六足機(jī)器人的設(shè)計【三維SW】
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軸的設(shè)計與校核
高速軸的計算。
(1)選擇軸的材料
選取45鋼,調(diào)制處理,參數(shù)如下:
硬度為HBS=220
抗拉強(qiáng)度極限σB=650MPa
屈服強(qiáng)度極限σs=360MPa
彎曲疲勞極限σ-1=270MPa
剪切疲勞極限τ-1=155MPa
許用彎應(yīng)力[σ-1]=60MPa
二初步估算軸的最小直徑
由前面的傳動裝置的參數(shù)可知= 323.6 r/min; =6.5184(KW);查表可取=115; 機(jī)械設(shè)計第八版370頁表15-3
=31.26mm
三.軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計
(1)擬定軸上零件的裝配方案
如圖(軸1),從左到右依次為軸承、軸承端蓋、小齒輪1、軸套、軸承、帶輪。
(2)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
1.軸的最小直徑顯然是安裝帶輪處的直徑,取=32 mm,為了保證軸端擋圈只壓在帶輪上而不壓在端面上,,故Ⅰ段的長度應(yīng)比帶輪的寬度略短一些,取帶輪的寬度為50 mm,現(xiàn)取。
帶輪的右端采用軸肩定位,軸肩的高度 ,取=2.5 mm,則=37 mm。
軸承端蓋的總寬度為20 mm,根據(jù)軸承端蓋的拆裝及便于對軸承添加潤滑脂的要求,取蓋端的外端面與帶輪的左端面間的距離=30 mm,故取=50 mm.
2.初步選責(zé)滾動軸承。因為軸主要受徑向力的作用,一般情況下不受軸向力的作用,故選用深溝球滾動軸承,由于軸=37 mm,故軸承的型號為6208,其尺寸為40mm,80mm, mm.所以==40mm,= =18mm
3.取做成齒輪處的軸段Ⅴ–Ⅵ的直徑=45mm,=64mm
取齒輪距箱體內(nèi)壁間距離a=10mm, 考慮到箱體的鑄造誤差,
4.在確定滾動軸承位置時,應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離s,
取s=4mm,則
s+a=4mm+10mm=14mm
=48mm
同理=s+a=14mm,=43 mm
至此,已經(jīng)初步確定了各軸段的長度和直徑
(3)軸上零件的軸向定位
齒輪,帶輪和軸的軸向定位均采用平鍵鏈接(詳細(xì)的選擇見后面的鍵的選擇過程)
(4)確定軸上的倒角和圓角尺寸
參考課本表15-2,取軸端倒角為1×45°,各軸肩處的圓角半徑 R=1.2mm
(四)計算過程
1.根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖,如圖,對于6208深溝球 滾軸承的,簡支梁的軸的支承跨距: L= = -2a= 18+14+64+14+18-2 9=120mm
=47+50+9=106mm,=55 mm, =65mm
2.作用在齒輪上的力
= =916.6N
333.6N
計算支反力
水平方向的ΣM=0,所以
,=458.3N
0, =541.6N
垂直方向的ΣM=0,有
0, =197N
0, =166.8N
計算彎矩
水平面的彎矩
= =29789.5
垂直面彎矩
10840
10840
合成彎矩
==31700
==31700
根據(jù)軸的計算簡圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖,可看出C為危險截面,現(xiàn)將計算出的截面C處的及M的值列于下表:
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
541.6N
458.3N
197N
166.8N
彎矩
=29789.5
10840
總彎矩
=31700
=31700
扭矩
T=195300
3.按彎扭合成應(yīng)力校核軸的硬度
進(jìn)行校核時,通常只校核軸上承受最大彎距和扭距的截面(即危險截面C)的強(qiáng)度。根據(jù)課本式15-5及上表中的值,并扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力,取α=0.6,軸的計算應(yīng)力
==13.51QMPa
已由前面查得許用彎應(yīng)力[σ-1]=60Mpa,因,故安全。
4.精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用,雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度,但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕地確定的,所以截面A,Ⅱ,Ⅲ,B均無需校核。
從應(yīng)力集中對軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看,截面和V和VI處的過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重;從受載的情況看,截面C上的應(yīng)力最大。截面VI的應(yīng)力集中的影響和截面V的相近,但截面VI不受扭距作用,同時軸徑也較大,故可不必作強(qiáng)度校核。截面C上雖然應(yīng)力最大,但應(yīng)力集中不大(過盈配合及槽引起的應(yīng)力集中均在兩端),而且這里軸的直徑最大,故截面C不必校核。因而只需校核截面V的左側(cè)即可,因為V的右側(cè)是個軸環(huán)直徑比較大,故可不必校核。
2)截面V左側(cè)
抗彎截面系數(shù):W=0.1d3=0.1×453=9112.5mm3
抗扭截面系數(shù):WT=0.2d3=0.2×453=18225mm3
截面V左側(cè)的彎矩為
13256.36
截面V上的扭矩為
=195300
截面上的彎曲應(yīng)力
=1.45Mpa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
=21.45Mpa
軸的材料為45號鋼,調(diào)質(zhì)處理,由表可查得=640 MPa, =155 MPa, =275Mpa
過盈配合處的的值,由課本附表3-8用插入法求出,并取
,=2.18
則0.8×2.18=1.744
軸按磨削加工,由課本附圖3-4查得表面質(zhì)量系數(shù)=0.92
故得綜合系數(shù)值為:
= ==2.267
= ==1.831
又由課本§3-1及§3-2得炭鋼得特性系數(shù)
=0.1~0.2 ,取 =0.1
=0.05~0.1 ,取 =0.05
所以軸在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為
=83.6
==7.68
7.652>>S=1.6
(因計算精度較低,材料不夠均勻,故選取s=1.6)
故該軸在截面V左側(cè)的強(qiáng)度也是足夠的。因無大的瞬時過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性,故可略去靜強(qiáng)度校核。
八.低速軸的計算
1.軸的材料選取
選取45鋼,調(diào)制處理,參數(shù)如下:
硬度為HBS=220
抗拉強(qiáng)度極限σB=650MPa
屈服強(qiáng)度極限σs=360MPa
彎曲疲勞極限σ-1=270MPa
剪切疲勞極限τ-1=155MPa
許用彎應(yīng)力[σ-1]=60MPa
2.初步估計軸的最小直徑
軸上的轉(zhuǎn)速 功率由以上機(jī)械裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計算部分可知
=47.7;=6.25 取=115
58.4
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑.為了使所選的軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng),故需要同時選取聯(lián)軸器型號。
聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩,查表14-1,考慮到轉(zhuǎn)矩變化小,故取.則
==1906800按照計算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件。查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0,選HL5型彈性套柱銷連軸器,半聯(lián)軸器孔的直徑,長度L=142mm,半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度。故取=60mm
3.擬定軸的裝配方案
4. 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。
(1)選取d=60mm, 。因I-II軸右端需要制出一個
定位軸肩,故取
(2)初選滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用,,故選用深溝球軸承,參照工作
要求, 由軸知其工作要求并根據(jù)dⅡ–Ⅲ=70mm,選取單列圓錐滾子軸承
33015型,由機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0查得軸承參數(shù):
軸承直徑:d=75mm ; 軸承寬度:B=31mm,D=115mm
所以,
(3)右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。取33215型軸承
的定位軸肩高度h=2mm,因此,取
(4)取做成齒輪處的軸段Ⅳ-Ⅴ的直徑=85mm;
齒輪的右端與右軸承之間采用套筒定位,齒輪的寬度為64
mm,取
(5)軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于
對軸承添加潤滑脂的要求,取端蓋的外端面與帶輪右端
面間的距離l =30mm, 故取
(6)因為低速軸要和高速軸相配合,其兩個齒輪應(yīng)該相重合,所以取=42mm.
=32 mm..
(7)軸上零件的周向定位。
齒輪、帶輪與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接(詳細(xì)選擇
過程見后面的鍵選擇)。
(8)確定軸上的圓角和倒角尺寸
參考課本表15-2,取軸端倒角為1×45°,各軸肩處的圓角半徑為R=1.2mm
參考課本表15-2,取軸端倒角為1×45°,各軸肩處的圓角半徑為R=1.2mm
4.計算過程
1.根據(jù)軸上的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。確定軸承的支點(diǎn)位置大致在軸承寬度中間。
故
因此作為簡支梁的支點(diǎn)跨距
計算支反力
作用在低速軸上的==6220N
=2263.8N
水平面方向 ΣMB=0,
故
=0,
垂直面方向 ΣMB=0,
故
ΣF=0,
2)計算彎距
水平面彎距
= =185295
垂直面彎矩
67457
67430
合成彎矩
==197190
==197190
根據(jù)軸的計算簡圖做出軸的彎距圖和扭距圖。可看出c截面為最危險截面,現(xiàn)將計算出的截面C處的及M的值列于下表3:
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
彎距M
總彎距
扭距T
T=1307.2 N·m
5.按彎扭合成應(yīng)力校核軸的硬度
進(jìn)行校核時,通常只校核軸上承受最大彎距和扭距的截面(即危險截面C)的強(qiáng)度。根據(jù)課本式15-5及上表中的值,并扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力,取α=0.6,軸的計算應(yīng)力
= MPa=13.166 MPa
已由前面查得許用彎應(yīng)力[σ-1]=60MPa,因<[σ-1],故安全。
6.精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
1)判斷危險截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用,雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度,但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕地確定的,所以截面A,Ⅱ,Ⅲ,B均無需校核。
從應(yīng)力集中對軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看,截面和IV和V處的過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重;從受載的情況看,截面C上的應(yīng)力最大。截面IV的應(yīng)力集中的影響和截面V的相近,但截面V不受扭距作用,同時軸徑也較大,故可不必作強(qiáng)度校核。截面C上雖然應(yīng)力最大,但應(yīng)力集中不大(過盈配合及槽引起的應(yīng)力集中均在兩端),而且這里軸的直徑最大,故截面C不必校核。因而只需校核截面IV的右側(cè)即可,因為IV的左側(cè)是個軸環(huán)直徑比較大,故可不必校核。
2)截面IV右側(cè)
抗彎截面系數(shù):W=0.1d3=0.1×853=61412.5mm3
抗扭截面系數(shù):WT=0.2d3=0.2×853=122825mm3
彎矩M及彎曲應(yīng)力為:
M=197190×=100112 N·mm
= = =1.63MPa
截面上的扭矩
截面上的扭轉(zhuǎn)切力:
===10.6Mpa
過盈配合處的的值,由課本附表3-8用插入法求出,并取
,=2.20
則0.8×2.20=1.76
軸按磨削加工,由課本附圖3-4查得表面質(zhì)量系數(shù)=0.92
故得綜合系數(shù)值為:
= ==2.29
= ==1.85
又由課本§3-1及§3-2得炭鋼得特性系數(shù)
=0.1~0.2 ,取 =0.1
=0.05~0.1 ,取 =0.05
所以軸在截面Ⅵ的右側(cè)的安全系數(shù)為
=103.30
=26.32
25.505>S=1.6
(因計算精度較低,材料不夠均勻,故選取s=1.6)
故該軸在截面Ⅳ右側(cè)的強(qiáng)度也是足夠的。因無大的瞬時過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性,故可略去靜強(qiáng)度校核。
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