1、 东南大学机械工程学院 1 机械 设计大作业 轴系设计报告 姓 名： 文 轶 机械工程学院 2014 年 12 月 4 日 东南大学机械工程学院 2 目 录 1. 设计任务 . 3 2. 轴的结构设计 . 4 2.1. 关于轴的材料 . 4 2.2. 初步计算轴径 . 4 2.3. 轴的结构设计 . 4 2.3.1. 拟定轴上零件的布置方案 . 4 2.3.2. 轴上零件的定位及轴的主要尺寸的确定 . 4 3. 轴承寿命计算 . 6 3.1. 轴的受力分析 . 6 3.2. 轴承寿命计算 . 8 3.2.1. 计算附加轴向力 1sF 、 2sF 8 3.2.2. 计算轴承所受轴向载荷 . 8
2、3.2.3. 计算当量动载荷 . 9 3.2.4. 轴承寿命 hL 计算 9 4. 轴的强度校核 10 5. 仿真分析 12 6. 心得体会 13 7. 附录 14 东南大学机械工程学院 3 1. 设计任务 图示二级斜齿圆柱齿轮减速器。 已知中间轴传递功率 P = 20kW，转速 n2 = 300r/min；z2 = 93， mn2 = 6， 2 = 12, 宽度 b2 = 180mm; z3 = 21， mn3 = 8， 3 = 8， b3 = 110mm。轴材料： 45 钢调质。 1 2 3 4 n1 20 20 15 东南大学机械工程学院 4 2. 轴的结构设计 2.1. 关于轴的材料
3、轴的材料为 45 钢调质，硬度为 217225HBS。 查表 19.1 得对称循环弯曲许用应力 1 =180MPa。 2.2. 初步计算轴径 取 =0， A=110， 得 ： 3 3m in 201 1 0 4 4 .6300Pd A m mn 因轴上需要开键槽，会削弱轴的强度。故将轴径增加 4%5%，取轴的最小直径为50mm。 2.3. 轴的结构设计 2.3.1. 拟定轴上零件的布置方案 主要部件有轴承（一对）、轴套、轴上齿轮，根据他们之间的装配方向、顺序和相互关系，轴上零件布置方案如图所示。 2.3.2. 轴上零件的定位及轴的主要尺寸的确定 2.3.2.1. 轴承的选择 根据前面已经得到的
4、初步计算的轴直径 ， d=50mm， 出于安全考虑 ， 轴的最小直径选为 55mm，根据轴的受力，选取 7211C 角接触滚动轴承， 其尺寸 d D B为 5 5 1 0 0 2 1m m m m m m。 2.3.2.2. 齿轮 、 轴承以及轴套的定位 东南大学机械工程学院 5 轴的中部通过阶梯轴向两边车削 ， 形成轴肩用于定位两个齿轮 。齿轮 2 齿宽为180mm，配合轴段应比齿宽略短，取 L=178mm。同样的，右边的齿轮 3 齿宽为 110mm，配合轴段取为 108mm。 由于齿轮不能直接用于定位轴承，所以用轴套定位，左边轴套长度为 25mm，右边轴套长度为 20mm（轴套长度由齿轮距
5、箱体内部距离决定）。再根据轴端伸出轴承 24mm（本例取 3mm） ，而轴承宽为 21mm，因而确定左右轴承轴段的长度分别为 51mm 和 46mm。 下面是各轴段直径的确定，首先，轴承段直径为 1 55d mm 。轴径变化一方面是定位，另一方面还需要能够承受一定的轴向力，因此轴肩 、轴环尺寸可取略大一些，一般可取 58a mm ，因而第二轴段直径取 2 60d mm ，轴 肩 直径 3 80d mm 。齿轮的周向定位采用平键，一般取平键长 度 小 于 轮 毂 大 约 1020mm ， 由 此 确 定 齿 轮 2 所 用 键 的 尺 寸 为1 8 1 1 1 2 5 ( / 1 0 9 6 )
6、m m m m m m G B T ， 齿轮 3 所 用 键 的 尺 寸 为1 8 1 1 5 0 ( / 1 0 9 6 )m m m m m m G B T 。 2.3.2.3. 轴结构的工艺性 取轴端倒角 2 45o ，按规定确定各轴肩以及轴环的圆角半径，左右轴颈留有砂轮越程槽，键槽位于同一轴线上。 东南大学机械工程学院 6 3. 轴承寿命计算 3.1. 轴的受力分析 将四周的螺栓对轴系的力简化为 滚动轴承 作用在轴上的支力。 齿轮尺寸： 2 2 2 6 9 3 5 5 8d m z m m 3 3 3 8 2 1 1 6 8d m z m m 齿轮受到力矩 ： 9 .5 5 / 9 .
7、5 5 2 0 0 0 0 / 3 0 0 6 3 6 .6 7M P n N M 齿轮 2 受到 周向力： 22222 2 636666 2232/ c os 558 / c os 12t TFNd 齿轮 3 受到周向力： 东南大学机械工程学院 7 33332 2 636666 7506/ c os 168 / c os 8t TFNd 齿轮 2 受到径向力： 2222tan tan 202232 830c os c os 12rtF F N 齿轮 3 受到径向力： 3333tan tan 207506 2759c os c os 8rtF F N 齿轮 2 受到轴向力： 2 2 2ta n
8、 2 2 3 2 ta n 1 2 4 7 5atF F N 齿轮 3 受到轴向力： 3 3 3ta n 7 5 0 6 ta n 8 1 0 5 5atF F N 因此 ， 总的轴向力为 ： 23 4 7 5 1 0 5 5 5 8 0a a aF F F N 求 竖直面内两轴承所受径向载荷 ： 3 3 1 1 2 3 2 2 3( ) ( ) 0r v rF L F L L L F L L 1 74vFN 3 1 2 2 1 2 3 2 1( ) ( ) 0r v rF L L F L L L F L 2 1855vFN 求 水平 面内两轴承所受径向载荷 ： 3 3 1 1 2 3 2 2
9、 3( ) ( ) 0t H tF L F L L L F L L 1 3194HFN 3 1 2 2 1 2 3 2 1( ) ( ) 0t H tF L L F L L L F L 2 6544HFN 故两轴承所受总径向载荷为 ： 东南大学机械工程学院 8 221 1 1 3195vHF F F N 222 2 2 6801vHF F F N 3.2. 轴承寿命计算 根据工作情况 ， 选择的轴承为 7211C。查手册得： 05 2 9 0 0 ; 4 0 2 0 0rC N C N 1.0pf （轴承所受载荷平稳） 3.2.1. 计算附加轴向力 1sF 、 2sF 7211C 型轴承的附加
10、轴向力为： 0.5srFF 由此可得左右两轴承的附加轴向力分别为 ： 110 .5 0 .5 3 1 9 5 1 5 9 7srF F N 220 .5 0 .5 6 8 0 1 3 4 0 1srF F N 3.2.2. 计算轴承所受轴向载荷 由于 ： 12(1 5 9 7 5 8 0 ) 2 1 7 7s a sF F N N F 所以左边轴承被 “压紧”，右边轴承被“放松”。 由此可得 ： 12- 2821a s aF F F N 223401asF F N 东南大学机械工程学院 9 3.2.3. 计算当量动载荷 对于轴承 1： 102821 0.0740200aFC 查表插值取得 ：
11、1 0.44e ， 计算 ： 1 112821 0.883195arF eF 查表取 ： 110.44, 1.27XY， 由此可得 ： 1 1 1 1 1( ) 1.0 ( 0.44 319 5 1.27 282 1 ) 498 8p r aP f X F Y F N N 对于轴承 2： 203401 0.084640200aFC 查表插值取得 ： 2 0.45e ， 计算 ： 2 223401 0.506801arF eF 查表取 ： 220.44, 1.24XY， 由此可得 ： 2 2 2 2 2( ) 1.0 ( 0.44 680 1 1.24 340 1 ) 721 0p r aP f
12、 X F Y F N N 3.2.4. 轴承寿命 hL 计算 因 21PP ， 故按轴承 2 计算轴承寿命： 3661 0 1 0 5 2 9 0 0 219436 0 6 0 3 0 0 7 2 1 0h CL h hnP 高于预期使用寿命 ， 因此选用轴承合格 。 东南大学机械工程学院 10 4. 轴的强度校核 对于本例 ， 采用 弯扭合成校核 的方法。 根据 3 中内容，现已知以下数据： 232 2 3 2 , 7 5 0 6ttF N F N 238 3 0 , 2 7 5 9rrF N F N 234 7 5 , 1 0 5 5aaF N F N 7 4 , 1 8 5 5VA VD
13、F N F N 3 1 9 5 , 6 8 0 1H A H DF N F N =125.5ABL mm =165BCL mm =85.5CDL mm 由此可以计算轴的弯矩 ， 并作出弯矩图 。 截面 B 弯矩： 1 2 5 .5 3 1 9 5 4 0 0 9 7 2 .5H B A B H AM L F N m m 1 1 2 5 .5 7 4 9 2 8 7V B A B V AM L F N m m 2 2 2 / 2 1 4 1 8 1 2V B A B V A aM L F F d N m m 截面 C 弯矩： 8 5 .5 6 8 0 1 5 8 1 4 8 5 .5H C C
14、D H DM L F N m m 1 8 5 .5 1 8 5 5 1 5 8 6 0 2 .5V C C D V DM L F N m m 2 3 3 / 2 2 4 7 2 2 2 .5V C C D V D aM L F F d N m m 对弯矩进行合成 ： 2211 401080B V B H BM M M N m m 2222 425311B V B H BM M M N m m 东南大学机械工程学院 11 2211 602727C V C H CM M M N m m 2222 631858C V C H CM M M N m m 对强度进行校核 ： 取 0.7 （单向转动，转矩
15、按脉动变化）， 0 （实心轴），考虑键槽的影响，1d 乘以 0.94，则有： 22 222133() 6 3 1 8 5 8 ( 0 . 7 6 3 6 6 6 6 ) 4 3 . 1 0 . 1 0 . 1 ( 0 . 9 4 6 0 )CeMT M P a M P ad 因此符合强度要求 ， 故 安全。 东南大学机械工程学院 12 5. 仿真分析 划分网格如图所示 ， 添加扭矩 、 离心力 ，分析轴的应力分布情况。 从输出结果可以看出轴的整体应力分布情况较好，没有出现大面积的应力集中，结构设计较为合理，能够满足使用要求。 东南大学机械工程学院 13 6. 心得体会 经过了几个星期的时间，终
16、于完成了这次的机械设计大作业，比一开始想象的要复杂，但是确实也学习到了很多的东西。 首先是对轴系设计的新的认识。在一开始学习轴系设计的时候，对它的认识还停留在纸面的程度，但是当自己动手去做的时候，才真正搞清楚了轴系设计细节的各个方面。从一开始粗略计算所需要的轴径，再一步一步地安排零件的布置，选择各种标准件，调整零件之间的配合关系，最后对设计方案进行检查，进行强度校核，从而完成整个设计，这让我加深了对机械设计的认识，也感受到进行机械设计的魅力和乐趣。 这次也学习到了很多对于软件应用方面的东西。以前对于 Solidworks 这样一个工具，只是认识到这是一个强大的设计工具，但这次大作业给了我亲手实
17、 践的机会，让我能够掌握这个强大的工具的一些简单应用，也拓宽了我的视野， Solidworks 的应力分析以及其他后续分析功能更让我眼前一亮，让我对它的认识不仅仅停留在是一个绘图工具而已，还可以进行复杂的仿真运算，从而进一步完善设计。 而最后的工程图和装配图花了我很长的时间，在 Solidworks 中，从 3D 模型建立工程图时，总是有许多参数、标注等不符合规范，因此使用了 CAD 绘制工程图和装配图，也进一步熟练了自己对 CAD 的应用能力。虽然画的时间长了点，但是还是有很多收获的。 我认为这样的设计类型的大作业能够让我们动 手操作，在实践中学习书本上学不到的东西，对于以后立志从事机械工程相关工作的我们来说是很有意义的。 东南大学机械工程学院 14 7. 附录 工程图及装配图 。 见附页 。
