轴的设计91408ppt课件

.,学习单元8轴的设计,.,一、项目导入,.,.,.,1概述,2轴的结构设计,3轴的强度计算,.,一.轴的功用：,1.支承作回转运动的零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；,2.传递运动和动力；,1概述,1.轴的分类及材料选择（保证轴的强度、刚度要求）；,2.轴的正确结构设计（轴上零件定位准确、固定可靠、装拆方便，轴加工工艺性好；重点,3.轴的强度计算；,4.轴系设计实例分析。,.,光轴,阶梯轴,空心轴,曲轴,二.轴的分类,.,转轴既受弯矩，又受转矩的轴，如齿轮减速器中装齿轮的轴。,心轴只受弯矩M的轴，如滑轮轴、自行车前轮轴,传动轴只受扭矩T，或少量弯矩（轴自重引起）如汽车双万向联轴器的中间轴,.,传动轴,.,转轴,.,特殊用途的轴如钢丝软轴,设备,.,轴的设计步骤,有特殊要求时,.,三.轴的材料及选择,(1)碳素钢,优质碳素钢：35、45、50等,45钢使用最广泛,普通碳素钢：Q235A等,特点,强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好,应力集中敏感性小,热处理后提高耐磨性、疲劳强度,.,(2)合金钢,用于高速、重载、较重要的轴,常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等,特点,对应力集中敏感性较大,强度和淬火性比碳素钢好,价格比碳素钢贵,注意,刚度与碳素钢相同(两者弹性模量E相近),我国Cr、Ni资源少，尽量用代用钢种,(如40MnB机械性能接近40Cr),.,(3)球墨铸铁,以铁代钢,特点,对应力集中敏感性较小,吸振性、耐磨性好,可以做成复杂形状,价廉,冲击韧性低、质量不易控制,毛坯,圆钢棒料尺寸小的轴,锻造毛坯尺寸较大或为提高强度的轴,焊接毛坯大件锻造困难,铸造毛坯形状复杂的轴、空心轴等,.,轴的结构设计主要取决于轴在机器中的安装位置及形式，轴上零件的定位、固定以及联接方法，轴所承受的载荷，轴的加工工艺以及装配工艺要求等如果轴的结构设计不合理，可能会影响轴的工作能力，增加轴的制造成本或轴上零件装配的困难。因此轴的结构设计是轴设计中的重要内容,2轴的结构设计,.,.,一.轴系结构分析,轴的结构设计目的合理确定轴的外部形状和全部尺寸,.,轴颈：轴上与轴承配合的部分轴头：与轮毂配合的部分轴身：联接轴颈和轴头的非配合部分轴环：直径大且呈环状的短轴段轴肩：截面尺寸变化的台阶处,.,二.轴的结构设计应考虑的主要因素,4.有利于提高轴的强度和刚度（轴的受力合理、应力集中小）。,3.良好的加工工艺性；,2.便于轴上零件的装拆和调整；,1.保证轴上零件的定位和固定可靠；,一）零件轴向固定的目的,三.零件轴向固定,防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。,.,特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴向定位和固定,轴肩,轴环,二）常用轴向固定,1.轴肩（或轴环）,过渡圆角r,定位高度h,注意事项：,1）轴的过渡圆角半径r应小于轴上零件的倒角C或圆角半径R；,定位轴肩：过渡圆角r轴头长度l，取l=B-（12）mm,常用于两个近距离的零件之间，起定位和固定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的轴上。,.,常与轴肩或锥面联合使用，固定零件稳定可靠，能承受较大的轴向力：,注意：轮毂宽度B轴头长度l，取l=B-（12）mm,3轴端挡圈-,.,4圆锥面-装拆方便，宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。,.,5圆螺母与止动垫圈-固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。,注意：零件宽度B轴长度l，取l=B-（12）mm,.,6弹性挡圈-结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。,注意：零件宽度B轴长度l，取l=B-（12）mm,.,7紧定螺钉-结构简单，可兼作周向固定，传递不大的力或力矩，不宜用于高速。,.,三.轴的结构工艺性便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装,一）轴的加工工艺性要求,1.不同轴段的键槽，应布置在轴的同一母线上，,a.正确结构,b.不正确结构,以减少键槽加工时的装卡次数；,.,2.需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应留螺纹退刀槽。,砂轮越程槽,螺纹退刀槽,3.相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一.,.,二）轴上零件装配工艺性要求,与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。,a）倒角,b）导向锥面,轴的配合直径应圆整为标准值,轴端应有cX45的倒角,.,五.提高轴强度、刚度的措施,一）合理布置轴上零件，改善轴的受力情况,1.使弯矩分布合理把轴、毂配合分成两段，减小最大弯矩值。,不合理结构,合理结构,.,2.使转矩合理分配,不合理的布置,合理布置,.,3.改进轴上零件结构减轻轴的载荷,卷筒轴只受弯矩,卷筒轴既受弯又受扭,.,.,4.改进轴的结构以减小应力集中的影响,1）轴肩变化处,尽量增大采用较大的过渡圆角，受限时可采用内凹圆角或加装隔离环。,.,4.改进轴的结构以减小应力集中的影响,2）加工键槽时,用盘铣刀比用键槽铣刀加工对轴的削弱较为平缓。,渐开线花键比矩形花键在齿根处应力集中小。,.,4.改进轴的结构以减小应力集中的影响,3）当过盈配合时,要合理地选择零件与轴的配合；并可在轮毂或轴上开减载槽或者加大配合部分的直径。,.,5.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度,表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。,轴的表面粗糙度和表面强化处理方法对轴的疲劳强度有影响。轴的表面越粗糙，疲劳强度也越低。,.,二）减小轴的应力集中轴的剖面变化处、轴毂配合面的边缘键槽根部等会产生应力集中。,b）过盈配合处的应力集中,a）截面尺寸变化处的应力集中,b）过盈配合处的应力集中,c）小孔处的应力集中,a）截面尺寸变化处的应力集中,c）小孔处的应力集中,.,当过渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环,对于过盈配合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽,凹切圆角,过渡肩环,减载槽,.,3轴的强度计算,一.按扭转强度计算适用于传动轴、转轴初算,扭转强度条件：,轴的扭剪应力（MPa）；,式中：,.,对于实心圆轴：,A与轴的材料有关的系数，查表11-1。,计算说明：,1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为轴端；,2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大5%。双键槽增大10%，将所计算的直径圆整为标准值即：,设计计算式：,.,W轴的抗弯剖面系数（mm3）,转动心轴：r=-1b=-1,M不变：b=+1b,M变化：b=0b,b许用弯曲应力,弯曲强度条件：,对于实心圆轴，WT=d3/32d3/10,二按弯曲强度计算用于心轴强度计算,.,表1轴的常用材料及主要机械性能,245,118,69,碳素钢,45,正火,100,170217,600,300,275,140,196,93,54,调质,200,217255,650,360,300,155,216,98,59,合金钢,40Cr,调质,100,100300,241286,750,550,350,200,241286,700,550,340,185,b=650Mpa，s=360Mpa，-1=300Mpa，-1=155Mpa,+1b=216Mpa，0b=98Mpa，-1b=59Mpa,.,三按弯、扭合成强度计算用于转轴强度计算,强度计算的前提条件：轴的结构设计初步完成，支承点位置确定，支反力可求。,弯曲应力：,扭剪应力：,根椐第三强度理论转轴危险截面上的应力：,称为计算弯矩或当量弯矩,.,因为M、T两者产生的应力循环特性r和r不同，通常r=1，而一般r1，将T转化为对称循环变化，引入应力修正系数,则,轴弯、扭合成强度条件为：,.,轴受不变扭矩时，rT=+1，,轴受脉动扭矩（有振动冲击或频繁启动停车）rT=0，,轴受对称扭矩(频繁双向运转)时，rT=-1，,转矩的变化不清楚时按脉动循环处理,也可按弯、扭合成强度条件计算轴的直径,.,设计时应注意：由于轴的各剖面的当量弯矩和直径不同，因此轴的危险剖面在当量弯矩较大或轴的直径较小处。一般选一个或二个危险剖面核算。,1)要合理选择危险剖面,若验算轴的强度不够，即,则可用增大轴的直径、改用强度较高的材料或改变热处理方法等措施来提高轴强度；,3)若比小很多时，是否要减小轴的直径，应综合考虑其他因素而定。有时单从强度观点，轴的尺寸可以缩小，不过却受到其他条件的限制。例如刚度、振动稳定性、加工和装配工艺条件以及与轴有关联的其他零件和结构的限制等。因此必须就所有条件进行全面考虑，方可做出改变轴结构尺寸的决定。,4)对于重要的轴，尚需采用更精确的安全系数法校核。,.,四.按安全系数校核计算(重要轴),疲劳强度安全系数计算,受弯曲、扭剪应力复合作用的强度条件,计算安全系数,受弯矩的安全系数,受扭矩的安全系数,许用安全系数,.,.,静强度安全系数计算,短时严重过载场合,S0-静强度计算安全系数,S0,S0-受弯矩，转矩作用时的静强度计算安全系数,S0静强度安全系数(P366),.,4轴的设计方法及步骤,设计图示带式运输机中单级斜齿轮减速器输出轴。已知：电动机的功率P1=25KW，n1=970r/min；齿轮传动的主要参数及尺寸为：法面模数mn=4mm，两轮齿数分别为Z1=20，Z2=79，螺旋角，分度圆直径d1=81.81mm，d2=319.19mm，中心距a=200mm，齿宽b1=85mm，b2=80mm，单向运转。,一.例题题目,.,二.设计方法及步骤,一）选择轴的材料,因该轴无特殊结构尺寸要求，故选45钢调质，,二）按扭转强度初步计算轴的直径,低速轴的功率：,低速轴的转速：,低速轴的计算直径：,.,考虑轴端装联轴器需要开键槽，轴径应为,低速轴计算扭矩：,选输出轴端联轴器型号为：,联轴器孔径要求：d联孔=55mm,强度要求即：dmind2ca,初定轴最小直径d2min,(P310),.,三）轴的结构化设计,1.选择轴上零件的装拆方案，初定轴的形状,轴上零件的装拆，可采取两种方案：,轴上零件：有齿轮、滚动轴承、联轴器,.,左边轴承从左端装拆，用轴肩定位和固定；大齿轮、右边轴承和联轴从右端装拆，前两者之间用套筒固定，联轴器用轴肩和轴端挡圈固定。,轴上零件装拆方案a）,.,左边轴承和大齿轮从左端装拆，两者均用套筒固定；右边轴承和联轴器从右端装拆，两者均用轴肩定位和固定。,轴上零件装拆方案b）,.,2.按a）方案进行轴的结构化设计,1.确定轴的最小直径dmin：因为轴的最小直径处安装联轴器，故取dmin=55mm；,2.设计轴的结构；,1)仅从轴的强度和加工工艺考虑，可将轴制成55的光轴,.,2）考虑轴上零件的装拆、定位、固定要求，应轴制成阶梯轴,.,考虑左轴承和大齿轮的定位及固定，应制轴肩和轴环,考虑右轴承和大齿轮的定位及固定，应有套筒,.,考虑联轴器、大齿轮轴向和周向固定，联轴器的轴向固定，进一步完善轴的结构,.,3）根据轴上零件的定位和固定要求确定各段轴的直径；,取：定位轴肩高度h=（0.07）d+(23)mm,非定位轴肩高度,各段轴直径：,或d=(5-10)mm,.,4）根据轴上零件的尺寸及位置要求确定各段轴的长度l和各力点距离L,L,a,b1,a,L,K,L联轴器,l,L3,L2,L1,l7,l5,l4,l6,l3,l2,l1,B,s,b2,B,s,L联孔,.,l6,确定各段轴的长度li,7214AC轴承，宽度B=24mm,.,确定各力作用点间距离Li,.,四）按弯扭合成强度校核计算,1.计算齿轮上的作用力：,扭矩,圆周力,径向力,轴向力,.,2.求轴承支反力，轴的各平面弯矩MV、MH，合成弯矩M合及计算弯矩Mca,A,C,B,D,.,.,3.按弯、扭合成强度校核计算,1）确定危险截面位置,2）强度校核计算：,结论轴的弯、扭合成强度足够。,.,五）按安全系数校核轴的疲劳强度,1.确定危险截面位置,E、F、G截面只受弯矩作用，I、J截面只受扭矩作用，H截面既受弯矩又受扭矩，且有圆角、配合引起的应力集中；J截面虽受扭矩作用但直径较小，H、J截面可能是危险截面。,C,.,.,2.对危险截面进行安全系数校核（校核H、J截面）,H截面安全系数校核：,1）H截面合成弯矩MH合，扭矩TH,2）H截面弯曲应力（对称循环）：,3）H截面扭剪应力（按脉动循环）：,右,右,.,绝对尺寸系数（表17-8）,有效应力集中系数,综合影响系数,.,5）安全系数校核计算,H截面左侧：,H截面右侧：,.,J截面左侧无应力集中源，只需校核右侧面。值得注意是：J截面右侧同时存在配合和圆角应力集中，综合影响系数,具体计算（略）。,J截面安全系数校核：,.,5轴系结构设计中常见错误事例分析,例1指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。,错误分析图,正确结构图,1缺少键联接，齿轮未周向固定；,错误原因：,2轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠；,3轴端无倒角，轴承不便安装。,.,正确结构图,错误分析图,b）,1齿轮轴两端无倒角轮廓线；,错误原因：,2齿轮左右两端均未轴向固定；,3缺少键联接，齿轮未周向固定。,.,题2下图为双级斜齿圆柱齿轮减速器输出轴的轴系结构图，齿轮用油润滑，轴承采用脂润滑。试分析轴系结构的错误，在有错误处标明序号，说明原因并提出改正方法。,.,1联轴器顶住端盖，产生摩擦磨损，应设计一定位轴肩；2轴承盖与轴应有间隙，并设有密封件；3应加调整垫片，箱体加工面与非加工面应分开；4轴承端面距箱体内壁应有一定距离，5齿轮无法装拆;6键槽应与联轴器处键槽设置在同一方位上，且键顶部与轮毂键槽之间应有间隙,键应局部剖开,.,7轴过长；8不应该开键槽，且此段轴过长，顶住了端盖；9轴肩过高，不便于轴承拆卸；10轴承没有轴向定位，可设轴套定位，且轴承内圈外侧未固定；11键过长，并且与齿轮处的键不在同一方位。12.伸出轴过长,.,例题：分析齿轮轴系的错误并改正之。轴承采用脂润滑。,.,一、轴上零件的固定,1、联轴器轴向和周向均未固定；,2、齿轮周向未固定；,3、套筒轴向固定齿轮不可靠；,.,二、转动件与静止件