上海交大机械设计——第十八章轴 .pptVIP

基本要求及重点、难点18.1轴的功用、类型及设计要求18.2轴的材料18.3轴的结构设计18.4轴的强度、刚度计算,计划学时：2h,基本要求:1）掌握轴的功用及类型。2）了解轴常用的材料。3）掌握轴结构设计主要问题。4）了解提高轴强度、刚度的措施。,重点、难点：1）轴的分类。2）轴的结构问题。作业:18.1；18.3；18.4,18.1轴的功用和类型及设计要求,18.1.1轴的分类及功用,1.根据轴线形状分,轴一般要由滑动轴承或滚动轴承支承，使其上零件具有确定的工作位置，并传递运动和动力。轴是机械传动中必不可少的重要零件之一。,直轴、曲轴和挠性钢丝软轴。曲轴主要用于作往复运动的机械中。挠性钢丝软轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成，可以把转矩和旋转运动灵活传到任何位置，直轴应用最为广泛。,长直轴,光轴形状简单、加工方便、应力集中源少，但轴上零件不易定位及装配；阶梯轴与光轴正好相反。通常直轴都制成实心的，但有时由于结构的要求而需要在轴中装设其它零件，或者在提高轴的刚度、减小轴的质量具有特别重大作用的场合，则将其制成空心轴。空心轴内径与外径的比值通常为0.50.6，以保证轴的刚度及扭转稳定性。,2.根据轴的外形分,直径无变化的光轴和直径有变化的阶梯轴。,光轴,阶梯轴,空心轴,3.根据承载情况不同分,转轴、心轴和传动轴三类。,1）转轴既传递转矩又承受弯矩，这类轴在各类机器中最为常见；,2）传动轴只传递转矩而不承受弯矩或承受弯矩很小，,3）心轴只承受弯矩而不传递转矩，如火车车辆的轴、自行车的前轴，心轴又可细分为固定心轴和转动心轴。,转动心轴,18.1.2轴的设计要求和设计步骤,1.对轴的设计要求,轴的设计包括结构设计和工作能力计算。合理的结构和足够的强度是轴的设计必须满足的基本要求。,轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。如果轴的结构设计不合理，则会影响轴的加工和装配工艺，增加制造成本，甚至影响轴的强度和刚度。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。,轴的工作能力计算包括轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。足够的强度是轴的承载能力的基本保证。否则会发生塑性变形或断裂失效，使其不能正常工作。对某些旋转精度要求较高的轴或受力较大的细长轴，需保证足够的刚度，以防止工作时产生过大的弹性变形；对一些高速旋转的轴，还要考虑振动稳定性问题，以防止共振的发生。,2.轴的设计步骤,按工作要求选择轴的材料；估算轴的基本直径；轴的结构设计；轴的强度校核计算；必要时作刚度或振动稳定性等的校核计算；绘制轴的零件工作图。,注意：在轴的设计计算过程中，应注意轴的设计计算与其他有关零件的设计计算往往相互联系、影响，因此必须结合进行。,18.2轴的材料,2.合金钢,优质中碳钢具有较高的综合机械性能，用于较重要或承载较大的轴，并可通过调质或正火等热处理方法改善和提高其机械性能。普通碳素钢用于不重要或承载较小的轴。,1.碳素钢,合金钢具有较高的综合力学性能和较好的热处理性能，常用于重要性很强、承载很大而重量尺寸受限或有较高耐磨性、防腐性要求的轴。但合金钢对应力集中敏感性较高，且价格较高。,3.球墨铸铁,球墨铸铁具有价廉、强度较高、良好的耐磨性、吸振性和易切性以及对应力集中的敏感性较低等优点。适于制造成形轴。但铸铁件品质不易控制，可靠性差。,注意：钢材的种类和热处理对其弹性模量影响甚小，如欲采用合金钢代替碳素钢或通过热处理来提高轴的刚度，收效甚微。,18.3轴的结构设计,设计实质：确定轴的合理外形和包括各轴段长度、直径及其他细小尺寸在内的全部结构尺寸。,决定因素：轴的毛坯种类，轴上作用力的大小和分布情况，轴上零件的布置及固定方式，轴承类型及位置，轴的加工和装配工艺性以及其他一些要求。,注意：轴的结构受多方面因素的影响，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。,应满足的要求：1)轴和轴上零件要有准确的工作位置；2)轴上零件应便于装拆和调整；3)轴应具有良好的制造工艺性；4)轴的受力合理，有利于提高强度和刚度；5)节省材料，减轻重量；6)形状及尺寸有利于减小应力集中。,18.3.1轴的主要组成,轴颈轴上被支承的部分。,轴头安装轮毂部分。,轴身联接轴颈和轴头的部分。,轴伸外伸的轴头。,轴肩或轴环阶梯轴上截面尺寸变化的部位,为了便于安装和拆卸，一般的转轴均为中间大、两头小的阶梯轴。轴肩和轴环便于轴上零件的安装，常做为轴向定位、固定的手段，其高度取决于它的用途。,18.3.2轴的各段直径和长度的确定,1.轴的各段直径,遵循原则：1)配合性质不同的表面(包括配合表面与非配合表面)直径应有所不同；2)加工精度、表面粗糙度不同的表面直径应有所不同；3)应便于轴上零件的装拆。,注意问题：1)与轴承配合的轴颈，其直径必须符合滚动轴承内径的标准系列；2)轴上的螺纹部分必须符合螺纹标准；3)利用轴肩或轴环定位最方便可靠，轴肩分为定位轴肩(图中的轴肩、)和非定位轴间(轴肩、)两类。,定位轴肩通常用于轴向力较大的场合,其高度一般取为h=(0.070.1)d，d为与零件配合处的轴径，单位为mm，或取h=(23)C。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承，,非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般取为12mm。,4)与轴上传动零件配合的轴头直径，应尽可能圆整成标准直径尺寸系列，或以0，2，5，8结尾的尺寸；5)非配合的轴身直径，可不取标准值，但一般应取成整数。,2.轴的各段长度,注意问题：1)轴颈的长度通常与轴承的宽度相同；2)轴头的长度取决于与其相配合的传动零件轮毂的宽度，若该零件需在轴向固定，则应使轴头长度较所装零件轮毂的宽度小23mm，以便将零件沿轴向夹紧，保证其固定的可靠性；,3)轴环宽度一般取为b=(0.10.15)d，或b1.4h，并圆整为整数，,18.3.3轴上零件的轴向定位与固定,a)键联接b)花键联接c)成形联接d)弹性环联接e)销联接f)过盈联接,1.周向固定,2.轴向固定,套筒轴肩与轴环,轴端挡圈锥面,圆螺母弹性挡圈,18.3.4轴的结构工艺性,1.加工工艺性,1)轴的直径变化应尽可能少，应尽量限制轴的最大直径与各轴段的直径差，这样既能节省材料，又可减少切削量。,2)轴上有磨削与切螺纹处，要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽，以保证加工的完整和方便。,3)轴上有多个键槽时，应将它们布置在同一直线上，以免加工键槽时多次装夹，从而提高生产效率。,4)如有可能，应使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符合标准和规定，以利于加工和检验。,5)轴上配合轴段直径应取标准值；与滚动轴承配合的轴颈应按滚动轴承内径尺寸选取；轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。,2.装配工艺性,1)为了便于轴上零件的装配，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴。,2)轴端应倒角，去掉毛刺并便于装配。,3)固定滚动轴承的轴肩高度通常应不大于内圈高度的3/4，过高不便于轴承的拆卸。,18.3.4轴的结构改错,结构改错一,结构改错二,结构改错三,结构改错四,18.3.4轴的结构设计举例,轴系结构举例1在蜗轮传动中，为保证蜗轮蜗杆正确啮合，蜗轮中间平面必须通过蜗杆的轴线，因此，蜗轮轴系中的轴承应能按箭头方向调整。,轴系结构举例2在锥齿轮传动中，为保证正确的啮合，必须使两锥齿轮锥顶重合，因此轴承的位置应按箭头方向调整。,轴系的组合设计,18.4轴的强度、刚度计算,18.4.1按许用切应力计算,传动轴只受转矩的作用，可直接按许用切应力设计其轴径。,转轴受弯扭复合作用，在设计开始时，因为各轴段长度未定，轴的跨距和轴上弯矩大小是未知的，所以不能按轴所受弯矩来计算轴颈。通常是按轴所传递的转矩估算出轴上受扭转轴段的最小直径，并以其作为基本参考尺寸进行轴的结构设计。,1.扭转强度,实心圆轴的扭转强度条件,轴的基本直径估算,式中：d为轴的直径，mm；T为轴的扭剪应力，MPa；T为轴传递的转矩，Nmm；P为轴传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min；WT为轴的抗扭剖面系数mm3，其中WT=d3/160.2d3；T为许用扭剪应力(已考虑弯矩对轴的影响)，MPa；C为计算常数，取决于轴的材料和受载情况。,注意问题,1)轴段上开有键槽时，应适当增大轴径；单键槽增大3，双键槽增大7。然后将轴径圆整。,2)按此方法估算出的轴径，应为轴上端部最小直径。,空心圆轴的扭转强度条件,式中：=d1/d，即空心轴的内径d1与外径d之比。,2.经验公式估算轴径,高速轴的最小直径估算,式中：D为电机输出轴的直径。,低速轴的最小直径估算,各级低速轴的最小直径可按同级齿轮中心距a进行估算,18.4.2按许用弯曲应力计算,轴承的载荷作用中心,轴的简化力学模型为,通常把轴简化为简支梁、外伸梁或悬臂梁三种力学模型中的一种形式,强度校核步骤,1）求轴上零件的载荷；2）求支反力；3）作弯矩图，计算合成弯矩，并绘制合成弯矩图；,其中是考虑转矩与弯矩性质不同而设的应力校正系数。对于不变的转矩，取=0.3；对于脉动循环的转矩，取=0.6；对于对称循环的转矩，取=1。如转矩变化规律不清楚，一般按脉动循环处理。,1.绘制计算简图,2.计算当量弯矩,3.确定危险截面,4.进行强度校核,实心圆轴上危险截面应满足的强度条件：,式中：W为危险截面的抗弯截面系数，mm3，W=d3320.1d3：d为危险截面直径；-1为材料在对称循环状态下的许用弯曲应力，MPa。,实心圆轴强度设计公式,18.4.3轴的刚度校核,轴的刚度有弯曲刚度和扭转刚度两种。弯曲刚度用轴的挠度y、偏转角来度量；扭转刚度用轴的扭转角来度量。,扭转刚度条件：,弯曲刚度条件：,18.4.4提高轴的强度和刚度的措施,1.合理设计和合理布置轴上零件，减小最大载荷,2.改