基于Solidworks的抓物机器车机构设计及运动仿真.docx

编号：

　毕业设计(论文)说明书

题 目： 基于Solidworks的抓物机
器车机构设计及运动仿真
学　　院： 机电工程学院
专 业： 机械制造及其自动化
学生姓名： 韦子亮
学 号： 1000110130
指导教师单位： 桂林电子科技大学
姓 名： 彭晓楠
职 称： 副教授

题目类型：¨理论研究 ¨实验研究 þ工程设计 ¨工程技术研究 ¨软件开发

2014年5月26日

摘 要

很多地方是我们人类没法进去的，因为其中的一些东西已经对我们造成了生命的威胁，但我们又有必须进去的理由。在这种场合下，机械就能为我们解决这些问题，因为它可以代替我们进行一些危险操作，用来取代人力来工作。我们设计的抓物机器车是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种将机械手和搬运车联系为一体的产品。使其能抓物运动，可以在地形复杂或恶劣、危险的环境里替人完成物体的搬运或者障碍的清除等工作。
抓物机器车的设计主要是通过无线通信来控制小车的前进、后退或者转弯，并由螺杆转动，带动螺杆上的螺母上下移动，再通过连杆结构实现抓爪的闭合，从而实现抓物动作。丝杆竖直放置，转臂固定在丝杆螺母上，步进电机带动丝杆旋转，螺母会上下移动，转臂也会上下移动，也就是机械手上下移动，满足了机械手降下抓物，升高移动物体的情况。机械手的转动，在由齿轮带动固定丝杆的中间件转动而实现的。
关键词：机器车；抓物；丝杆

Abstract

Many things that we humans can not go , because some of these things have been a threat to our life , but the reason we have to go in there . In this case , our machinery will be able to solve these problems. Because it can replace us doing some dangerous operation , to replace manpower to work. Because it can replace us some dangerous operation, to replace manpower to work. We have designed the Grasping machine car that developed in the mechanization and automation of the production process and the robot van combined into one product. So that it can catch things exercise can help people complete the removal of an object or obstacle clearance work in complex terrain or harsh, dangerous environment.
Grasping machine car designed primarily controlled by a wireless communication car forward, backward, or turn. by the screw rotates, driven to move up and down the screw on the nut, and then realize gripper closure through the link structure to realize grasping objects actions . Screw placed vertically, and the arm is fixed on screw nut, stepper motor driven rotary screw, nut meeting next move, the arm will move up and down, which is under the robot moves down to meet the robot grasping objects, elevated movement of the object. Turn the robot, driven by fixed-gear screw rotation middleware
implementation.
Key words: machine car; grasping objects; screw

目 录
引言 1
1 设计方案 2
1.1 设计内容 2
1.2 设计目的 2
1.3 方案的选择 2
2 机械手的设计 3
2.1 抓手结构的设计 3
2.2 爪片的设计 5
2.3 螺杆的设计 7
2.3.1确定螺纹中径 8
2.3.2螺杆的强度计算 9
2.3.3螺母螺纹牙的强度计算 9
2.4 连杆盘的设计 10
2.5 套筒的设计 11
2.5.1套筒的尺寸 11
2.5.2螺栓的选择 11
2.5.3螺纹连接的防松 13
3 转臂的设计 13
3.1 受力分析 13
3.2 转臂的尺寸计算 14
3.3 螺栓的设计 15
3.3.1螺栓组结构设计 15
3.3.2螺栓受力分析 15
4 滑动丝杆的设计 16
4.1 螺纹牙型的选择 16
4.2 螺距选择 16
4.3 丝杆直径的确定 16
4.4 螺杆的强度计算 17
4.5 螺母螺纹牙的强度计算 17
4.6 丝杆的长度 18
4.7 丝杆螺母的传动形式 18
4.8 丝杆的固定 19
4.9 轴承的选择 19
4.10 固定板的设计 21
4.10.1固定板的结构 22
4.10.2固定架的固定 22
5 转盘的设计 23
5.1 中间板的设计 23
5.2 键的选择 25
5.3 齿轮的设计 25
5.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料及模数 25
5.3.2按齿面接触疲劳强度设计 26
5.3.3按齿根弯曲疲劳强度设计 27
5.3.4几何尺寸计算 27
5.4 轴的设计 28
6 车身的设计 30
6.1 上车身的设计 30
6.2 下车身的设计 31
6.3 支板的设计 35
6.3.1支板的结构 35
6.3.2尺寸计算 35
6.3.3支板的连接 36
6.3.4轮子孔的设计 36
7 solidworks的建模和仿真 37
8 总结 38
谢 辞 39
参考文献 40

IV

桂林电子科技大学 第32页 共43页

引言
随着社会的进步，社会的分工也越来越细，特别是在现代化的生产中，有的人每天就只能做着同一件事，或者是拧同个部位的某个螺母，或者是接着同一个地方的线头，就像电影《摩登时代》中所演的，由于老是做同一个动作，身体相同的部位得不到休息，于是开始产生了各种职业病。于是人们强烈的希望能有什么东西能代替自己工作而自己不用那么的难受。于是机器人就被发明了出来，并替人完成那些很枯燥、单调、危险的工作。而且，机器人的发明大大的提高了工作效率，提高了工业的发展，为更多的人提供了机会。
机器人的出现，使人们摆脱了那些繁琐、危险的工作。一般的，在有危险，对人体有害的场合，你总能看到他们的身影。如喷漆行业，油漆发出的气味很难闻，那是有毒气体，闻多了会对人体造成难以想象的伤害；还有电焊的场合也是对人眼睛的伤害也很大，也是有了专门用来焊接的机器人。这样的地方很多，在工业里已经屡见不鲜了。特别是在汽车和工程机械行业里，喷漆和焊接那是必不可少的。也正是这些工作对汽车行业的不可或缺，近几年来，国内生产的工业机器人大多是用于服务汽车行业的，也正因为这样，汽车工业的发展也推动了机器人的增长。
在一些对灰尘要求很严的重要场合或者实验室中，一旦灰尘的量超过了标准，就会有废品的出现。例如要在 10级洁净室中制造的电脑重要器件。按国际标准，10级洁净室就是要在一立方英尺内不得出现超过10个以上的直径大于0.5微米的尘埃。100级洁净室就是在一立方英尺内不得出现100个同样大小的尘埃。可就是想进入100级洁净室，工作人员也要换上特制的装备才可以进去，而且，在进去之前的5个小时都不可以使用化妆品或者吸烟等，这条件可见很难做到了。所以10级洁净室也只能由机器来完成了，想进去，条件太苛刻了。
而有些场合，由于被环境的限制，如有放射性物质，被有害气体包围等，我们很难进去，也没法找里面的东西出来研究。于是特制的抓物机器车就很有必要设计出来。
这次设计是基于三维软件Solidworks设计的。该软件的功能很强大，组件也很多。 Solidworks是现在最主流的三维CAD解决方案，因为他具有了功能强大、易学易用、技术创新等特点。 而且SolidWorks可以提供不同的设计方案、减少了设计过程中的错误以便提高产品质量。对工程师和设计者来说，SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，操作更是简单方便、易学易用。

1 设计方案
1.1 设计内容
因为是要进行比较精密的抓取物体，所以采用无线通信技术实现对机器车的控制。通过无线接通电机，电机驱动轮子来实现小车的前进、后退与转向。而在小车的上面则是抓物机械手的部件。要实现机械手的上下移动还有一定范围的转动，还有爪片的自由张合。
1.2 设计目的
（1）可以在危险的，无人可进入的地方抓住物体并且移动物体，便于实验和研究。
（2）由于抓物机器车使用无线通信技术控制，其动作准确，操作简单，因此可以提高稳定性能。
1.3 方案的选择
由于小车的移动都要很精确，所以只考虑了步进电机和伺服电机。步进电机的速率是由驱动器信号输入的脉冲数量和频率来控制的。但不适合在长时间和同方向的场合使用，这样容易烧坏电机。而伺服电机与步进电机相比，在控制方式上很相似都是用脉冲串和方向信号，但价格相对来说较高。在性能满足的情况下，考虑经济方面，我们采用了步进电机。
对于机械手的上下移动，可以想到的有液压、气动还有丝杆。考虑液压和气动都比较的便宜，但考虑到精确度，能采用的也只有丝杆了。对于爪片的自由张合，气动便宜实用，但由于在前面都没用到，在这里用的话还得设计气动装置，麻烦而且也不太实际，因此我们采用了步进电机。

2 机械手的设计
由于设计的抓物车一般是在危险的地方工作，那地方可能是一些夹缝什么的，因此我们设计的小车都比较的小。设小车的尺寸为400*200*100mm，而抓取的物体最重为6KG。
2.1 抓手结构的设计
设抓盘的直径为50mm，爪子的开口角度为120度，抓爪可转动30度。采用的是四杆机构来实现爪子的自由张合。结构如图所示：

图2-1 四杆结构简图
其中L1是连杆盘与抓盘的距离，L2是爪子上两个圆柱销之间的距离，L3是连杆与爪子的距离，L4是连杆。
如图，L2、L3、L4为定长，而L1随着连杆盘的移动而改变，当连杆盘向上移动时，L1会变大，那时，连杆L4通过L3拉着L2向上转动，那时爪子张开：相反，当连杆盘向下移动时，连杆会压爪子向下转动，即爪子会抓紧物体。
受力分析：

图2-2 四杆受力分析

F2=cosθ2*F
F1=sinθ2*F
由受力分析可知： 当θ3=45。时，F1=F2，也就是使爪子向下转动的力与向外的力是一样的，这时，爪子处于平衡状态。而随着θ3的增大，F1会大于F2,也就是说，当θ3大于45度后，爪子盘向下，也就是θ3增大后，爪子的抓力反而变小，也就是说我们设计时θ3应该小于45度，45度时就是抓取物体的最小尺寸。
从图上可知，当θ3为45度时，θ2越小，L4越短，从材料和经济方面来看，θ2越小越好，故取θ2=30。。
当抓取的物体最小时，也就是抓爪转动30度，那时

图2-3 抓物受力简图
L3//L1，取L1=10mm,
则θ1=45。，L4=30mm；
所以 L4≥30mm
当抓手的开口最大时，如图

图2-4 开口最大受力分析
此时L3、L4连成一线，则
θ=30。 θ1=30。
设L1=30mm,则
L3+L4=2cosθ1*30=52 mm
所以 L4=42mm
故 30≤L4≤42
取 L4=40mm
在连杆中连接处会打通孔，我们算出来的就是两孔间的距离，所以实际尺寸应该要加上半径还有傍边的部分。设通孔的中心到一边的距离为5mm，则连杆实际长度为40+5*2=50mm.
2.2 爪片的设计
为了更好的抓起物体，使物体不掉下来，应把爪片的下面做成一个倾角，受力分析如下：

图2-5 抓物时受力简图
Mg=cosθ*F+sinθ*ƒ
cosθ* ƒ=sinθ*F
F=Mg*cosθ
可知，θ越小，F会越大，当取θ为45度时，代入数据后得
F=2*10*cos45。=14N
根据拉压杆的强度条件：
σmax=(FNA)MAX≤[σ]
得：
FN,MAXσ≤A
[σ]=σμn
式中： [σ]为许用应力；
n为安全因数；
FN为载荷；
A为杆的横截面面积
表1 常用材料的力学性能表
材料名称
牌号
σs/MPa
σb/ MPa
σ5/%
备注

普通碳素钢
Q215
Q235
Q255
Q275
215
235
255
275
335-450
375-500
410-550
490-630
26-31
21-26
19-24
15-20
对应久牌号A2
对应久牌号A3
对应久牌号A4
对应久牌号A5

优质碳素钢
25
35
45
55
275
315
355
380
450
530
600
645
23
20
16
13
25号钢
35号钢
45号钢
55号钢

合金钢
20Cr
40Cr
30CrMnSi
540
785
885
835
980
1080
10
9
10
20铬
40铬
30铬锰硅
铝合金
LY12
274
412
19
硬铝
查表1得：
考虑到要质量较轻，采用铝合金材料：
则 σ=274Mpa
取安全系数n=1.2,代入数据得
[σ]=274/1.2=228 Mpa
A≥14/228*10-6=0.06*10-6 m3
故取抓爪的尺寸为
14*5=70>60mm
取首尾间的距离为80mm
由杠杆原理得

图2-6抓爪受力简图
10*N=80*F
得 N=8*14=112 N
由前面图2-3的受力分析得
当θ=45。时
N=cos45。F
F=112/0.7=158 N
受力较大，所以采用了合金钢Cr20,查表得σ=540Mpa。取安全系数n=1.2,代入数据得
[σ]=540/1.2=450 Mpa
A≥（112/450）*10-6=0.25*10-6 m3
所以取 连杆的横截面面积为 5*6 mm
连杆的尺寸为40*5*6 mm
2.3 螺杆的设计
螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要是把回转运动转变为直线运动。主要运动形式有以下两种：一种是螺杆转动，螺母移动；一种螺母固定，螺杆转动并且移。
螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种：
(1)传力螺旋。 它以专递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度也不高，而且通常需要有自锁能力。
(2)传导螺旋。它以传递运动为主
(3)调整螺旋。它可以调整、固定零件的相对位置。
螺旋运动又可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单、便于制造，易于自锁，但其阻力大，磨损快，传动精度低等。而滚动螺旋相反，阻力小，传动精度高，但结构复杂。
我们要求的是能传动动力，而且精度要求不高，行程较短，轴向力也不是很大，综上，我们采用了滑动螺旋
滑动螺旋的磨损与螺纹有很大的关系，螺纹工作面的压力、表面粗糙度的选择不好，会加快螺旋的磨损。螺纹工作面上的压力越大，螺旋副间越容易形成过度磨损。因此选择螺纹的选择也很重要。
当载荷不大，工作对螺纹间的摩擦力要求不大、螺距又比较小时，可采用基本螺纹和细牙螺纹。当载荷较大，螺距又较大时，应采用梯形螺纹。它比三角瓯的传动效率高，强度大。因此采用梯形螺纹。

表2-1 螺旋传动常用的材料
螺旋副
材料牌号
应用范围

螺杆
Q235、Q275、45、50
材料不经热处理，适用于经常运动，受力不大，转速较低的传动
40Cr、65Mn、T12、40WMn、20CrMnTi
材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动。

螺母
ZCuSn10P1、
ZCuSn5Pb5Zn5（铸锡青铜）
材料耐磨性好，适用于一般传动

表2-2 滑动螺旋副材料的许用压力[p]及摩擦系数ƒ
螺杆-螺母的材料
滑动速度/（m/min）
许用压力/Mpa
摩擦系数ƒ

钢-青铜
低速
18-25

0.08-0.10
≤3.0
11-18
6-12
7-10
淬火钢-青铜
6-12
10-13
0.06-0.08
钢-铸铁
<2.4
13-18
0.12-0.15
6-12
4-7
钢-钢
低速
7.5-13
0.11-0.17
2.3.1确定螺纹中径
查表螺旋传动常用的材料和滑动螺旋副材料的许用压力[p]及摩擦系数ƒ可取：螺杆的材料可用45号钢，螺母可用ZCuSn5Pb5Zn5（铸锡青铜），选滑动速度为低
速，许用压力 [p] 为20Mpa.
由滑动螺旋的耐磨性计算公式
对于梯形螺纹，有
d2≥0.8FØ[p]
螺母高度
H= Ød2
取Ø=1.5，代入数据得
d2≥0.81581.5*20=1.8
查机械手册取 d2=3.675mm, 螺距P=0.5mm
大径d=4mm,小径d1=3.459mm；
H=1.5*3.675=5.5125mm
对于自锁条件：
φ≤φv=arctanƒcosβ=arctanƒv
而 φ=arctan(Pπd2)
代入数据得
φ=arctan(⁡23.14*5.35)=arctan0.04
ƒv>0.8
所以 ƒv>0.04
满足自锁条件。
2.3.2螺杆的强度计算
螺杆的强度条件为：
σca=1AF2+3(4Td1)2≤[σ]
式中：F-螺杆受到的轴向压力；
A-螺杆截面面积；
d1-螺纹小径；
T-螺纹受到的扭矩;
[σ]-螺杆材料的许用应
表2-3 滑动螺旋副材料的许用应力
螺旋副材料
许用应力/Mpa
[σ]
σb
[τ]
螺杆
钢
σs3-5

螺母
青铜

40-60
30-40
铸铁

45-55
40
钢

（1.0-1.2[σ]
0.6[σ]
由表滑动螺旋副材料的许用应力得σs=355，则[σ]=3555=71 Mpa
把F=148 N, d1=3.675mm ，A=48.35mm2 代入
得
148.351482+3(4T3.675)2≤71
T≤10.6 N∙mm
所以，电机的扭矩应该小于10.6 N∙mm。
2.3.3螺母螺纹牙的强度计算
因为螺母的材料强度比较螺杆的强度要低很多，而螺纹牙又多因为发生剪切和挤压破坏而失效，故需要校核螺母的螺纹牙的强度。
由剪切强度条件
τ=FπDbu≤[τ]
弯曲强度条件为
σ=6FlπDb2u≤[σb]
式中： b-螺纹牙跟部的厚度，对于梯形螺纹，b=0.65 P
l-弯曲力臂 l=D-D22
u-螺纹工作圈数 u=HP
代入数据得
τ=1483.14*16*0.65*2*22.5/2=0.2≤[τ]=30-40
σ=6*148*0.53.14*16*1.32*11.25=0.5≤[σb]=40-60
因此螺纹的强度符合设计要求。
螺杆的长度：工作行程为30mm加上螺母的高度6mm,因此取长度为36mm.
2.4 连杆盘的设计
连杆固定在连杆盘上，然后连杆盘与螺母连接，然后跟着螺母的上下移动而移动，从而通过连杆推动抓爪的转动。连杆盘是在套筒里面上下运动的，而连杆要接到抓爪，要穿出套筒，因此在套筒上应该会有三个长孔，满足连杆随着连杆盘上下移动，为了加工和安装的方便，直接把孔开到口，而把连杆盘与连杆相连的部分放到套筒外面，这样更好的安装连杆。如图：

图2-7 连杆盘的结构简图
中间的孔是为了螺杆能通过，使螺杆与连杆盘不接触就可以了，而盘中的三个孔则是为了固定连杆盘与螺母而留的。采用螺钉连接，螺钉可以直接拧入连杆固定板上螺纹孔中，不需用螺母，但不能经常拆装，这样易使螺纹孔磨损，从而导螺母的报废，故多用于受力不大，或不需用经常拆装的场合。在这里刚好适用。由于在这里，螺钉其固定作用，基本上只受连杆盘的重力作用，很小可忽略不计。
连接处，在外力的作用下，销钉与孔直接接触。当挤压应力过大时，在孔、销接触的局部区域内，将产生显著塑性变形，导致孔、销间的正常配合。由挤压强度条件
σbs = Fbδd≤[σbs]
式中： Fb-挤压力
δ-耳片的厚度
d-孔的直径
代入数据得
148δd≤300*106
δd≥0.5*10-6 m2
取 δ=10mm , d=4mm
则连杆盘的厚度可为10mm
2.5 套筒的设计
2.5.1套筒的尺寸
套筒内是螺杆，在杆上连杆盘固定在螺母上，套筒的下方是抓盘，但为了节约材料，我们把套筒和抓盘合在一起。如图

图2-8 套筒结构
抓盘的直径是50mm，则可设套筒的外径为35mm,内径可为30mm。由于螺杆的长度为36mm套筒的长度为50mm.套筒的上部分，为了便于安装连杆和连杆盘，直接开了三个深糟，糟的深度与螺杆的长度一样，也就是36mm套筒还要与转臂相连，故在最上面还要做耳。
2.5.2螺栓的选择
对于连接件，一般的螺纹连接有几种类型：
（1）螺栓连接
在被连接件上开有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端拧上螺母，这种连接的结构特点就是被连接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙，通孔的加工精度要求低，结构简单。
（2）双头螺栓连接
这种连接适用于结构上不能采用螺栓连接的场合，如被连接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比较软，且需要经常拆装时，往往采用双头螺栓连接。
（3）螺钉连接
这种连接的特点就是螺栓或螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母，在结构上比双头螺栓连接简单、紧凑。其用途和双头螺栓连接相似，但经常拆装时，易使螺纹孔磨损，会导致被连接件报废，故多用于受力不大，或不需用经常拆装的场合。
（4）紧定螺钉连接
紧定螺钉连接就是利用拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。螺钉除了作为连接盒紧定用外，还可以用于调整零件的位置。
综上所述，转臂的厚度较大，不宜制成通孔，因此选择螺钉连接。
1）螺钉的分布
采用三个平均分布，螺栓数Z=3.
2）受力分析
螺钉受抓手的重力和残余预紧力
F=(6+0.02*3+0.03*3+0.2)*10=63.5 N
取 F1=0.5F,
得 F1=0.5*63.5=31.75 N
总拉力 F2= F1+F=95.25 N
3）直径的确定
选择材料为Q235、性能等级为4.6的螺钉，查表得材料屈服极限σs=240Mpa，安全系数S=1.5，故螺钉材料的许用应力σ=σsS=2401.5Mpa.
根据螺栓危险截面的拉伸强度条件
σca=1.3Fs2π4d12≤σ
得
d1≥4*1.3F2π[σ]
代入数据得
d1≥4*1.3*95.253.14*160=1mm
按普通螺纹的基本尺寸（GB196-81），选用螺纹公称直接d=3mm.
查粗牙螺栓、螺钉的旋入深度和螺纹孔尺寸得
d=3mm，h=6mm
查普通螺纹连接的标准件（GB70-76）得圆柱头内六角螺钉的长度为
L=10mm

的质量为0.12kg
R=20mm,r=5mm, α=5rad/s2
代入数据得
J=0.1212(0.042+0.062)+ 0.12(0.022+0.0052)- 0.0820.022+ 73*0.32=0.21164kg.m2
F=JαR=0.2116*50.02 =53N
5.2 键的选择
键通常是用来实现轴与轮毂间的周向固定，以便传递扭矩。键的类型主要有：平键连接、半圆键连接、楔键连接等。平键连接的特点是具有结构简单、装拆方便，对中性比较好。

表5-1普通平键和普通楔键的主要尺寸
轴的直径
6-8
>8-10
>10-12
>12-17
>17-22
>22-30
>30-38
键宽b*键高h
2*2
3*3
4*4
5*5
6*6
8*7
10*8
查表5-得 主要尺寸得轴的直径为10mm，所以平键的尺寸为4*4mm
根据普通平键连接的强度条件
σp=2T*103kld≤[σp]
T=Fy≈Fd2=53*0.01/2=0.265 N.m
其中：T-传递的扭矩
k-键的轮毂键槽的接触高度，k=0.5h=2mm
l-键的工作长度，取l=8
d-轴的直径,d=10mm
代入数据得
σp=2*0.265*1032*8*10=3.3 ≤[σp]=30 MPa
所以符合条件。
5.3 齿轮的设计
5.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料及模数
（1）选用圆柱直齿轮传动；
（2）一般传动机构，速度不高，故用7级精度；（GB10095—88）
（3）材料的选择。
在这里受力较小，所以选择小齿轮材料为夹布塑胶硬度为35HBS，大齿轮的材料为夹布塑胶硬度为30HBS
（4）设传动比i为1:5选小齿轮齿数为Z =8，则大齿轮齿数Z为
Z2=i×Z1=5×8=40,
5.3.2按齿面接触疲劳强度设计
由设计计算公式进行试算， 即：

（1）确定式中各数值
1）试选载荷系数K =1.3。
2）由教材《机械设计》表10-7选取齿宽系数∅d=0.5。
3）计算大齿轮传递的转矩，由前面计算可知，
T2=0.265N*m=265N*mm.
4）由教材《机械设计》表10-6查的材料的弹性影响系数Z =56.4MP
5）夹布塑胶的弯曲疲劳许用应力[σF]=50MPa,接触疲劳许用应力[σH]=110MPa,所以小齿轮的接触疲劳强度极限σH1 =100MP；大齿轮的接触疲劳强度极限σH1 =80MP。
6）由教材《机械设计》式10-13，计算应力次数
N2=60n2jLh=60*300*1*5*8*365*5=1.314*109
N1=1.314*109*5=6.57*109
取接触疲劳寿命系数KHN2 =0.98；KHN1 =0.95
(2) 计算 确定小齿轮分度圆直径d
1）计算小齿轮的分度圆直径d ，由计算公式可得：
d1t≥2.323Kt*T1∅d*μ+1μ(ZE[σH])2=2.3231.3*26.50.5*65(56.480)2=8mm
2)计算圆周速度。
v=(π*d1t*N1)/(60*1000)=(3.14*8*30*5)/(60*1000)=0.60m/s
计算齿宽b
b=∅d*d1t=0.5*8=4mm
3）计算模数与齿高
模数mt=d1tZ1=4/8=0.5mm
齿高h=2.25mt=2.25*0.5= 1.125mm
4）计算载荷系数K。
已知使用系数K =1，据v=0.6 ，7级精度。由教材《机械设计》图10-8得KHN2=0.98，KHN1 =0.95。由教材《机械设计》图10-13查得KHB=1.38，由教材《机械设计》图10-3查得KHN2 =1
故载荷系数：
K=KAKVKHaKHB=1*1.02*1*1.38=1.863
5)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径：
d1=d1t3KKt=8*31.8631.3=11.5mm
6）计算模数m
m = d1Z1=11.5/8=1.43
5.3.3按齿根弯曲疲劳强度设计
由式（10-5） 得弯曲强度设计的公式为
m≥32KT1∅dZ12(YFaYFb[σF])
由上面可知，[σF]=50MPa
K=KAKVKFaKFB=1*1.02*1*1.35=1.377
查取齿形系数
由表10-5得 YFa2=2.40，
查取应力校正系数
由表10-5得 YFb2=1.67
则
m≥32*1.377*26.50.5*8*8(2.4*1.6750)=0.45
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数2mm，查机械设计手册渐开线圆柱齿轮模数系列表可知，取 m =2mm，按接触强度算得的分度圆直径d_1=56.2mm，算出小齿轮齿数
Z1=d1/m=11.5/2=5.75
取Z1=10，则Z2=5×10=50
这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并使得结构更加紧凑，避免了材料的浪费。
5.3.4几何尺寸计算
（1）计算分度圆直径
d1=mdZ1=2*10=20mm
d2=mZ2 =2*50=100mm
（2）计算中心距
a =(20+100)/2=60mm
（3）计算齿轮宽度
查表，取齿宽系数∅d=0.4
b=∅d*a=0.4*60=24mm
5.4 轴的设计
（1）计算轴上的转速及转矩
在前面的计算中可以得到
n2=300r/min
T2=265N*mm
P=T2n2/9550000=0.0083 kW
（2）计算作用在齿轮上的力
已知该轴上齿轮的分度圆直径为d=30mm
而
Ft1=2T1d=2*26530=18 N
Fr1=Fttanα=18×tan20°=6.5N
（3）初步确定轴的最小直径
现初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理，根据教材《机械设计》表15-3，取A0=110，于是可得：
dmin=A03Pn2=110×30.008330=7.16mm
由于在前面，我们为了加工零件和安装的方便，取了轴的直径为10mm，比最小直径大了很多，可以采用。
（4）轴的结构
如图所示：

图5-4 轴的结构图
前面一段是安装键槽，用来传递扭矩的，在上面我们也说了，为了安装和加工的方便，直径直接取了10mm因为键 的长度为8mm，取这段的长度为12mm.接下来的这段要支承中间板的重量，所以要比第一段要大，取直径为14mm，长度为4mm.齿轮的分度圆直接为30mm，可以取孔径为15mm，齿轮宽度为30mm而安装时要不能完全安装到轴上，因此轴的长度应该短一点，去长度为28mm。接下来要支撑齿轮，并起定位作用，因此要做一个轴肩。轴肩长为3mm，直径为19mm。最后还要有一段用来安装轴承的，因为在这里，轴承只受到了轴向的力，初步选择轴承为单向推力球轴承，查机械手册取滚动轴承8200GB301-64。查得，小径为10mm，厚度H为11mm。安装直径为19mm。取这段轴的直径为10mm，长度为10mm。综上，符合了轴上所以安装部件的要求。
（5）轴上零件的周向定位
齿轮、中间板与轴的周向定位都是用平键来连接的， 。为了保证齿轮和轴的配合具有良好的对中性，选齿轮与轴的配合为H7n6 ,中间板与轴的配合为H7k6，滚动轴承与轴的周向定位是由过度配合来完成的，在这里选轴的直径尺寸公差为m6.
5.5 轴承的设计
由于轴是竖直放置的，故受到由于重力对轴承的轴向力，而且轴承还受到齿轮给的径向力，因此采用了向心推力轴承。
根据轴承使用的机械种类及工作情况适当选择确定轴承的寿命。现假设供料机构每天工作8小时，预计使用寿命为5年，则：
L=8*365*5=14600h
查《机械设计》式10-3得齿轮所受的力为
Ft=(2 T2)/ d2 
Fr=Fttanα
把 T2=265N*mm，d_2=60mm
代入得
Ft=(2 T2)/ d2=(2*265)/60=8.8N
Fr=Fttanα=8.8*tan20=3.2N
因为只用了一个轴承，且离齿轮很近，可以把齿轮所受的力全部作用在轴承上。所
以轴承的力为
Ft=8.8N
Fr=3.2N
对推力轴承有 Fd=eFre   取e=0.4
Fd=0.4Fre=0.4*3.2=1.28 N
则 Fa=Fd+Mg=