毕业设计（论文）-四轴旋转弯曲疲劳试验机的设计.doc

本科毕业设计论文本科毕业设计论文题 目 四轴旋转弯曲疲劳试验机的设计 专业名称 航空宇航制造工程 学生姓名 指导教师 毕业时间 43设计论文毕业 任务书一、题目 四轴旋转弯曲疲劳试验机的设计二、研究背景及意义目前的弯曲疲劳试验机大多一次只能对单根试件进行疲劳试验。疲劳试验周期长，效率低，能量耗费大，试验成本较高。因此有必要研制能够对多个试件同时进行旋转弯曲或拉伸疲劳试验的多轴疲劳试验机。三、研究目标与内容目标：完成四轴旋转弯曲疲劳试验机各部分的原理设计及其图纸设计。内容：给定驱动形式下的四轴旋转弯曲疲劳试验机的执行机构与加载结构的结构设计。要求：需要有对结构强度等的校核，优化。需要有最终的加工图纸与装配图纸。四、进度安排第五周第六周：查阅相关资料；第六周第七周：翻译相关英文资料；第八周第十周：制定23套不同的方案的四轴旋转弯曲疲劳试验机的结构草图，并进行比较，选取一方案；第十一周第十四周：确定结构草图的动力与传动、加载机构、总体结构各基本尺寸、参数，并完成对各主要部分进行静强度和疲劳强度等校核；第十五周：绘制二维主要零件图纸及总体装配图纸，三维零件实体模型以及装配模型；第十六周第十七周：撰写论文；第十八周：论文答辩。五、参考资料机械设计机械设机新论电工速查速算手册solid works 2004使用指南中国航空材料手册目 录目 录1摘要1abstract2第一章 前 言31.1研究背景与意义31.1.1疲劳研究背景31.1.2疲劳试验机的研究意义41.2目前的疲劳研究方法41.3国内外研究现状与分析61.3.1国外的研究现状：61.3.2 国内的研究现状7第二章 设计目的、任务和各设计阶段任务的确定102.1设计目的102.2 设计任务确定102.2.1确定试验机总框架图102.3设计阶段确定11第三章设计装配图133.1轴的结构设计133.1.1轴的初步计算133.1.2轴的结构设计153.2支承结构设计163.2.1轴承的选择163.2.2.甩油环183.2.3.轴承座193.2.4.轴承盖193.2.5.支承结构的安装与拆卸203.2.6轴上支承零件位置的确定203.3轴的强度校核213.3.1轴的疲劳强度校核213.3.2轴的静强度验算243.3.3轴的刚度验算263.4夹持部分设计293.4.1试件的标准293.4.2结构设计303.5加载部分设计31第四章绘制装配图334.1概述334.2装配图的尺寸、技术要求及零件明细表334.2.1配合尺寸的选择344.2.2技术要求354.2.3零件编号364.2.4编写零件明细表、标题栏364.2.5检查装配图36第五章绘制零件工作图375.1 概述375.2轴的零件工作图37总结与展望39致谢41参考文献42摘要本文简述了国内外在旋转弯曲疲劳试验机研制领域的发展现状，论述了我国设计并拥有高精度、高效率旋转弯曲疲劳试验机的必要性，并对一个自行研制的四轴旋转弯曲疲劳试验机的设计过程和功能进行了详细地介绍。本文设计的疲劳试验机，主要用于圆柱形试件的疲劳试验，特点是可同时对四根试件进行试验，以数字显示疲劳循环次数，试件断裂后自动停机，操作方便可靠，为研究材料的疲劳断裂提供了重要的工具与手段。作者重点论述了试验机传动、夹持、加载部分的结构设计，主轴和轴承的强度校核，并且利用auto cad画图软件提供了整个疲劳试验机的装配图，为进一步了解疲劳试验机提供了途径。关键字 弯曲疲劳试验机；结构设计；强度校核；公差配合；装配图。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。 第一章 前 言1.1研究背景与意义1.1.1疲劳研究背景疲劳（fatigue）这个词起源于拉丁文的“fatigue”一词，意思是“疲倦”。虽然通常它指人们的身心疲劳，但也成为工程词汇表中被广泛接受的术语，用以表达材料在循环载荷的作用下的损伤和破坏。国际标准化组织（iso）在1964年发表的报告金属疲劳实验的一般原理中给疲劳下了一个描述性的定义。这份报告把疲劳定义成一个专门术语：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。这一描述也普遍适用于非金属材料。疲劳破坏以许多不同的形式出现，它包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳，循环载荷和高温联合作用引起的蠕变疲劳；循环受载部件的温度也变动时引入的热机械疲劳（即热疲劳和机械疲劳的组合）；在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳；载荷的反复作用与材料之间的滑动和滚动接触相结合分别产生的滑动接触疲劳和滚动接触疲劳；脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的微动疲劳。机器和结构部件的失效大多数是由于发生上述某一种疲劳过程造成的。引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的安全载荷。疲劳是一个包含许多学科的研究分枝，它可以为基础研究和工业研究大量地提供多种多样的现象。从已发表的报告看，关于材料疲劳的研究可追溯到19世纪上半叶。从那时起，为阐明各种金属和非金属、脆性材料和延性材料，以及单一材料和复合材料的疲劳，有众多科学家和工程师做出了开拓性贡献。材料疲劳作为材料学科的一个分枝，它为科学研究提供了广阔多样的复杂机理性过程。在这一研究领域里，有意义的观察尺度范围跨越亚微观（甚至原子）水平到几十或几百米的构件尺度。疲劳破坏牵连到人类生活的许多方面。每当有灾难性事故，例如造成人员伤亡的飞机失事公布于众时，疲劳破坏的后果变得最为显而易见。第二次世界大战过后，随着英国和欧洲大陆经济的恢复，空中远程旅行的生意迅速增长，为了适应这种需求，英国德.维兰飞机公司设计和制造了彗星号喷气飞机，而彗星号客舱结构的疲劳破坏导致了50年代几起飞机失事，沉重打击了英国在民用喷气飞机工业中起到的杰出作用。民用喷气飞机彗星号的一系列失事清楚地表明了疲劳裂纹扩展对飞机的结构机械完整性的重要影响。也引起了全世界范围内对于金属疲劳断裂的不断研究。1.1.2疲劳试验机的研究意义在我国航空发动机以往所发生的各类重大机械断裂失效事件中，转动部件的断裂失效率高达80%以上，其中主要是转子系统中的叶片、盘、轴及轴承的断裂失效。在它们的疲劳失效分析中，发现弯曲应力起了一定的破坏作用。比如，飞机发动机结构中非常重要的承力构件轴，它的疲劳失效形式主要就是弯曲疲劳、扭转疲劳以及轴向疲劳。而且弯曲疲劳也是大部分机械系统中，最普遍的一种疲劳失效形式。因此，有必要进行零部件和材料的弯曲疲劳特性研究，用以提高设计的可靠性。而旋转弯曲疲劳试验机可以测出材料在一定应力状态下的疲劳寿命，绘出材料疲劳的s-n曲线，是研究材料疲劳断裂的最重要的工具与手段。目前，国产的旋转弯曲疲劳试验机主要有pqq型，它们普遍存在试验精度低和试验效率低的缺点。而国外的一些弯曲疲劳试验机价格又很昂贵，维修也不方便。因此研制一台弯曲疲劳试验机，使其具有较高的精度，可以满足工厂要求，又具有较高的效率，是很具有现实意义的。1.2目前的疲劳研究方法参见gb4337-84金属旋转弯曲疲劳试验方法所述：1.试验原理：试验适用于1535空气条件下，测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能。试样旋转并承受一定弯矩，产生弯矩的力f恒定不变且不转动。试样可装成悬臂，在一点或两点加力；或装成横梁，在四点加力。试验一直进行到试样失效或者超过预定循环次数。（失效试件出现肉眼可见的疲劳裂纹或完全断裂。在特殊应用中，可用试样的塑性变形或裂纹扩展速率确定试验的终止。）2.术语和定义疲劳材料在交变应力或应变作用下，产生局部累积损伤，经一定循环数而失效。 疲劳寿命n在规定的应力应变作用下，材料失效前所经受的循环次数。 s-n曲线图应力与疲劳寿命的关系曲线图形。如图1-1。 应力比r最小应力与最大应力的比值，即min/max。 条件疲劳极限r/(n)对应于规定循环次数的中值疲劳强度。 疲劳极限当n无穷大时的中值疲劳强度。 理论应力集中系数kt根据弹性理论计算的应力集中区最大应力与该区标称应力的比值。 存活率疲劳寿命高于规定值的百分比。 图1-1.对称应力循环 试验过程：1)将试样装入试验机，牢固夹紧，并使其与试验机主轴保持良好的同轴。当用手慢慢转动试验机主轴时，用百分表在纯弯曲试验机的主轴上或在悬臂弯曲试验机中试样自由端上测得的径向跳动量均应不大于0.03mm。启动试验机后，空载正常运转时，在主轴筒加力部位测得的径向跳动量应不大于0.06mm。加力前，必须检定上述值，使之符合要求。装试样时切忌接触试样实验部分。2)获得试验速度 开动试验机，使速度达到规定值。 推荐试验速度范围为90010000rpm。同一批试验的试验速度应相同。3)以递增的方式，平稳而无冲击地加到规定值。4)终止试验试验一直进行到试样失效或达到规定的循环次数时终止，试验原则上不能中断。试样失效如果发生在最大应力部位之外、或断口有明显缺陷、或中途停试产生异常数据，则试验结果无效。 5)测定试件的条件疲劳极限、s-n曲线等。 试验结果可以用两种方法表示：列表法和图示法。1.3国内外研究现状与分析1.3.1国外的研究现状：相对于国内来说，国外一些发达国家的旋转弯曲疲劳试验，无论从精度还是从效率方面，都比国内的要先进，而且型号也多一些。图1.2是日本生产的四连式旋转弯曲疲劳试验机，主轴转速为3150r/min,可同时对4个试件（标准件）进行试验，试件的夹持方式是悬臂式，它的效率已有了提高。它的特点是：数字显示疲劳次数、试件断裂后自动停机、高度的自控和检测、并可对金属和塑料两种材料的试件进行试验。图1.2 四连式超长寿命旋转弯曲疲劳试验机1.3.2 国内的研究现状目前，国内主要生产三种型号的旋转弯曲疲劳试验机。 1)pqq型疲劳试验机。加载方式为横梁式。他它们的使用性能基本相同，一次只能对一个试样进行试验，效率较低。图1.3是天水红山试验机厂生产的pq1-6型纯弯曲疲劳试验机。该机用于对黑色金属及其合金材料在室温条件下进行纯弯曲疲劳试验。手轮加载，操作方便,试件断裂后，自动停机。主要技术参数：1、电动机转速：1420/2750 r/min。2、试样转速：500010000r/min。3、载荷产生的弯矩：660nm。4、弯矩相对误差：1%。图1.4为宁夏青山试验机厂生产的 pqq-60型纯弯曲疲劳试验机，该机采用无级变频调速装置，速度平稳噪音小，数字显示疲劳次数，主要用于测定金属材料在对称反复交变的弯曲应力作用下的弯曲疲劳极限。 主要技术参数：1、最大弯矩 60nmm。 2、试样转速：900-10000r/min。 3、左右主轴同轴度：0.02mm。 4、主轴箱温升 30。 5、计数器容量：1108。图1.5为宁夏青山试验机厂生产的 pq-6型纯弯曲疲劳试验机，该机采用无级变频调速装置，速度平稳噪音小，数字显示疲劳次数，主要用于测定金属材料在对称反复交变的弯曲应力作用下的弯曲疲劳极限。主要技术参数：1、最大弯矩 60nmm。 2、试样转速：3000r/min。 3、左右主轴同轴度：0.02mm。 4、主轴箱温升 30。 5、计数器容量：1107。 图1.3 pq1-6型纯弯曲疲劳试验机 图1.4 pqq-60型纯弯曲疲劳试验机图1.5 pq-6纯弯曲疲劳试验机2) 图1.6为轻合金车轮专用的旋转弯曲疲劳试验机，主要用来完成对摩托车的轻合金车轮的旋转弯曲疲劳试验及检测。它采用微机控制，电子测量，无级调节试验转速，能够快速有效装夹试件。最大试验弯矩700nm,试验最大转速800r/min。效率偏低，但精度很高，试验结果可靠。国内还有一些专用的弯曲疲劳试验机，它们都是很切实有效的。 图1.6 pqw-700型微机控制轻合金车轮旋转弯曲疲劳试验机3) 对于pqu型疲劳试验机,目前国内还没有成品。可以看到，目前国内外的弯曲疲劳试验机同万能试验机相比还不是很先进，试件在疲劳过程中，弯曲程度无法测量，而且也不能进行应变控制的弯曲疲劳试验。第二章 设计目的、任务和各设计阶段任务的确定2.1设计目的本次毕业设计的目的是：1)通过拟订传动方案、结构方案和使用条件（如选用材料，考虑制造及装配工艺、润滑等），完成机器部件的设计，并全面考虑设计内容和过程，熟悉和运用设计资料（国标gb4337_84、技术条件zbn71006-87），完成满足要求的四轴旋转疲劳试验机设计。2)运用基本的设计理论知识和实际设计技能，培养独立的机械设计能力，加强对auto cad, solidworks等软件的运用能力。2.2 设计任务确定研究工作的任务是：查阅相关的机械设计资料，认真分析其结构组成及所实现的功能，借鉴国内外已有的研究成果，结合现代的高新技术，创新性的设计机器的组成结构，设计一台符合国标gb4337_84和技术条件zbn71006-87要求的旋转弯曲疲劳试验机。该机应符合：速度平稳噪音小，用于对金属及其合金材料在室温条件下进行纯弯曲疲劳试验，主要测定金属材料在对称反复交变的弯曲应力作用下的弯曲疲劳极限。可同时对4个试件（标准件）进行试验，试件的夹持方式是悬臂式，可快速有效装夹试件。数字显示疲劳次数、试件断裂后自动停机，操作方便。2.2.1确定试验机总框架图参照日本生产的四连式旋转弯曲疲劳试验机，初步确定本疲劳试验机的总体结构框架如图2-1： 1电动机 2皮带 3皮带轮 4试件（4） 5轴（2根） 6砝码图2-1.试验机总体框架系统技术难点分析：1.试件与转轴的连接试件与轴的连接要满足下列条件：试件与轴之间不能相对滑动，要确保试件与轴之间的同心度，要便于安装，要保证轴的寿命和刚度。2.自动停车当试件断裂以后，如果试验机还在运转，不仅浪费电力资源，而且还可能发生意外事故。为确保安全，如何控制试验机的自动停车，尤为重要。3.砝码的加载和卸载砝码的加载应趋于自动化，而且当试件断裂后，砝码可以自动卸载。4.加载装置砝码加载前，中间件要确保试件装夹后与轴同轴，加载后，要确保试样所受的力的作用线垂直向下，且位于轴的纵剖面内。 2.3设计阶段确定由于本设计是由作者和夏哲同学联合完成，在设计过程中分别有不同的任务与分工，现特注明设计任务中，加粗部分为作者完成的工作。设计阶段 设 计 内 容准备工作1.研究设计题目，方案拟订。 2.必要的机械设计知识。3.学习autocad,solidworks.运动参数计算1.分析确定传动方案。2.计算传动机构总功率，选择电动机。3.确定传动比，计算轴的转速、功率。传动机构 设计1.设计带传动。2.夹持部分设计。3.加载部分设计。4.主轴结构设计。5.支承结构设计。6.制动和保险。7.计数部分设计。8.箱体设计。绘制装配图1.检查轴结构、支承结构、箱缘尺寸。2.画出装配图。3.编排零件号，标注外廓尺寸、配合尺寸。4.填写零件明细表。绘制三维 图1.绘制三维零件图，进行预装配。2.确定配合，进行装配绘制零件图1.绘制有关重要配合的零件图。2.确定零件的外形误差。3.确定形位误差和粗糙度总结与整理1.编写毕业论文。2.准备答辩。第三章设计装配图机器（部件）的装配图是表达设计者设计机器总体结构意图的图样，也是制造、装配机器及绘制零件工作图的技术依据。因此，绘制装配图是机器设计过程中的重要环节，必须综合考虑强度、刚度、加工、装拆、调整和密封等多方面的要求。机器（部件）的装配图的设计及绘制过程比较复杂，因此必须先作装配草图设计，然后再经过讨论修改，最后加深或重新绘成正式的装配图。装配草图设计包括计算、结构设计、制图等内容，而且计算与制图常需交叉进行。其基本任务为： 1）确定各零件的结构尺寸，以及它们在机器的相互位置关系。 2）得出校核零件强度（刚度）所需的尺寸及数据。 3.1轴的结构设计轴设计的特点是：在轴系零、部件的具体结构未确定之前，轴上力的作用点和支点之间的跨距无法精确确定，故弯矩大小和分布情况不能得出，因此，在轴的设计中，必须把轴的强度计算和轴系零、部件的结构设计交错进行，边画图、边计算、边修改。轴的设计程序是：1）根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案；2）选择轴的合适材料；3）初步估计轴的直径；4）进行轴系零、部件的结构设计；5）进行强度、刚度计算；6）根据计算结果修改设计。3.1.1轴的初步计算轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求选用。轴的常用材料是35、45、50优质碳素结构钢，最常用的是45号钢。除非有特殊要求的轴，会采用合金钢。选择轴的材料为45号钢，经调质处理，由表（轴的常用材料及其主要力学性能）查得材料力学性能数据为： =650 mpa =360 mpa =270 mpa=155 mpae=2.15105mpa根据经验公式初步计算轴径：由于材料为45号钢，选取a=115。轴端需要夹持直径为12mm的试件，那么，安全的方法是，按照空心轴的经验公式来计算，则得： 其中：d：计算剖面处轴的直径（mm）。p：轴传递的额定功率（kw）。n：轴的转速（r/min）。：轴的许用转应力（mpa）。见机械设计手册表19.3-2。a：按定的系数，见机械设计手册表19.3-2。v：空心圆轴的内径d0与外径d的比值。 v=，数值见机械设计手册图19.3-1。故选轴的最小直径为30mm。3.1.2轴的结构设计根据运动简图确定的主要零件的布置图和轴的初步估算定出的轴径，进行轴的结构设计。轴上主要零件的布置为：轴承小带轮轴承。1.轴上的零件轴向定位1键槽 2轴肩 3轴承盖 4轴承. 5甩油环 6小带轮 7甩油环 8轴承 9圆螺母 10轴承盖 图3-1.轴上零件的装配方案由于整个结构的设计，主轴要从一侧装入，所以轴要从右到左直径递减，而且在两个轴承之间轴的直径要相同。两端轴承用同一个尺寸，以便于购买、加工、安装和维修。轴肩：定位简单可靠，不需附加零件，能承受较大轴向力，广泛应用于轴上零件的固定。圆螺母：定位可靠，可承受较大的轴向力，能实现轴上零件的间隙调整。常用于轴上零件之间，也可以用于轴端。平键：结构简单，在轴上加工键槽，则带轮可以靠平键在轴上定位。轴上零件的装配方案设计如图3-1。2.轴上零件的周向定位带轮与轴的周向定位采用过盈配合。根据设计手册，并考虑便于加工，取键槽适用的键的规格为剖面尺寸bh=66。配合选用h7/k6。滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，主轴与轴承的配合为h7/k6。（配合选用原则和过程将在4.2.1配合尺寸的选择中具体讲述）。为了保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角不应过大，轴肩处的过渡圆角应小于轴承的圆角，最后决定取r1。3.考虑轴的结构工艺性1）考虑轴的结构工艺性，在轴的左端与右端均制成145倒角。2）为了保证轴向定位零件压紧于轴上的零件，装零件的轴段长度应较轴承套圈宽度短2-3mm。3.2支承结构设计3.2.1轴承的选择1.轴承型号的选择。选择滚动轴承的类型与多种因素有关，通常根据下列几个主要因素，并参考滚动轴承的性能比较综合考虑。1）允许空间；2）载荷大小和方向；3）轴承工作转速；4）旋转精度，一般机械可以用g级公差轴承；5）轴承的刚度；6）轴向游动，一般是一端固定，一端游动；7）安装与拆卸。在本设计中， 选用单列角接触球轴承。是考虑到角接触轴承可以承受径向载荷与轴向载荷的联合载荷；能限制轴的单向轴向移动。角接触轴承在承受径向力的同时会产生轴向力，必须施加反向轴向力，因此一般应该成对使用。按额定动载荷选择轴承：根据机械设计手册（2004）表6-2-12，初步确定轴承使用寿命为10000h。则轴承基本额定动载荷可以按机械设计手册式6-2-1进行粗略计算： 式中：c基本额定动载荷计算值，n；p当量动载荷，按式6-2-2计算，n；fh寿命因数，按表6-2-8选取；fn速度因数，按表6-2-9选取；fm力矩载荷因数，取fm=1.5；fd冲击载荷因数，按表6-2-10选取；ft温度因数，按表6-2-11选取；cr轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，n。 其中：=fr=4.97kn。 fh=1.26； fn=1.494； fm=1.5； fd=1； ft =1； 查机械设计手册表6-2-61，选取7007c型号，cr=19.5.ccr，能满足要求。2.轴承的游动和调整。设计轴承的支承结构时，正确的选择轴承后，还要确保轴承的轴向定位及周向定位，便于装拆、调整，有良好的润滑与密封。作轴的结构设计时，已经对滚动轴承的周向及轴向定位做了合理的设计，但轴系零件安装时，也应该使轴具有确定的轴向位置。通常是用轴承盖来确定轴及轴承的轴向位置。但是，轴在工作中由于升温，有较大的热胀量，因此，轴承应该随轴游动，否则轴承就要被卡死。若轴上左边的轴承已经轴向固定，则右边的轴承就应该有沿轴向游动的可能。及右边的轴承盖与轴承间应具有适当的间隙，约取0.20.3mm。如图3-7。用凸缘式轴承盖对轴承作轴向定位时，由于这类轴承的轴向游隙要装配来调整，因此应在轴承盖凸缘与轴承座孔端面的接缝面之间装有薄的紫铜调整垫片。装配时，借增减调整垫片的厚度以调整这类轴承的轴向游隙，使达到规定的数值。因此轴的热胀量亦在调整轴向游隙时一并考虑。图3-7.轴承的支承设计3.2.2.甩油环用油润滑的轴承，为了在启动机器时轴承内有适量的润滑油，会采用甩油环。但甩油环的挡油高度不应该超过轴承最低滚动体的中心。如图3-8.甩油环。图3-8.甩油环3.2.3.轴承座此疲劳试验机最好结构简单。而整体式的轴承座结构简单，重量轻，外形也比较整齐，但是轴系的装拆和调整也不如剖分式的箱体方便。本设计中，轴承座的厚度不是很大，左侧设置一个大的端盖。另一端的孔直径应该和甩油环的直径相等，作用是保持整体的密封性。为了制造简单、节省成本，由于轴承座上要安装轴承盖的部分精度比较高，则安装面要相对于中间部分较高，使得中间部分加工简单、节省一些。轴承座的设计图如3-9。 图3-9.轴承座的结构示图3.2.4.轴承盖轴承盖的材料一般为铸铁ht150。轴承盖的作用是固定轴承、承受轴向载荷、密封轴承座孔、调整轴承位置和轴承间隙。为了防止当轴承盖螺钉拧紧时，轴承盖产生歪斜，必须有足够的配合长度。本设计中，取配合长度10mm 。在轴承盖端部有车一段圆环，从而在轴承座与轴承盖之间形成一环状间隙，润滑油通过此环状间隙，再由缺口流入轴承室进行润滑。3.2.5.支承结构的安装与拆卸1.由于轴承座的设计为整体式，所以轴系要从右侧装入。安装的过程为：1）从轴左端装入轴承，轴承右侧紧靠在轴肩。2）从轴左端装入甩油环1，甩油环右侧紧靠轴承。3）把轴系从右到左装入轴承座孔。4）从轴左端装入大带轮，用紧定螺钉固定。5）从轴左端装入甩油环2，甩油环右侧紧靠带轮。6）把轴系从右到左装入轴承座孔。7）拧入用于轴向定位的圆螺母。8）顺次安装左侧与右侧的轴承盖。2.拆卸就是将以上过程逆向执行即可。3.2.6轴上支承零件位置的确定轴径：从左到右取3032-3540-30轴长：取决于轴上零件的宽度及它们的相对位置。确定轴上零件的位置过程：1）选用角接触球轴承（gb/t292-94）7007c型号的轴承，其宽度为14mm。2）考虑到造价和材料的问题，螺母的宽度取10mm。带轮的宽度为已定的宽度，为58 mm。3）取带轮到轴承的距离为13 mm，中间用甩油环轴向固定，则甩油环的宽度等于13 mm。 4）轴肩的宽度不宜太大，取5 mm。5）由于两边的结构不同，则轴承盖的宽度分别取14 mm和6 mm。6）由于轴的两端需要夹持试件，考虑到两边长度要大致相等，则左边轴长37mm，而右边的轴长为45mm。确定轴上零件的位置如图3-2。根据轴上零件的位置关系，确定各段轴长。 轴的各段轴径和轴长如图3-3。 图3-2. 轴上支承零件位置示图 图3-3.各段轴径和轴长示图3.3轴的强度校核3.3.1轴的疲劳强度校核本方法的目的是校核轴对疲劳破坏的抵抗能力，即校核轴危险截面的疲劳强度安全系数s。轴的疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大载荷来计算的。1.轴上受力分析转矩：t=9.55103p/n=9.551031.1/（30004）=0.87 n.m。径向力：即皮带作用力。f=7.94kn。 轴向力：约等于0。加载部分受力50n，垂直平面内弯矩5n.m，可以忽略。2.求支反力（图3-4.a）在皮带作用力的平面内： f1+f2=f f1=4.7kn =0 f1|ab|=f2|bc| f2=3.24kn3作弯矩图与转矩图 图3-4.轴的载荷分布图1）带轮的作用力在其平面内的弯矩图：（图3-4.b）mab=f1ambc=f10.4-fb作用力在平面内的最大弯矩：mb=f10.4=187.92n.m2）作弯矩图：（图3-4.c） t=0.87 n.m4.确定危险截面。皮带轮作用力的作用点b处截面为危险截面。 mb=187.92n.m； tb=1.74 n.m。计算b截面的安全系数： = = 2.98s=1.51.8.式中：材料的弯曲疲劳极限，n/mm2，可以按照机械设计手册表6-1-1来选取，=270mpa。m、t轴在计算截面上所受的弯矩和扭矩，n/m。mb=43.83mpa； tb=0.1mpa z、zp轴在计算截面上的抗弯和抗扭截面模数，cm3，其计算公式及计算值见表6-1-2426。 cm3； zp =8.57510-6 cm3 s疲劳强度的许用安全系数，见表6-1-23。s=1.51.8 弯曲和扭转时平均应力折合为应力幅的等效系数。 从标准试件的疲劳极限到零件的疲劳极限的换算系数，见表6-1-27。安全系数大于许用值，故轴的疲劳强度足够。3.3.2轴的静强度验算1.作弯矩和扭矩图如3-5。图3-5. 轴的载荷分布图2.确定危险截面。 皮带轮作用力的作用点b处截面为危险截面。 mb=187.92 n.m； tb=1.74 n.m。3.安全系数校核计算： 弯曲应力幅为： =43.83 mpa式中，w抗弯断面系数 w=0.1d3=4.2875cm3.由于是对称循环弯曲应力，故平均应力=0根据式（机械设计手册19.3-2） = =1.745式中：-45号钢弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由机械设计手册表19.1-1查得=270mpa； -正应力有效应力集中系数，由机械设计手册表19.3-6查得=2.62； -表面质量系数，轴经过车削加工，按机械设计手册表19.3-8查得=0.92； -尺寸系数，由机械设计手册表19.3-11查得=0.81。切应力幅为： =0.05mpa wp抗扭断面系数。wp=8.575 cm3.根据式（19.3-3） = =564式中：-45号钢扭转疲劳极限，由机械设计手册表19.1-1查得=155mpa； -切应力有效应力集中系数，由机械设计手册表19.3-6查得=1.89； -表面质量系数，轴经过车削加工，按机械设计手册表19.3-8查得=0.92； -尺寸系数，由机械设计手册表19.3-11查得=0.81 -平均应力折算系数。由机械设计手册表19.2-13查得，=0.21。轴b截面的安全系数由式（19.3-1）确定： =1.68由表19.3-5可知，s=1.32.5 故，ss，该截面是安全的。3.3.3轴的刚度验算轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的范围，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会破坏机器的工作性能。因此，在设计重要的轴的时候，必须检查轴的变形量，这在轴的设计中称为刚度计算。刚度计算包括扭转刚度计算和弯曲刚度计算两种。本节中将用后一种方法，即计算挠度y和截面转角来校核轴的刚度。1. 根据轴径和载荷的不同，划分四个部分（如图3-6.a），轴径分别为35-35-32-35。2.根据受力情况求出支反力之后，画出弯矩图如3-6.b。在截面b处加f=1，画出弯矩m/图。如3-6.c。在支承处加弯矩m=1，画出弯矩m/图。如3-6.d。 图3-6.轴的载荷分布图3计算合成挠度。根据机械设计手册表19.4-3得出： yn1+ yn2 +yn3 +yn4=+=0. 1008mm4.计算偏转角根据机械设计手册表19.4-3得出： =0.0017rad5.许用变形值的计算根据轴的变形许用值表19.4-1规定，安装带轮的许用值为：0.025rady （0.0030.005）l = 0.672mm计算以后，b；yby.所以，实际变形均小于许用值，完全满足要求。3.4夹持部分设计3.4.1试件的标准1.试件形状gb4337-84金属旋转弯曲疲劳试验方法中明确规定如下：试件形状可以为圆柱形、圆锥形、漏斗形，其试验截面均为圆形。试验部分形状应根据所用试验机的加力方式设计；夹持部分形状应根据所用试验机的夹持方式设计。夹持部分截面与试验部分截面面积之比宜大于1.5；如果为螺纹夹持，比值应不小于3。在可能情况下，上述比值宜取大些。2.试样尺寸同一批疲劳试验所使用的试样应具有相同直径d，其偏差为。试样实际最小直径的测量精度应不低于0.01mm。测量直径时，切忌损伤试样表面。试验部分与夹持部分的同轴度应不大于0.01mm。推荐光滑圆柱形标准试样。其试验部分直径为6、7.5、9.5mm。d的偏差为；其夹持之间的距离l为40mm。2. 试样制备取样部位、取向和方法应按有关标准。根据hb5152-96，查得试件尺寸规格如图3-10。 图3-10.试件尺寸标准所采用的机械加工在试样表面产生的残余应力和加工硬化应该尽可能小，所得表面质量应该尽可能均匀一致。采用磨削来进行较硬金属试样的精加工，磨削时需提供足够的冷却液，确保试样表面不过热。试样精加工之前进行热处理，应防止变形或表面层变质。不允许对试件进行矫直。试样表面的最后精加工，推荐采用水磨砂纸或纱布沿试样纵向进行机械抛光。表面精加工后，光滑试件试验部分的表面光洁度应力求达到10。已经制备好的试样如果需要贮存一段时间后再作试验，则应该妥善保存，确保贮存期间不变形而且表面完好无损。试验前，应该用适当的方法检查试样，其表面如果有锈蚀或伤痕，应该重新进行表面精加工以消除。3.4.2结构设计1.主要目的：连接主轴和试件。2.设计分析：主轴向试件传递的转矩很小，所传递的转矩如夏哲同学电动机的选择一节中计算的t2（载荷引起的阻力矩），大约为0.1n.m。那么，与车床、钻床、镗床等不同，主轴向试件传递的转矩较小，所以不需要使用通用的三爪、四爪夹具。只要简单可靠，保证转动精度和同轴度即可。在主轴和试件的连接中，必须保证试件的完整性。排除了用键连接和销钉连接的可能性，而且分析其传递的扭矩并不大，所以应该选取简单可靠、装拆方便的方法。综上，选用紧定螺钉连接，其特点就是结构简单。3.轴向定位：试件的长度是标准的，根据hb5152-96查得试件的长度为100，可夹持的长度为30。那么，在主轴上加工长度为30，直径为12的孔。而且设置两个紧定螺钉，其轴向位置如图3-11所示。4.周向定位：为了装拆方便，试件和主轴孔之间应该取间隙配合。根据hb5152-96查得试件的尺寸为，现取主轴孔为f7，即。再用紧定螺钉保证周向定位。在试件装夹前，可以把试件和紧定螺钉接触的部分稍微打磨，使得安装方便快捷。1试件 2紧定螺钉 3主轴图3-11.夹持结构设计3.5加载部分设计1.设计目的：1）把载荷（1kg、3kg、5kg）垂直加载到试件上；2）保证加载后产生的弯矩始终不变，即保证加载位置固定。3）试件疲劳断裂后，加载部分不能影响试验机工作。2.设计分析：1）要使得载荷可以垂直的加载到试件上，那么必须使用一个轴承，使得试件的旋转不影响到载荷的方向；2）要使得加载位置不变，那么就必须保证加载装置各零件的轴向位置；3）在底座上加一个定位架，加载壳体通过定位柱和定位架配合。试件疲劳断裂后，试件断裂部分和加载装置会掉在定位架上，不会影响主轴的转动。考虑到试件端部在加载过程中会有一定的变形，把定位架上的定位孔做成矩形孔。3.轴向定位：轴套在试件上的轴向定位是依靠紧定螺钉实现的；轴承左边紧压轴套定位；加载壳体的轴向定位是依靠紧压轴承实现的。为了保证加载位置，轴套与轴承的接触面、轴承与加载壳体的接触面精度要求要高一些。载荷通过穿过加载壳体下部小孔的钢丝绳加载。4.周向固定：试件和轴套之间为过渡配合，现取轴套内孔为f7，再用紧定螺钉保证周向定位。轴套和轴承的配合h7/k6，轴承和加载壳体的配合为js7/h6。（配合选用原则和过程将在4.2.1配合尺寸的选择中具体讲述）。设计结构图如图3-12。 1加载壳体 2.定位柱 3. 钢丝绳 4.轴承 5.轴套 6定位孔 7.定位架图3-12.加载部分结构图1）选取不可分离型角接触轴承36000型（gb292-83），查得轴承的宽度为7mm。2）为了安装紧定螺钉，取轴套的宽度为17 mm。3）加载壳体的宽度取10 mm，其中线与轴承的中线重合。4）计算后得出加载位置离轴端的距离是3.5 mm。第四章绘制装配图4.1概述装配图是反映各个零件的相互关系、结构形式以及尺寸的图纸。因此，设计通常是从画装配图开始，确定所有零件的位置、结构和尺寸，并以此作为绘制零件图的依据。本弯曲疲劳试验机的装配图表达了试验机的整体结构、轮廓形状、各个零件的结构和相互之间的关系，同时也是指导装配、检验、安装、调试及维护工作技术依据。装配图设计所设计的内容较多，既有结构设计，又有校核计算，设计过程比较复杂，常常要边分析、边计算、边画草图、边修改，使设计逐步合理，直到最后完成装配工作图。在进行每一步设计时，必须考虑到各个零件的相互联系和相互影响。在本章节中，要完成完整的装配工作图，应该包括表达试验机的结构的各个视图、主要尺寸和配合、技术特性和技术要求、零件编号、零件明细表和标题栏等等。画装配图的注意事项：1）表达试验机结构的各个视图应在已绘制的装配草图基础上进行修改、补充，使视图完整、清晰并符合制图规范。装配图上应尽量避免用虚线表示零件结构。必须表达的内部结构或某些附件的结构，可采用局部视图或局部剖视图加以表达。2）装配图上的某些结构，如螺栓、螺母、滚动轴承等可按机械制图国家标准有关简化画法的规定绘制。3）装配图完成后先不要加深，等设计完零件工作图时，对装配图中的某些局部结构或尺寸进行必要的修改，最后加深装配图，图上的文字和数字应该按照制图要求工整的书写，图面要保持整洁。4.2装配图的尺寸、技术要求及零件明细表在装配图上应标注以下的几种主要尺寸：1.特性尺寸指传动零件的中心距及其偏差。比如带传动的中心距。2.安装尺寸安装在机器上（或地基上）所需的尺寸，如箱座底面尺寸（长和宽），地脚螺孔直径和位置尺寸。3.外形尺寸表明试验机所占空间大小的尺寸。4配合尺寸4.2.1配合尺寸的选择在现代化的机械工业生产中，从机器零件的使用要求来看，基本尺寸相同的孔与轴装配在一起，有的要求紧一些，有的要求松一些，才能满足机器运转要求。配合反映零件组合后的相互之间的关系，它决定着机器零部件相互配合的条件和状况，直接影响到产品的精度、性能和使用寿命，因此，公差与配合在机械设计中有着举足轻重的作用，在选用时应该认真学习、谨慎取用。1.轴承内圈与轴选用：h7/k6。使用说明：平均间隙接近于零，适用于it4-7级。推荐用于要求稍有过盈的定位配合。装配尚方便，传递扭矩要靠连接件，定心精度要求高的结合。同轴度相当好，也用于承受冲击载荷不大的部位。平均起来属于没有间隙的过渡配合，是过渡配合中常用的一种；用于同轴度要求较高和经常拆卸的零件配合，加紧固体后适合平稳载荷下；装配时用木锤轻轻打入，是稍有过盈的定位配合，其过盈以消除震动。2小带轮与轴选用：h7/k6。配