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伸臂式焊接变位机设计--工作台回转机构设计


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摘要
焊接变位机运动系统的设计是焊接变位机方案设计的核心内容,而焊接变位机运动 自由度的确定是其前提条件。 焊接变位机的关键是对变位机进行最佳位置焊接所需要的 运动自由度的设计,如平动或转动的设计。伸臂式焊接变位机是将工件回转,翻转,以 便使工件上的焊缝置于水平和船形位置的机械装置。伸臂式焊接变位机是应用最广泛的 一种焊接变位机,载重量一般不超过 1 吨。其主体部分是翻转机构、回转机构、底座。 此次论文论述了焊接变位机械的组成,工作原理,重点讲述了其中的回转机构的设计, 回转机构通过带传动, 二级蜗杆蜗轮减速器的传动, 从而使工作台得到预期的回转速度。 回转机构中测速发电机的使用,将其工作台的瞬间速度反馈到电动机,从而调整电动机 的转速,进而使工作台的回转速度稳定在某个范围内,保证了焊缝质量。 关键词:焊接变位机械;测速发电机;回转机构;减速器

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Abstract
The design of the moving system of the welding positioner is the core content of the scheme design ,but the system depends on the moving freedom`s certainty.The key part of the design of the welding positioner is the design of the moving freedom, according to the best welding position. The main parts of the welding positioner include overturning machinery, circumgyrating machinery,and the base.The

arm-extending welding posioner is used most widely ,the load is less than one ton.The arm-extending welding positioner is the machine which makes the workpiece circumgyrate and overturn to make the welding line on the workpiece park the level direction and cymbate position. The welding positioner`s makeup and operating principle make up of the paper ,which disserates the design of the turning gear of the machine .The belt driving and two stage worm – worm wheel retarder make the turning gear realize the man`s anticipating speed.The use of the techogenerator which will feed back the instant speed to the generator and then the controller will adjust the speed makes sure of the high welding line quality.

Key words: welding positioner; techogenerator; turning gear; retarder

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目录
摘要 ................................................................................................................. I Abstract ....................................................................................................... II 目录 ...............................................................................................................Ⅲ 前言 .................................................................................................................1 第1章 绪论 .................................................................................................2

1.1 伸臂式焊接变位机械概述 ..................................................... 错误!未定义书签。 1.2 课题研究的意义及现状 .......................................................................................... 5 1.3 论文主要研究内容 .................................................................................................. 5

第2章

回转机构中非标准件的设计计算及校核 ....................................7

2.1 回转主轴的设计计算和校核……………………………………………...………7 2.2 减速器的设计计算……………………………...…………………………………9 2.3 带传动的设计计算…………………………………...…………………………..26

第3章

回转机构中标准件的选择及校核 ..............................................29

3.1 轴承的选择及校核 ................................................................................................ 29 3.2 键的选择及校核 .................................................................................................... 34 3.3 电动机·螺纹紧固件·密封圈的选择及校核 .................................................... 36

第4章

焊接变位机械其它机构的简单设计概述 ..................................37

4.1 伸臂梁的设计计算 ................................................................................................ 37 4.2 倾斜机构中减速器的设计计算 ............................................................................ 37 4.3 底座和箱体的设计 ................................................................................................ 37

结论 ...............................................................................................................39 参考文献 .......................................................................................................40 致谢 ...............................................................................................................41 附件 1 ............................................................................................................42
III

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附件 2 ............................................................................................................53

IV

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前言
随着现代工业的发展和焊接技术的不断进步,焊接作为一种金属连接的工艺方法。 在金属结构生产中已基本取代了铆接连接工艺。许多传统的铸锻制品也有焊接制品或铸 -焊,锻-焊制品所代替。 焊接结构广泛用于是由于化工工业重型与矿山机械,起重与运输设备,汽车与船舶 制造,航空航天技术,建筑结构与国防工业等领域中。许多产品,例如大型的超高压容 器,除采用焊接工艺外,难以设想有更好的方法。在先进的工业国中,焊接产品的用钢 量已达到总用钢量的 43%以上,为了制造如此庞大的焊接结构产品,需建立大量专门制 造焊接结构的工厂,而其中焊接变位机则是满足其焊接工艺的重要基础。 本次论文主要介绍 0.5t 伸臂式旋转焊接变位机的总体设计及其装配, 其中包括回转 机构,倾斜机构,箱体,底座的设计及其计算,重点介绍其中的回转机构的设计,回转 机构主要包括工作台,回转主轴,二级蜗轮蜗杆减速器,带传动部分,电动机等。经过 设计计算及其校核各个主轴,所选零件的强度和寿命达到要求的标准。

编者 2009 年 6 月

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第1章
1.1 伸臂式焊接变位机械概述

绪论

随着现代工业的发展和焊接技术的不断进步,焊接作为一种金属连接的工艺方 法。在金属结构生产中已基本取代了铆接连接工艺。许多传统的铸锻制品也有焊接 制品或铸-焊,锻-焊制品所代替。 焊接结构广泛用于是由于化工工业重型与矿山机械,起重与运输设备,汽车与 船舶制造,航空航天技术,建筑结构与国防工业等领域中。许多产品,例如大型的 超高压容器,除采用焊接工艺外,难以设想有更好的方法。在先进的工业国中,焊 接产品的用钢量已达到总用钢量的 43%以上,为了制造如此庞大的焊接结构产品, 需建立大量专门制造焊接结构的工厂,而其中焊接变位机则是满足其焊接工艺的重 要基础。近几年来对焊接产品的质量要求也越来越高,传统的手工定位已不能够满 足其精度要求, 焊接变位机械便应运产生使用, 近几年并随着控制理论的成熟发展, 将其运用到其机械当中,发挥了越来越大的作用。伸臂式焊接变位机械主要用于手 工焊和筒形工件的自动焊,为了防止侧向倾覆以及不使整机机构尺寸过大,其载重 量一般设计在 1000 千克,最大不超过 3000 千克。 1.1.1 焊接变位机械的组成分类及使用特点 焊接变位机械是焊接工艺设备的一部分,焊接工艺设备的分类见图 2-1。概括 地说焊接变位机械由回转机构,倾斜机构及其底座三大部分组成:回转机构由工 作台,回转主轴,二级蜗轮蜗杆减速器,带轮,电动机,箱体等组成;倾斜机构 由伸臂梁,二级蜗轮蜗杆减速器,带轮,电动机,箱体等组成。 通常焊接变位机械可分为变位机、翻转机、滚轮架、升降机等四大类: 一、变位机 变位机是通过工作台的旋转和翻转运动,使工件所有焊缝处于最理想的位置 进行焊接,使焊缝质量的提高有了可靠的保证,它是焊接各种轴类、盘类、筒体 等回转体零件 的理想设备,同时也可用来焊接机架、机座、机壳等非长形工件。

选用变位机时应注意以下几点: (1) 应根据工件的质量、固定在工作台上的工件重心至台面的重心高度、重心
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偏心距来选用适当吨位的变位机。 (2) 要在变位机上焊接圆形焊缝时,应根据工件直径与焊接速度计算出工作台的

回转速度; 如变位机仅用于工件的变位, 工作台的回转速度及倾翻速度应根据工件 的几何尺寸及重量选择,对大型、重型工件速度应慢些。工作台的倾翻速度一般是 不能调节的,如在倾翻时要进行焊接工作,应对变位机提出特殊要求。 (3) 工作台应有联接焊接地线的位置,且不受工作台回转的影响。不允许将焊接

地线接在变位机机架上,从而使焊接电流通过轴承的转动零件。 (4) 批量生产定型工件时,可选用具有程序控制性能的变位机。 (5) 变位机只能使工件回转、翻动,要使焊接过程自动化、机械化,还应考虑用

相应的焊接操作机械。 二、翻转机 它是将工件绕水平轴翻转,使之处于有利施焊位置的机械,适用于梁、柱、框 架、椭圆容器等长形工件的装配焊接。焊接翻转机种类繁多,常见的有头架式、头 尾架式、框架式、转环式、链条式及油压千斤顶式。 (1) 头尾架式翻转机 这种翻转机由主动的头架及从动的尾架组成,它们之间的

距离可根据所支撑的工件长度调节。当工作较重时应考虑将头尾架固定在基础上, 防止倾倒。 头尾架式翻转机的缺点是工件由两端支承, 翻转时头架端要施加扭转力, 因而不适用于刚性小,易挠曲的工件;另外,当设备安装不当,头尾架的两根枢轴 不在同一轴线上时, 工件会受到过大的扭转力矩使翻转困难, 甚至造成工件扭坏或 枢轴因发生超负荷而扭断。 对于短工件可以不考虑两端支撑, 可仅将工件固定在头 架上进行反转,而不用尾架。 (2) 框架式翻转机 用一根横梁连接在头尾架的枢轴上或工作台上,可构成框架式 翻转机。工作时工件固定在横梁上有横梁带动工件一起翻转。为减小驱动力矩,应 使横梁—工件合成的纵向重心线尽可能与枢轴的轴线相重合。 (3) 转环式翻转机 这类翻转机使用于长度和重量均较大,截面又多变化的工件翻 转。 (4) 液压千斤顶式翻转机 液压千斤顶式翻转机结构简单,载重量大,通常用于将 工件作 ? 45 ? ~ 90 ? 的翻转。 三、滚轮架

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定位器及定位装置 装配用工艺装备 压夹器及装配装置 推拉装置 装配台架 焊接变位机 焊件操作机械 焊接滚轮架 焊接翻转机 横臂式焊接机

焊 接 生 产 工 艺 装 备

单轨式焊接机 焊接机械 焊接用工艺装备 悬架式焊接机 门架式焊接机 爬行式焊接机 焊工操作机械 焊接辅助装置 电渣焊焊接机 焊接机器人 焊丝处理装置 焊剂回收装置 焊剂垫

装配—焊接组 合工艺装备 装配—焊接组 合辅助装备 检查用工艺装备
图 2-1

焊接生产工艺装备的分类

它是借助焊件与主动滚轮间的摩擦力带动圆筒形焊件旋转的机械装置。主要 用于回转体工件的装配与焊接,其载重可从几十千克到千吨以上。按其结构形式 可分为三大类: 1、自调式滚轮架 2、长轴式焊接滚轮架。 3、组合式焊接滚轮架。 四、升降机 它是用来将工人及装备升降到所需的高度的装置,主要用于高大焊件的手工 焊和半自动焊及装配作业。其主要结构形式有: 1、管结构肘臂式。 2、管筒肘臂式。
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3、板结构肘臂式。 4、立柱式。 1.1.2 伸臂式焊接变位机械的工作原理 焊接变位机械主要为焊接工艺提供合适的工作焊点,其具体的实现过程是:回转机 构由电动机拖动,电动机输出一定的转速,经过带轮一次减速后,然后经过二级蜗轮蜗 杆减速器两次减速,最后由回转主轴,经过工作台输出焊件所需要的焊接速度,以期达 到所需要的焊缝要求; 倾斜机构主要实现工件在空间上的倾斜,本次论文所要研究的是倾斜机构空间四十 五度范围内的倾斜,其具体的实现过程:整个倾斜机构由电动机拖动,电动机输出一定 的转速,经过带轮一次减速后,然后经过二级蜗轮蜗杆减速器两次减速,最后其输出轴 与锥角四十五度的伸臂梁相连接,伸臂梁与回转机构相连从而实现工作台在空间上的四 十五度倾斜。底座在整个机械工作过程中起到抗振,平衡的作用。

1.2 课题研究意义及现状
当前焊接变位机械的研究在国内已经比较成熟,有普通的焊接变位机械,如伸臂式 焊接变位机械,座式焊接变位机械等等。 伸臂式焊接变位机械与座式焊接变位机械的区别 是:伸臂旋转时在空间的轨迹为一锥面。因此在改变工件倾斜位置的同时,将伴随有工 件的升高和下降。其中,有些焊接变位机械将液压系统应用到回转机构和倾斜机构中, 实现了比较好的工作效果。 本次论文处于对大学四年所学的知识进行的一次综合性的梳 理及应用,对学生的综合能力进行的一次较为实质性的锻炼。

1.3 论文主要研究内容
本次论文从整体上对焊接变位机械进行设计,它包括焊接机械当中的倾斜机构,回 转机构,以及底座的总体设计,同时对机械当中的回转机构进行了详细的设计描述:从 工作台的设计到回转主轴,二级蜗轮蜗杆减速器,带轮及其传动带的设计计算,电动机 的选择,箱体的设计等。该次论文中回转机构采用了测速发电机(测速发电机是输出 电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计,其输出

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电动势 E 和转速 n 成线性关系,即 E=Kn,K 是常数。改变旋转方向时输出电动势的 极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时,只要检测出输出电动 势, 就能获得被测机构的转速,故又称速度传感器)和导电装置,其目的是利用控制理 论即将工作台的即时速度反馈给电动机,从而实现工作台的精确回转,保证焊接质量, 获得优良的焊缝成型,导电装置可防止焊接电流通过轴承,齿轮等传动零件时起弧,产 生 “咬伤”零件的现象

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第2章

回转机构中非标准件的设计计算和校核

2.1.回转主轴的设计计算及校核
工作台及其工件总质量 m ? 700 k g ,回转主轴的危险断面位于轴承处,所受的弯曲 力矩为:

β

α

图 2-1 回转主轴受力分析示意图
2 2 2 2 M w ? G h sin ? ? e cos ? ? 2h sin ? cos? sin ?

(2-1)

其中: G —综和质量,

e —偏心距,这里取 e ? 160 mm
h —台面高度,这里取 h ? 370 mm 。
这里 e , h 的取值参见下表 2-1。

? —回转轴倾斜角。
? —回转轴转角。
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表 2-1 型号 HB25 HB25 HB100 HB250 HB500 HB1000 HB2000 HB3150 HB4000 HB5000 HB8000 HB10000 HB16000 HB20000 HB31500 HB40000 HB50000 HB80000 最大负荷 Q(kg) 25 25 100 250 500 1000 2000 3150 4000 5000 8000 10000 16000 20000 31500 40000 50000 80000 偏心距 e (mm)

焊接变位机械的型号及参数 台面高度 h (mm) 回 转 速 度 n1(r/min) 0.50~16.00 0.25~8.00 0.10~3.15 0.05~1.60 0.05~1.60 0.05~1.60 0.03~1.00 0.03~1.00 0.03~1.00 0.025~0.80 0.025~0.80 0.025~0.80 0.016~0.50 0.016~0.50 0.016~0.50 0.010~0.315 0.010~0.315 0.010~0.315 焊接额定 电 流 A (mA) 315 500 500 630 1000 1000 1250 1250 1250 1250 1600 1600 1600 2000 2000 2000 2000 2000 倾斜角度 α(°)

重 心 距 B(mm)

? 40 ? 50 ? 63 ? 160 ? 160 ? 250 ? 250 ? 250 ? 250 ? 250 ? 200 ? 200 ? 200 ? 200 ? 200 ? 160 ? 160 ? 160

? 63 ? 80 ? 100 ? 400 ? 400 ? 400 ? 400 ? 400 ? 400 ? 400 ? 400 ? 400 ? 500 ? 630 ? 800 ? 800 ? 1000 ? 1000

? 1000 ? 1000 ? 1250 ? 1250 ? 1600 ? 1600 ? 1600 ? 1600 ? 2000 ? 2000 ? 2500 ? 2500 ? 3150 ? 3150 ? 3150

? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 135 ? 120 ? 120 ? 120 ? 105 ? 105 ? 105

其轴承处的扭矩:

M n ? G ? e ? sin ? ? cos ? ,
按第三强度理论折算的当量弯矩为:

(2-2)

M xd ? M 2 w ? M 2 n
? G ? e 2 cos2 ? ? ?h sin ? ? e cos? sin ? ?2

(2-3)

该式在满足 ctg? ? 其值为:

e sin ? 条件时才出现最大值。 h
2 2 M xd max ? G h ? e ,

(2-4)

e ? 0.33 ,该数据由文献[10]表 7-11 查得。 h e 从而得出 ? min ? ctg ?1 ? 71.74 ? h

对于指定的变位机:

? max ? ctg ?1 ? ? h ? ? ? min ? 2? ? 161 .74 ? ? ?
因此回转主轴的强度可选在 ? min ~? max 的范围内任意位置进行计算。
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? e?

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其值:

d m i n? 3

10G h 2 ? e 2

?? ?

(2-5)

式中: ?? ? —基本许用应力,且 ?? ? ? ? ? ? ?1 k ? n , 其中:比例因子 ? ? 0.5 , 应力集中系数 k ? 1.6 , 安全系数 n ? 1.7 , 对称疲劳极限 ?? ?1 ?根据材料确定,取回转主轴材料为 45 钢,正火处理。所对应 的 ?? ?1 ? ? 255 M pa
? ?? ? ? 0.5 ? 255 ? 46.88 M pa 1.6 ? 1.7

代入上式可得: d min ? 3 在这里取 d ? 94mm 。

10 ? 700 ? 0.53 2 ? 0.2 2 ? 93 .8mm 46 .88

2.2.减速器的设计计算

此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。 如需要完整说明书和设计图纸等. 请联系 扣扣:九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下 载!该论文已经通过答辩

2.校核蜗轮的齿面接触疲劳强度 蜗轮蜗杆材料选用: 蜗轮选用铸造锡青铜:ZCuSn10P1; 蜗杆选用: 蜗轮蜗杆中心矩:
a ? m ? 2 ? ?z 2 ? q ?

20Cr.

(2-11)

?a ? 1 ? 2 ? 8?39 ? 8? ? 190 mm
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接触疲劳强度:

? H ? Z E ? Z ? ? K ? T 2 / a3 ? ?? H ?

(2-12)

Z E —材料的弹性影响系数。单位是

MPa

对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时取 Z E =160 MPa 。

Z ? —两材料的接触系数,
由文献[11]表 11-18 查得: Z ? =2.9

K —工作载荷系数, K ? K A ? K ? ? KV
(2-13)

K A —机械使用系数,
由文献[11]表 10-2 得: K A ? 1

K ? —齿面载荷分布系数
由文献[11]表 10-4 得:

K? ?1

K V —动载系数,
由文献[11]表 10-8 得: K V ? 1 由于蜗轮圆周速度:

V 2 ? D / 2? n2 ? ? / 30
? 0.156 ? 3.14 / 30 ? 0.017 m s

(2-14)

T 2 —蜗轮的公称转矩:

T 2 ? M n max
? G? e ? 9.8 ? 700 ? 0.16 ?1097 N ? m

?? H ?—铸造锡青铜蜗轮的基本许用应力。
由文献[11]表 11-7 查得:

?? H ?

? ? 268 M Pa ,

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?? H ? ? K FN ? ?? H ?'
? 1.29 ? 268 ? 345 .7 M pa

(2-15)

其中: K FN —蜗轮蜗杆工作寿命系数,

K FN

?9

10 6 N

(2-16)

N —应力循环系数:
N ? 60 ? n2 ? j? Lh
? 60 ?1?1? 21900 ? 1314000

(2-17)

j —蜗轮每转一次,每个轮齿的啮合次数.
这里取 j ? 1

n2 —蜗轮转速, n2 ? 1r / min ;
LH —工作寿命,

Lh ? 365 ? 6 ? 10 ? 21900 h
N ? 60 ?1?1? 21900 ? 1314000
? K FN ? 1.29 ?? H ? 160 ? 2.9 ? 185 .8 M pa
? ? H ? ?? H ? ? 345 .7 M pa

故蜗轮的齿面接触疲劳强度满足使用条件。 3.校核蜗轮的齿根弯曲疲劳强度 根据文献[11]公式:

? F ? 1.53 ? K ? T 2 ? d 2 ? m ? Y Fa 2 ? Y ?
其中要求: ? F ? ?? F ? 其中:

?

?

(2-18)

Y Fa 2 —蜗轮齿形系数,

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可由蜗轮的当量齿数:

ZV 2 ?
及蜗轮变位系数 X2 决定:

Z2
cos r 3

(2-19)

X 2 ? a m ? ?d1 ? d 2? / 2 ? m
? 190 8 ? ?64 ? 312 ? 2 ? 8 ? 23.75 ? 23.5 ? 0.25mm

(2-20)

可由文献[11]图 11-19 查得:

Y Fa 2 ? 2.24
Y ? —螺旋角影响系数,

Y ? ? 1 ? r 140
? 1? 7.1 140 ? 0.95

( 2-21 )

?? F ? 1.53 ? ?1.097 ? 1000000 64 ? 312 ? 8? ? 2.24 ? 0.95
? 22.4 M Pa

? F ? K FN ? ?? F ?'
? 1.29 ? 56 ? 72.2 M Pa
其中 ?? F ?' 可由文献[11]表 11-8 查得 ?? F ?'? 56 M Pa 其中: K FN —蜗轮蜗杆工作寿命系数,

(2-22)

K FN

?9

10 6 N

(2-23)

N 为应力循环系数:
N ? 60 ? n2 ? j? Lh
? 60 ?1?1? 21900 ? 1314000

(2-24)

j —蜗轮每转一次,每个轮齿的啮合次数.这里取 j ? 1

n2 —蜗轮转速, n2 ? 1r / min ;

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Lh —工作寿命,

Lh ? 365 ? 6 ? 10 ? 21900 h
N ? 60 ?1?1? 21900 ? 1314000
? K FN ? 1.29
?? F ? K FN ? ?? F ?'

(2-25)

? 1.29 ? 56 ? 72.2 M Pa

? F ? ?? F ?
∴蜗轮的齿根弯曲疲劳强度满足使用条件。 4.蜗杆的刚度校核计算 蜗杆受力后如产生过度变形,就会造成轮齿上的载荷集中,影响蜗轮与蜗杆 的正确啮合。所以需进行蜗杆的刚度校核,其校核刚度条件为:
2 2 F t1 ? F r1 3 ? ? y ? y? L'

48 EI

(2-26)

其中 ? y ? —蜗杆材料许用的最大挠度。

?y ? ? d 1 / 1000

? 64 / 1000 ? 0.064

其中: d 1 —蜗杆分度圆直径。

E —蜗杆材料的弹性模量。
E ? 2.07 ? 10 5 M Pa

I —蜗杆危险截面的惯性矩。
I ? ? ? d f 1 / 64
4

(2-27)

其中 d f 1 为蜗杆的齿根圆直径。

d f 1 ? d 1 ? 2 ? ?ha ? c ?? m
? 64 ? 18 ? 46mm ,

(2-28)

?I ? 219675 .2mm 4
L' —蜗杆两端支撑点间的跨距。

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L'? 0.9 d 2

(2-29)

? 0.9 ? 312 ? 281mm

F T1 —蜗杆所受的圆周力。 F T1 ? 2 ? T 1 / d1
? 2 ? 46112 / 64 ? 1441 N

(2-30)

F r1 —蜗杆所受的径向力。
F r1 ? F t 2 ? tan? ?
?
2T 2

d2

? tan 20 0

(2-31)

2 ? 1.097 ? 10 6 ? tan 20 0 ? 2566 .5 N 312

其中 F T1 , F r1 见其图 2-2 其中 ? 为蜗轮齿形角。

? ? 20 0

.

图 2-2 蜗轮蜗杆啮合受力示意图

∵ T 2 ? T 1 ? i ??

(2-32)

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其中: T 1 —蜗杆的公称转矩;

T 2 —蜗轮的公称转矩。
∴ T 1 ? T 2 / i ??
? 1.097 ? 10 6 39 ? 0.61 ? 46112 N * mm

其中: ? —二级蜗轮蜗杆的传动效率;

? ? 0.95 ?

tan ? tan?? ? ? v ?

(2-33)

? —传动导程角, ? ? 7.1?
? v —当量摩擦角;
可根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度 V s 由文献[11]表 11-18 查得.

V1 V s ? cos?

? ? ? d 1 ? n1 60 ? 1000 ? cos? ? 0.132 m s

由文献[11]表 11-18 查得当量摩擦角 ? v ? 4.5? .
tan 7.1? ? ? 0.95 ? tan 7.1? ? 4.5?

?

?

? 0.95 ?

0.135 ? 0.61 0.21

∴y?

1441 2 ? 2566 2 48 ? 2.07 ? 10 ? 219675 .2
5

? 2813 ? 0.0299

? y ? 0.0299 ? 0.064 ? ? y ?

∴蜗杆的刚度满足使用条件。

5.二级蜗杆轴的强度校核
鉴于二级蜗杆多处承受疲劳载荷,应对其疲劳强度进行校核,其轴径为 64mm 校 核如下,蜗杆轴力学模型简化如图 2-1 所示,

15

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图 2-3

二级蜗杆结构示意图

16

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17

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C 点处受力分析如下: F t 2 ?

2T 2 ? 2 ? 46 d 2 145 ?10?3
? 634 N

(2-34)

F a2 ?

2T1

d1

? 1 3 0 ,向其轴心处简化其弯矩为: M ? 2.6 N * m N

F r 2 ? F t 2 ? tan? ? 634 ? tan 20?
? 231 N

D 点处受力分析如下:有前面相关数据可得:

F t1 ? 1441 N
F a1 ? 2T 2 ? 7032 N d2
(2-35)

F r1 ? F t 2 ? tan? ? 634 ? tan 20? ? 2566 .5N
整个蜗杆轴所受的扭矩为: T ? 46 N * m 。 分别计算轴承处的水平力及竖直平面的受力: 水平面:

F 1 ? F 2 ? F t1 ? F r 2
?M B ? 0

(2-36) (2-37)

代入数据求得: F1 ? 4690 N 竖直平面:

F 2 ? 1490 N .

F1 ? F 2 ? F r1 ? F t 2
?M B ? 0

(2-38) (2-39)

………………………………..
N F2 ? 8 5 1 .

代入数据求得: F 1 ? 820 N

由弯扭矩图可得危险截面出现在 D 处,则总的力矩为:

M?

MH

2

? MV ? 7 6 3 *m N

2

∴根据轴的弯扭合成强度条件为:

18

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2 2 M ? ?? ? T ? ? ?? ? ? ca ? ca

?

(2-40)

其中: ? —折合系数,取 ? ? 0.6

? —轴的抗弯截面系数, ? ? 0.1d 3 ? 25723

M —总的弯矩;
计算得: ? ca ? 29.6 M Pa ,

?? ca ? ? 60 M pa 。

? ? ca ? ?? ca ? ,故蜗杆轴满足其疲劳强度条件。
6.选取蜗杆传动的润滑方法 根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度:V S ? 0.132 m s 载荷类型为重型载荷,故可采用油 池润滑。 7.二级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置

t 0 ? t a ? 1000 ? p ? (1 ? ? ) / ? d ? s
其中:

(2-41)

t a —周围空气的温度,常温情况下可取 20℃。
? —蜗杆蜗轮的传动效率,? ? 0.61

? d —箱体的文献[11]面传热系数,可取

? d =(8.15~17.45)

w

2 ? m? c

当周围空气流动良好时 ? d 可取偏大值。这里取 ? d ? 15 ? .

p ——输入功率。
p ? T2 ? ?
p ? 1.097 ? 1000 ? ? / 30 ? 0.11kw

(2-42)

? t o ? 20 ? 1000 ? 0.39 ? 0.11 / 15 ? 0.075

? 20 ? 38

? 58 ? 80 ,其中 80℃为其临界温度。
故在通风良好的情况下,不需要加散热装置。

19

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2.2.2 一级蜗轮蜗杆参数的计算
1.蜗轮蜗杆的尺寸确定 选取实际蜗杆头数: z1 ? 1 蜗轮齿数: z 2 ? i ? z1 考虑到电机的输出转速及带轮的传动比,这里取 i ? 29 ∴ z 2 ? 29 ? 1 圆整蜗轮齿数: z 2 ? 29 (2-43)

根据蜗轮蜗杆工作情况,选取蜗杆特性系数:
q ? d1 m ? 8

(2-44)

?蜗杆模数 m1 和蜗轮模数 m2 相等,
? 取 m1 ? m2 ? 5

则蜗杆分度圆直径:

d 1 ? m1 ? q

(2-45)

? d 1 ? 8 ? 5 ? 40mm

d a1 ? d 1 ? ha1
? d a1 ? 40 ? 16 ? 56mm

(2-46)

蜗轮的分度圆直径:

d 2 ? m2 ? z2
? d 2 ? 5 ? 29 ? 145mm 。

(2-47)

2. 校核蜗轮的齿面接触疲劳强度 首先蜗轮蜗杆材料选用: 蜗轮选用铸造锡青铜:ZCuSn10P1,蜗杆选用: 20Cr. 蜗轮蜗杆中心矩:
a ? m ? 2 ? ?z 2 ? q ?

(2-48)

?a ? 1 ? 2 ? 5?29 ? 8? ? 92.5mm

圆整其中心距: aw ? 100 mm 根据公式:? H ? Z E ? Z ? ?

K ?T 2 / a

3

? ?? H ?

(2-49)

20

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Z E —材料的弹性影响系数。单位是

MPa

对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时取 Z E =160 MPa 。

Z ? —两材料的接触系数,由文献[11]表 11-18 查得: Z ? =2.9
K —工作载荷系数, K ? K A ? K ? ? K V
(2-50)

K A —机械使用系数,由文献[11]表 10-2 得: K A ? 1
K ? —齿面载荷分布系数,由文献[11]表 10-4 得: K ? ? 1

K V —动载系数,由文献[11]表 10-8 得: K V ? 1
由于蜗轮圆周速度:

V 2 ? D / 2? n2 ? ? / 30
? 0.0725 ? 39 ? 3.14 / 30 ? 0.3 m s

(2-51)

T 2 ——蜗轮的公称转矩:
T 2 ? T 1 ? ? 轴承
? 46.112 ? 0.99 ? 46 N ? m

(2-52)

这里轴承的效率取为:? 轴承 ? 0.99

?? H ?—铸造锡青铜蜗轮的基本许用应力,由文献[11]表 11-7 查得: ?? H ?
? ? 268 M Pa , (2-53)

?? H ? ? K FN ? [? H ]'
? 1.29 ? 268 ? 345 .7 M pa

其中: K FN —蜗轮蜗杆工作寿命系数,

K FN ? 9 N

10 6

(2-54)

N 为应力循环系数:
N ? 60 ? n2 ? j? Lh
(2-55)

21

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? 60 ?1?1? 21900 ? 1314000

j —蜗轮每转一次,每个轮齿的啮合次数,这里取 j ? 1 .

n2 —蜗轮转速, n2 ? 1r / min ; Lh —工作寿命,

Lh ? 365 ? 6 ? 10 ? 21900 h
N ? 60 ?1?1? 21900 ? 1314000
? K FN ? 1.29

?H

? 160 ? 2.7 ?

46 ? 10 3 100 3

? 92 .65 M pa

? ? H ? ?? H ? ? 345 .7 M pa

故蜗轮的齿面接触疲劳强度满足使用条件。 3.校核蜗轮的齿根弯曲疲劳强度 根据公式:

? F ? 1.53 ? K ? T 2 ? d 2 ? m ? Y Fa 2 ? Y ?
其中要求:? F ? ?? F ? 其中: Y Fa 2 —蜗轮齿形系数,由蜗轮的当量齿数:

?

?

(2-56) (2-57)

ZV 2 ?
及蜗轮变位系数 X2 决定:

Z2
cos r 3

(2-58)

X 2 ? a m ? ?d1 ? d 2? / 2 ? m
? 100 5 ? ?40 ? 145 ? / 2 ? 5 ? 20 ? 18.5 ? 1.5mm

(2-59)

可由文献[11]图 11-19 查得: Y Fa 2 ? 1.95

Y ? —螺旋角影响系数,

Y ? ? 1 ? r 140 ? 1? 7.1 140 ? 0.95
?? F ? 1.53 ? ?1.097 ? 1000000 40 ? 145 ? 5? ? 1.95 ? 0.95
22

(2-60)

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? 2.8 M Pa

? F ? K FN ? ?? F ?' ? 1.29 ? 56 ? 72.2 M Pa
其中 ?? F ?' 可由文献[11]表 11-8 查得:

(2-61)

?? F ?'? 56 M Pa

其中: K FN —蜗轮蜗杆工作寿命系数,

K FN

10 6 ? N
9

(2-62)

N —应力循环系数:

N ? 60 ? n2 ? j? Lh ? 60 ?1?1? 21900
? 1314000

(2-63)

j —蜗轮每转一次,每个轮齿的啮合次数,这里取 j ? 1

n2 —蜗轮转速, n2 ? 1r / min ; Lh —工作寿命, Lh ? 365 ? 6 ? 10 ? 21900 h
N ? 60 ?1?1? 21900 ? 1314000
? K FN ? 1.29
?? F ? K FN ? ?? F ?' ? 1.29 ? 56 ? 72.2 M Pa

? F ? ?? F ?
∴蜗轮的齿根弯曲疲劳强度满足使用条件。 4. 蜗杆的刚度校核计算 蜗杆产生过度变形,就会造成轮齿上的载荷集中,影响蜗轮与蜗杆的正确啮合。 所以需进行蜗杆的刚度校核,
2 2 F t1 ? F r1 3 ? ? y ? 其校核刚度条件为:y ? L'

48 EI

(2-64)

其中 ? y ? —蜗杆材料许用的最大挠度。

?y ? ? d 1 / 1000

? 40 / 1000 ? 0.04

其中: d 1 —蜗杆分度圆直径。

23

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E —蜗杆材料的弹性模量 , E ? 2.07 M Pa
I —蜗杆危险截面的惯性矩。
I ? ? ? d f 1 / 64
4

(2-65)

其中 d f 1 为蜗杆的齿根圆直径。

d f 1 ? d 1 ? 2 ? ?ha ? c ?? m
? 40 ? 19.2 ? 20.8mm
?I ?

(2-66)

? d f1
64

4

? 2196752mm4 .

L' —蜗杆两端支撑点间的跨距。
L'? 0.9 d 2 ? 0.9 ?145 ? 130 .5mm

F t1 —蜗杆所受的圆周力。 F t1 ? 2 ? T 1 / d1 ? 2 ? 2600 / 64 ? 130 N F r1 —蜗杆所受的径向力。 F r1 ? F t 2 ? tan? ? 471.8N
其中 ? 为蜗轮齿形角, ? ? 20 0 . ∵ T 2 ? T 1 ? i ?? 其中: (2-69) (2-68) (2-67)

T 1 —蜗杆的公称转矩; T 2 —蜗轮的公称转矩。
∴ T 1 ? T 2 / i ? ? ? 46 29? 0.61 ? 1930N ? mm

其中: ? —二级蜗轮蜗杆的传动效率;

? ? 0.95 ?

tan ? tan?? ? ? v ?

(2-70)

? —传动导程角, ? ? 7.1?
? v —当量摩擦角。

24

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可根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度 V s 由文献[11]表 11-18 查得。

V1 V s ? cos?
? ? ? d 1 ? n1 60 ? 1000 ? cos? ? 2.4 m s

(2-71)

由文献[11]表 11-18 查得当量摩擦角 ? v ? 1? 40 ' .

? ? 0.95 ?

tan 7.1? 0.135 ? 0.95 ? ? 0.8 ? ? tan 7.1 ? 1.7 0.155

?

?

∴ y?

130 2 ? 471 2 48 ? 2.07 ? 10 ? 14693 .4
5

? 130 .5? ? 0.0074

? y ? 0.0074 ? 0.04 ? ? y ?

∴蜗杆的刚度满足使用条件。 5.选取蜗杆传动的润滑方法 根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度 V S ? 2.4 m s 载荷类型为重型载荷,故可采用油 池润滑。 6.二级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置

t 0 ? t a ? 1000 ? p ? (1 ? ? ) / ? d ? s
其中: t a —周围空气的温度,常温情况下可取 20℃。

(2-72)

? —蜗杆蜗轮的传动效率,? ? 0.8
? d —箱体的表面传热系数,可取: ? d =(8.15~17.45) w m2 ?? c
当周围空气流动良好时 ? d 可取偏大值。这里取 ? d ? 15 ? .

p —输入功率。 p ? T 2 ? ?
p ? 2.6 ? 1131 ? ? / 30 ? 0.31kw

(2-73)

? t o ? 20 ? 1000 ? 0.2 ? 0.31 / 15 ? 0.10 ? 20 ? 41.3 ? 61.3

? 61.3 ? 80 , 其中 80℃为临界温度。
故在通风良好的情况下,不需要加散热装置。

25

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2.3 带传动的设计计算
1.确定带轮的计算功率

Pca ? K A ? P K A —工作情况系数:由文献[11]表 8-7 查得 K A =1.1
P —所需传递的额定功率即电动机的功率:? P ? 0.6kw
? Pca ? 1.1? 0.6 ? 0.66kw

(2-74)

2.选择带的带型 根据计算功率 Pca ? 0.66kw和带轮转速

n1 ? 1500 r min .

选取普通 V 带的类型.由文献[11]图 8-11 选择为 Z 型带. 3. 确定带轮的基准直径 d 1 并验算带速 ① 初选小带轮的基准直径

d d1

根据 V 带的带型,参考文献[11]表 8-6 和文献[11]表 8-8 确定小袋轮的基准直径 d d1 . 应使 d d1 ? d d min ② 验算带速 V 根据文献[11]公式 8-13 计算带的速度,带速不宜过高或过低,一般应使 V=5~25m/s , 最高不宜超过 30m/s. ③ 计算大带轮的基准直径 由 d d 2 ? i ? d d1 可得 d d 2 ? 1.3 ? 71 ? 92mm (2-76) 这里取 d d1 ? 71mm (2-75)

其中 i 为大小带轮之间的传动比: i ? 1500 1151 ? 1.3 ,由文献[11]公式 8-8 加以圆整,取带 轮直径 d d 2 ? 100 mm . 4. 确定中心距 a ,并选择带的基准长度 Ld . ① 结合式 8 ? 20 ,初定中心距 a0
0.7?d d1 ? d d 2 ? ? ao ? 2?d d1 ? d d 2 ?

(2-77)

119 mm ? ao ? 342 mm

26

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取 ao ? 200 mm ② 计算相应的带长

Ldo .

Ldo ? 2 ao ? ?
? 2 ? 200 ? ?

? ? ?2 ?d d1 ? d d 2 ? ? d d 2 d d 2 2?
4 ao

?92 ? 71?2 2 ? ?71 ? 100 ? ?
4 ? 200

? 669 mm

(2-78)

根据 Ldo 由文献[11]表 8-2 选取,可得 Ld ? 710 mm 。 ③ 计算中心距 a 及其变动范围 传动的实际中心距近似为:
a ? a0 ? ?Ld ? Ld 0 ? / 2

(2-79)

? 200 ? 20 ? 220 mm .

考虑到带轮的制造误差,带长误差, 带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需 要,常给出中心距的变动范围:

Am i n? a ? 0.0 1 5 d ? 200 ? 0.015 ? 710 ? 209.4mm L Amax ? a ? 0.03 Ld ? 200 ? 0.03 ? 710 ? 241.3mm
5. 验算小带轮上的包角 ? 1 .

(2-80) (2-81)

? 1 ? 180

0

? ?d d 2 ? d d 1? ? 57.30 a

(2-82)

? 180 0 ? ?100 ? 71?? 57.30 / 200 ? 171 .72 0 ? 90 0 .

故满足小带轮的包角条件。 6. 确定带的根数 Z. 带的根数 Z ? Pca / Pr ? K A ? P

?PO ? ? P0?? K L K ? ? 2

(2-83)

其中: K L —当包角不等于 180 度时的修正系数,参见文献[11]表 8-2。

K ? —当带长不等于试验所规定的特定带长时的修正系数参见文献[11]表 8-2。
7. 带轮选材 大带轮的材料为 HT 200 ,小带轮的材料为 Q235-A。

27

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基准直径 d d 2 ? 100 mm ,由于安装带轮的轴径为 31 mm 。 故带轮可采用腹板式 。

28

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第3章

回转机构中标准件的选择和校核

3.1 轴承的选择及校核(部分轴承)
3.1.1 对二级蜗杆轴轴承进行校核 由所选轴承的型号 7011C 可知,其基本额定动载荷为:27.1 KN ,基本额定静载荷为: 23.4 KN .将其简化为受力模型如下:

1.根据静力学公式可求得轴承处的水平及竖直方向的力:

F bh ? 820 N F eh ? 851N F bv ? 4690 N F ev ? 1490 N
∴B,E 处所受总的力大小为:

F b ? F bh
? 4 7 6N 1

2

? F bv

2

(3-1)

F e ? F eh ? F ev

2

2

(3-2)
29

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? 1716 N

2.求两轴承的计算轴向力: 由

Fd ? e? Fr
Co

(3-3)

其值由 F a 的大小决定但现在轴承轴向力未知, 故先初取 e ? 0.5 可估算: e 为判断系数,

F d1 ? 0.5 F b ? 2381 N ,
F d 2 ? 0.5 F e ? 858 N
(3-4)

F ae ? F a 2 ? F a1 ? 6902 N
F d1 ? F ae ? F d 2
故 B 端压紧,E 端放松。 ∴ F a1 ? F ae ? F d 2 ? 7760 N (3-6) (3-5)

F a 2 ? F d 2 ? 858 N
F a1 ? 7760 C o 23400 F a 2 ? 858 C o 23400
从而确定:
? 0.332

? 0.037

(3-7)

e1 ? 0.552 e2 ? 0.402

进一步确定:

F d1 ? e1 F r1 ? 2628 N
F d 2 ? e2 F r 2 ? 690 N
(3-8)

F a1 ? F ae ? F d 2 ? 7592 N F a 2 ? F d 2 ? 690 N
F a1 ? 7592 C o 23400
? 0.324

30

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F a 2 ? 690 C o 23400

? 0.0259

两式计算的 F a 值相差不大,因此可以确定:

Co

e1 ? 0.552 e2 ? 0.402

F a1 ? 7592 N

F a 2 ? 690 N .

3.求轴承的当量动载荷 P1 , P2 .

F a1 ? 7592 ? 1.595 ? e1 F r1 4761 F a 2 ? 690 F r 2 1716
? 0.402 ? e2

(3-9)

(3-10)

由文献[11]表 13-15 分别查表和插值计算得径向载荷系数或轴承载荷系数。 对于轴承 B: X 1 ? 0.44, Y 1 ? 1.018 . 对于轴承 E: X 2 ? 1, Y 2 ? 0 . 由文献[11]表 13-6,

f

p

? 1.2 ? 1.8, `取

f

p

? 1 .5 ,

P1 ? f p ? X 1 F r1 ? Y 1 F a1? ? 14735 .5 N P2 ? f p ? X 2 F r 2 ? Y 2 F a 2 ? ? 2574 N .
? P1 ? P2

(3-11)

按照轴承 B 的受力大小及寿命进行校核:

10 6 ? C ? ? Lh 60n ? ? ? 26580 h ? ? ? P1 ?
可知满足其寿命要求。 3.1.2 对一级轴轴承进行校核 有所选轴承的型号 7007C 可知,其基本额定动载荷为:14.5 KN ,基本额定静载荷为: 10 .8 KN .将其简化为受力模型如下:

?

31

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1.根据静力学公式可求得轴承处的水平及竖直方向得力:

F bh ? F ah ? 0.5 F t ? 65 N F bv ? F av ? 0.5 F r ? 225 .9 N
其中: F r ? 471 .8N , F t ? 130 N , F ae ? F t 2 ? 634 .5N ∴B,E 处所受总的力大小为:

(3-12) (3-13)

F b ? F a ? F bh
? 235 N

2

? F bv

2

(3-14)

2.求两轴承的计算轴向力: 由 Fd ? e? Fr , (3-15)

其值由 F a 的大小决定但现在轴承轴向力未知, 故先初取 e ? 0.4 可估算: e 为判断系数,

Co

F d1 ? F d 2 ? 0.4 F b ? 94 N ,

32

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F ae ? 634 .5N
F d 2 ? F ae ? F d1 ,
故 B 端压紧,A 端放松。 ∴ F a 2 ? F ae ? F d1 ? 728 N (3-17) (3-16)

F a1 ? F d1 ? 94 N
F a 2 ? 728 C o 10800
从而确定:

F a1 ? 94 C o 10800

? 0.008

? 0.067

e1 ? 0.12 e2 ? 0.266

进一步确定:

F d1 ? e1 F r1 ? 28.2 N F d 2 ? e2 F r 2 ? 62.5N
F a 2 ? F ae ? F d1 ? 662 .7 N
(3-18)

F a1 ? F d1 ? 28.2 N

F a1 ? 0.0 0 3 Co F a 2 ? 662 .7 C o 10800
? 0.062

两式计算的 F a 值相差不大,故可对 e1 进行相应校正,因此可以确定:

Co

e1 ? 0.18 e2 ? 0.062

F a1 ? 28.2 N

F a 2 ? 662 .7 N .

3.求轴承的当量动载荷 P1 , P2 .

F a1 ? 28.2 ? 0.12 ? e1 F r1 235 F a 2 ? 662 .7 ? 2.8 ? e2 F r 2 235

33

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由文献[11]表 13-15 分别查表和插值计算得径向载荷系数或轴承载荷系数。 对于轴承 A: X 1 ? 0.56, Y 1 ? 2.3 . 对于轴承 B: X 2 ? 0.56, Y 2 ? 4 . 由文献[11]表 13-6,

f

p

? 1.2 ? 1.8, `取

f

p

? 1 .3 ,

P1 ? f p ? X 1 F r1 ? Y 1 F a1? ? 196 .5 N P2 ? f p ? X 2 F r 2 ? Y 2 F a 2 ? ? 3163 N .
? P2 ? P1

(3-19)

按照轴承 B 的受力大小及寿命进行校核:

10 6 ? C ? Lh ? 60n ? ? ? 94500 h ,可知满足其寿命要求。 ? ? ? P1 ?

?

3.2 键的选择及校核(部分键)
3.2.1 二级蜗杆轴上的键选择及校核
由轴径选择其键:型号为:18 *7*50 GB1567 -79(90) 其相关尺寸:b=18 mm, h =7 mm, L = 50 mm, 分别校核键的挤压强度和剪切强度: (1). 挤压强度 根据公式: ? C ? 2000 M / dkl 其中: M —输入扭矩 N * m (3-20)

d —轴直径, d ? 64mm k —键与轮毂的接触高度, k ? h ? t ? 3mm 。 l —键的工作长度, l ? L ? b ? 18mm 。
?? C ? 2000 ? 46 / 64 ? 3 ? 32 ? 14.97 M pa ? ?? ca ? ? 36 M pa

故其挤压强度满足强度要求。 (2)校核其剪切强度 根据公式:

34

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? ? 2000 ? M / d ? b ? l
?? ? 2000 ? 46 / 64 ?18 ? 50 ? 0.56 M Pa ?
其中: d —轴直径, d ? 64mm

(3-21)

?? ? ? 12 M
p

pa

l —键的工作长度,
M —输入扭矩 N*m

b —键的宽度, b=18 mm,故其挤压强度满足强度要求。

3.2.2 大带轮处的键选择及校核
由带轮处的直径选择键:其型号为:10 *40*8 GB1096 -79(90): 相关尺寸:b=10 mm, h =8 mm, L = 40 mm, t = 5 mm. 分别校核键的挤压强度和剪切强度: (1)挤压强度 根据公式: ? c ? 2000 M / dkl 其中: M —输入扭矩 N * m (3-22)

d —轴直径,

d ? 31mm

k —键与轮毂的接触高度, k ? h ? t ? 3mm . l —键的工作长度, l ? L ? b ? 30mm .
?? c ? 2000 ? 2.6 / 31 ? 3 ? 30 ? 1.86 M pa ? ?? ca? ? 36 M pa

故其挤压强度满足强度要求。 (2)剪切强度 根据公式: ? ? 2000 ? M / d ? b ? l (3-23)
p pa

?? ? 2000 ? 2.6 / 31 ?10 ? 30 ? 0.56 M Pa ?
其中: d —轴直径, d ? 31mm

?? ? ? 12 M

l —键的工作长度
M —输入扭矩 N*m

b —键的宽度,b=10 mm
故其压强度满足强度要求。

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3.3 电动机 螺纹紧固件 密封圈
电动机 根据回转机构的所需功率,选择电动机为交流电动机 110SL5,其空载转速大于等 于 900r/min。 螺纹紧固件 根据箱体壁及其压盖的厚度,分别选择沉头孔螺钉:GB1768, 六角头螺栓:GB M10×5785。 密封圈 O 型密封圈可以适用于往复运动,以及转动等情况下,在耐压性,耐高速性, 耐热性,耐寒性,耐久性等性能上都比较好,可广泛用于静密封,此时耐久性较好 根据轴承及轴的工作情况,选择 O 型密封圈。

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第4章

焊接变位机械其它机构的简单设计概述

4.1 伸臂梁的设计计算
整个回转机构的重量:载重: m1 ? 500 k g ,机身重: m2 ? 500 k g 则: m总 ? 1000 k g 。 由工作情况可知,臂梁所承受的最大弯矩发生在当回转机构处于水平位置时: 整 个 臂 梁 可 视 作 悬 臂 梁 , 其 力 学 模 型 简 化 如 下 :

则计算其相关力有: F X ? 0, F y ? 10000 N , M max ? G ? L
W?

? d3
32

,

? ? ?? ? ,

G ? m总 g

(4-1)

m? g ?l ? ? M max ? ? 100 ? 10 6 3 W ? d 32
?d ? 3 32 ? 9.8 ? 10 ?3 ? l 3.14 ? 10 5

(4-2)

当 l ? 850 mm 时,

? d ? 93mm ,这里取 d ? 108 mm 。

4.2 倾斜机构中减速器的设计计算(略)
该部分的计算不属于本次论文的内容。

4.3 底座和箱体的简单设计
底座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度,其次是强度和抗振性能;当同时用
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作滑道时,滑道部分还应具有足够的耐磨性。此外,对具体的机械,还应满足特殊的要 求,并力求具有良好的工艺性。 底座和箱体的结构尺寸和大小,决定于安装在它的内部或外部的零件和部件的形状 和尺寸及其相互配置,受力与运动情况等。设计时应使所装的零件和部件便于装拆与操 作。底座和箱体的一些结构和尺寸,如壁厚,凸缘宽度,肋板厚度等,对机座和箱体的 工作能力,材料消耗,质量和成本,均有重大的影响。但是由于这些部位的形状不规则 和应力的分布复杂性,基本上按照经验公式,经验数据,或比照现用的类似机件进行设 计,而略去强度和刚度等的分析与校核。 此次论文设计采用的机座和箱体的设计采用经验公式和比照的方法进行设计。

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结论
本次毕业设计从整体上对伸臂式焊接变位机械进行设计,它包括伸臂式焊接机械当 中的倾斜机构,回转机构,以及底座的总体设计,同时对机械中的回转机构进行了详细 的设计描述:从工作台的设计到回转主轴,回转主轴是重要的零部件,它将连接工作台 和减速器, 故其强度必须满足其工作强度, 二级蜗轮蜗杆减速器 (两级减速, 速比相同,, ) 带轮及其传动带的设计计算,电动机的选择,在回转机构中的电动机选为交流电动机, 箱体的设计,箱体采用经验及其类比方法进行设计。设计中回转机构采用了测速发电机 (测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路 经精确设计,其输出电动势 E 和转速 n 成线性关系,即 E=Kn,K 是常数。改变旋转 方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时,只 要检测出输出电动势,就能获得被测机构的转速,故又称速度传感器) 和导电装置, 其目的是利用控制理论:即将工作台的即时速度反馈给电动机的控制装置,控制装置根 据事先设置好的参数对电动机的转速进行时时调节,使电动机维持在一定的速度范围之 内,从而实现工作台的精确回转,利于焊头进行焊接工序,保证了焊接质量,获得优良 的焊缝成型及其焊缝质量, 导电装置可防止焊接电流通过轴承, 齿轮等传动零件时起弧, 产生“咬伤”零件的现象。以上两个装置的使用将更好的使焊接变位机械服务于当代产 品的焊接工序中,提高了产品的质量。

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参考文献
[1] 濮良贵,纪名刚. 机械设计(第八版)[M].北京:高等教育出版社,2006. [2] 机械设计手册(新版 3)[M].北京:机械工业出版社,2004. [3] 朱龙根. 简明机械零件设计手册[M].北京:机械工业出版社,1997. [4] 周浩森. 焊接结构生产及装备[M].北京:机械工业出版社,1999. [5] 中国机械工程学会,焊接学会. 焊接手册[M].北京:机械工业出版社,1992. [6] 焦馥杰. 焊接结构分析基础[M].上海:上海科学技术文献出版社,1991. [7] 曾乐. 焊接工程学[M].北京:新时代出版社,1986. [8] 沈世瑶. 焊接方法及设备[M].北京:机械工业出版社,1982. [9] 上海船舶工业设计研究院,机械工业部第五设计研究院,北京船舶工程第五设计 研究所. 焊接设备选用手册[M].北京:机械工业出版社,1984. [10] 美国焊接学会,韩鸿硕,张桂清. 焊接新技术[M].北京:宇航出版社,1981. [11] 薛迪目. 焊接概论[M].北京:机械工业出版社,1987. [12] 机械设计手册(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2004. [13] 刘鸿文. 材料力学[M].北京:高等教育出版社,2006. [14] 张海根. 机电传动控制[M].北京:高等教育出版社,2001. [15] 陈于萍,周兆元. 互换性与测量技术基础[M].北京:机械工业出版社,2007. [16] 李庆芬,朱世范,陈其廉. 机电工程专业英语[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版 社,2007.

?17? ?18?

Dimarogonas, A.D. ,Machine Design ,John Wiley & Sons,2000 Cross, N. ,Engineering Design Methods , John Wiley & Sons,2000

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致谢
本次毕业是在终结大学四年学习的情况下进行的,力求对大学之所学能够来一次集 中巩固及其创新利用。它涵盖面很广,涉及了机械的所有内容,是培养高级工程技术人 才的一次综合训练。经过论文的选材,开题,构思,设计等一系列的训练,相信自己对 设计有了进一步的认识,在计算能力,英文文献阅读翻译,查找相关信息等多种能力得 到了一次深刻的锻炼,在整个过程中,可以说完成了工程师基本训练和逐步具有从事科 学研究的工作能力,受益匪浅,相信对以后的学习工作会有很大帮助。 毕业设计是在刘琨明老师及其院里老师的悉心帮助,指导下完成的,在此给予衷心 的感谢!

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附件 1
外文翻译

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外文翻译 1

焊接
美国焊接协会将焊接定义为: “金属的局部结合” 。在这部分金属中,结合区是由加 热到适当温度而得到的,而这种适当温度的获得,可以通过使用压力或不使用压力,使 用填料金属或不使用填料金属。使用的填料金属或者有与焊件相同或相近的熔点,或者 熔点在其焊件以下,但必须在 800℉以上。有 34 钟焊接方法,它们分别如下:

气焊
气焊是一组焊接工艺方法的组合。说到这种焊接方法,其焊区是通过用一束气体火 焰或多束气体火焰加热,加压或者不加压,利用填料金属材料或不使用填料材料而获得 的。 在所有气焊方法中,人们最常使用的是氧乙炔焊。这种方法是利用氧气和乙炔的 混合气体来产生热量,利用焊剂可以降低焊区的氧化程度,从而获得一个更好的焊点。 这种焊接方法适用于黑色金属(其中包括铸铁)和有色金属,同时也能够胜任比较厚的 金属焊件。

氢氧焊适用于熔点比较低的金属。比如,铝·镁·和铅。
加压气焊利用氧乙炔火焰作为热源,但是,不需要填料金属。相反,焊接熔合区一 般通过对被加热的构件施加压力获得,或者在被加热的过程中,或者在构件加热后,得 到这种熔合区。这种焊接方法能够用于黑色金属和有色金属当中。

电弧焊
电弧焊是这样一种焊接工艺方法:焊接区通过一束电弧或多束电弧加热产生。在这 过程中可以施加压力, 也可以不施加压力; 可以使用填料金属, 或不使用填料金属获得。 有八种不同的电弧焊方法。它们是: (1)碳弧焊, (2)保护金属电弧焊, (3)焊芯电弧 焊, (4)气保护金属极电弧焊, (5)气保护钨极电弧焊, (6)埋弧焊, (7)等离子焊接, (8)电栓焊 。 在这些方法中,最常用的是保护金属电弧焊。 它被定义为这样一种焊接方法,在焊接过程中,焊接区是通过电弧焊产生的热量而 融化形成的,而这种电弧是在工件和覆盖金属药皮的焊条中产生。这种保护来源于覆盖

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电极的分解,其中并未施加压力,填料金属也来源于电极。 在人工和自动化生产装备中,保护金属电弧焊这种工艺方法都会用到。电极也可以 用于黑色金属(包括铸铁) ,所有不同型号的碳钢,轴承钢,铜合金钢,铝,镍,镍合 金,和其他铜制品。这种焊接技术用于很多领域,尤其用在机械,交通设备,管道系统 的生产和不同的结构中。例如,建筑,机座,构架等等。下面介绍的两种广泛使用的焊 接方法是埋弧焊工艺方法和等离子焊工艺方法。

埋弧焊
它是这样一种电弧焊工艺方法:其中,焊接区通过加热产生,而这种加热是通过一 束或多束电弧实现的,电弧又是由一个单金属极或多个金属极和工件之间产生的。这种 电弧由位于工件上的粒状的可熔化地材料所保护,在这个过程中,可以不施加力,也可 以施加力,而所需要的填料金属,可以从电极中获得。当然,有时可以从附加的材料中 获得。 这种工艺方法能够用于所有自动化设备中。在这种设备中,电极和粒状焊剂的进给 量是被控制的。这种方法同样也适用于半自动化生产装备中,在这些半自动化生产装备 中, 电极和粒状焊剂的进给量是有人工所控制的。 既然, 这种粒状焊剂必须覆盖焊接点, 那么这种方法将被限制在只能用于水平位置的焊件,尤其适合那种比较长而又比较直的 焊接点。同样,比起其他焊接方法,人类通常需要保护金属电弧焊去焊接那些比较厚的 金属。 埋弧焊可用于那些低碳钢,高强度低合金钢,烙合金钢,烙镍合金钢。如果采用某 些特别方法,那么也有可能焊接高合金钢。

等离子焊
它是这样一种焊接方法:其中焊接区已由加热产生,而所需要的热量是由一种压缩 电弧供应,而这种压缩电弧是在一个电极和工件(传导电弧)产生的,或者是在一个电 极和压缩喷嘴(非传导电弧)产生的。这种保护作用由一种热的电离气体实现的。这种 气体是从金属环发射端发射出来,或者是由外加的辅助保护气所提供。而这种保护气或 许是由一种插入式气体,或是一种气体混合物。外加压力可以用,也可以不用,而且填 料也可以用也可以不用。 等离子焊用于要求焊接质量要求较高的焊接场所中, 能够焊接 5 英尺厚的铝构件中, 或无缝钢可以达到 4 英尺厚。既然没有燃烧的物体供热,那么焊接点便没有高强度,不

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能够承受高压和冲击载荷。 这种等离子电弧由处于一个金属环中的电极所引导,而这个金属环能够通过电极引 导内部气流。在这些等离子束中金属环的发射末端在尺寸上比金属环的上端尺寸小。这 样一个发射喷嘴便产生了较大气流,另外一个喷嘴内壁线性排列在一种陶瓷材料上。 虽然等离子束能够由多种气体产生,但必须保证这些气体不被氧化,否则不应该被 使用。对这种要求较高的便是这种气体的比热容(热量传递率) ,而不是它所能获得的 温度。 因此, 较高比热容的气体能够传递较多的热量, 这种特性使该气体更使用于焊接, 较大的构件也可以。氩气,氦气,氢气,也是比较常用的气体。相比氩气和氦气,氢气 有比较高的比热容,能够产生温度较高的电弧。 其它形式的电弧焊,即是:碳弧焊,焊芯电弧焊,气保护金属极电弧焊,

气保护钨极电弧焊和电栓焊。这些焊接方法常用在一些特定场合中,或者批量生
产。例如,碳弧焊被用于镀锌的薄片钢,黄铜,青铜和铅。然而,尽管焊芯电弧焊使用 一种焊芯电极,但在批量生产中仍持续的需要从卷轴焊料中获得。

电栓焊
它借助电栓焊枪来实现。电栓焊抢能够将一个电栓焊接到一个工件的表面。这种方 法广泛用于汽车,造船,铁路及工厂基础设施机构建设。

电阻焊
它是一组焊接工艺方法的组合。在这种方法中,焊接区由加热形成,而这些热量来 源于回路电阻。在电流回路中,工件作为电流回路的一部分,或者还要使用压力。共有 六种电阻焊工艺。它们是: (1)电阻电焊, (2)电阻缝焊, (3)凸焊, (4)闪光焊, (5) 电阻对焊, (6)储能焊。电阻焊应用于批量生产中,借助合理的工具及控制系统,他很 方便的适用于自动化生产当中, 其中也包括焊接后需要进行预热和进行热处理的任何工 件中。在电阻焊中,使用最为广泛的是电阻点焊,电阻缝焊以及凸焊。

电阻点焊:
电阻点焊是这样一种焊接工艺方法,在接合面处的熔合区通过加热而产生,其中这 些热量来源于通电电阻。通电回路是由在压力作用下,通过几个电极将工件连接在一起 形成的。因此,所形成的焊接产品的形状和尺寸主要有电极的尺寸和轮廓形状所限制。 电阻点焊仅仅局限于比较薄的金属焊接当中(例如,厚度在 0.001 英寸到 0.125 英寸的

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钢和镁,0.16 英寸厚的铝片)即是,钢,铝,镁,镍,镍合金,青铜和黄铜。一些特性 不相近的金属可以进行点焊,但是有困难。

电阻缝焊
他是这样一种电焊工艺方法:在这种方法中,结合区的焊接由加热产生,这种热量 来源于通电电阻,这种通电回路是由在压力作用下,多个电极将工件连接起来的结果。 最终的焊接有一系列的重叠的电阻焊接点所组成,而这些电阻焊接点是通过旋转各电极 逐次沿着某一条焊缝而形成的。原则上,电阻点焊与电阻缝焊是相近的。 电阻缝焊主要用于焊接质量要球较高的焊件上,但这中焊接方法仅仅局限于焊接标 准厚度的金属版,而这些金属板的厚度往往比那些用于点焊的金属板的厚度要薄的多。 而电阻缝焊所能胜任的标准焊件厚度范围位于英寸 0.100——0.125 之间。

凸焊
它定义为这样一种焊接方法:在这种焊接方法中,结合面处的焊接区由加热产生, 而这种热量来源于通电电阻,这种通电回路是由在压力作用下,多个电极将工件连接起 来的结果。最终的焊接点位于预先决定的位置点上,而这些位置点往往由突出的隆起的 部分以及相互接触的位置所决定。 凸焊是和点焊相似的一种焊接方法。 其不同点在于, 凸焊往往使提供的热量局部化, 细化,从而使得这种方法能够焊接比较厚的金属材料。那么,由此以来,多处工件位置 将可以进行同时焊接。这样,其最终结果便是在焊接结构的强度上,该种方法将比电阻 点焊大。

闪光焊
在这种工艺方法中,两个对焊表面被固定地夹住,同时让它们相距很近。结果将在 这两个对焊表面产生电弧, 这样产生的电弧将促使它们加热到熔化温度。 在这个焊件上, 两个焊接表面通过外力结合在一起,完成了焊接。强加外力使得它们结合,这样会使焊 接金属发生膨胀,将会向焊接点外部膨胀。在焊接完毕后,这部分多出来的金属往往被 除掉。预热(对于大部分构件来说)和过后热处理(也就是热处理) ,完全可以作为整 个焊接程序的一部分。 能够用于电阻点焊的材料,往往也能够用于闪光焊,虽然这种方法大部分用于黑色 金属中,如铜,铜合金,还有一些铅制品。不能够使用这种方法获得令人满意的焊接点。 但是, 特性不相近的金属却可以使用这种工艺方法进行焊接, 甚至包括一些难熔的金属,
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例如,钨,钼,以及钛。

电阻对焊
电阻对焊这种工艺方法和闪光焊很相似, 除了有一点不同, 那就是在电路切断之前, 要焊接的工件彼此的紧密相接触,因此在这种方法中,便没有电弧光。电阻对焊广泛用 于管状构件的连接,铜管,大型铜环。当然它也用于连接黑色和有色金属条。

储能焊(冲击焊)
储能焊是这样一种焊接工艺方法:在这种工艺方法,焊接熔合区是通过热量同时在 整个对焊表面产生, 而这种热量来源于一束电弧, 而这种电弧是由伴随压力突然间施加, 电能快速释放而产生的,这种力地施加,要么在电能释放期间,要么紧跟其后。 储能焊被用于特殊的焊接场合, (例如,焊接那些用闪光焊不经济的,特性不同的 金属) 。这种焊接方法也被用于焊接针状金属,电栓,螺栓等等,以及焊接其他的零部 件。例如,管道,金属棒,或者细长管等它们之间的焊接或者它们与一些焊件的平面焊 接。

钎焊
钎焊是这样一种焊接工艺方法:在这种工艺方法中,焊接熔合区通过加热到合适的 温度,以及用一种填料金属而获得的,而这种填料金属拥有高于 800℉的熔点,但是小 于焊接件的凝固点。这种填料金属通过毛细作用被放置在两个距离很近的焊接件的表 面。总共有六种钎焊焊接工艺方法,它们是: (1)红外线钎焊, (2)焊炬钎焊, (3)炉 中钎焊, (4)感应钎焊, (5)电阻加热钎焊或者说接触钎焊, (6)浸渍钎焊。在这些钎 焊方法中,最主要的不同点,便是要焊接的金属件其加热的方式。同时,六种方法中, 也只有四种方法对工业具有一定的重要性,即是:炉中钎焊,感应加热钎焊,和浸渍钎 焊。这些方法的定义及其简短的描述,在以下的段落中有所体现:

焊炬钎焊
这种焊接工艺方法可能会使用乙炔,天然气,丁烷,或者再结合空气,或者说氧气 用以供应热量,这种热量用以熔化填料金属并将填充于焊接件的两表面,这种焊接技术 并没有广泛的用于持续批量生产之中。

炉中钎焊
炉中钎焊是一种高生产率的焊接生产方法在这种方法中热量有燃烧的气体或者有

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电力加热的汽油所供应,这种炉具有盒子形状或持续的曲线形状。他是用一种线形网状 带来传送要被钎焊的工件。在焊接件被送入炉中之前,炉中钎焊要求预先成型的填料金 属,应该放置在被焊接的工件上。这种钎焊方法非常适用于大量生产中,他能够通过维 持炉中的内部环境而避免焊剂的使用。

感应加热钎焊
正如炉中钎焊的那样,感应加热钎焊也要求使用成型的填料金属。热量是通过将需 钎焊的零件放置在高频感应油当中,焊接的工件被涡流加热。因为焊接件提供电磁阻, 用以改变其感应区,加热非常迅速,通过在感应油中的合理成型,那么产生的热量便能 够用于钎焊的主要焊接区域。当设计合理的加工工具和进给装置安装在生产设备中,那 么感应钎焊便能用于机械生产。

浸渍钎焊
工件可以通过两种方法中的一种进行钎焊。在化学浸渍钎焊中,要焊接的工件必须 与预先成型的填料金属同时准备好, 准备好之后, 将它们放进一个装有钎焊剂的熔池里。 在金属在熔池里进行溶化的这道工序里,组装的零件第一次被重新融化,然后进渍在装 有填料金属的金属池里。钎焊的后一种方法主要用于焊接小的零件;然而,前一种方法 便适用于焊接大的零件。

其他焊接工艺
除了前述的一些方法之外,还有一些固态的焊接技术和其他的焊接工艺方法。这些 方法被美国工艺学会定义如下:

超声波焊
一种焊接区域处于固态时的焊接工艺方法,而这种熔合区的获得,是通过外加高频 振动能量实现的,而工件是通过外加压力连接在一起。

摩擦焊
摩擦焊是一种固态焊接工艺方法,其熔合区的热量获得是从相互摩擦的两表面的机 械感应的相对运动中实现的。这些工件的连接也是通过施加外力实现的。

锻焊
锻焊它是一种固态焊接方法,其熔合区的热量获得是通过加热或或使用压力或充分 的锤击而在相互接触的两表面形成永久性的变形。
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爆炸焊
爆炸焊它是一种固态焊接方法,其焊接熔合区受到高速运动的影响。

扩散焊
扩散焊它是一种固态焊接方法,其两接触表面熔合区的获得是通过压力的使用和逐 步升高的温度。这种工艺方法并没有牵扯到宏观变形和工件的相对运动。固态填料金属 可以使用也可以不使用。

冷焊
冷焊它是一种固态焊接方法,其两接触表面熔合区的获得是仅仅通过外加机械压力 实现的。

热剂焊
热剂焊它是一系列的焊接工艺方法的组合,其两接触表面熔合区的获得是通过加热 而实现的,热量来源于温度很高的液态金属,或者来源于一种化学反应的热量。这种化 学反应是在一种金属氧化物和铝之间实现的。整个过程可以施加压力也可以不施加压 力。当使用这种方法时填料金属是从液态金属中获得。

激光束焊
激光束焊是这样的一种焊接方法,其两接触表面熔合区的获得是通过加热而实现 的,热量来源于固有激光束的使用,而这种激光束固在其金属表面。

电子束焊
电子束焊是这样的一种焊接方法,其两接触表面熔合区的获得是通过加热而实现 的,热量来源于高速电子运动。

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外文翻译 2

机械设计准则
设计是从实际或者假想的需要开始的。对于现有的设备可能需要在耐用性,效率, 重量,速度或成本等方面做进一些改进工作;也可能需要新的设备完成以前由人来做的 工件,例如,计算或者装配。当目标完全或部分被确定以后,下一个设计步骤是对完成 所需要功能的机构及其布局进行总体设计。对于此项工作徒手画的草图是很有价值的, 他不仅可以记录下我们的想法,而且还有助于与别人进行讨论,特别是和自己的大脑进 行交流,从而促进创新想法的产生。 当一些零件的大致形状和几个尺寸确定后,就可以开始认真的分析工作。分析工作 的目的是要在重量最轻,成本最低的情况下,获得令人满意及优良的工作性能,并且还 要安全耐用。对于每个关键承载截面,应该寻求最佳的比例和尺寸,同时要对这几个零 件的受力进行平衡。要对材料和处理方式进行选择。只有根据力学原理进行分析才能达 到这些重要目的。这些分析包括静力学原理进行分析反作用力和充利用分摩擦力,根据 动力学原理分析惯性,加速度和能量;根据弹性力学和材料力学分析应力和应变;根据 流体力学分析润滑和流体传动。 最后,完成基于功能要求和可靠性所进行的设计,且要制作一台样机。如果实验结 果令人满意,而且该装置将要进行批量生产,就应该对最初提出的设计方案做些修改, 使其能以较低的成本进行批量生产。在以后的制造和使用期内,如果产生了新的想法或 者根据实验和经验所做的进一步分析结果表明,可以有更好的替代方案,则很可能对原 设计方案进行修改。销售吸引力,客户的满意程度和制造成本均与设计有关,而设计能 力则与工程创新的实现是密切相关的。 为激发创造性思维,建议设计人员遵循下列准则。 1.创造性的利用所需要的物理性能和控制不需要的物理性能。 可以利用自然法则或物质的性能(例如柔性,强度,重力,惯性,浮力,离心力;杠杆 原理和斜面原理,摩擦,粘性,流体压力和热膨胀)和许多电学,光学和化学现象来满 足一台机器的设计要求。一种性能在某种场合下可能是有用的,而在另外一种场合下则 可能是有害的。阀门的弹簧应该有弹性,阀门的凸轮轴就不需要柔性。离合器结合面上 需要有摩擦,而离合器轴承却不需要摩擦。设计时,需要创造性的利用和控制所要的物 理性能,将不需要的物理性能减至最小。

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2.载重量最轻的情况下,提供合理的应力分布和刚度。 对于承受交变应力的零件应该特别注意减轻应力集中和提高圆角,螺纹和配合处的强 度。改变零件的形状可以降低它所承受的应力,对零件施加预应力,如表面滚压和浅表 面硬化,均可使其得到强化。空心轴和空心管道,箱型截面能获得有力的应力分布同时 具有强度高而重量轻的特点。曲轴,凸轮轴以及含有轴承支座的外壳和构架都应有足够 的刚度以保证直线对中精度和接触表面之间的压力均匀分布。轴和其他零件须有适当的 刚度避免产生共振。 3. 利用基本公式进行尺寸计算和尺寸优化。 力学和其他的基本公式进行移项而化成特殊形式,以简化尺寸的计算或者对尺寸进行优 化。例如,用梁的表面应力来计算齿轮的轮齿尺寸。在不能采用解析法计算的情况下, 可以在基本公式内引入系数。例如,对于薄壁钢管,考虑到腐蚀性,可将根据求的厚度 增加一些。当必须应用一个基本公式来确定形状,材料和使用条件,而这些被确定的量 仅仅与在公式推导中的假设比较接近时, 要采取措施是结果偏于安全。 当数据不完全时, 可以应用理论公式作为尺寸的指南,在扩展后的范围内获得令人满意的设计结果。 4.根据性能组合选择材料。选择材料时需要考虑有关的性能组合,不仅考虑强度, 硬度和重量,而且有时还要考虑抗冲击性,抗腐蚀性和耐高温或低温的能力。成本和制 造性能都是应该考虑的因素,这些因素包括可焊接性,机械加工性能,对热处理温度变 化的敏感性和所需要的图层等。 5.在现有零件和整体零件之间进行认真的选择。 若一个以前研制的文件能过满足性能要求和可靠性要求,并使用于所设计的那台机器而 无须附加的研制费用,那么设计人员和公司通常会从零件制造厂的现货中选取零件。但 是,只有了解其性能,才能进行认真的选择工作,因为任何一个机器零件的失效都会影 响公司的信誉,并使公司承担相应的责任。在其他情况下,若及其设计人员自己来设计 零件,则零件的强度,可靠性和成本等方面的要求就可以更好的得到满足。可将某个零 件与其他零件设计成一个整体零件,例如将几个齿轮设计为一个锻件或者将齿轮与轴设 计为一体,这种方法的主要优点是紧凑。 6.保证零件在装配中准确定位和不发生干涉。 一个良好的设计能够保证零件定位准确,装配和修理方便容易。轴肩和导向表面在装配 过程中不需要测量就能提供准确定位。零件的形状应该设计的保证这个零件不会被装反 或装错位置。 必须能够预见和防止诸如不同的螺纹孔中的螺钉之间的干涉和不同的连杆
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机构之间的干涉。必须避免部件之间的找正对中误差和定位误差,或者必须采用措施, 减小任何由此引起的不利的位移和应力。

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附件 2 外文文献

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Welding
The American Welding Society defines welding as “a localized coalescence of metals wherein coalescence is produced by heating to suitable temperatures with or without the application of pressure and with or without the use of the filler metal. The filler metal either has a melting point approximately the same as the base metals or has a melting point below that of the base metals but above 800 ℉.” There are 34 different welding processes.

Gas Welding
Gas welding is “a group of welding processes wherein coalescence is produced by heating with a gas flame or flames with or without the application of pressure and with or without the use of the filler material.” There are 3 different gas welding processes:oxyacetylene welding(OAW), oxhydrogen welding(OHW),pressure gas welding(PGW).Of the 3 types of gas welding, oxyacetylene welding(OAW) is the one most frequently employed.This method uses a mixture of oxygen and acetylene to produce heating.Fluxes may be used to reduce oxidation and to promote a better welding point.This type of welding is suitable for both ferrous (including cast iron) and nonferrous metals and is capable of welding thick metals sections. Oxyhydrogen welding(OHW) is used for low melting point metals such as aluminum,magnesium and lead. Pressure gas welding(PGW) uses an oxyacetylene flame for a heat source but does not require a filler rod.Instead,fusion is obtained by applying pressure to the heated parts,either while being heated or after the parts are heated.This form of welding can be used for jointing both ferrous and nonferrous metals.

Arc Welding
Arc welding is “a welding processes wherein coalescence is produced by heating with an arc or arcs with or without the application of pressure and with or without the use of filler metals.”There are eight different arc welding processes:(1) carbon-arc welding,(2) shielded metal-arc welding,(3) flux cored arc welding,(4) gas metal-arc welding,(5) gas tungsten-arc

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welding,(6) submerged arc welding,(7) plasma-arc welding,and (8)stud welding. The most widely used of these methods is the shielded metal-arc welding(SMAW) process. It is defined as an arc welding process wherein coalescence is produced by heating with an arc between a covered metal electrode and the work.Shielding is obtained from decomposition of the electrode covering.Pressure is not used and filler metal is obtained from the electrode. The shielded metal-arc process is employed in both manual and automated production setups.Electrodes are available that permit the welding of ferrous metals (including cast iron) ,all grades of carbon steels ,low-alloy high-strength steels,stainless steels,copper bearing steels, copper alloys,aluminum,nickel,nickel alloys, and bronze.This welding technique is used in many fields,particularly in the manufacture of machinery,transportation

equipment,piping systems and in various strctures (for example,buildings,trusses,machine bases,and so on ). The next two most widely used arc welding methods are the submerged arc welding(SAW) process and the plasma-arc welding (PAW) process.

Submerged arc welding (SAW)

is “an arc welding process wherein

coalescence is produced by heating with an arc or arcs between a bare metal electrodes and the work.The arc is shielded by a blanket of granular fuseable material on the work.Pressure is not used and filler metal is obtaind from the electrode and sometimes from a supplyementay welding rod. ” This method can be used in fully automated equipment where the feeds of both the electrode and granular flux are controlled.The method is also adaptable for semiautomatic equipment where the feeds of the electrode and granular flux are contolled manually .Since the granular flux must cover the joint to be welded, this method is restricted to parts in horizontal position and is particularly suited for welding long straight joints .Also,fewer passes are needed to weld thick metal sections than are usually required by shielded metal-arc welding. Submerged arc welding can be used to weld low carbon steels,high-strength low-alloy steels,chromium steels and austenitic chromium-nickle steels.With special methods, it is also

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possible to weld high-alloy air-hardening steels.

Plasma-arc welding (PAW) is “an arc welding process wherein coalescence is
produced by heating with a constricted arc between an electrode and the workpiece ( transferred arc ) or the electrode and the constricting nozzle ( nontransferred arc ) Shielding is obtained from the hot,ionized gas issuing from the orifice ,which may be supplemented by an auxiliary source of shielding gas.shielding gas may be an inert gas or a mixture of gases. Pressure may or may not be used ,and filler may or may not be used,and filler may or may not be supplied .” Plasma-arc welding is used for quality welding and can easily weld 5-in. thick aluminum sections or stainless sections up to 4-in.thick.Since there are no products of combustion,the welded joints have no porosity and display a strong resistance to high stresses and impact loading. The plasma torch is constructed with an electrode centrally within a metal cup that guides an inert streaming gas past the electrode.In the plasma-arc torch the discharge end of the cup is smaller in diameter than the upper diameter so that a discharge noozle is created.In addition ,the inner wall of the nozzle is lined with a ceramic material . Although a plasma stream can be created with any gas ,a gas that is nonoxidizing should be used .Another important requirement is thermal conductivity of the gas rather than the temperature it attains .Thus ,gases of the conductivity can transfer more heat ,making it possible to weld bulky sections more easily .Argon ,helium,and hydrogen,are the gases mostly frequently used. Hydrogen has the higher thermal conductivity and produces hotter arcs than those produced by argon or helium. Other forms of arc welding,namely, carbon-arc ,flux cored arc ,gas metal –arc,gas tungsten-arc ,and stud welding ,are used for joining particular metals or for mass production. For example ,whereas flux cored arc welding uses a flux cored electrode,continuously fed from a spool for quantity production. Stud welding is accomplished by means of a stud-welding gun,which welds a stud to the surface of a workpiece.The method is extensively employed in the

automotive,shipbuildng,railroad,and building construction industries.

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Resistance Welding
Resistance welding is “a group of welding processes wherein coalescence is produced by the heat obtained from resistance of the work to electric current in a circuit of which the work in a part ,and by the application of pressure.”There are six types of resistance welding processes.these are (1)resistance spot welding,(2)resistance seam welding,(3)projection welding,(4)flash welding,(5)upset welding, and (6)percussion welding.Resistance welding is widely used for quantity production.By means of proper controls and tooling,it is readily adaptable to automation,including any required welding are the spot,seam,and projection forms of welding.

Resistance Spot Welding (RSW).”A

resistance welding process wherein

coalescene at the faying surfaces is produced in the heat obtained from the resistance to electric current through the work parts held together under pressure by electrodes.The size and shape of the individually formed welds are limited primarily by the size and contour of the electrodes.” Spot welding is primarily restricted to thin metals (for example,0.001 in thick to 0.125 in.thick for steel and magnesium,0.16 in. thick for aluminum ) ,namely,steels,stainless steels,aluminum,nixkel,nickel alloys,bronze ,and brass.Some dissimilar metals can be spot welded,but with difficulty.

Resistance Seam Welding (RSW)

“A resistance welding process wherein

coalescene at the faying surfaces is produced in the heat obtained from the resistance to electric current through the work parts held together under pressure by electrodes. The resulting weld is a series of overlapping resistance-spot welds made progressively along a joint by rotating the electrodes.” In principle, seam welding is similar to spot welding except that the weld is continuous by virtue of the rollers rather than discontinuous as in spot welding. Seam welding is primarily used for quantity production but is restricted to joining metal gages that are thinner than those which can be joined by spot welding .The normal range of thicknesses compatible with seam welding is 0.100-0.125 in.

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Projection Welding (RPW) “A resistance welding process wherein coalescene
at the faying surfaces is produced in the heat obtained from the resistance to electric current through the work parts held together under pressure by electrodes. The resulting welds are localized at predetermined points by projections ,embossment,and intersections.” Projection welding is a process similar to spot welding except that the projections tend to localize the heat ,permitting thicker materials to be welded.Simultaneous welds are readily made by this method ,and result in a stronger welded struture than that obtained with spot welding.

Flash Welding (FW).In this process abutting surfaces to be welded are clamped
in futures and brought within close proximity ( or light contact ) of each other so that an electric arc is surfaces are forced together, completing the weld .Forcing the two surfaces together causes the metal to be displaced ( that is ,bulge) outward from the welded joint. This upset metal is usually removed after welding. Preheating ( for large bulky parts ) and postheating ( that is heat treatment ) can readily be made part of the overall welding cycle. Materials that are easily welded by spot welding are also weldable by flash welding ,although the method is used mostly with ferrous metals. Copper, copper alloys and some aluminums can not be relied upon to produce satisfactorily welded joints. However, dissimilar metals can readily be welded by this methods, including even refractory metals such as tungsten , molybdenum ,and tantalum.

Upset Welding (UW).A process similar to flash welding except the parts to be
welded are held in close contact with each other before the electric circuit is cloded .Thus ,there is no flashing in this method. Upset welding is extensively used in the fabrication of tubular sections ,pipe,and heavy steel rings ;it is also used for joining small ferrous and nonferrous strips.

Percussion Welding (PW). “A resistance welding process wherein coalescence
is produced simultaneously over the entire abutting surfaces by heat obtained from an arc produced by a repaid discharge of electrical energe with pressure percussively applied during or immediately following the electrical discharge.”

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Percussion welding is used for special joining situations ( for example ,joining dissimalar metals that can not be welded economically by flash welding ).This welding method is also used to weld pins ,studs,bolts,and so on,to other components as well as to join sections of pipe,rod ,or tube to each other or to flat sections.

Brazing
Brazing is “a group of welding processes wherein coalescence is produced by the heat and by using a filler metal having a liquidus above 800 ℉ and below the solidus of the base metals .The filler metal is distributed between the closely fitted surfaces of the joint by capillary attraction”.There are six brazing welding methods .Those are (1)infrared brazing,(2)torch brazing,(3)furnace brazing ,(4)induction brazing,(5)resistance brazing ,(6)dip brazing. Among these methods ,the primary difference is the manner in which the metal to be joint are heated .Also ,only four of the six methods are of industrial importance ,torch brazing, furnace brazing,induction brazing,and dip brazing. These methods are defined and briefly described in the following paragraphs.

Torch Brazing. (TB)
A joint process that may employ acetylene ,natural gas ,butane,or propane in combination with air or oxygen to supply the heat required to melt the filler rod and diffuse it into the surface of the base metal.This technique is not extensively used for continuous mass production .

Furnace Brazing .(FB)
A high production fabrication method where the heat is supplied by gas or electric heating coils. The furnace of the box type or the continuous type ,which employ a wire mesh belt to transport the part to be brazed. Furnace brazing requires that preformed shapes of filler metal be placed on the parts to be jointed prior to entering the furnace .This method of brazing is well suited to high production and can avoid the use of fluxing by maintaining an insert atmosphere in the furnace. Induction Brazing .Like furnace brazing ,induction brazing requires the use of preformed shapes of filler metal .Heat is produced by placing the parts to be brazed within the field of a high frequency induction coil, the heat can be applied in the local area of the joint to be
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brazed.Induction brazing can be used for mechanized production when properly designed tooling and feeding devices are incorporated into the production setup.

Dip Brazing .(DB)
Parts can be dip brazed by one of two methods. In chemical dip brazing,the parts to be jointed are prepared with preformed filler metal,after which they are placed into a molten bath brazing flux .In the molten metal bath process,the assembled parts are first refluxed and then immersed into a molten bath of filler metal. This latter method of brazing is restricted to small parts,whereas the former method is more adaptable for joining large parts.

Other Welding Processes
The master chart of welding processes shows,in addition to the aforementioned methods,a series of solid state welding techniques and some other processes. These methods are defined by the American Welding Society as following:

Ultrasonic Welding (UW)
A solid state welding process wherein coalescence is produced by the local application of high frequency vibratory energy as the work parts are held together under pressure .

Friction Welding.(FW)
A solid state welding process wherein coalescence is produced by the heat obtained from mechanically induced sliding motion between rubbing surfaces.The parts are held together under pressure.”

Forge Welding .(FW)
A solid state welding process wherein coalescence is produced by heating and by applying the pressure or blows sufficient to cause permanent deformation at the interface .”

Explosion Welding .( EW )
A solid state welding process wherein coalescence is produced by high velocity movements produced by a controlled detonation. Diffusion Welding . A solid state welding process wherein coalescence of the faying surfaces is produced by the application of pressure and elevated temperatures.The process does not involve
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macroscopic deformation or relative motion of parts .A solid filler metal may be or may not be inserted .”

Cold Welding (CW)
“A solid state welding process wherein coalescence is produced by the external application of mechanical force alone .”

Thermit Welding (TW)
“A group of welding processes wherein coalescence is produced by heating with superheated liquid metal and slag resulting from a chemical reaction between a metal oxide and aluminum with or without the application of pressure .Filler metal ,when used,is obtained from the liquid metal.”

Laser Beam Welding (LBW)
“A welding process wherein coalescence is produced by the heat obtained from the application of a concentrated coherent light beam impinging upon the surfaces to be joined.”

Induction Welding ( IW )
“A welding process wherein coalescence is produced by the heat obtained from the resistance of the work to induced electric current with or without the application of pressure.”

Electroslag Welding (EW)
“A welding process wherein coalescence is produced by molten slag which melts the filler metal and the surfaces of the work to be welded. The weld pool is shielded by this slag which moves along the full cross section of the joint as welding progresses . The conductive slag is maintained molten by its resistance to electric current passing between the electrode and the work. ”

Electron Beam Welding (EBW) .
A welding process wherein coalescence is produced by the heat obtained from a concentrated beam composed primarily of high velocity electrons impinging upon the surfaces to be joined.

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外文文献 2 Some Rules of Mechanical Design
Designing starts with a need ,real or imagined.Existing apparatus may need some improvements in durability,efficiently,weight,speed,or cost.New apparatus may be needed to perform a function previously done by men,such as computation,assembly,or servicing.With the objective wholly or partly defined ,the next step in design is the conception of mechanisms and their arrangements that will perform the needed functions.For this ,freehand sketching is of great value ,not only as a record of one’s thoughts and as an aid in discussion with others ,but particularly for communication with one’s own mind ,as a stimulant for creative ideas. When the general shape and a few dimensions of the several components become apparent ,analysis can begin in earnest.The analysis will have as its objective satisfactory or superior performance,plus safety and durability with minimum weight,and a competitive cost.Optimum proportions and dimensions will be sought for each critically loaded section ,together with a balance between the strength of the several components. Materials and their treatment will be chosen.These important objectives can be attained only by analysis based upon the principles of friction ;of dynamics for inertia ,acceleration,and energy;of elasticity 。 Of years manufacture and service ,the design is likely to undergo changes as new ideas are conceived or as further analysis based upon tests and experience indicate altertions .Sales appeal,customer satisfaction,and manufacture cost are all related to design ,and ability ,and ability in design is intimately involved in the success of an engineering venture . To stimulate creative thought ,the following rules are suggested for the designer . 1.Apply ingenuty to utilize desired physical properties and to control undeired ones .The performance requiement of a machine are met by utilizing laws of nature or properties of matter ( e g ,flexibility ,strength ,gravity ,inertia ,buoyancy centrifugal force ,principles of the lever and inclined plane ,friction ,viscosity ,fluid pressure,and thermal expansion ) ,also the many electrical,optical ,thermal ,and chemical

phenomena.However,what may be useful in one application may be detrimental in the

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next.Flexibility in the valve springs but not in the valve camshaft ;friction is deired at the cluch face but not in the cluch bearing.Ingenuity in design should be applied to utilize and control the phsical proerties that are desired and to minimize those that are not deired . 2.Provide for favorable stress distribute and stiffiness with minimum

weight.Oncomponents subjeted to fluctuating stress,particlar attention is given a reduction in stress concentration ,and to an increase of strength at fillets ,theads,holes ,and fits.Stress reduction are made by modification in shape ,and strengthening may be done .by prestressing treatments such as surface rolling and shallow hardening.Hollow shafts and tubing and box sections five a favorable stress distribution,together with stiffness and minimum weight .Sufficient stiffiness to maintain alignment and uniform pressure between contacting surfaces should be provided to crank ,cam ,and gear shafts and for enclosures.and frames containing bearing supports .The stiffiness of shafts and other components must be suitable to avoid resonant vibrations. 3.Use basic equations to calculate and optimize dimensions .The fundamental equations of mechanics and the other sciences are the accepted bases for calculations They are sometimes rearrannged in special forms to facilitate the determination or ptimization pf dimensions ,such as the beam and surface stress equations for determination for determining gear-tooth size .Factors may be added to a fundamental equation for conditions not analtically deteminable .e.g,on thin steed tubes an allowance for corrosion added to the thickness based on pressure . On thin steel tubes ,an allowance for corrosion added to the thickness based on pressure.When it is necessary to apply a fundamental equation to shapes ,materials,or conditions which only approximate the assumptions for its derivation,it is sone in a mannerwhich gives results on the safe side .In situations where data are incomplete ,equations of the science may be used as propotioning guides to extend a satisfactory design to new capacities . 4.Choose material for a combination of properties.Materials should be chosen for a combination of pertinent properties ,not only for stengths ,hardness,and weight,but sometimes for resistance to impact ,corrosion, and low or high temperatures Cost and fabrication properties are factors ,such as weldability,machinability,sensitivity to variation in heat-treating temperatures ,and required coating.
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5.Select carefully between stock and integral components. A previously developed component is frequently selected by a designer and his company from the stocks of parts manufactures,if the important meets the performance and reliability requirements and is adaptable without additional development costs to the particular machine being designed.However ,its selection should be carefully made with a full knowledge of its properties ,since the reputation and liability of the company suffer if there is a failure in any one of the machine`s parts .In other cases the strength ,reliability,and cost requirement are better met if the designer of the macine also designs the component , with the particular advantage of compactness if it designs integral with other components ,e.g.,gears to be forged in clusters or integral with a shaft . 6.Provide for accurate location and non-interence of parts in assembly.A good design provides for the correct locating of parts and for easy assembly and repair .Shoulders and pilot surfaces give accurate location without measurement during assembly Shapers can be designed so that parts cannot be assembled backwards or in the wrong place .Interference ,as between screws in tapped holes ,and between linkage must be avoided ,or provision must be made to minimize any resulting detrimental displacements and stresses.

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