机械设计基础课件 模块11 轴和轴毂连接

汇报时间：汇报人：模块11轴和轴毂连接目录Contents学习目标01单元11.2轴的结构设计03单元11.4轴的材料及选择05单元11.6轴毂连接07模块小结09单元11.1轴的分类和应用02单元11.3轴的强度计算04单元11.5轴的设计方法06单元11.7AI在轴与轴毂连接设计优化中的应用与展望08模块习题10PART.01学习目标-了解轴的分类和应用。-了解轴毂连接的分类和应用。-掌握轴的结构设计、强度计算、材料及选择以及设计方法。-掌握轴毂连接的选择与校核。01020304知识目标-能够根据具体工程机械分析、设计轴，以及评估轴在特定工况下的适用性。-能够根据具体工程机械分析、设计轴毂连接，以及评估轴毂连接在特定工况下的适用性。Part01Part02技能目标-能够理解轴和轴毂连接的工作原理、类型及特点，能够分析其在不同机械设备中的应用场景，并具备运用所学知识解决实际工程问题的能力。素质目标PART.02单元11.1轴的分类和应用-轴是组成机器的重要零件之一，主要功能是支承回转零件、传递转矩和运动，其工作状况直接影响整台机器的性能和质量。轴的功能与重要性-心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩，分为固定心轴（工作时不转动，弯曲应力为静应力状态，如图11-2所示的自行车前轮轴）和旋转心轴（工作时随转动零件一起转动，弯曲应力按对称循环规律变化，如图11-3所示的铁路机车的轮轴）。-转轴：工作时既承受弯矩又承受转矩，是机器中最常见的轴，通常简称为轴，如图11-1所示。-传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩或所承受的弯矩很小，如图11-4所示。按承载性质分类-直轴：按外形不同分为光轴（形状简单、加工容易、应力集中源少，主要用作传动轴，如图11-5(a)所示）和阶梯轴（各轴段截面直径不同，使各轴段强度相近，便于零件装拆和固定，应用广泛，如图11-5(b)所示），直轴一般制成实心轴，也可采用空心轴（如图11-5(c)所示）。Part.01-曲轴：属于专用零件，如图11-6所示。Part.02-挠性钢丝轴：属于专用零件，如图11-7所示。Part.03按轴线形状分类PART.03单元11.2轴的结构设计-轴颈：轴与轴承配合处的轴段，分为端轴颈（位于轴的两端，只承受弯矩）和中轴颈（位于轴的中间，同时承受弯矩和转矩），还可分为径向轴颈（承受径向力）和止推轴颈（承受轴向力）。01-轴头：安装轮毂的轴段。02-轴身：轴头与轴颈间的轴段。03-轴端：轴的端部。04轴的组成部分轴上各段的名称轴环轴身轴颈轴头轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴身轴的组成部分-轴的毛坯种类。-轴上作用力的大小及其分布情况。-轴上零件的位置、配合性质以及连接固定的方法。-轴承的类型、尺寸和位置。-轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。影响轴结构和形状的因素2)轴上零件的周向固定。-其他轴向固定方式：螺母固定（如图11-14所示）、弹性挡圈固定（如图11-15所示）、紧定螺钉固定（如图11-16所示）、轴端固定装置（如图11-17所示）等。-目的：传递运动和转矩，防止零件与轴相对转动，常用方法有键连接、花键连接和过盈配合连接等，统称为轴毂连接，如图11-8所示的齿轮与轴的周向固定采用平键连接。轴的形状力求简单，阶梯轴级数尽量少，轴颈、轴头直径取标准值，轴身尺寸取以mm为单位的整数。轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸尽可能统一，需磨削的轴段应有砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽，如图11-18所示。轴上键槽应位于同一母线上，轴端应有倒角，阶梯轴常设计成两端小中间大的形状以便零件装拆。轴的加工和装配工艺性使轴的形状接近于等强度条件：对于只承受转矩的轴，制成光轴或接近光轴形状；对于承受交变弯曲载荷的轴，制成阶梯轴，如图11-9所示。避免各轴段剖面突然改变：在轴段过渡处制成适当圆角，避免开孔或开槽，必要时采用减载槽、中间环或凹切圆角等结构，如图11-10所示，同时注意轴表面粗糙度选择及表面强化方法。改变轴上零件的布置：通过合理布置零件减小轴上载荷，如图11-11所示。改进轴上零件的结构：通过改进零件结构减小轴上载荷，如图11-12所示。轴的强度、刚度1)轴上零件的轴向固定。零件在轴上的固定-常用方法：轴肩固定、轴环固定、螺母固定、套筒固定、轴端挡圈固定等，选择时取决于轴向力大小、制造及装拆难易等因素。-轴肩结构：由定位面和内圆角组成，内圆角半径r应小于零件上的外圆角半径R或倒角C，轴肩高度h=(0.07~0.1)d+(0.5~2)mm，轴环宽度b≈1.4h，如图11-13所示。轴的结构设计要点PART.04单元11.3轴的强度计算-初始设计时按纯扭转受力情况估算轴的直径，抗扭强度条件为：(\tau=\frac{T}{W_T}=\frac{9.55\times10^6P}{0.2d^3n}\leq[\tau])（11-1），设计计算公式为：(d\geq\sqrt[3]{\frac{T}{0.2[\tau]}}=\sqrt[3]{\frac{9.55\times10^6P}{0.2[\tau]n}}=C\sqrt[3]{\frac{P}{n}})（11-2），其中C为由轴的材料和承载情况确定的常数。-常用材料的[(\tau)]值和C值见表11-1，计算直径需圆整为标准值，有键槽时需增大直径（一个键槽增大3%~5%，两个键槽增大7%~10%）。轴的扭转强度计算作出转矩图。04画出轴的空间力图，分解力并求支点反力。01计算当量弯矩(M_e=\sqrt{M^2+(\alphaT)^2})，其中α为修正系数（不变转矩α≈0.3，脉动循环转矩α≈0.6，对称循环转矩α=1）。05分别作水平面和垂直面弯矩图。02校核危险截面强度：(\sigma_e=\frac{M_e}{W}=\frac{\sqrt{M^2+(\alphaT)^2}}{0.1d^3}\leq[\sigma_{-1b}])。06计算合成弯矩(M=\sqrt{M_H^2+M_V^2})，绘制合成弯矩图。03-完成结构设计后，按弯扭合成强度理论对危险截面进行校核，步骤如下：轴的弯扭合成强度计算1)轴的弯曲刚度校核计算应用材料力学公式计算轴的挠度y或偏转角θ，满足(y\leq[y])、(\theta\leq[\theta])，许用值见表11-3。2)轴的扭转刚度校核计算计算轴单位长度的扭转角φ，满足(\phi\leq[\phi])，许用值见表11-3。轴的刚度计算PART.05单元11.4轴的材料及选择-碳素钢：成本低，对应力集中敏感性小，常用30、40、45钢（最常用），需调质或正火处理；载荷较小或不重要场合用Q235A、Q275等普通碳素钢。Part.01-合金铸铁和球墨铸铁：毛坯铸造成形，吸振性高，耐磨性可通过热处理提高，对应力集中敏感性低，但质量不易控制，可靠性较差。Part.03-合金钢：力学性能高，用于传递大功率、需减轻质量和提高轴颈耐磨性时，如20Cr、40Cr等。Part.02轴的常用材料-轴的常用材料及其部分力学性能见表11-4。轴的常用材料力学性能PART.06单元11.5轴的设计方法01-根据轴的工作条件，选择相似轴进行类比及结构设计，绘制零件图，一般不进行强度计算，依赖现有资料和经验，结果可靠但可能有盲目性。类比法-步骤：根据工作条件选择材料，确定许用应力；按扭转强度估算最小直径；设计轴的结构，绘制结构草图；按弯扭合成强度校核危险截面；修改结构后重新校核；绘制零件图。-说明：一般不进行刚度、振动、稳定性校核，重要或高速轴需进行疲劳强度校核及弯曲刚度校核。0102设计计算法PART.07单元11.6轴毂连接01-作用：实现轴和轮毂间的周向固定，传递运动和转矩，部分可实现轴向固定或导向。02-选择因素：传递转矩大小和性质、轮毂与轴的对中精度要求、加工难易程度等。轴毂连接的作用与选择因素结构：两侧面为工作面，靠挤压传递运动和转矩，上表面为非工作面，如图11-19(a)所示。类型：普通平键（圆头A型、方头B型、半圆头C型，如图11-19所示）、导向平键（用于动连接，如图11-20所示）、滑键（用于滑移距离较大的动连接，如图11-21所示）。尺寸：剖面尺寸（键宽b×键高h）按轴径d从标准中选定，键长L略小于轮毂长度，见表11-5。强度校核：静连接按挤压强度(\sigma_p=\frac{4T}{dhl}\leq[\sigma_p])，动连接按压力(p=\frac{4T}{dhl}\leq[p])，许用值见表11-6；强度不足时可增加键长（不超过2.5d）或采用双键（相隔180°布置，按1.5个键计算）。1)平键连接两侧面为工作面，对中性好，能自动适应轮毂键槽底面倾斜，加工工艺性好，安装方便，用于锥形轴与轮毂的连接，键槽较深对轴强度削弱大，适用于轻载场合，如图11-23所示。2)半圆键连接楔键：上下表面为工作面，有1:100斜度，靠摩擦力传递转矩，能轴向固定零件和传递单向轴向力，对中要求不高，适用于载荷平稳和低速场合，分为普通楔键和钩头楔键，如图11-24所示。切向键：由两个1:100斜度的楔键组成，工作面在通过轴心线的平面内，传递转矩大，用于轴径大于100mm、对中性要求不高的重型机械，传递双向转矩需两个切向键成120°~135°布置，如图11-25所示。3)楔键连接和切向键连接010203键连接-结构：轴和轮毂孔沿圆周方向均布多个键齿构成，承载能力大，定心和导向性好，键齿浅、应力集中小，对轴削弱少，适用于载荷较大、定心精度要求高的静连接和动连接，加工需专用设备，成本高，如图11-26所示。-类型：矩形花键（GB/T1144—2001，小径定心，如图11-26(a)所示）、渐开线花键（GB/T3478.1—2008，齿侧定心，如图11-26(b)所示）。-规格与选用：矩形花键规格为（键数N×小径d×大径D×键槽宽B），选用方法和强度验算方法与平键连接类似。01031502花键连接PART.08单元11.7AI在轴与轴毂连接设计优化中的应用与展望-生成式设计方法基于顶层要求生成大量轴模型，AI算法以质量最轻、应力分布均匀、变形最小等为目标进行迭代优化，提供帕累托最优解。02-传统设计依赖经验和手册，AI通过数据驱动建模、智能搜索算法与多物理场仿真，实现轴结构生成与参数优化的智能化、自动化。01-AI可进行全局敏感性分析与协同优化，建立神经网络模型学习参数与性能关系，快速预测固有频率以避免共振。03AI驱动的轴结构智能设计与多目标优化-AI构建集成知识库，涵盖连接特性、适用标准、案例等，通过自然语言处理与案例推理推荐连接类型并给出关键尺寸。-集成解析计算或经验公式，快速预估连接强度（如平键挤压应力、磨损寿命），结合物理信息神经网络构建精确疲劳寿命预测模型，考虑制造与装配因素。0102基于AI的轴毂连接选型与性能预测030201“-设计-制造一体化：AI综合考虑加工工艺性与结构性能，生成最优且易制造的方案。“-基于数字孪生的预测性维护：通过传感器实时同步数据至虚拟AI模型，动态监测应力状态、预测剩余寿命并预警。“-新材料应用加速：AI通过高通量计算与机器学习筛选新型复合材料及表面处理工艺，预测长期服役性能。未来展望PART.09模块小结-单元11.1：轴的分类和应用。-单元11.2：轴的结构设计。-单元11.3：轴的扭转强度计算、弯扭合成强度计算、刚度计算。-单元11.4：轴的材料及选择。01020304-单元11.5：轴的设计方法。-单元11.6：轴毂连接的分类和应用。-单元11.7：AI在轴与轴毂连接设计优化中的应用与展望。050607主要内容总结PART.010模块习题-(1)只承受弯矩而不传递转矩。A.传动轴B.转轴C.心轴。01-(2)为了使套筒、圆螺母或轴端挡圈能紧靠轮毂零件的端面并可靠地进行轴向固定，轴段长度与被固定零件轮毂的宽度之间应满足。A.轴段长度>轮毂的宽度B.轴段长度=轮毂的宽度C.轴段长度<轮毂的宽度。02-(3)同一根轴的不同轴段上有两个或两个以上的键槽时，它们在轴上按方式安排才合理。A.相互错开90°B.相互错开180°C.安排在轴的同一母线上。03-(4)将轴设计成阶梯轴的主要目的是。A.便于轴的加工B.便于轴上零件的装拆和固定C.提高轴的刚度。04-(5)轴上零件的周向固定有多种方法。对于普通机械，当传递转矩较大时，其周向固定宜采用的方法。A.花键连接B.切向键连接C.销连接。05-(6)选用合金钢代替碳素钢作为轴的材料可以使轴的得以有效提高。A.刚度B.强度C.抗振性。06一、选择题