機械設計軸系設計方案

1、 題 目 軸系設計方案 _ 姓 名_ _ _余楠_ _ _學 號_ _3120000110_ _ 授課教師_ _ 顧大強_ _ 專 業(yè)_ _機械電子專業(yè)(混合班)_目錄1.設計題目及要求-22.設計效果圖及說明-23.主軸設計與校核-33.1.軸材料選擇-33.2. 按轉矩估算軸的最小直徑-33.3.軸的結構設計-33.4.軸的受力分析-43.4.1.計算齒輪受力-43.4.2.繪制軸受力圖-53.4.3.校核薄弱截面-63.5. 軸的安全系數校核計算-64. 軸承的選型與校核-74.1.軸承選型-74.2.軸承壽命計算-85.主軸零件圖-86.軸系裝配圖-87.參考文獻-81.設計題目及要求

2、圖示二級斜齒圓柱齒輪減速器，已知中間軸 的輸入功率P40kW ，轉速n100r/min ，齒輪2 的分度圓直徑d688mm ，螺旋角12°50 ，齒輪3 的分度圓直徑d170mm ，螺旋角10°29。本設計報告要求完成： 1.中間軸的結構設計和強度校核 。 2.選擇軸所用軸承類型和型號，并計算軸承的壽命 3.繪出軸系的裝配結構草圖（軸、軸承、齒輪、套筒、軸肩 、鍵） 2.設計效果圖及說明本設計效果圖如下圖所示，設計渲染圖由SolidWorks2014與PhotoView360軟件制作， 在下圖中，從左到右依次分別為32917X2圓錐滾子軸承，主軸，28x16普通平鍵，688

3、mm圓柱斜齒，2mm套筒，170mm圓柱斜齒，4mm套筒以及32917X2圓錐滾子軸承。圖 1 設計效果圖3. 主軸設計與校核3.1. 軸材料選擇通過已知條件和查閱相關的設計手冊得知，該傳動機所傳遞的功率屬于中型功率，主要承受扭矩，故選擇45號鋼，并進行調質處理。由于45號鋼成本適中，是軸的常用材料，且經過調質處理后，可提高其綜合性能，所以選為本軸的制作材料。3.2. 估算軸的最小直徑對于轉軸，按扭轉強度初算直徑公式為：在公式中，P為軸傳遞的功率，此例中P=40KW，n為軸的轉速，C為常數，查機械設計教程中表12-2可知C的范圍是118-107，由于此例中軸主要作用是傳遞扭矩，扭矩小于彎矩，C

4、取110。求得：dmin81.04mm考慮到有鍵槽等應力集中源，將直徑加大5%后得到：dmin85mm3.3軸的結構設計由于本設計中的軸需要安裝齒輪、軸承等零件，并且各處受力不同，因此，設計成階梯軸形式，如右圖所示。在本圖中，軸從上到下依次固定齒輪3，套筒，齒輪2最終兩端由軸承固定，實現傳動軸的目的。本例中軸鍵主要用于在扭轉方向固定齒輪與軸，考慮到減速器需要良好的對中性，并且應該能夠適應變載荷受力情況，普通型平鍵可以滿足設計需求。參閱GB/T 1096-2003標準，為保證鍵連接的強度，選用尺寸為28×16的鍵較為適宜，最終得到初步設計結果。圖 2 主軸零件圖3.4軸的受力分析3.4

5、.1計算齒輪受力傳遞到軸系部件上的轉矩為：T=9.55×106PN=3819000 Nmm計算齒輪2有關系數：圓周力: Ft=2Td=11101 N徑向力: Fr=Fttanacosb=4143.9 N軸向力: Fa=Fttanb=2528.9 N計算齒輪3有關系數：圓周力: Ft=2Td=44929 N徑向力: Fr=Fttanacosb=16630.5N軸向力: Fa=Fttanb=8327.9N3.4.2繪制軸受力圖我們可以根據上一步的齒輪受力結果繪制節(jié)點受力簡圖，后根據節(jié)點受力簡圖即可方便得到軸的分段彎矩公式，最后利用Excel表格的x-y坐標圖工具由彎矩公式求得水平與垂直兩

6、方向的彎矩圖，如下圖4.2.1，4.2.2。之后我們可以利用上一步的數據合成彎矩M，繪制彎矩圖得到4.2.3，最后一步繪制扭矩T圖，并將M圖T圖兩圖合并成當量彎矩Me，下圖中4.2.5就是最終得到的當量彎矩圖，在合成當量彎矩時，系數a近似于0.6。 3.4.3校核薄弱截面通過觀察當量彎矩圖可發(fā)現，位于x=325處的截面A是當量應力最大面，故A也為本桿件的危險截面，下面通過計算校核截面A。薄弱截面的校核公式為：d3Me0.1-1b其中Me為截面當量彎矩，在4.2中已求出，具體數值可參見對應excel表格，通過查表得到Me(A)=6005385 Nmm，-1b為軸的許用彎曲應力，通過查表可知調制4

7、5#鋼對于抗拉強度B=650，對應-1b值可近似取65。分別計算得到：da97.3 mm查看設計圖紙可知，A截面處均有鍵槽，故實際直徑應比計算值多出5%-7%，則在考慮鍵槽應力集中的情況下:da102.1 mm原設計中，da=110mm，均滿足校核條件，故原設計合格，能夠滿足設計需求。3.5. 軸的安全系數校核計算下面校核危險截面的安全系數。參考機械設計課本294頁公式：為考慮彎矩時的安全系數，為考慮轉矩時的安全系數,、為材料對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限和扭轉疲勞極限，通過查機械設計教材表12-1可知45號鋼調質處理，=275MPa，=155MPa。為彎曲時和扭轉時軸的有效應力集中系數，由表12-4

8、查普通平鍵有效應力集中系數表可得兩系數分別取1.76，1.54。為零件的絕對尺寸系數，查表12-7可得兩系數分別取0.73與0.72。為表面質量系數取0.925，為彎曲時和扭轉時的等效系數，取0.2與0.1。a、m為彎曲應力的應力幅和平均應力，a,m為扭轉剪應力的應力幅和平均應力。 對于a、m、a、m由于之前在繪制彎矩扭矩圖中，具體數值已由excel表格公式求出，此處直接查表帶入基礎材料力學公式即求，此處不贅述。在帶入相關系數后可求得最終結果。S=8.80 S=2.48 S=2.60 在本設計方案中，材料選擇調制處理45#鋼，材質均勻，載荷與應力計算精確，S取1.5。因此S>S，軸的危險

9、截面A有足夠的疲勞強度，滿足設計需求，校核完成。4.軸承的選型與校核4.1.軸承選型通過4.1中的載荷計算可通過靜力學推導得軸承1(齒輪2上方)，受徑向力Fr=2301.8 N,軸向力Fa=5799N，軸承2(齒輪3下方)，受徑向力Fr=10184.7N，為了保證機械整體安裝方便與穩(wěn)定性，需要選擇軸向力與徑向力承載能力俱佳的軸承，在參考教材表14-1的軸承主要類型與特性表后，我認為在本設計中，圓錐滾子軸承能夠滿足設計需求。由于在軸設計部分中，兩端軸承內徑d=85mm,參考設計手冊GB/T 297-1994，得到可選用的軸承共12種型號。通過基本額定載荷Cr可初步判定，軸承32917- X2額定載荷Cr=74.2KN，滿足本設計的承載條件。4.2.軸承壽命計算GB/T 297-1994中規(guī)定，徑向當量動載荷：當Fa/Fre，PrFr；當Fa/Fre，Pr0.4Fr+YFa。通過查表可知，軸承32918-X2：e=0.26，Y=2.3。下面分別校核軸承1與軸承2。對于軸承1：e=FaFr>0.26 ; Pr=0.4Fr+YFa=14258.4 NL10=(CP)103=40450 h對于軸承2： e=FaFr<0.26 ; Pr=Fr=10184.7 NL10=(CP)103=64462h通過查閱預期壽命L10的參考值，對于每天工作八小時的機