摘 要:试验机是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。近年来，试验机行业技术突飞猛进。试验机向着两个方向即超微外力检测与超大外力检测发展。高检测精度、高灵敏度、运动平稳、易于操纵是目前试验机的主要发展方向。

本文首先概述了试验机的基本定义、分类与国内外一些重要生产商的成果。第二部分论述了所想到的四种方案并对这些方案优缺点作了分析和对比。前三种方案均为利用滚珠丝杠，最后一种则利用液压。在彼此比较后决定选第一种方案。第三部分则是说明了试验机的主要机械传动部分的设计以及对它们的校核过程。试验机的传动部分主要由蜗轮蜗杆、锥齿轮、滚珠丝杠三部分组成。经过校核后所有设计均符合要求。用ProE软件完成试验机的三维总装图，然后得到了整个试验机的二维装配图和蜗轮蜗杆、锥齿轮、轴等二维零件图。在文章的最后简明的介绍了做本次毕业设计的一些心得体会。

 

关键词: 试验机；蜗轮蜗杆；锥齿轮；滚珠丝杆；ProE

ABSTRACT:Test machine in various conditions and environment in metal materials, non-metallic materials, machinery accessory, engineering structures such as mechanical properties, technics performance, Internal defects and checking dynamic imbalance rotating parts of sophisticated testing equipment, such as materials tension, compression, bending, shear, reversing, impact, fatigue, creep, lasting and relaxation, wear, hardness tests. In recent years,the technic of the test machine industry advances rapidly. Test machine is the direction toward the development of the super-tiny force detection and the development of super-large external force testing. Detection of high-precision, high sensitivity, smooth motion, easily operated test machine is the main development direction presently.

This paper first summarizes the test machine's basic definition, classification, and some important domestic and foreign manufacturers results. The second part, discussing about the experiences of the four projects as well as advantages and disadvantages of these projects are analyzed and compared . The foregoing three programs are the use of ball screw, the last one is using the hydraulic pressure. In comparison with each other decide the first option. The third part is the experiment, the major part of the mechanical drive design and the process of checking them. The main drive system of the test machine includes the worm,taper gear, ball screw three components. After checking all the design had complied with the request. The three-dimensional assembly drawings of the test machine are finished by the soft called PROE.Then,export the planar drawings,such as worm gear&worm,taper gear,shaft and so on. In the end concisely introduce the meeting and what had learned in the graduate design experiences.

Keywords:Test Machine, Worm Gear & Worm，Taper Gear，Ball Screws ,Proe

 

材料试验机是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，试验机是一种不可缺少的重要测试仪器。广泛应用于机械、冶金、石油、化工、建材、建工、航空航天、造船、交通运输、等工业部门以及大专院校、科研院所的相关实验室。对有效使用材料、改进工艺、提高产品质量、降低成本、保证产品安全可靠等都具有重要作用。

材料试验机的种类很多，有多种不同的分类方法。按加荷方法分类: 静负荷试验机(静态)和动负荷试验机(动态)。其中静态试验机一个主要组成部分万能试验机又可分为液压万能试验机、电液伺服万能试验机和电子万能试验机。

 

电动机产生动力后输出到减速器，然后进入涡轮蜗杆传动系统，进一步减速并改变运动旋转方向后，通过链传动系统传递到丝杠。由链轮的转动带动丝杠转动。与此同时与丝杠配合的丝杠螺母则带动横梁上下运动，而下夹具则是固定在试验台上，至此完成试验。如图2-2所示：

 

 

电动机产生动力后输出到减速器，然后由直齿轮带动丝杠转动。丝杠转动同时两个丝杠螺母同步背向或相向运动，两个连杆同时远离或靠近。这就使下夹具所在试验台向上或向下运动。上面横梁可以固定，也可以在液压、丝杠等外力驱动下上下运动，至此完成试验。如图2-3所示：

 

图2-3方案三示意图

本方案与上述两种文件有所不同，本方案是由油泵驱动油缸里的活塞提供外部试验力。油泵输出油经进油管达到液压缸，然后经回油管路流回回油缸再次利用。此方案要求液压系统要有较精确的控制阀的配合才能实现试验目的。而目前液压控制阀与计算机控制联系越来越密切，国外在计算机控制领域取得了较大进展，可惜的是我国控制系统方面还较薄弱。如图2-4所示：           

 

图2-4方案四示意图

方案一：滚珠丝杠-螺母传动机构是在丝杠和螺母之间放入滚珠作为中间件，是丝杠与螺母的滑动摩擦传动变为滚动摩擦传动。滚珠丝杠-螺母传动机构具有下述优点：（1）传动精度高，运动平稳，无爬行现象 滚动丝杠传动基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关，这样就可以保证运动的平稳性，且不会出现爬行现象（其静摩擦系数与动摩擦系数相差极小）。（2）有可逆性 滚珠丝杠摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。（3）成本高 滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也较高，故制造成本高。（4）不能能自锁 特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，运动部件在运动停止后不能自锁，需加制动装置。

 

方案二：虽然链传动的制造与安装精度要求较低，成本也低。远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便得多。但是只能实现平行轴间链轮的同向传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生调齿；工作是有噪声、振动冲击。

方案三：（1）丝杠水平放置利于自锁。水平状态下不受自重惯性力，故运动停止较为容易。（2）采用涡轮驱动丝杠，由于涡轮尤其是单头涡轮传动效率低，传动精确度也较差。同时涡轮一般采用较为贵重的减摩材料（如青铜）制造，从而增加了制造成本。（3）工作台有两个连杆驱动所承受力较小。在较大试验力时，连杆安全性降低，必须增大连杆尺寸，这就使得试验机所需较大的外功率来驱动。

方案四：由于采用了液压驱动，故有以下特点：液压传动能够实现无级变速，工作平稳；同功率时液压装置体积小、质量轻；液体为工作介质易泄露，造成污染；油液可压缩故传动比不准确；传动过程中损失较大，效率较低；液压传动对油温和负载变化极为敏感，对外部环境要求较高；液压元件精度高，造价高；液压传动一旦出现故障时不易追查原因，不易迅速排除。

综合上述四种方案的优缺点以及目前市场上主流试验机形式，最后决定选择第一种方案为本设计所采取的最终方案。

   由设计要求及已知条件可知，假设试验机横梁设计速度为120mm/min，试验机所施加的外力为100KN。故

式中：F——试验机输出力，N；V——丝杠速度，m/s。                                   

电机功率在传递过程中必然有一定的损失。参阅机械工程手册可知，丝杠与丝杠螺母间传动效率为0.9，锥齿轮之间传动效率为0.94，涡轮蜗杆间传动效率为0.8，其他联结件传动效率为0.9。故

所以

上式中 P ——试验机有效功率；

        ——试验机总效率。

查阅电机手册结合实际情况选择合适型号为Y802-4，它的额定功率为0.75KW、满载转速为1390r/min。如图3-1所示。

图3-1所选电机三维示意图

已知横梁速度以此求得丝杠转速

式中： V——丝杠速度，m/s；

    P——丝杠螺距，mm。

电动机选定后，按照电动机的满载转速及试验机工作部分转速，可计算出传动装置的总传动比。

再按照常用传动机构性能及适用范围，初步选择各个出动部分传动比如下：。

由设计要求可以知，

蜗轮输入功率 

蜗轮输入转速 

传动比       

预期寿命      15000h

故蜗杆选用45钢，表面硬度〉45HRC。涡轮材料采用ZCuSn10P1,金属模铸造。

1按齿面接触疲劳强度进行设计

根据蜗轮材料为采用ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆齿面硬度〉45HRC，可从表11-7查得蜗轮的基本许用应力。

应力循环次数 

寿命系数   

则 

取中心距,因，故从表11-2中取模数 mm,蜗杆分度圆直径。这时，从图11-18中可查询接触系数，因为，因此以上计算结果可用。

2．蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

 (1)蜗杆

从表11-8中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。

寿命系数      

由于蜗杆滑动速度较低，产生热量较少，故可以不进行温度验算。试验机利用频率较低，故可以不润滑，或者偶尔喷油润滑即可。

按照上述设计与校核做出蜗轮蜗杆三维图如图3-2、3-3、所示。

图3-2蜗杆三维示意图

图3-3 蜗轮三维示意图

 

由设计要求可以知，

锥齿轮输入功率 

锥齿轮输入转速 

传动比       

预期寿命      15000h

说明锥齿轮的传动设计的这部分全参照《实用机械设计》，下面涉及的就不再说明了。

 

径向力                      (3-29)

    垂直面反力                (3-31)          2.计算弯矩

合成弯矩最大值 

轴受转矩       

 

 

螺母小径