【正文】 ≤Tf (Nm) () 式中 ： Tn萬向聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩， Nm； Tf萬向聯(lián)軸器的疲勞轉(zhuǎn)矩， Nm； T萬向聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩， Nm ； 其中 T=9550Pw/ N (Nm)； Pw驅(qū)動(dòng)功率， kw； N萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速， r/min； Kn萬向聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速修正系數(shù) ； K 萬向聯(lián)軸器的兩軸線折角修正系數(shù) ； 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 21 頁 Ka載荷修正系數(shù)。 （ 載荷均勻，工作平穩(wěn)時(shí)， Ka=。載荷不均勻，中等沖擊時(shí)， Ka=~； 較大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí)， Ka=~，特大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí) Ka。 ） 傳動(dòng)軸折角 傳動(dòng)軸的折角對萬向節(jié)聯(lián)軸器平穩(wěn)傳動(dòng)具有極其重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中，通常通過限制傳動(dòng)速度以及傳動(dòng)軸的折角來保證傳動(dòng)平穩(wěn)運(yùn)行。一般最大的折角控制在 35176。以內(nèi)。針對大扭矩、高轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行的傳動(dòng)軸，一般不得大于 l176。 ~~176。，否則，會(huì)嚴(yán)重削弱傳動(dòng)軸的使用壽命。 傳動(dòng)軸長度 傳動(dòng)軸的長度主要是為了補(bǔ)償轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏角引起的軸向位移，長度的設(shè)計(jì)與鉆機(jī)與測試臺(tái)之間的距離有關(guān)。所以玩向聯(lián)軸器的實(shí)際工作長度不是一成不變的的，而是變化的。傳動(dòng)軸的最佳工作長度應(yīng)當(dāng)適中。 十字軸總成 它由主要軸承腕 十字軸 2 組成，如圖。十字軸總成萬向節(jié)聯(lián)軸器極其重要的環(huán)節(jié)，通常采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件，經(jīng)多種熱處理、機(jī)加工制成 [20]。因?yàn)閭鬟f的扭矩主要通過十字軸總成傳遞，需要對其強(qiáng) 度和剛度都有很嚴(yán)格的要求。另外，十字軸總成硬度很高，具有良好的耐磨性和高強(qiáng)度特性，直接影響萬向節(jié)聯(lián)軸器的扭矩傳遞和使用壽命。同時(shí)，延長萬向聯(lián)軸器的使用壽命，維護(hù)起來也方便，在十字軸總成上設(shè)置了起潤滑作用的脂油道，保證萬向聯(lián)軸器高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以得到充分的潤滑。 圖 3. 8 十字軸總成 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 22 頁 本章小結(jié) 本章主要完成了加載機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)以及連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。針對轉(zhuǎn)盤加載方案進(jìn)行了詳細(xì)的論述，分析工作原理，優(yōu)化方案，最終設(shè)計(jì)出相對合理的轉(zhuǎn)盤加載機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩 25000Nm 的扭矩加載。另外，查閱了相關(guān)資料，闡述了磁粉制動(dòng)器的工作原理、性能特征、適用條件等等。簡單進(jìn)行轉(zhuǎn)盤制動(dòng)器加載方案的論述。最后連接方式的設(shè)計(jì)參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中不同型號的聯(lián)軸器，比較不同聯(lián)軸器的適用條件，最終選取了雙萬向節(jié)聯(lián)軸器進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 23 頁 4 測試臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 測試臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括標(biāo)準(zhǔn)件的選型，具體零部件的各種性能參數(shù)，包括外形尺寸，材料以及表面處理等等。然后進(jìn)行局部零部件的校核，軸承要進(jìn)行壽命計(jì)算，使整個(gè)測試臺(tái)系統(tǒng)滿足強(qiáng)度要求。最終根據(jù)選好的標(biāo)準(zhǔn)件以及自行設(shè)計(jì)的零部件 繪制標(biāo)準(zhǔn)的三維模型，最后完成裝配。 綜述 依據(jù)原始材料及技術(shù)要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的選型，以及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 原始資料： 鉆機(jī)鉆桿的最大推拉力為 50t。 鉆機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩最大為 25000Nm。 鉆桿的軸徑為 150mm。 鉆機(jī)的工作轉(zhuǎn)速 200r/min。 首先依據(jù)電機(jī)的最大工作轉(zhuǎn)速，選型性價(jià)比較高的扭矩傳感器。根據(jù)扭矩傳感器所選的型號，設(shè)計(jì)扭矩傳感器的底座以及并確定與扭矩傳感器相連接的聯(lián)軸器的型號。然后確定與聯(lián)軸器相連接的軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行軸承的選型，設(shè)計(jì)軸承的支撐。轉(zhuǎn)盤直徑的確定參考小扭矩鉆機(jī)的測試臺(tái)轉(zhuǎn)盤外徑以及鉆桿的工作高度。依據(jù)轉(zhuǎn)盤的外徑，確定加載氣缸的型號，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，若扭矩不夠，可適量增大轉(zhuǎn)盤直徑，也可以選型功率更大的氣缸。 標(biāo)準(zhǔn)件的選型以及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 扭矩傳感器選型 扭矩傳感器主要是為了測量鉆機(jī)工作狀態(tài)下的扭矩大小，可以將扭力的物 理變化轉(zhuǎn)換成電信號，通過數(shù)碼顯示管直觀地顯示出來，扭矩傳感器的選型主要參考測試臺(tái)的最大扭矩測量范圍，鉆機(jī)的最大輸出扭轉(zhuǎn)力矩為 25000Nm，因此初步確定扭矩傳感器的最大量程為 30000Nm。另外考慮到扭矩的測量是在鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行的，屬于動(dòng)態(tài)扭矩測量，要選擇動(dòng)態(tài)扭矩測量儀，還要考慮一些別的因素，比如抗干擾能力，反應(yīng)靈敏度，穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性等等，綜合考慮各方面的性能選取性價(jià)比比較合適的扭矩傳感器。 最終選擇了性價(jià)比比較高的 HLT 138 系列標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器。然后根據(jù)廠家 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 24 頁 給出的扭矩傳感器外形尺寸，繪制三維 模型。具體扭矩傳感器外形尺寸參考如下表 ： 表 扭矩傳感器規(guī)格表 圖 扭矩傳感器尺寸參數(shù) 該型號扭矩傳感器工作基本原理： 采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在弾性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測得該弾性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變信號放大后，經(jīng)過壓 /頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。 扭矩傳感器的性能特征： 信號輸出波形方波幅度可選 5V/12V。 開機(jī) 5 分鐘即可進(jìn)入工作狀態(tài)，不需要預(yù)熱。 檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。 不需要反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測量正反轉(zhuǎn)扭矩。 規(guī)格（ＮＭ） Φｄ Φ D2 A B C E F G H H1 L 鍵 b*h*l*n 0200 28 92 8 72 123 41 61 100 60 125 209 8*7*35*1 0500 38 96 8 72 124 55 61 100 65 135 238 10*8*50*2 01K 48 106 8 69 126 70 78 120 68 144 270 14*9*65*2 05K 75 144 13 69 132 105 85 120 90 185 347 20*14*95*2 010K 98 158 13 80 144 120 110 160 110 214 389 28*16*115*2 030K 105 170 14 87 160 125 180 204 115 236 420 28*16*119*2 050K 150 240 14 89 163 123 184 230 153 309 419 40*22*115*2 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 25 頁 體積小、重量輕、安裝方便。 傳感器可脫離二次儀表獨(dú)立使用，只要按插座針浩提供正負(fù) 15V的電源，即可輸出阻抗與扭矩成正比的等方波或脈沖波頻率信號。 注意事項(xiàng)： 安裝時(shí)，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。 聯(lián)軸器的緊固螺栓應(yīng)擰緊，聯(lián)軸器的外面應(yīng)加防護(hù)罩，避免人身傷害。 信號線輸出不得對地、對電源短路，輸出電流不大于 10mA，屏蔽電纜線的屏蔽層必須與 +15V電源端連接。 安裝要求： 扭矩傳感器可以水平安裝，也可以垂直安裝。 動(dòng)力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備應(yīng)安裝在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，以避免過大的震動(dòng)，否則可能發(fā)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，降低測量精度，甚至損壞傳感器。 采用彈性柱銷聯(lián)軸器或者剛性聯(lián)軸器連接。 動(dòng)力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備的同心度應(yīng)小于 。 上面是關(guān)于該型號扭矩傳感器的各項(xiàng)性能參數(shù)、指標(biāo)以及使用時(shí)需要注意的環(huán)節(jié)，很貼合本測試臺(tái)的各項(xiàng)要求，所以最終選擇該型號。初步選取的是軸徑105mm 的扭矩傳感器，但是進(jìn)行軸校核的時(shí)候發(fā)現(xiàn)軸徑 105 mm 不能滿足強(qiáng)度要求，跟廠商取得聯(lián)系以后，發(fā)現(xiàn)對于最大扭矩測量范圍 30000NM 的扭矩傳感器需要定制。下面將對扭矩傳感器的輸出輸入軸徑進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析，以及連接處聯(lián)軸器的選擇。 在進(jìn)行軸徑確定以及與之相連接的聯(lián)軸器的選型過程中，在圖書館查閱了相關(guān)資料，在機(jī)械設(shè)計(jì) 手冊第六版（化學(xué)工業(yè)出版社）一書中詳細(xì)記載了各種聯(lián)軸器的型號，和軸徑校核方法等等。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算確定軸徑： 3d pT?? () τ p 取 55Mpa，扭矩 T 取 30000Nm。 算得 d=。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 26 頁 考慮到鍵對軸強(qiáng)度的削弱，以及與之相互連接的聯(lián)軸器型號，最終確定軸徑取 150mm。 雙鍵強(qiáng)度計(jì)算： 鍵的材料選強(qiáng)度最高的鋼，按靜強(qiáng)度計(jì)算，許用擠壓應(yīng)力為 120210Mpa，去許用擠壓應(yīng)力為 140Mpa，計(jì)算得鍵的接觸長度： 39。 650l mm? 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鍵長度的標(biāo)準(zhǔn)值，會(huì)使扭矩傳感器輸出輸入軸過長，因此最終考慮采用花鍵軸。 扭矩傳感器底座的設(shè)計(jì) 根據(jù)選好的扭矩傳感器的型號，設(shè)計(jì)支撐扭矩傳感器的支撐架，支撐架的高度以及材料和加工方式。根據(jù)所選的扭矩傳感器底端的地腳螺釘孔，設(shè)計(jì)支撐架與其連接部分的螺紋孔。螺栓的選型直接根據(jù)扭矩傳感器給出的型號標(biāo)準(zhǔn)。扭矩傳感器的高度可以根據(jù)以前設(shè)計(jì)的測試臺(tái)作為參考，但是因?yàn)榕ぞ卦龃?，因此采用轉(zhuǎn)盤制動(dòng)器時(shí)需要增大轉(zhuǎn)盤直徑。以大于轉(zhuǎn)盤半徑為最小設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，初步設(shè)定扭矩傳感器底座的高度。扭矩傳感器考慮采用鑄造方式，材料可選用鑄鐵。為了增強(qiáng)扭矩傳感器的強(qiáng)度，可以設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。另外，添加 T 型槽也可以是整個(gè)系統(tǒng)高度可調(diào)。扭矩傳感器底座加 工四個(gè)螺紋孔，用于固定在 T 型槽上，螺栓的選取與 T 型槽的選型有關(guān)。設(shè)計(jì)的扭矩傳感器支撐架如圖 所示： 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 27 頁 圖 扭矩傳感器支撐架 T 型槽的選型 T 型槽平板主要用來安裝設(shè)備，方便固定與維修，另外可以通過增加 T 型槽底板的厚度來增高測試臺(tái)，提高工作臺(tái)的測量范圍。 T 型槽的選型標(biāo)準(zhǔn)主要由連接的固定螺栓的規(guī)格來確定。查閱了相關(guān)書籍，也在網(wǎng)上查閱了相關(guān)資料，并根據(jù)測試臺(tái)最大工作扭矩 30000NM 的基礎(chǔ)參數(shù)，確定了 T 型槽的基本參數(shù)，計(jì)算過程如下： 以最大轉(zhuǎn)矩 30000NM 計(jì)算，如圖 所示，共兩組四個(gè)螺栓。負(fù)載扭矩對螺栓 1 和 2 起到拉伸作用，對螺栓 3 和 4 起到擠壓作用。不考慮預(yù)緊力的作用，對螺栓組進(jìn)行強(qiáng)度校核。 初步取 T 型槽間距 P 為 200mm，每一組螺栓受到 15000NM 的扭轉(zhuǎn)力矩，則螺栓 1 或 2 受到的拉力為 75KN，然后按普通受拉螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算： 強(qiáng)度條件： ? ?214=/sF Sd??? ? () 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 28 頁 d1螺紋小徑； s?材料的屈服極限，選取鋼材 Q235； [S]安全系數(shù)，取 12； 計(jì)算得： d1=；故選用螺栓型號為 M24 因而最終選取的 T 型槽公稱直徑 M24， T 型槽寬度 28mm， T 型槽間距取200mm。 T 型槽材料采用灰口鑄鐵。 圖 螺栓組受力示意圖 圖 T型槽外形參數(shù) 1 選型參考標(biāo)準(zhǔn)如表 ： 表 T型槽規(guī)格表 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 29 頁 T 型槽 A B C H E F G 基本尺寸 最小尺寸 最大尺寸 最小尺寸 最大尺寸 最小尺寸 最大尺寸 最大尺寸 最大尺寸 最大尺寸 5 10 11 8 10 1 1 6 11 5 6 11 13 8 16 7 8 15 18 10 16 18 7 8 17 21 12 19 21 8 9 20 25 14 23 25 9 11 23 28 18 30 32 12 14 30 36 1 22 37 40 16 18 38 45 28 46 50 20 22 48 56 36 56 60 25 28 61 71 42 68 72 32 36 74 85 4 48 80 85 36 40 84 95 2 6 54 90 95 40 44 94 106 螺栓頂部 T 型槽寬度 A T 型槽間距 P d S K 公稱尺寸 最大尺寸 最大尺寸 M4 9 3 5 20 25 32 M5 10 4 6 25 32 40 M6 13 6 8 32 40 50 M8 15 6 10 40 50 63 M10 18 7 12 40 50 63 80 M12 22 8 14 50 63 80 100 M16 28 10 18 63 80 100 125 M20 34 14 22 80 100 125 160 M24 43 18 28 100 125 160 200 M30 53 23 36 125 160 200 250 M36 64 28 42 160 200 250 320 M42 75 32 48 200 250 320 400 M48 85 36 54 250 320 400 500 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 30 頁 圖 T型槽外形參數(shù) 2 軸的設(shè)計(jì)以及校核 以最大受載扭矩 30000NM，按扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力進(jìn)行最小軸徑估算。 強(qiáng)度條件： ? ?TT= W??? () T軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩， N mm，取 30000Nm； [τ ]許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，選 40Cr，取 52Mpa； Wt軸抗扭面模量，實(shí)心軸 Wt=π d^3/16。 m^3 計(jì)算可得： d=，考慮到鍵對軸強(qiáng)度的削弱，取最小軸徑為 150mm，考慮到整