机械设计-学做一体化PPT课件（共13章）第7章轴设计.pptx

第 7章 轴设计第 7章 轴设计7.1 概述7.2 轴的结构设计7.3 轴的强度计算7.4 轴的刚度计算 7.5 轴的设计举例思考与练习第 7章 轴设计根据第2章中确定的传动方案,按照设计工作的先后顺序介绍轴设计,它是以材料力学中关于扭转、弯曲、交变应力等有关内容为基础的本章设计任务是减速器输入轴和输出轴的设计轴是组成机器的重要零件之一,用来支承旋转零件,如前面章节所设计的带轮、链轮及齿轮等传动部件,都要安装在轴上,和轴一起传递动力和运动,同时轴上还要安装轴承,通过轴承支承在箱体上,和箱体相对转动第 7章 轴设计图70设计任务轴设计第 7章 轴设计7.1 概 述1.轴的功用和分类 轴按其轴线形状的不同,分为直轴和曲轴本章只讨论直轴直轴按其受载情况不同可分为三类:(1)转轴:既承受弯矩又承受转矩,如减速器中的轴2)心轴:只承受弯矩的轴,如图71所示心轴又分为固定心轴(见图71(a)和转动心轴(见图71(b)3)传动轴:主要承受转矩的轴,如图72所示,如汽车后桥传动轴、吊车传动轴等第 7章 轴设计图71心轴第 7章 轴设计图72传动轴第 7章 轴设计2.轴的材料轴的失效多为疲劳破坏,所以轴的材料应满足强度、刚度、耐磨性等方面的要求,常用的材料有:(1)碳素钢。

对较重要或传递载荷较大的轴,常用35、40、45和50号优质碳素钢,其中45号钢应用最广泛这类材料的强度、塑性和韧性等都比较好进行调质或正火处理可提高其机械性能对不重要或传递载荷较小的轴,可用Q235、Q275等普通碳素钢第 7章 轴设计(2)合金钢合金钢具有较好的机械性能和淬火性能但对应力集中比较敏感,价格较高,多用于有特殊要求的轴,如要求重量轻或传递转矩大而尺寸又受到限制的轴常用的低碳合金钢有20Cr、20CrMnTi等,一般采用渗碳淬火处理,使表面耐磨性和芯部韧性都较好合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多,故不宜用合金钢来提高轴的刚度3)球墨铸铁球墨铸铁具有价廉、吸振性好、耐磨,对应力集中不敏感,容易制成复杂形状的轴等特点但品质不易控制,可靠性差轴常用的金属材料及力学性能见表71第 7章 轴设计第 7章 轴设计第 7章 轴设计7.2 轴的结构设计7.2.1 轴结构设计概述 1.轴的结构特点通常减速器轴也即减速器齿轮轴是用来支撑齿轮副、轴承和其他轴上零件并传递扭矩的,轴的轮廓为阶梯状图73所示为减速器的低速轴及与其装配连接的轴系零部件第 7章 轴设计图73减速器低速轴的轴系零部件第 7章 轴设计轴由轴头、轴身和连接部分组成。

图中轴的d3、d7两轴段装在滚动轴承中,并通过滚动轴承支撑在箱体上,这两个轴段称为轴颈,是轴的支承部分;轴的d1、d4两轴段上安装着联轴器和齿轮轮毂,称为轴头,这是轴的工作部分;连接轴颈和轴头的d2、d5、d6等则称为轴身,这是轴的连接部分为了便于装拆,一般轴中间大、两端小,呈阶梯状阶梯轴上截面尺寸变化的部位称为轴肩和轴环轴肩和轴环常用于轴上零件的定位在图73中,齿轮由左方装入,依靠轴环限定轴向位置,左端的联轴器和右端的轴承靠轴肩定位第 7章 轴设计为了固定轴上的零件,轴上还设有其他相应的结构,如左端置有安装轴端挡圈用的螺纹孔;轴上开有键槽,通过键连接实现齿轮的周向固定为便于加工和装配,轴上还常设有倒角、中心孔和退刀槽等工艺结构第 7章 轴设计2.轴的设计内容 轴的设计包括两个方面:一是结构设计,赋予轴合理的结构形状,便于轴上零件的安装、固定和拆卸,同时也尽可能使轴具有良好的加工工艺性二是强度、刚度计算,以保证轴在载荷作用下不致断裂或产生过大的变形一般情况下,只有对有刚度要求的轴(如车床主轴)才进行刚度计算3.轴的设计步骤轴的设计步骤通常是:画草图选材料估算最小轴径根据轴上零件初步确定轴的结构根据载荷校核轴径修改结构画轴的零件图样。

第 7章 轴设计7.2.2 轴的结构设计 1.轴上零件的配置 轴上零件可分为三类,即工作件(如齿轮、带轮、链轮、联轴器等)、支承件(如轴承)和固定件(如键、套筒、挡板等)其配置根据是:(1)工作件的位置除必须考虑自身的尺度外,主要取决于相关件的位置,即其他部件上与之对偶工作的零件位置2)支承件的位置主要取决于机架的位置要求和支承组合的结构要求3)固定件的位置主要取决于自身长度和结构空间第 7章 轴设计2.轴上零件的固定 轴上零件的固定可分为周向固定和轴向固定1)周向固定轴和轴上零件沿圆周方向的固定,目的是传递转矩和运动,常采用键、销连接和过盈配合等固定形式2)轴向固定为防止轴上零件在运转时产生轴向移动,常采用轴肩(见图74)或轴环、套筒(见图75)、圆螺母(见图76)、弹簧挡圈(见图77)和轴端挡圈(图78)等固定形式第 7章 轴设计图74轴的轴向固定第 7章 轴设计图75套筒定位第 7章 轴设计图76螺母定位第 7章 轴设计图77弹簧挡圈第 7章 轴设计图78轴端挡圈第 7章 轴设计轴肩定位是利用轴的断面变化形成的台阶阻止轴上零件的轴向移动这种定位简单可靠,能承受较大的轴向力但轴肩定位会使轴径加大,并且使轴肩处将因断面的突变而引起应力集中。

同时,轴肩过多也不利于加工,因而定位轴肩多在轴向力大、并且又不致过多地增加轴的阶梯数的情况下采用为了使轴上零件能靠定位面,轴肩或轴环的圆角r应小于配合孔的倒角C或圆角R,而轴肩的高度a不能小于配合孔的倒角C 或圆角R第 7章 轴设计套筒定位既能避免轴径增大,又可减少应力集中源,但会增加轴系的总重量,故不宜用于高速旋转轴采用套筒定位是利用位置已定的零件1来固定零件2为了可靠地定位,不允许相关的三个零件的端面共面(见图75(b),而应像图75(a)那样,留有间隙(=13mm),以保证套筒能顶住轮毂端面圆螺母定位可承受大的轴向力,多用于轴端处轴中部用此结构时,可避免采用过长的套筒,不过在螺纹处有很大的应力集中,将降低轴的疲劳强度为了防止松脱,可用双螺母或圆螺母与止动垫圈配套使用第 7章 轴设计轴端挡圈固定只适用于轴端零件的轴向固定轴端挡圈、圆螺母与轴的相应端面间也应留有间隙,以保证能压住轮毂弹簧挡圈固定的结构简单紧凑,常用于滚动轴承的轴向固定但是,它承受的轴向力较小此外,切槽尺寸需要较高的精度,否则与被固定件间可能存在轴向间隙,或者弹簧挡圈不能装入槽内第 7章 轴设计3.轴上零件的装拆(1)在满足使用要求的前提下,应选用较松的配合,配合段长度要尽可能短些,配合段前的直径要细一些,以方便装配。

2)为便于零件装配,轴端应制出45倒角当装配的零件较重或配合的过盈量较大时,装入端应做出导向圆锥第 7章 轴设计4.轴的加工工艺性(1)轴的结构要符合制造要求,如:同一轴上的键槽要布置在轴的同一纵向线上;尽量选用同一规格的键槽截面尺寸2)为便于轴的加工,轴端面应有中心孔当轴需要磨削加工或车制螺纹时,在轴上还应留出砂轮越程槽或螺纹退刀槽3)在满足使用要求的前提下,轴的形状要力求简化,轴的阶梯数要尽量少,轴的尺寸精度和表面粗糙度的选择要适当4)为了改善轴的疲劳强度,减轻轴在变断面处的应力集中,应适当地增大过渡圆角各圆角亦应尽量选用同一尺寸第 7章 轴设计5.减速器轴的结构设计过程 减速器轴的结构设计往往是减速器设计的核心和难点,如果轴的结构完全确定下来,意味着减速器的设计工作基本完成如图79所示,减速器的轴一般为阶梯轴,端部直径最小,向中间依次加粗,自然形成阶梯状阶梯轴的形状也是轴上零件装卸的必然要求轴结构的设计有以下过程第 7章 轴设计图79减速器轴结构第 7章 轴设计(1)设计前准备轴结构设计开始前要先计算出轴的最小直径,它是形成阶梯的基础;同时,还要先确定轴上需要安装的零件,如齿轮、轴承、联轴器和定位轴套等。

其中轴承和联轴器为标准件,估计它们安装位置的轴段,推算出大体轴径,从手册中选出其型号当标准件型号选定时,和它相配合的轴段的直径和长度便随之确定第 7章 轴设计(2)和装配图设计同时进行减速器上往往有多根轴,各个轴上的零件都靠轴上的结构来定位,轴结构设计稍有不当,将使得轴上配合的零件发生错位,例如图79中的两齿轮,可能因为两轴上的轴肩及定位轴套使两齿轮中心不在同一平面上,造成齿轮不能很好地啮合,影响到齿轮的工作和寿命保证轴上零件良好配合的有效方法,是把轴放在装配图上进行其结构设计,这样,各轴上的零件配合关系一目了然,设计中可以从大局出发,随时都能兼顾其他零件和结构轴结构的设计中,最忌讳只见树木不见森林,不顾装配关系,独立设计轴零件,再作装配,造成各轴错位,最后不得不返工重来第 7章 轴设计(3)各轴段的确定减速器轴最终是要确定各段的轴径和长度设计按照先直径后长度的原则进行轴径的确定是由两轴端开始,依次向中间加大,不允许出现减小的情况在安装标准件处轴径的大小依据标准件内径的配合要求确定,非标准件处按设计手册规范确定,如安装齿轮处,可连同齿轮内径的尺寸一起确定轴端长度是根据轴上零件的轴向尺寸和轴向定位要求确定,保证齿轮副的正确安装定位和轴承在箱体上正确的轴向位置,在此前提下,算出各轴段的长度。

第 7章 轴设计(4)其他结构轴段确定之后,再确定其上的键槽、定位螺孔和退刀槽等其他结构第 7章 轴设计7.3 轴的强度计算7.3.1 按许用扭转剪切应力初步估算轴径轴的剪切应力的条件为第 7章 轴设计第 7章 轴设计将T、WT代入式(71),得式中各符号的意义同前,与A的值由表72确定轴的计算处若有键槽,对轴的强度会有所削弱所以,当有一个键槽时轴径应加大4%,有两个键槽时(成180)加大10%第 7章 轴设计第 7章 轴设计7.3.2 按许用弯曲应力校核轴径 轴径经过初步估算和结构设计之后,可按如下步骤进行轴径的强度校核1)根据轴的结构草图确定受力点,为简化计算,一般认为齿轮(带轮、链轮)的力点在齿宽(或轮缘宽)中点处联轴器的力点在其轮毂长的一半处轴承支反力的力点与轴承类型和布置方式有关,通常可如按图710所示的情况及相应数据确定向心推力轴承的值和各种类型滚动轴承的宽度B可参阅有关手册对于滑动轴承,当宽径比B/d1时,e=0.5B;B/d1时,e=0.5d,但不小于(0.250.35)B;对于调心滑动轴承,e=0.5B第 7章 轴设计图710轴承支反力作用点第 7章 轴设计(2)画出轴的空间受力简图,将轴上的作用力分解为水平面和垂直面的受力图,分别求出支反力。

3)分别作出水平面和垂直面的弯矩图MH、Mv及合成弯矩图M：(4)画转矩T图第 7章 轴设计(5)计算当量弯矩Md:式中,为根据转矩性质而定的折算系数对不变的转矩,=0.3;对脉动的转矩,=0.6;对于频繁正反转的轴,转矩可视为对称循环变化,=1若不清楚转矩的变化规律,一般可按脉动循环处理第 7章 轴设计第 7章 轴设计第 7章 轴设计7.4 轴的刚度计算1.轴的弯曲刚度校核计算 轴的弯曲刚度校核计算就是用材料力学中的公式和方法算出轴的挠度y 或偏转角,并应满足下式:式中:y为许用挠度;为许用偏转角,见表74第 7章 轴设计2.轴的扭转刚度校核计算 用材料力学的公式和方法算出轴每米长的扭转角,并满足式中:为轴每米长的许用扭转角,见表74第 7章 轴设计第 7章 轴设计7.5 轴的设计举例本案例为输出轴设计已知输出轴上的转速n3=195.12r/min,输入功率P3=5.43kW;输入转矩T3=265.69Nm要求设计确定轴的结构和尺寸,并进行强度校核解输出轴上的零部件及装配草图如图711所示第 7章 轴设计图711输出轴上的零部件及装配草图第 7章 轴设计(1)确定轴上的作用力已计算的齿轮参数:模数m=2.5;大齿轮齿数z2=101,其分度圆直径d2=252.5mm,齿宽b2=70mm;计算轴上的作用力。

大齿轮上圆周力大齿轮上径向力:第 7章 轴设计大齿轮上轴向力:大齿轮上法向总作用力:第 7章 轴设计由链轮参数:链传。