机械设计考题
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单元设计作业题及设计指导
作业一螺纹联接设计
任务书
题目：1．普通螺栓联接
用M16六角头螺栓(GB/T 5782-2000)联接两块厚度各为25mm的钢板，采用弹簧垫圈(GB/T93-1987)防松。
2．铰制孔用螺栓联接
用M16六角头铰制孔用螺栓(GB/T27-1988)联接两块厚度各为25mm的钢板。
3．双头螺柱联接
用M16双头螺柱(GB/T898-1988)联接厚25mm的钢板和一个很厚的铸铁零件。
4．螺钉联接
用M16六角头螺栓(GB/T 5782-2000)联接厚25mm的铸铁凸缘和另一个很厚的铸铁零件，螺栓头与铸铁凸缘间加装平垫圈(GB/T 97.1-1985)；
要求：
(1)按题中给出的条件查手册确定标准联接零件的尺寸；
(2)按1:1比例与制图规范画出上述各种螺纹联接结构图，图1为参考图。
图1
作业二 带传动和齿轮传动设计
一、任务书
题目：V 带传动和齿轮传动的设计(图2)
注：载荷平稳，单向运转，工作年限5年，每年250个
工作日，每日工作16小时。
2．工作量
(1)小带轮零件图一张或(和)大齿轮零件图一张；
(2)设计计算说明书一份，内容包括电动机的
选择，传动参数的计算，V 带传动的设计计算或(和)齿轮传动的设计计算。
二、设计指导 1．电动机的选择 电动机有各种类型，对于无特殊要求的机械装置，多选用Y 系列三相异步电动机。
Y 系列三相异步电动机有四种常用的同步转速，即
3000r/min 、1500r/min 、1000r/min 、750r/min 。
同一功率的电动机，转速高则重量轻，价格便宜，但传动装置的总传动比和总体尺寸将加大，一般多选用同步转速为1500r/min 和1000r/min 的电动机。
减速器的输出轴通过联轴器与工作机相联，因此工作机所需功率P w (kW)(略去联轴器效率的影响)为
P w =T n /9550
式中：T--减速器输出轴的转矩，N ²m ；
n--减速器输出轴的转速，r/min 。
电动机所需功率P 0为
P 0=P w /η
式中：η--电动机至工作机之间的传动总效率。
对于本作业的两级传动，η=η1η2。
其中η1为V 带传动的效率(包括一对轴承效率在内)，η2为齿轮传动的效率(包括一对轴承效率在内)。
其数值可参看机械设计手册或教材。
由于电动机的额定功率P m 应等于或略大于电动机所需功率P 0，因此选择电动机时通常取P m =(1～1.3)P 0。
2．各级传动比的分配 传动装置的总传动比为
i =n m /n w
式中：n m --电动机的满载转速，r/min ；
n w --电动机的转速，即减速器输出轴转速，r/min 。
本作业的传动装置为二级传动，总传动比i =i 1i 2。
其中i 1和i 2分别为V 带传动和齿轮传
1---V 带传动；2---减速器；3---输出轴； 4---电动机 图2 V 带传动和齿轮传动简图
动的传动比。
为了使传动装置尺寸较小，结构紧凑，应使i1<i2。
由于受到齿轮齿数、标准带轮直径等因素的影响，传动装置的实际传动比与所要求的传动比会略有差别。
通常机器总传动比的误差应限制在±3％～±5％范围内。
3．传动参数的计算
机器传动装置的传动参数指的是各轴的转速、功率和转矩。
对于本作业的二级传动系统，按电动机轴至工作机主轴的传动方向进行推算，各轴的转速为
n1 =n m/ i1
n2 =n m/( i1i2)
各轴的功率为
P1=P wη1
P2=P wη1η2
各轴的转矩(N²m)为
T1= 9550 P1/n1
T2= 9550 P2/n2
4．V带传动的设计计算
V带传动的设计计算、带轮结构尺寸的确定可参考教材和机械设计手册。
小带轮的孔径和轮毂部分尺寸应根据电动机的轴伸直径和长度确定，小带轮的半径应小于电动机的机座中心高。
图3是供参考的V带轮零件图。
图3 V带轮零件图
5．齿轮传动的设计计算
齿轮传动的设计计算、齿轮结构尺寸的确定可参考主教材和机械设计手册。
大齿轮的孔径是根据与其相配合的轴径来确定的，本作业将大齿轮的孔径定为d=60mm：图4是供参考的齿轮零件图。
图4 齿轮零件图
6．对零件图的要求
零件图是零件制造和检验的依据，工艺人员根据零件图制定工艺规程，检验人员按照零件图进行成品的检验和验收。
因此，一张完整的零件图应满足以下要求：
(1)清楚而正确地表达出零件各部分的结构形状；
(2)标出零件各部位的尺寸及其精度；
(3)标出零件各部位必要的形状位置公差；
(4)标出零件各表面的粗糙度；
(5)注明对零件的其它技术要求，例如圆角半径、倒角尺寸及传动件的主要参数等，对于齿轮还应列出其主要几何参数、精度等级及检验项目等；
(6)填写清楚零件图标题栏。
三、设计计算步骤
1．选择电动机，分配传动比，计算传动参数。
2．V带传动设计计算或(和)齿轮传动设计计算。
3．画小带轮零件图或(和)大齿轮零件图。
作业三轴系组件设计
一、任务书
题目1 斜齿圆柱齿轮传动输出轴的轴系组件设计(图5)
注：滚动轴承寿命为10000h，工作温度小于120℃，有轻微冲击。
图5 斜齿圆柱齿轮轴系结构
2．工作量
(1)输出轴的轴系组件装配图一张。
(2)设计计算说明书一份，主要内容包括：输出轴的设计计算，轴承类型选择和寿命计算，以及其它必要的计算。
题目2 圆锥齿轮传动输入轴的轴系组件设计(图6)
注：滚动轴承寿命为10 000h，工作温度小于120℃，有轻微冲击。
图6 圆锥齿轮轴系结构
2．工作量
(1)输入轴的轴系组件装配图一张。
(2)设计计算说明书一份，主要内容包括：输入轴的设计计算，轴承类型选择和寿命计算，以及其它必要的计算。
二、设计指导
1．轴和齿轮的结构
轴和齿轮的结构设计参考主教材中的有关章节。
对于小圆锥齿轮，当齿根圆与轴径接近时，可将齿轮与轴制成一体，但要注意齿轮轴的装拆问题。
轴承正装的小圆锥齿轮轴系结构如图7所示。
图a 是齿轮轴结构。
这种结构当齿轮外径比套杯孔大时，轴承和套筒是在套杯内进行安装，很不方便。
因此，如果用正装结构，只有当小圆锥齿轮外径比套杯孔小时，才能采用齿轮轴结构，这时可在套杯外先将轴承和套筒装在齿轮轴上后，一起装入套杯。
图b 是齿轮与轴分开的结构。
这种结构轴承安装方便。
轴承反装的小圆锥齿轮轴系结构由于装配和调整都比较麻烦，因此本作业要求采用正装结构。
2．滚动轴承的组合、固定和调整 对于斜齿圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动，轴上受到径向力和轴向力，
因此，需采用向心推力轴承，支承方式通常为两支承各单向固定结构。
滚动轴承支承的结构形式参考主教材。
滚动轴承的外圈以及轴系的轴向固定采用轴承端盖。
轴承端盖有凸缘式和嵌入式两种，本作业要求采用凸缘式端盖，其结构尺寸参考机械设计手册。
向心推力轴承是可调间隙轴承，在安装时，其间隙可通过在轴承端盖与箱体间加装调整垫片组进行调整(参看图5)。
调整垫片由多片厚度不同(例如0.1mm 、0.2mm 和0.5mm)的软钢(08F)片或黄铜片组成，使用时可根据需要组成合适的厚度。
为了保证圆锥齿轮的正确啮合，装配时两齿轮的锥顶必须重合，因此要调整大、小齿轮的轴向位置。
对于悬臂安装的小圆锥齿轮轴系，为了便于调整，
小圆锥齿轮轴通常放在套杯
图7 小圆锥齿轮轴系结构
里，在套杯凸缘端面与箱体之间，用加减调整垫片(参看图6)的办法来调整小圆锥齿轮的轴向位置。
3．滚动轴承的润滑和密封
减速器中的滚动轴承可以采用脂润滑，也可以采用油润滑，这与齿轮的圆周速度和箱体结构有关。
本作业要求采用脂润滑。
为了防止箱内的润滑油溅人轴承室而稀释或带走润滑脂，需在轴承室内侧加装封油环(图8)。
轴伸出端的密封是为了防止滚动轴承内的润滑油(脂)漏出或外界杂质侵入轴承室。
常用的密封形式如图9。
设计时可参考机械设计手册。
图8 封油环密封装置
a)毡圈密封 b)旋转轴唇形密封圈密封 c)油沟槽密封
图9 常用密封形式
三、设计步骤
1．根据设计的原始数据，计算作用在齿轮上的力。
2．按扭转强度条件初步估算轴径。
3．根据轴上零件的安装、定位和调整要求进行轴的结构设计。
4．画轴的受力分析图，进行轴的强度校核。
5．计算轴承所受的力，并验算轴承的寿命。
6．完成轴系组件装配图，标注主要尺寸和配合尺寸，引出零件号，填写标题栏和零件明细栏。
