减速器低速轴设计及加工工艺

J20型减速器低速轴的设计及加工工艺

1 设计要求

原始资料：根据成都卡帕特科技有限公司要求，设计一减速器低速轴,传递的功率P=3.42kW，主动轮转速n=60r/min，载荷平稳，单向运转，预期寿命10年（每天按300天计），单班制工作，原动机为电动机。

设计应完成的任务：设计出一个符合上述要求的轴，画出零件图，根据轴的工作条件及性能要求确定轴的加工步骤，并写出轴的加工工艺。

2 轴的结构设计

2.1最小轴径的设计

按扭矩初算最小轴径本轴是属于中、小轴，在减数器重工作时要承受各种负荷和冲击载荷并且要具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，因此该轴材料选用45钢即可满足其要求。所以选用45#调质，硬度217-255HBS.根据文献P26514.4表，取c=118, 又因为设计要求P=3.42,n=60 所以, d≥(P/N)1/3118 =(3.42/60)1/3mm=46mm考虑有键槽，将直径增大5%，则d=46(1+5%)mm=48.3 mm∴选d=50mm

2.2 轴的结构设计

2.2.1轴上零件的定位，固定和装配

单级减速器中可将齿轮安排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由轴肩定位，右面用套筒轴向固定，联接以平键作过渡配合固定，两轴承分别以轴肩和套筒定位，则采用过渡配合固定。

2.2.2 确定轴各段直径和长度

为了使计算方便、易懂，现画草图如下（图上的阶梯轴从左到右依次是I段、II段、III段、Ⅳ段、Ⅴ段、Ⅵ段）

2.1 轴的草图

I段：d

1=50mm 长度取L

1

=47mm∵h=2c c=1.5mm

II段:取轴肩高3.5mm，作定位用，∴d

2

=57mm

初选用一对6213型角滚动轴承，其内径为65mm,宽度为23mm.

考虑齿轮端面和箱体内壁，轴承端面和箱体内壁应有一定距离。取套筒长为50mm，通过密封盖轴段长应根据密封盖的宽度，并考虑联轴器和箱体外壁应有一定矩离而定，为此，取该段长为55mm，安装齿轮段长度应比轮毂宽度小2mm,

故II段长：L

2

=85mm

III段直径d

3=65mm， L

3

=55mm

根据轴承安装要求，轴肩高h=2.5 mm

Ⅳ段直径d

4=70mm， L

4

=80mm

Ⅴ段直径d

5=82mm. 长度L

5

=9mm

Ⅵ段直径d

6=65 mm，长度L

6

=23 mm

由上述轴各段长度可算得轴支承跨距L=299mm 2.2.3 按弯矩复合强度计算

1.求分度圆直径：已知d=3×Z

1

=27mm

2.求转矩：已知T

1

=544350N·mm

3.求圆周力：Ft

根据参考文献P267得 Ft=2T

1/d

1

=2×544350/324=3360N

4.求径向力Fr

根据参考文献P267得Fr=Ft·tanα=3360×tan200=1220N

2.2轴的受力图

1)绘制轴的受力图如图a

2）水平面内的弯矩图(图b)，支点反力为：

F HA =F

HB

=Fr/2=1680N

由两边对称，知截面C的

弯矩也对称。截面C在垂直面弯矩为

M H =F

HA

×64=10752(N·mm)

3) 垂直面内的弯矩图

（图c）

F VA = F

HB

=64×Fr/2=534.79(N·mm)

截面处的弯矩为: M

VI=

646.95×64=34226.56(N·mm) 4)绘制合弯矩图（如图d）

M I =(M

H

2+M

V

2)1/2=(1075202+34226.562)1/2=112836.199N·mm

5)绘制扭矩图（如图e）

转矩：aT=0.6×544.35=326610N·mm

6)绘制当量弯矩图（如图f）

转矩产生的扭剪力按脉动循环变化，取α=0.6，截面C处的当量弯矩：Mec=[M

C

2+(αT)2]1/2=[112836.1992+3266102]1/2=345550N·mm

7)校核危险截面C的强度

由式（6-3）d(Mec/0.1[σ

-1])1/3=238594/0.1×551/3=39.5mm

因截面C处开有键槽，故将轴直径加大5%，即为39.5×1.05=41.475mm，结构设计草图该处直径为70mm，强度足够。轴的结构简图如下：

图2.1减速器低速

3零件的工艺过程

3.1 轴的材料

轴的失效多为疲劳破坏，所以轴对材料的要求是：具有足够的疲劳强度，对应力集中的敏感性小，具有足够的耐性，易于加工和热处理，价格合理。

轴的常用材料主要是碳素钢、合金钢和铸钢。

1．碳素钢在轴的材料中常用的有30、35、40、45、和50等优质碳素钢，尤以45纲应用最为广泛。用优质碳素钢制造的轴，一般均应进行正火或调制处理，以改善材料的力学性能。不重要的或受力较小的轴可用Q235A、Q255A，Q275A等普通碳素钢制造，一般不进行热处理。

2．合金钢合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能。但对应力集中较敏感，价格也较贵，因此多用于重载、高温、要求尺寸小、重量轻、耐磨性好等特殊要求的场合。需要指出的是，合金钢和碳素钢的弹性摸量相差很小，因此在形状和尺寸相同的情况下，用合金钢来替代碳素钢不能提高轴的钢度。此外在设计在设计合金钢轴时，必须注意从结构上减小应力集中和减少其表面粗糙度。

3．铸铁球墨铸铁和高强度铸铁适应于形状复杂的轴或大型转轴。其优点是不需要锻压设备、价廉、吸阵性好，对应力集中不敏感；缺点是冲击韧性低，铸造质量不易控制。

毛坯的形式有棒料和锻造两种，前者应用与单件小批量生产，尤其是适用于光滑轴和外圆直径相差不大的阶梯轴，对于相差较大的阶梯轴则往往采用锻件。锻件还可以获得较高的抗拉，抗弯和抗扭强度。单件小批生产一般采用自由段，批量生产则采用模锻造，大批量生产时若采用带有贯穿孔的无缝钢管毛坯，能大大节省材料和机械加工量

本轴是属于中、小轴，在减数器重工作时要承受各种负荷和冲击载荷并且要具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，因此该轴材料选用45钢即可满足其要求。

根据图样可看出外圆直径尺寸相差不大，故选择¢85mm的热轧圆钢作毛坯。

3.2轴的热处理

锻造是利用锻压机械对金属坯料施加的压力，使其产生塑性变形以获得一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造能消除金属的铸态疏松,焊合孔洞,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件.常用的锻造有轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压。因为轧制比较方便，所以我选择轧制。