《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第4版》 教案 第12章 軸

PAGEPAGE9第12章軸基本要求：了解軸的類型和材料；掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軸徑的估算。重點(diǎn)：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軸徑的估算。難點(diǎn)：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。學(xué)時(shí)：課堂教學(xué)：4學(xué)時(shí)。教學(xué)方法：多媒體結(jié)合板書(shū)。12.1軸的分類和材料軸是機(jī)器中的重要零件之一。12.1.1軸的功用支撐回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)零件；傳遞轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)。12.1.2軸的類型1、根據(jù)軸的承載情況可分為心軸——只承受彎矩M≠0；不承受扭矩T=0；固定心軸；轉(zhuǎn)動(dòng)心軸；傳動(dòng)軸——只承受扭矩T≠0；不承受彎矩M=0；轉(zhuǎn)軸——既承受彎矩M≠0；又承受扭矩T≠0。2、根據(jù)軸線的形狀可分為直軸——光軸；階梯軸。曲軸——主要用于作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械中。撓性軸——可以把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地傳到任何位置?；疖囕嗇S——轉(zhuǎn)動(dòng)心軸自行車輪軸——固定心軸汽車驅(qū)動(dòng)軸——傳動(dòng)軸齒輪軸——轉(zhuǎn)軸內(nèi)燃機(jī)軸——曲軸撓性鋼絲軟軸圖12-1軸的類型12.1.3軸的軸的材料軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。有時(shí)也可采用合金鑄鐵或球墨鑄鐵1.碳素鋼比合金銅價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小，所以應(yīng)用較為廣泛。常用的碳素鋼有30～50鋼，最常用的是45鋼。為保證其力學(xué)性能，應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。不重要的或受力較小的軸以及一般傳動(dòng)軸可以使用Q235～Q275碳素結(jié)構(gòu)鋼。2.合金鋼具有較高的力學(xué)性能，可淬性也較好，但價(jià)格較貴，且對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較高，多用于有特殊要求的軸。常用的合金鋼有:20Cr、20CrMnTi等，經(jīng)滲碳淬火處理可提高軸頸的耐磨性。軸的材料也可采用合金鑄鐵或球墨鑄鐵。這些材料吸振性較高，對(duì)應(yīng)力集中敏感性也較低。軸的毛坯一般用圓鋼或鍛件。12.12軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖12-2所示,使軸具有合理的外型尺寸，以滿足工藝要求、軸與軸上零件的工作要求。圖12-2軸的結(jié)構(gòu)12.2.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)——如果是階梯軸，需確定各軸段的直徑、長(zhǎng)度；固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)——軸上零件的軸向固定與周向固定；工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)——軸的加工工藝和軸上零件的安裝工藝（圓角、倒角、退刀槽、砂輪越程槽、導(dǎo)向錐面等）。由于影響軸的結(jié)構(gòu)因素是多方面的，因而軸的結(jié)構(gòu)沒(méi)有固定的、標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)型式，軸的實(shí)際結(jié)構(gòu)需要根據(jù)具體情況而定，因而軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很大的靈活性。但不論將軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成何種型式，應(yīng)滿足的要求是一定的。12.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求軸與軸上零件應(yīng)具有準(zhǔn)確的工作位置——定位要求；軸上零件應(yīng)易于裝拆和調(diào)整——安裝調(diào)整要求；軸上零件的固定應(yīng)牢固可靠——緊固要求；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性——工藝要求；應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中——提高疲勞強(qiáng)度的要求。合理的軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以上基本要求，同時(shí)還應(yīng)使軸具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。軸的各部分結(jié)構(gòu)名稱軸頸——由軸承支撐的軸段；軸頭——支撐傳動(dòng)零件的軸段；軸身——軸頸與軸頭之間的軸段；軸肩——截面發(fā)生變化的位置。12.2.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決的問(wèn)題1、制造安裝要求1）為便于軸上零件的裝拆，常將軸做成階梯軸，只有一些簡(jiǎn)單的心軸和一些有特殊要求的轉(zhuǎn)軸，才做成具有同一名義直徑的等直徑軸；2）為使軸上零件易于安裝，軸端和各軸段的端部應(yīng)有導(dǎo)角；3）軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以便于加工；4）軸上有磨削的軸段應(yīng)有砂輪越程槽；有需車制螺紋的軸段，應(yīng)有推刀槽。2、軸上零件的（軸向）定位1）階梯軸可用軸肩定位，如圖示中的齒輪、帶輪、右端軸承的軸向定位；2)有些零件可以用套筒定位，如圖示中的左端軸承的軸向定位。3、軸上零件的固定軸上零件的固定可分為軸向固定和周向固定兩類。1）軸上零件的軸向固定方法：軸肩：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以承受較大的軸向力；軸肩高度應(yīng)低于軸承內(nèi)圈套筒：與軸之間為間隙配合，套筒不宜過(guò)長(zhǎng)，不適合于高速；圖12-3軸向固定圓螺母：用于軸端零件的固定；彈性擋圈：不能承受大的軸向力軸端擋圈：常用于軸端零件的固定。2）軸上零件的周向固定(圖11-4所示)方法：鍵聯(lián)接——平鍵、花鍵；銷聯(lián)接；成形聯(lián)接；彈性環(huán)聯(lián)接；過(guò)盈聯(lián)接等。圖12-4周向固定方法4、改善軸的受力狀況，減少應(yīng)力集中合理布置軸上零件可以改善軸的受力狀態(tài)(圖11-5所示)。圖12-5軸的受力分布圖應(yīng)力集中是影響軸的強(qiáng)度的重要因素，尤其是對(duì)于合金鋼對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加以注意。對(duì)于階梯軸來(lái)說(shuō)，在截面尺寸變化處（如軸肩），應(yīng)采用圓角過(guò)渡，并盡量避免在軸上（特別時(shí)應(yīng)力大的部位）開(kāi)槽或孔，也可采用卸載槽、過(guò)渡肩環(huán)、或凹切圓角等方式減少應(yīng)力集中。12.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)根據(jù)軸的承載情況采用相應(yīng)的計(jì)算方法。對(duì)于一般工作條件下的軸，常見(jiàn)的強(qiáng)度計(jì)算方法有兩種：按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算、按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算。12.3.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算適合于傳動(dòng)軸的精確計(jì)算，也可用于轉(zhuǎn)軸的近似計(jì)算。對(duì)于圓截面軸，其強(qiáng)度條件為上式中WT——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3P——軸傳遞的功率，kw；N——軸的轉(zhuǎn)速，r／min；[τT]——許用切應(yīng)力，MPa；表12—2C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，表12—2當(dāng)軸上有鍵槽時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大軸徑：?jiǎn)捂I增大3％，雙鍵增大7％。12.3.2按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算主要用于計(jì)算一般重要的、彎扭復(fù)合作用的軸。對(duì)于一般鋼制的軸，其強(qiáng)度條件為：式中M′——等效彎矩W——軸的抗彎截面系數(shù)。12.3.3強(qiáng)度計(jì)算一般計(jì)算順序如下：a）、繪制軸系結(jié)構(gòu)圖——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定b）、畫(huà)出軸的空間受力簡(jiǎn)圖c）、畫(huà)出將軸上作用力分解為水平面的受力圖，并求解水平面上支承點(diǎn)反作用力d）、求解并畫(huà)出水平面上的彎矩Mxz圖e）、畫(huà)出將軸上作用力分解為垂直面的受力圖，并求解垂直面上支承點(diǎn)反作用力f）、求解并畫(huà)出垂直面上的彎矩Mxy圖g）、應(yīng)用合成彎矩的計(jì)算式——作出合成彎矩M圖h）、作出轉(zhuǎn)矩T圖i）、應(yīng)用公式——計(jì)算當(dāng)量彎矩，并繪制出當(dāng)量彎矩圖式中α——是根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的應(yīng)力校正系數(shù)。對(duì)于不變的轉(zhuǎn)矩：對(duì)于脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩：取對(duì)于對(duì)稱循環(huán)的轉(zhuǎn)矩，取α＝l——分別為材料在靜、脈動(dòng)循環(huán)和對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力，其值可由表12—3選取。j）、確定危險(xiǎn)截面：當(dāng)量彎矩最大的截面或當(dāng)量彎矩較大而軸徑較小的截面k）、進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算l）、最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定是否需要調(diào)整軸的直徑大小。本章小結(jié)1．軸是組成機(jī)器的重要零件之一，其主要功用是用來(lái)支承回轉(zhuǎn)零件（如齒輪、帶輪等）以及傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。2．根據(jù)軸在工作中承受載荷的特點(diǎn)，軸可分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸。在機(jī)器上主要不其受載能力而利用其滾動(dòng)形式的軸叫輥軸，也叫滾軸，或叫輥。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)形狀不同，可分為直軸、曲軸和撓性軸；直軸又可分為光軸和階梯軸。3．軸的材料中優(yōu)質(zhì)碳素鋼成本低，性能好，應(yīng)用最廣泛；合金結(jié)構(gòu)鋼用于高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)要求緊湊的場(chǎng)合。4．在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)要滿足安裝、制造工藝性要求；定位、固定要求；與標(biāo)準(zhǔn)零件的配合尺寸要求及疲勞強(qiáng)度要求等。5．對(duì)于軸的工作能力計(jì)算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以前，按