機械設(shè)計基礎(chǔ) 課件 11軸

《機械設(shè)計基礎(chǔ)》

課程內(nèi)容第一章機械設(shè)計概論第二章平面機構(gòu)運動簡圖第三章平面連桿機構(gòu)第四章凸輪機構(gòu)第五章其他常用機構(gòu)第六章齒輪機構(gòu)第七章蝸桿傳動第八章輪系第九章帶傳動與鏈傳動第十章聯(lián)接第十一章軸第十二章軸承第十三章聯(lián)軸器離合器制動器第十四章機械創(chuàng)新設(shè)計第十一章軸第一節(jié)軸第二節(jié)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計第三節(jié)軸的強度計算第一節(jié)軸一、軸的功用用和分類1.軸的功用軸是機器的重要組成零件，其主要功用是支承旋轉(zhuǎn)零件（如齒輪、帶輪等）、傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，并保證軸上零件具有確定的工作位置和一定的轉(zhuǎn)動精度。2.軸的分類（1）按軸的承受載荷性質(zhì)分類軸在工作中主要承受載荷為轉(zhuǎn)矩和彎矩，根據(jù)載荷性質(zhì)的不同可分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸。①轉(zhuǎn)軸工作時既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸在機器中使用較多，如圖11-1所示齒輪軸。圖11-1帶傳動的組成11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計

②心軸工作時只承受彎轉(zhuǎn)的軸稱為心軸。按心軸是否與軸上零件一起轉(zhuǎn)動，又可分為轉(zhuǎn)動心軸和固定心軸?；疖囕嗇S與車輪一起轉(zhuǎn)動為轉(zhuǎn)動心軸（圖11-2），自行車前輪軸與前叉固定為固定心軸（圖11-3）。圖11-2轉(zhuǎn)動心軸

圖11-3固定心軸11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計

③傳動軸

工作時只承受轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩（或承受彎矩很小）的軸稱為傳動軸。如圖11-4所示汽車變速器與后橋間的軸即為傳動軸。圖11-4傳動軸11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計（2）按軸的結(jié)構(gòu)形狀分類根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)形狀不同，可分為直軸、曲軸和撓性軸。①直軸是指軸線為直線的軸，如圖11-2、11-3中支撐車輪的軸均為直軸。直軸按外形又可分為光軸和階梯軸。光軸的各截面直徑相等，形狀簡單，加工方便，但軸上零件不易定位和裝配，主要用于動傳軸（圖11-4）。階梯軸的各截面直徑不等，便于零件的安裝和固定，在機器中應用最為廣泛，如圖11-5所示。圖11-5階梯軸11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計直軸又有實心軸和空心軸兩種形式。一般場合多采用實心軸，但當結(jié)構(gòu)或機器有特別要求（如輸送潤滑油、切削液、安放其他零件等）或為了減輕軸的重量時，則可將軸制成空心軸，如車床的主軸等。②曲軸的軸線不是直線，常用于做往復運動的機械，如圖11-6所示。圖11-6曲軸a）b）11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計

③撓性軸

又稱鋼絲軟軸，如圖11-7所示。它是由若干層緊貼在一起的鋼絲所構(gòu)成，可以沿任意方向彎曲，故可以將轉(zhuǎn)矩或旋轉(zhuǎn)運動靈活地傳遞到任意位置，但傳遞運動的準確性較差。圖11-7

撓性軸11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計【世界“最大”的船用曲軸——中國制造】大型船用曲軸是萬噸輪最重要的核心裝備，被譽為“巨輪之芯”。船舶在海上航行，曲軸一旦出現(xiàn)問題，會造成造成發(fā)動機停機，船失去了動力無法行駛，一旦遭遇風浪，就會面臨傾覆之災。對于一些大型的船舶來說，曲軸更是非常重要的一個部分，大型曲軸制造能力是衡量一個國家造船工業(yè)水平的重要標志。在中國建造的世界上最大、最新型22000TEU標準集裝箱貨輪的“心臟”中，安裝由我國制造總長度達23.5米、重量近488噸的曲軸。該曲軸在全球尚屬首次研制，無任何依據(jù)可供參考，這給制造和加工帶來巨大挑戰(zhàn)。我們廣大科技工作者始終守初心擔使命，自立自強，負重前行，對加工設(shè)備進行了升級改造，并在加工工藝優(yōu)化、刀具選用上進行了創(chuàng)新和提升改進，最終攻克了曲軸熱裝精度、加工回轉(zhuǎn)直徑超限等5項技術(shù)難點，最后將該曲軸成功安轉(zhuǎn)并使用，同時也標志著我國從“造船大國”躍升為“造船強國”。11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計【世界“最大”的船用曲軸——中國制造】大型船用曲軸是萬噸輪“巨輪之芯”，對船舶至關(guān)重要，其制造能力是衡量國家造船工業(yè)水平的重要標志。我國在建造22000TEU標準集裝箱貨輪時，要安裝總長度23.5米、重近488噸的曲軸，因全球首次研制無參考依據(jù)，制造加工挑戰(zhàn)巨大。但我國廣大科技工作者守初心、擔使命，通過升級改造加工設(shè)備，在工藝優(yōu)化、刀具選用等方面創(chuàng)新提升，攻克5項技術(shù)難點，使其成功安裝使用，也助力我國邁向“造船強國”。11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計二、軸的常用材料1．對軸的材料的基本要求軸的材料是決定軸承載能力的重要因素，因此對軸的材料有以下基本要求：（1）足夠的強度、塑性、剛度、沖擊韌性、耐磨性和耐腐蝕性；（2）對應力集中的敏感性較低；（3）具有良好的工藝性和經(jīng)濟性；（4）具有良好的熱處理性能，以提高軸的抗疲勞強度。2．軸的常用材料與選用軸的常用材料為碳素鋼和合金鋼。軸的毛坯常采用軋制的圓鋼或鍛件，很少采用鑄件。常用材料的特點如下：（1）碳素鋼：價格低廉，對應力集中的敏感性較小，熱處理后，其綜合機械性能得到改善，所以得到廣泛的應用。11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計（2）合金鋼：具有較高的力學性能和較好的可淬火性，但對應力集中較敏感，價格較貴，常用于有特殊要求的軸。（3）球墨鑄鐵：適用于形狀復雜的軸（如曲軸），具有價廉、吸振性好、耐磨性好、對應力集中的敏感性低等優(yōu)點，也可作為軸的材料。但鑄件的品質(zhì)不易控制，可靠性差。對于不重要的軸或受力較小的軸，可用普通碳素鋼、Q235A、Q275等；而一般軸常用碳素鋼，如：35、40、45鋼等，45鋼最常用。為保證軸材料的機械性能，應對軸材料進行調(diào)質(zhì)或正火處理。對于重要的軸或傳遞大功率的軸，可用合金鋼，如：20Cr、40Cr等，也可采用球墨鑄鐵。11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計材料熱處理毛坯直徑硬度（HBW）力學性能許用彎曲應力應用說明抗拉強度

屈服強度

彎曲疲勞極限σ-1扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限τ-1靜應力[σ+1w]脈動循環(huán)應力[σ0w]對稱循環(huán)應力[σ-1w]MPa20正火≤100103~156390215170951257040用于載荷不大，要求韌性較高的軸正火回火>100~3003751959035正火≤100149~1875102652401201657545用于制作有一定強度和加工塑性的軸，可制作一般轉(zhuǎn)軸、曲軸等正火回火>100~300490255115調(diào)質(zhì)≤100156~2075502952301301758550>100~30053027512545正火≤100170~2175902952551401959555用于較重要的軸，應用最為廣泛正火回火>100~300162~217570285245135調(diào)質(zhì)≤200217~2556403552751552151006040Cr調(diào)質(zhì)≤100241~28673554035520024512070用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸>100~30068549033518540MnB調(diào)質(zhì)≤200241~28673549034519524512070性能接近40Cr，用于重要的軸表11-1軸的常用材料及主要力學性能11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計40CrNi調(diào)質(zhì)≤100270~30090073543026028513075用于很重要的軸>100~300240~27078557037021038SiMnMo調(diào)質(zhì)≤100229~28673559036521027512070用于承受重載荷軸>100~300217~26968554034519538CrMoAlA調(diào)質(zhì)≤60293~32193078544028027512575用于高強度、高耐磨性且熱處理（滲氮）變形小的軸>60~100277~302835685410270>100~160241~27778559037522020Cr滲碳淬火回火≤10056~62HRC(表面）64039030516021510060用于要求強度和韌性均較高的軸QT400-15——156~197400300145125100——用于制造形狀復雜的曲軸、凸輪軸等QT600-3——197~269600420215185150——

11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度設(shè)計第二節(jié)

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、軸的構(gòu)成軸由軸頸、軸頭、軸身三部分所構(gòu)成，如圖11-8所示。軸頸是軸與軸承配合處的軸段，如圖中③⑦；軸頭是軸與傳動零件配合的軸段，如圖中①④；軸身是聯(lián)接軸頸和軸頭的非配合的軸段，如圖中②⑥。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度設(shè)計二、軸上零件的定位和固定零件在軸上的固定或聯(lián)接方式隨零件的作用而異。為了保證軸上零件的工作位置可靠固定，應對零件進行軸向和周向固定。1．軸上零件的軸向定位和固定軸向定位和固定的目的是使零件在軸上有確定、可靠的軸向位置，以防止在軸向力的作用下，零件沿軸向竄動（位移）。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度設(shè)計11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算二．軸上零件的周向固定軸上零件周向固定的目的是傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，防止軸上零件與軸之間的相對轉(zhuǎn)動。常用的固定方式有鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和過盈配合等。對于傳遞轉(zhuǎn)矩不大的場合，也可采用緊定螺釘或圓錐銷作為軸向固定和周向固定，詳見表11-3。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算三、軸結(jié)構(gòu)的工藝要求（1）一般將軸設(shè)計成階梯軸。目的是提供用于零件定位和固定的軸肩、軸環(huán)，區(qū)別不同的加工表面的精度及配合要求，同時也便于零件的裝拆和固定（見圖11-8），軸上零件如齒輪、套筒、軸承等可依次裝入和拆卸。軸的兩端和各階梯端面要有倒角。便于零件的轉(zhuǎn)配，且不易劃傷手部和配合零件.（2）軸上有磨削要求的表面，需在軸肩處留出砂輪越程槽，如圖11-9所示；軸上需車削螺紋的部分，應有退刀槽，如圖11-10所示。軸上有多個鍵槽時，鍵槽應布置在同一母線上。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算（3）軸的直徑應滿足強度和剛度要求，并應盡量取標準值（表11-4）。與滾動軸承配合處，須滿足滾動軸承內(nèi)徑標準系列，螺紋處的直徑應符合螺紋標準系列，安裝聯(lián)軸器處的軸徑應按聯(lián)軸器孔徑設(shè)計。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算（4）用套筒、圓螺母、擋圈等定位時，軸端的長度應小于相配零件寬度，以保證定位和固定可靠。如圖11-11所示。另外，應考慮旋轉(zhuǎn)零件與箱體或支架等固定件之間留出適當距離，以免旋轉(zhuǎn)時相碰。（5）階梯軸截面尺寸變化處應采用圓角過渡，以減小軸徑突變處的應力集中。圓角半徑不宜過小。若圓角半徑過大影響軸上零件定位，也可采用凹切圓角或中間環(huán)來增大圓角半徑，如圖11-12所示。軸上開槽、切口會產(chǎn)生應力集中，設(shè)計時應盡量避免。如為必需的結(jié)構(gòu)，設(shè)計時應考慮避免尺寸突然變化而引起應力集中，例如可用漸開線花鍵代替矩形花鍵。此外，軸的表面質(zhì)量對疲勞強度影響很大，可采取降低軸的表面粗糙度值或用滾壓、嗎丸等表面強化措施來提高軸的疲勞強度。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)三、軸結(jié)構(gòu)的工藝要求（1）一般將軸設(shè)計成階梯軸。目的是提供用于零件定位和固定的軸肩、軸環(huán)，區(qū)別不同的加工表面的精度及配合要求，同時也便于零件的裝拆和固定（見圖11-8），軸上零件如齒輪、套筒、軸承等可依次裝入和拆卸。軸的兩端和各階梯端面要有倒角。便于零件的轉(zhuǎn)配，且不易劃傷手部和配合零件（2）軸上有磨削要求的表面，需在軸肩處留出砂輪越程槽，如圖11-9所示；軸上需車削螺紋的部分，應有退刀槽，如圖11-10所示。軸上有多個鍵槽時，鍵槽應布置在同一母線上。

圖11-9砂輪越程槽11-3軸的強度計算圖11-10螺紋退刀槽（3）軸的直徑應滿足強度和剛度要求，并應盡量取標準值（表11-4）。與滾動軸承配合處，須滿足滾動軸承內(nèi)徑標準系列，螺紋處的直徑應符合螺紋標準系列，安裝聯(lián)軸器處的軸徑應按聯(lián)軸器孔徑設(shè)計。表11-4軸的標準直徑（摘自GB/T2822-2005）10111214161820222528303236404550566063717580859095100（4）用套筒、圓螺母、擋圈等定位時，軸段的長度應小于相配零件寬度，以保證定位和固定可靠。如圖11-11所示。另外，應考慮旋轉(zhuǎn)零件與箱體或支架等固定件之間留出適當距離，以免旋轉(zhuǎn)時相碰。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算圖11-11軸段長度（5）階梯軸截面尺寸變化處應采用圓角過渡，以減小軸徑突變處的應力集中。圓角半徑不宜過小。若圓角半徑過大影響軸上零件定位，也可采用凹切圓角或中間環(huán)來增大圓角半徑，如圖11-11所示。軸上開槽、切口會產(chǎn)生應力集中，設(shè)計時應盡量避免。如為必需的結(jié)構(gòu)，設(shè)計時應考慮避免尺寸突然變化而引起應力集中，例如可用漸開線花鍵代替矩形花鍵。

此外，軸的表面質(zhì)量對疲勞強度影響很大，可采取降低軸的表面粗糙度值或用滾壓、嗎丸等表面強化措施來提高軸的疲勞強度。11-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算a）圓角c）中間環(huán)

b）凹切圓角圖11-1211-1軸11-2軸的設(shè)計基礎(chǔ)11-3軸的強度計算11-1軸11-3軸的強度計算11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、按扭轉(zhuǎn)強度計算對于在工作中只受扭矩的傳動軸，可按扭轉(zhuǎn)強度公式來計算軸的強度。如果還受不大的彎矩時，則可采用降低許用扭轉(zhuǎn)切應力的辦法予以考慮。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：

（11-1）式中，τmax——許用扭轉(zhuǎn)切應力（MPa）；[τ]——許用扭轉(zhuǎn)切應力（MPa）；T為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N﹒mm），T=9.55×106p/n；WT為抗扭截面系數(shù)（mm3），WT=0.2d3；P為軸傳遞的功率（kW）；n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；d為軸的直徑（mm）。當軸的材料選定后，則許用應力[τ]已確定，可按照上述強度條件估算軸的最小直徑

第三節(jié)

軸的強度計算11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度計算（11-2）式中，C為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)，軸常用材料的[τ]值和C值參見表11-5。當軸截面上開有鍵槽時，會削弱軸的強度，則計算得到的軸徑應適當放大，當軸截面上有一個鍵槽時，軸徑加大4%；當軸截面上有兩個鍵槽時，軸徑加大7%，然后按表11-4圓整為標準直徑。表11-5軸得常用材料[τ]值和C值軸的材料Q235、20354540Cr、35SiMn、2Cr13[τ]/MPa12~2020~3030~4040~52C160~135135~118118~106106~97注：當作用在軸上的彎矩比轉(zhuǎn)矩小或只受轉(zhuǎn)矩作用時，[τ]取較大值，C取較小值；反之，則[τ]取較小值，C取較大值。11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度計算二、按彎扭合成強度計算對于在工作中既受扭矩同時還受彎矩的轉(zhuǎn)軸，應按彎扭組合強度公式來計算危險截面的軸徑。在軸的設(shè)計過程中，一般先按扭轉(zhuǎn)強度計算軸的最小直徑，在進行軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計后，支點位置及軸上所受載荷的大小、方向、作用點已經(jīng)確定，須再按彎扭組合強度進行校核。軸的結(jié)構(gòu)初步確定后，應首先畫出軸的受力圖，確定軸的受力情況，然后再作出水平面的彎矩圖、垂直面的彎矩圖、合成彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖和當量彎矩圖，最后按彎扭組合強度校核軸的強度。11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度計算二、按彎扭合成強度計算對于鋼制的軸，按第三強度理論，強度條件為：11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度計算對于不變的轉(zhuǎn)矩，取對于脈動循環(huán)轉(zhuǎn)矩，取對于對稱循環(huán)轉(zhuǎn)矩，取式中分別為材料在對稱循環(huán)、脈動循環(huán)及靜應力狀態(tài)下的許用彎曲應力，其值見表11-1。由強度公式可得軸徑的計算公式11-1軸11-3軸的強度計算例11-1

設(shè)計如圖11-13所示的單級斜齒圓柱齒輪減速器的輸出軸（Ⅱ軸）。輸出軸與聯(lián)軸器相接。已知：該軸傳遞功率為P=8kW，轉(zhuǎn)速n=280r/min，軸上齒輪的分度圓直徑d=265mm，齒輪輪轂寬度b=60mm，螺旋角β=12°，法向壓力角αn=20°。載荷基本平穩(wěn)，工作時單向運轉(zhuǎn)，軸承采用深溝球軸承。11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計例11-1解：1.選擇軸的材料，確定許用應力2.按扭轉(zhuǎn)強度估算軸徑3.齒輪受力計算11-1軸11-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計11-3軸的強度計算4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需同時考慮軸系中相配零件的尺寸以及軸上零件的固定方式，按比例繪制軸系結(jié)構(gòu)草圖。（1）聯(lián)軸器的選取。（2）確定軸上零件的位置及固定方式。單級齒