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大连理工大学机械设计大作业

发布时间：2013-12-26   来源：文档文库   
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一、设计任务书及原始数据 .................................................... 2 二、根据已知条件计算传动件的作用力 ................................ 3 2.1计算齿轮处转矩T、圆周力Ft 、径向力Fr及轴向力Fa .. 3 2.2计算链轮作用在轴上的压力 ............................................... 3 2.3计算支座反力 ....................................................................... 4 三、初选轴的材料，确定材料的机械性能 ............................ 4 四、进行轴的结构设计 ............................................................ 5 4.1确定最小直径 ....................................................................... 5 4.2设计其余各轴段的直径和长度，且初选轴承型号 ........... 5 4.3选择连接形式与设计细部结构 ........................................... 6 五．轴的疲劳强度校核 ............................................................ 6 5.1轴的受力图 ........................................................................... 6 5.2绘制弯矩图 ........................................................................... 7 5.3绘制转矩图 ........................................................................... 8 5.4确定危险截面 ....................................................................... 9 5.5计算当量应力，校核轴的疲劳强度 ................................... 9 六、选择轴承型号，计算轴承寿命 ...................................... 10
1


6.1计算轴承所受支反力 ......................................................... 10 6.2计算轴承寿命 ..................................................................... 11 七、键连接的计算 ................................................................... 11 八、轴系部件的结构装配图 .................................................. 12

一、设计任务书及原始数据
题目二：二级展开式斜齿圆柱齿轮减速器输出轴组合结构设计



名称 轴输入功率 轴转速 齿轮齿数 齿轮模数 齿轮宽度 齿轮螺旋角

字母表示及单位
P/kW n/(r/min z2 /mm B/mm
a/mm 2 4.3 130 103 4 80 8°6′34″
80


链节距 链轮齿数
L/mm s/mm t/mm z 表1 设计方案及原始数据
215 100 25.4 29 二、根据已知条件计算传动件的作用力
2.1计算齿轮处转矩T、圆周力Ft、径向力Fr及轴向力Fa
已知：轴输入功率P=4.3kW，转速n=130r/(min。 (1齿轮上的力
6转矩计算公式：T=9.550×10P/n 将数据代入公式中，得：T=315885(N·mm 圆周力计算公式：
Ft=2T/，==416(mm (认为是法面模数 将转矩T带入其中，得：Ft=1519(N 径向力计算公式：Fr=Ft×tanα/cos，= 将圆周力Ft带入其中，得：Fr=558(N 轴向力计算公式：Fa= Ft×tan
将圆周力Ft带入其中，得：Fa=216(N
2.2计算链轮作用在轴上的压力
链轮的分度园直径 链速v= 链的圆周力F= 链轮作用在轴上的压力



3


2.3计算支座反力
1、计算垂直面（XOZ）支反力
根据受力分析图，我们可以利用垂直面力矩平衡原理（ΣMY=0）得出求解A点垂直面支反力Rz1：
Rz1= Ft1- Rz2 ΣMa= RZ2 × lAC- Ft1 × lAB=0 即ΣMa=1519 ×135-RZ2 × 215=0 RZ2=954 N Rz1=565 N 2、计算水平面（XOY）支反力
根据受力分析图，我们可以利用水平面力矩平衡原理（ΣMZ=0）得出求解A点水平面支反力Ry1的计算公式：
Ry1= FQ- Ry2–Fr
ΣMZ= Ry2 × lAC+ Fr × lAB +Fa ×r- FQ × lAD ΣMZ=Ry2 × 215+558×135+216×135-×315=0 Ry2=4437N Ry1=- 4437 –558=-1635 N 三、初选轴的材料，确定材料的机械性能
初选材料及机械性能见表

材料牌号 热处理方法 毛坯直径/mm 硬度/HBS /MPa /MPa /MPa /MPa []/MPa [] /MPa /MPa
45号 调质处理
217~255 650 360 300 30~40 215 103 60 4


四、进行轴的结构设计
4.1确定最小直径
按照扭转强度条件计算轴的最小值dmin。 其设计公式为：
d≥[9550×103P/(0.2[τT]n]1/3= C0 (P/n1/3
查《机械设计》中表8-2(P191，得由轴的材料及承载情况确定的系数C0=118~107，由于轴既受转矩作用又受弯矩作用，且弯矩大小未知，故初选大值，选定C0=118。
将数据轴输入功率P=4.3kW，转速n=130r/(min带入公式中，得： dmin=118×(4.3/1301/3=37.9mm 由于轴上开有键槽，轴径增大5%，得： D=1.05×dmin=1.05×37.9=39.80mm 圆整成标准值，得：
D=40mm 4.2设计其余各轴段的直径和长度，且初选轴承型号
1、设计直径
考虑轴上零件的固定、装拆及加工工艺要求。首先考虑链轮的安装和固定D7取40mm。再考虑轴承的选型，其直径末尾数必须为0、5；且为了便于计算，故D5初取55mm。考虑链轮及轴承2的固定，故D6取50mm。由于齿轮右端由轴套固定，故D4取67mm。综合考虑轴承1的右端固定，轴承1、2取同一型号及齿轮的左端固定，将D3、D2、D1分别取65mm、60mm、55mm。
综上：D1=55mm; D2=60mm; D3=65mm; D4=67mm; D5=55mm; D6=50mm; D7=40mm 2、设计各个轴段长度
先考虑齿轮的装拆及右端定位，故L4取76mm；再考虑最左端轴承1的固定以及装拆，L1取37mm；考虑链轮的宽度B=L=52mm，L7取47mm；在根据轴承2与齿轮的相对位置及轴承2左端固定，L5取50mm；考虑链轮与轴承2之间的相对位置及轴承2的右端固定，L6取67mm；考虑齿轮左端的固定及轴环强度问题，L3取23mm；考虑齿轮与轴承1之间的相对位置以及轴环长度，L2取47mm。
综上：L1=37mm; L2=47mm; L3=23mm; L4=76mm; L5=50mm; L6=67mm; L7=47mm
3、轴的初步结构设计图
5


D1D2D3D5D4L1L2L3L4L5D6L6D7L7


4、初选轴承型号 根据轴承b、d处的轴段直径D1=D5=55mm，查《机械设计基础》中附表3 初选轴承型号为30211圆锥滚子轴承
4.3选择连接形式与设计细部结构
选择连接形式
连接形式主要是指链轮与齿轮的周向固定：初步选择利用键连接以固定链轮与齿轮。而键型号依据链轮处与齿轮处轴径大小D7、D4分别为45mm、57mm，查《机械设计基础》中表10-9(P156初选链轮处键的公称尺寸为14×9，而键长初取36mm；初选齿轮处键的公称尺寸为16×10，键长初取56mm。 综上平键尺寸：链轮处： 14×9×36 ；齿轮处：16×10×56 五．轴的疲劳强度校核
5.1轴的受力图
zFt1xRy1yARx1Rz1FaBCRx2Rz2FQFrRy2D
6


5.2绘制弯矩图

1、垂直面弯矩图
依据受力分析图分析易得：在垂直面（XOZ）平面，A,C,D处弯矩为零，而B点处弯矩最大.C-D处无弯矩。 计算公式： MBz=Rz1•(L-a 带入说明书前面已经计算得出的垂直面支反力Rz1 ，Rz2数据，得： B点垂直面弯矩
MBz=565x(215-80=76275N•mm


2、水平面弯矩图
依据受力分析图分析易得：在水平面（XOY）平面，由于无外加弯矩作用，根据《材料力学》中的理论得， A,D弯矩为0，下面来求B,C两点的水平弯矩。
计算公式：
MBy= Ry1•(L-a Mcy= FQxS 带入前面已经计算得出的水平面支反力Ry1, FQ数据，得： B点水平面弯矩
MBy=-1635x(215-80 =－220725N•mm
C点水平弯矩
Mcy=-3360x100=-336000N•mm ···

7


3、合成弯矩图
依据上面两个步骤求得的水平面及垂直面弯矩，进行合成。A,D俩个点弯矩为0，下面计算B,C弯矩。 计算公式： M=(Mz2＋My21/2
带入数据Mby、Mcy、Mcz的值，得： B点合成弯矩 B点左端面：
MB=[762752＋(－2207252]1/2=233532N•mm B点右端面

C点合成弯矩
221/2Mc=[0＋(－336000]=336000N•mm ···
5.3绘制转矩图

根据《材料力学》的理论分析以及轴的受力分析图可以得出，在a-b-c轴段上转矩相同，在c-d轴段上，没有转矩。故可依据说明书2.1中所计算得出的转矩T，绘制出转矩图。

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5.4确定危险截面
ⅡⅠⅢ
截面标号图
通过对轴上零件的受力分析，绘制弯矩及转矩图，并且综合考虑轴径大小以 及键槽、圆角等因素对轴的应力的影响，最终确定了三个危险截面。其中Ⅰ截面处计算弯矩最大且存在转矩；Ⅱ截面处右断面存在较大的弯矩且存在转矩，并且开有键槽会造成应力集中；Ⅲ截面处虽然计算弯矩不大但存在转矩且该处截面积最小，并且开有键槽会造成应力集中。
5.5计算当量应力，校核轴的疲劳强度
1、计算Ⅰ截面处的当量应力： 抗弯模量

抗扭模量

I截面处最大弯矩
M=（336000-276386）÷ 80×30+276386=298741.25 N•mm I截面最大扭矩 T=315885 N•mm 当量应力

Ⅰ截面处安全

2、计算Ⅱ截面处右断面的当量应力： 抗弯模量

抗扭模量
Ⅱ截面处最大弯矩
M=（336000-276386）÷ 80×38+276386=304702.65N•mm Ⅱ截面最大扭矩 T=315885 N•mm 当量应力

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Ⅱ截面处右断面安全

3、计算Ⅲ截面处的当量应力： 抗弯模量

抗扭模量

Ⅲ截面处最大弯矩
M=336000÷ 100×28=94080N•mm Ⅲ截面最大扭矩 T=315885 N•mm 当量应力

Ⅲ截面处安全

综上所述：所校核截面的当量应力均小于许用弯曲应力，故轴设计满足安全。
六、选择轴承型号，计算轴承寿命
6.1计算轴承所受支反力
1）水平面支反力
在说明书2.2中已经求出，其中轴承1、2的水平支反力R1H、R2H的值等于Ry1、Ry2的值，故： R1H=Ry1= R2H=Ry2=4437 2）垂直面支反力
在说明书2.2中已经求出，其中轴承1、2的垂直支反力R1V、R2V的值等于Rz1、Rz2的值，故： R1V=Rz1= R2V=Rz2= 3）轴承径向载荷

4）轴承轴向载荷 内部轴向力的计算：
查《机械设计基础》中附表3，轴承型号为30211的圆锥滚子轴承

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轴向支反力计算：

，由于轴承1左端已固定，轴不能向左移动，即轴承1被压紧。 轴承1（压紧端）轴向载荷： 轴承2（放松端）轴向载荷：
6.2计算轴承寿命
由于使用的是圆锥滚子轴承，所以根据公式P=X+Y计算当量动载荷。 轴承1当量动载荷： e= ; 所以=1.48
轴承2当量动载荷： e= ； 所以
轴承寿命计算公式为：
根据轴承类型与工作条件，各参数取值分别为：fp=1.6，ft=1.0，ε=；并且查《机械设计基础》中附表三，其中额定动载荷Cr=90.8kN=90800N 轴承1的寿命: 轴承2的寿命: 七、键连接的计算
校核平键的强度
平键的挤压应力计算公式为：
依据平键工作条件与联接形式，两处平键均为受冲击载荷，且为静联接，故其许用挤压应力=90MPa 1 链轮处平键强度的校核：
已知：315885(N·mm；d=45mm；h=9mm；l=36mm
所以链轮处平键强度满足要求。 2）齿轮处平键强度的校核：
已知：315885(N·mm；d=57mm；h=10mm；l=56mm
所以齿轮处平键强度满足要求。
综上：两处平键的计算应力均小于许用挤压应力，故可判断其强度均合格。

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八、轴系部件的结构装配图
见附图











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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/57d161d95ef7ba0d4a733b7d.html

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