齿轮减速器课程设计是机械类专业学生的设计入门教学内容, 从我多年来从事机械类专业的教学的经验来看, 减速器设计综合应用了先修课程, 并通过实训教学教会学生机械的一般设计方法, 为后续课程的教学及工作打下基础。本文就齿轮减速器轴的尺寸确定问题进行探讨, 以达到提高学生专业素质, 丰富专业知识, 提高学生技能的目的。
轴的结构形状由各尺寸确定, 科学合理的尺寸才能满足轴的功用, 具体要求有:
1) 轴和轴上的零件有准确定位和固定。
2) 轴上零件便于调整和装配。
3) 良好的制造工艺性。
4) 形状、尺寸应尽量减小应力集中。
5) 为了便于轴上零件的装拆, 将轴制成阶梯轴。
1) 阶梯轴便于装拆。轴上磨削和车螺纹的轴段应分别设有砂轮越程槽和螺纹退刀槽。
2) 轴上沿长度方向开有几个键槽时, 应将键槽安排在轴的同一母线上。同一根轴上所有圆角半径和倒角的大小应尽可能一致, 以减少刀具规格和换刀次数。
3) 使轴上零件容易装拆, 轴端和各轴段端部都应有45°的倒角。
4) 为便于加工定位, 轴的两端面上应做出中心孔。
5) 合理布置轴上的零件, 改进轴上零件的结构。
轴肩和轴环是阶梯轴上截面变化的部位, 它对轴上的零件起轴向定位的作用。方法简单, 定位可靠。为了使轴上零件的端面能与轴肩紧贴, 轴肩的圆角半径R必须小于零件孔端的圆角半径R1或倒角C1, 否则, 无法紧贴。轴肩或轴环的高度h必须大于R1或倒角C1 (见图1) 。
轴环与轴肩尺寸h=R (C) + (0.5~2) mm, 轴环宽度b≈1.4h。零件孔端圆角半径R1和倒角C1的数值见表1。
轴端挡圈与轴肩、圆锥面与轴端挡圈联合使用, 常用于轴端起到双向固定作用。装拆方便, 多用于承受剧烈振动和冲击的场合, 见图2所示。
轴的直径应满足强度和刚度要求。此外, 还要根据轴上零件的固定方法和拆装顺序, 并参照表2等定出各轴段基本直径。
1) 在进行轴的结构设计前, 由于不知道轴上零件的位置和轴承位置, 就不能确定轴的受力情况。工程上通常按扭转对轴的最小直径进行估算, 再进行结构设计。在轴的结构设计基础上, 对轴进行受力分析及强度校核。
最小直径估算公式为:
式中, C——由轴的材料和载荷情况确定的常数, 见表3所示。
计算出的直径需圆整为标准直径并与相配合零件 (联轴器、带轮等) 的孔径相一致, 作为轴的最小直径。
2) 如轴上有一个键槽, 为了弥补轴的强度降低, 则应将算得的最小直径增大3%~5%;如有两个键槽, 可增大7%~10%。
3) 若该处装有联轴器等标准件, 还需符合联轴器或其他标准件的标准孔径。
轴的其余各段直径可由最小直径依次加上轴肩高得到。
为了减少应力集中, 在轴肩处应采用圆角过渡。为使零件易于装拆, 轴端及各轴段的端部一般应有倒角。
轴的各段长度主要是根据轴上零件的轴向尺寸及轴系结构的总体布置来确定, 设计时应满足的要求如下。
1) 为保证传动件能得到可靠的轴向固定, 轴与传动件轮毂相配合的部分的长度一般应比轮毂长度短2~3mm;轴与联轴器相配合的部分的长度一般应比半联轴器长度短5~10mm。
2) 安装滚动轴承的轴颈长度取决于滚动轴承的宽度。
3) 其余轴段的长度, 可根据总体结构的要求 (如零件间的相对位置、拆装要求和轴承间隙的调整等) 在结构设计中确定。
轴的尺寸确定与绘制轴的零件草图是同步进行的, 按照上述步骤初定出的轴的结构尺寸, 为轴的强度与刚度校核提供了计算依据。
1) 计算扭矩, 绘制扭矩图。
2) 计算弯矩, 绘制弯矩图。
3) 按弯扭组合校核轴的强度。当危险截面强度不足或相差太大时, 必须重新修改轴的结构, 调整轴的尺寸, 直至满足要求。
4) 确定其余尺寸。如键槽、倒角、圆角、螺纹退刀槽、砂轮越程槽等, 均查阅相关手册确定出尺寸。
齿轮轴的尺寸确定需要反复推敲, 不可能一步到位, 并注意与其它零部件的协调关系, 以实现结构与尺寸的优化。
摘要：本文从轴的结构、工艺要求入手, 在结构满足轴的功用前提下, 介绍了轴的尺寸初定方法。经过强度校核后最终确定出轴的各部分尺寸, 在齿轮减速器课程设计中, 具有较好的可操作性。
关键词：齿轮轴,尺寸确定,方法
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