第二部分 机械设计实训（机械设计基础）

第二部分机械设计实训

《机械设计基础》

第二部分机械设计实训项目一平面四杆机构设计项目二凸轮机构设计项目三带传动设计项目四齿轮设计项目五轴的设计项目六轴承选择项目七联接件选择项目一平面四杆机构设计一、任务提出任务一汽车刮雨器曲柄摇杆机构设计汽车刮雨器可用曲柄摇杆机构实现，已知摇杆长度l3=80mm，摆角Ψ=40°，摇杆的行程速比系数K=1.4，且要求摇杆CD的一个极限位置与机架间的夹角∠CDA=90°。二、任务要求1、试用图解法确定其余三杆的长度。2、用三维软件（UGNX）绘制机构各零件图，并装配实现运动仿真。三、相关知识步骤如下：

①计算θ＝180°(K-1)/(K+1);②任取一点D，作等腰三角形腰长为CD，夹角为φ;③作C2P⊥C1C2，作C1P使∠C2C1P=90°－θ,交于P;④作△PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。⑤选定A，设曲柄为l1，连杆为l2，则:AC1=l1+l2

AC2=l2-l1=>l1=(AC1－AC2)/2⑥以A为圆心，AC2为半径作弧交于E,得：l1=EC1/2

l2=AC1－EC1/2E

φ

θ

θ

90°-θPDAC1C2已知：CD杆长，摆角φ及K，设计曲柄摇杆机构。四、任务实施1、参考上述知识点中作图步骤①至⑥绘出机构运动简图；2、用UGNX绘制杆件三维模型3、机构三维模型装配4、机构运动仿真实现项目一平面四杆机构设计一、任务提出任务二牛头刨床导杆机构设计设计牛头刨床导杆机构。已知机架长度l4=100mm，行程速比系数K=1.4。二、任务要求1、试用图解法确定曲柄的长度。2、用三维软件（UGNX）绘制机构各零件图，并装配实现运动仿真。三、相关知识分析（机构简图演示）：对于摆动导杆机构，其极位夹角θ等于导杆的摆角Ψ，而所需要确定的尺寸是曲柄长度lAB。已知条件：行程速比系数K、机架长度lAC

①计算极位夹角；

②选择适当的比例尺作直线μl，任选固定铰链点C；③按夹角Ψ（＝θ）作出导杆的两极限位置Cm和Cn；④作摆角Ψ的角平分线CA，并在AD上截取AC=lAD/μl，即可得到曲柄轴心A点的位置；

⑤过A点作导杆极限位置的垂线AB1（或AB2），即得曲柄长度lAB=μlAB。四、任务实施1、参考上述知识点中作图步骤①至⑤绘出机构运动简图；2、用UGNX绘制杆件三维模型3、机构三维模型装配4、机构运动仿真实现项目一平面四杆机构设计一、任务提出任务三热炉门启闭机构设计设计一铰链四杆机构作为加热炉炉门的启闭机构。已知炉门上两活动铰链的中心距为50mm，炉门打开后成水平位置时，要求炉门温度较低的一面朝上（如图双点划线所示），设固定铰链安装在

轴线上，其相关尺寸如图所示。二、任务要求1、试用图解法确定各杆的长度。2、用三维软件（UGNX）绘制机构各零件图，并装配实现运动仿真。三、相关知识1)给定连杆两组位置B2C2AD将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。有无穷多组解。A’D’B1C1二、任务要求有唯一解。2)给定连杆上铰链BC的三组位置B2C2B3C3ADB1C1四、任务实施1、参考上述知识点中出机构运动简图；2、用UGNX绘制杆件三维模型3、机构三维模型装配、仿真项目二凸轮机构设计一、任务提出任务一内燃机滚子对心直动从动件盘形凸轮设计对心滚子直动从动件盘形凸轮机构中，已知凸轮以等角速度w1顺时针转动，从动件的运动规律：当凸轮转过120°时，从动件以等速运动规律上升20mm；当凸轮继续回转60°时，从动件在最高位置停止不动；当凸轮再转90°时，从动件以等加速等减速运动规律下降到初始位置；当凸轮再转其余90°时，从动件又停止不动。取凸轮基圆半径rmin=50mm,滚子半径rr

=10mm。二、任务要求1、用图解法绘制凸轮的轮廓。2、用三维软件（UGNX）绘制机构各零件图，并装配实现运动仿真。三、相关知识知识点1：设计凸轮机构应注意的问题知识点2：滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制知识点1：设计凸轮机构应注意的问题—理论轮廓外凸部分的最小曲率半径；—滚子半径则实际轮廓的曲率半径：1、滚子半径的选择滚子半径（a）＞（b）=（c）＜＜0实际轮廓：平滑曲线实际轮廓：存在尖点（易磨损，改变运动规律）＞0=0实际轮廓：曲线相交（实际加工被切去，无法实现运动规律）2、压力角及其许用值凸轮机构的压力角自锁现象：当增大到一定程度，使所引起的摩擦阻力大于有效分力时，则无论凸轮机构加给从动件的作用力多大，从动件都不能运动。直动从动件凸轮机构：摆动从动件凸轮机构：3、基圆半径的选择基圆半径rmin越小，机构越紧凑。但同时使压力角增大，机构传力性能变差，效率降低，甚至发生自锁。实际设计凸轮时，选用经验公式：ds为凸轮轴直径r060°90°90°120°-ωω1’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’对心直动滚子推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度ω和推杆的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤：①选比例尺μl作基圆r0。②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。③确定反转后，从动件滚子中心在各等份点的位置。④将各中心点连接成一条光滑曲线。A⑤作各位置滚子圆的内(外)包络线(中心轨迹的等距曲线)。sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’理论轮廓实际轮廓1876543214131211109知识点2：滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制四、任务实施1、参考知识点2中作图步骤绘出凸轮的轮廓。位移线图凸轮轮廓2、用UGNX绘制凸轮及从动杆三维模型3、机构三维模型装配4、机构运动仿真实现项目二凸轮机构设计一、任务提出任务二送料机构偏置直动从动件盘形凸轮设计设计一偏置滚子直动从动件盘形凸轮机构。已知凸轮以等角速度w1顺时针转动，偏距e=10mm，基圆半径rmin=40mm,滚子半径rr=10mm，从动件的升程h=30mm，ζt=150°，

ζs=30°,

ζh=120°,

ζs’=60°,

从动件在推程作简谐运动，在回程作等加速等减速运动。二、任务要求1、作图法绘出其运动线图s-t；用图解法绘制凸轮的轮廓。2、用三维软件（UGNX）绘制机构各零件图，并装配实现运动仿真。三、相关知识当凸轮机构的构造不允许从动件轴线通过凸轮轴心时，或者为了获得较小的机构尺寸，机械中有时采用偏置从动件盘形凸轮机构。先绘制偏置尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓。若采用滚子从动件，则在各点所得的光滑曲线为凸轮的理论轮廓，过这些点作一系列滚子圆，然后作它们的包络线即可求得凸轮的实际轮廓曲线。eA-ωωO

偏置直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度ω和推杆的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’12345678k1k2k3k5k4k6k7k81514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3’4’5’6’7’8’15’14’13’12’11’10’9’设计步骤：①选比例尺μl作基圆r0;②反向等分各运动角;③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置;④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。知识点：偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制四、任务实施1、参考知识点中作图步骤绘出凸轮的轮廓。位移线图凸轮轮廓2、用UGNX绘制凸轮及从动杆三维模型3、机构三维模型装配4、机构运动仿真实现项目三带传动设计一、任务提出设计一通风机用的V带传动。选用异步电动机驱动，已知电动机转速n1=1460r/min，通风机转速n2=640r/min，通风机输入功率P=9KW，两班制工作。二、任务要求1、列出带型号、带的基准长度Ld、带的根数z、带轮直径d、中心距a、轴上压力FQ；2、用三维软件（UGNX）绘制V带及带轮的零件图，并装配实现运动仿真。任务一通风机的Ｖ带传动设计三、相关知识知识点1：带传动的失效形式和设计准则失效形式带与带轮之间的磨损、打滑和带的疲劳破坏（如脱层、撕裂或拉断）等。设计准则在传递规定功率时不打滑，同时具有足够的疲劳强度和一定的使用寿命。设计带传动的原始数据是：传动用途、载荷性质、传递功率、带轮转速以及对传动的外廓尺寸的要求等。设计带传动的主要任务是：选择合理的传动参数、确定V带型号、长度和根数；确定带轮材料、结构和尺寸。知识点2：带传动的设计步骤和方法1.选普通V带型号

由计算功率PC和小轮转速n1，查选型图确定带的型号。2.确定大、小带轮的基准直径d1、d2，验算带速

3.确定V带基准长度Ld和中心距a4.验算包角α1、传动比i

一般：α1≥120°、i≤75.确定V带根数zV带根数不宜太多，通常z<10

6.初拉力F0

保持适当的初拉力是带传动正常工作的首要条件。初拉力不足，会出现打滑；初拉力过大将增大轴和轴承上的压力，并降低带的寿命。7.V带的张紧对轴、轴承产生的压力FQ

8.带轮结构设计9.张紧装置计算功率：KA---工作情况系数（详见表14-7P169）载荷性质工作机原动机空、轻载启动重载启动每天工作的小时数/h＜1010~16＞16＜1010~16＞16载荷变动很小液体搅拌机、通风机和鼓风机（≤7.5KW）、离心式水泵和压缩机、轻负荷输送机1.01.11.21.11.21.3载荷变动小带式输送机、通风机（＞7.5KW）旋转式水泵和压缩机（非离心式）发动机、切削机床、印刷机、木工机械1.11.21.31.21.31.4载荷变动较大制砖机、斗式提升机、往复式水泵和压缩机、起重机、磨粉机、重载输送机、纺织机械1.21.31.41.41.51.6载荷变动很大破碎机（旋转式、颚式等）、磨碎机（球磨、棒磨、管磨）1.31.41.51.51.61.8工作情况系数KA型号的确定:根据Pc和小带轮的转速n1，由选型图确定。300050002000160040002008005001004003001000小带轮的转速n1(r/min)125025000.811.2523.154581016203040506380100200250普通V带选型图ZABCDEd1=50~71d1=80~100d1=112~140d1=125~140d1=160~200d1=200~315d1=355~400d1=450~500d1=80~100

带轮的直径过小，则带的弯曲应力大，寿命降低。应取：d1>dmin型号

YZABCDEdmin205075125200315500带轮的最小直径dmin2022.4252831.535.54045505663677175808590951001061121181251321401501601701802002122242362502652803003153553754004254755005305606306707107508009001000大带轮的直径d2：d1

、d2：必须符合带轮的基准直径系列：带速：一般应使v在5~25m/s的范围内。中心距、带长和包角：推荐范围：0.7(d1+d2)<a0<2(d1+d2)初定V带基准长度：根据L0由表14-2选取接近的基准长度Ld，然后计算中心距：中心距变动范围为：考虑带传动的安装、调整和V带张紧的需要。(a-0.015Ld)~(a+0.015Ld)小轮包角：一般应使α1≥120˚，否则可加大中心距或增加张紧轮。初拉力保持适当的初拉力是带传动工作的首要条件。初拉力不足，会出现打滑，初拉力过大将增大轴和轴承上的压力，并降低带的寿命。计算公式：其中：Pc为计算功率；z为V带根数；v为带速；q为V带每米长的质量；ka为包角修正系数；带型YZABCDEq/(kg/m)0.020.060.100.170.300.620.90基准宽度制V带每米长的质量q四、任务实施1、带的设计①求计算功率Pc查表得,故②选普通V带型号根据，，查图可知此坐标点位于A型与B型交界处，现暂按选用B型计算。

③求大、小带轮基准直径d1、d2，验算带速根据表，取d1=140mm根据表，取d2=315mm

则实际传动比则实际传动比i、从动轮的实际转速分别为：从动轮的转速误差率为在±5%以内，为允许值。验算带速带速在5∽25m/s范围内，合适。④求V带基准长度Ld和中心距a初步选取中心距取a0=700mm，符合带长

=

=2126mm经查表，对B型带选用Ld=2240mm。再计算实际中心距验算小带轮包角а1合适⑤求V带根数。查表得得传动比查表得取z=4根⑥求作用在带轮轴上的压力FQ单根V带的初拉力作用在轴上的压力2、带及带轮的三维设计3、带传动装配及运动仿真项目四齿轮设计一、任务提出任务一单级直齿圆柱齿轮减速器齿轮传动设计设计一单级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动。已知：传递功率P=10KW，电动机驱动，小齿轮转速n1=955r/min，传动比i=4，单向运转，载荷平稳。使用寿命10年，单班制工作。二、任务要求1、齿轮设计理论计算2、齿轮结构设计3、齿轮三维成型4、齿轮传动运动仿真三、相关知识知识点1：齿轮的失效形式轮齿折断塑性变形齿面磨损齿面胶合齿面点蚀知识点2：齿轮的设计准则对于闭式软齿面齿轮传动，齿面点蚀是主要的失效形式，应先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后再按弯曲疲劳强度进行校核；对于闭式硬齿面齿轮传动，轮齿折断是主要的失效形式，应先按齿面弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的模数和其他尺寸，然后再按接触疲劳强度校核齿面的接触强度。对于开式齿轮传动中的齿轮，齿面磨损为其主要失效形式，故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%~20%，而无需校核接触强度。知识点3：齿轮材料及许用应力材料牌号热处理抗拉强度σb/MPa屈服点齿面硬度HBSHRCHT250

220～240

170～241

HT300250～290

187～255

HT350290～340

197～269

QT500-7正火500320170～230

QT600-3600370190～270

ZG310-570570310163～197

ZG340-640640340179～207

ZG35SiMn正火、回火569343163～217表面淬火45～53调质637412197～248ZG35CrMnSi正火、回火686343162～217

调质785588197～269

45正火、回火569～588284～294162～247表面淬火40～50调质628～647343～373217～28635CrMo调质686～735490～539241～286表面淬火45～5540MnB690～740440～490241～28645～5537SiMn2MoV814～863637～686241～30250～5540Cr686～735490～539241～28648～5520Cr渗碳、淬火、回火637392

56～620CrMnTi1079834

38CrMoAlA调质后渗氮980834心部229≥850HV夹布塑胶

100

25～35

齿轮的常用材料及力学性能齿面类型他轮种类热处理两轮工作齿面硬度差工作齿面硬度举例备注小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮软齿面直齿调质正火调质调质调质20～25HBS240～270HBS260～290HBS280～310HBS300～330HBS180～220HBS220～240HBS240～260HBS260～280HBS用于重载中速有低速固定式传动装置斜齿及人字齿调质正火正火调质调质30～50HBS240～270HBS260～290HBS270～300HBS300～330HBS160～190HBS180～210HBS200～230HBS230～260HBS软硬组合斜齿及人字齿表面淬火调质齿面硬度差很大45～50HRC45～50HRC200～230HBS230～260HBS270～300HBS300～330HBS用于爱冲击载荷和过载均不大的固定式传动装置渗碳调质56～62HRC硬齿面直齿、斜齿及人字齿表面淬火表面淬火齿面硬度大致相同45～50HRC用在于传动尺寸受结构条件限制的情况和运输机械上的传动渗碳渗碳56～62HRC轮齿齿面硬度及其配对给合齿面接触疲劳许用应力为a)铸铁b)正火结构钢和铸钢c)调质钢和铸钢d)渗碳淬火及表面淬火钢试验齿轮的接触疲劳极限σHlim齿根弯曲疲劳许用应力为（a）铸铁（b）正火结构钢和铸钢试验齿轮的弯曲疲劳极限σFlim(c)调质钢和铸钢(d)表面硬化钢安全系数软齿面（≤350HBS）硬齿面（＞350HBS）重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮SH1.0~1.11.1~1.21.3SF1.3~1.41.4~1.61.6~2.2安全系数SH和SF知识点4：齿轮设计主要参数的选择1）传动比ii小于8时可采用一级齿轮传动。如果传动比过大时采用一级传动，将导致结构庞大，所以这种情况下要采用分级传动。如果总传动比i为8~40，可分成二级传动；如果总传动比i大于40，可分为三级或三级以上传动。一般取每对直齿圆柱齿轮的传动比i∠3，最大可达5；斜齿圆柱齿轮的传动比可大些，取i≤5，最大可达8；直齿锥齿轮的传动比i≤3，最大可达i≤5∽7.5。2）齿数z一般设计中取闭式软齿面齿轮传动中，开式传动中，闭式硬齿面齿轮传动中，可适当地减少齿数以保证模数取值合理；3）模数

4)螺旋角β一般设在设计时常取β=8°∽15°。一般情况下、大功率传动的场合，宜取大些；低速、小功率传动的场合，宜取小些。5）齿宽系数ψd齿轮相对于轴承的位置齿面硬度软齿面（≤350HBS）硬齿面（＞350HBS）对称布置0.8~1.40.4~0.9不对称布置0.6~1.20.3~0.6悬臂布置0.3~0.40.2~0.25注：1.对于直轮圆柱齿轮取较小值；斜齿轮可取较大值；人字齿轮可取更大值；

2.载荷平稳、轴的刚性较大时，取值应大一些；变载荷、轴的刚性较小时，取值应小一些。知识点5：齿轮精度等级的选择渐开线圆柱齿轮精度等级的国标为GB10095—88，规定了12个精度等级，其中1级的精度最高，12级的精度蕞低，常用的精度等级为6~9级。机器名称精度等级机器名称精度等级汽轮机金属切削机床轻型汽车载重汽车拖拉机3~63~85~87~96~8通用减速器锻压机床起重机矿山用卷扬机农业机械6~86~97~108~108~11常用机器中齿轮的精度等级

齿轮的精度等级6级（高精度）7级（较高精度）8级（普通）9级（低精度）加工方法用展成法在精密机床上精磨或精剃用展成法在精密机床上精插或精滚,对淬火齿轮需磨齿或研齿等.用展成法插齿或滚齿用展成法或仿形法粗滚或型铣削齿面粗糙度Ra/μm≤0.80~1.601.60~3.23.2~6.36.3用途用于分度机构或高速重载的齿轮,如机床、精密仪器、汽车、船舶、飞机中的重要齿轮用于高、中速重载齿轮，如机床、汽车、内然机中的较重要齿轮，标准系列减速器中草药的齿轮一般机械中的齿轮，不属于分度系统的机床，飞机、拖拉机中不重要的齿轮，纺织机械，农业机械中的重要齿轮轻载传动的不重要齿轮，低速传动、对精度要求低的齿轮圆周速度υ/（m/s）≤圆柱齿轮直齿≤15≤10≤5≤3斜齿≤25≤17≤10≤3.5锥齿轮直齿≤9≤6≤3≤2.5常用精度等级齿轮的加工方法知识点5：齿轮的强度计算1）轮齿的计算载荷Fn---名义载荷Fnc---计算载荷K---载荷系数工作机械载荷特性原动机电动机多缸内燃机单缸内燃机均匀加料的运输机和加料机、轻型卷扬机、发动机、机床辅助传动均匀、轻微冲击1~1.21.2~1.61.6~1.8不均匀加料的运输机和加料机、重型卷扬机、球磨机、机床主传动中等冲击1.2~1.61.6~1.81.8~2.0冲床、钻床、轧机、破碎机、挖掘机大的冲击1.6~1.81.9~2.12.2~2.4载荷系数K2）齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度的校核公式齿面接触疲劳强度的设计公式[σH]--齿轮材料的许用接触应力，MPa；“+”用于外啮合，“-”用于内啮合；T1--主动轮的转矩，单位为N.mm；b--轮齿的接触宽度，mm；u为两齿轮的齿数比齿宽系数ψd

材料

材料锻钢铸钢球墨铸铁灰铸铁=20.6×104E=20.2×104E=17.3×104E=11.8×104=0.3μ=0.3μ=0.3μ=0.3锻钢189.8188.9181.4162.0铸钢—188.0180.5161.4球墨铸铁—173.9156.6灰铸铁—143.7弹性系数ZE

3）齿根弯曲疲劳强度计算弯曲疲劳强度的校核公式弯曲疲劳强度的设计公式z1214161718192022252830354045506080100≥200YF3.473.223.032.972.912.852.812.752.652.582.542.472.412.372.352.302.252.182.14标准外齿轮的齿形系数YFz1214161718192022252830354045506080100≥200YS1．441.471.511.531.541.551.561.581.591.611.631.651.671.691.711.731.771.801.88标准外齿轮的应力修正系数YS四、任务实施（1）齿轮设计理论计算小齿轮选用45钢调质，硬度为210~230HBS；大齿轮选用45钢正火，硬度为170~210HBS。根据设计准则，闭式软齿面传动，按齿面接触疲劳强度设计。1）转矩T12)载荷系数K查表，取K=1.13）齿轮Z1和齿宽系数ψd小齿轮的齿数Z1取为25，则大齿轮齿数Z2=100。因单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面，由表选取ψd=1。4）许用接触应力[σH]查得SH=1取标准模数m=2.55)主要尺寸计算经圆整后取b2=65mm6)按齿根弯曲疲劳强度校核由公式得出σF,如σF≤

[σF]，则校核合格。7)确定有关系数与参数齿轮系数YF应力修正系数Ys许用弯曲应力[σF]齿根弯曲强度较核合格。8)验算齿轮的圆周速度V可选8级精度9)齿轮几何尺寸计算（2）齿轮结构设计小齿轮可选齿轮轴或实心式，大齿轮选择腹板式(3）齿轮三维模型小齿轮大齿轮（4）机械三维模型装配及运动仿真项目四齿轮设计一、任务提出任务二单级斜齿圆柱齿轮减速器齿轮传动设计设计单级斜齿圆柱齿轮减速器。该减速器用于重型机机械上，由电动机驱动。已知传递功率P=70kw，小齿轮转速n1=960r/min，传动比i=3，载荷有中等冲击，单向运转，齿轮相对于轴承对称布置，工作寿命为10年，单班制工作。二、任务要求1、斜齿轮设计理论计算2、斜齿轮结构设计3、斜齿轮三维成型4、齿轮装配及传动运动仿真三、相关知识知识点：斜齿圆柱齿轮传动的强度计算（1）齿面接触疲劳强度计算校核公式设计公式（2）齿根弯曲疲劳强度计算校核公式设计公式四、任务实施1、斜齿轮设计理论计算(1）选择齿轮材料及热处理方法因传递功率较大，选用硬齿面齿轮组合。小组轮用20CrMnTi渗碳淬火，硬度为56~62HRC；大轮用40Cr表面淬火，硬度为52~56HRC。根据设计准则，闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。由斜齿轮传动齿根弯曲疲劳强度的设计公式可得（2）确定有关参数与系数T1=9550P/n=6.96KN˙m1）转矩T12）载荷系数K查表取3）齿数z、螺旋角β和齿宽系数ψd硬齿面传动，取z1=20，则初选螺旋角当量齿数Zv由表查得齿形系数由表查得应力修正系数4）许用弯曲应力[σF]小齿轮按

查取，大齿轮按感应淬火查取，得因硬齿面，mn应选大些。取标准模数值5）确定中心距a及螺旋角β传动的中心距a取确定螺旋角

6）校核齿面接触疲劳强度7）确定有关系数与参数分度圆直径d取齿数比u许用接触应力[σH]查得弹性系数齿面接触疲劳强度校核合格。8）验算齿轮圆周速度v可选8级精度。（3）齿轮零件结构设计齿轮的分度圆直径小齿轮可选齿轮轴或实心式，大齿轮选择腹板式（4）齿轮几何尺寸计算（5）齿轮三维模型设计小齿轮大齿轮（6）机械三维模型装配及运动仿真项目四齿轮设计一、任务提出任务三单级直齿圆锥齿轮减速器齿轮传动设计设计单级直齿圆锥齿轮减速器。轴交角

，已知小齿轮1传递的功率P1=5.45，小齿轮1的转速为n1=960r/min，传动比i=2.5，电动机驱动，载荷平稳，单向运转,每天工作两班。二、任务要求1、锥齿轮设计理论计算2、锥齿轮结构设计3、锥齿轮三维成型4、齿轮装配及传动运动仿真三、相关知识知识点：直齿锥齿轮的强度计算（1）齿面接触疲劳强度计算校核公式设计公式（2）齿根弯曲疲劳强度计算校核公式设计公式计算得到的模数me应按表进行圆整

0.10.350.91.753.255.51020360.120.4123.561122400.150.51.1252.253.756.51225450.20.61.252.5471428500.250.71.3752.754.581630—0.30.81.53591832—锥齿轮模数系列四、任务实施1、直齿圆锥齿轮设计理论计算(1）选择齿轮材料及热处理方法小齿轮选用45钢调质，硬度为210~230HBS；大齿轮选用45钢正火，硬度为170~210HBS。2）强度计算根据设计准则，闭式软齿面传动，按齿面接触疲劳强度设计小齿轮传递的转矩T1载荷系数K=1.1小齿轮的齿数z1取为24，则大齿轮齿数z2=60。一般取Ψr=0.3许用接触应力[σH]查得SH=1取标准模数me=3mm3）主要尺寸计算经圆整后取4）齿根弯曲疲劳强度校核校核合格确定有关系数与参数：齿轮系数查表得应力修正系数查表得许用弯曲应力查表得可得齿根弯曲强度较核合格。圆锥齿轮几何尺寸计算列表2、齿轮零件结构设计。考虑前述齿轮结构的选择方法和装配齿轮的轴的尺寸，小齿轮可选齿轮轴或实心式，大齿轮选择腹板式，结构图略直接生成三维图。3、齿轮三维模型大圆锥齿轮小圆锥齿轮4、齿轮三维模型装配及运动仿真项目五轴的设计一、任务提出任务一一级斜齿圆柱齿轮减速器从动轴设计已知：设计图中所示的斜齿轮圆柱齿轮减速器的从动轴。已知传递功率P=8kw，从动齿轮的转速n=280r/min，分度圆直径d=265mm，圆周力Ft=2059N，径向力Fr=763.8N,轴向力Fa=405.7N。齿轮轮毂宽度为60mm，工作时单向运转，轴承采用深沟球球轴承。二、任务要求1、轴的尺寸和结构设计2、用UGNX绘制轴的三维模型三、相关知识知识点1：轴的失效形式折断、磨损、疲劳断裂等轴的折断知识点2：轴的材料轴的常用材料及主要力学性能知识点3：轴的设计方法1、类比法根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计，画出轴的零件图。特点：1、一般不进行强度计算；2、完全依靠现有资料及设计者的经验进行轴的设计，设计结果比较可靠、稳妥，同时又可加快设计进程，因此类比法较为常用。3、带有一定的盲目性。2、设计计算法根据轴的工作条件选择材料,确定许用应力按扭转强度估算出轴的最小直径设计轴的结构按弯扭合成进行轴的强度校核绘制轴的零件图YN绘制出轴的结构图时应考虑以下几点：根据工作要求确定轴上零件的位置和固定方式；确定各轴段的直径；确定各轴段的长度；根据有关设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽等的尺寸。知识点4：轴的尺寸设计(1)按轴的扭转强度计算轴颈T--轴所传递的转矩，单位为N．mm；WT--轴的抗扭截面系数，单位为mm3；P--轴所传递的功率，单位为Kw；n--轴的转速，单位为r/min；τ，[τ]--轴的剪应力、许用剪应力，单位为MPa；轴的设计计算公式d--轴的估算直径，单位为mm。注意：C值的大小与轴的材料及受载情况有关。当作用在轴上的弯矩比转矩小，或轴只受转矩时，[τ]值取较大值，C值取较小值，否则相反。(2)按轴的弯扭组合强度计算轴颈a--考虑弯曲应力与扭转剪应力循环特性的不同而引入的修正系数。不变转矩取α=[σ-1b]/[σ+1b]≈0.3；脉动循环转矩取α=[σ-1b]/[σ0b]≈0.6对称循环转矩取α=1[σ-1b]、[σ0b]、[σ+1b]分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力f）校核危险截面的强度。W--轴的抗弯截面系数，单位为mm3

；M、T、Me的单位均为N．mm；d的单位为mm；σe--当量弯曲应力，单位为MPa。(3)按轴的刚度计算轴颈①轴的弯曲刚度校核计算应用材料力学的计算公式和方法算出轴的挠度或转角φ--许用挠度、许用转角轴的许用变形量②轴的扭转刚度校核计算应用材料力学的计算公式和方法算出轴每米长的扭转角φ--轴每米长的许用扭转角四、任务实施（1）轴的尺寸及结构设计①选择轴的材料，确定许用应力由已知条件知减速器传递的功率属中小功率，对材料无特殊要求，故选用45钢并经调质处理。由表查得强度极限σB=650MPa，许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa②按扭转强度估算轴径由表查得C=118~107考虑到轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在，故将估算值加大3%~5%，取为33.68~37.91mm。由设计手册取标谁直径③设计轴的结构并绘制轴的结构草图由于设计的是单级减速器，可将齿轮布置在箱体内部中央，将轴承对称安装在齿轮两侧，轴的外伸端安装半联轴器。确定轴上零件的位置和固定方式

要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的装配顺序和固定方式。确定齿轮从轴的右端装入，齿轮的左端用轴肩（或轴环）定位，右端用套套筒固定。这样齿轮在轴上的轴向位置被完全确定。齿轮的周向固定采用平键连接。轴承对称安装于齿轮的两侧，其轴向用轴肩固定，周向采用过盈配合固定。确定各轴段的直径

如图X5-2a所示，轴段外伸端直径最小，d1=35mm；考虑到要对安装在轴段①（外伸端）上的联轴器进行定位，轴段①上应有轴肩，同时为能很顺利地在轴段②上安装轴承，轴段②必须满足轴承内径的标准，故取轴段②的直径d2为40mm；用相同的方法确定轴段③④的直径d3=45mm、d4=55mm；为了便于拆卸左轴承，可查出6208型滚动轴承的安装高度为3.5mm，取d5=47mm。确定各轴段的长度

齿轮轮毂宽度为60mm，为保证齿轮固定可靠，轴段③的长度应略短于齿轮轮毂宽度，取为58mm，为保证齿轮端面与箱体内壁不相碰，齿轮端面与箱体内壁间应留有一定的间距，取该间距为15mm；为保证轴承安装在箱体轴承座孔中（轴承宽度为18mm），并考虑轴承的润滑，取轴承端面距箱体内壁的距离为5mm，所以轴段④的长度取为20mm，轴承支点距离

；根据箱体结构及联轴器距轴承盖要有一定距离的要求，取

；查阅有关的联轴器的手册取

；在轴段①、③上分别加工出键槽，使两键槽处于轴的同一圆柱母线上，键槽的长度比相应的轮毂宽度小约5~10mm，键槽的宽度按轴段直径查手册得到，选定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽等的尺寸。按设计结果画出轴的结构草图。④按弯扭合成强度校核轴径a）画出轴的受力图（b）b）作水平面内弯矩图（c）。支点反力为Ⅰ—Ⅰ截面处的弯矩为：Ⅱ—Ⅱ截面处的弯矩为：c）作垂直面内的弯矩图（d），支点反力为Ⅰ—Ⅰ截面左侧弯矩为：Ⅰ—Ⅰ截面右侧弯矩为：Ⅱ—Ⅱ截面处的弯矩为：d）作合成弯矩图(e)Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ截面e）作转矩图（f）图x5-2减速器从动轴设计Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ截面g）确定危险截面及校核强度由图可以看出，截面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ所受转矩相同，但弯矩

，且轴上还有键槽，故截面Ⅰ—Ⅰ可能为危险截面。但由于轴径

，故也应对截面Ⅱ—Ⅱ进行校核。

Ⅰ—Ⅰ截面：Ⅱ—Ⅱ截面：f）求当量弯矩因减速器单向运转，故可认为转矩为脉动循环变化，修正系数α为0.6。查表得[σ-1b]=60MPa，满足强度的条件，故设计的轴有足够强度，并有一定余量。⑤修改轴的结构因所设计轴的强度裕度不大，此轴不必再作修改。⑦绘制轴的零件图a）视图一般只需一个视图，在有键槽和孔的地方，可增加必要的剖面图。对于不易表达清楚的部位，如中心孔、退刀槽等，必要时应绘制局部放大图。b）尺寸标注标注轴向尺寸时需要考虑基准面和尺寸链的问题，选定尺寸标注的基准面时，应尽量使尺寸的标注反映加工工艺的要求，轴向尺寸不允许出现封闭的尺寸链。图中轴向尺寸的标注中20、32、258以轴的左端面为基准，因为轴的左端面是主要基准面，58、37标注尺寸的端面为辅基准面65以轴的右端面为辅助基准面，这是因为22、58、65均为主要轴尺寸，这种标注方法反映出零件在车床上的加工顺序。c)表面粗糙度与轴承相配合表面及轴肩端面粗糙度的选择查表。轴的所有表面都要加工，其表面粗糙度值可按表X5-54-6、表X5-64-7选择或查设计手册。d)形位公差在轴的零件工作图上应标注必要的形位公差，以保证减速器的装配质量及工作性能。表X5-8列出了轴上应标注的形位公差项目，供参考。轴的形位公差标注方法及公差值可参考设计手册，标注示例如轴的零件图e)技术要求轴类零件工作除了生产的技术要求通常包括：

对材料的机械性能和成分的要求，允许的代用材料等；对材料的表面机械性能的要求，如热处理方法、热处理后的硬度、渗碳层深度及淬火硬化层深度等；对加工的要求。例如，是否要保留中心孔，若要保留中心孔，应在零件图上画出中心孔或按国标加以说明；是否与其他零件一起配合加工，如配钻或配铰等，若有要求也应加以说明；对于未注明圆角、倒角的说明，以及对较长的轴要求进行毛坯校直等的说明。(2)轴的三维成型设计

项目六轴承选择一、任务提出任务一减速器从动轴滚动轴承的选择如图为单级斜齿圆柱齿轮减速器从动轴两端轴承承受的径向载荷分别为

，，轴上作用的轴向载荷

，轴的转速

，轴的直径

，工作时有中等冲击和振动，工作温度低于100℃。要求轴承寿命不低于15000h。选择轴承的型号。二、任务要求1、选择轴承型号2、验算轴承寿命三、相关知识知识点1：滚动轴承的失效形式及计算准则（1）主要失效形式：疲劳点蚀、塑性变形和磨损（2）计算准则②对于高速轴承，除疲劳点外其工作表面的过热而导致的轴承失效也是重要的失效形式，因此除需进行寿命计算外还应校验其极限转速。知识点2：滚动轴承类型的选择原则载荷的大小、方向和性质转速和旋转精度

球轴承的极限转速和旋转精度比滚子轴承的高，推力轴承的极限转速低，整体保持架的极限转速比分离的高。高速、轻载时，选用球轴承。低速、重载时，选用滚子轴承。调心性能当轴承座孔不同轴、轴挠曲变形大、多支点时，要求内外圈相对偏转一定角度仍可正常运转，选用调心轴承。④其它装拆方便：对于经常需拆卸或装拆有困难的地方，常选用内外圈可分离的轴承或具有内锥孔的轴承。内外圈可分离的轴承有圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承。价格：球轴承的价格比滚子轴承低。精度低的轴承价格低。知识点3：选择轴承的尺寸规格一般根据作用于轴承上的载荷以及对轴承寿命与额定载荷的要求选择轴承的尺寸，详细计算参考有关设计内容。①轴承的精度（尺寸公差、旋转精度）；②轴承的内部游隙及预载荷；③轴承材料及热处理；④保持架的结构型式及材质。知识点4：选择轴承的安装方法①选择合理的轴承配合②选择适宜的润滑方法和润滑剂；③适宜的轴承密封方法、密封装置；④轴与轴承座（或机体）的结构和尺寸。知识点5：滚动轴承的寿命计算①滚动轴承的寿命和额定寿命a)轴承寿命（对单个滚动轴承而言）在内、外套圈和滚动体三者之间，任何一个元件出现首次疲劳点蚀前轴承的总转动数或在一定转速下的总运转小时数，称为轴承寿命。b)轴承寿命的可靠度轴承寿命的可靠度是指一给相同型号的轴承在同一条件下运转时，期望达到某一规定寿命的百分率（概率）。如图所示的这批轴承在规定寿命为

时，轴承寿命的可靠度为90%。c)基本额定寿命d)基本额定动载荷②当量动载荷及计算注：1.C0r为轴承的基本额定静载荷，查轴承手册。2.e为轴向负荷影响系数或界限系数，用以估价轴向负荷的影响。3.与Fa/C0r中间值相对应的e，Y值可用线性插值求得。4.由接触角α确定的各项e，y值也可根据轴承型号在手册中直接查取。③滚动轴承的寿命计算额定寿命的计算公式④向心角接触轴承轴向载荷的计算作用在轴承1上的轴向载荷作用在轴承2上的轴向载荷四、任务实施①初选轴承型号根据工作条件和轴径，初选30208轴承。查轴承手册得，②计算轴承的内部轴向力采用正装方式，轴承的受力如图所示③计算两端轴承的轴向载荷Fa判断轴的趋势，哪端轴承被“压紧”，哪端轴承被“放松”轴有向左移动的趋势，左端轴承1“压紧”，右端轴承2“放松”。计算两端轴承的轴向载荷④计算当量动载荷查表得查表得选择两端为同一型号轴承，当量载荷按⑤计算实际需要的额定动载荷根据工作条件，查表,寿命指数实际动载荷计算值30208轴承的满足使用要求项目七联接件的选择一、任务提出任务一液压油缸螺纹联接件选择一钢制液压油缸，油缸壁厚为10mm，油压P=1.6MPa，D=160mm,螺栓组个数为8个，试设计其上盖的螺栓联接。二、任务要求1、选择螺栓联接类型2、确定螺栓直径三、相关知识知识点1：螺旋副受力分析、效率和自锁①矩形螺旋副的受力分析矩形螺纹上升时的受力分析分析矩形螺纹下降时受力分析则螺旋副不下滑，即处于自锁状态。可推出：此即自锁条件。②非矩形螺纹的受力分析非矩形螺纹的摩擦阻力可写为当滑块沿非矩形螺纹等速上升时:当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时:相应的力矩非矩形螺纹的自锁条件可表示为③螺旋副的效率知识点2：螺纹选择及强度设计螺栓联接的强度计算主要是确定螺纹小径d1,，然后按照标准选定螺纹公称直径d和螺距P。一般分为松联接和紧联接两种情况。①松螺栓联接计算出数值后再从普通螺纹的基本尺寸关系表X7-1确定螺纹的公称直径。②紧螺栓联接螺栓螺纹部分的强度条件为：设计公式为：螺栓的材料和许用应力螺栓的常用材料为Q215、Q235、10、35和45钢，重要和特殊用途的螺纹联接可采用40Cr、30CrMnSi等力学性能较高的合金钢。螺纹联接的许用应力及安全系数见表X7-2和表X7-3。知识点2：螺纹选择及强度设计a)降低螺栓总拉伸载荷采用螺栓用腰杆状螺栓和空心螺栓可降低