直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的改造.doc

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安 徽 工 業(yè) 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）題目 ： 直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的改造 學(xué)生姓名： 姜春桐 學(xué)號(hào) ： 129054477 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 機(jī)械制造及自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 徐培民 教授 2016 年 6月 6日 摘 要 本文對(duì)已有直線(xiàn)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，將往復(fù)對(duì)磨的運(yùn)動(dòng)方式改成轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨，使改造后的試驗(yàn)機(jī)在滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的前提下，結(jié)構(gòu)小巧，造價(jià)低廉，使用方便。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。 （1）轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)附加部分的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （2）對(duì)試驗(yàn)機(jī)附加部分的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括減速器設(shè)計(jì)、聯(lián)軸器選擇，實(shí)驗(yàn)軸設(shè)計(jì)校核等。 （3）加載系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)及水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （4）利用SolidWorks和ProE軟件對(duì)試驗(yàn)機(jī)的附加部分進(jìn)行了三維建模，并對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。 關(guān)鍵詞：摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨；摩擦磨損量；表面織構(gòu) Abstract An existing linear reciprocating friction wear test machine is modified and the manner of motion is changed from reciprocating to rotation. The main content of the design includes the following aspects. (1) The overall structural design of the additional part of the friction and wear testing machine. (2) The main spindle drive system of the test machine is designed in detail, including design of reducer, choice of the coupling, check of the experimental shaft, and so on. (3) Design of the loading system, lubrication system, sealing system and water tank structure. (4) Three-dimensional model is established for the additional part of the test machine with ProE and SolidWorks and the strength of several key parts are checked. keywords：Friction and wear testing machine；Rotation of the grinding；Friction and wear；Surface texture 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題研究的目的與意義 1 1.2 研究動(dòng)態(tài) 1 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 2 第2章 總體設(shè)計(jì) 4 2.1 實(shí)驗(yàn)背景 4 2.2 設(shè)計(jì)方案 4 2.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 4 2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng) 4 2.2.3 加載系統(tǒng) 4 2.2.4 密封系統(tǒng) 6 2.3 工作方式 6 第3章 動(dòng)力機(jī)選擇 8 3.1 確定電動(dòng)機(jī)的功率 8 3.1.1 計(jì)算工作機(jī)所需功率PW 8 3.1.2 計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需功率P0 10 3.1.3 確定電動(dòng)機(jī)的額定功率Pm 10 3.2 確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 10 3.3 確定電動(dòng)機(jī)型號(hào) 11 3.4 本章小結(jié) 11 第4章 減速器的設(shè)計(jì) 12 4.1 選擇減速器的類(lèi)型 12 4.1.1 傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比的計(jì)算 12 4.1.2 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 12 4.2 閉式直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 13 4.2.1 選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 13 4.2.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 13 4.2.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 18 4.2.4 幾何尺寸的計(jì)算 25 4.3 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算 25 4.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì) 25 4.3.2 輸出軸的設(shè)計(jì) 28 4.3.3 確定軸的尺寸 30 4.4 本章小結(jié) 30 第5章 實(shí)驗(yàn)軸的設(shè)計(jì) 32 5.1 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 32 5.1.1 選擇材料，確定許用應(yīng)力 32 5.1.2 初步確定軸的最小直徑 32 5.1.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 5.2 軸的校核 33 5.2.1 求出軸上轉(zhuǎn)矩 33 5.2.2 危險(xiǎn)截面左側(cè) 33 5.2.3 危險(xiǎn)截面右側(cè) 37 5.3本章小結(jié) 39 第6章 聯(lián)軸器的選擇 40 6.1 與減速器主動(dòng)軸配合的聯(lián)軸器 40 6.1.1 類(lèi)型選擇 40 6.1.2 載荷計(jì)算 40 6.1.3 型號(hào)選擇 40 6.2 與減速器從動(dòng)軸配合的聯(lián)軸器 40 6.2.1 類(lèi)型選擇 40 6.2.2 載荷計(jì)算 42 6.2.3 型號(hào)選擇 42 6.3 本章小結(jié) 42 第7章 機(jī)座與水池 43 7.1 機(jī)座 43 7.1.1機(jī)座的材料及制造方法 43 7.1.2 機(jī)座的最小厚度 44 7.2 水池 44 7.2.1 水池的設(shè)計(jì) 44 7.2.2 水池的密封 44 7.3 本章小結(jié) 45 結(jié) 論 46 參考文獻(xiàn) 47 致 謝 48 第1章 緒 論 1.1 課題研究的目的與意義 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦。由摩擦引起的磨損、潤(rùn)滑、材料與能源消耗等一系列摩擦學(xué)問(wèn)題普遍存在并對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生著巨大影響。由于摩擦學(xué)科學(xué)所涉及的問(wèn)題，與節(jié)約能源、節(jié)約材料、減少磨損、提高資源利用率和保護(hù)環(huán)境等密切相關(guān)，成為我國(guó)走新型工業(yè)化道路和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)必須面對(duì)的科學(xué)問(wèn)題，已受到科技界的高度重視。 利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)相關(guān)試驗(yàn)是最簡(jiǎn)單便捷的測(cè)試材料摩擦性能的方法。與實(shí)際使用試驗(yàn)相比，試驗(yàn)機(jī)測(cè)試周期短，成本低，并且可單獨(dú)控制一些參數(shù)進(jìn)行單項(xiàng)測(cè)試，靈活性也很好。所以在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)，材料科學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行材料磨損摩擦性能試驗(yàn)，用以評(píng)定材料的耐磨性能，也可用于測(cè)定摩擦功及材料的摩擦系數(shù)等。另外，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)能很簡(jiǎn)單明了地演示摩擦磨損機(jī)理，對(duì)于摩擦磨損的教學(xué)有很好的促進(jìn)作用，因而摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)也廣泛應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。 為了滿(mǎn)足軸套、襯套的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨試驗(yàn)的需要，參考我?，F(xiàn)有摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)的基本原理，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、實(shí)用廉價(jià)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，結(jié)合試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展摩擦學(xué)試驗(yàn)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐、摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)以及摩擦學(xué)理論研究都具有積極的參考價(jià)值。 1.2 研究動(dòng)態(tài) 1910年第一臺(tái)磨料磨損試驗(yàn)機(jī)問(wèn)世，1975年美國(guó)潤(rùn)滑工程學(xué)會(huì)（ALSE）編著的“摩擦磨損裝置”一書(shū)中所公布的不同類(lèi)型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)已有上百種。近幾十年來(lái)，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法有了較大發(fā)展，但價(jià)格都比較昂貴。 80年代初美國(guó)的SoemanteiS等人[1]最早從事高溫磨損試驗(yàn)機(jī)的研究，共研制了三臺(tái)高溫磨料磨損試驗(yàn)機(jī)。并在這些試驗(yàn)機(jī)上研究了純鋁和純銅在室溫到400℃范圍內(nèi)大氣氣氛下磨料磨損的特性。 80年代末德國(guó)的FischerA等人[2]在總結(jié)前人對(duì)試驗(yàn)機(jī)研究的基礎(chǔ)上，研制一臺(tái)氣氛可控的高溫三體磨損試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是氣氛可控、嚴(yán)格保證試驗(yàn)的主要因素（溫度、磨料、載荷等）恒定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。主要缺點(diǎn)是：耐高溫工作部位未設(shè)冷卻系統(tǒng)，影響設(shè)備精度；同時(shí)由于該機(jī)未考慮高溫氧化對(duì)磨損的影響，在該機(jī)測(cè)定高溫氧化與磨損的交互作用時(shí)誤差較大。 90年代西交大的邢建東等人[3]研制了一臺(tái)高溫磨損試驗(yàn)機(jī)。在電阻爐中的磨損室內(nèi)裝有一水平放置的砂輪，砂輪上有一定的松散磨料。實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣夾上裝有相同成分的3個(gè)試樣，它們受到作用于表面鋪有松散磨料的砂輪上的載荷，由于試樣和砂輪及其松散磨料間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生兩體和三體混合磨料磨損。該機(jī)可嚴(yán)格控制溫度。一次3個(gè)試樣，可減少重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)。但其主要不足是：（1）試樣總在同一軌跡上反復(fù)磨損，磨屑潛入砂輪間隙，使砂輪研磨能力逐漸下降；（2）氣氛不易控制；（3）這種混合磨損與實(shí)際工況相差較遠(yuǎn)。近年來(lái)，西交大吳文忠、邢建東等人在FischerA的高溫氧化磨損試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，研制一臺(tái)高溫氧化三體磨損試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：摩擦學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理；氣氛可控，溫度可控；關(guān)鍵部件設(shè)有冷卻系統(tǒng)。主要不足是：密封還存在一些問(wèn)題；冷卻系統(tǒng)還不夠完善；氣氛成分不能定量測(cè)定等。 太原理工大學(xué)的楊學(xué)軍等[4]研制了一臺(tái)高溫銷(xiāo)盤(pán)磨損試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，加熱溫度可控，能在1000℃范圍內(nèi)對(duì)各種金屬材料的摩擦磨損特性進(jìn)行研究，摩擦速度可調(diào)，所加載荷穩(wěn)定，試驗(yàn)?zāi)p均勻，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的變化反應(yīng)敏感。 北方交大的李霞等[5]研制的高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其最大滑動(dòng)速度可達(dá)70m/s，可以測(cè)量高速狀態(tài)下的摩擦學(xué)參數(shù)；可以模擬高速列車(chē)制動(dòng)；可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示與同步記錄。 北京機(jī)械工業(yè)管理學(xué)院的崔周平、宋期等[6]對(duì)MT-1型真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了實(shí)際的振動(dòng)速度測(cè)量和頻譜分析，得出了有關(guān)振動(dòng)速度值和主要的振動(dòng)來(lái)源。設(shè)計(jì)出的MT-1型真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在空載情況下的摩擦盤(pán)強(qiáng)迫振動(dòng)速度值較小。 哈工大的宋寶玉等人[7]研究的SY-I型真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，可以提供410-3Pa的壓力環(huán)境，速度在0~2800 r/min范圍內(nèi)可調(diào)，并且可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。該機(jī)可以在真空、不同氣候環(huán)境、加熱及冷卻等多種條件下測(cè)定材料的摩擦性能。 北方交大的徐雙滿(mǎn)等人[8]為了研究機(jī)車(chē)柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)材料的摩擦學(xué)性能，研制了一臺(tái)往復(fù)式銷(xiāo)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)載荷、速度、潤(rùn)滑脂的單因素控制。但該試驗(yàn)機(jī)磨損量的測(cè)量采用的是不連續(xù)的稱(chēng)重法。 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 本課題研究的主要內(nèi)容是對(duì)直線(xiàn)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的改造，并使其有利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。主要研究方法是從摩擦磨損測(cè)試的基本原理出發(fā)，找出簡(jiǎn)單易用的傳動(dòng)、調(diào)速、加載和測(cè)力的結(jié)構(gòu)方案，將往復(fù)對(duì)磨的運(yùn)動(dòng)方式改成轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨，并使研制的試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)小巧，造價(jià)低廉，功能完善。 本文主要內(nèi)容如下： 1. 完成對(duì)往復(fù)對(duì)磨摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的整體改造設(shè)計(jì)。 2. 完成對(duì)試驗(yàn)機(jī)的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、摩擦磨損測(cè)定系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 3. 通過(guò)計(jì)算校核總體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度。 第2章 總體設(shè)計(jì) 2.1 實(shí)驗(yàn)背景 為了減小熱鍍鋅工藝?yán)锓€(wěn)定輥軸套與襯套（軸瓦）之間的磨損，現(xiàn)擬用表面織構(gòu)技術(shù)在軸套表面開(kāi)槽，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討最佳開(kāi)槽形式，最終提高其摩擦磨損特性。但是現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)機(jī)為往復(fù)式磨摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，而這里的實(shí)際工況為襯套-軸套之間發(fā)生對(duì)磨，所以將原有實(shí)驗(yàn)機(jī)改造成轉(zhuǎn)動(dòng)式磨摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 2.2 設(shè)計(jì)方案 試驗(yàn)機(jī)附加部分包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和加載系統(tǒng)、密封系統(tǒng)四部分組成。 2.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 本課題選用Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)穩(wěn)定輥軸承所受實(shí)際載荷來(lái)估算轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷，從而確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。 2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng) 傳動(dòng)系統(tǒng)是將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給工作機(jī)的中間裝置。本課題傳動(dòng)方案如圖2.1所示。 圖2.1 傳動(dòng)方案 電動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器1相連，聯(lián)軸器1再與減速器相連，通過(guò)減速器以得到所需的轉(zhuǎn)速。減速器通過(guò)聯(lián)軸器2與實(shí)驗(yàn)軸相連，實(shí)驗(yàn)軸連接著工作機(jī)部分。 2.2.3 加載系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)軸上裝有軸套，軸套用螺栓與實(shí)驗(yàn)軸軸肩固定。軸套、軸瓦浸沒(méi)在水池中，軸瓦上方裝有裝夾塊，裝夾塊與原試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng)相連。軸套軸瓦尺寸如圖2.2所示。實(shí)際穩(wěn)定輥的軸瓦長(zhǎng)度為60mm，考慮到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的尺寸大小，將軸套長(zhǎng)度縮短為20mm，并保證實(shí)驗(yàn)軸套的線(xiàn)載荷與實(shí)際軸套的相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)在軸套上先試開(kāi)出0.8mm0.4mm的人字槽（圖2.3）。工作機(jī)的裝配圖如圖2.4所示。 圖2.2 軸套、軸瓦的尺寸 圖2.3 人字槽 圖2.4 工作機(jī)的裝配圖 圖2.4中1為實(shí)驗(yàn)軸，2為軸用擋圈，3為軸承，4為套筒，5為軸承座，6為軸承端蓋，7為水池壁，8為裝夾塊，9為軸瓦，10為軸套，11為螺塞，12為固定實(shí)驗(yàn)軸與軸套的螺栓，13為O型密封圈，14為固定軸承端蓋與軸承座的螺栓。 工作時(shí)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)裝夾塊施加壓力，故在實(shí)驗(yàn)軸上安裝兩個(gè)軸承以承擔(dān)受力，兩軸承之間用套筒相連，一個(gè)軸承的一端與軸承端蓋相接，另一個(gè)軸承的一端與軸用擋圈相接，以防止軸承錯(cuò)位。兩軸承一個(gè)安裝在軸承座內(nèi)壁，另一個(gè)安裝在軸承支座上。 2.2.4 密封系統(tǒng) 水池與實(shí)驗(yàn)軸用O型密封圈密封，O型密封圈安裝在軸承端蓋中，軸承端蓋用螺栓與水池固定。為了更好地觀(guān)察實(shí)驗(yàn)效果，水池壁采用有機(jī)玻璃。為了防止水槽中的水進(jìn)入軸承，對(duì)水池與軸承端蓋進(jìn)行密封。水槽通過(guò)玻璃膠粘貼在底座上。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最大高度為127mm，故設(shè)計(jì)水池的高度應(yīng)低于最大高度。 水池安裝時(shí)先安裝水池下半部分，焊接在底座上，再把軸承端蓋（含O型密封圈）、軸承、套筒順序安裝。此時(shí)將實(shí)驗(yàn)軸插入水池，水池排水處用螺塞密封好。最后將水池上部安裝在水池下部上，軸承端蓋用螺栓與水池固定，在需密封地方涂上水玻璃。需更換軸套時(shí)只需旋下螺塞，待水池水排完后卸下固定軸套的螺栓，即可更換軸套。 各部件用螺栓與底座相固定。底座直接安放在試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上，并通過(guò)緊定螺栓固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。 2.3 工作方式 實(shí)驗(yàn)時(shí)接通電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)減速器減速得到實(shí)驗(yàn)所需的轉(zhuǎn)速，減速器再通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)軸帶動(dòng)軸套轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)對(duì)裝夾塊施加壓力，讓軸套、軸瓦之間相互摩擦，此時(shí)通過(guò)試驗(yàn)機(jī)上的傳感器來(lái)測(cè)定摩擦系數(shù)。通過(guò)對(duì)摩擦系數(shù)的對(duì)比從而得出最佳開(kāi)槽形式。 圖2.5~圖2.7為試驗(yàn)機(jī)附加部分裝配圖。 圖2.5 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)裝配圖（左視圖） 圖2.6摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)裝配圖（俯視圖） 圖2.7 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)裝配圖（軸側(cè)圖） 第3章 動(dòng)力機(jī)選擇 動(dòng)力機(jī)是機(jī)器中運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的來(lái)源，其種類(lèi)很多，有電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、水輪機(jī)、汽輪機(jī)等。電動(dòng)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作可靠、控制方便、維護(hù)容易，一般生產(chǎn)機(jī)械上大多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 3.1 確定電動(dòng)機(jī)的功率 電動(dòng)機(jī)功率選得合適與否，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。當(dāng)功率小于工作要求時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能保證工作機(jī)的正常工作，或使電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)期過(guò)載發(fā)熱量大而過(guò)早損壞；功率過(guò)大則電動(dòng)機(jī)價(jià)格高，能量不能充分利用，經(jīng)常處于不滿(mǎn)載運(yùn)行，其效率和功率因素都較低，增加電能消耗，造成很大浪費(fèi)。 3.1.1 計(jì)算工作機(jī)所需功率PW 如圖3.1所示為帶鋼連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)上鋅鍋內(nèi)的三個(gè)被動(dòng)輥。設(shè)生產(chǎn)線(xiàn)加工某種規(guī)格時(shí)的帶鋼張力為20kN。下面來(lái)計(jì)算不同糾正輥上推量時(shí)穩(wěn)定輥軸承的負(fù)荷，以此來(lái)估算轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷。 圖3.1 熱鍍鋅鋅鍋中三輥 對(duì)穩(wěn)定輥受力分析如圖3.2，得 水平受力： F3X=T sinr (3-1) 垂直受力： F+T=G+T+F3Y (3-2) 對(duì)（3-2）變形得： F3Y=T+F-G-T cosr (3-3) 圖3.2 穩(wěn)定輥的受力分析 其中T為帶鋼拉力，G為穩(wěn)定輥重力，F(xiàn)為浮力，F(xiàn)3穩(wěn)定輥所受支反力。 tanr= r=arctan (3-4) 其中△S為上推量，其值為10/20/30/40mm，L1為穩(wěn)定輥和糾正輥的鉛垂距離。L1 為330 mm。 穩(wěn)定輥重量為185 kg，故其重力為 G=mg=1859.8 =1813 N (3-5) 穩(wěn)定輥材料為316L不銹鋼。密度ρ1=7.98 g/cm3，其體積為 V==23182.96 cm3 (3-6) 鋅液密度為ρ2=7.14 g/cm3，則穩(wěn)定輥浮力為 F=ρ2vg=1622.16 N (3-7) 當(dāng)帶鋼拉力T=20 KN時(shí)，得表3-1。 表3-1 工作機(jī)受力 序號(hào) △S/mm r F3X /N F3Y /N F3 /N 1 10 144′85.4″ 605.78 181.66 632.43 2 20 328′5.8″ 1209.90 154.30 1219.71 3 30 511′39.9″ 1810.71 108.86 1813.98 4 40 654′40.4″ 2406.63 45.68 2407.06 由表3-1取F3的最大值，為便于計(jì)算，所以取F3 =2400N，則穩(wěn)定輥單端軸承受力為1200 N。實(shí)際軸套寬度為60 mm，故線(xiàn)載荷為20 N/mm。而轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨試驗(yàn)機(jī)所用的軸瓦長(zhǎng)度為20 mm，所以其受力為2020=400 N。 工作機(jī)所需功率PW ( kW )應(yīng)由機(jī)器的工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定。 PW= (3-8) 其中 TW 為工作機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Nm； nw 為工作機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min； ηW 為工作機(jī)的效率，取ηW =0.95 。 穩(wěn)定輥軸套直徑為45 mm，故 TW =FμS=4000.150.0225 Nm= 1.35 Nm (3-9) 帶鋼速度為80—120m/min，取最大轉(zhuǎn)速。則軸套轉(zhuǎn)速為 n===335.06 r/min (3-10) 代入（3-8）得PW=0.332 kW。 3.1.2 計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需功率P0 電動(dòng)機(jī)所需功率由工作機(jī)所需功率和傳動(dòng)裝置的總效率按下式計(jì)算 P0= (3-11) 其中η為由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)裝置總效率。 傳動(dòng)裝置總效率η應(yīng)為組成傳動(dòng)裝置的各個(gè)運(yùn)動(dòng)副效率的乘積，即 η =η1η2η3 (3-12) 其中η1為聯(lián)軸器傳動(dòng)效率，η1=0.98 η2為滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率，η2=0.97 η3為減速器傳動(dòng)效率，η3=0.9 代入（3-12）得η=0.856，可得P0=0.338 kW。 3.1.3 確定電動(dòng)機(jī)的額定功率Pm 電動(dòng)機(jī)功率主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱條件來(lái)決定。電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與其運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、載荷不變或變化很小、常溫下工作的機(jī)械，只要所選電動(dòng)機(jī)的額定功率Pm等于或略大于所需電動(dòng)機(jī)功率P0，即Pm ≥ P0，電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)就不會(huì)過(guò)熱，因此不必效驗(yàn)發(fā)熱和啟動(dòng)力矩。 電動(dòng)機(jī)的額定功率通常按下式計(jì)算 Pm=1.3P0 (3-13) 代入數(shù)值得Pm =0.5046kW。 3.2 確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 設(shè)計(jì)中常選用同步轉(zhuǎn)速為1500 r/min或1000 r/min的電動(dòng)機(jī)，由于工作機(jī)轉(zhuǎn)速為335 r/min，故選用轉(zhuǎn)速相接近的1000 r/min電動(dòng)機(jī)。 3.3 確定電動(dòng)機(jī)型號(hào) 根據(jù)Pm =0.5046 KW、n =1000 r/min，查表確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y90S—6。 表3-2 Y90S—6型電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) 型號(hào) 額定功率/kW 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速/(r/min) Y90S—6 0.75 910 3.4 本章小結(jié) 本章通過(guò)對(duì)穩(wěn)定輥工況的分析，計(jì)算得出了穩(wěn)定輥的載荷，從而求出了電動(dòng)機(jī)所需的功率和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確定了電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y90S—6。 第4章 減速器的設(shè)計(jì) 減速器是位于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的封閉式機(jī)械傳動(dòng)裝置。它由密封在箱體內(nèi)的齒輪或蝸桿傳動(dòng)所組成，主要用來(lái)降低轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)矩或改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向。由于其傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，壽命長(zhǎng)，且使用維修方便，得到廣泛的應(yīng)用。 4.1 選擇減速器的類(lèi)型 4.1.1 傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比的計(jì)算 電動(dòng)機(jī)選定后，根據(jù)電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速nm及工作機(jī)轉(zhuǎn)速nW。就可以計(jì)算出傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比。 i= (4-1) 故總傳動(dòng)比i==2.716 由常用定軸減速器的類(lèi)型表可得，當(dāng)傳動(dòng)比小于5時(shí)，選用一級(jí)圓柱齒輪減速器。 圖4.1 一級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)形式、特點(diǎn)及應(yīng)用 4.1.2 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 如圖4.1所示，令高速軸為I軸，低速軸為II軸。 則各軸轉(zhuǎn)速 nI=nm=910 r/min (4-2) nII=335 r/min (4-3) 各軸功率為 PI=Pd η1=0.750.98=0.735 Kw (4-4) PII=PI η2=0.7350.98=0.720 Kw (4-5) 式中η1為聯(lián)軸器傳動(dòng)效率； η2為減速器的傳動(dòng)效率。 各軸轉(zhuǎn)矩為 TI =9550=9550=7.713 Nm (4-6) TII=9550=9550=20.525 Nm (4-7) 表4-1 軸的參數(shù) 軸 轉(zhuǎn)速/(r/min) 功率Kw 轉(zhuǎn)矩(Nm) I 910 0.735 7.713 II 335 0.720 20.525 4.2 閉式直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 4.2.1 選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) （1）按圖4.1所示的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，壓力角取為20。 （2）根據(jù)表4-2，通用減速器選用7級(jí)精度。 表4-2 各類(lèi)機(jī)器所用齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍 （3）材料選擇。由表4-3，選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBS。 （4）閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高。為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減小沖擊振動(dòng)，以齒數(shù)多一些為好。小齒輪的齒數(shù)可取為z1=20～40。選小齒輪齒數(shù)z1=30，大齒輪齒數(shù)z2=uz1=302.716=81.48，取z2=82。 4.2.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）由式（4-8）試算小齒輪分度圓直徑，即 d1t ≥ (4-8) 表4-3 常用齒輪材料及其力學(xué)性能 1) 確定公式中的各參數(shù)值 ①試選載荷系數(shù)KHt=1.3。 ②T1位小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。由表4-1得T1=7.871103 Nmm。 ③由表4-4選取齒寬系數(shù)Φd =1。 ④由圖4.2查得區(qū)域系數(shù)ZH =2.5。 ⑤由表4-5查得材料的彈性影響系數(shù)ZE =189.8 MPa1/2。 ⑥由式（4-9）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)Zε。 Zε = (4-9) αa1=arccos[ z1cosα／(z1+2h) ] (4-10) αa2=arccos[ z2cosα／(z2+2h) ] (4-11) εα=[ z1(tan αa1-tan α′) + z2(tan αa1-tan α′) ]／2π (4-12) 將α=20、z1、z2帶入（4-4）（4-5），得αa1=28.241，αa2=23.463，再帶入（4-12），得εα=1.741。帶入（4-3）得Zε=0.868。 表4-4 圓柱齒輪的齒寬系數(shù)Φd 圖4.2 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH（aa=20） ⑦計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]。 由圖4.3查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為σHlim1=600MPa、σHlim2=550MPa。 圖4.3 調(diào)質(zhì)處理鋼的σHlim 表4-5 彈性影響系數(shù) ZE 由式（4-13）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=609101(2830015)=3.931109 (4-13) N2=N1／u=3.931109／(82／30)=1.07451010 (4-14) 由圖4.4查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.9、KHN2=0.95。 取失效概率為1％、安全系數(shù)S=1，由式（4-15）得 [σH]1==MPa=540MPa [σH]2==MPa=523MPa (4-15) 取[σH]1和[σH]2較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即 [σH] =[σH]1=523MPa 2）試算小齒輪分度圓直徑 d1t ≥ = mm = 28.041mm (2)調(diào)整小齒輪分度圓直徑 1）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 ①圓周速度v。 v==1.336 m/s (4-16) ②齒寬b。 b=Φdd1t=128.041 mm=28.041 mm (4-17) 2) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KH ①由表4-5查得使用系數(shù)KA=1。 ②根據(jù)v=1.336 m/s，7級(jí)精度，由圖4.5查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.12。 ③齒輪的圓周力。 Ft1=2T1／d1t=27.871103／28.041 N=561.392 N (4-18) KAFt1／b=1561.392／28.041 N/mm=20.020 N/mm ＜100 N/mm (4-19) 查表4-6得齒間載荷分配系數(shù)KHα=1.2。 ④由表4-7用插值法查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，得齒向載荷分布系數(shù)KHβ=1.415。由此，得到實(shí)際載荷系數(shù)為 圖4.4 接觸疲勞壽命系數(shù)KHN KH=KAKVKHαKHβ=11.11.21.415=1.868 (4-20) 3）由式（4-21），可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑 d1=d1t =28.041 mm=31.643 mm (4-21) 及相應(yīng)的齒輪模數(shù) m=d1／z1=31.643／30=1.055 mm (4-22) 4.2.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）由式（4-23）試算模數(shù)，即 mt (4-23) 1) 確定公式中各參數(shù)值 表4-5 使用系數(shù)KA 圖4.5 動(dòng)載系數(shù)KV 表4-6 齒間載荷分配系數(shù)KHα 、KFα 圖4.6 外齒輪齒形系數(shù)YFa ①試選載荷系數(shù)KFt=1.3。 ②由式（4-24）計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)。 Yε=0.25+=0.25+=0.681 (4-24) ③計(jì)算。 由圖4.6查得齒形系數(shù)YFa1=2.63、YFa2=2.21。 由圖4.7查得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.56、Ysa2=1.75。 圖4.7 外齒輪應(yīng)力修正系數(shù)Ysa 由圖4.8查得小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為σFlim1=500 MPa、σFlim2=380 MPa。 由圖4.9查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85、KFN2=0.88。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（4-25）得 [σH]1==MPa=303.57 MPa [σH]2==MPa=238.86 MPa (4-25) (4-26) 圖4.8 調(diào)質(zhì)處理鋼的σFlim 圖4.9 彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN (4-27) 因?yàn)榇簖X輪的大于小齒輪，所以取 ==0.0164 2）試算模數(shù) mt (4-28) ==0.631 mm (2)調(diào)整齒輪模數(shù) 1）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 ①圓周速度v。 d1=mtz1=0.63130 mm=18.920 mm (4-29) v = m/s=0.902 m/s (4-30) ②齒寬b。 b=Φdd1=118.920 mm=18.920 mm (4-31) ③寬高比b／h。 h=(2h) mt =(21+0.25) 0.631=1.420 mm (4-32) b／h=18.920／1.420=13.326 (4-33) 2）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF。 ①根據(jù)v=0.902 m/s，7級(jí)精度，由圖4.5查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.05。 ②由Ft1=2T1／d1=27.871103／18.920 N=832.029 N， KAFt1／b=1832.029／18.920 N/mm=43.976 N/mm ﹤100 N/mm 查表4-6得齒間載荷分配系數(shù)KFα=1.2。 ③由表4-7用插值法查得KHβ=1.413，結(jié)合b／h =13.326。查圖4.10，得KFβ=1.40。則載荷系數(shù)為 KF=KA KV KFα KFβ =11.11.21.40=1.848 3） 由式（4-34），可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù) m==0.631=0.709 mm (4-34) 表4-7 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)KHβ 圖4.10 彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)KFβ 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)m=0.709 mm，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1 mm，按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=31.643 mm，計(jì)算出小齒輪齒數(shù)z1=d1／m=31.643 mm。 取z1=32，則大齒輪齒數(shù)z2=uz1=2.71632=86.912，取z2=87，z1與z2互為質(zhì)數(shù)。 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，即滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，由滿(mǎn)足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 4.2.4 幾何尺寸的計(jì)算 (1)計(jì)算分度圓直徑 d1=z1 m=321=32 d2=z2 m=871=87 (4-35) (2)齒根圓直徑 df1 =(z1 - 2h-2c) m=29.5 mm df2 =(z2 - 2h-2c) m=84.5 mm (4-36) (3)齒頂圓直徑 da1=(z1+2h)m=34 mm da2=(z2+2h)m=89 mm (4-37) (4)計(jì)算中心距 ɑ=(d1+d2) ／2=(32+87) ／2=59.5 mm (4-38) 采用變位法將中心距就近圓整至ɑ=60 mm。 4.2.5 主要設(shè)計(jì)結(jié)論 表4-8 齒輪設(shè)計(jì)結(jié)論 參數(shù) 齒數(shù)z 模數(shù)/mm 分度圓直徑d/mm 齒根圓直徑df /mm 齒頂圓直徑da /mm 齒寬b/mm 傳動(dòng)比i 中心距ɑ/mm 小齒輪 32 1 32 29.5 34 37 2.716 60 大齒輪 87 87 84.5 89 32 4.3 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算 對(duì)既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的重要軸，常采用階梯軸，階梯軸的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)過(guò)程需要先估算最小軸徑，再根據(jù)軸上零件的固定和定位方式，設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)和尺寸（即軸徑和軸各段長(zhǎng)度），最后校核軸的強(qiáng)度。 4.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì) 1. 輸入軸的功率P1、轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1。 查表4-1，得P1=0.735 kW，n1=910 r/min，T1=7.713 Nm 2. 求作用在齒輪上的力 因已知高速軸小齒輪的分度圓直徑為d1=32 mm，則 圓周力Ft== N=482.063 N (4-39) 徑向力Fr=Ft =482.063tan20N=175.456 N (4-40) 軸向力Fa=Ft tanβ=482.063tan0 =0 N (4-41) 3. 初步確定軸的最小直徑 按式（4-42）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。根據(jù)表4-9，取A0=112，于是得 dmin=A0 =112 mm=10.430 mm (4-42) 表4-9 軸常用幾種材料的及A0值 輸入軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑。為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故取輸入軸直徑為18 mm。 4. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1) 擬定軸上零件的裝配方案 本課題選用圖4.11所示的裝配方案。 2) 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 (1) 為了滿(mǎn)足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，I—II軸段右端需制出一軸肩。 圖4.11 輸入軸的結(jié)構(gòu)方案 取II—III段的直徑dII—III = 20 mm；左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈內(nèi)孔直徑D= 20 mm。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L1= 52 mm；為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故I—II段的長(zhǎng)度應(yīng)比L1 略短一些，現(xiàn)取LI—II = 40 mm。 (2)初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)d II—III = 20 mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6204，其尺寸為d D B =20 mm47 mm14 mm，故d III - IV = d VII - VIII =20 mm；而LVII - VIII = 16 mm。 右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得6204型軸承的定位軸肩高度h = 1mm，因此，取d VI - VII = 24 mm。 (3) 取安裝齒輪處的軸段Ⅳ—Ⅴ的直徑d IV - V = 24 mm；齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為32 mm，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取L IV - V = 34 mm。齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h > 0.07 d，取h = 1 mm，則軸環(huán)處的直徑d V - VI = 26 mm 。軸環(huán)寬度b≥1.4h，取L V - VI = 2 mm。 (4) 軸承端蓋的總寬度為15 mm(由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定)。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離L = 1 mm，故取L II—III = 16 mm。 (5) 取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a =11 mm。考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動(dòng)軸承位置時(shí)，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s = 2 mm，已知滾動(dòng)軸承寬度B = 14 mm，齒輪輪轂長(zhǎng)L = 32 mm，則 L III - IV = B + s + a + (34 - 32) = (14 + 2 + 11 + 2)mm = 29 mm (4-43) LVI - VII = L + c + a + s – L V - VI = (32 + 20 + 11 + 2 - 2) mm =63 mm (4-44) 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長(zhǎng)度。 3) 軸上零件的周向定位 齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。按d IV - V由手冊(cè)查得平鍵截面b h = 5 mm 5 mm (GB/ T 1095—1979)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為30 mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見(jiàn)GB/ T 1096—1979)；同時(shí)為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/ n6；同樣,半聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接,選用平鍵為5 mm 5 mm 30 mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為H7/ k6。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 4) 確定軸上圓角和倒角尺寸 參考表4-10，取軸端倒角為C1，各軸肩處的圓角半徑見(jiàn)圖4-12。 表4-10 零件倒角C與圓角半徑R的推薦值 4.3.2 輸出軸的設(shè)計(jì) 1. 輸入軸的功率P2、轉(zhuǎn)速n2和轉(zhuǎn)矩T2。 查表4-1，得P2=0.720 kW，n2=335 r/min，T2=20.525 Nm 2. 求作用在齒輪上的力 因已知高速軸小齒輪的分度圓直徑為d2=87mm，則 圓周力Ft== N=471.839 N (4-45) 徑向力Fr=Ft =471.839tan20N=171.735 N (4-46) 軸向力Fa=Ft tanβ=471.839tan0 =0 N (4-47) 3. 初步確定軸的最小直徑 按式（4-48）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。根據(jù)表4-9，取A0=112，于是得 dmin=A0 =112 mm=14.454 mm (4-48) 輸入軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑。為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故取輸入軸直徑為24 mm。 4. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1) 擬定軸上零件的裝配方案 本課題選用圖4.12所示的裝配方案。 2) 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 圖4.12 輸出軸的結(jié)構(gòu)方案 (1) 為了滿(mǎn)足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，I—II軸段右端需制出一軸肩，故取 II - III段的直徑d II - III = 28 mm。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L = 52 mm，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故I—II段的長(zhǎng)度應(yīng)比L略短一些，現(xiàn)取L I—II = 34 mm。 (2) 初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)d II - III = 28 mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0 基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6206，其尺寸為d D B = 30 mm62 mm16mm，故d III - IV = d VII - VIII =30 mm；而L VII - VIII = 29 mm。右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得6206型軸承的定位軸肩高度h = 1mm，因此，取d VI - VII = 32 mm。 (3) 取安裝齒輪處的軸段IV—V的直徑d IV - V = 32 mm；齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為87 mm，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪,此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取L IV - V =25 mm。齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h > 0.07 d，取h = 1 mm，則軸環(huán)處的直徑d V - VI = 36 mm。軸環(huán)寬度 b ≥1.4 h，取L V - VI = 13 mm。 (4) 軸承端蓋的總寬度為11 mm(由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定)。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求,取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離L = 1 mm，故取L II - III = 23mm。 (5) 取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a =11 mm?？紤]到箱體的鑄造誤差,在確定滾動(dòng)軸承位置時(shí)，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=2 mm，已知滾動(dòng)軸承寬度B=14 mm，齒輪輪轂長(zhǎng)L=87 mm，則 L III - IV = B + s + a + (34 - 32) = (14 + 2 + 11 + 2)m m = 29 mm (4-49) LVI - VII = L + c + a + s - LV - VI = (32 + 20 + 11 + 2 - 2) m m =63 mm (4-50) 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長(zhǎng)度。 3) 軸上零件的周向定位 齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。按d IV - V 由手冊(cè)查得平鍵截面b h = 10mm 8 mm (GB/ T1095—1979)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為22mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見(jiàn)GB/ T 1096—1979)，同時(shí)為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/n6；同樣，半聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接，選用平鍵為6 mm 6 mm 20 mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為H7/k6。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 4) 確定軸上圓角和倒角尺寸 參考表4-10，取軸端倒角為C1。 4.3.3 確定軸的尺寸 主動(dòng)軸： 圖4.13 主動(dòng)軸 從動(dòng)軸： 圖4.14 從動(dòng)軸 4.4 本章小結(jié) 本章通過(guò)分析得出了減速器的類(lèi)型，從而確定了要算齒輪和軸的數(shù)量，進(jìn)而對(duì)閉式直齒圓柱齒輪傳動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，確定大小齒輪的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。同時(shí)也確定了和大小齒輪相互配合的主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的尺寸，以及和軸配合的滾動(dòng)軸承的選擇和平鍵的選擇。圖4.15為最后減速器裝配圖。 圖4.15 減速器裝配圖 第5章 實(shí)驗(yàn)軸的設(shè)計(jì) 對(duì)既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的重要軸，常采用階梯軸，階梯軸的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)過(guò)程需要先估算最小軸徑，再根據(jù)軸上零件的固定和定位方式，設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)和尺寸（即軸徑和軸各段長(zhǎng)度），最后校核軸的強(qiáng)度。 5.1 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 5.1.1 選擇材料，確定許用應(yīng)力 材料選用45鋼，正火處理。查表5-1，材料強(qiáng)度極限σb=600MPa；對(duì)稱(chēng)循環(huán)狀態(tài)下許用應(yīng)力[σ-1b]=55MPa。 表5-1 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能 5.1.2 初步確定軸的最小直徑 按式（5-1）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。根據(jù)表4-9，取A0=112，于是得 dmin=A0 =112 mm=14.454 mm (5-1) 由于和聯(lián)軸器連接處有鍵，故軸需加大4%～5%。則 d ≥14.4541.05=15.176 mm 故該軸的基本軸徑dmin =16mm。 5.1.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1) 擬定軸上零件的裝配方案 本課題選用圖5.1所示的裝配方案。 圖5.1 軸的裝配方案 2) 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 參見(jiàn)4.3節(jié)軸的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5.1。 5.2 軸的校核 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖(圖5.1)作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)中查取△值。對(duì)于6206型深溝球軸承，由手冊(cè)中查得△=0mm。因此，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨距L2+L3+L4=40+5+25=70 mm。 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出A處是軸的危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出的此截面處的MH、M V及M 的值。 5.2.1 求出軸上轉(zhuǎn)矩 T=9.55106 = T=9.55106 Nmm=2.053104 Nmm (5-2) 5.2.2 危險(xiǎn)截面左側(cè) 抗彎截面系數(shù)W =0.1d3 = 0.1653 mm3 = 27463 mm3 (5-3) 抗扭截面系數(shù)WT = 0.2d3 = 0.2653 mm3 = 54925 mm3 (5-4) 危險(xiǎn)截面左側(cè)的彎矩M為 M = 270938 Nmm = 133561 Nmm (5-5) 截面A上的扭矩T為 T = 20530 Nmm 截面上的彎曲應(yīng)力 σb ==MPa=4.86 MPa (5-6) 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 τT = =MPa=17.48 MPa (5-7) 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表5-1查得σ B = 640 MPa，σ-1 = 275 MPa， τ – 1= 155 MPa。截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)α σ 及α τ 按表5-2查取。因rd=2.065= 0.031，D d=7065=1.08，經(jīng)插值后可查得ασ = 2.0，ατ = 1.31。 由圖5.3可得軸的材料的敏性系數(shù)為 qσ = 0.82，qτ = 0.85 故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式(5-8)為 kσ =1+qσ(ασ-1)=1+0.82(2.0-1) =1.82 kτ=1+qτ(ατ-1)=1+0.85(1.31-1) =1.26 (5-8) 由圖5.4得尺寸系數(shù)εσ = 0.67；由圖5.5得扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)ετ = 0.82。 軸按磨削加工，由圖5.6得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ = βτ = 0.