河海機(jī)械設(shè)計軸

河海機(jī)械設(shè)計軸第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、類型：

1、按承載情況分：

轉(zhuǎn)軸——同時承受扭矩和彎矩

應(yīng)用：應(yīng)用最為廣泛，如減速器和變速箱中的軸第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月心軸——只受彎矩，不受轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動心軸固定心軸應(yīng)用：機(jī)車輪軸應(yīng)用：自行車前輪軸第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月傳動軸——傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩（或彎矩很?。?yīng)用：廣泛應(yīng)用于車輛前后橋之間第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、按軸線形狀分

直軸：階梯軸

光軸曲軸：

鋼絲軟軸

空心軸第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、對軸材料的要求：1)足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性2)應(yīng)力集中的敏感性小3)良好的機(jī)械加工工藝性4)能通過熱處理方式提高疲勞強(qiáng)度5)材料來源和經(jīng)濟(jì)性§14-2軸的材料第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月碳素鋼比合金鋼價廉，應(yīng)力集中的敏感性較低，適用于一般要求的軸。合金鋼的力學(xué)性能和淬火性能好，在傳遞大功率并要求減小尺寸和質(zhì)量、要求高的耐磨性，以及處于高溫、低溫和腐蝕條件下采用。一般工作溫度下（低于200℃），碳素鋼和合金鋼的彈性模量相差不多，因此剛度相差不多。二、軸的材料軸的材料主要是碳素鋼和合金鋼，毛坯多用軋制圓鋼和鍛件高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵用于制造外形復(fù)雜的軸。價廉、良好的吸振性和耐磨性，對應(yīng)力集中的敏感性較低等優(yōu)點，質(zhì)較脆。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月軸的設(shè)計內(nèi)容：一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)軸的功能要求，確定軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方案，合理地確定軸的形狀和尺寸。二、軸的工作能力計算1）強(qiáng)度計算---防止軸的斷裂和塑性變形。2）剛度計算---防止軸過大的彈性變形（對剛度要求高的軸，應(yīng)按剛度條件來設(shè)計軸的尺寸）。3）振動穩(wěn)定性計算---防止軸發(fā)生共振破壞（對高速或載荷作周期變化運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，應(yīng)按臨界轉(zhuǎn)速條件進(jìn)行軸的穩(wěn)定性計算）。第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月同一工作要求的軸，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果具有多樣性§14-3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的要求：1）軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置

2）軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整

3）具有良好的制造和裝配工藝性

4）使軸受力合理

5）有利于節(jié)約原材料和減輕重量；第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月軸頸－軸上被支承的部分軸頭－安裝輪轂的部分軸身－連接軸頸與軸頭的部分軸頸軸頭軸身軸頸和軸頭的直徑應(yīng)按規(guī)范選取圓整尺寸（滾動軸承），并要求較高的加工精度和較低的表面粗糙度。第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月軸的結(jié)構(gòu)工藝性是指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上零件，并且生產(chǎn)率高，成本低。一般地說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。一、軸的結(jié)構(gòu)工藝性1、要磨削加工的軸段，應(yīng)有砂輪越程槽；要切制螺紋的軸段，應(yīng)有退刀槽。第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、為減少裝夾時間，同一軸上不同軸段的鍵槽應(yīng)布置（或投影）在同一母線上。第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3、為了便于裝配并去掉毛刺，軸端應(yīng)制出45°的倒角4、為了減少刀具種類和提高生產(chǎn)率，軸上直徑相近的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應(yīng)盡可能采用相同的尺寸。第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月定位－軸上零件處于正確的工作位置二、零件的軸向定位和固定固定－軸上零件牢固地保持某一位置常用的軸向定位和固定方法：2、套筒4、軸端擋圈6、彈性擋圈3、圓螺母8、錐面1、軸肩或軸環(huán)5、軸承端蓋7、鎖緊擋圈、緊定螺釘或銷第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1）軸肩和軸環(huán)錯誤正確第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：ra＜C＜a,ra＜r＜a。第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2）套筒錯誤正確軸肩高度<滾動軸承內(nèi)圈高度第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3）圓螺母4）軸端擋圈用套筒、圓螺母、軸端擋圈進(jìn)行軸向定位時，要求L軸<L轂第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月6）彈性擋圈

錯誤5）軸承端蓋

第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月7）鎖緊擋圈、緊定螺釘或銷8）圓錐面（+擋圈、螺母）第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、零件的周向定位1）鍵2）花鍵3）緊定螺釘、銷4）過盈配合第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1）合理布置軸上零件，減小軸的載荷。轉(zhuǎn)矩由一個傳動件輸入,幾個傳動件輸出時,為了減小軸上扭矩,應(yīng)將輸入件放在中間,而不要置于一端。四、改善軸的受力情況、提高軸的強(qiáng)度第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2）改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)，減小軸的載荷。圖中b方案(雙聯(lián))均優(yōu)于a方案(分裝)，因為a方案中軸Ⅰ既受彎矩又受扭矩，而b方案中軸Ⅰ只受扭矩。第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3）改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中。軸通常在變應(yīng)力條件下工作，軸的截面尺寸突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中①軸肩采用較大的過渡圓角降低應(yīng)力集中。對定位軸肩，必須保證零件得到可靠的定位。②當(dāng)軸肩定位零件的圓角半徑很小時，為增大軸肩圓角半徑，可采用內(nèi)凹圓角或隔離環(huán)。

第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月③軸與輪轂過盈配合時，開卸載槽或增大配合處直徑。第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月④盤狀銑刀加工的鍵槽比用鍵槽銑刀加工的鍵槽在過渡處對軸的截面削弱較為平緩，應(yīng)力集中較??；⑤漸開線花鍵比矩形花鍵在齒根處的應(yīng)力集中?、耷兄坡菁y處的應(yīng)力集中較大，應(yīng)盡量避免在受載較大的區(qū)段切制。⑦打穿的銷孔比未打穿的銷孔應(yīng)力集中小第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4）改進(jìn)軸的表面質(zhì)量，提高軸的疲勞強(qiáng)度。軸的表面愈粗糙，疲勞強(qiáng)度愈低。應(yīng)合理減小軸的表面及圓角處的加工粗糙度值。對應(yīng)力集中敏感的高強(qiáng)度材料制作軸時，表面質(zhì)量應(yīng)特別注意。表面強(qiáng)化處理可使軸的表層產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，提高軸的抗疲勞能力。表面強(qiáng)化處理的方法有：①表面高頻淬火等熱處理；②表面滲碳、氰化、氮化等化學(xué)處理；③碾壓、噴丸等強(qiáng)化處理。第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月軸系結(jié)構(gòu)改錯四處錯誤正確答案三處錯誤正確答案第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月兩處錯誤1.左側(cè)鍵太長，套筒無法裝入2.多個鍵應(yīng)位于同一母線上第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時保證各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間必要的空隙軸上安裝零件的軸向尺寸又往往與相應(yīng)各段軸徑d有關(guān)。如齒輪、帶輪的輪轂長度可取L=（0.5-2）d為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零件相配合部分的軸段長度一般應(yīng)比輪轂長度短2～3mm。軸段長度的確定：第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月改錯:第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月通常在完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進(jìn)行校核計算，計算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度和剛度要求。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算（傳動軸）§14-4軸的強(qiáng)度計算按彎曲強(qiáng)度計算（心軸）按彎扭合成強(qiáng)度計算（轉(zhuǎn)軸）根據(jù)軸的具體受載和應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法。按安全系數(shù)校核計算（重要的軸）第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑按軸的扭矩初步估算軸的最小直徑dmin

，然后按軸上零件的裝配方案和定位要求，從dmin處起逐一確定各段軸的直徑。軸的直徑確定：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計前，通?？汕蟮幂S的扭矩。但不知道軸上支反力的作用點，不能決定彎矩載荷的大小與分布情況，不能按軸所受的全部載荷及其的應(yīng)力來確定軸的直徑。第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3、圓整有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。安裝標(biāo)準(zhǔn)件(如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等)部位的軸徑，應(yīng)取為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值及配合公差。軸的直徑可憑經(jīng)驗取定，或參考同類機(jī)械用類比的方法確定。用經(jīng)驗公式來估算軸的直徑。如一般減速器，高速輸入軸的直徑可按與之相聯(lián)的電機(jī)軸的直徑D估算：d=（0.8-1.2）D；各級低速軸的軸徑可按同級齒輪中心距a估算：d=（0.3-0.4）a。

2、根據(jù)實踐經(jīng)驗確定軸的直徑第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月對于只承受轉(zhuǎn)矩T(N.mm)的實心圓軸，其強(qiáng)度條件寫成設(shè)計公式，軸的最小直徑上兩式中：WT——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；P——軸傳遞的功率，kW；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；[τ]——許用切應(yīng)力，MPa；C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，可由表查得。對于既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的軸宜取較小的[τ]值。一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月常用幾種軸材料的[τT]值和C值軸的材料Q235、20354540Cr、35SiMn[τT]15~2520~3525~4535~55(MPa)C149~126135~112126~103112~97有一個鍵槽有兩個鍵槽軸徑d＞100mm軸徑增大3%軸徑增大7%軸徑d≤100mm軸徑增大5%～7%軸徑增大10%～15%考慮鍵槽對軸的削弱，可按以下方式修正軸徑第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、按彎曲強(qiáng)度計算對于受純彎矩的心軸，其強(qiáng)度計算公式第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸段直徑各支反力的作用點軸上的彎矩載荷的大小與分布全部載荷及其引起的應(yīng)力軸的危險截面強(qiáng)度校核/直徑計算結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)矩載荷軸段的長度三、按彎扭合成強(qiáng)度條件計算第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月對于鋼制的軸，按第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）求出危險截面的當(dāng)量應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為：式中：第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定不變時，當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動變化時，當(dāng)轉(zhuǎn)矩對稱變化時（軸頻繁正反轉(zhuǎn)），分別為靜應(yīng)力、脈動應(yīng)力、對稱應(yīng)力下軸的許用彎曲應(yīng)力，單位均為MPa,其值見表14-3。

α為考慮彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的折合系數(shù)。通常彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變化，而扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力隨工作情況而變化?？紤]和的循環(huán)特性不同第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月計算步驟如下：2.軸上作用力分解到水平面和垂直面，求出水平面上支反力FH和垂直面上的支反力FV

。4.合成彎矩圖。3.水平面的彎矩MH圖和垂直面的彎矩MV圖。1.軸的受力情況簡化成計算簡圖，即建立力學(xué)模型第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月7.校核危險截面的強(qiáng)度（計算危險截面軸徑）?；?.當(dāng)量彎矩，畫出當(dāng)量彎矩圖。5.轉(zhuǎn)矩T圖。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月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=146mm，作用在軸右端帶輪上的外力F=4500N（方向未定），L=193mm，k=206mm。求減速器輸出軸危險截面的直徑。第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月求垂直面的支反力（圖b)求水平面的支反力（圖c)F力在支點的反力（圖d)垂直面彎矩（圖b)水平面彎矩（圖c)F力產(chǎn)生的彎矩（圖d)合成彎矩（圖e)軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（圖f)危險截面的當(dāng)量彎矩危險截面的直徑將軸的實際受力情況簡化為計算簡圖，建立力學(xué)模型第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月四、軸的安全系數(shù)校核計算1、疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、靜強(qiáng)度校核——校核軸對塑性變形的抵抗能力第48頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§14-5軸的剛度計算一.軸的彎曲剛度校核計算軸的彎曲剛度條件撓度y≤[y]偏轉(zhuǎn)角θ≤[θ]

[y]和[θ]分別為軸的許用撓度及許用偏轉(zhuǎn)角。

軸的彎曲剛度以撓度y和偏轉(zhuǎn)角θ來度量。對于光軸，可用撓度曲線的近似微分方程積分求解。對于階梯軸，可用變形能法求解。第49頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算軸的扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角

來度量1）等直徑軸2）階梯軸式中：T——扭矩，N.mm；G——材料的剪切彈性模量，MPa；Ip——軸截面的極慣性矩；l——階梯軸受扭矩作用的長度，mm；Ti、li、Ipi——分別代表階梯軸第i段上所受的扭矩、長度和極慣性矩第50頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月T第51頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月◆軸是一彈性體，旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動及縱向振動