié)構(gòu)形式、容量（功率），并確定型號。按照要求電動高壓氣泵的電壓是依靠汽車110V電壓主驅(qū)動的，因此首先考慮選用單相異步電動機 電動機的容量（1）計算轉(zhuǎn)軸的輸出功率一個三級增壓氣筒最大的氣體壓力式中，為一個三級增壓氣筒最大壓強，其值為20；為受力面積，單位：；活塞直徑為5。圖3-1 三級增壓氣筒的受力分析圖由于三級增壓氣筒在工作的過程中壓力和力臂隨時在變，故力矩也隨時在變。假設(shè)當三級增

9、壓氣筒轉(zhuǎn)到力臂最大的時候，氣筒的壓強達到最大值20MPa，在圖3-1中，A、B處力臂最大，但是A處是吸氣過程，B處是壓氣過程，所以力矩在B處時達到最大值。擬定三級增壓氣筒的行程為100mm，則力臂為50mm。阻力矩 轉(zhuǎn)軸的輸出功率 （2）計算電動機輸出功率其中，分別為聯(lián)軸器，軸承，蝸桿，鏈的傳動效率查表可知=0.99，=0.98，=0.8，=0.96所以電動機的功率 電動機的型號確定由表3-2可選的電動機轉(zhuǎn)速有2800r/min、1400r/min，由于YU系列單相電阻啟動電動機的效率普遍不高，通過計算選擇電動機的型號為YU7122。表3-2 YU系列單相電阻啟動電動機主要技術(shù)數(shù)據(jù)型 

10、;  號 功率 電流 轉(zhuǎn)速 效率 功率因素 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)電流 額定轉(zhuǎn)矩(W) (A) (r/min) (%) (cos) (A) YU6322 120 1.36 2800 58.0 0.69 1.4 14 1.8YU6324 90 1.64 1400 43.0 0.58 1.5 12 1.8YU7112 180 1.89 2800 60.0 0.72 1.3 17 1.8YU7114 120 1.88 1400 50.0 0.58 1.5 14 1.8YU7124 180 2.49 1400 53.0 0.62 1.4 17 1.8YU8012 370 3.36 2800 65.0

11、 0.77 1.1 30 1.8YU8014 250 3.11 1400 58.0 0.63 1.2 22 1.8YU8024 370 2.24 1400 62.0 0.64 1.2 30 1.8選擇的電動機轉(zhuǎn)速為2800r/min,擬定的增壓氣筒的工作周期T=1秒，即曲柄的轉(zhuǎn)速=60r/min，所以計算各軸功率電動機輸出功率 1軸輸出功率 2軸輸出功率 3軸輸出功率 計算各軸的轉(zhuǎn)矩電動機輸出轉(zhuǎn)矩 1軸轉(zhuǎn)矩 2軸轉(zhuǎn)矩 3軸轉(zhuǎn)矩 2.3 核算傳動裝置總傳動比 計算總傳動比傳動裝置總傳動比 設(shè)計蝸輪蝸桿減速器的傳動比為 此傳動比還不能滿足設(shè)計要求，還需要降低轉(zhuǎn)速，需要的傳動比考慮再連接一個鏈傳動來

12、降低轉(zhuǎn)速。取小鏈輪的齒數(shù)大鏈輪齒數(shù) 取所以需要設(shè)計鏈傳動的小鏈輪的齒數(shù)，大鏈輪的齒數(shù)3減速器傳動零件的設(shè)計計算3.1傳動零件的設(shè)計計算傳動零件是傳動系統(tǒng)中最重要的零件，它關(guān)系到傳動系統(tǒng)的工作能力、結(jié)構(gòu)布置和尺寸大小。此外，支承零件和聯(lián)接零件也要根據(jù)傳動零件來設(shè)計或選取。因受教學計劃學時數(shù)的限制，機械設(shè)計課程設(shè)計對傳動系統(tǒng)中減速器以外的傳動零件，在不影響減速器有關(guān)零件設(shè)計計算的條件下，只須確認已分配的傳動比和所選的傳動效率，如果有影響，也只是進行必要的和簡單的設(shè)計計算。傳動零件的設(shè)計計算主要完成減速器齒輪傳動或蝸桿傳動的設(shè)計計算，包括選擇傳動零件的材料及熱處理，確定傳動零件的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)和尺寸

13、。傳動系統(tǒng)運動和動力參數(shù)的計算結(jié)果及設(shè)計任務書給定的工作條件，即為減速器傳動零件設(shè)計計算的原始依據(jù)。3.2 蝸輪蝸桿減速器的傳動設(shè)計計算 已知：蝸桿輸入功率，轉(zhuǎn)速=2800r/.min，蝸輪轉(zhuǎn)速=112 r/.min要求使用壽命5年，每年工作300天，每天工作8小時，載荷平穩(wěn) 選擇材料考慮蝸桿傳動功率不大，速度中等，據(jù)GB10085-88的推薦，采用阿基米德蝸桿。蝸桿采用45號鋼；希望效率高，耐磨性好些，故蝸輪蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為>45 HRC，表面粗糙度，蝸輪輪緣選用ZCuSn10P1，金屬模鑄造。 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計a選擇齒數(shù)傳動比，參考表取蝸桿頭數(shù)，b蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 估計

14、，則c確定載荷系數(shù)K根據(jù)載荷情況，選K=1.1e.材料系數(shù) 由表查得，取d確定許用接觸應力則查表13-4，得，查表13-3查得，故e.材料系數(shù) 由表查得，取f g初選m、 查表13-7，選蝸輪模數(shù)，蝸輪分度圓直徑 ，q=11.2，此時h蝸輪的速度i. 導程角j滑動速度 計算傳動效率查表13-9查得嚙合效率傳動效率取軸承效率，攪油損耗時的效率 則蝸桿傳動效率的總效率為，與假定值相近檢驗值 則原選參數(shù)，強度足夠 確定傳動的主要尺寸， ，q=11.2mm中心距a 蝸桿尺寸分度圓直徑齒頂圓直徑齒根圓直徑導程角右旋軸向齒距螺紋部分長度 考慮到磨削余量，齒頂高 高蝸輪尺寸分度圓直徑齒頂高 根高 齒根圓直徑

15、頂圓直徑外圓直徑蝸輪輪寬，取螺旋角 齒頂圓弧半徑齒形角 熱平衡計算傳動效率初估散熱面積 油工作溫度取，散熱率，則 潤滑方式與潤滑油粘度根據(jù)，確定該蝸桿傳動采用浸油潤滑。同時根據(jù)，可得潤滑油粘度3.2.7 彎曲強度驗算齒形系數(shù)查表13-5，用插值法求得 螺旋角系數(shù)許用彎曲應力查表13-6，由應力循環(huán)次數(shù)，查圖13-4，得，則 彎曲應力 故安全4、軸的設(shè)計計算及校核4.1 蝸輪軸的設(shè)計a.軸的材料的選擇，確定許用應力考慮到減速器為普通用途小功率減速傳動裝置，軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩。選用45號鋼，正火處理 ， b.按扭轉(zhuǎn)強度估算軸的最小直徑根據(jù)表10-3 取由式得考慮有鍵槽，將直徑增大5%，則：c.軸

16、的結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）軸上零件的定位，固定和裝配單級減速器中，可以將蝸輪安排在箱體中央，相對兩軸承對稱分布，蝸輪左面用軸肩定位，右端面用套筒軸向定位，周向定位采用鍵和過渡配合，兩軸承分別以軸承肩和套筒定位，周向定位則用過渡配合或過盈配合，軸呈階梯狀，左軸承從左面裝入，蝸輪套筒，右軸承從右面裝入。（2）確定軸的各段直徑和長度由輸出端開始往里設(shè)計。7段直徑最小，由計算得出，,軸上的鍵槽取寬高，；6段因定位軸肩高度，軸承端蓋的總寬度為5mm，根據(jù)拆裝方便，取外端蓋外端面與鏈輪右端面距離為10mm,因此；5段初選用單角接觸軸承，參照要求取，型號，考慮到軸承左端用套筒定位蝸輪，留有一定距離，左端直接用端蓋定位

17、，；4段為安裝蝸輪軸段，蝸輪的輪轂寬為，軸長有比輪轂寬小點，蝸輪左端滾動軸承用軸肩軸向定位，高度h=2，可確定第三段的尺寸；3段，；2段左端為軸承的軸向定位，；1段該段為軸承安裝，故，（3）選定軸的結(jié)構(gòu)細節(jié)，如圓角、倒角、退刀槽等的尺寸，圖中略。d按彎矩合成強度校核軸徑。計算可得圓周力 軸向力徑向力 畫軸的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖所示；可確定出軸承支點跨距，懸臂。由此可畫軸的受力簡圖，如圖所示。水平面支反力 垂直面內(nèi)支反力 ,畫彎矩圖，轉(zhuǎn)矩圖水平面的彎矩圖截面C處 垂直面彎矩圖截面C左邊 截面C右邊 合成彎矩圖截面C左邊 截面C右邊 轉(zhuǎn)矩圖轉(zhuǎn)矩 按彎矩合成應力校核軸的強度從圖可見截面C處彎矩最大，校核該

18、截面的強度。截面C的當量彎矩因減速器單向運轉(zhuǎn)，故可認為轉(zhuǎn)矩脈動循環(huán)變化，修正系數(shù)為0.6。，確定危險截面及校核強度。由圖可以看出，C處所在截面當量彎矩最大，且軸上還有鍵槽，故該截面可能為危險截面，應對其進行校核。，查表得，由于，故截面C設(shè)計的強度足夠，并有較大裕量。4.2 蝸桿軸的設(shè)計(1)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算軸的最小直徑由于和蝸桿在一起，所以用45鋼 查表得 ：A=125 ，又由式： 考慮到軸的最小直徑會有鍵槽存在，將估算直徑加大3%到5%,由設(shè)計手冊取標準=10mm (2)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1)軸上零件的定位，固定和裝配 單級蝸輪蝸桿減速器中可將齒輪安排在箱體中央，相對兩軸承對稱分布，齒輪左面由

19、軸肩定位，右面用套筒軸向固定，聯(lián)接以平鍵作過渡配合固定，兩軸承分別以軸肩和大筒定位，則采用過渡配合固定定位軸間的高度h一般取為h=（0.070.1）*d =1.42mm，取h=2mm2)確定各軸段直徑和長度 直徑：有上述計算得直徑=10mm，軸段2直徑取14mm，軸段3的直徑為17mm，軸段4的直徑=22 mm，軸段5的直徑，軸段6為蝸桿，因df為18 mm，e<1.6m=1.6*6.3=10，所以軸為蝸桿軸。軸段7的直徑同軸段5，軸段8的直徑同軸段4，軸段9的直徑同軸段3。長度： 軸段1的長度為23mm,軸段2的長度為25mm，軸段3的長度為10mm，軸段4為5mm， 軸段5的長度為3

20、0mm,軸段6的長度為44mm，軸段7的長度同軸段5的長度，軸段8的長度同軸段4，軸段9的長度為10mm。3)蝸桿軸的受力分析計算蝸桿的圓周力,徑向力和軸向力 126N 可確定出軸承支點跨距，懸臂。計算作用于軸上的支反力水平面內(nèi)的支反力 =63N求截面C處的彎距: 求垂直面內(nèi)的支反力及彎距:由,得求截面C左側(cè)的彎距: 求截面C右側(cè)的彎距: 5)求合成彎距.求截面C左側(cè)的合成彎距: 求截面C右側(cè)的合成彎距: 5)計算轉(zhuǎn)距.6)求當量彎距.因單向轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)距為脈動循環(huán)變化,故折算系數(shù).危險截面C處的當量彎距為7)計算截面C處的軸徑.由此可畫軸的受力簡圖，如圖所示 5、蝸輪軸軸承的選擇5.1 按承載較

21、大的軸承選擇其型號：軸承類型選擇為深溝球軸承，軸承預期壽命為=80000h.由前計算結(jié)果得：軸承受徑向力,軸承工作的轉(zhuǎn)速為112r/min5.2 初選滾動軸承型號：參考文獻機械設(shè)計課程設(shè)計手冊表6-1初選深溝球軸承6005GB/T 276-1994，基本額定動載荷為=10000N，為載荷系數(shù)，取=1.25.3 滾動軸承的強度計算：=126×1.2=151.2 N對球軸承的壽命指數(shù)=3則=1229.4N計算軸承的額定壽命L 為溫度系數(shù) 按文獻機械零件表12.4取=1計算軸承的實際壽命因L,故軸承6005GB/T 276-1994滿足要求。軸承：D=47mm,B=12mm,d=25mm,

22、=30mm,=42mm。6鏈傳動的設(shè)計1) 確定鏈輪齒數(shù)，傳動比，查表11-6，選取，則，取=472) 實際傳動比 3) 鏈輪轉(zhuǎn)速 ， 4) 設(shè)計功率P 由表11-7取,由表11-8取 5) 選用鏈條 由P , n查圖11-10，選得鏈號為08A,節(jié)距P=12.7Omm，單排鏈6) 驗算鏈速v 由式在范圍內(nèi)7) 初選中心距 因結(jié)構(gòu)上無限定，結(jié)合實際情況，初選=20p8)確定鏈節(jié)數(shù) 初算鏈節(jié)數(shù)對圓整并取偶數(shù)，則=969)理論中心距 ，用差值法求得，則根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果，采用單排8A滾子鏈，節(jié)距為12.7mm，節(jié)數(shù)為96節(jié)，其標記為08A-1X96 GB/T1243-19977. 總結(jié)7.1 設(shè)計成

23、果本文的目標就是設(shè)計一種依靠汽車110V電壓主驅(qū)動的、能夠達到20MPa氣壓的電動高壓氣泵傳動裝置。通過運動學分析和動力學計算,驗證了該機構(gòu)的可行性，以及畫出傳動機構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)，接著設(shè)計或者選用了相關(guān)零部件。在此過程中主要做了以下工作:1.對國內(nèi)外空氣壓縮技術(shù)和現(xiàn)有的高壓氣泵進行了理論學習 ，為設(shè)計機構(gòu)提供參考依據(jù)。2.進行了零部件的設(shè)計:蝸輪軸、蝸桿軸、軸承座、軸承端蓋、鏈傳動等。3.進行了零部件的選用:電動機、滾子鏈等。4. 運用AutoCAD二維繪圖軟件繪制出裝配圖和各零件圖。7.2 工作展望由于個人水平及時間和其他條件的限制，本文的設(shè)計上還有下列工作需要進一步完善和補充:1.由于零件數(shù)目多，機器內(nèi)部機構(gòu)較復雜，需要持續(xù)改進，漸趨完善。2零件制造所需的所有尺寸及其偏差、表面粗糙度、材料