发动机组装过程中箱体旋转装置设计.docx

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发动机组装过程中箱体旋转装置设计

发动机组装过程中箱体

旋转装置设计

EngineRotaryDeciceDesignDuringAssembly

摘要

发动机在组装时一般采用流水线的工作方式，而流水线中操作工人只能在两侧工作。

发动机组装流水线采用循环链式传动，操作工人只能在一侧工作。

在发动机组装过程中，有些零部件的安装需在流水线的对侧工位进行，为便于操作，需将发动机水平旋转180°后进行操作。

本毕业设计要求用本科四年所学专业知识，设计一套发动机组装时的旋转装置，能方便装配。

首先，根据要实现的预期目标，选择最合理的旋转方案；其次由旋转方案提出的要求，进行整体机构的设计，确定出机构的整体布局；然后，后对结构主要部件进行设计以及通过查表完成标准件的选用；最后绘制整个机构的装配图和重要的零件图，并对相应的零件进行强度﹑刚度﹑寿命等校核。

本次设计将改变以往凸轮机构容易磨损而无法实现预定功能的特点，具有寿命长，精度高的特点，是一种更加合理的改进方式。

关键词:

发动机箱体水平旋转180゜旋转装置设计

Abstract

Commonlyusedintheassemblyoftheengineassemblylinework,andpipelineoperationsworkerscanonlyworkonbothsides.Engineassemblylinesusingcyclicchaindrive,operatingworkerscanonlyworkononeside.Theengineassemblyprocess,somecomponentstobemountedintheoppositesideofthestationforthepipeline,foreaseofoperation,thelevelrequiredtooperatetheengineafter180°rotation.Therotatingdevicedesignrequirementsforgraduationfouryearsofundergraduatescienceexpertisetodesignanenginewhenassembled,canbeeasilyassembled.

First,accordingtothedesiredobjectivestobeachieved,theprogramselectsthemostreasonablerotation;followedbytherotationoftheproposedschemerequires,fortheoveralldesignofthemechanism,themechanismtodeterminetheoveralllayout;Then,thestructureofthemainpartsofthedesignandlook-uptablecompletetheselectionofstandardparts;lastassemblydrawingoftheentireorganizationandimportantpartsdiagram,andthecorrespondingpartsforthestrength,stiffnesslifetimechecked.

Thecamdesignwillchangethepastbutcannoteasilyachievetheintendedfunctionofthewearcharacteristicsofalonglife,highaccuracy,isamorereasonablewaytoimprove.

Keywords：

enginebox180°horizontalrotationthedesignoftherotarydevice

绪论

发动机是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如内燃机（汽油发动机等）、外燃机（蒸汽机等）、电动机等。

如内燃机通常是把化学能转化为机械能。

发动机既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器（如：

汽油发动机、航空发动机）。

发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。

气缸体一般用灰铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。

在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。

气缸体应具有足够的强度和刚度，根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为以下三种形式。

1、一般式气缸体：

其特点是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。

这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差。

2、龙门式气缸体：

其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。

它的优点是强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。

3、隧道式气缸体：

这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。

其优点是结构紧凑、刚度和强度好，但其缺点是加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。

为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。

冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷。

水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加工有冷却水套，并且气缸体和气缸盖冷却水套相通，冷却水在水套内不断循环，带走部分热量，对气缸和气缸盖起冷却作用。

发动机在组装时一般采用流水线的工作方式，而流水线中操作工人只能在两

侧工作。

发动机组装流水线采用循环链式传动，操作工人只能在一侧工作。

在发动机组装过程中，有些零部件的安装需在流水线的对侧工位进行，为便于操作，需将发动机水平旋转180°后进行操作。

因此本毕业设计就是设计一套发动机组装时的旋转装置，以方便装配。

这是一次对大学四年来所学机械专业知识的综合运用，也是对自己学习成果的检验。

设计中间涉及了《机械原理》、《机械设计》、《机械制造工艺学》、《机械制造装备设计》等书籍的大量专业知识，汲取了大学期间做各类课程设计的经验。

随着设计的完成，感觉自己获益良多，激发了对本专业知识深入学习的兴趣。

对自己将来能够运用所学的机械类专业知识奉献社会充满了期待。

1方案论证及选择

1.1设计方案的选择

（1）设计与研制顶起装置应该注意：

一是现有的场地及能源；

二是平板的上升和下降以及圆盘的旋转必须平稳；

三是轴承及其他易损件的装配和更换必须简单方便；

（2）本设计分别选择两个电动机作为动力源，其中一个电机通过齿轮机构传动，将电机的旋转运动变为转盘的回转运动，另外一个电机通过传动机构将电机的回转运动转变为平板的上升运动。

根据这一基本思路，在设计过程中拟定了以下3个方案进行选择。

方案一：

用凸轮机构再辅助四个导柱将平板顶起。

如图1-1

图1-1凸轮机构

方案二：

用液压泵同时给四个液压缸供油将平板顶起。

如图1-2

图1-2液压缸顶起机构

方案三：

用丝杠顶起，通过减速器和丝杠螺母副，使电动机的转动变成平板的上下移动。

如图1-3

图1-3丝杠顶起机构

1.2方案选择

方案一.二均以电动机作为动力源，不同的是方案一主要是以两个推动杆将平板顶起；方案二是以四个顶杆将平杆顶起。

方案一凸轮机构中由于是高副连接，所以凸轮易磨损，磨损后就会改变原来的运动轨迹，使平板无法实现预定的运动。

方案二用液压泵同时给四个液压缸供油顶起。

液压机构需重新设置泵站，噪音较大，在同时向四个液压缸供油的过程中，由于油路的长短不同及其他原因会造成油路压力损失。

方案三用电动机通过丝杠螺母副实现平板的上升。

由于丝杠能够精确实现平板的平稳上升，又主要是机械结构。

能够相应降低成本。

通过查资料，考虑到工况及安装等因素，进行方案比较后，最终选择方案三。

2设计方案的介绍

本设计主要由以下几部分组成：

（1）动力部分：

电动机及减速器。

电动机为动力源，由于丝杠转动需要较大的力矩，用减速器能够放大电动机输出的转矩。

（2）传动部分：

齿轮机构，蜗轮蜗杆机构。

其中齿轮机构的功能是使发动机缸体旋转，而蜗轮蜗杆机构的功能是使丝杠旋转。

（3）支承部分：

支承部分由两个方面组成

1）生产流水线发动机缸体从上一个工序位置上下来，由生产线上的滚动体支撑着，到特定位置时，等另一个电动机通过传动后将托盘顶起，然后将发动机缸体顶起。

2）4个丝杠螺母副电动机通过蜗轮蜗杆传动机构后，使丝杠螺母副中的丝杠旋转，螺母移动来使平板上移，从而将生产线上的发动机缸体顶起，为下一步旋转作准备。

3主要参数的计算

3.1丝杠螺母副的受力分析

发动机缸体长800mm宽600mm总质量300Kg，在丝杠旋转将平板缓慢顶起时，求丝杠所受到的扭矩。

T=FLA/2000πη（N·m）

其中F=mgL为丝杠导程A为双输出轴减速器的减速比

η为丝杠的效率一般为0.3-0.6这里取0.5

所以T=75·10·80·1/（2000·3.14）·0.5

=4.78N·m

=477.7N·mm

4各主要部件的选择

4.1设计参数

本设计的主要技术参数如下：

发动机缸体质量300kg

转盘速度0.9r/min

丝杠距离840mm

转盘速度0.9r/min

转盘功率0.26kw

电力要求：

380V，3ph，50Hz

操作方式：

电动

减速器输出轴与丝杠的连接呈90゜这就要求减速器输出轴与丝杠只能用涡轮蜗杆连接或锥齿轮连接。

4.2拖盘的选择

本设计转盘直径为1000mm，尺寸很大，转动时，转速为0.9r/min，较慢，转盘上需承重约为300kg的发动机缸体。

因此选择转盘材料时应尽量选择强度高、不易变形的材料。

由于托盘较大，与齿轮需用螺纹连接，故选择Q235，可以满足各方面性能要求，同时可有效降低成本。

4.3电动机的型号确定

由于转盘工作时，要求可以在180°范围内往复旋转，故电动机应可以正反转。

此外，电动机为间歇工作，当发动机缸体移动到具体位置且红外线检测到之后，电动机启动带动丝杠旋转，平板带动托盘将发动机缸体顶起，触动行程开关，另一个电动机启动，通过齿轮啮合运动使发动机缸体旋转180゜，待对侧工位装配完成后，再返回旋转180゜，恢复原状，自动停止，等待下一次工作需要。

电动机分为交流电动机和直流电动机两种。

由于生产单位一般多采用三相交流电源，因此，无特殊要求时均应选用三相交流电动机，其中以三相异步交流电动机应用最广泛。

根据不同防护要求，电动机有开启式、防护式、封闭自扇冷式和防爆式等不同的结构形式。

除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。

Y系列三相笼型异步电动机是一般用途的全封闭自扇冷式电动机，由于其结构简单、工作可靠、价格低廉、维护方便。

因此广泛应用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上。

根据前面的计算，电动机所需功率为6kW。

考虑到传动过程中各种损失及各种摩擦，选择11kW的三相异步电动机。

表4-1Y-160M1型电动机参数

型号

额定功率/kW

额定电流

/A

转速

/r·min

效率

/%

功率因数

cosφ

Y-160M1

7.5

17.8

1500

85.5

0.75

4.4减速器的选择

除了部分旋转类机械如鼓风机、水泵等直接由原动机驱动之外、绝大多数的工作机械其工作部分的转速与原动机的转速不一致，因此，需要协调原动机与工作机之间的速度。

减速器就是在机械系统中用于协调速度的一种装置。

减速器是一种动力传达机构，是一种相对精密的机械，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。

在目前用于传递动力与运动的机构中，减速器的应用范围相当广泛。

几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等.其应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度传输都可以见到减速机的应用，且在工业应用上，减速器具有减速及增加转矩功能。

因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。

减速器的作用主要有：

（1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速机额定扭矩。

（2）降速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。

常用的减速器类型分为：

齿轮减速器、蜗杆减速器、蜗杆－齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波齿轮减速器。

表4-2各类减速器参数

类别

级数

推荐传动比范围

圆锥、圆锥-圆柱齿轮减速器

单级

直齿轮i≤5

曲线齿轮、斜齿轮i≤8

两级

直齿轮i=6.3~31.5

曲线齿轮、斜齿轮i=8~40

（淬硬齿轮i=5~16较好）

三级

i=35.5~160

（淬硬齿轮i=18~90较好）

蜗杆、齿轮-蜗杆减速器

单级

蜗杆下置式

i=8~80传递功率较大时i≤30

蜗杆上置式

蜗杆侧置式

两级

蜗杆-蜗杆

i=43~3600

齿轮-蜗杆

i=15~480

齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、圆锥-圆柱齿轮减速器。

它们的特点是传动效率高、工作可靠、寿命长、维护简便、因而应用很广泛。

本装置中需要两种使用的减速器

（1）一种是双输出轴减速器由于考虑到即使是同一个厂家生产的两个相同型号的电动机，在同时通电后，由于线位差等原因，两个电动机也有可能不会同时运转，所以准备只用一个电动机。

而又需要使四个丝杠同时转动，所以准备使用三个双输出轴减速器。

表4-3TZL型减速器承载能力

公称传动比i

公称转速/r·min

公称输入功率

P

/kW

输入

输出

5.09

750

4.6

10.24

（2）另一种是涡轮蜗杆减速器因为要将轴的转动转化为丝杠的转动，所以需要能够改变轴的布置方向，因此考虑选用圆锥齿轮减速器或蜗杆减速器。

圆锥齿轮减速器只用于需要改变轴的布置方向的场合。

由于锥齿轮（特别是大直径、大模数锥齿轮）加工困难，所以应将其布置于传动的高速级，并限制其传动比，以减小其直径和模数。

蜗杆减速器也可以用于改变轴的布置方向，它可以实现较大的传动比，结构紧凑，传动平稳，噪声较小。

本设计中所用电动机的额定转速为720r/min，电动机输出轴，经过减速器和减速齿轮，最终的输出件--转盘的转速只有0.9r/min，故减速比较大，因此要选择传动比较大的减速器，选择传动比为160的两级齿轮-蜗杆减速器—HZW25j

-160。

表4-3HZW型减速器承载能力

公称传动比i

公称转速/r·min

公称输入功率

P

/kW

输入

输出

160

750

4.6

4.81

蜗轮蜗杆齿面间的相对滑动速度大，因而温升高、摩擦比较严重。

蜗杆传动的主要失效形式是磨损、胶合、点蚀及轮齿折断。

因此，涡轮的材料不仅要求有足够的强度，而且具备良好的减摩形、耐磨性和抗胶合能力。

蜗杆选用45钢，然后渗碳淬火使齿面硬化，再磨削以提高精度，涡轮的材料则选用铸造锡青铜。

4.5齿轮的选择

4.5.1齿轮传动尺寸

表4-4传动齿轮尺寸

名称

计算公式

结果/mm

模数

m

4

齿数

26

100

压力角

α

20°

分度圆直径

d

104

d

400

齿顶圆直径

d

108

d

408

齿根圆直径

d

94

d

390

中心距

504

齿宽

124

134

4.5.2齿轮材料的选择

齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：

齿面硬、芯部韧、易于热处理。

钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。

材料

性质及用途

锻钢

含碳量为0.15%~0.6%的碳素钢或合金。

一般用齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢

铸钢

耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮

铸铁

常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料

非金属材料

适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合

表4-5常用齿轮材料

本设计中，两个齿轮的尺寸都较大，考虑使用环境、制造成本及使用性能，选择45钢，铸造齿轮轮坯，小齿轮调质，大齿轮淬火，保证配对两轮齿面的硬度差为30~50HBS或更多，再进行机加工。

本设计中，转盘只要求在90°范围内往复旋转，故两个相啮合的齿轮应有较高的抗疲劳强度。

大齿轮用4个螺栓与转盘体相连，大齿轮上的螺栓孔制出凸台，与转盘体上的四个孔相配合，以保证齿轮中心轴线与转盘中心轴同轴度的要求。

4.6轴承的选择

本设计，为了实现平板不转动而托盘转动的功能，可以通过推力球轴承连接平板和托盘，轴承主要承受轴向载荷。

轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。

也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。

轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。

它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。

根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。

滚动轴承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已标准化，选用、润换、维护都很方便，因此在一般机器中应用较广。

但由于滑动轴承本身具有的一些独特优点，使得它在某些不能、不便或使用滚动轴承没有优势的场合，如在工作转速特高、特大冲击与振动、径向空间尺寸受到限制或必须剖分安装（如曲轴的轴承）、以及需在水或腐蚀性介质中工作等场合，仍占有重要地位。

滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。

滚动轴承在生产中使用较为广泛，考虑到成本、安装、工作环境等各方面因素，本设计中，中心轴处采用滚动轴承。

滚动轴承按载荷方向分类，可分为向心轴承、推力轴承、向心推力轴承。

本设计中的中心轴主要承受轴向载荷，选用角接触球轴承。

因为环形轨道主要承受转盘上的重力，故中心轴可以做得较细，且不需校核。

轴承段的直径取Φ37mm。

4.7高精密度丝杠

丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。

本设计中是将轴的端部制成螺纹，形成丝杠螺母副，然后丝杠旋转，螺母向上移动以实现将缸体向上顶起，有效导程部分应能保证将缸体顶起。

高精度精密硬丝杠心部具有一定的强度和韧性，表面滚道要有高硬度以保证足够的承载能力，能够带动很重的载荷作自由的精确运动，要求所使用的材料的抗拉强度达到700—1000MPa，还应有一定韧性和精度稳定性，工件在制造过程中还要求有良好的冷热加工的工艺性能。

所以选择低合金工具钢（9Mn2V）制造，整体淬火。

4.8联轴器选择

用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。

在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。

联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。

一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。

联轴器种类繁多，按照被连接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为：

①固定式联轴器。

主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方，结构一般较简单，容易制造，且两轴瞬时转速相同，主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。

②可移式联轴器。

主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方，根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联轴器。

刚性可移式联轴器利用联轴器工作零件间构成的动连接具有某一方向或几个方向的活动度来补偿，如牙嵌联轴器（允许轴向位移）、十字沟槽联轴器（用来联接平行位移或角位移很小的两根轴）、万向联轴器（用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方）、齿轮联轴器（允许综合位移）、链条联轴器（允许有径向位移）等，弹性可移式联轴器（简称弹性联轴器）利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移，同时弹性元件也具有缓冲和减振性能，如蛇形弹簧联轴器、径向多层板簧联轴器、弹性圈栓销联轴器、尼龙栓销联轴器、橡胶套筒联轴器等。

联轴器有些已经标准化。

选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的验算。

本设计中联轴器选用刚性凸缘联轴器

表4-3YL型凸缘联轴器主要尺寸

公称转矩

轴孔长度

外缘直径

Y型

J型

400

112

84

80

刚性凸缘联轴器由刚性构件组成，各连接件之间不能相对运动，因此不具备补偿两轴线相对偏移的能力，只适用于被连接两轴在安装时能严格对中，工作时不产生两轴相对偏移的场合，刚性凸缘联轴器无弹性元件，不具备减振和缓冲功能，一般只适用于载荷平稳并无冲击振动的工况条件。

5各危险部件的校核

5.1齿轮的校核

齿轮处输出转矩：

验算齿轮传动的接触强度和弯曲强度

较弱小齿轮圆周速度：

（5-1）

由此得动载系数：

KV=0.95，使用系数：

KA=0.94。

求齿间载荷分布系数

，

选求：

Ft=2T1/104=2

1.48

107=2.96

107N

KAFt/b=0.94

2.96

107/60=4.63

105N/mm

=

=1.78

齿向载荷分布系数

=1.47

载荷系数K=KVKA

=0.94

0.95

1.78

1.47=2.337

弹性系数

=189.9

节点系数ZH=2.36

螺旋角系数

=0.97

②齿轮传动接触强度验算:

计算接触应力

计算许用接触应力:

以及强度条件：

则

计算结果，接触强度通过。

③AC传动弯曲强度的验算:

齿根应力为

式中

——齿形系数，查图取

=2.80,

=2.18；

——应力修正系数，取

=1.55,

=1.79；

——弯曲强度计算的重合度系数，

=0.25+0.75/

=0.25+0.75/1.6=0.719；

——弯曲强度计算的螺旋角系数，取

=1

齿根最大应力：

由强度条件

则（5-2）

45钢调质表而淬火，

5.2键联接校核

键联接是应用最广的联接，靠侧面传递转矩，对中良好拆装方便。

减速器使用平键联接，键为标准值，所以键的校核主要是按传递的转矩确定键的长度，然后验算键联接的强度。

低速级齿轮是通过平键连接转速小扭矩大最易受破坏。

因此只需校核该键就行。

根据输出端伸出轴尺寸，查表初步选择28

16

60G