轴系设计大作业

东南大学机械工程学院1机械设计大作业轴系设计报告姓名：文轶机械工程学院2014年12月4日东南大学机械工程学院2目录1.设计任务...............................................................32.轴的结构设计...........................................................42.1.关于轴的材料.......................................................42.2.初步计算轴径.......................................................42.3.轴的结构设计.......................................................42.3.1.拟定轴上零件的布置方案.......................................42.3.2.轴上零件的定位及轴的主要尺寸的确定...........................43.轴承寿命计算.........................................................63.1.轴的受力分析.......................................................63.2.轴承寿命计算.......................................................83.2.1.计算附加轴向力1sF、2sF......................................83.2.2.计算轴承所受轴向载荷.........................................83.2.3.计算当量动载荷...............................................93.2.4.轴承寿命hL计算..............................................94.轴的强度校核........................................................105.仿真分析............................................................126.心得体会............................................................137.附录................................................................14东南大学机械工程学院31.设计任务图示二级斜齿圆柱齿轮减速器。已知中间轴Ⅱ传递功率P=20kW，转速n2=300r/min；z2=93，mn2=6，2=12,宽度b2=180mm;z3=21，mn3=8，3=8，b3=110mm。轴材料：45钢调质。××××1234n1ⅢⅠⅡ202015东南大学机械工程学院42.轴的结构设计2.1.关于轴的材料轴的材料为45钢调质，硬度为217~225HBS。查表19.1得对称循环弯曲许用应力1=180MPa。2.2.初步计算轴径取β=0，A=110，得：33min2011044.6300PdAmmn因轴上需要开键槽，会削弱轴的强度。故将轴径增加4%~5%，取轴的最小直径为50mm。2.3.轴的结构设计2.3.1.拟定轴上零件的布置方案主要部件有轴承（一对）、轴套、轴上齿轮，根据他们之间的装配方向、顺序和相互关系，轴上零件布置方案如图所示。2.3.2.轴上零件的定位及轴的主要尺寸的确定2.3.2.1.轴承的选择根据前面已经得到的初步计算的轴直径，d=50mm，出于安全考虑，轴的最小直径选为55mm，根据轴的受力，选取7211C角接触滚动轴承，其尺寸dDB为5510021mmmmmm。2.3.2.2.齿轮、轴承以及轴套的定位东南大学机械工程学院5轴的中部通过阶梯轴向两边车削，形成轴肩用于定位两个齿轮。齿轮2齿宽为180mm，配合轴段应比齿宽略短，取L=178mm。同样的，右边的齿轮3齿宽为110mm，配合轴段取为108mm。由于齿轮不能直接用于定位轴承，所以用轴套定位，左边轴套长度为25mm，右边轴套长度为20mm（轴套长度由齿轮距箱体内部距离决定）。再根据轴端伸出轴承2~4mm（本例取3mm），而轴承宽为21mm，因而确定左右轴承轴段的长度分别为51mm和46mm。下面是各轴段直径的确定，首先，轴承段直径为155dmm。轴径变化一方面是定位，另一方面还需要能够承受一定的轴向力，因此轴肩、轴环尺寸可取略大一些，一般可取5~8amm，因而第二轴段直径取260dmm，轴肩直径380dmm。齿轮的周向定位采用平键，一般取平键长度小于轮毂大约10~20mm，由此确定齿轮2所用键的尺寸为1811125(/1096)mmmmmmGBT，齿轮3所用键的尺寸为181150(/1096)mmmmmmGBT。2.3.2.3.轴结构的工艺性取轴端倒角245o，按规定确定各轴肩以及轴环的圆角半径，左右轴颈留有砂轮越程槽，键槽位于同一轴线上。东南大学机械工程学院63.轴承寿命计算3.1.轴的受力分析将四周的螺栓对轴系的力简化为滚动轴承作用在轴上的支力。齿轮尺寸：222693558dmzmm333821168dmzmm齿轮受到力矩：9.55/9.5520000/300636.67MPnNM齿轮2受到周向力：2222226366662232/cos558/cos12tTFNd齿轮3受到周向力：东南大学机械工程学院73333226366667506/cos168/cos8tTFNd齿轮2受到径向力：2222tantan202232830coscos12rtFFN齿轮3受到径向力：3333tantan2075062759coscos8rtFFN齿轮2受到轴向力：222tan2232tan12475atFFN齿轮3受到轴向力：333tan7506tan81055atFFN因此，总的轴向力为：234751055580aaaFFFN求竖直面内两轴承所受径向载荷：331123223()()0rvrFLFLLLFLL174vFN312212321()()0rvrFLLFLLLFL21855vFN求水平面内两轴承所受径向载荷：331123223()()0tHtFLFLLLFLL13194HFN312212321()()0tHtFLLFLLLFL26544HFN故两轴承所受总径向载荷为：东南大学机械工程学院8221113195vHFFFN222226801vHFFFN3.2.轴承寿命计算根据工作情况，选择的轴承为7211C。查手册得：052900;40200rCNCN1.0pf（轴承所受载荷平稳）3.2.1.计算附加轴向力1sF、2sF7211C型轴承的附加轴向力为：0.5srFF由此可得左右两轴承的附加轴向力分别为：110.50.531951597srFFN220.50.568013401srFFN3.2.2.计算轴承所受轴向载荷由于：12(1597580)2177sasFFNNF所以左边轴承被“压紧”，右边轴承被“放松”。由此可得：12-2821asaFFFN223401asFFN东南大学机械工程学院93.2.3.计算当量动载荷对于轴承1：1028210.0740200aFC查表插值取得：10.44e，计算：11128210.883195arFeF查表取：110.44,1.27XY，由此可得：11111()1.0(0.4431951.272821)4988praPfXFYFNN对于轴承2：2034010.084640200aFC查表插值取得：20.45e，计算：22234010.506801arFeF查表取：220.44,1.24XY，由此可得：22222()1.0(0.4468011.243401)7210praPfXFYFNN3.2.4.轴承寿命hL计算因21PP，故按轴承2计算轴承寿命：3661010529002194360603007210hCLhhnP高于预期使用寿命，因此选用轴承合格。东南大学机械工程学院104.轴的强度校核对于本例，采用弯扭合成校核的方法。根据3中内容，现已知以下数据：232232,7506ttFNFN23830,2759rrFNFN23475,1055aaFNFN74,1855VAVDFNFN3195,6801HAHDFNFN=125.5ABLmm=165BCLmm=85.5CDLmm由此可以计算轴的弯矩，并作出弯矩图。截面B弯矩：125.53195400972.5HBABHAMLFNmm1125.5749287VBABVAMLFNmm222/2141812VBABVAaMLFFdNmm截面C弯矩：85.56801581485.5HCCDHDMLFNmm185.51855158602.5VCCDVDMLFNmm233/2247222.5VCCDVDaMLFFdNmm对弯矩进行合成：2211401080BVBHBMMMNmm2222425311BVBHBMMMNmm东南大学机械工程学院112211602727CVCHCMMMNmm2222631858CVCHCMMMNmm对强度进行校核：取0.7（单向转动，转矩按脉动变化），0（实心轴），考虑键槽的影响，1d乘以0.94，则有：22222133()631858(0.7636666)43.1[]0.10.1(0.9460)CeMTMPaMPad因此符合强度要求，故安全。东南大学机械工程学院125.仿真分析划分网格如图所示，添加扭矩、离心力，分析轴的应力分布情况。从输出结果可以看出轴的整体应力分布情况较好，没有出现大面积的应力集中，结构设计较为合理，能够满足使用要求。东南大学机械工程学院136.心得体会经过了几个星期的时间，终于完成了这次的机械设计大作业，比一开始想象的要复杂，但是确实也学习到了很多的东西。首先是对轴系设计的新的认识。在一开始学习轴系设计的时候，对它的认识还停留在纸面的程度，但是当自己动手去做的时候，才真正搞清楚了轴系设计细节的各个方面。从一开始粗略计算所需要的轴径，再一步一步地安排零件的布置，选择各种标准件，调整零件之间的配合关系，最后对设计方案进行检查，进行强度校核，从而完成整个设计，这让我加深了对机械设计的认识，也感受到进行机械设计的魅力和乐趣。这次也学习到了很多对于软件应用方面的东西。以前对于Solidworks这样一个工具，只是认识到这是一个强大的设计工具，但这次大作业给了我亲手实践的机会，让我能够掌握这个强大的工具的一些简单应用，也拓宽了我的视野，Solidworks的应力分析以及其他后续分析功能更让我眼前一亮，让我对它的认识不仅仅停留在是一个绘图工具而已，还可以进行复杂的仿真运算，从而进一步完善设计。而最后的工程图和装配图花了我很长的时间，在Solidworks中，从3D模型建立工程图时，总是有许多参数、标注等不符合规范，因此使用了CAD绘制工程图和装配图，也进一步熟练了自己对C