機(jī)械設(shè)計-軸-1489課件

1、機(jī)械設(shè)計-軸機(jī)械設(shè)計-軸軸按其軸線的形狀分為：直軸、曲軸、撓性軸.本章只研究直軸類型軸按其軸線的形狀分為：類型直軸直軸直軸直軸曲軸曲軸撓性軸撓性軸14.1.1 直軸的分類按照承受載荷的情況，直軸分：1、轉(zhuǎn)軸：工作時既承受彎矩又傳遞轉(zhuǎn)矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸。2、心軸：用來支撐轉(zhuǎn)動零件且只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸稱為心軸。又分：1)轉(zhuǎn)動心軸、2)固定心軸。3、傳動軸：只傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩或承受彎矩很小的軸稱為傳動軸。14.1.1 直軸的分類按照承受載荷的情況，直軸分：轉(zhuǎn)軸齒輪減速器中的軸轉(zhuǎn)軸齒輪減速器中的軸心軸轉(zhuǎn)動心軸鐵路車輛的軸心軸轉(zhuǎn)動心軸鐵路車輛的軸固定心軸自行車前軸固定心軸自行車前軸傳動軸汽車傳動

2、軸傳動軸汽車傳動軸14.2 軸的材料主要采用 1、碳素鋼:特點：價格便宜；彈性模量E碳=E合金；對應(yīng)力集中不太敏感。 例：35#；45#（最常用）；50#。不重要的或受力較小的軸及 一般傳動軸可使用Q235 Q275或普通碳素鋼A3；A5。熱處理方法：調(diào)質(zhì)或正火處理。2 、合金鋼:特點：機(jī)械性能高；淬火性能高；對應(yīng)力集中敏感。 例：常用的合金鋼有 12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr 和38SiMnMo等。熱處理方法：調(diào)質(zhì)和淬火用途：要求減輕重量或提高耐磨性或高溫或低溫下工作的軸。無特殊要求時一般采用碳鋼。 14.2 軸的材料主要采用3 、鑄鐵：特點：高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵有良好的

3、工藝性，并具有價廉、吸振性和耐磨性好以及對應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點。 用途：適用于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的軸（如曲軸、凸輪軸等）。軸的常用材料及其主要力學(xué)性能見表14-1.4、軸的毛坯選擇當(dāng)軸的直徑較小而又不太重要時，可采用軋制圓鋼；重要的軸應(yīng)當(dāng)采用鍛造坯件；對于大型的低速軸，也可采用鑄件。3 、鑄鐵：14.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計傳動零件必須被支承起來才能工作。軸就是用來支承傳動零件的。軸本身也必須被支承起來，軸上被支承的部分稱為軸頸，支承軸頸的支座稱為軸承。輪轂與軸之間的聯(lián)接稱為軸轂聯(lián)接，常用的有鍵聯(lián)接和花鍵聯(lián)接，還有銷聯(lián)接、過盈配合聯(lián)接等，這些聯(lián)接均屬于可拆聯(lián)接。14.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計傳動零件必須被支承

4、起來才能工作。軸就 軸的結(jié)構(gòu)和形狀取決于下面幾個因素：（1）軸的毛坯種類：（2）軸上作用力的大小及其分布情況；（3）軸上零件的位置、配合性質(zhì)及其聯(lián)接、固定的方法；（4）軸承的類型、尺寸和位置；（5）軸的加工方法、裝配方法以及其他特殊要求?？梢?，影響軸的結(jié)構(gòu)與尺寸的因素很多，設(shè)計軸時要全面綜合地考慮各種因素。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指使軸的各部分具有合理的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的設(shè)計。一般在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時的已知條件有：機(jī)器的裝配簡圖，軸的轉(zhuǎn)速，軸傳遞的功率，軸上零件的主要參數(shù)和尺寸等。 軸的結(jié)構(gòu)和形狀取決于下面幾個因素：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求是：1、滿足使用要求：、準(zhǔn)確定位；軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置

5、； 、固定要求：各零件要牢固、可靠地相對固定(周向固定，軸向固定)； c、 尺寸合理性要求：軸各部分的直徑和長度尺寸要合理。 2、良好的結(jié)構(gòu)工藝性：、加工工藝性：所設(shè)計的軸便于加工； 、裝配工藝性：軸上零件便于裝拆 ；3、提高軸的疲勞強(qiáng)度：、改善受力狀況，減少應(yīng)力集中；、改善軸的表面狀態(tài)。以減速器的高速軸為例說明軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求是：以減速器的高速軸為例說明減速器高速軸結(jié)構(gòu)圖減速器高速軸結(jié)構(gòu)圖機(jī)械設(shè)計-軸_1489課件14.3.1 滿足使用要求為實現(xiàn)軸的功能，必須保證軸上零件有準(zhǔn)確的工作位置，要求軸上零件沿圓周方向和軸向固定。 1 、周向固定鍵聯(lián)接花鍵聯(lián)接成形聯(lián)接彈性環(huán)聯(lián)接銷聯(lián)接過盈配合聯(lián)

6、接14.3.1 滿足使用要求為實現(xiàn)軸的功能，必須保證軸、軸向固定方法對于標(biāo)準(zhǔn)件的定位尺寸要查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)。（如滾動軸承、聯(lián)軸器等） 、軸向固定方法對于標(biāo)準(zhǔn)件的定位尺寸要查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)。（）軸肩（）軸肩(2) 套筒固定(3) 圓螺母固定(2) 套筒固定(3) 圓螺母固定(4) 軸端擋圈(5) 彈性擋圈(4) 軸端擋圈(5) 彈性擋圈(6) 緊定螺釘(6) 緊定螺釘（7）錐面裝拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、沖擊及對中性要求高的場合。只用于軸端。常與軸端擋圈聯(lián)合使用，實現(xiàn)零件的雙向固定。 （7）錐面裝拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、沖擊及對14.3.2 良好的結(jié)構(gòu)工藝性退刀槽越程槽

7、1、加工工藝性：設(shè)計軸的過程中要考慮軸的加工過程和工作要求；1)砂輪越程槽：便于安裝軸承處的磨削加工，以改善粗糙度；2)螺紋退刀槽：用于加工螺紋時有足夠的退刀空間；3)軸兩端要有中心孔；4)為便于軸的加工，同一軸上有多個鍵槽時，各鍵槽應(yīng)設(shè)計在同一圓柱母線上，且盡量選用同一截面尺寸的鍵。14.3.2 良好的結(jié)構(gòu)工藝性退刀槽越程槽1、加工工藝性2、裝配工藝性：、常將軸設(shè)計成階梯形階梯軸。將軸設(shè)計成怎樣的階梯形，要看軸上零件的裝、拆順序。 、軸端倒角；為便于軸上零件裝、拆，在設(shè)計軸時要考慮加工倒角：450；360；600或采用過盈配合甚至導(dǎo)錐面。2、裝配工藝性：14.3.3 提高軸的疲勞強(qiáng)度1、減小

8、應(yīng)力集中 零件截面發(fā)生突變的地方都會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。防止措施有: a 軸徑變化處有過渡圓角； b 相鄰兩軸徑相差不能太大，一般相差 5 10mm ； c 采用軸肩過渡和內(nèi)凹圓角結(jié)構(gòu)； d 避免在軸上開橫孔，切口或凹槽； e 采用卸載槽。14.3.3 提高軸的疲勞強(qiáng)度1、減小應(yīng)力集中過渡肩環(huán)軸肩過渡和內(nèi)凹圓角結(jié)構(gòu)內(nèi)凹圓角過渡肩環(huán)軸肩過渡和內(nèi)凹圓角結(jié)構(gòu)內(nèi)凹圓角配合軸段上的卸載槽輪轂上的卸載槽配合軸段上的卸載槽輪轂上的卸載槽2、改善軸的受力狀況合理布置軸上的零件可以改善軸的受力狀況。起重機(jī)卷筒中，大齒輪和卷筒應(yīng)聯(lián)成一體；當(dāng)動力從兩輪輸出時，應(yīng)將輸入輪布置在中間。2、改善軸的受力狀況合理布置軸上的零

9、件可以改善軸的受力狀況。合理布置軸上的零件可以改善軸的受力狀況。例如，下圖所示為起重機(jī)卷筒的兩種布置方案，圖a的結(jié)構(gòu)中，大齒輪和卷筒聯(lián)成一體，轉(zhuǎn)矩經(jīng)大齒輪直接傳給卷筒，故卷筒軸只受彎矩而不傳遞扭矩，在起重同樣載荷W時，軸的直徑可小于圖b的結(jié)構(gòu)。合理布置軸上的零件可以改善軸的受力狀況。例如，下圖所示為起重再如，當(dāng)動力從兩輪輸出時，為了減小軸上載荷，應(yīng)將輸入輪布置在中間，如右圖a所示，這時軸的最大轉(zhuǎn)矩為T1；而在圖b的布置中，軸的最大轉(zhuǎn)矩為T1十T2。再如，當(dāng)動力從兩輪輸出時，為了減小軸上載荷，應(yīng)將輸入輪布置在14.3.4 各軸段直徑和長度的確定 1、各段直徑與滾動軸承配合的軸頸的直徑必須符合滾動

10、軸承內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)系列軸上車制螺紋部分的直徑必須符合外螺紋大徑的標(biāo)準(zhǔn)系列安裝聯(lián)軸器的軸段直徑必須與聯(lián)軸器的內(nèi)孔直徑范圍相適應(yīng)與非標(biāo)準(zhǔn)件（如齒輪、帶輪等）相配合的軸段直徑應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)系列14.3.4 各軸段直徑和長度的確定 1、各段直徑2、軸的各段長度軸的各段長度主要取決于軸上零件或軸承的寬度和它們之間的相互配合關(guān)系。此外，還要根據(jù)下面的具體情況來確定軸的各段長度。 裝有緊固件（如螺母等）的軸段，長度應(yīng)保證緊固件有一定的軸向調(diào)整余地。 軸上的旋轉(zhuǎn)零件與其它旋轉(zhuǎn)零件、緊固件（如箱體、支架等）之間應(yīng)留有適當(dāng)?shù)木嚯x，以免旋轉(zhuǎn)時相互碰撞。 2、軸的各段長度14.4 軸的強(qiáng)度計算設(shè)計要求和設(shè)計步驟:合理的結(jié)構(gòu)和

11、足夠的強(qiáng)度是軸的設(shè)計必須滿足的基本要求。軸的設(shè)計步驟：1）選材2）估算軸的直徑3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計4）軸的強(qiáng)度校核5）必要時作剛度和穩(wěn)定性校核14.4 軸的強(qiáng)度計算設(shè)計要求和設(shè)計步驟:軸的強(qiáng)度計算主要有三種方法：、按許用扭切應(yīng)力（扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度）計算；、按許用彎曲應(yīng)力（彎扭合成強(qiáng)度）計算；、按安全系數(shù)校核計算。 軸的強(qiáng)度計算主要有三種方法：14.4.1 軸的強(qiáng)度計算一、按許用扭切應(yīng)力（扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度）計算 用于只承受轉(zhuǎn)矩的軸的精確計算，或既受彎矩又受扭矩的軸的近似計算。1、對于只傳遞轉(zhuǎn)矩的圓截面軸，其強(qiáng)度條件為：（WT=d3/160.2d3)14.4.1 軸的強(qiáng)度計算一、按許用扭切應(yīng)力（扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度）2、對于既傳

12、遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的軸，把軸的許用扭切應(yīng)力適當(dāng)降低后，初步估算軸徑的設(shè)計公式：和C值見表14-2.有鍵槽時，軸徑應(yīng)增加：單鍵增大3%，雙鍵增大7% 。2、對于既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的軸，把軸的許用扭切應(yīng)力適當(dāng)降低3、采用經(jīng)驗公式估算軸的直徑在一般減速器中，高速軸的直徑:d=(0.81.2)D；低速軸的直徑:d=(0.30.4)a；D電動機(jī)軸的直徑；a同級齒輪傳動的中心距。3、采用經(jīng)驗公式估算軸的直徑二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計算危險截面上的當(dāng)量彎矩：強(qiáng)度條件：其中，W=d3/320.1d3，軸的許用彎曲應(yīng)力見表14-3二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計算危險截面上的當(dāng)量彎矩：其中，W=上式中，Me-當(dāng)量彎矩；-

13、折合系數(shù)；其中，對不變的轉(zhuǎn)矩， =0.3; 轉(zhuǎn)矩脈動變化時， =0.6； 對于頻繁正反轉(zhuǎn)的軸， =1； 若轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律不清楚，則按脈動變化處理。上式中，按彎扭合成強(qiáng)度計算軸徑的一般步驟如下：（1）畫出軸的空間受力簡圖（2）將外載荷分解到水平面和垂直面內(nèi)。（3）作垂直面彎矩MV圖和水平面彎矩MH圖；（4）作合成彎矩M圖：（5）作轉(zhuǎn)矩T圖；（6）彎扭合成，作當(dāng)量彎矩Me圖：（7）計算危險截面的軸徑；當(dāng)軸上有鍵槽時，應(yīng)適當(dāng)增大軸徑：單鍵增大3%，雙鍵增大7%。按彎扭合成強(qiáng)度計算軸徑的一般步驟如下：（1）畫出軸的空間受力三、按許用安全系數(shù)校核軸的疲勞強(qiáng)度該方法是考慮軸上變應(yīng)力的循環(huán)特性、應(yīng)力集中、表面

14、質(zhì)量及尺寸因素等對軸疲勞強(qiáng)度影響的精確校核方法，具體計算方法查閱有關(guān)參考書。三、按許用安全系數(shù)校核軸的疲勞強(qiáng)度該方法是考慮軸上變應(yīng)力的循對2點取矩舉例：計算某減速器輸出軸危險截面的直徑。已知作用在齒輪上的圓周力Ft=17400N, 徑向力， Fr=6410N, 軸向力Fa=2860N,齒輪分度圓直徑d2=146 mm,作用在軸右端帶輪上外力F=4500N（方向未定）, L=193 mm, K=206 mm。L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12解：計算作用在齒輪上的力和帶輪上的力分別對軸產(chǎn)生的彎矩和轉(zhuǎn)矩，然后合成。設(shè)彎矩以逆時針方向為正。1) 求垂直面的支反力和軸向力=Fad2a

15、ad對2點取矩舉例：計算某減速器輸出軸危險截面的直徑。已知作用在MavMavFtF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F3) 求F力在支點產(chǎn)生的反力4) 繪制垂直面的彎矩圖5) 繪制水平面的彎矩圖MavMavFtF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求F力產(chǎn)生的彎矩圖L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F7) 繪制合成彎矩圖考慮F可能與H、V內(nèi)合力共面F力對a-a 截面產(chǎn)生的彎矩為：MaFMaMaMa

16、vMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F6MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F9)求危險截面的當(dāng)量彎矩MaFM2MaT扭切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù): =0.6 MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F8求考慮到鍵槽對軸的削弱，將d值增大3%7%，故得：10)計算危險截面處軸的直徑 選45鋼，調(diào)質(zhì)，b =600 MPa, -1b =55 MPa 符合直徑系列。（ 45鋼，調(diào)質(zhì)的直徑系列為d200mm）求考慮到鍵槽對軸的削弱，將d值增大3%7%，故得

17、：10)計按彎扭合成強(qiáng)度計算軸徑的一般步驟：1. 將外載荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反力FV和水平面支撐反力FH ;2. 作垂直彎矩MV圖和水平彎矩MH圖 ;3. 作合成彎矩M圖；4. 作轉(zhuǎn)矩T圖；5. 彎扭合成，作當(dāng)量彎矩Me圖；6. 計算危險截面軸徑:1. 若危險截面上有鍵槽，則應(yīng)加大3%7%2. 若計算結(jié)果大于結(jié)構(gòu)設(shè)計初步估計的軸徑，則強(qiáng)度不夠，應(yīng)修改結(jié)構(gòu)設(shè)計；3. 若計算結(jié)果小于結(jié)構(gòu)設(shè)計初步估計的軸徑，且相差 不大，一般以結(jié)構(gòu)設(shè)計的軸徑為準(zhǔn)。說明：按彎扭合成強(qiáng)度計算軸徑的一般步驟：1. 將外載荷分解到水平面 對于一般剛性軸，按上述方法設(shè)計即可。對于重要的軸，還必須用安全系數(shù)法作

18、精確的校核計算。 對于一般剛性軸，按上述方法設(shè)計即可。對于重要的軸，還必lFFF”1212-5 軸的剛度設(shè)計解釋何為剛度彎矩 彎曲變形扭矩 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：撓度 y、轉(zhuǎn)角 、扭角 設(shè)計要求： y y yTTllFFF”1212-5 軸的剛度設(shè)計解釋何為剛一、彎曲變形計算 采用材料力學(xué)中的方法計算軸在彎矩作用下的撓度和轉(zhuǎn)角，并對其進(jìn)行限制，以滿足彎曲剛度要求。計算等直徑軸的變形，可采用撓度曲線的近似微分方程式積分求解；計算階梯軸的彎曲變形，可采用變形能法求解。 一、彎曲變形計算 表12-4 軸的許用變形量變形種類許用值適用場合變形種類許用值適用場合(0.00030.0005)l一般用途的軸0.0002l剛度要求較高感應(yīng)電機(jī)軸(0.010.05)mn安裝齒輪的軸0.01 (0.020.05) m安裝蝸輪的軸滾動軸承0.05向心球軸承調(diào)心球軸承圓柱滾子軸承圓錐滾子軸承0.0010.002齒輪處軸截面0.51一般傳動0.20.5較精密傳動重要傳動撓度mm轉(zhuǎn)角rad每米長的扭角( )/ml 支撐間的跨矩 0.25 0.0