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        花鍵軸介紹

        1、花鍵軸作用:是機械傳動一種,和平鍵、半圓鍵、斜鍵作用一樣,都是傳遞機械扭矩的。
        2、花鍵軸結構:在軸的外表有縱向的鍵槽,套在軸上的旋轉件也有對應的鍵槽,可保持跟軸同步旋轉。在旋轉的同時,有的還可以在軸上作縱向滑動,如變速箱換檔齒輪等。
        3、花鍵軸應用舉例:在制動器、轉向機構。 還有一種是可伸縮的軸,由內外管組成,外管有內齒,內管有外齒,套在一起。使用時在傳遞旋轉扭矩的同時,在長度方向可以伸縮。
        4、花鍵軸材質:40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA等,常用的熱處理方法為進行調質,而在重要部位作淬火處理。要求較高時可采用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi等優質低碳合金綱,進行滲碳淬火處理,獲取較高的表面硬度和心部較高的韌性
        5、花鍵軸熱處理。淬火 表面硬度HRC45--50。
           花鍵軸分矩形花鍵軸和漸開線花鍵軸兩大種類,花鍵軸中的矩形花鍵軸應用廣泛,而漸開線花鍵軸用于載荷較大,定心精度要求高,以及尺寸較大的鏈接。矩形花鍵軸通常應用于飛機、汽車、拖拉機、機床制造業、農業機械及一般機械傳動等裝置。由于矩形花鍵軸多齒工作,所以承載能力高,對中性、導向性不錯,而其齒根較淺的特點可以使其應力集中小。另外花鍵軸的軸與轂強度削弱小,加工比較方便,用磨削方法可以獲得較高的精度。漸開線花鍵軸用于載荷較大,定心精度要求高,以及尺寸較大的鏈接。其特點:齒廓為漸開線,受載時齒上有徑向力,能起自動定心作用,使各齒受力均勻,強度高壽命長,加工工藝與齒輪相同,易獲得較高精度和互換性。

        軸類加工
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        花鍵軸
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        主軸
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        齒輪軸
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        花鍵軸
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        花鍵軸
        花鍵軸

         

          的材料采用碳綱和合金綱。如40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA等,常用的熱處理方法為進行調質,而在重要部位作淬火處理。要求較高時可采用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi等優質低碳合金綱,進行滲碳淬火處理,獲取較高的表面硬度和心部較高的韌性。


         



        1.1 概述
        1.1.1軸的分類
        1.1.2軸的毛坯與材料
        1.1.3軸的失效形式和計算準則
        1.2 軸的結構設計
        1.2.1軸的結構組成
        1.2.2零件在軸上的定位
        1.2.3軸結構的工藝性
        1.2.4軸結構的設計步驟
        1.3 軸的設計計算
        1.3.1軸的強度計算
        1.3.2軸的剛度計算
        1.3.3提高軸的強度、剛度措施

        1.1 概述
        軸是組成機器的重要零件之一。用于支承作回轉運動或擺動的零件來實現其回轉或擺動,使其有確定的工作位置.
        1.1.1 分類
        1.按照軸線形狀分類:軸可分為直軸、曲軸和軟軸
        (1)直軸:直軸按外形不同可分為光軸、階梯軸及一些特殊用途的軸,如凸輪軸、花鍵軸齒輪軸及蝸桿軸等。
        (2)曲軸:曲軸是內燃機、曲柄壓力機等機器上的專用零件,用以將往復運動轉變為旋轉運動,或作相反轉變。
        (3)軟軸:軟軸主要用于兩傳動軸線不在同一直線或工作時彼此有相對運動的空間傳動,也可用于受連續振動的場合,以緩和沖擊。
        2.按照所受載荷性質分類:軸可分為心軸、轉軸和傳動軸。
        (1)心軸:通常指只承受彎矩而不承受轉矩的軸。如自行車前、后輪軸,汽車輪軸。
        (2)轉軸:既受彎矩又受轉矩的軸。轉軸在各種機器中最為常見。
        (3)傳動軸:只受轉矩不受彎矩或受很小彎矩的軸。車床上的光軸、連接汽車發動機輸出軸和后橋的軸,均是傳動軸。
        1.1.2軸的毛坯與材料
        1.軸的材料:首先應有足夠的強度,對應力集中敏感性低;還應滿足剛度、耐磨性、耐腐蝕性及良好的加工性。常用的材料主要有碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵和高強度鑄鐵。
        選擇軸的材料時,應考慮軸所受載荷的大小和性質、轉速高低、周圍環境、軸的形狀和尺寸、生產批量、重要程度、材料機械性能及經濟性等因素,選用時注意如下幾點:
        (1) 碳鋼有足夠高的強度,對應力集中敏感性較低,便于進行各種熱處理及機械加工,價格低、供應充足,故應用最廣。一般機器中的軸,可用30、40、45、50等牌號的優質中碳鋼制造,尤以45號鋼經調質處理最常用。
        (2) 合金鋼機械性能更高,常用于制造高速、重載的軸,或受力大而要求尺寸小、重量輕的軸。至于那些處于高溫、低溫或腐蝕介質中工作的軸,多數用合金鋼制造。常用的合金鋼有:12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr、38SiMnMo等。
        (3) 通過進行各種熱處理、化學處理及表面強化處理,可以提高用碳鋼或合金鋼制造的軸的強度及耐磨性。特別是合金鋼,只有進行熱處理后才能充分顯示其優越的機械性能。
        (4) 合金鋼對應力集中的敏感性高,所以合金鋼軸的結構形狀必須合理,否則就失去用合金鋼的意義。另外,在一般工作溫度下,合金鋼和碳鋼的彈性模量十分接近,因此依靠選用合金鋼來提高軸的剛度是不行的,此時應通過增大軸徑等方式來解決。
        (5)球墨鑄鐵和高強度鑄鐵的機械強度比碳鋼低,但因鑄造工藝性好,易于得到較復 雜的外形,吸振性、耐磨性好,對應力集中敏感性低,價廉,故應用日趨增多。
        1.1.3 軸的失效形式和計算準則
        1. 軸的失效形式:主要有因疲勞強度不足而產生的疲勞籪裂、因靜強度不足而產生的塑性變形或脆性籪裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動等。
        2.軸的設計應滿足如下準則:
        (1)根據軸的工作條件、生產批量和經濟性原則,選取適合的材料、毛坯形式及熱處理方法。
        (2)根據軸的受力情況、軸上零件的安裝位置、配合尺寸及定位方式、軸的加工方法等具體要求,確定軸的合理結構形狀及尺寸,即進行軸的結構設計。
        (3)軸的強度計算或校核。對受力大的細長軸(如蝸桿軸)和對剛度要求高的軸,還要進行剛度計算。在對高速工作下的軸,因有共振危險,故應進行振動穩定性計算。
        1.2軸的結構設計
        1.2.1軸的結構組成
        1.2 軸的結構設計  
        軸的結構設計的任務,就是在滿足強度、剛度和振動穩定性的基礎上,根據軸上零件的定位要求及軸的加工、裝配工藝性要求,合理地定出軸的結構形狀和全部尺寸。  
        1.2.1 軸結構的組成  
        軸主要由軸頸、軸頭、軸身三部分組成。軸上被支承部分叫做軸頸;安裝輪轂部分叫做軸頭;連接軸頸和軸頭的部分叫軸身。
        1.2.2零件在軸上的定位
        1.2.2 零件在軸上的定位
        1. 零件在軸上的軸向定位:零件在軸上的軸向定位方法,主要取決于它所受軸向力的大小。此外,還應考慮軸的制造及軸上零件裝拆的難易程度、對軸強度的影響及工作可靠性等因素。
        常用軸向定位方法有:軸肩(或軸環)、套筒、圓螺母、擋圈、圓錐形軸頭等。
        (1)軸肩:軸肩由定位面和過度圓角組成。為保證零件端面能靠緊定位面,軸肩圓角半徑必須小于零件轂孔的圓角半徑或倒角高度;為保證有足夠的強度來承受軸向力,軸肩高度值為h=(2-3)R。
        (2)軸環:軸環的功用及尺寸參數與軸肩相同,寬度b≥1.4h。若軸環毛坯是鍛造而成,則用料少、重量輕。若由圓鋼毛坯車制而成,則浪費材料及加工工時。
        1.2.3 軸結構的工藝性
        所謂軸的結構的工藝性,是指軸的結構應盡量簡單,有良好的加工和裝配工藝性,以利減少勞動量,提高勞動生產率及減少應力集中,提高軸的疲勞強度。
        1. 設計合理的結構,利于加工和裝配
        (1)為減少加工時換刀時間及裝夾工件時間,同根軸上所有圓角半徑、倒角尺寸、退刀槽寬度應盡可能統一;當軸上有兩個以上鍵槽時,應置于軸的同一條母線上,以便一次裝夾后就能加工。
        (2)軸上的某軸段需磨削時,應留有砂輪的越程槽;需切制螺紋時,應留有退刀槽。
        (3)為去掉毛刺,利于裝配,軸端應倒角。
        (4)當采用過盈配合聯結時,配合軸段的零件裝入端,常加工成導向錐面。若還附加鍵聯結,則鍵槽的長度應延長到錐面處,便于輪轂上鍵槽與鍵對中。 花鍵軸
        (5)如果需從軸的一端裝入兩個過盈配合的零件,則軸上兩配合軸段的直徑不應相等,否則第一個零件壓入后,會把第二個零件配合的表面拉毛,影響配合。
        1.2.4軸結構的設計步驟
        軸的結構設計須在經過初步強度計算,已知軸的最小直徑以及軸上零件尺寸(主要是轂孔直徑及寬度)后才進行。其主要步驟為:
        1.確定軸上零件裝配方案:軸的結構與軸上零件的位置及從軸的哪一端裝配有關。如圖所示,

        2.確定軸上零件定位方式:根據具體工作情況,對軸上零件的軸向和周向的定位方式進行選擇。軸向定位通常是軸肩或軸環與套筒、螺母、擋圈等組合使用,周向定位多采用平鍵、花鍵或過盈配合聯結。
        3.確定各軸段直徑:軸的結構設計是在初步估算軸徑的基礎上進行的,為了零件在軸上定位的需要,通常軸設計為階梯軸。根據作用的不同,軸的軸肩可分為定位軸肩和工藝軸肩(為裝配方便而設),定位軸肩的高度值有一定的要求;工藝軸肩的高度值則較小,無特別要求。所以直徑的確定是在強度計算基礎上,根據軸向定位的要求,定出各軸段的最終直徑。
        4.確定各軸段長度:主要根據軸上配合零件轂孔長度、位置、軸承寬度、軸承端蓋的厚度等因素確定。
        1.3軸的設計計算
        軸在實際工作中,承受各種載荷。設計計算是確保軸可以承受載荷、可靠工作的重要保證。根據軸的失效形式,對軸的計算內容通常為強度計算、剛度計算和臨界轉速計算。
        1.3.1軸的強度計算
        軸的強度計算應根據軸的承載情況,采用相應的計算方法。軸的計算方法主要有三種方法:許用切應力計算;許用彎曲應力計算;安全系數校核計算。
        1.許用切應力計算
        許用切應力計算只需知道轉矩大小,方法簡便,但計算精度低。它主要用于下列情況:(1)傳遞以轉矩為主的傳動軸;(2)初步估算軸徑以便進行結構設計;(3)不重要的軸。
        受轉矩T(N.mm)的實心軸,其切應力為:
        花鍵軸MPa (1.1)
        寫成設計公式,軸的最小直徑
        花鍵軸mm (1.2)
        1.3.2軸的剛度計算
        當軸受到載荷作用后,軸將發生彎曲、扭轉等變形。如果變形過大,超過允許變形范圍,軸上零件就不能正常工作,甚至影響機器的性能。例如機床主軸撓度過大將影響加工精度。因此,對于有剛度要求的軸,必須進行剛度校核。軸的剛度分為彎曲剛度和扭轉剛度。
        1. 彎曲剛度校核計算(見圖1-16)產生的撓度y≤[y],[y]為許用撓度;產生的偏轉角θ≤[θ],[θ]為許用偏轉角;
        2. 扭轉剛度校核計算(見圖1-17) 產生的扭轉角 φ≤[φ],[φ]為許用扭轉角; y、θ、φ的計算按材料力學方法公式; [y]、[θ]、[φ]值見表


        花鍵軸
        1-3

        1.3.3提高軸的強度、剛度和減輕重量的措施
        1. 減少應力集中
        (1) 盡量避免截面形狀的突然變化,在截面尺寸變化處盡量采用較大的過度圓角,盡量避免在軸上開橫孔、切口或凹槽。在重要結構中,可采用凹切圓角;蛴眉绛h來增大軸肩圓角半徑。
        (2) 用盤銑刀要比用端銑刀銑出的鍵槽槽低過渡平緩,因而應力集中小。
        (3) 過盈配合的軸,可通過增大配合處的直徑、在軸上或輪轂上開減荷槽等來減小應力集中。
        (4) 打穿的銷孔比未打穿的銷孔的應力集中小。
        2. 改善表面品質
        軸的表面粗糙度對疲勞強度有很大的影響。疲勞裂紋常常發生在表面最粗糙的地方。為提高軸的疲勞強度,可采用表面強化處理。如碾壓、噴丸、氮化、滲碳、淬火等方法,可顯著提高軸的承載能力。

        1. 改善軸的受力情況
        例如,在圖1-1所示的起重卷筒的兩種不同方案中,圖1-1(a)的方案是大齒輪和卷筒聯在一起,轉矩經大齒輪直接傳給卷筒。這樣卷筒只受彎矩而不受轉矩,在起重同樣載荷Q時,軸的直徑小于圖1-1(b)方案的直徑。

        圖1-19                   圖1-20

        再如,當動力需要兩個輪輸出時,為了減小軸上的轉矩,盡量將輸入輪布置在中間,如圖21-20(a)。當輸入轉矩為T1+T2時,此時軸上的最大轉矩為T1。在圖21-20(b)的結構中,軸上的最大轉矩為T1+T2。

        小結:
        本章圍繞軸的設計這個中心,對軸的材料、失效形式、結構設計、強度計算等展開討論。從討論中可以看到,軸的設計過程是軸的強度計算和軸系部件的結構設計交錯進行的過程;具體講,就是邊畫圖、邊計算、邊修改的過程。通常,軸的設計步驟為:
        (1)根據機械傳動方案和整體布局,擬訂軸上零件的布置方案和裝配方案;
        (2)選擇軸的材料;
        (3)初步估算軸的直徑;
        (4)軸的結構設計;
        (5)軸的強度(必要時進行剛度)計算,并結合有關影響因素修改設計;
        (6)完成軸的零件工作圖;

        介紹直軸的結構設計和直軸的設計計算基本方法,掌握軸結構設計中軸上零件軸向及周向定位方法及其結構的工藝性,并掌握軸上零件定位可靠、安裝方法及受力分析。 由于軸上零件的輪轂尺寸和軸承尺寸需根據軸徑來定,而計算軸徑所需的受力點和支點位置又與軸上零件和軸承尺寸位置有關。因此,軸的設計過程常常是先估算軸徑,再進行軸的結構草圖設計,然后進行軸的強度計算。在此基礎上,再對軸的結構進行修改,并“細化”各部分尺寸。所以軸的強度計算和結構設計要交替進行,邊畫圖邊計算,逐步完善。


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