非标准机械设计中1轴强度1校核2的简化方法
原创
非标准机械设计中1轴强度1校核2的简化方法
非标准机械设计缺乏可供借鉴的数据和经验 ,难度高于标准机械设计。本文简述了非标准 机械设计过程中常规的强度计算方法及特点 ,设计了简化的强度校核方法与计算流程 ,给出这个简化过 程的理论依据 ,指出目前简化方法需要完善的方面。
关键词:非标准;强度校核;扭矩 中图分类号: T H 123. 3 文献标志码:A
Simplif ied Method for Strength Check of Axis in Non2standard Mechanical Design
Abstract :Due to less data and experience for reference , the non2standard mechanical design is more difficult than stand2 ard mechanical design. The general strength calculation and characteristics of non2standard mechanical design was discussed. The check method and calculation flowchart of simplified strength check was analyzed and the theory principal that is based on was offered. Some points of simplified method which need to be improved were also discussed.
Key words :Non2standard , Strength check , Torque
非标准机械就是根据用户的特殊要求而设计的 | 缺乏经验的设计者所设计的非标准机械经常会出现 |
|---|---|
一些未纳入标准件范畴的零部件 ,标准机械则是现 | 零件强度尺寸过大或过小的问题[425 ] 。因此 ,非标准 |
成的具有稳定技术的固定产品 , 可供用户直接选 | 机械设计应重视强度计算的基本概念并建议采用简 |
购[123 ] 。非标准机械装备的设计简称非标设计。非标 | 便实用的计算方法。这对于提升非标准机械设计的 |
设计的一个最明显特征是单件小批量的设计与加工 , | 质量非常必要。 |
不可能像标准机械那样拥有足够的通用化、系列化设 | 在非标准机械设计过程中 ,传动方式一般是采 |
用电动机通过 V 带传动到较低转速的传动轴或在 | |
计数据以及成熟的工艺路线 ,缺少可供借鉴的完整的 | |
带传动之后再经过减速箱传到低速传动轴。低速输 | |
先期试验 ,因此其设计难度要高于标准机械设计。 | |
出轴或输入轴通常是悬臂梁 ,受到扭矩和弯矩的联 | |
1 非标准机械设计中的强度校核 | 合载荷在危险截面上会产生较大的扭转切应力和弯 |
一般情况下 ,非标准机械设计中的强度计算与 | 曲正应力。切应力通常是恒定不变或小幅脉动应 |
力 ,在启动或工作中应力会有瞬时大幅增加的情况; | |
校核都采用理论分析保证可靠性的计算方法。在具 | |
弯矩则对轴产生对称循环应力。一般机械设计手册 | |
体的计算过程中 ,安全系数的设置和许用应力的选 | |
推荐的轴强度的精确计算步骤十分繁琐 ,所考虑和 | |
取往往偏大 ,使计算结果具有很大的弹性。对于复 | |
需要计算的因素很多 ,但其中影响最大的是许用应 | |
杂的计算 ,例如齿轮强度计算 ,机械设计手册中列出 | |
力和工作情况系数 ,这 2 个因素的选定取决于许多 | |
安全系数的选择范围往往偏大 ,这会耗费很多时间 | |
主观因素 ,难以达到精确 ,故其变动范围很大。因 | |
去比较和选择一些数据 ,计算一些对结果影响甚微 | |
此 ,把很多精力耗在查表、计算一些影响很小的因素 | |
的次要因素。这类计算方法虽然比较完整地考虑到 | |
上是没有太大实际意义的[5 ] 。事实上 ,非标准机械 | |
各种影响因素 ,但对非标设计计算过程而言则显得 | 设计者几乎都不进行所谓精确计算 ,而只简单核算 |
过于繁琐。实际上 ,非标设计者在遇到过于繁琐的 | |
轴的扭应力和弯应力;少数设计者甚至只凭经验来 | |
计算流程时 ,倾向于放弃理论计算 ,改而依靠经验去 | |
决定 ,使非标准机械设计中轴的尺寸有时会出现过 | |
直接选取满足强度的尺寸。也有部分设计者完全照 | |
大或过小的情况。如何使轴的设计变得简便而且安 | |
本宣科地按照书本上的计算流程和相关公式进行计 | 全可靠是非标设计与计算的一个实际问题。 |
算 ,缺乏对计算公式中所依附理论和概念的深刻把 | 2 非标准机械设计中简化的强度校核方法 |
握 ,因此对经过繁杂计算后的结果的正确性难以确 | |
认 ,很容易出现较大的误差。由于上述因素的存在 , | 减速机输出轴的受力情况与非标准机械常用的 |
・4 ・ 《新技术新工艺》・数字技术与机械加工工艺装备 2011 年 第 3 期
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
悬臂传动轴相同。减速机输出轴的强度是经过长期 据可计算出各种轴径的轴在上述许用扭应力范围内 实践考验的 ,它可以满足多种复杂工况的要求并安 能承受的扭矩。设计者可根据所需要的最大扭矩等 全地工作。减速机的输出扭矩通常是已知的 ,但其 于许用扭矩[ M K ]的条件及所选定的许用扭应力 ,从
输出轴所受的弯矩是各式各样的 ,而且在设计减速 | 表 1 中查到相应的轴径 d 。用这种方法来确定传动 | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
机时只能根据扭矩估算其大致的范围 ,这就有可能 | 轴的直径不仅十分方便 ,而且安全可靠。表 1 中的 | ||||||||||||||||
仅根据所受扭应力来确定轴的直径。岑军健等人[ 5 ] | 数值通常都适用于非标设计 ,在零部件尺寸要求紧 | ||||||||||||||||
根据大量的统计与分析发现 ,一般减速机输出轴的 | 凑的情况下 ,可以改用 40Cr 钢作为轴的材料 ,其轴 | ||||||||||||||||
扭应力通常在 25�40 MPa 的范围内 ,根据这一数 | 径推荐为表 1 中查得数据的 80 %。 | ||||||||||||||||
表 1 传动轴的许用扭矩[ M K ] | N ・m | ||||||||||||||||
d/ mm | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | 80 | 85 | 90 | 95 | 100 |
[τ]/ MPa | |||||||||||||||||
25 | 39 | 77 | 132 | 210 | 314 | 447 | 613 | 815 | 1 058 | 1 346 | 1 681 | 2 067 | 2 508 | 3 009 | 3 572 | 4 201 | 4 900 |
30 | 47 | 92 | 159 | 252 | 376 | 536 | 735 | 918 | 1 270 | 1 615 | 2 017 | 2 481 | 3 010 | 3 611 | 4 286 | 5 041 | 5 880 |
35 | 55 | 107 | 185 | 294 | 439 | 625 | 858 | 1 141 | 1 482 | 1 884 | 2 353 | 2 894 | 3 511 | 4 213 | 5 001 | 5 882 | 6 880 |
40 | 63 | 122 | 212 | 336 | 502 | 714 | 980 | 1 304 | 1 693 | 2 153 | 2 589 | 3 308 | 4 013 | 4 815 | 5 715 | 6 722 | 7 840 |
注:1. 传动轴材料为 45 碳钢
2. 受力点离支点较远时弯矩较大 ,可选取表中较小的[τ]值
3. 对于直接用联轴器连接的轴可选用表中最大的[τ]值
在上述简化的方法中仅列出了可供选取的数 值 ,但没有提供出其理论依据。笔者认为 ,这种简化 方法及表 1 的数据本质上是对轴强度校核基本理论 的简化。
3 轴强度校核理论
强度是轴保证能正常工作的一个最基本的条
件。轴的强度计算应根据轴的受载情况采用相应的 计算方法。通常的强度计算方法有 2 种。
1) 对于圆截面承受扭矩的轴
τ= T/ W T = (9. 55 ×105 ×P/ n) / (π×d3 / 16) ≤[τ]
(1)
式中 τ,是轴的扭转切应力; T 是轴传递的转矩; W T 是抗扭截面系数; P 是传递的功率; n 是轴的转速; d
是轴的直径。由上式可以得到计算轴的直径公式:
3 3
d ≥ 9. 55 ×106 ×P/ 0. 2 ×[τ] ×n = C × P/ n
(2)
表 2 所示为轴常用材料的[τ]值和 C 值。
环扭矩,取α= 0. 6 ;对于对称循环扭矩 , 取α= 1 。 当轴段上开有键槽时 ,应适当增大轴径以补偿 键槽对轴强度的削弱。一般有 1 个键槽时 ,轴径增 大 3 %�7 % ;有 2 个键槽时 ,增大 7 %�15 % ,然后
圆整至标准值。
经过分析 ,简化的方法中提供的数据适合于圆 截面承受扭矩的轴 ,忽略了工作情况系数等次要因 素 ,因而也适用于承受扭弯组合力矩的情况。另外 , 对于一些重要的轴 ,除用简化的计算方法外 ,还应考 虑疲劳强度的校核计算。
4 工程实例
一台玉米脱料机的辊轴通过减速机和 V 带与 电动机相连 ,电动机的标称功率为 3. 5 kW ,辊轴的 工作转速为 50 r/ min ,计算辊轴的直径。
计算作用在辊轴上的最大扭矩:
T = 9. 55 ×103 ×P ×η/ n
式中 , P 表示输入功率; n 表示轴的转速;η表示传动
表 2 轴常用材料的[τ]值和 C 值
轴的材料 | Q235 ,20 | 35 | 45 | 40Cr ,35SiMn |
|---|---|---|---|---|
[τ]/ MPa | 12�20 | 20�30 | 30�40 | 40�52 |
C | 160�135 | 135�118 | 118�106 | 107�97 |
2) 对于承受弯矩和扭矩的轴 对于一般圆柱轴 ,承受弯曲正应力扭转切应力
可按最大切应力理论求出 ,其合成强度条件为:
σe = Me / W t = M2 + (α×T) 2 / (π×d3 / 32) ≤[σ]
(3)
式中 , Me 是当量弯矩; W t 为抗弯截面系数;α为折 合系数。对于不变的扭矩, 取α= 0. 3 ; 对于脉动循
效率。经查表选取传动效率为 0. 9 ,将 P = 3. 5 kW , n = 70 r/ min 代入公式 ,可求得扭矩 T = 430 N ・m 。
如果采用联轴器连接 ,选用最大的[τ]值 ,此时轴直 径介于 35�40 mm 之间 ,如果采用调质的 45Cr 钢 作材料 ,轴径可减少为原来的 80 % ,即介于 28�32 mm 之间。
5 结语
通过简化的方法获得轴直径 ,简单方便 ,省去繁 锁的计算过程 ,具有很强的实用性 ,在非标准机械设 计中具有推广的价值。但该方法也有不足和需要完
《新技术新工艺》・数字技术与机械加工工艺装备 2011 年 第 3 期 ・5 ・
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小直径深孔的常用加工方法
摘 要:在机械加工中 ,如何加工小直径深孔是普遍存在的问题 ,同时又是比较难以解决的问题。小 直径深孔的加工一般采用钻削加工 ,本文主要总结分析小直径深孔的常用加工方法。
关键词:深孔加工;麻花钻;枪钻;机械加工 中图分类号: T H 16 文献标志码 :A
Common Processing Method of Minor Diameter Deep Holes
Abstract :In the machining , how to process the minor diameter deep hole is the universal existing question , and is also the question which is hardly solved. The minor diameter deep holes processing generally uses drills truncates.
Key words :Deep holes processing , Twist drill , Butting , Machining
在机械加工中 ,如何加工小直径深孔是普遍存 | 擦 ,还会拉伤钻杆 ,降低孔壁粗糙度。 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
在的问题 ,又是比较难以解决的问题。 | 在机械加工中 ,孔的加工一般分钻削加工和镗 | ||||
一般来讲 ,孔的深度与孔径之比 L/ D > 5 就算 | 削加工。镗削加工一般适合大孔、浅孔的加工。小 | ||||
深孔 ,深孔加工要比一般的孔加工困难和复杂些。 | 直径深孔的加工一般采用钻削加工。我校实习工厂 | ||||
孔的深度和孔的直径比很大时刀杆细而长 ,刚性差 , | 采用了下面 2 种方法来进行加工。 | ||||
不仅钻削易抖动还会使钻头产生偏移。其次 ,由于 | 1 采用改进的普通麻花钻加工小直径深孔 | ||||
麻花钻的容屑空间小 ,切削、排屑困难 ,必须进行无 | |||||
数次退刀排屑 ,如稍有疏忽 ,就会造成切屑在孔中堵 | 在机械加工中 ,虽然麻花钻的结构参数不断完 | ||||
塞 ,使切屑和孔壁摩擦力增大 ,影响孔径精度。另外 | 善 ,但仍存在着许多缺点 ,如横刃太长、轴向阻力大、 | ||||
切削液不能到达钻头的顶部 ,切削热不能及时散出 , | 定心差、主刃长、切屑宽、卷屑及排屑困难、切屑充满 | ||||
因而也会引起钻头上的热量聚集从而导致刀具的磨 | 容屑空间、切削液难以注入等。这时排屑在切削过 | ||||
损严重。在钻削过程中 ,刀杆和孔壁及切屑碎末摩 | 程中顺着螺旋槽排出 ,当切削用量较大时 ,切屑宽度 | ||||
善的方面如下: | |||||
1) 简化的方法中仅列出供查表的数值 ,本文给 | |||||
出了获取基本数据的理论依据; | |||||
2) 简化的方法仅列出 45 钢及 40Cr 钢的数据 , | |||||
而没有提供其他材料数据 ,建议采用基本强度理论 | |||||
建立其他材料的数据库; | |||||
3) 简化的方法中提供的数据适合于圆截面承 | |||||
受扭矩以及承受扭弯组合力矩的情况。另外 ,对于 | |||||
一些重要的轴 ,除用简化的计算方法外 ,还应考虑疲 | |||||
劳强度的校核计算; | |||||
4) 把传动轴简化为一个理想的等直径圆柱轴 , | |||||
却忽视了键槽、台肩、应力集中和局部缺陷等因素对 | |||||
强度的影响 ,因此取得的结果只能作为整根轴的最 | |||||
小直径。 | |||||
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