浅析车床转动轴的几何精度设计

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1、浅析车床转动轴的几何精度设计　　摘要本文结合实际对车床传动轴的几何精度设计进行探讨。传动轴的设计要想优化，可以从多种途径入手，比如：取代钢材料，使用碳纤维复合材料。在进行碳纤维复合材料车床传动轴设计时，需要将铺层层数和厚度进行确定，本文设计了6个方案，通过计算得出最优方案。此外，进行分析和模拟，最终得出碳纤维传动轴符合要求。　　关键词车床；传动轴；碳纤维复合材料；精度设计　　一、传动轴的用途　　传动轴的作用是传送动力，因此被广泛的应用在各种各样的机器以及传动系统中。在传动过程中，传动轴会因为力的作用受到挤压和冲击，因此会出现扭转和磨损的情

2、况。在设计传动轴时就需要考虑这些情况，保证其有很强的硬度、刚度和韧度。只有这样，才能适应工作。5　　传动轴两边焊接的花键轴和万向节共同组成了传动轴。为了让彻底的长度发生变化，因此需要在传动轴中配置滑动叉以及花键轴。如果需要降低阻力和磨损的情况，就需要对花键齿进行一些处理，比如：磷化处理或者是在其上面喷上一层尼龙。此外，还可以在槽中放入一些滚动元件，比如：滚针、滚柱或者是滚珠。这样，就可以用滚动摩擦代替滑动摩擦，传动的效率也会大大增强。但是，这些方法往往比较复杂和麻烦，投入的资金也比较多。当遇到具有严重载荷的传动时，可以使用弹性较强的传动轴

3、。对于传动轴的花键要进行润滑，同时也要注意防尘。注意，花键齿和键槽之间的空虚不能太大。　　二、碳纤维的传动轴设计　　车床的传动轴一般的构成材料是钢材，对于中小型的车床来说，可以良好的运行。但是，对于大型的车床来说，其质量就比较大，因此对传动轴的加工、装配、调整来说就比较困难。并且，在运作的过程中会产生较大的振动，这样加工的精度就会受到影响，资源也容易浪费，投入的成本也就相应增加。因此，未来车床传动轴的设计会向新材料方向发展。这些材料一般强度会比较高，质量比较轻。而碳纤维则比较符合这一要求，其密度比较小、强度大、易维修、节省能源，同时可以有

4、效的进行阻尼振动。目前，碳纤维在传动轴中的使用越来越广泛，可以说它给传动轴的设计带来了全新的契机。　　1.碳纤维传动轴的设计方案　　碳纤维传动轴在设计需要根据车床的使用要求，这些要求可以在表1中看到。树脂材料是复合材料的机体，而热固性树脂和热塑性树脂是树脂材料的基本组成。热固性树脂也分为很多种，比如：环氧树脂、聚酯树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂也分为聚砜、聚醚砜等种类。一般来说，环氧树脂比较常用，这和其耐高温、年复兴强、很强的耐辐射性有很大的关系。因此，本文以环氧树脂作为复合材料的基体，传动轴的制作材料则是择T300/5208碳纤维/环氧

5、，其工程弹性参数可以在表1中看到。5　　我们可以将传动轴进行简化，即将一端固定另一端承受扭矩的圆管，在进行简化时需要参考边界条件、承受载荷的形式以及几何形状等。碳纤维复合材料在比模量和比刚度方面比较高，因此要控制好铺层的厚度，并不是越厚越好。如果将投资成本和承扭能力同时考虑到内，则需要使用20层碳纤维复合材料。每一层的厚度是0.3mm，因此总厚度就是6mm。　　2.碳纤维传动轴性能分析　　在进行碳纤维传动轴的设计时需要使用分析软件ANSYS12.0。参考薄壳的概念，我们将碳纤维复合材料传动轴进行简化，简化的结果是薄壳结构。使用薄壳结构可以

6、方便建立模型。　　在进行模型网格划分时，需要使用SHELL181单元来对层合结构进行模拟。自由网格划分是划分时采用的主要方法，同时注意尺寸的精度要高。　　根据前人的研究成果，同时遵循一般的铺层原则，因此在设计中会选用10°、45°、88°这3个角度。对以前的45°的铺层方案进行优化，因此需要6套铺层方案。这6套方案就在此不再赘述，其中第6套方案最佳，即102/45/882/45/102/45/882/45/102/45/882/45/102。经过计算，碳纤维复合材料的抗扭截面系数为：0.000439立方米。单位长度的扭转角是：0.0167

7、04rad/m。　　蔡一吴失效指数为0.001876，因此此材料没有失效。　　3.碳纤维传动轴的固有频率和振型的探究　　结构的固有频率和振型是进行设计时的重要参数。通过处理，可以获得前4阶的模态振型。前4阶的固有频率分别是：f1=133.36Hz，f2=133.48Hz，f3=323.23Hz，F4=323.68Hz。要求的最大转速为2500r/min，而得到的一阶临界转速是为nk1=60f1=8001.6r/min。因此，传动轴可以稳定、安全的运行。　　4.其他设计方法5　　要想让传动轴得到精细化的设计，可以使用MATLAB工具箱，其分

8、为3个步骤：（1）根据问题，构建数学模型。对变量进行确定，同时列出约束条件和目标函数。（2）对模型进行研究分析，择取最佳求解的方法。（3）以最佳求解方法为依据，做出优化函数，最后得出最优解。