IM电竞儿童电动摇摇车结构设计【含11张cad图和开题及说明书】

  成功案例     |      2022-10-04 13:52

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  儿童电动摇摇车结构设计摘 要 国内经济快速发展,人们的生活水平提高了很多,在对待孩子的问题上,更是尽一切所能让他们能拥有一个快乐的童年,自从这个摇摇车投放到市场以来,反响非常热烈,几乎所有的小孩都喜欢坐在摇摇车上进行“摇摆”。因此,对其进行设计和研究是非常有意义的。本次设计的主要内容是电动摇摇车的结构设计。在指导老师提供的任务的基础上,对其进行了相应的分析、设计、校核等内容。设计之初通过资料的查阅,了解和掌握电动摇摇车的用途、工作原理、特点等内容,为后面的设计夯实基础。对总体方案中涉及到的电动机、轴承等标准零部件进行选择与确定,对总体方案中涉及到的带轮、V带、轴等主要零件进行设计、计算、校核与确定。完成了上面的设计之后,绘制出了机构装配图,编写了本设计说明书,的完成了本次设计的所有任务,在巩固大学所学知识的同时,还为自己步入社会夯实基础。关键词:电动摇摇车;结构;设计;校核IVABSTRACTWith the rapid development of domestic economy, peoples living standards have improved a lot. In dealing with childrens problems, they do everything they can to have a happy childhood. Since the rocker was put on the market, the response has been very enthusiastic. Almost all the children like to sit on the rocker to swing. Therefore, it is very meaningful to design and research it.The main content of this design is the structural design of electric rocking car. On the basis of the tasks provided by the instructor, the corresponding analysis, design and verification are carried out. At the beginning of the design, through consulting the data, we can understand and grasp the use, working principle and characteristics of the electric rocker, so as to lay a solid foundation for the later design. Select and determine the standard parts such as motor and bearing involved in the overall scheme, design, calculate, check and determine the main parts such as pulley, V-belt and shaft involved in the overall scheme.After completing the above design, draws out the organization assembly diagram, compiles this design instruction, completes all the tasks of this design satisfactorily, solidifies the university knowledge at the same time, but also for oneself enters the society to consolidate the foundation.Key words: electric rocking vehicle; structure; design; checking目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论- 1 -1.1 本课题研究的目的及意义- 1 -1.2 儿童摇摇车机构的概述- 1 -1.3 本课题研究的主要内容- 2 -第2章 总体方案及设计参数及要求的确定- 3 -2.1 总体方案的确定- 3 -2.1.1儿童摇摇车需实现的运动- 3 -2.1.2机构的确定- 3 -2.1.3工作原理- 3 -2.2 设计参数及电动机的确定- 4 -2.2.1通过同类型儿童摇摇车的参考,本次设计的儿童摇摇车其设计参数如下- 4 -2.2.2电动机的选择与确定- 5 -2.2.3电动机型号的确定- 5 -2.3 主要技术参数的计算- 5 -2.3.1电动机具体参数的确定- 5 -2.3.2电机输出轴、曲轴、中间轴及输出轴转速的计算- 6 -2.3.3各轴功率的计算- 7 -2.3.4各轴输入转矩的计算- 7 -第3章 电动摇摇车的机构设计- 8 -3.1 传动比及转速的确定- 8 -3.2 曲柄长度及杆件长度的确定- 8 -3.3 带传动的类型- 9 -3.3.1按工作原理分- 9 -3.3.2按带的截面形状分- 10 -3.4 带传动的特点及应用- 10 -3.4.1带传动的优点- 10 -3.4.2带传动的缺点- 10 -3.5 带轮材料和结构的确定- 11 -3.5.1带轮的材料- 11 -3.5.2带轮的结构- 11 -3.6 带和带轮的计算- 11 -3.6.1确定设计功率- 12 -3.6.2选择带的型号- 12 -3.6.3将带轮的直径确定下来,并且将带子的速度算出来- 12 -3.6.4确定中心距a及带的基准长度- 12 -3.6.5确定V带的跟数Z- 13 -3.7 带轮的技术要求- 13 -第4章 轴的设计与计算- 14 -4.1 中间轴的设计- 14 -4.1.1 中间轴材料的确定- 14 -4.1.2 尺寸与结构设计计算- 15 -4.1.3 强度校核计算- 15 -4.2 曲轴的设计与计算- 17 -4.2.1 曲轴的材料- 17 -4.2.2 曲轴结构型式的选择- 18 -4.2.3 曲轴强化的方法- 18 -4.2.4 曲轴主要尺寸的设计与计算- 19 -4.2.5 曲轴的校核- 21 -第5章 其他零部件的设计、选择、计算与校核- 24 -5.1 机架的设计与计算- 24 -5.1.1 机架机构形式的确定- 24 -5.1.2 机架材料的选择- 24 -5.1.3 机架结构的设计- 25 -5.2 车轮的设计与计算- 25 -5.3 轴承座的设计与计算- 26 -5.4 轴承的选择与校核- 27 -5.5 键的选择与校核- 29 -5.5.1 键联接的概述- 29 -5.2.2 键的选择与校核- 30 -结论- 31 -致谢- 32 -参考文献- 33 -第一章 绪论1.1 本课题研究的目的及意义 儿童电动摇摇车,它是游乐设备中的一种,可供1-6岁儿童玩乐的,但是专一的转动又不具有完全娱乐性,前部加油画屏或液晶动画。一般来说,这个摇摇车都是摆放在商场、超市、卖场、药店、便利店、小卖部、婴幼儿产品专卖店、各类玩具专卖店、社区医院、小区广场、小区公园、主题公园、儿童乐园、小型游乐场、幼儿园、少年宫、车站、码头等人流量集中密集的公共场所的。而此次设计的儿童电动摇摇车主要是面对2-5岁的学龄前儿童,不同于以往童车的娱乐形式,不再是以一个整体进行销售,而是将电动车附带摇摆功能的娱乐模块。这将使儿童电动车的娱乐性不仅仅停留在于儿童开车、坐车的单一形式上,更重要的是提供一个自动往复摇摆状态下电动的儿童车的再创造平台。这不仅是孩子们体验仿真驾驶乐趣的玩具,还提高了儿童身体的协调能力,父母也省心。这篇论文是培养学生具有机械系统运动方案设计能力的技术基础,它是机械原理课程的重要实践环节,其目的在于系统地学习课本理论后,通过设计进一步巩固和加深学生的基本概念和基本知识,培养学生分析和解决有关的具体机械所涉及的实际问题的能力,使学生对于机械的选型,运动方案的确定,运动学和动力学的分析和设计有一个较完整的概念,并进一步提高计算,分析,绘图以及查阅和使用资料的综合能力。1.2 儿童摇摇车机构的概述 本次设计的儿童摇摇车,其主要结构是平面连杆机构。具体简图如下:图 1.1 平面连杆机构见图铰链四杆机构是平面四杆机构的基本型式。其中固定不动的杆称为机架;与机架相连的杆称为连架杆;连接两连架杆的杆称为连杆。两连架杆中,能做整周回转的连架杆称为曲柄;只能做一定角度摆动的连架杆称为摇杆。根据两连架杆运动形式的不同,铰链四杆机构又可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本型式。本次设计的电动摇摇车采用曲柄摇杆机构。 1、平面连杆机构传动的特点 1)运动副为面接触,压强小,承载能力大,耐冲击,易润滑,磨损小,寿命长;。 2)运动副简单(多为平面或圆柱面),制造比较容易; 3)可以实现多种运动规律和特定轨迹要求如:转动,摆动,移动 2、铰链四杆机构曲柄存在条件 三种全铰链四杆机构之间的根本区别,在于机构是否存在曲柄,而有无曲柄和有几个曲柄则与机构中各杆的相对长度有关。 (1)铰链四杆机构中有一个曲柄的条件是: 1) 最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和; 2)连架杆或机架中最少有一根为最短杆。 (2)铰链四杆机构的基本类型判别准侧: 1)若机构不满足杆长之和条件则只能成为双摇杆机构 2)若机构满足杆长之和条件,则 以最短杆的邻边为机架时为曲柄摇杆机构 以最短杆为机架时为双曲柄机构 以最短杆的对边为机架时为双摇杆机构 连杆机构又称低副机构,是机械的组成部分中的一类,指由若干(两个以上)有确定相对运动的构件用低副(转动副或移动副)联接组成的机构。 平面连杆机构中最基本也是应用最广泛的一种型式是由四个构件组成的平面四杆机构。由于机构中的多数构件呈杆状,所以常称杆状构件为杆。低副是面接触,耐磨损;加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面,制造简便,易于获得较高的制造精度。连杆机构广泛应用于各种机械和仪表中。1.3 本课题研究的主要内容 (1)依据儿童电动摇摇车的工作原理,并对其总体方案进行设计; (2)电机功率的计算,电机型号的确定; (3)减速装置类型的选择与确定; (4)制定减速机构设计; (5)偏心轮机构的设计与校核; (6)轴的设计与校核; (7)带与带轮的设计与校核; (8)其他零部件的设计、选择、计算与校核; 第2章 总体方案及设计参数及要求的确定2.1 总体方案的确定2.1.1儿童摇摇车需实现的运动 儿童摇摇车的机械设计原理,是通过电动机旋转带动后曲轴做圆周运动,通过连杆和前摇臂的使前摇臂做前后机械连动,使摇摇车的坐椅和前部实现做上下前后往复运动。2.1.2机构的确定 本次设计的儿童摇摇车其机构采用平面连杆机构。2.1.3工作原理 电动机经过皮带轮减速后用偏心轮转动产生摇摆的,偏心轮的大小决定摆动幅度,由上下两个机架组成,下面的是固定的,上面是活动的,因为固定在偏心轮上,后面有两条活动拉杆,所以前后上下浮动不会翻车。如图2.1:1、活动拉杆;2、机架;3、连杆;4、偏心轮图2.1 儿童摇摇车传动简图 (1)结构分析 通过上面对图的分析,能够知道本次设计的摇摇车,其结构有减速装置,带传动,偏心轮。减速装置的作用是将电机转速降低至设定值。带传动的作用是提供运动和动力。偏心轮的作用决定摇摇车摆动的幅度。本次涉及的传动装置有:电动机、3对带传动、曲轴和中间轴等。 (2)速度的调节 本次速度的调节将取决于2方面:电机转速和偏心轮的结构。 本次设计的电动摇摇车结构简单,制造成本低,适合初次设计制造。电动摇摇车是现在国内儿童游乐场、商场等公共场所用的较多的设备,所以通过查阅资料及向导师请教摇摇车基本模型,利用所学知识可以其各零部件进行计算,校核。2.2 设计参数及电动机的确定2.2.1通过同类型儿童摇摇车的参考,本次设计的儿童摇摇车其设计参数如下 (1)设定其最大承载重量为50kg,摇摇车转动的次数为11.2r/min,参考同类型产品,取其输出转矩为1.228Nm。 (2)承载重量:50kg左右; (3)成品重量40kg左右; (4)产品外形尺寸100cmX60cmX30cm; (5)适用年龄:2岁、3岁。2.2.2电动机的选择与确定 (1)电动机最小输出功率的确定 通过机械设计手册的查阅,确定电动机的计算公式为其中:P电动机的功率, W; F承载的重量,N(50kg=500N); V转动速度m/s;上面已经确定了摆动的频率为11.2r/min;设曲轴的直径为256mm,(该曲轴直径为偏心轮上带轮的直径)得 得电动机的最小输出功率为 通过电机设计手册的查阅,同类型产品的参考,选择电动机的功率为180w。 (2)电动机输出转速的确定 通过机械设计手册的查阅,能够确定电动机输出转矩计算公式为: 其中:T电动机输出转矩,Nm; Pd电动机的功率,kw,上面已经确定其为180w,即0.18kw。 电动机的转速,r/min;得,选取电机的转速为1400r/min。 2.2.3电动机型号的确定 通过电机设计手册的查阅,同类型产品的参考,其电动机选择上海明冠机电有限公司生产的YY6324电动机,该电动机的技术参数如下:功率为180W;转速1400r/min;电压为220V;频率为50HZ;2.3 主要技术参数的计算2.3.1电动机具体参数的确定 通过上面对电动机型号的确定,我们能够找到本次选择的电动机其型号为YY6324。其具体参数见表2.1表2.1 电动机参数对照表 另外通过对上海明冠机电有限公司生产的YY6324电动机的查询,能够知道电动机的外形图及其尺寸对照表。具体见下图2.2和表2.2。 图2.2 电动机外形图 表2.2 电动机尺寸对照表2.3.2电机输出轴、曲轴、中间轴及输出轴转速的计算 通过上面对传动装置的分析:对电动机输出轴、曲轴、中间轴以及传动末端输出轴转速的计算如下: (1)电机转速(I轴转速)的计算 通过上面对电动机参数的查询,能够知道其转速为1400r/min; (2)曲轴转速(II轴转速)的计算 初步确定三对带传动的传动比为5; 这样就得到了 (3)中间轴转速(III轴转速)的计算 (4)传动末端转速的计算 2.3.3各轴功率的计算 取各传动件效率如下: (1)带传动效率:(2)轴承传动效率: 则有各传动轴传递功率计算如下:电机轴 曲轴中间轴2.3.4各轴输入转矩的计算 由机械原理可由机械原理可知转矩计算公式为: 电机轴 曲轴 中间轴第3章 电动摇摇车的机构设计3.1 传动比及转速的确定通过上面第2章的设计与计算,知道电动机的转速为1400r/min,输出轴的转速为11.2r/min。得总的传动比考虑到摇摇车在转动的过程中,要具有缓冲吸振的作用,采用带传动。带传动的传动比不宜过大,取其单级传动比为5,因此,本次设计的从动装置需要3级带传动。3.2 曲柄长度及杆件长度的确定本次设计的曲柄,连杆,其运动简图见下图3.1。图3.1 曲柄连杆运动示意图(1)曲柄长度的确定 曲柄长度的确定,即为摇摇车在转动过程中,最高点和最低点之间的垂直距离;该垂直距离不宜过高,因为其装载的对象为23岁的婴儿,设其垂直距离确定为70mm,即曲柄的长度为70/2=35mm,具体结构见下图3.2曲柄示意图。图3.2 曲柄示意图(2)杆件长度的确定 杆件长度的确定,依据下图3.2杆件示意图,通过下图3.3,本次设计的杆件长度为L1和L2。 通过前面第二章的设计,能够知道本次设计的摇摇车,其总体尺寸为100cmX60cmX30cm。因此L1的长度应该小于1000mm,L2的长度应该小于300mm。取L1=583mm,L2=221mm。1、活动拉杆;2、机架;3、连杆;4、偏心轮图3.3 杆件示意图3.3 带传动的类型3.3.1按工作原理分(1)摩擦带传动 对动力还有运动进行传送的时候,通过传动带还有带轮之间的摩擦来进行如V带传动、平带传动等。(2)啮合带传动 对动力还有运动进行传送的时候,通过带子里面的凸齿跟带轮外面圆上面的齿槽进行咬合来进行的。如同步带。3.3.2按带的截面形状分(1)平带 平带的截面就是一个矩形,里面的表面实际就是工作的表面。用的比较多的平带有帆布芯平带、编织平带、皮革带等等,这个里面用的最多的就是帆布芯平带。(2)V带 V带的截面就是一个梯形,两边的侧面都是工作面。在进行传动的时候,V带两边的面都跟轮槽碰到一起,在压紧力一样的时候,V带用的是越来越多的。V带有好多种,有普通V带、窄V带、宽V带等,在这个里面普通V带用的最多,窄的V带现在用的也多起来了。(3)圆带 圆形带,它的截面就是个圆,传送的功率是比较小的。(4)多楔带 它的组成实际上就是很多根V带,这样的带子结构是非常紧凑的,并且传送的功率是很大的。(5)同步带 这种带子的截面其实就是齿形,它进行的传动实际上就是齿合带传动,在进行工作的时候,靠带的凸齿和带轮外3.2缘上的齿槽啮合传动。3.4 带传动的特点及应用机械设计有基础的要求的,那么对于带传动的好坏进行阐述: 3.4.1带传动的优点 (1)适用于中心距较大的; (2)传动带的弹性是非常好的,可以将震动缓冲吸收下去,特别是这个v带上是没有接头的,在进行传动的时候非常稳定,产生的噪音不大; (3)有过载出现的时候,带轮上面的带子会有打滑的状况出现,这样一来别的零部件就可以不被破坏了; (4)它的结构相对来说不复杂,在进行制造还有维护的时候非常方便,价格也比较低。3.4.2带传动的缺点 (1)传动的外廓尺寸较大; (2)因为要进行张紧,所以在这个轴上面受到的力量就比较大; (3)工作进行中,必然出现弹性滑动,这样一来主动轴跟从动轴的速度比就没有办法确保了; (4)带的寿命短; (5)传动效率降低; (6)在进行带传动的时候,有可能摩擦会出现火花,或者摩擦会有电出现,所以它是不能安置在易燃易爆的地方的。 查了书本就可以知道V带其实有很多种的,根据计算的功率,还有小带轮工作时候速度大小,论文里面用的V带确定就是A型的。正常来说,在进行带传动的时候,功率大小是P100KW,带子的速度大小就是V=5-25m/s,传动比i5,传动效率为94%-97%。特种高速带的速度的大小是60-100m/s,传动比i7.3.5 带轮材料和结构的确定3.5.1带轮的材料带轮的原材料是灰铸铁,在这个带子的速度小于每秒二十五米的时候,用的原材料就是HT150;带速v=25-30m/s时,采用HT200。如果带子的速度更快的时候,使用的结构是铸钢或者是钢板来进行焊接的,功率不大的时候用的材质是铝合金,也可以是塑料等等。论文里面带轮的原材料用的是HT150。3.5.2带轮的结构按照轮辐的构造来进行分类,有实心式的,轮辐式的,还有辐板式的,V带轮一般用的原材料都是灰铸铁,还有钢,铝合金等等,其中以灰铸铁应用最广。带轮的组成部分有轮的边缘,腹板,还有轮毂。带轮外面的那一圈圆的就是轮缘,它也是一个工作零部件。带轮的构造在进行确定的时候依靠的它的直径,因为它的直径在D(2.5-3)d,那么这个小带轮就用实心的;对于比较大的带轮来说,因为直径的大小是D300mm,所以大带轮用的就是腹板式。3.6 带和带轮的计算 因为传动是用带轮,这样的方式是用的最多的。它的优点是传动的时候工作的效率是很高的,而且工作起来比较可靠,使用的年限也比较长,平均传动比准确,它的结构是比较紧凑的而且使用的领域很多。要进行带轮传动的话,要达到以下几点要求: (1)震动要小一点,噪音要尽可能的降低,在运动的时候精确度还要高。 (2)机器自身的额定承载重量要高一点,同时机器的外形要小一点,重量要轻一点,带轮强度要更高一点,耐磨的程度也更高一点,使用时间要能够满足要求。 在对带轮进行设计的时候,只要设计的比较合理的,制作带轮的材料还有在进行热处理的时候的选择正确,加工出来的产品质量过关,而且精度也很高,这样就能达到了预期的效果了。具体设计和计算如下:3.6.1确定设计功率 其中:P为传递功率,单位为kw 代表工作情况系数,具体的大小差表格10-10;因为承受的载荷变化不大,载荷是空的时候,或者比较轻的时候启动进行工作,并且每天最多工作十个小时。所以选择=1.1所以3.6.2选择带的型号 选择V型号带。3.6.3将带轮的直径确定下来,并且将带子的速度算出来(1)确定小带轮的基准直径大小小带轮直径要比最小基准直径大一些,查阅机械有关资料以后,确定V带的小带轮的直径大小是50mm。因为前面已经确定了传动比为5,所以得到小带轮的直径大小是250mm。(2)演算带速V所以,故带速合适。(3)将大带轮基准直径算出来因为前面已经确定了传动比为5,所以得到小带轮的直径大小是250mm。3.6.4确定中心距a及带的基准长度(1)初定中心距a 初步选择a.=400mm(2)初算V带(3)确定带的基准长度查询机械的有关书籍之后,确定跟差不多的标准的长就是1300mm。(4)确定传动中心距a3.6.5确定V带的跟数ZV带跟数计算公式为式中:一根V带的额定功率,通过插入法就可以算出来=0.17kw额定功率的增量=0kw包角系数,用线长度系数,查询机械的有关书籍之后=1.08所以,取Z=1根。3.7 带轮的技术要求 在带轮上不能出现砂眼,气泡,缩孔,裂缝等; 带轮轮槽工作面的表面粗糙度要小于3.2um,轮缘还有轴孔的这个面的表面粗糙度数值都要小于6.3um,轮槽下面的表面粗糙度数值要小于12.5um,轮槽的棱边要进行倒圆或者是倒钝的处理。第4章 轴的设计与计算4.1 中间轴的设计4.1.1 中间轴材料的确定成本上来讲,碳钢要便宜一些,不过它的敏感性就没有那么好了,所以可以进行热处理或者是用化学热处理的方法来增加它的耐磨性还有抗疲劳,所以在生产轴的时候用的比较多的这种材质,其中最为常见的是用45钢。合金钢跟碳钢来进行比较,合金钢不管是力的性能,还是淬火之后的性能,都比碳钢要强的多,如果传送比较大的动力,并且要求体积不能大,重量要小一点,还有轴的耐磨性能要好,所工作的地方温度是比较极端的,这个时候通常都是用合金钢的多。假如轴应力不高,从造价上来看,在很多时候用碳素钢,它的强度是非常小的,比方说Q235-A钢等,有的时候也会选择比较优质的碳素钢,举个例子四十五号钢,通常对材料进行热处理的时候按照毛坯供应的热处理来进行,在图样上不需要在提出别的要求了。假如轴的应力很高,通常来说用的都是调质钢,很多时候所包含的碳有,是碳素结构钢,合金结构钢,这代表了调质钢都是要进行调质的。在进行调质之后,材质的组织就变成索氏体了。调质钢类型比较多,一般经常能看到的有45Mn2等,这些钢在进行调质处理了之后强度变的更好了,不过淬透性就没有那么好了,物质也不是均匀的,强度小,通常都是用在生产量少,应力也比较低的轴的上面。论文里面的轴,确定原材料是45号钢。轴上面各个部位的长度的长短和直径确定,是通过确定轴上面零件确定制造,装配和拆卸,这样他们的尺寸就出来了。同时对于中间轴来讲,一般的安装步骤是:第一步、最中间的转动的地方;第二步、将轴安放在箱体上面;第三步、进行端盖的安装(轴承);第四步,安装轴承以及轴承座安装。通过上面的讲述:儿童电动摇摇车的关键零部件之一就是中间轴。4.1.2 尺寸与结构设计计算通常来说,进行设计的时候不能根据轴所受到的载荷来确定每一段轴的直径大小。轴上各直径要的轴段直径以及轴上承受力的大小是密不可分的。在初定各段直径的时候一般不晓得支反力点作用在哪里,因此也就很难认定弯曲距的数值和具体位置。在从事设计工作之前,在设计各轴段结构的时候,一般还是能够计算的出来轴上的转动距的。故,初定轴径。一开始算轴的直径的时候,如果直径最小的地方有键槽,那么这个键槽对轴强度大小的影响还要考虑进去。在这个轴的截面上有一个键槽的时候,直径就变大百分之五到百分之七,在轴的截面上有两个键槽的时候,直径就变大百分之十到百分之十五。按扭转强度来初步确定:1、主导动轮轴上的功率P1,转速n1和转矩T1,2、首先将轴最小的直径确定下来根据公式先把轴的最小直径算出来。确定轴用的是45号钢,要进行调质。根据机械设计表11.3,取,于是得:3、按照轴方向上定位时候的要求,将这个轴每一段的直径大小,还有每一段的长都确定下来。在这个地方有一个键槽,所以轴的直径要大5%10%,所以就确定下来这个定位中间轴的最小直径大小就是17mm。4.1.3 强度校核计算1、求作用在轴上的力查阅相关手册可以知道:2、算出来轴上面的载荷一开始按照州的结构图纸,将这个轴的计算简图画出来。将轴承支点所在的地方确定下来之后,到书本里面将a的大小查出来。因为是6207型深沟球轴承,再查书本可以知道a=17mm。因此,轴的支撑跨距为L1=172mm。按照轴的计算简图,将它的弯矩图还有扭矩图都画出来。通过轴的结构图纸,还有弯矩图纸,扭矩图纸可以发现,截面C这个地方就是轴的危险截面。先将危险截面这个地方的MH、MV及M的值算出来,在下面的表格3-1里面展示的就是。表3-1 MH、MV及M的值载荷水平面H垂直面V支反力F,C截面弯矩M总弯矩扭矩图3-7 弯矩和扭矩图3、按弯扭合成应力校核轴的强度按照前面的表格的数据,还有轴进行的旋转是一个方向的,扭转切应力,那么它的大小就是,按照下面的公式算出来轴的应力大小:确定轴的原材料是45,对它进行调质。查得,故安全。4.2 曲轴的设计与计算4.2.1 曲轴的材料在曲轴的结构设计和加工工艺都正确合理的情况下,同时曲轴的材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。因此,需要根据零部件的用途及强化强度,以选择正确的曲轴材料,同时,在保证曲轴能够承担足够的强度的前提下,曲轴的材料尽可能选用一般的材料。如以铸代锻,以铁代钢。选择曲轴的材料时,除了应具有较好的机械性能外,还需要要求具有高度的耐磨性,耐疲劳性和冲击韧性。同时还要考虑曲轴的加工工艺简便和造价低。儿童摇摇车曲轴通常用高强度、冲击韧性好的中碳钢或中炭合金钢,经模锻和调质处理,对轴颈表面通过高频率淬火和氮化处理,经精加工而成。本设计中采用45钢铸造曲轴。4.2.2 曲轴结构型式的选择曲轴的结构型式与其制造方法有直接关系,在进行曲轴设计时必须同时考虑。曲轴有整体式曲轴和组合式曲轴两大型式。而儿童摇摇车常采用组合式曲轴,这是因为其加工简单,不需要大型模锻设备,它由曲轴左半部、曲轴右半部及曲轴销组成。通过液压压入的方法将其接合起来。本设计中采用滚动轴承作主轴承。这是因为使用它具有以下优点:1) 可以采用隧道式曲轴,保证曲轴箱有较高的刚度和强度;2) 可以减少摩擦损失,提高机械效率,因而使燃料消耗下降;3) 儿童摇摇车起动较为容易,尤其在气温较低的时候;4) 采用滚动轴承后,对主轴的润滑较易实现。4.2.3 曲轴强化的方法提高曲轴的疲劳强度是设计人员必须努力解决的问题。为了提高曲轴的疲劳强度,可以采用一系列结构设计和工艺设计措施。在结构设计方面,可以采用以下措施:(1)加大轴颈的重叠度。(2)采用较大的圆角半径可以使圆角弯曲形状系数下降,从而提高弯曲强度。(3)轴颈上设计卸载槽使应力分布更加均匀,而且沿轴颈和曲柄臂宽度的最大应力较小,还可能使轴颈到曲柄臂过渡圆角的半径增大。(4)曲柄销的内卸载孔相对其几何轴线远离曲柄半径中心呈偏心布置使圆角处的弯曲应力降低,提高疲劳强度。(5)增大曲柄臂的厚度和宽度。除了设计措施外,工艺方面利用特殊的机械加工方法、热处理或化学处理方法强化表面,以提高曲轴的疲劳强度。常用的表面强化工艺有以下几种:1)圆角高频感应淬火;2)圆角滚压强化;3)氮化处理;4)喷丸强化。此曲轴的设计采用氮化处理工艺。4.2.4 曲轴主要尺寸的设计与计算在选定曲轴材料、毛坯制造及其基本结构型式后,便从单位曲拐(包括主轴颈、曲柄销和曲柄等主要部分)着手确定主要尺寸和结构细节。曲轴的基本尺寸大多根据儿童摇摇车的总体布置来考虑。1、曲轴的工作条件曲轴在工作中要承受扭转力矩的作用。除此之外,施加在连杆轴颈上的径向力还要使曲轴承受弯曲作用。因此,曲轴是在同时承受扭转力矩和弯曲力矩的复杂应力情况下工作的。2、曲轴的设计要求曲轴的设计应符合下述要求:(1)具有足够的疲劳强度,以保证曲轴工作可靠。设计时应尽量减小应力集中,加强薄弱环节。 (2)具有足够的刚度,是曲轴变形不致过大,以免恶化活塞连杆组及轴承的工作条件;同时应避免在工作转速范围内出现共振,以防产生过大的扭矩、横向和轴向震动的附加应力。 (3)轴颈具有良好的耐磨性。应根据轴颈比压,选取适当的轴承材料、轴颈硬度和加工精度,以保证曲轴和轴承有足够的寿命。(4)曲柄排列应合理,以保证汽油机工作均匀;曲轴平衡性良好,以减小震动和主轴承最大负荷。 (5)材料选择适当,以充分发挥材料强度潜力。3、曲轴的结构形式按结构形式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。整体曲轴结构简单、重量轻、工作可靠、使用广泛,尤其在中高速汽油机上应用更为普遍。4、曲轴设计图3.1所示为儿童摇摇车的曲轴实物图,它是儿童摇摇车的主要旋转部件,一般用铸造的方法。曲轴所有支撑表面都经过仔细的机械加工和精密的研磨。平衡块用来平衡与曲轴销相连的连杆重量。因为铸造或锻造的连杆,重量不同,所以常常在平衡块上钻许多孔,以平衡曲轴和防止振动。图3.2 曲轴主视图通常来说,进行设计的时候不能根据轴所受到的载荷来确定每一段轴的直径大小。轴上各直径要的轴段直径以及轴上承受力的大小是密不可分的。在初定各段直径的时候一般不晓得支反力点作用在哪里,因此也就很难认定弯曲距的数值和具体位置。在从事设计工作之前,在设计各轴段结构的时候,一般还是能够计算的出来轴上的转动距的。故,初定轴径。一开始算轴的直径的时候,如果直径最小的地方有键槽,那么这个键槽对轴强度大小的影响还要考虑进去。在这个轴的截面上有一个键槽的时候,直径就变大百分之五到百分之七,在轴的截面上有两个键槽的时候,直径就变大百分之十到百分之十五。按扭转强度来初步确定:1、主导动轮轴上的功率P1,转速n1和转矩T1,2、首先将轴最小的直径确定下来根据公式先把轴的最小直径算出来。确定轴用的是HT200,要进行调质。根据机械设计表11.3,取,于是得:3、按照轴方向上定位时候的要求,将这个轴每一段的直径大小,还有每一段的长都确定下来。在这个地方有一个键槽,所以轴的直径要大5%10%,所以就确定下来这个定位中间轴的最小直径大小就是17mm。4.2.5 曲轴的校核根据曲轴过度圆角处的弯曲、扭转应力的实测值及材料的疲劳强度极限,可以进行安全系数的计算。曲轴的安全系数即曲轴强度的储备系数,它表示曲轴本身的疲劳强度与工作应力之比。1)圆角安全系数可用下式计算:只考虑弯曲时的安全系数:只考虑扭转时的安全系数:式中-1、-1曲轴材料对称循环弯曲和扭转疲劳极限。对于钢曲轴的预算可采用:-1=0.45b,其中为材料的拉伸强度极限。由材料力学查得b=598MPa;则-1=269.1MPa,-1=(0.550.60)-1=148161.46MPa,取-1=150MPa;、分别为弯曲和扭转时圆角处的应力集中系数;强化系数,由设计表5-4查得=1.3;、绝对尺寸影响系数。由设计表5-5查得=0.91,=0.89;、材料对应力循环不对称的敏感系数。其值可通过、来计算,、分别为脉动循环时材料的弯曲和扭转疲劳极限,对于钢曲轴=(1.41.6)-1=376.74430.56MPa,=(1.62.0)-1=240300MPa,取=400MPa,=250MPa;则=0.35,=0.2;、圆角弯曲名义应力的应力幅和平均应力;、名义切应力的应力幅。要计算弯曲圆角处的应力集中系数,首先要求得弯曲形状系数和弯曲应力集中敏感系数。而,由设计图5-16图5-24查得=0.01,=0.92,=1.03,=0.985,=1,因而求得=0.04。由设计表5-2查得=0.7。而。由可求得,由设计表5-2查得=0.12,而可由求得。又由设计查得=1.3,=1.48,=1.32,=1.05,=0.965,=1,则求得=2.573,则=1.19。圆角弯曲的最大应力,式中为曲柄的名义计算应力,其值采用轴颈名义应力来计算,而MPa,代入上式求得=18.68MPa,而此时相应的形状系数MPa,由此求得MPa,进似的取MPa。圆角表面的最大切应力可由求得,式中为轴颈名义应力。,由此得=45.04,因而计算出=115.89MPa。进似的取=57.94MPa。由此得出弯曲时的安全系数=3.60,=2.08,则=1.801.5。所以所设计的曲轴安全。- 32 -第5章 其他零部件的设计、选择、计算与校核5.1 机架的设计与计算5.1.1 机架机构形式的确定在设计机架的时候,要确定刚度,还有强度,以及稳定性。另外,针对非常紧密的机器,还要对机器的变形进行考虑。在设计的时候,变形的状况不能太大,机架的刚度还有强度,在进行考虑的时候要从两个方面进行,一个是静态,还有一个是动态。要将静刚度提高还有固有频率提高,使用的方法是,对机架截面的大小还有尺寸进行合理的设计。合理选择壁厚和布肋。一定要关注机架的整体还有布局,还有刚度,还有结合面的刚度相互匹配等等。机架设计的一般要求:1、强度还有刚度都满足的时候,机架自身的重量要尽可能的轻一些,这样成本就降低了。2、抗腐性好,把受迫震动副减小到最小3、机器在进行工作的时候,噪音要降低一些。4、设备的温度要分布的合理,热变形针对温度的影响没有多大。5、对机架的结构进行设计的时候要合理,工艺的性能要好,方便进行铸造加工,焊接,还有机械生产。6、机架的结构在安装还有调试的时候要方便,维修还有更换零件的时候要方便。7、机架上装有导轨的,轨道的面受力一定要在合理范围里面,耐磨性能要好。8、造型看上去漂亮,这样一来不仅造价不高,而且看上去还漂亮。按照上面罗列的这些种种,再加上儿童摇摇车在实际工作的时候的状况,确定的机架就是框架式的。5.1.2 机架材料的选择大部分的机架结构都是很复杂的,通常使用的原材料是铸铁。因为进行铸造的时候性能好,成本不高,还能降低震动,一些重型的机架一般用的都是铸钢。在质量要求轻一点的时候,就使用铸造或者是锻造的铝合金等等。焊接机架在进行加工的时候,加工时间段,并且质量还轻,成本不高等这些好处,所以说在生产机架的时候,焊接机架现在是越来越多。焊接机架是通过钢板,型钢,还有铸钢焊接起来的。有的机架使用的原材料还不是金属材质。按照经验,查阅资料之后,论文里面使用的机架是铸铁。查表得铸铁牌号为HT200,流动性是比较好的,体积的收缩,还有线收缩都不大,这样一来可以进行复杂结构的加工,在铸铁里面可以加一些少量的金属元素,可以将它的耐磨性能提高。铸钢里面的摩擦是比较大的,阻尼的作用比较大,所以说动态的刚度是很好的。铸钢的切削性比较好,价格低,用起来也方便,可以生产的数量比较多。铸铁基本上都是用在轧钢机器上,重型机床上等等。在论文里面使用的材质是HT200。5.1.3 机架结构的设计本次设计的儿童摇摇车,采用HT200灰铸铁,采用焊接的方式获得,具体结构形式见机构装配图。5.2 车轮的设计与计算据英国科学史家李约瑟考证的结论,约在四千五百年到三千五百年前,中国出现了第一辆车子。而左传中提到,车是夏代初年的奚仲发明的,如果记载属实,那是四千年前的事情。在殷代(距今三千多年前)文物中,考古学家也发现了殉葬用的车,当时的车子由车厢、车辕和两个轮子构成,已经是比较成熟的交通工具了。中国古代有传说是轩辕黄帝把木头插在圆轮子中央,使它运转,因而造成车辆。但鉴于归功于黄帝的发明实在太多,我们也不能轻易把这个说法当真。以埃及的战车为例。这些战车具有带辐条的车轮,轮上装有坚固的箍,并且车轮用锲子紧紧钉在轴上。车箱、车辕和两副挽具证明了同样的技术。如果我们想从在埃及战车或罗马战车的创造者那里所看到的那种精细活计探求人类发明带轮车的过程,那是没有什么益处的。但是,常常有这种情况:能够找到一些制作粗糙的物品,而这些物品就好像是技术之早期阶段的再现。古代最简陋的乡村大车,用两个几乎一英尺厚的圆形木作车轮,是用横断的树干做成的,同时,这些圆形物,或者叫车轮,不是在轴上旋转,而是固定在轴上。车轴安放在特制的木框内,或者是在两块窄木板内,或者是穿在车底上的环孔里,同它的一对轮子一起转动,就像小孩儿的玩具车那样。有趣的是,在条件已经改变的情况下,铁路车辆的制造者们又恢复了这种构造。在像葡萄牙这样一些国家里,到现在还可以看到轴和车轮一起转动的古典车子。于是可以设想:类似的大车说明,带轮的车是怎样发明的。最初用的是轴,或滚子,是用它们来滚动大石头或其他巨大的重物。我们可以想象,用光滑的树干或圆木做的这类滚子,起初是这样完成的:把它的中间部分削细一些。于是,它就变成了一个两端带着宽圆滚的轴。我们猜想,轴是处在某一种最简陋的梁木架下,并在架下转动的。于是我们就有了一辆最简单的想象中的带轮车。完全可能,类似关于车的第一个概念出现之后,轮就开始单独制造,并把它固定在一个活动的轴上,装上了轮箍。后来,有了轻便的车轮和光滑的轮座,于是车轮就在不动的轴上转动了。当然,所有这些,无非是一种想象,但是,无论如何,它使我们的头脑完全清楚了车的本质。1、组成构造车轮由轮毂、轮辋以及这两元件间的连接部分(称轮辐)所组成。1、辐板式车轮的构造由挡圈,轮辋,辐板和气门嘴伸出口组成。2、辐条式车轮的构造轮辐是钢丝辐条或是和轮辋铸造成一体的铸造辐条。轮胎规格:轮胎规格常用一组数字表示,前一个数字表示轮胎断面宽度,后一个表示轮辋直径,以英寸为单位。例如165/70R14表示胎宽165毫米,扁平率70,轮辋直径14英寸。中间的字母或符号有特殊含义:“X”表示高压胎;“R”、“Z”表示子午胎;“一”表示低压胎。层级:层级是指轮胎橡胶层内帘布的公称层数,与实际帘布层数不完全一致,是轮胎强度的重要指标。层级用中文标志,如12层级;用英文标志,如“14PR”即14层级。轮辋规格:表示与轮胎相配用的轮辋规格。便于实际使用,如“标准轮辋5.00F”。速度等级:轮胎在规定条件承载规定负荷的最高速度。字母A至Z代表轮胎从4.8km/h到300km/h的认证速度等级。常用速度等级:Q:160km/h;R:170km/h;S:180km/h;T:190km/h;H:210km/h;V:240km/h;W:270km/h;Y:300km/h;Z:ZR速度高于240km/h。本次设计的车轮使用HT200灰铸铁,支撑整个摇摇车,5.3 轴承座的设计与计算有轴承的地方就要有支撑点,轴承的内支撑点是轴,外支撑就是常说的轴承座。由于一个轴承可以选用不同的轴承座,而一个轴承座同时又可以选用不同类型的轴承,因此,带来轴承座的品种很多。轴承座快易优有收录,许多国外大的轴承公司也都有自己的轴承座型录。但是同样的轴承座型号在不同的公司样本里的标记也不完全相同。对于标准轴承座不同的应用场合,可选择不同材料的轴承座如:灰口铸铁铁、球墨铸铁和铸钢、不锈钢、塑料的特殊轴承座。根据轴承和轴承座的不同要求,轴承座的分类也不完全相同,在使用的时候要根据设计,认线、按轴承座的形状分类:(1)外球面带座轴承,也称轴承单元(SKF的说法)。不带轴承的时候就叫外球面轴承座。1.1.1.1外球面轴承座其根据轴承的系列分为200系列。500系列。300系列。600系列。XOO系列。(2)外球面轴承座按形状分为立式座(P座),方形座(F座),菱形座(FL座),圆形座(C座),凸台圆形座(FC座),凸台方形座(FS座),暗孔座(PA座),吊式座(FA座)。(3)整体式(即非分离式)立式轴承座组座,带螺丝紧固的轴承箱盖。这些立式轴承座组座最初是作为轻轨道卡车的轴箱开发的,但也可用于传统的立式轴承座组。非分离式立式轴承座组座比分离式轴承座刚性高,有些可承受更重的载荷。外球面轴承座也属于整体式座。(4)剖分式轴承座剖分式轴承座,根据选配的轴承不同以及轴的要求分SN2、5、3、6系列,SNL2、SNL5、SD有2、5、3、6、3100、3000、32001 轴承座分为:剖分式轴承座、滑动轴承座、滚动轴承座、带法兰的轴承座、外球面轴承座等。本次设计中涉及到的轴承座采用整体式,其材料为HT150。5.4 轴承的选择与校核1、根据承受载荷比较大的滚动轴承来确定它的型号,因为支承的跨距没有多大,所以用的是两头固定的轴承组合。轴承用的是深沟球轴承,预计它能够使用的时间是: Lh29200h通过前面算出来的结果,可以知道轴承的径向力大小Fr1=340.43N,轴向力为Fa1=159.90N,2、确定轴承是滚动轴承,型号是6205,这种轴承的额定动载荷大小是Cr=51.8KN,基本额定静载荷为C0r=63.8KN。3、径向当量动载荷动载荷为,查得,则有满足要求。4、轴承润滑的选择在进行工作的时候既有滚动又有滑动,所以这样以后就摩擦和磨损都少了很多,这样就可以很好的降低了烧伤还有锈蚀的可能性,所以我们一定要进行润滑。我们经常用的润滑剂有油还有脂状的还有固体状的。油比脂要好,可以在高温的情况下使用,在脂不能满足的情况下我们都是使用油。但是脂比油好在密封性好而且不容易流失,加一次可以用好久,所以脂用的也是比较多的。我们论文里面需要的轴承转动的速度要低一点而且要能够承受一定的重量,并且在工作的时候是不间断的,所以我们在对它进行润滑的时候,还是润滑脂更好一点。5、轴承的预紧预紧的意思就是我们把轴承撞到座和轴的上面以后,我们通过一定的方式让里面滚动的物体和里面还有外面的全之间保持压紧的状态。预紧轴承是为了:在支撑的时候刚性更好,震动和噪音能够有效的降低,也要防止滚动体因为惯性在圈内和圈外进行滑动。6、经济性要求我们对轴承的价格进行比较,正常情况下深沟球的这种轴承价格比较低,磙子轴承比球轴承的价格要高一点。精度越是高的轴承,价格就比较高了。我们在选使用什么轴承的时候,需要仔细的对轴承的价格进行了解一下,在满足各种需要的前提,尽量使用成本低的。我们这篇论文里面的密封就是对轴承的密封,在进行密封的时候我们用的是毡圈来进行的,这样能够有效的防止灰尘进到轴承里面,让轴承始终保持干净。我们使用毡圈来对轴承进行密封主要是因为这样的密封装置结构非常的简单,成本也很低而且使用的范围非常的广泛,是用矩形毡圈装在梯形槽然后产生径向压力来达到密封的效果的。5.5 键的选择与校核5.5.1 键联接的概述轴还有带毂的零部件上用到键还有花键,键的作用是进行固定,将转矩传递出去的。有的时候,键还可以对轴向进行固定,还能将轴向力传递出去;有些则能构成轴向动联接。键这个零件是符合国家标准的,有两种类型:(1)平键和半圆键,他们之间的连接是松连接;(2)斜键,构成紧联接。1、平键和半圆键联接平键联接键的侧面是工作面。在完成任务的时候,键跟键槽之间相互挤压,将转矩传递出去。根据使用的途径不一样,可以分为普通的键,导向键还有滑键。普通平键,它进行的联接是静联接,根据键的结构不一样,可以进行分类,一个是A型的,就是圆头的,一个是B型的,就是方头的,还有一个是C型的,就是一头方一头圆的。在轴上面用键槽铣刀就使用A型的,在将这个槽洗出来的时候,在里面固定键的效果是比较好的。不好的地方就是,在这个键头顶上的侧边跟轮毂上的键槽没有碰到,所以这个键的圆头这个地方没有完全使用,这样一来在这个轴上面顶头这个地方应力是很大的。平头的平键就么有这些不好的地方,但是太大的键应该用螺丝固定起来,防止出现滑脱的现象。导键联接和滑键联接,他们的连接都是动态的,都是可以进行移动的。导键根据内部结构不一样可以进行分类,有圆头的,也有方头的,固定在轴上都是通过螺钉来实现的。半圆键联接半圆键是用来进行静连接的,在这个键侧边的面,是进行工作的这个面。这种类型的键连接好的地方就是工艺性好,不好的地方就是在轴上面的键槽是很深的。它连接的都是比较小的载荷,当然也可以用来连接锥形轴的。2、斜键联接楔键联接在这个键的上边的面,还有下边的面都是工作的面,这两个面都跟毂还有周上面的键槽紧紧的靠在一起。键的上表面具有1:100的斜度。

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