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1、本科毕业论文旋挖工程车钻杆动力箱部件设计姓 名覃秋松学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化指导教师冯鹤敏完成日期2013年5月 上海理工大学全日制本科生毕业设计（论文）承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文）旋挖工程车钻杆动力箱部件设计是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。 承诺人（签名）： 日 期：旋挖工程车钻杆动力箱部件设计摘 要最近几年以来,我国旋挖工程车取得了较快的发展，但相较于国外几十
2、年的发展历史，国内旋挖工程车在关键部件方面与国外相比还有一定的差距。本次设计的动力箱部件为旋挖工程车的关键部件，其性能的好坏直接影响整机的工作效率。虽然动力箱的发展己具备较好的性能和独特的技术，现在国内动力箱的开发能满足工程车的施工作业，但其可靠性和功能方面还需进一步的发展。本文以旋挖工程车钻杆动力箱部件为设计对象，主要包括以下几个方面的内容：（1）介绍了旋挖工程车的发展现状、主要组成部件以及工作原理。（2）根据要求，确定动力箱的传递方案，进行总体设计，并画出动力箱结构简图。（3）根据相关参数和结构简图，完成动力箱零部件的设计和标准件的选用。（4）利用AutoCAD，SolidWorks辅助设
3、计平台，完成了动力箱所有零部件的二维及三维建模，为进一步优化设计和系列化设计提供了依据。 （5）通过对动力箱部件的主要部分进行参数计算、强度刚度校核计算，完成整个结构设计。关键词：旋挖工程车，动力箱，部件设计. SPIN DIG TRUCK DESIGN OF POWER BOXABSTRACTIn recent years, the spin dig truck has obtained rapid development in our country, but compared with foreign decades of development history, domestic sp
4、in dig truck in terms of key components, there is still a gap compared with abroad. Power box parts for spin dig truck of this design is the key components, and its performance is good or bad directly affect the work efficiency of the machine. The development of the power box has good performance an
5、d unique technology, and the development of domestic power box can meet the construction work of engineering vehicle, but its reliability and functional aspects need further development.My object is based on spin dig the drill power pack truck parts and it mainly includes the following aspects.（1）Th
6、is paper introduces the development of the rotary digging engineering vehicles present situation, main components and working principle.（2）According to the requirements, determine the power box transmission scheme, carries on the overall design, and draw the power box structure diagram. （3）According
7、 to the related parameters and the structure diagram, complete power box parts design and the selection of standard parts. （4）In order to provide the basis for the further optimization design and series design，Use AutoCAD, SolidWorks -computer aid design platform to completed the 2 d and 3 d modelin
8、g of all parts of power pack.（5）Through calculated the main part of power pack rigidity parameter, strength, and completed the structural design. Keywords：Spin dig truck，Power box, Parts design. 目 录第1章绪 论11.1旋挖工程车的发展简介11.1.1 旋挖工程车简介11.1.2 旋挖工程车的特点及分类21.2 旋挖工程车的主要构成及工作原理21.2.1 旋挖工程车的主要构成21.2.2 旋挖工程车的
9、工作原理51.3 旋挖工程车国内外发展现状61.3.1 国内发展现状61.3.2 国外发展现状7第2章 旋挖工程车动力箱总体设计92.1设计背景92.2设计的主要内容92.3总体方案的确定92.3.1 机械传动方式92.3.2 分析和拟定传动方案112.4总体参数12第3章 旋挖工程车动力箱零部件结构设计143.1旋挖工程车动力箱部件整体结构设计要求143.2齿轮轴及其组件的结构设计153.2.1 滚动轴承的选型153.2.2 调心滚子轴承的安装163.2.3 调心滚子轴承的配合163.2.4 齿轮轴的结构设计173.2.5 轴支承结构设计193.3 动力输出装置的结构设计203.3.1 动力
10、输出装置中轴承的选用203.3.2 大齿轮的设计213.3.3 驱动套筒的结构设计233.3.4 花键套的结构设计243.4 箱体的结构设计253.4.1 箱座的结构设计253.4.2 箱盖的结构设计263.5 动力箱的润滑及密封件的选用273.5.1 动力箱的润滑273.5.2 密封件的选用27第4章 设计计算及校核304.1 齿轮轴的强度校核304.1.1 轴尺寸的确定304.1.2 轴的强度校核304.2 齿轮的参数计算及校核304.2.1 齿轮几何尺寸的确定304.2.2 齿轮的弯曲疲劳强度校核314.2.3 齿轮的接触疲劳强度校核324.3 驱动套筒上传动螺钉的直径校核32第5章 三
11、维建模辅助设计345.1 概述345.2 SolidWorks 三维建模34第6章 总结37参 考 文 献39谢 辞40上海理工大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1旋挖工程车的发展简介1.1.1旋挖工程车简介旋挖工程车又名旋挖钻机，其外形结构如图1-1所示，旋挖工程车是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层施工，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用，旋挖工程车的额定功率一般为125450kW，动力输出扭矩为120400kNm，最大成孔直径可达1.54m，最大成孔深度为6090m，可以满足各类大型基础施工的要求。该类钻机一般采
12、用液压履带式伸缩底盘、自行起落可折叠钻桅、伸缩式钻杆、带有垂直度自动检测调整、孔深数码显示等，整机操纵一般采用液压先导控制、负荷传感，具有操作轻便、舒适等特点。主、副两个卷扬可适用于工地多种情况的需要。该类钻机配合不同钻具，适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业，还可配挂长螺旋钻、地下连续墙抓斗、振动桩锤等，实现多种功能，主要用于市政建设、公路桥梁、工业和民用建筑、地下连续墙、水利、防渗护坡等基础施工。国内的专家认为：旋挖工程车在国内今后几年仍有很大的市场。图1-1 旋挖工程车1.1.2 旋挖工程车的特点及分类（1）特点：旋挖工程车是二战以后意大利人发明的，因使用中的高
13、效率和可靠的质量，为业主和建筑公司带来丰厚的利润，而后欧州人、日本人等随着各国恢复建设的全面展开而大面积使用，使其更加完善，功能更多，目前己成为世界各国铁路、公路、水利、工业和民用建设施工中的主要桩基成孔工具。旋挖工程车主要用来对地基基础桩基成孔，其钻头有多种形式：如回转斗、短螺旋、岩芯钻头等，根据地质条件的不同，更换不同的钻头，以达到高速、高质的成孔要求。旋挖工程车是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基基础施工工程，配合不同钻具，适应于干式（短螺旋），或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业，旋挖工程车具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、
14、机动灵活，施工效率高及多功能特点。（2）分类：小型机 选择旋挖工程车的原则应该是能满足用户目前的主要工程需求，兼顾今后可能发生的工程需求。旋挖工程车根据其主要工作参数：扭矩、发动机功率、钻孔直径、钻孔深度及钻机整机质量可以分为三种类型：扭矩100kNm。发动机功率170kW，钻孔直径0.51m，钻孔深度40m左右，钻机整机质量40t左右。小型机的应用市场定位：（1）各种楼座的护坡桩；（2）楼的部分承重结构桩；（3）城市改造市政项目的各种直径小于1m的桩；（4）适用于其他用途的桩。小型机的市场工作量覆盖比例达到30%以上。中型机 扭矩180kNm，发动机功率200kW，钻孔直径0.81.8m，钻
15、孔深度60m左右，钻机整机质量65t左右。 中型机的应用市场定位：（1）各种高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩；（2）大型建筑、港口码头承重结构桩；（3）城市内高架桥桥桩；（4）其他适用桩。中型机的市场工作量覆盖比例达到90%以上。大型机 扭矩240kNm，发动机功率300kW，钻孔直径12.5m，钻孔深度80m。钻机整机质量100t以上。大型机的应用市场定位：（1）各种高速公路、铁路桥梁的特大桥桩；（2）其他大型建筑的特殊结构承重基础桩。大型机的市场工作量覆盖比例达到10%以上。1.2 旋挖工程车的主要构成及工作原理 1.2.1 旋挖工程车的主要构成旋挖工程车是集机电液一体化的高端工程机械，
16、旋挖工程车的主要构成：桅杆总成、动力头、副卷扬、主卷扬、变副机构、上车体、底盘等组成，如图1-2所示。图1-2 旋挖工程车主要构成(1)底盘组件 底盘组件由加强型上车体和可扩展行走部组成。上车体是钻机的机架，为整机的安装基础。上车体的中心装有液压系统的“中心回转接头”，将装于上车的液压系统工作油液传递到履带行走机构和履带伸缩机构。行走部由履带行走机构和履带伸缩机构组成，主要由行走减速器、行走马达、驱动轮及张紧装置、履带、支重轮、托链轮、导向轮等部件组成。由液压系统供给行走马达压力油，行走马达通过行走减速器带动驱动轮旋转，从而使整个履带行走机构实现前进、后退、左转弯、右转弯或原地旋转等动作。履带
17、伸缩机构由液压缸、H梁、液压缸滑轨等组成。(2)动力头 动力头工作原理如图1-3所示，动力头是钻机主要的工作机构，也是本次毕业设计的主要内容。它由两组减速器及液压马达、主减速器组成。动力头液压马达高速旋转通过减速器减速以后，减速器输出端的小齿轮和主减速器的大外齿轮啮合，形成终级减速。回转支承的回转通过其内部套筒式主轴内键驱动钻杆旋转，实现钻杆钻孔工作的主运动。动力头变量马达通过与卡特底盘配置的变量泵相匹配，使钻杆转速可在设计范围内根据工作载荷情况自动调整。动力头减速器采用低速大转矩运转方式，用于正常钻孔作业。动力头的液压回路上装有大口径补油阀，可有效地向马达补油，防止液压马达中形成真空造成气蚀
18、。气蚀会造成零件表面损伤，加剧磨损，它是影响马达使用寿命的主要因素。动力头性能的优劣直接影响到钻机的钻进能力。图1-3 动力头工作原理简化图(3)主副卷扬 主卷扬是在钻进过程当中完成钻杆和钻头下放和提升等功能的机构，而副卷扬的主要功能是完成工地上所需的焊机钻头等附属物品的起吊。卷扬机构主要由液压马达、内藏式卷扬减速器、卷扬筒、钢丝绳、压绳器等组成。卷扬减速器内部自带片式摩擦片液压制动器，主要功能是停车制动；液压马达上带有液压制动阀。主卷扬的最大拉力由钻杆、钻斗、砂土的重量及起拔钻斗时阻力决定。(4)变幅及钻桅变幅机构 由动臂、三角形联结体、支承杆、变幅缸、桅杆缸部件组成。动臂下端、支承杆下端、
19、变幅缸下端分别铰接于回转平台前端，上端分别铰接于三角形联接体的两个角端。三角形联接体另一角通过转盘和中桅杆下端铰接在一起。通过桅杆缸的伸缩，可以改变桅杆在垂直平面里的角度。动臂回转台支承杆一三角形联接体通过销轴铰接，互相组成一个平行四边形机构。在变幅缸伸缩改变桅杆的工作幅度时，可保证和桅杆相联的三角形联接体只产生平行移动，不会产生自身的任何转动。桅杆是钻机的重要工作装置，是钻杆、动力头、加压缸的安装支承部件及其工作进尺的导向部件。桅杆左右两侧焊有导轨，对钻杆和动力头的工作进尺起导向作用。桅杆上装有主卷扬和加压缸，桅杆支承着动力头，通过加压缸推动动力头在桅杆导轨上滑行。桅杆上顶端装有滑轮架，滑轮
20、架上的滑轮用以改变卷扬钢丝绳运动方向。滑轮架为可折叠式，运输状态时，将其折叠安装，以减少运输状态时整机的外形尺寸。整个桅杆分为上、中、下3段，为可折叠式。运输时，将上段、下段折叠安装，减小其运输状态整机长度，并提高了钻机装车和卸车时行走稳定性。 (5)液压系统 如图1-4所示，液压系统是钻机的能量转换系统和钻机各执行元件的动力源。发动机输出的动力通过液压系统将其转换为推动钻机各执行元件运动的驱动力，并对各执行元件的运动进行有效地控制。液压系统利用了卡特原有的液压系统主控制回路、先导控制回路，使用先进的负载反馈技术以及交叉控制、变流量控制技术，使流量按需分配到系统各工作装置，实现不同工况下的最佳
21、动力匹配。图1-4 液压系统图(6)电气系统 如图1-5所示，电气系统采用DC24V直流电。该系统主要完成以下功能：发动机启动、熄火监测、液压系统电磁转向、桅杆角度监测、报警、钻孔深度监测和调整，故障监测，钻进参数提供，触摸屏显示系统报警和系统状态参数。同时采用先进的手动与自动相互切换的电子调平装置，对桅杆进行监控，自动调节，使桅杆在施工作业中始终保持铅直状态，有效地保证工程对桩孔垂直度要求。1.2.2旋挖工程车的工作原理旋挖工程车主要动作有动力头、主副卷扬、上车回转、下车、钻桅调平、变幅、加压、支腿、履带伸缩。上车回转和下车行走通过换向阀互锁。旋挖工程车施工动作顺序如下：旋挖工程车到达指定地
22、点，为了增加支承面积，左右履带伸缩油缸伸出，达到旋挖工程车最大履带间距。锁定下车,拔掉上车回转锁定销，变幅油缸和左右倾缸动作使钻桅在指定点与水平面垂直，钻杆、钻头在主卷扬的作用下到达施工地面，在动力头旋转驱动下回转，同时在加压缸提供的加压力的作用下向下挖土。钻头进尺到位后，提升钻杆时，主卷扬回转，加压油缸同时提升，当钻头提升至地面后，上车回转带动钻头至指定的卸土位置进行卸土，卸土时提升钻头使回转斗上端的立柱碰到动力头下端承撞体挡板，立柱受力打开回转斗底板开启机构实现卸土作业。然后回转到钻孔位置，开始下一个工作循环。钻孔深度由电器数码显示，当钻至要求深度后即可停止作业。图1-5 电气系统1.3
23、旋挖工程车国内外发展现状1.3.1 国内发展现状近年来，经过各类施工磨练的国产旋挖工程车得到了快速发展，其整机的主要性能已接近或达到国际先进水平，关键技术和施工工艺也得到进一步的发展。由于国产旋挖工程车较国外旋挖工程车价格适中、售后服务及时，目前国产旋挖工程车已基本占领了国内的市场。未来几年，基础设施和城市公共设施将进一步完善，相关工程的陆续开工，需要配备大量的旋挖工程车。因此旋挖工程车的生产厂商如雨后春笋迅猛增长，国内的旋挖工程车生产厂商约有20多家，但随着市场竞争激烈及旋挖工程车对技术和生产成本以及销售价格的严格控制，目前旋挖工程车主要生产厂家为:徐工集团、上海金泰、南车时代、三一重工、山
24、河智能、宇通重工、中联重科等。如图1-6所示为徐工集团的旋挖工程车正在施工。这些企业的旋挖工程车的销量已基本占领了整个旋挖工程车市场的份额。 图1-6 徐工旋挖工程车 图1-7 德国宝峨旋挖工程车但是目前国内旋挖工程车的生产和使用也存在如下的问题：(1)国内大部分旋挖工程车生产企业的生产未形成规模，产品也未系列化，产品同质化现象严重，主要集中在中等型号的产品。(2)相对国外来说国内旋挖工程车生产和使用的时间尚短，还缺乏全面的产品标准，施工规范和系统的工法研究还需进一步确认和完善，关键技术和基本理论的研究有待深入。(3)产品进口配套件受限。进口配套件如液压元件、电控元件、减速机等供货周期相对较长
25、，有些关键元件甚至无法订购。因此很多企业由于进口件受限处于停产状态，主机生产受到严重影响。1.3.2 国外发展现状目前国外旋挖工程车的生产制造商主要有宝峨、意马、麦特、卡萨格兰第、土力等，各公司已具有自己独特的产品特性，产品均已实现系列化，而且具有多项扩展功能。国外钻机在钻孔直径和钻孔深度方面有较大优势，钻孔直径最大可达4米，钻深可达90多米。如图1-7所示为德国BAUER旋挖工程车。国外产品经过几十年的发展，已经形成了如下几种独特的技术特点： (1) 动力头一般都配有两个或三个液压马达驱动，且具备连接套管驱动器的功能。有的动力头配有套管钻进增扭装置，在施工作业时可减省摆管机的应用，大幅度降低
26、旋挖工程车的施工作业成本。动力头根据扭矩不同已形成系列，不同型号的旋挖工程车可根据需要选装动力头，装配快捷，维修方便。(2) 先进可靠的检测和监控装置，例如钻桅垂直度检测、钻孔深度显示等，尤其在钻杆啮合及施工状态监控方面有着不可超越的优势。国外钻机采用牙板自锁伸缩式钻杆，旋挖工程车施工过程中，钻杆牙嵌板在啮合中很容易受到磨损，当牙嵌板相互啮合不完全时，更易受到严重磨损。如果想继续使用原钻杆，必须对磨损牙嵌板进行修复，修复过程费时费力，且很难达到原有尺寸和形状。安装钻杆牙嵌啮合显示系统后，操作人员可在显示器上精确地观察和了解牙嵌啮合情况以及钻杆实时施工状态，无论新老操作机手都能很好地操作。避免钻
27、杆带杆、钻头脱落等事故的发生。(3) 保证安全操作的各种保险装置，如防止带负载起动，卷扬机超高限位，动臂幅度限位及驾驶室内液控开关等安全保护装置,有效避免误操作。(4) 为提高操作的舒适性和施工作业效率,依据人机工程学原理设计旋挖工程车的操纵室,并加设了冷暖空调。(5) 多功能化已渐趋完善。能在旋挖工程车主机上通过简单操作快速更换各类钻具，进行钻孔施工、连续墙成槽、振动桩施工等多种不同工法的施工。从而使旋挖工程车具备了一机多功能，方便快捷，节约成本。第2章 旋挖工程车动力箱总体设计2.1设计背景旋挖工程车在桩基础施工的普遍应用和快速发展，使作为关键动力部件的动力头系统显得异常重要。其性能好坏直
28、接影响钻机整机的工作效率.旋挖工程车施工中,动力头为旋挖工程车提供动力,通过液压马达驱动钻杆、钻头回转挖土,同时由液压油缸提供旋挖作业所需垂向作用力,满足钻孔时低速进给钻进和高速甩土两种工况要求.国外对钻机研究己经有数十年的历史,钻机各项性能相对成熟。动力头从最基本的功能为钻具提供驱动力和加压力,到扩展功能技术的实现。已具备优越的性能!独特的技术和全新的设计概念。目前动力头已发展成为双作用驱动箱,即可进行钻孔,又能安放套管,并且增加了套管钻进增扭装置。国内旋挖工程车动力头在核心技术方面跟国外相比还有一定的差距,可靠性和功能扩展方面还需进一步发展。本次毕业设计主要是让我们能够熟悉整个设计流程，无
29、论在结构方案设计上，画图上，还是在论文撰写写都对我们以后的学习和工作有很大的益处。2.2设计的主要内容主要内容：（1）动力箱传动方案的确定;（2）根据经验公式进行动力箱零部件设计;（3）绘制动力箱二维和三维装配图和零件图;（4）重要零件的强度刚度校核;（5）毕业论文的撰写;2.3总体方案的确定2.3.1机械传动方式本次设计主要为一级减速，故先从几种常见的传动方式中选取传动方案。下面是几种典型常见的传动方式：（1）带传动：如图2-1所示，带传动是一种绕行传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动轮和从动轮）和传送带。当主动轮1转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或者啮合作用，将运动和动力通过传动带2传递
30、给从动带3.带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点，在近代机械中应用广泛。 优点：传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、有良好的挠性和弹性、过载打滑。 缺点：传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低。图2-1 带传动示意图因此，带传动常适用于大中心距、中小功率、带速v =525m/s，i7的情况。综合以上因素，带传动不适合传递很大的扭矩和功率，所以不能应用在动力箱中。（2）链传动：如图2-2所示，链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。 优点：与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，
31、工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。 缺点：仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。链传动一般适合低速，且不能传递很大的扭矩，所以不符合本次设计的基本要求。图2-2 链传动示意图（3）齿轮传动：如图2-3所示，齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。图2-3 齿轮传动示意图 优点：齿轮传动平稳，
32、传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。具有结构紧凑、寿命长等。 缺点：制造齿轮需要有专门的设备，导致生产成本很高。而且啮合传动会产生噪声。根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可分为以下类型：a. 直齿圆柱齿轮传动；b. 斜齿圆柱齿轮传动c. 人字齿轮传动；d. 锥齿轮传动；e. 交错轴斜齿轮传动综合考虑，根据设计要求和齿轮传动的特点，动力箱的动力传递决定用齿轮传动。2.3.2分析和拟定传动方案实现工作装置预定的运动是拟定传递方案最基本的要求。但是满足这个要求可以有不同的传动方式、不同的机构类型、不同的顺序和布局。这就需要将各种传动方案加以分析比较。合理的传动方案还应该
33、满足结构简单，尺寸紧凑、工作可靠、制造方便、成本低廉、传动效率高，装拆方便等。动力箱应满足几个要求：（1）实现大扭矩，大功率的输出。（2）运动平稳，能实现正反转，并能承受较大的冲击。（3）适应较恶劣的工况。（4）动力箱是移动部件，要求外型小，重量轻。（5）最终的动力输出给钻杆，且钻杆能上下移动。为了满足上述条件，动力箱无法按传统减速器设计，本次采用双液压马达分别驱动两台两级行星减速器, 经两小齿轮合并动力传至中部大齿轮，然后通过螺钉连接，把扭矩依次传递到套筒、花键套，因为钻杆既要转动又能上下移动，所以要使用花键，最后通过花键传递扭矩给钻杆，使钻杆旋转起来，达到工作的目的，如图2-4所示。图2-
34、4 传动方案简图此结构发挥了液压传动体积小、自平衡的优势, 减小中心距, 有效控制减速器重量。动力输入为非对称布置，（由于中心轴通孔限制, 该轴上轴承尺寸较大）为了不影响轴承寿命, 并能为泥浆管布置带来空间。所以动力输入布置在同一侧。2.4总体参数先通过参数计算，然后再进行具体的部件结构设计。最后才对重要零件进行刚度强度校核。（1）已知参数：输入轴的输入转矩 T1=17500N.m输入轴的转速 =98 r/min动力箱传动比 i=5.11钻杆直径 D=500mm（2）各轴转速输入轴 =98 r/min输出轴 = 19 r/min（3）各轴功率输入轴 =180 KW输出轴 =356 KW（4）各
35、轴输出转矩输入轴 =17500 N.m输出轴 178850 N.m将以上算得的运动和动力参数列表如表2-1。表2-1 运动参数输入轴输出轴转速n（r/min）9819功率P(KW)180356转矩T（N.m）17500178850传动比i5.11第3章 旋挖工程车动力箱零部件结构设计3.1旋挖工程车动力箱部件整体结构设计要求当旋挖工程车工作时，两个液压马达工作，把旋转运动传递到行星减速器，三级行星减速器通过花键的作用传递到旋挖工程车动力箱的输入轴，输入轴是一根齿轮轴，齿轮轴把扭矩传递给大齿轮，并进行减速，大齿轮又通过螺钉联接，把扭矩传递给套筒，套筒再通过螺钉联接把扭矩传递给花键套，通过花键的作
36、用，把扭矩传递给钻杆，最终使旋挖工程车能达到工作的目的。综上所述，动力箱部件设计的基本要求为：（1）整体结构简单紧凑，运行过程平稳可靠，无异常。（2）能够实现大扭矩、大功率的输出。（3）动力箱是移动部件，要求外型小，重量轻。（4）最终的动力输出给钻杆，且钻杆能上下移动。图3-1 动力箱整体结构剖视图按照设计要求，所以动力箱部件的设计主要包括：（1）齿轮轴及其组件的结构设计，大齿轮的结构设计。（2）驱动套筒的结构设计。（3）花键套的结构设计。（4）箱体和箱盖的结构设计。（5）轴承盖的结构设计。（6）回转支承的选用等。按照设计的要求，经过传动方案的确定，以及经过动力箱零部件的设计后，得出动力箱整体
37、结构剖视图如图3-1所示.3.2 齿轮轴及其组件的结构设计轴及其组件的结构设计是机械设计中的常见问题。旋转运动的轴必须由至少两个相距一定距离的滚动（或滑动）轴承来支承。滚动轴承是标准件，对它的设计主要是选型确定尺寸，不涉及结构设计问题。而轴承周围的结构比如轴承座、轴颈、定位件等，则必须根据不同的轴承进行具体的结构设计。动力箱部件的齿轮轴及其组件结构如图3-2所示。图3-2 动力箱输入轴结构示意图3.2.1 滚动轴承的选型滚动轴承与滑动轴承相比，其优点是：（1） 滚动轴承能在转速和载荷变动幅度很大的条件下稳定地工作，而动压滑动轴承在低速时难以形成足够压强的油楔；（2） 滚动轴承可以在无间隙，甚至
38、在预加载荷条件下工作，有利于提高旋转精度和刚度；滑动轴承则必须有一定的间隙，才能正常地工作；（3） 滚动轴承摩擦系数小，有利于减少发热；（4） 滚动轴承的润滑比滑动轴承容易，可用润滑脂，如果用油，则所需的流量也远比滑动轴承小；（5） 滚动轴承由专门工厂生产，供应方便，可以外购。因此使用滚动轴承。滚动轴承的选择包括两个方面：类型和型号。常用的滚动轴承包括深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥孔双列圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、调心滚子轴承等，其中：深沟球轴承，也称为向心球轴承。它的内外圈具有深沟滚道，主要承受径向载荷。这种轴承不能调节间隙，常用于精度要求不太高，径向刚度要求也不太高，不需预紧的地
39、方。本次设计中，在套筒的定位和支承中选用此轴承。角接触球轴承可以同时承受径向和一个方向的轴向载荷，极限转速较高。这种轴承的接触角有15、25、40、60等数种。其中60接触角的角接触球轴承主要用来承受轴向载荷。图3-3 调心滚子轴承调心滚子轴承如图3-3所示，具有两列滚子，主要承受径向载荷，同时也能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷能力，特别适用于重载或振动载荷下工作，但不能承受纯轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形，故其调心性能良好，能补偿同轴度误差，装配起来比较方便。综合调心滚子轴承和动力箱输入轴的特点，齿轮轴轴是大型零件，它的转速不高，而且是重载荷，需要调心作用，为了安装的方便，所以选
40、用调心滚子轴承。3.2.2调心滚子轴承的安装调心滚子轴承在有二条滚道的内圈和滚道为球面的外圈之间，装配有鼓形滚子的轴承。外圈滚道面的曲率中心与轴承中心一致，所以具有与自动调心球轴承同样的调心功能。在轴、外壳出现挠曲时，可以自动调荷及二个方向的轴向负荷。径向负荷能力大，适用于有重负荷、冲击负荷的情况。内圈内径是锥孔的轴承，可直接安装。或使用紧定套、拆卸筒安装在圆柱轴上。保持架使用钢板冲压保持架、聚酰胺成形保持架及铜合金车制保持架。3.2.3 调心滚子轴承的配合滚动轴承内圈与轴颈的配合应采用基孔制，外圈与外壳孔的配合应采用基轴制。轴承内圈通常与轴一起旋转，为防止内圈与轴颈的配合表面在圆周方向上相对
41、滑动，通常要求配合面间有不太大的过盈量。而轴承外圈安装在外壳孔中通常是不旋转的，所以外圈与外壳孔的配合可以稍松一些，选择间隙配合。在本次的设计中，通过查机械设计手册得出，调心滚子轴承配合、轴公差为p6，孔公差为K7.3.2.4 齿轮轴的结构设计齿轮轴结构见图3-4。齿轮轴顾名思义就是把齿轮和轴作为一个整体，根据轴的功能，轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支承要求，同时应具有良好的工艺性。根据轴上零件受力情况、安装、固定及装配时对轴的表面要求等初步确定轴的径向（直径）尺寸，根据轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式初步确定轴的轴向尺寸。在结构设计的同时还要注意轴应该具有良好的工艺
42、性。轴结构设计好后，最后再进行轴的刚度校核。完成整个设计内容。图3-4 齿轮轴本次设计中的齿轮轴选用的材料为45号碳素钢，因为该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料。采用的热处理工艺为：在粗加工之前，进行正火处理，使轴具有一定的韧性且提高切削性能。在半精加工完成后进行表面淬火，使表面硬度达到硬度4045HRC。齿轮轴的加工工艺过程如表3-1所示。表3-1齿轮轴的工艺设计表工序号工序名称工序内容及说明0锻造1划线检查毛胚余量，划一端中兴孔加工线2打中心孔车平一段面，并且打中心孔3粗车各外圆及端面留有余量，总余量=正火后车削余量+渗碳淬火后车去渗碳层余量+淬火后的车削余量
43、+外圆及端面的磨削余量。为了避免热处理时由于应力集中造成的裂纹，全部棱角按留量倒角。根据工艺车出热处理吊台。4探伤超声波探伤检查齿坯是否有缺陷，及时报废不合格品。5正火预备热处理。目的是使齿坯组织细化均匀化，减少渗碳淬火时工件变形。6车车端面，修打中心孔。齿顶圆、齿宽按设计图车成。其余外圆留有余量。7粗滚齿齿形预加工，要求精度达到国家标准。采用带触角的磨前滚刀，在齿形根部切出深割。测量公法线长度并且留出半精滚齿和磨齿余量。（包括渐开线外花键）8钳工端面齿形及齿顶沿齿长棱边倒角，避免热处理时产生裂纹。9车按齿顶圆两端找正。车成轴端面，修打中心孔。车去各部分渗碳层，外圆及端面留下一定余量。10表面
44、淬火11喷丸目的是：清除热处理氧化皮；使根部产生残余压应力，以提高齿根抗弯疲劳强度。12半精车直齿轮在卡盘卡爪位置的四个齿槽两端均布8个磁性找正棒。在距离0.8齿宽的两个截面上，找正齿圈径向跳动。允差均为公法线长度留余量的1/5.调节卡盘的卡爪和置于中心架上的固定于另一轴段的定位套，进行找正。修打两端中心孔，需要磨削外圆及端面要留出一定余量。13探伤超声波探伤，确定齿坯内部质量是否合格14磨削磨外圆级端面（安装轴承的外圆）15半精滚齿按两端轴径找正，采用硬质合金滚刀半精滚齿，留磨削余量为粗滚齿的1/4。16磨齿按两端基准找正，径向跳动允差0.01mm齿廓根部切出深割，意图是避免齿槽根部磨削，其
45、好处是：避免降低槽底硬度以及保持残余压应力；槽底狭小，散热条件差，以及过渡曲线处余量大小变化大，容易产生裂纹从而影响加工质量。总之，齿槽根部不磨削可以提高齿轮承载能力，避免磨齿损伤。17检查按图样要求检查齿轮精度，在检查齿形时，同时检查渐开线长度是否足够，检查是否有磨齿烧伤、裂纹。18钳工端面齿形及齿顶沿长棱边倒角3.2.5 轴支承结构设计首先要确定如何对所选用的轴承根据其工况在圆周方向和轴向进行可靠的固定，其次支承结构的设计要便于安装、拆卸、密封、润滑。轴支承结构设计必须使轴在轴线方向处于静定状态，即轴在轴线方向既不能有刚体位移（静不定），也不能有阻碍轴自由伸缩的多余约束（超静定）。符合轴向
46、静定原则的常见轴承轴向支承方式有三种（两支承机构）：一端定位支承方式又称固定-松弛支承方式，是将两个轴向定位约束安置在轴某一端支承上，此支承称之为固定支承。固定支承中的轴承在轴线正反两个方向都不能移动。而轴上另一端支承则在轴线两个方向都无固定，即可自由移动，这种支承称之为松弛支承。一端定位支承是理想的静定状态，它既无刚体位移，也可避免因制造误差，轴和壳体热变形不一样等因素引起的附加轴向力。两端定位-调隙支承方式是将两个轴向定位约束分别安置在轴两端的支承上，它通常由两个圆锥滚子轴承或两个角接触轴承组成。这种轴承既能承受大的径向力，也能承受大的轴向力，通常用于径向和轴向均有外载的场合。装配时用螺母或其他方法调节轴承圈，保证所需的轴向间隙或径向预紧。由于其间隙可调，这种支承方式特别适合于传动精度要求高的场合。它一般无轴向刚体位移，但当轴的热膨胀比支承它的壳体热膨胀大时，会引起附加轴向力。但是这种附加轴向力可用下面的方法限制于容许的范围之内：借可调节的轴承轴向间隙，来平衡轴和壳体的变形差额；用弹簧，从而能保