機械設(shè)計第15章軸.ppt

1、第十五章 軸,15-1 概 述,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,15-3 軸的計算,15-4 軸的設(shè)計實例,本章學習的基本要求： 熟練掌握的內(nèi)容 1）軸的功用、類型、特點及應(yīng)用； 2）軸的扭轉(zhuǎn)強度和彎扭合成強度計算； 3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及提高軸的強度的措施。 本章的重點： 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算。其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是本章的難點。,15-1 概 述,功用：支承旋轉(zhuǎn)的零件及傳遞運動和動力。,按承受載荷分,分類：,（一） 軸的用途及分類,-既承受彎矩又傳遞扭矩。,按承受載荷分,功用：支承旋轉(zhuǎn)的零件及傳遞運動和動力。,分類：,（一） 軸的用途及分類,-既承受彎矩又傳遞扭矩,-只受扭矩不承受彎矩（或彎矩很小）,傳動軸

2、： 主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩,或所受彎矩很小的軸,例如：汽車中聯(lián)接變速箱與后橋之間的軸,轉(zhuǎn)軸-既承受彎矩又傳遞扭矩,按承受載荷分:,傳動軸-只傳遞扭矩,心軸-只承受彎矩而不承受扭矩,固定心軸,火車輪軸,心軸： 用來支承轉(zhuǎn)動零件，只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩。,例：自行車的前輪軸,轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩,按承受載荷分有,分類：,傳動軸-只傳遞扭矩,（一）軸的用途及分類,按軸線形狀分有,一般情況下，直軸做成實心軸，需要減重時做成空心軸,心軸-只承受彎矩而不承受扭矩,轉(zhuǎn)軸-既承受彎矩又傳遞扭矩,按承受載荷分有：,分類：,按軸線形狀分有：,傳動軸-只傳遞扭矩,直軸,（一）軸的用途及分類,光軸,階梯軸,

3、曲軸,心軸-只承受彎矩而不承受扭矩,按軸線形狀分有：,直軸,曲軸,撓性鋼絲軸,按承受載荷分有：,分類：,（一）軸的用途及分類,試分析圖示巻揚機中各軸所受的載荷，并由此判斷各軸的類型。,舉例：,P,（二）軸設(shè)計的主要內(nèi)容,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。,工作能力計算： 指軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。,具有一個合理的結(jié)構(gòu)對軸而言至關(guān)重要，它是軸設(shè)計中的一個重要內(nèi)容。,軸的設(shè)計過程：,選擇材料,15-1 概 述,(三) 軸的材料,-最常用45鋼。,-多用于有特殊要求的軸。常用40Cr。,軸的常用材料及其主要力學性能見

4、表151 。,15-1 概 述,必須指出：,鋼的種類和熱處理對其彈性模量E的影響甚小，因此，如欲采用合金鋼或通過熱處理來提高軸的剛度并無實效。,提高軸的剛度的方法 增大軸的截面面積。,15-1 概 述,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大的靈活性和多樣性。,軸沒有標準的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時必須針對軸的具體情況作具體分析。,定出軸的合理外形和全部的結(jié)構(gòu)尺寸。,2. 軸上零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；,1. 軸和軸上零件要有準確的工作位置；(定位),3. 軸應(yīng)具有良好的制造工藝性。（即軸應(yīng)便于加工）,軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的基本要求：,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖15-8 軸上零件裝配與軸的結(jié)構(gòu)示

5、例,結(jié)構(gòu)設(shè)計時，已知的條件有：,軸的裝配簡圖；,軸的轉(zhuǎn)速 n (rpm)；,軸傳遞的功率 P (KW );,傳動零件的主要參數(shù)和尺寸,設(shè)計時可根據(jù)裝配簡圖來確定軸上主要零件之間的相互位置關(guān)系。,（一） 擬定軸上零件的裝配方案,裝配方案：軸上零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系。,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,軸上零件的裝配方案不同，則軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相同。,圖示減速器輸出軸就有兩種裝配方案。,二級圓錐圓柱齒輪減速器,方案二多了一個用于軸向定位的長套筒，使機器的零件增多，重量增大。故不如方案一合理 。,（二） 軸上零件的定位,軸上零件的定位,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,1. 零件的軸向定位,軸肩,定位方法：軸肩

6、、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。,軸環(huán)寬度：b 1.4 h,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,結(jié)構(gòu)不合理！,為了便于拆卸，滾動軸承的定位軸肩高度不能超過軸承內(nèi)圈端面的高度。,特別注意：,軸肩的高度可查手冊中軸承的安裝尺寸。,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,軸和零件上的倒角和圓角尺寸的常用范圍見 表15-2,套筒定位結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠。一般用于軸上兩個零件之間的定位,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,當兩個零件間距離較大時，可采用圓螺母定位。,可承受大的軸向力，但螺紋處有較大的應(yīng)力集中，會降低軸的疲勞強度，故一般用于固定軸端的零件。,特點：,一般情況下，整個軸的軸向定位也常利用軸承端蓋來實現(xiàn)。,軸向力較小時，可采彈性擋圈、

7、緊定螺釘及鎖緊擋圈來實現(xiàn)。,軸端的零件常采用軸端擋圈或圓錐面定位。,軸端擋圈,2. 零件的周向定位,目的-限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。,周向定位大多采用鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等形式來實現(xiàn)。,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,（三）各軸段直徑和長度的確定,說明：,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,軸段直徑大小取決于作用在軸上的載荷大??；,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,為使零件的裝配方便，減少配合表面的擦傷：,1) 相配合軸段的壓入端應(yīng)制成錐度（圖1示）,2) 配合段前后采用不同的尺寸公差（圖2示）,在配合軸段前應(yīng)采用較小的直徑；,為使與軸作過盈配合的零件易于裝配：,（四）提高軸的強度的常用措施,Tmax=

8、T1+T2,Tmax = T1,當扭矩由一個傳動件輸入而由幾個傳動件輸出時，為了減小軸上的載荷，應(yīng)將輸入輪布置在中間。,合理,不合理,1. 合理布置軸上零件以減少軸的載荷,為減少軸所受的彎矩：,傳動件應(yīng)盡量靠近軸承，,盡量不采用懸臂的支承形式，,盡量縮短支承跨距及懸臂長度。,2. 改進軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷,A圖中大齒輪和卷筒聯(lián)成一體，轉(zhuǎn)矩經(jīng)大齒輪直接傳遞給卷筒，故卷筒軸只受彎矩而不傳遞扭矩。圖b中軸同時受彎矩和扭矩作用。故載荷相同時，圖a結(jié)構(gòu)軸的直徑要小。,軸徑大,軸徑小,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,3. 改進軸的結(jié)構(gòu)以減小應(yīng)力集中的影響,合金鋼對應(yīng)力集中比較敏感，應(yīng)加以注意。,措施： 1

9、) 用圓角過渡；,2) 盡量避免在軸上開橫孔、切口或凹槽;,3）為增大軸肩處的圓角半徑，可采用內(nèi)凹圓角或 過渡肩環(huán)。,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,輪轂上開卸載槽 應(yīng)力集中系數(shù)可減少1525%,4）在輪轂上或軸上開卸載槽或加大配合部分的直徑 可以減小過盈配合處的局部應(yīng)力；,5 ) 用盤銑刀加工的鍵槽比鍵槽銑刀產(chǎn)生的應(yīng)力集中?。?6 ) 盡可能避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋。,4.改善軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強度,1）表面愈粗糙 疲勞強度愈低；減小表面粗糙度；,軸的表面粗糙度和強化處理方法會對軸的疲勞強度產(chǎn)生影響,通過碾壓、噴丸等強化處理時可使軸的表面產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，從而提高軸的抗疲勞能力。,15-

10、2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,（五）軸的結(jié)構(gòu)工藝性,-指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，且生產(chǎn)率高，成本低。,在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡化。,一般說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,為便于軸上零件的裝拆，一般軸都做成從軸端逐漸向中間增大的階梯狀。,裝零件的軸端應(yīng)有倒角 ，,需要磨削的軸端有砂輪越程槽 。,車螺紋的軸端應(yīng)有退刀槽 ，, 為了加工方便，同一軸上不同軸段的鍵槽應(yīng)布置在 軸的同一母線上。,鍵槽應(yīng)布置在軸的同一母線上,（五）軸的結(jié)構(gòu)工藝性, 為減少刀具種類和提高勞動力生產(chǎn)力：,軸上直徑相近處的圓角、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

11、用相同的尺寸。,一、便于軸上零件的裝配,軸身,1、零件的軸向定位和固定,1）軸肩和軸環(huán),定位軸肩： r軸R孔或r軸C孔 軸肩或軸環(huán)的高度h必須大于 R孔或 C孔 軸肩高度滾動軸承內(nèi)圈高度 h=（0.07d3）（0.1d5）mm 軸環(huán)寬度 bl.4h 非定位軸肩： h=1.5-2mm,r=(D-d)/2,二、保證軸上零件的準確定位和可靠固定,2）套筒,軸用圓螺母,錯誤,正確,要求軸肩高度滾動軸承內(nèi)圈高度,8）圓錐面（+擋圈、螺母）,2、零件的周向定位,1）鍵,2）花鍵,3）緊定螺釘、銷,4）過盈配合,三、良好的制造工藝性和裝配工藝性,1）軸肩圓角r和倒角高度C,2）軸端倒角,3）砂輪越程槽,4）

12、螺紋退刀槽,5）多個鍵槽,四.減小應(yīng)力集中，改善軸的受力情況 1.減小應(yīng)力集中 2.提高軸的表面質(zhì)量,五.軸上零件的裝拆和調(diào)整1.中間粗兩端細 2.軸肩高度1-3mm（定位軸鍵大）3.軸承定位軸肩高度軸承內(nèi)圈高度,軸系結(jié)構(gòu)改錯,四處錯誤,正確答案,三處錯誤,正確答案,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,請完成如圖所示的軸系設(shè)計。,請選擇齒輪的裝配方向,15-3 軸的計算,通常是在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后進行校核計算，計算準則是滿足軸的強度或剛度要求，必要時還應(yīng)校核軸的振動穩(wěn)定性。,（一）軸的強度校核計算,傳動軸-按扭轉(zhuǎn)強度條件計算,轉(zhuǎn) 軸-按彎扭合成強度條件計算,

13、心 軸-按彎曲強度條件計算,1. 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算,軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：,軸的直徑：,式中： T 及 A0 - 查表15-3,-（15-1）,-（15-2）,15-3 軸的計算,軸的直徑：,注意：該直徑只能作為承受扭矩作用的軸段的 最小直徑 dmin！,軸徑圓整為標準直徑。,（一般是作為軸的外伸端軸頭的直徑）,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，外載荷與支撐反力的位置即可確定，從而可進行受力分析。,2. 按彎扭合成強度條件計算,步驟如下：,1) 作出軸的計算簡圖, 軸的支承簡化,通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關(guān)。,可按教

14、材中圖1523來確定。,1) 作出軸的計算簡圖, 軸的支承簡化, 軸的載荷簡化,分布載荷簡化為集中力，其作用點取在載荷分布段的中點。,作用在軸上的扭矩，從傳動件輪轂寬度的中點算起。,2. 按彎扭合成強度條件計算,1) 作出軸的計算簡圖, 軸的支承簡化, 軸的載荷簡化,作計算簡圖時：,水平面受力及彎矩圖,鉛垂面受力及彎矩圖,總彎矩 M 圖,扭矩圖,2) 作出彎矩圖和扭矩圖,1) 作出軸的計算簡圖,3) 校核軸的強度,按第三強度理論，計算應(yīng)力,M,-對稱循環(huán)變應(yīng)力，,T,-常不是對稱循環(huán)變應(yīng)力。,引入折合系數(shù),0.3 -轉(zhuǎn)矩不變；,0.6 -轉(zhuǎn)矩脈動變化；,1 -軸頻繁正反轉(zhuǎn)。,折合系數(shù)：=,彎曲

15、應(yīng)力：,扭切應(yīng)力：,代入式（15-4），,W-軸的抗彎截面系數(shù)，見表15-4,2) 軸的強度校核,則軸的彎扭合成強度條件為,(15-5),注:,心軸工作時，只承受彎矩而不承受扭矩，故：,心軸 T=0,轉(zhuǎn)動心軸,固定心軸,轉(zhuǎn)動心軸的彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力,固定心軸的彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力,-對稱循環(huán)變應(yīng)力,-脈動循環(huán)變應(yīng)力,(15-5),3. 按疲勞強度條件進行精確校核,在已知軸的外形、尺寸及載荷的情況下，可對軸的疲勞強度進行校核，軸的疲勞強度條件為：,同時承受彎矩和扭矩的軸：,僅承受彎矩時：,僅承受扭矩時：,設(shè)計安全系數(shù)S的選取見教材。,確定在變應(yīng)力情況下的軸的安全程度。,-（15 -

16、 6）,-（15 - 7）,-（15 - 8）,4. 按靜強度條件進行校核,對于瞬時過載很大，或應(yīng)力循環(huán)的不對稱性較為嚴重的軸，應(yīng)當進行靜強度校核。軸的靜強度條件為：,(二) 軸的剛度校核計算 （略）,設(shè)計有剛度要求的軸時，必須進行剛度的校核計算。,-（15 - 9）,15-3 軸的計算,定位軸肩 h=(0.070.1)d，,d1-2=d+2h=55+2(0.07 55)=55+7.7=62.7mm,則：取d1-2=62mm，或 63mm,例題1 （P.374）,軸環(huán)寬度b1.4h=8.4,取b=12mm,進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要將軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和軸承裝置設(shè)計要求結(jié)合起來，避免片面化。, 軸的

17、外伸端必須考慮密封問題, 軸承的潤滑問題（油或脂）, 調(diào)整墊片調(diào)整軸承的游隙, 箱體的加工面與非加工面要分開。,注意：,試指出圖示斜齒圓柱齒輪軸系中的錯誤結(jié)構(gòu)，并畫出正確的結(jié)構(gòu)圖。,例題2：, 兩軸承應(yīng)當正裝；, 端蓋與軸間應(yīng)有間隙并加密封圈；, 精加工面過長，應(yīng)設(shè)一非定位軸肩，以便軸承的安裝；, 軸段過長，套筒抵不住齒輪；, 右端軸承應(yīng)有定位軸肩；, 處應(yīng)加調(diào)整墊片；, 套筒過高，不便拆缷軸承,此軸系有以下四方面的錯誤結(jié)構(gòu):,1. 轉(zhuǎn)動件與靜止件接觸, 軸與端蓋,2. 軸上零件未定位、固定, 套筒頂不住齒輪, 聯(lián)軸器未定位, 聯(lián)軸器周向及軸向皆未固定。, 套筒與軸承外圈, 卡圈無用。,例題3

18、：分析齒輪軸系上的錯誤結(jié)構(gòu)。軸承采用脂潤滑。,3. 工藝不合理, 精加面過長，且裝拆軸承不便。, 聯(lián)軸器孔未打通。, 箱體端面加工面與非加工面沒有分開。, 臺肩過高，無法拆卸軸承。, 鍵過長，套筒無法裝入。, 無墊片，無法調(diào)整軸承游隙。, 無密封。,4. 潤滑與密封的問題, 齒輪油潤滑，軸承脂潤滑而無擋油環(huán)。,試指出圖中結(jié)構(gòu)不合理的地方，并予以改正。,在圖示軸的結(jié)構(gòu)圖中，至少指出10處不合理及錯誤的結(jié)構(gòu)。要求： 在圖中標注錯誤處序號，在圖下方空白處，按標注的序號列出錯誤原因，并提出修改建議。（不考慮軸承的潤滑方式；倒角和圓角忽略不計）(共15分）,(1)、缺少調(diào)整墊片（密封墊片）；,、缺少軸向

19、定位；,、鍵太長（不能超出輪轂）；,、缺少密封；,、軸承蓋與軸之間應(yīng)有間隙；,、齒輪無法拆下；,、缺少鍵；,、軸承與軸之間不能有鍵；,、加工面、非加工面應(yīng)分開；,、軸承缺少定位；,、軸承缺少定位；,、軸肩太高；,、軸肩太高；,、并且軸承裝反了；,、缺少擋板；,軸的結(jié)構(gòu)改錯問題通常從以下幾個方面考慮: 軸與軸上零件是否用鍵作周向固定,若軸上有多個零件時，其鍵槽是否在同一母線。 輪轂長度是否略大于安裝軸段的長度。 軸上零件的兩端軸上定位如何？ 軸承的類型選擇和組合是否合理？特別是采用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承時，應(yīng)檢查是否為成對使用，其內(nèi)外圈傳力點處是否設(shè)置有傳力件。 軸承的內(nèi)、外圈厚度是否高出與

20、之相接觸的定位軸肩或定位套筒的高度。 軸伸透蓋處有無密封及間隙。 軸承的游隙如何調(diào)節(jié)？ 整個軸系相對于箱體軸向位置是否可調(diào)?,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則: 1、軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單合理，有利于軸上零件的裝拆、固定 和調(diào)整。 2、軸上零件應(yīng)定位準確、固定可靠。 3、軸的結(jié)構(gòu)有利于提高軸的強度和剛度。 4、具有良好的潤滑和密封條件。 5、具有較好的結(jié)構(gòu)工藝性和經(jīng)濟性 （1.用輔助零件代替軸上不必要的臺階。2.為了便于裝配，減少應(yīng)力集中，應(yīng)取相同的倒角、圓角尺寸。3.取相同的越程槽、退刀槽。4.取相同的鍵槽尺寸且布置在軸的同一母線上。5.各段軸的尺寸盡量取標準值（減少刀具數(shù)目，便于測量）。6.規(guī)定合理的加工精度和表面粗糙度。）,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=6140N, 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,=Fa,15-4 軸的設(shè)計實例,對2點取矩,解：1) 求垂直面的支反力和軸向力,=Fa,15-4 軸的設(shè)計實例,2) 求水平面的支反力,3) 求F力在支點產(chǎn)生的反