机械设计第15章.ppt

1、第 15 章轴,第 15章 轴,1概述 2轴的结构设计 3轴设计中的物理约束 4轴的设计,本章重点：1.轴的结构设计、强度设计,15-1 概述,一、轴的主要功用,二、轴的分类,1、按承载分,心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0）,1、支承轴上回转零件（如齿轮）,转动心轴：轴转动,固定心轴：轴固定,2、传递运动和动力,分析火车轮轴属于什么类型？,分析自行车轴属于什么类型？,转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M） 如：减速器中的轴。,传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T0 如：汽车下的传动轴。,分析：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？,传动轴,转轴,转动心轴,转轴,转轴,转动心轴,如何判

2、断轴是否传递转矩：,从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。,如何判断轴是否承受弯矩：,该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。,2）曲轴：发动机专用零件,2、按轴线形状分,1）直轴,又可分为实心轴和空心轴,光轴,阶梯轴,3）钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。,动力源,被驱动装置,接头,接头,钢丝软轴,钢丝软轴的绕制,3.根据图示卷筒轴的三种设计方案填写下表,转动心轴,弯曲应力,固定心轴,弯曲应力,转轴,弯曲应力、扭剪应力,三、轴的材料,轴工作时主要承受弯矩和转矩，且多为交变力作用，其主要失效形式为疲劳破坏。因此，轴的材

3、料应满足强度、刚度、耐磨性和耐腐蚀性等方面的要求。,1.碳素钢 工程中常用35、45、50等优质碳素钢，其中以45钢用得最广。其价格低廉，对应力集中敏感性较小，可以通过调质或正火处理以保证其机械性能，通过表面淬火或低温回火以保证其耐磨性。 对于轻载和不重要的轴也可采用Q235、Q275等普通碳素钢。,2、中、低碳合金钢： 具有较高的力学性能和良好的热处理性能，常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴；但价格较贵，对应力集中敏感，所以在结构设计时必须尽量减少应力集中。,注意：,钢材种类和热处理方法对钢材弹性模量E影响很小，,分析：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？,用,热处理,合金钢,不能提

4、高轴的刚度。,3.球墨铸铁 耐磨、价格低、吸振性好，对应力集中的敏感性较低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。,轴的毛坯,d小轧制的圆钢（棒料）：车制；,d大锻造毛坯；,空心轴充分利用材料，质量，但加工困难。,结构复杂铸造毛坯，如曲轴；,三、轴设计的基本要求和设计步骤：,1. 基本要求： 1）具有足够的承载能力：强度和刚度，保证正常工作 2）具有合理的结构形状：轴上零件定位正确、固定可靠且易于装拆，同时使轴加工方便，成本低。,2. 设计步骤：,152 轴的结构设计,要求：,轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置,轴上零件装拆、调整方便,轴应具有良好的制造工艺性等,尽量避免应力

5、集中,一、拟定轴上零件的装配方案,原则：1）轴的结构越简单越合理,2）装配越简单、方便越合理,轴的结构设计包括确定轴的合理外形和全部结构尺寸。轴作为重要的支承零件，除了与齿轮、带轮等旋转零件联接外，还要与轴承组合通过轴承与机座相连，如图示单级圆柱齿轮减速器中的低速轴。,13-2 轴的结构设计,该轴系由哪些零件组成,二、轴的结构分析,轴颈：轴与轴承配合的部分 轴头：安装回转零件的部分 轴身：其它过渡部分,与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆角半径均应合理。,1）定位轴肩（图中II）的高度h一般取为：h=（0.070.1）d,三、轴上零件的轴向定位和周向定位：,与轴向定位有关的轴肩高度

6、、轴环宽度以及轴上过渡圆角半径均应合理。,2）轴上零件为滚动轴承时，定位轴肩高度应查手册中的轴承安装尺寸，不可使轴肩高出轴承内圈端面的高度，以免轴承无法拆卸。,三、轴上零件的轴向定位和周向定位：,错误,正确,要求轴肩高度滚动轴承内圈高度,与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆角半径均应合理。,3）不起定位作用的非定位轴肩高度没有严格规定，一般取为12mm。 4）轴肩处的圆角半径r必须小于轴上零件毂孔端部的圆角半径R或倒角尺寸C，以免零件端面无法与轴肩端面相接触。 5）轴环宽度b一般取为（11.5）h。,2.套筒,特点：定位可靠，结构简单，加工方便，可承受较大的轴向力。,应用：齿轮、带

7、轮、联轴器、轴承等的轴向定位。轴上间距不大的两零件的轴向定位。与滚动轴承组合时，套筒的厚度不应超过轴承内圈的厚度，以便轴承拆卸。,3.圆螺母和止动垫圈,特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降,应用：常用于轴的中部和端部,正确,错误,错误,4.轴端挡圈,特点：能承受较大的轴向力及冲击载荷，需采用放松措施。,应用：常用于轴的端部的零件固定。,5.圆锥面,特点：能承受冲击载荷，装拆方便，但配合面加工较困难。,应用：常用于轴的端部的零件固定。,6.弹性挡圈,特点：结构简单紧凑，装拆方便，只能承受很小的轴向力，可靠性差。,应用：常用于固定滚动轴承和移动齿轮的轴向定位,

8、二、轴上零件的周向定位,目的：防止零件与轴之间的相对转动,1.键,平键：对中性好，可用于较高精度、高转速及受冲击或交变载荷作用的场合。,半圆键：装配方便，特别适合锥形轴端的联接，对轴的削弱较大，只适用于轻载。,2.花键,特点：承载能力强，定心精度高，导向性好，但制造成本高。,3.紧定螺钉,特点：适用于轴向力小，转速低的场合；在有振动和冲击的场合，应防松。,4.圆锥销,5.过盈配合,特点：用于受力不大的场合,特点：对中性好，承载能力强，适用于不常拆卸的部位。可与平键组合使用，能承受较大的交变载荷。,四、轴的结构尺寸的确定,1拟定轴上零件的装配方案,方案一： 1）由于半联轴器做在轴端上，制造轴的毛

9、坯需要较大的锻造设备。 2）为了方便零件依次从左端装拆，轴的各段直径必须从左至右逐段放大，使得轴右端直径偏大，强度过裕。 3）两端的轴承型号无法一致，箱体上两轴承座孔大小一，不能一次镗出，即不能保证两座孔同心。 4）减少了零件数及零件与轴的配合面数，使部件总的制造、检验和装配方便很多。 此轴适合于专业工厂成批制造。,四、轴的结构尺寸的确定,1拟定轴上零件的装配方案,方案二： 1）可直接用圆钢做轴的毛坯。 2）轴两头细，中间粗，符合等强度要求。 3）轴承成对使用，箱体上的两个座孔可一次镗出。 4）总的制造、检验和装配工作量多。 此轴特别适合于小型工厂或单件生产。,轴上零件装配过程,四、轴的结构尺

10、寸的确定,2确定轴上各段直径和各段长度 (l)直径,各轴段所需的直径与什么因素有关？ 轴上应力的大小有关。,估算或类比轴的最小直径dmin A根据轴所传递扭矩初步估算轴的直径 B根据经验或类比法确定 以 dmin为基础,考虑轴上零件的装配,轴向定位以及其与轴的联接，定出轴其它各段的直径。,四、轴的结构尺寸的确定,2确定轴上各段直径和各段长度 (l)直径,圆整 直径的值要进行圆整。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封圈等)部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。,四、轴的结构尺寸的确定,2确定轴上各段直径和各段长度 (l)直径,便于零件轴向装配 为了

11、使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。,四、轴的结构尺寸的确定,2确定轴上各段直径和各段长度,(2)长度L 考虑轴上零件的宽度,零件的拆装、定位，零件的布局确定出各轴长度,四、轴的结构尺寸的确定,3轴上各零件的周向和轴向定位 装在轴上的各个零件，在轴向和周向均应有可靠的固定，以保证其准确的工作位置，达到传递一定功率和保证齿轮传动的质量。,五、轴的结构工艺性,1.一般将轴设计成阶梯轴,（1）提供零件定位和固定的轴肩、轴环；,（2）区别不

12、同精度和表面粗糙度以及配合的要求； （3）直径变化应尽可能少，直径常为中间大两端小，便于零件的装拆；,（4）轴的两端加工倒角，便于零件导入，不宜伤人；,（5）装配段不宜过长。,（1）退刀槽和越程槽,越程槽：保证砂轮能磨削到轴肩，保证轴肩的垂直度； 退刀槽：加工螺纹时，退刀槽可以保证刀具退出。,2.轴的加工工艺性,（2）键槽布置,固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。,五、轴的结构工艺性 2.装配工艺性 a、轴承安装处的定位轴肩高度应小于轴承内圈高度。 b、在阶梯轴上应使零件所经过轴段直径小于零件孔径。,六、提高轴的强度、刚度的措施,1、合理布置轴上零件,六、提高轴的强度、刚度

13、的措施,2.改进轴上零件结构，减小轴的载荷。,六、提高轴的强度、刚度的措施,3.采用载荷分担的方法减小轴的载荷,六、提高轴的强度、刚度的措施,4.采用力平衡或局部相互抵消的办法减小轴的载荷,6.改进轴的结构，减少应力集中,7.提高轴的表面质量 降低表面粗糙度；采用表面强化，如辗压、喷丸、渗碳、渗氮、表面淬火等。,轴系结构改错,四处错误,正确答案,三处错误,正确答案,两处错误,1.左侧键太长，套筒无法装入 2.多个键应位于同一母线上,图中所示减速箱输出轴，齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。指出其中的结构错误。,1.键不在同一母线上。,2.轴承盖与轴直接接触。,3.轴承盖与箱体 无调整垫片。,4.轴套超

14、过轴承内圈 定位高度。,5.齿轮处轴段长度过长，齿轮定位不可靠,6.键顶部与轮毂接触。,7.无挡油盘,8轴承端盖处应减少加工面,15-3 轴的强度计算,3、振动折断高速轴，自振频率与轴转速接近；,a、有足够的强度疲劳强度、静强度；,b、有足够的刚度防止产生大的变形；,c、有足够的稳定性防止共振稳定性计算。,强度计算,失效形式： 1、疲劳破坏疲劳强度校核；,2、变形过大刚度验算（如机床主轴）；,一、按扭转强度条件计算,用于：只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算,结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin,强度条件,设计公式,公式应用：,a）传动轴精确计算；,b）转轴的初估轴径dmin结构设计，逐步

15、阶梯化di （ 支点、力作用点未知）；,c）对于转轴：算出dmin结构设计弯矩图弯扭 合成强度计算；,d）有键槽处：d，单键3%；双键7%。,a为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。, 校核轴的强度轴的弯扭合成强度条件为：,2按弯扭合成进行强度条件验算,式中-1为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表选取）；,详细内容,校核 危险截面轴的强度,设计公式,此式仅用于实心圆轴，其余W见P365表15-4,危险面的确定： (1)Mcamax (2) Mca较大，而d较小处 (3)应力集中较大的截面。,-1查表15-3 举例：45，调质， 确定-1,确定危险断面，进行校核,(mm),此

16、式仅用于实心圆轴，其余W见P365表15-4,危险面的确定： (1)Mcamax (2) Mca较大，而d较小处 (3)应力集中较大的截面。,-1查表15-3 举例：45，调质， 确定-1,该计算方法讨论: a. 对于影响轴的强度的许多重要因素,如应力集中.尺寸因素,是通过降低许用应力考虑. b 如果实际d远大于计算时，说明轴的直径能满足强度要求。既使相差比较大一般也不做修改。因为影响轴的结构的因素很多。 c.按公式计算的轴径中，如有一个键槽，d增大4%-5%，两个键槽d增大7%-10%,3.安全系数法：,(1)确定危险剖面： 根据Mca和d确定 (2)计算危险剖面上的和 (3)平均应力和应力幅.：a、m、a、m (4)计算轴的安全系数,二、轴的刚度校核计算,1. 轴的弯曲刚度校核计算,轴的弯曲刚度条件为,挠度 yy,偏转角,2轴的扭转刚度校核计算,轴的扭转刚度以扭转角来度量