目 錄
摘要…………………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………1
1 前言………………………………………………………………………………1
2 整體方案確定……………………………………………………………………2
2.1 確定傳動(dòng)方案………………………………………………………………2
2.2 機(jī)構(gòu)類型選擇 ……………………………………………………………3
3 小型芋頭去皮機(jī)設(shè)計(jì)………………………………………………………4
3.1 原動(dòng)機(jī)的選擇………………………………………………………………4
3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇………………………………………………………………4
3.2.1 電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式…………………………………………………4
3.2.2 電動(dòng)機(jī)的額定功率Pe……………………………………………………4
3.2.3 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速……………………………………………………………4
3.2.4 電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和外形,安裝尺寸…………………………………4
3.2.5 電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式………………………………………………5
3.3 計(jì)算傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比……………………………………5
3.3.1 傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比………………………………………………………5
3.3.2 配各級(jí)傳動(dòng)比……………………………………………………………5
3.4 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)………………………………………………5
3.4.1 各軸轉(zhuǎn)速……………………………………………………………5
3.4.2 各軸功率……………………………………………………………5
3.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩……………………………………………………………6
3.5 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………6
3.5.1 確定計(jì)算功率Pca…………………………………………………………6
3.5.2 選取V帶帶型…………………………………………………………6
3.5.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1并驗(yàn)算帶速v…………………………………6
3.5.4 確定V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld和中心距a……………………………………6
3.5.5 驗(yàn)算小帶輪上的包角α1………………………………………………7
3.5.6 計(jì)算V帶的根數(shù)zqazx………………………………………………7
3.5.7 計(jì)算預(yù)緊力F0……………………………………………………………7
3.5.8 計(jì)算作用在軸上的壓軸力Fp…………………………………………7
3.6 V帶輪設(shè)計(jì)……………………………………………………………7
3.6.1 選擇帶輪的材料………………………………………………………7
3.6.2 確定帶輪的結(jié)構(gòu)型式……………………………………………………7
3.6.3 計(jì)算基本結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………………………7
3.6.4 帶輪的其他結(jié)構(gòu)尺寸…………………………………………………8
3.7 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………9
3.7.1 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)………………………………9
3.7.1 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)…………………………………………………9
3.8 齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………12
3.8.1 幾何尺寸計(jì)算…………………………………………………………13
4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………13
4.1 輸出軸的設(shè)計(jì)……………………………………………………………13
4.1.1 計(jì)算軸上轉(zhuǎn)矩和齒輪的作用力………………………………………13
4.1.2 初算軸的最小直徑……………………………………………………14
4.1.3 選擇聯(lián)軸器…………………………………………………………14
4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………14
4.2.1 擬定軸上零件的裝配方案……………………………………………15
4.2.2 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度……………………15
4.2.3 軸上零件的周向定位………………………………………………15
4.2.4 確定軸上圓角和倒角尺寸……………………………………………15
4.2.5 求軸上的載荷…………………………………………………………15
4.2.6 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度………………………………………16
4.2.7 校核軸的疲勞強(qiáng)度……………………………………………………16
4.3 輸入軸的設(shè)計(jì)………………………………………………………………19
4.3.1 計(jì)算軸上轉(zhuǎn)矩和齒輪的作用力………………………………………19
4.3.2 初算軸的最小直徑……………………………………………………20
4.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………20
4.4.1 擬定軸上零件的裝配方案……………………………………………20
4.4.2 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度……………………20
4.4.3 軸上零件的周向定位…………………………………………………21
4.4.4 確定軸上圓角和倒角尺寸……………………………………………21
4.4.5 求軸上的載荷…………………………………………………………22
4.4.6 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度………………………………………22
5 軸上滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………22
5.1 輸入軸上滾滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)……………………………………………22
5.1.1 求比值…………………………………………………………………22
5.1.2 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P…………………………………………………22
5.1.3 求軸承應(yīng)有的基本額定載荷值………………………………………22
5.1.4 驗(yàn)算軸承的壽命………………………………………………………22
5.2 輸入軸上滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………23
5.2.1 求比值…………………………………………………………………23
5.2.2 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P………………………………………………23
5.2.3 求軸承應(yīng)有的基本額定載荷值………………………………………23
5.2.4 驗(yàn)算軸承的壽命………………………………………………………23
6 鍵聯(lián)接的選擇及校核計(jì)算………………………………………………24
6.1 齒輪鍵聯(lián)接的選擇及計(jì)算…………………………………………………24
6.2 V帶輪鍵聯(lián)接的選擇及計(jì)算………………………………………………24
6.3 半聯(lián)軸器鍵聯(lián)接的選擇及計(jì)算……………………………………………24
7 嚙合件及軸承的潤(rùn)滑… ………………………………………………………………25
8 波盤的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………25
9 總結(jié)…………………………………………………………………………………26
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………26
致謝…………………………………………………………………………………27
附錄…………………………………………………………………………………27
小型芋頭去皮機(jī)的設(shè)計(jì)
摘 要：通過對(duì)小型芋頭去皮機(jī)的正確分析，設(shè)計(jì)了去皮裝置。其目的是解決芋頭體積小，不易清洗去皮，靠人工清洗去皮費(fèi)力的技術(shù)問題主要是對(duì)莖類物質(zhì)清洗去皮。對(duì)芋頭去皮機(jī)的組成：波盤、帶輪、齒輪、軸等的選用及設(shè)計(jì)，校核帶輪、軸承及軸的壽命和使用強(qiáng)度，分析重要零部件的受力及載荷分布情況。用AutoCAD畫出了芋頭去皮機(jī)裝置的零件圖和裝配圖。
關(guān)鍵詞：去皮機(jī)；機(jī)械傳動(dòng)；莖類植物
The Design of Small Taro Peeled Machine
Author:
Tutor:
(Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract: The correct analysis of small taro peeled machine, designed the the peeled devices. Its purpose is to solve the taro, small size, easy to clean, peeled, labor-intensive technical problems by artificial washing peeled cleaning peeled stem substances. Selection and design of machine components: odds, pulley, gear, shaft, etc. of taro, peeled, check pulleys, bearings and shaft life and the intensity of use, analysis of the important parts of the force and load distribution. Taro peelers device parts and assembly drawings using AutoCAD to draw.
Key words：Small taro peelers;Mechanical transmission;Stem of plant
1 前言
在60年代，荷蘭最大的馬鈴薯加工企業(yè)多數(shù)是法式薯?xiàng)l生產(chǎn)商。隨著生產(chǎn)線能力的迅速擴(kuò)大，廢水問題成了荷蘭社會(huì)的焦點(diǎn)。荷蘭政府不得不提高水污染稅，事實(shí)上，荷蘭是世界上第一批采取此措施的國(guó)家之一。結(jié)果，荷蘭馬鈴薯加工設(shè)備制造商們不得不找到降低水污染的解決途徑。所以，荷蘭和美國(guó)有世界先進(jìn)的去皮系統(tǒng)生產(chǎn)商。?
在馬鈴薯加工過程中，考慮到降低成本和產(chǎn)品質(zhì)量，蒸汽去皮已經(jīng)成為最重要的一環(huán)。這也是高達(dá)人30年來致力于去皮技術(shù)的原因。把目標(biāo)設(shè)在降低生產(chǎn)成本，高達(dá)公司在不斷的發(fā)展改進(jìn)中取得了成功。在過去的十年中，公司的一些機(jī)器已經(jīng)履行降低去皮損失的使命。?
????除了已有的8個(gè)世界專利和一些專利申請(qǐng)，高達(dá)最新研制的分離-定子去皮機(jī)/刷加帶式清皮機(jī)（Sepa-Stator/ brush-n-belt）去皮生產(chǎn)線已經(jīng)投放市場(chǎng)多年。事實(shí)上，在歐洲，美國(guó)，加拿大，澳大利亞，日本，中國(guó)等國(guó)家的大型馬鈴薯和蔬菜加工商都在使用高達(dá)的機(jī)器，而這些機(jī)器已經(jīng)達(dá)到45噸/小時(shí)的生產(chǎn)能力。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，開泰公司通過吸收國(guó)內(nèi)外對(duì)根薯類加工機(jī)械的特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造出了土豆去皮機(jī)，該設(shè)備采用毛刷原理廣泛適用于胡蘿卜、山芋、馬鈴薯、紅薯等根薯類蔬菜的清洗、除皮。接著該公司又相繼開發(fā)出了高壓清洗去皮機(jī)，氣泡清洗去皮機(jī)，水流清洗去皮機(jī)，滾筒清洗去皮機(jī)，毛刷清洗去皮機(jī)等，這些設(shè)備的清洗去皮技術(shù)功能完善，操作簡(jiǎn)單，而且破損率低[1]。
2 整體方案確定
2.1 確定傳動(dòng)方案
機(jī)器通常由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)三部分組成。傳動(dòng)裝置位于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并可用以改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的大小或運(yùn)動(dòng)形式，以適應(yīng)工作機(jī)功能要求。傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)整臺(tái)機(jī)器的性能、尺寸、重量和成本都有很大的影響，因此應(yīng)當(dāng)合理地?cái)M定傳動(dòng)方案。
傳動(dòng)方案一般用運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表示。擬定傳動(dòng)方案就是根據(jù)工作機(jī)的功能要求和工作條件，選擇合適的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型，確定各類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置順序以及各組成部分的聯(lián)接方式，繪出傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。該機(jī)的工作機(jī)主要是靠波盤的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)芋頭進(jìn)行去皮，所以在這里我主要的構(gòu)思是利用齒輪傳動(dòng)來帶動(dòng)波盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。
考慮因素如下：
1）帶傳動(dòng)承載能力較低，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸較大，但傳動(dòng)平穩(wěn)，能緩沖吸振，因此應(yīng)布置在高速級(jí)。
2）開式齒輪傳動(dòng)的工作環(huán)境一般較差，潤(rùn)滑條件不好，容易損，壽命短，應(yīng)布置在低速級(jí)。
根據(jù)工作機(jī)的功能要求個(gè)工作條件，初步給出以下傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。
圖1 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig 1 Movement diagram
2.2 機(jī)構(gòu)類型選擇
選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型時(shí)應(yīng)綜合考慮各有關(guān)要求和工作條件，例如工作機(jī)的功能；對(duì)尺寸、重量的限制；環(huán)境條件；制造能力；工作壽命與經(jīng)濟(jì)要求等。選擇類型的基本原則：
1)傳遞大功率時(shí)，應(yīng)充分考慮提高傳動(dòng)裝置的效率，以減少能耗、降低運(yùn)行費(fèi)用。這時(shí)應(yīng)選用傳動(dòng)效率高的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如齒輪傳動(dòng)。而對(duì)小功率傳動(dòng)，在滿足功能條件下，可選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的傳動(dòng)形式，以降低初始費(fèi)用（制造費(fèi)用）[2] 。
2)載荷多變和可能發(fā)生過載時(shí)，應(yīng)考慮緩沖吸振及過載保護(hù)問題。如帶傳動(dòng)，采用彈性聯(lián)軸器或其他過載保護(hù)裝置。
3)傳動(dòng)比要求嚴(yán)格、尺寸要求緊湊的場(chǎng)合，可選用齒輪傳動(dòng)或蝸輪傳動(dòng)。但應(yīng)注意，蝸桿傳動(dòng)效率低，故常用于中小功率、間歇工作的場(chǎng)合。
4)在多粉塵、潮濕、易燃、易爆的場(chǎng)合，宜選用鏈傳動(dòng)、閉式齒輪傳動(dòng)或蝸桿傳動(dòng)，而不采用帶傳動(dòng)或摩擦傳動(dòng)。
綜上所述可采取圖1所示方案。
3 小型芋頭去皮機(jī)設(shè)計(jì)
3.1 原動(dòng)機(jī)的選擇
與被驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械連接簡(jiǎn)單，且大多為室內(nèi)作業(yè)，功率較小，維修方便，種類和型號(hào)較多等，即確定原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)[3]。
3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
一般選用同步轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min的電動(dòng)機(jī)，所需轉(zhuǎn)速為nw=400r/min～750r/min，因此傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比約為2或3[4]。
3.2.1 電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式
因?yàn)橛箢^去皮周圍環(huán)境潮濕，選用一般用途的Y（IP44）系列三相異步電動(dòng)機(jī)，臥式封閉結(jié)構(gòu)。
3.2.2 電動(dòng)機(jī)的額定功率Pe
Pe=1.5kw
3.2.3 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
為了便于選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，先推算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)》表2–1查得V帶傳動(dòng)常用傳動(dòng)比范圍i1′=2～4,直齒輪傳動(dòng)比范圍i2′=2～3，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可選范圍為：
N=nw×i1′×i2′=1800 r/min～5400r/min （1）
可見只有同步轉(zhuǎn)速為3000r/min可符合上面的要求
表1 電機(jī)技術(shù)參數(shù)
Table 1 Motor Technical Parameters
方案
電機(jī)型號(hào)
額定功率（kw）
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
同步 滿載
電動(dòng)機(jī)質(zhì)量（kg）
裝置傳動(dòng)比
總比 V帶 單級(jí)圓錐齒輪減速器
1
Y90S-2
1.5
3000 2840
22
6.31 3 2.10
2
Y90L-4
1.5
1500 1400
27
3.11 2.7 1.15
3
Y100L-6
1.5
1000 940
33
2.09 2 1.05
因此選定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y90S–2臥式電動(dòng)機(jī)[5]。
3.2.4 電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和外形、安裝尺寸
由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)》表12–1、12-3查出Y90S–2型電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和外形、安裝尺寸，并列表備用
3．3 計(jì)算傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比
3.3.1 傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比
i總===6.31 （2）
式中，為電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速，r/min; 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，r/min。
3.3.2 配各級(jí)傳動(dòng)比
取V帶傳動(dòng)比i1=3，則單級(jí)圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)比為
i2==≈2.10 （3）
所得i2值符合單級(jí)直齒輪減速器傳動(dòng)比的常用范圍。
3.4 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
3.4.1 各軸轉(zhuǎn)速
電動(dòng)機(jī)軸為0軸，減速器高速軸為Ⅰ軸，低速軸為Ⅱ軸，各軸轉(zhuǎn)速為
==2840r/min （4）
==≈947r/min （5）
= =≈450r/min （6）式中，為高速軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速，r/min；為低速軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速，r/min。
3.4.2 各軸功率
按電動(dòng)機(jī)額定功率Ped計(jì)算各軸輸入功率，即
P0=Pe=1.5kW （7） PⅠ=P0η1=1.5×0.96=1.44kW
PⅡ= PⅠη2η3=1.44×0.99×0.95=1.35Kw
式中：V帶傳動(dòng)η1=0.96；滾動(dòng)軸承η2=0.99；直齒圓柱齒輪傳動(dòng)η3= 0.95
3.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩
T0===5.04KN.m （8）
TⅠ===14.52KN.m （9）
TⅡ===28.59KN.m （10）
3.5 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.5.1 確定計(jì)算功率Pca
由機(jī)械設(shè)計(jì)表8-6查得工作情況系數(shù)KA=1.3,故
Pca=KAP=1.3×1.5kW =1.95kW （11）
式中：Pca為計(jì)算功率，KW；KA為工作情況系數(shù)；P為所需傳遞的額定功率，KW。
3.5.2 選取V帶帶型
根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-8確定選用Z型[6]。
3.5.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1并驗(yàn)算帶速v
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8–6和表8–8取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑dd1=71mm＞50mm,按式（8–13）驗(yàn)算帶的速度
v===10.552m/s<25m/s （12）帶的速度合適
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》dd2=idd1式，從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑dd2
dd2=i1dd1=3×71=213mm （13）
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8–8加以適當(dāng)圓整，取dd2=224mm。
3.5.4 確定V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld和中心距a
根據(jù)0.7(dd1+dd2)
0.07d，取h=5mm，則軸環(huán)處的直徑d5-6=46mm。軸環(huán)寬度b≥1.4h，取l5-6=10mm
(4)軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離l=30mm，故取l2-3=50mm
(5)再選滾動(dòng)軸承。因軸承右端受徑向及軸向力的作用，故選用角接觸球軸承。參照工作要求并根據(jù)d2-3=27mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列角接觸球軸承7206C，其尺寸為d×D×B=30×62×16，故d4-5= 30mm。
4.2.3 軸上零件的周向定位
齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。由機(jī)械設(shè)計(jì)表6-1查得平鍵截面半聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接b×h=5mm×5mm，長(zhǎng)為25mm；齒輪與軸配的聯(lián)接b×h=10mm×8mm；半聯(lián)軸器與軸的配合為H7/k6，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
4.2.4 確定軸上圓角和倒角尺寸
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-2，取軸端倒角為0.8×45°，各軸肩處的圓角半徑見圖軸2[17]。
4.2.5 求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于7206C型角接觸球軸承，由手冊(cè)中查得a=12.9mm。因此，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨距L2+L3=46mm+55mm=101mm。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。
圖5受力圖
Fig 5 Axis diagram
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。先將計(jì)算出的截面C處的MH、MV及M的值列于下表
表4 軸的危險(xiǎn)截面
Table 4 Dangerous section of the shaft
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
FNH1=227.17N,FNH2=520.28N
FNV1=33.07N，F(xiàn)NV2=75.75N
彎矩M
MH=17741.977N.mm
MV1=2582.767N.mm,MV2=2583.075N.mm
總彎矩
17928.98N.mm
17929.03N.mm
扭矩T
TⅡ=28590N.mm
4.2.6 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（15-5）及上表中的數(shù)值，并取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
σca===5.32MPa （50）
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得[σ-1]=60MPa[18]。因此σca<[σ-1]，故安全
4.2.7 校核軸的疲勞強(qiáng)度
1）判斷危險(xiǎn)截面
只需要校核截面Ⅶ的左右兩側(cè)
2）截面Ⅶ右側(cè)
抗彎截面系數(shù) w=0.1d3=0.1×303=2700mm3 （51）
抗扭截面系數(shù) wT=0.2 d3=0.2×303=5400mm3 （52）
截面Ⅶ右側(cè)的彎矩M為
M=17929.03×=10042.4N.mm
截面Ⅶ上的扭矩為TⅡ=28590N.mm
截面上的彎曲應(yīng)力
σb===3.72MPa （53）
截面上的扭轉(zhuǎn)矩應(yīng)力
τT===5.29 MPa （54）
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得σB=640MPa，σb-1=275MPa，τT=155MPa
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)ασ及ατ按《機(jī)械設(shè)計(jì)》附表3-2查取。因?yàn)?=0.033，==1.2，經(jīng)插值后可查得
ασ=2.10，ατ=1.67
又由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附圖3-1可得軸的材料的敏感系數(shù)為
qσ=0.75，qτ=0.77
故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式（附3-4）為
kσ=1+ qσ(ασ-1)=1+0.75×(2.10-1)=1.825 （55）
kτ=1+ qτ(ατ-1)=1+0.77×(1.67-1)=1.5159 （56）
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附圖3-2查得尺寸系數(shù)εσ=0.85；由附圖3-3得扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)ετ=0.87
軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù)為
βσ=βτ=0.92
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即βq=1，則按式（3-12）及（3-12a）得綜合系數(shù)值為
Kσ=+-1=+-1=2.23 （58）
Kτ=+-1=+-1=1.83 （59）
又由參考文獻(xiàn)得碳鋼的特性系數(shù)
Ψσ=0.1~0.2，取Ψσ=0.1
Ψτ=0.05~0.1，取Ψτ=0.05
于是，計(jì)算安全系數(shù)Sca值，得
Sσ===33.15 （60）
Sτ===31.17 （61）
Sca===22.7>>S=1.5 （62）
故可知其安全。
3）截面Ⅶ左側(cè)
抗彎截面系數(shù) w=0.1d3=0.1×363=4665.6mm3 （63）
抗扭截面系數(shù) wT=0.2 d3=0.2×363=9331.2mm3 （64）
截面Ⅶ右側(cè)的彎矩M為
M=17929.03×=10042.4N.mm
截面Ⅶ上的扭矩為TⅡ=28590N.mm
截面上的彎曲應(yīng)力
σb===3.72MPa （65）
截面上的扭轉(zhuǎn)矩應(yīng)力
τT===3.06 MPa （66）
ασ=2.10，ατ=1.67
過盈配合處的，由附表3-8用插入法求出，并取 =0.8，于是得
=1.90 =0.8×1.90=1.52
軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù)為
βσ=βτ=0.92
故得綜合系數(shù)值為
Kσ=+-1=1.90+-1=1.987 （67）
Kτ=+-1=1.52+-1=1.607 （68）
又由參考文獻(xiàn)得碳鋼的特性系數(shù)
Ψσ=0.1~0.2，取Ψσ=0.1
Ψτ=0.05~0.1，取Ψτ=0.05
于是，計(jì)算安全系數(shù)Sca值，得
Sσ===64.37 （69）
Sτ===61.14 （70） Sca===44.33>>S=1.5 （71）
故該軸在截面Ⅶ左側(cè)的強(qiáng)度也是夠的[20]。
4.3 輸入軸的設(shè)計(jì)
4.3.1 計(jì)算軸上轉(zhuǎn)矩和齒輪的作用力
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
TⅠ=14520N.mm
齒輪的圓周力
Ft1== =803.88N （72）
齒輪的徑向力
Fr1= Fa2=249.34N
齒輪的軸向力
Fa1= Fr2=108.82N
4.3.2 初算軸的最小直徑
選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表15-3，選A0=112則軸的最小直徑為：dmin= A0=112×=12.8mm （73）
軸的最小直徑顯然是安裝大帶輪的直徑，需開鍵槽，故將最小軸徑增加5%，變?yōu)?3.44mm，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取d=15mm，V帶輪與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L1=52mm。
4.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.4.1 擬定軸上零件的裝配方案
根據(jù)軸上零件定位、加工要求參考軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，得出如圖所示的裝配方案。
圖6 軸
Fig 6 Axis
4.4.2 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
(1)為了滿足V帶輪的軸向定位要求，1-2軸段右端需制出一軸肩，故取2-3段的直徑d2-3=30mm；V帶輪與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L7-8=52mm，因此可取l7-8=52mm。
(2)初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受徑向力和軸向力的作用，故選用角接觸球軸承。由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列角接觸球軸承7206C，其尺寸為d×D×B=30×62×16，故d5-6= 30mm。
(3)兩滾動(dòng)軸承之間采用套筒定位，為了使套筒端面可靠地壓緊兩滾動(dòng)軸承的端面，故安裝軸承處的軸段應(yīng)略短于兩軸承的寬度，取l5-6=l1-2=17mm。
(4)軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離l=30mm，故取l6-7=20mm
(5)右端軸承的右端面采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d，取h=3mm，則軸環(huán)處的直徑d5-6=45mm。軸環(huán)寬度b≥1.4h，取l3-4=10mm。
4.4.3 軸上零件的周向定位
V帶輪與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接。按d1-2由手冊(cè)查得平鍵截面b×h=6mm×6mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為45mm，同時(shí)為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/n6。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
4.4.4 確定軸上圓角和倒角尺寸
參考《機(jī)械式設(shè)計(jì)》表15-2，取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑見圖6。
4.4.5 求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于7206C型角接觸球軸承，由手冊(cè)中查得a=12.9mm。因此，作為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨距L2=L3-4-2a=58mm-2×12.9mm=45.1mm。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖
圖7受力圖
Fig 7 Axis diagram
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。先將計(jì)算出的截面C處的MH、MV及M的值列于下表。
表4 軸的危險(xiǎn)截面
Table 4 Dangerous section of the shaft
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
FNH1=218.65N,FNH2=585.23N
FNV1=67.82N，F(xiàn)NV2=181.52N
彎矩M
MH=15742.8N.mm
MV1=4883.04N.mm,MV2=4882.89N.mm
總彎矩
16482.7N.mm
16482.7N.mm
扭矩T
TⅠ=14520N.mm
4.4.6 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)《機(jī)械式設(shè)計(jì)》式（15-5）及上表中的數(shù)值，并取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
σca===2.43MPa （74）
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由《機(jī)械式設(shè)計(jì)》表15-1查得[σ-1]=60MPa。因此σca<[σ-1]，故安全 。
5 軸上滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 輸入軸上滾滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)
5.1.1 求比值
==0.44
根據(jù)表13-5，角接觸球軸承的最大e值為0.56，故此時(shí)>5000h （77）
故角接觸球軸承7206C符合要求。
5.2 輸入軸上滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.2.1 求比值
==2.29
根據(jù)《機(jī)械式設(shè)計(jì)》表13-5，角接觸球軸承的最大e值為0.56，故此時(shí)>e
5.2.2 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P
根據(jù)《機(jī)械式設(shè)計(jì)》式（13-8a） P=fp(XFr+YFa) （78）
按照《機(jī)械式設(shè)計(jì)》表13-6，fp=1.0～1.2，取fp=1.2
按照《機(jī)械式設(shè)計(jì)》表13-5，X=0.44，Y值需要在已知型號(hào)和基本額定靜載荷C0后才能求出。先暫選一近似中間值，取Y=1.2，則
P=1.2×(0.44×108.82+1.2×249.34)=416.5N
5.2.3 求軸承應(yīng)有的基本額定載荷值
根據(jù)《機(jī)械式設(shè)計(jì)》式（13-6）
C=P==2137N （79）
5.2.4 驗(yàn)算軸承的壽命
按照軸承樣本或設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇C=17800N的7206C的軸承。此軸承的基本額定靜載荷C0r=12800N，驗(yàn)算如下：
1）求相對(duì)軸向載荷對(duì)應(yīng)的e值與Y值。按表13-5，相對(duì)軸向載荷==0.019，在表中介于0.015～0.029之間，對(duì)應(yīng)的e值為0.38～0.40，Y值為1.47～1.40。
2）用線性插值法求Y值
Y=1.40+=1.47
故 X=0.44 Y=1.47
3）求當(dāng)量動(dòng)載荷P
P=1.2×(0.44×108.82+1.47×249.34)=497N
4）驗(yàn)算7206C軸承的壽命，根據(jù)式（13-5）
Lh=()ε=×()3=1701480>>5000h （80）
故角接觸球軸承7206C符合要求。
6 鍵聯(lián)接的選擇及校核計(jì)算
6.1 齒輪鍵聯(lián)接的選擇及計(jì)算
鍵、軸和齒輪的材料都是鋼，由《機(jī)械式設(shè)計(jì)》表6-2查得許用擠壓應(yīng)力[σp]=100～120MPa，取其平均值，[σp]=110MPa。鍵的工作長(zhǎng)度l=L-b=25-10=15mm，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.5×8=4mm，由式《機(jī)械式設(shè)計(jì)》（6-1）可得
σp===26.5 MPa<[σp] （81）
可見聯(lián)接強(qiáng)度足夠。
6.2 V帶輪鍵聯(lián)接的選擇及計(jì)算
鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，由《機(jī)械式設(shè)計(jì)》表6-2查得許用擠壓應(yīng)力[σp]=100～120MPa，取其平均值，[σp]=11