軸承摩擦力矩測量裝置各個零部件的尺寸設計及校核計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16843軸承摩擦力矩測量裝置各個零部件的尺寸設計及校核計算案例 1238951零件尺寸設計分析 1176881.1傳動軸尺寸設計 1122531.2夾具尺寸設計 3219871.3加載裝置尺寸設計 429431.3.1桿件尺寸設計 591131.3.2鋼絲繩設計 6247511.3.3砝碼尺寸設計 6186061.3.4加載盤尺寸設計 8257571.4測力桿尺寸設計 8163751.5整體裝置圖 8244861.6本章小結 9281112零件校核分析 10134092.1傳動軸校核 1090782.2螺紋校核 1230822.2.1M10長螺栓 12302772.2.2加載桿 141零件尺寸設計分析本章節(jié)詳細說明了軸承摩擦力矩測量裝置各個零部件的尺寸設計說明。軸承摩擦力矩測量裝置是否具有可行性取決于設計的零部件尺寸是否規(guī)范，能否達到實驗要求，在實際的加工中能否被制造出來以及是否可以進行預計的實驗。軸承摩擦力矩測量裝置的零部件設計首先是從被測軸承的尺寸開始設計傳動軸的尺寸設計以及夾具的設計最后是加載裝置的設計以及測試系統(tǒng)的安裝設計。1.1傳動軸尺寸設計由于軸承屬于精密械零件，因此對傳動軸的精度要求很高，傳動軸加工采用二級精度，保證其尺寸誤差為幾個微米，使得軸承內圈與傳動軸低過盈裝配后，不會為軸承引入額外的變形，傳動軸軸采用三段軸結構，尺寸小的為軸承裝入端，尾端為軸承提供定位[32]。被測軸承的內圈直徑為30mm，寬度為16mm，所以設計的軸承中段直徑為30mm，長度為16mm。由于被測軸承的安裝尺寸damin為36mm，所以傳動軸大端直徑設計為36mm。傳動軸小端是軸承裝入段，設計直徑為26mm。傳動軸的設計圖如圖1.1所示。圖1.1傳動軸設計圖本課題設計的軸承摩擦力矩測量裝置是以型號為CA6140A臥式車床為基礎進行設計的，機床的俯視圖如圖1.2所示。圖1.2CA6140A型臥式車床俯視簡圖由臥式車床俯視圖所示，車床的床身部分有三個用通孔，在圖中已用虛線繪出，本次課題設計的軸承夾具就放置于左端第一個通孔上方，加載裝置穿過通孔與軸承夾具連接。在第一個通孔的右端還附有鐵塊，為了防止加載裝置觸碰孔內鐵塊，將軸承寬度中心設置于圖中于距離通孔右端85mm處，所以傳動軸中段的中心點也在此處。車床左端的三爪卡盤位置無法移動，由于傳動軸中段位置已經確定，所以設計傳動軸大端長度為135mm.傳動軸小端由車床右端的小三爪卡盤夾持，小三爪卡盤與車床尾座相連，可以調整位置，考慮到尾座不能與傳感器支架所連接的滑軌發(fā)生干涉，因此設計傳動軸小端長度為94mm。傳動軸由45號鋼加工制造，加工要求在圖中已經標出，滿足同軸度要求可以減少軸承夾具在實際實驗過程中產生傾斜與晃動，提高了實驗結果的準確性。1.2夾具尺寸設計由傳動軸的設計可知軸承的位置已經被確定，那么軸承夾具的位置也確定了下來。被測軸承的外圈直徑為62mm，所以夾具的也切割出直徑為62mm的圓弧段。夾具的上下兩端都連接M20的螺栓，所以上下兩塊夾具都要在中心制作一個M20的螺紋通孔。上下兩塊夾具用兩根M10的長螺栓相連接，考慮到夾具的剛性，將M10的長螺栓安裝于距離夾具中點45mm的左右兩側，所以在夾具的左右距離中心點45mm處各打M10的螺紋通孔。軸承夾具的設計圖如圖1.3所示。圖1.3軸承夾具設計圖軸承夾具上下部分形狀完全相同，夾具整體高度設計為100mm，寬度為120mm。夾具兩側完全相同的M10長螺栓長度為140mm，長螺栓的上端和下端與夾具連接處都需要安裝M10的六角螺母來增加穩(wěn)定性。夾具上下兩端都連接著M20的螺栓，螺栓上還需要連接M20的六角螺母。設計的M20的I型六角螺母—A和B級（GB/T6170）的螺紋最大處寬度為33mm，所以設計的夾具寬度為35mm。夾具的制造材料采用45號鋼。1.3加載裝置尺寸設計加載裝置由兩根加載桿、滑輪、鋼絲繩、砝碼、加載盤、吊環(huán)螺母等組成。加載裝置的設計圖如圖所示1.4所示。1）連接桿；2）M20六角螺栓；3）滑輪；4）鋼絲繩；5）吊環(huán)螺母；6）加載桿；7）加載盤；8）10KG砝碼；9）砝碼把手圖1.4加載裝置設計圖1.3.1桿件尺寸設計連接桿上端連接的是軸承夾具下端的螺紋通孔，所以連接桿設計直徑為20mm，并且在上端打上長度為40mm的螺紋。滑輪選用的是304不銹鋼材料制作，本課題設計的最大加載載荷為2000N，選用的滑輪尺寸為直徑32mm，寬度12mm，最大承載能力為2500N。所以在連接桿下端側面打一個高30mm，寬12mm的長方形通孔，用于放置滑輪，滑輪與連接桿用插銷連接。連接桿的高度設計為75mm，材料選用45號鋼。連接桿設計圖如圖1.5所示。圖1.5連接桿設計圖加載桿的設計材料選用45號鋼，直徑為20mm，高度設計為750mm。在加載桿的兩端都打上高度為40mm的螺紋，上端的螺紋用于與吊環(huán)螺母連接，下端的螺紋用于安裝加載盤。1.3.2鋼絲繩設計鋼絲繩選用316不銹鋼材質，結構選擇7*7，即7股每股7根，共有49根鋼絲組成。由于設計的實驗過程的最大載荷是2000N，采用了滑輪后鋼絲繩的最大拉力就是1000N。直徑為2.5mm，長度為300mm的鋼絲繩最大承重約為3592N，載物安全承重約為1197N，滿足設計要求。所以采用該尺寸的鋼絲繩，長度選擇350mm。1.3.3砝碼尺寸設計砝碼以鐵為原材料加工制造，每個砝碼重量為10KG。砝碼設計圖如圖1.6所示。圖1.6砝碼設計圖砝碼設計為雙層結構，砝碼疊加時就會十分方便，同時保證加載載荷方向的一致，提高了實驗的穩(wěn)定性。砝碼上設計的通孔直徑為21mm，以便于能輕松套進直徑為20mm的加載桿。砝碼兩側設計有4個直徑為10mm，長度為35mm的孔，是用于安裝砝碼把手。砝碼把手用10mm鋼筋制造，把手的使用大大減少了實驗人員在裝卸10KG砝碼的難度。圖1.7是砝碼把手設計圖。圖1.7砝碼把手設計圖1.3.4加載盤尺寸設計加載盤安裝于加載桿的下方，用以放置砝碼。加載盤以45號鋼加工制造。加載盤設計圖如圖1.8所示。圖1.8加載盤設計圖1.4測力桿尺寸設計測力桿下端與M20的螺栓相連，所以測力桿的下端設計為長度為40mm，直徑為20mm的螺紋孔。測力桿的上端加工出一個直徑為3mm的通孔，此通孔用于將拉力繩穿過測力桿并固定于桿上。測力桿具體尺寸如圖1.9所示。圖1.9測力桿設計圖1.5整體裝置圖經過上文的設計，軸承摩擦力矩測量裝置的各個零部件已設計完成，裝置的整體裝配圖如圖1.10所示。1）CA6140A型臥式車床外框架；2）車床主軸；3）大三爪卡盤；4）傳感器支架；5）CFBLSM型拉力傳感器；6）傳動軸；7）M20吊環(huán)螺母；8）小三爪卡盤；9）滑軌；10）車床尾座；11）10KG砝碼；12）加載盤；13）M20六角螺母；14）加載桿；15）M10六角螺母；16）M10長螺栓；17）測力桿；18）軸承夾具；19）傳感器連接頭；20）M5六角螺栓；21）6206深溝球軸承；22）滑輪；23）鋼絲繩；24）砝碼把手圖1.10整體裝置圖1.6本章小結本章節(jié)根據(jù)上文的裝置設計方案，從尺寸裝配、精度、實用性等各個角度詳細介紹了傳動軸、軸承夾具、加載裝置、測力桿、砝碼等各個零部件的具體尺寸設計由來。在本章的最后附上了軸承摩擦力矩測量裝置的整體圖，可以看出裝置并無干涉等問題的存在，驗證了整體裝置設計的可行性，這給下個章節(jié)的軸承摩擦力矩測量裝置各個零部件的校核分析做了前提保障和分析基礎。2零件校核分析軸承摩擦力矩測試裝置能否在實際的實驗過程中測得準確的軸承摩擦力矩數(shù)值是受各個零部件強度限制的。本章對軸承摩擦力矩測量裝置的重點零部件進行強度校核分析，每個零件只有滿足了強度要求才可以進行實驗。2.1傳動軸校核本課題設計選擇施加最大的徑向載荷是2000N，該載荷由傳動軸支承。傳動軸的受力簡圖如圖2.1所示。圖2.1傳動軸受力簡圖（1）計算支反力由平衡方程∑MA=0，∑MB=0分別算得支反力為FA=F×bFB=F×al式中：FA，F(xiàn)B—A，B點支反力,單位N；F—徑向載荷，單位N；C—傳動軸中段中點；l—傳動軸總長，單位mm；a—AC間距離，單位mm；b—BC間距離，單位mm。（2）列剪力、彎矩方程由于軸承在C點出有載荷F的作用，顯然，在載荷兩側的軸端，其剪力和彎矩均不相同，故需將梁分為AC和CB兩段，分別寫出其剪力和彎矩方程。對于AC段軸，其剪力和彎矩方程分別為FSx=F×bMx=F×b×xl(0對于BC段軸，其剪力和彎矩方程分別為FS(x)=F×bl?F=?(Mx=F×b×xl?F（3）由（2.3）、（2.5）兩式可知，左、右兩軸端的剪力圖各為一條平行于x軸的直線。由（2.4）、（2.6）兩式可知，左、右兩軸端的彎矩圖各為一條斜直線。根據(jù)這些方程繪制出的剪力圖和彎矩圖如圖2.2所示。圖2.2傳動軸剪力與彎矩圖由圖可知在C點處橫截面彎矩值為最大，且左、右兩側截面上的剪力值有突變，所以C點橫截面為危險截面。由式2.4可計算得出C處M=119N·m。傳動軸只受彎矩作用，所以屬于心軸，按照彎曲強度校核對傳動軸進行校核。查閱相關資料，實心心軸的直徑應滿足：d≥21.683M/σ式中：d—心軸軸徑，單位mm；M—心軸在計算截面承受彎矩值，單位N·m；σp傳動軸材料選用45號鋼，進行調質處理。查閱資料可知σs=355MPa，故取σp=177MPa，求得d傳動軸的截面為圓形，故其抗彎截面系數(shù)為W=πd3式中：W—抗彎截面系數(shù)；d—截面直徑；經計算，當軸直徑d=30mm，σ=M所以，經過分析計算，傳動軸的強度滿足要求。2.2螺紋校核2.2.1M10長螺栓1.抗剪切強度校核M10長螺栓的螺紋應滿足τ=FπDbz≤式中：F—軸向力，單位N；D—計算母扣時使用的螺紋大徑，單位mm；b—螺紋牙底寬度，單位mm，采用普通螺紋，即b與p的關系為：b=0.75p；z—結合圈數(shù)，無量綱，一般不超過10；τ—許用剪應力，單位MPa,對于材質為鋼，一般可以取τ=0.6[σ]，[σ]為材料的許用拉應力，[σ]=σsS,單位MPa，其中σs本課題設計的最大加載載荷為2000N，由于有兩個相同的M10長螺栓共同承受，所以每根長螺栓所受的F=1000N。已知D=10mm，p=1.5mm，z取7，S取4。查閱資料可知，45號鋼的屈服強度極限為355MPa。經計算b=1.125mm，τ=53.25MPa。將各數(shù)值代入式2.9中，得到τ=FπDbz=10003.14×10×1.125×7=所以M10長螺栓滿足抗剪切強度要求。2.抗彎曲強度校核M10長螺栓的螺紋應滿足σb=3F?πD式中：h：螺紋工作高度，單位mm，h與p的關系為h=0.541p；σbσb：螺紋牙的許用彎曲應力，對鋼材，σb=（1~1.2）計算得h=0.81mm,σb=97.63MPa。將參數(shù)帶入式σb=3F?所以M10長螺栓滿足抗彎曲強度要求。綜上所述，M10長螺栓滿足設計要求。2.2.2加載桿1.抗剪切強度校核加載桿的螺紋應滿足式2.9。加載桿所受的最大軸向載荷F=2000N，D=20mm，p=2.5mm，即b