哈工大机械设计大作业5.1.4轴系设计

哈工大机械设计大作业5.1.4轴系设计Harbin Institute of Technology机械设计大作业说明书大作业名称：机械设计大作业设计题目：轴系部件设计班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：哈尔滨工业大学目录一、设计任务 (1)二、轴的材料选择 (2)三、初算轴径d (2)min四、结构设计 (3)1.轴承部件的结构型式 (3)2. 轴的结构设计 (3)五、轴的受力分析 (7)1.轴系部件受力分析 (7)2.计算支反力 (8)3.绘制弯矩图、扭矩图 (9)六、校核轴的强度 (10)七、校核键的强度 (12)八、校核轴承寿命 (12)九、参考文献 (14)一、设计任务设计带式运输机中的齿轮传动高速轴的轴系部件，带式运输机机构简图如图1.1所示。

图1.1 带式运输机机构简图机器工作平稳，单向回转、成批生产。

方案dP（kW）(/min)mn r(/min)wn r1i轴承座中心高H（mm）最短工作年限L工作环境5. 1.2.2 940 802.11605年2班室内二、轴的材料选择因传递功率不大，且对质量及结构尺寸无特殊要求，故需选用常用材料45钢，调质处理。

三、初算轴径min d对于转轴，按扭转强度初算轴径，由参考文献[1]查表9.4得 C =118~106,取C =118，则min d = 1d P P η= 式中： 1η——V 带的传动效率。

由参考文献【3】表9.1得，取10.96η=，代入上式，得1P 0.96 2.2 2.11d P kW kW η=⨯=⨯=min 11819.79d mm === 考虑有一个键槽的影响，取min 19.79 1.0520.78d mm mm =⨯=。

圆整取min 22d mm =。

四、结构设计1.轴承部件的结构型式为方便轴承部件的拆装，传动轴机体采用剖分式结构，因传递功率比较小,输出部分齿轮为直齿轮，没有轴向力，大带轮对轴作用力指向轴心，无轴向力，且装置发热小，轴的变形可以忽略，因此轴承选用深沟球轴承，采用两边固定方式支撑，采用脂润滑，密封处轴颈的线速度较低，但工作环境有尘,故滚动轴承采用接触式密封。

可按轴上零件的安装顺序(附图1)，从d min 处开始设计。

2. 轴的结构设计本题中有7个轴段的阶梯轴，以外伸轴颈d 1为基础，考虑轴上零件的受力情况，轴上零件的装拆与定位固定、与标准件孔径的配合、轴的表面结构及加工精度等要求，逐一确定其余各段的直径。

轴的轴向尺寸要考虑轴上零件的位置、配合长度、支承结构情况、动静件的距离要求等要素，通常从与传动件相配的轴段开始。

（1）轴段1轴段1上安装有大带轮，轴径与带轮轮毂相配。

初定轴径d min 为轴段1直径，经圆整后取为22mm 。

由V 带传动设计作业得大带轮基准直径为210mm ，故应采用腹板式结构，相关尺寸计算如下：1(1.5~2)33~44L d mm ==。

大带轮左端采用轴端挡圈固定，因此，应使轴段长度比带轮轮毂长度略小，所以取144;42L mm l mm ==。

（2）轴段2轴段2和轴段6的确定应考虑齿轮、带轮的轴向固定和密封圈的尺寸。

带轮右端固定为轴肩固定，轴肩高度h 取1(0.07~0.1) 1.54~2.2h d mm ==，所以得轴段2直径225.08~26.4d mm =，但考虑到毡圈尺寸要求 选择225d mm =。

毡圈和槽的尺寸为：100392473826612D mmd mmB mmD mmd mmb mmmm δ=======图4.1（3）轴段3、5轴段3和轴段5用于轴承的安装，其直径应比2d 稍大且满足方便轴承安装并符合轴承内径系列，故取330d mm =。

由参考文献【3】表12.1得轴承型号为6306，其基本参数如下：30;72;19d mm D mm B mm ===内径外径宽度。

由于两轴承之间没有传动件，不需要挡油环，右侧靠轴肩固定，左侧由轴承端盖压紧，轴承的润滑方式根据速度因数来确定530447.6213428.6mm rpm<1.510dn mm rpm mm rpm =⨯=⋅⨯⋅故应采用脂润滑，用唇形密封圈进行接触式密封。

通常，同一根轴上的两个轴承采用相同型号，故轴段5的轴径530d mm =。

轴段3和轴段5的长度与轴承宽度相同，取3519l l mm ==。

（4）轴段4对于两支点在同一轴承座内而支点间无传动件的情况，应首先确定两轴承间的跨距3(2~3)60~9079L d mm mm ===故轴段4的长度460l L B mm =-=。

左侧轴承的右端及右侧轴承的左端均靠轴段4的轴肩进行固定，轴肩高3(0.07~0.1) 2.1~3 2.5h d mm mm ===,故435d mm =。

（5）轴段6 轴段6可取与轴段2相同结构，625d mm =。

（6）轴段7由齿轮传动设计大作业知小齿轮宽130b mm =，小齿轮右侧用轴端挡圈固定，取轴段7长度728l mm =。

取轴径与轴段1相等，即722d mm =。

其中小齿轮为实心式结构。

（7）轴承端盖图4.2选取凸缘式轴承端盖，轴承端盖与机座用M8X 20的螺钉固定。

轴承端盖其余尺寸如下：323021.2 1.289.610(5~5.5)112~116112;0.5()92;15;e d mm mm mmD D d mm mm D D D mm m mm ==⨯=≈=+=≈=+==突缘厚度突缘直径螺钉定位圆直径轴承盖与机体配合长度轴承端盖与机体外部零件间隙K 取15mm 。

得到轴段6长度6(151015)40l K e m mm mm =++=++=。

由于大带轮较大，设计成腹板式结构，故轴段2长度266()5044(40)43222B L l l l mm mm ---=+=+=+=带轮宽度轮毂宽度 故各轴段长度和直径均确定下来，取轴承宽度中点为支点，取带轮和齿轮轮毂长度中心点作为力的作用点，得跨距12373.5,79,63.5L mm L mm L mm ===。

（8）轴承座结构设计两轴承间无零件，选用整体式轴承座即可，相关尺寸由轴、轴承、凸缘式端盖可确定。

（9）键连接及轴端挡圈带轮及齿轮的周向固定采用A 型普通平键，其尺寸分别为： 带轮处6636⨯⨯；齿轮处6625⨯⨯。

图4.3如图4.2，查参考文献【3】表11.22，得两侧轴端挡圈的尺寸如下：130;7.5;4;5.5;2.1D mm L mm H mm d mm d mm =====。

轴端固定用螺栓采用M6X20。

五、轴的受力分析1.轴系部件受力分析轴的受力简图如下：图5.1在齿轮传动中小齿轮参数：117;4;z m ==1141768d mz mm mm ∴==⨯=。

忽略齿轮与带轮传动转矩误差与损失，则：66 2.119.55109.551045016.98447.62P T N mm N mm n =⨯⨯=⨯⨯⋅=⋅。

带轮对轴的压力为：868.08Q F N=齿轮上的圆周力：2245016.981324.03;68tan 1324.03tan 20481.91t r t T F N N d F F N N α⨯====⋅=⨯=o 。

2.计算支反力在水平面上31212()r Q R H F L F L L F L ⋅-+=，带入数据得3121221()481.9163.5868.08(73.579)1288.37(79(868.081288.37481.91)61.62()r Q R H R H Q R H r F L F L L F N N L F F F F N N ⋅-+⨯-⨯+===-=---=-+-=-与图示方向相反与图示方向相反。

在竖直平面内312211324.0363.51064.25;791064.251324.032388.28()t R V R V R V t F L F N N L F F F N N N ⋅⨯====--=--=-与图示方向相反。

所以，得到轴承1的总支反力11671.09,R F N ===轴承2的总支反力22389.07R F N ===。

3.绘制弯矩图、扭矩图在水平面上： 轴承1截面左侧1868.0873.563803.88;aH Q M F L N mm N mm =⋅=⨯⋅=⋅轴承2截面右侧3481.9163.530601.29bH r M F L N mm N mm =⋅=⨯⋅=⋅。

在垂直面内：31324.0363.584075.91bV t M F L N mm N mm =⋅=⨯⋅=⋅。

合成弯矩： 在1截面63803.88;a M mm N mm ==⋅=⋅在2截面89471.77b M mm N mm ==⋅=⋅。

弯矩图、扭矩图如下：轴段① 轴段② 轴段③轴段④ 轴段⑤ 轴段⑥ 轴段⑦图5.2六、校核轴的强度根据轴的受力分析，得到右侧轴承处，也就是截面2为危险截面。

查参考文献【1】表9.6得3333330.10.1302700;0.20.2305400T W d mm W d mm ==⨯===⨯=抗弯截面模量抗扭截面模量。

弯曲应力89471.7733.142700b M MPa MPa W σ===33.14,0a b m MPa σσσ===。

扭转切应力45016.988.34;54008.344.1722T T Ta m T MPa MPa W MPa MPa ττττ=======。

对于调制处理的45钢，查参考文献【1】表9.3得11650;300;155b MPa MPa MPa σστ--===。

查参考文献【1】得材料的等效系数0.20.1στψψ==、。

轴承配合采用有较大过盈的过渡配合，查参考文献【1】表9.11得1.97 1.51K K στ==、。

查参考文献【1】表9.12得绝对尺寸系数0.910.89στεε==、。

轴磨削加工时的表面质量系数由参考文献【1】表9.9差得.β=10。

安全系数113004.18;1.9733.141.00.9115520.69;1.514.170.1 4.171.00.894.1b m a mS K S K S σσσσττττσσψσβεττψτβε--===⨯+⨯===⨯+⨯+⨯===。

由参考文献【1】知，许用安全系数[] 1.3~1.5S =,[]S S >所以截面2安全。

对于一般用途的转轴，也可按弯扭合成强度进行校核计算。

对于单向转动的转轴，通常转矩按脉动循环处理，故取折合系数0.6α=，则当量应力34.62e MPaσ===。

已知轴的材料为45钢，调制处理，查参考文献【1】表9.3得650b MPa σ=，由表9.6得1[]60b MPaσ-=。

1[]e bσσ-<,所以截面2满足强度要求。