轴系结构设计与轴的常用材料及其机械性能

轴系结构设计.1高速轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构及使用要求,把该轴设计成阶梯轴且为齿轮轴,共分七段,其中第5段为齿轮,如图2所示:图2由于结构及工作需要将该轴定为齿轮轴,因此其材料须与齿轮材料相同,均为合金钢,热处理为调制处理,材料系数0A为110。所以,有该轴的最小轴径为:76.21970425.71103311011nPAd考虑到该段开键槽的影响,轴径增大6%,于是有:06.2376.2106.1%)61(1111dd标准化取2511d其他各段轴径、长度的设计计算依据和过程见下表:表6高速轴结构尺寸设计阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第1段311111nPCd1111%)61(dd(考虑键槽影响)6011L21.762560第2段11111209.02ddd(由唇形密封圈尺寸确定)llBlBlL001321230(27.848)50第3段13d由轴承尺寸确定(轴承预选6007141B)lBBLh1133525第4段13131409.02ddd12014ZBLL42.5(41.3)145第5段15d齿顶圆直径15L齿宽6570第6段1416dd416L4110第7段1317ddhBBL1173525二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图3)及受力计算图3L1=92.5L2=192.5L3=40533.81720tan15.2245tan15.224665730002211111ntrtFFdTF10.2661405.192405.817)405.1925.92()(43.386405.1924015.22462232313213231AVAHrAryAVtAHFFFLLLFLLLFFLLLFF38.233075.2161)(7.1859405.1925.19215.22462232213213221BVBHrBryBVtBHFFFLLLFLLLFFLLLFF三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表7轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6007轴承A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=12.5kNC0r=8.60kNe=0.68计算Fs=eFr(7类)、Fr/2Y(3类)FsA=1809.55FsB=1584.66计算比值Fa/FrFaA/FrAeFaB/FrBe确定X、Y值XA=1,YA=0,XB=1YB=0查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=981.039PB=981.039计算轴承寿命)max(16670110BArhPPCnL9425.45h小于12480h由计算结果可见轴承6007合格..2中间轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构几使用要求该轴设计成阶梯轴且为齿轮轴,共分五段,其中第II段和第IV段为齿轮,如图4所示:图4由于结构及工作需要将该轴定为齿轮轴,因此其材料须与齿轮材料相同,均为合金钢,热处理为调制处理,取材料系数1100A所以,有该轴的最小轴径为:56.342.22799.61023322221nPCd因键槽开在中间，其影响不预考虑标准化取4021d其他各段轴径、长度的设计计算依据和过程见下表:表8中间轴结构尺寸设计阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第1段322221nPCd由轴承尺寸确定(轴承预选6008152B)hBBL12133.64025第2段21212207.02ddd2222%)121(dd(考虑键槽影响)5.2222齿宽L45(44.68)77.5第3段22222307.02ddd5012.55.2412L第4段分度圆直径24d齿宽24L99109第5段2125dd232422123025BLBLLz低4639第6段2126ddhBBL1214025二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图5)及受力计算L1=51L2=105.75L3=106图5由高速轴的受力分析知：533.81720tan15.2245tan15.224665730002211111ntrtFFdTF76.216720tan39.5938tan39.5938992940002222222nTrtFFdTF40.661924.1559)(13.6433)(223213132232132231AVAHrArrAVttAHFFFLLLLFLLFFLLLLLFLFF73.543853.122)(35.5437223211221132121112BVBHrBrrBVttBHFFFLLLLFLLFFLLLLLFLFF09.90121aaaFFF三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表9轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6007A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=29kNC0r=19.2kNe=0.68确定X、Y值X=1Y=0查载荷系数fP1.223456781计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=4976.72PB=5982.60计算轴承寿命)max(16670110BArhPPCnL10179.13h小于12480h由计算结果可见轴承6007合格,.3低速轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构几使用要求该轴设计成阶梯轴,共分八段,如图6所示:图6考虑到低速轴的载荷较大，材料选用45,热处理调质处理,取材料系数1120A所以,有该轴的最小轴径为:49.528.6357.61123333031nPAd考虑到该段开键槽的影响,轴径增大6%,于是有:64.5516.5106.1%)61(3131dd标准化取6031d其他各段轴径、长度的设计计算依据和过程见下表:表10低速轴结构尺寸设计阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第1段333331nPCd3131%)61(dd(考虑键槽影响)11L(由联轴器宽度尺寸确定)52.4960(55.64)142第2段31313207.02ddd(由唇形密封圈尺寸确定)llBlBlL003323264(63.84)50第3段32323307.02ddd1633L6616第4段34d由轴承尺寸确定(轴承预选6014C204B)7024lBBLh333第5段83534dd202/21034）（低低zzBBLL7875第6段36353607.02ddd35L208820第7段36363707.02ddd35L齿宽+1080(79.8)119第8段3438ddhBBL3387024二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图7)及受力计算图7L1=71.5L2=119由中间轴的受力分析知：76.216720tan39.5938tan39.5938992940002222222nTrtFFdTF31.526942.185422.49322221222122AVAHrArAVtAHFFFLLLFFLLLFF60.309984.109031.29012221122112BVBHrBrBVtBHFFFLLLFFLLLFF三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表11轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA/FrAeFaB/FrBe确定X、Y值XA=1YA=0查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24PB=6759.14计算轴承寿命)max(16670110BArhPPCnL763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。四、轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面，现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩60.309931.52692222BVBHrBAVAHrAFFFFFF78.276638rACFM（2）、扭矩T图9100603T（3）、当量弯矩612046)(232TMMCC（4）、校核由手册查材料45的强度参数MPab59][1C截面当量弯曲应力：][95.11)80(1.06120461.0133bCCCdM由计算结果可见C截面安全。轴的常用材料及其机械性能轴的材料种类很多，选用时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴的常用材料是优质碳素钢35、45、50，最常用的是45和40Cr钢。对于受载较小或不太重要的钢，也常用Q235或Q275等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。特别是我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件，如曲轴等。根据工作条件要求，轴都要整体热处理，一般是调质，对不重要的轴采用正火处理。对要求高或要求耐磨的轴或轴段要进行表面处理，以及表面强化处理(如喷丸、辐压等)和化学处理(如渗碳、渗氮、氮化等)，以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小时，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，多采用锻件。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。轴的常用材料及其机械性能(MPa)材料牌号热处理毛坯直径(mm)硬度HB抗拉强度σb≥屈服强度σs≥弯曲疲劳极限σ-1≥扭转疲劳极限τ-1≥许用弯曲应力备注[σ+1][σ0][σ-1]Q235-A---4402401801051257040用于不重要或载荷不大的轴20正火25≤1564202501801001257040用于载荷不大，要求韧性较高的场合。正火回火≤100100～300300～500500～700103～15640038037036022020019018016515515014595908580125704035正火25≤875403202301301657545用于有一定强度要求和加工塑性要求的轴。正火回火≤100100～300300～500500～750750～1000149～187143～187137～1875205004804604402702602402302202102051901851751201151101051001657545调质≤100100～300156～207560540300280230220130125175855045正火25≤2416103602601501959555应用最广泛。正