哈工大机械设计大作业轴系部件设计.doc

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Harbin Institute of Technology
机械设计大作业

题 目： 轴系部件设计
院 系： 机电工程学院
班 级：
姓 名：
学 号：
时 间：

目 录
机械设计作业任务书 1
1选择材料，确定许用应力 2
2按扭转强度估算轴径 2
3设计轴的结构 2
4轴的受力分析 4
4.1画轴的受力简图 4
4.2计算支承反力 4
4.3画弯矩图 5
4.4画转矩图 5
5校核轴的强度 6
6轴的安全系数校核计算 7
7校核键连接的强度 8
8校核轴承的寿命 9
8.1计算当量动载荷 9
8.2校核寿命 10
9轴上其他零件设计 10
10轴承座结构设计 10
11轴承端盖（透盖） 11
12参考文献 11

哈尔滨工业大学

机械设计大作业任务书

题目 ___轴系部件设计____

设计原始数据：

方案
电动机工作功率P/kW
电动机满载转速nm/(r/min)
工作机的转速nw/(r/min)
第一级传动比i1
轴承座中心高度H/mm
最短工作年限
工作环境
5.1.4
2.2
940
80
2.1
180
5年2班
室内清洁

传动方案如图5.1

图5.1

1选择材料，确定许用应力
通过已知条件和查阅相关的设计手册得知，该传动机所传递的功率属于中小型功率。因此轴所承受的扭矩不大。故选45号钢，并进行调质处理。
2按扭转强度估算轴径
对于转轴，按扭转强度初算直径：
其中
——轴传递的功率，
——轴的转速，r/min
C——由许用扭转剪应力确定的系数。查表9.4得C=106～118，考虑轴端弯矩比转矩小，取C=112。

由于考虑到轴的最小直径处要安装大带轮，会有键槽存在，故将其扩大5%，得，按标准GB2822-1981的圆整后取。
3设计轴的结构
由于本设计中的轴需要安装带轮、齿轮、轴承等不同的零件，并且各处受力不同，因此，设计成阶梯轴形式，共分为七段。以下是轴段的草图：
轴段⑦ 轴段⑥ 轴段⑤ 轴段④ 轴段③ 轴段② 轴段①

3.1 阶梯轴各部分直径的确定

1) 轴段1和轴段7
轴段1和轴段7分别安放大带轮和小齿轮，所以其长度由带轮和齿轮轮毂长度确定，而直径由初算的最小直径得到。所以，。
2) 轴段2和轴段6
轴段2和轴段6的确定应考虑齿轮、带轮的轴向固定和密封圈的尺寸。由参考文献[1]图10.7计算得到轴肩高度

毛毡圈油封的轴径，所以。
3) 轴段3和轴段5
轴段3和轴段5安装轴承，尺寸由轴承确定。标准直齿圆柱齿轮，没有轴向力，但考虑到有较大的径向力，选用深沟球轴承。根据GB/T 276—1994，初选轴承6307，外形尺寸d=35mm，D=80mm，B=21mm，轴件安装尺寸。因为轴承的值小于，所以选用脂润滑。故取。
4) 轴段4
轴段4在两轴承座之间，其功能为定位固定轴承的轴肩，故。

3.2 阶梯轴各轴段长度及跨距的确定

1)轴段4。轴段4在两轴承座之间，两端支点间无传动件，应该首先确定该段跨距L。一般，取。则轴段4长度,取77mm。
2)轴段3和轴段5。轴段3和轴段5安装轴承，轴段长度与轴承内圈宽度相同，故。
3)轴段2和轴段6。轴段2和轴段6的长度和轴承盖的选用及大带轮和小齿轮的定位轴肩的位置有关系。选用凸缘式轴承端盖，取固定轴承端盖螺钉直径,则凸缘厚度，，箱体外部传动零件的定位轴肩距轴承端盖的距离，则轴段6长度

由于大带轮较大，设计成腹板式结构，故轴段2长度
,
4）轴段1和轴段7。轴段1和7分别安装大带轮和小齿轮，故轴段1长度，轴段7长度。
4轴的受力分析
4.1画轴的受力简图
轴的受力简图、弯矩图、转矩图画在一起，见图5.2。

4.2计算支承反力
传递到轴系部件上的转矩

齿轮圆周力

齿轮径向力

齿轮轴向力

带轮压轴力

带初次装在带轮上时，所需初拉力比正常工作时大得多，故计算轴和轴承时，将其扩大50%，按计算。
在水平面上

在垂直平面上

轴承1的总支承反力

轴承2的总支承反力

4.3画弯矩图
竖直面上，II-II截面处弯矩最大，；
水平面上，I-I截面处弯矩最大，；
II-II截面处的弯矩为603*75.5=45526.5
合成弯矩，I-I截面：
II-II截面：
竖直面上和水平面上的弯矩图，及合成弯矩图如图2所示
4.4画转矩图
做用在轴上的转矩为大带轮的输入转矩

转矩图如图5.2所示
5校核轴的强度
II-II截面既有弯矩又有转矩，且弯矩最大，为危险截面。

II
I

154642.4

转矩图
56325
合成弯矩图
水平面弯矩图
45526.5
154642.4
125103.5
竖直面弯矩图

13312982

II
I
II
II
单位：

图5.2 轴的受力简图、弯矩图、转矩图

按弯扭合成强度计算。根据参考文献[1]式10.3，有

式中：
——1-1截面处弯矩，；
——1-1截面处转矩，；
——抗弯剖面模量，由参考文献[1]附表10.1，
；
——抗扭剖面模量，由参考文献[1]附表10.1，
；
——根据转矩性质而定的折合系数，对于不变的转矩，；
——对称循环的许用弯曲应力，由参考文献[1]表10.4，。
因此，校核通过
6轴的安全系数校核计算
弯曲应力：

,
扭剪应力：

由参考文献[1]式10.4、10.5、10.6，

式中：
——只考虑弯矩时的安全系数；
——只考虑转矩时的安全系数；
、——材料对称循环的弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限，由参考文献[1]表10.1，45号钢调质处理，；
——弯曲时和扭转时轴的有效应力集中系数，由参考文献[1]附表10.3、附表10.4，；
——零件的绝对尺寸系数，由参考文献[1]附图10.1，；
——表面质量系数，，由参考文献[1]附图10.1、附表10.2，；
——把弯曲时和扭转时轴的平均应力折算为应力幅的等效系数，由参考文献[1]表10.1，；
——弯曲应力的应力幅和平均应力，；
——扭转剪应力的应力幅和平均应力，；
——许用疲劳强度安全系数，由参考文献[1]表10.5，；
校核通过。
7校核键连接的强度
由参考文献[1]式6.1

式中：
——工作面的挤压应力，；
——传递的转矩，；
——轴的直径，；
——键的工作长度，，A型，，为键的公称长度和键宽；
——键与毂槽的接触高度，；
——许用挤压应力，，由参考文献[1]表6.1，静连接，材料为钢，有轻微冲击，,取110Mpa。
（1） 对于轴段1上的键
；校核通过；
（2） 对于轴段7上的键
; 校核通过。
8校核轴承的寿命
轴承不受轴向力，只有径向力，且，所以只校核轴承2即左轴承即可。
8.1计算当量动载荷
由参考文献[1]式11.2
；
式中：
——当量动载荷，；
——轴承的径向载荷和轴向载荷，；
——动载荷径向系数和动载荷轴向系数，由。
8.2校核寿命
由参考文献[1]式11.1c

式中：
——轴承的基本额定寿命，h；
——轴承的预期寿命，5年2班，每年按250天计，；
——轴承的基本额定动载荷，由参考文献[2]表12.1，查轴承6307，；
——寿命指数，对于球轴承，；
——温度系数，由参考文献[1]表11.9，工作温度，；
——载荷系数，由参考文献[1]表11.10，中等冲击，，取；
，校核通过。
9轴上其他零件设计
1）轴上键连接的设计
轴和大带轮和小齿轮的轴向连接均采用A型普通平键连接，根据参考文献[2] 表11.27，选用A型普通平键，大带轮键 GB/T 1096-2003，小齿轮键 GB/T 1096-2003
2）密封用毛毡圈
毛毡圈所在轴段的直径为30mm，查参考文献[2]表14.4，可得毛毡圈的尺寸参数。
3) 两侧轴端挡板
该零件也属于标准件。查阅参考文献[2]表11.22，选用螺栓紧固轴端挡圈（GB/T 892-1986），B型，公称直径32mm。
10轴承座结构设计
本次设计中选用整体式轴承座。按照设计方案的要求，轴承座孔中心高H=150mm，
轴承座腹板壁厚，筋厚，底座凸缘厚度b=15mm。轴承座地脚螺栓直径df=16mm,轴承盖连接螺栓直径d1=8mm。由参考文献[2]表 4.2查到地脚螺栓的扳手空间C1=22mm，C2=20mm，沉头座直径d2=32mm。

11轴承端盖（透盖）
由本次设计的特点，可选用嵌入式轴承盖，其中嵌入毛毡圈以密封。由参考文献[3]图7.5中的经验公式得到相关尺寸：
。

，
，
图5.3 轴承端盖
根据轴、轴承座的设计，应取。

涉及到毛毡圈沟槽的尺寸，按照 参考文献[2]FZ/T 92010-1991相关尺寸设计。

12参考文献
[1] 王黎钦，陈铁鸣.机械设计.4版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.
[2] 张峰，宋宝玉. 机械设计课程设计指导书. 北京：高等教育出版社，2009.
[3] 王连明，宋宝玉. 机械设计课程设计.3版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，2007.

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