河南农大机械设计15轴

第15章轴 15 1概述 15 2轴的结构设计 15 3轴的计算 15 1概述 一 轴的用途及分类 轴的功用 支承回转零件 传递运动和动力 轴的分类 1 按轴的承载分类 传动轴 只受扭矩 不受弯矩 或主要承受扭矩 承受很小弯矩 心轴 只受弯矩 或主要承受弯矩 承受很小扭矩 15 1概述 1 按轴的承载分类 转轴 既受弯矩又受转矩 分析1 图示各轴属于何种类型轴 轴 传动轴 轴 转轴 轴 心轴 轴 心轴 分析2 自行车各轴属于何种类型轴 前轮轴 心轴 角蹬轴 传动轴 或转轴 后轮轴 心轴 或转轴 2 按轴线形状分类 直轴 曲轴 钢丝软轴 3 按轴的外形分 光轴 阶梯形轴 4 按轴的心部状态分 实心轴 空心轴 轴的组成 轴头 轴和旋转零件的配合部分 轴颈 轴和轴承配合的部分 轴身 连接轴颈与轴头部分 轴端 轴的两端 轴端 二 轴设计的主要任务 轴设计的主要任务 结构设计 工作能力设计 工作能力设计的内容 强度计算 针对所有受力 力矩作用轴 刚度计算 针对受力大的细长轴 振动稳定性计算 针对高速运转的轴 三轴的材料 选择碳素钢或合金钢依据的准则为 强度 耐磨性 抗冲击能力及特殊要求 与刚度无关 轴的材料表15 1 2 合金钢20Cr 20CrMnTi 40Cr35SiMn 35CrMo 3 球墨铸铁QT500 5 QT600 2 钢 碳素钢 普通碳素钢Q235 Q255 Q275 优质碳素钢 35 50 45轴钢 15 2轴的结构设计 轴结构设计的内容 定出轴的合理外形和全部结构尺寸 轴的结构设计要考虑的因素 轴上零件的安装要求 轴上零件的定位要求 轴的制造工艺性要求 轴的受力合理 应力集中尽量小 一 拟订轴上零件的装配方案 装配方向装配顺序相互关系 a b 两种装配方案的比较 二 轴上零件的定位 定位的分类 轴向定位 周向定位 定位的目的 防止轴上零件相对轴发生沿轴向或周向的相对运动 1 轴肩定位 1 零件的轴向定位 轴肩的分类 定位轴肩 非定位轴肩 轴肩定位的优点 方便可靠 轴肩定位的缺点 轴肩定位应用场所 轴向力较大的场所 定位轴肩的尺寸要求 h 0 07 0 1 d h 轴肩的高度 d 与零件相配处轴的直径 滚动轴承的定位轴肩的高度必须低于轴承内圈端面的高度 以便拆卸轴承 轴的截面加大 轴的截面突变处应力集中大 r h未实现定位 r h定位准确 为了使零件能靠轴肩准确定位 轴肩处的过渡圆角半径r必须小于零件榖孔端部的圆角半径R或倒角高度h r 轴肩处过渡圆角半径 h 榖孔倒角高度 2 套筒定位 优点 结构简单 定位可靠 对轴的强度削弱小 适用场所 轴上两零件的轴向距离不太大 转速不太高 轴承定位轴肩 套筒 不能过高 以便拆卸 轴的长度应短于与之相配合零件的榖宽 定位可靠 定位可靠 定位不可靠 3 轴端挡圈定位 见教材P357 4 圆螺母定位 双螺母固定 单螺母加止动垫片 单螺母加止动垫片 双螺母固定 5 圆锥面定位 紧定螺钉定位和弹性挡圈定位 1 零件的周向定位 周向定位的目的 限制轴上零件相对轴的转动 周向定位的常见形式 键联接 销联接 紧定螺钉联接和过盈配合等 三 各轴段直径和长度的确定 确定轴各段长度及直径的顺序 轴 轴 轴 确定轴各段长度及直径应与轴所在的箱体整体结构相结合 综合考虑 由外向内定各段直径 首先 按纯扭初估外伸端最小直径dmin 空心轴 3 3 轴上有单键 直径增大3 有双键 直径增大7 当d 100mm 有一个键时 轴径增大5 7 有两个键时 应增大10 15 然后圆整直径 P 传递的功率 kw n 轴的转速 r min d 轴的直径 mm d1 空心轴的内径 A0 计算常数 查表 15 3 3 s 四 提高轴强度的常用措施 1合理布置轴上零件以减小轴的载荷 输入轮 输入轮 不合理的布置 合理的布置 2改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 轴未受扭矩作用 轴受扭矩作用 3改进轴的结构以减小应力集中的影响 1 采用内凹圆角 靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时 可采用此方法 2 加装隔离环 3 在轮榖或轴上开卸载槽 当轴与轮毂为过盈配合时 配合边缘处会产生较大的应力集中 为减小应力集中 采用采用卸载槽结构 过盈配合时的应力分布 轮毂采用卸载槽后的应力分布 轴上开卸载槽 4改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 1 减小轴表面加工粗糙度值 2 轴表面强化处理 热处理 淬火 氮化 氯化等 冷处理 碾压 喷丸等 五 轴的结构工艺性 轴的结构工艺性是指轴的结构形状应便于加工和装配 原则 在满足使用的前提下 轴的结构越简单越好 1为便于装配 轴端应制出45 倒角 2需要磨削的轴段应留有砂轮越程槽 3需要车制螺纹的轴段应留有退刀槽 4为了减少装夹工件的时间 同一轴上不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上 轴上直径相近处的圆角 倒角 键槽宽度等应取相同尺寸 15 3轴的计算 计算的内容 强度计算 防止断裂和塑性变形 刚度计算 防止弯曲和扭转变形 振动稳定性计算 针对高速轴 强度计算准则 传动轴 按扭转强度计算 心轴 按弯曲强度计算 转轴 按弯扭合成强度计算 常用强度计算方法 扭转强度计算 弯扭合成强度计算 疲劳强度精确校核计算 本章作业 15 1 15 7 1按扭转强度计算 传动轴的强度计算 该方法适用的情况 轴的结构设计中用来初估外伸端最小直径dmin 扭转强度校核公式 其中 P 传递的功率 kw n 轴的转速 r min d 轴的直径 mm T 材料的许用扭剪应力 Mpa T 轴所受的扭矩 Nm WT 轴的抗扭截面模量 mm3 本章作业 15 1 15 7 强度设计公式 3 3 对于空心轴 轴上有单键 直径增大3 有双键 直径增大7 当d 100mm 有一个键时 轴径增大5 7 有两个键时 应增大10 15 然后圆整直径 P 传递的功率 kw n 轴的转速 r min d 轴的直径 mm d1 空心轴的内径 A0 系数 查表 15 3 2按弯扭合成强度计算 此方法适用 心轴 T 0 M 0 转轴 T 0 M 0 计算步骤 1 作出轴的计算简图 力学模型 MH 水平弯矩 MV 垂直弯矩 T 扭矩 折算系数 与扭转剪应力的循环性质有关 H面 V面 合成弯矩 当量弯矩 的选取 扭转剪应力为静应力时 0 3 扭转剪应力脉动循环时 0 6 扭转剪应力对称循环时 1 为静应力 工作时间持续很长 转向不变 脉动循环 轴转向不变频繁启停 对称循环 轴频繁正反转 强度校核公式 强度设计公式 转动心轴 一般转轴 对于心轴 计算时应取T 0 固定心轴 频繁启停 弯曲应力按脉动循环考虑 固定心轴 频繁启停 弯曲应力按脉动循环考虑 转动心轴 一般转轴 即受弯矩 又受转矩 脉动循环 对称循环 3按疲劳强度条件精确校核计算 S 许用安全系数其值见P366 计算危险截面弯曲 扭转应力 计算危险截面疲劳强度的安全系数 分别计算弯曲 扭转疲劳的安全系数 危险截面选在 载荷大直径小 有应力集中处 6 强度计算 转轴 弯扭合成强度校核 一般轴 疲劳强度 安全系数 校核 重要轴 轴的强度计算步骤 1 作轴的受力计算简图 求支反力 2 求作弯矩图 MH MV图 3 求作合成弯矩图 M图 4 求作扭矩及扭矩图 T图 5 求作当量弯矩及当量弯矩图 Me图 危险截面 例题 图示轴系 已知齿轮1的分度圆直径d1 348mm 12 15 输入扭矩T1 1 83Nm 求作该轴的弯矩图 2 求作支反力及弯矩图 RH1 Ft1C b C RH2 Ft1 RH1 解 1 作计算简图 求轮齿上的作用力 Ft1 2T1 d1 H面 10500N 2 1 83 106 348 6520N 10500 180 110 180 10500 6520 3980N V面 V面 其中 扭转剪应力对称循环时 1 扭转剪应力脉动循环时 0 6 M2V 合成弯矩M 3 求作扭矩图 T M1H M1V 扭转剪应力为静应力时 0 3 RH1 BC 6520 110 717000Nmm 416900Nmm RV1 BC 3790 110 RV2 CD 111 180 19980Nmm 4 求作当量弯矩图 5 求轴的直径 考虑有键槽 直径加大3 故取d1 75mm d2 65mm 确定危险截面 AC段扭矩 C点 截面 截面 3 题1轴系的结构改错 键太长 与齿轮配合轴段过长 透盖不应与轴接触 且缺密封圈 套筒不应高于轴承内圈 箱体处应区分加工面 缺调整垫片 缺联接螺钉 周向没定位 缺键 轴向没定位 应有轴肩 应有联接螺栓 轴系的结构改错 缺键联接 没有定位轴肩 左右端盖应区分加工面 固定件不能和轴相碰 缺密封圈 箱体处应区分加工面 缺调整垫片 不应有键 挡油环不应高于内圈 缺键联接 齿轮无法装配 例2 轴承采用脂润滑 轴系的结构改错 例3 锥齿轮无法安装 脂润滑缺挡油环 左轴承无法安装 两轴承应反装 背对背 套杯应向左凸出以便于拆卸 座孔中部孔应大些以利于拆装 无垫片 无法调整锥齿轮位置 无垫片 无法调整轴承游隙 透盖应区分加工面 透盖孔不应与轴相碰 且缺密封垫圈 键位置不对 箱体外壁应区分加工面 套杯中部孔应大些 外伸段应有定位轴肩 且与透盖保持一定距离 本章作业 15 1 15 7 题4轴承采用脂润滑 缺调整垫圈 箱体外壁应区分加工面 不应有弹性卡圈 轴