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
b2
a
ls
l
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:
66
m m T9.55010P/n9.550106.1/150388366.7N
分度圆直径计算:
dm n z/cos4107/cos8634432.3mm
12
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
Q
v
npz
1000KP
Q
/(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
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)
Rr
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)
t
R z1128.2N
2
l215
R z R t R z1796.71128.2668.5N
12
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。
6
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
a
F
r
256
660.6
0.388
1
3
,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
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
2
397500N·mm
216405N·mm
1423
(3)合成弯矩图
22
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
2
.
.
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
m
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
T
m4.44
a
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
SS
2S
S 2
7.
7.
57
2
57
14.
04
2
04
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
3
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
m
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
a
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
SS
2S
S 2
8.
8.
87
2
87
15.
65
2
65
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
3
W T d 3/1660/1642411.5mm
33
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
m
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
m4.58
a
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
SS
2S
S 2
11.
11.
00
2
00
21.
22
2
22
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
m
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
T
m10.9MPa
a
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
SS
S 2S 2
5.
5.
91
2
91
4.
4.
59
2
59
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
m
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
T
m11.7MPa
a
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
SS
S 2S 2
8.
8.
21
2
21
5.
59
2
59
5.
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
1
S418.6N
1
2Y21.5
R6339.8
2
S2113.3N
2
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
1e
1.5
R1255.7
1
0.4
查表,取X1=0.4,Y1=1.5
A2113.3
2e
0.33
R6339.8
2
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
66
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。
.