基于CAD技术的网球自动发球机的机构设计

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Through the rotation of a friction wheel on the tennis friction, to obtain kinetic energy, and thus fired, and then design principles for the mechanical structure of the core part of the other auxiliary structure of the structural design to achieve the pre-set tennis The requirements of the various parameters of the machine. In this process, the specific structure size was determined, and the more critical shaft, key and other bearing parts were checked and calculated. Finally, the 3D model of the tennis ball machine is constructed and the simulation of the motion is carried out by checking and calculating the specific parameters. Through the above design verification calculation and modeling and simulation, the design of the tennis ball machine is completely feasible. Tennis ball machine is the combination of electronic technology and mechanical technology of modern sports equipment, the current sports industry in China is in a high-speed development stage, the demand for a variety of sports equipment will gradually increase, therefore, the tennis ball machine research Great practical significance and economic significance, will greatly promote the development of tennis sports career. Keywords tennis dispenser institutional design computer aided design steering wheel strength checking II 目 录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 本课题的研究意义 1 1.2 网球发球机的发展 1 1.3 国内外网球发球机的研究现状 2 1.3.1 国外网球发球机的研究现状 2 1.3.2 国内网球发球机的研究现状 4 1.4 本文的主要内容 5 2 网球发球机总体方案的设计 6 2.1网球发球机的工作原理 6 2.2网球发球机的总体方案 7 3 网球发球机发球机构的设计 8 3.1 确定网球发球机的具体技术参数 8 3.2 网球发球机发球机构的设计 10 3.2.1 摩擦轮的设计 10 3.2.2 电机的选型 11 3.2.3 联轴器的设计校核 13 3.2.4 网球发球机的主轴设计 15 3.2.5 键连接的设计校核 22 3.2.6 箱体框架的设计 25 4 网球发球机送球机构的设计 27 4.1 旋转机构 27 4.2 输球管道 28 结论 29 致谢 30 参考文献 31 III 1 绪论 1.1 本课题的研究意义 网球发球机是将电子技术和机械技术结合起来的现代化体育设备，目前我国的体育事业正处于高速发展阶段，对各种体育设备的需求也会逐渐增大，因此，对网球发球机的研究有很大的现实意义和经济意义，也会极大的推动网球体育运动事业的发展。 1.2 网球发球机的发展 近年来，随着科学技术的发展，人们生活水平不断的提高，人们对自己的身体素质也变得更加重视。为了对自己的身体素质进行培养和强化，体育运动便逐步发展起来。自体育运动产生以后，强健体魄和娱乐也成为它的的主要作用。 作为一项充满竞技性而又优美的体育运动，网球运动越来越受到人们的热爱。网球的起源和发展可以概括为四句话：孕育于法国，诞生于英国，普及在美国并形成高潮，如今在世界上盛行，被誉为世界第二大球类运动。网球大约于十九世纪八十年代前后传入中国，随后逐渐在中国盛行开来，尤其受到年轻人的喜爱。现在的网球运动也已经成为人们进行运动时的主要项目之一，在各大高校体育场也都建设了与网球运动相匹配的运动场地，网球运动在我国大城市和发达地区已经逐渐的普遍化，城市中的人们也越来越热衷于网球这项现代体育运动。但是，对于网球的初学者，想要在短时间内快速提高网球技术，没有完善的配套练习设备是较难以实现的。目前，国内大部分网球练习设备仍存在一定的不完善，特别是网球练习中所使用的发球机，技术含量低、价格高、质量不好，这些问题都会影响人们的练习体验。因此，研制科技含量高、价格低廉、美观耐用的智能网球发球机具有很大的社会意义和经济意义。图1-1为常见的网球发球机。 图1-1 网球发球机 网球发球机的发明专利是美国的于1998年所申请的，后来，各个国家也投入网球发球机的研发工作。其中，美国和日本的研发工作一直处于领先地位。他们对发球机的研发主要集中在发球机构的设计，目的是能够使网球发球机实现上旋球、下旋球、侧旋球、直球、高吊球、网前球、后场球、底线球、短截击球及边线球等。我国对发球机的研发工作相对较晚，但是也出现了很多关于网球发球机的优秀厂家。但是，我国主要的网球发球机的制造厂家还是使用外国的网球发球机的设计方案。 本课题通过对网球发球现状的分析，从而确定了一种较为有效的发球方案，并对此方案的网球发球机的机构进行设计校核，对输球机构和发球机构进行了改善，最后得到了一种较为合理的网球发球机的设计方案。 1.3 国内外网球发球机的研究现状 目前，市面上的网球发球机主要都是利用双轮对转的原理进行网球的发射。网球通过专门设置的通道后，被送到两个相对运转的摩擦轮之间，通过两个摩擦轮对网球的摩擦力，使网球得到一定的动力，从而使网球发射出去。两个摩擦轮则是通过两个独立的电机进行驱动，这样可以使两个电机分别具有不同的速度，以便对网球的速度和旋向的控制。 1.3.1 国外网球发球机的研究现状 目前，国外研制网球发球机的厂家很多，而且他们对网球发球技术的研发比国内早很多。国外所研发的网球发球机可以用来发出上旋球，下旋球，网前球，后场球，底线球，短截击球及边线球等。这类网球发球机能够满足普通大众的练习需求，同时，也比较适合职业运动员的训练。在这些网球发球机的制造厂商中，制造技术处于领先地位的是美国TUTOR制造厂商和LOBSTER制造厂商。 美国的一些网球发球机的制造厂商所制造的网球发球机不仅在发球机构上较为先进，而且在控制方面十分先进。这些发球机大多数都可以使用计算机进行远程控制，操作十分方便。在发球机上安装上速度传感器后，还可以对网球的速度进行实时监测。 1.3.1.1 Tutor网球发球机 Tutor网球发球机采用两个旋转方向相反轮子，而且两个轮子之间必须设置一定的距离，该距离必须小于网球的直径，当球从所设置的通道被送至两摩擦轮之间时，由于摩擦轮的高速运转而会对网球产生一定的摩擦力，从而使网球发射出去。这种网球发球机的出球口位于整个发球机的前部，通过出球口可以看到两个上下布置的摩擦轮，它们的中心轴相互平行。当网球通过时，通过快速旋转将球挤压射出。此情况与被打滑的车轮所挤出的小石子情况类似，只不过一个是两个轮子共同摩擦起作用，另一个是只有一个轮子摩擦起作用。发球机中的两个旋转轮通过电机进行驱动，网球受到两个轮子的摩擦力，获得一定的动能，从而发射出去。通过调节两个电机的速度，使它们分别获得特定大小的速度，就可以控制发出的球的初速度和旋向。控制驱动电机的输入信号，对两个摩擦轮进行速度控制，使它们产生不同的速度时，即可发出上旋球或下旋球：当下面轮子的转速大于上面轮子的转速，此时，网球下边缘的速度大于上边缘，发出的球即为上旋球。当上面轮子的转速大于下面轮子的转速，此时，网球下边缘的速度小于上边缘，发出的球即为下旋球。当两轮的旋转速度一样时发出的球即为平击球。 这种方案简单高效，而且还能保证发球的稳定性，对网球球的初速度，旋转方向控制也较为简单。这种网球发球机的设计方案所制造的发球机性能很好，所以，市场上大多数发球机都是使用的双轮对转的原理设计的。但是，这种网球发球机同时需要另个控制电机对摩擦轮进行控制，因此，它的机构很可能会存在一定的缺陷，必须进行机构的强度校核才能安全使用。图1-2为Tutor网球发球机。 图1-2 Tutor网球发球机 1.3.1.2 Lobster网球发球机 Lobster制造厂商所制造的网球发球机采用的是空气压缩原理，因此必须使用空气压缩机来实现网球的发射。这种发球机前面带有长桶，其外形结构类似照相机。网球首先被输送到长筒的底部，长筒底部有一个直径小于网球直径的窄口，这个窄口能将传送至窄口前网球挡住，等待空气压缩机压缩空气，对待发射的网球产生推力。空气压缩机启动后，使经过压缩的空气挤压处于窄口前的网球，当这个挤压力到达预定值时，网球就被发射出去。当需要旋球时，通过调节长筒的倾斜角度来控制网球的旋向，当发射出来的网球的上部被发球机管道摩擦到的时候，所发出的球为下旋球，当发射出来的网球的下部被发球机管道摩擦到的时候，所发出的球为上旋球。这种网球发球机主要利用气体的压力能为动力，因此，需要非常多的机械构件，因此结构复杂，而且体积较大。它的主要缺点有三点：一是发球过程中，噪音大；二是由于网球经常与管壁进行摩擦，对网球表面的磨损很大，会使网球的使用寿命大大缩短；三是因为压缩空气所要消耗的功率很大，使用普通的蓄电池已经不能满足其功率要求，因此，一般采用220V交流电进行供电。它的优点是价格相对比较低。图1-3为Lobster网球发球机。 图1-3 lobster网球发球机 目前，市面上的大多数发球机采用的工作原理都是双轮对转原理。这是由以下几个原因造成的，一是采用对转双轮原理制造的网球发球机所提供的发球性能比空气压缩发球机所提供的性能更好。二是空气压缩发球机在运行时噪音非常大，影响使用者的使用体验。三是由于空气压缩机所消耗的功率很大，因此难以使用电池来供电，只能使用电源供电，使用灵活性较低。 1.3.2 国内网球发球机的研究现状 国内的网球发球机虽然发展十分迅速，但是由于对发球机的研发起步较晚，制造厂商还很少，其中，处于领先地位的的是斯波阿斯体育用品制造厂商。该厂商位于中国广州东莞市，利用对转双轮的原理，通过两个转轮和球之间的摩擦力来获取动能，从而将网球发射出去。它可以根据使用者的要求，调整不同的适合使用者的发球模式，还可以通过智能遥控对速度、频率、角度和旋向等参数进行设置。斯波阿斯牌的网球发球机的电源为大容量锂电池，一般可达到5到6小时的使用时长，不仅能够满足普通使用者的需求，即使是专业的网球运动员，也可以使用斯波阿斯发球机进行长时间的训练。该网球发球机的主要使用参数见表1-1。 表1-1 斯波阿斯网球发球机参数表 品牌 电源 功率 发球速度 发球频率 (秒/球) 装球容量 （个） 斯波阿斯 交直流两用 电源 150 90~140 1.8~8 160 它的主要优点是，速度快、便于携带、经济实惠，能够实用软件进行远程操作，而且可以设置不同速度、旋转及相应俯仰角度，实现独特的深浅高压球功能。 图1-4 斯波阿斯网球发球机 1.4 本文的主要内容 （1） 对现有各种网球发球机的发球方案进行分析，对比各种网球发球方案的优点和缺点，对各个发球原理进行综合评价，得到最优的设计方案。 （2） 对设计方案中的各个部分进行机构设计，确定零件的型号参数。使其能够完成网球的发球工作。 （3） 对其中的关键零部件进行校核，保证整个发球机运行的可靠性，尽可能提高网球发球机的寿命。 （4） 对网球发球机进行三维模型的构建，更加直观的表示出各个零件的具体结构。 2 网球发球机总体方案的设计 2.1网球发球机的工作原理 目前，对于市场上各种各样的网球发球机，它们的生产厂家不同，因此，其结构和工作原理也各不相同。下面，简要分析一下现有的各种网球发球机的工作原理，以确定最优的网球发球机的工作原理。 考虑到使用的经济性和便携性的原则，网球发球机需要采用锂电池进行供电，同时考虑到使用寿命，对以下几种方案进行对比。 压缩空气原理：采用这种工作原理进行发球，虽然价格较低，但是由于空气压缩机的噪音较大，功率消耗十分巨大，效率较低，而且采用空气压缩机后，不能采用锂电池供电，因此，使用较为不便。所以，一般不采用压缩空气的原理进行设计。 利用板簧，弹簧实现发球的原理：采用这种工作原理进行发球，首先要使用电机对板簧或者弹簧做功。使板簧或者弹簧储存一定的能量。然后撞击网球，使网球获得一定的动能，从而被弹射出去。这种发球方式会有很大的冲击和震动，使网球发球机各元件的使用寿命缩短，效率较低，而且很难对其发球速度和旋向进行控制。 利用双轮对转的原理：采用该原理的网球发球机，其性能较高，而且能较为方便的控制发球速度和旋向，可以使用锂电池进行供电，携带方便。 由于双轮对转网球发球机具有的众多优点，因此本文采用双轮对转的原理作为基本工作原理。当网球从管道中出来后，遇到两个高速旋转的轮子，通过轮子对网球的摩擦作用，使网球获得一定的动能。从而使网球发射出去。当需要上旋球时，调节轮子的转速，使下面轮子的转速大于上面轮子的转速，此时，网球下边缘的速度大于上边缘，发出的球即为上旋球。当需要下旋球时，调节轮子的转速，使上面轮子的转速大于下面轮子的转速即可。当需要发射平击球时，只需将两轮速度调节相同即可。图2-1为双轮对转原理图。 图2-1 双轮对转原理图 通过双轮对转原理图可以清楚的看出，当电机带动两个轮子高速旋转时，从专用通道滑出的网球会受到轮子的摩擦，使网球获得一定的动能，网球便会高速发射出去。这种方案的优点很明显，它可以很容易的保证网球发射的初速度，而且十分稳定，它还能够改变发射的角度和速度，便于用户根据自身情况进行调整。 2.2网球发球机的总体方案 由于选择了双轮对转进行发球机的工作原理，而且所用到的两个摩擦轮需要具有不同的速度，才能控制所发网球的具体速度，因此需要用到两个电机对两个摩擦轮进行控制。为了能够方便地控制网球的发球频率及网球的运行轨迹进行控制，还需要设计一个送球机构，本方案使用了旋转机构和输球管道作为送球机构，通过改变旋转机构的速度，从而来控制到达发球机构的网球的频率。根据以上F分析，得到的总的网球发球机的原理图如图2-2所示。 图2-2 网球发球机结构示意图 根据结构示意图，可以将网球发球机分为发球机构和送球机构，下面分别对发球机构和送球机构进行设计。 3 网球发球机发球机构的设计 机械的设计质量是机械的总质量的主要影响因素，因此，机器的设计阶段是决定机器是否完善的重要步骤。再机器的设计阶段中最关键的是方案设计阶段。一般一部机器的设计方案有多个解，这时就要求设计者根据具体情况确定最优的设计方案，从而达到既能满足使用要求，又能满足经济要求。方案设计阶段也分为几个步骤，首先是机器的具体使用功能分析，就是要确定出能满足使用目的机器的最低要求及正常工作时所要达到的功能参数，作为下一步设计的根据。确定功能参数后，就可以确定出合适的设计方案。工作原理不同，最后成型的执行机构的具体结构也是不一样的。然后，再选出能够在技术上实现的方案，对这些方案从经济、环保等方面进行对比评价，最后进行决策，筛选出最优的设计方案。因此，必须重视对网球发球机机构的设计，这样才能保证发球机发球的可靠性。 为了能够清晰的表示出各个零部件之间的装配关系以及各个零件的具体结构，使用软件对各个零件进行了三维模型的构建。 3.1 确定网球发球机的具体技术参数 经过初步的方案设计，先将网球发球机的设计分两部分进行，即送球机构的设计和发球机构的设计。要想对这两方面进行完善的设计，首先必须了解清楚网球的网球场地的具体参数。 网球场是一个矩形，它长，宽。在球场中间悬挂有球网，球网顶端距地面的距离为1.07米。其悬挂在一条最大直径为8出的绳索上。 网球的直径在65.41和68.58之间，重量在56.7和58.5之间。为此，必须使网球的初速度在一定的范围内，才能使网球既不会出界，又能落在特定的区域内。图3-1为标准网球。 图3-1 标准网球 为了方便对网球发球机的设计，首先需要对网球的初速度进行分析。这里，忽略网球自身的旋转对运行轨迹的影响，则网球在的轨迹可以看做是在二维空间里的斜抛运动。 根据所设定的技术参数，网球的发球距离为10-12，发球高度为2.5，飞行过程受重力和摩擦力作用，这里，由于空气阻力对球速的影响极小，因此，为了方便计算，忽略空气阻力对网球飞行运动的影响。设水平方向为方向，竖直方向为方向，可以把网球的飞行轨迹看做在一个垂直面内的斜抛运动，能够得到理想情况下网球飞行轨迹的示意图。图3-2为理想情况下的网球飞行轨迹图。 图3-2 网球飞行轨迹示意图 则根据斜抛运动的物理学规律，可以得到， 式中——网球的初速度在方向的分量，； ——重力加速度，； ——网球上升过程所使用的时间，； ——网球下降过程所使用的时间，； ——网球到达最高点的高度，； ——网球发射点距离地面的高度，； ——网球落地式的速度在方向的分量； ——网球速度在水平方向的分量； ——网球出发点和落地点在水平方向的距离。 将现有的已知条件整理：飞行高度，飞行的水平距离，重力加速度，由具体模型得到的网球发球口距离地面的距离为，代入上式可得：，网球发射初速度为 （3-2） 式中——网球的瞬时速度。 将，带入可得：。 结合使用要求和经济性要求，得到的网球发球机的具体技术参数如表3-1所示。 表3-1 发球机具体参数表 外形尺寸 整机重量 发球速度 供求频率（个/分） 储球数 （个） 发球距离 发球高度 20 80-120 30-240 200 10-12 2.5 3.2 网球发球机发球机构的设计 发球机构是整个发球机的主题部分，对网球的初速度以及旋向起着直接的控制作用，发球机的性能好坏，主要是看发球机构设计的是否完善。发球机构主要由电机，固定板，摩擦轮，联轴器，主轴等组成。双轮对转机构效果如图3-3所示。 图3-3 发球机构 3.2.1 摩擦轮的设计 摩擦轮的主要材料采用硬脂塑料，为了增强摩擦轮与网球表面的摩擦力，在其表面覆盖上一层1厚的硅胶。然后是摩擦轮直径的确定，摩擦轮的直径过大，会影响整机重量，还会影响各个零件的位置布置问题，导致整体结构不紧凑；摩擦轮直径过小，则由于摩擦轮的线速度，为了能够给网球提供足够的动力，在摩擦轮直径很小的情况下，只能通过增大摩擦轮的转速，即提升电机的主轴转速来使摩擦轮达到所要求的线速度，这会设计高速电机的配置问题，增大网球发球机的总成本，还会影响网球发球机整体的稳定性。因此，综合各方面的影响因素，最终将摩擦轮设计成直径120宽度30的滚轮形状。 为了减轻整机重量、降低电机的启动转矩，应该将摩擦轮的重量尽可能的降低，因此，除了摩擦轮用来撑起硅胶的最外层圆周，用该尽量减低摩擦轮的厚度，但是厚度降低后，会使摩擦轮的强度大幅降低，这里，本方案只用了筋板来适当增大摩擦轮的整体强度，这样即降低了摩擦轮的重量，使整机重量得到了降低，也防止因为厚度过小而使摩擦轮的强度过低。 考虑到摩擦轮与主轴的周向连接采用键连接，因此，需要在摩擦轮内表面的圆周上制造出键槽来，该键槽的尺寸将在后面轴的设计轴进行分析设计，这里暂不计算。摩擦轮的整体结构如图3-4所示。 图3-4 摩擦轮结构图 3.2.2 电机的选型 电动机可以把电能转化为机械能，是现代机械中常用的能源装置，它将线圈通电后，产生旋转磁场，转子在旋转磁场中受到旋转扭矩的作用，从而将电能转化为机械能。其使用可靠，价格低廉，结构紧凑，控制方便，越来越广泛地应用于各种及机器之中。 由于电机越来越常见于各种机械系统中，因此，电机的选型问题成为一个十分关键的问题。电机的选型需要考虑多方面的影响因素，其中主要考虑以下几个方面。首先需要考虑执行机构所需要的运动形式及执行机构所需要的功率，以此来确定出电机的主要类型，然后要考虑电机的效率、安装方式、价格和一些其他的机械特性。所选电机应该满足能够使执行机构安全、节能、高效的运行。在电机选择过程中最关键的问题是电机所需功率的确定，应该在能够满足执行机构正常运转的情况下，选择经济最优的电机类型。 按照电机所使用电源的种类来划分，电机可以分为直流电机和交流电机两大类。其中直流电机按照具体工作原理可以分为无刷直流电机和有刷直流电机两种。本文使用的电机需要对其具体输出速度进行精确控制，因此应该选择控制性能较好的直流电机。 电机的主要参数是其额定功率和额定转速，因此，电动机在选型时，主要确定其额定功率和额定转速。首先，确定其额定功率，这个额定功率必须与负载的功率相适应，依次保证满足负载的正常工作。考虑到摩擦轮的速度会直接影响网球的速度，因此，可以根据设计参数中的网球的初速度范围来求解出摩擦轮的速度范围。网球的发球速度为80到120，即为摩擦轮的线速度范围，因此，可以求解出轮子的角速度范围： （3-3） 式中——摩擦轮的线速度，； ——摩擦轮的半径，； ——摩擦轮的角速度，。 从而，摩擦轮转速范围为 （3-4） 式中——摩擦轮的线速度，。 因此，也即主轴的转速范围为。 接着，进行网球所获得的能量的计算，取网球的质量为57，即0.057，则网球的所获得的动能的计算公式及数据带入计算如下式。 （3-5） 式中——网球所获得的能量，； ——网球的质量，。 下面计算作用在摩擦轮上的力矩，设为网球作用在摩擦轮上产生的力矩，则其计算公式如下。 （3-6） 式中——网球刚度； ——压缩距离； ——摩擦系数； ——滚轮半径。 代入数据计算得到，由于电机直接带动摩擦轮，因此，功率损失较小，只需选取额定功率较小的电动机即可。考虑在工作过程中会有其他因素影响电机，因此，最终确定的电机的具体参数如表3-2所示。 表3-2 电机具体参数 产品规格 电压 电流 转速 DC-90 24 5.5 6000 采用这种电机，与其相配合的电源则可以采用常见的锂电池供电，它具有轻巧、方便、环保等众多优点。 3.2.3 联轴器的设计校核 为了将电机的运动和转矩传递到主轴上，需要用到联轴器。联轴器的作用是用来把两轴连接在一起，以传递运动和转矩。 3.2.3.1 联轴器的分类 联轴器主要有刚性联轴器和挠性联轴器两大类，在被连接的两轴之间有相对位移时，刚性联轴器是不能对两轴之间的位移进行补偿的，但是挠性联轴器可以对相对位移进行补偿。其中，挠性联轴器还可以分为无弹性元件的联轴器和有弹性元件的联轴器。由于有弹性元件的联轴器上装配有弹性元件，因此，这种联轴器不仅可以补偿两轴间的相对位移，还能起到缓冲减震的作用。其弹性元件可以储蓄能量，储蓄的能量越多，则它的缓冲减震能力越强；其弹性元件的弹性滞后性能与弹性变形时零件间的摩擦功越大，则它的减震能力越好。 刚性联轴器主要有套筒式联轴器，夹壳式联轴器和凸缘式联轴器，这三种联轴器都不能补偿两轴间的相对位移。刚性联轴器具有其独特的优点，它构造简单，成本较低，能够传递较大的转矩，主要适用于转速低，无冲击，轴的刚性大，对中性较好的场合。其主要缺点是对相对位移没有补偿能力，不能缓冲减震。而且在两轴有相对位移时，还会在机件内产生附加载荷，不利于扭矩和运动的传递。 无弹性元件的挠性联轴器主要有十字滑块联轴器、滑块联轴器、十字轴式万向联轴器、齿式联轴器和滚子链联轴器。这几种联轴器的结构和具体工作原理都不同，由于篇幅有限，这里不做详细论述。这类联轴器具有挠性，因此，可以补偿两轴之间的相对位移，但又因为它们没有弹性元件，因此，不能起到缓冲减震的作用。 有弹性元件的联轴器有弹性套柱销联轴器、弹性联轴器、梅花形弹性联轴器膜片联轴器和膜片联轴器。这类联轴器能都补偿两轴间的相对位移，又因为其具有弹性元件，还能起到缓冲减震的作用。 3.2.3.2 联轴器的选型 为了确定联轴器的具体型号，首相选择所需联轴器的类型。选择联轴器类型时，应考虑以下几个因素。  (1)当传递载荷的类型，大小不同时，需要使用不同的联轴器，还要考虑所承受的载荷是否需要缓冲减震等要求。 (2)如果两轴之间具有相对位移，则需要考虑使用能够补偿两轴之间相对位移的联轴器。此外，联轴器和轴的制造和装配误差和轴的受热变形会对两轴之间的相对位移产生影响。 (3)考虑联轴器安装所需的空间来选用合适的联轴器还要考虑工作情况和密封情况等要求。 本文的电机传递至主轴的转速较高，而且由于网球是间隔发射的，因此会产生一定的震动，但是所传递的转矩和功率不大，因此适宜选用有弹性元件的挠性联轴器，经过筛选，确定了膜片联轴器作为本方案的传递电机与主轴之间扭矩的零件。膜片联轴器的具体结构如图3-5所示。 图3-5 膜片联轴器 为了确定联轴器的具体型号，还要根据计算转矩的大小进行选择。由于机器启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按照轴上的最大转矩作为联轴器的计算转矩。其计算转矩的大小应按下式进行计算。 （3-7） 式中——联轴器的计算转矩，； ——公称转矩，； ——工作情况系数，具体见表3-3所示。 表3-3　工作情况系数 分类 工作情况及举例 电动机、汽轮机 四缸和四缸以上内燃机 双缸内燃机 单缸内燃机 Ⅰ 转矩变化很小，如发电机、小型通风机、小型离心泵 1.3 1.5 1.8 2.2 Ⅱ 转矩变化小，如透平压缩机、木工机床、运输机 1.5 1.7 2 2.4 Ⅲ 转矩变化中等，如搅拌机、增压泵、有飞轮的压缩机、冲床 1.7 1.9 2.2 2.6 Ⅳ 转矩变化和冲击载荷中等，如织布机、水泥搅拌机、拖拉机 1.9 2.1 2.4 2.8 Ⅴ 转矩变化和冲击载荷大，如造纸机、挖掘机、起重机、碎石机 2.3 2.5 2.8 3.2 Ⅵ 转矩变化大并有极强烈冲击载荷，如压延机、无飞轮的活塞泵、重型初轧机 3.1 3.3 3.6 4 由于本方案所用联轴器所承受的转矩很小，所传递的扭矩和功率较小，具有一定的载荷根据上表，可以确定。 轴上的转矩的计算如下式。 （3-8） 由此可以得到联轴器的计算转矩，如下。 （3-9） 求出计算载荷后，可以根据求出的计算载荷以及之前所选择的联轴器类型来确定联轴器的具体型号。选择依据是下面的公式。 （3-10） 上式中，为该型号联轴器的许用转矩。 查机械设计手册，可以选择型号为JM1型膜片联轴器。其公称转矩，远大于计算转矩，其最高允许转速为6000，被连接的轴的最高转速不超过所选联轴器的允许转速，因此，合用。 3.2.4 网球发球机的主轴设计 轴在机器中起着传递运动和动力的关键作用，它还能够对某些结构起到支撑作用，是机器中的重要零件之一。所有能够运动的回转零件，都要通过轴的支撑，才能对转矩和运动进行传递。综上所述，轴在机器中的主要作用是支撑回转零件及传递运动和动力。 按照轴在工作中所承受载荷的不同，可以将轴可分为转轴，心轴和传动轴三类。机器中最常见的轴是转轴，它在实际工作中既承受弯矩又承受扭矩。工作中，只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。网球发球机中，为了支撑摩擦轮的转动以及给摩擦轮提供动力，必须使用传动轴来传递动力和运动。 与一般零件的通用设计方法相同，轴的设计过程主要包括轴的具体结构设计和工作情况校核计算两方面的内容。为了能够合理地确定轴的结构形式和尺寸，需要考虑到轴上工作零件的安装位置顺序、零件的相对位置关系和轴的加工方法等多方面的内容。若果轴的结构不完善，不仅会出现轴的制造成本增加和造成轴上零件装配困难等问题，甚至会对零件的实际工作能力产生影响。因此，在轴的设计过程中，结构设计是十分关键的一部。下面进行轴的结构的具体设计。 3.2.4.1 求轴上的功率、转速和转矩 这里，暂取联轴器的效率为，轴承的效率为，则可以得到电机的功率，，电机的转速， 因此，可以得到轴上功率，由电机的转速可以得到轴的转速，从而可以得到轴上的转矩，其计算过程如下。 （3-11） 式中——轴上所承受的转矩，； ——电机的额定功率，。 由于整个轴受到的扭矩主要为电机和联轴器连接处的扭矩和摩擦轮对主轴产生扭矩，因此，这两个扭矩相互平衡，所以可以得到网球作用在摩擦轮上产生的扭矩，。 3.2.4.2 初步确定轴的最小直径 在做轴的结构设计时，通常采用只受到扭矩的作用进行轴的最小直径的估算。首先，轴的扭转强度条件为 （3-12） 式中——扭转切应力，； ——轴所受的扭矩，； ——轴的抗扭截面系数，； ——轴的转速，； ——轴传递的功率，； ——计算截面处轴的直径，。 由式4-1可得，轴的直径 （3-13） 式中，。 表3-4列出了轴的常用材料的许用扭转切应力以及的值。 表3-4 轴常用几种材料的许用扭转切应力及值 轴的材料 Q235A、20 Q275、35 45 40cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 15~25 20~35 25~45 35~55 149~126 135~112 158~103 112~97 选取轴的材料为45钢，调质处理。由式4-2结合表4-1得，最小轴径为，考虑到轴上键槽对轴的削弱作用，轴径应增大15%，即。取整后得到轴的最小直径为6。 3.2.4.3 轴的结构设计 轴的结构设计主要包括两方面的内容，一是设计出轴的具体外形结构，二是确定轴上各部分的具体尺寸参数。轴的结构会受到很多方面的影响，其中最主要的影响因素有：轴的加工工艺；执行机构对轴产生的载荷类型和具体情况；轴在整个机构中与其他零件的相对位置。轴的结构设计一般没有标准的方案，因为对轴结构的影响因素过多，并且轴的结构形式还会随着具体的工作情况的改变而改变。因此，在进行轴的设计工作时，必须根据具体的工作情况进行具体分析，不能采用一成不变的方案。 3.2.4.4 拟定轴上零件的装配方案 在轴的结构设计过程中，首先需要确定轴上零件的装配方案，轴的具体结构形式是由轴上零件的装配方案所决定的。轴上零件的装配方案本质是确定出轴上零件的装配顺序、装配方向和零件之间的相互关系。 本文设计的装配方案是摩擦轮、挡圈、轴承依次从右向左安装，左端只装一个半联轴器。这样，各轴段的粗细就能大致确定下来。主轴零件装配方案如图3-6所示。 图3-6 主轴零件装配方案图 3.2.4.5 确定轴的各段直径和长度 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或者轴向的相对运动，除了有游动或空转的要求外，轴上零件都必须进行轴向和周向定位，来保证其准确的工作位置。首先确定轴向定位，轴向定位常用的方法有轴肩定位、套筒定位、轴端挡圈定位、轴承端盖定位和圆螺母定位，其中轴肩定位是最方便可靠的定位方法。本文各零件的定位情况如下。利用轴肩一可以确定半联轴器的右端的定位，利用轴肩二可以确定摩擦轮左端的定位，利用紧定螺钉和挡圈确定摩擦轮右端的定位，利用轴肩三可以的确定滚动轴承左端的定位，最后用轴承端盖确定滚动轴承右端定位。至此，轴上所有零件的轴向定位都已确定，各零件相对于主轴无法进行轴向运动。 下面进行确定各轴段的直径和长度。为了轴承装配的轴向定位，因此，要在第一段左端制造一段轴肩。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩。定位轴肩的高度一般取。当轴的直径为6时，C值一般为0.5，，可以取轴肩的高度为1。因此第二段轴的直径为，为了摩擦轮的左端的定位，因此需要在第二段轴径的左端制造一段轴肩，该轴肩的高度也为1。因此第三段轴的直径，为了满足半联轴器右端的定位，需要在第四段轴的右端制造出一段轴肩，因此，第四段轴的直径为。 然后进行轴承的初步选择。根据轴承结构的不同，轴承所能承受的载荷大小是不一样的。因此，当承受载荷大小不同时，需要相对应选择不同类型的轴承。滚子轴承中的滚子和内外圈之间的主要接触方式是线接触，因此，当轴承受的载荷较大时，应该使用滚子轴承。球轴承中的滚子和内外圈之间的主要接触方式是点接触，因此当轴承受的载荷较小时，应该使用球轴承。此外，载荷的方向也会影响轴承类型的选用。当轴承承受的载荷为轴向载荷时，则适宜选用推力轴承。轴所承受的轴向载荷较小，就选用推力球轴承；承受的载荷较大，则使用能够承受轴向载荷的推力滚子轴承。当轴承受的载荷主要为径向载荷时，就不能使用推力轴承了，这时一般需要使用深沟球轴承。当轴承所承受的载荷为轴向载荷和径向载荷共同作用的混合载荷时，一般使用能够承受较小轴向载荷的较小接触角的角接触轴承；当所承受的轴向载荷较大时，则必须使用能够承受较大轴向载荷的轴承同时还要能够承受径向载荷的轴承，如接触角较大的角接触轴承。除了载荷性质和类型之外，轴的旋转速度也会对轴承的类型产生影响。当轴的转速较低时，轴的转速对轴承类型的选择产生的影响较小，但是轴的转速较大时，就需要使用注意载荷对轴的转速对轴承类型选择的影响。在轴的旋转速度较大时，应该优先使用球轴承而不是滚子轴承。 本文中所用到的轴承由于承受的载荷主要为较小的径向载荷，且由于主轴的转速较高，因此选择深沟球轴承较为合适。此处选择的轴承型号为616的深沟球轴承。各轴段长度的确定。按装轴承的轴端直径为6，选取的轴承型号为616型的深沟球轴承，这种轴承的宽度为6，一般轴承安装在主轴上后，可多出一小段距离，因此第一段轴端可以取为8。第二段轴端可以根据两挡板之间的距离来确定。考虑到网球发球机的正常发球不被阻挡，取第二段轴段的长度为94。第三段轴端主要作用为对联轴器和摩擦轮的周向定位，因此取其长度为2即可。最后根据联轴器的安装要求，取第四段轴段的长度为19。616型轴承结构如下图所示。 图3-7 616型号轴承 至此主轴各段的直径和长度已经初步确定下来。 轴向定位完全确定下来之后，可以考虑各零件的周向定位。在正常的工种条件下，轴上的零件是不能与轴发生相对转动的，除非是由于工作情况要求的零件相对于轴有空转要求的条件下，零件才能与轴发生相对转动。因此，零件的周向定位在轴的设计中有着至关重要的作用。常用的周向定位的方法主要有键连接、花键连接、销连接、紧定螺钉连接和过盈配合连接等，其中紧定螺钉螺钉连接只能用于周向力不大的场合。 半联轴器利用键连接进行周向定位，这样可以承受较大的周向力，即使承受较大的扭矩，也能保证工作可靠。轴端挡圈由于受到的周向力较小，因此，可以使用紧定螺钉进行周向定位。主轴与半联轴器则采用过盈连接配合。滚动轴承与轴的配合是基孔制的过盈连接，与挡板的连接是基轴制的过盈连接。至此，轴上所有零件的周向定位都已确定，各零件相对于主轴无法进行周向运动。 最后确定轴上圆角和倒角的尺寸。主轴圆角和倒角的尺寸可以参考表4-2进行确定。 表4-2 不同轴径对应的C或R值 直径d >6~10 >10~18 >30~50 >50~80 >80~120 C或R 0.5 0.8 1 1.2 2 由上表可以确定出轴的圆角和倒角半径尺寸为0.5，取轴端倒角为0.5，各轴肩处圆角半径为0.5。主轴结构如下图所示。 图3-8 主轴结构图 3.2.4.6 轴的剪切强度的校核 由于此轴主要受到扭矩的作用，因此只对其进行扭转强度条件的校核。本设计方案的主轴上主要受到的载荷为扭矩。因此主要对其进行扭转强度的校核。主轴受到摩擦轮对其的扭矩。因此，画出主轴的扭矩图，如下图所示。 图3-9 主轴扭矩图 下面进行主轴的扭转强度的校核，轴的扭转强度条件为： （3-14） 代入数据，得 （3-15） 查找常用材料的主要力学性能表，可以得到45号调质钢的扭转切应力，实际剪切应力远小于许用剪切应力，因此该轴可以满足使用要求。 3.2.4.7 轴的扭转刚度的校核计算 当主轴主要受到扭矩载荷时，若扭矩超过了一定范围，则轴会产生较大的扭转变形，如果变形量超过了该轴所允许的变形量，就会影响轴上零件的正常工作，严重的甚至造成应有的工作性能的丧失。因此有必要对本文主轴进行扭转刚度的校核。通常以扭转角来度量轴的扭转刚度的大小，以轴的每米长的扭转角来表示轴的扭转变形的大小。圆形阶梯轴的扭转角的计算公式如下。 （3-16） 式中——第轴段所承受的扭矩，； ——轴的材料的剪切弹性模量，； ——第i轴段轴截面的极惯性矩，； ——阶梯轴承受扭矩作用的总长度，； ——第轴段的长度，； ——阶梯轴所承受扭矩的轴段数。 当轴为45钢时，其剪切弹性模量，由主轴扭矩图可以得出，承受扭转作用的总长度为44.5，且大小相等，为205.91。圆形截面轴的极惯性矩的计算公式如下。 （3-17） 由扭转角计算公式可以看出，如果某轴段没有受到扭矩作用的话，那么该轴段是不会对扭转角产生影响的。轴的总长度为123。这里将各轴段的总长度、承受扭矩轴段长度、直径、极惯性矩和承受扭矩的大小汇总于下表。 表3-5 各轴段具体参数 轴段 轴段总长度 承受扭矩轴段长度 轴段直径 极惯性矩 轴段所承受扭矩 1 8 0 6 127.17 0 2 94 23.5 8 401.92 205.91 3 2 2 10 981.25 205.91 4 19 19 8 401.92 205.91 根据上表中的数据带入式4-4，求得本设计方案的轴的扭转角可以通过下式求出。 （3-18） 轴的扭转刚度条件为，而且由于此轴的作用场合要求精度不高，因此，可以取，于是，，符合扭转刚度的要求。 3.2.5 键连接的设计校核 本文设计方案中，在电机向轴传递运动时，摩擦轮与轴的周向定位时使用了键连接，因此，需要对该键连接进行设计。 3.2.5.1 键的分类 键属于标准零件。常常用作周与轮毂之间的周向固定，以实现两者运动的传递，有的键连接还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键连接主要分为平键连接、半圆键连接、楔形键连接和切向键连接。 平键连接又分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键四种，它们都有各自不同的用途，其中普通平键和薄型平键主要用于静连接，薄型平键比较适用于薄壁结构、空心轴和其他的径向尺寸受到限制的场合。导向平键和滑键则主要用于动连接。 半圆键连接主要适用于锥形轴段与轮毂的连接。在工作过程中，主要靠键的侧面来传递转矩。这种键链接的有点是工艺性好，便于装配。缺点是与这种键相配合的键槽对轴的削弱程度很大，因此一般只适用于载荷较小的静连接。 楔键连接的工作面是键的上下两个面，键的上表面和与其相配合的零件键槽底面都有一个1:100的斜度。装配完成后，键会楔紧在轴和轮毂的键槽中。这种键连接在工作时，主要靠键的上下两表面与键槽的楔紧作用来传递转矩。其优点是可以承受单向的轴向载荷，能够对轮毂进行单向的轴向固定。即使在工作过程中，产生载荷过大的情况，导致所连接轴和零件间产生了相对转动，键的侧面会与轮毂的键槽侧面相接触，承受载荷，继续进行工作。因此楔键连接在承受有冲击或者震动的较大载荷时，也可以保证连接的可靠性。楔键连接的主要缺点是楔键连接在装配完成后，轴和零件的配合会产生中心线不重合的情况，因此，楔键连接主要用于零件和轴的定心精度要求较低，或者转速较低的情况。 切向键是由一对斜度为1：100的楔键构成。这种键连接方式工作面是一对楔键沿斜面装配完成后，相互平行的两个窄面。而被连接的轴和轮毂上都制造出特殊的能与楔键相配合的键槽。切向键在工作时，主要靠工作面的挤压力和轴与轮毂之间的摩擦力来传递转矩。但是切向键所需要配合的键槽对轴的削弱十分大，会使轴的强度有大幅减低，因此，一般只用于直径大于100的轴。 由于本方案中的键连接只是用于半联轴器和主轴、摩擦轮和主轴之间的周向定位，不需要进行轴向定位和轴向滑动，而且轴截面都是圆形截面。最后，经过筛选排除，确定使用普通平键作为本方案的周向定位。 普通平键又可以按其构造不同而分为圆头平键、平头平键和单圆头平键三种。圆头平键一般放在用键槽铣刀铣出的键槽中，这样可以使键在键槽中的轴向固定十分可靠。但是由于圆头平键自身特殊的结构，使键头部的圆形部分与轮毂上的键槽不能接触，导致键的圆头部分不能充分利用，甚至会加大轴上键槽两端的应力集中现象。平头平键适宜放置于盘形铣刀所加工出的键槽中，因此，能够充分利用到键的两侧面，而且不存在应力集中现象。但是对于尺寸较大的键，为了防止键在键槽中发生相对运动，应该用紧定螺钉将其固定在键槽中。单圆头平键则主要适用于轴端与毂类零件的连接。 3.2.5.2 键的选型 首先选择键的类型。键的类型键的连接结构特点、使用要求和工作条件来选择。在本文的设计方案中，摩擦轮与主轴的周向连接可以使用圆头平键。轴上的键槽使用键槽铣刀进行加工，圆形平键配合键槽铣刀制造的键槽可以使键在键槽中具有良好的轴向定位，避免影响轴与轮毂的正常连接情况。 然后选择键的尺寸。键的截面尺寸和键的长度L是键的主要尺寸。键的截面尺寸包括键的宽度和键的高度。键的截面齿轮一般由键的标准中选取，见3-6所示。 表3-6 普通平键键与键槽的设计尺寸参数汇总表 轴 径 键 的 公 称 尺 寸 键 槽 尺 寸 轴 槽 深 度 毂 槽 深 度 公称尺寸 偏 差 公称尺寸 偏 差 6 ~ 8 2 2 6 ~ 20 1.2 +0.1 0 1 +0.1 0 >8 ~ 10 3 3 6 ~ 36 1.8 1.4 >10 ~ 12 4 4 8 ~ 45 2.5 1.8 >12 ~ 17 5 5 14 ~ 56 3.0 2.3 >17 ~ 22 6 6 14 ~ 70 3.5 2.8 由普通平键键与键槽的设计尺寸参数汇总表可以得到，当轴径为8时，键的界面尺寸为。因此，选定键的截面尺寸。键的长度一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度。键长的选择应该符合键的标准系列中的键长。根据最新的国家标准，键的标准长度系列主要有。这里摩擦轮与轴结合的轮毂长度为47，查询键的长度系列表，则可以选择键槽为长度40。因此最终确定下来的键的主要尺寸为，键长. 键槽深度的确定。键槽深度会影响到轴的整体强度和轮毂与轴连接的可靠性。如果键槽过深，则对轴的削弱程度较大，影响轴的使用寿命；如果键槽过浅，则会导致连接的可靠性降低，影响零件与轴的周向固定。轴上的键槽和轮毂槽都可以由键与键槽的设计尺寸表得出。由普通平键键与键槽的设计尺寸参数汇总表可以得到，轴槽深度为1.2，轮毂槽深度为1。 3.2.5.3 键连接的强度计算 键连接在传递转矩时，各零件都由于传递扭矩的作用而承受一定的载荷，其受力图如图3-10所示。 图3-10 键连接各零件受力图 如果键连接承受的扭矩过大时，会产生失效，键连接的主要失效形式为工作面被压溃，但是当承受的扭矩过大时，也会出现键被剪断的可能。因此键连接的校核一般按照工作面上的挤压应力进行强度校核计算。普通平键的连接的强度条件如下式。 （3-19） 式中——传递的转矩，； ——键与轮毂的接触高度，； ——键的工作长度，； ——轴的直径，； ——键、轴、轮毂三者中弱材料的许用挤压应力，，具体数值见3-7表。 表3-7 键连接的许用挤压应力 许用挤压应力 键、毂或轴的材料 载荷性质 静载荷 轻微冲击 冲击 钢 120~150 100~120 60~90 铸铁 70~80 50~60 30~45 键的工作长度具体是指键实际用来承载的侧面的长度。当采用圆头平键时，，当采用单圆头平键时，，当采用平头平键时，。为键的公称长度。由于本设计方案采用的为圆头平键，因此键的工作长度。 将各数据带入式6-1得，可以得到键的挤压应力，