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汽車多楔帶疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 概述
汽車傳動(dòng)帶是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)重要的零部件，也是傳動(dòng)帶重要的組成部分。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于汽車傳動(dòng)帶的疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的研制尚處于發(fā)展階段，市場(chǎng)上使用的疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)大多是機(jī)械封閉式的，它的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性較差，不能良好的模擬帶的實(shí)際工況，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同實(shí)際情況偏差較大，國(guó)外的發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀蹙捎秒姺忾]式疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)來(lái)代替機(jī)械封閉式的。目前國(guó)內(nèi)的汽車傳動(dòng)帶的質(zhì)量普遍低于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的同類產(chǎn)品的一個(gè)主要原因在于疲勞壽命試驗(yàn)不過關(guān)，因此研發(fā)一種適合我國(guó)國(guó)情的，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平的新型傳動(dòng)帶疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)是必要的。帶的疲勞壽命實(shí)驗(yàn)機(jī)幾乎是與傳動(dòng)帶同時(shí)出現(xiàn)的，要提高帶的質(zhì)量和使用壽命，必須對(duì)其進(jìn)行壽命試驗(yàn)?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，尤其是汽車工業(yè)，它對(duì)傳動(dòng)帶提出了更高的要求。國(guó)外的很多代生產(chǎn)廠家都在研發(fā)與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)同壽命的傳動(dòng)帶。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不僅要改進(jìn)帶的生產(chǎn)工藝和配方，對(duì)帶的檢測(cè)手段也要進(jìn)行新的研發(fā)，有其是帶的疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)。我國(guó)的橡膠工業(yè)起步晚，技術(shù)差，相應(yīng)的配套設(shè)施不完善，整個(gè)行業(yè)沒有一個(gè)完善的，能在全行業(yè)推廣的檢測(cè)手段。這其中的一個(gè)重要原因就是對(duì)帶的疲勞壽命試驗(yàn)設(shè)備不過關(guān)，不能對(duì)帶的整體質(zhì)量和存在的不足做出合理的評(píng)估，使對(duì)帶的生產(chǎn)工藝和配方的改進(jìn)無(wú)從下手。雖然我國(guó)制訂了相應(yīng)的傳動(dòng)帶國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但執(zhí)行起來(lái)卻困難重重。傳動(dòng)帶生產(chǎn)廠家如果從國(guó)外進(jìn)口帶疲勞壽命檢測(cè)設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，大多數(shù)廠家難以承受；而且，進(jìn)口的設(shè)備都是按各自的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)和研制的，有很多地方并不適合我國(guó)的國(guó)情。因此，為配合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施，根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制出符合我國(guó)國(guó)情的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)備成為相關(guān)科研院所和工業(yè)企業(yè)的重要任務(wù)。
1.2 帶的種類
傳動(dòng)帶有傳遞和變速兩種功能，分為摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)兩大類別。到目前為止，全球各傳動(dòng)帶生產(chǎn)廠在結(jié)構(gòu)形狀上已形成V帶、平帶、齒帶和圓帶四大體系，包括尺寸規(guī)格在內(nèi)已逾千種。特別是齒帶，最近十幾年來(lái)，隨著精密機(jī)械和電子信息技術(shù)的進(jìn)步，作為橡膠工業(yè)的高新技術(shù)產(chǎn)品，在世界各地發(fā)展十分迅猛，產(chǎn)量急劇擴(kuò)大。
1.2.1 平帶
圖1-1 平帶
平帶是傳動(dòng)帶最老的一個(gè)品種，約有100余年的歷史，但直至20世紀(jì)中葉，仍占據(jù)傳動(dòng)帶中一半左右的市場(chǎng)份額。它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)方便、不受距離限制、容易調(diào)節(jié)更換等特點(diǎn)，在各種工農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到普遍采用。平板帶寬度一般由16-600mm，長(zhǎng)度最大可達(dá)100～200m，層數(shù)最多為6一帶中最常見的為帆布帶，分為包層式、疊層式和疊包式三種。疊層帶為包層帶(又稱圓邊帶)的改進(jìn)產(chǎn)品，具有帶體柔軟，富有彈性，耐屈性好等優(yōu)點(diǎn)，適于在小帶輪和20m／s以上的快速傳動(dòng)裝置上使用。而疊包帶介于兩者之間，用于邊部易受磨損的傳動(dòng)。由于平板帶的傳動(dòng)效率低(一般為85％左右)，且占據(jù)面積較大，因此，從20世紀(jì)60年代以后世界各國(guó)產(chǎn)量逐年下降。目前在發(fā)達(dá)國(guó)家，除部分農(nóng)業(yè)機(jī)械和輕紡機(jī)械尚少量使用之外，已處于被淘汰的狀態(tài)。 另一方面，在這一時(shí)期，以化纖帆布和簾布為芯體而制成的無(wú)接頭和熱接頭環(huán)形帶，則在全球獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。它以強(qiáng)度大、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)輸圓滑、耐屈撓、壽命長(zhǎng)和無(wú)需接頭等為特點(diǎn)，使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，并在微型傳動(dòng)帶中形成主流。
1.2.2 三角帶
圖 1-2 各種三角帶
三角帶又稱V型帶，是傳動(dòng)帶中產(chǎn)量最大、品種最多、用途最廣的一種產(chǎn)品。自從1917年首次由美國(guó)制成汽車風(fēng)扇帶，20年代初開始推廣用于工農(nóng)機(jī)械之后，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)久盛不衰，發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已成為傳動(dòng)帶的主流。在世界各國(guó)傳動(dòng)帶中，從橡膠用量來(lái)看，三角帶現(xiàn)已占到65％上，齒型帶為25％，平板帶則已退減到10％以下。目前，三角帶已成為世界各種機(jī)械裝置動(dòng)力傳動(dòng)和變速的主要器材，在當(dāng)今農(nóng)機(jī)、機(jī)床、汽車、船舶、辦公設(shè)備等廣泛領(lǐng)域，發(fā)揮著日益重要的作用。
按照斷面尺寸，三角帶可分為產(chǎn)業(yè)機(jī)械用的Y、O、A、B、C、D、E七種工業(yè)型號(hào)和汽車、拖拉機(jī)等用的各類風(fēng)扇帶，共計(jì)兩大類別。Y、O型為最小的V型帶，主要用于打字機(jī)、切書機(jī)等辦公設(shè)備、家電制品(洗衣機(jī)、榨汁器、吸塵器)。一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械，隨著馬力的增大，順序使用A、B、C、D、E等V型帶，其中D、E型為重型帶，用于船舶、電力等大型機(jī)械。至于風(fēng)扇帶，除了汽車、拖拉機(jī)之外，還大量用在水泵、空調(diào)等方面。在發(fā)達(dá)國(guó)家，三角帶與風(fēng)扇帶的生產(chǎn)比率已達(dá)到2：1-3：2的程度，風(fēng)扇帶呈現(xiàn)明顯上升的勢(shì)頭。
三角帶一般都是指包布式V型帶，從20世紀(jì)60年代開始，為提高傳動(dòng)帶的耐久性，又出現(xiàn)了切邊式V型帶。這種切邊V型帶，由于膠帶結(jié)構(gòu)側(cè)面沒有包布，帶體十分柔軟，耐屈撓疲勞性能非常好，因而得到迅速發(fā)展。進(jìn)入80年代，為解決三角帶多根成組傳動(dòng)時(shí)因產(chǎn)生不一樣長(zhǎng)而帶來(lái)的傳動(dòng)效率和使用壽命下降等問題，又興起了多根三角帶用平板帶固定在一起的三角帶。習(xí)慣稱之為聯(lián)組三角帶的V型平板帶，具有極大的優(yōu)越性，因而又開始出現(xiàn)V型平板帶取代包布式和切邊式三角帶的現(xiàn)象。這種三角帶與平板帶結(jié)合的膠帶，雖然對(duì)帶輪溝槽有特殊的要求，然而由于帶體很薄，與帶輪的接觸面積大，彎曲性好，帶輪縮小，可使傳動(dòng)裝置進(jìn)一步小型化、節(jié)能化，在世界發(fā)達(dá)國(guó)家的生產(chǎn)量急劇增長(zhǎng)。
近些年來(lái)，為適應(yīng)各種傳動(dòng)裝置的特殊需要，除普通標(biāo)準(zhǔn)型的三角帶之外，還出現(xiàn)了數(shù)量眾多、形狀各異的特種三角帶，它們主要有：
(1) 窄型和寬型三角帶
普通三角帶的寬高比為1：1．5～1．6，而窄型和寬型的三角帶分別為1：1．2和1：2。窄型V帶的結(jié)構(gòu)尺寸比普通V帶可以減少約50％，能節(jié)省大量原材料，同時(shí)強(qiáng)力均勻，有效接觸面積大，彎曲應(yīng)力小，可大大延長(zhǎng)使用壽命。窄型v帶的傳動(dòng)效率可達(dá)90％一97％，極限速度達(dá)40-50m／s，傳動(dòng)能力提高0．5～1．5倍，最適于短距離、小帶輪于變速傳動(dòng)，故又稱之為變速帶。其特點(diǎn)是在帶的上下表面，大多制成單面或雙面的弧形或齒形狀態(tài)，使之易于調(diào)速，主要用在低速的圓錐式和圓盤式無(wú)級(jí)變速器方面。
(2) 小角和大角三角帶
它同普通三角帶的主要區(qū)別是，夾角40改為30和60左右。小角V帶能使接觸面減小，降低所需張力，可延長(zhǎng)使用壽命，適于設(shè)備的小張力傳動(dòng)。大角V帶為上半部呈矩形，下半部呈倒梯形的六角帶，能使摩擦損失減小，承載能力增大，帶體柔軟，適于輕小型設(shè)備的高速傳動(dòng)。
(3) 活絡(luò)和沖孔三角帶
活絡(luò)帶由多個(gè)小段以金屬螺釘連結(jié)而成。沖孔帶在帶體縱向沖有許多等距的透孔用以連接接頭。這種V帶都是可以接頭的三角帶，可根據(jù)需要長(zhǎng)度隨意自由接頭定長(zhǎng)。它彌補(bǔ)了普通三角帶無(wú)接頭，只能按規(guī)定長(zhǎng)度使用的限制。另外一個(gè)好處是，在使用中，當(dāng)三角帶體出現(xiàn)局部損壞后，可更換損壞部位繼續(xù)使用，同時(shí)，它還有可簡(jiǎn)單自由調(diào)節(jié)長(zhǎng)度大小的優(yōu)點(diǎn)。但因強(qiáng)度較低，只能用于低速傳動(dòng)，又由于存在精確度低、傳動(dòng)效率差等問題，近些年來(lái)使用日趨減少。
此外，對(duì)指定用于汽車、拖拉機(jī)等各種內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇而用的三角帶，人們專門稱之為風(fēng)扇帶。它的特點(diǎn)是以單根使用為主，帶輪很小，傳距很短，速度與功率常變，是屬于接觸溫度較高、在苛刻環(huán)境條件下使用的一種V帶。風(fēng)扇帶也常用在發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、動(dòng)力泵等方面。風(fēng)扇帶由于其性能要求與普通三角帶完全不同，在工業(yè)上單獨(dú)分類統(tǒng)計(jì)。近些年來(lái)，世界風(fēng)扇帶的發(fā)展十分迅速，數(shù)量已占到三角帶總量的三分之一。
風(fēng)扇帶分為普通和窄型兩種，細(xì)分為包布式平底V帶、圓齒V帶、切邊式平底V帶和波浪V帶等多種類型。風(fēng)扇帶的結(jié)構(gòu)一般比普通三角帶要復(fù)雜，見附圖，除強(qiáng)力層、伸張層、壓縮層和包布層之外，又增加了緩沖層和支撐層。
現(xiàn)在使用最多的是切邊式波浪V帶，生熱低、散熱快、摩擦大、噪聲小、強(qiáng)度好、效率高，行駛里程可達(dá)18～20萬(wàn)公里，比一般風(fēng)扇帶高出約一倍。近年來(lái)，隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高和旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，以及液壓轉(zhuǎn)向裝置和冷風(fēng)裝置的增多，對(duì)風(fēng)扇帶的要求日益嚴(yán)酷，不僅帶輪小型化，而且采用雙向兩面驅(qū)動(dòng)的方式越來(lái)越多，因此，橡膠和芯體材料也隨之產(chǎn)生了重大改變，普通三角帶、V型平板帶與風(fēng)扇帶比較1-上膠布層：2-下膠布層；3-橡膠伸張層：4-橡膠壓縮層：5-線繩強(qiáng)力層；6-橡膠緩沖層：
1.2.3 圓形帶
圓形帶為斷面呈圓形的傳動(dòng)帶，它可以自由彎曲驅(qū)動(dòng)。這種帶多為聚氨酯制造的，通常沒有芯體，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，使用方便。圓形帶為膠帶傳動(dòng)開辟了新的途徑，世界各國(guó)在小型機(jī)床、縫紉機(jī)、精密機(jī)械等方面需用量急劇增長(zhǎng)，今后潛力很大。
1.2.4 齒型帶
齒型帶亦稱同步帶，分為單面齒帶和雙面齒帶兩種類型。前者主要用于單軸傳動(dòng)，后者為多軸或反向傳動(dòng)，系從1980年以來(lái)世界新出現(xiàn)的又一種高效傳動(dòng)帶。齒型帶根據(jù)齒的形狀又分為梯形和圓弧形兩種，以圓弧形齒的同步帶所承受的扭矩為最大。從所用材料上，齒型帶可區(qū)分為橡膠型和聚氨酯型兩大類，而前者又有普通橡膠(通常為氯丁橡膠)和特種橡膠(多為飽和丁腈橡膠)之分。它們的結(jié)構(gòu)是由鋼簾線或玻璃纖維組成的強(qiáng)力層和以橡膠及尼龍布形成的外包橡膠層或聚氨酯膠層構(gòu)成。
齒型帶包括多楔帶，近20年來(lái)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展極為迅猛，正在不斷地侵蝕傳統(tǒng)的金屬齒輪、鏈條以及橡膠方面的平板帶和三角帶市場(chǎng)。目前，除已大量用于汽車及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之外，并進(jìn)一步擴(kuò)大到OA機(jī)器(辦公設(shè)備)、機(jī)器人等各種精密機(jī)械的傳動(dòng)。由于膠帶內(nèi)側(cè)帶有彈性體的齒牙，能實(shí)現(xiàn)無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，而且具有比鏈條輕、噪音小的特點(diǎn)，現(xiàn)今歐洲80％以上的轎車、美國(guó)40％的轎車都已裝用了這種齒型帶。我國(guó)2000年生產(chǎn)汽車200萬(wàn)輛，齒型帶需要700萬(wàn)條以上。最近出現(xiàn)的圓齒帶較之方齒帶，更進(jìn)一步增大了傳動(dòng)力和肅靜性，作為新一代的環(huán)保帶，其使用范圍更趨廣泛?，F(xiàn)在，已開始成為對(duì)同步傳動(dòng)、噪音要求極為嚴(yán)格的家用和工業(yè)用縫紉機(jī)、打字機(jī)、復(fù)印機(jī)的使用對(duì)象。
1.3 帶傳動(dòng)的工藝設(shè)備趨向
多年來(lái)，傳動(dòng)帶的生產(chǎn)工藝在世界各地一直沒有大的變化，不外煉膠、成型、硫化三大老的工藝。所不同的是，切割式三角帶取消了V型帶成型時(shí)的包布，并改為在硫化后切割，同時(shí)增加研磨工序。而對(duì)于齒型帶則是在帶齒形溝槽的模型上，先置入外包帆布，然后呈螺旋狀纏上芯線，而后上覆橡膠片，連同模型一起送入硫化罐硫化。此時(shí)，利用橡膠在加熱中的塑性流動(dòng)，從芯線的縫隙將帆布充入模齒內(nèi)而形成帶齒，硫化后再?gòu)哪Ｐ椭腥〕龀蛇m當(dāng)?shù)膶挾取?
這種生產(chǎn)工藝，把傳動(dòng)帶的制造過程人為地分割成好幾塊，無(wú)法聯(lián)結(jié)起來(lái)；加之傳動(dòng)帶的品種規(guī)格太多，生產(chǎn)批量很小，產(chǎn)品變動(dòng)頻繁，給工藝設(shè)備的連續(xù)化、自動(dòng)化帶來(lái)了諸多困難，生產(chǎn)效率十分低下。當(dāng)前國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)，一是努力研究實(shí)現(xiàn)工藝的連續(xù)化生產(chǎn)，提高設(shè)備自控水平，促使生產(chǎn)效率大幅度提高：二是繼續(xù)擴(kuò)大使用聚氨酯等液體彈性體，從根本上簡(jiǎn)化工藝，縮短流程，改變傳統(tǒng)的橡膠工藝加工方式。現(xiàn)在，聚氨酯液相加工工藝在小型和微型帶中，已占據(jù)主導(dǎo)地位，前景十分樂觀。
還有，短纖維橡膠的混合也是當(dāng)今世界傳動(dòng)帶業(yè)界一大課題。如何使短纖維在橡膠中均勻分散，并解決由此而產(chǎn)生的膠料高粘度化，造成生產(chǎn)效率下降的現(xiàn)象，需要在混煉方法和控制方式有新的突破。另外，短纖維橡膠的纖維排列取向也是不可忽視的又一個(gè)問題，通常采用壓延機(jī)和壓出機(jī)定向供膠出片、按流動(dòng)方向取片的方法，也并非最佳良策。無(wú)紡布、復(fù)合片材是今后開發(fā)的方向。
縱觀半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)世界傳動(dòng)帶的發(fā)展趨勢(shì)，隨著全球高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的迅猛發(fā)展，今后傳動(dòng)帶的主流是向著小型化、精密化和高速化的方向發(fā)展。老式的平板帶將被日漸淘汰，新型的環(huán)形平板帶重新崛起；切割三角帶將取代大部分包布V型帶、同時(shí)代之而起的V型平板帶、多楔帶、齒型帶可能成為新的主流產(chǎn)品。
我國(guó)生產(chǎn)傳動(dòng)帶的廠家十分雜亂，除200家國(guó)有、三資企業(yè)之外，還有1000余家集體、私營(yíng)和個(gè)體所有制企業(yè)，僅V型帶一種產(chǎn)品年產(chǎn)即達(dá)4億A米以上，在產(chǎn)量上雖已位居世界前列，而略具規(guī)模水平的不過十幾家。除少數(shù)引進(jìn)技術(shù)設(shè)備和合資企業(yè)外，大多處于后進(jìn)狀態(tài)，亟待改組、改造、改革。調(diào)整傳動(dòng)帶行業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰老舊產(chǎn)品，開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品，迎頭趕上世界傳動(dòng)帶先進(jìn)技術(shù)水平，可說(shuō)是當(dāng)前最為緊迫的任務(wù)。
1.4 本課題的研究目的，意義及研究成果
目前國(guó)內(nèi)的汽車傳動(dòng)帶的質(zhì)量普遍低于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的同類產(chǎn)品的一個(gè)主要原因在于疲勞壽命試驗(yàn)不過關(guān)，因此研發(fā)一種適合我國(guó)國(guó)情的，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平的新型傳動(dòng)帶疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)是必要的。其目的是進(jìn)一步推進(jìn)汽車傳動(dòng)帶的研發(fā)能力，為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的控制與監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)化的制定提供理論依據(jù)。對(duì)帶進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，從而能保證帶的質(zhì)量和耐用度。
第2章 總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 技術(shù)要求
技術(shù)要求：負(fù)載功率：10KW；
主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速：4900r/min±2%；
帶張緊力：680±30N；
高溫箱：85℃±5℃；
要求測(cè)量主動(dòng)輪、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速測(cè)量精度為±1%。
由GB13552-1998查得：
帶長(zhǎng)：850—1000mm
主動(dòng)輪從動(dòng)輪有效直徑121±0.002mm
張緊輪直徑：55±0.2mm
帶的彈性模量E=7.8Mpa
帶的橫截面積A=71.2
2.2 加載方式的選擇
2.2.1機(jī)械封閉功率試驗(yàn)機(jī)的工作原理
眾所周知，V帶是靠摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。在傳動(dòng)中特有一個(gè)彈性打滑現(xiàn)象，它是由于在傳動(dòng)中，帶輪的倆邊拉力不相等造成的。我們用滑差率ε%表示彈性滑動(dòng)的大小。從膠帶的變形關(guān)系可以推出滑差率
（1）
式中：=帶緊邊拉力，=帶松邊拉力，F(xiàn)=帶有效拉力，= 主動(dòng)輪線速度，
=從動(dòng)輪線速度，=主動(dòng)輪直徑，=從動(dòng)輪直徑，=主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，=從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，E=膠帶的彈性模量，A=膠帶的橫截面積。
由（1）式中可以看出，有效拉力F越大，則彈性滑動(dòng)越大，滑差率ε%就越大，有效拉力即為帶傳動(dòng)中的載荷，所以帶中傳遞的載荷也越大。
機(jī)械封閉功率試驗(yàn)機(jī)就是系統(tǒng)的載荷在整個(gè)系統(tǒng)中封閉傳遞，并且傳遞的是機(jī)械彈性變形能。
2.2.2加載傳動(dòng)方式的選擇
可供選擇的方案：用行星輪系和力矩電機(jī)的加載傳動(dòng)方式
采用電磁加載器加載的傳動(dòng)方式
對(duì)比分析
1）采用行星輪系和力矩電機(jī)的加載傳動(dòng)方式
傳動(dòng)原理
該種方式的傳動(dòng)原理如圖1示：
圖 2-1 行星輪系和力矩電機(jī)加載的傳動(dòng)原理
該種方式中，兩個(gè)試驗(yàn)帶輪直徑相等，主傳動(dòng)輪安裝在行星輪系的外殼上，主電機(jī)通過傳動(dòng)軸與輪系的系桿聯(lián)接，力矩電機(jī)與輪系的中心輪聯(lián)接。該輪系為差動(dòng)輪系，有兩個(gè)自由度。
該種方式中需要用到力矩電機(jī)和主電機(jī)兩個(gè)電機(jī)，而且需要設(shè)計(jì)行星輪系，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)不夠緊湊。
1） 采用電磁加載器加載的傳動(dòng)方式
傳動(dòng)原理
該種方式的傳動(dòng)原理如圖2所示：
圖2-2電磁加載器加載方式的傳動(dòng)原理
該種方式的顯著特點(diǎn)是傳動(dòng)帶有兩條，兩主動(dòng)輪直徑不等，而從動(dòng)輪直徑相等。主動(dòng)輪 裝在與電磁加載器外殼相連接的空心軸13上，主傳動(dòng)輪 裝在與加載器的芯軸相連接的中心軸12上。當(dāng)電磁加載器使兩主動(dòng)輪剛性聯(lián)接時(shí)，由于傳動(dòng)帶傳動(dòng)比不等，為系統(tǒng)加上載荷。當(dāng)電磁器斷電時(shí)，系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，無(wú)扭矩產(chǎn)生，即無(wú)載荷傳動(dòng)。
此種方式只需一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，而且，電磁加載器屬于外購(gòu)件，選購(gòu)方便，而且降低了成本。比較兩種傳動(dòng)方式選擇第二種電磁加載方式。
2.2.3 電磁加載器的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇南通遠(yuǎn)辰設(shè)備有限公司的電磁加載器
型號(hào)為：WZ-70P
主要技術(shù)參數(shù)為：
額定功率：P=16kw
額定轉(zhuǎn)矩： T=70Nm
最高轉(zhuǎn)速：2000-2800
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=0.005kg
圖4-4 外形及安裝尺寸圖
一、使用環(huán)境
1、最高的環(huán)境溫度不超過40℃
2、海拔高度不超過1000m
3、當(dāng)環(huán)境溫度為20 時(shí)，相對(duì)溫度不大于85%
二、冷卻水
1、水質(zhì)
冷卻水的水質(zhì)為自來(lái)水、一般工業(yè)用水、地下水或經(jīng)初步過濾的河水。
水中不含有直徑1mm 以上的固定果斷或其它雜物，其PH 值為6-8，硬度以200ppm以下為宜，最大值為300ppm.
2、水壓進(jìn)水壓力一般不小于0.05MPa,不大于0.2MPa,本產(chǎn)品對(duì)水壓要求不嚴(yán)，建議用戶在安裝時(shí)加進(jìn)水閥門，以方便調(diào)節(jié)水量。
3、水量
冷卻水量見參數(shù)表，進(jìn)水量的大小按測(cè)試功率的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般按千瓦損耗約0.5L/min 的水量供給。
4、進(jìn)水溫度最高不超過30℃，但不低于4℃，出水溫度約為70℃為宜，使用時(shí)可根據(jù)出水溫度的高低調(diào)節(jié)冷卻水量。
2.3 功能原理方案設(shè)計(jì)
基于功能原理方案設(shè)計(jì)包括原理方案的功能原理分析，功能分析。分功能求解和功能原理方案確定等5項(xiàng)內(nèi)容，就是求取一個(gè)最佳的功能系統(tǒng)的解，構(gòu)成一個(gè)原理方案，實(shí)現(xiàn)所提出的創(chuàng)造目標(biāo)，并滿足周邊的各種限制條件。
1.功能原理分析
任何一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的功能分析和綜合，就能針對(duì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理，方案，例如設(shè)計(jì)，機(jī)械封閉或汽車多楔帶疲勞試驗(yàn)機(jī)，總體原理方案可以通過加載傳動(dòng)方式來(lái)體現(xiàn)，有如下幾種方式：1采用行星輪系和力矩電機(jī)加載
2采用電磁加載器加載
不同的原理和加工工藝會(huì)有不同設(shè)備。原理方案還有執(zhí)行功能工藝過程以及執(zhí)行元件有著密切關(guān)系。尋求作用原理，關(guān)鍵在于提出創(chuàng)新構(gòu)思，使思維“發(fā)散”，力求提出較多的解法供比較選擇。
2.功能分解
產(chǎn)品和技術(shù)系統(tǒng)的總體功能稱為產(chǎn)品的總功能。產(chǎn)品的用途不同，其總功能也不同。技術(shù)系統(tǒng)都比較復(fù)雜，難以直接求得滿足總功能的原理解?？衫孟到y(tǒng)工程的分解性原理將功能系統(tǒng)按總功能，分功能。。。。。。功能元進(jìn)行分解，化繁為簡(jiǎn)，以便通過各功能元解的有機(jī)組和求得技術(shù)系統(tǒng)解。功能分解可用樹狀的功能結(jié)構(gòu)，稱為功能樹。功能樹起于總功能按分功能，二級(jí)分功能分解，其常為功能元。功能元是可以直接求解的系統(tǒng)的最小組成單元。
試驗(yàn)機(jī)
控制
1. 扭距傳感器
2. 轉(zhuǎn)速的控制（速度傳感器）
3. 位移的控制（行程開關(guān)）
4. 旋轉(zhuǎn)精度的控制（光電編碼器）
5. 溫度的控制（溫度傳感器）（±5℃）
結(jié)構(gòu)
1． 床身
2． 保溫箱
3． 殼罩
功能
1. 帶傳動(dòng)（主動(dòng)從動(dòng)帶轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)）
2. 加負(fù)載（電磁加載器、行星輪系）
3. 張緊（重砣絲杠電機(jī)）
4. 保溫(保溫箱)
5. 帶的裝卸（絲杠正反轉(zhuǎn)螺母、雙絲杠、雙電機(jī)雙螺母）
圖2-3 汽車多楔帶疲勞試驗(yàn)機(jī)的功能樹
總功能確定后，功能分解可按以下方法進(jìn)行
按照解決問題的因果關(guān)系或目的手段關(guān)系進(jìn)行分解。試驗(yàn)機(jī)采用功能樹的方法進(jìn)行分解。
功能樹起源于相當(dāng)于總功能的樹干，實(shí)現(xiàn)總功能這一目的所需要采用的全部手段功能構(gòu)成一級(jí)分功能，這些分功能相當(dāng)于樹枝。實(shí)現(xiàn)一級(jí)分能目的的手段構(gòu)成了二級(jí)分功能。如此分解，直到分解到可以直接求解的位于樹枝末端的功能元為止。
3.分功能求解
設(shè)計(jì)目錄法
設(shè)計(jì)目錄法是一種設(shè)計(jì)信息庫(kù)。它把設(shè)計(jì)過程中的大量信息有規(guī)律地加以分類。排列和儲(chǔ)存，以便于設(shè)計(jì)者查找和闊用。在計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)化設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)和智能系統(tǒng)中，科學(xué)，完備的設(shè)計(jì)信息資料是解決問題的重要基本條件。設(shè)計(jì)目錄的內(nèi)容和用途來(lái)看都不同于機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，它主要的表格的形式提供與設(shè)計(jì)方法有關(guān)的分功能或功能元的原理解。
4功能原理方案確定
由于每個(gè)功能元的解有多個(gè)，因此自或機(jī)械的功能原理方案，可以有多個(gè)。功能原理方案的組合可采用形態(tài)矩陣進(jìn)行綜合。
形態(tài)學(xué)矩陣法是一種系統(tǒng)搜索和程式化求解的分功能組合求解方法。形態(tài)學(xué)矩陣法是進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)組或和創(chuàng)新的基本途徑，得到多種可行方案后，經(jīng)篩選，評(píng)價(jià)可以獲得最佳方案。
形態(tài)學(xué)矩陣法的引用步驟如下
（1）通過總功能分解可以求得若干分功能。
（2）功能求解
（3）方案組式
（4）方案評(píng)價(jià)
（5）選出綜合最優(yōu)方案
機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式變化解法的目錄如下表：
表2-1 試驗(yàn)機(jī)的形態(tài)學(xué)矩陣
方
式
功
能
元
1
2
3
4
主動(dòng)從動(dòng)帶轉(zhuǎn)動(dòng)（A）
鏈傳動(dòng)
帶傳動(dòng)
齒輪傳動(dòng)
加負(fù)載（B）
電磁加載器
行星輪系
張緊（C）
電機(jī)+絲杠
液壓系統(tǒng)
重砣
保溫（D）
保溫箱
裝卸帶（E）
凸輪機(jī)構(gòu)
雙絲杠
曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
絲杠+正反轉(zhuǎn)螺母
5用形態(tài)學(xué)矩陣法選擇試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方案
根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣可綜合出72（N=3x2x3x4=72）種方案。根據(jù)是否滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)要求，運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)順序安排是否合理，運(yùn)動(dòng)精確度、成本高低、是否滿足環(huán)境、動(dòng)力源、生產(chǎn)條件等限制條件，最后選擇出比較好的運(yùn)動(dòng)方案。
方案一：A2+B1+C3+D1+E4
方案二：A2+B2+C2+D1+E2
根據(jù)上述各功能要求，選方案一，原因如下：
1） 就加載方式選擇：行星輪系加載方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，而應(yīng)用電磁加載器可以外購(gòu)使用選購(gòu)方便。應(yīng)用到試驗(yàn)機(jī)上結(jié)構(gòu)比較合理。
2） 就張緊而言，加重砣易于控制張緊力，液壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高。
3） 裝卸帶方面采用單絲杠+正反轉(zhuǎn)螺母，可以工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。而且易于控制，只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。雙絲杠需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而且做到同步也很困難，控制精度不如前者。
2.4 扭矩傳感器的選擇
據(jù)設(shè)計(jì)要求扭矩傳感器選擇北京工標(biāo)的GB-DTS系列扭矩傳感器
型號(hào)為：GB-DTS動(dòng)態(tài)法蘭扭矩傳感器
s
圖 4-1 GB-DTS動(dòng)態(tài)法蘭扭矩傳感器
2.4.1 產(chǎn)品特點(diǎn)
1. 選5V/12V。信號(hào)輸出波形方波幅度可
2. 開機(jī)5分鐘即可進(jìn)入工作狀態(tài)，勿需預(yù)熱過程。
3. 檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)。
4. 不需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反扭矩。
5. 體積小、重量輕、易于安裝。
6. 傳感器可脫離二次儀表獨(dú)立使用，只要按插座針號(hào)提供±15V（200mA）
的電源，即可輸出阻抗與扭矩成正比的等方波或脈沖波頻率信號(hào)。
2.4.2 主要性能及電氣指標(biāo)
扭? 矩 精 度：?? ＜±0.5%F·S、＜±0.3%F·S、＜±0.1%F·S（可選）
頻 率 響 應(yīng)： 100μs
非 線 性： ＜±0.2 % F· S
重 復(fù) 性： ＜±0.1% F· S
回 差： ＜0.1 % F· S
零 點(diǎn) 時(shí) 漂： ＜0.2 % F· S
零 點(diǎn) 溫 漂： ＜0.2 % F· S /10℃
輸 出 阻 抗： 350Ω±1Ω、700Ω±3Ω、1000Ω±5Ω（可選）
絕 緣 阻 抗： >500MΩ
靜 態(tài) 超 載： 120 % 150% 200%(可選)
使 用 溫 度： －10 ～ 50℃
儲(chǔ) 存 溫 度： －20 ～ 70℃
電 源 電 壓： ±15V±5%
總 消耗電流： ＜200mA
頻率信號(hào)輸出： 5KHZ—15KHZ
額 定 扭 矩： 10KHZ±5kHZ （正反雙向測(cè)量值）
2.4.3 維護(hù)與保養(yǎng)
? 1.每隔一年應(yīng)給扭矩傳感器兩端軸承加潤(rùn)滑脂。加潤(rùn)滑脂時(shí)，僅將兩端軸承蓋打開，將潤(rùn)滑脂加入軸承，然后裝上兩端蓋。
? 2.應(yīng)儲(chǔ)存在干燥、無(wú)腐蝕、室溫為 -20℃——70℃的環(huán)境里。
2.4.4 注意事項(xiàng)與安裝方式
?1.注意事項(xiàng)
1）安裝時(shí)，不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。
?2）聯(lián)軸器的緊固螺栓應(yīng)擰緊 ,聯(lián)軸器的外面應(yīng)加防護(hù)罩，避免人身傷害。
?3）信號(hào)線輸出不得對(duì)地 ,對(duì)電源短路,輸出電流不大于10mA?? 屏蔽電纜線的屏蔽層必須與 +15V電源的公共端（電源地）連接。
2.安裝方式
(1).水平安裝:如圖4-2所示:
圖4-2 扭矩傳感器水平安裝示意圖
(2).連接方式： 扭矩傳感器與動(dòng)力設(shè)備、負(fù)載設(shè)備之間的連接
1)彈性柱銷聯(lián)軸器連接: 如圖4-3所示，此種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，維護(hù)方便。能夠微量補(bǔ)償安裝誤差造成的軸的相對(duì)偏移，同時(shí)能起到輕微減振的作用。適用于中等載荷、起動(dòng)頻繁的高低速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合，工作溫度為-10-50℃。
圖 4-3 彈性柱銷連接示意圖
2)剛性聯(lián)軸器連接: 如圖14所示，這種連接形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，無(wú)補(bǔ)償性能，不能緩沖減振，對(duì)兩軸的安裝精度較高。用于振動(dòng)很小的工況條件。
3)安裝要求：
(1) 扭矩傳感器可水平安裝，也可垂直安裝
(2) 如圖11、12所示，動(dòng)力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備應(yīng)安裝在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上大的震動(dòng)，否則可能發(fā)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，降低測(cè)量精度，甚至損壞傳感器。
(3) 采用彈性柱銷聯(lián)軸器或剛性聯(lián)軸器連接。
(4) 力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備軸線的同心度應(yīng)小于Φ0.05mm。
4)安裝步驟：
(1)根據(jù)軸的連接形式和扭矩傳感器的長(zhǎng)度，確定原動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間的
距離，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)和負(fù)載的軸線相對(duì)于基準(zhǔn)面的距離，使它們的軸線的同
軸度小于Φ0.03mm,固定原動(dòng)機(jī)和負(fù)載在基準(zhǔn)面上。
(2)將聯(lián)軸器分別裝入各自軸上。
(3)調(diào)節(jié)扭矩傳感器與基準(zhǔn)面的距離，使它的軸線與原動(dòng)機(jī)和負(fù)載的軸線的
同軸度小于Φ0.03mm，固定扭矩傳感器在基準(zhǔn)面上。
(4)緊固聯(lián)軸器，安裝完成。
第3章 疲勞試驗(yàn)機(jī)的各部分計(jì)算
3.1 電機(jī)的選擇
圖3-1 傳動(dòng)簡(jiǎn)圖
（1）4個(gè)軸承+兩個(gè)扭矩傳感器 傳動(dòng)效率=0.99
（2）兩個(gè)聯(lián)軸器：彈性=0.99
（3）兩個(gè)帶傳動(dòng) V帶 =0.96
電機(jī)功率=/
=10kw/··
= 11.7kw
電機(jī)選擇條件：
①P=11.7kw
②小型三相異步電機(jī)（封閉式），用途：一般用途的驅(qū)動(dòng)源無(wú)特殊要求。
因此，選用三相異步電機(jī)Y160L-4型 15kw 1460r/min
圖1-2 三相異步電機(jī)Y160L-4型
3.2 軸的設(shè)計(jì)
3.2.1 軸的種類與特點(diǎn)
軸是組成機(jī)械的一個(gè)重要零件。它支撐著其他轉(zhuǎn)動(dòng)件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩。同時(shí)又通過軸承和機(jī)架連接，所有軸零件都圍繞軸心線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成了一個(gè)以軸為基準(zhǔn)的組合體——軸部件。所以在軸的設(shè)計(jì)中，不能只考慮軸本身，還必須和軸系零部件的整個(gè)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來(lái)。軸按承受載荷不同可分為轉(zhuǎn)軸，心軸與傳動(dòng)軸，此疲勞試驗(yàn)機(jī)既承受彎矩又承受扭矩。故此主動(dòng)軸為轉(zhuǎn)軸。按形狀又可分為階梯軸，空心軸等。
3.2.2 軸的常用材料
軸的材料種類很多設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度，剛度，耐磨度等要求為采用的熱處理方式。同時(shí)考慮到選工藝問題加以選用為求經(jīng)濟(jì)合理。軸的采用材料35,45.50優(yōu)質(zhì)碳素鋼。最常用的是45剛。多楔帶疲勞試驗(yàn)機(jī)中主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的材料均選為45號(hào)鋼。
3.2.3設(shè)計(jì)計(jì)算步驟
1. 已知：傳遞功率P（kw）；轉(zhuǎn)速N（r/min）。軸上主要零件尺寸，軸在機(jī)器位置中的要求。
2. 計(jì)算軸上的轉(zhuǎn)矩T（N·mm）
3. 選擇軸的材料和熱處理方式。
4. 計(jì)算軸的最小直徑。軸的最小直徑為：d=，軸的最小直徑若需開一或兩個(gè)鍵槽，則將最小直徑增加5%或10%。
5. 選擇聯(lián)軸器
根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩、最小軸徑、軸的轉(zhuǎn)速，選擇聯(lián)軸器類型。
6.初選軸承
依據(jù)軸的載荷性質(zhì)、方向和大小，以及轉(zhuǎn)速的高低，選擇軸承類型。根據(jù)工作要求及輸入端的直徑在軸承選取目錄中選取軸承型號(hào)，并記錄其尺寸（內(nèi)徑x外徑x寬度）
6. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1) 擬定軸上零件的裝配方案
(2) 確定軸的各段直徑
(3) 確定軸的各段長(zhǎng)度
(4) 軸上零件的周向定位
(5) 確定軸上圓角和倒角尺寸
7. 軸的校核
按彎扭合成校核
（1） 畫受力簡(jiǎn)圖
（2） 計(jì)算作用于軸上的支反力
（3） 計(jì)算軸的彎矩，并畫彎、轉(zhuǎn)矩圖
（4） 計(jì)算并畫當(dāng)量彎矩圖
（5） 校核軸的強(qiáng)度
8. 按安全系數(shù)校核
9. 繪制軸的工作圖
3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算過程
3.2.4 軸Ⅰ的計(jì)算
按設(shè)計(jì)要求：=10kw =4900r/min
材料：45
熱處理方式：調(diào)質(zhì)處理
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3取=121
軸Ⅰ的最小直徑為：
Dmin==121=15.3mm
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，為了使所選軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca=，查表14-1，考慮到轉(zhuǎn)矩變化，故取=1.3則：
Tca=·=1.3·19489N·mm=25336N·mm
按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca應(yīng)該小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查標(biāo)準(zhǔn)GB/T5014-1985,選用HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器，其許用轉(zhuǎn)矩為160N·m。半聯(lián)軸器的孔徑=20mm，故取dmin=20mm。半聯(lián)軸器長(zhǎng)度L=40mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度=52mm。
2.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）擬定軸上零件的裝配方案 ，如下圖：
圖3-1 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，Ⅰ—Ⅱ軸段右端需制出一軸肩，故Ⅱ——Ⅲ段的直徑DⅡ—Ⅲ=30mm；左端用軸承擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=32mm。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L1=52mm，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不在軸的端面上，故Ⅰ—Ⅱ段的長(zhǎng)度應(yīng)比L1略短一些，現(xiàn)取LⅠ—Ⅱ=50mm。
2）初步選取滾動(dòng)軸承，因軸承只承受徑向力，故選用角接觸球軸承。參照工作要求并根據(jù)DⅡ—Ⅲ=30mm，由軸承目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的角接觸球軸承7006C型，其尺寸為：
表 3-1 角接觸球軸承7006C參數(shù)
基本尺寸
安裝尺寸
基本額定載荷KN
極限轉(zhuǎn)速
r/min
質(zhì)量kg
d
D
B
a
damin
Damax
Cr
Cor
油潤(rùn)滑
脂潤(rùn)滑
W
30
55
13
12.2
36
49
15.2
10.2
1500
1400
0.11
故DⅡ—Ⅲ=DⅥ—Ⅶ=30mm，而LⅢ—LⅣ=15mm
兩軸承均采用軸肩定位。故取DⅢ—Ⅳ=DⅤ—Ⅵ=35mm
由手冊(cè)查得7006C的定位軸肩高度為h=5mm。
3）取安裝主動(dòng)帶輪處的軸段DⅧ—Ⅸ=26mm，已知帶的輪轂寬度為80mm，故取LⅦ—LⅧ=60mm。
至此已初步確定Ⅰ軸的各段直徑和長(zhǎng)度。
（3）軸上零件的周向定位
帶輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按DⅠ—Ⅱ由表6-1查得平鍵截面bxh=8x7mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)度為56mm，同時(shí)為了保證帶輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選帶輪輪轂與軸的配合為H7/n6；同樣半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵為8x7x36mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為H7/k6。滾動(dòng)軸與軸的周向定位是由過渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
(4)確定軸上圓角和倒角尺寸
參考表15-2，取軸端倒角為2x2，各軸肩處圓角半徑為R2。
3.2.5 軸的校核
進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體負(fù)載及應(yīng)力情況，采用相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)倪x取其許用應(yīng)力。對(duì)于僅僅（主要）承受扭矩的軸（傳動(dòng)軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算；對(duì)于只承受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于既受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行精確校核。此外對(duì)于瞬時(shí)過載很大或應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱性較為嚴(yán)重的軸，還應(yīng)按峰尖載荷校核其靜強(qiáng)度，以免產(chǎn)生過量的塑性變形。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
式中 ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力MPa
T——軸所受的扭矩N`mm
——軸的抗扭截面系數(shù)
n——軸的轉(zhuǎn)速r/min
p——軸傳遞的功率kw
d——計(jì)算載面處軸的直徑mm
由此可得
對(duì)于直徑d100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5%-7%。有兩個(gè)鍵槽時(shí)應(yīng)增大10%-15%然后將軸圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。
故可取
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。在確定軸承后與點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查詢a值，根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖。
圖3-2 軸的載荷分析圖
載荷 水平面H 垂直面V
支反力
彎矩
總彎矩
扭矩T T=85045N`mm
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸承受最大彎矩與扭矩的截面的強(qiáng)度。由于軸是單向旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈沖循環(huán)變應(yīng)力。取
應(yīng)力
由于前已測(cè)定軸的材料為45鋼，調(diào)后處理，由表15-1查得。同上。故安全
3.2.6 軸承的校核
由表3-1的角接觸球軸承7006C的基本額定動(dòng)載荷C=15.2KN，基本額定靜載荷=10.2KN。
1.求兩軸承受到的徑向載荷和。
將軸系部件受到的空間力系分解為鉛垂面（圖3-2b）和水平面（圖3-2c）兩個(gè)平面系。其中：圖3-2c中的為通過另加轉(zhuǎn)矩平移到指向軸線。
由受力分析可知：
==N=218.2N
=-=750-218.2=531.8N
==x1800N=748.6N
=-=1800-748.6=1051.4N
===756.7N
===1431.5N
2.求兩軸承的計(jì)算軸向力和
對(duì)于70000c型軸承，軸承派生軸向力=e，其中e為判斷系數(shù)，其值由的大小來(lái)確定，但現(xiàn)在軸承軸向力未知，故先取e=0.4，因此可估算
=0.4=302.68N
=0.4=572.6N
=+=300+572.6=872.6N
==572.6N
==0.086
==0.056
插值計(jì)算后，得=0.422，=0.401
兩次計(jì)算e值相差不大，因此確定=0.422，=0.401，=872.6N，=572.6N。
圖3-2 角接觸球軸承受力分析圖
3.求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和
因?yàn)椋?
==1.157>
==0.401=
查表得
對(duì)軸承1 =0.44，=1.327
對(duì)軸承2 =1， =0
因軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，=1.2-1.8，取=1.5。則
=（+）=1.5x（0.44x756.7+1.327x876.2）=1495.64N
=（+）=1.5x（0.44x1431.5+1.327x572.6）=1358.5N
4.驗(yàn)算軸承壽命
因?yàn)?,所以按軸承1的受力大小驗(yàn)算
==x=48960.57h>
故所選軸承滿足壽命要求。
3.3 絲杠的選擇計(jì)算
3.3.1 傳動(dòng)方案的確定
方案一：滾珠絲杠+電機(jī)+T型槽
方案二：滾珠絲杠+手輪+光電編碼器
分析：方案一采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠在移動(dòng)過程中不易控制傳動(dòng)精度，而且電機(jī)還要選購(gòu)；方案二采用手輪驅(qū)動(dòng)，在本設(shè)計(jì)中手輪驅(qū)動(dòng)可以達(dá)到要求，再加上光電編碼器對(duì)傳動(dòng)精度的控制，方案二優(yōu)于方案一，所以采用方案二。
導(dǎo)程的計(jì)算：
3.3.2 技術(shù)要求
技術(shù)參數(shù)： 試驗(yàn)帶長(zhǎng)L=850-1000mm，試驗(yàn)帶輪直徑：121mm，張緊輪直徑：63mm
圖 3-3 帶輪擺放位置示意圖
粗略計(jì)算把試驗(yàn)帶型看成等腰直角三角形
于是得：中心距=a=
當(dāng)帶長(zhǎng)為1000時(shí)，=585mm；
當(dāng)帶長(zhǎng)為850時(shí)，=468mm
所以絲杠的移動(dòng)范圍△=585-468=116mm
3.3.3 設(shè)計(jì)步驟
1）計(jì)算載荷（N）的計(jì)算
= （3-1）
式中，為載荷系數(shù)，按表3-1選??；為硬度系數(shù)，按表3-2選?。粸榫认禂?shù)，按表2-8選取；（N）為平均工作載荷。
表3-2 載荷系數(shù)
載荷性質(zhì)
無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
有沖擊和震動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)
1-1.2
1.2-1.5
1.5-2.5
表3-3 硬度系數(shù)
滾道實(shí)際硬度HRC
58
55
50
45
40
1.0
1.11
1.56
2.4
3.85
表3-4 精度系數(shù)
精度等級(jí)
C、D
E、F
G
H
1.0
1.1
1.25
1.43
2）額定動(dòng)載荷計(jì)算值（N）的計(jì)算
= （3-2）
3）根據(jù)值從滾珠絲杠副系列中選所需要的規(guī)格，使所選規(guī)格的絲杠副的額定動(dòng)載荷值等于或大于，并列出其主要參數(shù)值。
4）驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度及工作平穩(wěn)性是否滿足要求，如不能，則應(yīng)另選其他規(guī)格并重新驗(yàn)算。
3.3.4 計(jì)算過程
（1）求計(jì)算載荷由式（3-1）
==1.2x1.3x1.0x8500=9800N
有設(shè)計(jì)條件，查表3-1取=1.2，查表3-2取=1.3，查表3-3取D級(jí)精度。
（2）計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值（N）由式（3-2）
==9800 =32980N
（3）根據(jù)選擇滾珠絲杠副 假設(shè)選用FC1型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或稍大于的原則，查表選定以下型號(hào)規(guī)格：
FC1 5010-2.5 =33638N
FC1 6310-2.5 =36776N
考慮各種因素選用FC1 5010-2.5。
絲杠副的數(shù)據(jù)為：
公稱直徑D=20mm
導(dǎo)程p=3mm
螺旋角
滾珠直徑 d=2.456mm
絲杠內(nèi)徑 d=16.5mm
絲杠長(zhǎng)度 L=700mm
（4）穩(wěn)定性校驗(yàn)
絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷（N）按下式計(jì)算：
=
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于剛，E=206GPa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩；為長(zhǎng)度系數(shù)。
依題意， = =6.52xN
安全系數(shù)S===185.2。而[S]=2.5-2.3。S>[S]，絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
（5）效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
= ==0.934
要求在90%-95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，F(xiàn)C1 5010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求。
3.4 帶的設(shè)計(jì)
3.4.1 技術(shù)要求
設(shè)計(jì)參數(shù)：主傳動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速 n=4900r/min
電機(jī)轉(zhuǎn)速 =1460r/min
電機(jī)功率 p=15kw
負(fù)載功率 p=10kw
傳動(dòng)比 i==3.356
3.4.2 帶的計(jì)算
按電磁加載器的傳動(dòng)分析得分兩次升速達(dá)到主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速
i=·=1.78x1.8=3.356
第一次升速相關(guān)計(jì)算
1. 確定計(jì)算功率
由表8-7查得工作情況系數(shù)=1.1
所以=p=1.1x15=16.5kw
2. 選擇多楔帶的帶型
由于本次設(shè)計(jì)是汽車多楔帶的實(shí)驗(yàn)，傳動(dòng)帶一律選用PK型多楔帶
3．確定帶輪的基準(zhǔn)直徑d并驗(yàn)算帶速V
1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑d2。由表8-6和表8-8，取小帶輪的基準(zhǔn)直徑為=126mm
2）驗(yàn)算帶速v。按式8-13驗(yàn)算帶的速度
==16.8m/s
因?yàn)?m/s
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