1、轉(zhuǎn)軸端部加載方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計【摘要】 加載是試驗機與試驗臺設(shè)計的一個重要部分。加深對加載的研究對提高試驗機與試驗臺的性能來說很有意義。本文從機械可拆卸快速聯(lián)接設(shè)計入手對轉(zhuǎn)軸端部加載方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究。本文先是介紹了轉(zhuǎn)軸的強度計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛度校核及電機選擇，為后面的方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計作了準(zhǔn)備工作。然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)課題的要求為轉(zhuǎn)軸端部加載系統(tǒng)設(shè)計了四套旋轉(zhuǎn)臺方案和四套加載方案，并分析了各自的優(yōu)缺點。其中在旋轉(zhuǎn)臺方案四中本文設(shè)計了一種比較特殊的自鎖裝置。最后根據(jù)轉(zhuǎn)軸端部加載的方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計畫出了四套旋轉(zhuǎn)臺方案和四套加載方案的CAD圖。 【關(guān)鍵詞】 機械加載，可拆卸聯(lián)接，旋轉(zhuǎn)臺自鎖，同心圓柱

2、體，轉(zhuǎn)軸 目錄第1章 緒論11.1試驗機簡介11.1.1試驗機類型21.1.2試驗機現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢21.1.3加載方式及發(fā)展21.2本課題研究意義及主要工作31.2.1本課題的研究意義41.2.2本課題的研究內(nèi)容及主要工作4第2章總體設(shè)計62.1轉(zhuǎn)軸強度剛度計算以及電機選擇62.2旋轉(zhuǎn)臺方案的設(shè)計62.3圓柱體零件的快速聯(lián)接設(shè)計62.4旋轉(zhuǎn)臺方案和加載方案設(shè)計的CAD繪圖7第3章 轉(zhuǎn)軸強度剛度計算以及電機選擇83.1電機功率計算及選型83.1.1摩擦力矩計算83.1.2電機功率103.2轉(zhuǎn)軸強度計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計113.2.1初步確定軸的最小直徑（按扭轉(zhuǎn)強度計算）113.2.2轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計123

3、.2.3按彎扭合成應(yīng)力校核轉(zhuǎn)軸的強度123.3轉(zhuǎn)軸剛度計算153.3.1彎曲剛度校核163.3.2扭轉(zhuǎn)剛度校核173.4未加載前的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖18第4章旋轉(zhuǎn)臺方案的設(shè)計194.1旋轉(zhuǎn)臺方案一194.2 旋轉(zhuǎn)臺方案二214.3 旋轉(zhuǎn)臺方案三224.4 旋轉(zhuǎn)臺方案四23第5章加載方案的設(shè)計255.1整體式加載方案255.1.1整體式加載方案一265.1.2整體式加載方案二265.2 分體式加載方案275.2.1分體式加載方案一275.2.2分體式加載方案二28結(jié)論30參考文獻(xiàn)31附錄33致謝34圖目錄圖3.1可調(diào)速小功率電機2611圖3.2轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計圖12圖3.3轉(zhuǎn)軸計算簡圖13圖3.4軸平行地面

4、時的計算簡圖14圖3.5軸平行地面時的彎扭圖（上面是彎矩圖，下面是扭矩圖）15圖3.6軸的彎曲剛度計算簡圖17圖3.7軸未加載前結(jié)構(gòu)設(shè)計圖18圖4.1旋轉(zhuǎn)臺方案一三維造型圖19圖4.2輪式偏心夾緊件的各種構(gòu)造1520圖4.3旋轉(zhuǎn)臺方案一的夾緊裝置圖解20圖4.4旋轉(zhuǎn)臺方案二三維造型圖21圖4.5旋轉(zhuǎn)臺方案三三維造型圖22圖4.6帶有附加切口的彈性轂部1522圖4.7旋轉(zhuǎn)臺方案四三維造型圖23圖4.8普通螺紋的基本牙型和基本尺寸2823圖4.9旋轉(zhuǎn)臺方案四CAD圖部分24圖5.1整體式同心圓柱體25圖5.2整體式加載方案一三維造型圖26圖5.3整體式加載方案二三維造型圖26圖5.4分體式同心圓柱

5、體27圖5.5分體式加載方案一三維造型圖28圖5.6分體式加載方案一CAD圖部分28圖5.7分體式加載方案二三維造型圖29第1章 緒論本章介紹了試驗機在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，并著重介紹了其加載方式及發(fā)展，最后闡明本文研究的內(nèi)容及意義。1.1試驗機簡介試驗機是一種產(chǎn)品或材料在投入使用前，對其質(zhì)量或性能按設(shè)計要求進(jìn)行驗證的儀器1。試驗機作為一種單獨的產(chǎn)品，誕生于二百多年前的西歐。當(dāng)時沒有獨立的生產(chǎn)廠商，都是依附或從屬于機械或建筑行業(yè)里的一個檢驗部門為試驗和檢測而自行制造并繼而兼之銷售的。所以試驗機在起初可以說是還沒形成一個市場的。最初的產(chǎn)品很簡單，品種也少，當(dāng)時只有采用機械杠桿、砝碼加載的原理制成的拉

6、力試驗機， 用以測定鋼鐵和其它金屬材料的抗拉強度，即抵御外部載荷而不被破壞的最大抗力。隨著材料科學(xué)和材料力學(xué)的發(fā)展試驗機便逐漸成為一種專門用于研究各類材料機械性能(力學(xué)性能)的手段和工具。試驗機在起初的需求量并不大，所以各國企業(yè)創(chuàng)建的初期規(guī)模都不大，最多四、五十人，產(chǎn)品產(chǎn)值在該國的國民經(jīng)濟(jì)及工業(yè)統(tǒng)計數(shù)字中都占不上角色。但伴隨工業(yè)、建筑的不斷發(fā)展， 各種新材料的不斷涌現(xiàn)， 從安全設(shè)計和節(jié)約材料的基點出發(fā)，社會對試驗機產(chǎn)品的需求日益迫切和擴(kuò)大。試驗機產(chǎn)業(yè)也逐漸形成了一個比較大的市場。經(jīng)過大約一百多年的發(fā)展， 到了二十世紀(jì)初， 在世界范圍內(nèi)基本建成了世界試驗機產(chǎn)業(yè)的四大生產(chǎn)體系：英國試驗機生產(chǎn)體系，

7、 以瑞士、德國為主的歐洲大陸試驗機生產(chǎn)體系，遠(yuǎn)東日本試驗體機生產(chǎn)體系和北美洲(美國)試驗機生產(chǎn)系。這其中以英國試驗機生產(chǎn)體系與歐洲大陸試驗機生產(chǎn)體系規(guī)模最大，產(chǎn)品系列最為齊全， 產(chǎn)業(yè)的企業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)變化最為迅速。但到了八十年代中期以后試驗機產(chǎn)業(yè)就其規(guī)模、品種，先進(jìn)程度、銷售量而言，就轉(zhuǎn)移到美國、德國和日本這方面來了2 。1.1.1試驗機類型試驗機的分類按照傳統(tǒng)分類方法可以分為金屬材料試驗機、非金屬材料試驗機、動平衡試驗機、振動臺和無損探傷機等五大類；按用途分類:測定機械性能用試驗機和工藝試驗用試驗機；按加荷方法分類:靜負(fù)荷試驗機(靜態(tài))和動負(fù)荷試驗機(動態(tài))；按測力方式分類:機械測力

8、試驗機和電子測力試驗機；按控制方式分類:手動控制和微機伺服控制試驗機；按油缸位置分類:油缸上置式和油缸下置式試驗機1。1.1.2試驗機現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢試驗機最初產(chǎn)品簡單、品種稀少，所依據(jù)的原理也很簡單向產(chǎn)品品種擴(kuò)大，技術(shù)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，產(chǎn)品本身的精度提高發(fā)展。由于社會需求的要求，試驗機產(chǎn)品越來越復(fù)雜、品種越來越多、所依據(jù)的原理越來越復(fù)雜。單純的機械杠桿、砝碼加載的原理已無法滿足試驗機的研發(fā)要求。它的分類也越來越細(xì)，為了滿足生產(chǎn)科研的需要，試驗機的研究方向也朝著專業(yè)化發(fā)展。這使得試驗機的分類非常的細(xì)，品種也非常多。從上世紀(jì)九十年代中期至今僅10年多的時間，我國試驗機制造技術(shù)得到了較快的發(fā)展。我國在試

9、驗機行業(yè)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾方面8：（1） 靜態(tài)力學(xué)性能測試設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了突破。（2） 動態(tài)力學(xué)性能測試設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)有較大提高。（3） 多通道協(xié)調(diào)加載動靜態(tài)力學(xué)性能測試系統(tǒng)和多自由度實際工況模擬試驗系統(tǒng)的開發(fā)有較快進(jìn)展，有些產(chǎn)品已開始投入國內(nèi)市場并被用戶選用。（4） 試驗機制造廠商自主研發(fā)的能力逐漸提高。（5） 試驗機的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性有較大提高。1.1.3加載方式及發(fā)展試驗機的加載裝置是試驗機的重要組成部分。加載方式的不同對于試驗機的性能有著重要影響。試驗機加載的方式很多，比如機械加載、液壓加載、電力加載等。根據(jù)加載時是否有接觸又可分為接觸式加載和非接觸式加載。在試驗機發(fā)展的初期，

10、大多采用機械加載。機械加載所依據(jù)的原理簡單，實現(xiàn)起來比較容易。所以在試驗機發(fā)展的初期階段都是用機械加載。機械加載在試驗機發(fā)展的初期發(fā)揮了很大的作用。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加載裝置中的受力零件易被磨損而引起功率的損失，易產(chǎn)生振動和噪聲，且在加載器的設(shè)計與制造時對于零件的材料和熱處理有較高的要求，制造成本高22。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對試驗機的性能的要求越來越高。這使得試驗機對其加載系統(tǒng)的要求也越來越來高。為了精確模擬零部件在實際工作中受載的實際情況，單純的機械加載就比較復(fù)雜了，采用電力加載就簡單多了，而且機械加載成本也較高，所以機械加載方式已逐漸被其它的加載方式所取代。雖然單純的機械加載精確模擬零

11、部件在實際工作中受載的實際情況比較復(fù)雜，但模擬加載再怎么精確模擬還終歸是模擬。而機械加載則可以完全再現(xiàn)零部件受載的實際情況，雖然成本會高一點，實現(xiàn)起來也復(fù)雜一些。直到目前在大功率和大扭矩的場合機械加載還是比較有優(yōu)勢的。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，試驗機的加載裝置開始采用液壓泵、旋轉(zhuǎn)液壓伺服器等作為負(fù)載裝置。液壓加載可以實現(xiàn)較大加載功率，而且液壓加載在加載過程中改變載荷是很容易的。也正是因為采用液壓的原理，液壓加載在加載過程中載荷很不穩(wěn)定。這一點機械加載就具有明顯優(yōu)勢。因而在小功率條件下的試驗結(jié)果是不準(zhǔn)確的22。電力加載是利用電渦流測功機、磁粉制動器、發(fā)電機等電力設(shè)備作為負(fù)載裝置的加載方式。它的優(yōu)點是運

12、行平穩(wěn)、易于控制、加載精度高。221.2本課題研究意義及主要工作本課題的任務(wù)實際上就是在一根成懸臂狀的軸端裝了一個滾動軸承，現(xiàn)在要在軸承外圈上加上不同的載荷，在軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，載荷的方向可由徑向逐步變換為軸向。但加載后不能對軸承外圈的自由轉(zhuǎn)動帶來附加阻力矩而且加載裝置也不能影響轉(zhuǎn)軸的動平衡。這正是本課題的難點，它使得采用普通的加載是不可行的1.2.1本課題的研究意義隨著機械工業(yè)的發(fā)展，人們對于機械產(chǎn)品性能的要求越來越高。這使得人們對試驗機性能的要求也越來越高。所以提高試驗機的任何一部分裝置的性能對試驗機整體性能的提高都是有重要作用的。本課題所研究的轉(zhuǎn)軸端部加載是機械試驗機與試驗臺設(shè)計的一個重要部

13、分。而加載又是試驗機設(shè)計的一個重要部分。所以加深對加載的研究對試驗機的設(shè)計很有幫助。1.2.2本課題的研究內(nèi)容及主要工作本課題的任務(wù)實際上就是在一根成懸臂狀的軸端裝了一個滾動軸承，現(xiàn)在要在軸承外圈上加上不同的載荷，在軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，載荷的方向可由徑向逐步變換為軸向。但加載后不能對軸承外圈的自由轉(zhuǎn)動帶來附加阻力矩而且加載裝置也不能影響轉(zhuǎn)軸的動平衡。所以常規(guī)的加載方法是不行的。本課題可以進(jìn)行研究的思路有三條。（1）模擬加載技術(shù)模擬加載技術(shù)是在計算機輔助測試技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的一種加載技術(shù)。它是指控制加載裝置使其按照給定運行方式和預(yù)定的載荷譜運轉(zhuǎn)，從而模擬各種實際工作情況22。當(dāng)然它也可以模擬本課題的軸

14、端部加載的情況。（2）電磁加力器加載本課題要求在軸承外圈上加上不同的載荷，但加載后不能對軸承外圈的自由轉(zhuǎn)動帶來附加阻力矩而且加載裝置也不能影響轉(zhuǎn)軸的動平衡。采用直接式非接觸電磁加力原理，設(shè)計制造電磁加力器，配以非接觸的精密電容式位移計進(jìn)行加載性能試驗無疑是一個不錯的選擇。（3）機械加載機械加載的思路是在軸端部套上同心圓環(huán)。問題是如何實現(xiàn)這些圓環(huán)的快速可靠的聯(lián)接。因為模擬加載技術(shù)和電磁加力器加載分別在參考文獻(xiàn)22,23和參考文獻(xiàn)13中有詳細(xì)而完整的研究。雖然不是專門針對軸端部加載的，但方法是一樣的。所以本文只研究機械加載的方法。本文從機械可拆卸快速聯(lián)接入手研究本課題。本文的主要工作為：（1）轉(zhuǎn)軸

15、強度剛度計算以及電機選擇雖然本課題主要是方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計，但必要的強度剛度計算也是要的。根據(jù)滾動軸承內(nèi)部摩擦力矩，還要計算電機的功率并選擇合適的電機。（2）整個系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方案的設(shè)計由于在加載過程中軸本身也要能從水平到垂直擺動，以使載荷從徑向變?yōu)檩S向。所以在本課題還要設(shè)計整個轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方案。旋轉(zhuǎn)方案可以由人工完成就可以，不用再為旋轉(zhuǎn)方案選電機。所以要設(shè)計的就是旋轉(zhuǎn)臺的自鎖方案。（3）圓柱體零件的快速聯(lián)接設(shè)計該選題的基本方法就是往外圈上套上不同的同心圓柱體，主要解決的問題是這些圓柱體如何方便連接。第2章總體設(shè)計本章介紹了本課題的總體設(shè)計。2.1轉(zhuǎn)軸強度剛度計算以及電機選擇雖然本課題主要是方案和結(jié)

16、構(gòu)設(shè)計，但必要的強度剛度計算也是要的。根據(jù)滾動軸承內(nèi)部摩擦力矩，還要計算電機的功率并選擇合適的電機。而且轉(zhuǎn)軸的長度只有，滾動軸承及其它零件在轉(zhuǎn)軸的固定是需要通過轉(zhuǎn)軸的強度剛度計算對軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計來確定的。然后給出未加載前的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。2.2旋轉(zhuǎn)臺方案的設(shè)計由于在加載過程中軸本身也要能從水平到垂直擺動，以使載荷從徑向變?yōu)檩S向。所以在本課題還要設(shè)計整個轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方案。本文的作法是設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)臺，然后再把加載裝置固定在旋轉(zhuǎn)臺上。由于整軸的轉(zhuǎn)動要求在任何位置能固定住，而轉(zhuǎn)動用人工就可以了。所以旋轉(zhuǎn)臺設(shè)計的主要工作就是設(shè)計能讓旋轉(zhuǎn)臺在任意位置固定的自鎖裝置。2.3圓柱體零件的快速聯(lián)接設(shè)計本課題研究的

17、基本方法就是往6204滾動軸承外圈上套上不同的同心圓柱體。而這也是軸端部加載的核心問題。主要解決的問題是這些圓柱體如何方便連接。這些圓柱體零件的連接必須快速可靠，并且不能對滾動軸承造成損傷。本文主要從機械可拆卸聯(lián)接設(shè)計入手解決問題。2.4旋轉(zhuǎn)臺方案和加載方案設(shè)計的CAD繪圖本課題的最終研究結(jié)果是幾種旋轉(zhuǎn)臺和加載方案，很少涉及到制造問題，但必要的結(jié)構(gòu)尺寸還是需要的。所以在以上研究的基礎(chǔ)上，以上的方案都要給出CAD圖。第3章 轉(zhuǎn)軸強度剛度計算以及電機選擇本章介紹了轉(zhuǎn)軸的強度計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛度校核及電機選擇。并最終給出了轉(zhuǎn)軸在未加載前的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，為軸端部加載方案與結(jié)構(gòu)的設(shè)計做準(zhǔn)備工作。3.1電機

18、功率計算及選型轉(zhuǎn)軸端部加載的過程中，電機的功率主要消耗在滾動軸承和滑動軸承的摩擦力矩上。所以為了確定電機的功率，需要算出整個系統(tǒng)在所加載荷為時的總摩擦力矩。即求整個系統(tǒng)在所加載荷為時滾動摩擦力矩和滑動摩擦力矩。3.1.1摩擦力矩計算根據(jù)參考文獻(xiàn)24可得到軸承的摩擦力矩的計算公式如下： （3.1）其中：為軸承摩擦力矩，；為軸承摩擦因數(shù)；為軸承載荷，（分別為軸向載荷和徑向載荷）； 為軸承內(nèi)徑， ；根據(jù)以上公式，本文計算了轉(zhuǎn)軸的滾動軸承摩擦力矩和滑動摩擦力矩，從而得出總的摩擦力矩。（1）滾動軸承摩擦力矩 （3.2）加載引起的滾動摩擦力矩： （3.3）其中：為深溝球軸承摩擦因數(shù)，這里取0.001524

19、；為滾動軸承處的外加載荷，；為滾動軸承內(nèi)徑，任務(wù)書中要求為；因為本次畢業(yè)設(shè)計的加載采用在滾動軸承的外圈套上圓柱形零件的方法，所以在軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，載荷的方向在由徑向變換為軸向的過程中圓柱形零件提供給軸承的載荷大小始終不變。于是這里可取最大載荷。滾動軸承自重引起的滾動摩擦力矩： （3.4）其中：為6204深溝球軸承的質(zhì)量，查閱參考文獻(xiàn)24得；綜上所述，滾動軸承摩擦力矩（2）滑動軸承摩擦力矩本課題中轉(zhuǎn)軸的材料選用45鋼，它的密度為。它的體積粗略計算為： （3.5）于是它的質(zhì)量可由式（3.6）計算 （3.6）由于軸的質(zhì)量很小，對滑動摩擦力矩的影響很小，所以在計算滑動摩擦力矩的過程中忽略軸的自重。對于滑

20、動軸承，摩擦因數(shù)一般取，有時也取到25。為保險起見取為0.15?；瑒虞S承1的滑動摩擦力矩 （3.7）其中：為滑動軸承1處所受的載荷，由后面轉(zhuǎn)軸強度計算中得；為滑動軸承內(nèi)徑，；滑動軸承2的滑動摩擦力矩 （3.8）其中：為滑動軸承2處所受的載荷，由后面轉(zhuǎn)軸強度計算得；雖然還沒算出電機功率以及軸受到的扭矩，從而無法進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。但轉(zhuǎn)軸的軸向尺寸是可以確定的，從而可進(jìn)行受力分析求出和。這部分的計算統(tǒng)一都放在軸的強度計算中進(jìn)行。并且經(jīng)過分析可得出當(dāng)軸和地面角度為零時，的值取到最大值。并且同時，。對滑動軸承內(nèi)徑而言，其實在沒有算出電機功率以及軸受到的扭矩的前提下就無法按軸的扭轉(zhuǎn)初步確定軸的最小軸徑，然

21、后設(shè)計出滑動軸承內(nèi)徑。而算出電機功率以及軸受到的扭矩就必須確定滑動軸承內(nèi)徑?？雌饋砬昂笏坪趺埽⒉皇鞘譄o策了。因為電機的功率消耗基本上只有滾動摩擦力矩和滑動摩擦力矩，所以可以預(yù)想最終得出的電機功率是一個并不大的數(shù)值。本文的做法是先假定一個比較保險的滑動軸承內(nèi)徑，這里取滑動軸承內(nèi)徑，由此算出電機功率以及軸受到的扭矩，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度剛度計算。如果最終強度剛度都滿足要求，則就最終確定滑動軸承內(nèi)徑，否則再加大滑動軸承內(nèi)徑重新計算直到強度剛度都滿足要求。（3）總摩擦力矩 （3.9）3.1.2電機功率電機功率可由式（3.10）計算： （3.10）其中：為電機轉(zhuǎn)速，暫取為；理論上電機功率只要大于

22、就能保證轉(zhuǎn)速為，但考慮由于制造、安裝誤差帶來的附加摩擦力，電機功率還是要以上。并且電機要可調(diào)速，經(jīng)查詢，可用的電機規(guī)格為功率為的可調(diào)速小功率電機。圖3.1為一種可行的可調(diào)速小功率電機。電機的相關(guān)參數(shù)見附錄。圖3.1可調(diào)速小功率電機263.2轉(zhuǎn)軸強度計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計參考參考文獻(xiàn)14本文轉(zhuǎn)軸強度計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計按如下步驟進(jìn)行。3.2.1初步確定軸的最小直徑（按扭轉(zhuǎn)強度計算）軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 （3.11）其中：為轉(zhuǎn)軸的抗扭截面系數(shù)，且（為轉(zhuǎn)軸最小軸徑處直徑），；為轉(zhuǎn)軸許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，這里取14；轉(zhuǎn)軸最小軸徑。3.2.2轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計通過初步確定軸的最小直徑，再結(jié)合參考文獻(xiàn)14中軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容，本文

23、對本課題中的轉(zhuǎn)軸作了結(jié)構(gòu)設(shè)計。轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖見圖3.2。圖3.2轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3.2.3按彎扭合成應(yīng)力校核轉(zhuǎn)軸的強度（1）轉(zhuǎn)軸的計算簡圖（即力學(xué)模型）通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文確定了軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上零件的位置、以及外載荷和支反力的作用位置。此時軸上載荷已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進(jìn)行強度校核計算。但直接計算是很難得，所以為了簡化計算，本文做了軸的計算簡圖即力學(xué)模型。具體見圖3.3。圖3.3轉(zhuǎn)軸計算簡圖（2）彎矩圖和扭矩圖要得到轉(zhuǎn)軸的彎矩圖和扭矩圖必須進(jìn)行如下計算。首先由受力分析和已知條件可得如下方程式： （3.12）在求電機功率時要按的值最大的情況下計算，所以需要研究最大時軸與

24、地面的夾角的取值。解式（3.12）可得觀察可發(fā)現(xiàn)的值是一個自變量為的函數(shù)。于是我們得到一個函數(shù)式如下： （3.13）為了研究在什么情況下取最大值，可以對式（3.13）進(jìn)行求導(dǎo)。求導(dǎo)的結(jié)果如下： （3.14）因為在內(nèi)大于零，所以在內(nèi)恒成立。這也說明在內(nèi)是單調(diào)遞減的，那么的最大值就發(fā)生在的時候，即軸平行于地面的時候。令，則方程式（3.12）就變?yōu)槿缦滦问剑?（3.15）解式（3.15）得最大彎矩我們再觀察上式可發(fā)現(xiàn)最大彎矩也是在時取得。最大彎矩。綜上分析，可發(fā)現(xiàn)軸的最大支反力和最大彎矩都在發(fā)生在軸平行地面時。所以很有必要仔細(xì)研究軸平行地面時的情況，而且剛度也按軸平行地面時來校核。并且根據(jù)以上計算，

25、以下分別作了軸平行地面時的計算簡圖和彎扭圖，分別見圖3.4和圖3.5。圖3.4軸平行地面時的計算簡圖圖3.5軸平行地面時的彎扭圖（上面是彎矩圖，下面是扭矩圖）（3）彎扭合成強度校核軸的彎扭合成強度條件為 （3.16）其中：為轉(zhuǎn)軸的計算應(yīng)力，；為轉(zhuǎn)軸所受的彎矩，這里取彎矩圖中的最大值；為轉(zhuǎn)軸所受的扭矩，這里取扭矩圖中的最大值；為轉(zhuǎn)軸的抗彎截面系數(shù)，取轉(zhuǎn)軸軸徑的最小值；為對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力，查表的；所以軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合強度要求。3.3轉(zhuǎn)軸剛度計算軸的彎曲剛度以撓度或偏轉(zhuǎn)角來度量；扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。軸的剛度校核計算通常是計算出軸在受載時的變形量，并控制其不大于允許值。24所以轉(zhuǎn)軸

26、的剛度校核應(yīng)分為彎曲剛度校核和扭轉(zhuǎn)剛度校核。3.3.1彎曲剛度校核軸的彎曲剛度計算簡圖見圖3.6。軸的彎曲剛度計算又分為撓度校核和偏轉(zhuǎn)角校核。（1） 轉(zhuǎn)軸的撓度校核對于光軸，軸的彎曲剛度校核可直接用材料力學(xué)中的公式計算其撓度或偏轉(zhuǎn)角。但本文所涉及的軸是階梯軸，根據(jù)參考文獻(xiàn)14的做法是用當(dāng)量直徑法做近似計算。即把階梯軸看成是當(dāng)量直徑為的光軸，再按材料力學(xué)中的公式計算。本文中轉(zhuǎn)軸的當(dāng)量直徑為 （3.17）其中：為階梯軸第段的長度，；為階梯軸第段的直徑，；為階梯軸的計算長度，；根據(jù)材料力學(xué)公式最大撓度為27 （3.18）其中：為彈性模量，45鋼的彈性模量為；為軸的極慣性矩，；為軸的允許撓度，按一般用

27、途軸查表得，；所以軸的撓度符合要求。圖3.6軸的彎曲剛度計算簡圖（2） 軸的偏轉(zhuǎn)角校核根據(jù)材料力學(xué)公式最大偏轉(zhuǎn)角為27 （3.19）其中：為軸的允許偏轉(zhuǎn)角，按滑動軸承查表得；所以軸的偏轉(zhuǎn)角符合要求。3.3.2扭轉(zhuǎn)剛度校核軸每米長的扭轉(zhuǎn)角為14 （3.20）其中：為材料的剪切彈性模量，對于鋼材，；為階梯軸受扭矩作用的長度，由圖3.4和圖3.5可知；為分別代表階梯軸第段上所受的扭矩、長度、和極慣性矩；為軸的允許扭轉(zhuǎn)角，對于一般傳動軸可?。桓鶕?jù)扭矩和極慣性矩的不同軸段數(shù)可分為6段，于是式（3.20）中的計算如下：所以軸的扭轉(zhuǎn)角符合要求。3.4未加載前的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖根據(jù)以上計算可以最終確定軸未加載前的結(jié)

28、構(gòu)設(shè)計，具體見圖3.7。圖3.7軸未加載前結(jié)構(gòu)設(shè)計圖第4章旋轉(zhuǎn)臺方案的設(shè)計本章介紹了四種旋轉(zhuǎn)臺方案的設(shè)計，并分析了優(yōu)缺點。旋轉(zhuǎn)臺設(shè)計的主要工作就是設(shè)計能讓旋轉(zhuǎn)臺在任意位置固定的自鎖裝置，其中旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動都由人工完成。其中前三種方案的自鎖裝置是鑒見相關(guān)參考資料及生活中的一些機械裝置設(shè)計出來的，最后一種方案則完全是自行設(shè)計的。4.1旋轉(zhuǎn)臺方案一該方案旋轉(zhuǎn)臺的自鎖采用固定繩索的方法。其三維造型圖見圖4.1。圖4.1旋轉(zhuǎn)臺方案一三維造型圖該方案中繩索的固定采用輪式偏心夾緊。輪式偏心夾緊是一種夾緊聯(lián)接。因為本章中所設(shè)計的方案一和方案二都是依據(jù)夾緊聯(lián)接設(shè)計的，這里就簡單介紹一下夾緊聯(lián)接。夾緊聯(lián)接是一種通過

29、摩擦阻力作用實現(xiàn)的連接，以夾緊力產(chǎn)生的摩擦力來固定被聯(lián)接零件的相對位置。通過夾緊產(chǎn)生的摩擦阻力的原理和過盈配合類似，但過盈聯(lián)接是不可拆卸的，而夾緊聯(lián)接既有過盈聯(lián)接的效果又有快速拆裝的優(yōu)點。對旋轉(zhuǎn)臺的自鎖來說是一種比較可行的方法。15圖4.1中的綠色零件就是本文設(shè)計的輪式偏心夾緊裝置。類似的偏心夾緊裝置在參考文獻(xiàn)15和參考文獻(xiàn)16中都有提到。其中參考文獻(xiàn)15中有較詳細(xì)的介紹偏心夾緊裝置的內(nèi)容。本文采用的是輪式偏心夾緊裝置，參考文獻(xiàn)15中還提到其他的夾緊裝置。那些夾緊裝置都是不錯的選擇，本章方案三就采用了另一種夾緊裝置。圖4.2展示了輪式偏心夾緊件的各種構(gòu)造。圖4.2輪式偏心夾緊件的各種構(gòu)造15通

30、過固定繩索繩索來達(dá)到旋轉(zhuǎn)臺任意位置的自鎖是一種比較容易想到的方法。而且旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)也比較方便。通過夾緊獲得的夾緊力來自鎖相比其他自鎖方式顯得不是很可靠，但本文所設(shè)計的偏心輪夾緊裝置卻很好的解決了這個問題。以下本文將結(jié)合圖4.3來說明本文所設(shè)計的偏心輪夾緊裝置的特殊之處。圖4.3旋轉(zhuǎn)臺方案一的夾緊裝置圖解本文所設(shè)計的偏心輪夾緊裝置的偏心距為。圖4.3顯示了偏心輪在水平和垂直位置的情況。顯然偏心輪在位置時是處于松開狀態(tài)，在位置時是處于夾緊狀態(tài)。偏心輪從位置到位置，偏心輪處于越來越緊的狀態(tài)。那么當(dāng)偏心輪夾住繩索時由于摩擦力的作用偏心輪有向瞬時針轉(zhuǎn)的趨勢，于是旋轉(zhuǎn)臺上的東西越重偏心輪也會夾得越緊。雖然

31、可靠性的問題解決了，但用繩索畢竟不是很穩(wěn)定，所以還需要設(shè)計其它的旋轉(zhuǎn)方案。4.2 旋轉(zhuǎn)臺方案二該方案旋轉(zhuǎn)臺的自鎖采用螺紋自鎖的方法。其三維造型圖見圖4.4。圖4.4旋轉(zhuǎn)臺方案二三維造型圖方案二采用螺紋自鎖的方法使得旋轉(zhuǎn)臺的自鎖非常可靠。該方案是鑒見生活中常用的液化石油氣鋼煤氣管道的連接而設(shè)計的。圖4.4中的綠色零件內(nèi)孔車螺紋而灰色零件內(nèi)孔不車螺紋。通過旋轉(zhuǎn)綠色零件就可以控制黃色螺桿的升降，從而控制旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)。在綠色零件和灰色套筒零件間還可以裝上軸向滾動軸承，從而使綠色零件的旋轉(zhuǎn)變的輕松一些。用該方案作為加載系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)臺，在加載的過程中是很穩(wěn)定。而且旋轉(zhuǎn)臺的自鎖非?？煽俊５男D(zhuǎn)并不方便。比

32、如旋轉(zhuǎn)臺從圖4.4所示的位置轉(zhuǎn)到垂直位置，它的旋轉(zhuǎn)就沒方案一方便。4.3 旋轉(zhuǎn)臺方案三該方案旋轉(zhuǎn)臺的自鎖采用卡箍夾緊聯(lián)接的方法。其三維造型圖見圖4.5。圖4.5旋轉(zhuǎn)臺方案三三維造型圖卡箍夾緊聯(lián)接按結(jié)構(gòu)情況及應(yīng)用情況可分為三種：轂箍式夾緊聯(lián)接、管箍式夾緊聯(lián)接和帶箍式夾緊聯(lián)接。其中轂箍結(jié)構(gòu)比較強緊，一般用于受力較大的聯(lián)接，常用于傳遞扭矩和軸向力。轂箍構(gòu)造視所需彈性大小及安裝使用情況，又有三種類型。由于附加切口的彈性轂部能使轂箍加大彈性變形，使轂部的鋼性變得均勻，從而能夠增大夾緊力并能使夾緊力較均勻分布。15因為以上原因該方案采用這種結(jié)構(gòu)作為旋轉(zhuǎn)臺的自鎖裝置。圖4.6為一種帶有附加切口的彈性轂部。方

33、案三的自鎖裝置正是鑒見該結(jié)構(gòu)。圖4.6帶有附加切口的彈性轂部15方案三的夾緊聯(lián)接比較可靠也比較穩(wěn)定，并且轉(zhuǎn)動方便。缺點是它的可靠性、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)動方便性都不是四種方案中最好的。4.4 旋轉(zhuǎn)臺方案四該方案旋轉(zhuǎn)臺的自鎖采用一種特殊的螺紋自鎖的方法。其三維造型圖見圖4.7。圖4.7旋轉(zhuǎn)臺方案四三維造型圖方案四的自鎖裝置是完全自行設(shè)計的。它不同于以上三種方案中的任意一種。它的結(jié)構(gòu)類似方案三，但卻不是用夾緊力來自鎖。它有螺紋聯(lián)接，卻又不同于常規(guī)的螺紋聯(lián)接。應(yīng)該說它是一種類似螺紋聯(lián)接的形鎖合自鎖裝置。圖4.8普通螺紋的基本牙型和基本尺寸28圖4.7中灰色零件和黃色螺桿配合的部分是螺紋牙型的平行槽，槽的截面尺

34、寸按照圖4.8設(shè)計。這部分也是方案四的創(chuàng)新之處。通過螺紋牙型的平行槽來模擬螺紋聯(lián)接，相當(dāng)于無數(shù)個螺紋聯(lián)接。另外螺紋牙型的平行槽的設(shè)計為了真正的模擬螺紋聯(lián)接，并不是隨意地加工幾條平行槽上去就可以的。以下將結(jié)合圖4.9說明平行槽設(shè)計的細(xì)節(jié)問題。圖4.9旋轉(zhuǎn)臺方案四CAD圖部分方案四螺紋聯(lián)接采用配合，那么相應(yīng)的平行槽之間的間距也為螺距。而且圖4.9中剖面圖的左右平行槽要相差半個螺距。原理上只要圖4.7中的黃色螺桿不松動，旋轉(zhuǎn)臺是絕對不會動的，而螺紋的放松時很容易的。而且方案四稍作改進(jìn)就能有壓緊力輔助自鎖，這使得方案四非?？煽亢头€(wěn)定。在旋轉(zhuǎn)地方便性上，它和方案三是一樣都很放便的，在這一點上明顯優(yōu)于方案

35、一和方案二。不足的是方案四是本文完全自行設(shè)計的，它的可行性停留在理論。它不像前幾種方案是鑒見相關(guān)參考資料及生活中的一些機械裝置設(shè)計出來的，是肯定可以實現(xiàn)的。方案四的可行性其實尚待實踐檢驗。第5章加載方案的設(shè)計本章介紹了四種加載方案的設(shè)計，并分析了其優(yōu)缺點。因為本文只研究機械加載的方法，所以本章的基本方法就是往6204滾動軸承外圈上套上不同的同心圓柱體。主要解決的問題是這些圓柱體如何快速又方便的連接。其實本課題的同心圓柱體零件的可拆卸快速聯(lián)接的方案設(shè)計了很多套。由于很多方案原理都類似，所以本文就不一一介紹了。從總體上，本章把這些加載方案分成整體式加載和分體式加載兩大類。5.1整體式加載方案整體式

36、加載顧名思義就是滾動軸承外圈上套的同心圓柱體如圖5.1所示是一體的。同心圓柱體的材料選用不銹鋼，它的密度為。圖5.1整體式同心圓柱體因為本課題要求所加載荷分別為、。按以上所選的同心圓柱體的材料和圖5.1所示的同心圓柱體的結(jié)構(gòu)形式，不算上連接件的重量，整體式加載同心圓柱體的外徑分別為、。整體式加載實際上要做的就是對同心圓柱體零件做軸向固定。另外需要注意的是無論是整體式加載還是分體式加載，連接件都要對稱布置以避免影響轉(zhuǎn)軸的動平衡。5.1.1整體式加載方案一該方案的軸向固定采用非常常見的螺紋連接的方法。其三維造型圖見圖5.2。圖5.2整體式加載方案一三維造型圖螺紋聯(lián)接是一種很常見又很可靠的聯(lián)接方法。

37、由于螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件，所以該方案實現(xiàn)起來很容易，是四種方案中最容易實現(xiàn)的方案。但相比而言該方案是四種方案中聯(lián)接最不快速的。5.1.2整體式加載方案二該方案的軸向固定采用擋片的方法。其三維造型圖見圖5.3。圖5.3整體式加載方案二三維造型圖該方案是在整體式加載方案一的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。它也有螺栓，但并不是用螺栓作軸向固定。它是用螺栓和圓柱體之間的藍(lán)色擋片作軸向固定的。這個改進(jìn)使得同心圓柱體零件的聯(lián)接可以更快速。而且該方案的可實現(xiàn)性也是比較好的。相比分體式加載在電機工作的時候，整體式更穩(wěn)定。5.2 分體式加載方案分體式加載顧名思義就是滾動軸承外圈上套的同心圓柱體如圖5.4所示是分開的。同心圓柱體選用的

38、材料與整體式加載相同。圖5.4分體式同心圓柱體整體式加載同心圓柱體的外徑分別為、，而相應(yīng)的分體式的同心圓柱體的外徑分別為、。整體式加載方案的尺寸顯然太大了，而這一點分體式就有明顯的優(yōu)勢。而且分體式同心圓柱體的軸向固定顯然比整體式要可靠。分體式加載方案要做的就是如何快速可靠地聯(lián)接分體式同心圓柱體的兩半部分。5.2.1分體式加載方案一該方案的同心圓柱體的兩半部分的聯(lián)接采用彈簧鋼片聯(lián)接的方法。其三維造型圖見圖5.5。圖5.5分體式加載方案一三維造型圖圖5.5中的黃色零件是由彈簧鋼片彎制而成，厚度為。加載時，黃色零件從軸向插入。而且圖5.6中彈簧鋼片與間的距離裝配前比裝配后小，從而會有一個壓緊力使彈簧

39、鋼片有軸向固定。圖5.6分體式加載方案一CAD圖部分5.2.2分體式加載方案二該方案的同心圓柱體的兩半部分的聯(lián)接采用一種快鎖聯(lián)接的方法。其三維造型圖見圖5.7。圖5.7分體式加載方案二三維造型圖圖5.7中的黃色零件是一種磁性材料。該方案就是快鎖聯(lián)接中利用磁性見對鋼鐵的磁性吸力作為鎖緊力的磁性力鎖緊快鎖。由于同心圓柱體的一半有的重量，為保險起見，該方案的磁鐵選用強力磁鐵。強力磁鐵也有很多種，比如釹鐵硼強力磁鐵、磁鋼、鐵氧體黑磁普通磁鐵和橡膠磁鐵等。本文是用磁鋼作為磁性材料以達(dá)到快鎖的目的。顯然該方案是四種方案中聯(lián)接最方便的一種。結(jié)論本文主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)軸端部加載方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究，主要成果及結(jié)論如

40、下：本課題研究可以進(jìn)行的思路有三條：分別是模擬加載技術(shù)、電磁加力器加載、機械加載。而本文只研究機械加載的方法，并從機械可拆卸快速聯(lián)接設(shè)計入手研究本課題。本文先是介紹了轉(zhuǎn)軸的強度計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛度校核及電機選擇。并最終給出了轉(zhuǎn)軸在未加載前的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，為軸端部加載方案與結(jié)構(gòu)的設(shè)計做了準(zhǔn)備工作。在以上準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)本課題的要求本文設(shè)計了轉(zhuǎn)軸端部加載系統(tǒng)的四套旋轉(zhuǎn)臺方案和四套加載方案并分析了優(yōu)缺點。旋轉(zhuǎn)臺方案設(shè)計的主要工作就是設(shè)計能讓旋轉(zhuǎn)臺在任意位置固定的自鎖裝置。加載方案設(shè)計的主要工作就是同心圓柱體如何快速又方便的聯(lián)接，并且可拆卸。其中旋轉(zhuǎn)臺方案四是完全自行設(shè)計的，可行性尚待實踐檢驗

41、。最后根據(jù)方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計畫出了全部的轉(zhuǎn)軸端部加載系統(tǒng)的四套旋轉(zhuǎn)臺方案和四套加載方案的CAD圖。本文進(jìn)一步研究的方向是：對各套方案進(jìn)行可靠性設(shè)計，并且對各方案的優(yōu)劣作深入的理論分析。當(dāng)然實踐檢驗真理，最好的方法還是通過試驗檢驗方案的好壞。參考文獻(xiàn)1 匿名. 試驗機EB/OL. /view/244368.htm, 2010-1-28 .2 李春明. 國外試驗機產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化的研究J. 試驗技術(shù)與試驗機,2008(2).3 李興林，李俊卿，張仰平等 ABLT系列軸承疲勞壽命強化試驗勢在必行J現(xiàn)代零部件，2006(4)4 李興林,張燕遼. 滾動軸承壽命試驗機及其試驗技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展J. 試驗技術(shù)與試驗機, 2007,47(3).5 李躍光,姬戰(zhàn)國. 國內(nèi)高頻疲勞試驗機的技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展J. 試驗技術(shù)與試驗機, 2006,46(1).6 張安峰,邢建東. 高溫氧化磨損試驗機的現(xiàn)狀與發(fā)展J. 化工機械,1998,25(2).