拉扭組合及拉伸試驗機的設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】
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摘 要
材料試驗機是一種對金屬、非金屬，零部件機構(gòu)件的強度、剛度、彈性、塑性、韌性和延展性等性能在拉壓彎扭等工況下，可以測試出其具體數(shù)值的基本測試設(shè)備[1]。可以對材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗。然而，材料試驗機發(fā)展至今，對于試驗機夾頭，經(jīng)歷從手動夾緊到液壓夾緊，夾緊力不斷提升，結(jié)構(gòu)不斷改進，自動化水平逐漸提高。但是既能實現(xiàn)拉伸實驗，又能進行扭轉(zhuǎn)實驗的組合式的試驗機的研究還不是很多。
這篇文章我們先是簡要闡明了試驗機的名詞解釋、種類介紹以及中國外國的比較有名的試驗機制造廠的產(chǎn)品。而后列出了材料試驗機上的兩類負荷的加力方式、傳遞動力的形式等，并對兩者的長處與短處進行對比和取舍。再是文章的核心部分，對于拉扭組合試驗機的重要的工作零部件的選擇、設(shè)計，同時還要有校核階段，以驗證設(shè)計得是否合理。蝸輪蝸桿、帶傳動、滾珠絲杠傳動共同組建了拉扭試驗機的傳動系。經(jīng)過校核檢驗的設(shè)計都在許用范圍內(nèi)。本文的最后則是對于此試驗機作了一些總結(jié)與展望。
關(guān)鍵詞 試驗機；蝸輪蝸桿；齒形帶；滾珠絲桿；
ABSTRACT
Material testing machine is a basic testing device by stretching, compressing, bending, twisting, etc. to detect the strength, stiffness, elasticity, ductility, toughness, ductility of metal materials, non-metallic materials, parts, components., such as materials tension, compression, bending, shear, reversing, impact, fatigue, creep, lasting and relaxation, wear, hardness tests. However, so far as material testing machine develops, for the testing machine chuck, from manual to hydraulic clamping, clamping force continues improving,the structure improves,too.. Detection of high-precision, high sensitivity, smooth motion, easily operated test machine is the main development direction presently.
This paper first summarizes the test machine's basic definition, classification, and some important domestic and foreign manufacturers results. The second part, discussing about the experiences of the four projects as well as advantages and disadvantages of these projects are analyzed and compared . In comparison with each other decide the first option. The third part is the experiment, the major part of the mechanical drive design and the process of checking them. The main drive system of the test machine includes the worm, toothed belts, ball screw three components. After checking all the design had complied with the request. In the end concisely introduce the meeting and what had learned in the graduate design experiences.
Keywords: Test Machine, Worm Gear & Worm，Toothed Belts，Ball Scre
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目錄
第1章 概述 1
1.1課題的提出 1
1.1.1課題產(chǎn)生的背景 1
1.1.2 課題的意義 1
1.2國內(nèi)外實驗機研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2
1.2.1國內(nèi)外試驗機發(fā)展及其趨勢 2
1.2.1試驗機種類的介紹 5
1.3課題的重點和難點： 7
第2章 萬能材料試驗機方案選擇 10
2.1加載方式的選擇 10
2.1.1液壓式 10
2.1.2機械式 10
2.2傳動方式 10
第3章 動力設(shè)計與驗算 16
3.1滾珠絲杠副的運動動力設(shè)計計算 16
3.1.1 靜態(tài)負載條件 17
3.1.2絲杠壽命計算 17
3.1.3絲杠強度計算 18
3.1.4絲杠的穩(wěn)定性 19
3.1.5絲杠的剛度 19
3.1.6絲杠的傳動效率功率 21
3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù) 21
3.2電機的選擇 22
3.2.1步進電機的選擇 22
3.2.2導(dǎo)步電動機選擇 23
3.2.3電動機的參數(shù) 23
3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計算 24
3.4各級傳動的設(shè)計計算 24
3.4.1帶傳動設(shè)計計算 24
3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計算 26
3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗算 29
3.6動靜橫梁變形的驗算 31
3.6.1動橫梁變形的驗算 31
3.6.2靜橫梁變形的驗算 32
3.7離合器的選擇計算 34
第4章 軸類零件工藝分析 36
第5章 總結(jié) 38
參考文獻 39
4
第1章 概述
1.1課題的提出
1.1.1課題產(chǎn)生的背景
在工業(yè)化飛速發(fā)展的過程里，隨著新材料、新產(chǎn)品、新工藝的層出不窮。要用一定的工作裝置和檢測材料的手段，來對材料的力學(xué)特性，制造出的商品的構(gòu)造特性進行專門的分析，所以材料試驗機就這樣出現(xiàn)了[1]。制造業(yè)作為一個國家民生的占大比重的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，如果想要獲得更理想的機械特性、工藝特性以及高強度的結(jié)構(gòu)，更進一步的使得制造出的商品合格率更高。則應(yīng)該去做更為精準(zhǔn)的抗拉強度、抗壓強度和抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)強度的驗證，從而獲得未知的材料在多種惡劣工況中的參數(shù)值。
1.1.2 課題的意義
材料展現(xiàn)的多種多樣的力學(xué)特性會因為負載的不一樣而有變化，像是強度、硬度、塑性、韌性以及疲勞等特征。在零部件的設(shè)計、材料選定和制造工藝的估計過程中要參照材料的力學(xué)特征。在外載荷加載的情況下，材料會有彈性、塑性以及斷裂變形等階段，這也就說明了對于材料的力學(xué)特性的探索在工程測試領(lǐng)域有很好的實踐意義[2]。
拉力試驗機是對材料做拉伸動作來檢驗金屬材料、非金屬材料、零部件、構(gòu)件的強度、剛度、彈性、塑性、韌性、延展性等的基本檢測裝置，拉力試驗機所檢測的實驗參數(shù)，對以后進行實際的設(shè)計與驗證商品的安全性有很好的參照根據(jù) [3]。對于沒有經(jīng)過拉伸扭轉(zhuǎn)試驗的材料，不進在商品制造中會浪費過多的材料，有可能還會有重大的安全隱患。
拉力試驗機廣泛應(yīng)用于航空、機械、交通、運輸、建筑、冶金、化工、輕紡、能源開發(fā)、新型材料、醫(yī)療衛(wèi)生以及國防科技、大專院校等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域和部門[4]，一個國家的基礎(chǔ)工業(yè)和裝置設(shè)備的好壞，對拉力試驗機能否快速、準(zhǔn)確的測量以及能否進行先進的控制具有決定性因素，另外作為一種精準(zhǔn)的測量裝置，拉力試驗機在推動材料科學(xué)加速進步，在工業(yè)產(chǎn)品和機械構(gòu)造的設(shè)計合理性，在商品特性的提升和花費減少，在一個國家制造業(yè)水平提升等方面有著舉足輕重的地位 [5]。一般，材料試驗機的定義是檢測材料機械特征的裝置或器具。不過，有些國家對試驗機的定義更為寬泛，檢測物理特性或者化學(xué)特征的裝置也被包含在內(nèi)。
在基礎(chǔ)制造業(yè)發(fā)展較為完善的其它國家，在試驗機的探索與制造方面都關(guān)注得較多。究其原因，材料是作為制造商品的基礎(chǔ)原料，材料性能的好壞，直接對產(chǎn)品與研發(fā)工作造成不可避免的困難。
但其實相較于制造業(yè)和研發(fā)設(shè)計，材料試驗機對于各種汽車、工程機械和各種商品設(shè)計的合理性以及工作的安全性方面都有保障。這是由于根據(jù)材料試驗機檢測出的材料的各項特性，可以對產(chǎn)品的合理設(shè)計與運轉(zhuǎn)安全性進行檢驗。不然，要么會浪費原料，要么會有較大的安全隱患。這些材料的許多特性，都要靠材料試驗機的測定來完成。
通常要對各式各樣的材料或者零部件，甚至是機體來做測驗，來使得商品滿足質(zhì)量的要求，這在裝備制造業(yè)，尤其是要求嚴(yán)格的軍事產(chǎn)品上，是很有必要的。
在很多產(chǎn)品需要熱處理的元件中，規(guī)定要嚴(yán)格的做硬度特性的測試。例如：應(yīng)用在軋鋼機中的輥子，機械主軸或者車輛連桿。
在科學(xué)技術(shù)繁榮發(fā)展的進程中，冶金行業(yè)的制造遇到了非常多的困難。對于現(xiàn)代科技的探索，經(jīng)常會用到一些在惡劣環(huán)境中，如高溫、低溫、高壓、高速等運轉(zhuǎn)的材料，這也導(dǎo)致了新型材料與合金材料的誕生。鋼鐵廠制造出的型鋼，都會應(yīng)用材料試驗機進行測試。很明顯的，如果沒有材料試驗機，很多設(shè)計、研發(fā)與制造都是不能完成的。
對于以上所闡明的，可以充分地驗證材料試驗機的好壞會制約著航空、冶金、機械建筑及造船等行業(yè)，并且會對設(shè)計合理性、結(jié)構(gòu)簡化、材料利用、工藝改善、產(chǎn)品質(zhì)量以及成本控制等因素產(chǎn)生深遠的影響。
另一方面，因為材料試驗機在高溫領(lǐng)域、低溫領(lǐng)域、真空領(lǐng)域、液壓等技術(shù)方面都會產(chǎn)生作用，而且材料試驗機由許多檢測、標(biāo)記與顯示裝置組成，因此材料試驗機發(fā)展的好壞，通常會與其他學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān)。
1.2國內(nèi)外實驗機研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1國內(nèi)外試驗機發(fā)展及其趨勢
第一臺拉伸試驗機誕生于200年前的西歐，采用的機械杠桿，砝碼加荷原理制成，用以測定鋼鐵和其他金屬材料的抗拉強度試驗[6]。而在材料科學(xué)與力學(xué)的繁衍過程中，材料試驗機作為能夠檢測多種材料機械、工藝以及結(jié)構(gòu)上的特性的裝置。第二次世界大戰(zhàn)之后，伴隨著科技的急劇進步，發(fā)達國家在材料試驗機的產(chǎn)品和研究上有了相當(dāng)大的變化。同時又因為工業(yè)化的腳步繼續(xù)前進，新型材料的發(fā)現(xiàn)及產(chǎn)生，使得對于新材料進行分析檢測的裝置以及測試的手段的探索迫在眉睫。因此才有了材料試驗機的出現(xiàn)，世界上首臺材料試驗機是1792年在法國生產(chǎn)出來的。到十八世紀(jì)中葉，材料試驗機逐漸地有了較大的改進，例如在加載機構(gòu)中采用了刀口結(jié)構(gòu)等。十九世紀(jì)初，液壓技術(shù)的進步促進了液壓材料試驗機的研究與應(yīng)用。第一臺液壓材料試驗機于1827年制成，采用杠桿原理測量載荷。在上個世紀(jì)五十年代，出現(xiàn)了電子式材料試驗機，它是試驗機歷史上的一次革命，得益于方興未艾的電子技術(shù)大量應(yīng)用于材料試驗機的控制、測量和記錄系統(tǒng)中，使材料試驗機的整體性能得到很大提高。隨著機械設(shè)計的進步和微電子伺服控制技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代靜態(tài)試驗機已經(jīng)把拉、壓、彎、剪等集合于一身，稱之為電子萬能試驗機，它通過變換夾具、附件和改變試驗機運行參數(shù)就能自動完成材料試驗，并將試驗結(jié)果以數(shù)據(jù)打印和曲線描繪的方式輸出，電子萬能試驗機已經(jīng)成為世界上目前應(yīng)用最廣、最普遍的機種之一，基本取代了傳統(tǒng)的老式機械拉力試驗機、壓力試驗機和專用的彎曲試驗機。
拉伸試驗機主要由機械部分，數(shù)據(jù)采集部分，伺服驅(qū)動部分，數(shù)據(jù)處理部分等組成。隨著科技的發(fā)展，拉伸試驗機經(jīng)歷了機械式拉力試驗機，電液伺服拉力試驗機，到今天的微機控制拉力試驗機主要的三個階段。
國外拉力試驗機經(jīng)過一百多年的發(fā)展沉淀，在拉力試驗機的控制、測量和記錄系統(tǒng)中，廣泛采用了電子技術(shù)、計算機技術(shù)，使拉力試驗機的整體性能得到很大提高。比較有代表性的是德國申克（Schenck）公司、MFL公司、沃爾伯特（Wolpert）公司和美國的MTS公司、奧爾森（Olsen）公司、英斯特朗（Instron）公司、茨維克（Zwick）公司和日本的島津公司、東京橫機公司、東洋精機公司以及松澤公司等等。
目前國際上公認的電子萬能材料試驗機有美國的INSTRON、美國的MTS和日本的島津[7]。這些國際知名廠家都開發(fā)了諸多系列的材料試驗機，電子萬能材料試驗機是應(yīng)用最廣的一種，這些試驗機基本上可劃分為立柱式（單立柱、雙立柱）、臺式、臥式等，并依據(jù)加載負荷的大小來分檔使之成為一個能滿足不同需求的系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品基本上代表這材料試驗機領(lǐng)域的先進水平,其中較具代表性的產(chǎn)品為INSTRON公司生產(chǎn)的電子萬能材料試驗機和美國MTS電子萬能材料試驗機,在這些系列的試驗機的技術(shù)指標(biāo)中，負荷精度能達到指示值的±0.5(或每級量程的士0.25%)，橫梁速度控精度達 0.1%[9]。
國內(nèi)拉力試驗機的研究發(fā)展也有50多年的歷史，我國比較有代表性的有以濟南試金試驗機為基礎(chǔ)的山東地區(qū)，以長春試驗機研究所為代表的東北地區(qū)，是國內(nèi)試驗機的兩大發(fā)展基地。結(jié)合的國外的先進技術(shù)，和國內(nèi)健全的生產(chǎn)設(shè)施。以及建國之初大環(huán)境的支持，目前國內(nèi)拉力也已到達先進水平。我國有代表性的公司的產(chǎn)品是長春試驗機研究所開發(fā)的CSS-220系列電控試驗機，該產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已達到上世紀(jì)八十年代末國際先進水平，居國內(nèi)領(lǐng)先地位[9]。此外還有廣州試驗儀器廠WD系列，長春市第二試驗機廠三思公司CMT5000系列等等。2012年10月28日，我國第一臺1500KN電子式試驗機在長春機械科學(xué)研究院研制成功。該系列試驗機創(chuàng)造了國內(nèi)電子式試驗設(shè)備的最大試驗力記錄，打破了國外企業(yè)在大噸位電子式試驗設(shè)備方面的壟斷局面，為我國尖端制造業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)保證，代表了我國當(dāng)前在電子式試驗設(shè)備方面的較高技術(shù)水平[10]。但是由于我國在開發(fā)技術(shù)水平、元器件品質(zhì)、工藝設(shè)備手段等多方面的條件制約，致使我國的拉力試驗機水平同發(fā)達國家相比還有比較大的差距[3]。近幾年以來，國內(nèi)在試驗機方面研究的廠家也很多，涌現(xiàn)了諸如深圳新三思公司和濟南試金集團等生產(chǎn)多種類型的成套試驗設(shè)備的生產(chǎn)商，國產(chǎn)電子萬能試驗機的典型代表如圖 1-1 所示。
圖1-1、國產(chǎn)材料試驗機
與國際產(chǎn)品相比，國產(chǎn)品牌憑借其相對低廉的價格和售后服務(wù)的優(yōu)勢，產(chǎn)品的認可度在不斷的提高但是，國產(chǎn)試驗機與國外試驗機在精度和可靠性方面還存在一定差距，尤其是與國外高端試驗機產(chǎn)品方面仍有較大的差距。客觀來說，國內(nèi)試驗機行業(yè)還處在一個仿制為主和創(chuàng)新研發(fā)為輔的階段，鑒于試驗機行業(yè)不可限量的市場前景和在整個國家工業(yè)體系中的特殊地位，國產(chǎn)試驗機還是大有可為的。
現(xiàn)代電子萬能材料試驗機的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：
( 1 ) 高精度 試驗機對載荷、加載速率、狀態(tài)控制精度要求越來越高；對如載荷傳感器等各種傳感器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性等要求也越來越高。
( 2 ) 智能化 實時的數(shù)據(jù)測量與記錄，便捷的試驗結(jié)果顯示和打印輸出，借助如工業(yè) CT 技術(shù)、PDA 等更前沿的檢測手段和儀器，使試驗機的操作和應(yīng)用更簡便自如。
( 3 ) 模塊化、組合式 萬能試驗機上帶有各種自動控制和自動測量裝置,大都采用組件形式，可以隨意增加以擴大試驗機的使用范圍和功用。
( 4 ) 通用性、專門化 通用性質(zhì)的試驗機功能會更強大，各種原理相通功能近似的試驗機會相會整合和趨同，同時滿足最大多數(shù)的需求是其發(fā)展方向；與此相對，試驗機的專門化也是一個很重要的趨勢，有些應(yīng)用場合在精度、試驗條件、功能、專業(yè)化方面都有別于一般的試驗機，這就對試驗機的專門化提出了要求；更專業(yè)、更高端的試驗機在一些諸如國防、新材料研究等領(lǐng)域的需求也是很急迫的。
( 5 ) 現(xiàn)場化 傳統(tǒng)試驗機的常規(guī)應(yīng)用方式是在實驗室條件來測試試樣的性能。但這種檢測方式并不能完全反映常常作為一個構(gòu)件使用的材料的某些性能。為了彌補這種先天的缺憾，很多試驗機會采用諸多手段來模擬現(xiàn)場以實現(xiàn)在線測試和試驗，目前很多這方面的技術(shù)還處于探索和研究階段，離真正實現(xiàn)現(xiàn)場測試還有很大的距離。
1.2.1試驗機種類的介紹
試驗機是用來進行材料力學(xué)性能指標(biāo)測定的設(shè)備，在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗中都需要應(yīng)用試驗機來進行力學(xué)性能測試。而其中在靜態(tài)萬能材料試驗機上的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗尤為廣泛[11]。
我國靜態(tài)萬能試驗機為數(shù)眾多，遍布于全國各地，大部分不具備電測能力，以手動調(diào)整進、回油閥的方式運行，試驗手段落后，有勞動量大和測試結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點。若對其指示、記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造，則可以充分地發(fā)揮設(shè)備的潛能，大大提高其技術(shù)性能及使用價值，更好地為材料研究、質(zhì)量控制和實驗教學(xué)服務(wù)。 本系統(tǒng)將先進的虛擬儀器技術(shù)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于靜態(tài)試驗機，來實現(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)的自動檢測，其中試驗數(shù)據(jù)的實時采集、自動處理分析和試驗中的加載速率控制是本系統(tǒng)研究的重點。 本系統(tǒng)在充分掌握大量試驗機的動態(tài)信息的基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器技術(shù)，進行了靜態(tài)萬能材料試驗機數(shù)控化系統(tǒng)的硬件搭建及軟件設(shè)計。下面對各種試驗機作簡單介紹：
1．液壓萬能材料試驗機
傳統(tǒng)的材料試驗機是液壓式的, 這種材料試驗機存在一些不足之處。它通過油泵向油缸輸油加壓, 由流量調(diào)節(jié)閥控制流量。油泵和測力油缸的液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障, 不但影響試驗機的運行和試驗質(zhì)量, 而且增加了維修工作量; 它的液壓夾具的鉗口座比較笨重, 容易損壞; 采用擺錘測力計測量試驗力,擺錘的慣性大, 對載荷的測量精度低, 且量程范圍小。
2．電子萬能試驗機
電子材料試驗機的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移的閉環(huán)控制; 試驗中無須選擇量程, 可實行全過程自動控制; 裝卸夾具和附件方便; 軟件包功能強大, 用戶通過PC 可直接存儲數(shù)據(jù)、計算并輸入測試結(jié)果和打印試驗報告。計算機控制整個試驗過程, 保證了試驗的質(zhì)量。
電子萬能試驗機是先進的機械技術(shù)與現(xiàn)代的電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是充分發(fā)揮了機、電技術(shù)各自特長而設(shè)計成的大型精密測試儀器，它具有高科技特點，其設(shè)計方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用了微機功能對各種附件和功能單元進行組合管理、控制、實現(xiàn)多種功能試驗。
材料試驗機測試裝置包括機身、橫梁及其支撐部件、鉗口和引伸計等。其中機身、橫梁及支撐裝置只需滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求即可, 而引伸計和試驗鉗口則是試驗機的關(guān)鍵測量裝置和部件。
電子材料試驗機由計算機控制系統(tǒng)進行自動控制。首先, 通過計算機可完成試驗階段的設(shè)置。對于金屬材料的常規(guī)拉伸試驗, 通常劃分為三個階段, 即彈性階段、屈服階段和強化階段。在三個試驗階段設(shè)置中, 均要選擇速率控制類型和最大存儲頻率等主要參數(shù)值。同時, 計算機可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲, 并由計算軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理, 給出檢測結(jié)果,最后, 完成試驗報告的打印。
3．?dāng)U大試驗機試驗噸位的機械增力裝置
該裝置屬于材料試驗設(shè)備，能在一定的試驗條件下解決小噸位高頻拉壓試驗機不能進行大噸位試驗的問題。它利用彈性內(nèi)封閉力系的原理，通過改變裝置系統(tǒng)內(nèi)部的約束尺寸來實現(xiàn)增力，運用實驗應(yīng)力分析技術(shù)通過電阻、電橋、應(yīng)變儀、指示器、光標(biāo)及“動態(tài)靜標(biāo)法”來實現(xiàn)檢測。該裝置能確保原試驗機的各項性能指標(biāo)及使用壽命，能達到“以小改大、一機多用”的目的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡單、測試精確、使用方便等優(yōu)點。
4．機械式帶傳動萬能材料試驗機
基于主機架采用門式結(jié)構(gòu)，使得造型勻稱美觀大方結(jié)構(gòu)簡單、成本低。尤其配以滾珠絲杠與同步齒型帶的傳動系統(tǒng)，使得整機運行平穩(wěn)，響應(yīng)快、噪聲低、效率高。對測量系統(tǒng)，微機可以對其進行自動調(diào)零，自動標(biāo)定、自動換檔，從而保證了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并大大地提高了工作效率。
通過對傳統(tǒng)材料試驗機的分析, 發(fā)現(xiàn)其不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1) 無法保證角度及位移測量的精度?，F(xiàn)代位移測量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、球柵和容柵等柵式測量系統(tǒng), 利用增量測量方法來確定位、置和材料延伸率δ, 精度達到±011μm, 速度可達16m / s ; 傳統(tǒng)試驗機多通過游標(biāo)卡尺人工測量, 無法滿足這一要求。
(2) 數(shù)據(jù)人工生成。采用人工讀取的形式獲得數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)無法即時匯總和分析。
(3) 速度調(diào)節(jié)為機械的有級調(diào)速, 速度控制為開環(huán)控制, 不能構(gòu)建轉(zhuǎn)速閉環(huán)。
(4) 不能測量材料的屈服強度σs、彈性模量E、硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r等參數(shù)。事實上, 多功能材料試驗機、萬能材料試驗機等, 其實驗原理與當(dāng)前主流的計算機控制材料試驗機并沒有實質(zhì)性的變化, 其被控對象都比較相似, 對控制效果的要求也相似。計算機控制材料試驗機主要是在控制系統(tǒng)上引入了CAT (Computer Aided Test, 計算機輔助測試) , 具有液壓伺服或者交直流電機伺服驅(qū)動、高精度的位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。
1.3課題的重點和難點：
然而，正如其名稱所述一樣，拉力試驗機還是有一定的局限性，因其只能對試樣受拉力的力學(xué)性能進行試驗分析，卻不能對材料的受壓、彎曲及扭轉(zhuǎn)等力學(xué)性能進行測定。因此萬能試驗機應(yīng)運而生，然而，稱其為萬能試驗機，真實情況下卻不是萬能的?，F(xiàn)在市場上出現(xiàn)的萬能試驗機大多數(shù)只是對于拉伸試驗、壓縮試驗以及彎曲試驗可以在同一臺試驗機上實現(xiàn)。而對于扭轉(zhuǎn)試驗，需要專門的扭轉(zhuǎn)試驗機來進行。所以從嚴(yán)格意義上來說，還沒有一臺試驗機可以稱得上是真正的萬能試驗機。所以本設(shè)計希望能夠設(shè)計出一種拉扭組合試驗機，這種試驗機既能實現(xiàn)拉伸、壓縮試驗，又能實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)試驗。
方案的確定，傳動系統(tǒng)設(shè)計、計算:
材料試驗機( 泛指壓力試驗機、拉力試驗機及萬能試驗機等試驗機) 廣泛地用于建筑、建材、公路橋梁、機械加工,檢測、質(zhì)檢等行業(yè)或機構(gòu)；在這些行業(yè)或機構(gòu)中, 材料試驗機一般均是用來對材料或產(chǎn)品的機械性能進行檢測,通過檢測所得到的數(shù)據(jù)來判定所購買的或生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量,通過優(yōu)化組合進而達到對生產(chǎn)質(zhì)量的過程控制；另一方面,許多質(zhì)檢機構(gòu)或檢測公司都是以材料試驗機試驗所得到的數(shù)據(jù)來進行質(zhì)量判別和質(zhì)量監(jiān)督的。因此如何正確地使用材料試驗機, 如何正確地評定材料試驗機的檢定結(jié)果,特別是如何正確地評定測量結(jié)果中示值誤差的不確定度就顯得特別重要。
材料試驗機示值誤差不確定度最主要的來源是標(biāo)準(zhǔn)測力儀、檢測時數(shù)據(jù)的不重復(fù)性、指示裝置的分辨率等三項,而溫度波動、溫度修正系數(shù)、溫度計讀數(shù)誤差等三項相比而言屬于高階無窮小,可以忽略不計。另外,在確定不確定度來源時本文沒有考慮示值進程誤差和零點相對誤差所帶來的影響,一方面因為材料試驗機主要是使用進程示值,因此考慮此誤差意義不大,另一方面零點相對誤差主要是衡量回零點的情況,而回零點的好壞情況間接地包含在了重復(fù)性誤差中,因此若再考慮零點相對誤差就會在不確定度來源上導(dǎo)致重復(fù)。
對于材料試驗機要關(guān)注以下一些性能參數(shù)：
1 承載能力與尺寸
這些指標(biāo)對選擇萬能材料試驗機至關(guān)重要。承載能力的選定，要根據(jù)所測試的材料被拉斷所需的最大力來決定。
對尺寸來說，要求測試時存在可用的足夠空間，包括橫向與縱向的空間都應(yīng)該合適。一些材料，試驗時延伸得較長，所以試驗機垂直的尺寸必須有足夠的長度，以滿足材料延伸的需要。另外還應(yīng)考慮特殊的夾具，固定裝置和環(huán)境箱所占據(jù)的空間。
2 橫梁的剛性
這個指標(biāo)往往被過高的要求了。只有在使用十字頭運動作為引伸計或進行撓性測試時橫梁的剛度才會顯得極為重要。用于評價橫梁剛度的因素很多，可以總結(jié)為以下幾條：絲杠直徑，圓螺母的匹配，絲杠軸承的匹配等。一些低剛度的機械制造商提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，數(shù)據(jù)采集和程序直接測試應(yīng)變和撓度的機器。實際上，如果承載橫梁用作撓度測試時，這個方法可以用來校正測試結(jié)果。
3 驅(qū)動系統(tǒng)的指標(biāo)
這些指標(biāo)是重要的，它用以保證系統(tǒng)是否按有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)來進行試驗。
4 滿載的最大速度
5 電控系統(tǒng)
6 數(shù)據(jù)記錄速度和帶寬
7 測力系統(tǒng)
系統(tǒng)必須精確并要求重復(fù)性好，精確度在0.5%-0.01%范圍內(nèi)。0.25%的讀數(shù)重復(fù)性要求95%符合，在同一系統(tǒng)中自標(biāo)定的載荷碼要比其他載荷碼方便。
8 應(yīng)變測量系統(tǒng)
對于一臺試驗機的評價首先是仔細地評價機器在特定要求下的特性和指標(biāo)。在不同應(yīng)用方面要求也會有所不同。一臺萬能材料試驗機最重要的是應(yīng)該符合應(yīng)用需要和標(biāo)準(zhǔn)要求，對一些特別的和華而不實的指標(biāo)將不可避免地使價格升高。
下面介紹該萬能材料試驗機的運行原理：
萬能材料試驗機的工作原理：利用力源對串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢試件施加載荷，從而測定試件的各方面力學(xué)性能。顯然作為承載和測力元件的傳感器受到的負荷是彈性力，而傳感器和被檢試件，加載系統(tǒng)都可分別看作彈性元件，因此可簡化為一彈性系統(tǒng)。力源施加裝置由粗加載和精密加載有機部分組成。粗加載系統(tǒng)是采用普通機械或液壓傳動方式產(chǎn)生位移對測力系統(tǒng)施加負荷的裝置，精密加載則由壓電陶瓷力發(fā)生裝置完成。壓電陶瓷力發(fā)生裝置是根據(jù)物理學(xué)中的逆壓電效應(yīng)原理，運用壓電陶瓷材料，使用專門的工藝方法制作成的施力裝置，作為力值精密調(diào)節(jié)器，壓電陶瓷力發(fā)生裝置與標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測試件一起串聯(lián)安裝于測力系統(tǒng)中，當(dāng)試驗機工作時，在施加粗負荷后，通過特殊研制的控制裝置控制施加于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場強度，改變它產(chǎn)生的微小變形量，從而達到精密調(diào)節(jié)力值的目的。控制裝置運用微型計算機和微電子控制技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)測力儀的輸出作為反饋信號，實現(xiàn)對施加負荷和力值穩(wěn)定調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制和工作過程自動化。
萬能材料試驗機共由五部分組成，即主機，壓電陶瓷力發(fā)生裝置，控制器和工作儀表以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機包括機架（機器的結(jié)構(gòu)主體），驅(qū)動機構(gòu)（用以實現(xiàn)粗加載的傳動系統(tǒng)），控制器，工作儀表。
第2章 萬能材料試驗機方案選擇
2.1加載方式的選擇
材料試驗機通常有兩種典型的載荷加力方式：液壓式加載與機械式加載。兩者各自都有利弊。
2.1.1液壓式
對于液壓加載式的材料試驗機其優(yōu)點是手動加載比較容易，產(chǎn)生較大的加載力比較方面，可以實現(xiàn)平衡加載，在加載速度方面調(diào)控很便捷。
而它的缺點表現(xiàn)在很難去實現(xiàn)試驗機的自動控制，對于有些場合需要小距離微調(diào)不容易做到。并且采用液壓加載的方式，液壓油的泄漏問題不能忽視，這會對周圍環(huán)境造成環(huán)境。
2.1.2機械式
對于機械加載式的材料試驗機，它具有的優(yōu)點可以實現(xiàn)對材料試驗機的自動控制。并且由于沒有液壓油等介質(zhì)，所以對與環(huán)境是沒有污染的。
但是機械加載式的材料試驗機的缺點通常是對于較大的負載加載力很難達到，一般情況下的機械加載式的材料試驗機最大的加載力在1000kN左右。
終上所述，對上面兩種負載加力方式的優(yōu)缺點的比較，由于本設(shè)計的規(guī)格為50kN，因此應(yīng)用機械加載方式比較合理。
2.2傳動方式
對于材料試驗機，其傳遞動力的形式有多種，主要有單絲杠形式、雙絲杠形式以及多絲杠形式等。
單絲杠式由于只有一側(cè)有絲杠的緣故，在加載力時，力的作用點容易偏離試件中心，不能很好的確保檢測的精確度；但是多絲杠形式的構(gòu)造又過于繁瑣。所以應(yīng)用雙絲杠傳動方式，結(jié)構(gòu)相對簡單，同時又能夠確保試件檢測對于精確度的要求。
本文針對材料試驗機上所使用的兩種傳遞動力方式進行的對比。直線式傳動方案（圖2-1）和U型傳動方案（圖2-2），其對比結(jié)果如下表2-1。
圖2-1直線式傳動方案
對于直線式傳動方案，其最突出的優(yōu)點為加載機構(gòu)的輸入直接連接減速機構(gòu)的輸出，這么做的原因是能夠使試驗機的整體傳動系相對簡潔、緊湊，動力傳遞平穩(wěn)，精確度高，各軸傳遞的轉(zhuǎn)矩小。不過它也有缺點，這種結(jié)構(gòu)，試驗機的夾具是懸置在傳動系的一側(cè)，這回影響到加載時的穩(wěn)定度以及精確度，而且直線式傳動方案的傳動系軸向的距離較遠，在立式的材料試驗機上會帶來試件的夾持以及試驗機本身結(jié)構(gòu)帶來一定影響。
圖2-2 U型傳動方案
U型傳動方案中將最后以及減速裝置改為同步帶，考慮帶傳動的柔性化以及可以改變傳動的方位，U 型傳動方案也很好的滿足了測量要求。結(jié)合上述兩種傳動方式的優(yōu)缺點，最后還是確定選用U 型傳動方案。
表 2-1 傳動方案對比
方案
優(yōu)點
缺點
直線式傳動
結(jié)構(gòu)簡單
傳動穩(wěn)定
壓頭偏置受力不好
跨度太大布局空難
外觀不夠美觀
U型傳動
結(jié)構(gòu)對稱受力情況好
組合方便便于擴展
整體布局美觀大方
結(jié)構(gòu)較復(fù)雜
對部分加工件要求高
系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降
本文所設(shè)計的材料試驗機的傳動方式為絲杠螺母的螺旋傳動、蝸輪蝸桿傳動以及同步帶傳動。而對于帶傳動則要關(guān)注帶的張緊裝置，這里是對一個張緊輪的位置關(guān)系的變化來滿足張緊的。對于其它的傳動系，因為受試驗機外形約束，我們用電機張緊方式來滿足。螺旋傳動包括蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠螺母。由于蝸輪蝸桿傳動的自鎖性，安裝的時候一定要確保其旋轉(zhuǎn)方向不能反了。滾珠絲杠副則利用墊片消隙的方法來達到預(yù)緊目的，在安裝的過程中還要調(diào)節(jié)預(yù)緊力，使得滾珠絲杠的工作順滑。
圖2-3 雙電機傳動設(shè)計方案
假設(shè)在考慮成本較低的設(shè)計方法，我們可以嘗試兩個電機來驅(qū)動，一個是異步電機，另一個是伺服步進電機。它的工作原理如圖2-3所示。
假設(shè)對與材料測試的精確度有嚴(yán)格的要求，應(yīng)用一個電機來驅(qū)動比較合理，對于采取兩個電機驅(qū)動的方案，它的花費雖然比較少，不過相對于一個電機的方案，兩個電機的方案繁瑣，并且不能保證較高的精確度。一個電機的方案使用的是伺服電機，它具有構(gòu)造簡單、精確度好的優(yōu)點。
圖2-4 單電機傳動設(shè)計方案
這里我們應(yīng)用的絲杠是滾珠螺母副絲杠，它有自鎖特性，但是自鎖的方式多種多樣，在這里我們是采取蝸輪蝸桿來實現(xiàn)材料試驗機的自鎖功能的。在材料試驗機的設(shè)計與研制的過程中，還要關(guān)注試驗機的結(jié)構(gòu)大小和合理的安裝空間的限制，并且還要考慮長途運輸?shù)囊蛩亍?
對于材料試驗機中螺紋連接的部分，防松問題也是需要考慮的，在沖擊，振動或變載荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能減小或瞬間消失，經(jīng)過長時間的循環(huán)作用后，螺紋連接也許會出現(xiàn)松動或者松脫的現(xiàn)象。所以做一些放松的保障還是有必要的。
本試驗機中采用的防松措施為：雙螺母防松與加防松墊片。
圖2-5 工作示意圖(1)
圖2-6 工作示意圖(2)
本試驗機使用的潤滑方式為脂潤滑。所以在材料試驗機長時間工作一段時間后，根據(jù)試驗機的磨損，涂抹上適量的潤滑脂，從而使得機構(gòu)在一個良性的環(huán)境下工作。
而對機構(gòu)能否良好運轉(zhuǎn)有決定性因素的就是軸承的預(yù)緊力大小。如果預(yù)緊力太小，機構(gòu)則會愿意發(fā)生振動現(xiàn)象，從而使得零部件失效。如果預(yù)緊力太大，就會出現(xiàn)機構(gòu)難以平順地轉(zhuǎn)動。本試驗機中多采用了焊接連接方式。因此，焊接的方法，質(zhì)量就直接影響試驗機的整機性能和壽命。
第3章 動力設(shè)計與驗算
3.1滾珠絲杠副的運動動力設(shè)計計算
從第二章論述可知，本材料試驗機應(yīng)用的是雙螺母結(jié)構(gòu)來消除軸向間隙，從而調(diào)節(jié)預(yù)緊力。這也可以使得試驗機的傳動系有較高的定位精確度，也可以保證重復(fù)定位產(chǎn)生的精確度，同時對于軸向剛度問題也會有所保障。預(yù)緊力一般為最大軸向載荷的1/3。采取加墊片的方式來進行預(yù)緊。
抗疲勞的特性是制約滾珠絲杠承載力大小的決定因素，所以要通過壽命以及選取額定的動載荷，并且進行校驗，來得到它的基本參數(shù)。之后便應(yīng)該驗證其能否大于額定靜載荷，驗證材料的強度、剛度以及穩(wěn)定度。滾珠絲杠副的循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)，采用墊片來消除間隙并進行預(yù)緊。
預(yù)緊參數(shù)：
雙圓弧：
接觸角
比 值
滾道圓弧偏心距
絲杠參數(shù)：
公稱直徑50mm
導(dǎo)程
旋向：右旋
精度等級：三級
鋼球直徑：
圈數(shù)：jk列數(shù)=1x3
承載能力系數(shù)N
N
滾珠螺旋傳動由于精度要求較高，比較復(fù)雜，因此普通的廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品不能滿足要求。轉(zhuǎn)速很低時可僅按額定靜載荷確定或校核其尺寸。
3.1.1 靜態(tài)負載條件
公式里：
—載荷系數(shù) 查機械設(shè)計手冊表6.2-11，=，取=1.2
—靜載荷硬度影響系數(shù) 查機械設(shè)計手冊表6.2-14，=1.0
—絲杠載荷加20%余量
計算=
即絲杠滿足靜載荷條件。
3.1.2絲杠壽命計算
公式里：
—工作壽命 查表6.2-10，
—壽命系數(shù) =
—載荷系數(shù) 查表，=
—動載荷硬度影響系數(shù) 查表，
—短行程系數(shù) 查表，
—轉(zhuǎn)速系數(shù)
n--工作轉(zhuǎn)速（） ，
加載時，則
計算
即絲杠壽命符合條件。
3.1.3絲杠強度計算
絲杠轉(zhuǎn)矩：
（）
公式里：
—當(dāng)量摩角 =，取
—絲杠公稱直徑
—絲杠螺旋角
計算（）
采用預(yù)緊，因此預(yù)緊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也要計算，預(yù)緊力為最大軸向力的1/3，則
絲杠合轉(zhuǎn)矩
當(dāng)量應(yīng)力
公式里：
—絲杠螺紋底徑
計算
查機械設(shè)計手冊表，，
根據(jù)強度條件，即
絲杠滿足強度條件。
3.1.4絲杠的穩(wěn)定性
柔度計算
公式里：
—長度系數(shù) 查表，
—絲杠最大工作長度
—臨界載荷
計算
時，
—彈性模量
—絲杠的危險截面面積
計算
穩(wěn)定的合格條件
絲杠符合穩(wěn)定性條件。
3.1.5絲杠的剛度
軸向載荷產(chǎn)生的軸向變形量:
—絲杠的計算長度，指F和T作用處到固定支撐端的距離，
—絲杠材料彈性模量，
—絲杠的計算截面面積，，直徑
計算
轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形:
—絲杠的螺紋導(dǎo)程，
—絲杠材料的切變模量，
—
計算=
軸向載荷F使鋼球與螺紋滾道間產(chǎn)生的軸向變形量:
（有預(yù)緊）
—鋼球直徑，
—工作臺螺母中的鋼球數(shù)，
—載荷分布不均勻系數(shù)，取
—預(yù)緊力（N），取
計算
支撐滾珠絲杠的軸承的軸軸向變形:
圓錐滾子軸承的軸向變形量為：
—軸承接觸角，
—軸承軸向載荷
—軸承滾去體數(shù)，
—軸承有效長度，
計算
有預(yù)緊情況下軸向變形為接觸變形的1/2，即
總的軸向變形:
，
絲杠剛度符合條件。
3.1.6絲杠的傳動效率功率
由轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿?
見圖，
絲杠的驅(qū)動功率:
3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù)
公稱直徑 導(dǎo) 程
螺 旋 角 珠直徑
循環(huán)列數(shù)圈數(shù) 額定靜載荷
滾珠絲杠螺紋外徑
滾珠絲杠累紋底徑
滾珠絲杠軸頸直徑由結(jié)構(gòu)確定
滾珠絲杠螺紋長度由結(jié)構(gòu)確定
滾珠螺母螺紋底徑，
滾珠螺母螺紋內(nèi)徑
滾珠螺母外徑具體螺母確定
每圈中的鋼球數(shù)
工作螺母中的鋼球總數(shù)
滾珠絲杠設(shè)計中應(yīng)該注意的一些問題：
1）受力合理
為了保證定位精度，除考慮絲杠剛度外，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)布杠上盡可能使用圓螺母和絲杠同樣受拉或受壓，以使兩者軸向變形方向一致減少螺母與絲杠之間的導(dǎo)程式變形量之差。此外，滾珠螺旋傳動應(yīng)盡量避免隨徑向載荷，以免使絲杠彎曲，若絲杠上有齒輪等產(chǎn)生徑向載荷的元件，則應(yīng)使其盡可能靠近絲杠的徑向軸承處。另外，要盡量減少絲杠，螺母所受的傾覆力矩，力求部件移動阻力的合力通過絲杠軸線。由于本試驗機采用雙絲杠，其阻力通過兩絲杠中心線，這要靠定位安裝及加工的尺寸精度。
2）防止逆轉(zhuǎn)
滾珠絲杠傳動反行程不能自鎖，為了使用權(quán)螺旋傳動受軸向中力后不發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗機中采用了輪蝸桿的傳動比，這種傳動比的蝸輪蝸桿可以起到自鎖作用。
3）安全裝置
本試驗機是采用垂直安裝的滾珠絲杠傳動，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫出而造成事故，因此，在設(shè)計時采用限位擋塊以保證安全運行。
4）密封與潤滑
為防止塵埃和污物進入螺紋滾道，妨礙鋼球運轉(zhuǎn)的流暢性并且加速鋼球與滾道的磨損，設(shè)計中必須考慮防護設(shè)施與密封。此試驗機根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采用防塵罩密封。由于轉(zhuǎn)速較慢，采用高壓的高粘度潤滑劑進行脂潤滑。
3.2電機的選擇
3.2.1步進電機的選擇
初取各級傳動比
帶傳動
蝸輪蝸桿傳動
帶傳動
總傳動比
總的傳動效率
公式里：
—絲杠傳動效率
—各軸承傳動效率
—同步弧齒帶傳動效率
—自鎖蝸輪蝸桿傳動效率
—離合器傳動效率
步進電機
3.2.2導(dǎo)步電動機選擇
由于變速范圍為
絲杠最大轉(zhuǎn)速成
導(dǎo)步電動機轉(zhuǎn)速
3.2.3電動機的參數(shù)
步進電機
型號
電壓
頻率
轉(zhuǎn)速
輸入電流
110TD-1
220V
50Hz
60r/min
0.6A
輸入功率
轉(zhuǎn)矩
外形尺寸
110W
2.92Nm
導(dǎo)步電機
型號
額定功率
額定電流
額定轉(zhuǎn)速
效率
Y2-631-2
0.18kW
0.53A
2720r/min
65%
功率因數(shù)
最大轉(zhuǎn)矩
外形尺寸
極數(shù)
電壓
0.80
2.2Nm
2
380V
3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計算
工進時，絲杠的轉(zhuǎn)速，功率，
二軸轉(zhuǎn)速
二軸功率
二軸轉(zhuǎn)矩
同理可得其它軸上的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和功率：
一軸（電動機軸）：
3.4各級傳動的設(shè)計計算
3.4.1帶傳動設(shè)計計算
同步帶傳動利用帶與帶輪上齒之間的嚙合進行傳動。由于帶的抗拉強度高，受載后變形小，能保持齒的節(jié)距不變，所以傳動比較準(zhǔn)確，傳動平穩(wěn)，速度高，噪聲小，且無需潤滑清潔，維護簡單。適用速度范圍寬，傳動比可到10，功率由幾十瓦到幾百千瓦，結(jié)構(gòu)緊湊，效率可達98%~99%，張緊力和壓軸力小。
此設(shè)計選用弧齒同步帶，受載后的應(yīng)力分布狀態(tài)較好，提高了承載能力，防止帶齒與輪齒的干涉，降低振動與噪聲。
設(shè)計功率：
——工況系數(shù) 查機械設(shè)計手冊表，=
——一帶傳遞的功率
計算
選帶型：
根據(jù)和同圖選取型帶，節(jié)距。
小帶輪節(jié)圓直徑
大帶輪齒數(shù)
大帶輪直徑
驗證帶速：
帶速
查機械設(shè)計手冊表得,
第一級帶帶速滿足條件。
初定中心距：
取
取
帶長及齒數(shù)：
(其中)
查機械設(shè)計手冊選取標(biāo)準(zhǔn)值及其齒數(shù)，
實際中心距，中心距可調(diào)：
小帶輪嚙合齒數(shù)：
計算帶寬系數(shù)：
—設(shè)計功率，
—基準(zhǔn)帶寬為時，同步帶的基本額定功率，見機械設(shè)計手冊
表，
—小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，見表，
—帶長系數(shù)，見表，
計算，查表，帶寬代號9，帶寬
計算軸力：
小于帶所能承受的力，符合條件。
3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計算
選取傳動比（自鎖），蝸桿頭數(shù)，蝸桿分度圓直徑，蝸輪齒數(shù)，變位系數(shù)，模數(shù)，中心距。
計算得蝸輪蝸桿以下數(shù)據(jù):
蝸輪分度圓直徑
齒頂圓直徑
蝸牛桿齒根圓直徑
蝸桿齒根高
蝸牛桿齒頂高
蝸桿軸向齒距
蝸桿導(dǎo)程角:
，，
蝸桿寬度
蝸輪齒頂高
蝸輪齒高
蝸輪齒根高
蝸輪齒根圓直徑
蝸輪齒寬
蝸輪齒寬角
材料選擇：表面淬火，鋼，硬度HRC5055。
齒面接觸強度計算：
—材料彈性系數(shù)，表，
—接觸系數(shù)，根據(jù)蝸桿的類型及蝸桿分度圓直徑與中心距比
值查機械設(shè)計手冊圖，
—嚙合中心距，
—蝸輪輪矩，
— 使用系數(shù)，查表，
—使用接觸應(yīng)力
—蝸輪輪齒材料接觸疲勞極限，查機械設(shè)計手冊表2.5-1，
—壽命系數(shù)，,取
—轉(zhuǎn)速系數(shù)，
—最小安全系數(shù)，，取
計算
即,齒面接觸強度符合條件。
蝸輪輪齒的彎曲強度計算:
由于蝸牛輪輪齒的齒形比較復(fù)雜，要精確計算比較困難，實踐經(jīng)驗證明，齒根彎曲強度主要與模數(shù)m和齒寬這兩個主要的幾何參數(shù)有關(guān)，故可用簡單條件計算法來校核。
—蝸輪的圓周力，
—使用系數(shù)，
—蝸桿軸向模數(shù)，
—蝸輪齒寬，
—許用系數(shù)
—輪齒彎曲計算時的極限U系數(shù)，查機械設(shè)計手冊表25-1,
—彎曲強度的最小安全系數(shù)，取,取
計算
可見，蝸輪輪齒彎曲強度條件符合。
蝸桿軸的剛度計算
剛度不足會導(dǎo)致蝸桿副的不常嚙合，造成偏載，加劇磨損，故應(yīng)驗算蝸桿軸的剛度。蝸桿軸的最大撓度（） ：
—蝸桿圓周力（N），
—蝸桿徑向力（N），
—蝸桿材料的彈性模量，對于鋼
—蝸桿危險截面處的慣性矩，
—蝸桿軸承間的跨距，計算時可以取，取1.3
—極限撓度，淬硬蝸桿
計算
蝸桿剛度條件符合。
3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗算
滾珠絲杠多采用滾動軸承支承，既承受徑向力又承受軸向力，且其力值較大，故采用圓錐滾子軸承。
對于轉(zhuǎn)速極低的軸承，其失效形式是滾動體內(nèi)外圓滾道貌岸然接觸處出現(xiàn)不均勻塑性變形凹坑，使軸承在運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)振動和噪音而不能正常工作。此時應(yīng)該按軸承的靜載荷計算。
軸承反安裝，其內(nèi)部軸向力:
判斷軸向力方向:
即
計算并與比較:
靜載荷計算:
動載荷計算:
驗證額定靜載荷:
—基本額定靜載荷，
—靜強度安全系數(shù)，取
—當(dāng)量靜載荷，
計算
軸承符合靜載荷要求。
壽命計算:
—基本額定壽命（）
—基本額定動載荷（N）
—當(dāng)量動載荷（N）
—壽命系數(shù)（滾子軸承）
—軸承轉(zhuǎn)速（）
計算>
軸承壽命符合條件。
3.6動靜橫梁變形的驗算
3.6.1動橫梁變形的驗算
動橫梁在粗加載過程中會產(chǎn)生一定的變形量，其大小將直接影響試驗的精確性。因此對其剛度的驗算是十分必髯的。對于100kN的萬能材料試驗機，其許用變形量為
動橫梁在加載過程中的受力變形，可簡化為兩端固定，而中心受力的簡支梁結(jié)構(gòu)，其簡化圖見圖3-1：
圖3-1 動橫梁受力簡圖
由材料力學(xué)的知識可知，變形量最大的地方是其中點，其最大變形公式為：
—最大載荷，
—梁的跨距，
—材料的彈性模量，
—梁截面的慣性矩，
而梁的截面形式為：
圖3-2 動橫梁截面形式
計算
因此：
所以動橫梁的剛度合格。
3.6.2靜橫梁變形的驗算
靜橫梁的變形也影響其精度。其受力情況可簡化為如圖所示的結(jié)構(gòu)：
圖3-3 靜橫梁受力簡圖
其許用變形量，其變形公式可按下式驗算：
靜橫梁截面形式為：
圖3-4 靜橫梁截面形式
其中I的計算過程為：
由材料力學(xué)的知識可知，圖形的形心必然在對稱軸上，為了確定，取參考系見圖：
所以
而用變形量，所以靜橫梁滿足條件。
3.7離合器的選擇計算
在設(shè)計和選擇離合器時，應(yīng)該考慮影響離合器工作性能的各因素。包括原動機特性，負載特性，結(jié)構(gòu)因素，操作方式等，由于本實驗機對離合器的負載較小，以下將通過計算選擇合適的轉(zhuǎn)矩。離合器為剛性接合元件，大都具有相當(dāng)硬度和強度的金屬件，因此在接合瞬時，嚙合主，從動件之間產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊載荷 ，易損壞接合元件，并引起機械沖擊和噪聲。柔性接合，主要靠接合元件的相互壓緊，利用壓緊后產(chǎn)生的磨擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，并允許在接合過程中稍有打滑。能夠使從動部分的轉(zhuǎn)速較緩慢地上升，減小機械沖擊，使機器的工作狀態(tài)比較平穩(wěn)。根據(jù)試驗機對平穩(wěn)噪聲等要求，在此選擇柔性離合器。
操作方式的不同也會影響離合器的工作性能，因此操作方便的電磁離合器成了最好的選擇。
總之對離合器的其本要求是接合平穩(wěn)，分離徹底，動作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，外形尺寸小和從動部分慣性小，操作省力，對接合元件壓緊力能達到內(nèi)力平衡，使用壽命長。
—計算轉(zhuǎn)矩
—理論轉(zhuǎn)矩，
—儲備系數(shù)，見表，取
計算
計算轉(zhuǎn)矩應(yīng)該小于離合器的許用轉(zhuǎn)矩。對以上的選擇作一下說明，在設(shè)計中所取過小，將延長接合時間，使磨擦元件過熱，加速磨損。而過大，則會使離合器接合剛度增大，操縱功增加。一般選取值時，對沖擊載荷小，接合較平穩(wěn)的離合器，宜取較小值；對于沖擊大，或要求接合迅速的離合器
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