机械设计 第15章 轴111学习课件

第十五章轴

§15-1概述§15-2轴的结构设计§15-3轴的计算本章内容：轴的分类和材料，轴的结构设计和强度计算。本章重点：轴的结构设计┌支承旋转零件└传递运动和动力

§15-1概述一、轴的功用:－只承受弯矩不传递承受转矩(固定、转动)1.按载荷性质分类心轴前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴二.轴的分类:传动轴－只传递转矩不承受弯矩(或弯矩很小)后桥发动机传动轴－既承受弯矩又传递转矩转轴带式运输机减速器电动机转轴2.按轴线的形状分类曲轴：发动机专用零件直轴又可分为实心、空心（加工困难）光轴阶梯轴钢丝挠性轴：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挠性轴设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。三、轴设计的主要内容轴的结构设计：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，合理地确定轴的结构形式和尺寸。工作能力计算：轴的强度、刚度和振动稳定性。轴的设计过程：N选择材料结构设计轴的承载能力验算验算合格?结束Y1.钢碳素钢┌优质碳素钢:35、45、50，正火或调质处理└普通碳素钢Q235、Q255、Q275合金钢20Cr、20CrMnTi、40Cr、40CrNi、35SiMn、

35CrMo价格较贵，多用于有特殊要求的轴。2.球墨铸铁:QT500-5、QT600-2→曲轴、凸轮轴表15-1列出几种轴的常用材料及其主要力学性能。热处理合金钢不能提高轴的刚度。注意：钢材种类热处理对钢材弹性模量E影响很小四、轴的材料※§15-2轴的结构设计二、

要求一、目的使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。确定轴的尺寸、形状：d、l；3.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装要求)

1.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)

2.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定)

4.改善应力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。轴肩套筒轴肩----阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。

◆轴向定位和固定方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。

1.轴与轴上零件要有准确的工作位置

轴端挡圈双圆螺母轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。轴肩的尺寸要求:r<C1

或r<Rb≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)h≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mmDdrRDdC1rDdrRbC1Ddrhh定位轴肩：h=3~5mm非定位轴肩：h=1~2mm◆周向定位和固定：大多采用键、花键、过盈配合或型面联接等形式来实现。键槽应设计成同一加工直线H7/r6H7/d11H7/r6为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不能过大。2)配合段前端制成锥度；3)配合段前后采用不同的尺寸公差。1)在配合段轴段前应采用较小的直径；结构不合理！2.轴上零件要便于装拆、调整为便于零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。倒角退刀槽装零件的轴端应有倒角，轴肩处要有过渡圆角，键槽应位于同一母线上。需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。3.轴应有良好的制造工艺合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。凹切圆角过渡肩环4.尽量减少应力集中,改善轴的受力状态1）减少应力集中2）改进轴上零件的结构改善轴的受力

起重机卷筒转轴轴径大心轴轴径小输出输出输入输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T1T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理3）合理布置轴上零件轴上零件装配方案比较不同的结构1.拟定轴上零件的装配方案三.轴结构设计步骤说明：

①轴上有单键，直径增大3%;有双键,直径增大7%②P－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→表(15-3)

2.估算轴的最小直径（只计转矩→按扭转强度）空心轴：确定轴段直径大小的基本原则：1.按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。4.有配合要求的零件要便于装拆。3.安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。(a)滚动轴承(b)联轴器(c)密封件2.有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。5.采用套筒、螺母、轴端挡圈做轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比零件轮毂短2～3mm

3.确定轴的各段直径及长度

①由外向内定各段直径②由内向外定各段长度4.确定轴上零件周向固定及结构要素①无定位轴肩②端盖无密封③键槽太长无非定位轴肩⑤套筒太高⑥轴承没定位⑦轴向定位不确定⑧轴承用错或装错⑨无调整垫片⑩端盖端面无凹坑加工量大②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩①§15-3轴的计算

轴的工作能力主要取决于强度和刚度，高速轴还要校核振动稳定性。轴的强度计算、轴的刚度计算(略)•一、轴的强度校核计算1.心轴－只受弯矩→按弯曲强度计算2.传动轴－只受转矩→按扭转强度计算弯矩未知，按扭矩作初步计算1).受力分析：

①轴单向传动：

②轴双向传动：→按扭转强度计算(估算轴的最小直径)Ｔ→τＴ→ｒ＝０（开停）Ｔ→τＴ→ｒ＝－１由Ｔ→τＴ2).强度计算说明：

P－传递的功率(kw);n－轴的转速(r/min);d－轴的直径(mm);[τT]－材料的许用扭剪应力(Mpa)MpaN·mm3.转轴→弯矩＋转矩→按弯扭合成强度计算

由┌Ｍ→

└Ｔ→当量弯矩Ｍca：τT→┌单向→└双向→σb→r=－1合成弯矩Ｍr=0r=－1┌

r=-1α=1τT│r=0α=0.6└r=+1α=0.3α－根据转矩性质而定的折合系数→将扭转切应力转换成与弯曲应力变化特性相同的扭转切应力。

1).受力分析：M+T2).转轴的强度计算⑴按弯扭合成强度计算危险截面计算应力：mm［σ-1］－许用弯曲应力，按材料查表(15-1)Mpa危险截面所需直径：★危险截面的确定：综合轴上弯扭矩和轴直径选择一两个截面按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：1.将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力FV和水平面支撑反力FH;2.作垂直弯矩MV图和弯矩MH图

;3.作合成弯矩M图；4.作转矩T图；5.弯扭合成，作当量弯矩Me图；6.计算危险截面轴径:1.若危险截面上有键槽，则应加大3%2.若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度不够，应修改设计；3.若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相差不大，一般以结构设计的轴径为准。说明：3.按疲劳强度条件进行精确校核4.按静强度条件进行校核P369例二、轴的刚度校核计算弯曲刚度、扭转刚度对2点取矩举例：计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N,径向力Fr=6140N,轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=146mm,作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）,L=193mm,K=206mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：1)求垂直面的支反力和轴向力=Fad2轴的设计实例aad12F1HF2HF1FF2F2)求水平面的支反力3)求F力在支点产生的反力FtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad12MavM’avF1HF2HMaHF1FF2F4)绘制垂直面的弯矩图5)绘制水平面的弯矩图FtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad126)求F力产生的弯矩图a-a截面F力产生的弯矩为：M2FMaFMa7)绘制合成弯矩图M’aMavM’avF1HF2HMaHF1FF2FFtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad12M2FMaF8)求轴传递的转矩9)求危险截面的当量弯矩T扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数:α=0.6MaM’aMavM’avF1HF2HMaHF1FF2FFtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad12M2FMaF求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大3%，故得：10)计算危险截面处轴的直径选45钢，调质，表14-1查得σB