轴的强度校核方法.doc

I 河南工业大学河南工业大学 机电工程学院机电工程学院 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 轴的强度校核方法 姓 名 学 号 性 别 专 业 联系方式 学习中心 指导教师 2XXX 年 X 月 X 日 河南工业大学毕业设计 论文 河南工业大学毕业设计 论文 i 轴的强度校核方法 摘 要 轴是用来支承回转运动零件 如带轮 齿轮 蜗轮等 同时实现同一轴 上不同零件间的回转运动和动力的传递的重要的零件 为实现机械产品的完 整和可靠设计 轴的设计应考虑选材 结构 强度和刚度等要求 并应对轴 的材料或设备的力学性能进行检测并调节 轴的强度校核应根据轴的具体受 载及应力情况 采取相应的计算方法 并恰当地选取其许用应力 最后确定 轴的设计能否达到使用要求 对轴的设计十分重要 本文根据轴的受载及应力情况 介绍了几种典型的常用的对轴的强度校 核计算的方法 并对如何精确计算轴的安全系数做了具体的介绍 当校核结 果如不满足承载要求时 则必须修改原结构设计结果 再重新校核 最后 本文对提高轴的疲劳强度和刚度提出相应改进方法 并对新材料 新技术的应用进行了展望 关键词关键词 轴 强度 弯矩 扭矩 可编辑修改 目 录 第一章第一章 引引 言言 5 5 1 1 轴类零件的特点 5 1 2 轴类零件的分类 6 1 3 轴类零件的设计要求 6 1 3 1 轴的设计概要 6 1 3 2 轴的材料 6 1 3 3 轴的结构设计 7 1 4 课题研究意义 9 第二章第二章 轴的强度校核方法轴的强度校核方法 1111 2 1 强度校核的定义 11 2 2 常用的轴的强度校核计算方法 11 2 2 1 按扭转强度条件计算 11 2 2 2 按弯曲强度条件计算 13 2 2 3 按弯扭合成强度条件计算 13 2 2 4 精确计算 安全系数校核计算 20 第三章第三章 提高轴的疲劳强度和刚度的措施提高轴的疲劳强度和刚度的措施 2525 3 1 合理的选择轴的材料 25 3 2 合理安排轴的结构和工艺 25 3 3 国内外同行业新材料 新技术的应用现状 26 总总 结结 3131 参考文献参考文献 3232 可编辑修改 第一章第一章 引引 言言 1 11 1 轴类零件的特点轴类零件的特点 轴是组成各类机械的主要和典型的零件之一 主要起支承传动 零部件 传递扭矩和承受载荷的作用 一切作回转运动的传动零件 都必须装在轴上才能进行运动及动力的传递 同时它又通过轴承和 机架联接 由此形成一个以轴为基准的组合体 轴系部件 轴类零 件是旋转体零件 其长度大于直径 一般由同心轴的外圆柱面 圆 锥面 内孔和螺纹及相应的端面所组成 轴的长径比小于 5 的称为短轴 大于 20 的称为细长轴 大多数 轴介于两者之间 轴用轴承支承 与轴承配合的轴段称为轴颈 轴颈是轴的装配 基准 它们的精度和表面质量一般要求较高 其技术要求一般根据 轴的主要功用和工作条件制定 通常有以下几项 一 尺寸精度 起支承作用的轴颈为了确定轴的位置 通常对其尺寸精度要求 较高 IT5 IT7 装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低 IT6 IT9 二 几何形状精度 轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈 外锥面 莫氏锥孔等 的圆度 圆柱度等 一般应将其公差限制在尺寸公差范围内 对精 度要求较高的内外圆表面 应在图纸上标注其允许偏差 三 相互位置精度 轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决 定的 通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求 否 则会影响传动件 齿轮等 的传动精度 并产生噪声 普通精度的 轴 其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为 0 01 0 03mm 高精 度轴 如主轴 通常为 0 001 0 005mm 四 表面粗糙度 一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为 Ra2 5 0 63 m 与 可编辑修改 轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为 Ra0 63 0 16 m 轴类零件可根据使用要求 生产类型 设备条件及结构 选用 棒料 锻件等毛坯形式 对于外圆直径相差不大的轴 一般以棒料 为主 而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴 常选用锻件 这样既节约材料又减少机械加工的工作量 还可改善机械性能 根据生产规模的不同 毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种 中小批生产多采用自由锻 大批大量生产时采用模锻 轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并 采用不同的热处理规范 如调质 正火 淬火等 以获得一定的强 度 韧性和耐磨性 1 21 2 轴类零件的分类轴类零件的分类 根据承受载荷的不同分为 1 转轴 定义 既能承受弯矩又承受扭矩的轴 2 心轴 定义 只承受弯矩而不承受扭矩的轴 3 传送轴 定义 只承受扭矩而不承受弯矩的轴 4 根据轴的外形 可以将直轴分为光轴和阶梯轴 5 根据轴内部状况 又可以将直轴分为实心轴和空 1 31 3 轴类零件的设计要求轴类零件的设计要求 1 3 11 3 1 轴的设计概要 轴的设计概要 轴的工作能力设计 主要进行轴的强度设计 刚度设计 对于转速较高的轴还要进 行振动稳定性的计算 轴的结构设计 根据轴的功能 轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在 机器中的支撑要求 同时应具有良好的工艺性 一般的设计步骤为 选择材料 初估轴径 结构设计 强度校 核 必要时要进行刚度校核和稳定性计算 1 3 21 3 2 轴的材料 轴的材料 轴是主要的支承件 常采用机械性能较好的材料 常用材料包 括 碳素钢 该类材料对应力集中的敏感性较小 价格较低 是轴 可编辑修改 类零件最常用的材料 常用牌号有 30 35 40 45 50 采用优质碳素钢时应进行 热处理以改善其性能 受力较小或不重要的轴 也可以选用 Q235 Q255 等普通碳钢 45 钢价格相对比较便宜 经过调质 或正火 后 可得到较好 的切削性能 而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能 淬火 后表面硬度可达 45 52HRC 是轴类零件的常用材料 合金钢具有更好的机械性能和热处理性能 可以适用于要求重 载 高温 结构尺寸小 重量轻等使用场合的轴 但对应力集中较 敏感 价格也较高 设计中尤其要注意从结构上减小应力集中 并 提高其表面质量 40Cr 等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的 轴类零件 这类钢经调质和淬火后 具有较好的综合机械性能 轴承钢 GCr15 和弹簧钢 65Mn 经调质和表面高频淬火后 表面 硬度可达 50 58HRC 并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能 可制造较高精度的轴 精密机床的主轴 例如磨床砂轮轴 坐标镗床主轴 可选用 38CrMoAIA 氮化钢 这种钢经调质和表面氮化后 由于此钢氮化层 硬度高 耐磨性好 而且能保持较软的芯部 因此耐冲击韧性好 还具备一定的耐热性和耐蚀性 与渗碳淬火钢比较 它有热处理变 形很小 硬度更高的特性 是目前工业中应用最广泛的氮化钢 铸铁 对于形状比较复杂的轴 可以选用球墨铸铁和高强度的 铸铁 它们具有较好的加工性和吸振性 经济性好且对应力集中不 敏感 但铸造质量不易保证 1 3 31 3 3 轴的结构设计 轴的结构设计 根据轴在工作中的作用 轴的结构取决于 轴在机器中的安装 位置和形式 轴上零件的类型和尺寸 载荷的性质 大小 方向和 分布状况 轴的加工工艺等多个因素 合理的结构设计应满足 轴 上零件布置合理 从而轴受力合理有利于提高强度和刚度 轴和轴 上零件必须有准确的工作位置 轴上零件装拆调整方便 轴具有良 好的加工工艺性 节省材料等 1 轴的组成 可编辑修改 轴的毛坯一般采用圆钢 锻造或焊接获得 由于铸造品质不易 保证 较少选用铸造毛坯 轴主要由三部分组成 轴上被支承 安装轴承的部分称为轴颈 支承轴上零件 安装轮毂的部分称为轴头 联结轴头和轴颈的部分 称为轴身 轴颈上安装滚动轴承时 直径尺寸必须按滚动轴承的国 标尺寸选择 尺寸公差和表面粗糙度须按规定选择 轴头的尺寸要 参考轮毂的尺寸进行选择 轴身尺寸确定时应尽量使轴颈与轴头的 过渡合理 避免截面尺寸变化过大 同时具有较好的工艺性 2 结构设计步骤 设计中常采用以下的设计步骤 1 分析所设计轴的工作状况 拟定轴上零件的装配方案和轴在 机器中的安装情况 2 根据已知的轴上近似载荷 初估轴的直径或根据经验确定轴 的某径向尺寸 3 根据轴上零件受力情况 安装 固定及装配时对轴的表面要 求等确定轴的径向 直径 尺寸 4 根据轴上零件的位置 配合长度 支承结构和形式确定轴的 轴向尺寸 5 考虑加工和装配的工艺性 使轴的结构更合理 3 零件在轴上的安装 保证轴上零件可靠工作 需要零件在工作过程中有准确的位置 即零件在轴上必须有准确的定位和固定 零件在轴上的准确位置包 括轴向和周向两个方面 零件在轴上的轴向定位和固定 常见的轴向定位和固定的方法采用轴肩 各种挡圈 套筒 圆 螺母 锥端轴头等的多种组合结构 轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两种 利用轴肩定位结构简单 可靠 但轴的直径加大 轴肩处出现应力集中 轴肩过多也不利于 加工 因此 定位轴肩多在不致过多地增加轴的阶梯数和轴向力较 大的情况下使用 定位轴肩的高度一般取 3 6mm 滚动轴承定位轴 肩的高度需按照滚动轴承的安装尺寸确定 非定位轴肩多是为了装 可编辑修改 配合理方便和径向尺寸过度时采用 轴肩高度无严格限制 一般取 为 1 2mm 套筒定位可以避免轴肩定位引起的轴径增大和应力集中 但受到套筒长度和与轴的配合因素的影响 不宜用在使套筒过长和 高速旋转的场合 挡圈的种类较多 且多为标准件 设计中需按照各种挡圈的用 途和国标来选用 零件在轴上的周向定位和固定 常见的周向定位和固定的方法采用键 花键 过盈配合 成形 联结 销等多种结构 键是采用最多的方法 同一轴上的键槽设计中应布置在一条直 线上 如轴径尺寸相差不过大时 同一轴上的键最好选用相同的键 宽 4 轴的结构工艺性 从装配来考虑 应合理的设计非定位轴肩 使轴上不同零件 在安装过程中尽量减少不必要的配合面 为了装配方便 轴端应设 计 45 的倒角 在装键的轴段 应使键槽靠近轴与轮毂先接触的直 径变化处 便于在安装时零件上的键槽与轴上的键容易对准 采用 过盈配合时 为了便于装配 直径变化可用锥面过渡等 从加工来考虑 当轴的某段须磨削加工或有螺纹时 须设计 砂轮越程槽或退刀槽 根据表面安装零件的配合需要 合理确定表 面粗糙度和加工方法 为改善轴的抗疲劳强度 减小轴径变化处的 应力集中 应适当增大其过渡圆角半径 但同时要保证零件的可靠 定位 过渡圆角半径又必须小于与之相配的零件的圆角半径或倒角 尺寸 轴的设计时应考虑多方面因素和要求 需要解决的问题是轴 的选材 结构 强度和刚度 因此轴的强度校核尤为重要 通过校 核来确定轴的设计是否能达到使用要求 最终实现产品的完整设计 合理的进行轴的强度校核是轴设计的主要内容 也是评定轴的 设计成败得先决条件 校核结果如不满足承载要求时 则必须修改 原结构设计结果 再重新校核 可编辑修改 1 41 4 课题研究意义课题研究意义 在科学技术高速发展的今天 轴是机械设备中最常见的一种零 件 也是机械传动系统中重要的零件 对于不同类型的轴 在工作 中常常受到多个载荷作用 这些载荷产生的应力计算是轴的强度计 算中的重要内容 轴的强度校核在材料力学和机械零件等课程中具有重要的地位 例如转轴一般都是工作在弯曲与扭转共同作用的复合应力状态下 对 它的强度校核 一般是采用当量应力法或疲劳安全裕度的方法 这些 强度校核计算方法的理论依据是塑性材料屈服失效理论 最大切应力 理论与歪形能理论 并且考虑轴危险剖面上的弯曲正应力与扭转切 应力的循环特性 以及轴的绝对尺寸 表面质量和应力集中等因素对 疲劳强度的影响 研究轴的强度校核方法对于提高机械设备可靠性 具有重要意义 随着计算机技术的广泛应用 轴类零件的设计正逐步从手工走 向计算机自动化设计 不仅提高了设计质量 减少了设计工作量 同时为现代高速 多变 小批量生产的设计提供了必要的保障手段 研究轴的强度校核方法有助于我们更好的掌握轴的强度校核原理 并进一步与计算机应用技术相结合 提高设计水平 可编辑修改 第二章第二章 轴的强度校核方法 2 12 1 强度校核的定义强度校核的定义 在机械系统中 金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的 能力称为强度 强度是衡量零件本身承载能力 即抵抗失效能力 的重要指标 强度是机械零部件首先应满足的基本要求 强度校核就是对材料或设备的力学性能进行检测并调节的一种 方式 如抗冲击强度 抗弯曲强度等 并且这种方式以不破坏材料 或设备性能为前提 强度的校核研究是综合性的研究 主要是通过其应力状态来研 究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机 2 22 2 常用的轴的强度校核计算方法常用的轴的强度校核计算方法 进行轴的强度校核计算时 应根据轴的具体受载及应力情况 采取相应的计算方法 并恰当地选取其许用应力 对于传动轴应按扭转强度条件计算 对于心轴应按弯曲强度条件计算 对于转轴应按弯扭合成强度条件计算 2 2 12 2 1 按扭转强度条件计算 按扭转强度条件计算 这种方法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度 对于轴上还作 用较小的弯矩时 通常采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑 通常在做轴的结构设计时 常采用这种方法估算轴径 实心轴的扭转强度条件为 由上式可得轴的直径为 为扭转切应力 MPa 式中 T n P Ad 0 T T T d n P W T 2 0 9550000 3 可编辑修改 T 为轴多受的扭矩 N mm 为轴的抗扭截面系数 T W 3 mm n 为轴的转速 r min P 为轴传递的功率 KW d 为计算截面处轴的直径 mm 为许用扭转切应力 Mpa 值按轴的不同材料选取 常用 r 轴的材料及值见下表 r 表 1 轴的材料和许用扭转切应力 轴的材料 Q235 2 0 35451Cr18Ni9Ti 40Cr 35SiMn 2Cr13 42SiMn mmN r 12 2020 3030 4015 2540 52 A160 135 135 118 118 107148 125100 7 98 空心轴扭转强度条件为 其中即空心轴的内径与外径 d 之比 通常取 0 5 0 6 d d1 1 d 这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径 例 如 在设计一级圆柱齿轮减速器时 假设高速轴输入功率 P1 2 475kw 输入转速 n1 960r min 则可根据上式进行最小直径 估算 若最小直径轴段开有键槽 还要考虑键槽对轴的强度影响 根据工作条件 选择 45 钢 正火 硬度 HB170 217 作为轴的 材料 A0 值查表取 A0 112 则 mm n P Ad36 15 960 475 2 112 1 1 0min 因为高速轴最小直径处安装联轴器 并通过联轴器与电动机相 连接 设有一个键槽 则 mmdd43 16 71 36 15 71 min min 另外 实际中 由于减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联 结 则外伸段轴径与电动机轴径不能相差太大 否则难以选择合适 3 40 1 n P Ad T 可编辑修改 的联轴器 取 查表 取 则 电动机轴 dd8 0 min mmd38 电动机轴 mmdd 4 3038 8 08 0 min 电动机轴 综合考虑 可取mmd32 min 通过上面的例子 可以看出 在实际运用中 需要考虑多方面 实际因素选择轴的直径大小 2 2 22 2 2 按弯曲强度条件计算 按弯曲强度条件计算 由于考虑启动 停车等影响 弯矩在轴截面上锁引起的应力可 视为脉动循环变应力 则 其中 M 为轴所受的弯矩 N mm W 为危险截面抗扭截面系数 具体数值查机械设计手册 3 mm B19 3 15 17 为脉动循环应力时许用弯曲应力 MPa 具体数值查机械设计 1 手册 B19 1 1 2 2 32 2 3 按弯扭合成强度条件计算按弯扭合成强度条件计算 由于前期轴的设计过程中 轴的主要结构尺寸轴上零件位置及 外载荷和支反力的作用位置均已经确定 则轴上载荷可以求得 因 而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算 一般计算步骤如下 1 做出轴的计算简图 即力学模型 通常把轴当做置于铰链支座上的梁 支反力的作用点与轴承的 类型及布置方式有关 现在例举如下几种情况 7 1 1 0 W M ca 可编辑修改 图 1 轴承的布置方式 当 但不小于 0 25 0 35 L 对LedL5 0 1 dedL5 0 1 于调心轴承 e 0 5L 在此没有列出的轴承可以查阅机械设计手册得到 通过轴的主 要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置 计算出轴 上各处的载荷 通过力的分解求出各个分力 完成轴的受力分析 2 做出弯矩图 在进行轴的校核过程中最大的难度就是求剪力和弯矩 画出剪 力图和弯矩图 因此在此简单介绍下求剪力和弯矩的简便方法 横截面上的剪力在数值上等于此横截面的左侧或右侧梁段上所 有竖向外力 包括斜向外力的竖向分力 的代数和 外力正负号的 规定与剪力正负号的规定相同 剪力符号 当截面上的剪力使考虑 的脱离体有顺时针转动趋势时的剪力为正 反之为负 横截面上的弯矩在数值上等于此横截面的左侧或右侧梁段上的 外力 包括外力偶 对该截面形心的力矩之代数和 外力矩的正负 号规定与弯矩的正负号规定相同 弯矩符号 当横截面上的弯矩使 考虑的脱离体凹向上弯曲 下半部受拉 上半部受压 时 横截面 上的弯矩为正 反之凹向下弯曲 上半部受拉 下半部受压 为负 不论在截面的左侧或右侧向上的外力均将引起正值的弯矩 而 向下的外力则引起负值的弯矩 利用上述结论来计算某一截面上的内力是非常简便的 此时不 可编辑修改 需画脱离体的受力图和列平衡方程 只要梁上的外力已知 任一截 面上的内力均可根据梁上的外力逐项写出 因此 这种求解内力的 方法称为简便法 1 列剪力方程和弯矩方程 画剪力图和弯矩图 梁的不同截面上的内力是不同的 即剪力和弯矩是随截面的 位置而变化 为了便于形象的看到内力的变化规律 通常是将剪力和弯矩 沿梁长的变化情况用图形来表示 剪力图和弯矩图 剪力图和弯矩图都是函数图形 其横坐标表示梁的截面位置 纵坐标表示相应的剪力和弯矩 剪力图和弯矩图的画法是 先列出剪力和弯矩随截面位置变 化的函数式 再由函数式画出函数图形 剪力方程和弯矩方程 以梁的左端点为坐标原点 x 轴与梁的 轴线重合 找出横截面上剪力和弯矩与横截面位置的关系 这种关 系称为剪力方程和弯矩方程 M M x xFsFs 2 剪力图和弯矩图的绘制方向的判定 剪力 正值剪力画在 x 轴上侧 负值剪力画在 x 轴下侧 弯矩 正值弯矩画在 x 轴的下侧 负值弯矩画在 x 轴上侧 3 绘剪力图和弯矩图的基本方法 首先分别写出梁的剪力方程 和弯矩方程 然后根据它们作图 4 作剪力图和弯矩图的几条规律 取梁的左端点为坐标原点 x 轴向右为正 剪力图向上为正 弯矩图向下为正 以集中力 集中力偶作用处 分布荷载开始或结 束处 及支座截面处为界点将梁分段 分段写出剪力方程和弯矩方 程 然后绘出剪力图和弯矩图 梁上集中力作用处左 右两侧横截面上 剪力值 图 有突变 其突变值等于集中力的数值 在此处弯矩图则形成一个尖角 梁上 集中力偶作用处左 右两侧横截面上的弯矩值也有突变 其突变值 等于集中力偶矩的数值 但在此处剪力图没有变化 梁上的最大剪力发生在全梁或各梁段的边界截面处 梁上的最 大弯矩发生在全梁或各梁段的边界截面 或 F 0 的截面处 22 V H MMM 可编辑修改 5 求各分力的弯矩合成 轴的载荷分析图如下 图 2 轴的载荷分析图 3 校核轴的强度 通过以上计算得到得弯矩 M 和扭矩 T 后 可针对某些危险截面 即弯矩和扭矩大而轴径小可能断的截面 做弯扭合成强度的校核 计算 按第三强度理论的计算应力公式 为对称循环变应力 22 4 ca 可编辑修改 为扭转切应力 为了考虑两者循环特性不同的影响 引入折合系数 则 若扭转切应力为静应力时 取 0 3 若扭转切应力为脉动循环应力时 取 0 6 若扭转切应力为对称循环应力时 取 1 0 对于直径为 d 的圆轴 弯曲应力 扭转切应力 代入与得 式中 为对称循环变应力的轴的许用弯曲应力 MPa 具体数值 1 查机械设计手册 B19 1 1 为轴的计算应力 Mpa ca M 为轴所受的弯矩 N mm T 为轴所受的扭矩 N mm W 为轴的抗弯截面系数 具体数值查机械设计手册 B19 3 15 3 mm 17 下面本文以一级圆柱齿轮减速器的输出轴为例详细介绍按弯扭 合成强度条件对轴进行强度校核的计算方法 图 3 一级圆柱齿轮减速器输出轴零件图 首先 作出轴的扭矩图如下 22 4 ca W T 2 W TM W T W M ca 22 22 2 4 W M 可编辑修改 图 4 一级圆柱齿轮减速器输出轴扭矩图 按照上面提到的第三强度理论公式 1 22 W TM ca 式中 轴的计算应力 单位为 Mpa ca M 轴所受的弯矩 单位为 N mm T 轴所受的扭矩 单位为 N mm W 轴的抗弯截面系数 单位为 mm3 可编辑修改 依次确定式中的各个参数 根据减速器输出轴的受力条件 已知 NFt8430 NFr3100 NFa1800 NF vr 3160 2 NF vr 787 1 NF Hr 5480 2 NF Hr 2860 1 mNT 49 1429 根据图分析可得 mmNLFM HrH 512400 5 935480 12 mmNLFM VrV 275000 5 933160 222 mmNLFM VrV 137000 5 173787 212 mmN dFa Ma 308520 2 8 3421800 2 因此 591200 N mm 2 2 2 2VH MMM 530300 N mm 2 1 2 1VH MMM 根据轴的工作条件 取 0 6 计算抗扭截面系数 W 根据弯矩图可知道 危险截面在齿轮段的轴上 因此截面形状 如下所示 可编辑修改 图 5 一级圆柱齿轮减速器输出轴危险截面图 查表 15 4 可得 d tdbtd W 2 32 23 分别带如图示所示的数据 可得 3 23 36840mmW 根据危险截面分析 取 M 5912000 N mm 强度的计算 将以上数据分别带入上式中可得 MPa ca 1 16 前面已经选定轴的材料为 45 钢 由表 15 1 查得 MPa60 1 所以 故轴安全 1 ca 2 2 42 2 4 精确计算 安全系数校核计算 精确计算 安全系数校核计算 安全系数校核计算分为按疲劳强度条件和按精强度条件进行精 确计算 1 按疲劳强度条件进行精确计算 这种校核计算的实质在于确定变应力情况下轴的安全程度 在 已知轴的外形 尺寸及载荷的基础上 即可通过分析确定出一个或 可编辑修改 多个危险截面 这时不仅要考虑弯曲应力和扭转切应力的大小 而 且要考虑应力集中和绝对尺寸等因素影响的程度 按照公式求出计 算安全系数并应使其稍大于或至少等于设计安全系数 公式如下 其中 为只考虑弯矩作用时的安全系数 S 为只考虑扭矩作用时的安全系数 S S 为按疲劳强度计算的许用安全系数 见下表 表 2 许用安全系数选取条件 S 选 取 条 件 1 3 1 5载荷确定精确 材料性质均匀 1 5 1 8 载荷确定不够精确 材料性质 不够均匀 1 8 2 5 载荷确定不精确 材料性质均 度较差 仅有法向应力时 应满足 仅有扭转切应力时 应满足 式中 对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限 MPa 具体数值查机 1 械设计手册 B19 1 1 对称循环应力下的材料扭转疲劳极限 MPa 具体数值查机 1 械设计手册 B19 1 1 为弯曲和扭转时的有效应力集中系数 具体数值查机械设 KK 计手册 B19 3 5 7 为表面质量系数 具体数值查机械设计手册 B19 3 8 10 22 S SS SS S 1 S K S m 1 S K S m 可编辑修改 为材料拉伸和扭转的平均应力折算系数 具体数值查机械 设计手册 B19 3 13 为弯曲应力的应力幅和平均应力 MPa 具体数值查机械设 m 计手册 B19 3 12 为转应力的应力幅和平均应力 MPa m 图 6 一级圆柱齿轮减速器输出轴轴承布置图 如上图所示一级圆柱齿轮减速器的输出轴承结构示意 首先判 断危险截面 截面 a a b b c c d d 和 e e 都有应力集中源 键 槽 齿轮和轴的配合 过渡圆角等 且当量弯矩均较大 故确定为 危险截面 下面就以 a a 截面为例进行安全系数校核 A a a 截面上的应力 弯曲应力幅 MPa W M a 88 12 9 16 9 108 4 188 22 扭转应力幅 MPa W T r a 92 7 1 302 477 2 弯曲平均应力 0 m 扭转平均应力 MPa an 92 7 B 材料的疲劳极限 根据 查表MPa b 650 MPa s 360 7 1 附注得 2 0 a1 0 z C a a 截面应力集中系数 查附表 7 1 得 可编辑修改 825 1 a k625 1 r k D 表面状态系数及尺寸系数 查附表 7 5 附表 7 4 得 6 1650 92 0 0 mRMPa a 81 0 a 76 0 r E 分别考虑弯矩或扭矩作用时的安全系数 7 9 1 na k S 2 8 1 na k S 4 1 26 6 22 S SS SS Sca 故安全 2 按静强度条件进行精确计算 这种校核目的是评定轴对塑性变形的抵抗能力 根据轴材料的 屈服强度和轴上作用的最大瞬时载荷 计算轴危险截面处的静强度 安全系数 静强度校核时的强度条件是 式中 为危险截面静强度的计算安全系数 为按屈服强度的设计安全系数 为 1 2 1 4 用于高塑性材料制成的刚轴 为 1 4 1 8 用于中等塑性材料制成的刚轴 为 1 8 2 用于低塑性材料制成的刚轴 为 2 3 用于铸造轴 为只考虑弯矩和轴向力时的安全系数 为只考虑扭矩时的安全系数 S SS SS S S SS SS S ca 22 ca S S S S S S S S S S S S S S S S max max A Fa W M S S S 可编辑修改 式中 为材料的抗弯和抗扭屈服极限 MPa 为轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩 N mm 为轴的危险截面上所受的最大的轴向力 N A 为轴的危险截面的面积 分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数 具体数值查机械设 3 mm 计手册 B19 3 15 17 通过以上几种校核强度的方法完成轴的设计 如果校核结果如 不满足承载要求时 则必须修改原结构设计结果 再重新校核 T S S W T S max S S amax F maxmax TM T WW 河南工业大学毕业设计 论文 河南工业大学毕业设计 论文 25 第三章第三章 提高轴的疲劳强度和刚度的措施提高轴的疲劳强度和刚度的措施 3 13 1 合理的选择轴的材料合理的选择轴的材料 轴的材料种类很多 主要是根据轴的使用条件 刚度和其他的 机械性能等的要求 采用的热处理方式 同时考虑加工工艺 并力 求经济合理 通过设计计算来选择轴的材料 抽的材料一般是经过扎制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢 对于直径较小的轴 可用圆钢制造 有条件的可以直接用冷轧钢材 对于重要的 大直径或阶梯直径变化较大的轴 采用锻坯 为节约 金属和提高工艺性 直径大的轴还可以造成空心的 并且带有焊接 的或锻造的凸缘 轴的常用的材料是优质碳素结构钢 如35 45和50 其中以45 号钢最为常见 不太重要及受载荷交小的轴可用 Q235 Q275等普通 碳素钢结构钢 对于受力较大 轴的尺寸受限制 以及某些有特殊 要求的轴可用合金机构钢 当采用合金钢时 应优先选用符合国家 资源结构情况的硅锰钢 硼钢等 对于结构复杂的轴 例花键轴 空心轴等 为保护尺寸稳定性和减小热处理变形可选用铬钢 对于 大截面非常重要的轴可选用铬镍钢 对于高温或腐蚀条件下工作的 轴可选用耐热钢或不锈钢 曲轴和轮轴一般用球墨铸铁和一些高强度铸铁 铸造性能好 容易铸成复杂的形状 吸振能力好 应力集中敏感性比较低 支点 位移的影响小 3 23 2 合理安排轴的结构和工艺合理安排轴的结构和工艺 设计过程中 除合理选材外还可从结构安排和工艺等方面采取 措施来提高轴的承载能力 分析轴上零件特点 减小轴受载荷 根据轴上安装的传动零件的状况 合理布置和合理设计可以减 小轴的受载 对于受弯矩和转矩联合作用的转轴 可以改进轴和轴上零件结 构 使轴的承载减少 2 改进轴的结构 减少应力集中 可编辑修改 避免轴的剖面尺寸发生较大的变化 采用较大的过渡圆角半径 当装配零件的倒角很小时 可以采用内凹圆角或加装隔离环 尽可 能不在轴的受载区段切制螺纹 可能时适当放松零件与轴的配合 在轮毂上或与轮毂配合区段两端的轴上加开卸载槽 以降低过盈配 合处的应力集中等 3 改进轴的表面质量 提高轴的疲劳强度 减小表面及圆角处的表面粗糙度 对零件进行表面淬火 渗氮 渗碳 碳氮共渗等处理 对零件表面进行碾压加工或喷丸硬化处理 等可以显著提高轴的承载能力 4 采用空心轴 减轻质量 提高强度和刚度 内径 外径 d 为 0 6 的空心轴与直径为 d 的实心轴相比 0 d 空心轴的剖面模量减少 13 质量减少 36 d 仍为 0 6 的空心 0 d 轴与同质量的实心轴相比 剖面模量可增加 1 7 倍 3 33 3 国内外同行业新材料 新技术的应用现状国内外同行业新材料 新技术的应用现状 随着我国机械工业的迅猛发展 机械工业零部件产业显示出诱 人的商机 在机械设备制造上 大多采用传动的材料和工艺方法 随着科技的进步 出现了许多新材料 新技术和新工艺 只要在我 们的产品里正确地应用 就能够提高产品质量 降低劳动强度 减 小成本 加快生产周期 而作为新材料前沿科技的复合材料必将成 为这个新兴产业的主导 本文中有些新材料 新技术已经有十几年 或更长的运用历史 但由于在机械行业推广 应用不普及因而有 新 的感觉 此前 加拿大汽车供应商 Magna 公司与加拿大政府的研发组织 结成伙伴关系 双方将在加拿大安大略省康科德创建一个 Magna NRC 复合材料优胜中心 旨在研发安全 经济 环境友好和燃料效 率高的 新一代 热塑性复合材料 这类复合材料主要应用于汽车 零部件 据悉 该研究机构已经于今年夏天投入运行 在中国 空中客车中国公司与哈飞集团等中国企业合资建立了 复合材料飞机零部件制造中心 以为空客系列飞机生产复合材料零 部件 这也让我们近距离的接触到复合材料在中国的推动应用 但是复合材料在我国机械零部件领域的应用非常缺乏 业内人 可编辑修改 士对复合材料这个概念根本就不了解 有的人竟然不知道玻璃钢是 复合材料 轴类零件往往是机械系统的驱动部件 对整个机械系统的性能 起着决定性作用 轴的刚性及精度要求使得加工难度增大 对材料 的加工工艺要求都很高 因此 新的机械工艺技术将有助于提高轴 类零件的工艺性 本文将具体介绍超精密加工 超高速加工技术与 楔横轧技术 3 3 1 超高速加工技术 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具 通过极大地提高切 削速度和进给速度来提高材料切除率 加工精度和加工质量的现代 加工技术 超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料 不同的切削方 式而异 目前 一般认为 超高速切削各种材料的切速范围为 铝 合金已超过 1600m min 铸铁为 1500m min 超耐热镍合金达 300m min 钛合金达 150 1000m min 纤维增强塑料为 2000 9000m min 各种切削工艺的切速范围为 车削 700 7000m min 铣 削 300 6000m min 钻削 200 1100m min 磨削 250m s 以上等等 超高速加工技术主要包括 超高速切削与磨削机理研究 超高 速主轴单元制造技术 超高速进给单元制造技术 超高速加工用刀 具与磨具制造技术 超高速加工在线自动检测与控制技术等 工业发达国家对超高速加工的研究起步早 水平高 在此项技 术中 处于领先地位的国家主要有德国 日本 美国 意大利等 在超高速加工技术中 超硬材料工具是实现超高速加工的前提 和先决条件 超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法 而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备 目前 刀具材料已从碳素钢和合金工具钢 经高速钢 硬质合金钢 陶瓷 材料 发展到人造金刚石及聚晶金刚石 PCD 立方氮化硼及聚晶 立方氮化硼 CBN 切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的 12m min 提高到 1200m min 以上 砂轮材料也由过去主要是采用刚 玉系 碳化硅系等发展到使用人工合成金刚石 CBN 陶瓷或树脂结 合剂 CBN 砂轮 金刚石砂轮线速度可达 125m s 150m s 而单层电 可编辑修改 镀 CBN 砂轮可达 250m s 随着新刀具 磨具 材料的不断发展 每 隔十年切削速度要提高近一倍 亚音速乃至超声速加工的出现不会 太遥远了 在超高速切削技术方面 美国和联邦德国走在了世界前列 1976 年美国的 Vought 公司研制了一台最高转速达到 20000rpm 的超 高速铣床 联邦德国从 1978 年开始系统地进行超高速切削机理研究 对各种金属和非金属材料进行高速切削试验 并提供了大量资金支 持该项研究工作 八十年代中后期以来 超高速机床从单一的超高 速铣床发展成为超高速车铣床 钻铣床乃至各种高速加工中心等 瑞士 英国 日本也相继推出自己的超高速机床 日本日立精机的 HG400III 型加工中心主轴最高转速达 36000 40000r min 工作台快 速移动速度为 36 40m min 采用直线电机的美国 Ingersoll 公司的 HVM800 型高速加工中心进给移动速度为 60m min 在高速和超高速磨削技术方面 人们开发了高速 超高速磨削 深切缓进给磨削 深切快进给磨削 即 HEDG 多片砂轮和多砂轮 架磨削等许多高速高效率磨削 这些高速高效率磨削技术在近 20 年 来得到长足的发展及应用 德国 Guehring Automation 公司 1983 年 制造出了当时世界第一台最具威力的 60kw 强力 CBN 砂轮磨床 Vs 达到 140 160m s 并积极在铝合金钛合金 因康镍合金等难加工材 料方面进行高效深磨的研究 应用 CBN 砂轮高速磨削加工齿轮齿形 采用电镀 CBN 砂轮超高速磨削代替原须经滚齿及剃齿加工的工艺 加工 16MnCr5 材料的齿轮齿形 Vs 155m s 其 Q 达到 811mm3 mm s 应用高速深磨加工泵类零件深槽 工件材料为 100Cr6 轴承钢 采用电镀 CBN 砂轮 Vs 达到 300m s 其 Q 140mm3 mm s 磨削加工中 可将淬火后的叶片泵转子 10 个一 次装夹 一次磨出转子槽 磨削时工件进给速度为 1 2m min 平均 每个转子加工工时只需 10 秒钟 槽宽精度可保证在 2 m 一个砂 轮可加工 1300 个工件 目前日本工业实用磨削速度已达 200m s 美国 Conneticut 大学磨削研究中心 1996 年其无心外圆高速磨床 上 最高砂轮磨削速度达 250m s 近年来 我国在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主 可编辑修改 轴单元 高加减速直线进给电机 陶瓷滚动轴承等方面也进行了较 多的研究 但总体水平同国外尚有较大差距 必须急起直追 3 3 2 超精密加工 超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于 0 1 m 表面 粗糙度 Ra 小于 0 025 m 以及所用机床定位精度的分辨率和重复 性高于 0 01 m 的加工技术 亦称之为亚微米级加工技术 且正在 向纳米级加工技术发展 超精密加工技术主要包括 超精密加工的机理研究 超精密加 工的设备制造技术研究 超精密加工工具及刃磨技术研究 超精密 测量技术和误差补偿技术研究 超精密加工工作环境条件研究 超精密加工技术研究最早起步于美国 是迄今为止处于世界领 先地位的国家 其次是欧洲的一些国家及日本 美国至少有 30 多个 研究单位和厂家研制和生产各种超精密加工机床 摩尔公司 联合 碳化公司 杜邦公司等均在国际上久负盛名 日本对超精密加工技术的发展也十分重视 20 世纪 70 年代初 日本成立了超精密加工技术委员会 指定了技术发展规划 成为此 项技术发展速度最快的国家 日本现有 20 多家超精密加工机床研制 公司 重点开发民用产品所需的加工设备 力图使其设备系列化 并成批生产了多品种商品化的超精密加工机床 日本的超精密加工 机床设备多采用 0 01 m 高分辨率的 CNC 系统和激光干涉仪测量 那迷级光刻已超过了美国 居世界领先地位 超精密加工机床的加 工精度已达亚微米级 0 1 m 以下 粗糙度达 Rn0 01 m 最高水平 的机床已用于制造超大规模集成电路 刻线宽度可达 0 3 m 我国的超精密加工技术在 20 世纪 70 年代末期有了长足进步 80 年代中期出现了具有世界水平的超精密加工机床和部件 我国目 前已成功研制出回转精度达 0 025 m 的超精密轴类零件 并已装备 超精密车床和超精密铣床 解决了长期以来由于国外技术封锁给超 精密机床的研制带来的巨大阻力 目前我国的超精密轴系已基本形 成系列化 并达到实用化和商品化程度 我国在超精密加工的效率 精度 可靠性特别是大尺寸的规格和技术配套性方面与生产实际要 求与国外比还有相当大的差距 主要表现在我国还不能生产超精密 可编辑修改 非球面车床 机床的精度一般比国外要低一个等级 机床的精度保 持时间大大低于国外 因此对精度要求高的精密和超精密加工设备 还不得不从国外进口 超精密加工是一个系统工程 影响超精密加工精度的因素很多 超精密加工将向以下几个方向发展 1 高质量 高精度 高效率 2 对工件材料的要求越来越严格 3 工艺整合化 4 在线检测 实现加工计量一体化 5 智能化 自动化 柔性化 6 技术集成化程度不断提升 7 绿色化 超精密加工技术是提高轴类零件性能 质量 工作寿命和可靠 性以及节材节能的重要途径 3 3 3 楔横轧技术 随着机械工业技术的不断发展 许多机械零部件尤其是轴类零 件逐步转向标准化 系列化 同时轴类零件的需求量也快速增多 传统的锻造工艺制坯生产技术已不能满足需求 楔横轧技术是近年 来才用于工业生产的一种金属压力加工方法 属于金属热加工 采 用楔横轧机带动安装在其芯轴上的模具旋转从而对原料施加压力 完成成形过程的一种金属成形方法 楔横轧技术具有工艺先进 生产效率高 产品精度高等优点 但是楔横轧机床模具制造困难 不易修理 每副模具只能生产一个 类型的产品 楔横轧技术的应用领域相当广泛 如液压机械 矿山 机械 电动机和减速机等各个行业的传动轴制坯均可利用此工艺生 产 在我国 楔横轧技术应用比较典型的企业有四川长城楔横轧厂 和山东莱芜楔横轧厂生产的凸轮轴毛坯等 楔横轧技术是一种高效 节能环保新型金属加工技术 由此技术生产的轴类毛坯接近产品的 最终形状 外观尺寸波动小 只需要进行微量加工便可以达到产品 的最终形状 并且易于实现自动化 可编辑修改 河南工业大学毕业设计 论文 河南工业大学毕业设计 论文 32 总总 结结 合理的进行轴的强度校核是轴设计的主要内容 同时也是评定 轴的设计成败得先决条件 校核结果如不满足承载要求时 则必须 修改原结构设计结