机械设计：轴系设计方案

6.轴系装配图----------------------------------------------------8
7.参考文献------------------------------------------------------8
1.设计题目及要求
图示二级斜齿圆柱齿轮减速器，已知中间轴Ⅱ的输入功率P＝40kW，转速nⅠ＝100r/min，齿轮2的分度圆直径d２＝688mm，螺旋角β２＝12°50′，齿轮3的分度圆直径d３＝170mm，螺旋角β３＝10°29′。本设计报告要求完成：
3.4.3.校核薄弱截面---------------------------------------6
3.5.轴的安全系数校核计算-----------------------------------6
4.轴承的选型与校核---------------------------------------------7
传递到轴系部件上的转矩为：
计算齿轮2有关系数：
圆周力:
径向力:
轴向力:
计算齿轮3有关系数：
圆周力:
径向力:
轴向力:
3.4.2绘制轴受力图
我们可以根据上一步的齿轮受力结果绘制节点受力简图，后根据节点受力简图即可方便得到轴的分段弯矩公式，最后利用Excel表格的x-y坐标图工具由弯矩公式求得水平与垂直两方向的弯矩图，如下图4.2.1，4.2.2。
[2]机械设计手册/闻邦椿主编-机械工业出版社
[3]机械工程师设计手册-电子版/北京英科宇科技开发中心
本例中轴键主要用于在扭转方向固定齿轮与轴，考虑到减速器需要良好的对中性，并且应该能够适应变载荷受力情况，普通型平键可以满足设计需求。参阅GB/T 1096-2003标准，为保证键连接的强度，选用尺寸为28×16的键较为适宜，最终得到初步设计结果。
[图]2主轴零件图
3.4轴的受力分析
3.4.1计算齿轮受力
3.4.轴的受力分析--------------------------------------------4
3.4.1.计算齿轮受力---------------------------------------4
3.4.2.绘制轴受力图---------------------------------------5
1.中间轴Ⅱ的结构设计和强度校核。
2.选择轴Ⅱ所用轴承类型和型号，并计算轴承的寿命
3.绘出轴系Ⅱ的装配结构草图（轴、轴承、齿轮、套筒、轴肩、键）
2.设计效果图及说明
本设计效果图如下图所示，设计渲染图由SolidWorks2014与PhotoView360软件制作，在下图中，从左到右依次分别为32917X2圆锥滚子轴承，主轴，28x16普通平键，688mm圆柱斜齿，2mm套筒，170mm圆柱斜齿，4mm套筒以及32917X2圆锥滚子轴承。
对于轴承1：
对于轴承2：
通过查阅预期寿命L10的参考值，对于每天工作八小时的机械其参考值为14000-30000，若每天运转8小时，则轴承可持续使用约14年，满足设计需求。
5.主轴零件图参考文献
[1]机械设计/陈秀宁，顾大强主编-浙江大学出版社，2011.1
[图]1设计效果图
3.主轴设计与校核
3.1.轴材料选择
通过已知条件和查阅相关的设计手册得知，该传动机所传递的功率属于中型功率，主要承受扭矩，故选择45号钢，并进行调质处理。由于45号钢成本适中，是轴的常用材料，且经过调质处理后，可提高其综合性能，所以选为本轴的制作材料。
3.2.估算轴的最小直径
对于转轴，按扭转强度初算直径公式为：
之后我们可以利用上一步的数据合成弯矩M，绘制弯矩图得到4.2.3，最后一步绘制扭矩T图，并将M图T图两图合并成当量弯矩Me，下图中4.2.5就是最终得到的当量弯矩图，在合成当量弯矩时，系数a近似于0.6。
3.4.3校核薄弱截面
通过观察当量弯矩图可发现，位于x=325处的截面A是当量应力最大面，故A也为本杆件的危险截面，下面通过计算校核截面A。
4.轴承的选型与校核
4.1.轴承选型
通过4.1中的载荷计算可通过静力学推导得轴承1(齿轮2上方)，受径向力Fr=2301.8 N,轴向力Fa=5799N，轴承2(齿轮3下方)，受径向力Fr=10184.7N，为了保证机械整体安装方便与稳定性，需要选择轴向力与径向力承载能力俱佳的轴承，在参考教材表14-1的轴承主要类型与特性表后，我认为在本设计中，圆锥滚子轴承能够满足设计需求。
薄弱截面的校核公式为：
其中Me为截面当量弯矩，在4.2中已求出，具体数值可参见对应excel表格，通过查表得到Me(A)=6005385N mm， 为轴的许用弯曲应力，通过查表可知调制45#钢对于抗拉强度σB=650，对应 值可近似取65。分别计算得到：
查看设计图纸可知，A截面处均有键槽，故实际直径应比计算值多出5%-7%，则在考虑键槽应力集中的情况下:
原设计中，da=110mm，均满足校核条件，故原设计合格，能够满足设计需求。
3.5.轴的安全系数校核计算
下面校核危险截面的安全系数。参考机械设计课本294页公式：
为考虑弯矩时的安全系数， 为考虑转矩时的安全系数, 、 为材料对称循环的弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限，通过查机械设计教材表12-1可知45号钢调质处理， =275MPa， =155MPa。 为弯曲时和扭转时轴的有效应力集中系数，由表12-4查普通平键有效应力集中系数表可得两系数分别取1.76，1.54。 为零件的绝对尺寸系数，查表12-7可得两系数分别取0.73与0.72。 为表面质量系数取0.925， 为弯曲时和扭转时的等效系数，取0.2与0.1。σa、σm为弯曲应力的应力幅和平均应力，τa,τm为扭转剪应力的应力幅和平均应力。
3.1.轴材料选择----------------------------------------------3
3.2.按转矩估算轴的最小直径---------------------------------3
3.3.轴的结构设计--------------------------------------------3
1.设计题目及要求------------------------------------------------2
2.设计效果图及说明----------------------------------------------2
3.主轴设计与校核------------------------------------------------3
对于σa、σm、τa、τm由于之前在绘制弯矩扭矩图中，具体数值已由excel表格公式求出，此处直接查表带入基础材料力学公式即求，此处不赘述。在带入相关系数后可求得最终结果。
在本设计方案中，材料选择调制处理45#钢，材质均匀，载荷与应力计算精确，[S]取1.5。因此S>[S]，轴的危险截面A有足够的疲劳强度，满足设计需求，校核完成。
在公式中，P为轴传递的功率，此例中P=40KW，n为轴的转速，C为常数，查机械设计教程中表12-2可知C的范围是118-107，由于此例中轴主要作用是传递扭矩，扭矩小于弯矩，C取110。求得：
考虑到有键槽等应力集中源，将直径加大5%后得到：
3.3轴的结构设计
由于本设计中的轴需要安装齿轮、轴承等零件，并且各处受力不同，因此，设计成阶梯轴形式，如右图所示。在本图中，轴从上到下依次固定齿轮3，套筒，齿轮2最终两端由轴承固定，实现传动轴的目的。
由于在轴设计部分中，两端轴承内径d=85mm,参考设计手册GB/T 297-1994，得到可选用的轴承共12种型号。通过基本额定载荷Cr可初步判定，轴承32917- X2额定载荷Cr=74.2KN，满足本设计的承载条件。
4.2.轴承寿命计算
GB/T 297-1994中规定，径向当量动载荷：当Fa/Fr≤e，Pr＝Fr；当Fa/Fr＞e，Pr＝0.4Fr+YFa。通过查表可知，轴承32918-X2：e=0.26，Y=2.3。下面分别校核轴承1与轴承2。
4.1.轴承选型----------------------------------------------------7
4.2.轴承寿命计算------------------------------------------------8
5.主轴零件图----------------------------------------------------8
题 目轴系设计方案___
姓 名_____ ________ _余楠__________ ___ _____
学 号________**********_________________
授课教师________顾大强________________
专 业_____机械电子专业(混合班)___________