第15章軸的設(shè)計(jì)

1、第第15章章 軸軸15-1 概概 述述15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15-3 軸的計(jì)算軸的計(jì)算15-4 軸的設(shè)計(jì)實(shí)例軸的設(shè)計(jì)實(shí)例帶式運(yùn)帶式運(yùn)輸機(jī)輸機(jī)減速器減速器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸15-1 概概 述述 功用：功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩。傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類功用：功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。

2、鏈輪、凸輪等。類類型型轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩。傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后橋后橋傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 功用：功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩前輪輪轂前

3、輪輪轂固定心軸固定心軸火車輪軸火車輪軸車廂重力車廂重力 前叉前叉自行車自行車前輪軸前輪軸支撐反力支撐反力轉(zhuǎn)動(dòng)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 功用：功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：一般情況下，直軸

4、做成實(shí)心軸，需要減重時(shí)做成空心軸功用：功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 曲軸曲軸本章只研究直軸功用：功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞

5、扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 曲軸曲軸撓性鋼絲軸撓性鋼絲軸設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)任務(wù)：選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作能力計(jì)算。選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作能力計(jì)算。二、軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容二、軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)

6、形式和尺寸。 工作能力計(jì)算：工作能力計(jì)算： 軸的承載能力驗(yàn)算指的軸的承載能力驗(yàn)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的驗(yàn)算。定性等方面的驗(yàn)算。 軸的設(shè)計(jì)過程：軸的設(shè)計(jì)過程：N 選擇材料選擇材料 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的承載能力驗(yàn)算軸的承載能力驗(yàn)算驗(yàn)算合格驗(yàn)算合格?結(jié)結(jié) 束束Y種種類類碳素鋼：碳素鋼：3535、4545、5050、Q235Q235軸的毛坯軸的毛坯: :一般用圓鋼或鍛件，有時(shí)也用鑄鋼或球墨鑄鐵。圓鋼或鍛件，有時(shí)也用鑄鋼或球墨鑄鐵。三、三、 軸的材料軸的材料 合金鋼合金鋼: 20Cr: 20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40CrNi40CrNi、38

7、CrMoAlA38CrMoAlA等等用途：用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用較碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用較多，尤其是多，尤其是4545鋼應(yīng)用最廣鋼應(yīng)用最廣。合金鋼具有較高的力學(xué)性能，。合金鋼具有較高的力學(xué)性能，但價(jià)格較貴，多用于有但價(jià)格較貴，多用于有特殊要求的軸。特殊要求的軸。如用球墨鑄鐵制造曲軸和凸輪軸，具有成本低廉、吸振性較好、對應(yīng)力集中的敏感較低、強(qiáng)度較好等優(yōu)點(diǎn)。為了改善力學(xué)性能正火或調(diào)質(zhì)處理。正火或調(diào)質(zhì)處理。表表15-1 15-1 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能軸的常用材料及其主要力學(xué)性能 材料及熱處理材料及熱處理毛坯直徑毛坯直徑mm硬度硬度HBSHBS強(qiáng)度極限

8、強(qiáng)度極限b b 屈服極限屈服極限s s MPaMPa彎曲疲勞極限彎曲疲勞極限-1-1應(yīng)用說明應(yīng)用說明Q235Q235440440240240200200用于不重要或載荷不大的軸35 35 正火正火520520270270250250有較好的塑性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，可用于一般曲軸、轉(zhuǎn)軸。100100149149187187 表表15-1 15-1 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能軸的常用材料及其主要力學(xué)性能設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)任務(wù)：使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求： 1.軸應(yīng)便于制造，軸上零件要易于裝拆；軸應(yīng)便于制造，軸上零

9、件要易于裝拆；(制造安裝) 2.軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置；(定位) 3.各零件要牢固而可靠地相對固定；各零件要牢固而可靠地相對固定；(固定) 4.改善應(yīng)力狀況，減小應(yīng)力集中。改善應(yīng)力狀況，減小應(yīng)力集中。軸端擋圈軸端擋圈 帶輪帶輪軸承蓋軸承蓋套筒套筒齒輪齒輪滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承典型典型軸系軸系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一、擬定軸上零件的裝配方案一、擬定軸上零件的裝配方案 裝配方案：裝配方案：確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互 關(guān)系。關(guān)系。 軸上零件的裝配方案不同，則軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相軸上零件的裝配方案不同，則軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相同。設(shè)計(jì)時(shí)可擬定

10、幾種裝配方案，進(jìn)行分析與選擇。同。設(shè)計(jì)時(shí)可擬定幾種裝配方案，進(jìn)行分析與選擇。 圖示減速器輸出軸就有兩種裝配方案。圖示減速器輸出軸就有兩種裝配方案。sa B c L a圓錐圓柱齒輪圓錐圓柱齒輪二級減速器二級減速器 方案二需要一個(gè)用于軸向定位的長套筒，多了一方案二需要一個(gè)用于軸向定位的長套筒，多了一個(gè)零件，加工工藝復(fù)雜，且質(zhì)量較大，故不如方案一個(gè)零件，加工工藝復(fù)雜，且質(zhì)量較大，故不如方案一合理合理 。二、軸上零件的定位二、軸上零件的定位 4、5間的軸肩使齒輪在軸上定位，1、2間的軸肩使帶輪定位，6、7間的軸肩使右端滾動(dòng)軸承定位。軸肩軸肩-階梯軸上截面變化之處。階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。

11、 軸肩套筒套筒定位方法定位方法：軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。軸向固定軸向固定由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實(shí)現(xiàn)。由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實(shí)現(xiàn)。齒輪受軸向力時(shí)，向右是通過4、5間的軸肩，并由6、7間的軸肩頂在滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈上；向左則通過套筒頂在滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈上。帶輪的軸向固定是靠1、2間的軸肩和軸端當(dāng)圈。雙向固定雙向固定無法采用套筒或套筒太長時(shí)，可采用無法采用套筒或套筒太長時(shí)，可采用雙圓螺母雙圓螺母加以固定。加以固定。軸肩的尺寸要求軸肩的尺寸要求:r C1 或或 r 200 mm mm。 4）按靜強(qiáng)度條件進(jìn)行校核）按靜強(qiáng)度條件進(jìn)行校核 對于瞬時(shí)過

12、載很大，或應(yīng)力循環(huán)的不對稱性較為嚴(yán)重對于瞬時(shí)過載很大，或應(yīng)力循環(huán)的不對稱性較為嚴(yán)重的軸，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行靜強(qiáng)度條件校核。軸的靜強(qiáng)度條件為：的軸，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行靜強(qiáng)度條件校核。軸的靜強(qiáng)度條件為： SSSSSScaSSSSSS22SS=1.21.4-高塑性材料的鋼軸高塑性材料的鋼軸(S /B 0.6)； SS=1.41.8-中等塑性材料的鋼軸中等塑性材料的鋼軸(S /B =0.60.8)； SS=1.82.0-低塑性材料的鋼軸低塑性材料的鋼軸； SS=2.02.3-鑄造軸鑄造軸; ; SS-按屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全系數(shù)；按屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全系數(shù)； SSca-危險(xiǎn)截面靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全系數(shù)；危險(xiǎn)截面靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全系數(shù)

13、； 其中：其中： SS -同時(shí)考慮彎矩和軸向力時(shí)的安全系數(shù)；同時(shí)考慮彎矩和軸向力時(shí)的安全系數(shù)； SS -只考慮扭矩時(shí)的安全系數(shù)：只考慮扭矩時(shí)的安全系數(shù)：WTSSS/maxMmax -軸的危險(xiǎn)截面上所受的最大彎矩；軸的危險(xiǎn)截面上所受的最大彎矩； Tmax -軸的危險(xiǎn)截面上所受的最大扭矩軸的危險(xiǎn)截面上所受的最大扭矩, N.mm, N.mm； Famx -軸的危險(xiǎn)截面上所受的最大軸向力軸的危險(xiǎn)截面上所受的最大軸向力, N, N； A -軸的危險(xiǎn)截面的面積，軸的危險(xiǎn)截面的面積， mmmm2 2； W -軸的危險(xiǎn)截面的抗彎截面系數(shù)，軸的危險(xiǎn)截面的抗彎截面系數(shù)， mmmm3 3； W-軸的危險(xiǎn)截面的抗扭截

14、面系數(shù)，軸的危險(xiǎn)截面的抗扭截面系數(shù)， mmmm3 3。 s -材料材料的抗彎屈服極限；的抗彎屈服極限； s -材料材料的抗扭屈服極限；的抗扭屈服極限； AFaWMSSSmaxmaxlFFF”12彎矩彎矩 彎曲變形彎曲變形扭矩扭矩 扭轉(zhuǎn)變形扭轉(zhuǎn)變形若剛度不夠?qū)е螺S的變形過大，就會影響其正常工作。變形量的描述：變形量的描述：撓度撓度 y、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角 、扭角、扭角 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求： y y 1）彎曲變形計(jì)算）彎曲變形計(jì)算方法有：方法有：1.按微分方程求解按微分方程求解2.變形能法變形能法適用于等直徑軸。適用于等直徑軸。適用于階梯軸。適用于階梯軸。復(fù)習(xí)材料力學(xué)相關(guān)內(nèi)容。y三、三、 軸的剛度校核計(jì)算

15、軸的剛度校核計(jì)算 TTl表表15-4 軸的許用變形量軸的許用變形量變形種類變形種類許用值許用值適用場合適用場合變形種類變形種類許用值許用值適用場合適用場合(0.00030.0005)l一般用途的軸一般用途的軸0.0002l剛度要求較高剛度要求較高感應(yīng)電機(jī)軸感應(yīng)電機(jī)軸( (0.010.05)mn安裝齒輪的軸安裝齒輪的軸0.01 ( (0.020.05) m安裝蝸輪的軸安裝蝸輪的軸滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承0.05向心球軸承向心球軸承調(diào)心球軸承調(diào)心球軸承圓柱滾子軸承圓柱滾子軸承圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承0.0010.002齒輪處軸截面齒輪處軸截面0.51一般傳動(dòng)一般傳動(dòng)0.20.5較精密傳動(dòng)較精密傳動(dòng)重要傳動(dòng)

16、重要傳動(dòng)撓度撓度mm轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角rad每米長每米長的扭角的扭角( )/ml 支撐間的跨矩支撐間的跨矩 0.25 0.0016 電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子 間的間隙間的間隙 mn 齒輪的模數(shù)齒輪的模數(shù) m 蝸輪的模數(shù)蝸輪的模數(shù) 0.0010.050.00252）扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算）扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算raddGTlGITlp432radIlTGnipiii11等直徑軸的扭轉(zhuǎn)角：等直徑軸的扭轉(zhuǎn)角：階梯軸的扭轉(zhuǎn)角：階梯軸的扭轉(zhuǎn)角：其中：其中：T-轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩； Ip-軸截面的極慣性矩軸截面的極慣性矩 l -軸受轉(zhuǎn)矩作用的長度；軸受轉(zhuǎn)矩作用的長度；d -軸徑；軸徑；G-材料的切變模量；材料的切變模量；N21231932

17、1462860對2點(diǎn)取矩1932146286021936410舉例：舉例：計(jì)算某減速器輸出軸危計(jì)算某減速器輸出軸危險(xiǎn)截面的直徑。已知作用在齒險(xiǎn)截面的直徑。已知作用在齒輪上的圓周力輪上的圓周力Ft=17400N, 徑向徑向力，力， Fr=6140N, 軸向力軸向力Fa=2860N,齒輪分度圓直徑齒輪分度圓直徑d2=146 mm,作用在軸右端帶作用在軸右端帶輪上外力輪上外力F=4500N（方向未（方向未定）定）, L=193 mm, K=206 mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：解：1) 求垂直面的支反力和軸向力求垂直面的支反力和軸向力LdFLFFarv2221NFv4287

18、212364101vrvFFF12=FaaAFF d215-4 軸的設(shè)計(jì)實(shí)例軸的設(shè)計(jì)實(shí)例aad12L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadN930348034500MavMavF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力求水平面的支反力NLKFFF48031932064500187002/21tHHFFF3) 求求F力在支點(diǎn)產(chǎn)生的反力力在支點(diǎn)產(chǎn)生的反力FFFFF124) 繪制垂直面的彎矩圖繪制垂直面的彎矩圖2/193. 04287 aVM 2/2LFMVaVmN 4142/193. 02123aVM2/1LFMVaVmN 2055) 繪制水平面的彎矩圖繪制水

19、平面的彎矩圖2/193. 08700 aVM 2/1LFMHaHmN 840FtFMaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求求F力產(chǎn)生的彎矩圖力產(chǎn)生的彎矩圖7) 繪制合成彎矩圖繪制合成彎矩圖考慮F可能與H、V內(nèi)合力共面2284041446322aHaVaFaMMMMmN 1400206. 04500aVMKFMF2mN 927a-a 截面截面F力產(chǎn)生的彎矩為：力產(chǎn)生的彎矩為：2/193. 04803 aVM 2/1LFMFaFmN 463MaF2284020546322)(aHaVaFaMMMMmN 1328MaL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2a

20、adFtFMaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩9)求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩MaF22)( TMMaeM2Ma2/146. 0174002T2/2dFTtmN 1270T扭切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，扭切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)取折合系數(shù): =0.6 22)12706.0(1400TMemN 1600mNMMF92722L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF求考慮到鍵槽對軸的削弱，將求考慮到鍵槽對軸的削弱，將d值增大值增大4%，故得：，故得：mmd6710)計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑計(jì)算危險(xiǎn)截面

21、處軸的直徑 33601 .0101600311.0beMdmN 4.64選選45鋼，調(diào)質(zhì)，鋼，調(diào)質(zhì)，b =650 MPa, -1b =60 MPa 符合直徑系列。符合直徑系列。按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸徑的一般步驟：按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸徑的一般步驟：1. 將外載荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反將外載荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反力力FV和水平面支撐反力和水平面支撐反力FH ;2. 作垂直彎矩作垂直彎矩MV圖和彎矩圖和彎矩MH圖圖 ;3. 作合成彎矩作合成彎矩M圖；圖；4. 作轉(zhuǎn)矩作轉(zhuǎn)矩T圖；圖；5. 彎扭合成，作當(dāng)量彎矩彎扭合成，作當(dāng)量彎矩Me圖；圖；6. 計(jì)算危險(xiǎn)截面軸徑計(jì)算危險(xiǎn)截面軸徑:22)( TMMe22VHMMMmmMdbe31 1 . 01. 若危險(xiǎn)截面上有鍵槽，則應(yīng)加大若危險(xiǎn)截面上有鍵槽，則應(yīng)加大4%2. 若計(jì)算結(jié)果大于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步估計(jì)的軸徑，則強(qiáng)度若計(jì)算結(jié)果大于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步估計(jì)的軸徑，則強(qiáng)度不夠，應(yīng)修改設(shè)計(jì)；不夠，應(yīng)修改設(shè)計(jì)；3. 若計(jì)算結(jié)果小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步估計(jì)的