摘 要

空间包络成型技术是一种新型的压力加工工艺，由传统环件辗扩技术改良而来，它通过摆碾加工过程中摆头与工件不规则轨迹的周期性局部接触，并通过压力使得工件累积变形，此技术有利于各个零件配件产品的制作和研发，经济效益显著。空间包络成形装备结构复杂，运行工况多样，因此，展开对空间包络成形装备的结构优化设计方法和工作特性分析的研究，对提高空间包络成形装备的使用寿命和工作性能有着重大意义。

本文首先对空间包络成形装备的工作原理进行了探究，之后针对它核心的动力传输部件变速器部分进行了分析研究，确定了切实可行的变速器内部布置方案，之后对空间包络成形装备变速器关键零件轴、齿轮等进行了设计和强度计算分析，最终建立了空间包络成形装备变速器三维几何模型，并设计绘制了相应的二维图。

关键词：空间包络成形；变速器；冷摆辗机；结构设计

Abstract

The space envelope molding technology is a new type of pressure processing technology, which is improved from the traditional ring expansion technology. It passes the periodical local contact between the pendulum head and the irregular track of the workpiece during the pendulum milling process, and makes the workpiece through the pressure. Accumulated deformation, this technology is conducive to the production and research and development of various parts and accessories products, significant economic benefits. Because of the complex structure of space envelope forming equipment and various operating conditions, it is of great significance to expand the research on structural optimization design methods and work characteristics of space envelope forming equipment to improve the service life and performance of space envelope forming equipment. .

This paper first explores the working principle of the space envelope forming equipment, and then analyzes and studies the transmission components of its core power transmission components, determines a feasible internal arrangement scheme for the transmission, and then assembles the transmission key components for the space envelope forming equipment. Shafts, gears, etc. were designed and analyzed for strength calculations. Finally, a three-dimensional geometric model of the space envelope forming equipment transmission was established and a corresponding two-dimensional map was designed.

Key Words：spatial envelope molding technology；transmission ；cold rotary forging machine；structural design

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1摆辗机介绍 1

1.1.2研究意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究目标及主要工作 4

1.3.1研究基本内容与目标 4

1.3.2技术方案及措施 4

第二章 总体方案设计 6

2.1方案介绍 6

2.2齿轮工作介绍 6

第三章 确定减速器整体设计方案 8

3.1减速器传动设计 8

3.1.1电机的选用 8

3.1.2传动效率的确定 8

3.1.3传动比的分配 8

3.1.4传动参数计算 8

3.2变速器箱体设计 10

第四章 齿轮传动设计 12

4.1设计55号以及47号齿轮对（同52号以及43号齿轮对） 12

4.1.1选取齿轮对的齿数，热处理方法 12

4.1.2按齿面接触强度设计 12

4.1.3按齿根弯曲强度校核 13

4.2设计54号以及46号齿轮对 15

4.2.1选取齿轮对的齿数，热处理方法 15

4.2.2按齿面接触强度设计 15

4.2.3按齿根弯曲强度设计 16

4.3设计44号62号53号齿轮组 17

4.3.1选精度等级、材料及齿数，齿型 17

4.3.2按齿面接触强度设计 18

4.3.3校核44号62号53号齿轮组 18

4.4设计41号61号51号齿轮组 19

4.4.1选取齿轮组的齿数，热处理方法 20

4.4.2按齿面接触强度设计 20

4.4.3校核41号61号51号齿轮组 21

4.5设计31号以及21号齿轮对 22

4.5.1选取齿轮对的齿数，热处理方法 22

4.5.2按齿面接触强度设计 22

4.5.3按齿根弯曲强度设计 24

4.6设计32号以及48号齿轮对 25

4.6.1选取齿轮对的齿数，热处理方法 25

4.6.2按齿面接触强度设计 25

4.6.3按齿根弯曲强度设计 26

4.7小结 28

第五章 减速器轴及轴承装置、键的设计 30

5.1输入轴及其轴承装置的设计 30

5.1.1求输入轴上的输出功率、转速和转矩 30

5.1.2初步确定轴的最小直径 30

5.1.3轴的结构设计 30

5.1.4轴上零件的周向定位 31

5.1.5确定轴上的圆角和倒角尺寸 31

5.1.6轴的强度验算 31

5．2 第一轴及其轴承装置、键的设计 33

5.2.1求第一轴上的输出功率、转速和转矩 33

5.2.2初步确定轴的最小直径 33

5.2.3轴的结构设计 33

5.2.4轴上零件的周向定位 34

5.2.5确定轴上的圆角和倒角尺寸 34

5.2.6轴的强度验算 34

5．3 第二轴及其轴承装置、键的设计 37

5.3.1求第二轴上的输出功率、转速和转矩 37

5.3.2初步确定轴的最小直径 37

5.3.3轴的结构设计 37

5.3.4轴上零件的周向定位 38

5.3.5确定轴上的圆角和倒角尺寸 38

5.3.6轴的强度验算 38

5．4 第三轴及其轴承装置、键的设计 44

5.4.1求第三轴上的输出功率、转速和转矩 44

5.4.2初步确定轴的最小直径 44

5.4.3轴的结构设计 44

5.4.4轴上零件的周向定位 45

5.4.5确定轴上的圆角和倒角尺寸 45

5.4.6轴的强度验算 45

5．5 输出轴及其轴承装置、键的设计 48

5.5.1求输出轴上的输出功率、转速和转矩 48

5.5.2初步确定轴的最小直径 48

5.5.3轴的结构设计 48

5.5.4轴上零件的周向定位 49

5.5.5确定轴上的圆角和倒角尺寸 49

5.5.6轴的强度验算 49

第六章 总结 54

6.1研究总结 54

6.2研究展望 54

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

空间包络成型技术是一种新型的压力加工方法，由传统环件辗扩技术改进而来。环件辗扩是借助于辗环机使环件发生壁厚减小、直径扩展、截面表面成形。而空间包络成型技术通过摆碾加工过程中摆头与工件不规则轨迹的周期性局部接触，并通过压力使得工件累积变形。空间包络成形装备有利于各个零件配件产品的制作和研发，经济效益显著。

1.1.1摆辗机介绍

英国在20世纪初制造出了世界上第一台摆辗机^[1]。20世纪20年代,H.F.Massey就开始了关于摆辗工艺的研究,并且在1929年取得了相关的摆动辗压专利。1960年，索尔夫特大学的一名叫做Slater的教授也展开了关于摆动辗压的研究,并且独立设计了一台公称压力高达100kN的摆辗机。1976年英国诺丁汉大学的Standing和Appleton等人制成了一台公称压力为300 kN的摆辗机,并且对粉末状物体的冷摆辗成形以及螺旋伞状齿轮冷摆辗成形工艺工艺过程做了相关剖析阐述，采取硬度实验法和金相方式对摆辗成形的塑性变形规律做了相关分析。

而在1967年，波兰制造了世界上第一台PXWP型摆辗机，该摆辗机由华沙工业大学的Marciniak教授研制而成，Marciniak教授不仅设计了用于摆辗机的各个分块儿模具，而且从理论上研究分析了摆头与工件接触时的温度分布以及热传导现象^[2]。即使英国的第一台摆辗机问世比波兰的第一台摆辗机早，英国对波兰的摆动辗压研究以及实际应用方面的发展都远远不及波兰快。直线、圆、多叶玫瑰线和螺旋线等4种不同的机器运动轨迹可以由PXWP型摆辗机摆头来实现。PXWP100、PXWP200、PXWP2-250、PXWP2-630四种型号的摆辗机都是PXWP型摆辗机的衍生，后来又经过了多次升级改进，它们的性能也变得更加优越。

德国对于摆动碾压工艺的研究更偏重于工业应用方面。瓦格纳公司自1970年就开始着手制造AGW型摆辗机,该摆辗机最大辗压力高达4000 kN,可加工零件直径也扩大到了Φ1100 mm;其最小辗压力高达500kN,可加工零件直径为Φ150 mm。之后，瓦格纳公司又在1985年生产出了AGW400型摆辗机，它具有配套的自动上料系统以及卸料装置，顺利投入市场，并且在1988年被用于美国的汽车生产线上，用于制造环形齿轮零件。

直到上个世纪70年代，我国才开始从事有关摆辗的研究工作。直至20世纪90年代，我国才陆续生产了三十多台摆辗机。但国产摆辗机的摆头运动轨迹大多单一，更多地适用于热摆辗加工生产，此外，大多数摆辗机并非专业设备厂商制造。摆动辗压工艺相关工作较其他发达国家固然晚一些，但由因为摆辗技术的独特优势，以及其与我国工业生产的契合度极高，摆动辗压技术在我国得到了迅猛的发展，取得了许多喜人的成果。1980年，我国自主研发投产的摆辗机公称压力高达4000kN,吨位为当时世界上之最。

摆动辗压是一种具有高自动化、成本低、噪声小、效率高等优点的新型锻压技术，非常适用于现代工业，扩大了锻压生产范围，因此，这种具有光明前景的新工艺必将在工业生产中占据重要地位。

1.1.2研究意义

摆碾技术是一种新型的回转锻造技术，而用来摆动辗压的专用设备就是摆辗机。传统的冷锻加工工艺是在室温下进行一道工序或几道不同工序，通过在瞬时对工件进行全面加压而实现，而摆辗锻造则通过对毛坯件局部加压的生产工艺来实现工艺要求，大幅度减轻了工件的成形负载。摆辗机不同于其他普通锻压设备的主要特点就是具有一个安装在梁上作旋转运动的摆头。摆辗机相较于普通锻压设备的主要优点是效率高、噪声小。

而空间包络成形装备相较于传统辗环机有以下优点：（1）、噪声小，能够为操作者提供较良好工作环境；（2）、能够用于制造难以锻造的工业产品，比如齿条、制动盘、锥齿轮等；（3）、机身震动小，机器运作平稳，产品质量高；（4）、操作简便，降低了操作者的使用难度；（5）、设备结构紧凑，尺寸较小，且具有实现多种轨迹的功能，减小了占地面积。

摆动辗压的目的是生产出具有形态多样的零件，这就由摆辗机摆头产生直线、圆、多叶玫瑰线和螺旋线等4种运动轨迹来实现。其中多叶玫瑰线的叶数可以由内外轴套的角速度之比来确定，借此可以增加摆辗机的工作应用范围，扩大锻造产品的种类。其中，直线轨迹可用于制造齿条等长条形零件；圆轨迹可用于制造制动盘、法兰等回转体零件；多叶玫瑰线轨迹可用于制造离合器、锥齿轮等表面结构零件；螺旋线轨迹可用于制造心部构造要求较高的法兰状零件。

1.2 国内外研究现状

空间包络成形工艺以摆动辗压成型技术为基础，是锻压工艺的一种，属于新型回转锻造技术，具有总成本低、效率高、加工环境优等众多优点，在目前的工业生产中得到了广泛的应用。因此，国内外众多学者针对该种工艺的研究和改进仍在持续进行。

张猛等人系统地介绍了空间包络成形工艺所对应的摆动辗压技术如今的发展现状，阐明了摆辗机的发展过程、国内外摆动辗压技术的发展过程以及应用情况，阐述了摆动辗压技术的基本原理，详细介绍了摆辗的运动学过程、摆辗加工过程中的塑形变形特性及试验测试。