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X X 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
鋼筋彎曲切斷機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
目前國產(chǎn)的設(shè)備大多是對國外進(jìn)口產(chǎn)品的簡單仿制，因此針對鋼筋彎曲切斷機(jī)關(guān)鍵部件的深入研究，對原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、功能等分析，提供結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作方便、化程度高、使用范圍廣的機(jī)械是很有必要的。
本文在分析鋼筋彎曲切斷機(jī)的工藝和使用要求的基礎(chǔ)上，通過對關(guān)鍵部件的理論分析，提出一種實(shí)用、簡單、可靠和通用的傳動(dòng)系統(tǒng)，將結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等做了較為詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì);本文分析各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，提出可行的優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足包裝工藝;對關(guān)鍵部件提出完整的設(shè)計(jì)方法，旨在滿足市場需求，推動(dòng)企業(yè)創(chuàng)新步伐。
本文借助了ANSYS等軟件分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析的方法，可以應(yīng)用于其它類型機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和分析中。
關(guān)鍵詞：鋼筋彎曲切斷機(jī)，傳動(dòng)，有限元分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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Abstract
Most of the current China-made equipment for imported products of simple imitation, so the steel bar bending and cutting machine key components of the in-depth study, on principle, structure, movement, functional analysis, to provide a simple and reliable structure, convenient operation, high integration degree, the use of a wide range of machinery is necessary.
Based on the analysis of bending and cutting machine technology and the requirements on the basis of key components, through theoretical analysis, put forward a kind of practical, simple, reliable and universal transmission system, the structure and other key components of the design principles, structure features in detail research and design; this paper analyses the mechanism of kinematic law, puts forward the feasible optimization structure meet the packaging technology; the key parts of the complete design method, designed to meet the needs of the market, promote enterprise innovation pace.
Based on the ANSYS software analysis of motion and structure design, the use of computer aided design and analysis methods, and can be applied to other types of machinery and equipment design and analysis.
Key Words: Steel bar bending and cutting machine, transmission, finite element analysis, structure design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒 論 5
1.1 鋼筋彎曲切斷機(jī)的概念 5
1.2 鋼筋切斷機(jī)特點(diǎn) 5
1.3 鋼筋切斷機(jī)分類 6
1.4 鋼筋彎曲切斷機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 6
第2章 鋼筋彎曲切斷機(jī)的工作原理 9
2.1 鋼筋彎曲切斷機(jī)的切斷部分工作原理 9
2.2 鋼筋彎曲切斷機(jī)的彎曲部分工作原理 9
第3章 動(dòng)力計(jì)算與選擇 10
4.1彎曲鋼筋需用力計(jì)算 10
4.2彎曲鋼筋需用功率計(jì)算 10
4.3 切斷鋼筋需用力計(jì)算 11
4.4 切斷鋼筋需用功率計(jì)算 12
4.5 功率確定 12
第4章 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.1 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 13
4.2 軸的校核 19
4.3 鍵的校核 27
4.4 軸承的校核 28
4.4.1 初選軸承型號(hào) 29
4.4.2壽命計(jì)算 29
第5章 對典型零部件（齒輪）的有限元分析 32
5.1 應(yīng)用有限元法研究齒輪的優(yōu)勢 32
5.2 齒輪參數(shù)及材料的確定 32
5.3 子模型法對齒輪應(yīng)力集中問題的應(yīng)用 33
5.3.1 三維齒輪模型的研究 33
5.3.2 二維齒輪模型的研究 36
5.4 P單元法在齒輪應(yīng)力集中問題解決中的應(yīng)用 38
總結(jié)與展望 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 44
附則 45
第1章 緒 論
1.1 鋼筋彎曲切斷機(jī)的概念
鋼筋彎曲機(jī),鋼筋加工機(jī)械之一。工作機(jī)構(gòu)是一個(gè)在垂直軸上旋轉(zhuǎn)的水平工作圓盤，把鋼筋置于圖中虛線位置，支承銷軸固定在機(jī)床上，中心銷軸和壓彎銷軸裝在工 作圓盤上，圓盤回轉(zhuǎn)時(shí)便將鋼筋彎曲。為了彎曲各種直徑的鋼筋， 在工作盤上有幾個(gè)孔，用以插壓彎銷軸，也可相應(yīng)地更換不同直徑的中心銷軸。
鋼筋切斷機(jī)是 一種剪切鋼筋所使用的一種工具。一般有全自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)，和半自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)之分。它是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，它主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電 站、大型水利等工程中對鋼筋的定長切斷。鋼筋切斷機(jī)與其他切斷設(shè)備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，因此近年來逐步被機(jī)械加工和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
顯然，鋼筋彎曲切斷機(jī)是鋼筋彎曲機(jī)和切斷機(jī)二者的疊加，二者的功能都要具備。
1.2 鋼筋切斷機(jī)特點(diǎn)
一般有全自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)，和半自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)之分。全自動(dòng)的也叫電動(dòng)切斷機(jī)是電能通過馬達(dá)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能控制切刀切口，來達(dá)到剪切鋼筋效果的。而半自動(dòng)的是人工控制切口，從而進(jìn)行剪切鋼筋操作。而目前比較多的是應(yīng)該屬于液壓鋼筋切斷機(jī) 液壓鋼筋切斷機(jī)又分為充電式和便攜式兩大類。
便攜式鋼筋切斷機(jī) 便攜式鋼筋切斷機(jī)
1.3 鋼筋切斷機(jī)分類
適用于建筑工程上各種普通碳素鋼、熱扎圓鋼、螺紋鋼、扁鋼、方鋼的切斷。
切斷圓鋼：（Q235-A）直徑：（Φ6-Φ40）mm
切斷扁鋼最大規(guī)格：（70x15）mm
切斷方鋼：（Q235-A）最大規(guī)格：（32x32）mm
切斷角鋼最大規(guī)格：（50x50)mm
1.4 鋼筋彎曲切斷機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)外切斷機(jī)的對比：由于切斷機(jī)技術(shù)含量低、易仿造、利潤不高等原因，所以廠家?guī)资陙砘揪S持現(xiàn)狀，發(fā)展不快，與國外同行相比具體有以下幾方面差距。
1)國外切斷機(jī)偏心軸的偏心距較大，如日本立式切斷機(jī)偏心距24mm，而國內(nèi)一般為17mm．看似省料、齒輪結(jié)構(gòu)偏小些，但給用戶帶來麻煩，不易管理．因?yàn)樵谟汕写罅系角行×蠒r(shí)，不是換刀墊就是換刀片，有時(shí)還需要轉(zhuǎn)換角度。
2)國外切斷機(jī)的機(jī)架都是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，零部件加工精度、粗糙度尤其熱處理工藝過硬，使切斷機(jī)在承受過載荷、疲勞失效、磨損等方面都超過國產(chǎn)機(jī)器．
3)國內(nèi)切斷機(jī)刀片設(shè)計(jì)不合理，單螺栓固定，刀片厚度夠薄，40型和50型刀片厚度均為17mm；而國外都是雙螺栓固定，25～27mm厚，因此國外刀片在受力及壽命等綜合性能方面都較國內(nèi)優(yōu)良。
4)國內(nèi)切斷機(jī)每分鐘切斷次數(shù)少．國內(nèi)一般為28～31次，國外要高出15～20次，最高高出30次，工作效率較高。
5)國外機(jī)型一般采用半開式結(jié)構(gòu)，齒輪、軸承用油脂潤滑，曲軸軸徑、連桿瓦、沖切刀座、轉(zhuǎn)體處用手工加稀油潤滑．國內(nèi)機(jī)型結(jié)構(gòu)有全開、全閉、半開半閉3種，潤滑方式有集中稀油潤滑和飛濺潤滑2種。
6)國內(nèi)切斷機(jī)外觀質(zhì)量、整機(jī)性能不盡人意；國外廠家一般都是規(guī)模生產(chǎn)，在技術(shù)設(shè)備上舍得投
入， 自動(dòng)化生產(chǎn)水平較高，形成一套完整的質(zhì)量保證加工體系。尤其對外觀質(zhì)量更是精益求精，外罩一次性沖壓成型，油漆經(jīng)烤漆噴涂處理，色澤搭配科學(xué)合理，外觀看 不到哪兒有焊縫、毛刺、尖角，整機(jī)光潔美觀。而國內(nèi)一些廠家雖然生產(chǎn)歷史較長，但沒有一家形成規(guī)模，加之設(shè)備老化，加工過程拼體力、經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)工藝幾十年 一貫制，所以外觀質(zhì)量粗糙、觀感較差。
鋼筋彎曲切斷機(jī)屬于一種對鋼筋彎曲切斷機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。本實(shí)用新型包括減速機(jī)、大齒輪、小齒輪、彎曲切斷盤面，其特征在于結(jié)構(gòu)中：雙級(jí)制動(dòng)電機(jī)與減速機(jī)直聯(lián)作一級(jí)減速；小齒輪與大齒輪嚙合作二級(jí)減速；大齒輪始終帶動(dòng)彎曲切斷盤面旋轉(zhuǎn)；彎曲切斷盤面上設(shè)置有中心軸孔和若干彎曲切斷軸孔；工作臺(tái)面的定位方杠上分別設(shè)置有若干定位軸孔。由于雙級(jí)制動(dòng)電機(jī)與減速機(jī)直聯(lián)作一級(jí)減速，輸入、輸出轉(zhuǎn)數(shù)比準(zhǔn)確，彎曲切斷速度穩(wěn)定、準(zhǔn)確，且可利用電氣自動(dòng)控制變換速度，制動(dòng)器可保證彎曲切斷角度。利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，對鋼筋進(jìn)行雙向彎曲切斷。中心軸可替換，便于維修?？梢圆捎弥悄芑刂啤＃?
當(dāng)前我國正在大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)及城市化建設(shè),各種建筑耗費(fèi)了大量的鋼筋,其中箍筋加工的效率和質(zhì)量是最難解決的問題之一,箍筋不僅使用量非常大,而且形狀和尺寸變化復(fù)雜,尺寸精度要求高,箍筋的制做在原鋼筋加工中是勞動(dòng)強(qiáng)度大,人力物力消耗大,低效率,低質(zhì)量保證的環(huán)節(jié)。隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，為了響應(yīng)政府及各建筑單位對箍筋制做自動(dòng)化技術(shù)的迫切要求，我們進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)改進(jìn)工藝，終于在經(jīng)過不懈的努力研制出自有專利技術(shù)的-----可調(diào)速鋼筋彎曲切斷機(jī)GW-40B
鋼筋彎曲切斷機(jī)是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，它主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對鋼筋的定長彎曲切斷。鋼筋彎曲切斷機(jī)與其他彎曲切斷設(shè)備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，因此近年來逐步被機(jī)械加工和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
國內(nèi)外彎曲切斷機(jī)的對比：由于彎曲切斷機(jī)技術(shù)含量低、易仿造、利潤不高等原因，所以廠家?guī)资陙砘揪S持現(xiàn)狀，發(fā)展不快，與國外同行相比具體有以下幾方面差距。
1)國外彎曲切斷機(jī)偏心軸的偏心距較大，如日本立式彎曲切斷機(jī)偏心距24mm，而國內(nèi)一般為17mm．看似省料、齒輪結(jié)構(gòu)偏小些，但給用戶帶來麻煩，不易管理．因?yàn)樵谟汕写罅系角行×蠒r(shí)，不是換刀墊就是換刀片，有時(shí)還需要轉(zhuǎn)換角度。
2)國外彎曲切斷機(jī)的機(jī)架都是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，零部件加工精度、粗糙度尤其熱處理工藝過硬，使彎曲切斷機(jī)在承受過載荷、疲勞失效、磨損等方面都超過國產(chǎn)機(jī)器．
3)國內(nèi)彎曲切斷機(jī)刀片設(shè)計(jì)不合理，單螺栓固定，刀片厚度夠薄，40型和50型刀片厚度均為17mm；而國外都是雙螺栓固定，25～27mm厚，因此國外刀片在受力及壽命等綜合性能方面都較國內(nèi)優(yōu)良。
4)國內(nèi)彎曲切斷機(jī)每分鐘彎曲切斷次數(shù)少．國內(nèi)一般為28～31次，國外要高出15～20次，最高高出30次，工作效率較高。
5)國外機(jī)型一般采用半開式結(jié)構(gòu)，齒輪、軸承用油脂潤滑，曲軸軸徑、連桿瓦、沖切刀座、轉(zhuǎn)體處用手工加稀油潤滑．國內(nèi)機(jī)型結(jié)構(gòu)有全開、全閉、半開半閉3種，潤滑方式有集中稀油潤滑和飛濺潤滑2種。
6)國內(nèi)彎曲切斷機(jī)外觀質(zhì)量、整機(jī)性能不盡人意；國外廠家一般都是規(guī)模生產(chǎn)，在技術(shù)設(shè)備上舍得投入，自動(dòng)化生產(chǎn)水平較高，形成一套完整的質(zhì)量保證加工體系。尤其對外觀質(zhì)量更是精益求精，外罩一次性沖壓成型，油漆經(jīng)烤漆噴涂處理，色澤搭配科學(xué)合理，外觀看不到哪兒有焊縫、毛刺、尖角，整機(jī)光潔美觀。而國內(nèi)一些一些廠家雖然生產(chǎn)歷史較長，但沒有一家形成規(guī)模，加之設(shè)備老化，加工過程拼體力、經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)工藝幾十年一貫制，所以外觀質(zhì)量粗糙、觀感較差。
全球經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展為建筑行業(yè)，特別是為建筑機(jī)械的發(fā)展提供了一個(gè)廣闊的發(fā)展空間，為廣大生產(chǎn)企業(yè)提供一個(gè)展示自己的舞臺(tái)。面對競爭日益激烈的我國建筑機(jī)械市場，加強(qiáng)企業(yè)的經(jīng)營管理，加大科技投入，重視新技術(shù)、新產(chǎn)品的研究開發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品售后服務(wù)水平，積極、主動(dòng)走向市場，使企業(yè)的產(chǎn)品不斷地滿足用戶的需求，盡快縮短與國外先進(jìn)企業(yè)的差距，無疑是我國鋼筋彎曲切斷機(jī)生產(chǎn)企業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。
第2章 鋼筋彎曲切斷機(jī)的工作原理
2.1 鋼筋彎曲切斷機(jī)的切斷部分工作原理
切斷部分工作原理：采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)二級(jí)齒輪傳動(dòng)后,帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸推動(dòng)連桿使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),使活動(dòng)刀片和固定刀片相錯(cuò)而彎曲切斷鋼筋。
2.2 鋼筋彎曲切斷機(jī)的彎曲部分工作原理
彎曲部分工作原理：鋼筋彎曲機(jī)屬于一種對鋼筋彎曲機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。本實(shí)用新型包括減速機(jī)、大齒輪、小齒輪、彎曲盤面，其特征在于結(jié)構(gòu)中：雙級(jí)制動(dòng)電機(jī)與減速機(jī)直聯(lián)作一級(jí)減速；小齒輪與大齒輪嚙合作二級(jí)減速；大齒輪始終帶動(dòng)彎曲盤面旋轉(zhuǎn)；彎曲盤面上設(shè)置 有中心軸孔和若干彎曲軸孔；工作臺(tái)面的定位方杠上分別設(shè)置有若干定位軸孔。由于雙級(jí)制動(dòng)電機(jī)與減速機(jī)直聯(lián)作一級(jí)減速，輸入、輸出轉(zhuǎn)數(shù)比準(zhǔn)確，彎曲速度穩(wěn) 定、準(zhǔn)確，且可利用電氣自動(dòng)控制變換速度，制動(dòng)器可保證彎曲角度。利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，對鋼筋進(jìn)行雙向彎曲。中心軸可替換，便于維修?？梢圆捎弥悄芑刂啤?國外品牌都是貼牌生產(chǎn) 很少是全套進(jìn)口 據(jù)調(diào)查所知 很多國外打牌都是國內(nèi)生產(chǎn)商生產(chǎn)。
彎曲原理圖
彎曲機(jī)的工作機(jī)構(gòu)是一個(gè)在垂直軸上旋轉(zhuǎn)的水平工作圓盤，如圖所示，把鋼筋置于圖中虛線位置，支承銷軸固定在機(jī)床上，中心銷軸和壓彎銷軸裝在工作圓盤上，圓盤回轉(zhuǎn)時(shí)便將鋼筋彎曲。為了彎曲各種直徑的鋼筋， 在工作盤上有幾個(gè)孔，用以插壓彎銷軸，也可相應(yīng)地更換不同直徑的中心銷軸。
第3章 動(dòng)力計(jì)算與選擇
傳動(dòng)方案簡述：選擇三級(jí)減速，先是一級(jí)帶減速，再兩級(jí)齒輪減速。首先采用一級(jí)帶傳動(dòng)，因?yàn)樗哂芯彌_、吸振、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、合過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并安裝張緊輪。然后采用兩級(jí)齒輪減速，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)可用來傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并具有功率范圍大，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，使用壽命長，工作安全可靠等特點(diǎn)。動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)輸出,通過減速系統(tǒng)傳動(dòng),把動(dòng)力輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于傳動(dòng)系統(tǒng)作 的是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而鋼筋彎曲切斷機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,可以采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu),盤行凸輪移動(dòng)滾子從動(dòng)件機(jī)構(gòu),齒輪齒條機(jī)構(gòu)。考慮現(xiàn)實(shí)條件我決定采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為本機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?。
4.1彎曲鋼筋需用力計(jì)算
為了保證鋼筋的剪斷，剪應(yīng)力應(yīng)超過材料的許應(yīng)剪應(yīng)力。即彎曲切斷鋼筋的條件為：
查資料可知鋼筋的許用剪應(yīng)力為：MPa,取最大值142MPa。由于本彎曲切斷機(jī)彎曲切斷的最大剛筋粗度為：mm。
則本機(jī)器的最小彎曲切斷力為：
取彎曲切斷機(jī)的Q=22000N。
4.2彎曲鋼筋需用功率計(jì)算
由圖可知，刀的速度小于曲軸處的線速度。則彎曲切斷處的功率P：W
查表可知在傳動(dòng)過程中，帶傳動(dòng)的效率為η= 0.94~0.97； 二級(jí)齒輪減速器的效率為η= 0.96~0.99； 滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率為η= 0.94~0.98； 連桿傳動(dòng)的效率為η= 0.81~0.88；滑動(dòng)軸承的效率為
由以上可知總的傳動(dòng)效率為:
η= 0.94×0.96×0.98×0.81=0.72
由此可知所選電機(jī)功率最小應(yīng)為 kw
查手冊并根據(jù)電機(jī)的工作環(huán)境和性質(zhì)選取電機(jī)為：Y系列封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)，代號(hào)為Y112M-6，輸出功率為2.2kw，輸出速度為960 r/min。
4.3 切斷鋼筋需用力計(jì)算
受力情況與計(jì)算有關(guān)的幾何尺寸標(biāo)記圖1。設(shè)鋼筋所需彎矩：Mt=式中 F為撥斜柱對鋼筋的作用力；Fr為F的徑向分力;a為F與鋼筋軸線夾角。
當(dāng)Mt一定，a越大則撥斜柱及主軸徑向負(fù)荷越??；a=arcos(L1/Lo)一定，Lo越大。因此，彎曲機(jī)的工作盤應(yīng)加大直徑，增大撥斜柱中心到主軸中心距離L0
鋼筋彎曲機(jī)的工作盤設(shè)計(jì)：直徑Ф400mm，空間距120mm，L0=169.7 mm，Ls=235，a=44.80
.鋼筋彎曲機(jī)所需主軸扭矩及功率
按照鋼筋彎曲加工規(guī)范規(guī)定的彎曲半徑彎曲鋼筋，其彎曲部分的變形量均接近或過材料的額定延伸率，鋼筋應(yīng)力超過屈服極限產(chǎn)生塑性變形。
1.按Ф32鋼筋公稱直徑計(jì)算
M0=K1Wσs式中，M0為始彎矩，W為抗彎截面模數(shù)，K 1為截面系數(shù)，對圓截面K 1=1.7；對于25MnSi螺紋鋼筋M0=373（N/mm2）,則得出始彎矩M0=3977（N·m）
2. 鋼筋變形硬化后的終彎矩
鋼筋在塑性變形階段出現(xiàn)變形硬化（強(qiáng)化），產(chǎn)生變形硬化后的終彎矩：M=（K 1+K0/2Rx）Wσs式中，K0為強(qiáng)化系數(shù)，K0=2.1/δp=2.1/0.14=15, δp為延伸率，25MnSi的
δp=14%，Rx=R/d0,R為彎心直徑，R=3 d0，則得出終彎矩 M=11850（N·m）
4. 鋼筋彎曲所需距
Mt=[(M0+M)/2]/K=8739（N·m）式中，K為彎曲時(shí)的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，K=1.05 按上述計(jì)算方法同樣可以得出Ф50I級(jí)鋼筋（σb=450 N/mm2）彎矩所需彎矩：Mt=8739（N·m）,取較大者作為以下計(jì)算依據(jù)。
4.4 切斷鋼筋需用功率計(jì)算
由功率扭矩關(guān)系公式 A0=T·n/9550=1.9KW,考慮到部分機(jī)械效率η=0.85，則電動(dòng)機(jī)最大負(fù)載功率
A= A0/η=1.9/0.85=2.0（KW），電動(dòng)機(jī)選用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為=2.2（KW）,額定轉(zhuǎn)速=1440r/min。
4.5 功率確定
根據(jù)上述計(jì)算，在這里選擇電動(dòng)機(jī)選用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為=2.2（KW）,額定轉(zhuǎn)速=1440r/min。
第4章 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
4.1.1 第一級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
a) 選材料、確定初步參數(shù)
1) 選材料 小齒輪：40Cr鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為260HBS
大齒輪：45鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為260HBS
2) 初選齒數(shù) 取小齒輪的齒數(shù)為20，則大齒輪的齒數(shù)為20×6.4=128
3) 齒數(shù)比即為傳動(dòng)比
4) 選擇尺寬系數(shù)ψd和傳動(dòng)精度等級(jí)情況，參照相關(guān)手冊并根據(jù)以前學(xué)過的知識(shí)選取 ψd=0.6
初估小齒輪直徑d1=60mm，則小齒輪的尺寬為b=ψd× d1=0.6×60=36mm
5) 齒輪圓周速度為：
參照手冊選精度等級(jí)為9級(jí)。
6) 計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩T1
7) 確定重合度系數(shù)Zε、Yε：由公式可知重合度為
則由手冊中相應(yīng)公式可知：
8) 確定載荷系數(shù) KH 、KF
確定使用系數(shù) KA：查閱手冊選取使用系數(shù)為KA=1.85
確定動(dòng)載系數(shù)Kv：查閱手冊選取動(dòng)載系數(shù)Kv=1.10
確定齒間載荷分布系數(shù)KHa、KFa：
則
載荷系數(shù)KH、KF 的確定，由公式可知
b) 齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1) 確定許用應(yīng)力[σH]
① 總工作時(shí)間th，假設(shè)該彎曲切斷機(jī)的壽命為10年，每年工作300天，每天工作8個(gè)小時(shí)，則：
② 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1、N2
③ 壽命系數(shù) Zn1、Zn2 ，查閱相關(guān)手冊選取Zn1=1.0、Zn2=1.15
④ 接觸疲勞極限?。害襤lim1=720MPa、σhlim2=580MPa
⑤ 安全系數(shù)?。篠h=1.0
⑥ 許用應(yīng)力 [σh1]、[σh2]
2) 彈性系數(shù)ZE 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可選取
3) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可選取ZH=2.5
4) 求所需小齒輪直徑d1
與初估大小基本相符。
5) 確定中心距，模數(shù)等幾何參數(shù)
中心距a： 圓整中心矩取222mm
模數(shù)m：由中心矩a及初選齒數(shù)Z1 、Z2得：
分度圓直徑d1,d2
確定尺寬：取大齒輪尺寬為 b1=60×0.6=36mm
小齒輪尺寬取 b2=40mm
c) 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
1) 求許用彎曲切斷應(yīng)力 [σF]
① 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NF1、NF2
② 壽命系數(shù)Yn1、Yn2 ，查閱相關(guān)手冊選取Yn1=1、Yn2=1
③ 極限應(yīng)力?。害褾lim1=290MPa、σFlim2=220MPa
④ 尺寸系數(shù)Yx：查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選，取Yx=1.5
⑤ 安全系數(shù)SF：參照表9-13，取SF=1.5
⑥ 需用應(yīng)力[σF1] 、[σF2] 由式（9-20），許用彎曲切斷應(yīng)力
2) 齒形系數(shù)YFa1、YFa2 由圖9-19，取
YFa1=2.56 YFa2=2.15
3) 應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1、Ysa2 由圖9-20，取
Ysa1=1.62 Ysa2=1.82
4) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度 由式（9-17），齒根彎曲切斷應(yīng)力
4.1.2 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)：
a) 選材料、確定初步參數(shù)
1) 選材料 小齒輪：40Cr鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為260HBS
大齒輪：45鋼調(diào)制，平均取齒面硬度為260HBS
2) 初選齒數(shù) 取小齒輪的齒數(shù)為28，則大齒輪的齒數(shù)為28×5=140
3) 齒數(shù)比即為傳動(dòng)比
4) 選擇尺寬系數(shù)ψd和傳動(dòng)精度等級(jí)情況，參照相關(guān)手冊并根據(jù)以前學(xué)過的知識(shí)選取 ψd=2/3
初估小齒輪直徑d1=84mm，則小齒輪的尺寬為b=ψd× d1=2/3×84=56mm
齒輪圓周速度為：
參照手冊選精度等級(jí)為9級(jí)。
5) 計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩T1
6) 確定重合度系數(shù)Zε、Yε：由公式可知重合度為
則由手冊中相應(yīng)公式可知：
7) 確定載荷系數(shù) KH 、KF
確定使用系數(shù) KA：查閱手冊選取使用系數(shù)為KA=1.85
確定動(dòng)載系數(shù)Kv：查閱手冊選取動(dòng)載系數(shù)Kv=1.0
確定齒間載荷分布系數(shù)KHa、KFa：
則
載荷系數(shù)KH、KF 的確定，由公式可知
c) 齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1) 確定許用應(yīng)力[σH]
①總工作時(shí)間th，假設(shè)該彎曲切斷機(jī)的壽命為10年，每年工作300天，每天工作8個(gè)小時(shí)，則：
②應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1、N2
③壽命系數(shù) Zn1、Zn2 ，查閱相關(guān)手冊選取Zn1=1.33、Zn2=1.48
④接觸疲勞極限?。害襤lim1=760MPa、σhlim2=760MPa
⑤安全系數(shù)取：Sh=1
⑥許用應(yīng)力 [σh1]、[σh2]
2) 彈性系數(shù)ZE 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可選取
3) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可選取ZH=2.5
4) 求所需小齒輪直徑d1
與初估大小基本相符。
5) 確定中心距，模數(shù)等幾何參數(shù)
中心距a： 圓整中心矩取252mm
模數(shù)m：由中心矩a及初選齒數(shù)Z1 、Z2得：
分度圓直徑d1,d2
確定尺寬：取大齒輪尺寬為 b1=84×2/3=56mm
小齒輪尺寬取 b2=60mm
c) 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
1) 求許用彎曲切斷應(yīng)力 [σF]
① 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NF1、NF2
② 壽命系數(shù)Yn1、Yn2 ，查閱相關(guān)手冊選取Yn1=1、Yn2=1
③ 極限應(yīng)力取：σFlim1=290MPa、σFlim2=230MPa
④ 尺寸系數(shù)Yx：查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選，取Yx=1.5
⑤ 安全系數(shù)SF：參照表9-13，取SF=1.5
⑥ 需用應(yīng)力[σF1] 、[σF2] 由式（9-20），許用彎曲切斷應(yīng)力
2) 齒形系數(shù)YFa1、YFa2 由圖9-19，取
YFa1=2.56 YFa2=2.15
3) 應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1、Ysa2 由圖9-20，取
Ysa1=1.62 Ysa2=1.82
4) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度 由式（9-17），齒根彎曲切斷應(yīng)力
4.2 軸的校核
4.2.1 一軸的校核
軸直徑的設(shè)計(jì)式
軸的剛度計(jì)算
a) 按當(dāng)量彎矩法校核
1) 設(shè)計(jì)軸系結(jié)構(gòu)，確定軸的受力簡圖、彎矩圖、合成彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖和當(dāng)量彎矩圖。
圖2 軸的受力轉(zhuǎn)矩彎矩圖
2) 求作用在軸上的力如表1，作圖如圖2-c
表1 作用在軸上的力
垂直面（Fv）
水平面（Fh）
軸承1
F2=12N
F4=891N
齒輪 2
=N
軸承3
F1=476N
F3=1570N
帶輪4
1056N
3） 求作用在軸上的彎矩如表2，作出彎矩圖如圖2-d、2-e
表2 作用在軸上的彎矩
垂直面（Mv）
水平面（Mh）
截面
N.mm
合成彎矩
截面
合成彎矩
4）作出轉(zhuǎn)彎矩圖如圖2-f
5）作出當(dāng)量彎矩圖如圖2-g，并確定可能的危險(xiǎn)截面Ⅰ、Ⅱ如圖2-a。并算出危險(xiǎn)截面的彎矩如表3。
6）確定許用應(yīng)力
表3截面的彎矩
Ⅰ截面
Ⅱ截面
6）確定許用應(yīng)力
已知軸材料為45鋼調(diào)質(zhì)，查表得=650MPa。用插入法查表得=102.5MPa，=60MPa。
7）校核軸徑如表4
表4 驗(yàn)算軸徑
Ⅰ截面
Ⅱ截面
結(jié)論：按當(dāng)量彎矩法校核，軸的強(qiáng)度足夠。
b) 軸的剛度計(jì)算
所以軸的剛度足夠
4.2.2 三軸的校核
軸直徑的設(shè)計(jì)式
軸的剛度計(jì)算
a) 按當(dāng)量彎矩法校核
設(shè)計(jì)軸系結(jié)構(gòu)，確定軸的受力簡圖、彎矩圖、合成彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖和當(dāng)量彎矩圖。
1） 軸的受力簡圖如圖3-a
圖3 軸的受力彎矩轉(zhuǎn)矩圖
2） 求作用在軸上的力如表5，并作圖如圖3-c
表5 作用在軸上的力
垂直面（Fv）
水平面（Fh）
軸承1
F3=1627N
F1=8362N
齒輪
=2381N
軸承2
F4=754N
F3=12619N
曲軸
21848N
3）計(jì)算出彎矩如表6，并作圖如圖3-d、e
表6 軸上的彎矩
垂直面（Mv）
水平面（Mh）
Ⅰ截面
N.mm
合成彎矩
Ⅱ截面
合成彎矩
4）作出轉(zhuǎn)彎矩圖如圖3-f
5）作出當(dāng)量彎矩圖如圖3-g，并確定可能的危險(xiǎn)截面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的彎矩
如表7
表7危險(xiǎn)截面的彎矩
Ⅰ截面
Ⅱ截面
6）確定許用應(yīng)力
已知軸材料為45鋼調(diào)質(zhì)，查表得=650MPa。用插入法查表得=102.5MPa，=60MPa
7）校核軸徑如表8
表8 校核軸徑
Ⅰ截面
Ⅱ截面
結(jié)論：按當(dāng)量彎矩法校核，軸的強(qiáng)度足夠。
b) 軸的剛度計(jì)算
所以軸的剛度足夠
4.3 鍵的校核
4.3.1. 平鍵的強(qiáng)度校核.
a) 鍵的選擇
鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)使用要求和工作狀況來選擇。選擇時(shí)應(yīng)考慮傳遞轉(zhuǎn)拒的大小，聯(lián)接的對中性要求，是否要求軸向固定，聯(lián)接于軸上的零件是否需要沿軸滑動(dòng)及滑動(dòng)距離長短，以及鍵在軸上的位置等。鍵的主要尺寸為其橫截面尺寸(鍵寬b 鍵高h(yuǎn))與長度L。鍵的橫截面尺寸b×h 依軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選取。鍵的長度L一般可按輪轂的長度選定，即鍵長略短于輪轂長度，并應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列。
故根據(jù)以上所提出的以及該機(jī)工作時(shí)的要求，故選用A型普通平鍵。
由設(shè)計(jì)手冊查得：
鍵寬 b=16mm 鍵高 h=10mm 鍵長 L=30mm
b) 驗(yàn)算擠壓強(qiáng)度.
平鍵聯(lián)接的失效形式有：對普通平鍵聯(lián)接而言，其失效形式為鍵，軸，輪轂三者中較弱的工作表面被壓潰。
工程設(shè)計(jì)中，假定壓力沿鍵長和鍵高均勻分布，可按平均擠壓應(yīng)力進(jìn)行擠壓強(qiáng)度或耐磨性的條件計(jì)算，即：
靜聯(lián)接
式中
———— 傳遞的轉(zhuǎn)矩
———— 軸的直徑
———— 鍵與輪轂的接觸高度(mm)，一般取
———— 鍵的接觸長度(mm).圓頭平鍵
———— 許用擠壓應(yīng)力)
鍵的工作長度
擠壓面高度
轉(zhuǎn)矩
許用擠壓應(yīng)力，查表，
則 擠壓應(yīng)力
所以 此鍵是安全的。
附：鍵的材料：因?yàn)閴簼⒑湍p是鍵聯(lián)接的主要失效形式，所以鍵的材料要求有足夠的硬度。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鍵用抗拉強(qiáng)度不低于的鋼制造，如 45鋼 Q275 等。
4.4 軸承的校核
滾動(dòng)軸承是又專業(yè)工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件。滾動(dòng)軸承的類型、尺寸和公差等級(jí)均已制訂有國家標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中只需根據(jù)工作條件選擇合適的軸承類型、尺寸和公差等級(jí)等，并進(jìn)行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4.4.1 初選軸承型號(hào)
試選10000K軸承，查GB281-1994，查得10000K軸承的性能參數(shù)為：
C=14617N Co=162850N (脂潤滑)
4.4.2壽命計(jì)算
a) 計(jì)算軸承內(nèi)部軸向力.
查表得10000K軸承的內(nèi)部軸向力
則：
b) 計(jì)算外加軸向載荷
c) 計(jì)算軸承的軸向載荷
因?yàn)?
故
軸承1
軸承2
d) 當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算
由式
查表得： 的界限值
查表知
故
故
則：
式中. (輕度沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn))
由于 ，且軸承1、2采用型號(hào)、尺寸相同的軸承，谷只對軸承2進(jìn)行壽命計(jì)算。
e) 計(jì)算軸承壽命
f) 極限轉(zhuǎn)速計(jì)算
由式
查得：載荷系數(shù)
載荷分布系數(shù)
故
計(jì)算結(jié)果表明，選用的10000K型圓柱孔調(diào)心軸承能滿足要求。
第5章 對典型零部件（齒輪）的有限元分析
5.1 應(yīng)用有限元法研究齒輪的優(yōu)勢
傳統(tǒng)的齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法是通過人工對齒輪強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，通常采用材料力學(xué)的方法，把齒輪當(dāng)作懸臂梁，設(shè)計(jì)校核齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度。然后，根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并畫出二維圖紙。這種設(shè)計(jì)方法計(jì)算繁瑣，容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)誤差和錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)周期長，難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且由于齒輪結(jié)構(gòu)形狀和受力都較為復(fù)雜，尤其是在工作過程中經(jīng)常承受動(dòng)載的作用，與理想梁承受靜載的情況相差甚遠(yuǎn)，有較大的誤差，無法反映結(jié)構(gòu)整體的變形和應(yīng)力情況。而且在設(shè)計(jì)過程中，一旦齒輪參數(shù)發(fā)生改變，則必須重新設(shè)計(jì)圖紙。顯然，這種設(shè)計(jì)方法效率低下，本研究方案針對傳統(tǒng)的齒輪設(shè)計(jì)方法的不足，將ANSYS有限元分析技術(shù)引入齒輪設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域。借助計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件迅速、高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析[20]。
5.2 齒輪參數(shù)及材料的確定
表5.1 齒輪參數(shù)
序號(hào)
參數(shù)
數(shù)值
1
齒數(shù) Z
48
2
壓力角
20°
4
模數(shù) m (mm)
2.5
5
齒頂高 h(mm)
2.5
6
分度圓直徑d (mm)
120
7
齒頂圓直徑 da(mm)
125
8
輪齒寬 B（mm）
24
表5.2 齒輪材料特性
材料
彈性模量
泊松比
密度
45鋼
210GPa
0.3
7800Kg/
5.3 子模型法對齒輪應(yīng)力集中問題的應(yīng)用
詳細(xì)分析齒輪結(jié)構(gòu)齒根附近的三維應(yīng)力場需要大量足夠細(xì)小的單元，其計(jì)算工作量之大有時(shí)令人難以接受。因此，提出有效而簡單的計(jì)算方法是解決此類問題的關(guān)鍵。子模型技術(shù)是從整體模型的局部區(qū)域中獲得更加精確解的有限單元技術(shù)。該方法又稱為切割邊界位移法或特定邊界位移法。切割邊界就是子模型從整體模型分割開的邊界。整體模型切割邊界的計(jì)算位移值即為子模型的邊界條件。子模型技術(shù)基于圣維南原理，即如果實(shí)際分布載荷被等效載荷代替以后，應(yīng)力和應(yīng)變只在載荷施加的位置附近有改變。如果合理選擇子模型的邊界，并通過對子模型進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，就可以得到高精度的結(jié)果。關(guān)于子模型技術(shù)的有關(guān)細(xì)節(jié)，可參閱ANSYS軟件包的相關(guān)文件。應(yīng)用子模型技術(shù)分析齒輪結(jié)構(gòu)齒根附近的應(yīng)力場，只須合理定義切割邊界, 邊界條件插值計(jì)算可由ANSYS程序自動(dòng)完成。
5.3.1 三維齒輪模型的研究
1）建立齒輪三維模型
對齒輪三維總體模型有限元分析時(shí)，模型通過輸入命令流自動(dòng)生成二維齒輪模型，拉伸24mm得到三維模型如下：
圖5.1 建立三維模型
（1）定義總體模型工作文件名為60。
（2）定義單元類型，材料屬性。
對二維模型采用8節(jié)點(diǎn)Plane185號(hào)單元，給單元在本文第三章已介紹過。設(shè)置材料的彈性模量EX=2e5MPa和泊松比PREY=0.3。單元厚度設(shè)置為24mm。
（3）網(wǎng)格劃分：
利用ANSYS網(wǎng)格劃分工具（Mesh Tool）提供的線尺寸控制將所要研究的齒輪廓線（即齒廓線、齒根過渡曲線等）上的單元數(shù)，然后對齒面進(jìn)行劃分，效果如圖：
圖5.2 網(wǎng)格細(xì)化
（4）邊界條件：約束齒輪內(nèi)圓圓弧的節(jié)點(diǎn)又有方向的位移。
（5）載荷施加：如果假設(shè)載荷沿接觸線是均勻分布的，取載荷值為F=1149N，在齒頂處施加集中力，代替節(jié)點(diǎn)處的接觸力對齒根應(yīng)力進(jìn)行分析。通過文獻(xiàn)可知，由于常用的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的重合度系數(shù)，在一般情況下處于和之間，因此會(huì)出現(xiàn)單、雙齒交替嚙合，由于輪齒的最大應(yīng)力發(fā)生在單齒嚙合的最高點(diǎn)，因此需要計(jì)算作用載荷的位置。假設(shè)所分析的齒輪傳動(dòng)為等比傳動(dòng)，且為標(biāo)準(zhǔn)安裝。齒輪受力如圖所示：
圖4.3 齒輪受力
由圖可得到：
（5.1）
其中：
（5.2）
計(jì)算得到：為齒頂壓力角，所以齒頂法向載荷作用角大小為：
（5.3）
在模型中施加集中力時(shí)，將分解到X和Y方向。則X和Y方向力，大小分別為：
(5.4)
施加載荷和約束的效果如圖：
圖5.4 施加載荷與約束
（6）獲得求解結(jié)果：通過求解，獲得齒輪的應(yīng)力集中云圖，在圖中很容易的發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力處出現(xiàn)在齒根，應(yīng)力值為117MPa。
2）齒輪三維子模型有限元分析
（1）指定子模型工作文件名為60s，清除整體模型上的網(wǎng)格。
（2）選擇子模型區(qū)域?yàn)槭茌d的一個(gè)齒形。利用工作平面將子模型區(qū)域切割出來，并劃分網(wǎng)格。
（3）選擇出切割邊界節(jié)點(diǎn)，寫進(jìn)節(jié)點(diǎn)文件cut-bc.node。調(diào)入總體模型，將總體模型的結(jié)果插值到子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上。然后再調(diào)入子模型，讀入切割邊界節(jié)點(diǎn)位移載荷并施加其他載荷。
圖5.5 切割邊界節(jié)點(diǎn)位移載荷并施加其他載荷
（4）獲得求解結(jié)果：
圖5.6 子模型應(yīng)力云圖
由圖可知，齒根受壓側(cè)最大應(yīng)力值為149MPa。
5.3.2 二維齒輪模型的研究
1）齒輪二維總體模型有限元分析
（1）此模型通過輸入命令流，自動(dòng)生成二維齒輪模型，定義總體模型工作文件名為60。
（2）定義單元類型，材料屬性和實(shí)常數(shù)設(shè)置。
設(shè)置材料的彈性模量EX=2e5MPa和泊松比PREY=0.3。單元厚度設(shè)置為24mm。
（3）采用三維齒輪靜載荷值，載荷作用于齒頂，以集中力的形式施加到所加載齒頂線的所有節(jié)點(diǎn)上。載荷方向?yàn)辇X頂壓力角方向，對齒輪中心孔內(nèi)表面進(jìn)行零位移約束。
二維模型約束加載如圖：
圖5.7 約束與載荷的施加
（4）求解結(jié)果
經(jīng)計(jì)算分析可知齒根受壓側(cè)最大應(yīng)力值為121MPa
2）齒輪二維子模型有限元分析
（1）指定子模型工作文件名為60s，清楚整體模型上的網(wǎng)格。
（2）選擇子模型區(qū)域?yàn)槭茌d的一個(gè)齒形。利用工作平面將子模型區(qū)域切割出來，并劃分網(wǎng)格。
（3）選擇出切割邊界節(jié)點(diǎn)，寫進(jìn)節(jié)點(diǎn)文件cut-bc.node。調(diào)入總體模型，將總體模型的結(jié)果插值到子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上。然后再調(diào)入子模型，讀入切割邊界節(jié)點(diǎn)位移載荷并施加其他載荷。
（4）求解結(jié)果如圖：
圖5.8 子模型應(yīng)力云圖
由圖可知，齒根受壓側(cè)最大應(yīng)力值為158MPa。
5.3.3 齒輪齒根應(yīng)力理論值
當(dāng)時(shí)，載荷作用于齒頂上。本文研究的就是靜態(tài)載荷加載在齒頂時(shí)的情況。由于是在靜載荷下對齒輪進(jìn)行有限元分析，并且假設(shè)載荷沿接觸線是均勻分布的，并不考慮嚙合外部因素引起的動(dòng)力過載、嚙合振動(dòng)所產(chǎn)生的附加動(dòng)載荷和制造、安裝精度的影響，所以取載荷系數(shù)K為1。對于齒數(shù)為17的齒輪，其齒形系數(shù)和齒根應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.97和1.52，按照傳統(tǒng)的輪齒強(qiáng)度計(jì)算公式則有：
(４.5)
5.3.4 二維和三維齒輪模型分析結(jié)果比較
表5.3 二維和三維模型的分析結(jié)果
總體模型（MPa）
子模型（MPa）
理論值
二維齒輪
117
149
145
三維齒輪
121
158
5.4 P單元法在齒輪應(yīng)力集中問題解決中的應(yīng)用
1）利用P單元法對齒輪二維模型進(jìn)行應(yīng)力集中分析時(shí)，首先定義模型工作文件名，選擇Ｐ方法。定義單元類型（本模型采用8節(jié)點(diǎn)的Plane145號(hào)P單元類型），定義模型材料屬性，彈性模量E=210GPa，泊松比u=0.3，實(shí)常數(shù)t=24mm。
2）通過輸入給定的命令流文件建立齒輪模型
3）對齒輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)使用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元密度設(shè)置為5。
4）施加載荷與約束。載荷作用于齒頂，以集中力的形式施加到所加載齒頂線的所有節(jié)點(diǎn)上。載荷方向?yàn)辇X頂壓力角方向，對齒輪中心孔內(nèi)表面進(jìn)行零位移約束。
圖5.9 約束與載荷的施加
5）求解并顯示應(yīng)力云圖。通過圖形很容易的看出應(yīng)力集中最大處以及精確的應(yīng)力值。
圖5.10 應(yīng)力云圖
由圖5.10可知，齒根受壓側(cè)最大應(yīng)力值為176MPa。
對于結(jié)構(gòu)線性靜力分析而言，Ｐ單元法求解選項(xiàng)提供了比傳統(tǒng)h單元法更多的優(yōu)點(diǎn)。最顯著的優(yōu)點(diǎn)是，不需用戶嚴(yán)格地控制網(wǎng)格，就可以使求解提高到合適的精度水平。如果用戶是有限元分析的新手，或者在網(wǎng)格設(shè)計(jì)時(shí)沒有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，你可能更喜歡這種方法，因?yàn)檫@種方法減輕了用戶手工設(shè)計(jì)精確網(wǎng)格的負(fù)擔(dān)。
此外，Ｐ單元法自適應(yīng)加密方法提供了比h單元法更精確的誤差評估，可以按局部計(jì)算，也可以按總體計(jì)算（如某點(diǎn)處的應(yīng)力，而不是應(yīng)變能）。例如，用戶需要獲得在某點(diǎn)上的高精度解（如斷裂或疲勞組件），Ｐ單元法為在這些點(diǎn)上取得要求精度的結(jié)果提供了極佳的方法。
總結(jié)與展望
一、總結(jié)
本設(shè)計(jì)是對鋼筋彎曲切斷機(jī)進(jìn)行的一次有效的理論討論。通過對鋼筋彎曲切斷機(jī)各級(jí)傳動(dòng)比的分配研究計(jì)算，了解了鋼筋彎曲切斷機(jī)實(shí)現(xiàn)送料，間歇運(yùn)動(dòng)及送料這一完整的過程。這為進(jìn)一步了解的其他功能和發(fā)展要求打下了一定的基礎(chǔ)。對鋼筋彎曲切斷機(jī)進(jìn)行有效的理論分析，不僅有一定的使用價(jià)值，更有較高的理論參考價(jià)值，這有利于我們技術(shù)人員消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，縮小與發(fā)達(dá)國家的差距。
我著重討論了電機(jī)傳動(dòng)鏈以及設(shè)計(jì)了機(jī)構(gòu)傳動(dòng)路線和其它的機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。
二、今后研究方向
今后將理論計(jì)算應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，理論指導(dǎo)實(shí)踐。
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致 謝
經(jīng)過了差不多半年的時(shí)間，終于比較圓滿完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)?；仡欉@半年來的日日夜夜，感覺經(jīng)過了一場磨練，通過圖書、網(wǎng)絡(luò)、老師、同學(xué)等各種可以利用的方法，鞏固了自己的專業(yè)知識(shí)。對所學(xué)知識(shí)的了解和使用都有了更加深刻的理解。
此時(shí)此刻，我要特別感謝我的導(dǎo)師的精心指導(dǎo)，不僅指導(dǎo)我們解決了關(guān)鍵性技術(shù)難題，更重要的是為我們指引了設(shè)計(jì)的思路并給我們講解了設(shè)計(jì)中用到的實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而使我們設(shè)計(jì)中始終保持著清晰的思維也少走了很多彎路，也使我學(xué)會(huì)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。不僅如此，老師的敬業(yè)精神更是深深的感染了我，鞭策著我在以后的工作中愛崗敬業(yè)，導(dǎo)師是真真正正作到了傳道、授業(yè)、解惑。
同時(shí)也要感謝其他同學(xué)、老師和同事的熱心幫助，感謝院系領(lǐng)導(dǎo)對我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的重視和關(guān)心，為我們提供了作圖工具和場所，使我們能夠全身心的投入到設(shè)計(jì)中去，為更好、更快的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了重要保障。
本論文是在導(dǎo)師XX的悉心指導(dǎo)下完成的，經(jīng)過幾個(gè)月的時(shí)間，在各位老師的幫助下，在我的不斷努力下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于要完成了。從設(shè)計(jì)中我學(xué)到許多知識(shí)，也理解了做任何事都要細(xì)心的道理。知識(shí)的積累是一點(diǎn)一滴的，在設(shè)計(jì)中我也感受頗深。
首先，要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)xx老師。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，給了我許多指導(dǎo)性的建議和改進(jìn)方法，使我在設(shè)計(jì)過程中少走彎路，在生活上也給與了一定的關(guān)心和支持。其次，也要感謝XX老師，他對我的設(shè)計(jì)提出了許多改進(jìn)的建議，并且對我的設(shè)計(jì)方案，圖形繪制等提出了許多寶貴的建議。對我的方案改進(jìn)和圖形的修改有了非常大的幫助。
同時(shí)也要感謝各位老師，正是他們在課堂上的諄諄教誨，使我掌握了充足的知識(shí)來完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。
我也非常感謝我的父母，是他們在生活上和學(xué)習(xí)上給我關(guān)心和幫助，讓我能全身心的投入到學(xué)習(xí)中。
再次，也非常感謝學(xué)校能給我這次機(jī)會(huì)來進(jìn)行我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我把書本上的知識(shí)運(yùn)用的實(shí)踐中去，讓我深刻的體會(huì)到了“學(xué)以致用”的道理。讓我在實(shí)踐中豐富和充實(shí)了自己。
最后，要感謝所有曾經(jīng)幫助我的同學(xué)，我的舍友，使他們的鼓勵(lì)和幫助，讓我的設(shè)計(jì)圓滿結(jié)束。
附則
齒輪ANSYS APDL代碼
/prep7
m=2.5!齒輪模數(shù)
z1=48!齒輪齒數(shù)
pi=3.1415926
ang=20 !分度圓上的壓力角
ha_c=1 ! 齒頂高系數(shù)
c_c=0.25 !頂隙系數(shù)
ha=ha_c*m !齒頂高
hf=(ha_c+c_c)*m !齒根高
d=m*z1 !分度圓直徑
db=d*cos(ang*pi/180) !基圓直徑
da=d+2*ha !齒頂圓直徑
df=d-2*hf !齒根圓直徑
s=pi*m/2!分度圓齒厚
theta_s=tan(ang*pi/180)-ang*pi/180
fai_s=s/d
alfa_a=acos(db/da)*180/pi !齒頂圓壓力角（角度表示）
alfa_f=acos(db/db)*180/pi !齒根圓壓力角（角度表示）
dfr=0.38*m !齒根圓角半徑
b=10!齒寬
deata_ang=360/z1 !齒輪兩齒間的夾角
*dim,alfa,array,10
*dim,rk,array,10
*dim,theta,array,10
*dim,fai,array,10
*do,i,1,10
alfa(i)=(alfa_f+((alfa_a-alfa_f)/9)*(i-1))*pi/180 !每條漸開線上生成10各關(guān)鍵點(diǎn)所對應(yīng)的壓力角大小（用弧表示）
*enddo
*do,i,1,10
rk(i)=(db/2)/cos(alfa(i))
theta(i)=tan(alfa(i))-alfa(i) !弧度表示
*enddo
*do,i,1,10
fai(i)=(theta_s+fai_s-theta(i))*180/pi !角度
*enddo
!定義單元類型
ET,1,PLANE42
ET,2,SOLID185
!定義材料參數(shù)
MP,EX,1,2.11e5 !MP定義線形材料特性EX彈性模亮PRXY為泊松比
MP,PRXY,1,0.277
MP,EX,2,2.09e5
MP,PRXY,2,0.259
CSYS,1
*do,i,1,10
k,i,rk(i),fai(i)
*enddo
ksel,all
BSPLIN,ALL !繪制齒廓線
FLST,2,2,8
FITEM,2,0,0,0