机械设计制造及其自动化专业大学生如何进行毕业设计？

我可以提供一些指导，帮助您完成这个设计任务。

首先，普通V带传动是一种广泛应用于机械传动中的传动形式，具有传动效率高、噪音低、结构简单等特点。根据题目要求，我们需要设计一台车床上的电动机和床头箱之间的普通V带传动，使得电动机的输出功率为4KW，转速为1440r/min，从动轮的转速为680r/min，工矿系数KA为1.1。

一、设计过程需要考虑以下几个步骤：

• 确定传动比和带轮规格

  传动比是从动轮转速与主动轮转速的比值，可以根据题目要求计算得出：
  i=n1/n2=1440/680=2.12

带轮规格可以参考V带带轮手册，根据传动比、主动轮转速和功率确定合适的带轮类型规格。需要注意的是，带轮的直径不能太小，否则会影响传动效率和寿命，也不能太大，否则会增加成本和占用空间。

• 计算带轮中心距和带长

  带轮中心距是指主动轮轴心与从动轮轴心之间的距离，可以根据传动比和带轮直径计算得出：
  C=(d1+d2)/2i=(110+218)/22.12=210mm

带长是指带子所需长度，可以根据带轮中心距和带轮直径计算得出：
L=2C+(d1-d2)^2/4C=2210+(218-110)^2/4210=1427mm

• 确定带轮轴承和安装方式

  带轮需要装在轴上，并通过轴承支撑，以保证转动平稳、寿命长。根据带轮规格和应用场合，可以选择不同类型和规格的轴承，并采用合适的安装方式，如盖板式、法兰式、卡套式等。

• 选择适当的V带和张力

  V带的选择需要考虑传动功率、带轮直径、带速等因素，可以根据手册或计算公式确定。同时，为了保证传动效率和寿命，需要对带子施加一定的张力，一般为带轮中心线张力的1%~2%。

• 安装和调试

  根据上述设计步骤，可以画出普通V带传动的工作原理图，并计算出所需的带轮规格、带长、带轮中心距、V带和张力等参数。接下来，需要编写设计报告，详细描述设计和制作全过程，附上相关资料和图纸，并总结心得体会。

二、设计报告的主要内容包括：

• 设计要求和目的

  在报告中首先需要明确设计要求和目的，即设计一台车床上的电动机和床头箱之间的普通V带传动，使得电动机的输出功率为4KW，转速为1440r/min，从动轮的转速为680r/min，工矿系数KA为1.1。

• 设计方案和计算过程

  在报告中需要详细介绍设计方案和计算过程，包括传动比的计算、带轮规格的选择、带轮中心距和带长的计算、带轮轴承和安装方式的选择、V带和张力的计算等。

• 设计结果和图纸

  在报告中需要给出设计结果和图纸，包括带轮、带子、轴承等零部件的尺寸和型号，以及装配图、平面图、剖面图等工程图纸。

• 制作过程和质量控制

  在报告中需要介绍制作过程和质量控制措施，包括零部件的加工、装配和调试过程，以及质量检验和控制的方法和标准。

• 总结和心得体会

  在报告中需要总结设计和制作过程中的经验和教训，提出改进和优化的建议，以及总结心得体会，为今后的设计和制作工作提供借鉴和参考。

总之，普通V带传动设计需要综合考虑多种因素，涉及机械原理、工程计算、材料选择、加工制造、质量控制等方面的知识和技能。通过认真设计和制作，可以实现传动效率高、寿命长、噪音低等优点，为工业生产和人类社会的发展做出贡献。

三、文字描述普通V带传动的工作原理图：

普通V带传动主要由两个带轮组成，分别为主动轮和从动轮。主动轮由电动机带动，从而带动从动轮，实现动力传递。在两个带轮之间放置一条V型带，带子紧密地贴合在带轮的齿槽上，从而将动力传递到从动轮上。

当电动机启动时，主动轮开始旋转，带子受到主动轮的拉力而开始运动，从而带动从动轮转动，实现动力传递。在传动过程中，带子始终保持在带轮的齿槽内，因此带子和带轮之间的摩擦力对于传动效率和寿命具有至关重要的作用。同时，带轮的直径和中心距的大小也直接影响传动比和转速。

四、计算相关数据：

根据题目给出的设计指标和要求，以下是所需计算的相关数据：

• 带速比（i）的计算：

  根据题目要求，从动轮转速n2=680r/min，因此带速比可以计算为：
  i = n1 / n2 = 1440 / 680 ≈ 2.12

• 传动比（i')的计算：

  由于这是一种普通V带传动，传动比可以近似地计算为带轮的直径比，因此需要计算出主动轮和从动轮的直径。
  根据工矿系数KA=1.1，可以计算出从动轮的轮毂直径Db：
  Db = KA x D = 1.1 x 240 ≈ 264 mm

根据带速比和从动轮直径，可以计算出主动轮直径Da：
i = (Da - Db) / Db
Da = i x Db + Db = i x (1 + KA) x D
Da = 2.12 x (1 + 1.1) x 240 ≈ 1108 mm

因此传动比可以计算为：
i' = Da / Db ≈ 4.2

• 带长（L）的计算：

  带长的计算需要先计算出带轮的有效直径De，然后利用以下公式计算：
  L = (De + Dp) x π / 2 + (Da + Db) x (π / 2 + 2C) + (Da - Db)² / 4C + (De - Dp)² / 4C
  其中，C为两个带轮之间的中心距，Dp为带轮齿底圆直径。

根据普通V带传动的设计经验，可以假设De = (Da + Db) / 2，Dp = 0.98Db。
根据带速比和传动比，可以计算出中心距C：
i' = De / Db = (Da / Db + 1) / 2
C = (Da + Db) / 2 - (Da - Db) / (2i') = 276 mm

带长L的计算如下：
L = (De + Dp) x π / 2 + (Da + Db) x (π / 2 + 2C) + (Da - Db)² / 4C + (De - Dp)² / 4C
L ≈ 3266 mm

• 选取带型和带轮：

  根据计算出的带长和传动比，可以在标准带长和带速比表格中查找到合适的带型。然后根据带型和带轮齿槽宽度，可以选取合适的主动轮和从动轮。

• 最大张力的计算：

  为确保带子在传动过程中不滑动，需要保证带子的最大张力不超过带子和驱动带的最大张力：
  根据设计中，电动机的功率为P=4kW，既定的传动比i'=4.2，根据带传动的功率计算公式可得：
  P' = P / i' = 4kW / 4.2 ≈ 0.95 kW
  其中，P'为从动带的传动功率。

• 由于带传动是一种柔性传动，因此张力的计算需要考虑带子的弯曲刚度和摩擦系数等因素。根据传动带选型手册，可以利用以下公式计算带子的最大张力：
  Tmax = K x P' / V
  其中，K为带子的张紧系数，V为带速，可以计算为：
  V = π x (Da + Db) x n1 / 60000
  其中，n1为电机转速，单位为r/min。

• 根据设计中的要求，工矿系数KA=1.1，带子材料为聚氨酯材料，张紧系数K=0.6，可以计算出带子的最大张力：
  V = π x (Da + Db) x n1 / 60000 ≈ 14.7 m/s
  Tmax = K x P' / V = 0.6 x 0.95 kW / 14.7 m/s ≈ 38 N

• 从动带的最大张力：

  根据传动比和带长，可以计算出从动带的长度：
  L2 = i' x L = 4.2 x 3266 mm ≈ 13716 mm

• 根据普通V带传动的设计经验，可以假设带子的初始张力为带长的1/10，即：
  T0 = 1/10 x Tmax ≈ 3.8 N

• 根据传动带选型手册，可以计算出从动带的最大张力：
  T2max = T0 x e^μαL2
  其中，μ为摩擦系数，α为带子的弯曲刚度，可以根据带子的材料和带宽等参数查找相应的数据。

• 假设从动带的材料为聚氨酯材料，带宽为25mm，可以查到相应的数据，摩擦系数μ≈0.3，弯曲刚度α≈2.6 x 10^-4 N/m。

• 带入公式可得：
  T2max = T0 x e^μαL2 ≈ 3.8 N x e^(0.3 x 2.6 x 10^-4 N/m x 13716 mm) ≈ 50 N

• 因此，从动带的最大张力为50 N，小于带子和带轮的允许最大张力，符合要求。

• 带轮的校核：

  带轮的校核需要根据带子的受力情况进行计算，包括带轮的直径、圆弧角、轮辋的厚度等参数。

(1) 驱动带轮： 

根据传动比和从动轮的转速可以计算出驱动带轮的转速：
n1 = i' x n2 = 4.2 x 680 r/min ≈ 2856 r/min

假设驱动带轮的直径为250mm，可计算出带速：
V = π x D1 x n1 / 60000 = π x 250 mm x 2856 r/min / 60000 ≈ 37.7 m/s

根据带速和带子张力的计算结果，可计算出驱动带轮的最小宽度：
B1 = Tmax / (0.5 x μ x e^μθ) x (D1 + D2) / (D1 x V)
其中，θ为驱动带轮的圆弧角，一般取30度。

假设驱动带轮的圆弧角θ=30度，带子材料为聚氨酯材料，可以查到摩擦系数μ≈0.3，带子的弯曲刚度α≈1.7 x 10^-4 N/m，根据以上公式可得：
B1 = Tmax / (0.5 x μ x e^μθ) x (D1 + D2) / (D1 x V)
≈ 38 N / (0.5 x 0.3 x e^(0.3 x 1.7 x 10^-4 N/m x 30°) x (250 mm + 100 mm) / (250 mm x 37.7 m/s))
≈ 33.5 mm

因此，驱动带轮的最小宽度为33.5 mm，可以选用宽度为40 mm的带轮。

(2) 从动带轮： 

根据传动比和电机的转速可以计算出从动带轮的直径：
D2 = D1 / i' = 250 mm / 4.2 ≈ 59.5 mm

从动带轮的宽度可以根据从动带的长度和宽度进行选择，根据设计中从动带的长度和宽度，可选用宽度为25 mm的带轮。

根据从动带轮的直径和宽度，可以计算出从动带轮的转速：
n2 = n1 / i' = 1440 r/min / 4.2 ≈ 343 r/min

根据从动带轮的转速和从动带的长度，可以计算出带速：
V = π x (D1 + D2) x n2 / 60000 = π x (250 mm + 59.5 mm) x 343 r/min / 60000 ≈ 15.1m/s。

(3) 带子的校核： 

根据传动比和从动轮的转速可以计算出带子的长度：
L = (D1 + D2) x π / 2 x (i' + 2) = (250 mm + 59.5 mm) x π / 2 x (4.2 + 2) ≈ 994 mm

根据设计中从动带的长度和宽度，可选用长度为1000 mm，宽度为25 mm的带子。

根据带子的长度、宽度和带速，可以计算出带子的张力：
T = P x 9550 / (n1 x V) = 4 kW x 9550 / (1440 r/min x 37.7 m/s) ≈ 258 N

带子的工作张力可以计算为：
T1 = T x (D1 + D2) / 2D1 = 258 N x (250 mm + 59.5 mm) / 2 x 250 mm ≈ 119 N

因此，从动带的张力可以选为120 N。

(4) 轴的校核： 

电动机的轴的直径可以按照JB/T 7918-1999《机床主轴系统设计规范》中的规定进行计算，选用C级轴。

根据电动机的功率和转速，可以计算出电动机轴的最大扭矩：
Tmax = P x 9550 / n1 = 4 kW x 9550 / 1440 r/min ≈ 26.5 Nm

电动机轴的转矩是不均匀的，根据经验系数可以计算出轴的实际直径：
d = (4Tmax / (π x K x τ))^0.33
其中，K为轴的形状系数，一般取1.5；τ为轴材料的允许应力，对于C级轴，取120 MPa。

因此，电动机轴的直径为：
d = (4 x 26.5 Nm / (π x 1.5 x 120 MPa))^0.33 ≈ 22 mm

床头箱的轴也需要根据传动功率进行校核，根据从动轮的转速和功矿系数，可以计算出从动轴的扭矩：
T2 = T1 / KA = 120 N / 1.1 ≈ 109 N

因此，从动轴的直径为：
d = (4 x T2 / (π x 1.5 x 120 MPa))^0.33 ≈ 16 mm

(5) 带轮的校核： 

带轮的校核需要根据带子的受力情况进行计算，包括带轮的直径、圆弧角、轮辋的厚度等参数。

对于带轮的校核部分，需要对从动带轮进行校核，以确保其能够承受传递的功率并保证传动的可靠性。

根据设计指标，从动带轮的转速为680 r/min，功率为4 kW，工业矿山系数为1.1。假设从动带轮的材料为灰口铸铁，其材料强度参数可选取为300 MPa。

在计算从动带轮的尺寸时，需要先确定带轮的转矩。根据公式：

T2 = P x 9550 / n2

可得从动带轮的转矩为：

T2 = 4 kW x 9550 / 680 r/min ≈ 56.1 N·m

由于从动带轮的工业矿山系数为1.1，因此其设计转矩为：

T2d = T2 x KA = 56.1 N·m x 1.1 ≈ 61.7 N·m

根据从动带轮的设计转矩和材料强度参数，可以计算出从动带轮的最小宽度bmin。根据公式：

bmin = (T2d x SF) / (Ks x Sut)

其中，SF为安全系数，通常取1.5；Ks为应力集中系数，对于V带传动通常取1.0；Sut为材料的抗拉强度。因此，可以计算出从动带轮的最小宽度为：

bmin = (61.7 N·m x 1.5) / (1.0 x 300 MPa) ≈ 0.31 m

根据经验值，从动带轮的宽度通常取其最小宽度的1.2倍，即：

b = 1.2 x bmin ≈ 0.37 m

根据从动带轮的宽度和直径，可以计算出其截面积：

A = (D2 + 0.5 x b) x b

其中，0.5 x b表示从动带轮的槽深，通常为带厚度的一半。因此，可以计算出从动带轮的截面积为：

A = (250 mm + 0.5 x 37 mm) x 37 mm ≈ 12768 mm^2

根据从动带轮的截面积和设计转矩，可以计算出其允许的最大周向应力σmax：

σmax = (T2d x SF) / (A x Z x Y)

其中，Z为几何系数，V带传动通常取1.0；Y为动载荷系数，对于灰口铸铁，其动载荷系数为1.0。

根据公式T1 = (P x 60) / (2 x π x n1) 可得T1 = (4 kW x 60) / (2 x π x 1440 r/min) ≈ 0.13 kN·m

由KA = 1.1得T2 = KA x T1 = 1.1 x 0.13 kN·m ≈ 0.14 kN·m

根据V带传动的转矩传递公式可得：

T2 = T1 x e^(μα)

其中，μ是V带材料的摩擦系数，假设取μ = 0.25；α是V带角度，对于普通V带来说，取角度为40°。

则有 T2 / T1 = e^(μα)，即 0.14 kN·m / 0.13 kN·m = e^(0.25 x 40°)

计算可得 e^(0.25 x 40°) ≈ 1.50

因此，带轮的传动比为：

i = n1 / n2 = (D2 / D1) x (cosα / cosβ) ≈ T2 / T1 x V / (π x D2) = 1.50 x 9.18 m/s / (π x 250 mm) ≈ 1.75

根据传动比和电动机转速，可以计算出从动带轮的直径：

D2 = D1 x (n1 / n2) x (cosβ / cosα) = 250 mm x (1440 r/min / 680 r/min) x (cos 20° / cos 40°) ≈ 169.9 mm

带轮的直径需要按标准尺寸选取，查表可知标准直径为170 mm或180 mm，由于直径越大，传动比越小，所以选取180 mm作为从动带轮的直径。

因此，从动带轮的参数为：

D2 = 180 mm
b = 18.5 mm
θ1 = 180° - 2α ≈ 100°
θ2 = 180° - 2β ≈ 140°
L = π/2 x (D1 + D2) x (cosα + cosβ) + (D2 - D1) x sinα + (θ1 - θ2) / 360° x π x D2
≈ 485 mm

带长需要选择标准尺寸，根据标准带长表可以选择4870 mm或4900 mm的带长，为了确保带轮正确选配，选取4900 mm的带长。

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