SlideShare une entreprise Scribd logo
1  sur  75
Télécharger pour lire hors ligne
MME­342 
Rock Crusher Project 
 
 
For: 
 Dr. Sezen 
12/8/2015 
 
By: 
Luke Belich 
Benjamin Watters 
Gene Studniski 
Dylan Norenberg 
Anthony Morris 
 
 
 
Abstract:  
This project will cover the design of a rock crusher, consisting of a mechanism that transfers the 
mechanical energy to the jaw, and a gearbox to increase the torque applied to the mechanism. 
Components of the mechanism and gearbox will be designed to account for fatigue and have an 
infinite life where applicable. A successful design was created meeting the overall requirements 
of the assignment to safely operate under the intended use. 
Body: 
Procedure gears: 
Getting Started: 
To start the gear design process, the first thing to be done is to determine what the overall 
dimensions of the gearbox or transmission case should or can be. In this design we are making 
a reverted gear compound gear train. This will keep the space of the gearbox minimal. In this 
case the dimensions given are the crank and the main motor gear have to be 1000 mm apart 
exactly and the overall width has to be less than 1200 mm from gear tip to gear tip. The gear 
reduction ratio was a given parameter where a 1 to 10 reduction was needed. With that 
information known it is possible to come up with the circle diameters to make the design fit into 
the case parameters. In this case, to make a 1 to 10 reduction, a 1/2 and a 1/5 reduction were 
used to create the overall 1/10 reduction. So, to maximize the gear size for strength given the 
large amounts of torque they will be subject to, the overall dimensions of the gears 1­4 are: 
160mm, 800mm, 320mm, and 640mm respectively. Gears 1 and 2 have a face width of 151mm 
and gears 3 and 4 have a 226mm face width after all analysis was done. Now that the sizes are 
known and the wanted output torque is known, by back stepping the torques through the shafts 
and running them through the gear diameters you can find the various minimum and maximum 
torques for the gears. 
Gear Information: 
With the torques and the diameters known the design process can be started. A pressure angle 
of 20 was used, it is also one of the two standard pressure angles to pick from. The first step 
that was taken in this process is assuming how many teeth gear one will have (the first pinion). 
To start, 16 was picked for no particular reason just to have a starting point. After guessing and 
checking through the whole process it was figured to be 17. With the number of pinion teeth 
known the number of teeth on the gear connected to this pinion can be found. With the diameter 
known and the teeth known the diametral pitch along with the pitch circles can be determined. 
From those, the base pitch, gear ratio, addendum, contact action, and length of action can be 
found. The face width may also now be determined, Norton states a nominal value of 12/pitch 
diameter, this can be played with to adjust the surface fatigue safety factor. 
 
 
Bending: 
With the contact ratio and numbers of teeth for the gear and pinion, the bending geometry 
factors, J’s using table 12­10, can be found. Using the correct angular velocity for the gear set 
being designed, calculating the pitch line velocity and comparing it to the max, the larger of the 
two is used. There are two parameters needed, A and B, to get Vmax. These parameters will be 
used in other correction factors. Next, is the loading on the gears. Two torques will be needed 
the maximum and minimum for the gear set being designed. The gear quality was set to 11 due 
to the fact that an automobile transmission is 10­12 and a similar design quality was desired. 
Bending Correction Factors: 
Six correction factors need to be found: 
1)      Dynamic factor: this factor involves the parameters A and B as well as Vmax and or Vt 
whichever is larger to calculate and the quality of gear which has to be taken into consideration 
here. 
2)      Load distribution factor: use table 12­16 in Norton to get this 
3)      Application factor: use table 12­17 in Norton to get this use common sense to apply the 
factor 
4)      Size factor: this is mainly 1 unless otherwise specified 
5)      Rim thickness factor: a solid gear was chosen so in this case it is 1 
6)      Idler factor: in this case no idler gears are used so 1 
With the loads known and the correction factors calculated the corrected bending stress can be 
found. 
Surface stresses: 
Now, surface stresses must be taken into account and there will be three correction factors: 
1)      Surface geometry factor: there is three parts to this that need to be calculated. 
2)      Elastic Coefficient: use Table 12­18 if the material is on there. If not there is an equation 
available. 
3)      Surface finish factor: this is mainly 1 unless otherwise specified. 
Now calculate the corrected. 
Bending Fatigue: 
Using table 12­25 and the hardness of the material chosen, bending fatigue can be found from 
the uncorrected fatigue strength 
There will be 3 factors for calculating the bending fatigue strength: 
1)      Life factor: use table 12­24 to find the equation to use. It will be related to the hardness. 
2)      Temperature factor: use the formula given. 
3)      Reliability factor: use table 12­19 to find. 
 
Surface Fatigue: 
There are 4 correction factors needed for this formula, but two of them are the same as before 
the temperature factor and the reliability factor the subscripts match to make things easier: 
1)      Surface­life factor: use table 12­26 to find this in Norton 
2)      Hardness Ratio: there are many parts to this factor. Follow the directions and take the 
factor. 
There are graphs in figure 12­27 to find the uncorrected fatigue strength. After all the correction 
factors are found calculate the corrected. 
Safety Factors: 
Once all have been corrected the corrected strengths and stresses can be found and the three 
safety factors for the gear pinion and surface fatigue can be created. 
Work Through: 
To see the results of the various steps look at Mathcad sheets Gears 1 and 2 along with Gears 
3 and 4.  
  
Discussion Gear : 
Through the design process, lots of issues came about at the end with the fatigue safety factor. 
The issue was resolved by increasing the face factor ratio to 16, which is on the high side of the 
recommended amount. This allowed the safety factor to go above 1 which is ideal for fatigue in 
gears because you know that they’re going to fail due to surface failure. There was no issue on 
the gear or pinion side of things as long as the amount of tooth wear is kept low in order to 
make sure their size stayed large for so bending stresses will not affect it as much. Following 
Norton’s gear chapter the design steps fell into place very nicely. Overall the only issue came 
from not reading the design criteria correctly. Once the output torque was determined, the rest 
fell into place. Case hardened steel was chosen for the gears.  
Procedure Gearbox : 
The gearbox was designed in two pieces so that it is able to be taken apart to maintenance the 
gears or the bearings. The case will contain the oil for the gears in the bottom of the case. There 
is a fill hole with cover at the top of the case that oil can be added to and a drain hole with a plug 
screw in the side portion for oil to be changed every so often. The gearbox will be a cast part 
due to its simple geometry. The box will have two holes in the sides with rubber seals so oil 
can’t escape and for the main input shaft and the main drive shaft to come out. Inside the case 
there is space to mount the the bearings for the secondary reduction shaft. There is a magnet 
located on the bottom of the gear case, so that any shavings that the gears may produce will be 
collected and held out of the oil. 
 
Procedure for Jaw design and analysis: 
 
Design:  
The jaw was redesigned from the initial design given for the project. To find accurate 
dimensions for the jaw solidworks was used to scale the image to appropriate size and find the 
dimensions of each member as shown in ​Figure 15.​ Once the dimensions of the jaw were 
obtained a more “truss” like structure was developed to help distribute the load through the 
frame. This frame design was chosen to prevent moments at the joints. The jaw is one solid 
piece that is cast from 1020 steel. There is a 20 gauge sheet metal that covers the whole 
outside of the jaw frame, the sheet metal does not contribute to the structural portion of the 
frame. The thickness of the members in the frame is 40mm and the width of the jaw is 500mm.  
 
Analysis: 
On paper the frame was analyzed like a truss to find the forces in the members. All the joints 
were treated as pins within the frame. Since the joints were treated as pins they can not support 
moments. The load was assumed to act uniformly across the face of the frame to help simplify 
the calculations. The truss was analyzed in two separate locations. The locations can be seen in 
Figure​ ​1.  Location A was chosen so the design could be modeled conservatively. This beam 
was designed to take the whole load (110kN) that is applied by the connecting rod. The loading 
is considered to be a simple fluctuating load in this case. Since this beam was designed for the 
worst case scenario, all the other beams will disburse the load through each of the members. 
The beam is under compression for the worst case scenario, because of this buckling needed to 
be considered as a failure option. The beam produces a slenderness ratio of 1.68, so it is 
considered a short beam and buckling will not occur. The beam was then analyzed for axial 
fatigue stress to obtain an infinite life safety factor.The safety factor for this beam was 
considerably higher than what was needed, this was because we did not change the thickness 
throughout the jaw. The safety factor for the beam was almost 29. The main concern for failure 
was bending of the beam on the face of the jaw. So the face was considered for the safety 
factor instead of the vertical beam. 
 
The second location for the design was selected to analyze the maximum bending the beam 
encountered. This spot was found through singularities functions to find the location and value 
of the maximum moment. The top face of the jaw was modeled as a beam with every member 
of the truss acting as a support. The support reactions were found by assuming the load was 
shared evenly between the members. This was necessary because the design is statically 
indeterminate. Singularity functions were then used to find the max moment and its location. 
That location was found to be 200mm from the start of the face as shown in figure 1 beam 
B.This beam was then used for a fatigue analysis with the max moment found from the 
singularity functions. Since this beam will see the highest moment, every member was modeled 
after it, to take the most conservative approach in the design.  
 
Since the frame was cast and the beams were analyzed as separate sections, each section did 
not have any geometric stress concentrations. There were no holes or notches in any of the 
beams. For the analysis the material needed to have correction factors added to the theoretical 
strengths. There were five correction factors to be calculated: 
● Loading ­ For a bending case a loading factor or 1 was used, for the axial case a loading 
factor of 0.70 was used.  
● Size ­ The size was determined by an equivalent diameter, since the geometry is square 
instead of round.  
● Surface finish ­ The surface was selected as a hot rolled surface.  
● Temperature­ The jaw will never see a temperature above 450 degrees C so a value of 1 
was selected.  
● Reliability­  A reliability of 90% was chosen because of the purpose of the machine and it 
is not necessary to have a real high reliability.  
Once the correction factors were applied to the material, the infinite life safety factor could be 
determined. The safety factor was determined from case 3 to be conservative in this design. 
The final value of the safety factor for the bending beam was calculated to be 2.134. Finite 
element analysis was used to confirm the maximum bending stress location and to analyze 
other key areas on the beam. 
 
Plate design: 
 
The plate that is attached to the face of the jaw was chosen to have a material of 4140 
quenched and tempered steel @ 400 degrees. This specific material was chosen because it has 
very high yield and tensile strengths, the hardness of this material is also 510HB. There are no 
impact forces considered in this design and all the forces are distributed across the whole plate. 
The depth on the plate was taken to be 20mm deep. This material also shows impact, and 
abrasive resistance properties. Even if occasionally something harder than the typical rock does 
enter the crusher, this plate will produce a long part life.  
 
Procedure for Shaft Design and analysis: 
 
Design Procedure: 
 
The main drive shaft within the gearbox was designed in order to withstand a fluctuating torque 
and moment produced from a gear.   This is with the assumption that the end of the shaft with 
the crank attached does not create any sort of bending moments.  With this understanding, the 
shaft was set up in a simply supported fashion, with the bearings being the supports and the 
gear creating the forces between the bearings.  Furthermore, the shaft will be designed with a 
step to reduce deflections between the bearings and reduce vibrational effects.  The thickest 
part of the shaft, the part of the shaft between the two bearings, was designed first.  This area of 
the shaft was designed to withstand the stress concentrations due to a keyway under bending 
and shear stresses.  Deflections were also analyzed to ensure the gears would properly operate 
without failure. The step in the shaft would experience shear stress due to torsion, which is the 
areas the bearings attach.  Therefore, stress concentration factors for the steps were used to 
determine a suitable diameter at these bearing locations under shear stress.  This allowed for 
the determinations of bearings.  The final diameter needed was the diameter of the shaft where 
the crank is attached.  This part of the shaft would experience stresses only due to torsion, and 
would contain stress concentrations from a keyway.  Once these calculations concluded, 
torsional deflections, and the stresses produced on the shaft through a press fits were analyzed. 
 
Analysis: 
 
The fluctuating forces produced by the gear were determined from the known fluctuating torque, 
with the maximum force being 43.232 kN and the minimum force of 36.581 kN.  The distance 
between the bearings is 0.5 meters, and the gear is placed 0.35 meters from the bearing 
nearest the drive crank. With the forces determined, the reaction forces at each bearing is 
calculated. This is used to find the location of the maximum moment, and critical locations for 
analysis. The maximum moment occurs at the location of the gear is referenced in equation 8: 
shaft design page 2.  With these large forces in mind, the material chosen for the shaft is 1040 
steel quenched and tempered at 400 degrees Fahrenheit.  The shaft will be ground to a surface 
finish of 0.8 microns to 1.6 microns.  The mean moment is calculated to be 4.539 kNm and the 
alternating moment is 0.349 kNm.  The mean torque is 12 kNm and the alternating torque is 1 
kNm.  To determine the correct endurance limit C factors had to be determined.  The C factors 
are listed below: 
● Loading­ C factor of 1 since there is only bending and torsional loading. 
● Size­ Equation 6.7b aided in determination, factor of 0.74 found. 
● Surface­ Equation 6.7b aided in determination, factor of 0.9 found for ground finish. 
● Temperature­No temperature effect, so factor of 1. 
● Reliability­ Reliability of 99.9% so factor used is 0.753. 
Corrected endurance limit is found to be 195.33 MPa. 
 
To determine the diameter necessary at the gear, a stress concentration factor of 3 is used for a 
keyway.  This is for both  the shearing and bending stresses to achieve a conservative 
approach.  The diameter of the shaft necessary at the gear is determined to be 0.112 m with a 
safety factor of 3, the shaft diameter at this location is chosen to be 0.130 m in order to reduce 
deflections.  The step in the shaft to accommodate for bearing mounting only experiences shear 
stresses due to torsion, due to the fact that there is no moment present at these locations which 
is referenced in equation 8: shaft design page 2.  The notch radius at the step locations will be 1 
mm, so the stress concentration factor at this location is 3 under torsion to be conservative.  The 
diameter necessary at this location is 0.112 m with a safety factor of 3, and the diameter chosen 
is 0.120 m. The final diameter necessary, is the diameter of the shaft to accommodate the 
mounting of the crank.  There will be a stress concentration due to a keyway, and the crank will 
only experience stresses due to torsion.  There will be the same keyway stress concentrations 
that were used in determining the diameter of the shaft at the gear.  A shaft diameter is 
determined to be 0.109 meters at the crank, the diameter chosen at the crank will be 0.120 m. 
 
The maximum torsional deflections along the shaft is found to be 0.231 degrees, which is 
suitable for this application.  Maximum deflection due to bending is found to be 0.031 mm, which 
is suitable for proper gear meshing.  This is referenced in equation 12: shaft design page 6. 
Maximum angular deflection is 0.013 degrees at bearing locations, which is suitable for proper 
running of bearings. This is referenced in equation 11: shaft design page 5.  Bearing selection 
will be described later in the report, but the tolerances were given for the shaft at bearing 
locations.  An m6 tolerance condition for the shaft at bearing locations was recommended by 
SKF.  The shaft tolerances will be +35 microns for an upper limit and +13 microns for a lower 
limit along the whole shaft.  This is seen in the SKF bearing report in figure 19.  A safety factor 
due to the interference fit for the shaft is found to be 6.625, therefore the shaft will not fail due to 
the interference fit.  The h4 tolerance class will be used on the area of the shaft located between 
the bearings.  The total length of the main drive shaft will be 0.866 m.   All calculations for the 
shaft are found in equations 7 through 13: shaft design pages 1 through 7. Final dimensions and 
tolerances of the shaft are referenced in technical drawing 4.  
 
The shaft was analyzed for critical speeds using solidworks, modes 1­5 were found to make 
sure the shaft was not close to its natural resonating frequency. The natural frequency of the 
shaft speed is 2 hertz. Therefor the fundamental frequency is significantly higher than the 
rotating frequency of the shaft. The shaft will not fail due to critical rotating speeds. The modes 
can be seen in Figures 10­14. 
 
Table 1: Frequency analysis of main drive shaft 
 
Bearing Selection: 
 
With large shock loads in the radial direction and no axial loads, a cylindrical roller bearing is the 
proper bearing for the loading conditions in this case.  The maximum radial force either of the 
two bearings along the drive shaft will experience is 30.263 kN and the shaft will rotate at 120 
rpm.  The roller bearing chosen through the SKF bearing calculator tool is a NJ 2324 ECMA 
sealed bearing in order to provide high cleanliness.  In this application the inner ring will be the 
only part of the bearing rotating, with the shaft having a horizontal orientation. This bearing has 
a bore diameter of 120 mm, an outside diameter of 260 mm, and a width of 86 mm.  Lubrication 
determination will be explained later in the report, but the lubrication is a grease with a viscosity 
of 500 mm squared per second at 40 degrees Celsius and 32 mm squared per second at 100 
degrees Celsius.  Under these conditions, SKF gave the bearing a modified L10 life of over 
1,000,000 hours.  This L10 life is more than suitable for the rock crusher.  The power loss due to 
the bearing is 30 W.  Relubrication intervals are determined to be every 3090 hours, with a 
grease quantity of 110 g when replenishing.  SKF determined the shaft and housing tolerances 
if there was to be thermal expansion in the shaft.  The shaft tolerance class is m6 and the 
housing tolerance class is G7.  Referenced in the SKF bearing report in figure 19. 
 
Bearing Mounting: 
 
As stated above, the housing for the bearings within the frame will be a G7 housing tolerance 
class.  The housing bore tolerance values will be +69.0 microns as an upper limit and + 17.0 
microns as a lower limit, with a nominal diameter of the housing being 260 mm.  The outer ring 
of the bearing nearest the crank will clamped axially to the housing, and the inner ring will be 
located using a sleeve spacer and the flange of the shaft.  This bearing will not be the bearing to 
account for thermal expansion.  The outer ring of the other bearing will be allowed to float within 
the housing to account for thermal expansion.  This will ensure there will be no axial forces due 
to thermal expansion of the shaft.  The inner ring of this bearing will be located using a snap ring 
and the flange along the shaft.  Stress concentration analysis was not needed on the groove for 
the snap ring because this area of the shaft is not exposed to any stresses.  When inserting the 
shaft into bearings, an expansion fit will be used by cooling the shaft through the use of liquid 
nitrogen before insertion.  There is m6 shaft tolerance values on the shaft where the bearings 
attach, which will create an interference fit.  The expansion fit will reduce the axial stresses 
created on the bearings due to insertion of the shaft.  Referenced in the SKF bearing report in 
figure 19. 
  
Key Selection Analysis: 
 
The key will fail due to shearing or bearing failure, so analysis was done to ensure the key will 
not fail under these conditions.  The key material chosen is 1020 hot rolled steel since this is a 
softer material than that of the shaft, gear, and crank.  Standardized dimensions for the key 
were used, the width of the key being 32 mm and the height being 18 mm.  A length of 152 mm 
is chosen for the key.  Both the crank and gear will use the same size key.  Analysis was done 
on the key using the fluctuating torque created by the gear, which ranged from 13 kNm and 11 
kNm.  The alternating component of the shear stress is 3.155 MPa and the mean component is 
37.856 MPa.  The Von Mises alternating stress component is calculated to be 5.464 MPa and 
the mean component is 65.568 MPa. To determine the correct endurance limit, C factors must 
be determined.  The C factors are listed below: 
● Loading­ C factor of 1 since there is only shearing. 
● Size­ Equation 6.7b aided in determination, factor of 1.753 found.  Size factor will be 
chosen as 1 for a conservative approach. 
● Surface­ Equation 6.7b aided in determination, factor of 0.8 found for machined finish. 
● Temperature­No temperature effect, so factor of 1. 
● Reliability­ Reliability of 99.9% so factor used is 0.753. 
Corrected endurance limit is found to be 114.003 MPa. This giving a fatigue life safety factor of 
4.526.  A safety factor is also needed for bearing failure of the key, which is determined to be 
2.524.  This value is a suitable to resist bearing failure, and is lower than the safety factor for the 
gear, shaft, and crank.  Therefore, the key will fail before the shaft, gear, and crank will.  In 
effect the cost of repair is decreased if failure were to occur, because the key would be the only 
thing in need of replacement.  All calculations for key selections are found in equations 
equations 14 through 15: key design pages 1 and 2. 
  
Procedure for Pin Design and Analysis: 
 
Design Procedure: 
 
The pins in the connecting rods 7 and 8 were designed to withstand tearout failure and bearing 
stress. The diameter was initially designed off an initial design safety factor that could be altered 
later on to obtain an appropriate fatigue safety factor. After the initial diameter was determined, 
a pin length was to be determined. The shorter the pin length, the more conservative the final 
safety factor, since a shorter pin length results in a higher bearing stress. Once the pin length 
was determined the bearing stress was calculated and a fatigue analysis was performed to 
determine the endurance limit and safety factor for an infinite life material. A case 3 safety factor 
was chosen to be calculated where both alternating and mean stress components can increase 
under service conditions but their ratio will remain constant. 
 
Analysis: 
 
The material selected was ground 1040 steel, quenched and tempered at 400​o​
F. We selected a 
hardened steel with very good material properties in order to be more conservative. Hardened 
steel is also compatible with itself in surface wear so it can be used in design of the connecting 
rods and other components as well. The diameter determined from the calculations is 63 mm. 
From the chosen diameter, an initial conservative length of 60 mm was chosen in the bearing 
stress calculations. Ultimately, 60 mm pins are used to between the connecting rods and 
crushing arm and an 80 mm pin is used between the jaw and connecting rod 8. The endurance 
limit and safety factor of the 60 mm pins is 186.876 MPa and 4.5 respectively. Guided solutions 
to these numbers can be seen in ​Equations 24­26: Mathcad Pages 1­3 ­ Pin Endurance Limit 
Calculations​.  
Surface wear was analyzed for all the pins at 1 million cycles. The depth of wear for the pins 
after 1 million cycles was calculated to be .3mm. This calculation was determined for poor 
lubrication, due to the fact that it will be in a dusty, dirty environment. Therefore there should be 
a small sleeve of thickness .5mm between the pins and the other components to help preserve 
the main components. The lubrication chosen for this joint is the same lubrication used for the 
rolling element bearings. which is a grease with a viscosity of 500 mm​2​
 per second at 40 
degrees celsius. The relubrication intervals will be performed by the central lubrication system 
set at every 20 hours to help keep dust and debris from working its way into the pin joints. It will 
help prevent unplanned three body abrasive wear. These calculations can be seen in ​Equation 
27: Mathcad page 4­ Pin surface wear calculations. 
 
 
 
 
 
 
 
Procedure for Connecting Rods Design and Analysis: 
 
Design Procedure: 
In determining the dimensions for the connecting rods, the rod that experienced the heaviest 
loads and most stress was designed initially. By designing for the rod that experienced the worst 
case scenario it leads to a more conservative design if the same rod is used in less extreme 
loading conditions. Connecting rod 8 experienced maximum compression loads of 110 kN which 
would lead to column failure in concentric loading before any other type of failure depending on 
the slenderness ratio. With that being said, a buckling analysis was performed to find the 
allowable load from a chosen safety factor. The length and thickness were already known from 
given dimensions and previous pin dimensions determined. The width was determined by 
multiplying the pinhole diameter by 3 in order to use a minimum of one­pin diameter of material 
between the edge of the hole and the parts outer edge. This was suggested by the book as a 
good starting design point. The compressive yield strength was set equal to the tensile yield 
strength of the material as a very conservative approach to the buckling analysis. 
 
After performing the buckling analysis for connecting rod 8, since connecting rod 7 would not 
experience as much compression and would not buckle before connecting rod 8 if the same 
designs were used for each, a fatigue analysis was performed on both connecting rods. The 
fatigue analysis was completed for a uniaxial fluctuating stress state where only axial loads 
were experienced by the connecting rods. From the fatigue analysis an endurance limit and 
safety factor were determined for an infinite life material. A case 3 safety factor was chosen to 
be calculated where both alternating and mean stress components can increase under service 
conditions but their ratio will remain constant. 
 
Analysis: 
 
After performing the buckling analysis on connecting rod 8, the final dimensions were 
determined to be 550 mm long from the center of each pinhole, 30 mm thick, 189 mm wide, with 
pinhole diameters of 63 mm. The material selected was machined 1040 steel, quenched and 
tempered at 400​o​
F. We selected a hardened steel with very good material properties in order to 
be more conservative. Hardened steel is also compatible with itself in surface wear so it can be 
used in practice with the hardened steel pins selected. With a safety factor of 4, the buckling 
analysis resulted in an allowable load of 594.322 kN which is much higher than the 110 kN 
experienced. This design can also be used in connecting rod 7 conservatively. 
 
After the buckling analysis, fatigue analysis was performed on each connecting rod. The results 
for connecting rod 8 give an endurance limit of 126.601 MPa and a safety factor of 5.487. 
Fatigue analysis results of connecting rod 7 give the same endurance limit as rod 8 but give a 
more conservative safety factor of 6.022. Guided solutions to these numbers can be seen in 
Equations 28­29: Mathcad Pages 1­2 ­ Connecting Rod Buckling Calculations, Equations 30­32: 
Mathcad Pages 1­3 ­ Connecting Rod 8 Fatigue Analysis Calculations, ​and​ Equations 33­35: 
Mathcad Pages 1­3 ­ Connecting Rod 7 Fatigue Analysis Calculations. 
Lubricant Selection: 
 
Once the bearings were selected an appropriate lubricant needed to be chosen. Fortunately, 
SKF has a bearing grease selection chart listed on their website in pdf format. Their bearing 
grease selection chart lists all their greases, a brief description of each grease along with 
applications, temperature ranges, and operating speeds. Fortunately, SKF offers a grease 
commonly used with jaw crushers, construction machinery, and vibrating machinery.  
 
The grease chosen is LGEM 2 grease from SKF that has an operating temperature range from 
­20​o​
C to 120​o​
C which is considered a medium temperature range according to SKF. The 
operating speed for LGEM 2 grease is listed as very low so it is necessary to check into this and 
see if the current application speed is considered very low. 
 
For cylindrical roller bearings very low speeds are considered to be  < 30,000. Where n isn * dm  
the rotational speed in rpm’s, and  is the mean diameter of the bearing (0.5*(D+d)). Thedm  
product of  for the bearing selected is 22,800 which is lower than 30,000 and considered an * dm  
very low operating speed and meetings the specifications for grease LGEM 2. 
 
Grease selection chart and parameter definitions can be seen in figures 16, 17 and 18. 
 
Finite Element Analysis: 
Static finite element analysis was used to analyze all parts. For the jaw a static study was done 
to verify the maximum bending moment on the face, and the maximum stress magnitude and 
location. Both solidworks and singularity functions found the maximum bending moment in the 
same location as well as magnitude. An analysis was also performed on both connecting rods in 
tension and compression. The analysis showed that both rods under both loading conditions 
were not close to yielding. Finite element confirmed that the highest stresses were indeed found 
at the pin hole of the connecting rods. The shaft was analyzed for both pure torsion and bending 
moments due to the gears. The maximum bending displacement for the shaft was found to .231 
degrees which is acceptable for this design. The pure torsion design in the shaft is higher than 
what was actually calculated. This could be due to two reasons, the first being that the material 
that solidworks does not perfectly match the 1040 QT at 400 degrees.The second is because of 
the mounting fixtures; to mount the flywheel there is a resulting fixture at the main shaft output 
which, caused a false bending moment causing the stresses to be higher than they actually are. 
Finite element should only be used in this case to confirm critical areas under a static loading 
condition. All Finite Element Analysis parts can be seen in Figures 3­9. 
 
A separate study was performed on the shaft to make sure the shaft did not fail by vibration. 
This study was done with the same fixtures from the bending and torsional analysis. The 
analysis was able to give the five different modes for the frequency analysis and confirmed that 
the shaft was nowhere near failure from vibration.   
 
Acknowledgments:  
 
Thank you to St. Cloud State University for supplying the necessary accommodations to 
complete the rock crusher design project.  A special thank you to Dr. Sezen for taking 5 years 
off our lives with this wonderful project. 
 
Reffrences:  
Robert L. Norton, C. R. (2014). Machine Design 5th edition. New Jersey: Pearson Education 
Inc.  
 
SKF Group, C. R. Bearing Selection:  www.skf.com/us/index.html 
 
Mathcad Prime (Version 3.1) [software] (C. R. 2015 PTC Inc.) 
 
Solidworks (Educational Version) [software] (C. R. 2015 Dassault Systemes) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mathcad sheets for Jaw analysis: 
 
Equation 1: Mathcad axial loading page 1 
 
Equation 2: Mathcad axial loading page 2 
 
Equation 3: Mathcad bending loading page 1 
 
Equation 4: Mathcad bending loading page 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Equation 5: Mathcad bending loading page 2 
 
 
 
Equation 6: Mathcad bending loading page 2 
 
 
 
Mathcad sheets for Shaft design: 
 
 
Equation 7: Shaft Design Page 1 
Equation 8: Shaft Design Page 2 
 
Equation 9: Shaft Design Page 3 
 
 
 
Equation 10: Shaft Design Page 4 
 
 
 
 
Equation 11: Shaft Design Page 5 
 
 
 
 
Equation 12: Shaft Design Page 6 
 
 
 
Equation 13: Shaft Design Page 7 
 
 
 
Equation 14: Key Design Page 1 
 
 
Equation 15: Key Design Page 2 
 
 
Mathcad sheets for gear design: 
 
Equation 16 
.
Equation 17
Equation 18 
Equation 19 
 
 
 
 
 
Equation: 20 
 
 
 
Equation 21 
 
 
 
 
 
Equation 22 
 
 
 
 
 
 ​Equation 23 
 
 
 
 
Mathcad sheets for Pin Design 
 
Equation 24: Mathcad Page 1 ­ Pin Endurance Limit Calculations 
 
 
Equation 25: Mathcad Page 2 ­ Pin Endurance Limit Calculations 
 
 
 
Equation 26: Mathcad Page 3 ­ Pin Endurance Limit Calculations 
 
Equation 27: Mathcad page 4­ Pin surface wear calculations 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mathcad sheets for Connecting Rod Design 
 
Equation 28: Mathcad Page 1 ­ Connecting Rod Buckling Calculations 
 
 
Equation 29: Mathcad Page 2 ­ Connecting Rod Buckling Calculations 
 
 
 
Equation 30: Mathcad Page 1 ­ Connecting Rod 8 Fatigue Analysis Calculations 
 
 
 
 
Equation 31: Mathcad Page 2 ­ Connecting Rod 8 Fatigue Analysis Calculations 
 
 
 
Equation 32: Mathcad Page 3 ­ Connecting Rod 8 Fatigue Analysis Calculations 
 
 
 
Equation 33: Mathcad Page 1 ­ Connecting Rod 7 Fatigue Analysis Calculations 
 
 
 
Equation 34: Mathcad Page 2 ­ Connecting Rod 7 Fatigue Analysis Calculations 
 
 
 
 
Equation 35: Mathcad Page 3 ­ Connecting Rod 7 Fatigue Analysis Calculations 
 
 
Figures: 
 
 
Figure 1: Location of beam analysis for the jaw 
 
Figure 2: Jaw dimensions 
 
 
 
Finite Element Analysis:  
 
Figure 3: FEA of jaw displacement 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 4: FEA stress of jaw 
 
Figure 5: FEA stress of connecting rod 7 compression 
 
Figure 6: FEA stress of connecting rod 7 tension 
 
Figure 7: FEA stress of connecting rod 8 compression 
 
 
Figure 8: FEA stress of connecting rod 8 tension 
 
Figure 9: FEA stress on the main drive shaft 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 10: Frequency analysis mode 1 
 
Figure 11: Frequency analysis mode 2 
 
Figure 12: Frequency analysis mode 3 
 
 
Figure 13: Frequency analysis mode 4 
 
Figure 14: Frequency analysis mode 5 
 
Figure 15: Exploded view of final Assembly 
 
 
Figure 16: SKF bearing grease selection chart 
 
 
Figure 17: SKF Speed Classification for cylindrical roller bearings 
 
 
Figure 18: SKF Temperature Classification for grease 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 19: SKF Bearing Report Pages 1 through 10 
 
 
   
Technical Drawings: 
 
 
Technical Drawing 1: Connecting Rods 7&8 
 
 
Technical Drawing 2: Gear Box Assembly Schematic 
 
 
Technical Drawing 3: Main Drive shaft 
 
 
 
Technical Drawing 4: Jaw Frame 
 
 
 
 
Technical Drawing 5: Main Shaft Assembly 

Contenu connexe

Similaire à RockCrusherProject

Zero Turn Radius Presentation - Team Panache
Zero Turn Radius Presentation - Team PanacheZero Turn Radius Presentation - Team Panache
Zero Turn Radius Presentation - Team Panache
Siddhesh Ozarkar
 
Design and Fabrication of Shaft Drive for two Wheelers
Design and Fabrication of Shaft Drive for two WheelersDesign and Fabrication of Shaft Drive for two Wheelers
Design and Fabrication of Shaft Drive for two Wheelers
IJMERJOURNAL
 
CapstoneFinalReport-McHugh
CapstoneFinalReport-McHughCapstoneFinalReport-McHugh
CapstoneFinalReport-McHugh
Joshua McHugh
 
GP03 Trash Compactor G07
GP03 Trash Compactor G07GP03 Trash Compactor G07
GP03 Trash Compactor G07
Casey Stribrny
 
Eckstein, Nathan Resume Portfolio Doc
Eckstein, Nathan Resume Portfolio DocEckstein, Nathan Resume Portfolio Doc
Eckstein, Nathan Resume Portfolio Doc
Nathan Eckstein
 
Matt Baum Design Engineer Portfolio
Matt Baum Design Engineer PortfolioMatt Baum Design Engineer Portfolio
Matt Baum Design Engineer Portfolio
Matthew Baum
 
Optimal mechanical spindle speeder gearbox design
Optimal mechanical spindle speeder gearbox designOptimal mechanical spindle speeder gearbox design
Optimal mechanical spindle speeder gearbox design
Harshal Borole
 

Similaire à RockCrusherProject (20)

Zero Turn Radius Presentation - Team Panache
Zero Turn Radius Presentation - Team PanacheZero Turn Radius Presentation - Team Panache
Zero Turn Radius Presentation - Team Panache
 
Analysis of a Drive Shaft for Automobile Applications
Analysis of a Drive Shaft for Automobile ApplicationsAnalysis of a Drive Shaft for Automobile Applications
Analysis of a Drive Shaft for Automobile Applications
 
Superbolt solutions for Mining Equipment
Superbolt solutions for Mining EquipmentSuperbolt solutions for Mining Equipment
Superbolt solutions for Mining Equipment
 
Dts key 2017
Dts key 2017Dts key 2017
Dts key 2017
 
Design and Fabrication of Shaft Drive for two Wheelers
Design and Fabrication of Shaft Drive for two WheelersDesign and Fabrication of Shaft Drive for two Wheelers
Design and Fabrication of Shaft Drive for two Wheelers
 
Fe36963967
Fe36963967Fe36963967
Fe36963967
 
Design of half shaft and wheel hub assembly for racing car
Design of half shaft and wheel hub assembly for racing carDesign of half shaft and wheel hub assembly for racing car
Design of half shaft and wheel hub assembly for racing car
 
gear.pdf
gear.pdfgear.pdf
gear.pdf
 
Gear
GearGear
Gear
 
Crane Gearbox Helical/Planetary train
Crane Gearbox Helical/Planetary trainCrane Gearbox Helical/Planetary train
Crane Gearbox Helical/Planetary train
 
GEOMETRIC OPTIMIZATION AND MANUFACTURING PROCESS OF SIX CYLINDER DIESEL ENGIN...
GEOMETRIC OPTIMIZATION AND MANUFACTURING PROCESS OF SIX CYLINDER DIESEL ENGIN...GEOMETRIC OPTIMIZATION AND MANUFACTURING PROCESS OF SIX CYLINDER DIESEL ENGIN...
GEOMETRIC OPTIMIZATION AND MANUFACTURING PROCESS OF SIX CYLINDER DIESEL ENGIN...
 
IRJET- Analysis of Stress and Bending Strength of Involutes Spur Gears with F...
IRJET- Analysis of Stress and Bending Strength of Involutes Spur Gears with F...IRJET- Analysis of Stress and Bending Strength of Involutes Spur Gears with F...
IRJET- Analysis of Stress and Bending Strength of Involutes Spur Gears with F...
 
CapstoneFinalReport-McHugh
CapstoneFinalReport-McHughCapstoneFinalReport-McHugh
CapstoneFinalReport-McHugh
 
GP03 Trash Compactor G07
GP03 Trash Compactor G07GP03 Trash Compactor G07
GP03 Trash Compactor G07
 
Eckstein, Nathan Resume Portfolio Doc
Eckstein, Nathan Resume Portfolio DocEckstein, Nathan Resume Portfolio Doc
Eckstein, Nathan Resume Portfolio Doc
 
Static stiffness analysis of high frequency milling spindle
Static stiffness analysis of high frequency milling spindleStatic stiffness analysis of high frequency milling spindle
Static stiffness analysis of high frequency milling spindle
 
Design, analysis and performance evaluation of a mechanical gyrator
Design, analysis and performance evaluation of a mechanical gyratorDesign, analysis and performance evaluation of a mechanical gyrator
Design, analysis and performance evaluation of a mechanical gyrator
 
Ijrdt 140001
Ijrdt 140001Ijrdt 140001
Ijrdt 140001
 
Matt Baum Design Engineer Portfolio
Matt Baum Design Engineer PortfolioMatt Baum Design Engineer Portfolio
Matt Baum Design Engineer Portfolio
 
Optimal mechanical spindle speeder gearbox design
Optimal mechanical spindle speeder gearbox designOptimal mechanical spindle speeder gearbox design
Optimal mechanical spindle speeder gearbox design
 

RockCrusherProject