直接用圆钢。
由于碳钢比合金钢价廉,对应力集中的敏感性较低,同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度,故采用碳钢制造尤为广泛,其中最常用的是45号钢。
合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此,在传递大动力,并要求减小尺寸与质量,提高轴颈的耐磨性,以及处于高温或低温条件下工作的轴,常采用合金钢。
必须指出:在一般工作温度下(低于200℃),各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多,因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时,所根据的是强度与耐磨性,而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意,在既定条件下,有时也可以选择强度较低的钢材,而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。
各种热处理(如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等)以及表面强化处理(如喷丸、滚压等),对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。
高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状,且具有价廉,良好的吸振性和耐磨性,以及对应力集中的敏感性较低等优点,可用于制造外形复杂的轴。
根据轴的常用材料及其主要力学性能,结合此处的实际的情况,所受载荷小而且转速低所以三个轴均选择用45钢(调质)。
2 轴的结构设计
轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。
轴的结构主要取决于以下因素:轴在机器中的安装位置以及形式;轴上零件的类型,尺寸,数量以及和轴联接的方法;载荷的性质,大小,方向以及分布情况;轴的加工工艺等。由于影响轴的结构因素较多,而且结构形式又要随着具体情况的不同而不同,所以轴没有标准的结构形式。设计时必须针对不同情况进行具体的分析。但是,不论何种具体条件,轴的结构都应该满足:轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置;轴上的零件应便于装拆和调整;轴应具有良好的制造工艺性等。
轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。
轴肩 分为定位轴肩和非定位轴肩两类,利用轴肩定位是最方便可靠的方法,但采用轴肩就必然会使轴的直径加大,而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外,轴肩过多时也不利于加工。因此,轴肩定位多用于轴向力较大的场合。
套筒定位 结构简单,定位可靠,轴上不需开槽﹑钻孔和切制螺纹,因而不影响轴的疲劳强度,一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时,不宜采用套筒定位,以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松,
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如轴的转速较高时,也不宜采用套筒定位。
圆螺母 定位可承受大的轴向力,但轴上螺纹处有较大的应力集中,会降低轴的疲劳强度,故一般用于固定轴端的零件,有双圆螺母和圆螺母与止动垫片两种型式。当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒定位时,也常采用圆螺母定位。
轴承端盖 用螺钉或榫槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。在一般情况下,整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。
轴上零件的周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键﹑花键、销﹑紧定螺钉以及过盈配合等,其中紧定螺钉只用在传力不大之处
有配合要求的轴段,应尽量采用标准直径。安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封圈等)部位的轴径,应取为相应的标准值及所选配合的公差。
为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便,并减少配合表面的擦伤,在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴作过盈配合的零件易于装配,相配轴段的压入端应制出锥度;或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。
确定各轴段长度时,应尽可能使结构紧凑,同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠,与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2~3mm。
结合以上设计准则设计各个轴的结构尺寸如下: (1) 轴Ⅰ的设计
1) 求作用在轴Ⅰ上齿轮2的力
因为d2?266.5mm T2?7500N?mm,故
Ft2?2T2/d2?2?7500/266.5?56.3N Fr2?Ft2tan??20.5N (??20?)
由此可见,轴所承受的力很小。
P2?T2n2/9550?7500?0.64?60/9550?30N 2) 初步确定轴的最小直径
根据机械设计手册查得,取A0=112,于是得
dmin?A03?3P230?10?112?3?10.3mm n20.64?60考虑到需要开键槽以及加工工艺,故取dmin?18mm。显然,轴的最小直径
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是安装车轮处,即dmin?d1?2?18mm。
3)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
①为了满足车轮的轴向定位要求,车轮外用M16的螺母定位;内用套筒定位。
②初步选择滚动轴承。因轴承同时承受的径向和轴向力均很小,故选用深沟球轴承。参照工作要求并根据dmin?18mm,参照国家标准GB/T 276-1994,由轴承产品目录中初步选取0组基本游隙组、标准精度级的单列深沟球轴承6004,其尺寸为d?D?B?20mm?42mm?12mm,由于需要安装挡油环,所以轴承内用套筒定位,套筒用轴肩定位;外用轴承端盖定位。轴承安装在轴承架里,其周向定位是借助过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6。
L2?3?L8?9?12mm。
③由于轴上齿轮之间的配合原因,故取Ⅲ-Ⅳ段的直径为d3-4?25mm;取
L3-4?137mm。
④取安装齿轮处的轴段Ⅴ-Ⅵ的直径d5-6?30mm;L5-6?128mm。齿轮的右端采用轴肩定位,轴环处的直径d6-7?36mm。轴环宽度L6-7?10mm。齿轮左端采用圆螺母定位,取用M27圆螺母,螺纹L4-5?20mm。
⑤d7-8?d3-4?25mm;L7-8?145mm。
⑥轴承端盖采用M5的螺钉固定,轴承端盖的总宽度为20mm,故取
L1-2?L9-10?60mm。
至此,已初步确定了轴Ⅰ的各段直径和长度。 ⑦轴上零件的周向定位
齿轮、车轮与轴的周向定位均采用平键联接。按d5-6由手册查得平键截面
b?h?8mm?7mm(摘自GB/T 1095-2003),键槽用键槽铣刀加工,长为50mm
(摘自GB/T 1096-2003)。 同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性,故选择齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6;同样车轮与与轴的联接,选用B型平键
6mm?6mm?14mm,车轮与轴的配合为H7/k6.
⑧由机械设计手册得,M16螺纹倒角为2×45°;M27螺纹倒角为1×45°;各轴肩处的圆角半径取R1。
初步确定的轴Ⅰ的结构如图3—6所示。
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图3—6轴Ⅰ的结构
(2) 轴Ⅱ的设计 参照轴Ⅰ的结构设计,
1) 求作用在轴Ⅱ上齿轮1的力
T1?7387.5N?mm
Ft1?2T12?7387.5??113.7N
130d1Fr1?Ft1tan??113.7?tan20??41.4N
P.5?0.64?60?2.4/9550?71.3N 1?T1?n1/9550?73872) 初步确定轴的最小直径 取A0=112
dmin?A03?3P71.3?101?112?3?10.3mm n10.64?60?2.4考虑到需要开键槽以及加工工艺,故取dmin=20mm。显然,轴的最小直径是安装轴承处。
3) 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
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