一级直齿圆柱齿轮减速器输入轴组合结构设计计算说明指导书.doc

一级直齿圆柱齿轮减速器输入轴组合结构
设计计算说明书

题目1：一级直齿圆柱齿轮减速器输入轴组合结构设计（见图1）

图1
1-大带轮；2-轴承；3-齿轮；4-轴
原始数据见表1-1。
表1-1 设计方案及原始数据
项目
设计方案
3
轴输入功率
3.3
轴转速
750
齿轮齿数
25
齿轮模数
3
齿轮宽度
80
大带轮直径
160
带型号
A
带根数
4

160

100
带传动轴压力
950
轴承旁螺栓直径
12
1、设计目标
经过完成轴系部分大作业，要求掌握：
（1）轴结构设计过程；
（2）轴强度计算方法；
（3）轴承选型设计和寿命计算；
（4）轴承组合结构设计方法和过程。

2、设计步骤
（1）依据已知条件计算传动件作用力。
① 选择直齿圆柱齿轮材料：
传动无特殊要求，为便于制造采取软齿面齿轮，由表5-1，大齿轮采取45#钢正火，162~217HBS；
② 直齿轮所受转矩=9.55×106×3.3/750=4N.mm；
③ 计算齿轮受力：
齿轮分度圆直径：d=mz3=3×25=75mm
齿轮作用力：圆周力Ft=2T/d=2×4/75=1121N
径向力Fr=Fttanα=1120.5×tan20°=408N；
（2）选择轴材料，写出材料机械性能：
选择轴材料：该轴传输中小功率，转速较低，无特殊要求，故选择45优质碳素结构钢调制处理，
其机械性能由表8-1查得：σB=637MPa,σs=353MPa, σ-1=268MPa,
τ-1=155MPa
由表1-5查得：轴关键承受弯曲应力、扭转应力、表面状态为车削状态，弯曲时： ，扭转时： ；
（3）进行轴结构设计：
① 按扭转强度条件计算轴最小直径dmin，然后按机械设计手册圆整成标准值：
由式（8-2）及表8-2[τT]=30MPa，A0=118
得dmin=A0=118×=19.34mm, 圆整后取dmin=20.0mm
计算所得为最小轴端处直径，因为该轴段需要开一个键槽，应将此处轴径增大3%~5%，即dmin=(1+5%)d=21.0,圆整后取dmin =25.0mm；
② 以圆整后轴径为基础，考虑轴上零件固定、装拆及加工工艺性等要求，设计其它各轴段直径长度以下：
1） 大带轮开始左起第一段：
带轮尺寸为：ds=25mm，宽度L=65mm
并取第一段轴端段长为l1=63mm；
2） 左起第二段，轴肩段：
轴肩段起定位作用，故取第二段轴径d2=30mm。由l2=s-l/2-10=57.5mm，取l2=57.5mm；
3） 左起第三段， 轴承段：
初步轴承型号选择，齿轮两侧安装一对6207 型（GB297-84）深沟球轴承。其宽度为17mm，左轴承用轴套定位，右轴承用轴肩定位。
该段轴径d3= 35mm；
4） 左起第四段，齿轮轴段：
取轴径d4=38mm，齿轮宽度B=80mm，则取l4=78mm；
5） 左起第五段，轴环段：
取轴径d5=44mm，l5=10mm；
6） 左起第六段，轴肩段：
取轴径d6=40mm；
7） 左起第七段，轴承段：
取轴径d7=35mm，l7=20mm；
8） 确定l3，l6，轴套尺寸：
经计算，l3=52mm，l6=21.5mm，轴套外径取45mm。
9） 轴承盖：
取螺钉数6个，d1=45mm，d3=8mm，b=10mm，h=10mm，e=1.2d3=9.6mm，D0=D+2.5d3=92mm，D4=D-(10~15)mm，则取D4=D-12=60mm，D1=68mm，D2=112mm，m=17mm；
10） 其它定位尺寸：
选择6207型轴承，其宽度为17mm，考虑到箱体铸造误差及装配时留有必需间隙，取齿轮端面至箱体壁间距离为21.5mm，滚动轴承和箱内边距为10mm，轴承处箱体凸缘宽度应按箱盖和箱座连接螺栓尺寸及结构要求确定，暂取42mm。
③ 考虑轴上零件周向固定，选择连接形式和配合符号
1）轴和透盖之间密封圈为间隙配合，符号为Ф30H7/m6
2）轴和两轴承为过盈配合，符号为Ф35H7/K6
3）直齿轮和轴，带轮和轴之间经过平键连接，经过查设计手册得键截面尺寸分别为b×h=10mm×8mm和8mm×7mm，齿轮处键槽长度为70mm，带轮处键槽长度为50mm，键槽深度分别为5mm、4mm。
其中，直齿轮采取平辐板铸造齿轮，参数以下：
齿轮分度圆直径：d=mz3=3×25=75mm
齿轮齿顶圆直径：da=d+2ha×m=75+2×1.0×3=81mm
齿轮齿根圆直径：df=d-2(ha+c)×m=75-2×1.25×3=67.5mm
齿轮基圆直径：db=dcosα=75×cos20°=70.78mm
圆周速度：v=dn/(60×1000)= ×75×750/(60×1000)=2.94m/s
由表5-6，选齿轮精度为8级。
④ 其它细部结构
考虑轴结构工艺性，在轴左端和右端均制成1×45°倒角，两端装轴承处为磨削加工，留有砂轮越程槽，为了便于加工，齿轮、带轮键槽部署在同一母线上，并取同一截面尺寸。
（4） 轴疲惫强度校核
① 绘制轴受力图2-1

图2-1
② 计算轴支反力
水平面支承反力：
=
=
垂直面支承反力:

则可得：==1172N
==1004N
③ 绘制轴弯矩图和扭矩图（图2-3,2-4,2-5所表示）
设计轴结构图2-2所表示

图2-2
水平面弯矩图为MH，垂直面弯矩为MV，合成弯矩为M
Ⅴ截面处弯矩为：
水平面弯矩：MHV=0
垂直面弯矩：MVV=Q´100=950´100=95000N×mm
合成弯矩后MV=95000 N×mm
Ⅷ截面处弯矩为：
水平面弯矩：MHⅧ=R2H´80=16320N×mm
MVⅧ=R1V×80=92320 N×mm
合成弯矩后M1===93751 N×mm

93320
95000

图2-3

16320

图2-4
93751
95000

图2-5
扭矩图图2-7，T=4 N×mm，计算弯矩图图2-8。
弯矩按脉动循环改变处理，a=0.6
Mca1= =25212 N×mm
Mca2==98288 N×mm
Mca3==97082N×mm
Mca4=M1=93751N×mm
4

图2-7
93751
97082
98288
25212

图2-8
④确定危险截面，计算计算应力、其安全系数，校核轴疲惫强度
1）计算计算应力：
左起阶梯轴一、二之间截面直径最小dmin= 25mm，计算弯矩较大；
轴承2受力点处截面d=35mm，轴径不是最大但所受计算弯矩最大。故此两处较危险，校核此两处。线性插值取近似值得：Mca5=48962 N×mm
Ⅲ剖面处计算应力σca=Mca5/W=31.3MPa
Ⅷ剖面处计算应力σca=Mca3/W=17.7MPa
由表8-3插值得[σb]-1=58.7 MPa
σca<[σb]-1，故安全。
2）校核疲惫强度，计算其安全系数：
Ⅰ-Ⅹ截面均为有应力集中源剖面,均可能是危险截面, Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ剖面均为过渡圆角引发应力集中，计算弯矩值很靠近，只验算Ⅱ面即可。Ⅰ剖面和Ⅱ剖面相比较，只是应力集中影响不一样，可取应力集中系数大进行验算。Ⅶ和Ⅷ剖面相比较直径相同，Ⅷ剖面计算弯矩值较大，但应力集中影响较小（过盈配合及键槽引发应力集中均在两端），所以Ⅶ剖面较危险，需进行验算。
校核Ⅱ面疲惫强度。Ⅱ面由键槽引发应力集中系数，由附表1-1插值可得，kσ=1.82,kτ=1.60。
Ⅰ面因配合（H7/k6）引发应力集中，系数由附表1-1插值可得，kσ=1.97，kτ=1.51。
Ⅲ剖面由过渡圆角引发应力集中系数，由附表1-2可得，
(D-d)/r=(35-30)/1=5，r/d=1/30=0.033；kσ=1.98，kτ=1.63。故应按过渡圆角引发应力集中系数校核Ⅲ面。
τmax=T/WT=4/（0.2×303）=7.8MPa
τa=τm=τmax/2=3.9Mpa
绝对尺寸影响系数由附表1-4查得，εσ=0.88，εr=0.81，
表面质量系数由附表1-5插值得，βσ=0.92，βτ=0.92。
Ⅱ面安全系数

取[S]=1.5~1.8，故S>[S]，Ⅱ面安全
校核Ⅶ和Ⅷ剖面疲惫强度，Ⅷ剖面因配合（H7/r6）引发应力集中系数由附表1-1插值得，kσ=1.97，kτ=1.8。
Ⅵ剖面因过渡圆角引发应力集中系数，由附表1-2插值得
（D-d）/r=(38-35)/1=3，r/d=1/35=0.028，kσ=2.12，kτ=1.98
Ⅶ面因键槽引发应力集中系数由附表1-1插值可得，kσ=1.86，kτ=1.62
故Ⅶ剖面按配合产生应力集中计算
MV=67766 N×mm
T=4N×mm
σmax=MV/W=67766/（0.1×303）=25.1MPa
σα=σmax=25.1MPa
σm=0
τmax=T/W=4/（0.2×303）=7.8 MPa
τm=τα=τmax/2=3.9 Mpa
εσ=0.81，ετ=0.76，βσ=0.92，βτ=0.92
Sσ==
Sτ=
S==16.2
[S]=1.5~1.8
S>[S]，安全。
（5）轴承寿命校核
已算出轴承支反力R1=1172N，R2=1004N。
向心轴承，当量动载荷P=fmR，R1＞R2，取fm=1.5，P=1758N， C=15300N
滚子轴承e=10/3，则寿命 =3´104 h
（6）键连接按过盈配合连接计算
轴和齿轮、轴和带轮间均采取平键连接，键材料用45号钢，采取A型键
轻载冲击=120MPa。
齿轮： Lc=L-b=70-10=60mm
σpc==
带轮： Lc=L-b=50-8=42mm

两个键均满足强度要求。

P137 表5-1
P=3.3Kw
n=750r/min
z3=25
m=3mm
α=20°
d=75mm
Ft=1121N
Fr=408N

P232表8-1

dmin =25.0mm

D=160mm
带型号为A型
带根数z=4

l=160mm s=100mm

d1 =25.0mm
l1=63mm
d2=30mm
l2=57.5mm
d3= 35mm
l3=52mm
d4=38mm
l4=78mm
d5=44mm
l5=10mm
d6=40mm
l6=21.5mm
d7=35mm
l7=20mm

d=75mm
da=81mm
df=67.5mm
db=70.78mm
v=2.94m/s

P151 表5-6

P32附表1-1、
1-2