机械设计大作业

1/141东南大学机械工程学院机械设计大作业轴系设计报告姓名：学号：指导老师：日期：2012.5.192/142东南大学机械工程学院目录第一章设计任务……………………………………………3第二章轴的结构设计………………………………………4第三章轴承寿命计算………………………………………6第四章轴强度的校核……………………………………10第五章Simulation………………………………………12心得体会……………………………………………………13参考文献……………………………………………………13附录…………………………………………………………143/143东南大学机械工程学院第一章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=35kW，转速n2=300r/min；z2=103，mn2=6，β2=12°,宽度b2=210mm;z3=21，mn3=8，β3=8°，b3=140mm。轴材料：45钢调质。图1.1设计任务设计轴Ⅱ结构，生成工程图和装配图。4/144东南大学机械工程学院第二章轴的结构设计2.1选择轴的材料：45号钢，调质处理，硬度217~255HBS。由表19.1查得对称循环弯曲许用应力-1=180MPa。2.2初步计算轴直径：取β=0，A=110，得33min35d11053.5300PAmmn因为轴上需要开键槽，会削弱轴的强度。故将轴径增加4%~5%，取轴的最小直径为55mm。2.3轴的结构设计（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2.1所示。图2.1轴上零部件布局（2）轴上零件的定位及轴的主要尺寸的确定1）轴承的选择：根据前面已经得到的初步计算的轴直径，d=55，出于安全考虑，5/145东南大学机械工程学院轴的最小直径选为65mm，根据轴的受力，选取7213C角接触滚动轴承，其尺寸dDB为6512023mmmmmm，与其配合轴段的轴径为55mm（配合为k）。2）齿轮、轴承以及轴套的定位：轴的中部设置轴环，宽度为20mm,用于定位两个齿轮。齿轮2齿宽为210mm，配合轴段应比齿宽略短，取L=208mm。同样的，右边的齿轮3齿宽为140mm，配合轴段取为138mm。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，而轴承宽为23mm，因而确定左右轴承轴段的长度分别为54mm和49mm。下面是各轴段直径的确定，首先，轴承段直径为165dmm。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270dmm，轴环直径390dmm。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2012180(/1096)mmmmmmGBT，齿轮3所用键的尺寸为2012110(/1096)mmmmmmGBT。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。6/146东南大学机械工程学院第三章轴承寿命计算3.1轴受力分析：图3.1轴受力情况示意图齿轮尺寸：2226103618dmzmm333821168dmzmm齿轮受到力矩：9.55/9.5535000/3001114.2MPnNM齿轮2周向力：22222211142003527/cos618/cos12tTFNd齿轮3周向力：333322111420013135/cos168/cos8tTFNd7/147东南大学机械工程学院齿轮2径向力：2222tantan2035271312coscos12rtFFN齿轮3径向力：3333tantan20131354828coscos8rtFFN齿轮2的轴向力：222tan3527tan12750atFFN齿轮3的轴向力：333tan13135tan81846atFFN总轴向力：2375018461096aaaFFFN求竖直面内两轴承所受径向载荷：331123223()()0rvrFLFLLLFLL1231vFN312212321()()0rvrFLLFLLLFL23285vFN求水平面内两轴承所受径向载荷：331123223()()0tHtFLFLLLFLL15754HFN312212321()()0tHtFLLFLLLFL211230HFN故两轴承所受总的径向载荷为：221115759vHFFFN2222211701vHFFFN3.2轴承寿命计算：8/148东南大学机械工程学院图3.2轴承受力情况示意图根据工况，初选轴承7213C。查手册得073000;58500rCNCN1.0pf（轴承所受载荷平稳）（1）计算附加轴向力1sF、2sF7000C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：110.50.557592880srFFN220.50.5117015851srFFN（2）计算轴承所受轴向载荷因为13(28801096)3976sasFFNNF左边轴承被“压紧”，右边轴承被“放松”。由此可得12-4755asaFFFN225851asFFN（3）计算当量动载荷轴承12047550.0858500aFC9/149东南大学机械工程学院查表可得：10.45e11147550.835759arFeF由1e查表，可以得到：110.44,1.25XY，由此可得1111()1.0(0.4457591.254755)8478prafXFYFNN轴承22058510.1058500aFC查表可得：20.47e22258510.5011701arFeF由2e查表，可以得到：220.44,1.21XY，由此可得22222()1.0(0.44117011.215851)12228praPfXFYFNN（4）轴承寿命hL计算因21PP，故按轴承2计算轴承寿命：36610107300011820606030012228hCLhhnP所选轴承7213C合格。10/1410东南大学机械工程学院第四章轴强度的校核4.1弯扭合成校核：(1)轴上受力分析以及支反力的计算由前面的计算，一下数据已知：233527,13135ttFNFN231312,4828rrFNFN23750,1846aaFNFN231,3285VAVDFNFN5754,11701HAHDFNFN（3）计算轴的弯矩，并作弯矩图计算B截面处的弯矩141.55754814191HBABHAMLFNmm1141.523132687VBABVAMLFNmm222/2264437VBABVAaMLFFdMmm计算C截面处的弯矩101.5117011187652HCCDHDMLFNmm1101.53285333428VCCDVDMLFNmm233/2488492VCCDVDaMLFFdMmm分别画出垂直面内和水平面内的弯矩图（图c、e）；求合成弯矩并画其弯矩图（图f）2211814847BVBHBMMMMmm图4.1受力分析11/1411东南大学机械工程学院2222856057BVBHBMMMMmm22111233569CVCHCMMMMmm22221284189CVCHCMMMMmm(4)画扭矩图（g）（5）校核轴的强度取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()1284189(0.71114200)52.7[]0.10.1(0.9470)CeMTMPaMPad故安全。12/1412东南大学机械工程学院第五章Simulation5.1静力分析：划分网格如图5.1所示，添加扭矩及离心力，分析整个轴的应力分布情况。图5.1传动轴表面网格图5.2轴上应力分布状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。13/1413东南大学机械工程学院心得体会这个轴算是我第一次设计出来的机械零件。本来以为设计是件很简单的事，但做完这个项目才发现不是那么回事。机械设计是一件综合的需要很大耐力的事，不是简简单单地查查手册，画画图，估计估计再随便顶一个参数。每一步、每一个尺寸都必须有充足的理由，好的设计是要在保证功能的前提下，尽可能地缩减成本。从后来的校核情况来看，我所取的轴径还是比较保守的，还有一定的优化空间。除此以外，工程图的绘制也耗费了大量的时间，以前我把大量的精力都花在学习solidworks建模上了，而在工程图方面学习甚少。知道做这个设计时才发现工程图可不是简简单单的从三维到二维变化一下，很多尺寸、公差都需要自己标注。要做出一张符合国标的工程图还是比较费时的，这方面我还不够熟练，以后还需要特别加强。另外，在工程图方面，Solidworks有一个缺陷，就是尺寸通过的地方，轮廓线无法消隐，我一直探寻解决方法，不过没有找到，希望以后新版本的这个问题可以解决。最后，我要谢谢钱瑞明老是的悉心教导，您兢兢业业的授教让我获益匪浅，并且也点燃了我对机械的兴趣，我一定会加倍的努力，不会让您失望的。参考文献吴克坚、于晓红、钱瑞明主编；机械设计；高等教育出版社；14/1414东南大学机械工程学院附录：附图1装配体3D模型附图2轴位移分析