多方案軸系結(jié)構(gòu)實驗裝置的設(shè)計
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多方案軸系結(jié)構(gòu)實驗裝置的設(shè)計
摘要：軸系結(jié)構(gòu)作為機(jī)械傳動中常見的也是不可或缺的一部分，其傳動特性以及之中相關(guān)零部件是如何進(jìn)行配合的研究具有重大的理論意義以及實踐意義。軸系結(jié)構(gòu)我們常見的是在減速器里，通過不同類型的齒輪和軸承的組合傳動來傳遞轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到對原動機(jī)進(jìn)行減速的目的。對于我們學(xué)習(xí)機(jī)械的同學(xué)來說，了解軸系結(jié)構(gòu)的傳動原理及齒輪與軸承的組合傳動特性對于我們學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計的相關(guān)知識有非常大的幫助。鑒于本科階段的實驗方案和方式存在著一些內(nèi)容單一、操作復(fù)雜繁瑣、不便于同學(xué)們理解等問題，為了更好的進(jìn)行相關(guān)的實驗，我設(shè)計了一套結(jié)合了多種傳動方案的軸系結(jié)構(gòu)傳動實驗裝置。
該實驗裝置包含了多種組合傳動方案（如：兩直齒輪嚙合、兩斜齒輪嚙合、兩圓錐齒輪嚙合、蝸輪蝸桿傳動等），本科實驗裝置中的方案往往只采用了一種或兩種進(jìn)行組合，我設(shè)計的實驗裝置至少包含了四種以上的傳動方案，只需要同學(xué)們進(jìn)行同一組實驗便可以了解軸系結(jié)構(gòu)是如何傳動的，更方便同學(xué)們進(jìn)行創(chuàng)新性的方案設(shè)計，以解決軸承類型選擇、軸上零件定位緊固、軸承安裝與調(diào)節(jié)、潤滑及密封等問題。為了更直觀反映各零部件間是如何組合傳動的，我還設(shè)計了透明的箱體結(jié)構(gòu)，該箱體結(jié)構(gòu)不僅透明而且可拆卸，使得在同一實驗箱里便可以實現(xiàn)多種方案的組合。
關(guān)鍵詞：軸系結(jié)構(gòu);實驗裝置;組合傳動方案;箱體結(jié)構(gòu)
Design of multi-scheme shafting structure experimental equipment
ABSTRACT:Shafting?structure?as?a?common?and?indispensable?part?of?mechanical?transmission,?its?transmission?characteristics?and?the?related?parts?are?how?to?cooperate?with?the?research?has?great?theoretical?and?practical?significance.?Shafting?structure?is?common?in?the?reducer,?through?the?combination?of?different?types?of?gears?and?bearings?to?transfer?the?torque,?in?order?to?achieve?the?purpose?of?decelerating?the?prime?mover.?For?our?mechanical?students,?understanding?the?transmission?principle?of?shafting?structure?and?the?combination?of?gear?and?bearing?transmission?characteristics?is?very?helpful?for?us?to?learn?the?relevant?knowledge?of?mechanical?design.?In?view?of?the?problems?such?as?single?content,?complex?operation?and?inconvenient?understanding?of?the?experimental?schemes?and?methods?in?the?undergraduate?stage,?I?designed?a?set?of?shaft?structure?transmission?experimental?equipment?that?combined?a?variety?of?transmission?schemes?in?order?to?better?carry?out?relevant?experiments.?
This?experimental?device?includes?a?variety?of?combination?scheme?(such?as:?two?straight?gear?meshing,?two?helical?gear?meshing,?two?cone?gear?mesh,?worm?gear?and?worm?drive,?etc.),?the?scheme?of?undergraduate?experiment?equipment?often?use?only?one?or?two?are?combined,?I?designed?the?experiment?device?at?least?includes?four?transmission?scheme,?only?need?to?the?same?group?of?students?experiment?can?know?the?structure?of?shaft?system?is?how?to?drive,?more?convenient?students?to?innovative?design,?in?order?to?solve?the?bearing?type?selection,?shaft?positioning?fastening?parts,?bearing?installation?and?adjustment,?lubrication?and?seal.?In?order?to?more?intuitively?reflect?how?the?components?are?combined?to?drive,?I?also?designed?a?transparent?box?structure,?the?box?structure?is?not?only?transparent?but?also?detachable,?so?that?a?variety?of?schemes?can?be?combined?in?the?same?experimental?box.?
KEYWORDS:?shafting?structure;experimental?device;combined?transmission?scheme;box
?structure
目錄
1 緒論 1
1.1課題背景 1
1.2國內(nèi)外研究概況 2
1.3課題研究的目的及意義 3
1.4待解決的問題以及研究手段 3
2軸系傳動方案的選擇 4
2.1方案的介紹 4
2.2傳動方案選擇 6
3 軸的設(shè)計 8
3.1軸的分類 9
3.2軸的材料 9
3.3軸系的錯誤情況分析 9
3.4軸設(shè)計需要滿足的基本要求 11
3.5軸的設(shè)計計算 11
4 齒輪的設(shè)計 16
4.1齒輪傳動的分類和特點 16
4.2齒輪傳動的主要參數(shù)與基本要求 17
4.3齒輪傳動的失效形式 18
4.4齒輪的參數(shù)計算 19
5 軸承的設(shè)計 23
5.1軸承種類的選擇 23
5.2軸承的選用 25
5.3軸承的配合與固定 25
參考文獻(xiàn) 26
致謝 27
1 緒論
1.1課題背景
軸系結(jié)構(gòu)是機(jī)械設(shè)計課程學(xué)習(xí)中所涉及到的非常重要的傳動結(jié)構(gòu)，它常常存在于減速器中，是對單根軸所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的一系列研究。軸系統(tǒng)是指在機(jī)械傳動過程中的一個單獨系統(tǒng),它由主要組成部分,其中包括傳動件、軸、軸承、軸心座、底部支坐、調(diào)節(jié)墊片、密封元件、聯(lián)軸器以及不同零件之間進(jìn)行軸向周轉(zhuǎn)固定必須要使用的主要部件等[1]。其不同的結(jié)構(gòu)組合也可以分別組成不同類型和形式的軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu),根據(jù)所應(yīng)用場合,以適用于不同的工作場景和工作方式。本課題主要是對軸系結(jié)構(gòu)中齒輪和軸承的配合形式做具體的研究和方案設(shè)計。軸系結(jié)構(gòu)是機(jī)械傳動中非常重要的組成部分，軸系結(jié)構(gòu)中齒輪和軸承之間的配合是否合理將對機(jī)械傳動產(chǎn)生非常重要的影響。
回轉(zhuǎn)在一般機(jī)械裝置中非常常見，只要涉及到回轉(zhuǎn)運動的場合，一般都有軸系結(jié)構(gòu)的存在，因此軸系結(jié)構(gòu)是機(jī)械裝置設(shè)計中應(yīng)用最廣泛、現(xiàn)階段技術(shù)最為成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)，軸系結(jié)構(gòu)的好壞直接會影響機(jī)械生產(chǎn)中的生產(chǎn)效率、使用壽命和經(jīng)濟(jì)實用性等問題。由齒輪和軸承組合方案的不同，各零件定位和固定方式的不同，軸系結(jié)構(gòu)有很多種不同的形式。一般情況可以劃分為以下三種：（1）兩端單向固定，如圖1；（2）一端固定，一端游動，如圖2：（3）兩端游動，如圖3。
圖1 圖2
圖3
在我們本科階段的機(jī)械設(shè)計課程中，軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗要求我們每位學(xué)生自選或由老師指定一種或幾種軸系結(jié)構(gòu)組合傳動方案。由于實驗室的設(shè)備缺乏多樣性，只能實驗固定的幾種組合方案，對于一些拓展性的內(nèi)容也只能由老師口頭描述不便于同學(xué)們理解，整個實驗過程缺乏靈活性和直觀性，而且實驗裝置過多導(dǎo)致同學(xué)們操作繁瑣，因此一套結(jié)合了多種實驗方案的軸系結(jié)構(gòu)組合傳動實驗裝置就有了設(shè)計的必要。
1.2國內(nèi)外研究概況
1.2.1國內(nèi)研究概況
中華人民共和國剛成立不久，我國工業(yè)發(fā)展相對還比較落后。為了發(fā)展和改善機(jī)械制造業(yè),發(fā)展機(jī)械制造以及提高機(jī)械工業(yè)發(fā)展水平,我國已經(jīng)建立了一批大型的減速器生產(chǎn)和制造廠并研究出了一系列的通用減速器。此時我國減速器的制造技術(shù)還是引用前蘇聯(lián)的早期制造技術(shù)，整體來說缺乏實用性和創(chuàng)新性。后來才慢慢有了發(fā)展，到了改革開放，通過對制造技術(shù)的不斷引進(jìn)、學(xué)習(xí)，和生產(chǎn)工作者們的刻苦努力，堅持不懈的探索、發(fā)現(xiàn)和研究，漸漸有了許多優(yōu)秀的研究成果，掌握了高速以及低速重載減速器的生產(chǎn)制造技術(shù)。伴隨著技術(shù)的發(fā)展，齒輪加工精度，材料的選擇和熱處理工藝都有了重大的改善。部分減速器在采用堅固的齒面后,體積和負(fù)荷重量得以明顯降低,承載能力、使用壽命、傳動效率等都有了較為大幅度的改善,對于節(jié)能和提升主機(jī)總體技術(shù)水平具有明顯促進(jìn)作用[2]。隨著工作穩(wěn)定性和運行效率的提高以及對傳統(tǒng)齒輪減速器進(jìn)行動力學(xué)控制的改善,我們開始了更廣泛地使用的減速器。其中比較常見的設(shè)計手段主要有:模塊化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和三維建模。其所采用的設(shè)計理論和方法具有以下幾個趨勢:①如果我們能夠結(jié)合自己的工程實際進(jìn)一步地優(yōu)化自己的數(shù)學(xué)模型,其收斂率和速度也會得到進(jìn)一步地提高;②箱體零部件的參數(shù)化建模的通用性將進(jìn)一步增強,將會面向其他更多種類型的減速器;③機(jī)械與美學(xué)、計算機(jī)、數(shù)學(xué)等各門專業(yè)相互貫通,遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等啟發(fā)式算法將被廣泛應(yīng)用于減速器外觀和設(shè)計中;④基于虛擬裝配、運動學(xué)的仿真、動力學(xué)的仿真與分析等技術(shù)的綜合應(yīng)用將會完全取代了傳統(tǒng)的設(shè)計和制造過程中的測試和制作環(huán)節(jié),稱為是檢驗設(shè)計方案是否可行的有效、快捷之路[3]。
1.2.2國外研究概況
減速器在各個行業(yè)中的應(yīng)用范圍非常廣泛,已經(jīng)發(fā)展成為了一種必不可少的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)。當(dāng)前減速器有著重量較大、體積小、傳動功率比較大、機(jī)械傳動效能低等弊端。在國外對減速器設(shè)計的研究中,以日本、丹麥以及德國等地均處于絕對優(yōu)先的地位,特別是減速器設(shè)計的工藝和所采用的技術(shù)和材質(zhì)等方面,體現(xiàn)出了極其巨大的優(yōu)越性,減速器設(shè)計的工作可靠性高,使用壽命長。但它們的傳動形態(tài)仍然主要采用定軸齒輪的傳動,體積大、載重量小等問題尚未能夠得到很好的緩釋。日本住友重工公司自己研制的 fa 型高精度減速器,美國 alan - newton 公司自己研制的 x - y 式減速器,在其傳動的原理和結(jié)構(gòu)上與此相近或者更為類似,都被認(rèn)為是目前較為先進(jìn)的高精度減速器[4]。當(dāng)今的減速器正朝著大功率、更強的傳動性、更高的機(jī)械效率、更輕的體積、更高的使用壽命等方向發(fā)展。所以除了不斷地改進(jìn)材料的品質(zhì)和技術(shù),以及提高其工藝水平外,還要在傳動原理和傳動機(jī)構(gòu)上進(jìn)行更廣泛的研究和革命性的創(chuàng)新,如平動齒輪等。減速器與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的串聯(lián)體結(jié)構(gòu),也是我們大力推廣的形態(tài),并已經(jīng)設(shè)計制造出多種結(jié)構(gòu)類型和多種功率類型的產(chǎn)品[5][6]。當(dāng)今世界上許多發(fā)達(dá)國家的傳動減速器和傳動齒輪箱等機(jī)械制造先進(jìn)技術(shù)的研究發(fā)展總體和趨勢都在向二低、二化、六高三個縱向方面快速進(jìn)行。二低即低生產(chǎn)噪聲、廉價生產(chǎn)成本;二化指標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品模型設(shè)計即產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化;六高即高精度承載能力、高齒面?zhèn)鲃佑捕取⒏咿D(zhuǎn)動精確性、高運行旋轉(zhuǎn)速度、高可靠性以及高高速傳動和大功率[2]。對于減速器的研究及其發(fā)展,在一定程度上也標(biāo)志著一個國家在工業(yè)化進(jìn)程中的發(fā)展水平。
1.3課題研究的目的及意義
軸系結(jié)構(gòu)作為機(jī)械傳動中常見的也是不可或缺的一部分，其傳動特性以及之中相關(guān)零部件是如何進(jìn)行配合的研究具有重大的理論意義以及實踐意義。軸系結(jié)構(gòu)我們常見的是在減速器里，通過不同類型的齒輪和軸承的組合傳動來傳遞轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到對原動機(jī)進(jìn)行減速的目的。對于我們學(xué)習(xí)機(jī)械的同學(xué)來說，了解軸系結(jié)構(gòu)的傳動原理及齒輪與軸承的組合傳動特性對于我們學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計的相關(guān)知識有非常大的幫助。鑒于本科階段的實驗方案和方式存在著一些內(nèi)容單一、操作復(fù)雜繁瑣、不便于同學(xué)們理解等問題，設(shè)計本實驗裝置，將為同學(xué)們進(jìn)行軸系實驗提供更好、更方便的實驗條件，從而更好的幫助老師和學(xué)生完成培養(yǎng)方案里的實踐內(nèi)容要求。
1.4待解決的問題以及研究手段
1.4.1待解決的問題
本次課題所設(shè)計的多方案軸系結(jié)構(gòu)傳動裝置主要是為了解決在本科階段的機(jī)械設(shè)計實驗中所出現(xiàn)的一些問題。由于實驗室的那些實驗裝置方案過于單一，學(xué)生只能對幾種固定的實驗方案進(jìn)行實驗，而且實驗過程中可能發(fā)生的一些問題老師也只是用口述的形式告訴同學(xué)們，這樣比較抽象不便于進(jìn)行理解和把握實驗方法。此次設(shè)計的裝置是為了便于老師更直觀的為同學(xué)們講解各種傳動方案，并且利于同學(xué)們進(jìn)行組合設(shè)計，在同一套實驗裝置中便可進(jìn)行多種傳動方案的單一或組合傳動實驗，方便同學(xué)們在實踐中更加深刻的理解實驗內(nèi)容，進(jìn)而更好的完成教學(xué)實踐的任務(wù)。
1.4.2研究手段
1.文獻(xiàn)研究
通過查閱大量文獻(xiàn)，全面深入了解有關(guān)齒輪、軸承的知識，以及齒輪軸承組合傳動的設(shè)計原理及方案，與自己的構(gòu)想進(jìn)行對比，不斷修正。
2.方案確定
對每一種實驗方案進(jìn)行具體的研究，確定各參數(shù)，嘗試將兩種或多種方案進(jìn)行組合，逐漸增加組合方案的復(fù)雜度，直至將多種方案進(jìn)行合理的組合。
3.試驗分析
對具體方案繪制圖紙，在實驗室進(jìn)行分析，確定其可行性，以解決裝配方案選擇、軸承類型選擇、定位和安裝等方面的問題。
2軸系傳動方案的選擇
2.1方案的介紹
軸系結(jié)構(gòu)作為減速器中最為重要的結(jié)構(gòu)，其根據(jù)齒輪類型（直齒、斜齒、錐齒、蝸輪）、裝配方案和傳動級數(shù)的不同，有了各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，通過不同的組合可以實現(xiàn)不同的傳動特性，用以滿足許許多多復(fù)雜的工作條件和工作需求。弄清楚各傳動方案的傳動特性以及使用場合對于軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計有著重要的意義，更加便于機(jī)械的加工制造、裝配、零件選擇、降低生產(chǎn)成本、提高使用壽命。下面來解釋以下不同種傳動方案的傳動特性以及適用場合。
其中一級傳動方案有以下幾種：
（1）一級直齒輪傳動
①一級直齒輪傳動介紹
一級直齒輪傳動是由兩直齒輪通過滾動軸承支承在箱體內(nèi)實現(xiàn)的嚙合傳動，如圖，當(dāng)Ⅰ軸作為輸入軸，Ⅱ軸作為輸出軸時，此時傳動比i=Z大齒輪Z小齒輪＞1，因此此時是一個減速的傳動組合；相反，當(dāng)Ⅱ軸作為輸入軸，Ⅰ軸作為輸出軸時，此時的傳動比i'=Z小齒輪Z大齒輪＜1，因此此時是做一個增速運動，但一般情況下這種應(yīng)用比較少，通常用于減速。
②一級直齒輪傳動的特點
該方案的優(yōu)點為：單級傳動可以承受較大的徑向載荷和軸向載荷；經(jīng)久耐用，可以實現(xiàn)較長的使用壽命要求
該方案的缺點為：當(dāng)齒輪因模數(shù)大、打牙等原因，不便于測量齒頂圓直徑。容易引起沖擊和噪聲，傳動平穩(wěn)性差。
（2）一級斜齒輪傳動
①一級斜齒輪傳動介紹
一級斜齒輪傳動是由大小不同的斜齒輪在箱體內(nèi)相嚙合而實現(xiàn)的傳動，其傳動原理與一級直齒輪傳動類似，不同的是把直齒輪換成了斜齒輪（注：相互嚙合的斜齒輪旋向不同），這使得其在具備直齒輪傳動特點的基礎(chǔ)上，具備了更多的優(yōu)點。
②一級斜齒輪傳動特點
該方案優(yōu)點：
i. 可以實現(xiàn)較好的嚙合特性,在齒輪的傳動過程中,齒面的摩擦力呈現(xiàn)為脈動循環(huán)變化的特征,以此來逐漸減少;由于采用斜齒,可以實現(xiàn)更高的軸承承載能力和更好的傳動平穩(wěn)性,故該結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于高速運行和重載場合;
ii. 斜齒面相嚙合時可以實現(xiàn)更高的重合度，從而使得傳動更為可靠，也使得使用壽命提高。嚙合的持續(xù)時間直接關(guān)系決定了各個傳動齒輪之間的相互重合作用程度和阻力大小,而且齒輪嚙合的持續(xù)時間與齒輪接觸點表面積的差距增大直接減少了對斜線式齒輪的運動適應(yīng)性；
iii. 因為Z最小減小了，所以使用斜齒輪使得結(jié)構(gòu)更緊湊。
該方案缺點：加工制造難度較直齒輪加大，進(jìn)而使得生產(chǎn)成本提高，經(jīng)濟(jì)性差。
（3）一級錐齒輪傳動
①一級錐齒輪介紹
錐齒輪的應(yīng)用可以實現(xiàn)兩交錯軸之間的傳動，相交的兩軸一般呈90o夾角，錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)能夠改變運動的速度和方向，一般可以改變運動方向（90o）。 當(dāng)動力從Ⅰ軸輸入，Ⅱ軸輸出，則動力的速度和方向都將發(fā)生改變。
②一級錐齒輪特點
錐齒輪其中一個輪齒最小端相對一般的齒頂高度要低,降低了錐齒輪頂部過尖的機(jī)會。因為齒根沒有更大的圓形角度和半徑,從而增加了承重能力、縮短了刀具的使用壽命及改善了潤滑工作條件。一般應(yīng)用于輕載、低速場合。
（4）一級蝸輪蝸桿傳動
①一級蝸輪蝸桿傳動介紹
蝸輪軸間蝸桿傳動與一種圓錐形的齒輪蝸桿傳動相同,它們都采用可以同時改變齒輪運動軸的方向,用于二軸向交錯軸的齒輪軸間轉(zhuǎn)向傳動。兩軸之間的橫向偏轉(zhuǎn)傳動夾角一般固定為90°,蝸輪減速蝸桿的橫向傳動比很大,一般都由齒輪蝸桿兩軸作為主動,用來控制減速蝸輪運動。
②一級蝸輪蝸桿傳動特點
該方案的優(yōu)點：
i. 傳動平穩(wěn)，嚙合沖擊小；
ii. 蝸桿的機(jī)械頭數(shù)少,所以蝸輪蝸桿傳動的機(jī)械驅(qū)動力相對一般都要差很多;蝸桿采用連續(xù)不斷地固定的螺旋齒,使得機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊;
iii. 導(dǎo)程角＜當(dāng)量摩擦角，可以實現(xiàn)反行程自鎖效應(yīng)。
該解決方案的主要缺點:由于傳動比大,導(dǎo)致蝸輪向和螺旋軸嚙合時接觸點之間的相對滑動轉(zhuǎn)矩速度增加,加大了兩個接觸點之間的摩擦和磨損,易使蝸輪發(fā)熱,進(jìn)而導(dǎo)致傳動效率低;蝸輪本身應(yīng)該是具備良好耐磨性,制造蝸輪所用材料比較貴,經(jīng)濟(jì)性差。
2.2傳動方案選擇
通過對現(xiàn)有資料的分析，現(xiàn)存的減速器的類型多種多樣，具體可以分為如下：按各種齒輪傳動轉(zhuǎn)換方式分類有:多級齒輪傳動減速器,行星式齒輪減速器,蝸桿式齒輪減速器,以及各種齒輪傳動轉(zhuǎn)換方式相互作用組合的多級齒輪減速器;按各種傳動方式等級:一級齒輪減速器、二級齒輪減速器、三級齒輪減速器、四級齒輪傳動器和減速器(目前國內(nèi)現(xiàn)存的減速器最多四級);按各種齒輪的傳動形狀:圓柱(主要包括直齒、斜齒、人字齒)系列齒輪傳動減速器、圓錐系列齒輪傳動減速器以及各種圓柱齒輪與各種圓錐系列齒輪相互作用而變形成的各種圓柱-圓錐系列齒輪傳動減速器;按各種傳動方式布置轉(zhuǎn)換方式:主要有傳動展開、分流、同軸式。
（1）一級圓柱齒輪減速器
圓柱齒輪中的齒形又可以細(xì)分為垂直齒(主要是用于運行速度,載荷較小的情況下)、斜齒(在運行速度較小的情況下)、人字齒(在運行速度較小的情況下),箱體一般選擇鑄鐵(或者是帶有焊接結(jié)構(gòu))。這種軸承最好是適合使用滾動型軸承,除非在速度和載荷都比較大時需要選擇滑動型軸承。
（2）二級圓柱齒輪減速器
①展開式:因為傳動齒輪與軸承間的連接位置不對稱,故需要較大的機(jī)械剛度,但是結(jié)構(gòu)簡單。為了使扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形可以相互抵消,以降低載荷不均勻現(xiàn)象,常常將高速級放在輸出級。由斜齒輪和垂直齒輪的特殊性能可知,斜齒輪一般適宜于高速和中等級,垂直齒輪一般適宜于低速和中等級,此時適宜在載荷平穩(wěn)時使用。
②分流式:齒輪和軸承之間呈現(xiàn)一種對稱的分布,載荷和軸承的受載更均勻,但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。這樣的排布方式可以使得中間軸受到的轉(zhuǎn)矩增加半,能夠很好地適應(yīng)應(yīng)變載荷場合。
③同軸式:降低了橫向的尺寸,潤滑油對各種齒輪來說可以起到相同的潤滑作用,但是由于軸向的尺寸巨大、承載力強、剛度差,載荷分布不均。
④同軸式分流：這樣排布使得輸入和輸出軸只承受扭矩作用，嚙合齒輪傳遞的載荷減半，便于縮小軸頸尺寸。
（3）三級圓柱齒輪減速器
①展開式:同二級展開式
②分流式：同二級分流式
為了更好的實現(xiàn)軸系結(jié)構(gòu)傳動裝置的傳動效果，筆者將進(jìn)行以下步驟設(shè)計傳動方案：
1. 根據(jù)實驗的要求設(shè)計一種組合傳動方案；
2. 根據(jù)已經(jīng)確定的傳動方案，確定好其他相關(guān)零件（軸、軸承、齒輪等）；
3. 軸上零件的定位和固定形式的確定；
4. 合理選擇密封結(jié)構(gòu)。
3 軸的設(shè)計
為了保證軸上零件的正常運轉(zhuǎn)，需要用軸將軸上零件進(jìn)行合理的定位和固定，以保證傳動裝置的正常工作要求。筆者將于本章節(jié)討論軸的分類、軸的材料選擇、軸系常見的錯誤形式、設(shè)計軸時需要滿足的要求以及設(shè)計計算軸的各項參數(shù)。
3.1軸的分類
根據(jù)軸的承載情況不同，可以分為三類
1. 轉(zhuǎn)軸：不僅能夠承受轉(zhuǎn)矩，而且還能承受彎矩的軸。如：皮帶輪的軸
2. 傳動軸：只能夠承受轉(zhuǎn)矩的軸。如：汽車方向盤的軸，電風(fēng)扇的軸
3. 心軸:只提供能夠用來承受旋轉(zhuǎn)彎矩不向外移動傳遞的自旋轉(zhuǎn)矩。如:電動列車轉(zhuǎn)向火車的牽引動力和轉(zhuǎn)向車輪軸[7]
3.2軸的材料
軸材料的選取，首先應(yīng)該滿足工程實際的需求，其次要保證其經(jīng)濟(jì)性。
1. 對于速度和載荷都不大的軸，常常采用普通的碳素鋼即可（Q255、Q235等）；
2. 對于承受載荷較大，軸的尺寸和重量有嚴(yán)格要求的軸需要采用合金鋼。例如當(dāng)精度要求和轉(zhuǎn)速要求較高時，需要材料能夠?qū)崿F(xiàn)較好的力學(xué)性能，常常采用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的40Cr合金鋼；
3. 當(dāng)精度要求較高時，可采用Cr15,65Mn等合金鋼，其材料通過調(diào)質(zhì)和淬火處理后有較好的耐磨和耐疲勞性，可以滿足較差工作條件的要求；
4. 當(dāng)材料在工作環(huán)境中的硬度為高速、重載時,需要材料必須具有高的表明硬度和較好的耐磨性、抗沖擊韌性和抵抗疲勞能力,常選擇優(yōu)質(zhì)低碳鋼或滲碳鋼。
5. 當(dāng)軸的外形比較復(fù)雜時，需要材料具備減振、抗沖擊、應(yīng)力集中小等特點。常采用球磨鑄鐵或高強度鑄鐵。
由于設(shè)計的軸是用于學(xué)生實驗使用，屬于以上的第1種情況，可以選用Q235鋼。
3.3軸系的錯誤情況分析
軸系結(jié)構(gòu)有很多種錯誤形式，具體劃分如下：
（1）安裝錯誤
① 零件拆卸困難或者不能正常拆卸；
② 軸端沒有倒角（或?qū)蝈F）；
③ 當(dāng)軸承位于軸中部時，沒有設(shè)置用以過渡的過渡軸肩；
④ 向心角旋轉(zhuǎn)接觸滾動軸承、圓錐形角滾動接觸軸承、推力球接觸軸承沒有對稱安裝或成對使用。
（2）制造錯誤
① 鍵槽沒有排布在同一直線上；
② 鍵過短或過長（一般略短于輪轂寬度）；
③ 軸端太長；
④ 在用軸肩定位時，軸承所在的軸段靠軸肩處沒有砂輪越程槽，導(dǎo)致軸頸處磨削加工不方便[8]。
（3）定位和固定錯誤
① 沒有設(shè)置軸向定位和固定，零件可沿軸向任意移動；
② 沒有設(shè)置周向固定的鍵槽；
③ 多余定位；
④ 安裝在軸端上的回轉(zhuǎn)件寬度沒有比軸端略長；
⑤ 用于定位的軸肩或套筒的高度過高（超過軸承內(nèi)圈2/3）；
⑥ 回轉(zhuǎn)件與固定靜止件間沒有過渡直接接觸。
（4）調(diào)整錯誤
① 軸承蓋與箱體間缺少軸承游隙調(diào)整墊片，導(dǎo)致軸向游隙沒有辦法調(diào)整；
② 支撐方式錯誤；
③ 透蓋和與其配合的軸間缺少間隙。
（5）密封錯誤
透蓋與軸間缺少密封裝置。
其中常見的錯誤形式有以下兩種：
① 套筒或軸肩的直徑不應(yīng)該超過軸承內(nèi)圈的2/3，如圖3-1所示，套筒直徑超過了軸承內(nèi)圈的高度，并與保持架接觸，這樣會使得軸承不能正常拆卸而且影響了保持架的正常工作[9]。
圖3-1 常見錯誤形式一
② 軸頭長度超出輪轂長度，如圖3-2所示，當(dāng)軸頭的長度超出了輪轂的寬度時，蓋板沒法將輪轂壓緊，無法實現(xiàn)輪轂正常的軸向固定[9]。
圖3-2 常見錯誤形式二
3.4軸設(shè)計需要滿足的基本要求
（1）定位和固定的要求：為滿足軸上零件的正常工作，軸和軸上零件都需要有準(zhǔn)確而固定的位置。
① 周向固定:通過對傳動零部件的軸進(jìn)行周向固定,以有效地保護(hù)防止傳動零部件與傳動軸之間可能發(fā)生不必要的相對方向旋轉(zhuǎn)。周向固定通常主要采取以下幾種聯(lián)接方法:例如鍵盤式聯(lián)接,花鍵自動聯(lián)接,銷售鍵聯(lián)接等；
② 軸向固定:主要是通過對滑動零部件齒輪進(jìn)行滑動軸向固定,以防止零件在軸向發(fā)生不必要的移動。對于軸向的固定通常是采用以下幾種方法:軸肩、套筒、圓螺母等。
（2）工藝性要求：為了提高加工軸的效率和降低生產(chǎn)成本，設(shè)計的軸需要方便工人加工制造，保證其工藝性和經(jīng)濟(jì)性;合理設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)，便于軸上零件的裝拆和調(diào)整。
① 軸段在需進(jìn)行研磨和切削時,需要設(shè)置砂輪越程槽,需進(jìn)行切削螺紋處理時軸段宜設(shè)置后退刀槽;
② 同一根軸上的鍵槽應(yīng)位于同一條直線上；
③ 為使軸便于裝配，軸端應(yīng)有倒角；
④ 設(shè)計的軸應(yīng)該保證軸上各零件不會干擾其他零件的安裝和拆卸。
（3）對于強度以及剛度的要求:在軸上各個零件的位置都應(yīng)該能夠保證其受力合理,以滿足軸和軸上零件的強度和剛度要求。
3.5軸的設(shè)計計算
3.5.1軸的強度計算
（1）按扭轉(zhuǎn)強度計算
用于：
① 只受扭矩或主要承受扭矩的傳動軸的強度計算
② 結(jié)構(gòu)設(shè)計前按扭矩初估軸的直徑dmin
對于一個圓截面的實心軸,其具有較高的抗扭力和能力的條件是:
強度條件 τT=TWT=9.55×106Pn0.2d3≤[τT]
設(shè)計公式 d≥5×9.55×106PτTn=A0Pn
軸上寬度設(shè)置每當(dāng)有兩個放小鍵槽時:一個放大鍵槽軸徑:一個放小鍵槽:3~5%兩個縮小鍵槽:7~10% 取標(biāo)準(zhǔn)值
（2）根據(jù)彎扭合成的強度來計算
旋轉(zhuǎn)軸承需要同時保證能夠正確承受最大扭矩和彎曲,必須根據(jù)二者的扭矩組合度和強度關(guān)系來進(jìn)行計算。通常把一個軸承輪轂當(dāng)作一個安裝放在鉸鏈?zhǔn)捷S承支座上的軸承橫梁,作用于連接軸承上各個不同零件的軸承力量主要來自于作為一個軸的集中力,其主要作用點在于可以變換取為各個不同零件的軸承輪轂長和寬度。具體流量計算使用方法及操作步驟由本列表說明如下:
畫出了軸的空間動力學(xué)關(guān)系曲線;(可以分解成為水平面部件的分力與垂直面部件的分力)
① 計算水平面和垂直面上的彎矩并作出彎矩圖；
② 計算合成彎矩M并作出彎矩圖；
③ 計算轉(zhuǎn)矩M T并作出轉(zhuǎn)矩圖；
④ 計算當(dāng)量彎矩M，繪出當(dāng)量彎矩圖；
⑤ 依靠當(dāng)量彎矩圖尋找出危險的橫截面,進(jìn)行對該軸的強度測量和校正[10]。
（3）按軸的剛度計算
①軸的彎曲剛度校核計算
軸的彎曲剛度可用撓度 y 和偏轉(zhuǎn)角θ為單位進(jìn)行測量。
對于一個發(fā)射光軸,可以直接通過利用發(fā)射材料偏心動力學(xué)的兩個公式函數(shù)來精確計算它們的偏心撓度或偏心的轉(zhuǎn)角。
對于一個階梯軸,可以把它們轉(zhuǎn)化成一個當(dāng)量是直徑的發(fā)射光軸后,來計算它們的撓度或相反方向的偏轉(zhuǎn)角。
軸的彎曲偏向剛度定義條件其中定義的稱為彎曲撓度條件y≤[y]偏向旋轉(zhuǎn)角θ≤[θ],[y]和[θ]分別為軸的許用撓度及許用偏轉(zhuǎn)角。
②軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算
軸的扭轉(zhuǎn)剛度是用扭矩和旋轉(zhuǎn)角的公式來衡量。軸的最大扭轉(zhuǎn)剛度的條件是 ρ≤[ρ]
3.5.2確定許用應(yīng)力
上面已經(jīng)確定軸的材料為Q235鋼，抗拉強度σb=410MPa，彎曲疲勞強度σ-1=180MPa,[σ-1]b=40MPa
3.5.3估算軸的基本直徑
取A=100
d≥A(P1/n1)1/3
=110×[2.77138]1/3
=110×0.12=13.1mm
考慮有鍵槽，將直徑增大5%，則:
d1=13.1mm×(1+5%)mm=13.75mm
選d1=14mm
3.5.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
確定軸各段直徑和長度
I段：d1=14mm ?
長度的選擇大小主要取決于一個聯(lián)軸器的整體結(jié)構(gòu)及其需要安裝的零部件的所在位置，根據(jù)各種聯(lián)軸器的長度計算工作方式可以進(jìn)行長度選擇，選取YL6型Y型凸緣聯(lián)軸器L1=30mm。
II段:d2=d1+2h=14mm＋2×0.07d1
=14mm＋2×0.07×14mm
=16.96mm
∴d2=18mm L2=32mm
III段直徑
d3=d2+2h=18mm＋2×0.07d2
=18mm+2×0.07×18mm
=20.52mm
取d3=20mm初選用6204型深溝球軸承，其內(nèi)徑為20mm,寬度為14mm。
?L3=24
Ⅳ段直徑
d4=d3＋2h=20mm＋2×0.07d2
=20mm＋2×0.07×20mm
=23.8mm?
取d4=25mm
L4=L大齒輪+L套筒-1mm=30+21-1mm=50mm
Ⅴ段直徑
d5=d4+2h=25mm+2×0.07d4=28.5mm
取d5=30mm
L5=27mm
Ⅵ段直徑
d6=d5+2h=30mm+2×0.07d5=38.2mm
取d6=40mm
L6=20mm
Ⅶ段直徑
由于這里有齒輪存在。因此取d7=25mm
L7=28mm
Ⅷ段直徑
由于這里使用了6204深溝球軸承。因此取d8=20mm
L8=26mm
L=30+32+24+50+27+20+28+26mm=237mm
③按彎矩復(fù)合進(jìn)行強度計算
A 求分度圓直徑：已知d2=240mm
B 求轉(zhuǎn)矩：已知T2=9550×PⅡ/ nⅡ=191.692N.m
C 求圓周力：Ft
Ft=2T2/d2=2×191692N.mm/240mm=1597.4N
D 求徑向力Fr
Fr=Ft·tanα=1597.4N×tan200=581.5N
E 因為該軸兩軸承對稱，所以：LA=LB=70mm
傳動軸
4 齒輪的設(shè)計
齒輪機(jī)械傳動中的機(jī)械副系統(tǒng)是一種在我國現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械傳動中,最重要的、應(yīng)用最為廣泛的一種新型機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),他通過傳動齒輪副之間的相對運動關(guān)系來直接傳遞機(jī)械運動和控制動力,具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、工作可靠、壽命長、傳動比準(zhǔn)確,適用于傳動速度快和控制傳動范圍寬等多大優(yōu)勢。
4.1齒輪傳動的分類和特點
4.1.1齒輪傳動的類型
（1）根據(jù)不同傳動齒輪軸的不同相對傳動位置:選擇平行旋轉(zhuǎn)軸傳動齒輪旋轉(zhuǎn)傳動、相交旋轉(zhuǎn)軸傳動齒輪旋轉(zhuǎn)傳動、交錯旋轉(zhuǎn)軸傳動齒輪旋轉(zhuǎn)傳動
（2）按工作條件：
① 開式滑動齒輪完全不能外露,易滑動掉落雜物灰塵和任何碎屑雜物,不能在工作過程中不能保證良好的滑動潤滑,輪齒容易斷裂發(fā)生松動磨損,多場合適用于各種低速、不重要的機(jī)械應(yīng)用工作場合;
② 半開式的潤滑油池一般裝有簡單的潤滑保護(hù)罩,有時甚至可能會把大型柴油齒輪機(jī)所組成的部分直接用水浸泡在開式油池中,比開式液力傳動機(jī)的潤滑好些,但仍然由于不能嚴(yán)格地準(zhǔn)確防止油池灰塵及其他有害雜物直接浸泡,多被廣泛應(yīng)用于各種小型農(nóng)業(yè)、建筑和民用工程機(jī)械以及簡易的通用機(jī)械設(shè)備;
③ 齒輪全封閉式是將齒輪和傳動軸承完全密實均勻地滑動封閉于箱體內(nèi),能夠有效確保良好的箱體潤滑性和較高的齒輪嚙合傳動精度,應(yīng)用廣泛。多向軸適用于各種大型汽車、機(jī)床和民用航空器的引擎以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)等機(jī)械齒輪軸的傳動。
4.1.2齒輪傳動的特點
優(yōu)點：①傳動效率高 ②傳動比恒定 ③結(jié)構(gòu)緊湊 ④工作可靠、壽命長
缺點：①齒輪的制造、安裝對精度的要求比較高；②不能滿足齒輪的中心間距較大兩軸之間的傳動；③在使用上的維護(hù)成本比較高；④當(dāng)精度低時,振動和噪音比較大[11]。
4.2齒輪傳動的主要參數(shù)與基本要求
齒輪的傳動應(yīng)該必須滿足兩個基本條件:①傳動均勻；②承受的運轉(zhuǎn)能力較好。
在關(guān)于齒輪的技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)科研中,有關(guān)于牙輪齒廓運動曲線、齒輪的運動強度、制造工藝精確性、加工工藝方式以及關(guān)于齒輪的流體熱處理工藝技術(shù)等,基本上都已經(jīng)是緊緊地緊密圍繞著這兩個基本的技術(shù)要求體系來進(jìn)行實施的。
齒輪傳動的主要參數(shù)
（1）模數(shù)m
所以設(shè)計一個齒輪的分度圓主要目的就是把它們作為設(shè)計的基準(zhǔn),以此來確定齒輪各個組成部分的尺寸。齒輪分度圓的周長 c = πd = zp ,于是我們可以推導(dǎo)出齒輪分度圓的直徑 d = zp /π,模數(shù)就是覺得一個齒輪有多長直徑的因素。
（2）傳動比i和齒數(shù)比u
在一對齒輪中，設(shè)主動輪轉(zhuǎn)速n主、齒數(shù)Z主，從動輪轉(zhuǎn)速n從、齒數(shù)Z從，則傳動比i通常可表示為i=n主n從=Z從Z主
在一對齒輪中，若設(shè)小齒輪齒數(shù)Z1，大齒輪齒數(shù)為Z2，則齒數(shù)比u=Z2Z1＞1
顯然，在減速運動中u=i，在增速運動中u=1i。
（3） 中心距a
其中心點距 a 是采用圓柱形齒輪作為傳動機(jī)械的一個特征大小尺寸,也是其中最重要的幾何學(xué)測量參數(shù)。在設(shè)計中我們應(yīng)該注意保持取值的簡潔和整齊,并盡可能多，并盡量避免有小數(shù)。
（4）齒寬系數(shù)b
齒寬系數(shù)體現(xiàn)了齒輪的寬度和徑向尺寸在齒軸上的比率關(guān)系。齒寬系數(shù) b 的定義和取得值大小會直接決定齒輪傳動的結(jié)構(gòu)布局和傳動質(zhì)量,因而這個值也是齒輪機(jī)械學(xué)設(shè)計過程中的主要參數(shù)之一。
4.3齒輪傳動的失效形式
① 齒輪打折;輪齒的折斷通常分為兩種類型的情況:一種是因為多次重復(fù)的彎曲應(yīng)力和應(yīng)力的集中而導(dǎo)致輪齒疲勞性地折斷;另外一個就是因為突然性地產(chǎn)生了嚴(yán)重的過載或者是沖擊物體在載荷上的作用而導(dǎo)致的過載打折。
② 齒輪表面點蝕:由于當(dāng)一個輪齒正常運動工作時,前面的兩個嚙合點中心位置在交變力和接觸應(yīng)力的多次反復(fù)運動作用下,在一個較遠(yuǎn)或靠近的小節(jié)點嚙合線的齒面上常常會同時發(fā)生若干個微型的小節(jié)點裂紋。
③ 齒面膠合;在高速和重載下的齒輪傳動中,牙面詢問的是由于壓力較大、氣溫升高、潤滑效果較差,當(dāng)瞬時的溫度超出一定范圍時,將會導(dǎo)致使兩個齒面之間局部發(fā)生熔融和金屬交替粘連,當(dāng)兩個齒面之間做相對移動時,黏附的地方會被撕裂,從而導(dǎo)致齒面上沿著一定的滑動方向產(chǎn)生帶狀或者是大面積的損壞[12]。
④ 齒面直接打磨;由于當(dāng)嚙合輪齒在直接嚙合運動過程中,由于相對摩擦力的直接滑動,特別多的是當(dāng)嚙合外界空氣中的硬質(zhì)金屬微粒直接滑動進(jìn)入嚙合到與其他嚙合輪齒工作面之間時,會直接滑動造成嚙合輪齒整體表面的嚴(yán)重磨損。當(dāng)傳動齒輪表面逐步受到磨損后,齒面上就會逐漸喪失正確的受力位置和傳動齒型,嚴(yán)重的話就可能會直接導(dǎo)致傳動輪齒太薄而被應(yīng)力打折,齒面的逐步磨損也就已經(jīng)成為了開式汽車齒輪動力傳動的一種主要不良系統(tǒng)失效。
⑤ 齒表面可塑性變形。硬度相對較低的柔軟齒面?zhèn)鲃友垒?在低速運行中重載時,由于齒面?zhèn)鲃訅毫μ?在摩擦力的作用下,齒面上的金屬會產(chǎn)生可塑性的流動而使傳統(tǒng)齒形失去。提高齒面的硬度與采用黏性比較高的潤滑油,都是為了幫助防止或緩解齒面可塑性的變形。
4.4齒輪的參數(shù)計算
高速級齒輪傳動的設(shè)計計算
⑴ 齒輪材料，熱處理及精度
鑒于此類減速器的傳動功率和現(xiàn)場所需安裝位置的限制,因而大小型減速器齒輪均選擇了硬齒面上的漸開式直線斜齒輪
①材料：高速級小齒輪選用Q235鋼，齒面硬度小于165HBS，取小齒齒數(shù)=22。
高速級大齒輪選用Q235鋼，齒面硬度小于165HBS ，Z2=i×Z1=2×22=44。
② 齒輪精度：按GB/T10095.1，選擇7級。
⑵ 初步設(shè)計齒輪傳動的主要尺寸
確定各參數(shù)的值:
試選=1.6
查課本圖10-30 選取區(qū)域系數(shù) Z=2.45
由課本圖10-26 =0.86 =0.90
則=0.86+0.90=1.76
查課本 10-19圖得：K=0.93 K=0.96
齒輪的疲勞強度極限
取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,應(yīng)用公式10-12得:
[]==0.93×960=892.8
[]==0.96×960=921.6
許用接觸應(yīng)力
=892.8+921.6/2=907.2MPa
查課本由表10-6得： =188MP
選取齒寬系數(shù) 0.558
T=95.5×10×=95.5×10×2.55/10.15=239.92×10N.M
⑶ 設(shè)計計算
小齒輪的分度圓直徑d
=64.41
模數(shù)：m=d1/z1=64.41/22=2.93mm
根據(jù)課本P130表10-2 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)：m=3mm
分度圓直徑d1=mz1=3×22=66mm
?????d2=mz2=3×44=132mm
傳動中心距? a=m(z1+z2)/2=3(22+44)/2=99mm
驗算齒輪圓周速度?
V齒=3.14d1n1/60×1000=3.14×66×960/60×1000=3.32m/s
使用系數(shù)=1.1
根據(jù)v=0.67m/s,7級精度，查表得動載系數(shù)K=1.00
齒向載荷分布系數(shù) KHβ=1.245
齒間載荷分布系數(shù) KHα=1.00
故載荷系數(shù):
K＝KAKVKK =1.1×1.0×1.245×1.0=1.3695
⑷ 齒根彎曲疲勞強度設(shè)計
σF=(2kT1/d1mb)YFS1≤[σF1]
確定有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力[σFP]
[σF1]= 0.7σFlim1 =709.2Mpa
[σF2]= 0.7σFlim2 =709.2Mpa
齒輪1復(fù)合齒形系數(shù) =4.30498
齒輪1應(yīng)力校正系數(shù) =1.56256
齒輪2復(fù)合齒形系數(shù) =4.01577
齒輪2應(yīng)力校正系數(shù) =1.69048
端面重合度 =1.64604
計算兩輪的許用彎曲應(yīng)力
σF1=(2kT1/d1mb)YFS1=168.3Mpa＜[σF1]
σF2=(2kT1/d1mb)YFS2=157Mpa＜[σF2]
小齒輪材料為Q235鋼
接觸強度極限應(yīng)力 σHlim1=960.0MPa
齒輪1接觸疲勞強度許用值 [σH]1=1050.9MPa
大齒輪材料為Q235鋼
齒輪2接觸強度極限應(yīng)力 σHlim2=960.0MPa
齒輪2接觸疲勞強度許用值 [σH]2=1050.9MPa
計算模數(shù)
=2.42
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，按GB/T1357-1987圓整為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù),取m=3mm但為了同時滿足接觸疲勞強度，需要按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑d=64.41來計算應(yīng)有的齒數(shù).于是由:
= 21.47 取 z1=21
那么z2=2×21=42
幾何尺寸計算
計算中心距：a==96.013mm
將中心距圓整為98mm
因此齒輪為圓柱直齒齒輪,故參數(shù),,等不必修正.
計算大、小齒輪的分度圓直徑
=63mm
=126mm
因?qū)嶋H條件限制，圓整后d1=64mm d2=130mm
齒輪參數(shù)和幾何尺寸總結(jié)：
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)
模數(shù)
壓力角
齒頂高系數(shù)
頂隙系數(shù)
齒距
齒厚
齒槽寬
齒根高
齒頂高
分度圓直徑
齒高
基圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
中心距
大齒輪
小齒輪
5 軸承的設(shè)計
5.1軸承種類的選擇
軸承在機(jī)械中廣泛應(yīng)用的部分零件之一,它的功能和作用主要包括支撐著機(jī)器在運動時的旋轉(zhuǎn)體,降低了機(jī)器在運動時的摩爾系數(shù),并有效地保證了其回轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。軸承的質(zhì)量及其使用壽命和軸承的工作性能,不僅依賴于軸承本身的生產(chǎn)制造精度,還和其他軸承部件的連接孔與軸尺寸精度、形位精度和軸表面的粗糙度、正確選用和安裝方法有著緊密的聯(lián)系。尤其是在工作中怎樣正確合理地選用軸承的搭接,對于提高軸承的壽命,保證整個機(jī)器的正常工作至關(guān)重要。
（1） 軸承精度等級
滾動精度軸承的額定精度范圍可以依次劃分分別為根據(jù)大小不同尺寸的滾動精度和不同旋轉(zhuǎn)方向軸承的滾動精度。精度標(biāo)準(zhǔn)級別已經(jīng)開始進(jìn)行了首次標(biāo)準(zhǔn)化,劃分分別為0級、6x級、6級、5級、4級、2級六個精度級別。精度由0級提高開始依次提高進(jìn)行逐級提高,對于普通用途0級精度己經(jīng)可說是精度足夠,但在較為復(fù)雜的使用情況和特殊場合下,還是可能需要5級或者更高。
（2） 滾動軸承配合選擇
① 配合的選擇
由于軸承的內(nèi)徑和外徑的大小都是從國家標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行選取的,而對于軸承的內(nèi)圈、外圍軸、座孔之間的配套松緊程度也只能靠著控制公差大小來改變。滾動軸承的內(nèi)圈和軸的配合一般都會使用基孔制,軸承的外圈和座孔一般都會使用基軸制。在正確地選擇軸承時,必須要知道實際工況下負(fù)載大小和工作的實際條件,而知道這些條件是很困難的。因此，多數(shù)情況是通過使用精度來選擇配合的。
② 負(fù)荷大小
套圈與軸（或外孔）間的過盈量取決于負(fù)載的大小，當(dāng)負(fù)載較大時選擇較大的過盈量，當(dāng)負(fù)載較小時選擇較小的過盈量。通常將當(dāng)量徑向負(fù)載分成“輕”、“正?！?、“重”型負(fù)載三種情況。
③ 負(fù)載性質(zhì)
在選取配合時首先要考慮到的是負(fù)載矢量相對于套圈旋轉(zhuǎn)。按照套圈中合成的徑向負(fù)載矢量相對于套圈的旋轉(zhuǎn)運動情況,套圈中所要承受的徑向負(fù)載大致可以劃分為:固定式負(fù)載、旋轉(zhuǎn)式負(fù)載、擺動式負(fù)載。 1.固定負(fù)載
作用于支承套圈上的一個徑向壓力負(fù)載,由裝在套圈支承軌道上的徑向局部運動區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行壓力承受,并向其傳遞壓力到支承軸或者也就是裝在軸承座上的一個相應(yīng)徑向局部運動區(qū)域。
特點:合成的徑向負(fù)載向量和套圈相對于靜止,承受定向負(fù)載時套圈間可以選擇較松緊的配置。
2.旋轉(zhuǎn)負(fù)載
作用于套圈上的合成徑向負(fù)載，沿滾道圓周方向旋轉(zhuǎn)，依次負(fù)載于各部位。
特點:每當(dāng)合成套筒負(fù)載的傳動向量與合成套圈相對方向旋轉(zhuǎn),承受相對旋轉(zhuǎn)時的負(fù)載時合成套筒線圈與負(fù)載向量之間關(guān)系應(yīng)該有相選緊密的配合。在特別的使用條件下,若所需要承受的強度旋轉(zhuǎn)載荷負(fù)載非常小(或僅偶爾低速徑向轉(zhuǎn)動),軸承材料選擇用的材料較硬或較軟具有較高的軸承表面度和粗糙度時,承受較大強度旋轉(zhuǎn)載荷負(fù)載的選用軸承襯套和墊圈也就是說可以直接使用硬度較松的軸承材料與其進(jìn)行直接配合。
3.擺動負(fù)載（不定向負(fù)載）
作用于套圈上的合成徑向負(fù)載方向不變。
特點:用于作用在流體套圈上的各種合成流體負(fù)載壓力向量沖擊可以在流體套圈上或滾道的某個擺動區(qū)域內(nèi)同時進(jìn)行壓力擺動,為了保證使套圈滾道一定的擺動區(qū)域內(nèi)能有一個足夠大的振動力可以承受,或者對用于作用在流體套圈上或滾道上的各種合成流體負(fù)載向力具有向量沖擊和壓力振動,其中的振動數(shù)值可以隨作用時間而有所變動。對于在承受高速旋轉(zhuǎn)擺動和大負(fù)載時,軸承內(nèi)、外部滾動套件墊圈和支承軸、齒輪和底座孔之間的松緊配置要求均宜并可采用滾動松緊組合配置。
5.2軸承的選用
由于此軸承用于支撐回轉(zhuǎn)的軸或軸上零件，故應(yīng)該選用滾動軸承。因為實際上在應(yīng)用的生產(chǎn)過程中,該傳動軸承既受到需要同時承受不同徑向旋轉(zhuǎn)運動力又受到需要同時承受不同軸向旋轉(zhuǎn)運動力的較大影響,故我們認(rèn)為應(yīng)該合理地考慮選擇一種單列角度非接觸式圓球傳動軸承。參考實際軸承應(yīng)用市場情況和實際設(shè)計工作應(yīng)用需要,查閱相關(guān)軸承組件產(chǎn)品目錄,初步進(jìn)行篩選2基本信息游隙滾動機(jī)構(gòu)軸承組件和標(biāo)準(zhǔn)軸承精度和等級配套軸承單列角精度接觸角圓球滾動軸承7204AC型。
D
B
軸承代號
20
42
12
7004AC
20
47
14
7204AC
20
52
15
7304AC
除了選取單列角接觸球軸承外，本實驗裝置還可使用深溝球軸承，考慮到實際情況和工作的要求，選取（0）2尺寸系列6204深溝球軸承。
5.3軸承的配合與固定
（1）當(dāng)軸承和外圈和軸承座、箱體互相配合時,其間的配合距離一般不宜太大,在工作中要注意保證其外圈有輕度振動空間,以減少由于外圈和滾道振動而發(fā)生的局部和過量磨損,這樣就有助于延長軸承的性能和使用壽命。下圖1、2是兩種外圈固定方式。
圖1 圖2
（2）由于滾動軸承內(nèi)圈與軸需要較緊的配合，而且傳動的功率一般較大，故應(yīng)采用過盈配合。對于本實驗裝置，考慮到軸承需要經(jīng)常拆卸，故不宜配合太緊，以免出現(xiàn)裝拆困難的情況。
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致謝
經(jīng)過兩個多月的艱苦努力和不懈堅持，我順利完成了畢業(yè)論文的寫作。從開始的自己確定選題，到查閱參考文獻(xiàn)，再到畢業(yè)導(dǎo)師一步步的指導(dǎo)、對設(shè)計方案進(jìn)行夜以繼日的研究和試驗，終于交上了這一份答卷。在這段過程中，我所走的每一步都意味著新的嘗試和挑戰(zhàn)，這也是在大學(xué)生涯第一次獨立完成的最大項目。在這段時間里，我學(xué)到了很多知識有很多感受，從一無所知到開始獨立的學(xué)習(xí)和試驗，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己不成熟的座屏一步步得以完善，每一次進(jìn)步都是我學(xué)習(xí)的收獲，每一次試驗的成功都會讓我興奮好一段時間。
但即使是現(xiàn)在，我的論文也還是不夠成熟的，還有很多不足之處。但這次寫論文的經(jīng)歷使我終身受益。我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的潛力，沒有自己的研究，就不會有所突破，那也就不叫論文了。期望這次經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵我繼續(xù)奮勇向前。
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