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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：
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本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研
究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名： 日期： 年 月 日
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，
同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
摘 要
本次设计全面阐述冷弯机的结构原理和设计特点，并对重要部分的工作原理进行深入了解并改进了部分零件的设计。主要加工过程是借助旋转轧辊与其接触摩擦的作用，将被轧制的金属体（轧件）拽入轧辊的缝隙间，在轧辊压力作用下，使轧件主要在厚度方向上完成塑性成型。
本次设计的设计主要包括：电动机的选取，传动部分的设计，减速器的设计, 轴系部件的设计。其中传动部件中轴的设计、齿轮的设计以及链传动是本次设计的重点此次设计在吸取类似产品的技术优点的同时，采用结构简单、使用价格低，并且符合设计要求。
关键词：冷弯成型机；轴系部件；齿轮部件；传动部件
ABSTRACT
This design the constructional principals and designing feature of cold roll forming and analysis the work way and construction of its important parts. The Design on of motor, transmission part of the design, the design of speed reducer, shaft components design, And the shaft design 、the design and chain transmission is the focus of this design. The design of the chain plate rolling machine structure is simple and inexpensive to use and in line with the design requirements .
Key words:cold roll forming;shaft components design;the focus design; transmission parts
第
1章 绪论
1.1冷弯的现实发展与选题的意义
近年来, 我国的冷弯型钢用户, 由原来仅限于一般农用拖车和普通结构件等小范围内使用, 如今已逐步扩展到建筑结构、汽车、机车车辆、起重机械、轻工机械、电气、家电、家具、装饰、集装箱、交通设施、电梯等行业。
(1) 建筑行业是使用冷弯型钢的大户。如一些冶金、汽车制造业的厂房多采用冷弯型钢结构, 厂房的最大跨度达30m, 内设吊车的最大起重量为30 t , 厂房均为双跨或三联跨, 建筑面积1.5～2万平方米。轻型钢结构厂房, 具有施工周期短、用钢量低( 70～80 kg m 2) [1] 、工程综合造价低等特点, 其优势已逐渐为广大用户认同。
(2) 汽车制造业要求品种多, 产品精度高。我国在50 年代制造第一台解放牌汽车时, 已开始应用了冷弯型钢为原料的构件(风窗框) , 近年随着汽车制造行业的迅速发展, 对所需要冷弯型钢的品种、数量及质量, 都提出了更高的要求。汽车制造中, 载重汽车及大型客车应用冷弯型钢的数量最大, 主要用于制作车厢边框、墙板、底板、车体框架、底部大梁及车门窗框等。小型客车及轿车的冷弯型钢需要量不大, 但其用于制作门窗框件、各种导轨、构件及装饰件等, 断面复杂、尺寸精度高。使用的材料除了优质碳素钢之外, 还有镀锌板、不锈钢等, 还有要求高的冷弯型钢。
而本次选题的意义就是通过对冷弯行业的了解（本市加工厂和网络），让我认识到冷弯加工行业进来对我们生活的影响越来越大，但是在冷弯加工的过程中却存在着各种各样的难题，如在电机的选择上以及加工不同材料、不同规格工件时需要注意的各方面问题上没有统一的规定等，所以我希望通过本次设计对冷弯行业有更好的了解以及为冷弯的发展提一点见解和方法，并在此衷心希望冷弯行业在我国有更好的发展。
1.2 本课题在国内外的研究现状
1.2.1 国外相应机器的研究状况
随着冷弯成型理论研究的深入，冷弯型钢的成型工艺也随之有所改进。产生了四辊式成型、柔性冷弯成型、CAT 成型、“辊冲”的孔加工法等新的冷弯成型工艺[2]。并且俄罗斯切列波维茨克钢铁厂发明了生产冲孔冷弯型钢的技术[3]；日本拓殖大学的小
奈宏教授论述了用计算机控制的冷弯成型机械的变截面型钢成型技术及设备组成；瑞典Ortic 公司和德国Bemo 公司共同开发了一种关于冷弯型钢的弯曲截面和可变形状截面的辊弯成型方式即Monroe 方式；而ORTIC 系统则是英国Rollsec Design有限公司开发研制的，其最大特点是在设计方法上强调经验与理论的结合，该系统不仅能对任意断面形状的产品进行工具设计[4]，而且能对整条冷弯生产线上的设备， 如机架、飞锯、输出辊道、液压装置等进行设计。
目前对冷弯成型的数值模拟研究并不完整, 主要集中于简单断面型材, 但已显示了其无比的优越性和强大的生命力。使用数值模拟手段, 可以准确地计算分析成型过程、检验工具设计模型、设计结果, 从而使工具设计成本和风险性大大降低。
1.2.2 国内相应机器的研究状况
目前，我国自主设计和研制的加工设备，从整体上看与国际先进水平相比还有很大的差距，但某些技术正在追赶世界先进水平。如北京科技大学的朱书栋等对冷弯成型的基本理论进行了全面的研究，得到了冷弯过程中的四种基本变形方式的应力应变表达式和变形功的数学表达式，对冷弯型钢的孔型设计和生产有着普遍的指导意义。北方交通大学的张乐乐教授等采用基于更新拉格朗日法（UL 法）的弹塑性大变形样条法，结合流动模型，分析并模拟了普通槽钢成型过程中变形带材的位移场、应变场和应力场，对具体的设计、生产有重要的指导意义。另外，20世纪80年代初期北京科技大学金属压力加工系与广州异型钢材厂合作，在国内最先开展冷弯CARD 技术的研究。自80年代中期以来, 上海钢铁工艺研究所、东北大学、北京冶金设备研究院等多家单位陆续开始了这方面的研究工作[5]。
虽然国外冷弯CAD 商用软件较为成熟，但其价格昂贵，设计过程繁琐，操作复杂，设计理论、思想实行技术封锁，尽管对其作某种程度的修改，可以解决国内厂家的一些生产问题，但是并不能完全改变我国厂家的生产状况，况且引进国外设计软件技术还需要花费大量资金进行培训和维修，并且不能进行二次开发，因此为促进我国冷弯型钢生产的发展，有必要开发自己的冷弯CAD 软件，并且要重视与计算机结合的较流行的技术在冷弯成型技术方面应用和开发。而我国的钢铁工业又处在一个新的发展高潮，因此应该抓住这个机遇，重点稳步发展这一新兴的冷弯型钢产业，为我国国民经济发展作出新的贡献。
1.3课题研究的内容及拟采取的方法
传动系统采用链式传动，电机选用变频调速电机，通过减速器减速驱动电机齿轮，电机齿轮带动大齿轮运转，通过链条的传动带动轴的转动，轴通过大小弧齿轮的传动使轧辊转动，其中轧辊一主动一被动，而轧辊自转主要作用是平衡轧件在出口出的旋转，以便于收料节约空间。轧机的传动轴和轧辊轴通过锥齿轮啮合装在轧辊支架内，便于调整轧制速度。电轧制力与轧制功率可以通过公式计算电机的选择根据轧辊转速和轧制速度进行选择。`
1.4 课题研究中的主要难点以及解决的方法
本课题主要研究的是冷弯机的传动部分，所以在设计过程中的难点是：通过工件需求对电机的确定、各传动部件的计算以及确定
在冷弯的过程中，要求材料行走缓慢、平稳，这样可避免因速度过快而使材料发生翘曲变形，且易于实现控制。整个传动系统安装在底座上，传动结构要求紧凑，外廓尺寸小。因此要保证传动比大，传动效率高，传动平稳性和可靠性较好，使得整个传动系统紧凑。二级减速为斜齿圆柱齿轮传动，同时具备上述特点，充分满足生产要求。
冷弯钢材在行走时主要受到辅助系统门式托架的滚动摩擦阻力和冷弯滚轮的摩擦阻力[6]。通过分析，这两种力都比较小，主要是受到冷弯滚轮通过型钢传递过来的挤压力。经分析得知，驱动主动滚轮转动的力矩并不是很大，所以驱动电机功率一般较小，Y 系列三相异步交流电动机小功率即可满足要求。
第2章 设计方案的确定
2.1 传动方案的确定
2.1.1 机械传动系统拟定的一般原则
（1）采用简短的运动链；
采用尽可能简短的运动链，有利于降低零部件的重量和制造成本，也有利于提高机械传动效率和减小积累误差。为了使运动链尽量短，所以应注意原动机的类型和运动参数的选择，以简化传动链。
（2）优先选用基本结构；
基本结构的结构简单，设计方便，技术成熟，故在满足功能要求的条件下，应优先选用基本机构。若基本机构不能满足或者不能很好的满足机械的运动或动力要求时，可以适当地对其进行变异或组合。 （3）合理安排不同类型传动机构的顺序；
一般来说，在机构的排列顺序上有如下的一些规律：首先，在可能的情况下，转变运动形式的机构（如凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等）通常总是安排在运动链的末端，与执行机构靠近。其次，带传动等摩擦传动，一般都安排在转速较高的运动链的始端，以减小其传递的转矩，从而减小其外形尺寸。这样安排，也有利于启动平稳和过载保护，而且原动机的布置也方便。
（4）合理分配传动比；
运动链的总传动比应合理分配给各级传动机构，具体分配方法应注意以下几点： ① 各种传动的每级传动比要在推荐值范围内，以符合各种形式的传动特点，有利于发挥性能，并使结构紧凑。如一级传动比过大，对机构的性能和尺寸都是不利的。例如当齿轮传动的传动比大于8至10时，一般应设计成两级传动；当传动比在30以上时，常设计成两级以上的齿轮传动。但是，对于带传动来说，一般不采用多级传动。
② 当传动链为减速传动时，必须十分注意机械的安全运转问题，防止发生损坏机械或伤害人身的可能。如，为防止机械因过载而损坏，可采用具有过载打滑现象的摩擦传动或装置安全联轴器等。对于以上要求，在设计过程中应尽量满足。
[7]
（5）两种方案的对比
本次设计中，在动力传动过程是有两种方式，带传动和链式传动。因此在选择时要充分考虑工作环境和工作强度等因素。
① 带传动与链传动的优缺点
带传动靠摩擦力工作且带具有弹性，能缓和冲击，吸收震动，传动平稳无噪音; 结构简单，维护制造方便，成本较低同时具有过载保护作用。链传动用在工作可靠，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动和带传动的场合，例如翻土机的运行机构采用链传动，虽然经常受到土块、泥浆和瞬时过载等的影响，依然能够很好的工作。
② 带传动在高速级，链传动在低速级
若将链传动放置高速级，会加剧运动的不均匀性，动载荷变大，震动和噪音增大，降低链传动的寿命，链传动只能实现平行轴间的同向传动，运转时不能保证恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿，工作时有噪音，不宜用在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中，即应布置在低速级[8]。而若将带传动放置低俗级，会使结构尺寸增大，及应布置在高速级，与电机直接相连，可以起到缓冲吸震的作用，还能起到过载打滑的作用，保护零件，放在高速级，功率不变的情况下，高速级速度高，带传动所需的有效拉力就小，带传动的尺寸也就较小。
而在本次设计中，除传动比要求不是很高，外加工作环境的影响。因此决定采用链式传动。
2.1.2 确定最终传动方案
通过对以上内容的了解和分析结合在实习和老师的多次指导最终确定了冷弯机的整体传动方案。
方案如下：
电动机在经过变频以及减速机后由链条连接主传动轴和链轮，在通过固定在轴上的两个锥齿轮带动轧辊。两个轧辊在用联轴器连接，使其完成要求的加工过程。整个传动过程如图2-1所示
1-电动机 2-链轮 3-链条 4-大小弧齿锥齿轮 5-主传动轴
图2-1传动系统图
2.2 确定各传动机构的传动效率
参阅表 [9]并结合设计的整体传动方案和各传动机构自身的特点确定各机构的传动效率如下：
链条的传动效率是：η链=0. 96 滚动轴承的传动效率是：η滚=0. 99 大小齿轮传动的传动效率是：η齿=0.97 联轴器的传动效率是：η联 =0.99
第3章 电动机的选择
3.1 选择电动机的类型及结构形式
电动机是一种旋转式机器, 它将电能转变为机械能, 它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子, 其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动。
它是将电能转变为机械能的一种机器。各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机 ）。它使用方便 、运行可靠 、价格低廉 、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化[10]。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种 ：① 保持输入功率不变, 通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。
3.2 电动机功率的选择
电动机的功率选择的是否合适, 对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选的过小, 不能保证工作机的正常工作或使电动机因过载而过早的损坏; 而功率选的过大, 则电动机的价格较高, 能力又不能充分利用, 而且由于电动机经常不能满载运行, 其使用效率和功率因数都较低, 增加了电能的消耗造成了能源的浪费。所以在选择电动机时应考虑设计机器的使用要求和加工参数，并经过细致周密的计算推演，建立起可靠而又缜密的理论模型，再根据经济性原则最终确定具体的电动机参数。 3.2.1 电动机功率的计算推演
根据本人设计的冷弯机的使用要求，轧辊速度是0.02米每秒，查资料得主体部
6
η滚=5KW ，所以，分的P ω=5KW。 因为依照整体传动方案可计算出P ω=P O η链η联η齿
6
P 0=P ω/η链η联η齿η滚=6.32KW ≈7KW
3.2.2 确定电动机具体型号
所以根据计算出的结果和查表后最终确定出了电动机的具体型号。
因为功率的确定所以选择Y 系列电机，而加工时要求的转速不高以及节约资金等本次选用Y 系列小型三相异步电动机Y160M-6，其主要技术参数如下所示：
功率KW ：7.5 电流A ：6.58A 转速rmin ：970 效率（%）：89% 频率：50HZ 电压：380V
3.3 确定各部件的功率与线速度
η联=7. 5⨯0. 99=7. 425kW 1=P 1 P
P 2=η链⨯P 2=7. 128KW
P 3=P 2η轴=6. 63kW
6
P =P ⨯η3齿=5. 52KW 4
3.4 确定各轴的转速
n 电机=970r /m i n
n 联=242. 5r /min
n 链=n 联/i 链=60.6r /min
n =n 小齿=n 链/i 小齿=30.3r /min
轴
n 大齿=n 小齿/i 大齿=15. 1r /min
3.5 确定传递的转矩
P 7. 425
T 联=1=9550⨯=292. 4N ⋅m
n 242. 5联
P 7. 128
T 2=2=9550⨯=1123. 3N ⋅m
n 260.6
P 6.63
T 3=3=9550⨯=2089.65N ⋅m
n 330.3
P 5.52
T 4=4=9550⨯=3491. 1N ⋅m
n 415. 1
第4章 链传动的选择及设计
4.1链传动的选择
链传动是啮合传动，平均传动比是准确的。它是利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动。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。 链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，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。 链传动的缺点主要有：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，在近代机械种应用广泛。其大致图形如下：
图4-1 链条示意图
链条长度以链节数来表示。链节数最好取为偶数，以便链条联成环形时正好是外链板与内链板相接，接头处可用弹簧夹或开口销锁紧。若链节数为奇数时，则需采用
过渡链节。在链条受拉时，过渡链节还要承受附加的弯曲载荷，通常应避免采用。
齿形链由许多冲压而成的齿形链板用铰链联接而成，为避免啮合时掉链，链条应有导向板(分为内导式和外导式) 。齿形链板的两侧是直边，工作时链板侧边与链轮齿廓相啮合。铰链可做成滑动副或滚动副，滚柱式可减少摩擦和磨损，效果较轴瓦式好。与滚子链相比，齿形链运转平稳、噪声小、承受冲击载荷的能力高；但结构复杂、价格较贵、也较重，所以它的应用没有滚子链那样广泛。齿形链多用于高速(链速可达40ms) 或运动精度要求较高的传动。
国家标准仅规定了滚子链链轮齿槽的齿面圆弧半径 、齿沟圆弧半径和齿沟角 的最大和最小值(详见GB1244-85) 。各种链轮的实际端面齿形均应在最大和最小齿槽形状之间。这样处理使链轮齿廓曲线设计有很大的灵活性[11]。但齿形应保证链节能平稳自如地进入和退出啮合，并便于加工。符合上述要求的端面齿形曲线有多种。最常用的齿形是“三圆弧一直线”，即端面齿形由三段圆弧和一段直线组成。
4.2 链轮
链轮轴面齿形两侧呈圆弧状，以便于链节进入和退出啮合。齿形用标准刀具加工时，在链轮工作图上不必绘制端面齿形，但须绘出链轮轴面齿形，以便车削链轮毛坏。轴面齿形的具体尺寸见有关设计手册。另外链轮齿应有足够的接触强度和耐磨性，故齿面多经热处理。小链轮的啮合次数比大链轮多，所受冲击力也大，故所用材料一般应优于大链轮。常用的链轮材料有碳素钢(如Q235、Q275、45、ZG310-570等) 、灰铸铁(如HT200) 等。重要的链轮可采用合金钢。
小直径链轮可制成实心式；中等直径的链轮可制成孔板式；直径较大的链轮可设计成组合式，若轮齿因磨损而失效，可更换齿圈。链轮轮毂部分的尺寸可参考带轮。另要注意链传动的失效形式主要有以下几种：
(1) 链板疲劳破坏 链在松边拉力和紧边拉力的反复作用下，经过一定的循环次数，链板会发生疲劳破坏。正常润滑条件下，链板疲劳强度是限定链传动承载能力的主要因素。
(2) 滚子、套筒的冲击疲劳破坏 链传动的啮入冲击首先由滚子和套筒承受。在反复多次的冲击下，经过一定循环次数，滚子、套筒可能会发生冲击疲劳破坏。这种失效形式多发生于中、高速闭式链传动中。
(3) 销轴与套筒的胶合 润滑不当或速度过高时，销轴和套筒的工作表面会发生胶合。胶合限定了链传动的极限转速。
(4) 链条铰链磨损 铰链磨损后链节变长，容易引起跳齿或脱链。开式传动、环境条件恶劣或润滑密封不良时，极易引起铰链磨损，从而急剧降低链条的使用寿命。过载拉断 这种拉断常发生于低速重载的传动中。 4.2.1 设计计算功率P d
查资料得工况系数K A =1.3
P d = KA P o =1.3×7.5=9.75kW 4.2.2 确定带型与选择传动比
由于P d =9.75kW和n o =60.6rmin,参考《链条参数表》[11]选择B 型普通链条 因为链的在传动比一般在2～4范围之中，所以选取传动比是：i =4 4.2.3 确定型号
根据所需以及查表确定链条型号为40B-1型，如下表4-1：
表4-1链条型号表
第5章 减速器的设计
5.1 选择减速器的类型
减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩
以满足各种工作机械的需要。减速器的种类很多，按照传动形式不同可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和星式减速器 [12]；按照传动的不知形式又分为展开式、分流式。常见减速器的特点：
（1） 齿轮减速器的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，因而应用广泛。
（2） 蜗杆减速器的特点是在外廓尺寸不大的情况下，可以获得大的传动比，工作平稳，噪声较小，但效率较低。其中应用最广的式单级蜗杆减速器，两级蜗杆减速器应用较少。
（3） 行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但制造精度要求较高，结构复杂，且价格略贵。
综合冷弯机的设计使用要求，在确保设计经济性的前提下最终选择单级圆柱齿轮减速器。经过计算可确定减速器的传动比是：i=4，该减速器的基本结构由齿轮、轴及轴承组合，箱体，减大部分组成。
5.2 减速器中齿轮传动的设计
5.2.1 确定齿轮精度等级、齿轮类型、齿数和材料精度等级
结合设计要求与设计参数我准备选用直齿圆柱齿轮减速器，此种减速器为普通
减速器，速度不快，所以选用7级精度即可在保证经济性的条件下满足需求。 材料的选择和齿数的确定
查阅表(本章以下数据出自>)确定： 小齿轮的材料是20Cr 2Ni4（调质），硬度是350HBS 大齿轮的材料是12Cr 2Ni 4钢（调质），硬度是320HBS 确定：小齿轮齿数是z 1=19
大齿轮齿是z 2=uz 1=6×19=114 依据齿面接触的强度进行设计： 按照设计计算公式试算：
d 1t ≥2. K t T 1u +1Z E 2
()
φd u σH 明确公式内的各字母所表示的数值 （1）载荷系数 Kt =1.3 （2）确定小齿轮传递的转矩
T1=95.5×105
P 7. 21
=95. 5⨯105⨯=28. 65⨯104N ·mm n 1240
（3）查阅表确定齿宽系数为Фd =1.1
（4）查阅表确定材料的弹性影响系数Z E =189.8MPa （5）查阅图根据齿面硬度确定：
小齿轮的接触疲劳强度极限为σ大齿轮的接触疲劳强度极限为σ
Hlim1
1
2
=1200MPa =1100MPa
Hlim2
（6）根据公式计算出（N 齿轮的工作应力循环次数，n 转速）
N 1=60n jL h =60×240×1×72000=1.037×109 N 2=1.037×1096=1.728×108
（7）查阅图确定接触疲劳寿命系数为：
K HN1=0.90；K HN2=0.94 （8）确定接触疲劳许用应力
根据失效概率是1%，安全系数是S =1（由于点蚀破坏后只会引起噪声、震动增大，并不立刻导致不能继续工作的后果，故可取s=1），依据公式有：
[σH ]1=
K HN 1σH lim 1
=0. 9⨯1200=1080MPa S
[σH ]2=K HN 1σHN 2
S
=0. 94⨯1100=1034MPa
确定具体数值
（1）确定小齿轮分度圆直径
d1t ≥2. K t T 1u +1Z E 2
()
φd u σH
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本次设计全面阐述冷弯机的结构原理和设计特点，并对重要部分的工作原理进行深入了解并改进了部分零件的设计。主要加工过程是借助旋转轧辊与其接触摩擦的作用，将被轧制的金属体（轧件）拽入轧辊的缝隙间，在轧辊压力作用下，使轧件主要在厚度方向上完成塑性成型。
本次设计的设计主要包括：电动机的选取，传动部分的设计，减速器的设计, 轴系部件的设计。其中传动部件中轴的设计、齿轮的设计以及链传动是本次设计的重点此次设计在吸取类似产品的技术优点的同时，采用结构简单、使用价格低，并且符合设计要求。
关键词：冷弯成型机；轴系部件；齿轮部件；传动部件
ABSTRACT
This design the constructional principals and designing feature of cold roll forming and analysis the work way and construction of its important parts. The Design on of motor, transmission part of the design, the design of speed reducer, shaft components design, And the shaft design 、the design and chain transmission is the focus of this design. The design of the chain plate rolling machine structure is simple and inexpensive to use and in line with the design requirements .
Key words:cold roll forming;shaft components design;the focus design; transmission parts
第
1章 绪论
1.1冷弯的现实发展与选题的意义
近年来, 我国的冷弯型钢用户, 由原来仅限于一般农用拖车和普通结构件等小范围内使用, 如今已逐步扩展到建筑结构、汽车、机车车辆、起重机械、轻工机械、电气、家电、家具、装饰、集装箱、交通设施、电梯等行业。
(1) 建筑行业是使用冷弯型钢的大户。如一些冶金、汽车制造业的厂房多采用冷弯型钢结构, 厂房的最大跨度达30m, 内设吊车的最大起重量为30 t , 厂房均为双跨或三联跨, 建筑面积1.5～2万平方米。轻型钢结构厂房, 具有施工周期短、用钢量低( 70～80 kg m 2) [1] 、工程综合造价低等特点, 其优势已逐渐为广大用户认同。
(2) 汽车制造业要求品种多, 产品精度高。我国在50 年代制造第一台解放牌汽车时, 已开始应用了冷弯型钢为原料的构件(风窗框) , 近年随着汽车制造行业的迅速发展, 对所需要冷弯型钢的品种、数量及质量, 都提出了更高的要求。汽车制造中, 载重汽车及大型客车应用冷弯型钢的数量最大, 主要用于制作车厢边框、墙板、底板、车体框架、底部大梁及车门窗框等。小型客车及轿车的冷弯型钢需要量不大, 但其用于制作门窗框件、各种导轨、构件及装饰件等, 断面复杂、尺寸精度高。使用的材料除了优质碳素钢之外, 还有镀锌板、不锈钢等, 还有要求高的冷弯型钢。
而本次选题的意义就是通过对冷弯行业的了解（本市加工厂和网络），让我认识到冷弯加工行业进来对我们生活的影响越来越大，但是在冷弯加工的过程中却存在着各种各样的难题，如在电机的选择上以及加工不同材料、不同规格工件时需要注意的各方面问题上没有统一的规定等，所以我希望通过本次设计对冷弯行业有更好的了解以及为冷弯的发展提一点见解和方法，并在此衷心希望冷弯行业在我国有更好的发展。
1.2 本课题在国内外的研究现状
1.2.1 国外相应机器的研究状况
随着冷弯成型理论研究的深入，冷弯型钢的成型工艺也随之有所改进。产生了四辊式成型、柔性冷弯成型、CAT 成型、“辊冲”的孔加工法等新的冷弯成型工艺[2]。并且俄罗斯切列波维茨克钢铁厂发明了生产冲孔冷弯型钢的技术[3]；日本拓殖大学的小
奈宏教授论述了用计算机控制的冷弯成型机械的变截面型钢成型技术及设备组成；瑞典Ortic 公司和德国Bemo 公司共同开发了一种关于冷弯型钢的弯曲截面和可变形状截面的辊弯成型方式即Monroe 方式；而ORTIC 系统则是英国Rollsec Design有限公司开发研制的，其最大特点是在设计方法上强调经验与理论的结合，该系统不仅能对任意断面形状的产品进行工具设计[4]，而且能对整条冷弯生产线上的设备， 如机架、飞锯、输出辊道、液压装置等进行设计。
目前对冷弯成型的数值模拟研究并不完整, 主要集中于简单断面型材, 但已显示了其无比的优越性和强大的生命力。使用数值模拟手段, 可以准确地计算分析成型过程、检验工具设计模型、设计结果, 从而使工具设计成本和风险性大大降低。
1.2.2 国内相应机器的研究状况
目前，我国自主设计和研制的加工设备，从整体上看与国际先进水平相比还有很大的差距，但某些技术正在追赶世界先进水平。如北京科技大学的朱书栋等对冷弯成型的基本理论进行了全面的研究，得到了冷弯过程中的四种基本变形方式的应力应变表达式和变形功的数学表达式，对冷弯型钢的孔型设计和生产有着普遍的指导意义。北方交通大学的张乐乐教授等采用基于更新拉格朗日法（UL 法）的弹塑性大变形样条法，结合流动模型，分析并模拟了普通槽钢成型过程中变形带材的位移场、应变场和应力场，对具体的设计、生产有重要的指导意义。另外，20世纪80年代初期北京科技大学金属压力加工系与广州异型钢材厂合作，在国内最先开展冷弯CARD 技术的研究。自80年代中期以来, 上海钢铁工艺研究所、东北大学、北京冶金设备研究院等多家单位陆续开始了这方面的研究工作[5]。
虽然国外冷弯CAD 商用软件较为成熟，但其价格昂贵，设计过程繁琐，操作复杂，设计理论、思想实行技术封锁，尽管对其作某种程度的修改，可以解决国内厂家的一些生产问题，但是并不能完全改变我国厂家的生产状况，况且引进国外设计软件技术还需要花费大量资金进行培训和维修，并且不能进行二次开发，因此为促进我国冷弯型钢生产的发展，有必要开发自己的冷弯CAD 软件，并且要重视与计算机结合的较流行的技术在冷弯成型技术方面应用和开发。而我国的钢铁工业又处在一个新的发展高潮，因此应该抓住这个机遇，重点稳步发展这一新兴的冷弯型钢产业，为我国国民经济发展作出新的贡献。
1.3课题研究的内容及拟采取的方法
传动系统采用链式传动，电机选用变频调速电机，通过减速器减速驱动电机齿轮，电机齿轮带动大齿轮运转，通过链条的传动带动轴的转动，轴通过大小弧齿轮的传动使轧辊转动，其中轧辊一主动一被动，而轧辊自转主要作用是平衡轧件在出口出的旋转，以便于收料节约空间。轧机的传动轴和轧辊轴通过锥齿轮啮合装在轧辊支架内，便于调整轧制速度。电轧制力与轧制功率可以通过公式计算电机的选择根据轧辊转速和轧制速度进行选择。`
1.4 课题研究中的主要难点以及解决的方法
本课题主要研究的是冷弯机的传动部分，所以在设计过程中的难点是：通过工件需求对电机的确定、各传动部件的计算以及确定
在冷弯的过程中，要求材料行走缓慢、平稳，这样可避免因速度过快而使材料发生翘曲变形，且易于实现控制。整个传动系统安装在底座上，传动结构要求紧凑，外廓尺寸小。因此要保证传动比大，传动效率高，传动平稳性和可靠性较好，使得整个传动系统紧凑。二级减速为斜齿圆柱齿轮传动，同时具备上述特点，充分满足生产要求。
冷弯钢材在行走时主要受到辅助系统门式托架的滚动摩擦阻力和冷弯滚轮的摩擦阻力[6]。通过分析，这两种力都比较小，主要是受到冷弯滚轮通过型钢传递过来的挤压力。经分析得知，驱动主动滚轮转动的力矩并不是很大，所以驱动电机功率一般较小，Y 系列三相异步交流电动机小功率即可满足要求。
第2章 设计方案的确定
2.1 传动方案的确定
2.1.1 机械传动系统拟定的一般原则
（1）采用简短的运动链；
采用尽可能简短的运动链，有利于降低零部件的重量和制造成本，也有利于提高机械传动效率和减小积累误差。为了使运动链尽量短，所以应注意原动机的类型和运动参数的选择，以简化传动链。
（2）优先选用基本结构；
基本结构的结构简单，设计方便，技术成熟，故在满足功能要求的条件下，应优先选用基本机构。若基本机构不能满足或者不能很好的满足机械的运动或动力要求时，可以适当地对其进行变异或组合。 （3）合理安排不同类型传动机构的顺序；
一般来说，在机构的排列顺序上有如下的一些规律：首先，在可能的情况下，转变运动形式的机构（如凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等）通常总是安排在运动链的末端，与执行机构靠近。其次，带传动等摩擦传动，一般都安排在转速较高的运动链的始端，以减小其传递的转矩，从而减小其外形尺寸。这样安排，也有利于启动平稳和过载保护，而且原动机的布置也方便。
（4）合理分配传动比；
运动链的总传动比应合理分配给各级传动机构，具体分配方法应注意以下几点： ① 各种传动的每级传动比要在推荐值范围内，以符合各种形式的传动特点，有利于发挥性能，并使结构紧凑。如一级传动比过大，对机构的性能和尺寸都是不利的。例如当齿轮传动的传动比大于8至10时，一般应设计成两级传动；当传动比在30以上时，常设计成两级以上的齿轮传动。但是，对于带传动来说，一般不采用多级传动。
② 当传动链为减速传动时，必须十分注意机械的安全运转问题，防止发生损坏机械或伤害人身的可能。如，为防止机械因过载而损坏，可采用具有过载打滑现象的摩擦传动或装置安全联轴器等。对于以上要求，在设计过程中应尽量满足。
[7]
（5）两种方案的对比
本次设计中，在动力传动过程是有两种方式，带传动和链式传动。因此在选择时要充分考虑工作环境和工作强度等因素。
① 带传动与链传动的优缺点
带传动靠摩擦力工作且带具有弹性，能缓和冲击，吸收震动，传动平稳无噪音; 结构简单，维护制造方便，成本较低同时具有过载保护作用。链传动用在工作可靠，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动和带传动的场合，例如翻土机的运行机构采用链传动，虽然经常受到土块、泥浆和瞬时过载等的影响，依然能够很好的工作。
② 带传动在高速级，链传动在低速级
若将链传动放置高速级，会加剧运动的不均匀性，动载荷变大，震动和噪音增大，降低链传动的寿命，链传动只能实现平行轴间的同向传动，运转时不能保证恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿，工作时有噪音，不宜用在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中，即应布置在低速级[8]。而若将带传动放置低俗级，会使结构尺寸增大，及应布置在高速级，与电机直接相连，可以起到缓冲吸震的作用，还能起到过载打滑的作用，保护零件，放在高速级，功率不变的情况下，高速级速度高，带传动所需的有效拉力就小，带传动的尺寸也就较小。
而在本次设计中，除传动比要求不是很高，外加工作环境的影响。因此决定采用链式传动。
2.1.2 确定最终传动方案
通过对以上内容的了解和分析结合在实习和老师的多次指导最终确定了冷弯机的整体传动方案。
方案如下：
电动机在经过变频以及减速机后由链条连接主传动轴和链轮，在通过固定在轴上的两个锥齿轮带动轧辊。两个轧辊在用联轴器连接，使其完成要求的加工过程。整个传动过程如图2-1所示
1-电动机 2-链轮 3-链条 4-大小弧齿锥齿轮 5-主传动轴
图2-1传动系统图
2.2 确定各传动机构的传动效率
参阅表 [9]并结合设计的整体传动方案和各传动机构自身的特点确定各机构的传动效率如下：
链条的传动效率是：η链=0. 96 滚动轴承的传动效率是：η滚=0. 99 大小齿轮传动的传动效率是：η齿=0.97 联轴器的传动效率是：η联 =0.99
第3章 电动机的选择
3.1 选择电动机的类型及结构形式
电动机是一种旋转式机器, 它将电能转变为机械能, 它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子, 其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动。
它是将电能转变为机械能的一种机器。各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机 ）。它使用方便 、运行可靠 、价格低廉 、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化[10]。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种 ：① 保持输入功率不变, 通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。
3.2 电动机功率的选择
电动机的功率选择的是否合适, 对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选的过小, 不能保证工作机的正常工作或使电动机因过载而过早的损坏; 而功率选的过大, 则电动机的价格较高, 能力又不能充分利用, 而且由于电动机经常不能满载运行, 其使用效率和功率因数都较低, 增加了电能的消耗造成了能源的浪费。所以在选择电动机时应考虑设计机器的使用要求和加工参数，并经过细致周密的计算推演，建立起可靠而又缜密的理论模型，再根据经济性原则最终确定具体的电动机参数。 3.2.1 电动机功率的计算推演
根据本人设计的冷弯机的使用要求，轧辊速度是0.02米每秒，查资料得主体部
6
η滚=5KW ，所以，分的P ω=5KW。 因为依照整体传动方案可计算出P ω=P O η链η联η齿
6
P 0=P ω/η链η联η齿η滚=6.32KW ≈7KW
3.2.2 确定电动机具体型号
所以根据计算出的结果和查表后最终确定出了电动机的具体型号。
因为功率的确定所以选择Y 系列电机，而加工时要求的转速不高以及节约资金等本次选用Y 系列小型三相异步电动机Y160M-6，其主要技术参数如下所示：
功率KW ：7.5 电流A ：6.58A 转速rmin ：970 效率（%）：89% 频率：50HZ 电压：380V
3.3 确定各部件的功率与线速度
η联=7. 5⨯0. 99=7. 425kW 1=P 1 P
P 2=η链⨯P 2=7. 128KW
P 3=P 2η轴=6. 63kW
6
P =P ⨯η3齿=5. 52KW 4
3.4 确定各轴的转速
n 电机=970r /m i n
n 联=242. 5r /min
n 链=n 联/i 链=60.6r /min
n =n 小齿=n 链/i 小齿=30.3r /min
轴
n 大齿=n 小齿/i 大齿=15. 1r /min
3.5 确定传递的转矩
P 7. 425
T 联=1=9550⨯=292. 4N ⋅m
n 242. 5联
P 7. 128
T 2=2=9550⨯=1123. 3N ⋅m
n 260.6
P 6.63
T 3=3=9550⨯=2089.65N ⋅m
n 330.3
P 5.52
T 4=4=9550⨯=3491. 1N ⋅m
n 415. 1
第4章 链传动的选择及设计
4.1链传动的选择
链传动是啮合传动，平均传动比是准确的。它是利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动。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。 链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，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。 链传动的缺点主要有：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，在近代机械种应用广泛。其大致图形如下：
图4-1 链条示意图
链条长度以链节数来表示。链节数最好取为偶数，以便链条联成环形时正好是外链板与内链板相接，接头处可用弹簧夹或开口销锁紧。若链节数为奇数时，则需采用
过渡链节。在链条受拉时，过渡链节还要承受附加的弯曲载荷，通常应避免采用。
齿形链由许多冲压而成的齿形链板用铰链联接而成，为避免啮合时掉链，链条应有导向板(分为内导式和外导式) 。齿形链板的两侧是直边，工作时链板侧边与链轮齿廓相啮合。铰链可做成滑动副或滚动副，滚柱式可减少摩擦和磨损，效果较轴瓦式好。与滚子链相比，齿形链运转平稳、噪声小、承受冲击载荷的能力高；但结构复杂、价格较贵、也较重，所以它的应用没有滚子链那样广泛。齿形链多用于高速(链速可达40ms) 或运动精度要求较高的传动。
国家标准仅规定了滚子链链轮齿槽的齿面圆弧半径 、齿沟圆弧半径和齿沟角 的最大和最小值(详见GB1244-85) 。各种链轮的实际端面齿形均应在最大和最小齿槽形状之间。这样处理使链轮齿廓曲线设计有很大的灵活性[11]。但齿形应保证链节能平稳自如地进入和退出啮合，并便于加工。符合上述要求的端面齿形曲线有多种。最常用的齿形是“三圆弧一直线”，即端面齿形由三段圆弧和一段直线组成。
4.2 链轮
链轮轴面齿形两侧呈圆弧状，以便于链节进入和退出啮合。齿形用标准刀具加工时，在链轮工作图上不必绘制端面齿形，但须绘出链轮轴面齿形，以便车削链轮毛坏。轴面齿形的具体尺寸见有关设计手册。另外链轮齿应有足够的接触强度和耐磨性，故齿面多经热处理。小链轮的啮合次数比大链轮多，所受冲击力也大，故所用材料一般应优于大链轮。常用的链轮材料有碳素钢(如Q235、Q275、45、ZG310-570等) 、灰铸铁(如HT200) 等。重要的链轮可采用合金钢。
小直径链轮可制成实心式；中等直径的链轮可制成孔板式；直径较大的链轮可设计成组合式，若轮齿因磨损而失效，可更换齿圈。链轮轮毂部分的尺寸可参考带轮。另要注意链传动的失效形式主要有以下几种：
(1) 链板疲劳破坏 链在松边拉力和紧边拉力的反复作用下，经过一定的循环次数，链板会发生疲劳破坏。正常润滑条件下，链板疲劳强度是限定链传动承载能力的主要因素。
(2) 滚子、套筒的冲击疲劳破坏 链传动的啮入冲击首先由滚子和套筒承受。在反复多次的冲击下，经过一定循环次数，滚子、套筒可能会发生冲击疲劳破坏。这种失效形式多发生于中、高速闭式链传动中。
(3) 销轴与套筒的胶合 润滑不当或速度过高时，销轴和套筒的工作表面会发生胶合。胶合限定了链传动的极限转速。
(4) 链条铰链磨损 铰链磨损后链节变长，容易引起跳齿或脱链。开式传动、环境条件恶劣或润滑密封不良时，极易引起铰链磨损，从而急剧降低链条的使用寿命。过载拉断 这种拉断常发生于低速重载的传动中。 4.2.1 设计计算功率P d
查资料得工况系数K A =1.3
P d = KA P o =1.3×7.5=9.75kW 4.2.2 确定带型与选择传动比
由于P d =9.75kW和n o =60.6rmin,参考《链条参数表》[11]选择B 型普通链条 因为链的在传动比一般在2～4范围之中，所以选取传动比是：i =4 4.2.3 确定型号
根据所需以及查表确定链条型号为40B-1型，如下表4-1：
表4-1链条型号表
第5章 减速器的设计
5.1 选择减速器的类型
减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩
以满足各种工作机械的需要。减速器的种类很多，按照传动形式不同可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和星式减速器 [12]；按照传动的不知形式又分为展开式、分流式。常见减速器的特点：
（1） 齿轮减速器的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，因而应用广泛。
（2） 蜗杆减速器的特点是在外廓尺寸不大的情况下，可以获得大的传动比，工作平稳，噪声较小，但效率较低。其中应用最广的式单级蜗杆减速器，两级蜗杆减速器应用较少。
（3） 行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但制造精度要求较高，结构复杂，且价格略贵。
综合冷弯机的设计使用要求，在确保设计经济性的前提下最终选择单级圆柱齿轮减速器。经过计算可确定减速器的传动比是：i=4，该减速器的基本结构由齿轮、轴及轴承组合，箱体，减大部分组成。
5.2 减速器中齿轮传动的设计
5.2.1 确定齿轮精度等级、齿轮类型、齿数和材料精度等级
结合设计要求与设计参数我准备选用直齿圆柱齿轮减速器，此种减速器为普通
减速器，速度不快，所以选用7级精度即可在保证经济性的条件下满足需求。 材料的选择和齿数的确定
查阅表(本章以下数据出自>)确定： 小齿轮的材料是20Cr 2Ni4（调质），硬度是350HBS 大齿轮的材料是12Cr 2Ni 4钢（调质），硬度是320HBS 确定：小齿轮齿数是z 1=19
大齿轮齿是z 2=uz 1=6×19=114 依据齿面接触的强度进行设计： 按照设计计算公式试算：
d 1t ≥2. K t T 1u +1Z E 2
()
φd u σH 明确公式内的各字母所表示的数值 （1）载荷系数 Kt =1.3 （2）确定小齿轮传递的转矩
T1=95.5×105
P 7. 21
=95. 5⨯105⨯=28. 65⨯104N ·mm n 1240
（3）查阅表确定齿宽系数为Фd =1.1
（4）查阅表确定材料的弹性影响系数Z E =189.8MPa （5）查阅图根据齿面硬度确定：
小齿轮的接触疲劳强度极限为σ大齿轮的接触疲劳强度极限为σ
Hlim1
1
2
=1200MPa =1100MPa
Hlim2
（6）根据公式计算出（N 齿轮的工作应力循环次数，n 转速）
N 1=60n jL h =60×240×1×72000=1.037×109 N 2=1.037×1096=1.728×108
（7）查阅图确定接触疲劳寿命系数为：
K HN1=0.90；K HN2=0.94 （8）确定接触疲劳许用应力
根据失效概率是1%，安全系数是S =1（由于点蚀破坏后只会引起噪声、震动增大，并不立刻导致不能继续工作的后果，故可取s=1），依据公式有：
[σH ]1=
K HN 1σH lim 1
=0. 9⨯1200=1080MPa S
[σH ]2=K HN 1σHN 2
S
=0. 94⨯1100=1034MPa
确定具体数值
（1）确定小齿轮分度圆直径
d1t ≥2. K t T 1u +1Z E 2
()
φd u σH