摩擦系数测试台机械部分的设计.docx
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摩擦系数测试台机械部分的设计
5.摩擦系数测试台机械部分的设计
(图5.1)
1——轴2——深沟球轴承3——套筒4——底座5——立杆6——悬臂7——水平旋转台8——密封盖9——垫片
5.1轴及其支承的设计
轴的设计包括:
(a)选定轴的材料、确定结构
(b)计算强度、刚度,
(c)绘制轴的零件图
轴的结构主要取决于:
轴在机器中的安装位置及形式;轴上零件的类型、尺寸及配置、定位和固定方式;载荷的性质、大小、方向及分布情况;轴的加工和装配工艺性等。
由于影响轴结构的因素较多,其结构随具体条件不同而灵活变化,所以轴一般并无标准的结构形式。
但不论何种具体条件,轴的结构均须满足:
足够的强度和刚度;轴和装在轴上的零件应有准确的工作位置;轴上的零件应便于装拆和调整;轴应具有良好的制造工艺性。
轴的支承大多采用滚动轴承。
5.1.1轴的结构设计
如下图所示(图5.2):
(图5.2)
设计说明:
轴选用45号钢,进行正火或调质处理,改善其力学性能。
轴制成阶梯形的主要目的是便于轴上零件装拆、区分加工表面和利用轴肩、轴环定位。
径向尺寸变化是根据轴上零件的受力情况、安装和固定以及对轴的表面粗糙度、加工精度等要求而定。
当轴径变化是为了固定轴上零件或承受轴向力时,其半径差a应稍大于该处轴上零件轮毂孔的圆角半径R或倒角深度c。
对安装滚动轴承的轴肩高度不能太大,而应受拆卸滚动轴承的安装尺寸限制。
当轴径变化仅仅是为了装配方便或区分加工表面、并不承受轴向力,也不对轴上零件起定位和固定作用时,则相邻直径的变化差较小。
与滚动轴承相配的轴径直径符合滚动轴承内圈孔径。
与密封件相配的轴径应符合密封件标准的要求。
与其他零件轴孔相配的轴头直径应为标准直径。
各轴端直径有的有彼此密切关系和制约。
阶梯轴的轴向尺寸根据轴上零件的位置、配合长度、轴身距离以及便于装拆等情况确定。
轴的设计除结构合理外,还要考虑其回转工作台的重载荷能否将重力逐级传递到底座上,所以轴采用阶梯设计的方案:
回转台与底座之间,是相对旋转的所以采用推力球轴承,且该轴承还可以将一部分载荷传递到底座上;为进一步分散载荷,在推力球轴承的下方加一较宽的轴肩,轴肩与大的推力球轴承之间相对旋转,所以它们之间存在间隙;同理,轴肩与底座之间也是相对旋转的,所以再次使用推力球轴承,轴径相对减小,并可以起到分散载荷的功效;接下来的轴与底座之间的相对旋转可以通过深沟球轴承来解决,轴径已经相对减小,不必分散载荷,直接由底端的密封盖承担即可;深沟球轴承根据轴径进行选择,成对安装,一对之间加套筒固定位置;最后,根据轴承和轴,选择恰当型号的密封盖,加以密封即可。
轴的结构工艺要求主要是指轴的结构应便于加工、装配、拆卸、检测和维修。
为便于选用刀具和量具,各配合处直径如前所述应圆整为标准值。
对磨削加工的轴表面,应留出砂轮越程槽。
为便于装配,轴端应制成倒角;对过盈配合表面的压入端,有柱体引导结构。
为减少应力集中,轴径过渡处应制有圆角;对配合表面处,为保证零件端面紧靠轴肩定位面,其圆角半径r小于轴上零件轮毂处的圆角半径R或倒角深度c。
倒角和圆角尽可能一致,以便减少刀具数目和加工时的换刀次数。
不同配合性质、加工精度和粗糙度的轴表面应予以区分。
采用阶梯轴结构区分表面,必要时采用名义轴径相同、但轴径偏差不同来区分表面。
为减少应力集中源和便于加工,部分设计光轴。
关于轴与零件的配合、轴的形位公差、轴的表面粗糙度在附件轴的零件图中有详细阐述。
5.1.2轴上零件的固定
(1)周向固定
为传递运动和转矩,轴上零件应与轴作周向固定。
我主要采用的是键连接。
结构简单,对中性好,可同时起周向和轴向固定作用;选择不同的配合可有不同的承载能力。
对于中等以下过盈量的配合与平键连接同时采用,以承受大的变载、振动和冲击载荷。
为便于装配,导入端加工成锥面或柱体引导结构;轴头和毂孔的压入端制倒角,键槽半圆头伸入倒角。
(2)轴向固定
为防止零件在机器运转时产生轴向移动,零件在轴线方向需要固定。
采用的有:
轴肩:
结构简单,定位可靠,可承受较大轴向力;与滚动轴承相配合处有适当倒角。
套筒:
结构简单,可简化轴的结构,减轻轴的削弱;修磨套筒长度,可保证装配尺寸要求。
轴用弹性挡圈:
结构简单紧凑,用于滚动轴承的轴向固定,但只能承受很小的轴向力,且切槽尺寸需一定精度。
轴端挡圈:
用于固定轴端的零件。
5.1.3轴的支承
(1)轴系的轴向固定
为使轴和轴上零件在机器中有正确的位置,防止轴系轴向窜动和正常传递轴向力,轴系应予以轴向固定。
轴系采用的固定方式,是根据具体情况通过选择轴承的内圈与轴、外圈与轴承座孔的固定方式来实现的。
轴承内外圈的周向固定主要由配合来保证,轴承内圈和轴的轴向固定,其原则及方法于安于一般轴系零件的轴向固定基本相同,外圈与轴承座孔的轴向固定形式主要是利用轴承盖、孔用弹性挡圈以及轴承座孔的凸肩。
具体选择要考虑轴向载荷的大小、方向、转速高低、轴承的类型、支承的固定形式等情况。
(2)滚动轴承组合的调整
轴承游隙对工作温升、噪声、轴承寿命和旋转精度等均有很大影响,应根据工作要求和使用条件选择适当的游隙量。
深沟球轴承属不可调式轴承,这类轴承在制造时已按不同游隙组级留有规定范围的径向游隙,安装时不再调整游隙,选用合理游隙组级。
推力球轴承属可调式轴承,这类轴承的径向游隙在安装时通过调整轴向游隙而得。
(3)滚动轴承的配合和装拆
①滚动轴承的配合
滚动轴承的内圈与轴径、外圈与座孔均需合适的配合,它将影响轴承的轴向和径向固定,轴承游隙和旋转精度等。
滚动轴承是标准件,轴承内孔与轴颈的配合取基孔制,外圈与座孔的配合取基轴制。
配合的松紧根据载荷的大小与性质、转速高低、转速精度以及使用条件等来选择。
转动的套圈采用有过盈的配合。
②滚动轴承的装拆
装拆时不允许通过滚动体来传递装拆压力,以免损伤轴承。
为便于拆卸,应留有足够的拆卸高度和空间。
(4)保证支承的刚度和同轴度
轴和安装轴承的机座以及轴系组合中的受力零件必须具有足够的刚度,否则会因为这些零件的变形,阻滞滚动体的滚动、缩短轴承寿命,影响轴承旋转和轴承工作,为此支承点应布局合理。
同一轴上的各轴承座孔需保证必要的同轴度,否则轴安装后会产生较大的变形,同样会影响轴承正常运转与寿命。
为此,采用整体铸造的机架,并使轴承座孔直径相同,以便于一次装夹镗出同一轴线上的各轴承孔,减少同轴度误差。
因为,同一根轴上有不同外径的轴承,所以在直径小的轴承处加套筒,使各轴承座孔仍可一次镗出。
5.3旋转平台的设计
(图5.3)
工作台旋转的动力来自于减速电机,通过联轴器与轴相连接,轴旋转带动回转工作台旋转(键槽连接)。
工作台的旋转,与固定的外壳之间加推力球轴承。
联轴器用来把两轴连接在一起,机器运转时两轴不能分离;只有在机器停车并将连接拆开后,两轴才能分离。
联轴器所连接的两轴,由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度的变化影响等,往往不能保证严格的对中,而是存在着某种程度的相对位移。
这就要求设计联轴器时,要从结构上采取各种不同的措施,使之具有适应一定范围的相对位移的性能。
5.4外壳的设计:
(图5.4)
设计说明:
底座毛坯采用直径>ф160mm的热轧圆钢,车削外圆得到>ф158mm的圆柱体,然后镗孔。
底座镗孔加工成阶梯状,用来分层次承受载荷。
并且分别用来固定推力球轴承、轴和深沟球轴承。
推力球轴承这能承受轴向载荷;高速时离心力大,钢球与保持架磨损,发热严重,寿命降低,故极限转速很低为了防止钢球和轨道之间的滑动,工作时必须加有一定的载荷。
轴线必须与轴承座地面垂直,载荷必须与轴线重合,以保证钢球载荷的均匀分配。
深沟球轴承主要承受径向载荷,也可同时承受小的轴向载荷。
当量摩擦系数最小。
在高转速时,可用来承受纯轴向载荷。
工作中允许内、外圈轴线偏斜量≤8°—16°,大量生产,价格最低。
5.5立杆的设计:
(图5.5)
如图5.5,立杆的上端采用直径为10mm的铁柱,底盘厚度为5mm的圆形固定铁盘;使用四个螺栓使其与底座固定在一起。
上端铁柱周面的轮廓算术平均偏差值要求为:
Ra=1.6,这样便于悬臂的上下移动。
底座应充分固定,以避免其松动造成悬臂倾斜产生误差,故此,底座的螺栓应采取过盈配合(孔的公差带在轴的公差带之下)
5.6悬臂的设计:
(图5.6)
如图5.6,悬臂的通过一个螺栓使其与立杆固定,调节螺栓的松紧程度可自由选择悬臂的高度;悬臂的固定端内孔壁要求其轮廓算术平均偏差为Ra=1.6,这样便于其在立杆铁柱上上下移动。
悬臂底端的平板面要求其轮廓算术平均偏差为Ra=08,这是为了减小其与被测试件侧面的摩擦力,减小测量误差。
5.7垫片的设计:
(图5.7)
垫片通过螺栓与套筒链接,它的作用是固定深沟球轴承。
5.5润滑和密封
摩擦系数测试台在工作时需要良好的润滑和密封。
5.5.1润滑
根据摩擦系数的实际设计要求,该测试台的轴承在工作时需要良好的润滑。
箱体的设计不能采用油润滑的形式(飞溅润滑、刮板润滑和浸油润滑),所以采用润滑脂润滑。
润滑脂可以将滑动表面完全分开,但其属于半固体润滑剂,流动性极差,无冷却效果。
润滑脂在装配时填入轴承室,其填装量不超过轴承室空间的1/3~1/2,以后每年添加1~2次。
添置时可拆去轴承盖,也可采用旋盖式油杯或采用压力脂枪从压注油杯向轴承室注入润滑脂。
5.5.2密封
摩擦系数测试台需要密封的部位有轴伸出处、轴承室内侧、轴端和轴承盖等处。
(1)轴伸出处的密封
①毡圈式密封:
利用毛毡圈嵌入梯形槽中所产生的对轴的压紧作用,获得防止润滑油漏出和外界杂质、灰尘等侵入轴承室的密封效果。
这种方法简单、价廉,但对轴颈接触面的摩擦较严重,主要用于脂润滑以及密封轴颈圆周速度较低的油润滑。
②间隙式密封:
利用圆形间隙或沟槽填满润滑脂获得密封。
其密封性能主要取决于间隙大小。
这种方法结构简单、轴颈圆周速度一般并无特定限制,但密封不够可靠,适用于脂润滑、油润滑且工作环境清洁的轴承。
根据实际运行环境比较两种方法,最终决定采用方法②。
(2)轴承室内侧的密封
①封油环:
脂润滑常用的密封装置,使轴承室与箱体内部隔开,防止油脂漏进箱内。
②挡油环:
油润滑常用的密封装置。
通过两种方法的比较,最终决定采用方法①。
(3)轴端的密封
在轴端与回转工作台的接合面间加皮封油圈。
(4)轴承盖处的密封
轴承端盖与箱体的接合面间需加纸封油垫或皮封油圈。
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