减速器输出轴说明书

斜齿圆柱齿轮减速器结构设计说明

机械工程系机械工程及自动化专业

机械12-7班

设计者林键

指导教师王春华

2014年12月26日.

辽宁工程技术大学

题目二：二级展开式斜齿圆柱齿轮减速器输出轴结构简图及原始数据

轴系结构简图

项目设计方案

名称字母表示及单位4

输入功率P/kW6.1

轴转速n/(r/min)150

齿轮齿数z2107

齿轮模数m n/mm4

齿轮宽度b2/mm80

齿轮螺旋角β8°6’34”

a/mm80

l/mm215

s/mm100

链节距p/mm25.4

链轮齿数z29

轴承旁螺栓直径d/mm16

二、根据已知条件计算传动件的作用力

1.计算齿轮处转矩T、圆周力F t、径向力F r、轴向力F a及链传动轴压力Q。

已知：轴输入功率P=6.1kW，转速n=150r/(min)。

转矩计算：

m m T9.55010P/n9.550106.1/150388366.7N

分度圆直径计算：

dm n z/cos4107/cos8634432.3mm

圆周力计算：

F t2T/d1*******.7/432.31796.7N

径向力计算：

F r F t tan n/cos1796.7tan20/cos8634660.6N

轴向力计算：

F a F t tan1796.7tan8634256N

轴压力计算：

计算公式为：

Q 1000KP

npz

1000KP

/(601000)

由于转速小，冲击不大，因此

取K Q=1.2,带入数值得

：

10001.26.1

Q3975N

15025.429/(601000)

R1z R1y R

R2z Q

R a

R t R2y

轴受力分析

简

图

2.计算支座反力

(1)计算垂直面（X OZ）支反力

Q(ls)R(la)3975(215100)660.6(21580)

N y6238.62

l215

R1y R2y QR r6238.63975660.61603N

(2)计算垂直面（X OY）支反力

R(la)1796.7(21580)

R z1128.2N

l215

R z R t R z1796.71128.2668.5N

三、初选轴的材料，确定材料机械性能

初选材料及机械性能

材料牌号45号

热处理调

质

毛坯直径/mm≤200

硬度/HBS217~255

σB/MPa637

σs/MPa353

σ-1/MPa268

τ-1/MPa155

[σ+1]/MPa216

[σ0]/MPa98

[σ-1]/MPa59

四、进行轴的结构设计

1.确定最小直径

按照扭转强度条件计算轴的最小值dmin。

9.5510P

其设计公式为：d3A03

0.2n

T P n

查表8-2，因弯矩较大故

A0取大值118，带入计算得：.

6.1

d118340.6mm

150

因开有键槽，轴径需增大5%

得：D=42.63mm

圆整成标准值得：D1=45mm

2.设计其余各轴段的直径和长度，且初选轴承型号

(1)设计直径

考虑轴上零件的固定、装拆及加工工艺要求。首先考虑轴承选型，其直径末尾数必须是0、5，且为了便于计算，故D3初取60mm。考虑链轮及轴承2的固定，故D2取55。考虑齿轮由轴套固定，故D4取62。考虑轴承选型相同及齿轮固定问题D5取70，D6取66，D7取60。

(2)设计各轴段长度

考虑齿轮的拆装与定位L4取78。考虑最左侧轴承的拆装与定位L7取25。考虑链

轮宽度B=72，L1取70。考虑轴承2与齿轮的相对位置及轴承2的左端固定L3取54。考虑链轮与轴承2的相对位置及轴承2的右端固定，故L2取52。考虑齿轮左端固定及轴环强度问题，L5取8。考虑齿轮与轴承1之间的相对位置及轴环的宽度，L6取75。

(3)轴的初步结构设计图

7654321

(4)初选轴承型号

由于F

256

660.6

0.388

，故选择向心推力轴承，考虑轴径为60，初

选轴承型号为圆锥滚子轴承30212。

3.选择连接形式与设计细部结构

(1)选择连接形式

连接形式主要是指链轮与齿轮的周向固定：初步选择利用键连接以固定链轮与齿轮。而键的型号依据链轮与齿轮处轴径大小D1、D4分别为45mm、62mm，查《机械设计课程设计》中表20-1初选链轮处键的公称尺寸为14×9，而键长L1初取56mm；初选齿轮处键的公称尺寸为18×11，键长L2初取63

(2)其余细部结构

五、轴的疲劳强度校核

1.轴的受力图

R1z R1y R

R2z Q

R a

1423

R t R2y

2.绘制轴的弯矩图与转矩图

(1)垂直面（XOZ）弯矩图

M4z R1z(la)R2z a668.5(21580)1128.28090256Nmm

90256N·m

1423

(2)水平面（XOY）弯矩图

M4y R1y(la)1603(21580)216405Nmm

M y Qs3975100397500N

m m

397500N·mm

216405N·mm

1423

(3)合成弯矩图

m m

MM z M y234472.3N

444

M2M2y397500Nmm

397500N·mm

234472.3N·mm

1423

(4)绘制转矩图

T388366.7Nmm

T=388366.7N·m

1423

3.确定危险截面,计算安全系数,校核轴的疲劳强度

ⅠⅡⅢⅣⅤ

（）

通过对轴上零件的受力分析，绘制弯矩及转矩图，并综合考虑轴径大小及键槽、圆角等因素对轴的应力影响，最终确定了5个危险截面。Ⅰ截面弯矩较大，且开有键槽，有应力集中。Ⅱ截面弯矩较大，且有应力圆角，有应力集中。Ⅲ截面弯矩最大。Ⅳ截面弯矩不大但截面小，有圆角，有应力集中。Ⅴ截面弯矩小，但开有键槽，有应力集中。

(1)计算Ⅰ截面处的安全系数

综合影响系数，如下；

有效应力集中系数Kσ=1.81Kτ=1.60

绝对尺寸系数εσ=0.78ετ=0.74

加工表面的表面质量系数β=0.95

应力总数弯曲Ψσ=0.34 扭转Ψτ=0.21

计算抗弯模量与抗扭模量

Wd 3/32bt(dt)2/(2d)623/32187(627)/(262)20324mm3

W T d 3/16bt(dt)/(2d)62/16187(627)/(262)43722mm

2323

计算弯曲应力

I截面处最大弯矩

M(397500234472.3)8030234472.3295607.7Nmm

I截面最大扭矩

T388366.7Nmm将弯曲应力看成对称

循环应力求解，有：

MWMPaamax/295607.7/2032414.5

计算扭转切应力

将扭转切应力看作脉动循环应力求解，有：

a/2T/(2W T)388366.7/(243722)4.44MPa

m4.44

M Pa

按疲劳强度计算安全系数

S 1K a/()m)

268/(1.8114.5/(0.950.78)0.340)7.57

S 1Kam

/(/())

155/(1.64.44/(0.950.74)0.214.44)14.04

综合安全系数

S ca

S 2

14.

6. 67

(2)计算Ⅱ截面处的安全系数

有效应力集中系数Kσ=1.58Kτ=1.41

绝对尺寸系数εσ=0.81ετ=0.76 加工表面的表面质量系数β=0.95

应力总数弯曲Ψσ=0.34 扭转Ψτ=0.21

计算抗弯模量与抗扭模量

Wd 3/32603/3221205.8mm3

W T d 3/16603/1642411.5mm

计算弯曲应力

Ⅱ截面最大弯矩

M(397500234472.3)8038234472.3311910.5Nmm

Ⅱ截面最大扭矩

T388366.7Nmm将弯曲应力看成对称

循环应力求解，有：

amaxM/W311910.5/21205.814.71

MPa

计算扭转切应力

将扭转切应力看作脉动循环应力求解，有：a/2T/(2W T)388366.7/(242411.5)4.58MPa T

M Pa

m4.58

按疲劳强度计算安全系数

S 1/(Kam

/())

268/(1.5814..71/(0.950.81)0.340)8.87 .

S 1Kam

/(/())

155/(1.414.58/(0.950.76)0.214.58)15.65 综合安全系数

S ca

S 2

15.

7. 72

(3)计算Ⅲ截面处的安全系数

有效应力集中系数Kσ=1Kτ=1

绝对尺寸系数εσ=0.81ετ=0.76 加工表面的表面质量系数β=0.95

应力总数弯曲Ψσ=0.34 扭转Ψτ=0.21

计算抗弯模量与抗扭模量

Wd 3/32603/3221205.8mm

W T d 3/1660/1642411.5mm

计算弯曲应力

Ⅲ截面最大弯矩

M397500NmmⅢ截面最大

扭矩

T388366.7Nmm将弯曲应力看成对称

循环应力求解，有：

amaxM/W397500/21205.818.74MPa

计算扭转切应力

将扭转切应力看作脉动循环应力求解，有：

a/2T/(2W T)388366.7/(242411.5)4.58MPa

m4.58

M Pa

按疲劳强度计算安全系数

S 1Kam

/(/())

268/(118.74/(0.950.81)0.340)11.00

S 1Kam

/(/())

155/(14.58/(0.950.76)0.214.58)21.22

综合安全系数

S ca

S 2

11.

21.

9. 77

21.

(4)计算Ⅳ截面处的安全系数

有效应力集中系数Kσ=2.26Kτ=2.14

绝对尺寸系数εσ=0.84ετ=0.78 加工表面的表面质量系数β=0.95

应力总数弯曲Ψσ=0.34 扭转Ψτ=0.21

计算抗弯模量与抗扭模量

Wd 3/32453/328946.2mm3 W T d 3/16453/1617892.4mm3计算弯曲应力

Ⅳ截面最大弯矩

M397500/10036143100Nmm

Ⅳ截面最大扭矩

T388366.7Nmm将弯曲应力看成对称

循环应力求解，有：

amaxM/W143100/8946.216.0MPa

计算扭转切应力

将扭转切应力看作脉动循环应力求解，有：

a/2T/(2W T)388366.7/(217892.4)10.9MPa

m10.9MPa

按疲劳强度计算安全系数

S 1Ka)m)

/(/(

268/(2.2616.0/(0.950.84)0.340)5.91

S 1/(K a/()m)

155/(2.1410.9/(0.950.78)0.2110.9)4.59 综合安全系数

S ca

S 2S 2

3.63

(5)计算Ⅴ截面处的安全系数

有效应力集中系数Kσ=1.81Kτ=1.60

绝对尺寸系数εσ=0.84ετ=0.78 加工表面的表面质量系数β=0.95

应力总数弯曲Ψσ=0.34 扭转Ψτ=0.21

计算抗弯模量与抗扭模量

Wd 3/32bt(dt)2/(2d)453/32145.5(455.5)2/(245)7611.3mm3 W T d 3/16bt(dt)2/(2d)453/16145.5(455.5)2/(245)16557.5mm3

计算弯曲应力

Ⅴ截面处最大弯矩

M397500/10028111300NmmⅤ截面最大扭矩

T388366.7Nmm将弯曲应力看成对称

循环应力求解，有：

amaxM/W111300/7611.314.4MPa

计算扭转切应力

将扭转切应力看作脉动循环应力求解，有：

a/2T/(2W T)388366.7/(216557.5)11.7MPa

m11.7MPa

按疲劳强度计算安全系数

S 1/(Ka)m

/()

268/(1.8114.4/(0.950.84)0.340)8.21

S 1/(K a/(m

))

155/(1.611.7/(0.950.78)0.2111.7)5.59 .

. 综合安全系数

S ca

S 2S 2

4. 62

综上所述：所校核截面的安全系数均大于许用安全系数[S]=2.0，故轴设计满足安全。

六、选择轴承型号，计算轴承寿命

1.计算轴承所受支反力

R 1

2222

R y R1063668.51255.7N 11z

2222

RR y R z6238.61128.26339.8N

222

2.计算派生轴向力

R1255.7

S418.6N

2Y21.5

R6339.8

S2113.3N

2Y21.53.求轴承

轴向载荷

A1max(S1,S2F a)max(418.6,2113.3256)1857.3N

A2max(S2,S1F a)max(2113.3,418.6256)2113.3N

4.计算轴承当量动载荷

A1857.3

1.5

R1255.7

0.4

查表，取X1=0.4，Y1=1.5

A2113.3

0.33

R6339.8

0.4

查表9-6，取X2=1，Y2=0

查表9-7，取fd=1.5

根据弯矩图可得，f m1=1,f m2=2

P1f d f m1(X1R1Y1A1)1.51(0.41255.71.51857.3)4932.3N

P2f d f m2(X2R2Y2A2)1.52(16339.802113.3)19019.4N

5.计算轴承寿命

因P2>P1，故计算按P2计算，查表9-4得ft=1，圆锥滚子轴承取10/3，查表得C r=97800N。

10/3

10fC10197800

Ltrhh

h26075.4800010

WOIRD格式

60nP6015019019.4

轴承寿命符合要求。

七、键连接的计算

校核平键的强度

平键的挤压应力计算公式为：

2T4Tp

dkldhl链轮处平键尺

寸：h=9,d=45,l=56

齿轮处平键尺寸：h=11,d=62,l=63

带入公式得：

p1*******.7/(45956)68.5MPa

WOIRD格式

p2*******.7/(621163)36.2MPa

因两键均受冲击载荷，且为静联接，故许用压应力p90MPa

经过比较，两键的计算应力均小于许用应力，故判断其强度均合格。

八、轴系部件的结构装配图

轴系部件结构装配图如图所示。