專利名稱：階梯軸過(guò)渡曲線設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬軸類零件的設(shè)計(jì)方法。
工業(yè)上各種機(jī)械設(shè)備，特別是回轉(zhuǎn)系統(tǒng)都離不開(kāi)軸系，通常為帶凸肩的階梯軸。這種軸系在不同的直徑連接處，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用園弧曲線過(guò)渡，以減小應(yīng)力集中。核電站、發(fā)電廠、大型礦山開(kāi)采設(shè)備、石油化工設(shè)備、海上采油、鉆井設(shè)備、交通運(yùn)輸以及宇航設(shè)備中，關(guān)鍵的軸類零件，危險(xiǎn)部位大都在過(guò)渡曲線處，由于應(yīng)力集中引起破壞。設(shè)計(jì)師采用不同設(shè)計(jì)方案、工藝技術(shù)來(lái)降低應(yīng)力集中。近年來(lái)，對(duì)重要回轉(zhuǎn)，振動(dòng)設(shè)備中的軸類過(guò)渡曲線，開(kāi)始采用雙曲率園弧曲線來(lái)代替曲率園角。例如美國(guó)WABCO公司研制的電動(dòng)輪自卸車，前軸設(shè)計(jì)其過(guò)渡園角由ρ1＝51mm，ρ2＝13mm的雙曲率曲線構(gòu)成，見(jiàn)

圖1。以減小危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中。但這種軸系過(guò)渡曲線設(shè)計(jì)仍屬于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。通常應(yīng)力集中系數(shù)為1.4～1.6左右。
本發(fā)明的目的是為了有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)，提供一種新的設(shè)計(jì)方法，找出階梯軸過(guò)渡曲線的最佳設(shè)計(jì)線型，減小應(yīng)力集中，提高零件壽命。從而節(jié)省材料，提高經(jīng)濟(jì)效益。
在本發(fā)明中，為實(shí)現(xiàn)上述目的提出了一種新的階梯軸過(guò)渡曲線的設(shè)計(jì)方法。過(guò)渡曲線采用流線型線型線取代單半徑園弧的園角或雙曲率園弧曲線，見(jiàn)圖2。流線型線型線的方程是
其中
a-切點(diǎn)坐標(biāo);v-計(jì)算參數(shù)(流速)，取值區(qū)間(0～5);
x、r分別為軸的軸向，徑向半徑。
采用上述方法可使應(yīng)力集中系數(shù)由1.4～1.6降低為1.10～1.05左右，應(yīng)力集中系數(shù)降低了20～30%，相應(yīng)地提高零件疲勞壽命數(shù)倍。按疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)考慮，由于工作應(yīng)力的降低，采用本方案設(shè)計(jì)的零件軸徑僅為原始設(shè)計(jì)方案軸徑的58.4%在同樣承載條件下，每根軸可節(jié)省材料高達(dá)60%左右。可以予見(jiàn)采用該發(fā)明設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)階梯軸，節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
繪制流線型線型線可采用傳統(tǒng)制圖設(shè)計(jì)、或者計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖?？墒褂脴影宓毒呒庸?、滾壓加工或者數(shù)控機(jī)床加工。
附圖1為美國(guó)WABCO公司設(shè)計(jì)的雙曲率階梯軸;附圖2為流線型線型線階梯軸。
以154噸電動(dòng)輪自卸車為例，該車是大型露天礦開(kāi)采設(shè)備，其前軸的危險(xiǎn)部位是階梯軸過(guò)渡曲線區(qū)，而軸的疲勞壽命決定于園角處的應(yīng)力集中大小，美國(guó)設(shè)計(jì)的雙曲率園弧曲線階梯軸應(yīng)力集中系數(shù)為1.41。本發(fā)明的流線型線設(shè)計(jì)應(yīng)力集中系數(shù)為1.05，應(yīng)力集中系數(shù)降低了25.7%，零件壽命可提高10余倍。這種設(shè)計(jì)方法適用于各種階梯軸類零件過(guò)渡曲線的設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
階梯軸過(guò)度曲線的設(shè)計(jì)方法，其特征是過(guò)渡曲線采用流線型線型線，其方程為
其中a一切點(diǎn)坐標(biāo)；v-計(jì)算參數(shù)(流速)，取值區(qū)間為(0-5)；x、r-軸的軸向、徑向坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新的階梯軸過(guò)渡曲線的設(shè)計(jì)方法，用流線型線型線取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)渡圓角或雙曲率圓弧曲線，從而有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)，減小應(yīng)力集中，提高零件的壽命。節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)效益高，這種方法適用于各種階梯軸類零件的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)F16C3/06GK1053478SQ9010032
公開(kāi)日1991年7月31日 申請(qǐng)日期1990年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1990年1月17日
發(fā)明者于長(zhǎng)吉, 于學(xué)兵, 張有河, 于凡 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)