本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題 目 四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的 設(shè)計(jì) 專業(yè)名稱 航空宇航制造工程 學(xué)生姓名 呂苗苗 指導(dǎo)教師 陶華 畢業(yè)時(shí)間 2005 年 7 月 畢業(yè) 任務(wù)書(shū) 一、題目 四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的 設(shè)計(jì) 二、 研究背景及意義 目前的彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)大多一 次只能對(duì)單根試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)，效率低，能量耗費(fèi)大，試驗(yàn)成本較高。因此有必要研制能夠?qū)Χ鄠€(gè)試件同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲或拉伸疲勞試驗(yàn)的多軸疲勞試驗(yàn)機(jī)。 三、 研究目標(biāo)與內(nèi)容 目標(biāo)：完成四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)各部分的原理設(shè)計(jì)及其圖紙?jiān)O(shè)計(jì) 。 內(nèi)容：給定驅(qū)動(dòng)形式下的四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與加載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 要求：需要有對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的校核，優(yōu)化。 需要有最終的加工圖紙與裝配圖紙。 四、 進(jìn)度安排 設(shè)計(jì) 論文 第五周 第六周：查閱相關(guān)資料； 第六周 第七周：翻譯相關(guān)英文資料； 第八周 第十周：制定 23套不同的方案的四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)草圖，并進(jìn)行比較，選取一方案； 第十一周 第十四周：確定結(jié)構(gòu)草圖的動(dòng)力與傳動(dòng)、加載機(jī)構(gòu)、總體結(jié)構(gòu)各基本尺寸、參數(shù)，并完成對(duì)各主要部分進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等校核； 第十五周：繪制二維主要零件圖紙及總體裝配圖紙，三維零件實(shí)體模型以及裝配模型； 第十六周 第十七周：撰寫(xiě)論文； 第十八周：論文答辯。 五、 參考資料 機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)機(jī)新論 電工速查速算手冊(cè) Solid Works 2004 使用指南 中國(guó)航空材料手冊(cè) 目 錄 目 錄 . 1 摘要 . 1 ABSTRACT . 2 第一章 前 言 . 3 1.1 研究背景與意義 . 3 1.1.1疲勞研究背景 . 3 1.1.2疲勞試驗(yàn)機(jī)的研究意義 . 4 1.2 目前的疲勞研究方法 . 4 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析 . 6 1.3.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀： . 6 1.3.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 . 7 第二章 設(shè)計(jì)目的、任務(wù)和各設(shè)計(jì)階段任務(wù)的確定 . 10 2.1設(shè)計(jì)目的 . 10 2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)確定 . 10 2.2.1確定試驗(yàn)機(jī)總框架圖 . 10 2.3設(shè)計(jì)階段確定 . 11 第三章設(shè)計(jì)裝配圖 . 13 3.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 13 3.1.1軸的初步計(jì)算 . 13 3.1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì) . 15 3.2 支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 16 3.2.1軸承的選擇 . 16 3.2.2.甩油環(huán) . 18 3.2.3.軸承座 . 19 3.2.4.軸承蓋 . 19 3.2.5.支承結(jié)構(gòu)的安裝與拆卸 . 20 3.2.6軸上支承零件位置的確定 . 20 3.3 軸的強(qiáng)度校核 . 21 3.3.1軸的疲勞強(qiáng)度校核 . 21 3.3.2軸的靜強(qiáng)度驗(yàn)算 . 24 3.3.3軸的剛度驗(yàn)算 . 26 3.4 夾持部分設(shè)計(jì) . 29 3.4.1試件的標(biāo)準(zhǔn) . 29 3.4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 30 3.5 加載部分設(shè)計(jì) . 31 第四章繪制裝配圖 . 33 4.1 概述 . 33 4.2 裝配圖的尺寸、技術(shù)要求及零件明細(xì)表 . 33 4.2.1配合尺寸的選擇 . 34 4.2.2技術(shù)要求 . 35 4.2.3零件編號(hào) . 36 4.2.4編寫(xiě)零件明細(xì)表、標(biāo)題欄 . 36 4.2.5檢查裝配圖 . 36 第五章繪制零件工作圖 . 37 5.1 概述 . 37 5.2 軸的零件工作 圖 . 37 總結(jié)與展望 . 39 致謝 . 41 參考文獻(xiàn) . 42 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 摘 要 本文簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)研制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，論述了我國(guó)設(shè)計(jì)并擁有高精度、高效率旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的必要性，并對(duì)一個(gè)自行研制的四軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的 設(shè)計(jì)過(guò)程和功能 進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。 本文設(shè)計(jì)的疲勞試驗(yàn)機(jī)， 主要用于 圓柱 形試件的疲勞試驗(yàn) ， 特點(diǎn)是 可同時(shí)對(duì)四根試件進(jìn)行試驗(yàn)，以 數(shù)字顯示疲勞 循環(huán) 次數(shù) ， 試件斷裂后自動(dòng)停機(jī) ，操作方便可靠， 為 研究材料 的 疲勞斷裂 提供了 重要的工具與手段 。 作者重點(diǎn)論述了試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)、夾持、加載部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主軸和軸承的強(qiáng)度校核，并且利用 Auto CAD 畫(huà)圖軟件提供了整個(gè)疲勞試驗(yàn)機(jī) 的裝配圖，為進(jìn)一步了解疲勞試驗(yàn)機(jī)提供了途徑。 關(guān)鍵字 彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ；強(qiáng)度校核；公差配合；裝配圖。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 ABSTRACT In the paper, the development in the manufacture of rotating bending fatigue machine is outlined, and the necessity for china to design and manufacture the rotating bending fatigue machine which is high quality and high efficiency is discussed . The design process and the performance of the 4-axises rotating bending machine made by the author is mainly presented in this paper. This machine is used for the column fatigue test specimens. It can work with four fatigue test specimens at one time .It is special because of its directly show of the number of fatigue cycles and self-stop device .it also operates conveniently and reliably. In this paper， the author will describe not only the design process of the principal axis、 the clamp and the method to load ， but also the check of strength、 the choice of the tolerance。 In the end， it offers a assembly drawing ， which provides a way to know the fatigue machine more。 Key words ： fatigue machine； design process ; the check of strength; tolerance; assembly drawing。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 第一章 前 言 1.1 研究背景與意義 1.1.1 疲勞研究背景 疲勞（ fatigue）這個(gè)詞起源于拉丁文的 “fatigue”一詞，意思是 “疲倦 ”。雖然通常它指人們的身心疲勞，但也成為工程詞匯表中被廣泛接受的術(shù)語(yǔ)，用以表達(dá)材料在循環(huán)載荷的作用下的損傷和破壞。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO） 在 1964年發(fā)表的報(bào)告 金屬疲勞實(shí)驗(yàn)的一般原理 中給疲勞下了一個(gè)描述性的定義。這份報(bào)告把疲勞定義成一個(gè)專門術(shù)語(yǔ)：金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞；雖然在一般情況下，這個(gè)術(shù)語(yǔ)特指那些導(dǎo)致開(kāi)裂或破壞的性能變化 。 這一描述也普遍適用于非金屬材料。 疲勞破壞以許多不同的形式出現(xiàn)，它包括僅有外加應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng)造成的機(jī)械疲勞，循環(huán)載荷和高溫聯(lián)合作用引起的蠕變 疲勞；循環(huán)受載部件的溫度也變動(dòng)時(shí)引入的熱機(jī)械疲勞（即熱疲勞和機(jī)械疲勞的組合）；在存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加反復(fù)載荷時(shí)的腐蝕疲勞 ；載荷的反復(fù)作用與材料之間的滑動(dòng)和滾動(dòng)接觸相結(jié)合分別產(chǎn)生的滑動(dòng)接觸疲勞和滾動(dòng)接觸疲勞；脈動(dòng)應(yīng)力與表面間的來(lái)回相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦滑動(dòng)共同作用產(chǎn)生的微動(dòng)疲勞。機(jī)器和結(jié)構(gòu)部件的失效大多數(shù)是由于發(fā)生上述某一種疲勞過(guò)程造成的。引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根據(jù)靜態(tài)斷裂分析估算出來(lái)的安全載荷。 疲勞是一個(gè)包含許多學(xué)科的研究分枝，它可以為基礎(chǔ)研究和工業(yè)研究大量地提供多種多樣的現(xiàn)象。從已發(fā)表的報(bào)告看，關(guān)于材料疲勞的研究可追溯到19 世紀(jì)上半葉。從那時(shí)起，為闡明各種金屬和非金屬、脆性材料和延性材 料 ，以及單一材料和復(fù)合材料 的疲勞，有眾多科學(xué)家和工程師做出了開(kāi)拓性貢獻(xiàn)。材料疲勞作為材料學(xué)科的一個(gè)分枝，它為科學(xué)研究提供了廣闊多樣的復(fù)雜機(jī)理性過(guò)程。在這一研究領(lǐng)域里，有意義的觀察尺度范圍跨越亞微觀（甚至原子）水平到幾十或幾百米的構(gòu)件尺度。疲勞破壞牽連到人類生活的許多方面。每當(dāng) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 有災(zāi)難性事故，例如造成人員傷亡的飛機(jī)失事公布 于 眾時(shí)，疲勞破壞的后果變得最為顯而易見(jiàn)。 第二次世界大戰(zhàn)過(guò)后，隨著英國(guó)和歐洲大陸經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)，空中遠(yuǎn)程旅行的生意迅速增長(zhǎng)，為了適應(yīng)這種需求，英國(guó)德 .維蘭飛機(jī)公司設(shè)計(jì)和制造了彗星號(hào)噴氣飛機(jī)，而彗星號(hào)客艙結(jié)構(gòu)的疲勞破壞導(dǎo)致了 50 年代幾起飛機(jī)失事，沉重打擊 了 英國(guó)在民用噴氣飛機(jī)工業(yè)中起到的杰出作用 。 民用噴氣飛機(jī)彗星號(hào)的一系列失事清楚 地 表明了疲勞裂紋擴(kuò)展對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)械完整性的重要影響。也引起了全世界范圍內(nèi)對(duì)于金屬疲勞斷裂的不斷研究。 1.1.2 疲勞試驗(yàn)機(jī)的研究意義 在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)以往所發(fā)生的各類重大機(jī)械斷裂失效事件中，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的斷裂失效率高達(dá) 80%以上，其中主要是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的葉片、盤、軸及軸承的斷裂失效。在它們的疲勞失效分析中，發(fā)現(xiàn)彎曲應(yīng)力起了一定的破壞作用。比如，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中非常重要的承力構(gòu)件 軸，它的疲勞失效形式主要就是彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞以及軸向疲勞。而且彎曲疲勞也是大部分機(jī)械系統(tǒng)中，最普遍的一種疲勞失效形式。因此，有必要進(jìn)行零部件和材料的彎曲疲勞特性研究，用以提高設(shè)計(jì)的可靠性。 而旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)出材料在一定應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞壽命，繪出材料疲勞的 S-N 曲線，是研究材料疲勞斷裂的最重要的工具與手段。 目前，國(guó)產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)主要有 PQQ 型，它們普遍存在試驗(yàn)精度低和試驗(yàn)效率低的缺點(diǎn)。而國(guó)外的一些彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)價(jià)格又很昂貴，維修也不方便。因此研制一臺(tái)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，使其具有較高的精度，可以滿足工廠要求，又具有較高 的效率，是很具有現(xiàn)實(shí)意義的。 1.2 目前的疲勞研究方法 參見(jiàn) GB4337-84 金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法 所述： 1.試驗(yàn)原理： 試驗(yàn)適用于 1535 空氣條件下，測(cè)定金屬圓形橫截面試樣在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下承受彎曲力矩時(shí)的疲勞性能。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 試樣旋轉(zhuǎn)并承受一定彎矩，產(chǎn)生彎矩的力 F 恒定不變且不轉(zhuǎn)動(dòng)。試樣可裝成懸臂，在一點(diǎn)或兩點(diǎn)加力；或裝成橫梁，在四點(diǎn)加力。試驗(yàn)一直進(jìn)行到試樣失效或者超過(guò)預(yù)定循環(huán)次數(shù)。（失效 試件出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的疲勞裂紋或完全斷裂。在特殊應(yīng)用中，可用試樣的塑性變形或裂紋擴(kuò)展速率確定試驗(yàn)的終止。） 2.術(shù)語(yǔ)和定義 疲勞 材料在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，產(chǎn)生局部累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)數(shù)而失效。 疲勞壽命 N 在規(guī)定的應(yīng)力應(yīng)變作用下，材料失效前所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)。 S-N 曲線圖 應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線圖形。如圖 1-1。 應(yīng)力比 R 最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值，即 min/max。 條件疲勞極限 R/(N) 對(duì)應(yīng)于規(guī)定循環(huán)次數(shù)的中值疲勞強(qiáng)度。 疲勞極限 當(dāng) N 無(wú)窮大時(shí)的中值疲勞強(qiáng)度。 理論應(yīng)力集中系數(shù) Kt 根據(jù)彈性理論計(jì)算的應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力與該區(qū)標(biāo)稱應(yīng)力的比值。 存活率 疲勞壽命高于規(guī)定值的百分比。 圖 1-1.對(duì)稱應(yīng)力循環(huán) 試驗(yàn)過(guò)程： 1)將試樣裝入試驗(yàn)機(jī)，牢固夾緊，并使其與試驗(yàn)機(jī)主軸保持良好的同軸。當(dāng)用手慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)主軸時(shí)，用百分表在純彎曲試驗(yàn)機(jī)的主軸上或在懸臂彎曲試驗(yàn)機(jī)中試樣自由端上測(cè)得的徑向跳動(dòng)量均應(yīng)不大于 0.03mm。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)后，空載正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在主軸筒加力部位測(cè)得的徑向跳動(dòng)量應(yīng)不大于 0.06mm。加力前，必須檢定上述值，使之符合要求。裝試樣時(shí)切忌接觸試樣實(shí)驗(yàn)部分。 2)獲得試驗(yàn)速度 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使速度達(dá)到規(guī)定值。 推薦試驗(yàn)速度范圍為 90010000rpm。同一批試驗(yàn)的試驗(yàn)速度應(yīng)相同。 3)以遞增的方式，平穩(wěn)而無(wú)沖擊地加到規(guī)定值。 4)終止試驗(yàn) 試驗(yàn)一直進(jìn)行到試樣失效或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)時(shí)終止，試驗(yàn)原則上不能中斷。試樣失效如果發(fā)生在最大應(yīng)力部位之外、或斷口有明顯缺陷、或中途停試產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。 5)測(cè)定試件的條件疲勞極限、 S-N 曲線等。 試驗(yàn)結(jié)果可以用兩種方 法表示：列表法和圖示法。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析 1.3.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀： 相對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，無(wú)論從精 度 還是從效率方面，都比國(guó)內(nèi)的要先進(jìn)，而且型號(hào)也多一些。 圖 1.2 是日本生產(chǎn)的 四連式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速為 3150r/min,可同時(shí)對(duì) 4 個(gè)試件（標(biāo)準(zhǔn)件）進(jìn)行試驗(yàn)，試件的夾持方式是懸臂式，它的效率已有了提高 。 它的特點(diǎn)是：數(shù)字顯示疲勞次數(shù)、試件斷裂后自動(dòng)停機(jī)、高度的自控和檢測(cè)、并可對(duì)金屬和塑料兩種材料的試件進(jìn)行試驗(yàn)。 圖 1.2 四連式超長(zhǎng)壽命旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 1.3.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)三種型號(hào)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。 1)PQQ型疲勞試驗(yàn)機(jī)。加載方式為橫梁式。他它們的使用性能基本相同，一次只能對(duì)一個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，效率較低。 圖 1.3是天水紅山試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的 PQ1-6型純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)用于對(duì)黑色金屬及其合金材料在室溫條件下進(jìn)行純彎曲疲勞試驗(yàn)。手輪加載，操作方便 ,試件斷裂后，自動(dòng)停機(jī)。 主要技術(shù)參數(shù) ： 1、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速： 1420/2750 r/min。 2、試樣轉(zhuǎn)速： 500010000r/min。 3、載荷 產(chǎn)生的彎矩： 660N m。 4、彎矩相對(duì)誤差： 1%。 圖 1.4為寧夏青山試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的 PQQ-60型 純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) ， 該機(jī)采用無(wú)級(jí)變頻調(diào)速裝置，速度平穩(wěn)噪音小，數(shù)字顯示疲勞次數(shù)，主要用于測(cè)定金屬材料在對(duì)稱反復(fù)交變的彎曲應(yīng)力作用下 的 彎曲疲勞極限 。 主要技術(shù)參數(shù)： 1、最大彎矩 60Nmm。 2、試樣轉(zhuǎn)速： 900-10000r/min。 3、左右主軸同軸度： 0.02mm。 4、主軸箱溫升 30。 5、計(jì)數(shù)器容量： 1108 。 圖 1.5為寧夏青山試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的 PQ-6型 純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) ， 該機(jī)采用無(wú)級(jí)變頻調(diào)速裝置，速度平穩(wěn)噪音小，數(shù)字顯示疲勞次數(shù)，主要用于測(cè)定金屬材料在對(duì)稱反復(fù)交變的彎曲應(yīng)力作用下 的 彎曲疲勞極限 。 主要技術(shù)參數(shù)： 1、 最大彎矩 60Nmm。 2、 試樣轉(zhuǎn)速： 3000r/min。 3、 左右主軸同軸度： 0.02mm。 4、 主軸箱溫升 30 。 5、 計(jì)數(shù)器容量： 110 7。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 1.3 PQ1-6型純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) 圖 1.4 PQQ-60型 純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) 圖 1.5 PQ-6純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) 2) 圖 1.6 為 輕合金車輪 專用的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，主要用來(lái)完成對(duì)摩托車的 輕合金車輪 的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)及檢測(cè)。它采用微機(jī)控制， 電子測(cè)量，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，能夠快速有效裝夾試件。最大試驗(yàn)彎矩 700N m,試驗(yàn)最大轉(zhuǎn)速 800r/min。效率偏低，但精度很高，試驗(yàn)結(jié)果可靠。國(guó)內(nèi)還有一些專用的彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，它們都是很切實(shí)有效的。 圖 1.6 PQW-700 型微機(jī) 控制輕合金車輪旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 3) 對(duì)于 PQU型疲勞試驗(yàn)機(jī) ,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成品。 可以看到，目前國(guó)內(nèi)外的彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)同萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)相比還不是很先進(jìn)，試件在疲勞過(guò)程中，彎曲程度無(wú)法測(cè)量，而且也不能進(jìn)行應(yīng)變控制的彎曲疲勞試驗(yàn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 第二章 設(shè)計(jì)目的、任務(wù)和 各 設(shè)計(jì)階段 任務(wù)的確定 2.1 設(shè)計(jì)目的 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是： 1)通過(guò)擬訂傳動(dòng)方案、結(jié)構(gòu)方案和使用條件（如選用材料，考慮制造及裝配工藝、潤(rùn)滑等），完成機(jī)器部件的設(shè)計(jì)，并全面考慮設(shè)計(jì)內(nèi)容和過(guò)程，熟悉和運(yùn)用設(shè)計(jì)資料（國(guó)標(biāo) GB4337_84、技術(shù)條件 ZBN71006-87），完成滿足要求的四軸旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī) 設(shè)計(jì) 。 2)運(yùn)用基本的設(shè)計(jì)理論知識(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)技能，培養(yǎng)獨(dú)立 的 機(jī)械設(shè)計(jì)能力，加強(qiáng)對(duì) Auto CAD, SolidWorks 等軟件的運(yùn)用 能力 。 2.2 設(shè)計(jì) 任務(wù) 確定 研究工作的任務(wù)是：查閱相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)資料，認(rèn)真分析其結(jié)構(gòu)組成及所實(shí)現(xiàn)的功能，借鑒國(guó)內(nèi)外已有的研究成果，結(jié)合現(xiàn)代的高新技術(shù)， 創(chuàng)新性的 設(shè)計(jì)機(jī)器的組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一臺(tái)符合國(guó)標(biāo) GB4337_84 和技術(shù)條件 ZBN71006-87要求的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。 該機(jī)應(yīng)符合：速度平穩(wěn)噪音小，用于對(duì)金屬及其合金材料在室溫條 件下進(jìn)行純彎曲疲勞試驗(yàn)，主要測(cè)定金屬材料在對(duì)稱反復(fù)交變的彎曲應(yīng)力作用下的彎曲疲勞極限?？赏瑫r(shí)對(duì) 4 個(gè)試件（標(biāo)準(zhǔn)件）進(jìn)行試驗(yàn)，試件的夾持方式是懸臂式，可快速有效裝夾試件。數(shù)字顯示疲勞次數(shù)、試件斷裂后自動(dòng)停機(jī)，操作方便 。 2.2.1 確定 試驗(yàn)機(jī)總框架圖 參照 日本生產(chǎn)的四連式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) ，初步確定本疲勞試驗(yàn)機(jī)的總體 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 結(jié)構(gòu)框架如圖 2-1： 1 電動(dòng)機(jī) 2 皮帶 3 皮帶輪 4 試件（ 4） 5 軸（ 2 根） 6 砝碼 圖 2-1.試驗(yàn)機(jī)總體框架 系 統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)分析： 1.試 件與轉(zhuǎn)軸的連接 試件與軸的連接要滿足下列條件： 試件與軸之間不能相對(duì)滑動(dòng)， 要確保試件與軸之間的同心度， 要便于安裝， 要保證軸的壽命和剛度。 2.自動(dòng)停車 當(dāng)試件斷裂以后，如果試驗(yàn)機(jī)還在運(yùn)轉(zhuǎn)， 不僅浪費(fèi)電力資源 ，而且還可能發(fā)生意外事故。為確保安全，如何控制試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)停車，尤為重要。 3.砝 碼的加載和卸載 砝碼的加載應(yīng)趨于自動(dòng)化，而且當(dāng)試件斷裂后，砝碼可以自動(dòng)卸載。 4.加載裝置 砝碼加載前，中間件要確保試件裝夾后與軸同軸，加載后，要確保試 樣 所受的力的作用線垂直向下，且位 于 軸的縱 剖面內(nèi)。 2.3 設(shè)計(jì)階段確定 由于本設(shè)計(jì)是由作者和夏哲同學(xué)聯(lián)合完成，在設(shè)計(jì)過(guò)程中分別有不同的任 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 務(wù)與分工，現(xiàn)特注明設(shè)計(jì)任務(wù)中，加粗部分為作者完成的工作。 設(shè)計(jì)階段 設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 準(zhǔn)備工作 1.研究設(shè)計(jì)題目，方案擬訂。 2.必要的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)。 3.學(xué)習(xí) AutoCAD,SolidWorks. 運(yùn)動(dòng)參數(shù) 計(jì)算 1.分析確定傳動(dòng)方案。 2.計(jì)算傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總功率，選擇電動(dòng)機(jī)。 3.確定傳動(dòng)比 ， 計(jì)算軸的轉(zhuǎn)速、功率。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 1.設(shè)計(jì)帶傳動(dòng) 。 2.夾持部分設(shè)計(jì) 。 3.加載部分設(shè)計(jì)。 4.主軸 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 5.支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 6.制動(dòng)和保險(xiǎn)。 7.計(jì)數(shù)部分設(shè)計(jì)。 8.箱體設(shè)計(jì)。 繪制裝配圖 1.檢查軸結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)、箱緣尺寸。 2.畫(huà)出裝配圖。 3.編排零件號(hào)，標(biāo)注外廓尺寸、配合尺寸。 4.填寫(xiě)零件明細(xì)表。 繪制三維 圖 1.繪制三維零件圖 ，進(jìn)行預(yù)裝配 。 2.確定配合，進(jìn)行裝配 繪制零件圖 1.繪制有關(guān)重要配合的零件圖。 2.確定零件的外形誤差。 3.確定形位誤差和粗糙度 總結(jié)與整理 1.編寫(xiě)畢業(yè)論文。 2.準(zhǔn)備答辯 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 第三章 設(shè)計(jì)裝配圖 機(jī)器（部件）的裝配圖是表達(dá)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)機(jī)器總體結(jié)構(gòu)意圖的圖樣，也是制造、裝配機(jī)器及繪制零件工作圖的技術(shù)依據(jù)。因此，繪制裝配圖是機(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，必須綜合考慮強(qiáng)度、剛度、加工、裝拆、調(diào)整和密封等多方面的要求。 機(jī)器（部件）的裝配圖的設(shè)計(jì)及繪制過(guò)程比較復(fù)雜，因此必須先作裝配草圖設(shè)計(jì)，然后再經(jīng)過(guò)討論修改，最后加深或重新繪成正式的裝配圖。 裝配草圖設(shè)計(jì)包括計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制圖等內(nèi)容，而且計(jì)算與制圖常需交叉進(jìn)行。其基本任務(wù)為： 1）確定各零件的結(jié)構(gòu)尺寸，以及它們?cè)跈C(jī)器的相互位置關(guān)系。 2）得出校 核零件強(qiáng)度（剛度）所需的尺寸及數(shù)據(jù)。 3.1 軸的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 軸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：在軸系零、部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用點(diǎn)和支點(diǎn)之間的跨距無(wú)法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能得出，因此，在軸的設(shè)計(jì)中，必須把軸的強(qiáng)度計(jì)算和軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交錯(cuò)進(jìn)行，邊畫(huà)圖、邊計(jì)算、邊修改。 軸的設(shè)計(jì)程序是： 1）根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案； 2）選擇軸的合適材料； 3）初步估計(jì)軸的直徑； 4）進(jìn)行軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 5）進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算； 6）根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改設(shè)計(jì) 。 3.1.1 軸的初步計(jì)算 軸的材料種類很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求選 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 用。軸的常用材料是 35、 45、 50 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，最常用的是 45 號(hào)鋼。除非有特殊要求的軸，會(huì)采用合金鋼。 選擇軸的材料為 45 號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，由表（軸的常用材料及其主要力學(xué)性能）查得材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為： b =650 MPa a =360 MPa 1 =270 MPa 1 =155 MPa E=2.15 105MPa 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 3min npAd 初步計(jì)算軸徑 ： 由于材料為 45 號(hào)鋼，選取 A=115。 軸端需要夾持直徑為 12mm 的試件，那么，安全的方法是，按照空心軸的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，則得： mmVnpAd 7.211 13000 1.1115 3 433m i n 其中： d：計(jì)算剖面處軸的直徑（ mm）。 P：軸傳遞的額定功率（ KW）。 n：軸的轉(zhuǎn)速（ r/min）。 ：軸的許用轉(zhuǎn)應(yīng)力（ MPa）。見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 19.3-2。 A：按 定的系數(shù)，見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 19.3-2。 V：空心圓軸的內(nèi)徑 d0與外徑 d 的比值。 V= dd0 ，數(shù)值 3 41 1V 見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖 19.3-1。 故選軸的最小直徑為 30mm。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 3.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖確定的主要零件的布置圖和軸的初步估算定出的軸徑，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 軸上 主要零件的布置為：軸承 小 帶輪 軸承 。 1.軸上的零件軸向定位 1 鍵槽 2 軸肩 3 軸承蓋 4 軸承 . 5 甩油環(huán) 6 小帶輪 7 甩油環(huán) 8 軸承 9 圓螺母 10 軸承蓋 圖 3-1.軸上零件的裝配方案 由于整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主軸要從一側(cè)裝入，所以軸要從右到左直徑遞減，而且在兩個(gè)軸承之間軸的直徑要相同。兩端軸承用同一個(gè)尺寸，以便于購(gòu)買、加工、安裝和維修。 軸肩：定位簡(jiǎn)單可靠，不需附加 零件，能承受較大軸向力，廣泛應(yīng)用于軸上零件的固定。 圓螺母：定位可靠，可承受較大的軸向力，能實(shí)現(xiàn)軸上零件的間隙調(diào)整 。常用于軸上零件之間，也可以用于軸端。 平鍵 ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在軸上加工鍵槽，則帶輪可以靠 平鍵 在軸上定位。 軸上零件的裝配方案設(shè)計(jì)如圖 3-1。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 2.軸上零件的周向定位 帶輪與軸的周向定位采用過(guò)盈配合。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，并考慮便于加工，取鍵槽適用的鍵的規(guī)格為剖面尺寸 b h=6 6 12 。配合選用 H7/k6。 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制，主軸與軸承的配合為 H7/k6。（配合選用原則和過(guò)程將在 4.2.1配合尺寸的選擇中具體講述）。 為了保證零件與定位面靠緊，軸上過(guò)渡圓角不應(yīng)過(guò)大，軸肩處的過(guò)渡圓角應(yīng)小于軸承的圓角，最后決定取 R1。 3.考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性 1）考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端與右端均制成 1 45倒角。 2）為了保證軸向定位零件壓緊于軸上的零件，裝零件的軸段長(zhǎng)度應(yīng)較軸承套圈寬度短 2-3mm。 3.2 支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1 軸承 的選擇 1.軸承型號(hào)的選擇。 選擇滾動(dòng)軸承的類型與多種因素有關(guān)，通常根據(jù)下列幾個(gè)主要因素，并參考滾動(dòng)軸承的性能比較綜合考慮。 1）允許空間； 2）載荷大小和方向； 3）軸承工作轉(zhuǎn)速； 4）旋轉(zhuǎn)精度，一般機(jī)械可以用 G級(jí)公差軸承； 5）軸承的剛度； 6）軸向游動(dòng)，一般是一端固定，一端游動(dòng)； 7）安裝與拆卸。 在本設(shè)計(jì)中， 選用單列角接觸球軸承。是考慮到角接觸軸承可以承受徑向載荷與軸向載荷的聯(lián)合載荷；能限制軸的單向軸向移動(dòng)。角接觸軸承在承受徑向力的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向力，必須施加反向軸向力，因此一般應(yīng)該成對(duì)使用。 按額 定動(dòng)載荷選擇軸承： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（ 2004）表 6-2-12，初步確定軸承使用壽命為 10000h。 則軸承基本額定動(dòng)載荷可以按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)式 6-2-1進(jìn)行粗略計(jì)算： rTn dmh CPfffffC 式中： C 基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值， N； P 當(dāng)量動(dòng)載荷，按式 6-2-2 計(jì)算， N； fh 壽命因數(shù)，按表 6-2-8選??； fn 速度因數(shù)，按表 6-2-9選??； fm 力矩載荷因數(shù)，取 fm=1.5； fd 沖擊載荷因數(shù)，按表 6-2-10選取； fT 溫度因數(shù)，按表 6-2-11選??； Cr 軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷， N。 其中：aT YFXFP =Fr=4.97KN。 fh=1.26； fn=1.494； fm=1.5； fd=1； fT =1； 29.697.41494.1 15.126.1 C查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 6-2-61，選取 7007C 型號(hào)， Cr=19.5. C Cr，能滿足要求。 2.軸承的游動(dòng)和調(diào)整。 設(shè)計(jì)軸承的支承結(jié)構(gòu)時(shí)，正確的選擇軸承 后 ， 還要 確保軸承的軸向定位及周向定位，便于裝拆、調(diào)整，有良好的潤(rùn)滑與密封。 作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)對(duì)滾動(dòng)軸承的周向及軸向定位做了合理的設(shè)計(jì)，但軸系零件安裝時(shí)，也應(yīng)該使軸具有確定的軸向位置。通常是用軸承蓋來(lái)確定軸及軸承的軸向位置。但是，軸在工作中由于升溫，有較大的熱脹量，因此，軸承應(yīng)該隨軸游動(dòng)，否則軸承就要被卡死。若軸上左邊的軸承已經(jīng)軸向固定，則右邊的軸承就應(yīng)該有沿軸向游動(dòng)的可能。及右邊的軸承蓋與軸承間應(yīng)具有適當(dāng)?shù)拈g隙，約取 0.2 0.3mm。如圖 3-7。 用凸緣式軸承蓋對(duì) 軸承作軸向定位時(shí)，由于這類軸承的軸向游隙要裝配來(lái)調(diào)整，因此應(yīng)在軸承蓋凸緣與軸承座孔端面的接縫面之間裝有薄的紫銅調(diào)整墊片。 裝配時(shí)，借增減調(diào)整墊片的厚度以調(diào)整這類軸承的軸向游隙，使達(dá)到規(guī)定的 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 數(shù)值。因此軸的熱脹量亦在調(diào)整軸向游隙時(shí)一并考慮。 圖 3-7.軸承的支承設(shè)計(jì) 3.2.2.甩油環(huán) 用油潤(rùn)滑的軸承，為了在啟動(dòng)機(jī)器時(shí)軸承內(nèi)有適量的潤(rùn)滑油，會(huì)采用甩油環(huán)。但甩油環(huán)的擋油高度不應(yīng)該超過(guò)軸承最低滾動(dòng)體的中心。 如圖 3-8.甩油環(huán) 。 圖 3-8.甩油環(huán) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 3.2.3.軸承座 此疲勞試驗(yàn)機(jī)最好結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而整體式的軸承 座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，外形也比較整齊，但是軸系的裝拆和調(diào)整也不如剖分式的箱體方便。 本設(shè)計(jì)中，軸承座的厚度不是很大，左側(cè)設(shè)置一個(gè)大的端蓋。另一端的孔直徑應(yīng)該和甩油環(huán)的直徑相等，作用是保持整體的密封性。 為了制造簡(jiǎn)單、節(jié)省成本，由于軸承座上要安裝軸承蓋的部分精度比較高，則安裝面要相對(duì)于中間部分較高，使得中間部分加工簡(jiǎn)單、節(jié)省一些。 軸承座的設(shè)計(jì)圖如 3-9。 圖 3-9.軸承座的結(jié)構(gòu)示圖 3.2.4.軸承蓋 軸承蓋的材料一般為鑄鐵 HT150。軸承蓋的作用是固定軸承、承受軸向載 荷、密封軸承座孔、調(diào)整軸承位置和軸承間隙。 為了防止當(dāng)軸承蓋螺釘擰緊時(shí)，軸承蓋產(chǎn)生歪斜，必須有足夠的配合長(zhǎng)度。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 本設(shè)計(jì)中，取配合長(zhǎng)度 10mm 。 在軸承蓋端部有車一段圓環(huán)，從而在軸承座與軸承蓋之間形成一環(huán)狀間隙，潤(rùn)滑油通過(guò)此環(huán)狀間隙，再由缺口流入軸承室進(jìn)行潤(rùn)滑 。 3.2.5.支承結(jié)構(gòu)的安裝與拆卸 1.由于軸承座的設(shè)計(jì)為整體式，所以軸系要從右側(cè)裝入。安裝的過(guò)程為： 1）從軸左端裝入軸承，軸承右側(cè)緊靠在軸肩。 2）從軸左端裝入甩油環(huán) 1，甩油環(huán)右側(cè)緊靠軸承。 3）把軸系從右到左裝入軸承座孔。 4）從軸左端裝入大帶輪 ，用緊定螺釘固定。 5）從軸左端裝入甩油環(huán) 2，甩油環(huán)右側(cè)緊靠帶輪。 6）把軸系從右到左裝入軸承座孔。 7）擰入用于軸向定位的圓螺母。 8）順次安裝左側(cè)與右側(cè)的軸承蓋。 2.拆卸就是將以上過(guò)程逆向執(zhí)行即可。 3.2.6 軸上支承零件位置的確定 軸徑：從左到右取 30 32 -35 40 -30 軸長(zhǎng)：取決于軸上零件的寬度及它們的相對(duì)位置。 確定軸上零件的位置過(guò)程： 1）選用角接觸球軸承（ GB/T292-94） 7007C型號(hào)的軸承，其寬度為 14mm。 2）考慮到造價(jià)和材料的問(wèn)題，螺母的寬度取 10mm。帶輪 的寬度為已定的寬度，為 58 mm。 3）取帶輪到軸承的距離為 13 mm，中間用甩油環(huán)軸向固定，則甩油環(huán)的寬度等于 13 mm。 4）軸肩的寬度不宜太大，取 5 mm。 5）由于兩邊的結(jié)構(gòu)不同，則軸承蓋的寬度分別取 14 mm和 6 mm。 6）由于軸的兩端需