機械設(shè)計基礎(chǔ)(第14章)

第14章軸§1軸的功用和類型§2軸的材料§3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計§4軸的強度計算基本要求:了解轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸的載荷的特點掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，熟悉軸上零件的軸向和周向定位方法，明確軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題了解軸的三種強度計算方法了解軸的剛度計算方法本章特點：軸的設(shè)計過程是結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度(或剛度)校核計算交替進行，逐步完善的§1軸的功用和類型一.軸的功用:┌支承旋轉(zhuǎn)零件└使所有零件有固定的工作位置(軸向、周向)二.軸的分類:2.按載荷性質(zhì)分類三.軸設(shè)計解決的問題1.按軸線形狀分類直軸(光軸,階梯軸)曲軸圖(14-5)撓性軸圖(14-6)潘存云教授研制－只承受彎矩不傳遞受轉(zhuǎn)矩(固定、轉(zhuǎn)動)－只傳遞轉(zhuǎn)矩不承受彎矩(或彎矩很小)－既承受彎矩又傳遞轉(zhuǎn)矩2.按載荷性質(zhì)分類心軸傳動軸轉(zhuǎn)軸三、軸設(shè)計解決的問題1、結(jié)構(gòu)問題—確定軸的形狀和尺寸2、強度問題—防止軸發(fā)生疲勞斷裂3、剛度問題—防止軸發(fā)生過大的彈性變形4、振動穩(wěn)定性問題—防止軸發(fā)生共振軸的設(shè)計過程：主要是根據(jù)工作要求并考慮制造工藝等因素，選擇合適的材料，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)過強度和剛度計算，定出軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，必要時還要考慮振動穩(wěn)定。§2軸的材料1.鋼┌碳素鋼┌優(yōu)質(zhì)碳素鋼:35、45、50│└普通碳素鋼Q235、Q255、Q275└合金鋼20Cr、20CrMnTi、40Cr、40CrNi、35SiMn、35CrMo注意：①采用合金鋼并不能提高軸的剛度。②設(shè)計合金鋼軸時，機構(gòu)上要避免或減少應(yīng)力集中，要避免表面粗糙度。2.鑄鋼或球墨鑄鐵:QT500-5、QT600-2→曲軸、凸輪軸

成本低，吸振性好，對應(yīng)力集中敏感性低，強度較好?！?軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(一)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容：1.軸的組成軸肩(軸環(huán))：軸的直徑變化所形成的階梯處軸頸軸頭軸身軸頭：軸和旋轉(zhuǎn)零件的配合部分軸頸：軸和軸承配合的部分軸身：連接軸頸與軸頭部分外型、各段直徑和長度、結(jié)構(gòu)尺寸2.軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容①④——軸頭②⑥——軸身③⑦——軸頸⑤——軸環(huán)一.軸應(yīng)便于加工，軸上零件要易于裝拆、調(diào)整（制造安裝要求）二.軸與軸上零件要有準確的工作位置(定位)三.各零件要牢固而可靠地相對固定(固定)四.改善軸的受力狀態(tài)，盡量減少應(yīng)力集中和提高疲勞強度※(二)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求軸的結(jié)構(gòu)越程槽與退刀槽：在軸類零件外圓表面為車削螺紋時方便退出車刀或磨削時方便退出砂輪或砂帶而沿圓周方向開的槽。在機械加工中，越程槽與退刀槽的結(jié)構(gòu)是一樣的，為方便磨削而開的槽一般稱為越程槽，為車削方便而開的槽一般稱為退刀槽。軸與軸上零件要有準確的工作位置軸向定位固定→不能有周向擺動→不能有軸向竄動軸與軸上零件要有準確的工作位置零件在軸上的位置牢固可靠周向定位固定→定位＋固定定位－固定－為了保證軸上零件緊靠定位面，軸肩尺寸必須滿足：錯誤

正確要求軸肩高度<滾動軸承內(nèi)圈高度錯誤

正確當用軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母、軸端擋圈進行零件的軸向定位時，為保證軸向定位可靠，要求L軸<L轂軸端擋圈圓螺母四、零件在軸上的周向定位及固定:鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、過盈配合、銷聯(lián)接、成形聯(lián)接采用鍵連接時，為加工方便，各軸段的鍵槽應(yīng)設(shè)計在同一母線上，并應(yīng)盡可能采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。起重機卷筒的兩種布局，方案a中大齒輪和卷筒連成一體，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。而方案b中軸同時受玩具盒扭矩作用故載荷相同時，方案a結(jié)構(gòu)軸的直徑較小。當軸上有兩處動力輸出時，為了減少軸上轉(zhuǎn)矩。應(yīng)將輸入輪布置在中間。結(jié)構(gòu)示例：結(jié)構(gòu)改錯⑥軸承沒定位⑦軸向定位不確定⑧軸承用錯或裝錯⑨無調(diào)整墊片⑩端蓋端面無凹坑加工量大①無定位軸肩②端蓋無密封③鍵槽太長④無非定位軸肩⑤套筒太高①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩一、軸的強度計算二、軸的剛度計算軸的工作能力主要取決與強度和剛度，高速軸還要校核振動穩(wěn)定性§4軸的強度計算

軸的強度計算應(yīng)根據(jù)軸的承載情況，采用相應(yīng)的計算方法。常用方法有兩種：—軸的扭切應(yīng)力；—轉(zhuǎn)矩；—許用扭切應(yīng)力；—抗扭截面系數(shù)，對圓截面軸；—傳遞的功率；—軸的轉(zhuǎn)速；—軸的直徑；—軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。見表4-2減速器中齒輪軸的受力為典型的彎扭合成。在完成單級減速器草圖設(shè)計后，外載荷和支撐反力的作用位置即可確定。由此可作軸的受力分析及繪制彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖。這時就可按彎扭合成強度計算軸徑。對于一般的剛性軸，可用第三強度理論（即最大切應(yīng)力理論）求出危險截面的當量應(yīng)力?！箯澖孛嫦禂?shù)；—抗扭截面系數(shù)。—危險截面上彎矩M產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；—扭矩T產(chǎn)生的扭切應(yīng)力；代入得：對于一般的轉(zhuǎn)軸，即使載荷大小和方向不變，其彎曲應(yīng)力也為對稱循環(huán)應(yīng)力，而的循環(huán)特性往往與不同，所以應(yīng)對上式中的轉(zhuǎn)矩T乘以折合系數(shù)。綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計之后按彎扭合成強度計算軸徑的一般強度的一般步驟如下：（1）將外載荷分解到水平面和垂直面內(nèi)，求垂直面支反力和水平面支反力；（2）作垂直面彎矩圖和水平面彎矩圖；（3）作合成彎矩M圖，；（4）作轉(zhuǎn)矩T圖；（5）彎扭合成，作當量彎矩Me圖，；（6）計算危險截面軸徑。例題14-1(P.252)1.作計算簡圖2.求作支反力及彎矩圖

FR1H=FR2H=Ft/2=17400/2=8700N∵FR1V×L－Fr×L/2＋Fa·d2/2=0∴FR1V=(Fr·L/2－Fa×d2/2)/L=2123NFR2V=Fr－FR1V=6410－2123=4287NMaH=FR1H·L/2=8700×193/2=840000N·mmFrFtFaFFtFR1HFR2HMaHM’aVMaVMaV=FR2V·L/2=4287×193/2=414000N·mmM′aV=FR1V·L/2=2123×193/2=205000N·mmFaFrFR2VFR1VMaHMHVMV

考慮最不利情況，F(xiàn)與H、V面的合力共面FR1F=F·K/L=4500×206/193=4803NFR2F=FR1F＋F=4803＋4500=9303NMaF=FR1F·L/2=4803×193/2=463000N·mmM2F=F·K=4500×206=927000N·mmFR2FF2FFR1FF面:M’aMaM2M合:M2FMaFM’aVMaVMaHMHMVFMFM合T=Ft·d2/2=17400×146/2=1.27×106Nmm5.求危險截面處軸的直徑：a-aT4.