摘要万能试验机也叫万能材料试验机，是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。
在对新材料及结构等领域的开发研究，试验机起到了至关重要的作用。
本文首先概述了试验机的基本定义、研究背景及意义、分类与国内外试验机的现状。
紧接着论述了锥齿轮传动方案与链轮传动方案，并进行对比分析，最后选择锥齿轮传动方案作为本文的设计对象。
然后就是本设计的重点，即试验机的主要传动系统的各零部件进行选型、设计与计算校核，包括丝杆、齿轮（锥齿轮与蜗轮蜗杆）、电动机、轴、无级变速器等，最后是对本次毕业设计的总结。
关键词：试验机锥齿轮传动传动系统目录1 概述........................................................................................................... 错误!未定义书签。
1.1 课题研究的背景及意义 (4)1.2 国内外实验机研究现状 (4)1.2.1 国内万能试验机的现状 (4)1.2.2 国外材料试验机的现状 (4)1.3 课题的研究目的及主要内容 (5)2 万能材料试验机总体设计 (5)2.1 主要设计要求 (5)2.2 加载方式 (5)2.3 传动方案设计与选择 (6)2.4 总体结构 (7)3 运动动力设计与验算 (8)3. 1 滚珠丝杠传动的设计与校核 (8)3.1.1 材料选择 (8)3.1.2 工作压强计算 (8)3.1.3 静载荷计算 (9)3.1.4 螺杆的强度计算 (10)3.1.5 寿命计算 (11)3.2 电动机的选择 (13)3.3 传动装置总传动比的计算及其分配 (14)3.4 蜗轮蜗杆传动系统的设计与校核 (14)3.4.1 选择蜗杆传动类型 (15)3.4.2 选择材料 (15)3.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 (15)3.5.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 (16)3.5.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 (17)3.5.6 验算效率 (17)3.5.7 精度等级公差和表面粗糙度的确定 (18)3.5.8 按照上述设计与校核画出蜗轮二维图 (18)3.5.9 主要设计结论 (18)3.6 锥齿轮的传动设计与校核 (19)3.6.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (19)3.6.2 按齿面接触疲劳强度设计 (19)3.6.3 根据齿根弯曲疲劳强度设计 (21)3.6.4. 几何尺寸计算 (23)3.6.4 结构设计及绘制齿轮零件图 (23)3.6.5 主要设计结论 (24)3.7 工作主轴的设计与校核 (24)3.7.1 计算工作主轴 (24)3.7.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 (25)3.7.3 轴上的周向定位 (26)3.7.4 确定轴上圆角和倒角尺寸 (26)3.7.5 工作主轴的校核 (26)3.8 蜗轮轴 (33)3.8.1 计算工作主轴 (33)3.8.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 (34)3.8.3 轴上的周向定位 (34)3.8.4 确定轴上圆角和倒角尺寸 (35)3.8.5 蜗杆轴的校核 (35)3.9 无极变速器的选用 (37)4 横梁设计 (38)4.1 材料选择 (38)4.2 横梁截面的选择 (39)4.3 横梁强度的验算 (39)4.4 挠度与转角的验算 (40)5 设计总结 (41)参考文献 (43)1概述1.1课题研究的背景及意义万能试验机也叫万能材料试验机，是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。
在对新材料及结构等领域的开发研究，试验机起到了至关重要的作用。
万能试验机的应用相当广泛，尤其在航空航天，冶金，机械，建筑和交通运输等工业部门与大专院校、科研院所的相关实验室。
在工业生产设计与科研工作中，能准确的获得材料机械性能数据，从而在有效使用材料、改进工艺、提高产品质量、提高经济效益、产品安全可靠性等都具有重要作用。
因此，万能试验机的应用及发展对航空航天，冶金，机械，建筑和交通运输等工业部门，在对合理设计工程材料及结构，提高材料应用率，提高产品质量，改进工艺和提高经济效益方面具有重要的意义。
1.2国内外实验机研究现状1.2.1 国内万能试验机的现状国内万能试验机是在新中国后，在各级相关部门单位的重视及大力支持下，发展并取得较大成就。
在五十多年的发展下，国内万能试验机的生产制造，具有了能生产静负荷试验机（如拉、压万能试验机、扭转试验机、松弛试验机、持久强渡试验机、蠕变试验机、复合应力试验机等）和动负荷试验机（如冲击试验机和疲劳试验机等）的能力，有效地促进了国民经济建设和国家工业能力的发展。
国内万能试验机市场已初具规模，部分产品凭着良好的性价比出口到国外市场，在同类产品中，具有较强的竞争能力。
国内试验机产品的朝着智能化、大型化、动静态功能复合化的方向发展。
1.2.2国外材料试验机的现状国外生产的万能试验机，随着新技术的开发与应用，其性能不断地提高，应用范围也相应地扩大。
相应的试验机除了能对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等表态试验外，还可以做蠕变和松弛等试验，甚至能够做动态试验，测出材料的疲劳极限。
国外生产的万能试验机，主要可以分为机械式，电子式和液压式。
近年来电液伺服系统万能试验机后来居上。
此外，有时又按其他特征分为高温、低温、大型、微型和自动试验机等。
机械式万能试验机的加荷机械和测力机械一般采用机械传动装置。
这种试验机具有足够的精度和稳定性。
但负荷能力受到一定限制，最大负荷多在10吨以下。
因测力机械的惯性较大，加荷速度受到一定限制。
所以国外一些主要生产厂已经不再生产，有的仅放在次要的地位。
液压万能试验机，应用液压传动加荷。
范围一般为10-200吨。
最大负荷高达5500吨。
与机械万能试验机相比较，除负荷较大外，加荷平衡，加荷速度可自由调节。
电子材料试验机的特点是能够实现应力、应变、位移的闭环控制；试验中无须选择量程,可实行全过程自动控制；用户可直接由PC 存储试验数据、处理测试结果和打印试验报告。
计算机控制整个试验过程，保证了试验的质量。
1.3课题的研究目的及主要内容机械式万能试验机是应用较久的一种万能试验机。
其研究的具体内容：一是明确试验机的改造思路；二是硬件部分设计；三是软件部分设计。
本论文主要研究万能试验机的机械传动部分。
试验机装置包括机身、横梁、丝杆、齿轮、电动机、轴、夹具等。
试验机的重要零部件，如齿轮（锥齿轮与蜗轮蜗杆）、轴、电动机等是设计的重点，而机身与横梁只需满足强度、刚度和稳定性要求即可。
因此在研究设计的过程中重点对试验机内传动机构的传动设计与各零部件的设计及校核。
综合各方面要素以及计算设计出一款实用、精度适中、效率较高、经济的万能试验机。
2 万能材料试验机总体设计2.1主要设计要求最大试用力120KN；横梁最大设计速度为240mm/min；机器外形尺寸（长×宽×高）：1200mm×110mm×1950mm；2.2加载方式万能试验机的加载方式有机械式和液压式，它们各有优缺点。
采用液压式加载时，功率时液压装置体积小、质量轻且手动容易，同时易于实现大的力值，加荷平衡，加荷速度可自由调节。
液压元件精度高，造价高并难于实现自动控制，微小距离难于实现，,液压传动一旦出现故障时不易追查原因，不易迅速排除，工作介质泄露易造成环境污染。
机械式加载方式易于实现自动控制，造价相对较低，元件精度要求较低且无污染。
大力值难于实现，一般仅适用于小于1000kN的力，工作时有噪声、振动冲击较大。
对比上面两种加载方式，结合本设计的设计要求，故决定采用机械式加载方式。
2.3传动方案设计与选择本文主要考虑的传动方案有两种，即锥齿轮传动，链轮传动，对比两种万能材料试验机传动方案的特点，分析优缺点，从而在这两种方案中选取最佳的那个方案为本论文的研究方案。
锥齿轮传动方案：电动机产生动力后通过无级变速器，再经过蜗轮蜗杆传动，带动锥齿轮运动，再由由锥齿轮带动丝杠转动。
横梁则通过与丝杆螺母与丝杆配合，从而实现上下运动。
上夹具固定在上横梁上，至此完成试验。
如图1所示：图1 锥齿轮传动示意图链轮传动方案：电动机产生动力后通过无级变速器，再经过蜗轮蜗杆传动，带动链传动传递到丝杠。
横梁则通过与丝杆螺母与丝杆配合，从而实现上下运动。
上夹具固定在上横梁上，至此完成试验。
如图2所示：图2 链传动示意图传动方案对比：锥齿轮传动：传动精度高，运动平稳，无爬行现象，可以实现丝杆自锁，有可逆性，但成本高，对部件加工精度要求较高。
链轮传动：传动精度高，运动平稳，无爬行现象，链传动的制造与安装精度要求较低，有可逆性，但不能自锁，能保持恒定的瞬时传动比，有噪声，振动冲击。
综合以上分析，选择锥齿轮传动传方案。
2.4总体结构经过各方面的考虑初步确定试验机传动部分的总体结构如下图3所示：图3 万能试验机总体结构示意图如果为了成本等方面的因素，可采用双电机工作方式，即其一为异步电机，其二为步进电机。
考虑到精度等方面的因素，可采取单电机工作方式，即伺服电机。
虽然成本稍高，但综合更简单的结构和更高的精度，决定采取单电机工作方式。
通常，万能试验机大多是落地双立柱立式，因此本次设计也选择落地双立柱立式。
3 运动动力设计与验算3. 1 滚珠丝杠传动的设计与校核3.1.1材料选择查表，选择滚珠丝杆的材料为CrWMn ，热处理为整淬；螺母的材料为，19442ZQA ---()铸铝青铜，热处理为淬火。
3.1.2工作压强计算（1）螺母的轴向位移：22l s px ϕϕππ==式中： ϕ：螺杆转角，rad ；s ：导程,mmp:螺距，mm ； x ：螺纹线数令该螺纹为单线螺纹。
则x ＝1由试验机的设计要求整体高度为1950mm ，故取丝杠带动横梁的移动距离为1200mm ，考虑留下一定的余量，可取螺纹长度L ＝1500mm ；设计使螺纹移动1200l mm =时，手轮转动120圈，即2120240rad ϕππ=⨯=221200102401l p mm x ππϕπ⨯===⨯ 由此可知：10110s px mm ==⨯=（2）螺纹中径应满足：螺纹中径：2d ≥， 其中， 2,[]10p ϕ==式中：ϕ是螺母形式参数，整体式螺母取1.2~2.5，分体式螺母取2.5~3.5,取2ϕ=，[]p 是螺纹副许用应力，N/mm2,可取[]10p =；带入数据，有261.97d mm ≥== 查表可知，取公称直径 063d mm = ，（3）螺母高度：290H d mm ϕ==（4）旋和圈数：90910H n p === ，螺纹工作圈数不超过10，符合要求 （5）基本牙型高度： 10.50.5105H p mm ==⨯=（6）工作压强：521 1.2101/29.44[]3.144559F p p d h n π⨯⨯===≤⨯⨯⨯ 工作压强满足要求。