基于Pro/E的多功能跑步機(jī)
多功能跑步機(jī)設(shè)計
作者姓名：專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師：
摘要
隨著社會的發(fā)展，跑步機(jī)逐漸成為家庭及健身房常備的器材，而現(xiàn)在的跑步機(jī)健身方式大多都比較單調(diào)， 并不能盡善盡美的完全人性化的健身,跑步機(jī)就是創(chuàng)建一條傾斜的跑道，使得人在這條傾斜的跑道上連續(xù)跑步，這樣的設(shè)計可以節(jié)約很多時間，我們需要設(shè)計出一款多功能跑步機(jī)，跑步機(jī)不僅能夠跑步，還能夠附帶其他的健身方式，這樣子的設(shè)計不僅可以讓人體驗到跑步的快樂，而且還可以更有效率的增強(qiáng)健身者的體質(zhì)，這種跑步機(jī)不僅功能多樣化，而且用起來比較安全舒適，對于不同的人群都是適用的，通過對它的選材就可以了解到生產(chǎn)這樣子一臺跑步機(jī)價格是非常廉價的，完全符合家庭使用的環(huán)境，在與老式跑步機(jī)作對比的過程中對該多功能跑步機(jī)做了很多優(yōu)化設(shè)計，在涉及傳動方面的帶傳動和齒輪傳動方面都是加入了比較精確的傳動數(shù)據(jù)，使得該多功能跑步機(jī)運轉(zhuǎn)起來平穩(wěn)舒適安全。
關(guān)鍵詞： 設(shè)計傳動； 優(yōu)化設(shè)計 ；電動機(jī)
On the base of PRO/E multifunction treadmill
Abstract:With the development of society, the treadmill has gradually become the family and gym standing equipment, and now the treadmill fitness are relatively monotonous, and not perfect completely humanized fitness treadmill is to create a sloping runway, making people in the tilt of the runway on the continuous running. This design can save a lot of time, we need to design a multifunctional treadmill, running machine not only can run, but also to incidental to other methods of fitness, this design can not only to allow people to experience the joy of running.But also can be more efficient to enhance the fitness of the constitution, the treadmill not only functional diversification, and the use is safe and comfortable, for different groups of people are applicable, through the material can be learned this way in the production of a treadmill price is very cheap, in full compliance with the family environment, in contrast with the old treadmill on the treadmill did a lot of optimization design, relates to the transmission belt transmission and gear transmission aspects are joined with the more precise transmission data, making the multifunctional treadmill running stable safe and comfortable.
Keywords: design transmission; Optimization design; motor
目錄
摘要 1
第1章 緒論 4
1.1課題背景 4
1.2跑步機(jī)的現(xiàn)狀 4
1.3設(shè)計方法 4
1.3.1原型初步設(shè)計 4
1.4設(shè)計內(nèi)容及其預(yù)期成果 5
1.4.1基本要求 5
1.4.2主要任務(wù) 5
1.4.3 最終成果 5
第2章 總體方案設(shè)計 6
2.1研究方案 6
2.1.1老式跑步機(jī)的簡介 6
2.1.2多功能跑步機(jī)的基本原理 6
2.2方案的對比和確認(rèn) 7
第3章 傳動裝置的設(shè)計 8
3.1電動機(jī)的選擇 8
3.2傳動帶的設(shè)計 9
第4章 軸的設(shè)計 12
4.1軸的計算 12
4.2計算傳動裝置的傳動比 12
4.2.1傳動軸I的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
4.2.2校核該軸 13
4.2.3精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 15
4.2.4軸III計算與校核 20
4.2.5軸承的選擇 23
4.3.1軸I上鍵的選擇 23
4.3.2軸II上鍵的選擇 24
4.3.3軸III上鍵的選擇 24
第5章 齒輪傳動設(shè)計 25
5.1齒輪的基本參數(shù)選擇 25
5.1.1選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù) 25
5.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 25
5.2按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計 27
確定計算參數(shù) 27
5.2.1計算模數(shù) 28
5.3幾何尺寸計算 28
5.4軸承的選擇 30
第6章多功能跑步機(jī)重要部位力學(xué)有限元分析 31
6.1跑步帶的三維力學(xué)分析 31
6.2齒輪部分的力學(xué)三維分析 32
6.3軸的三維力學(xué)分析 33
第7章 控制部分 34
第8章多功能設(shè)計 35
8.1仰臥起坐的設(shè)計 35
8.2折疊功能的設(shè)計 35
8.3扭腰盤設(shè)計 36
總結(jié) 38
致謝 39
參考文獻(xiàn) 40
第1章 緒論
1.1課題背景
近年來隨著人們的生活水平的提高，跑步機(jī)已經(jīng)很普遍的陳列在很多家庭里，其原因是由于戶外環(huán)境的污染嚴(yán)重限制了人們在戶外活動的空間，據(jù)調(diào)查，一方面每天城市的大部分污染氣體都來自于汽車尾氣，而人們晨練呼入氣體而生病的根端就是吸入了太多污染氣體，所以人們在尋找一種可以不用到戶外就能享受到舒適鍛煉的感覺，所以室內(nèi)鍛煉越來越成為一種主流的健身方式，在經(jīng)過多年的研究中發(fā)明了跑步機(jī)，但是跑步機(jī)卻又完全限制了人們的活動空間，使得人們只能在單調(diào)的室內(nèi)無聊的做著相同的動作，也因此很多人得了抑郁癥，對鍛煉身體徹底失去了信心，其原因就是因為跑步機(jī)作為一種鍛煉工具，其鍛煉持續(xù)時間過長，而且鍛煉身體的方式有比較單調(diào)，使得人們厭倦了這種鍛煉方式，本人就在想能不能設(shè)計出一種更多功能的跑步機(jī)，使得跑步機(jī)不再是那種單調(diào)的無聊的乏味的健身意圖，最終經(jīng)過我很長時間的思考最后選擇在跑步機(jī)原有的基礎(chǔ)上在增加一些功能，使得跑步機(jī)的健身方式不再那么單調(diào)，不會讓健身成為某些人抑郁癥的導(dǎo)火索，更多的是讓健身成為一種樂趣，適合大眾的，并能夠是跑步機(jī)打到他本來的目的，不會給人壓力感。另一方面人們的消費觀念也在悄悄變化，人們在看待物質(zhì)的眼光也在變化，人們的生活水品決定了人們的購買力，同時也決定了人們購買物品是考慮到的因素，跑步機(jī)作為一種家用的健身器材，人們會考慮它的實用性和耐久性舒適性，所以設(shè)計這款多功能跑步機(jī)同時也要考慮前面提到的需求性，使得最終設(shè)計的多功能跑步機(jī)能夠滿足社會的需求，最終贏得廣大老百姓的親睞。
1.2跑步機(jī)的現(xiàn)狀
現(xiàn)在的跑步機(jī)行業(yè)可謂是特別火爆的一個行業(yè)，人們對健身的渴望使得現(xiàn)在的跑步機(jī)現(xiàn)在呈現(xiàn)出幾種趨勢，有單功能的跑步機(jī)，單純以跑步為主要目的的跑步機(jī)，這種跑步機(jī)比較枯燥乏味，還有就是價格比較貴，噪音比較大，有時也經(jīng)常會發(fā)生安全問題，舒適度也是很低的。在設(shè)計方面還有很多問題，在家庭中使用不是很合理的，嚴(yán)重影響了人們的生活方式，人們現(xiàn)在的消費觀念是綠色環(huán)保實用還有節(jié)能省錢，而現(xiàn)在的跑步機(jī)存在的諸多問題并不能滿足人們的生活需求，所以跑步機(jī)市場迫切需要一次改革，出現(xiàn)一種新型跑步機(jī)來取代現(xiàn)在老舊的跑步機(jī)，使得這個很有潛力發(fā)展的跑步機(jī)市場增添活力。
1.3設(shè)計方法
首先根據(jù)大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)課知識活學(xué)活用充分結(jié)合實踐通過網(wǎng)絡(luò)了解跑步機(jī)的相關(guān)資料，然后根據(jù)跑步機(jī)的結(jié)構(gòu)再深入了解跑步機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造和運動原理，在同學(xué)和指導(dǎo)老師的幫助下完成多功能跑步機(jī)的誰，通過現(xiàn)有的跑步機(jī)的結(jié)構(gòu)分析和運動原理確定自己跑步機(jī)的結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行類比，選出最優(yōu)的方案，然后進(jìn)行優(yōu)化處理，最終保證其機(jī)械性能能夠滿足要求，具體設(shè)計步驟如下：
1.認(rèn)識多功能跑步機(jī)
通過對市場上的多功能功能跑步機(jī)的運動工作原理及跑步機(jī)的發(fā)展史的了解，初步了解到了跑步機(jī)的外形尺寸及其大致的結(jié)構(gòu)和運動 功能。同時在學(xué)校圖書館的外文資源下載網(wǎng)站上查閱到了很多關(guān)于多功能功能跑步機(jī)的一些相關(guān)信息，并了解到了多功能跑步機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和很多核心的結(jié)構(gòu)組成部分，比較出了多功能跑步機(jī)的共同優(yōu)缺點，和多功能跑步機(jī)的共同性質(zhì)和特征。
2. 構(gòu)思設(shè)計
本次設(shè)計的過程中主要是基于原有跑步機(jī)的基礎(chǔ)上在增加很多功能并對原有的多功能跑步機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，考慮到最主要的是現(xiàn)在跑步機(jī)的功能都比較有限，不能合理的布局在跑步機(jī)的各個方位，所以增加一些新的功能，使得跑步機(jī)更適合大眾化，主要增加多功能跑步機(jī)的折疊功能，仰臥起坐功能，扭腰功能等等，并在這些新的功能方面進(jìn)行優(yōu)化處理，選出最受大眾歡迎的幾種功能，，考慮到多功能跑步機(jī)在設(shè)計過程中
1.3.1原型初步設(shè)計
我的設(shè)計思路是在原有跑步機(jī)的基礎(chǔ)上再增加一些功能，并實現(xiàn)一種大眾化的跑步機(jī)的設(shè)計，由于是從原有的基礎(chǔ)上設(shè)計，最主要的問題就是增加哪些功能到跑步機(jī)上，并且這些新功能加到跑步機(jī)上怎么樣布局才會最合理，所以最主要的就是要合理設(shè)計多功能跑步機(jī)的尺寸畫出關(guān)鍵機(jī)構(gòu)和聯(lián)接部分的草圖，并借助PRO/E和AutoCAD軟件作出這些部分的準(zhǔn)確圖形，在準(zhǔn)確的圖形上再次分析布局的合理性，形成一個初期產(chǎn)品。再由指導(dǎo)老師的進(jìn)行檢驗和建議后對缺陷和不合理的地方進(jìn)行改善。在這個過程中借助PRO/E、AutoCAD、仿真軟件。對我設(shè)計的多功能跑步機(jī)進(jìn)行外觀設(shè)計，并對重要的機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行受力分析，計算尺寸，進(jìn)行合理的強(qiáng)度和剛度校核，在根據(jù)要求設(shè)計出產(chǎn)品。
1.4設(shè)計內(nèi)容及其預(yù)期成果
1.4.1基本要求
1.設(shè)計出一種便捷簡單實用的多功能跑步機(jī)。
2.適用于大眾需求，操作簡單，價格實惠。
3.運用proe和autoCAD軟件對零件進(jìn)行建模并做裝配和運動仿真。
1.4.2主要任務(wù)
1.功能設(shè)計
2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計（零件圖，裝配圖）
3.運動仿真
4.材料選用和校核
5.市場調(diào)研
1.4.3 最終成果
1.實現(xiàn)多功能跑步機(jī)的多功能化
2.繪制出多功能跑步機(jī)的裝配圖和零件圖
3.利用proe軟件對多功能跑步機(jī)做運動仿真
4.對重要零件進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核，使得多功能跑步機(jī)在使用過程中很環(huán)保，高效率。
第2章 總體方案設(shè)計
2.1研究方案
2.1.1老式跑步機(jī)的簡介
老式跑步機(jī)功能單一，靠普通電機(jī)實現(xiàn)運轉(zhuǎn)，控制部分比較老舊，自動化程度低，工作方式比較單一，能耗比較大，工作效率低，產(chǎn)生的噪音比較大。
圖 2-1 老式跑步機(jī)結(jié)構(gòu)
2.1.2多功能跑步機(jī)的基本原理
多功能電動跑步機(jī)主要由機(jī)架、電動機(jī)、可調(diào)電源、跑步皮帶及儀表控制盤組成，其特征在于框架與支架垂直連接，前軸與后軸分別裝在框架的兩端，前滾筒與后滾筒分別用軸承套裝在前后軸上，跑步皮帶張緊繞裝在前后滾筒上，跑步皮帶下裝有支撐跑步板，從動皮帶輪緊裝在前滾筒的一端，電動機(jī)、可調(diào)電源安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動機(jī)上，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動機(jī)外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，跑步機(jī)扶手架安裝于支架的頂端，儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機(jī)構(gòu)，傳動級為一級。同時在支架上安有扭腰盤和仰臥起坐以及折疊功能來實現(xiàn)其多功能性。傳動方式采用帶傳動機(jī)構(gòu)，帶傳動具有制造簡單、價格低廉、無噪聲、適合跑步機(jī)的使用。多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動，因此本設(shè)計選擇多楔帶，連接電機(jī)輸出輪與前滾筒輪，將動力傳至跑步帶，從而實現(xiàn)跑步帶的移動。
2.2方案的對比和確認(rèn)
最終通過兩種多功能跑步機(jī)的對比，可以看出多功能跑步機(jī)更適應(yīng)市場的需求和社會的發(fā)展需求，多功能跑步機(jī)通過電動機(jī)驅(qū)動齒輪傳動，將動力輸送到軸上，然后帶動跑步帶運轉(zhuǎn)，是跑步愛好者在跑步帶上隨著跑帶運動。多功能跑步機(jī)的三維圖如下;
圖2-2多功能跑步機(jī)三維圖
多功能跑步機(jī)的主要尺寸選擇是根據(jù)市場上用比較廣泛的跑步機(jī)的尺寸定制的;我設(shè)計的多功能跑步機(jī)其長度為
第3章 傳動裝置的設(shè)計
3.1電動機(jī)的選擇
多功能跑步機(jī)的唯一動力源就是電動機(jī)了，電動機(jī)一般可以分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。在選擇電動機(jī)的時候最需要考慮的就是電動機(jī)的實用性，交流電動機(jī)不是很安全，比較容易壞，需要經(jīng)常維護(hù)維修，噪音比較大，輸出環(huán)境不太穩(wěn)定，一般適用于商業(yè)上的中大型運動器材，雖然交流電機(jī)可以長時間運轉(zhuǎn)，但是做為家用跑步機(jī)一般最多連續(xù)運轉(zhuǎn)十個小時就已經(jīng)夠了。而直流電動機(jī)則是比較安全的，可以用很長時間，不容易壞，不需要經(jīng)常維護(hù)維修，噪音比較小，輸出環(huán)境穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，波動小，可以讓體驗者有種安全感，一般適用于家庭中的跑步機(jī)的動力源。所以最終選擇直流電動機(jī)作為本次設(shè)計的多功能跑步機(jī)的唯一動力源。然后在選擇多功能跑步機(jī)的直流電機(jī)的功率。考慮到當(dāng)人們在跑步機(jī)上跑動或走動時會對跑步機(jī)施加不同的作用力，一般人毀在跑步或走動的情況下對跑步板施加0.8--2.5倍的作用力，所以首先要計算出多功能跑步機(jī)的額定功率。
1馬力=735瓦 (3-1)
市場上的直流電動機(jī)的功率有很多種：1.5馬力 , 1.75馬力 , 2馬力 ,2.5馬力 , 3馬力。而馬力的作用就是為了在一定重量下為輸出機(jī)構(gòu)提供動力依據(jù)的一種表征，它和重量達(dá)到一種一對一的對應(yīng)關(guān)系，使得電機(jī)實現(xiàn)一種負(fù)反饋。
一般人的體重上線可以設(shè)定為100Kg，一般1馬力可以提供大約50Kg的重量，換句話說就是跑步機(jī)的功率應(yīng)該設(shè)定為2馬力，通過計算也就是1.5KW的直流電動機(jī)，考慮到當(dāng)跑步愛好者在跑步機(jī)上跑步鍛煉身體時，對與跑步板有一個非常大的沖擊負(fù)載核，這就需要找到一種能搞轉(zhuǎn)矩比較大，運行平穩(wěn)，抗負(fù)載性能功能良好的電動機(jī)作為本次多功能跑步機(jī)的動力源，這種跑步機(jī)放在家庭中，必須是綠色環(huán)保的，并且無公害，噪音小，輸出的效率比較高，讓人在運動的過程中想快就快，想慢就能夠平穩(wěn)的慢下來，并且在市場上的性價比也是比較合理的，并且特別適用，考慮以上因素后，通過比較最終選擇zyt42型號的永磁直流電動機(jī)作為我們多功能功能跑步機(jī)的動力源，這款電動機(jī)完全滿足了以上的要求，當(dāng)之無愧的成為了本次家用多功能跑步機(jī)的唯一動力源。
表3-1電動機(jī)主要參數(shù)
名稱
符號
參數(shù)值
額定功率
P
1.5kW
滿載轉(zhuǎn)速
n
3400r/min
伸出端直徑
D
19mm
伸出端安裝長度
E
mm
安裝基礎(chǔ)地腳螺栓距離
125mm×100mm
工作電壓
U
220V
效率
71%
3.2傳動帶的設(shè)計
已知條件和設(shè)計內(nèi)容：
設(shè)計傳動帶帶傳動時的已知條件包括,帶傳動的動作條件,所需傳遞的額定功率P,主動帶輪轉(zhuǎn)速n1。所選的工作部分的傳動類型選擇帶傳動,屬于定傳動比勻速轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉 能緩和載荷沖擊，運行平穩(wěn)，無噪聲，過載時將引起帶在帶輪上打滑，因而可防止其他零件的損壞，具有過載保護(hù)作用.
初始條件：選擇電機(jī)為專門為跑步機(jī)生產(chǎn)的永磁直流電動機(jī)，傳動功率P=1.5KW，主動輪轉(zhuǎn)速n1=3400r/min 傳動比定為i=2.1 由于多楔帶適于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合，特別能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動，所以選擇這個。
圖3-1多功能跑步機(jī)跑步帶三維圖
1.計算設(shè)計功率Pca
Pca＝KAP
根據(jù)跑步機(jī)使用的特性，選擇每天工作小時數(shù)〈10小時，載荷變動小最終選擇KA=1.1見表8-9
Pca=1.1*1.5=1.65kw (3-2)
2.帶型號的選擇
根據(jù)計算功率Pca和帶輪轉(zhuǎn)速n1選擇多楔帶的型號由設(shè)計功率Pca=1.65KW和小帶輪轉(zhuǎn)速n1=3400r/min選PJ型多楔帶。
3.計算帶輪直徑d（基準(zhǔn)直徑）
小帶輪有效直徑的計算：
由表8-9demin=20mm,由表8-9選de1=33.5mm
大帶輪有效直徑:
小帶輪節(jié)圓直徑
Dd1=de1+2△e=33.5+2x1.2=36mm
由表8-9，△e=1.2
大帶輪節(jié)圓直徑dp2=idp1=2*33.5=67mm
Dd2=dp2-2△e=67-2x1.2=64.6mm
由表8-9，選dd1=63mm
4.驗算帶速u
u=πdd1n1 /（60×1000） m/s
在這里如果帶速度增加，相應(yīng)的它的離心應(yīng)力也會隨著增加，單位時間內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)也會隨著增加。反而若帶的速度降低，由功率公式可以知道當(dāng)功率一定時，離心應(yīng)力越大，張緊力也會越來越大。
根據(jù)計算好的速度，帶速不宜過高或過低，一般應(yīng)使u=5---25m/s最好，最高也不允許超過30m/s，因為更高的帶輪轉(zhuǎn)速會降低皮帶的壽命和疲勞強(qiáng)度，使得皮帶輪不能長久地使用，很容易出現(xiàn)帶斷裂，帶的摩擦系數(shù)會降低。
u=π*36*3400/60*1000=6.4
從計算的結(jié)果可以看出帶速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于30m/s的最高限制，所以該設(shè)計的轉(zhuǎn)速是合理的，可以采納。
5.初定中心距a0
中心距大，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內(nèi)帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命，但是中心距過大，則會加劇帶的波動，降低帶的傳遞的平穩(wěn)性，同時增大帶的傳動的整體尺寸，一般選擇帶傳動的中心距為
0.7（dd1＋dd2）≤a0≤2（dd1＋dd2）
67.55〈a0〈193
初定 a0=160mm
6.確定帶的有效長度Le
Le0=2a0+π/2（dd1＋dd2）+(dd2-dd1)2/4a0
=2*160+151.505+1.45 (3-3)
=472.96mm
則帶的有效長度選Le=470mm
7.計算實際中心距及其變動范圍。
傳動的實際中心距近似為：
a=a0+(Ld- Ld0)/2 (3-4)
考慮到帶輪的制造誤差，帶長誤差，帶的彈性以及帶的松弛而產(chǎn)生的補(bǔ)充張緊的需要，所以帶的實際中心距a為：
a=a0+(Le- Le0)/2
=160-1.48
=158.52mm
則a1=163.52mm a2=150.52mm
8.計算小帶輪上的包角α1
α1≈π-（dd2-dd1 ）/a (3-5)
=3.14-0.199
=2.94rad<π
所以選擇比較合適。多功能跑步機(jī)跑步帶三維圖如下：
圖3-2多功能跑步機(jī)帶傳動三維圖
第4章 軸的設(shè)計
4.1軸的計算
根據(jù)所選電動機(jī)的額定功率為1.5kw，輸出軸的轉(zhuǎn)速為3400r/min，輸入轉(zhuǎn)矩約為1000N.m。市場調(diào)查，回轉(zhuǎn)式貼標(biāo)機(jī)每小時的貼標(biāo)數(shù)量大約為40000～50000件，輸入轉(zhuǎn)矩約為300～400N.m。由公式
(4-1)
可知，由此可以計算出工作機(jī)實際需要的功率為2.8kw
根據(jù)計算出的功率查表2-4[1]確定所選電動機(jī)型號為zyt42，滿載轉(zhuǎn)速為n=3400r/min，額定功率為p=1.5kw，，。
帶輪輪傳遞效率為=0.97；
一對滾動軸承的效率為=0.98；
傳動系的總效率：總 = × =0.95
驅(qū)動裝置輸出的功率：
Pw =總Pe =0.95x1.5kW=1.425kW （4-2）
在計算出的功率范圍類，滿足要求。
4.2計算傳動裝置的傳動比
由選定的電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm和輸出轉(zhuǎn)速nw=400r/min，可得驅(qū)動裝置總傳動比為 (4-3)
材料：選用45號鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度為217-255HBs,許用彎曲應(yīng)力[]=60MPa;
查[2]表15-3取A=50mm
4.2.1傳動軸I的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）計算軸I的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)
=0.712kW , =n=346.5r/min，
=9550xN.m=19.62N.m=19620N.mm （4-4）
（2）各軸段直徑的確定
由 =0.3mm （4-5）
選軸承60000，其內(nèi)徑為10mm，所以??；第一段為外花鍵，第二、四段裝軸承；第三段裝齒輪，又套筒定位；左端為內(nèi)花鍵，內(nèi)徑7mm,外徑10mm,由于軸肩高（0.07~0.1），取1mm，則；
外花鍵長6mm,60000軸承厚8mm，套筒1個，每個寬3mm，齒輪寬6mm，內(nèi)花鍵段長12mm,考慮到外花鍵與第二段處軸承間設(shè)計長度，所以初取=37mm，=12mm。
綜上所述：該軸的長度=49mm
4.2.2校核該軸
1.軸的應(yīng)力分析
跨距L=49mm
=29mm，=12mm，
①作用在齒輪上的轉(zhuǎn)矩為：
小齒輪分度圓直徑d1=64mm
②作用在齒輪上的圓周力為：
（4-6）
③徑向力為 （4-7）
④求垂直面的支承反力：
（4-8）
11N （4-9）
⑤求水平面的支承反力：
由得
（4-10）
（4-11）
⑦繪制垂直面彎矩圖
（4-12）
（4-13）
⑧繪制水平面彎矩圖
=217x29=6293N.mm （4-14）
=396x12=4752N.mm （4-15）
2. 按彎曲扭轉(zhuǎn)合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
①考慮最不利的情況，把直接相加
（4-16）
②取折合系數(shù)
根據(jù)== （4-17）
前已選軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
③查表15-1得[]=60MP
則〈 [] 此軸合理安全
4.2.3精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
1.判斷危險截面
鍵槽的應(yīng)力集中較系數(shù)比過盈配合的小，因而,該軸只需校核齒輪安裝處截面左右兩側(cè)需驗證即可.
2.截面左側(cè)
①抗彎系數(shù) W=0.1=0.1=100
②抗扭系數(shù) =0.2=0.2=200
③截面Ⅶ的右側(cè)的彎矩M為 （4-18）
④截面Ⅳ上的扭矩為 =980000m
⑤截面上的彎曲應(yīng)力 （4-19）
⑥截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 == （4-20）
⑦軸的材料為45鋼。調(diào)質(zhì)處理。
⑧由課本表15-1查得：
，，
因 ，
經(jīng)插入后得2.0， =1.31
軸性系數(shù)為， =0.85
K=1+=1.82 ， K=1+（-1）=1.26 （4-21）
所以， ，
綜合系數(shù)為： K=2.8 ， K=1.62
碳鋼的特性系數(shù) ， 取0.1
，取0.05
⑨安全系數(shù)
=20.17，=7.49 （4-22）
=≥S=1.5 （4-23）
所以它是安全的。
3.截面右側(cè)
①抗彎系數(shù) W=0.1=0.1=487N.mm
②抗扭系數(shù) =0.2=0.2=974N.mm
③截面Ⅳ左側(cè)的彎矩M為 M=126000MPa
④截面Ⅳ上的扭矩為 =980000N.mm
⑤截面上的彎曲應(yīng)力 （4-24）
⑥截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 ==1.31 （4-25）
K= K= （4-26）
所以， ，
⑦綜合系數(shù)為：K=1.82 ， K=1.26
⑧碳鋼的特性系數(shù)
取0.1 取0.05
⑨安全系數(shù)
S=18.74 （4-27）
S9.59 （4-28）
=≥S=1.5 （4-29）
所以它是安全的。
1.由前面的計算可知
P2= p1=7.13x0.97=6.93kw，n2=100r/min
（4-30）
2.初步確定軸的最小徑軸
材料為45＃鋼，調(diào)質(zhì)處理取
（4-31）
由于軸上開有兩個鍵槽，軸的直徑需要增大10%，故，取整得的d2=60mm
3.齒輪圓周力：
（4-32）
（4-33）
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸頭放到軸里邊，但是不能穿過軸承與因此L1<39mm，我設(shè)計的尺寸為L1=35mm，軸肩承受軸向載荷不宜太薄，也不能太厚，因此我設(shè)計的尺寸為L2=30mm，第三段安裝齒輪，根據(jù)齒輪寬度設(shè)計的尺寸為L 3=60mm，最小段需要安裝氣動裝置和圓盤，因此需要適當(dāng)?shù)拈L一些，因此我設(shè)計的尺寸為L4=520mm。
各段尺寸如圖4-5所示：
圖4-5 軸II尺寸圖
5.軸上的載荷計算與校核：
（4-34）
（4-35）
繪出H面的內(nèi)的彎矩圖
由圖可以看出最大彎矩發(fā)生在齒輪截面C上其值為：
（4-36）
繪出V平面內(nèi)的彎矩圖
由上圖可以看出V平面內(nèi)的最大彎矩也發(fā)生在C截面上，但彎矩值有突變其值為
（4-37）
（4-29）
由于在H平面和V平面的最大彎矩都在C截面上，所以將C平面上的彎矩進(jìn)行合成得到
（4-38）
（4-39）
繪制合成彎矩圖
繪制扭矩圖
軸在扭矩與彎曲組合變形下，按第四強(qiáng)度理論計算的強(qiáng)度條件[5]（式8-11）為： （4-40）
所以只需則滿足要求，查表12-4[2]可知，
（4-41）
（4-42）
可知d2=60時強(qiáng)度滿足要求。
由于軸II最小徑上要安裝一個氣動裝置，受軸向載荷，因此還要對其進(jìn)行穩(wěn)定校核
6.穩(wěn)定校核
(1)最小軸的安裝屬于壓桿穩(wěn)定中的一端固定一端自由類型，查表14-1[5]可知
長度系數(shù),最小軸長度為L4=520mm
(2)計算最小軸的柔度
，L4=520mm， （4-43）
柔度 （4-44）
對于45號鋼，，屬于中柔度桿，
故
查表12-2[12]可知45號鋼a=461，b=2.57，代入上式計算得
(3)計算最小軸的許可載荷
查表14-3[5]可知穩(wěn)定安全系數(shù)nst=1.8～3.0，取nst=2.0
（4-45）
按重力加速度g=9.8N/kg計算，則許可承受的質(zhì)量為（4-38）
氣動裝置的比較輕其質(zhì)量小于m，故最小軸滿足穩(wěn)定條件。
4.2.4軸III計算與校核
1.由前面算得P3=6.72kw,n3=200r/min,T3=320.88N.m
2.求作用在軸上齒輪上的力
（4-46）
（4-47）
3.初步確定軸的最小直徑
現(xiàn)初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理據(jù)表15-3[3]，取A=110，于是得：
（4-48）
因為軸上應(yīng)開1個鍵槽，所以軸徑應(yīng)增大5%-7%故取d=37.37mm，取最小徑為50mm.
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸頭直接與軸承接觸，但是不能接觸到底座內(nèi)壁，因此L1<31，我設(shè)計的尺寸為L1=27mm，L2端是軸肩需要承受一定的軸向載荷，因此不能太薄，我設(shè)計的尺寸為L2=30mm，第三段是安裝齒輪用的，根據(jù)齒輪尺寸，我設(shè)計的尺寸為L3=60mm，最小段需要伸出上工作臺裝零件，因此不能太短，根據(jù)需要我設(shè)計的尺寸為L4=250mm。
各段尺寸如圖4-6所示：
圖4-6 軸III尺寸圖
5.軸上的載荷計算與校核：
（4-49）
（4-50）
，直齒輪的螺旋角=0，所以=0.
軸承支反力
（4-51）
（4-52）
繪出H面的內(nèi)的彎矩圖
由圖可以看出最大彎矩發(fā)生在齒輪截面C上其值為：
（4-53）
繪出V平面內(nèi)的彎矩圖
由上圖可以看出V平面內(nèi)的最大彎矩也發(fā)生在C截面上，但彎矩值有突變其值為
（4-54）
（4-55）
由于在H平面和V平面的最大彎矩都在C截面上，所以將C平面上的彎矩進(jìn)行合成得到
（4-56）
（4-57）
繪制合成彎矩圖，如下圖
繪制扭矩圖，如下圖
軸在扭矩與彎曲組合變形下，按第四強(qiáng)度理論計算的強(qiáng)度條件[5]（式8-11）為： （4-58）
所以只需則滿足要求，查表12-4[2]可知，
（4-59）
（4-60）
可知強(qiáng)度滿足要求。
4.2.5軸承的選擇
1. I軸上軸承的選擇
軸I的大端直徑為60mm，據(jù)此查表10-1[1]可知選用軸承代號為N312E,內(nèi)徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉(zhuǎn)速為5600r/min
軸I的端直徑為50mm，據(jù)此查表10-1[1]可知選用軸承代號為N310E，內(nèi)徑為50mm，寬度為27mm，最大直徑為110mm，基本額定動載荷Cr=105kN，油潤滑的極限轉(zhuǎn)速為6700r/min。
2.軸II上軸承的選擇
軸II的大端直徑為80mm，據(jù)此查表10-1[1]可知選用軸承代號為N316E，內(nèi)徑為80mm，寬度為39mm，最大直徑為170mm，基本額定動載荷Cr=245kN，油潤滑的極限轉(zhuǎn)速為4300r/min，
軸II的小端直徑為60mm，據(jù)此查表10-1[1]可知選用軸承代號為N312E，內(nèi)徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉(zhuǎn)速為5600r/min。
3.軸III上軸承的選擇
軸I的大端直徑為60mm，據(jù)此查表10-1[1]可知選用軸承代號為N312E,內(nèi)徑為60mm，寬度為31mm，最大直徑為130mm，基本額定動載荷Cr=142kN，油潤滑的極限轉(zhuǎn)速為5600r/min
軸I的端直徑為50mm，據(jù)此查表10-1[1]可知選用軸承代號為N310E，內(nèi)徑為50mm，寬度為27mm，最大直徑為110mm，基本額定動載荷Cr=105kN，油潤滑的極限轉(zhuǎn)速為6700r/min。
4.3各軸上鍵的選擇
4.3.1軸I上鍵的選擇
軸I上有一個將齒輪與軸連接在一起的平鍵，連接處軸的尺寸為60mm，依據(jù)此數(shù)據(jù)查表9-25可知當(dāng)58
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