机械设计哈工大第十章 轴.ppt

1、第10章 轴,10.1 概述,10.1.1 轴的分类,转轴,心轴,传动轴,工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。,用来支撑转动零件且只承受弯矩而不传递转矩的轴称为心轴。,用来传递转矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。,转动心轴,固定心轴,1、按受载荷分,（1）曲轴 （2）软轴 （3）空心轴,2、按结构形状分,10.1.2 轴的受力、应力及失效形式,以减速器的输出轴为例来讨论转轴的受力、应力及失效形式,在AB之间的任意截面上，只有弯矩M，因此只有弯曲应力,在BC之间的任意截面上，既作用有弯矩M，又作用有转矩T，因此，即有弯曲应力 ，又有扭转剪应力,而在CD之间的任意截面上，只作用有转矩T，因此只有扭

2、转剪应力,1、受力及应力分析,转轴,弯曲应力 为对称循环变应力，其循环特征r=-1(见图a) 。 扭转剪应力的循环特征r随转矩的性质而变化。当转矩T的大小及方向恒定不变时，扭转剪应力 为静应力，其循环特征r=+1（见图b）。,当转矩T按脉动循环变化时，扭转剪应力 也为脉动循环，其循环特征r=0（见图c）。,当转矩T为对称循环时，扭转剪应力 也为对称循环，其循环特征r=-1（见图d）。,图a,图b,图c,图d,2、应力循环特征,3、轴的一般失效形式(变应力下) 疲劳断裂：疲劳裂纹发展到一定程度后突然断裂。,10.1.3 轴的设计,设计计算,结构设计,轴的设计分三步进行:,（1）初定轴径;,（2）

3、结构设计: 画草图, 确定轴的各段尺寸, 得到轴的跨距和力的作用点;,（3）计算弯矩、弯曲应力及扭剪应力，进行校核计算。,已知 条件,选择 轴的 材料,初算 轴径,结构 设计,计算 弯矩,校核 计算,完善 设计,修改直径,转轴设计程序框图,轴的设计主要解决两个方面的问题,轴的材料主要采用,常用的优质碳素钢有 30、40、45和50钢， 其中45钢应用最多,碳素钢,合金钢,常用的合金钢有20Cr、40Cr、35SiMn和35CrMo等,10.2 轴的材料,10.3 轴径的初步估算,10.3.1 类比法,10.3.2 经验公式计算,高速输入轴的直径d可按与其相联的电动机轴的直径D估算,d=(0.8

4、1.2)D,各级低速轴的直径d可按同级齿轮传动中心a估算,d=(0.30.4)a,通常估算轴的最小直径，作为结构设计的依据,参考同类已有机器的轴的结构和尺寸进行分析对比,10.3.3 按扭转强度计算,或,计算公式,当最小直径剖面上有一个键槽时增大5%，当有两个键槽时增大10%，然后圆整为标准直径,10.4 轴的结构设计,轴的结构设计的主要要求是：,（1）轴应便于加工，轴上零件应便于装拆。 （制造安装要求）,（2）轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置。 （ 定位固定要求）,（3）轴的受力合理，尽量减少应力集中等。,以下，以减速器的低速轴为例加以说明,减速器中有阶梯轴,减速器低速轴结构图,10.4

5、.1 制造安装要求,便于拆卸、便于安装、便于制造 做成阶梯轴 应有倒角 有越程槽 键应靠近端部,10.4.2 固定要求,1.轴上零件的轴向固定,(1)轴肩固定,联轴器 齿轮 轴承,(2)套筒固定 轴承与齿轮之间,(3)圆螺母固定 相邻零件间距大,(4)轴端挡圈 查标准,(5)弹性挡圈 轴向力小 削弱轴的强度,(6)、紧定螺钉 传递力小,2.轴上零件的周向固定,为了传递运动和转矩,或因某些需要,轴上零件还需有周向固定（参考轴毂联接）,10.4.3 受力、应力要求以提高轴的强度,1.合理布置轴上传动零件的位置,分析两种方案的最大转矩(a)小于(b),2.合理设计轴上零件的结构,轮毂配合面分成两段

6、减小弯矩、改善配合,3.减小应力集中,过渡肩环,轴肩过渡结构,内凹圆角,配合轴段上的卸载槽,轮毂上的卸载槽,4.提高轴的表面质量,提高轴的疲劳强度:表面强化如碾压、喷丸、表面淬火等,喷丸强化，是在一个完全控制的状态下，将无数小圆形称为钢丸的介质高速且连续喷射，捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层。 因为当每颗钢丸撞击金属零件上，宛如一个微型棒捶敲打表面，捶出小压痕或凹陷。为形成凹陷，金属表层必定会产生拉伸。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。最终，零件在压应力层保护下，极大程度地改善了抗疲劳强度，延长了安

7、全工作寿命。,10.4.4 轴的结构设计,轴的径向尺寸确定,1.箱体内壁位置的确定,H=1015mm A=b+2H A应圆整,轴的轴向尺寸确定,2.轴承座端面位置的确定,C=+C1+C2+(510)mm -箱体壁厚 C1、C2-螺栓扳手空间 B=A+2C B应圆整,3.轴承在轴承座孔中位置的确定, 值尽量小 减小支点距离 油润滑时 = (510)mm 脂润滑时 = (1015)mm,4.轴的外伸长度的确定,(1)当轴端安装弹性套柱销联轴器时 K值由联轴器的型号确定,(2)当使用凸缘式轴承盖时 K值由连接 螺栓长度确定,(3)当轴承盖与轴端零件都不需拆卸时,一般取 K=5mm8mm,10.5 轴

8、的强度校核计算,10.5.1 轴的计算简图,简化成简支梁， 力的作用点：弯矩、扭矩，简化在中点， 支点：与轴承类型有关。,10.5.2 按弯扭合成强度计算,强度条件（第三强度理论、当量应力）,在计算截面上 弯曲应力b=M/W 扭转剪应力=T/WT,10.5.3 轴的安全系数校核计算,1.轴的疲劳强度安全系数的校核计算,危险剖面：指发生破坏可能性最大的剖面,校核危险剖面疲劳强度安全系数的公式为,危险剖面的可能位置：截面小、受力大、应力集中,弯曲应力的循环特性:,扭剪应力的循环特性:,2.静强度的安全系数校核计算,静强度安全系数条件:,若强度不够：换材料、增大尺寸、热处理、修改结构 若强度富裕：减小尺寸等 但必须综合考虑刚度、结构等要求,许用安全系数：,查表10-5,应力集中系数： 影响因素： 圆角半径 键槽、孔 过盈配合,表面质量系数： 影响因素： 表面强化处理 表面粗糙度 腐蚀情况,尺寸系数： 影响因素： 尺寸大小 材料性能,10.6 轴的刚度计算简介,设计时的轴