机械
课程设计双级齿轮圆柱齿轮减速器
目录
一、设计任务…………………………………………... ... …. 2 二、传动
拟定…………….……………………………….2 三、电动机的选择……………………………………….…….3 四、计算总传动比及分配各级的传动比……………….…….3 五、运动参数及动力参数计算………………………….…….3 六、齿轮的设计计算………………………………….…. …. .4 1、高速级大,小齿轮的设计计算
2、低速级大,小齿轮的设计计算
七、轴的设计计算…………………………………………... ...9 1、高速轴的设计计算
2、中间轴的设计计算
3、低速轴的设计计算
八、滚动轴承的选择及校核计算………………………….…21 九、键联接的选择及计算………..……………………………25 十、联轴器的选择与校核………..……………………………25 十一、减速器箱体及附件设计………..………………………26 十二、润滑与密封…………………………………………... ..27 十三、设计小结…………………………………………... ... ..28 十四、参考资料目录………………………………….…. …. .29
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设 计 计 算 及 说 明 结 果
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一、 设计任务
设计一用于带式运输机传动装置中的三轴线双级斜齿轮减速器。 1. 总体布置简图
图1
2. 工作情况
工作有轻震,经常满载,空载起动,单向运转
2. 原始数据
运输带拉力F:1600N
卷筒的直径D:400mm
运输带速度V:1.0m/s
带速允许偏差:5%
使用期限:5年
工作制度:1班/日
二、传动方案拟定
传动方案如图1所示,整个系统由电动机,减速器,联轴器,卷筒,带式输送机组成。减速器为三轴线双级斜齿轮减速器。
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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三、 电动机的选择
1. 选择电动机类型
按
目要求,选择Y系列三相异步电动机 2. 选择电动机容量
? 计算工作所需功率P w
P=FV/1000=1600?1/1000=1.6KW w
n=60?1000V/πD=60?1000?1/400π=47.75r/min w
? 传动总效率
机械传动概率值:圆柱齿轮(闭式),=0.97;滚动轴承,=0.98;
弹性联轴器,=0.99。
232,=0.99?0.98?0.97=0.87 总
? 电动机输出功率P=P/,=1.84KW 总dw
? 电动机额定功率P ed
根据表20-1,选取电动机额定功率P=2.2KW ed
? 电动机转速
先根据工作机主动轴转速n和传动系统中各级传动比的常用w
范围,推算出电动机转速可选范围。根据表2-1,单级圆柱斜齿轮
2传动比i=3~5,则电动机可选范围n= n.?i=430~1194r/min。符合dw这一范围的同步转速有750r/min,1000r/min。
综上,根据电动机容量和转速,参考表20-1,选定电动机型号
Y112M-6。
其主要指标:额定功率:2.2KW,同步转速1000r/min,满载转
速940r/min,转矩比2.0,质量45Kg。 四、 计算总传动比及分配各级的传动比 1. 总传动比i=n/n=940/47.75=19.69 mw
i=i?i=19.69 12
2. 合理分配各级传动比
i=(1.1~1.5)i;取i=1.2i 1212
所以i=4.86,i=4.05 12
五、 运动参数及动力参数计算
图2
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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1. 计算各轴转速 n=940r/min ?
n=n/i=193.4r/min ??1
n=n/i=47.75r/min ??2
2. 计算各轴功率
P=P,=1.84*0.99*9.98=1.785KW ?d01
P=P,=1.785*0.97*0.98=1.697KW ??12
P=P,=1.697*0.97*0.98=1.60KW ??23
3. 计算各轴输入转矩
T =9550P/n=18.1N?m ???
T=9550P/n=83.8N?m ???
T=9550P/n=323.23N?m ???
项目 电动机轴 高速轴? 中间轴? 低速轴? 转速(r/min) 940 940 193.4 47.75 功率(KW) 1.84 1.785 1.697 1.616 转矩(N?m) 18.1 18.1 83.8 323.23
传动比 1 ? 4.86 ? 4.05
效率 0.97 ? 0.92 ? 0.88
六、齿轮的设计计算
?(选择齿轮材料及精度等级
按题目要求,选择斜齿圆柱齿轮。
精度选择:根据减速器为通用减速器,选择齿轮为7级精度。 材料选择:小齿轮选用40Cr(调质),硬度为280HBS;大齿轮选用45钢(调质),硬度为240HBS,二者硬度差为40HBS。
?(设计高速级大,小齿轮(注:公式,图表均查自《机械设计》) 选小齿轮Z=20,按照传动比,大齿轮Z=97 12
初选螺旋角β=14?
?按齿面接触强度计算,即按照公式10-21
2,,2KtTZZu,1HE13d1t,,,,, ,,,u[],dH,,
进行试算
A:确定公式内各计算数值
1.试选Kt=1.6
2.由图10-30,选取区域系数Z=2.433 H
3.由图10-26,查得ε=0.76,ε=0.87,ε=ε=+ε=1.63 ααααα12124.计算小齿轮传递转矩
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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T =9550P/n=18.1N?m ???
5.由表10-7选取齿宽系数Φd=1
1/26.由表10-6查得材料的弹性影响系数Z=189.8MPa E7.由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限ζ
=600MPa,大齿轮的接触疲劳强度极限ζ=550MPa。 Hlim1Hlim28.由式10-13计算应力循环次数
8N=60njL=60*940*1*(1*8*250*5)=5.64*10 11h8N=N/4.86=1.16*10 21
由此,根据图10-19查取接触疲劳寿命系数K=0.92,K=0.97。 HN1HN2
9.计算接触疲劳许用应力
去失效概率为1%,安全系数S=1,由式10-12得: [ζ] =Kζ/S=0.92*600=552MPa H 1HN1Hlim1
[ζ] =Kζ/S=0.97*550=533.5MPa H 2HN2Hlim2
[ζ]=([ζ]+[ζ])/2=542.75MPa H 1H 1H 2
B:设计计算
1.试算小齿轮分度圆直径d,由计算公式得: 1t2 d?[(2*1.6*18.1*1000/1/1.63)*(5.86/4.86)*(2.433*189.8/54 2.75 )] 1t1/3=31.42mm
2.计算圆周速度V=(πd n)/(60*1000)=1.55m/s ?1t
3.计算齿宽b及模数m nt
b=Φd* d=31.42mm 1t
m= d cosβ/Z=31.42*cos14?/20=1.52mm nt1t1
h=2.25m=3.42mm,b/h=9.19 nt
4.计算纵向重合度ε=0.318Φd Ztanβ=1.586 β1
5.计算载荷系数K
已知使用系数K=1.25;根据V=1.55m/s,7级精度,由图10-8查A
得动载系数K=1.09;由表10-4查得K的值为1.42;由图10-13βVH查得K=1.35;由表10-3查得K=K=1.2 βααFHF
故载荷系数K= K*K*K*K=1.25*1.09*1.2*1.42 =2.32 βαAVHH
6.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径
1/31/3由式10-10a,得d1= d (K/Kt)=31.42*(2.32/1.6)=35.56mm 1t
7.计算模数m n
m= dcosβ/Z=35.56*cos14?/20=1.73mm n11
?按齿根弯曲强度设计,即按照公式10-17
22cosKTY,YY,13Fasa ,,mn2Z[],,,dF1,
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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A:确定计算参数
1.计算载荷系数K= K*K*K*K=1.25*1.09*1.2*1.35=2.21 αβAVFF2.根据纵向重合度ε=1.586,从图10-28查得螺旋角影响系数 Yββ
=0.88
3.计算当量齿数
33Z= Z/cosβ=21.89;Z= Z/cosβ=99.62 V11 V22
4.查取齿形系数
由表10-5查得 Y=2.73,Y=2.182 Fa1Fa25.查取应力校正系数
由表10-5查得 Y=1.568,Y=1.789 Sa1Sa26.求[ζ],[ζ]弯曲疲劳许用应力 H 1H 2
由图10-20c,查得小齿轮的弯曲疲劳强度ζ=500MPa,大齿轮弯FE1曲疲劳强度ζ=380MPa;由10-18图,取弯曲疲劳寿命系数 FE2
K=0.87,K=0.92 FN1FN2
计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由式10-12得 [ζ] =Kζ/S=310.71MPa F 1FN1FE1
[ζ] =Kζ/S=244.29MPa F 2FN2FE2
7.计算大,小齿轮的YY/[ζ],并加以比较,选择较大值 FaSaF
小齿轮YY/[ζ] =0.01378 Fa1Sa1F 1
大齿轮YY/[ζ]=0.01597 Fa2Sa2F 2
大齿轮的值更大
B:设计计算
22 1/3m?[(2*2.21*18.1*1000*0.88* cosβ/1*20*1.63)*0.01597] n
=1.175mm
根据齿根弯曲强度确定模数,取m=1.5mm n按接触疲劳强度算得分度圆直径35.56mm来计算齿数。
于是由
Z= dcosβ/ m=35.56* cos14?/1.5=23.00 11n
取Z=23 1
则Z= uZ=112 21
C:几何尺寸计算
1.中心距计算
a=(Z+Z)m /2cosβ=104.35mm,将中心距圆整为104mm 12n
2..按圆整后中心距修正螺旋角
β=arc cos [(Z+Z)m /2a ]= arc cos(135*1.5/2/104)=13.21? 12n
β值改变不多ε,K,Z不修正 αβH
3.计算大,小齿轮分度圆直径
d= Z m /cosβ=35.44mm;d= Z m /cosβ=172.57mm; 11n22n4.计算齿轮宽度 b=Φ* d=35.44mm d1
圆整后去B=36mm,B=41mm。 21
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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?(设计低速级大小齿轮(注:公式,图表均查自《机械设计》)
选小齿轮Z=20,按照传动比,大齿轮Z=81 12
初选螺旋角β=14?
?按齿面接触强度计算,即按照公式10-21
2,,2KtTZZu,1HE13d1t,,,,, ,,,u[],dH,,
进行试算
A:确定公式内各计算数值
1.试选Kt=1.6
2.由图10-30,选取区域系数Z=2.433 H
3.由图10-26,查得ε=0.76,ε=0.87,ε=ε=+ε=1.63 ααααα12124.计算小齿轮传递转矩
T=9550P/n=83.8N?m ???
5.由表10-7选取齿宽系数Φd=1
1/26.由表10-6查得材料的弹性影响系数Z=189.8MPa E
7.由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限ζ
=600MPa,大齿轮的接触疲劳强度极限ζ=550MPa。 Hlim1Hlim28.由式10-13计算应力循环次数
8N=60njL=60*193.4*1*(1*8*250*5)=1.16*10 11h7N=N/4.05=2.87*10 21
由此,根据图10-19查取接触疲劳寿命系数K=0.97,K=0.995。 HN1HN29.计算接触疲劳许用应力
去失效概率为1%,安全系数S=1,由式10-12得: [ζ] =Kζ/S=0.97*600=582MPa H 1HN1Hlim1
[ζ] =Kζ/S=0.995*550=547.25MPa H 2HN2Hlim2
[ζ]=([ζ]+[ζ])/2=564.625MPa H 1H 1H 2
B:设计计算
1.试算小齿轮分度圆直径d,由计算公式得: 1t2 d?[(2*1.6*83.8*1000/1/1.63)*(5.05/4.05)*(2.433*189.8/ 564.625 )] 1t1/3=51.57mm
2.计算圆周速度V=(πd n)/(60*1000)=0.52m/s ?1t
3.计算齿宽b及模数m nt
b=Φd* d=51.57mm 1t
m= d cosβ/Z=51.57*cos14?/20=2.5785mm nt1t1
h=2.25m=5.8mm,b/h=8.89 nt
4.计算纵向重合度ε=0.318Φd Ztanβ=1.586 β1
5.计算载荷系数K
已知使用系数K=1.25;根据V=0.52m/s,7级精度,由图10-8查A
得动载系数K=0.8;由表10-4查得K的值为1.42;由图 βVH
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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10-13查得K=1.35;由表10-3查得K=K=1.2 βααFHF
故载荷系数K= K*K*K*K=1.25*0.8*1.2*1.42 =1.704 βαAVHH
6.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径
1/31/3由式10-10a,得d1= d (K/Kt)=51.57*(1.704/1.6)=52.66mm 1t
7.计算模数m n
m= dcosβ/Z=52.66*cos14?/20=2.55mm n11
?按齿根弯曲强度设计,即按照公式10-17
22cosKTY,YY,13Fasa ,,mn2Z[],,,dF1,
A:确定计算参数
1.计算载荷系数K= K*K*K*K=1.25*0.8*1.2*1.35=1.62 αβAVFF
2.根据纵向重合度ε=1.586,从图10-28查得螺旋角影响系数 Yββ
=0.88
3.计算当量齿数
33Z= Z/cosβ=21.89;Z= Z/cosβ=88.67 V11 V22
4.查取齿形系数
由表10-5查得 Y=2.73,Y=2.205 Fa1Fa2
5.查取应力校正系数
由表10-5查得 Y=1.568,Y=1.779 Sa1Sa2
6.求[ζ],[ζ]弯曲疲劳许用应力 H 1H 2
由图10-20c,查得小齿轮的弯曲疲劳强度ζ=500MPa,大齿轮弯FE1曲疲劳强度ζ=380MPa;由10-18图,取弯曲疲劳寿命系数 FE2
K=0.92,K=0.945 FN1FN2
计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由式10-12得 [ζ] =Kζ/S=328.6MPa F 1FN1FE1
[ζ] =Kζ/S=256.5MPa F 2FN2FE2
7.计算大,小齿轮的YY/[ζ],并加以比较,选择较大值 FaSaF
小齿轮YY/[ζ] =0.013 Fa1Sa1F 1
大齿轮YY/[ζ]=0.0153 Fa2Sa2F 2
大齿轮的值更大
B:设计计算
22 1/3m?[(2*1.62*83.8*1000*0.88* cosβ/1*20*1.63)*0.0153] n
=1.74mm
根据齿根弯曲强度确定模数,取m=2mm n
按接触疲劳强度算得分度圆直径52.66mm来计算齿数。
于是由
Z= dcosβ/ m=52.66* cos14?/2=25.55 11n
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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取Z=26 1
则Z= uZ=105 21
C:几何尺寸计算
1.中心距计算
a=(Z+Z)m /2cosβ=135.01mm,将中心距圆整为135mm 12n
2..按圆整后中心距修正螺旋角 β=arc cos [(Z+Z)m /2a ]= arc cos(131*2/2/135)=13.98? 12n
β值改变不多ε,K,Z不修正 αβH
3.计算大,小齿轮分度圆直径 d= Z m /cosβ=53.59mm;d= Z m /cosβ=216.41mm; 11n22n4.计算齿轮宽度 b=Φ* d=53.59mm d1
圆整后去B=54mm,B=59mm。 21
注(F,?f,f,F,?f查自《机械设计课程设计》P178-179页,βpptfa
表19-3,19-4,19-6)
七、轴的设计计算
?(高速轴的设计计算
A:高速轴直径的确定(注:公式,图表均查自《机械设计》)
1.求出高速轴功率P=1.785KW,转速n=940r/min,转矩T=18.1N?m。
2.求作用在齿轮上的力
F=2T/d=1021.44N t11
F=F?tan a/cosβ=381.88N rtn
F=F?tanβ=239.76N at
力的方向如图3所示
图3
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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3.初步确定轴的最小直径
按15-2式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料,为40Cr,调质
1/3处理,根据表15-3,取A=112,于是得d=A(P/T)=112(1.785/940)0min01/3=13.87mm。
为了便于高速轴与电动机轴连接,且高速轴上需要开键槽,所以将轴最细处直径适当放大至20mm。所以选用滚动轴承为30305,其尺寸为d=25mm,D=62mm,T=18.25mm
4.高速轴受力情况如图4所示,上为垂直方向力矩,下为水平方向力矩
图4
F=(Fr?130.125-Fa?d/2)/L=244.65N;F=Fr-F=137.23N 1V2V1V
Mmaxv=17857.65N?mm
F=715.56N,F=305.88N,Mmax=39802.64N?mm 1H2HH
总弯矩为
221/2M=( Mmaxv+ Mmax)=43625.06N?mm maxH
扭矩T=18099.91N?mm
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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5.按弯扭合成应力校核轴的强度
校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面。根据式15-5所求数据,以及轴为单向旋转,扭转切应力为脉动循环变应力,取α=0.6,根据:
22M,(,T)2223max=(43625.06+0.6?18099.91)/0.1/20 ,,caW
=56.2MPa
轴材料为40Cr,调质处理,由表15-1,查得[ζ]=70MPa -1
所以轴合格。
B:高速轴结构设计
1.拟定轴上零件装配方案
装配方案如图5所示
2.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
?为了满足半联轴器的轴向定位要求,?-?轴左端需制出一轴肩,故取?-?段D=24mm;右端用轴端挡圈定位,按轴端直径取挡圈D=26mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度52mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故?-?段长度为50mm。
?选择滚动轴承,因为轴承同时受到径向和轴向力,故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据?-?段D=24mm,选择圆锥滚子轴承30305,其尺寸为25*62*18.25mm,故?-?和?-?段D=25mm,?-?段长度为17mm。
左,右两端滚动轴承采用轴肩定位,故取?-?和?-?段D=32mm。 ?取制齿轮轴的?-?段D=26mm,齿轮分度圆D=35.44mm,?-?段长度45mm。
??-?段考虑到轴承盖宽度,取76mm,?-?段长度为毡圈加轴承长度,为26mm。其他考虑其他轴的定位及齿轮与齿轮,齿轮与箱体直接距离,取?-?段长度11mm,?-?段长度86mm,?-?段长度9mm,?-?段长度7mm。
至此已初步确定轴的各段直径和长度。
3.轴上零件的周向定位
半联轴器与轴的周向定位采取平键连接。按?-?段直径查表17-1
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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得平键截面b*h=6*6mm,键槽用键槽铣刀加工,长为45mm,同时为了保证半联轴器和轴的连接,取半联轴器与轴的配合为H7/n6。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡或过盈配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为k6,轴承内圈与轴的配合为H7/k6。 4.确定轴上的圆角和倒角尺寸
参考表11-5,11-6,取轴端倒角1?45?,各轴肩处圆角半径为1mm
C:由于滚动轴承没有重新选择,经过前面的弯扭合成应力校核得ζca,[ζ],故安全。 -1
D:精确校核轴的疲劳强度
考虑到轴直径,应力大小,应力集中及扭矩作业,校核截面?左 右两侧
1.截面?左侧
333抗弯截面系数 W=0.1d=0.1*25=1562.5 mm
333抗扭截面系数 W=0.2d=0.2*25=3125 mm T
截面?左侧的弯矩 M=43625.06*38.5/55.625=30194.42N?mm 截面?上的扭矩 T=18099.91N?mm
截面上的弯曲应力 ζ=M/W=19.32MPa b
截面上的扭转切应力η=T/W=5.79MPa TT
轴的材料为40Cr,调质处理,由表15-1查得ζ=735MPa;ζ= B-1355MPa;η=200MPa -1
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数α及α按附表3-2查ζη取,因r/d=1/25=0.04,D/d=32/25=1.28,查得α=2.09,α=1.79 ζη又由附图3-1可得轴的材料的敏感系数为q=0.77,q=0.8 ζη故有效应力集中系数按式为
k=1+q(α-1)=1.84 ζζζ
k=1+q(α-1)=1.63 ηηη
由附图3-2的尺寸系数ε=1;由附图3-3的扭转尺寸系数ε=0.97。 ζη轴按磨削加工,由附图3-4得表面质量系数为β=β=0.93 ζη轴未经表面强化处理,即β=1,则按式得综合系数为 q
K=k/ε+1/β-1=1.92 ζζζζ
K=k/ε+1/β-1=1.71 ηηηη
又得碳钢的特性系数θ=0.1~0.2,取θ=0.1;θ=0.05~0.1,取θζζη
=0.05 η
于是,计算安全系数S值,按公式得 ca
S=ζ(K?ζ+θ?ζ)=9.57 ζζζ-1/am
S=η/(K?η+θ?η)=41.12 ηηη-1am221/2S=SS/(S+S)=9.32>S=1.6 ζηζηca
故可知其安全。
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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2.截面?右侧
333抗弯截面系数 W=0.1d=0.1*32=3276.8mm
333抗扭截面系数 W=0.2d=0.2*32=6553.6 mm T
截面?右侧的弯矩 M=43625.06*38.5/55.625=30194.42N?mm 截面?上的扭矩 T=18099.91N?mm
截面上的弯曲应力 ζ=M/W=9.21MPa b
截面上的扭转切应力η=T/W=2.76MPa TT
轴的材料为40Cr,调质处理,由表15-1查得ζ=735MPa;ζ= B-1355MPa;η=200MPa -1
右侧半径大于左侧,故可知其安全。
所以高速轴强度是足够的。
?(中间轴的设计计算
A:中速轴直径的确定(注:公式,图表均查自《机械设计》) 1.求出中间轴功率P=1.697KW,转速n=193.4r/min,转矩T=83.8N?m。
2.求作用在齿轮上的力
大齿轮所受力:
F=2T/d=971.2N t22
F=F?tan a/cosβ=363.1N rtn2
F=F?tanβ=227.97N at2
小齿轮所受力:
F=2T/d=3127.45N t11
F=F?tan a/cosβ=1173.04N rtn1
F=F?tanβ=778.6N at1
力的方向如图6所示
图6
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 14 -
3.初步确定轴的最小直径
按15-2式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料,为40Cr,调质
1/3处理,根据表15-3,取A=112,于是得d=A(P/T)=1120min01/3(1.697/83.8)=23.1mm。
将轴最细处直径适当放大至30mm。
所以选用滚动轴承为30306,其尺寸为d=30mm,D=72mm,T=20.25mm
4.中间轴受力情况如图4所示,上为垂直方向力矩,下为水平方向力矩
图7
F=(F?69.625-F?d/2- F?131.125-F?d/2)/187.75=-34.47N 1Vr1a11r2a22
F= F- F-F=844.41N 2Vr1r21V
Mmaxv=-1951.86N?mm,Mmaxv=58792.05N?mm 12
F=1840.65N,F=2258N 1H2H
Mmax=104226.8N?mm,Mmax=157213.24N?mm H1H2
总弯矩为
221/2M=( Mmaxv+ Mmaxv)=104245.07N?mm 11H1221/2M=( Mmaxv+ Mmaxv)=167846.69N?mm 22H2
扭矩T=83800N?mm
5.按弯扭合成应力校核轴的强度
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 15 -
校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面。根据式15-5所求数据,以及轴为单向旋转,扭转切应力为脉动循环变应力,取α=0.6,根据:
22M,(,T)223max=(167846.69+0.6?83800)/0.1/30 ,,caW
=64.89MPa
轴材料为40Cr,调质处理,由表15-1,查得[ζ]=70MPa -1
所以轴合格。
B:中间轴结构设计
1.拟定轴上零件装配方案
装配方案如图8所示
图8
2.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
?择滚动轴承,因为轴承同时受到径向和轴向力,故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据?-?段D=30mm,选择圆锥滚子轴承30306,其尺寸为30*72*20.75mm,故?-?和?-?段D=30mm。 右端滚动轴承采用轴肩定位,故取?-?段D=40mm。 所以制齿轮轴的?-?段D=40mm,齿轮分度圆D=53.59mm,考虑大齿轮宽度,?-?段长度取34mm,D=35mm,?-?段取59mm ??-?段长度为毡圈加轴承长度,为28mm。其他考虑其他轴的定位及齿轮与齿轮,齿轮与箱体直接距离,取?-?段长度22mm,?-?段长度14mm,?-?段长度51mm。
至此已初步确定轴的各段直径和长度。
3.轴上零件的周向定位
大齿轮与轴的周向定位采取平键连接。按?-?段直径查表17-1得平键截面b*h=10*8mm,键槽用键槽铣刀加工,长为28mm,同时为了保证齿轮和轴的连接,取齿轮与轴的配合为H7/r6。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡或过盈配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为k6,轴承内圈与轴的配合为H7/k6。
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 16 -
4.确定轴上的圆角和倒角尺寸
参考表11-5,11-6,取轴端倒角1?45?,各轴肩处圆角半径为1.6mm
C:由于滚动轴承没有重新选择,经过前面的弯扭合成应力校核得ζca,[ζ],故安全。 -1
D:精确校核轴的疲劳强度
考虑到轴直径,应力大小,应力集中及扭矩作业,校核截面?左 右两侧
1.截面?左侧
333抗弯截面系数 W=0.1d=0.1*30=2700 mm
333抗扭截面系数 W=0.2d=0.2*30=5400 mm T
截面?左侧的弯矩 M=104245.07*40.625/56.625=74789.51N?mm 截面?上的扭矩 T=83800N?mm
截面上的弯曲应力 ζ=M/W=27.7MPa b
截面上的扭转切应力η=T/W=15.52MPa TT
轴的材料为40Cr,调质处理,由表15-1查得ζ=735MPa;ζ= B-1355MPa;η=200MPa -1
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数α及α按附表3-2查ζη取,因r/d=5/30=0.167,D/d=35/30=1.167,查得α=1.46,α=1.17 ζη又由附图3-1可得轴的材料的敏感系数为q=0.82,q=0.85 ζη故有效应力集中系数按式为
k=1+q(α-1)=1.38 ζζζ
k=1+q(α-1)=1.15 ηηη
由附图3-2的尺寸系数ε=0.88;由附图3-3的扭转尺寸系数εζη=0.9。
轴按磨削加工,由附图3-4得表面质量系数为β=β=0.93 ζη轴未经表面强化处理,即β=1,则按式得综合系数为 q
K=k/ε+1/β-1=1.64 ζζζζ
K=k/ε+1/β-1=1.35 ηηηη
又得碳钢的特性系数θ=0.1~0.2,取θ=0.1;θ=0.05~0.1,取θζζη
=0.05 η
于是,计算安全系数S值,按公式得 ca
S=ζ(K?ζ+θ?ζ)=9.29 ζζζ-1/am
S=η/(K?η+θ?η)=18.41 ηηη-1am221/2S=SS/(S+S)=8.29>S=1.6 ζηζηca
故可知其安全。
1.截面?右侧
333抗弯截面系数 W=0.1d=0.1*35=4287.5 mm
333抗扭截面系数 W=0.2d=0.2*35=8575 mm T
截面?右侧的弯矩 M=104245.07*40.625/56.625=74789.51N?mm 截面?上的扭矩 T=83800N?mm
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 17 -
截面上的弯曲应力 ζ=M/W=17.44MPa b
截面上的扭转切应力η=T/W=9.77MPa TT
轴的材料为40Cr,调质处理,由表15-1查得ζ=735MPa;ζ= B-1355MPa;η=200MPa -1
过盈配合处的k/ε由附表3-8查得,并取k/ε=0.8k/ε ζζηηζζ于是得k/ε=3.05 k/ε=2.44 ηηζζ
轴按磨削加工,由附图3-4得表面质量系数为β=β=0.93 ζη轴未经表面强化处理,即β=1,则按式得综合系数为 q
K=k/ε+1/β-1=3.13 ζζζζ
K=k/ε+1/β-1=2.52 ηηηη
又得碳钢的特性系数θ=0.1~0.2,取θ=0.1;θ=0.05~0.1,取θζζη=0.05 η
于是,计算安全系数S值,按公式得 ca
S=ζ(K?ζ+θ?ζ)=6.48 ζζζ-1/am
S=η/(K?η+θ?η)=31.60 ηηη-1am221/2S=SS/(S+S)=6.35>S=1.6 ζηζηca
故可知其安全。
所以中间轴强度是足够的。
?(低速轴的设计计算
A:低速轴直径的确定(注:公式,图表均查自《机械设计》) 1.求出低速轴功率P=1.616KW,转速n=47.75r/min,转矩T=323.23N?m。
2.求作用在齿轮上的力
F=2T/d=2987.2N t
F=F?tan a/cosβ=1120.44N rtn
F=F?tanβ=743.69N at
力的方向如图9所示
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 18 -
图9
3.初步确定轴的最小直径
按15-2式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料,为40Cr,调质
1/3处理,根据表15-3,取A=112,于是得d=A(P/T)=1120min01/3(1.616/323.23)=36.23mm。将轴最细处直径适当放大至40mm。 所以选用滚动轴承为30309,其尺寸为d=45mm,D=100mm,T=27.25mm
4.低速轴受力情况如图10所示,上为垂直方向力矩,下为水平方向力矩
F=(Fr?73.125+Fa?d/2)/L=833.91N 1V
F=Fr-F=286.53N 2V1V
Mmaxv=101424.3N?mm
F=1121.64N,F=1865.56N,Mmax=136419.47N?mm 1H2HH
总弯矩为
221/2M=( Mmaxv+ Mmaxv)=169991.65N?mm maxH
扭矩T=323230N?mm
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 19 -
5.按弯扭合成应力校核轴的强度
校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面。根据式15-5所求数据,以及轴为单向旋转,扭转切应力为脉动循环变应力,取α=0.6,根据:
22M,(,T)max=40.3MPa ,,caW
轴材料为40Cr,调质处理,由表15-1,查得[ζ]=70MPa -1
所以轴合格。
B:低速轴结构设计
1.拟定轴上零件装配方案
装配方案如图11所示
图11
2.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
?为了满足半联轴器的轴向定位要求,?-?轴左端需制出一轴肩,故取?-?段D=44mm;右端用轴端挡圈定位,按轴端直径取挡圈D=46mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度84mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故?-?段长度为82mm。
?选择滚动轴承,因为轴承同时受到径向和轴向力,故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据?-?段D=44mm,选择圆锥滚子轴承30309,其尺寸为45*100*27.25mm,故?-?和?-?段D=45mm,?-?段长度为24mm。
左端滚动轴承采用轴肩定位,右端滚动轴承为套筒定位故取?-?段D=55mm。
?与大齿轮轴配合的?-?段D=50mm,考虑齿轮宽度?-?段长度52mm。
??-?段考虑到轴承盖宽度,取68mm,他考虑其他轴的定位及齿轮与齿轮,齿轮与箱体直接距离,取?-?段长度81mm,?-?段长度61mm,至此已初步确定轴的各段直径和长度。
3.轴上零件的周向定位
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 20 -
半联轴器与轴的周向定位采取平键连接。按?-?段直径查表17-1得平键截面b*h=12*8mm,键槽用键槽铣刀加工,长为80mm,同时为了保证半联轴器和轴的连接,取半联轴器与轴的配合为H7/n6。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡或过盈配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为k6,轴承内圈与轴的配合为H7/k6。 4.确定轴上的圆角和倒角尺寸
参考表11-5,11-6,取轴端倒角1?45?,各轴肩处圆角半径为1.6mm,?处圆角半径为0.5mm
C:由于滚动轴承没有重新选择,经过前面的弯扭合成应力校核得ζca,[ζ],故安全。 -1
D:精确校核轴的疲劳强度
考虑到轴直径,应力大小,应力集中及扭矩作业,校核截面?左右两侧
1.截面?右侧
333抗弯截面系数 W=0.1d=0.1*45=9112.5 mm
333抗扭截面系数 W=0.2d=0.2*45=18225mm T
截面?右侧的弯矩 M=138019.13*48.125/73.125=90833.1N?mm 截面?上的扭矩 T=323230N?mm
截面上的弯曲应力 ζ=M/W=9.97MPa b
截面上的扭转切应力η=T/W=17.74MPa TT
轴的材料为40Cr,调质处理,由表15-1查得ζ=735MPa;ζ= B-1355MPa;η=200MPa -1
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数α及α按附表3-2查ζη
取,因r/d=5/40=0.125,D/d=45/40=1.125,查得α=1.56,α=1.26 ζη又由附图3-1可得轴的材料的敏感系数为q=0.82,q=0.85 ζη故有效应力集中系数按式为
k=1+q(α-1)=1.46 ζζζ
k=1+q(α-1)=1.22 ηηη
由附图3-2的尺寸系数ε=0.75;由附图3-3的扭转尺寸系数εζη=0.7。
轴按磨削加工,由附图3-4得表面质量系数为β=β=0.93 ζη轴未经表面强化处理,即β=1,则按式得综合系数为 q
K=k/ε+1/β-1=2.02 ζζζζ
K=k/ε+1/β-1=1.82 ηηηη
又得碳钢的特性系数θ=0.1~0.2,取θ=0.1;θ=0.05~0.1,取θζζη
=0.05 η
于是,计算安全系数S值,按公式得 ca
S=ζ(K?ζ+θ?ζ)=17.63 ζζζ-1/am
S=η/(K?η+θ?η)=12.56 ηηη-1am221/2S=SS/(S+S)=10.23>S=1.6 ζηζηca
故可知其安全。
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 21 -
1.截面?右侧
333抗弯截面系数 W=0.1d=0.1*45=9112.5 mm
333抗扭截面系数 W=0.2d=0.2*45=18225mm T
截面?右侧的弯矩 M=138019.13*48.125/73.125=90833.1N?mm
截面?上的扭矩 T=323230N?mm
截面上的弯曲应力 ζ=M/W=9.97MPa b
截面上的扭转切应力η=T/W=17.74MPa TT
轴的材料为40Cr,调质处理,由表15-1查得ζ=735MPa;ζ= B-1
355MPa;η=200MPa -1
过盈配合处的k/ε由附表3-8查得,并取k/ε=0.8k/ε ζζηηζζ于是得k/ε=3.05 k/ε=2.44 ηηζζ
轴按磨削加工,由附图3-4得表面质量系数为β=β=0.93 ζη轴未经表面强化处理,即β=1,则按式得综合系数为 q
K=k/ε+1/β-1=3.13;K=k/ε+1/β-1=2.52 ζζζζηηηη又得碳钢的特性系数θ=0.1~0.2,取θ=0.1;θ=0.05~0.1,取θζζη=0.05 η
于是,计算安全系数S值,按公式得 ca
S=ζ(K?ζ+θ?ζ)=11.38 ζζζ-1/am
S=η/(K?η+θ?η)=8.77 ηηη-1am221/2S=SS/(S+S)=6.95>S=1.6 ζηζηca
故可知其安全。
所以低速轴强度是足够的。
八、滚动轴承的选择及校核计算
?(高速轴轴承的校核
受力分析如图12所示
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 22 -
1.求两轴承受到的径向载荷F和F 1r2rF=2T/d=1021.44N t11
F=F?tan a/cosβ=381.88N rtn
F=F?tanβ=239.76N at
F=(Fr?130.125-Fa?d/2)/L=244.65N 1V
F=Fr-F=137.23N 2V1V
F=715.56N,F=305.88N 1H2H
1/222F=(F+ F)=756.23N 1r1V1H1/2 22F=(F+F)=335.25N2r2V2H
2.计算两轴承的计算轴向力F和F 1a2a对于30305型轴承,按表15-7,e=1.5?tanα=0.3,查资料得X=0.4,
Y=2
由公式Fd=Fr/2Y得:F =F /4=189.06N; F=F /4=83.81N 1d1r2d2r
F +F >F a2d1d
按公式F =F +F;F =323.57N 1aa2d 1a
F =F =83.81N 2a2d
3.求轴承当量动载荷P和P 12
F /F=0.43>e 1a1r
F /F=0.25
P ,所以按轴承1的受力大小验算 r1r2
610C636,根据公式=10/60/940?(44800/949.63)=1.86*10 ,()Lh60nP
h>10000h
故所选轴承满足寿命要求。
?(中间轴轴承的校核
受力分析如图13所示
图13
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 23 -
1.求两轴承受到的径向载荷F和F 1r2r
大齿轮所受力:
F=2T/d=971.2N t22
F=F?tan a/cosβ=363.1N rtn2
F=F?tanβ=227.97N at2
小齿轮所受力:
F=2T/d=3127.45N t11
F=F?tan a/cosβ=1173.04N rtn1
F=F?tanβ=778.6N at1
F=(F?69.625-F?d/2- F?131.125-F?d/2)/187.75=-34.47N 1Vr1a11r2a22F= F- F-F=844.41N 2Vr1r21V
F=1840.65N,F=2258N 1H2H
1/222F=(F+ F)=1840.97N 1r1V1H1/2 22F=(F+F)=2410.72N2r2V2H
2.计算两轴承的计算轴向力F和F 1a2a
对于30306型轴承,按表15-7,e=1.5?tanα=0.31,查资料得X=0.4,
Y=1.9
由公式Fd=Fr/2Y得:F =F /3.8=484.47N; F=F /3.8=634.4N 1d1r2d2rF +F >F a2d1d
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 24 -
按公式F =F +F;F =1185.03N 1aa2d 1a
F =F =634.4N 2a2d
3.求轴承当量动载荷P和P 12F /F=0.64>e 1a1r
F /F=0.26P ,所以按轴承1的受力大小验算 r1r2
610C635,根据公式=10/60/193.4?(55800/3106.45)=4.99*10 ,()Lh60nP
h>10000h
故所选轴承满足寿命要求。
?(低速轴轴承的校核
受力分析如图14所示
1.求两轴承受到的径向载荷F和F 1r2r
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 25 -
F=2T/d=2987.2N t
F=F?tan a/cosβ=1120.44N rtn
F=F?tanβ=743.69N at
F=(Fr?73.125+Fa?d/2)/L=833.91N;F=Fr-F=286.53N 1V2V1VF=1121.64N,F=1865.56N 1H2H1/222F=(F+ F)=1397.67N 1r1V1H1/2 22F=(F+F)=1877.44N2r2V2H
2.计算两轴承的计算轴向力F和F 1a2a
对于30309型轴承,按表15-7,e=1.5?tanα=0.35,查资料得X=0.4,Y=1.74
由公式Fd=Fr/2Y得:F=F/3.48=401.63N;F=F /3.48=539.49N 1d1r2d2rF +F >F a2d1d
按公式F =F +F;F =1283.18N 1aa2d 1a
F =F =539.49N 2a2d
3.求轴承当量动载荷P和P 12
F /F=0.92>e 1a1r
F /F=0.29P ,所以按轴承1的受力大小验算 r1r2
610C637,根据公式=10/60/47.75?(102000/2759.12)=1.76*10 ,()Lh60nP
h>10000h
故所选轴承满足寿命要求。
九、键联接的选择及校核计算
?(键的选择:联轴器与高速轴相连的键选择
b=6mm,h=6mm,L=45mm的圆头普通平键(C型);大齿轮与中间轴相连的键选择b=10mm,h=8mm,L=28mm的圆头普通平键(A型),大齿轮与低速轴相连的键选择b=14mm,h=9mm,L=45mm的圆头普通平键(A型);联轴器与低速轴相连的键选择b=12mm,h=8mm,L=70mm的圆头普通平键(C型);材料都为45钢。
?键的校核
普通平键连接强度条件
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 26 -
3210T, ,,,,[]ppkld
1.高速轴与半联轴器相连的键的校核
根据公式ζp=2T*1000/kld=2*18.1*1000/3/42/20=14.37?[ζp]=110MPa(轻微冲击)
2.中间轴与大齿轮相连的键的校核
根据公式ζp=2T*1000/kld=2*83.8*1000/4/18/35=66.51?[ζp]=110MPa(轻微冲击)
3.低速轴与大齿轮相连的键的校核
根据公式ζp=2T*1000/kld=2*323.23*1000/4.5/31/50=92.68?[ζp]=110MPa(轻微冲击)
4.低速轴与联轴器相连的键的校核
根据公式ζp=2T*1000/kld=2*323.23*1000/4/58/40=69.66?[ζp]=110MPa(轻微冲击)
十、联轴器的选择与校核
1.按照题目要求,选用弹性联轴器。高速轴联轴器初选TL4联轴器(Y型),d=20mm,L=52mm;低速轴联轴器初选TL7联轴器(J型),d=40mm,L=84mm。
2.联轴器的校核
根据公式Tc=K?Tn,查得工作情况系数K为1.3 AA
?高速轴联轴器Tc=K?T=1.3*18.1=23.53N?m?Tn=63N?m A
?低速轴联轴器Tc=K?T=1.3*323.23=420.20N?m?Tn=500N?m A
所以联轴器满足要求
十一、减速器箱体及附件设计
1.箱体设计,mm,
名称 符号 参数 设计原则
箱体壁厚 δ 12 0.025a+Δ?8
箱盖壁厚 δ 12 0.02a+Δ?8 1
凸缘厚箱座 b 18 1.5δ
度 箱盖 b 18 1.5δ 11
底座 b 30 2.5δ 2
箱座肋厚 m 10 0.85δ
箱盖肋厚 m 10 0.85δ 11
设 计 计 算 及 说 明 结 果
- 27 -
取M16 齿轮减速器, 型号 df地脚螺钉 0.036a+12 数目 n 4
轴承旁联接螺栓直径 d 取M12 0.75 d 1f箱座、箱盖联接螺栓直d 取M12 (0.5-0.6)d 2f
径尺寸
观察孔盖螺钉 C 取M8 (0.3-0.4)d 2f
凸台高度 h 结构而定
凸台半径 R = C 12箱体外壁至轴承盖座l 43 C+ C+(5~10) 112
端面的距离
2、附件
为了保证减速器的正常工作,除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外,还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。
名称 规格或作用
参数
为检查传动零件的啮合情况,并向箱内注入润滑油,应在箱体的窥视孔 160?
适当位置设置检查孔。图中检查孔设在上箱盖顶部能直接观察到140 视孔盖 齿轮啮合部位处。平时,检查孔的盖板用螺钉固定在箱盖上。材
料为Q235
减速器工作时,箱体内温度升高,气体膨胀,压力增大,为使箱通气器 通气螺
内热胀空气能自由排出,以保持箱内外压力平衡,不致使润滑油塞 沿分箱面或轴伸密封件等其他缝隙渗漏,通常在箱体顶部装设通M27?气器。材料为Q235 1.5
固定轴系部件的轴向位置并承受轴向载荷,轴承座孔两端用轴承轴承盖 凸缘式
盖封闭。轴承盖有凸缘式和嵌入式两种。图中采用的是凸缘式轴轴承盖 承盖,利用六角螺栓固定在箱体上,外伸轴处的轴承盖是通孔,六角螺其中装有密封装置。材料为HT200 栓
(M8)
为保证每次拆装箱盖时,仍保持轴承座孔制造加工时的精度,应定位销 M8?
在精加工轴承孔前,在箱盖与箱座的联接凸缘上配装定位销。中50 采用的两个定位圆锥销,安置在箱体纵向两侧联接凸缘上,对称
箱体应呈对称布置,以免错装。材料为45号钢
检查减速器内油池油面的高度,经常保持油池内有适量的油,一油面指油标尺
般在箱体便于观察、油面较稳定的部位,装设油面指示器,采用M12 示器 2型
换油时,排放污油和清洗剂,应在箱座底部,油池的最低位置处油塞 M16?
开设放油孔,平时用螺塞将放油孔堵住,油塞和箱体接合面间应1.5 加防漏用的垫圈(软钢纸板)。螺塞材料为Q235
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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为加强密封效果,通常在装配时于箱体剖分面上涂以水玻璃或起盖螺钉 M12? 密封胶,因而在拆卸时往往因胶结紧密难于开盖。为此常在箱35 盖联接凸缘的适当位置,加工出1个螺孔,旋入启箱用的(头
部磨成球形)启盖螺钉。旋动启箱螺钉便可将上箱盖顶起。
为了便于搬运,在箱体设置起吊装置,采用箱盖吊耳+箱座吊耳,起吊装置 箱盖
材料HT200。 吊耳+
箱座
吊耳
十二、 润滑与密封
?(本设计采用油润滑
1.齿轮的润滑
采用浸油润滑,由于低速级周向速度为0.52m/s,所以浸油高度约为36~72?。取为60?。
2.滚动轴承的润滑
选取开设油沟、飞溅润滑。
3.润滑油的选择
齿轮与轴承用同种润滑油较为便利,考虑到该装置用于小型设备,选用L-AN15润滑油。
2, 滚动轴承内侧的挡油盘
由于输入轴的齿轮直径小,设计为齿轮轴,齿顶圆小于轴承的外径,为防止啮合时所挤出的热油大量冲向轴承内部,增加轴承阻力,设置挡油盘。
二、密封
选用凸缘式端盖易于调整,采用闷盖安装毡圈实现密封。 密封圈型号按所装配轴的直径确定为24 FZ/T92010-91和44 FZ/T92010-91
轴承盖结构尺寸按用其定位的轴承的外径决定。
十三、设计小结
经过了三周的努力,一份完整的三轴线双级斜齿圆柱齿轮减速器设计终于完成了,其中包括一份#说明书#,一张A1的装配图,两张A3的零件图,还有手绘的主视图和俯视图草图,这些都凝聚着自己的努力,也得益于老师的指导和同学们的帮助。
在这次作业中,自己遇到了许多的困难,从开始的传动比设计,和后来的轴的设计,以及最后的绘制装配图和零件图。因为自己知识的欠缺和的不足,常常在设计好结构之后又发现了问题,然
设 计 计 算 及 说 明 结 果
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后再进行改动,计算时也有很多的数据的查取没有经验,取得偏小,这些都令自己很苦恼。但是在刘老师耐心的指导和帮助下,在和同小组的同学一遍遍的讨论中,自己找到了问题的所在,并将其一一解决,经过了十几天的努力终于设计出了自己的满意的减速器。同时通过这三周的设计,自己更好的掌握了机械设计的基础知识,从传动装置的总体设计,减速器的结构设计到具体的各个细节如润滑,密封,螺栓紧固等等都觉得自己对知识的理解上升了一个层次,同时也积累了一些经验。而对自己来说最重要的,是分析和解决问题的和能力。当然自己的进步是离不开老师和同学们的帮助的。
尽管这次作业的时间是漫长的,过程是曲折的,但自己也收获了很多.不仅仅掌握了齿轮和轴的设计步骤与方法;也对制图有了更进一步的掌握。同时这些分析和解决问题的方法与能力更是宝贵的收获.在整个过程中,自己发现作为学生最缺少的就是经验,老师能够一眼就看出螺栓或者键的设计存在问题,而自己却常为不知道具体取哪一个数值而苦恼。对于机械没有感性的认识,空有理论知识,就很可能与实际脱节.总体来说,自己觉得做这种设计类的作业对我们的帮助还是很大的,它能够我们将学过的相关知识都系统地联系起来,从过程中暴露出自己的不足,并积累经验,最终让我们更好的掌握机械的知识。最后衷心感谢老师在设计过程中的指导和帮助。
十四、参考资料目录
1.《机械设计》濮良贵 纪名刚主编 (第八版)高等教育出版社 2.《机械设计机械设计基础课程设计》 王昆等主编 高等教育出版社
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