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1、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b 2/mm80齿轮螺旋角8634”a/mm80l/mm215s/mm100链节距p/mm25.4链轮齿数z29轴承旁螺栓直径d/mm16、根据已知条件计算传动件的作用力1.计算齿轮处转矩已知：轴输入功率 P=6.1kW，转速 n=15
2、0r/(min) 。转矩计算：T 9. 550 106 P / n9.550 1066. 1/ 150388366. 7N ? mm分度圆直径计算：d1mn ? z2/ cos4 107 / cos8 6 34432. 3mm圆周力计算：Ft2T / d12 388366. 7 / 432.31796. 7N径向力计算：FrFt tan/ cos1796. 7 tan20 / cos 8 6 34660. 6N轴向力计算：FaFt tan1796. 7tan 8 6 34256N轴压力计算：计算公式为：1000KQP1000KQP由于转速小，冲击不大，因此取1000 1.2 6.Q 150 2
3、5.4 29/( 60 1000)npz /( 60 1000)KQ=1.2, 带入数值得：13975N轴受力分析简图T、圆周力 Ft 、径向力 Fr、轴向力 Fa 及链传动轴压力a)3975 (215 100) 660.6 ?(215 80)2156238. 6N2.计算支座反力(1) 计算垂直面( XOZ )支反力 Q ?(l s) RrR2yR1yR2yQ Rr6238. 6 3975 660.6 1603N(2) 计算垂直面( XOY )支反力R2zR1zRt(la)1796. 7(21580)1128. 2NRtR2z1796. 72151128. 2668. 5N、初选轴的材料，确
4、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 /mm200硬度 /HBS217255B/MPa637s /MPa353-1 /MPa268-1 /MPa155+1 /MPa216 0 /MPa98-1 /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 d min其设计公式为： d9.55 106 P30. 2 T n查表 8-2 ，因弯矩较大故 A0取大值 118 ，带入计算得：6.1d118340. 6mm150因开有键槽，轴径需增大 5%得： D=42.63mm圆整成标准值得： D1=45mm2.设计其余各轴段的直径和长度，且初选轴承型号
5、(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，
6、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7 6 5 43 2 1(4) 初选轴承型号Fa2561由于 a 0.388 ，故选择向心推力轴承，考虑轴径为60，初Fr660.63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
7、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2.绘制轴的弯矩图与转矩图mm(1) 垂直面( XOZ )弯矩图M4zR1z ?(l a) R2z ? a 668.5 (215 80) 1128. 2 80 90256N(2) 水平面( XOY )弯矩图 M4yR1y ?(l a)M2yQ ?s 39751603 (215 80) 216405N ? mm100 397500N ? mm(3) 合成弯矩图M4M42z M42y234472. 3N ? mmM2 M2y397
8、500N ? mm397500N mm(4) 绘制转矩图T 388366. 7N ? mmT=388366.7Nm1 4 2 33. 确定危险截面 ,计算安全系数 ,校核轴的疲劳强度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。截面弯矩较大，且开有键槽，有 应力集中。截面弯矩较大，且有应力圆角，有应力集中。截面弯矩最大。截面弯矩 不大但截面小，有圆角，有应力集中。截面弯矩小，但开有键槽，有应力集中。(1) 计算截面处的安全系数综合影响系数，如下；有效应力集中系数K=1.81K=1.60绝对尺寸系数=0.78=0.7
9、4加工表面的表面质量系数=0.95应力总数弯曲=0.34扭转=0.21计算抗弯模量与抗扭模量W d 3 / 32bt(dt )2 /( 2d)623 / 32187(627)2 /( 262)WTd 3 / 16bt(dt )2 /( 2d)623 / 16187(627)2 /( 262)计算弯曲应力I 截面处最大弯矩M ( 397500234472.3) 80 30234472. 3295607. 7N? mmI 截面最大扭矩T 388366. 7N ? mm将弯曲应力看成对称循环应力求解，有：20324mm343722mm3maxM/ W 295607. 7 / 2032414. 5MP
10、a计算扭转切应力将扭转切应力看作脉动循环应力求解，有：T/2T /( 2WT )388366. 7 /( 2 43722)4. 44MPaS 1 /( Ka /( )m)268/( 1.8114.5/( 0.950.78)0.34 0)7.57S 1 /( Ka /( )m)155/( 1.64. 44 /( 0.950.74)0.21 4.44)14.04综合安全系数SS7. 5714.046. 67SSca S2S27.57214. 042a按疲劳强度计算安全系数4. 44MPa(2) 计算截面处的安全系数有效应力集中系数K=1.58K=1.41绝对尺寸系数=0.81=0.76加工表面的表
11、面质量系数=0.95应力总数弯曲=0.34扭转=0.21计算抗弯模量与抗扭模量Wd 3 / 32WTd 3 / 163603 / 32603 / 16321205. 8mm342411. 5mm3计算弯曲应力截面最大弯矩M ( 397500 234472. 3)8038234472. 3 311910. 5N ? mm截面最大扭矩T388366. 7N ? mm将弯曲应力看成对称循环应力求解，有：maxM/ W 311910. 5 / 21205. 814. 71MPa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 T / 2 T /( 2WT ) 388366. 7 /( 2 42
12、411. 5)4. 58MPa4. 58MPama 按疲劳强度计算安全系数 S 1 /( K268/( 1.58S 1 /( K155/( 1.41 综合安全系数SSa /(14.a /(4. 58 /( 0.95)m)71/( 0.95 0.81)0.34 0)8.87Sca8. 87S2 S2m)0.76)0.21 4.58)15.6515.658.872 15. 6527. 72(3) 计算截面处的安全系数有效应力集中系数K=1K=1绝对尺寸系数=0.81=0.76加工表面的表面质量系数=0.95应力总数弯曲=0.34扭转=0.21计算抗弯模量与抗扭模量Wd 3 / 32603 / 32
13、 21205. 8mm3WTd3 / 16603 / 16 42411. 5mm3计算弯曲应力截面最大弯矩M 397500N ? mm截面最大扭矩T388366. 7N ? mm将弯曲应力看成对称循环应力求解，有：maxM/W 397500 / 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：T / 2 T /( 2WT )388366. 7 /( 2 42411. 5)4. 58MPa4. 58MPa按疲劳强度计算安全系数S 1 /( K a /( )m)268/( 118. 74 /( 0.950.81)0.340)11.00S 1 /(K a /(
14、)m)155/( 14. 58 /( 0.950.76)0.214.58)21.22综合安全系数11. 00 21. 22 9. 7711. 002 21.222有效应力集中系数K=2.26K=2.14绝对尺寸系数=0.84=0.78加工表面的表面质量系数=0.95应力总数弯曲=0.34扭转=0.21计算抗弯模量与抗扭模量Wd 3 / 32453 / 32 8946. 2mm3WTd3 / 16453 / 16 17892. 4mm3计算弯曲应力(4) 计算截面处的安全系数397500 / 100 36143100N ? mm截面最大弯矩截面最大扭矩T 388366. 7N ? mm 将弯曲应
15、力看成对称循环应力求解，有：maxM/ W 143100 / 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：T/2T /( 2WT )388366. 7/( 2 17892. 4)10. 9MPaS1 /( Ka /( )m)268/( 2.2616.0/( 0.950.84)0.340) 5.91S1 /( Ka /( )m)155/( 2.1410. 9 /( 0.950.78)0.2110.9)4.59综合安全系数SS5. 914. 59a按疲劳强度计算安全系数Sca3.63S2S25.9124. 59210. 9MPa(5) 计算截面处的安全系数有效
16、应力集中系数K=1.81K=1.60绝对尺寸系数=0.84=0.78计算抗弯模量与抗扭模量Wd3 / 32WTd 3 / 16bt(d bt(dt )2 /( 2d) t )2 /( 2d)453 / 32 14453 / 16 145. 5( 45 5. 5)2 /( 2 45)5. 5( 45 5.5)2 /( 2 45)7611. 3mm316557. 5mm3加工表面的表面质量系数=0.95应力总数弯曲=0.34扭转=0.21计算弯曲应力截面处最大弯矩M 397500 /截面最大扭矩10028 111300N ? mmT 388366. 7N ? mm 将弯曲应力看成对称循环应力求解，
17、有：M/W 111300 / 7611. 3 14. 4MPamaxm0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 T / 2 T /( 2WT) 388366. 7/( 2 16557. 5)11. 7MPa11. 7MPama按疲劳强度计算安全系数S 1 /( Ka /( )m)268/( 1.81 S 1 /( K14. 4 /( 0.95 a /( )0.84)m)0.34 0)8.21155/( 1.6 综合安全系数 SSSca11.7/( 0.950.78)0.21 11.7)5.592 S28. 218.2125. 5925. 594.62综上所述：所校核截面的安全
18、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R1R12y R12z10632 668. 52 1255. 7NR2R22yR22z6238. 62 1128. 22 6339. 8N2. 计算派生轴向力R1Y2RS1 S21255. 72 1. 56339. 82 1. 5418.6N2113. 3N3. 求轴承轴向载荷A1max(S1, S2Fa)max(418. 6,2113. 3256)1857. 3NA2max(S2 , S1Fa)max(2113. 3,418. 6256)2113. 3N4.计算轴承当量动载荷A1185
19、7. 31.5e 0. 4R11255. 7查表，取 X1=0.4 ，Y1 =1.5A22113. 30.33e 0. 4R26339. 8查表9-6 ，取 X2=1， Y2=0查表 9-7 ，取 fd =1.5根据弯矩图可得， fm1 =1,f m2=2P1 f d f m1( X1R1Y1A1)1.51 (0.4 1255. 71.5 1857. 3) 4932. 3NP2fdfm2( X2R2Y2A2)1. 52 (1 6339. 80 2113. 3) 19019 . 4N5.计算轴承寿命因 P2P 1 ，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
20、得Cr=97800N 。L106 ft CrL10h60nP1061 9780010 / 326075. 4h 8000h6015019019. 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 dkl dhl 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 4 388366. 7 /( 45956)68. 5MPap2 4 388366. 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。