机械设计基础课件_轴教材

第十章 轴的设计 中国建材工业出版社 本章主要内容 第一节 轴的功用及类型 第三节 轴的结构设计 第二节 轴的材料及选择 本章基本要求 1、了解轴的功用、分类、特点和应用 2、了解轴的材料及其选择 3 、掌握轴的结构设计 本章重点难点 本章重点 本章难点 轴的结构设计 轴的结构设计 第一节 轴的功用及类型 一、轴的功用 （1）支承回转零件（齿轮、皮带轮）； （2）传递运动和动力。 （3）受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。 轴是组成机器的重要零件之一，轴的工作情况好坏直接影响到整台机器 的性能和质量 第一节 轴的功用及类型 二、轴的分类 1）转动心轴：工作时轴随转动 件一起转动。 2）固定心轴：工作时轴不转动 。 （一）按承载情况不同分为： （1）心轴只受弯矩的轴； （2）转轴既受弯矩又受转矩的轴； （3）传动轴只受转矩或弯矩很小的轴。 1、心轴 第一节 轴的功用及类型 二、轴的分类（续） 传动轴 2、传动轴 接发动机 接后桥 第一节 轴的功用及类型 二、轴的分类（续） 转轴 3、转轴 转轴是机器中最常见的轴，简称为轴。 问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？ 0 轴： 轴： 轴： 轴： 轴： 轴： 传动轴 转轴 转动心轴 转轴 转轴 转动心轴 如何判断轴是否传递转矩： 从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴 轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。 如何判断轴是否承受弯矩： 该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则 该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。 第一节 轴的应用及类型 二、轴的分类（续） a:直轴 b:曲轴 c:挠性轴 光轴 阶梯轴 （二）按轴线的形状分类 轴 1、直轴轴线为直线的轴（又可分为实心、空心 ） 1）光轴 各轴段直径相同的直轴称为光轴。光轴形状简单，加工容易、 应力集中源少，主要用做传动轴。 a) 第一节 轴的应用及类型 二、轴的分类（续） 2）阶梯轴 各轴段直径不同的直轴称为阶梯轴。这种设计使得各轴段的强度相近， 且便于轴上零件的装拆和固定，故在机器中应用最广泛。 第一节 轴的应用及类型 二、轴的分类（续） 2、曲轴轴线为曲线的轴 3、挠性轴轴线可按使用要求变化的轴 常用于往复式机器和行星轮系中。 常用于建筑机械中的捣振器、汽车中的转速表等。 第二节 轴的材料及其选择 对轴材料的要求：具有足够的强度，对应力集中的敏感性低，有较好 的耐磨性、工艺性和经济性。 轴的材料常用碳钢和合金钢 1、碳钢价格低 ，对应力集中不敏感，中碳优质钢可通过热处理 ，得到良好的综合力学性能。常用的碳素钢有35、40、45钢，碳素钢 中应用最广泛的是45号钢，常用调质或正火处理。 2、合金钢强度高、耐磨性好，具有良好的力学性能和热处理性 能，可满足特殊工作要求。多用于高速、重载及要求耐磨性好的场合 。但价格较贵，对应力集中敏感。 20Cr、40Cr、20CrMnTi 3、形状复杂的轴：高强度铸铁及球墨铸铁。球墨铸铁吸振性好 ，对应力集中不敏感。常用于凸轮轴、曲轴。 一、轴的材料及选择 第二节 轴的材料及其选择 轴的材料、热处理方法及材料的主要力学性能 见表111（P184）。 在选择轴的材料和热处理方法时，应以强度和耐磨性为根据。 注意：钢材 种类 热处理 对钢材弹性模量E影响很小， 用 热处理 合金钢 不能提高轴的刚度。 轴的毛坯： 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 二、轴设计的主要问题与设计特点 失效形式：1.疲劳破坏 疲劳强度校核。 2.变形过大 刚度验算（如机床主轴）。 3.振动折断 高速轴，自振频率与轴转速接近。 4.塑性变形 短期尖峰载荷 验算屈服强度。 设计的主要问题： 1.合理的结构设计 保证轴上零件有可靠的工作位置，装 配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的 调整； 第二节 轴的材料及其选择 第二节 轴的材料及其选择 a、有足够的强度 疲劳强度、静强度； b、有足够的刚度 防止产生大的变形； c、有足够的稳定性 防止共振 稳定性计算。 2.工作能力计算 轴的设计步骤 轴的结构形状和尺寸 选用合适的材料 结构设计 强度和刚度计算 转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。 第三节 轴的结构设计 一、轴的结构设计的任务与原则 合理确定轴的外形和全部结构尺寸。 （轴没有标准的结构形式，须针对不同情况具体分析。） 设计要求： 1.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定； 2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整； 3.轴应具有良好的加工工艺性； 4.应有利于提高轴的强度和刚度。 F 等强度 阶梯轴 设计任务： 组成 轴颈：装轴承处 尺寸= 轴承内径； 轴头：装轮毂处 直径与轮毂内径相当； 轴身：联接轴颈和轴头部分。 二、轴上零件的布置 端轴颈 轴头 中轴颈 轴头 第三节 轴的结构设计 滚动轴承齿轮 滚动轴承键槽半联轴器 轴颈轴身 轴头 轴颈轴身轴头 轴承盖 轴承盖 典型轴系结构 第三节 轴的结构设计 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （一）轴上零件的装配方案: 一般应考虑拟定几种不同方案，进行分析比较后再选择。 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （一）轴上零件的装配方案（续）: 1 轴端挡圈 2 带轮 3 轴承端盖 4 轴承 5 套筒 6 键 7 齿轮 轴的结构设计 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （二）轴上零件的定位 （1）轴肩和轴环 目的：防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。 过渡圆角r 定位高度h 由 组成 1. 零件的轴向定位: 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 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。 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；表11-5 2）轴环宽度b b1.4h 10 mm 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 3）轴肩轴 环高度h 定位轴肩：高度h>C(或R) ,通常取h=（0.070.1）d 或h=R（C）+(0.52)mm 滚动轴承：轴肩高度 轴头长度l，取l = B -（23）mm 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （3）轴端挡圈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- （23）mm 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （4）圆锥面装拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、重载及零件对中性 要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定 。 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （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。常用于轴上两零件间距较大处，也可用于 轴端。 注意：零件宽度B > 轴长度l ， 取l = B-（23）mm 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 为防松，需加止动垫圈或使用双螺母。 止动垫圈 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （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-（23 ）mm 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 （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。 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 1）轴上零件一般均应作双向固定，可将各种方法联合使用。 2）保证固定可靠，防止过定位，L轴段长度=B轮毂宽-(23)mm。 必须注意： 第三节 轴的结构设计 三、结构设计中应考虑的主要问题 目的：使零件能同轴一起转动，传递转矩。 常用键、花键、销、紧定螺钉、过盈等联接来定位 。 键联接制造简单，装拆方便。 用于传递转矩较大，对中性要求一 般的场合，应用最为广泛。 键槽应设计成同一加工直线，并 尽可能采用同一规格的键槽截面 尺寸。 紧定螺钉联接只能用于传力不大处。 2. 零件的周向定位 花键联接承载能力高，定心好， 导向性好，但制造较困难，成本较高 。用于传递转矩大，对中性要求高或 导向性好的场合。 过盈配合联接结构简单，定心好 ，承载能力高，工作可靠，但装配困 难，对配合尺寸的精度要求较高。 销联接用于固定不太重要，受力不 大，但同时需要轴向固定的零件。 作业 v课后 五 3 第三节 轴的结构设计 二、结构设计中应考虑的主要问题（续） （三）轴的结构工艺性 1、加工工艺性： 结构应便于加工。 便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装 1） 不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工 时的装卡次数； a. 正确结构 b.不正确结构 第三节 轴的结构设计 二、结构设计中应考虑的主要问题（续） 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 0.8 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。 第三节 轴的结构设计 二、结构设计中应考虑的主要问题（续） 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。 2）轴上零件装配工艺性要求 3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。 b）导向锥面 1.轴的配合直径应圆整为标准值。 2.轴端应有cX45的倒角。 a）倒角 4.装配段不宜过长。 二、结构设计中应考虑的主要问题（续） 第三节 轴的结构设计 （四）、提高轴强度和刚度的措施 1.减小应力集中 合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。 b）过盈配合处的应力集中 轴的应力集中发 生的位置 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 第三节 轴的结构设计 减小应力集中的措施： 2）尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽； 3）重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。 1）用圆角过渡； 卸载槽 d d/4 B B 过渡肩环 凹切圆角 r 30 二、结构设计中应考虑的主要问题（续） 第三节 轴的结构设计 4）避免相邻轴径相差太大； 二、结构设计中应考虑的主要问题（续） 第三节 轴的结构设计 2、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 F 合理结构 F 二、结构设计中应考虑的主要问题（续） 第三节 轴的结构设计 2）使转矩合理分配 T1 T3 T4 T2 输出轮输入轮输出轮 T1 T2 T3 T4 输出轮输入轮 1 不合理的布置 Tmax= T2 + T3 + T4 合理布置 Tmax= T3 + T4 第三节 轴的结构设计 下面结构哪个好？ 3）改进轴上零件结构，减轻轴的载荷 卷筒轴既受弯矩又受扭矩 卷筒轴只受弯矩 第三节 轴的结构设计 斜齿轮： 两斜齿轮旋向应相同 4）采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。 行星齿轮减速器： 多个行星轮均布 第三节 轴的结