埋弧焊小车三维设计+CAD图纸+说明书

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Submerged arc welding has the characteristics of stable welding performance and high production efficiency. It is suitable for the welding of stainless steel, copper and low carbon steel. Submerged arc welding is a kind of welding method in which the arc burns under the flux layer. Its inherent advantages of stable welding quality, high welding productivity, no arc and little smoke and dust make it the main welding method in the manufacture of important steel structures such as pressure vessels, pipe sections and box beams and columns. Submerged arc welding vehicle is a device to realize vertical welding, horizontal welding and horizontal welding. Generally, the welding car uses the track to limit its motion track. Now it is necessary to design a welding trolley that can track the weld by its own design without using the track. The structure of the trolley directly affects the stability and position of the welding trolley, as well as the welding quality. Submerged arc welding vehicle is a key equipment in automatic welding and an important guarantee to improve engineering efficiency, welding quality and automation level. In order to meet the rapid development of heavy machinery manufacturing, shipbuilding, bridge, transportation, and component industries, it is urgent to develop new type automatic welding cars that can be welcomed by users and have advanced performance, high stability and reliability, and easy to use. The design parameters of submerged arc welding vehicle in this design: walking speed 25 ~ 200cm / min; The diameter of welding wire is 3.2 ~ 6mm; The wire feeding speed is 20 ~ 200cm / min. It is required that the welding trolley shall realize the functions of walking and wire feeding (speed regulation), and have the function of guiding the submerged arc welding weld. The trolley shall travel stably, and the radial adjustment of the welding gun is small during welding. Key words: submerged arc welding; Welding; Structural design; Traveling mechanism; Wire feeding mechanism Ⅲ 目录 摘 要 Ⅱ Abstract Ⅲ 绪 论 1 第一章 埋弧焊综述及小车介绍 2 1.1 埋弧焊工艺介绍 2 1.1.1 埋弧焊原理 2 1.1.2 埋弧焊优点 3 1.2 埋弧焊车发展现状 5 1.2.1 埋弧焊车介绍 5 1.2.2 本文工作 5 第二章 埋弧焊车设计分析 6 2.1 机械传动方案设计 6 2.2 小车驱动设计 7 2.2.1 电机选择 7 2.2.2 联轴器选择 8 2.2.3 蜗轮蜗杆设计 9 2.2.4 前轮轴和后轮轴设计 11 2.2.5 轴承计算及校核 16 2.3 底盘总成 19 第三章 焊接结构设计 21 3.1 进给机构设计 22 3.1.1 进给机构总体设计 22 3.1.2 横向进给机构设计 23 3.1.3 纵向进给机构设计 24 3.2 焊枪等其余部件选择 25 结论 26 致谢 27 参考文献 28 绪 论 在工业领域中，埋弧焊广泛应用于管道、压力容器、桥梁、铁路车辆、造船等领域，是最主要的焊接生产手段。埋弧焊具有焊接性能稳定，生产效率高的特点，适用于不锈钢、铜、低碳钢的焊接。 焊接中的焊接工艺非常重要，有效的保证了焊接质量，焊接接头成形的效果。 埋弧焊的焊接是由自动送进的焊丝在预先放置的颗粒状焊剂下电弧进行燃烧，电弧不外漏，所用金属电极是不间断送进的光焊丝的焊接工艺，是一种在提高生产效率的同时，保持焊接性能稳定的 焊接方法。自从埋弧焊工艺出现之后，就在不断地发展中，至今此 项工艺已经比较成熟。因为它的高效焊接技术，在工业生产中应用非 常广泛，进入 21 世纪的今天，科学技术得到飞速发展，人们更加重 视高效化焊接，对焊接工艺不断进行突破性研究，虽然出现了多种优质、高效的新焊接工艺，但是埋弧焊的应用依然没有受到影响。 埋弧焊车在自动焊焊接中是关键设备是提高工程效率、焊接质量和自动化水平的重要保证。为了满足重型机械制造、造船、桥梁、交通运输、构件等行业飞速发展的要求迫切需要研制能够受用户欢迎的、具有先进性能、高稳定性和可靠性、使用方便等优点的新型自动焊车。 本文将按照以下参数行走速度25~200cm/min；焊丝直径3.2~6mm；送丝速度20~200cm/min进行焊接小车设计。 1 第一章 埋弧焊综述及设计目标 1.1 埋弧焊工艺介绍 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的电弧焊方法。埋弧焊工艺主要应用于钢板结构的焊接。可以焊接的材质有:碳素结构钢、低合金结构钢、耐热钢、不锈钢、复合钢板等。埋弧焊工艺广泛应用于船舶、锅炉、起重机械、冶金机械、石油管道、化工容器等工业制造部门。埋弧焊工艺的实施过程由以下四个要素组成: (l)焊接电源接在导电嘴与工件之间使通过导电嘴送出的焊丝与工件之间 生成电弧‚为焊接过程提供热能。 (2)焊丝由焊丝盘经过送丝机构和导电嘴‚送入焊接区。 (3)颗粒状的焊剂由焊剂漏斗经过软管均匀地堆敷在待焊区域。 (4)焊丝、焊丝盘及送丝机构、焊剂及焊剂漏斗、焊接控制盘等通常装在 一台焊接小车上以实现焊接电弧的移动。在正常的焊接条件下焊接小车的移动速度就是该工艺条件下的焊接速度[2]。在管道制造和锅炉膜式壁等实际焊接中电弧不移动焊接过程是在焊件(钢板和钢管)的移动条件下实现的。 2. 埋弧焊实施工艺 2.1 焊前准备 埋弧焊在焊接前的准备工作相当重要，包括焊剂烘干、焊件的 坡口加工、待焊部位的清理工作、焊件的装配以及焊丝材料的清理。 2.1.1 坡口的选择与加工 由于埋弧焊能够适用较大的电流焊接，电弧具有强大的穿透 力，所以在焊接厚度不大时，可以选择不开口焊接。但当焊件越来 越厚时，为保证焊件焊透，应该采取开坡口来进行焊接，坡口一般 为 Y 型、X 型较多。坡口加工应严格按施工标准进行，埋弧焊坡口 设计一定要依据母材稀释率较大的特点，考虑母材对焊缝性能的影 响作用，确保焊缝根部焊透和消除夹渣。依据埋弧焊电流使用范围， 当板厚小于 14 mm，可以不开 v 口，装配时留有一定间隙 ：板厚为 11–22 mm，一般开 v 性坡口 ；板厚 22–50 mm 时开 X 型坡口。坡口 加工可以使用刨边机、气割机等。 2.1.2 焊件的清理 坡口内的铁末，水锈，油污等在焊件装配前均应彻底去除干净， 凹凸部分焊前应采取打磨方式保证其平整度。焊件装配及对接中应 严格控制接缝间隙均匀，保证高低平整不错边 [1]。 2.1.3 焊件的装配 埋弧焊要求接头部位间隙合适，无错边情况，装配时依据板厚 度不同的情况，进行定间距、定位焊的实施。另外在接头部位采取 加引弧板和熄弧板，目的是避免起弧和息弧出时出现缺陷。 2.1.4 焊接材料的清理 焊丝、焊剂是埋弧焊所使用的焊接材料，在焊之前应检验并烘 干焊剂以及做好焊丝表面的清理工作，避免因杂质影响到焊缝金属 的组织、性能。 焊丝在成型后应妥善保存，注意要进行必要的防腐蚀、防锈的 处理工作，以保证焊丝表面的清洁，对于清理可利用除锈机进行。 焊剂的保存要在规定的温度烘干及做好保温工作，注意采取防 潮措施，这样做是为了更好地保证焊接质量。 2.1.5 对接接头单面焊 对接接头埋弧焊，焊件选择开口或不开口。开坡口根据焊件不同 要求，所达到的工艺目的也不同。如进行合金钢焊接时，可以控制融合比 ；而在进行低碳钢焊接时，可以控制焊缝余高等。对接接头单面焊一般选用以下方法 ：在焊剂垫上焊，在临时衬垫上焊，悬空焊等。 2.1.6 对接接头双面焊一般情况下双面焊是焊件厚度在10–40 mm 的对接接头情况下所采用的方法。接头形式依据钢种、板厚、接头性能标准的不同，一般采用 I 型、Y型、X型坡口 [2]。 1.1.1 埋弧焊原理 埋弧焊的焊接过程如图1一1所示。由连续送进的焊丝在预先堆敷的颗粒状焊剂层下燃烧电弧。电弧的热量使焊丝、焊剂及工件母材金属熔化。在电弧区由金属及焊剂的蒸气形成一个空腔‚电弧就在该空腔内稳定燃烧。空腔的底部是焊丝与母材金属熔化形成的液体熔池。空腔的顶部为熔融态焊剂形成的熔渣。熔池金属中进行着激烈而复杂的焊接冶金反应‚形成的气泡快速逸出熔池表面。高温下的液体熔池金属‚受到熔渣‚电弧区气氛的保护‚不受空气的有害作用。焊接过程中‚随着焊接电弧相对焊件的不断地向前移动‚电弧力将会把液态金属推向熔池的尾部‚并且逐渐的冷却‚凝固而形成焊缝。同时敷盖在高温液体金属上面的熔渣‚也不断冷却‚凝固‚最终覆盖在焊缝金属上而形成渣壳。在埋弧焊接过程中‚由于焊丝连续不断地送进到电弧区;焊丝端部在电弧。 在埋弧焊接过程中，由于焊丝连续不断地送进到电弧区；焊丝端部在电弧热量的作用下不断熔化；焊接小车也以一定的速度沿待焊部位向前移动；所以在埋弧焊工艺中，送丝速度、焊丝熔化速度、焊接速度三者之间应当相互配合，以达到最佳的平衡状态，才能保持焊接过程的稳定性，确保焊接结构的优良品质。 1.1.2 埋弧焊工艺优点 ⑴ 生产率高：由于埋弧焊所使用的焊接电流值比较大，相应的电流密度也比较大。焊条电弧焊与自动埋弧焊的焊接电流、电流密度比较，见表1-1[3]。因此，这种工艺的电弧熔深能力以及焊丝的熔化速度都是非常高的，如图 1-2 所示[2]。在一般情况下，I 型坡口，单面一次熔深可达 20mm。同时，埋弧焊的焊速比较高，厚 8~10mm 的钢板对接，单丝埋弧焊工艺的焊速可达50~80cm/min，而焊条电弧焊仅为 10~30cm/min[4~5]。 ⑵ 焊接质量高：由于气、渣保护作用，使得熔化的液体高温金属不与空气接触。因此，焊缝金属中含氮、氧量比较低。而且熔池金属凝固结晶比较慢，使得焊接冶金反应进行的比较充分。减少了焊缝中产生气孔、裂纹的可能性。此外，焊接工艺参数可以通过自动调节系统保持稳定；对于焊工技术水平要求不高；焊缝成形好；焊缝成分稳定；焊接接头力学性能好。总之，焊接质量高。 ⑶ 可以自动调节：在埋弧焊过程中，焊接工艺参数可以自动调节并保持稳定的工作状态。因此，既保证了焊接质量，又减轻了劳动强度。 ⑷ 劳动条件好：埋弧焊的弧光不外露，没有弧光辐射。此外，机械化的焊接工艺减轻了焊工的劳动强度。这些都是埋弧焊独特的优点。 总之，埋弧焊可以采用比较大的电流。与焊条电弧焊相比，最大的优点就是焊缝质量优良，焊接速度快。因此，埋弧焊特别适用于大型工件的直缝和环缝焊接。而且易于实现机械化。 1.1.3 埋弧焊工艺的缺点 ⑴ 埋弧焊采用颗粒状的焊剂以堆积的形式进行保护。因此，该工艺一般只适用于平焊和角焊位置的焊接。对于其他空间位置的焊接，则应采用特殊装置等技术措施，以确保焊剂对焊接区的覆盖，并且防止液体熔渣及熔池金属的流淌，才能获得优质的焊接接头。 ⑵ 埋弧焊时，不能直接观察到电弧与坡口的相对位置，应该特别注意防止焊偏。如有特殊要求应采用焊缝自动跟踪装置，以保证从导电嘴送出的焊丝对准焊缝。 ⑶ 埋弧焊使用的焊接电流比较大，电弧的电场强度也比较高。当焊接电流小于 100A 时，则电弧的稳定性较差。因此，该工艺方法不适宜焊接薄板结构。 ⑷ 由于埋弧焊焊剂的主要成分是 MnO、SiO2等金属及非金属氧化物。因此，难于焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。 ⑸ 该工艺适宜于长焊缝的焊接。由于埋弧焊机的机动灵活性比较差，焊接设备也比较复杂，短焊缝的焊接体现不出生产效率高的特点。 1.2 埋弧焊车发展现状 1.2.1 埋弧焊车介绍 船舶甲板的拼接焊缝长度为几米至几十米，由于焊缝为长直焊缝且钢板较厚，通 常埋弧焊焊机进行焊接，埋弧焊的焊接质量稳定、焊接生产率高、弧光及烟尘很少， 非常适合用来焊接此类焊缝。因此，如何提高埋弧焊的焊接适用性，实现焊接的智能 化，自动化等问题引起各大造船企业的重视，目前埋弧焊主要使用轨道式小车进行焊 接，如图 1.1 所示。然而传统的轨道式埋弧焊小车存在以下几个问题： （1）采用是轨道式的行进方式，在焊接前需要大量的时间用于对轨道的安放和校 正。 （2）轨道式的行进方式导致在焊接时焊接小车不能对轨道误差或者焊缝直线度误 差造成的偏移进行实时调控。 （3）焊接小车的行进距离和焊接长度都受限于轨道的长度，灵活性很低。 （4）轨道式的埋弧焊焊接小车由于轨道的存在，不方便携带，便携性相对与其他 焊接方法而言很差。 基于以上的问题，一种无轨式的埋弧焊焊接小车亟待研发。因为无轨式的埋弧焊 焊接小车不需要导轨式埋弧焊的焊前的调整工作，可以大大缩短焊接前的准备时间， 提高了焊接工作效率，同时在焊接过程中通过对于焊接小车上的焊枪位置进行调节， 还可以实现对焊接过程进行实时的调控，确保焊枪对准焊缝的中心。最后履带式埋弧 焊焊接小车不会像导轨式焊接小车受到轨道的限制，本身具有很大的灵活性，可以方 便迅速的在施工现场各个工作位置间移动。 1.2.1 无轨道焊接机器人发展现状 欧美及日韩地区对移动焊接机器人的研究工作开展较早，已有产品应用于实际工 程，而我国也对移动焊接机器人的研究也逐渐重视起来。 （1）国外发展现状：焊接机器人的研究在国外起步相对较早，已经摸索出了一套 较完备的机器人技术标准，在世界上众多行业内有着广泛应用，研发出的机器人更功 能更为全面，实用性更好，也更加稳定可靠，更改了很多传统工业中的作业方式。目 前为止很多国家都有着掌握高端自动化工业机器人技术的著名公司。比如美国的 Adept Technologe、AmericanRobot、STRobot，德国的库卡、CLOOS 公司，日本的发那科、 安川、川崎等机器人公司，意大利的科玛公司，瑞典的 ABB 公司，奥地利的 IGM 公 司等[7]。这些机器人公司很好的向世界证明了自动化工业设备在生产中的重要性，但同 时也逐渐在很多行业中处于垄断地位，与此同时，国外的很多高校及研究机构也在对 移动焊接机器人进行研究。 首尔国立大学的Namkug Ku等学者研制了一种自驱动移动焊接机器人。机器人用于焊接封闭双壳结构中的U形焊接区域，能够通过600mm宽、800mm高的检修孔将自 身置于双壳结构中。机器人的机械系统由八轴移动平台和六轴焊接单元组成。控制系 统由主控制器、焊接机控制器（电弧传感器板）和焊缝跟踪传感器（即触摸传感器、 激光传感器和电弧传感器）组成，主控制器嵌入安装在移动平台的背面[8]，如图1.2所 示。 （2）国内发展现状：我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代， 早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问 世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的 应用。鉴于当时的国内外形势，国家将工业机器人的开发列入了发展计划，对工业机 器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容。近年来由于我国经济的高速发 展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，全自动 焊接机器人逐渐崭露头角。随着数字化技术日益成熟，代表自动化焊接技术的数字焊 机、数字化控制技术业已面世并已稳步地进入市场。三峡工程、西气工程、航天工程、 船舶工程等国家大型基础工程有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发 展与进步。目前国产焊接机器人有沈阳新松、广州数控、上海新时达、安徽埃夫特、 南京埃斯顿等品牌产品。 潘季銮院士团队研制了一种全位置弧焊机器人，是能够在垂直陡壁上进行作业的 移动机器人，应用领域主要是用来在壁面、球面及管道等曲面上爬行焊接，如图1.4所 示。该机器人是在国内外首次研究成功的全位置爬行机构，该机构具有很强的负载能 力和良好的受控性能，运动灵活，在立面和仰面上负载能力可达120kg。随着大型结构 件的应用越来越多，这种机器人有着广阔的应用前景。这种机器人机械系统的任务是 将携带的焊接装置移动到壁面上所需达到的任意位置，移动机构主要采用履带式移动 机构，在壁面上的吸附方式主要采用电磁吸附的方式。整个系统由爬行机构、图像传 感系统、控制电路及计算机信息处理控制系统组成。爬行机构是机器人的运动动力系 统，图像传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统，以识别焊缝；控制电路 与计算机控制系统组成焊缝跟踪系统，以实现焊缝跟踪，通过控制电磁铁吸附可以达到对磁吸力的控制，使得履带块运动时能自由脱离壁面，静止时又能够提供足够大的 电磁吸附力。爬行机器人在江西省江联公司大型球罐等压力容器生产企业进行现场生 产试验，机器人自动跟踪情况很好焊接成型美观[11-14]。 上海交通大学研制了一种轮足组合全位置自主焊接机器人，该机器人设计目标是 解决在大型非结构件设备表面焊接所存在的角接焊缝等复杂焊接难点，采用轮足组合 式移动越障机构，并采用可调节永磁吸盘的运动平台，并安装五自由度机械臂以实现 焊接，如图1.5所示。机器人安装了红外传感器和超声传感器用于检测障碍物，能够通 过双目视觉进行环境识别和路径规划，通过手眼视觉系统进行智能自主焊接[15]。 1.2.2 本文工作 1、设计参数：行走速度25~200cm/min；焊丝直径3.2~6mm；送丝速度20~200cm/min。 2、设计要求：焊接小车应实现行走、送丝（调速）功能，具备对埋弧焊焊缝的导向功能。小车应行走平稳，焊接时焊枪径向调整较小。 为了达到上述设计指标，必须要对埋弧焊小车进行方案设计，主要设计到埋弧焊小车的动力机构和送丝机构。小车的行走机构我选择了两种结构，一是履带式驱动方式，其好处是地面环境适应力强，适合复杂路线及地面，二是采用轮式驱动方式，其优点是行走时平顺性好，噪音较小。第二是送丝机构，第一种采用全齿轮传动方式，焊丝首先经过校直滚轮校直以后，开始送丝。第二种是采用拉丝式送丝机构，拉丝式机构的送丝滚轮位于送丝软管之前，即安装在焊枪上，这种送丝机构灵活性好。下面详细介绍下两种方案的特点。 埋弧焊结构设计的方案一： 行走机构：采用履带式移动方式，在小车后车身上安装两个交(直)流伺服电机，小车的后驱动依靠两个后交(直)流伺服电机单独驱动两根履带，具有较强的驱动力，双履带为小车左、右配置，从动链轮的芯轮轴置于可前后和上下移动的调节滑块和弹性悬架上，在小车体的前端两侧安装有前驱动转向轮，前交(直)流伺服电机、前减速器和转向步进电机均安装在小车体的电机座上，前轮既起转向作用又具有驱动功能，小车牵引力得到增强，能满足在小车负载较大时对牵引力的需求，转向精度高。 送丝机构：采用全齿轮传动方式，焊丝首先经过校直滚轮校直以后，开始送丝。主动轮安装在电机输出轴上，为了实现一个主动轮驱动两个传动轮，要设计一个中间轮，中间轮一方面将主动轮的转动传递给两个传递轮，同时也拉开了两个送丝轮之间的距离，有利于传送焊丝。 埋弧焊部分结构设计的方案二： 行走机构：使用一级蜗轮蜗杆减速器变速装置的行走机构是在埋弧焊小车市场上被广泛应用的一种行走机构。其主要结构由直流伺服电机经过联轴器传递给蜗杆之后，再经过蜗轮减速来控制小车的速度。但是，这种变速机构的箱体一方面在加工方面很困难，加工精度需求很高，加工工艺十分复杂，装配也比较困难；精度控制好，平顺性较好。 送丝机构：采用拉丝式送丝机构，拉丝式机构的送丝滚轮位于送丝软管之前，即安装在焊枪上，这种送丝机构灵活性好，不易出现焊丝卡死现象，送丝速度稳定。但因送丝滚轮装在焊枪上，焊枪显得较重。机构不轻便。 综合上述的两种方案的优缺点，我本次设计拟采用轮式小车方式进行详细设计，采用直流电机驱动蜗轮蜗杆减速器带动车辆行走，对于送丝机构则采用拉丝式送丝机构，此方式包装灵活性好，不易出现焊丝卡死现象。附方案简图。 第二章 埋弧焊车设计分析 2.1 小车行走部分传动方案设计 轮式行走小车传动系统有很多种：三轮传动系统、四个轮子的传动系统以及其他类型的传动系统。以下是两种应用范围比较广的小车传动方案的设计。 方案一：四轮传动系统 这种四轮传动系统是在原来汽车运动系统的基础上进一步发展得到的应用广泛的一种系统。这种类型的小车传动采用两个电机单独来进行驱动两个后轮行驶，所以这里使用了直流伺服电动机作为小车的电源推动力，这种四轮传动方案的转向的小车机动性较好，适合在空间比较小的路面和过道环境中工作。它的传动系统图如下图2-1所示。 图2-1 四轮传动系统 方案二：三轮传动系统 这种三个轮子的传动系统也是先通过电机再到减速器进行增大转矩来提供动力，所以我们还是采取直流伺服电机来进行推动力的提供，电机提供的动力通过两个后轴进行传动。这种三轮类型的小车制造成本较低，简便可靠，但传动和控制的稳定性不好。其对应的传动系统简图如下图2-2所示。 图2-2 三轮式传动系统 通过以上的描述可以得出：四轮传动系统相较于三轮传动系统更加平稳，对于承受重的载荷的车辆具有较大的好处，运行时可以避免小车发生偏移，而三轮的传动系统承载能力较弱，并且在转向时会产生较大的偏移误差。所以本次设计方案采取电机驱动蜗轮蜗杆来进行增大转矩从而实现小车的运行，采用蜗轮蜗杆的传动方式也可以减小车体内部空间的使用，使得小车整体更加轻量化并且减小自身负载。 2.2 小车驱动部分的设计 2.2.1 电机的选择 首先假设估计小车的全长为0.6米，小车的宽为0.35米，小车的高为0.35米，小车的底盘板厚为0.03米，小车的车轮初设为150mm。初步将小车的负载设为30kg。考虑在负载状况下小车的最高行驶速度为200cm/min。 由于小车行走的最大速度为200cm/min，则小车的车轮的转速可为： n=200πd≈4.2 rmin (2.1) 首先由于原来确定的传动方式为蜗轮蜗杆传动，选择其传动比为：i=28 可由小车的车轮转速得电机转速 ： n电=in=117.6rmin (2.2) 由于小车本身也是有一定重量的，所以需要对小车自身重量进行计算，可得小车车架的自重为： P=200N (2.3) 由于小车的载荷主要是负载的重力，可得小车的负载为： G=mg=300 N (2.4) 求出小车所受载荷后，再分别计算各个轮子所受载荷，由于两个前轮和两个后轮是关于Y轴对称的，所以有FA=FB,FC=FD。 FZ=0 2FA+2FC−P−G=0 (2.5) MX=0 −0.5G−0.5P+2×0.64×FC=0 (2.6) 由公式2.5和公式2.6可以求得： FA=FB=57.4 N FC=FD=195.3N 在滚动摩擦阻力偶矩Mf的大小在零和最大值之间，即为： 0≤Mf≤Mmax Mmax=δFN=10.08678 N∙M (2.7) 在上述2.7公式中δ为滚动摩阻系数，由于滚动摩阻系数表可知δ一般的取值在2~10之间，所以在这取6mm。所以求其牵引力即为： F=Mmaxd2=112.1 N (2.8) 、求换算到此电机主轴上的负荷力矩（TL）为： TL=F+μWμ×D2×1G×9.81000=0.618 N∙M (2.9) 在上述2.9公式中η取为0.7，W取为1681.13N，μ则取为0.15。 、求换算到此电动机轴上的负荷惯量（JL）为： JL=J2+z1Z22J1+J3+J4=0.000041223kg∙m2 (2.10) 在上述公式2.10中J1为小车车轮的转动惯量；J2为蜗杆的转动惯量； J3为蜗轮的转动惯量； J4为蜗轮轴的转动惯量。 、电机的选定 由于该小车是个有负载的车，在小车焊接时需要对焊缝进行精确的定位，所以先选择伺服电机。伺服电机拥有比普通步进电机更加良好的定位，使得小车不易偏移受控制的路径，其抗过载能力较强，还能够承载较高的额定转矩下的负载，能够在出现负载较高的情况下断开连接，以达到保护电机和小车整体的作用，这样不仅可以降低维护小车的成本还能降低维修小车的成本，而且转速较高可以达到三千转及以上，并且在低转速下运行较为平稳，响应速度也较快，相较于其他类型的电机有高速响应的特点。 伺服电机的主要参数是功率（KW），但选择伺服电机时，并不能按照功率来选，而是通过刚才上述计算的额定转矩和负荷惯量的值大小，在这里我们选择直流伺服电机型号为2342l012CR，额定功率17W，额定电压12V，负载时转速120rmin 。 2.2.2 联轴器的选择 因为我们选用的直流伺服电机的轴颈为φ10mm，在强度要求高的情况下，需要对轴径进行加强，所以联轴器与蜗杆轴相接触连接的地方的轴径初步选为为φ14mm。 图2-3 联轴器结构图 首先考虑采用的是安全联轴器，这样在正常运行负载的状况下可以保证一定的负载，当负载超过电机和小车的最大负载时，可以通过安全联轴器的断开，来保护电机和小车的整个框架，防止其发生意料之外的安全事故和无必要的财产损失。其次是在安全联轴器中需要对销钉进行计算和选用，销钉的直径大小可以按照剪切强度的计算来进行选择： d=8KTπDmZ[τ]. (2.11) 对于销钉的材料我选择的是45号钢然后并对其进行调制处理，其参数为：σb=638Mpa, σs=354Mpa.硬度为217~255HBS。 对于销钉的许用应力进行计算可得： [τ]=(0.7~0.8) σb=477.8Mpa. (2.12) 通过查过载限制系数的选用表可知取： 过载限制系数K=1.6，T=0.586N∙m。 将上述数据带入公式2.11中进行计算可得d=0.647mm，所以先选用d=5mm的销钉，此时符合剪切强度的要求。 2.2.3 蜗轮蜗杆设计 1、蜗杆的传动设计 根据国家标准 GB/T 10085-2018的表，将采用渐开线蜗杆传动方式。 2、对于蜗轮蜗杆材料的选择： 在蜗轮蜗杆减速器传动系统中，考虑蜗杆传动效率不是非常大，蜗杆主要承受了较大的应力，并且在传动过程中磨损严重，所以蜗杆的材料选用应满足较好的耐磨性，所以我先选用的是45钢材质的蜗杆，以确保其稳定性，而蜗轮则需要选择柔性一些的材料，最好有较好的自润滑，所以这里的蜗轮则选择灰铸铁HT200制造。 3、蜗杆的传动计算： 由于蜗杆在车身后方进行传动，所以我们先要确定蜗轮上的转矩T2，按照蜗杆头数Z=1,故首先先确定效率系数η=0.7。 T2=9.55×106×Pηn1i2=795N∙m (2.13) 图2-4 蜗轮蜗杆受力分析图 同理可得T1=28N∙m 由上面所得的数据带入公式计算各力大小可得： Ft1 = Fa2 =2T1d1=19.24 N (2.14) Fa1 = Ft2 = 2T2d2=269.86 N (2.15) Fr1=Fr2=Ft2tan20°=98.22 N (2.16) 4、 按齿根的弯曲疲劳强度计算： 根据渐开线蜗轮蜗杆传动的设计准则，可以按齿根弯曲疲劳强度进行设计。 蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况，多数发生在蜗轮齿数较多或渐开线传动中。 齿根的弯曲疲劳强度计算公式为： m2d1≥1.53kT2Z2[σF]YFa2∙Yβ (2.17) 查表确定其中的载荷系数K取值，由于工作载荷较稳定，故取0载荷分布不均系数Kβ=1， 选取使用系数KA =1. 15。由于转速不高，冲击不大，可取动载系数Kv=1. 1,则K为： K=KA∙Kβ∙Kv=1.265 (2.18)查表可得出蜗轮的基本许用弯曲应力[σF]=48 Mpa。由于之前的初步选用的传动比为28，可设蜗轮的齿数Z2 = 28 ，取分度圆导程角γ = 3°10'48''，求得蜗轮的当量齿数为： ZV2=Z2cos3⁡γ=28.13 (2.19) 根据x2=0，ZV2=28.13，查机械设计表可知YFa2=2.55，且螺旋角系数为： Yβ=1−γ140°=0.9773 (2.20) 将上列公式2.17到2.20所计算到的数据带入公式2.17中，得到齿根弯曲疲劳强度是满足要求的，初步设计的参数符合要求。初取模数m为1.5，求得d1=20，d2=42。计算蜗轮蜗杆其他技术参数可得： 中心距：A=12(d1+d2)=31 mm (2.21) 分度圆直径：d1=20mm； d2=42 mm； 蜗杆头数：Z1=1； 蜗轮齿数：Z2=28。 5、蜗杆以及蜗轮的参数计算和确定： （1）蜗杆： 轴向齿距：Pa=πm=4.71 mm (2.22) 齿顶圆直径：da1=d1+2ℎa∗m=24 mm (2.23) 齿根圆直径：df1=d1−2m(ℎa∗+c∗)=17.1 mm (2.24) 蜗杆轴向齿厚：Sa=12πm=2.355 mm (2.25) (2)蜗杆传动比：i=z2z1=28 (2.26) 蜗轮分度圆直径：d2=mz2=42 mm (2.27) 蜗轮喉圆直径：da2=d2+2m(ℎa∗+x2)=45 mm (2.28) 蜗轮齿根圆直径：df2=d2+2m(ℎa∗−x2+c∗)=38.1 mm (2.29) 蜗轮咽喉母圆半径：rg2=a−12da2=9 mm (2.30) 6、对于精确的等级公差还有表面粗糙度的选定： 因为我此次设计的埋弧焊接小车是属于准确的传动，所以在国标中选择较高的标准进行生产制造，有利于提高埋弧焊接小车跟踪焊缝的定位和传动，所以从国标GB/T 10089-2018圆柱蜗杆中选择了七级精度的蜗轮蜗杆传动。 7、对于蜗轮蜗杆的热平衡进行计算： 由于我选择的是渐开线蜗轮蜗杆传动，对于渐开线蜗轮蜗杆的传动会将所产生的热量传递到空气中，所以这里我并不需要进行热平衡的计算和校核问题。 2.2.4 前轮轴和后轮轴设计 （1）小车前轮轴的设计 因为小车前轮轴只受到了弯矩的作用而没有受到任何扭矩的作用，所以前轮轴属于心轴。求作用在小车前轮轴上的力有： 因为F=Fc F1=F2=12FC=97.7 N （2.31） （2）小车前轮轴的结构设计 、我进行初步设计的初步装配方案是：通过用轮辐版、螺母、套筒、和滚动轴承等零件依次进行安装装配，这是对轴上各段的初步安排。 、先可以初步根据小车前轮轴的轴向定位的要求来选定设计各轴段的直径和长度。我先初步选用滚动轴承，因为埋弧焊接小车的前轮轴要进行转向的动作，因而受到了大量的弯矩作用，所以我采用了单列的深沟球轴承。通过对常规深沟球轴承尺寸对照表我选取了深沟球轴承的型号为6005型：d × D × T= 25× 47 × 12，由此尺寸参数我可以初步确定埋弧焊接小车的前轮轴的轴端面直径取∅ 25 mm，而且埋弧焊接小车的车轮内孔取∅ 42 mm。右端滚动轴承运用了轴肩进行定位，轴肩取32mm,是因为6005型号的滚动轴承在轴肩为3.5mm的轴中间支撑处取40 mm，可以使其具有良好的支撑作用，并且在靠近左端轮辐处增加一个46 mm的轴端，况且此轴段长为5 mm。已知轮辐的宽度为50 mm。由于采用了螺母紧固链接，所以压紧段端面应略短于轮辐宽度，所以取值为48 mm。确定轴上圆角和倒角尺寸，取轴端倒角为1×45°，各轴肩处的圆角半径为R1。 、对于埋弧焊接小车的前轮轴上零件的周向定位： 埋弧焊接小车前轮两端与轴的周向定位采用平键连接，从机械设计手册的平键选用表上可得平键选用b × h = 6 × 6，长度选为42 mm。 、求取小车后轮轴上的载荷： F1 = F2 = 12 FC = 97.7 N ( 2.32 ) L1 = L2 =115 mm ( 2.33 ) Mc=− F1 L2 = - 11235.5N ∙ mm ( 2.34 ) 、对小车前轴进行弯曲应力的校核： 图2-5 小车前轮轴的载荷分布图 这里由图可知最大的弯矩在轴的中间位置，Mc= - 11235.5 N ∙ mm ，所以我对此截面进行了强度的校核： σca = MW ≤ [σ−1] (2.35) 由于采用了45号钢，对其进行调制之后 σ−1 = 60 Mpa 所以 W = π d33 2 - b t (d − t )23 2 = 187.3 (2.36) 将公式2.36中所计算出来的数据带入2.35公式中计算于是可以得到： σca = 59.91 M pa 由于这里所计算出来的σca ≤ σ−1，所以我所选择的小车前轮轴满足了一定的强度要求，可以使用。 （ 3 ）埋弧焊接小车的后轴计算及其设计： 由于小车的后轮轴在使用过程中不仅受到了弯矩的影响而且还受到了扭矩对它的影响，所以小车的后轮轴就属于转轴了。 、由之前蜗杆传动计算已知了小车的后轮轴功率为： P2 = P η = 0.09 × 0.7 = 0.063 KW (2.37) 小车的后轮轴转速为：n2 = n = 4.2 r / min 小车的后轮轴转矩为：T2 = 795 N ∙ mm 、同样由之前的蜗杆传动计算已知了作用在蜗轮上的力为： Ft2 = 269.86 N Fa2 = 19.24 N Fr2 = 98.22N 、先初步确定小车后轴的最小直径： 由于F3 = F4 = 12 × FA = 28.7 N，但由于没有具体数值参考，所以我先假设L3= L4 = 200 mm。先假设此轴中心所受载荷最大，由力矩公式可以得到： M中 = - F3 L3 = 5740 N ∙ mm。 假设我先取后轴最小直径Dmin=30 mm。 将上述的计算得出的数据带入之前前轴计算公式2.35中有： σca = MW ≤ [σ−1] 因为W = π d33 2 - b t (d − t )23 2 = 694.9 于是σca = 8.26 < [σ−1],由此可知小车的后轴直径可先取Dmin=30 mm。 小车的后轴结构设计与前轴大体上相同，但是后轴由于中间加上了蜗轮蜗杆的传动，所以显得有点差异。下面来计算小车后轴的各段直径和长度。首先先预选滚动轴承，因为此时的轴承需要具有同时承受径向力和轴向力的作用，轴向力承受小，所以先选定深沟球轴承，先初选6206型号的深沟球轴承，它的尺寸为d × D × T= 30× 62 × 16，所以小车后轴上两轮辐端轴长为10 mm。先将小车后轴上蜗轮蜗杆设计在靠左端125 mm处，这样可以防止负载过于集中。 L1 = L2 = 75 mm L3 = 200 mm。 、在水平面上求其支座反力以及强度的校核： 图2-6 小车后轮轴的载荷分布图 其中有： FNH1 = FNH2 = 12 Ft2 = 134.93 N。 （2.38） 三个集中力作用在后轴截面上的弯矩为： MHD = FNH1 ∙ L1 = 10119.75 N ∙ mm。 （2.39） MHA = MHB = 0 由静力平衡方程求出A、B两点的支座反力。 FNV1 = Fa1 =19.24 N 。 Ma = Fa2D2 = 404.04 N ∙ mm 。 (2.40) MA = 0，- Fr2 ∙ L1 - Ma + FNV2 ∙ 2 L1 + F ∙ ( 2 L1 + L3 ) = 0 (2.41)由公式2.41可以求得： FNV2 = -3870 N。 Fy = 0, FNV1 + FNV2 + F - Fr2 = 0 (2.42) 由公式2.42求得：FNV1 = 2287.22 N。 求：MVA = MVc = 0; MVD左 =171541.5 N ∙ mm; MVD右 =171945.54 N ∙ mm; MVB = 336226 N ∙ mm。 （ 4 ）、计算A、B、C、D的总弯矩M： MA = MAC = 0; MD1=MHD2+ MVD右2 =171839 N ∙mm。 (2.43) MD2=MHD2+ MVD左2 = 172243 N ∙mm。 (2.44) 小车后轴的转矩：T = T2 = 795 N∙mm。 对小车后转轴进行强度校核： σca = MD22+(αT)2W = 15.26 M p a (2.45) 其中： W = π d33 2 - b t (d − t )23 2 = 11289。因为选择小车后轴材料为45号钢材，进行调制处理σ−1=60 M p a ， σca < σ−1，实际应力强度小于许用应力，所以后轴强度符合条件，满足了使用要求。 2.2.5 轴承计算及校核 由于埋弧焊接小车后轮轴上所受载荷及扭矩比前轴更大，所以在此我仅对后轴上的轴承进行计算以及强度的校核。对于轴承的选用要求，应该满足轴承的寿命 Lℎ 要大于2500h，由于之前计算出来了轴的转速为106.16 r / min,现在可以先计算小车后轮轴上轴承左端的径向载荷： Fr1= FNH22+ FNV12 = 2291 N ; (2.46) 右端轴承所受的径向力： Fr2= FNH22+ FNV22 = 136 N 。 (2.47) 从上面两个公式所得出来的结果可以看出来，明显左端的轴承所承受的载荷要大于右端轴承所承受的载荷，所以我仅对左端的轴承进行了强度的校核。 （ 1 ）由于在轴的尺寸计算中初步选择了6206型轴承，它的技