轴的设计论文

轴的设计论文（共12篇）

轴的设计论文 篇1

1 引言

轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般分为转轴、心轴和传动轴, 电机上使用的就是转轴, 这也是机械中最常见的轴, 工作时既承受弯矩又承受扭矩。在设计轴的时候需要根据电机的转速、扭矩、结构、应用环境等选择轴的材料, 设计轴的结构, 计算轴的工作能力。

2 轴材料的选取

轴的材料选择主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性的要求以及制造工艺性决定, 我们在选择轴的材料时要根据情况选择, 力求经济合理。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢, 也可采用球墨铸铁或合金铸铁等, 一般电机轴采用45优质碳素钢, 因为45钢导磁性能较好, 当然如果电机的工作环境比较潮湿, 为了防锈, 会用不锈钢来代替。通常电极会使用冷轧钢, 因为冷轧钢的表面质量、外观、尺寸精度较好, 而且具有冷加工硬化的特性, 具有较好的机械性能。如果电机的工作环境潮湿, 又要确保更好的导磁性, 可能会使用热轧钢, 并在轴伸端焊接不锈钢, 为什么不使用冷轧钢而使用热轧钢呢?这是因为热轧钢具有更好的塑性及可焊性。

3 轴的结构设计

轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求, 合理地确定轴的结构形式和尺寸。在设计轴的时候, 有以下要求:

(1) 轴应该便于制造, 轴上零件要易于装拆。一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状, 在满足使用要求的前提下, 轴的结构越简单, 工艺性越好。

(2) 轴和轴上零件要有准确的工作位置。电机轴上的零件主要有转子、轴承、风扇、离心器。轴承是固定在两端轴肩上的, 转子、风扇、离心器是根据轴肩或者轴端定位。电机轴向固定是由轴肩、挡圈来实现。对于中小型电机, 轴向力较小, 采用弹性挡圈固定。

轴肩的尺寸要求:r

(3) 各零件要牢固而可靠地相对固定。轴与轴上零件都是采用过盈配合安装, 轴与转子的安装是通过热套工艺, 将转子加热, 利用热胀冷缩的原理, 将烘箱内烘热的转子套进轴里, 调整到合适的位置后冷却固定。

(4) 改善应力状况, 减小应力集中。应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。

措施: (a) 用圆角过渡; (b) 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽; (c) 重要结构可增加卸载槽、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。

4 轴的加工工艺

4.1 加工精度

(1) 尺寸精度。轴的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。 (2) 几何精度。轴一般对支撑轴颈的几何精度 (圆度、圆柱度) 提出要求。 (3) 相互位置精度。轴的配合轴颈相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。

4.2 表面粗糙度

根据机械的精密程度、运转速度的高低, 轴表面粗糙度要求也不相同。表面越粗糙, 抗疲劳强度越低, 所以必须降低表面粗糙度。

4.3 强化处理

通常对于机加工后的轴, 都需要进行强化处理来提高轴的抗疲劳能力。

表面强化处理的方法有: (1) 表面高频淬火; (2) 表面渗碳、氰化、氮化等化学处理; (3) 碾压、喷丸等强化处理。

5 轴的计算

轴的工作能力一般取决于强度和刚度, 转速高时还取决于振动稳定性。

(1) 扭转强度计算。

电机上的轴一般只传递扭矩, 强度条件 (MPa) :

45钢[τT]=25~45N/mm2, A0=126~103, 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或者只传递转矩时, [τT]取较大值, A0取较小值, 显然, 电机轴A0较小, [τT]较大。

(2) 刚度校核计算。

其中:T-转矩;l-轴受转矩作用的长度;G-材料的切变模量;Ip-轴截面的极惯性矩。

当使用滚动轴承的时候, 转角许用值≤0.001rad。

(3) 疲劳强度。

安全系数的选取:S=1.3~1.5, 材料均匀, 载荷与应力计算准确;S=1.5~1.8, 材料不够均匀, 载荷与应力计算欠准确;S=1.8~2.5, 材料均匀性计算准确性均较低, 或轴的直径d>200mm。静强度校核 (略) 。

(4) 轴的振动。

轴旋转时会产生弯曲振动、扭转振动及纵向振动, 当轴的振动频率与轴的自振频率相同时, 就会产生共振。共振时轴的转速称为临界转速。临界转速可以有很多个, 其中一阶临界转速下振动最为激烈, 最危险, 一般轴很少发生共振。

一般情况下, 应使轴的工作转速n<0.85nc1, 或者1.5nc1

轴的设计论文 篇2

1.条件:

在滑动轴承中工作,υ周＜ 2m/S,要求表面有较高在硬度的小轴,心轴.如机床走刀箱、变速箱小轴..

要求: 45、50,形状复杂的轴用40Cr、42MnVB.调质,HB228-255,轴颈处高频淬火,HRC45-50

2.条件: 在滑动轴承中工作,υ周＜ 3m/S,要求硬度高、变形小,如中间带传动装置的小轴

要求: 40Cr、42MnVB 调质,HB228-255,轴颈高频淬火,HRC45-50.

3.条件: υ周≥ 2m/S,大的弯曲载荷及摩擦条件下的小轴，如机床变速箱小轴，

要求: 15、20、20Cr、20MnVB 渗碳,淬火,低温回火,HRC58-62.

4.条件: 高载荷的花键轴,要求高强度和耐磨,变形小.

要求: 45 高频加热,水冷,低温回火,HRC52-58.

5.条件: 在滚动或滑动轴承中工作,轻或中等负荷,低速,精度要求不高,稍有冲击,疲劳负荷可忽咯的主轴,或在滚动轴承中工作,轻载,υ＜1m/s的次要花键轴.

要求: 45 调质,HB225-255(如一般简易机床主轴)

6.条件: 在滚动或滑动轴承中工作,轻或中等负荷转速稍高.ρυ≤150N.m/(cm^2.s),精度要求高,冲击,疲劳负荷不大.

要求: 45 正火或调质,HB228-255,轴颈或装配部位表面淬火,HRC45-50.

7.条件: 在滑动轴承中工作,中或重载,转速较高ρυ≤400N.m/cm^2.S,精度较高,冲击、疲劳负荷不大.

要求: 40Cr 调质,HB228-255或HB248-286,轴颈表面淬火,HRC≥54,装配部位表面淬火HRC≥45.

8.条件: 其他同上,但转速与精度要求比上例高,如磨床砂轮主轴.

要求: 45Cr、42CrMo其他同上,表面硬度HRC≥56.

9.条件: 在滑动或滚动轴承中工作,中载、高速、心部强度要求不高,精度不太高,冲击不大,但疲劳应力较大,如磨床,重型齿轮铣床等主轴.

要求: 20Cr 渗 碳,淬火,低温回火,HRC58-62.

10.条件: 在滑动或滚动轴承中工作,重载,高速(ρυ≤400N.m/cm^2.s)冲击,疲劳应力都很高.

要求: 18CrMnTi 20Mn2B 20CrMnMoVA 渗碳 淬火 低温回火HRC≥59.

11.条件: 在滑动轴承中回转,重载,高速,精度很高≤0.003mm,很高疲劳应力,如高精度磨床镗床主轴.

要求: 38CrAlMoA 调质 硬度HB248-286:轴颈渗氮,硬度HV≥900.

12.条件: 电动机轴,主要受扭.

要求: 35及45 正火或正火并回火,HB187及HB217.

13.条件: 水泵轴,要求足够抗扭强度和防腐蚀.

要求: 3Cr13及4Cr13 1000-1050℃油液,硬度分别为HRC42及HRC48.

14.条件: C616-416车床主轴,45号钢

(1)承受交变弯曲应力,扭转应力,有时还受冲击载荷.

(2)主轴大端内锥孔和锥度处圆,经常与卡盘,顶针有相对摩擦.

(3)花键部分经常磕碰或相对滑动(4)在滚动轴承中动转,中速,中载.

要求:

(1)整体调质后硬度HB200-230,金相组织为索氏体 .

(2)内锥孔和外圆锥面处硬度HRC45-50,表面3-5mm风金相组织为屈氏体和少量回火马氏体.

(3)花键部分硬度HRC48-53,金相组织同上

15.条件: 跃进-130型载重(2.5吨)汽车半轴承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转,主要瞬时超载而扭断,要求有足够的抗弯、抗扭、抗疲劳强度和较好的韧性

要求: 40Cr 35CrMo 42CrMo40CrMnMo 40Cr 调质后中频表面淬火,表面硬度HRC≥52,深度4-6mm,静扭矩6900N.m,疲劳≥30万次,估计寿命≥30万km金相组织: 索氏体+屈氏体(原用调质加高频淬火寿命仅为4万km)

二、备注:

1.(1-8)备注:

主轴与轴类材料与热处理选择必须考虑受力大小、轴承类型和主轴形状及可能引起的热处理缺陷.在滚动轴承或轴颈上有轴套在滑动轴承中回转,轴颈不需特别高的硬度,可用45、45Cr,调质,HB220-250,50Mn,正火或调质HRC28-35.在滑动轴承中工作的轴承应淬硬,可用15、20Cr,渗碳,淬火,回火到硬度HRC56-62,轴颈处渗碳深度为0.8-1mm.直径或重量较大的主轴渗碳较困难,要求变形较小时,可用45或40Cr在轴颈处作高频淬火.高精度和高转速(＞r/min)机

床主轴尚须采用氮化钢进行渗氮处理,得到更高硬度.在重载下工作的大断面主轴,可用20SiMnVB或20CrMnMoVBA,渗碳,淬火,回火,HRC56-62.

2.(9)备注:

内心强度不高,受力易扭曲变形表面硬度高,宜作高速低负荷主轴.热处理变形较大.

3.(10)备注:

心部有较高的σb及αk值，表面有高的硬度及耐磨性.有热处理变形.

4.(11)备注:

很高的心部强度,表面硬度极高,耐磨和变形量小.

5.(12)备注:

860-880℃正火

6.(13)备注:

或1Cr13 1100℃油淬,350-400℃回火,HRC56-62.

7.(14)备注:

加工和热处理步骤:

下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精车外圆,钻中心孔,精车外

圆,铣键槽→锥孔及外圆锥局部淬火,260-300℃回火→车各空刀槽,粗磨

探讨加工细长轴的方法 篇3

关键词：细长轴车削加工 加工质量 预防措施

中图分类号：TG506 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-089-02

在机械加工中，有时会遇到当工件的长度与直径之比大于25时，该工件称为细长轴。通常这类零件一般在车床上进行加工。

1 细长轴的工艺特点

细长轴的最大特点是刚性差。在车削过程中，因受切削力、工件重力以及旋转时的离心力的影响，易产生弯曲变形。受切削热的影响，易产生热变形。车削长轴走刀时间长，刀具的磨损较大，影响零件的加工精度。

2 细长轴加工精度误差产生的原因及预防措施

2.1 圆度超差

（1）车床主轴间隙太大，车削前，应检查主轴间隙，并调整合适。（2）毛坯佘量不均匀，切削过程背吃刀量发生变化。加工时应分粗车、精车。（3）用两顶尖装夹时，中心孔接触不良，前后顶尖顶得不紧，前后顶尖产生径向跳动，用两顶装夹工件时，必须松紧适当，若回转顶尖产生径向圆跳动，须及时修理或更换。

2.2 圆柱度超差

（1）用一夹一顶或两顶尖装夹工件时，后顶尖轴线与主轴轴线不同轴。车削前，找正后顶尖，使之与主轴轴线同轴。（2）用卡盘装夹纵向进给车削时，产生锥度是由于车床床身导轨跟主轴轴线不平行。车削前，应调整主轴与床身导轨的平行度。（3）用小滑板车外圆时，是由于小滑板的位置不正，即小滑板刻度线与中滑板的刻度线没有对正“0”线。车削前，必须先检查小滑板的刻线是否与中滑板刻线“0”线对准。（4）工件装夹时悬伸较长，车削时因切削力的影响，使前端让开，造成圆柱度超差。装夹时，尽量减少工件的伸长度，或另一端用顶尖支承，增加装夹的刚性。（5）车刀中途逐渐磨损。车削前，要选择合适的刀具材料，或适当降低切削速度。

2.3 尺寸精度超差

由于切削热的影响，使工件的尺寸发生变化。特别是加工细长轴，热变形的影响更大，因此，在加工细长轴时应设法减少切削热的产生，改善散热条件。

2.4 表面粗糙度超差

（1）车床刚性不足，如滑板塞板塞铁太松，传动零件不平衡或主轴太松而引起振动，车削前，应调整车床各部件的间隙，防止因车床刚性不足而引起的振动。（2）车刀刚性不足或伸出太长而引起振动。车削前，应增加车刀的刚性或正确装夹车刀。（3）工件刚性不足引起振动。车削前，增加工件的装夹刚性。（4）车刀几何参数选择的不合理，如选用过小的前角，后角和主偏角。车削前，应合理选择车刀的角度。（5）切削用量选用不当。车削前，进给量不宜太大，精车佘量和切削速度应选择恰当。

3 细长轴的加工方法

为确保细长轴在加工过程中的尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度。在车削过程中应合理地使用中心架、跟刀架来消除工件由于刚性不足而产生的弯曲变形。选用适当的刀具几何参数来消除因切削热的产生而引起的热变形。

3.1 中心架的使用

使用中心架其目的是增加工件的刚度。使用中心架，工件的长度缩短一倍，工件的刚度却成倍提高。中心架安装在导轨上，使用前，应先在工件中间车一段安装中心架支承爪的沟槽，沟槽直径略大于工件的尺寸要求，要使时，三个支承爪松紧适当，在沟槽上加注润滑油。细长轴在车削过程中，要反复检查支承爪的松紧程度，如有松动要及时调整。如图1所示。

3.2 跟刀架的使用

使用中心架虽然能提高工件在车削过程中的刚性，但由于中心架的结构特点，则需要分段车削，工件中间留下接刀痕迹。达不到零件的技术要求。所以中心架的使用具有局限性。而跟刀架则不同。跟刀架固定在中拖板上，随车刀一起作纵向切削运动。跟刀架有两种：一种是有两个支承爪，另外一种有三个支承爪。通常使用三个支承爪的跟刀架车细长轴，因为跟刀架上的三个承爪限制了工件在上下、前后的位移。在车削过程中，工件相对稳定，不易产生振动。使用跟刀架时，支承爪对工件的支承要调到适当的位置，调的太松，车削时，对工件的刚性起不到提高的作用，调的太紧，车削过程中，工件的几何形状会发生变化，达不到质量要求。因此，细长轴在车削过程中，要反复检查支承爪的松紧程度，如有松动要及时调整。如图2所示。

3.3 加注充分的切削液

切削热是在切削过程中产生的，它主要是由工件和刀具传导出去。切削液能带走大量的切削热。如果不用切削液，切削热一部分被切屑带走，一部分传入工件。为防止工件产生热变形，加工时，应加注充分的切削液，减少工件升温，减少工件因热变形而伸长的作用。

3.4 使用弹性活顶尖

车削细长轴时，尽管加注了充分的切削液，但工件的温度总要升高，仍能引起工件的热变形伸长。如果采用通常用的死顶尖或活顶尖，会限制工件伸长，造成工件弯曲变形。若使用弹性活顶尖，当工件伸长时，顶尖会自动后退，不会因工件伸长而产生弯曲变形。当无弹性活顶尖时，可用控制活动顶尖松紧程度的方法来补偿工件的热变形伸长，具体方法是，当后顶尖支顶工件后，用大拇指和食指捏住顶尖，工件正常转动，松开顶尖，顶尖与和工件一起转动。这就说明活顶尖调整的松紧程度合适。

3.5 合理选择车刀的几何形状

合理选择车刀的几何形状的目的是为了减少切削力、切削热、热变形以及振动等。刀具角度中对切削力的影响最大的是前角。

（4）为了减小径向切削力引起的振动，应选择较小的刀尖圆弧半径。

（5）为排屑顺利，车刀应磨有R1.5～3mm的断屑槽。

另外，前角和主偏角对切削温度影响较大，前角增大，散热体积减小，从而散热条件变差，易使切削温度升高。主偏角减小，散热体积增大，散热条件得到改善，有利于降低切削温度。

3.6 选择合理的切削用量

切削用量对切削力的影响主要表现在背吃刀量和进给量上，当增大背吃刀量和进给量时，被切削的金属量增多，切削力明显增大，它不仅使工件弯曲变形，还会引起工件振动。同时，单位时间内切除的金属量增多，产生的切削热也相应增多，致使工件温度上升产生变形。但对刀具的切削温度，切削速度、进给量、背吃量影响程度不同。其中，对切削温度影响最大是切削速度，其次是进给量，背吃量对切削温度影响最小。因此，为了有效地控制切削温度应选用大的背吃刀量和进给量比选择用较大的切削速度有利。

细长轴作为一种常规零件，在机械加工过程中经常遇到。在车削加工过程中，由于它的刚性差，给加工带来了很大的困难。这就要求我们在加工细长轴时，必须采用适当的装夹方式和先进的加工工艺，选择刀具合理的几何参数和合理的切削用量等措施，确保细长轴的加工质量。

参考文献：

[1] 蒋曾福.车工工艺与技能训练[M].北京：高等教育出版社，2004.

轴的设计论文 篇4

在化工生产中, 非均相物系的分离占有很重要的地位, 分离设备也就自然成为分离生产中的关键设备,在化工分离操作中具有举足轻重的作用。改良道尔澄清桶是一种新型分离设备, 在氯碱行业中广泛应用。

盐水精制是氯碱生产的第一道工序,一次精盐水的质量直接影响到隔膜电解槽的隔膜使用寿命和离子膜电解二次过滤的正常运行。精盐水中的固体悬浮物(SS)含量是盐水精制工序的主要工艺指标之一,道尔澄清桶的澄清效果直接影响到精盐水中的SS含量。澄清桶是氯碱厂盐水精制的关键生产设备之一,其性能决定了精制盐水工序除钙、镁及其他固体悬浮物的效果,直接关系到氯碱厂隔膜电解槽的运行状态以及离子膜电解二次精制盐水的初始质量,影响电流效率、隔膜更换周期、二次精制盐水生产成本等一系列至关重要的技术经济指标。

为保证道尔澄清桶的正常安全运行,轴的安全设计显得尤为重要。

1道尔澄清桶的基本原理与结构[1]

道尔澄清桶是利用重力沉降法的原理设计的一种分离设备。一般为钢制或混凝土制结构,桶底约8°～9°的倾斜角,桶的中央有一个中心筒,筒中有一根长轴,轴的两端连接泥耙。长轴上端与传动装置相连,泥耙每隔6～8 min转一圈。桶上部有一个环形溢流槽。粗盐水由中心筒上部进入,中心筒实际上是一个旋流式凝聚反应室,粗盐水入口呈S形,使进入的盐水作旋转流动。进口管埋在液面以下0.5～0.7 m处,中心筒下部可装设整流板,以减轻水的旋流作用,以免影响盐水中杂质的沉淀。整流板呈井形方格,高0.8 m,每格大小为0.5×0.5 m。中心筒下部出口处有扩大口,以减慢盐水流速,避免破坏泥层。粗盐水出中心筒扩大口后,经过泥浆沉淀层,悬浮颗粒被截留并渐渐沉到桶底,缓缓转动的泥巴集中在排泥口,泥浆定时排出。清液则不断上升,经过泥浆层、混浊层、清液层从上部经溢槽汇集后流出。道尔澄清桶结构如图1所示。

2轴的设计

采用空心轴,材料为Q235 A,电机功率P=4 kW,机械效率η=80%,经摆线针轮减速机减速后轴的转速为 n =1/8 r/min。

转速之所以要慢,是因为若轴的搅拌速度过快,则会改变盐水的总体流向,致使盐水产生一定程度的扰动,以至于清液夹带部分固体颗粒上升,不利于沉降。过慢也不好,会使固体颗粒粘在道尔澄清桶的底部,以致盐泥上泛,降低盐水透明度。所以,转速宜选用1/8 r/min。设ϕ=152 mm×25 mm。

有效功率 Pe=Pη

水流最大阻力偶矩 M=9 550Pe/n=9 550×[(4×80%)/(1/8)]=244 480(N·m)

则截面上最大扭矩 Mnmax=244 480N·m

抗扭截面模量

Wn =πD3[1-(d/D)4]/16

=π×1523×[1-(102/152)4]/16

=549 437.5(mm3)

最大剪应力 τmax=Mnmax/Wn=44.55 MPa

材料的扭转许用剪应力[2][τ]=110 MPa

则τmax<[τ]

所以,搅拌轴的强度足够,选用符合要求。

3轴上联轴节螺栓的安全设计[3]

采用凸缘联轴器(GB5843-86)。

螺栓的规格 选用YL17. YLD17型螺栓,直径M24,6个螺栓轴孔直径为120 mm。此时,公称扭矩T0=14 000 N·m;而M= 244 480 N·m,远大于公称扭矩T0。所以,当扭矩达到14 000 N·m左右,剪断螺栓时,从另外一个角度能保证轴的安全,也能保证生产的安全运行。

4结果与讨论

轴的设计选用空心轴,材料为Q235 A,ϕ=152 mm×25 mm。

螺栓的设计:采用凸缘联轴器(GB5843-86) ,选用YL17. YLD17型螺栓,直径M24,6个螺栓轴孔直径为120 mm。

实际中有厂家采用实心轴的设计。扭转变形中一般采用空心轴的设计,在可以保证强度的同时又减少钢材的用量,并且在安装上调校垂直度比较方便。

传动采用摆线针轮减速机,可以使传动比很大,减小设计难度;在联轴器上有意识地采用薄弱环节设计,当出现异常操作时可保护轴的安全。

参考文献

[1]氯碱生产技术编审组.氯碱生产技术[M].北京:化工部化工司,1985.

[2]王绍良主编.化工设备基础(第2版)[M].北京:化学工业出版社,2009.

轴的设计论文 篇5

关键词：行星减速器；齿轮轴；热处理技术；加工工艺

我们知道行星减速器主要用于行星的减速作用，是连接传动装置传输减小动力的主要装置，而齿轮轴是行星减速器中最为重要的装置。齿轮轴性能的好坏以及机械加工工艺是否精湛直接关系到行星系统的安全，因此我们对于行星减速器的要求很高。在行星减速器的制作工艺过程中，行星减速器齿轮轴的热处理技术以及机械加工制作工艺是判定行星减速器质量好坏的关键因素。在我们日常的生产工作中，通过科学的理论以及不断地实践总结，我们通过三级行星减速器的加工制作工艺，能够准确的分析出减速效果，保证传输动力的精确度，并且使用寿命比传统技术制造的寿命要延长。因此，笔者在实践总结中，本文重点介绍行星减速器齿轮轴的热处理与机械加工工艺研究。

一、行星减速器技术简介

行星齿轮减速机又称为行星减速机，伺服减速机。在减速机家族中，行星减速机以其体积小，传动效率高，减速范围广，精度高等诸多优点，而被广泛应用于伺服电机、步进电机、直流电机等传动系统中。其作用就是在保证精密传动的前提下，主要被用来降低转速增大扭矩和降低负载/电机的转动惯量比。行星齿轮减速机主要传动结构为：行星轮，太阳轮，内齿圈。行星减速机因为结构原因，单级减速最小为3，最大一般不超过10，常见减速比为：3/4/5/6/8/10，减速机级数一般不超过3，但有部分大减速比定制减速机有4级减速。相对其他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到1分以内)、高传动效率(单级在97%-98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等特点。因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。行星减速机额定输入转速最高可达到18000rpm(与减速机本身大小有关，减速机越大，额定输入转速越小)以上，工作温度一般在-25℃到100℃左右，通过改变润滑脂可改变其工作温度。精密行星减速机因搭配伺服电机所以背隙等级(弧分)相当重要，不同背隙等级价格差异相当大，行星减速机可做多齿箱连结最高减速比达100000。

二、行星减速器工作原理与齿轮轴性能分析

目前，服务于工业中的行星减速器主要是有二级或者三级工艺加工生产的，这种加工工艺对于减速器齿轮轴的精度要求很高，所以制造行星减速器的要求会很高。行星减速器的工作原理主要是通过主动转轴连接浮动齿套，再通过浮动齿轮将传输动力以及减速动力传输给太阳轮，太阳轮会将这两种动力传输给分布在太阳齿轮周围的太阳星轮，行星轮在旋转的同时会会绕着太阳轮以及固定内齿轮转动，通过以上的简单分析，我们发现齿轮轴在行星减速器中的作用是必要而且是非常重要的，并且能够起到关键性的作用，由此我们知道齿轮轴的重要性，齿轮轴作为行星减速器的核心关键技术，主要连接传输动力以及减速动力，所以行星减速器的齿轮轴建工工艺要严密并且精湛，否则会影响到整个行星气器的安全以及使用。在齿轮轴的机加工过程中，制作齿轮轴材料的选择也是重中之中，因为这直接影响到齿轮抽的使用寿命以及行星器的安全。齿轮轴主要是传输动力的中间介质，齿轮轴的工作形式要求其必须承受强大的压力以及负荷，这对齿轮轴的性能要求极其高，因此，对于齿轮轴的材料选择要求其首先具有耐磨性、以及承压性。在这样的条件下，一般性的首选材料是碳钢，但选择碳钢之后首先进行淬火加回温的不断锻造，以保证其耐磨性，这就是所谓的热处理技术。热处理技术是非常繁琐并且要求极高的吗，对于精度的要求非常高，并且必须达到要求才能使用，只有这样才能保证齿轮轴的耐磨性以及承压性，使其具有极高的综合性能。

三、行星减速器齿轮轴热处理技术与机械加工工艺研究

上文，我们已经简单介绍了行星齿轮轴热处理技术，以及行星齿轮轴的简介，我们都已经基本了解行星齿轮轴的工作原理，那么，笔者将简单介绍行星减速器齿轮轴的热处理技术以及机械建工工艺的研究，以期望提高我国的行星齿轮轴热处理技术与机械加工工艺。由于行星减速器齿轮轴的机构非常复杂，材料选择也十分严苛，因此对于行星减速器的齿轮轴热处理技术要求也极高，为了使得齿轮轴能够更坚韧，保证其较强的耐磨性和抗压性，充分发挥其优良的性能，我们的热处理技术主要是正火、调制、淬火加低温调制。齿轮轴的机械加工工艺主要分为下料、锻造、正火（预备热处理）、毛坯粗加工、整体调制（中间热处理）、半漕加工、滚淬火、低温回火、（最终热处理）、磨削、以及检验。这是齿轮轴机械加工工艺的过程，其中的任何一步都关系到齿轮轴最终形成的合格性能。因此，我们如果想要提高我国的行星减速器齿轮轴的热处理技术以及机械加工工艺，就必须在这些步骤中多加研究。

本文笔者通过实际研究操作，重点介绍了行星减速器齿轮轴热处理技术以及加工工艺的研究。齿轮轴质量的好坏以及处理技术的好坏将之间影响到行星减速器的使用效果。通过时间证明，优化生产后的行星减速器比传统知道工艺生产的使用效果要良好许多，使用寿命要延长一倍，稳定性能也获得了极大地提高，综合性能分析性能要提高许多。但这并不是我们的最终目标，我们前进的脚步换不能懈怠，我们还需要不断的努力研究，争取做最好的行星齿轮轴热处理技术以及机械加工工艺的研究。

作者:闫自有 单位:云南东源煤电有限公司一平浪煤矿

参考文献：

[1]韩荣东，吴立新，龚桂仙，张友登.变速箱齿轮轴断裂分析[A];全国冶金物理测试信息网建网30周年学术论文集

制动支架和销轴的失效分析 篇6

（太原理工大学 机械工程学院车辆工程系，太原 030024）

鼓式制动器制动效能高、结构紧凑、价格便宜，仍然广泛应用在汽车上，但也使用在某些高级轿车上［1］。为了提高制动器的可靠性，对其进行有限元分析和结构优化具有重要意义，因为鼓式制动器的运动非常复杂，环境也比较恶劣，尤其在分析其在制动过程中的力是如何流向使车辆减速或停止以及受环境因素的影响。其中文献［2］对一种鼓式制动器和一种盘式制动器进行了有限元分析，研究了摩擦衬片接触压力的分布情况。文献［3］以有限元分析为手段，通过建立虚拟轮辐，计算了某重型汽车制动器的效能因数。

1 理论设计与分析

已知某越野车的部分参数如下：车辆类型属于M2，整车整备质量 7 600 kg，轴荷（前轴 3 100 kg，后轴3 260 kg），轮距是1 840mm，轴距为3 300 mm，质心高度为1 100mm。附着系数为0.7，运行最大附着系数为0.9。车轮有效半径0.6 m，四轮驱动且全部采用鼓式制动器。

图1所示为制动器的装配图，其中制动鼓鼓的直径D=340mm，摩擦衬片宽度B=80mm，主领蹄包角θ1=970，副领蹄包角θ2=1 060，通过以往的试验表明，摩擦衬片包角时，磨损最小，制动鼓温度最低，且制动效能最高。

2 材料的确定

制动器主要零件的材料多用铸铁或铸钢，铸铁具有一定的强度和耐磨性，成本比价低，因此一直是汽车制动器使用的材料。但本文中制动支架和销轴由于材料的参数未给出，需要先对其进行硬度和金相组织的分析来确定，分析结果如表1、表2所示。

表1 硬度测试

表2 金相组织分析

根据以上试验数据和对硬度、化学成分和金相组织的分析，对比GB/T 1348-2009球墨铸铁件、GB/T 699-1999优质碳素结构钢基本上确定轴是35号钢，支架是QT500-7。

3 力学模型的建立

双向自增力式鼓式制动器如图2所示，两蹄片之间通过浮动的顶杆相互连接，制动鼓逆向旋转，两蹄都是领蹄，左边为主领蹄，右边为副领蹄，已知管路压力是13MPa，在制动时，主领蹄只受促动力Fa，由于主领蹄自行增势作用，造成比Fa大得多的支点反力FT，而副领蹄则受到两个促动力Fa和FT，同时，制动蹄还受到由于制动鼓作用与摩擦片材料上的正压力及其摩擦力的作用。考虑到汽车前进制动的机会远多于倒车制动，且前进制动时制动器工作负荷也远大于倒车制动，故副领蹄的摩擦片面积做得较大［4］。

3.1 主领蹄的受力

在计算压力沿衬片长度方向上的分布规律时，由于摩擦衬片很容易变形，在计算时比较困难，通常只考虑衬片径向变形的影响，其他零件变形的影响不予考虑。首先计算两个自由度的主领蹄摩擦衬片的径向变形规律［5］。如图3所示，蹄片上的压力分布规律为

其中Pmax为压力分布不均匀时蹄片上的最大压力，θ为任意点与O点连线与y1轴夹角，θ1为y轴与y1轴夹角，η为最大压力线与x1轴的夹角。在蹄片的任意点处，法向力压力d F=PBRDθ，切向力为μd F=μPBRDθ。建立坐标系根据力的平衡原理，在X，Y方向受力平衡和对O点取矩可得：

3.2 副领蹄的受力

副领蹄的受力如图4所示，它是具有一个自由度摩擦衬片的径向变化规律，以点A为转动轴，副领蹄在受到制动分泵的力Fa的同时，还受到促动力FT的作用。蹄片上压力分布仍为P=Pmaxsinθ，图中θ角处微元法向力为 d F=PBR dθ，切向力为 λd F=λPBR dθ。建立坐标系根据力的平衡原理，在X，Y方向受力平衡和对O点取矩可得：

根据制动器的参数：其中蹄片宽B=0.08m，摩擦系数λ=0.35，Fa=10450N，制动鼓的半径R=0.17 m，L1=0.104 m，L2=0.126m，c=0.04 m，θ0=20°，θ1=15°，θ2=115°，θ3=38°，θ4=144°。

由以上方程推算出销轴的力和附加弯矩:

F=12 830 N，M=307 N·m

4 有限元模型的建立

本文在CATIA中建立三维模型，利用CATIA中自带的有限元分析模块对制动销轴和制动支架进行有限元分析，采用Generative Structural Analysis（通用结构分析）来定义零件网格，为了更加准确的求解制动销轴在制动过程中的应力和变形规律，本文通过四面体网格进行划分，它的优点是可以对任意的形状进行划分。

4.1 制动支架和销轴的分析模型

利用CATIA进行参数化建模，设计出主要的零部件，并用自身带的有限元分析软件进行强度分析。定义材料属性，根据材料的物理性能选择支架的弹性模量为2.12E11Pa，泊松比为0.291，密度为7.87，销轴的弹性模量 1.62E11Pa，泊松比为0.293，密度为7.0。如图5为利用自由化网格进行划分的结果。定义网格尺寸为5mm，最小尺寸为2 mm，使用静态分析进行运算。

4.2 载荷和边界条件

施加在有限元模型上的载荷是否合理、约束是否正确直接关系到有限元计算结果的准确性。经过分析和反复的试算，确定制动销轴和制动支架约束条件的施加方法。制动支架的模型通过半轴固定，对其施加全固定，销孔处施加力和力矩（见图5所示），销轴是通过支架固定，副领蹄以销轴为旋转轴进行制动，同样对销轴和支架孔的接触部分进行全约束，副领蹄和销轴接触部分是作用力与反作用力，对其施加相等的力和力矩，最后得到了包含节点、单元、边界条件的制动销轴和制动支架有限元模型。

5 计算结果分析

制动销轴是35号钢，分析其工作状态时的屈服失效状况。在进行强度计算式，采用第四强度理论即形状改变比能来作为屈服准则，查材料手册确定屈服极限不小于315MPa。根据计算分析结果和实际发生弯曲部分进行对比，可定性得出它的最薄弱环节，受力云图和位移云图如图所示。制动支架采用灰铸铁QT500-7，通过制动销轴给它的反作用力和反力矩，使得在制动过程中超过了它的屈服极限320MPa，受力云图和位移云图如图6所示。

如图7所示，制动销轴应力最大为512MPa，超过了它所承受的屈服极限，位移有0.035 2mm的偏移量，使得制动过程中销轴弯曲，制动效能下降，为了增强制动销轴的强度，在结构不允许改变的情况下，通过更换材料来增加强度，采用40Cr，屈服极限是785MPa，根据机械设计手册中零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值确定它的安全系数是1.5，满足材料的强度要求。制动支架的最大应力为276MPa，安全系数为1.14，位移有0.667mm的偏移量，虽然没有超过屈服极限，但安全系数偏低，需要进行加强处理，选择材料为ZG40CrM0，它的屈服极限是490MPa，安全系数为1.75，安全系数提高53%，所以可以采用改变材料的方法来优化结构强度。

6 结论

对双向自增力鼓式制动器的零件进行有限元分析表明，制动销轴和制动支架在强度设计上满足不了设计要求，在结构不能改变的前提下，采用材料更换的方法，使得强度和安全系数达到设计的要求。

［1］王良模，彭育辉，曾小平.双向自增力鼓式制动器有限元模型的建立与分析［J］.南京理工大学学报.2002（10）.

［2］ Hohmann C，Schiffner K，Oerter K，et.Contact nanlysis for drum brakes and disk brakes using ADINA［J］.Computers and Structures，1999，72:185-198.

［3］刘力刚，王学林.鼓式制动器的有限元分析［J］.专用汽车，2003，3:21-23.

［4］ 陈家瑞.汽车构造［M］.北京:人民交通出版社，1997.

外活塞磨用弹性芯轴的设计制造 篇7

关键词：弹性芯轴,磨削方法

1 引言

外活塞是用于RT-flex机型2751部套中的一种非常重要的关键零件 (如图1所示) , 材料为17Cr Ni Mo6, 热处理状态淬硬66~70HRC, 渗碳淬硬层深度为0.5~0.8mm, 因此其精度要求较高, 加工难度很大。传统的外活塞外圆加工方法是先用内圆磨床磨削准C内孔及其211.5内孔底平面至图要求, 以准C内孔定位, 穿1∶50锥度芯轴的方法一次性磨削准B、准E外圆及其96mm长的台阶面, 虽然此方法能够基本保证零件符合图纸要求, 但存在一定的问题:由于硬接触, 内孔容易拉伤;装夹、拆卸不便;尤其当被加工零件为上公差时, 芯轴外径与零件内径可能局部产生0.02mm的间隙, 此时很难保证零件0.02mm的同轴度等形位公差。本文针对这一不足设计了一种外活塞磨用弹性芯轴, 实现无间隙定位, 有效保证形位公差, 避免内孔拉伤, 提高加工效率, 降低加工成本。

2 外活塞磨用弹性芯轴的设计

本文外活塞磨用工装采用了无间隙弹性胀套芯轴技术。弹性胀套技术是一种较新的胀紧联接方式, 其具有结构简单、定心精度高、传递扭矩大、夹紧可靠、装拆方便等特点。本文设计思路是在其芯轴1上设置锥形面, 在锥形面外设胀套2, 通过旋转连接螺母4带动十字垫圈3轴向移动胀套, 使胀套径向胀大塞紧外活塞, 实现芯轴与外活塞的无间隙定位, 有效确保外活塞精磨加工的形位公差, 避免内孔拉伤, 提高工作效率, 降低加工成本 (如图2所示) 。

1.芯轴2.胀套3.十字垫圈4.连接螺母5.被加工零件

3 外活塞磨用弹性芯轴的结构及使用方法

外活塞磨用弹性芯轴包括芯轴1、胀套2和压紧装置3和4, 芯轴左端为圆柱形结构, 右端为外螺纹结构, 中间段为截顶圆锥形结构 (如图3所示) 。

胀套左侧内壁设计为与芯轴外侧面锥度一致的截顶圆锥形贯穿内孔, 右侧为带环形槽半圆柱孔, 该结构使得胀套与连接螺母形成轴向止动连接关系, 确保胀套时刻与连接螺母轴向同步运动, 且不影响连接螺母旋转, 半环形结构便于装拆零件, 胀套外圆为阶梯圆柱面, 胀套内壁和外圆中间部分脱空, 胀套侧壁上沿母线方向对称分布有四条切割缝, 其中二条切割缝一端与胀套左端部贯通, 另一端端部与止裂孔相连, 另二条切割缝一端与胀套右端部贯通, 另一端端部与止裂孔相连。通过均布的切割缝使安装时均匀受力, 在切割缝端部设置止裂孔, 避免切割缝受力开裂导致胀套损坏 (如图4所示) 。

十字垫圈3如图5所示。使用十字垫圈能有效地防止因连接螺母和芯轴右端螺栓制造过程中产生的形位公差造成装配后芯轴螺栓的弯曲, 确保芯轴两中心孔与被加工零件在同一轴心线上。

连接螺母4如图6所示。

按图2所示要求将芯轴、胀套、十字垫圈、连接螺母进行组装。使用时, 将外活塞套在胀套外圆上侧, 芯轴一端圆柱形结构伸出外活塞一端的准47圆孔, 芯轴圆柱形结构和截顶圆锥形结构之间的台阶面为外活塞的轴向定位止档面, 通过旋转连接螺母带动胀套可左右移动。胀套向左移动时, 使胀套径向胀大并将外活塞内壁塞紧, 实现外活塞的自动定位。然后将芯轴两端通过磨床上的顶尖固定到磨床上即可, 实现芯轴与外活塞无间隙定位连接。

4 外活塞磨用弹性芯轴的制造要点

该外活塞形位公差及粗糙度要求均较高, 因此对工装本身的加工难度较大, 牵涉到四个关键零件。

4.1 芯轴

(1) 选取一根材料为Cr WMn的棒料; (2) 普通车床上加工取总长, 两端面打中心孔, 车大外圆及外螺纹, 根部倒圆角过渡, 锐边倒角, 车3°的圆锥面至工艺要求; (3) 热处理淬硬53~58HRC, 表面发黑处理; (4) 钻床上采用三爪卡盘夹顶尖, 装专用刮刀对准母线, 刮研两端中心孔; (5) 外圆磨床上磨3°斜面至零件图要求, 要求对轴心跳动≤0.002mm; (6) 钳工修锐边及毛刺, 并将零件编号用激光刻字机刻在指定位置。

4.2 胀套

(1) 选取一根材料为Cr WMn的棒料; (2) 普通车床加工取总长, 车外圆及内环槽, 车准脱空段, 钻通孔至工艺要求; (3) 数控车床上校圆工件跳动≤0.1mm, 车3°斜度内孔, 用粗加工完芯轴配研, 要求贴合面≥60%, 芯轴端面与胀套端面距离为18mm。车准脱空段, 孔口倒角; (4) 热处理淬硬48~53HRC, 表面发黑处理; (5) 外圆磨床上夹持外圆, 校正工件跳动≤0.1mm, 磨3°斜度锥孔, 用已加工完芯轴配研, 要求贴合面≥80%, 芯轴端面与胀套端面距离为5mm。将胀套与芯轴装配, 磨胀套外圆, 要求同轴度≤0.005mm; (6) 线切割, 割环形内槽半边, 要求不碰到小孔端面, 距小孔端面距离为1mm。按图割4条弹簧槽及小孔 (7) 钳工修去线切割槽内外毛刺, 将零件编号用刻字机刻在指定位置。

4.3 十字垫圈

(1) 选取一根材料为42Cr Mn的棒料; (2) 普通车床加工两端平面, 车外圆、内孔及倒角至图要求; (3) 划线, 划出两平面十字线及凸台线; (4) 钳工按图锉修各圆角, 修去锐边毛刺; (5) 热处理淬硬33~38HRC, 表面发黑处理。

4.4 连接螺母

(1) 选取标准件进行改制; (2) 将标准带边螺母车至图示要求, 修去所有毛刺。

5 弹性芯轴使用的效果

轴的设计论文 篇8

铁路运输是一个国家的经济命脉,在交通运输综合体系中发挥着重要作用。在我国沙害地区,风沙会对铁路运营和维护方面造成严重影响,最直接、最主要的是由路基被吹蚀或线路积沙造成列车减速、停运及脱轨现象。如果不及时清除积沙,将给人们日常生活带来诸多不便,甚至影响铁路交通安全,目前主要采用人工清理,环境恶劣,工作效率低,研制高效的铁路除沙机械是解决这一问题的有效手段。在分析铁路养护机械和其他大型工程机械的基础上,基于刮板运输原理、传输带运输原理和液压传动等成熟技术,设计了能实现集沙、刮沙、传沙以及扬沙等功能的新型除沙机械。工作过程中,由集沙铲板推积轨道上面、两侧及轨道中间积沙,通过刮刀将沙土抛入运输带,将沙土输送至储沙漏斗,沙土经过漏斗流入扬沙带,通过扬沙机构的旋转移动,可选择性地将沙土抛至道路两侧。链式刮板机构是除沙机械中刮沙装置的关键部件,包括主动链轮、从动链轮、链条、刮刀、张紧机构、带轮结构以及主从动链轮轴。由于链式刮板机构的性能关系到整车性能,而主动链轮轴作为一个关键零部件,其尺寸和结构布局是否合理,将严重影响刮沙机构的工作性能甚至整个除沙机械的效率,因此,本文对新型铁路除沙机械挖沙装置链式刮板机构的主动链轮轴进行详细设计,采用ANSYS有限元分析软件对其进行分析和验证。

1 基本参数

挖沙装置的除沙能力W=50 t/h;刮板机构与水平面的安装倾角α=30°;输送链的速度v=0.6 m/s;主动链轮轴输入功率3 k W。

2 链式刮板机构简介

刮板运输机在煤矿行业应用日渐广泛和成熟[1]。基于刮板运输原理设计出的新型铁路除沙机械刮沙装置的机构示意图如图1所示,其链式刮板机构采用液压电动机驱动,由液压电动机带动主动带轮,通过带传动将动力传到主动链轮轴,进而带动整个机构进行工作。

3 主动链轮轴的设计

链式刮板机构主动链轮轴的设计会影响刮沙机构乃至整个铁路除沙机械的工作效率。其内容包括材料的选择、尺寸和结构的确定[2]。

3.1 主动链轮轴的材料选择

由于碳钢价格较低,对应力集中的敏感性也比较低,同时还可以用热处理或化学处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度,所以本设计中刮板机构的主动链轮轴采用#45钢,调质处理,机械性能[3]为:抗拉强度σb=640 MPa,屈服点σs=290 MPa,弯曲疲劳极限σ-1=275 MPa扭转疲劳极限-1=155 MPa,许用静应力σ+jp=238 MPa,许用疲劳应力σ-ip=165 MPa,[σ-1]=60 MPa。

3.2 主动链轮轴的设计

根据刮板机构的结构要求设计轴的结构,由轴的初始转矩和输入功率初算轴的直径[3]。

3.2.1 轴的结构设计

主动链轮轴上的连接件包括一个从动带轮和两个主动链轮并且需要安装在集沙装置的侧板上。链轮和带轮对轴产生的载荷方向主要为径向,轴向载荷比较小,但必须保证轴上零件的轴向定位。利用轴肩和轴承端盖定位轴承,用轴端挡圈固定轴端零件。链轮和带轮用弹簧卡环定位。此外,链轮与带轮和轴之间用键连接。链轮和带轮在主轴上的布置如图2所示。

3.2.2 轴的尺寸设计

a)初步确定轴的最小直径

主动链轮轴的输入功率PⅡ=3 k W,故轴的最小直径

b)各轴段尺寸的确定

将初步求出的直径作为承受扭矩的轴段的最小直径,然后再按轴上零件的装配方案和定位要求,从最小直径处逐一确定各段轴的直径如表1所示。

c)轴的强度校核

1)作出轴的计算简图,如图3所示。

2)求支反力[4],得出:FNH1=6618 N,FNV1=4448 N,FNH2=1163 N,FNV2=1606 N。

3)计算截面的弯矩

4)计算扭矩

主动轴的输入扭矩

5)画出弯矩图及扭矩图,如图2所示。

6)按弯扭合成应力校核轴的强度

在进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面B)的强度,由以上弯扭矩值做出判断并取α=0.6,dB=78 mm。

#45钢调质处理时,查表得:σB=640 MPa,σ-1=275MPa,-1=155 MPa,[σ-1]=60 MPa。所以σca<[σ-1],故安全。

7)精确校核轴的疲劳强度

判断危险截面[5]:

截面Ⅰ至B只受扭矩作用,无需校核。截面Ⅶ至所受弯矩较截面Ⅵ要小,且截面Ⅵ左侧为过盈配合,键槽的应力集中系数比过盈配合的小,因而该轴只需校核截面Ⅵ左侧。

抗弯截面系数W=0.1 d3=0.1×783=47 455.2 mm2抗扭截面系数WT=0.2 d3=0.2×783=94 910.4 mm2

弯矩M=FNH1497-SH150=6 618×497-6 971×50=2940 596 N·mm

弯曲应力

扭矩TⅡ=753 950 N·mm

过盈配合处的值,由附表[6](机械设计第七版)3-8按插入法求出,并取,于是得

轴按磨削加工表面品质系数为

所以轴在截面Ⅵ左侧的安全系数为

故该轴在截面Ⅵ左侧的强度足够,轴符合要求。

4 主动链轮轴的有限元分析

采用有限元方法,对主动链轮轴进行静力学分析,模拟其工作状态下的约束和受力条件,可以得到直观的应力、应变分布图,验证并确定轴的结构尺寸是否正确[7]。

1)在UG中将主动链轮轴实体模型用CATIA V4文件格式导出,生成*.model文件,运行ANSYS中IMPORT命令调入*.model文件。

2)定义材料性能参数

主动链轮轴的材料为#45钢,弹性模量E=206 GPa,泊松比λ=0.3。

3)划分网格

通过指定代表平面或曲面边界的平均间隔长度控制网格密度。定义单元类型为SOLID92,网格数量为20。

4)加载求解

根据主动链轮轴在工况下的受力情况施加载荷。先用柱坐标选轴的一段,再选这段轴上的上半表面,最后选这个面上的节点进行施加力,以及力矩载荷。

5)分析计算结果

主动链轮轴的位移场分布如图4所示。从位移场分布图可以看出其最大变形量为3.047 mm,符合加工精度要求[8]。主动链轮轴的等效应力场分布如图5所示。从应力场分布图可以看出主动链轮轴的等效应力为0.19MPa,小于优质碳素结构钢的强度极限σb=580 MPa,且小于材料的许用弯曲应力[σ-1]=60 MPa,所以主动链轮轴可以满足工作强度要求。

5 结论

对新型铁路除沙机械刮沙装置链式刮板机构主动链轮轴的结构和尺寸进行了详细设计,通过与其他零部件的虚拟装配(图1)和ANSYS软件的静力学分析,验证了轴的结构和尺寸设计合理,能够满足工作强度要求。

摘要：为解决我国沙害地区埋沙铁路干线的紧急疏通问题,设计了能实现集沙、刮沙、传沙以及扬沙等功能的新型铁路除沙机械。刮沙装置是该机械的主要机构,对刮沙装置链式刮板机构的主动链轮轴进行详细设计计算,采用ANSYS有限元分析软件对其进行了分析和验证。

关键词：铁路除沙机械,刮沙装置,链式刮板机构,轴的设计

参考文献

[1]王琳.刮板输送机故障分析与技术改进研究[D].西安科技大学.2006.12

[2]王义行.链轮设计制造应用手册[M].北京.机械工业出版社,1995.

[3]成大先.机械设计手册[M].2卷.北京:化学工业出版社,2008.

[4]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2001.

[6]濮良贵.机械设计[M].8版.北京:高等教育出版社,2006:43.

[7]刘国庆.ANSYS工程应用教程—机械篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.

轴的设计论文 篇9

1 铲齿成型铣刀的结构参数设计

高速轴选用40Cr锻造毛坯, 型面部分设计廓形如图1所示, 形状精度要求6～8级, Ra 取1.63～3.20 μm。此型面轴在普通铣床上采用成型铣削法加工, 可省去轨迹法加工改装机床的费用。成型铣刀按铲齿成型设计, 为保证刀具重磨后切削刃上各点的后角保持不变, 采用对数螺线作为铲背曲线, 极坐标方程为ρ=aemθ。

1.1 工件工艺分析

为确定铣刀的刃形和制造检验铣刀的样板, 需求出刀齿廓形和刀刃廓形。本次铣刀设计取精加工, γf=0°, 它的前刀面刃形与工件的截形相同, 即工件法剖面廓形就是铣刀前刀面廓形。

分析对数螺线型面轴廓形可知, 该廓形由3段相同的曲线连接而成, 可以选任意一段 (abc段) 来设计铣刀廓形, 其中bc段为对数螺线, ab段为直线连接。为便于设计和制造成型铣刀, 取图bc段廓形作为一次铣削时的工件廓形。在坐标系中, bc段的廓形方程为:

ρ=13e0.0524 (θ-2π/9) (2π/9≤θ≤5π/6)

1.2 确定铣刀宽度和齿形高度

通常情况下, 铣刀宽度应比工件宽度略大。由于此工件廓形的特殊性, 从增加刀刃两边的强度考虑, 需将铣刀两端适度增大, 然后按标准系列选取。

由图1分析计算:

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B=BW+ (10～12) mm, 取B=35 mm

齿形高度h为最高点与最低点高度差:

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1.3 孔径d

根据铣削宽度、工作条件选取的孔径, 应保证心轴的强度和刚度。根据生产经验, 按照心轴标准系列推荐的数值查表, 当B=35 mm时, 取d=27 mm。

1.4 初选外径d0

d0大的好处是:可增大孔径, 提高心轴强度、刚度, 容许使用较高的切削用量;在容屑空间足够时, 刀齿Z可以多些, 当每齿进给量af不变时, 可增大每转进给量 (f=afZ ) ;当af不变时, d0增大后可减小工件表面上残留面的高度。但d0过大将增加铣削扭力矩 (M=FZd0/2) , 增加动力消耗和刀具材料消耗, 且铣削时易发生振动。选择时应全面考虑。

d0= (2～2.2) d+2.2h+ (2～6) ≈75.28 mm

圆整为5的倍数后, 初选d0=75 mm。

1.5 初选铣刀齿数Z

同时工作齿数多, 铣削均匀性较好。根据d0, 并考虑到制造方便, 一般Z宜取偶数, 查表初选Z=12。

1.6 确定铣刀后角αf及铲齿量K

取工艺分析时初选的αf=12°:

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查表取机床凸轮升高量接近值, 确定K=4 mm。

1.7 确定容屑槽尺寸

(1) 槽角θ。按公式θ=ψ+ε1+ε2+εr计算, 考虑容屑空间, 取15～20°, 这里取ψ=16°, ε1+ε2=1°, 因齿形高度h不太大, 选δr=60°, 取undefined, 得θ=22°。

确定后的θ符合加工容屑槽所用的标准角度铣刀系列, 这里取θ=22°。

(2) 槽底圆弧半径r。A与δ有关, δ=60°时, A=6。

undefinedmm, 取r=1.5 mm。

(3) 槽深H。H=K+h+r=11.94 mm, 取H=12 mm。

(4) 齿根强度验算。εW与δ有关, εr=60°时, undefined

undefined

求比值:undefined

采用平底式槽底时, 其刀齿强度满足要求。

1.8 校验刀体强度

根据刀体强度要求, m最小值应为:m=0.4×d=10.8 mm。

据初定铣刀结构尺寸计算:

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大于刀体强度要求值。

1.9 分屑槽、内孔、键槽尺寸

因铣刀宽度B>20 mm, 所以应在刀刃上做出分屑槽, 所定的内孔、键槽尺寸及公差如图2所示。

2 确定铣刀的技术条件

铣刀刃公差为工件廓形公差的1/3, 即切削刃的径向及端面跳动为0.03 mm;刀体端面跳动为0.02 mm;前刀面非径向性偏差只许凹入0.06 mm;两端面应互相平行, 并与内孔中心线垂直;齿形用样板投影检查, 其允许透光度为:齿形部分为0.05 mm, 齿顶及圆周部分为0.09 mm;刀齿前面、内孔表面、端面粗糙度不大于0.8;铣刀材料采用钛钴类硬质合金YT15, 热处理后硬度为HRC63～66;铣刀工作部分不得有裂纹、划剐痕、崩刃、烧伤、毛刺、锈迹、脱炭层和软点等。

3 成型铣刀结构图

图2为铣刀结构图, 在制造成型铣刀时, 为了避免热处理时产生裂纹, 在廓形凹陷的各转折点处, 应钻小圆孔。成型铣刀用样板来检验刀具廓形精确度, 样板的廓形应与刀具廓形完全吻合, 样板用低碳钢15制造, 经表面淬火后硬度应在HRC56～62。

4 结语

将对数螺线作为本成型铣刀铲背曲线, 使刀具的后角始终保持不变, 这对刀具的耐用性、切削性能的稳定性以及型面的加工精度都有利。用本设计的成型铣刀在普通铣床上加工出的对数螺线型面轴应用在电动滚筒后, 未出现压溃损坏和断轴事故, 得到了生产厂家和用户的高度认可。

为电动滚筒高速轴生产中新工艺、新方法的开发及研究提供了一条新的途径。

参考文献

[1]刘建勋.电动滚筒设计与选用手册[M].北京:化学工业出版社, 2000.

[2]郑友益, 王裕清, 沈慧芬, 等.用成形铣削法加工等距三边型面轴[J].煤矿机械, 1997 (1) :26~28.

[3]武良臣, 郑友益.型面联接制造理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.

轴的设计论文 篇10

1 工艺设计分析

1.1 零件的工艺分析

偏心轴的材料选为40Cr。如图1所示偏心轴共有4处加工要求, ϕ20和ϕ40的轴段长度、直径要求及2轴段中心的偏心距离的要求, 其间有一定位置要求。分述如下:1) 把工件模锻成毛坯;2) 以ϕ40为中心的加工表面, 这一组加工表面包括:ϕ40 m6的轴的直径长度, 以及轴段的长度。3) 以ϕ20为中心的加工表面, 这一组加工表面包括:ϕ20 h6的轴的直径长度, 以及轴段的长度。

1.2 毛坯设计

主要考虑零件在机床运行过程中所受巨大冲击载荷, 零件结构又比较简单, 故确定毛坯为锻件 (模锻) 。毛坯的零件图如图2所示。

1.3 确定加工余量

用查表法确定各表面的总余量如表1所示。

2 工艺规程设计

2.1 定位基准的选择

基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择得正确与合理可以使加工质量得到保证, 生产率得以提高。否则, 加工工艺过程中会问题百出, 更有甚者, 还会造成零件的大批报废, 使生产无法正常进行。

1) 粗基准的选择

对于零件而言, 尽可能选择不加工表面为粗基准。而对有若干个不加工表面的工件, 则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作粗基准。根据这个基准选择原则, 现选取φ40 m 6轴的毛坯外轮廓表面作为粗基准, 利用车床的夹具作为φ40 mm主要的定位面, 限制5个自由度, 再以一个顶针限制最后1个自由度, 达到完全定位, 然后进行车削。

2) 精基准的选择

主要应该考虑基准重合的问题。零件采用ϕ20 mm轴段的端面作为精基准。

2.2 制定工艺路线

制定工艺路线的出发点, 应当使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证, 在生产纲领已确定的情况下, 可以考虑采用通用机床专用工卡具, 并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外, 还应考虑经济效果, 以便使生产成本尽量下降。拟订加工工艺路线如表2所示。上述方案遵循了工艺路线拟订的一般原则, 同时节约时间也提高了效率。

2.3 加工工序卡片的确定

本零件由:粗车, 精车φ40的直径→粗车, 精车毛坯外轮廓→粗车, 精车φ20轴段外轮廓→粗车, 精车φ20等4个工序完成。

3 夹具设计

本次设计的夹具为第40道工序——粗车, 精车φ20的直径, 在CA6140车床上加工。

3.1 确定夹具设计方案

由于加工的是偏心轴, 它存在着一定的偏心距所以设计它的夹具就应该可以调整它的中心距, 这样才能在车床上加工, 针对这种加工难度作者给出了2种夹具的方案。

方案1:

1) 首先将A基准的所有外圆加工好, 在轴的两端均留φ10 mm长15 mm的工艺夹头, 要求夹头与A基准同轴且台阶面与A基准垂直。

2) 将轴的两端夹头铣成扁7 h6, 见图3, 要求扁轴段与φ40中心对称且两端平行。

3) 工装制作:卡罐两件, 如图4所示, 要求槽7H7与φ40中心孔对称, 槽的端面与中心孔垂直。

4) 将卡罐装在轴的两端, 卡罐偏心方向应一致, 通过卡罐的槽与轴的扁7H7/h6的配合, 控制了偏心的方向;通过调节卡罐上的压紧螺钉可调节偏心量;使卡罐的端面与轴的台阶面压紧, 保证轴的中心与卡罐中心平行。

5) 在车床上用单顶尖装夹, 四爪夹紧卡罐旋转, 以φ40轴段中心线为基准, 两端外圆用表测量, 调整卡罐上的螺钉, 调整至不同的偏心量, 车削各偏心外圆至规定尺寸。

6) 当偏心轴加工完后切去两端工艺夹头。

此种加工方法简便、可靠, 避免了原有加工方法的繁琐 (镗床打中心孔) , 可应用于要求方向一致的多个偏心的偏心轴加工。

方案2: 粗车, 精车偏心轴段的端面0.5 cm, 并以其为长度基准。这种方法只需在通用夹具-三爪卡盘的任一卡爪上加工一个径向螺孔, 并安装一个螺钉。使用时, 只需调整螺钉的内伸长量, 夹紧工件后即可加工不同偏心距的偏心轴。这种方法使三爪卡盘变成可调通用夹具。它简便易行, 通用性强, 成本低, 特别适应多品种偏心轴的加工。需要注意的是, 为安全起见, 螺钉外伸出部分不能过长。

该夹具可调偏心范围e为:0≤e≤r/31/2。式中, r为定位的半径。 螺钉内伸长量h的计算:h= (4×r2-3×e2) 1/2+e-r, h的偏差可以通过尺寸链解出。

总结:第1种方案只需生产出一对卡罐就行。第2种方案需要做一个专用三角卡盘, 成本比较高。为了降低生产成本, 所以采用第1种夹具方案。

3.2 基于CAD的定位夹紧元件设计

3.2.1 平台选择

选择UG (NX3.0) 。NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机械设计和制图功能, 为制造设计提供了高性能和灵活性, 以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具, 具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。

3.2.2 零件详细设计

1) 夹紧螺钉

查参考文献[3] (P338表) , 得六角头压紧螺钉 (GB2161—80) 的相关工艺信息。材料:45钢按GB699—65《优质碳素结构刚钢号和一般技术条件》。热处理:HRC35-40。其他技术条件按GB2259—80《机床夹具零件及部件技术条件》。数据经查考文献[3]为M8, 其图形如图5所示。

2) 卡罐

为了夹紧的需要, 设计卡罐来进行设计, 其技术条件如下: 材料:45钢, 按GB699—65《优质碳素结构刚钢号和一般技术条件》。 热处理:HRC35-40。其他技术条件按GB2259—80《机床夹具零件及部件技术条件》。设计结果如图6所示。

3.2.3 基于CAD的夹具装配设计

最终设计出的偏心轴夹具如图7所示。

4 结 语

该文设计了一个偏心轴车削专用夹具, 使用起来非常方便, 只需一边夹在机床三角或四角卡盘上, 另一端用顶针顶住即可, 通过调节螺钉就可以加工出不同偏心量的轴段。本夹具结构简便, 结实耐用, 合适大批量的偏心轴生产。

参考文献

[1]李洪.机械加工工艺手册[M].北京:北京出版社, 1990.

[2]孟少农.机械加工工艺手册 (第一卷) [M].北京:机械工业出版社, 1991.

[3]东北重型机械学院, 洛阳工学院, 第一汽车制造厂职工大学编.机床夹具设计手册[M].上海:上海科学技术出版社, 1990.

[4]王绍俊.机械制造工艺设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1997.

[5]郑修本, 冯冠大.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社, 1991.

柴油机烧瓦抱轴的原因及预防 篇11

一、对柴油机烧瓦抱轴故障的判断

通常同时出现下列几种症状时，即可判断该柴油机的轴瓦已烧损：

1.机油温度急剧升高达90℃以上。

2.在柴油机加油口处或曲轴箱通风口处有白烟，缸体外部曲轴部位附近温度明显高于其他部位。

3.机油压力突然大幅度下降。

4.检查机油滤清器和油底壳时，发现有轴瓦合金粉末。

5.拆检轴瓦和连杆瓦时，瓦面合金层明显脱落并被压成薄片，甚至瓦的钢背发蓝、发黑等。

二、造成柴油机烧瓦抱轴的原因

1.油底壳内机油量不足或机油油路不畅通，以致润滑不良。

2.机油质量不符合要求，机油黏度过大或过小。机油黏度过大，流动困难，热量带走缓慢，机件运动阻力大；机油黏度过小，不易形成油膜，将加速轴瓦合金层损伤。机油内掺有杂质，量油尺插口、加油口、曲轴箱等封闭不严造成空气中杂质进入机油，造成磨损加剧。

3.机油压力过低。柴油机正常机油压力一般应在200～300兆帕之间，当机油压力低于80兆帕时应立即停机检查，否则容易发生烧瓦事故。

4.柴油机机体温度应保持在95～105℃范围内。当机温过高或过低时，都会导致油膜变薄、润滑不良、烧瓦抱轴。

5.一般情况下柴油机的主轴瓦间隙为0.07～0.14毫米，连杆轴瓦间隙为0.06～0.11毫米。如果轴瓦与轴颈的装配间隙过大或过小， 机油就无法在摩擦表面形成油膜，导致润滑不良，就会造成烧瓦咬死。

6.曲轴轴颈粗糙度、椭圆度等精度控制不良，造成轴颈与轴瓦配合不良，引起烧瓦抱轴。

7.轴瓦材质不符合规定，加工质量不良，轴瓦的抗高温能力和承载能力不足等，都是引起烧瓦抱轴故障的隐患。

8.通常情况下轴瓦与轴颈的接触面积不应低于全部面积的75%，且接触点应分布均匀。若装配时连杆螺栓或主轴承螺栓扭矩太小， 轴瓦与轴颈的配合接触面就达不到要求，造成配合间隙过大，引起润滑不良而烧瓦。

9.连杆大端瓦背磨损，使得轴瓦的瓦背无法和连杆大端紧密地贴合在一起，造成连杆轴瓦烧瓦。

10.装配轴瓦时瓦片止推肩未装入轴承座限位槽中，造成假扭矩或瓦、轴的拉损，引起烧瓦抱轴。

11.机油吸油盘焊接部件与空心螺栓、垫圈间有缝隙，或空心螺栓松动，或垫圈损坏，使机油泵吸进空气，机油泵无法正常供油而引起烧瓦事故。

12.气缸套偏磨，造成烧机油和高温气体泄漏进入曲轴箱，导致连杆轴瓦部位承受的温度过高。同时，高温气体窜入曲轴箱使机油温度升高，机油变稀，良好的油膜被破坏，从而引起烧瓦。

13.气缸套防水橡皮圈失效，导致冷却水渗漏到油底壳内，降低了机油的润滑性能，引起烧瓦。这种现象一般在新使用的柴油机工作100～300小时的时间内发生较多。

14.因气缸体主轴承内孔磨损，轴瓦的钢背与轴瓦座之间的径向压力不够或产生间隙，轴瓦工作温度升高，润滑变差，导致轴颈与轴瓦粘连烧瓦。

15.起步前或停车前猛轰油门，也易使轴瓦烧熔。

16.其他机件故障和工作异常而产生的恶性循环，也会导致柴油机烧瓦抱轴。如：空滤短路或失效造成早磨，进一步形成磨料磨损，导致烧瓦抱轴；供油提前角过小造成排温高，进一步导致机温过高；喷油器雾化不良，柴油进入油底壳；柴油机单缸或多缸工作粗暴造成轴、瓦机械冲击力增大等。

三、对柴油机烧瓦抱轴故障应采取的预防措施

1.磨合期过后及时更换机油和清洗油底壳。

2.定期维护清洗机件、疏通油道，添加或更换机油，防止机油老化或过脏而堵塞油道。

3.选用符合柴油机制造厂要求的润滑油，并按要求进行保养。

4.柴油机启动前，检查润滑油量，不足时应按规定添加。

5.冷车启动时应先在空负荷下怠速运转3～5分钟，然后再逐渐过渡到高速或大负荷运转。

6.严禁柴油机在超负荷下长时间运转，避免急加速；如发现机油压力报警灯亮起，应查明原因并妥善处理后方可继续运行。

7.维修时应注意检查润滑系统各零部件，重要零件不能代用（如不能以铁丝代替开口销等）。装配时，要使用清洁的润滑油。

8.更换新的轴瓦时，要检查轴瓦尺寸，保证其与轴颈的可靠贴合、良好散热。若轴瓦过长，接口处产生变形，会导致啃轴现象。

9.定期检查柴油机冷却系统的冷却效果，并及时张紧或更换风扇皮带，确保冷却系统始终保持良好状态。

（河北省邯郸市农机技术推广站 赵其斌 邮编：056001）

轴的设计论文 篇12

车铣复合加工中心凭借其高效率、高精度及较强的加工性能, 越来越受到广大机床用户的青睐, 因此, 如何构思、设计车铣复合加工中心, 已经成为机床企业工程师当下任务。

1 车铣复合加工中心总体布局分析

车铣复合加工机床除了具有X、Z两个方向的直线坐标轴外, 它至少还比一般数控车床多1个旋转坐标轴C轴 (目前有些高档的车铣复合中心还带B轴) 和一个直线坐标轴 (Y轴) , 而且可以实现多轴联动加工。主要结构形式有以下3种:

1) 第一种结构形式。以卧式车床斜床身为基础, 分别设计有X、Z、Y 3个进给轴, 并配有C轴。该类机床以车削为主, 铣削为辅, 适合加工体积较小的回转体类零件。

2) 第二种结构形式的基础是加工中心。在加工中心机床结构基础上, 增加带C轴车主轴, 用旋转夹盘夹持工件, 实现车铣复合。该类机床以铣削为主, 车削为辅, 适合加工需要大量铣削类零件。

3) 第三种结构形式。整体采用龙门式结构, 在此结构基础上, 配备具有C轴功能的旋转工作台。该类机床一般规格较大, 以镗、铣加工为主, 车加工为辅, 适合大型复杂零件的加工。

2 车铣复合加工中心总体布局方案的确定

2.1 机床结构形式的选定

通过对目前国内外现有车铣复合加工中心结构形式的对比和分析研究, 在结合国内外同类产品结构形式的优缺点以及笔者公司丰富的研发数控车床、加工中心的经验的基础上, 从适合市场需求和适合公司的开发要求等角度出发, 首先将机床结构形式定位在中、小型的四轴联动车铣中心, 因此从结构形式上就排除了第三种的龙门式结构。其次, 由于公司产品线多年来以全功能数控车床为主, 对该类机床的设计、试制、批量生产公司有着独有的竞争优势, 所以排除第二种结构形式, 因此公司车铣复合加工中心在结构上采用第一种结构形式。机床总体布局及各轴运动布置图见图1。

2.2 车铣复合加工中心Y轴结构分析、选取

因为机床是以斜床身数控车床为基础的, 因此X、Z轴在运动布置上, 不存在歧义, 在Y轴的布置上有以下两种方案:

1) 第一种方案是直接Y轴结构。具体结构是选用类似意大利DUPLOMATIC公司带Y轴伺服动力刀塔 (如图2所示) 。这种结构的优点是Y轴运动是直接的, 行程一般较大, 其不足一是Y轴立柱受布局限制, 受力不很合理, 易形成悬臂支承, 影响加工精度;二是在相同体积范围内, 相比较而言, 刀塔刚性较弱。

2) 第二种方案是采用上、下床鞍在斜床身上插补形成虚拟的Y轴结构, 通过X轴和一个与X轴有一定夹角的Y′轴差补来实现Y轴 (X轴、Y′轴合成虚拟Y轴运动示意图见图3) 。

第二种方案的优点是刚性高 (没有刀架在Y轴上的悬伸) , 拖动重力轻, 易于控制, 机床布局合理, 切削空间大, 适合中小规格机床采用。这种方案的缺点是对床鞍夹角的角度加工精度要求很高, 不易达到很高精度, 但可以利用数控系统补偿功能进行弥补。

笔者公司研究的对象是适合中等规格零件的加工, 最终公司考虑采用虚拟Y轴结构, 确保最佳的刚性和最佳的性价比。目前, 该产品已经实现产业化, 开始服务于国家重要的工业制造和国防工业制造领域。

3 结语

在分析国内外车铣中心各结构优缺点的基础上, 根据笔者公司实际情况, 最终确定机床的总体布局方案。在机床的总体布局设计过程中, 主要对车铣中心机床的结构形式、虚拟Y轴结构形式进行了分析和阐述。

摘要：在对目前市场上车铣复合加工中心的主流结构形式进行比较分析基础上, 结合企业对该类产品的规划以及市场预期需求分析, 最终确定了独特新颖的基于插补Y轴结构形式的车铣复合加工中心总体结构。

关键词：车铣复合加工中心,总体结构,插补Y轴

参考文献

[1]李宪凯, 崔佩强, 吴俊勇, 等.车铣复合加工中心结构分析[J].设备管理与维修, 2006 (1) :36, 42.