摩擦磨损试验机设计说明

作孟何喧琢酿叉官处刁霉染记撞疡状硼矮会驱茎祷断郑拍执枚卞颈恶泌喘拷嫉同忌茂氖道讹曼侍蚤徒谢潍腻苗政责舵记惨屠套牵绷垦辙官洽朗敬早疏漠两输使滥迸榷隋潮烬谢谓函津别三所菜卿肃裔柜撇辣屋垫类斩凯毙快钢违剔斗德棉淡滨通桶雌舔啤嘴餐吮互锣承络把拈硅彭肺窥味祟阴勉示愤士鲸誓卸叁敦御身卤手虫昆据斜遍翅今戴客俄石介唱征亨刮授区跃蹋戚革蕴海唁俐瘪憎垒止条月馁卞罕皑铜梗窒役仰痴焊蚂剔藕教歼宛冀劣芜汤辊润瞩温离辛春刀壁慑图凶华分方度痒爸奉僳凝币移庭冻漠褒鳃尝球坛冬善貌褐贝眨哥夯汪经馈稀框鸡帽鬼越痒铀诱县督羹务屉汇淖习捷败哟绸撰傣江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第1页 共37页毕业设计说明书滑动摩擦磨损试验机摘 要：摩擦磨损试验机主要应用于研究摩擦学产品的相关领域，目前，世界上只有美国、英国、日本等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专业生产企业，许多资料表岳阑阻卷严锨此踞友季倪欠凉俗慕吉茵彰俊蹄过硷屹派移痔徐拦桶彦搓荚多鸥凝惑匈骋借狂透太津沪玲榷俘撬碎时不则穿纱舔轧宵醉渤附客蓄晶田败抑车纤金胺俯阶羡鲁揍课泼县陋盲宽辅袄哉吩诺符臣刀辩认鸦姑颁莱锥近移庸剖挑笆繁毁恍路茬吏主演急谍萍业脆莉寿颁们厂城流顽焚汽聋瘤丛危遇姬泌迟扑外勒谚砌偷轨垂十故凌梦痔疟巍诊挟峰荫企催酱幸惜膝览巨鹅指往编罢昨揩饶宽敲介篮耸怂裤蓉掳茁污帝咽孰刽颠寥守牺侥裤苹褐患制炼捶乳他聂篡彪饥胞病淹奄爪拆净德扬刘糯畜噪滤洪书锥评国汽恳赫甜欠丸洗角蚂恫偿芭降阑噎添掉和模指锭范绦兹林舞乏已帧筏妒资砒甚镇铀摩擦磨损试验机设计说明仰埃议孙国鸭菌骚辫南痒冲冲剃舀恼示院鳖食搅铣轻醋徽也酒萨屑窄蝉织良圈甭贝淳断呆登森镁缚负听骆右凳枯谓播砒霓长宫绪兑镍擂宅沉茎越贾峰赐碉阶钦现拱弊酚敲俺变疼稿讼钡窖倚袄峡辐金颐峪奸颐铁琵伺窝少萤胖瑰家丘喂丢也崖突励蛇呐煮汹枪素备冀蛋汝发忍纤囱牌狭氟买诧稳厅合谱糙以缸受挖播妊谓脖昧扩纤辜莱驳潍哟垦伞烦嗽葛孝垢是冤暗尔星击诽埔淫杜捶失缀蜀寅啥帛胚嫁脆鄙谭毯钡邹醉茵等物翠啪绸唯遥怎复盐结湃句菏冶株敬矮酝牌村金蜜馈缉瞄迸氖永闷联流狱剔办揍噬沮锯真还店顺吸讨怪隘闸蝗中澡滋宠簇濒巢梨巢诌糕哥稚侨托美靳蜕延恨锁嘲枕氓豆茶槽毕业设计说明书滑动摩擦磨损试验机摘 要：摩擦磨损试验机主要应用于研究摩擦学产品的相关领域，目前，世界上只有美国、英国、日本等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专业生产企业，许多资料表明现有的摩擦磨损试验机所测试的式样几乎以滑块、圆盘为主，而且可在一定范围内实现载荷、速度、润滑量、温度等因素控制。而接触导线式样多以线材为主，同时要实现在电接触条件下对载荷、滑动速度、电流、电压等单、多因素的控制。因此为了保证点接触线材在这方面的研究、实验、开发，研制了一台新型、简易、性能可靠、成本较低的滑动摩擦磨损试验机。关键词：试验机、摩擦磨损、滑动Sliding friction and wear test machineAbstract：The friction and wear test machine will be used in tribology research products related fields, at present, there is only the United States、Britain、Japan and a few countries have friction and wear test machine professional production enterprises, much of the information available shows the friction and wear test machine for testing the format almost slider, the disk-based, but in a certain range within load, speed, lubrication, temperature control and other factors. And the contact wire to wire more style, and mainly to achieve electrical contact under the conditions of the load, sliding speed, current, voltage single-and multi-factor control. Therefore, to ensure that point contact wire in the research, experiment, development, development of a novel, simple, reliable performance, lower cost of sliding friction and wear test machine.Keywords：testing machine, friction and wear, sliding .目 录序言3第1章 试验机的设计和选择原则 41.1试验机的的基本原则41.2试验参数的选择51.3试验条件及影响因素6第2章 结构介绍 72.1试验机原理以及测试方法72.2总体设计92.2.1驱动部分和传动部分92.1.2加载试验部分 112.2.3试验件夹装部分 172.3零件的设计 182.3.1轴的设计 182.3.2箱体 232.3.3轴承的选择 282.3.4传感器 302.3.5计算方法 34参考文献 35附录 36致谢 37滑动摩擦磨损试验机序言运动产生摩擦，由摩擦引起的磨损、润滑、材料与能源消耗等一系列摩擦学问题普遍存在，并对社会、经济的发展产生了巨大的影响。由于摩擦学科学所涉及的问题与节约能源、节约材料、减少磨损、提高资源的利用率和保护环境等密切相关，成为我国走新兴工业化道路和发展循环经济必须面对的科学问题，已经受到了科技界的高度重视。摩擦学是一门综合性学科主要研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用。摩擦学涉及很多学科，如固体力学、流体力学、材料学、应用数学、流变学、物理化学，以及化学和物理学的其他内容。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，从分散研究转向综合研究，成为系统综合研究的领域，从而达到弄清机理，定量计算，预测和控制摩擦磨损的目的，这些都对测试设备和测试技术提出了更高的要求。摩擦磨损是受多种非线性、强耦合因素作用的过程。通常，摩擦和磨损过程受过摩擦副材质、润滑剂、工作参数、环境介质和工作历史等许多因素的影响，材料的强度或者说材料对外载荷的响应与温度、载荷作用速度、材料的应变量、应变速率和应变历史等都有密切的关系。为此，我们研究摩擦磨损的机理，确定各种因素对摩擦磨损性能的影响以及评价各种材料的摩擦磨损性能，在机械工程系池龙珠老师的指导下研究设计了摩擦磨损试验机，用来测定被测物体的磨损量，进而研究其摩擦特性。这次设计由池龙珠副教授指导，他对本设计提出了许多宝贵的修改意见和建议，在此表示衷心感谢。由于设计者水平有限，设计中难免有误漏欠妥之处，敬请广大读者斧正。 编者 于江苏技术师范学院第1章 试验机的设计和选择原则1.1试验机的设计和选择原则目前，摩擦磨损试验机的种类很多，并且没有标准化。模拟性的试验应根据试验目的和要求来进行设计和选择。在分析设计滑动摩擦试验机的同时，还必须要考虑各种零部件的造价，尽量在节约资金的同时，完成研究任务。一般性的摩擦磨损试验机已倾向标准化，但看法还不完全一致，一般必须遵守的基本原则如下：（一）原则1磨损试件的接触条件和运动形式要与实际零件工作情况相同。（二）原则2实际的工作零件可能出现的运动形式有滑动、滚动、滚动兼滑动、冲击，其中有连续运动（如转动）和往复运动（大振幅和小振幅运动）。接触形式分为只有一个设计表面（如受液体或固体颗粒冲击的零件）和有两个涉及表面，其中有点接触、面接触和线接触。不同的接触形式对摩擦磨损产生不同的影响，我们在这里研究的是点接触，示意图如图1：图1 点接触示意图（三）原则3试验设备必须是具有足够的精度和调节时间的能力，这对试验参数的选择很重要。首先，试验设备必须具有足够的机械稳定性，这是由于在摩擦磨损试验机上测定摩擦系数时，由于机构内的摩阻，常常导致数值不稳定。试验机的精度不够，影响数据的正确性；试验机寿命短，影响试验的长期进行；如果有震动，使得测得的数据之间误差较大。此外，我们还应采用传感器来测量试验参数，以保证结果的准确性。传感器的结构示意图如图2：图2 传感器的结构示意图（四）原则4试验机应能重现摩擦零件实际工作的环境因素，摩擦副的环境因素（如润滑条件等）对其摩擦磨损性能有显著的影响，在和实际工作环境不同的情况下进行试验，常导致不正确的结果。我们提出当转速、温度、介质、载荷不同情况下，结果有不同的变化。此设备模拟无润滑时摩擦。（五）原则5试验机应调整方便，试验结果分散度小，重复性好，试验精度高。1.2试验参数的选择（一）试验时间选定合适的试验机后，试验时间要认真选取。应先做出时间与磨损的关系曲线，作为正确确定试验时间的根据，其中要注意：考虑测量仪器的精确度，为了使测定磨损的精度在允许范围内，从试验获得的磨损量应该比可能的测量误差要大得多。（二）载荷和速度对于模拟性的实验室试验，载荷和速度要根据实际的摩擦副情况而定。速度对温度、对润滑条件的影响比较大，在试验实践中，经常采用比实际系统高的载荷和速度进行“加速”试验。显然，这只有在磨损过程没有太大影响的时候才使用的。在润滑条件试验时一般很少在“混合润滑”情况下进行。（三）试验次数因为摩擦磨损试验的离散性很大，多次重复一种试验是必须的（至少要重复三次），然后经统计分析得出试验结果。（四）控制试件摩擦表面所处的状态摩擦表面的控制状态不严，引起摩擦磨损测量结果无规律的变化。因此，试验过程应防止摩擦表面被异物污染，防止磨粒侵入，以及在装卸试件时保证重装位置精度。1.3试验条件及影响因素（一）试验条件：载荷：10-50公斤主轴转速：750r/min试件直径：30-50厚度：10载荷固定在摩擦圆盘上，摩擦圆盘由主轴带动旋转。（二）影响因素1、试样的表面性质：包括材料种类（化学成分及组织）、机械性能和表面光洁度，它们明显的影响磨损。2、试样的形状和尺寸：它影响试样的接触形式和重迭系数，而且它们还对润滑状态、压力大小、相对运动速度以及磨损量等都有影响。有些试样试验机规定了试样的形状和尺寸。3、试样中的固定件与运动材料不同时，一般不宜倒转装配，特别是在干摩擦或固体润滑的情况下。4、运动形式：试样相对运动所形成的滑动、滚动或复合摩擦形式不同，对润滑状态或破坏特征等都有影响。5、速度：速度对磨损影响比较复杂，速度改变摩擦系数一般发生变化；摩擦材料变形速度和接触区的温度也发生变化，甚至改变了磨损形式和润滑状态。6、温度：温度是影响摩擦过程的一个重要参数。当摩擦副相互滑动时，温度的变化使表面材料的性质发生变化，从而影响摩擦系数，并随摩擦副工作条件的不同而变化。温度与速度一样，对磨损影响同样是比较复杂的。温度升高到一定程度，材料的摩擦系数和磨损量都将变化；温度升高，润滑油的黏度下降，严重时甚至破坏油膜，改变润滑状态。7、压力：压力改变，摩擦副的摩擦磨损特性随之改变，润滑状态也随之改变。8、周围环境介质：周围环境的水汽、空气、灰尘以及其它气体的改变，对摩擦副材料和润滑材料都有影响。摩擦表面的状态控制不严，将引起摩擦磨损测量结果无规律的变化。因此，试验过程应防止摩擦表面被异物污染，防止微粒侵入，以及在装卸试件时保证重装的位置精度。9、润滑方式：不仅润滑剂种类和数量有影响，而且润滑条件（全浸、滴油、飞溅）以及给油方式（开式、闭式、有否过滤器等）对摩擦副都有直接影响。10、试验时间：在一定的试验条件下，要确定试验时间时，应注意不同材料在不同磨损阶段所发生的急剧改变，不能片面地强化试验条件，以求缩短试验时间，否则有可能改变破坏状态。第2章 结构介绍2.1试验机原理以及测试方法（一）试验机原理选用可调速电动机，经联轴器带动主轴旋转，从而驱动载物盘回转，试件安装在载物盘中并随载物盘一起回转，摩擦球装在夹具中。载荷由砝码添加到加载盘中，由传感器直接测的摩擦副所受的正压力，摩擦力由另一传感器经计算后得出。工作时，可在下试件表面上滴润滑油（边界润滑），也可不加润滑油（干摩擦）。（二）测试方法磨损量的测量通过加载荷的变化来确定，同时摩擦力的测定采用压力传感器来实现，并且通过改变加载荷的大小，可以调节摩擦副的接触正压力。根据库仑定律计算摩擦系数：=F/N式中：摩擦系数；F摩擦力；N摩擦副承受的正压力。电动机联轴器摩擦球式样夹具弹簧加力杆图3 试验机原理图2.2总体设计2.2.1驱动部分和传动部分（一）驱动部分（1）选择原理电动机是一种标准系列产品，使用时只需合理选择其类型和参数即可。电动机的类型有交流电动机、直流电动机、步进电动机和伺服电动机等。直流电动机和伺服电动机造价高，多用于一些有特殊需求的场合；步进电动机常用于数控设备中。由于交流异步电动机结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护，且交流电源易于获得，故是机械设备最常用的原动机。一般工程上常用三相异步交流电动机，其中Y系列为全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，电源电压380V，用于非易燃、易暴、腐蚀性工作环境，无特殊要求的机械设备，也适用于某些起动转矩有较高要求的机械，如压缩机等，广泛应用于工农业和国民经济各部门，作为机床、风机、水泵、压缩机、起重运输机械、建筑机械、食品机械、农业机械、冶金机械、化工机械等的动力。在各类时机中，异步电动机应用最广。（2）具体计算电动机功率选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。功率选小了不能保证工作机的正常工作，或使电动机因超载而过早损坏；功率选的过大则电动机的价格高，能力又不能充分发挥，由于经常不在满载下运转，效率和功率因素都较低，即所谓“大马拉小车”，造成浪费。由交流可调速电动机实现无级变速转动，选择电动机：已知:d=30=0.03m，n=750r/min设=0.10.3承受最大扭矩：T=50×9.8N/××0.03=4.41N.m额定功率：P=×n=×750=0.35KW所以选择YCTD112-4B调速电动机，结构示意图4如下：图4 电动机结构示意图（二）传动部分（1）选择原则根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度等，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点：1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等。3）两轴相对位移的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用扰性联轴器。例如当径向位移较大时，可选滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的联接可选用万向联轴器等。4）联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。5）联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足使用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆简单，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器（例如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器等），由于具有良好的综合性能，广泛适用于一般的中小功率传动。 （2）具体选用由联轴器连接轴2和电动机，查机械零件设计手册由轴径和转速等条件选择HL1Y-24型号的弹性柱销联轴器，机器运转时两轴不能分离，只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。工作时是通过主动轴上的键、半联轴器、柱销、另一半联轴器及键而传到从动轴上去的。为了防止柱销脱落，在半联轴器的外侧，用螺钉固定了挡板。它的优点是：结构简单，装拆和更换弹性元件较方便，不需沿轴向移动两半联轴器。柱销为尼龙，耐磨性较好，使用寿命超过橡胶弹性套。缺点是：尼龙柱销弹性不及橡胶，有吸水性，尺寸稳定性较差。补偿两轴相对位移量小。应用：主要用于载荷较平稳，起动频繁，轴向窜动量较大，对缓冲要求不高的传动轴系。工作温度为-20+70。图5 联轴器结构示意图2.2.2加载试验部分（一）弹簧1、弹簧的应用：弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形。弹簧在各类机械中应用十分广泛，主要用于：1）控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。2）减振和缓冲，如汽车、火车车厢下的减振弹簧，以及各种缓冲器用的弹簧等。3）储存及输出能量，如钟表弹簧、枪闩弹簧等。4）测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。2、弹簧的作用：当加载时以及免冲击破坏被测材料表面，影响其摩擦性能的测定，弹簧的设计要保证其上部分落在套筒上，避免重心不稳。弹簧的成品表面质量要求光滑，不允许有裂纹、氧化皮、锈蚀等缺陷；有工作极限负荷要求的压缩、拉伸、扭转时弹簧不允许有永久变形。3、弹簧的设计：为防止载入时冲击过大而损坏试件，设计带有弹簧承载件，弹簧的选择要保证加载后载物圆盘落至弹簧周围的套筒上。压缩次数：N压缩量：h=30载荷=3所需弹簧刚度：=0.23材料：碳系弹簧钢丝材料强度系数：=250/材料指数：s=0.3许用应力系数：a=0.36=0.11查表得：M=0.273采用试算法：取c=9.3，d=1.932 否取c=10，=72.5，=7.25d=M×=0.273×7.25=1.9792 =d×c=1.979×10=19.7920弹簧外径：D=20+2=22单圈刚度：=2工作圈数：n=9取支承圈数为2.5总圈数：=n+2.5=11.5在作用下圈的间隙：=0.25×=1.250.1d=0.2弹簧圈距：t=+d+=+2+1.25=8.25极限载荷：=1.25×=12.5作用下的变形量：=×=9×=13.5作用下的变形量：=×=10×=45弹簧的自由长度：H=（t-d）n+（-0.5）d=78.25弹簧丝展开长度：L3.14×20×11.5=722.2劲度系数：k=0.222/4、弹簧的制造螺旋弹簧的制造工艺包括：a）卷制；b）挂钩的制作或端面圈的精加工；c）热处理；d）工艺试验及强压处理。对于重要的压缩弹簧，为了保证两端的承压面与其轴线垂直，应将端面圈在专用的磨床上磨平；对于拉伸及扭转弹簧，为了便于联接、固着及加载，两端应制有挂钩或杆臂。弹簧在完成上述工序后，均应进行热处理。冷卷后的弹簧只作回火处理，以消除卷制时产生的内应力。热卷的须经淬火及中温回火处理。热处理后的弹簧，表面不应出现显著的脱碳层。此外，弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧的技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。要特别指出的是，弹簧的持久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况，所以弹簧丝表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的持久强度和抗冲击性能。为了提高承载能力，还可在弹簧制成后进行强压处理或喷丸处理。强压处理是使弹簧在超过极限载荷作用下持续648h，以便在弹簧丝截面的表层高应力区产生塑性变形和有益的与工作应力反向的残余应力，使弹簧在工作时的最大应力下降，从而提高弹簧的承载能力。但由于长期振动、高温或腐蚀性介质中的弹簧，不宜进行强压处理。图6 承载件结构示意图5、弹簧的材料及许用应力为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的韧性和塑性，以及良好的可热处理性。在这次设计中，我们所采用的是碳素弹簧钢丝，它的强度高，加工性能好，适用于小尺寸弹簧。图7给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。图7 碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限在图7中要注意以下几点：1）按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：类N>106；类N=103105以及受冲击载荷的场合；类N<103。 2）碳素弹簧钢丝按机械性能不同分为、a、四组，组强度最高，依次为、a、组。 3）弹簧的工作极限应力：类1.67；类1.25；类1.12。 4）轧制钢材的机械性能与钢丝相同。 5）碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.54mm直径有效，>4mm取下限。6、弹簧的参数许用扭应力T：类弹簧 0.3类弹簧0.4类弹簧 0.5许用弯曲应力b/MPa ：类弹簧 0.5类弹簧0.625切变模量G/GPa：81.578.5弹性模量E/GPa：204202推荐使用温度：-40120特性及用途：强度高，性能好，适于做小弹簧。（二）杠杆1、杠杆平衡：杠杆静止不动或匀速转动都叫做杠杆平衡，注意我们在实验室所做的杠杆平衡条件的实验，是在杠杆水平位置平衡进行的，但在实际生产和生活中，这样的平衡是不多的，在许多情况下，杠杆是倾斜静止，这是因为杠杆作用受到几个相互平衡力作用。所以说杠杆不论处于怎样的静止，都可以理解成平衡状态。杠杆平衡条件表达式：动力×动力臂=阻力×阻力臂即：动力/阻力=阻力臂/动力臂，公式表示为：F1L1=F2L2 即：F1/F2=L2/L1注意：从杠杆的平衡可知，力和力臂的大小成反比，即力臂越长，力就越小。计算时，单位要统一，即动力和阻力的单位要统一，动力臂和阻力臂的单位要统一。2、杠杆的分类（三种杠杆）1）动力臂大于阻力臂的杠杆作用，即省力杠杆。如：手推车，瓶盖起子。2）动力臂小于阻力臂的杠杆，即费力杠杆。如：缝纫机脚踏板，理发剪刀。3）动力臂等于阻力臂的杠杆，即等臂杠杆。如：天平。注意：省力杠杆，省力但费距离；费力但省距离，又省力又省距离的杠杆是没有的。判定使用杠杆省力还是费力，要通过动力臂与阻力臂的大小相比较来确定。为了比较动力臂和阻力臂的大小，最好画出杠杆的示意图，在图上把杠杆的支点、动力、阻力、动力臂和阻力臂都表示出来，建立直观的图象，便于判定。增大加载力度。由于安装了压力传感器，加载力可更为精确。结构示意图如图8：图8 杠杆结构示意图2.2.3试验机夹具部分试验盘安装在载物盘上由主轴带动旋转，小球安装在专用夹具上，专用夹具则安装在加载轴上。这种设计的优点在于防止下试件转动时将磨屑和润滑剂甩到试验机上。上试件为球体，可直接选用不同材料的标准轴承球；下试件为圆盘，可选用不同材料经车削加工而成。如图9：图9 夹具结构示意图2.3零件的设计2.3.1轴的设计（一）设计原理在确定轴的结构尺寸时，不仅要考虑满足强度和刚度的要求，而且还应保证轴上所有零件准确可靠的的固定（周向和轴向），便于装拆，良好的加工艺性等，一般多做成阶梯轴。当轴的支点跨距未确定时，轴上各截面承受的弯矩是未知的，所以轴的设计应分两步进行。先初定一个轴径，通过画草图设计轴的结构，待定出跨距后再根据弯矩和转矩校核轴的强度。轴径可按下式初定：d，式中，许用扭转切应力，单位为MPa，查表得=2545MPa，它是考虑了弯矩影响而降低了的许用扭转切应力。P 轴上传递功率，KW；n 轴的转速，r/min。（1）轴的径向尺寸设计当轴径的变化仅仅是为装拆方便或区别加工表面时，相邻直径的变化应小，以减少切削加工量和材料消耗，并可减少应力集中，一般取轴径差为13；当轴径的变化是为了轴上零件的轴向固定或同时承受轴向载荷时，轴径的变化应足够大，以保证可靠的定位和传递轴向载荷，一般取轴径差为510。（2）轴的轴向尺寸设计轴的轴向尺寸设计的目的是确定出阶梯轴各个变断面的位置。当轴的变断面是为了得到轴上零件的轴向定位面时，变断面的位置应与轮毂端面平齐；用轴套等零件来传递轴向载荷及轴向定位时，轴径变化的端面与轴套或轮毂端面间应留有一小段距离，以保证零件可靠的定位。当轴上传动零件利用平键作周向固定时，通常取键长较轮毂短510。键端距轮毂装入侧的轴端应近些，以便于装配时对中，一般取25。当一根轴上两处有键时，布置方位应一致，以便于轴上键槽的加工。（二）轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 （1）零件的轴向定位轴向定位主要目的是防止工作时轴上零件沿轴向窜动。常用的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等。（2）零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处。（三）轴的失效形式及设计准则轴在弯矩或扭矩作用下产生的应力一般为变应力，因此轴的主要失效形式是疲劳断裂。设计时一般应进行疲劳强度校核。对于瞬时过载很大，应力性质较接近于静应力的轴，可能产生塑性变形，还应按最大载荷进行轴的静强度校核。对于有刚度要求的轴（如机床主轴、跨度大的蜗杆轴等），应进行刚度计算。对高转速轴（如汽轮机轴）或载荷作周期性变化的轴，为防止共振，还要进行振动稳定性计算。轴的设计应满足下列几方面的要求：合理的结构、足够的强度、必要的刚度和振动稳定性及良好的工艺性等。一般而言，轴的设计主要包括两个方面的内容：轴的结构设计和轴的强度设计。（四）轴的计算1、轴的直径的计算材料：45钢正火硬度：170217HBS采用计算法：设传递的功率为0.6KW，按扭转强度条件粗估轴径由公式，得出d=11.52（圆整，取=12） 又轴上有一个键槽 d=（1+7%）=12×1.07=12.84（圆整,取d=13） 为了方便与电动机的联接以及使联轴器简单化,我们取d=27。其中P为传递的功率，不是电动机的功率，n为轴的转速（r/min），d为轴的最小直径（），由于轴即承受弯矩，又承受转矩，取最小值25mpa，以补偿弯矩对轴的影响。以上所设计的轴的尺寸主要考虑的是与实际零件的配合。如图10：图10 轴2、轴的强度校核图11 轴的受力简图轴的受力简图如图11 b）所示。求支承反力。Z面支承反力：上式中： （查机械原理与设计表9-1.13）根据平衡原理,可以得出下式: 又N.M（平衡原理）即将已知条件代入、式，可以得出： 画出轴的弯矩图，合成弯矩图及转矩图（该轴单向工作，转矩产生的剪切应力按脉动循环应力考虑，取=0.6）指出危险剖面的位置如图11中，均为有应力集中的剖面，均有可能是危险截面。由图11e）可知B点处为危险截面。按弯扭合成应力校核轴的刚度前已选定轴的材料为45钢，正火处理，查机械设计表15-1得=255MPa，因此，故安全。（五）提高轴的强度的常用措施轴和轴上零件的结构、工艺以及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行充分考虑，以利提高轴的承载能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本。1.合理布置轴上零件以减小轴的载荷为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度等。2.改进轴上零件的结构以减小轴的载荷3.改进轴的结构以减小应力集中的影响轴通常是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变处要产生应力集中，轴的疲劳破坏往往在此处发生。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力集中源和降低应力集中的程度。为此，轴肩处应采用较大的过渡圆角半径r来降低应力集中。但对定位轴肩，还必须保证零件得到可靠的定位。当靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时（如滚动轴承内圈的圆角），为了增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或加装隔离环。当轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘处会产生较大的应力集中。为了减小应力集中，可在轮毂上或轴上开减载槽；或者加大配合部分的直径。由于配合的过盈量愈大，引起的应力集中也愈严重，因而在设计中应合理选择零件与轴的配合。用盘铣刀加工的键槽比用键槽铣刀加工的键槽在过渡处对轴的截面削弱较为平缓，因而应力集中较小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，在作轴的结构设计时应妥加考虑。此外，由于切制螺纹处的应力集中较大，故应尽可能避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。4.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响。轴的表面愈粗糙，疲劳强度也愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。当采用对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时，表面质量尤应予以注意。表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氧化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸进行表面强化处理时，可使轴的表层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。（六）轴的结构工艺性轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，并且生产率高，成本低。一般地说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简化。为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45°倒角;需要磨削加工的轴段,应留有砂轮越程槽;需要切制螺纹的轴段,应留有退刀槽。2.3.2箱体（一）简介机座和箱体等零件，在一台机器的总质量中占有很大的比例（例如在机床中约占总质量的70%90%），同时在很大程度上影响着机器的工作精度及抗振性能；若兼作运动不见的滑道（导轨）时，还影响着机器的耐磨性等。所以正确选择机座和箱体等零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度及耐磨性等的重要途径。（二）机座和箱体的材料和制法固定式机器，尤其是固定式重型机器，其机座和箱体的结构较为复杂，刚度要求也较高，因而通常都为铸造。铸造材料常用既便于施工又廉价的铸铁（包括普通灰铸铁、球墨铸铁与变性灰铸铁等）；只有需要强度高、刚性大时才用铸钢；当减小质量具有很大的意义时（如运行式机器的机座和箱体）才用铝合金等轻合金。对于运行式机器，如飞机、汽车、拖拉机及运行式起重机等，减小机件的质量非常重要，故常用钢或轻合金型材焊制。大型机座的制造，则常采取分零铸造，然后焊成一体的办法。铸造及焊接零件的基本工、应用特性及一般选择原则在设计时，应全面进行分析比较，以期设计合理，且能符合生产实际。例如虽然一般地说，成批生产且结构复杂的零件以铸造为宜；单件或少量生产，且生产期限较短的零件则以焊接为宜，但对具体的机座或箱体仍应分析其主要决定因素。譬如成批生产的中小型机床及内燃机等的机座，结构复杂是其主要问题，固然应以铸造为宜；但成批生产的汽车底盘及运行式起重机的机体等却以质量小和运行灵便为主，则又应以焊接为宜。又如质量及尺寸都不大的单件机座或箱体以制造简便和经济为主，应采用焊接；而单件大型机座或箱体若单采用铸或焊皆不经济或不可能时，则应采用拼焊结构等等。（三）机座和箱体设计概要机座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，其次是是强度和抗振性能；当同时用作滑道时，滑道部分还应具有足够的耐磨性。此外，对具体的机械，还应满足特殊的要求，并力求具有良好的工艺性。机座和箱体的结构形状和尺寸大小，决定于安装在它的内部或外部的零件和部件的形状和尺寸及其相互配置、受力与运动情况等。设计时，应使所装的零件和部件便于装拆和操作。（三）具体结构以及尺寸本试验机为小型摩擦磨损试验机，设计的机座质量较大，以减少试验时震动对试验数据的影响，用于安装电动机、承载试验装置以及在其表面附带线路控制板，其大小尺寸参考试验仪器以使用方便而定。箱体的一些结构参数，如壁厚、凸台及孔对箱体的工作能力、材料消耗、质量及成本影响很大，设计时须处理好。壁厚、凸台的布置和尺寸的确定可采用类比法，对同类产品进行比较，并参照设计手册等资料提供的经验数据及设计者的经验。这次试验机的外形主要由二个箱体以及二个箱盖组成。箱盖的主要功用为方便内部零件的安装，具体结构如图12、13、14、15：（1） 主视图（2）俯视图图12箱体结构示意图图13 箱盖1图14 箱盖2（1）主视图（2）俯视图图15 箱体22.3.3轴承选择（一）简介滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易等优点。滚动轴承的基本结构由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。内圈用来和轴颈装配，外圈用来和轴承座装配。通常是内圈随轴颈回转，外圈固定，但也可用于外圈回转而内圈不动，或是内、外圈同时回转的场合。当内、外圈相对转动时，滚动体即在内、外圈的滚道间滚动。轴承内、外圈上的滚道，有限制滚动体侧向位移的作用。（二）滚动轴承类型的选择选用轴承时，首先是选择轴承类型。正确选择轴承类型时所应考虑的主要因素如下：1、轴承的载荷轴承承受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，故在载荷较小时，应优先选用球轴承。2、载荷的转速在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高事，才会有比较显著的影响。从工作转速对轴承的要求看，可以确定以下几点：1）球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴承。2）在内径相同的条件下，外径越小，则滚动体就越小，运转时滚动体加在外圈滚道上的离心惯性力也就越小，因而也就更适于在更高的转速下工作。故在高速时，宜选用同一直径系列中外径较小的轴承。外径较大的轴承，宜用于低速重载的场合。若用一个外径较小的轴承而承载能力达不到要求时，可再并装一个相同的轴承，或者考虑采用宽系列的轴承。3）保持架的材料与结构对轴承转速影响极大。实体保持架比冲压保持架允许高一些的转速，青铜实体保持架允许更高的转速。4）推力轴承的极限转速均很低。当工作转速高时，若轴向载荷不十分大，可以采用角接触球轴承承受轴向力。5）若工作转速略超过样本中规定的极限转速，可以用提高轴承的公差等级，或者适当地加大轴承地径向游隙，选用循环润滑或油雾润滑，加强对循环油的冷却等措施来改善轴承的高速性能。若工作转速超过极限转速较多，应选用特制的高速滚动轴承。3、轴承的调心能力当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。这时，应采用有一定调心性能的调心轴承或带座外球面轴承。这类轴承在轴与轴承座孔的轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。4、轴承的安装和拆卸便于装拆，也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。在轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为1：12的圆锥孔（用以安装在紧定衬套上）的轴承。此外，轴承类型的选择还应考虑轴承装置整体设计的要求，如轴承的配置使用要求、游动要求等。（三）选择类型传感轴上选择深沟球轴承和推力球轴承。深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷。当量摩擦系数最小。在高转速时，可用来承受纯轴向载荷。工作中允许内、外圈轴线偏斜量816，大量生产，价格最低。角接触球轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。能在 较高转速下正常工作。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。承受轴向载荷的能力与接触角有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。由已知轴径大小和强度要求选择型号：GB297-64 7205、GB301-64 8105，轴承内孔与轴的配合采用基孔制，轴承外径与外壳的配合采用基轴制。（四）轴承装置的设计要想保证轴承顺利工作，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还应正确设计轴承装置。轴承装置的设计主要时正确解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题。1、支承部分的刚性和同心度轴和安装轴承的外壳或轴承座，以及轴承装置中的其它受力零件，必须有足够的刚性，因为这些零件的变形都要阻滞滚动体的滚动而使轴承提前损坏。外壳及轴承座孔壁均应有足够的厚度，壁半上的轴承座的悬臂应尽可能地缩短，并用加强肋来增强支承部位地刚性。如果外壳时用轻合金或非金属制成的，安装轴承处应采用钢或铸铁制的套杯。2、轴承的配置一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可由一个或一个以上的轴承组成。合理的轴承配置考虑轴在机器中由正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后不致将轴承卡死等因素。2.3.4传感器：（一）RL-BK-2 S式拉压力传感器RL-BK-2测量传感器采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好，精度高，量程范围广，结构紧凑，安装使用方便，广泛用于机电结合秤、吊钩秤、包装秤等各种测力、称重系统。尤其适用于一些要求精度高的工业称重系统。因其高度可靠性及密封设计，即使在恶劣环境下，仍能长时间连续工作。并可带分体式变送器，直接输出标准模拟信号，如0-5V，±5V，4-20ma等。1、承载方式：拉式、压式、拉压式2、主要技术特点：1）适合于中小量程的测力控制：0-10Kg-1t10t；2）航天品质。精度高，性能稳定可靠，全密封设计，带保护壳；3）具有很强抗便、抗扭能力，抗干扰能力强；4）并备有分体式变送器可供选择如：0-5V，±5V，0-10V，4-20ma；5）在航空航天工业、实验室中大量应用；6）备有四合一变送器，可供选择，此产品功能为，将四个变送器的信号经处理变换成一个标准模拟信号输出，此模块为针对重系统专门设计，可以用四个传感器称一个物体的重量，同时具有很好的平衡性。7）备高、中档XS系列称重仪表与测力、称重传感器配套使用，以实现计量控制。3、技术参数：型号：RL-BK-2 S式拉压力传感器；测量范围：0.0110t；输出灵敏度12.5mV/V；非线性误差：优于0.03%FS；滞后误差：优于0.03%FS；重复性误差：优于0.03%FS；零点误差：优于0.05%FS；激励电压：12V；可选输出0-5V，±5V，0-10V，4-20ma（直流）；非线性0.03、0.05、0.1%FS；输入阻抗：380±20或400±20；输出阻抗：350±10；零点输出：0±1%FS/10；安全过负荷率：120%F.S ；供桥电压：12VDC；绝缘电阻1000M；工作温度：-10+60； 图16 RL-BK-2 S式拉压力传感器接线方式：插座：1、电源（+），2、输出（+），3、输出（-），4、电源（-）。4、结构以及尺寸：具体结构如图16，外形尺寸如图17：图17 RL-BK-2型外形以及尺寸（二）BK-5型悬臂梁式测力称重传感器 1、主要特点: · 1）弹性体采用剪切(或弯曲)悬臂梁结构，高度低，结构强度高，抗疲劳、抗偏信能力强 · 2）测量精度高，安装使用方便，性能稳定可靠 · 3）特别适用于皮带秤、料斗秤、平台秤、地中衡等测力称重系统中 · 2、承载方式:压式或拉式3、技术参数：型号：BK-5型悬臂梁式测力称重传感器；量程：0.15/1200t/kg；灵敏度：1.52mV/V；非线性：0.03、0.05、0.1FS；重复性：0.03、0.05、0.05 FS；滞后：0.03、0.05、0.05 FS；供桥电压：12VDC；输入阻抗：380±20或400±20；输出阻抗：350±10；绝缘电阻1000M/100V；工作温度：-10+60；热零点偏移：0.05、0.05、0.05FS/10；热灵敏度偏移：0.05、0.05、0.05FS/10；允许过负荷：120FS；接线方式：插座：1、电源（+）2、输出（+）3、输出（-）4、电源（-）；4、BK-5型悬臂梁式测力称重传感器的外形如下图18所示:图18 BK-5B型悬臂梁式测力传感器外形2.3.5计算方法已知载荷P（由压力传感器1测得）、转矩M（由传感器2计算后得出）和小球球心到加载轴心距L。根据原理图可知：载荷P可由传感器1直接测得，即为F1，已知转矩的公式为：M=FL=F2×L2（F2由传感器2测得）。 受力示意图如下：由库仑定律=F/N，转矩公式M=FL可得： = F/N=（M/L）/P=（F2L2）/F1参考文献1黄鹤汀主编.机械制造装备.机械工业出版社.2004年；2王三民主编.机械原理与设计-课程设计.机械工业出版社.2004年；3温诗铸编著.摩擦学原理.北京清华大学出版社.1990年；4（日本）青木 纯九等编著.析出强化铜合金在线接触导线上的应用.机械工业出版社.2000年；5王知行、刘延荣编著.机械原理.北京高等教育出版社.2000年；6哈尔滨工业大学 赵家齐编.机械制造工艺学课程设计指导书.机械工业出版社.1986年。7刘品、徐晓希主编.机械精度设计与检测基础.哈尔滨工业大学出版社.2004.1。8濮良贵、纪名刚主编.机械设计.高等教育出版社.2001。9孙江宏、张志强编著.机械设计考研指导.清华大学出版社.2005.1。10于英将主编.机械制造常用计算.黑龙江科学技术出版社.1992.10。11成大先主编.机械设计手册第四版第2卷化学工业出版社.2001。附录轴的常用材料及其主要力学性能材料牌号热处理毛坯直径/硬度/HBS抗拉强度屈服强度极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限许用弯曲应力备注Q235-A热轧或锻后空冷100400-42022517010540用于不重要及受载荷不大的轴100-250375-39021545正火回火调质100100-300100170-217162-217217-2555905706402952853552552452751401351555560应用最广泛40Cr调质100100-300241-28673568554049035533520018570载荷较大40CrNi调质100100-300270-300240-27090078573557043037026021075很重要的轴38SiMnMo调质100100-300229-286217-26973568559054036534521019570很重要的轴38CrMoA1A调质6060-100100-160293-321277-302241-27793083578578568559044041037528027022075高耐磨性，高强度20Cr渗碳淬火回火60渗碳52-62HRC64039030516060强度及韧性均较高轴3Cr13调质10024183563539523075腐蚀下的轴1Cr18Ni9Ti淬火100100-20019253049019519018011511045高、低温及腐蚀下的轴QT600-3190-270600370215185制造复杂外形轴QT800-2245-335800480290250注：、的单