机械设计14轴与轴毂联接

1、第14章 轴与轴毂联结 14 轴与轴毂联结轴与轴毂联结 14.1 概述 14.2 轴的结构设计 14.3 轴的强度计算 14.1.1 轴的功用及分类轴的功用及分类 1.用途： 2.分类： 直轴（阶梯轴） 14.1 概述概述 按轴线形状分： 直轴 曲轴 光轴 阶梯轴 挠性钢丝软轴(灵活传递) 按所受载荷分： 心轴： 弯矩 2.分类： 转轴 ：弯矩+扭矩（齿轮轴） 传动轴： 扭矩（汽车的传动轴） 固定心轴（滑轮轴,自行车车轮轴） 转动心轴（火车车厢的车轴） 14.1.1 轴的功用及分类轴的功用及分类 14.1 概述概述 转转 动动 心心 轴轴 固固 定定 心心 轴轴 3.失效分析： 14.1 概述

2、概述 原因失效形式 强度不足疲劳断裂 静强度不足塑性变形或脆性断裂 刚度不足弯曲变形或扭转变形 4.设计轴的主要内容: 1)选取材料、 毛坯形式、 热处理方法 2)轴的结构设计 3)轴的强度校核 14.1.2 轴的材料及选用轴的材料及选用 14.1 概述概述 1.要求：强度、 韧性、 耐磨性 调质 淬火 高频淬火 渗碳淬火 渗氮淬火 2.材料： 碳素钢45# ： 一般条件（价廉，对应力集中敏感性低） 常用热处理方法：调质或正火 合金钢 40Cr：高温、低温、重载、腐蚀（力学性能高、 淬透性高、对应力集中较敏感性） 常用热处理方法：调质 、淬火等 14.1 概述概述 比较：选用合金钢, 采用热处

3、理只能提高轴的强度和耐磨性, 对刚度几 乎没有影响 原因: 钢的种类和热处理对弹性模量E影响很小. 3.毛坯 圆钢 (轧制) 锻件 铸铁、球墨铸铁(价廉、吸振性和耐磨性好、对应力集中敏 感性低)-用于形状复杂的轴 14.1.2 轴的材料及选用轴的材料及选用 14.2 轴的结构设计轴的结构设计 轴颈：、 轴头：、 轴身：、 轴颈轴头轴身 14.2 轴的结构设计轴的结构设计 机构设计的内容:定出合理外形和全部结构尺寸 机构设计应 满足的要求: 定位要求、定位要求、 固定要求、固定要求、 工艺要求、工艺要求、 疲劳强度要疲劳强度要 求、尺寸要求、尺寸要 求求 一般已知：装配简图、轴的转速、传递的功率

4、、传动件（如齿轮）的主要参 数和尺寸等 以圆锥圆柱齿轮减速器的输 出轴为例说明（如图所示） 、确定轴上主要零件的相互位置 、a、c、s、l 14.2 轴的结构设计轴的结构设计 14.2.1 轴上零件的装配与布置轴上零件的装配与布置 现以圆锥-圆柱齿轮减速器输出轴的两种装配方案为例进行对比，显然，第二种方案较第一种方案 多了一个用于轴向定位的长套筒，使机器零件增多，质量增大，故不如第一种方案好。 拟定轴上零件的装配方案 1.轴上零件的轴向定位及固定 14.2.2轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定 1）轴肩和轴环 要求r轴R孔或r轴C孔 错误 正确 轴肩定位 轴向固定轴向固定 特点：特点：结

5、构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力 应用：应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位 2）套筒 3）轴用圆螺母 错 误 正 确 要求轴肩高度滚动轴承内圈高度 圆螺母定位 轴向固定轴向固定 特点：特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力 由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降 应用：应用：常用于轴的中部和端部 当用轴肩、轴环、套 筒、圆螺母、轴端挡圈 进行零件的轴向定位时， 为保证轴向定位可靠， 要求L轴L毂 4）轴端挡圈 错误 正确 5）弹性挡圈）弹性挡圈 7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销 6）圆锥面（挡圈 +螺母） 弹性挡圈固定 轴向固定轴向固定 特点：特点：结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力切 槽

6、需要一定的精度 应用：应用：常用于固定滚动轴承等的轴向定位 轴端压板定位和紧定螺钉固定 轴向固定轴向固定 用于轴端定位 可承受剧烈振动和冲击 适用于轴向力小， 转速低的场合 1.轴上零件的轴向定位及固定 14.2.2轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定 14.2.2轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定 1.轴上零件的轴向定位及固定 注意：圆角尺寸关系 14.2.2 轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定 2.轴上零件的周向固定 键、花键、销、弹性环、过盈配合、成形联接、紧定螺钉 轴系结构改错 四处错误正确答案 三处错误正确答案 两处错误 1.左侧键太长，套筒 无法装入 2.多个键应位

7、于同一 母线上 14.2.3 轴各段直径和长度的确定轴各段直径和长度的确定 1.轴的直径 2）由dmin逐渐放大（考虑定位固定） 3）配合处取标准值，非配合处可不取标准值，各段轴径相 差510mm。 4）圆角、倒角（手册）。 1）按扭转强度初估dmin（见下一节） 2.轴段的长度 2）零件与零件间的距离（图） 1）轴段的长度略小于（约23mm）配合的毂长 14.2.4 轴的结构工艺性轴的结构工艺性 1.形状、尺寸便于加工和装拆 便于加工 键槽：尺寸尽量一致 开在同一母线上 圆角：r尽量相同；倒角：尺寸相同 螺纹有退刀槽、磨削需有砂轮越程槽（标准值） 2.中心孔：提高同轴度 3.各轴段作用不同，

8、其精度和表面粗糙度不同 阶梯轴 便于装拆 轴端有倒角：45、30、60 轴端有倒锥（过盈配合处） 定位轴间（套筒）高度 1.形状、尺寸便于加工和装拆 14.2.4 轴的结构工艺性轴的结构工艺性 轴端加工450倒角 14.2.4 轴的结构工艺性轴的结构工艺性 14.2.5 提高轴强度的措施提高轴强度的措施 1.改进轴的结构以减小轴的应力集中 14.2.5 提高轴强度的措施提高轴强度的措施 2.改善轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 降低表面粗糙度 轴表面碾压、喷丸等强化处理 表面进行热处理 3合理布置轴上传动零件的位置以减小轴的载荷 轴系改错 轴系零件的拆装训练轴系零件的拆装训练 n轴设计的主要问题

9、轴设计的主要问题 （1）选择轴的材料； （2）在轴系结构设计中进行轴的结构设计： 确定轴的各段直径和长度 轴的结构工艺性 解决轴上零件的固定和定位等问题 （3）进行轴的强度校核（防止疲劳折断）； （4）必要时进行轴的刚度（防止过渡变形） 和振动稳定性计算（防止共振）。 轴的一般设计过程： 估算轴径 初步结构设计 按弯扭合成强度计算 修正结构设计 按疲劳强度精确核算 绘制工作图。 dM、T 14.3 轴的强度计算 脉动循环应力脉动循环应力 对称循环应力对称循环应力 （ ） t o （ ） （ ） t t o o 轴的应力分为三类 扭矩：脉动循环应力(常见) n转轴 弯矩：对称循环应力 t 静应力

10、静应力 14.3.1 按扭转强度计算（初步确定轴的最小直径） 2 .0 1055.9 3 6 T T T d n p W T 校核式： 3 3 6 2 . 0 1055. 9 n p A n p d T 设计式： A值：如所计算的轴值：如所计算的轴 径上有键槽等结构，应将径上有键槽等结构，应将 计算的直径适当放大，并计算的直径适当放大，并 将直径按标准直径系列圆将直径按标准直径系列圆 整。教材标为整。教材标为C值值,可按表可按表 查查C值。值。 14.3 轴的强度计算 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 b e b d TM W M 1 . 0 )( 1 3 22 强度校

11、核： 3 1 . 0 b e M d 设计公式： 转轴同时承受扭矩和弯矩，必须按二者组合强度进 行计算。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴 上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的 中点上。具体的计算步骤如下： 1）画出轴的空间力系图；（分解为水平面分力和垂直面分力） 2）计算水平面和垂直面上的弯矩并作出弯矩图； 3）计算合成弯矩M并作出弯矩图； 4）计算转矩M T并作出转矩图； 5）计算当量弯矩M ，绘出当量弯矩图。 6）根据当量弯矩图找出危险截面，进行轴的强度校核。 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 条件：已知支点、扭距，弯矩 步骤： 1、作轴的空间受

12、力简图 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 2、求水平面支反力RH1、RH2作水平面弯矩图 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 3、求垂直平面内支反力RV1、RV2，作垂直平面内的弯矩图 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 4、作合成弯矩图 22 VH MMM 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 5、作扭矩图 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 6、作当量弯矩图 22 )( TMM e ：考虑扭矩和弯矩产生应力的循环特性差异的系数。 扭转切应力为静应力、脉动循环应力、对称循环应力时， 分别取 =0.3、0.6、1。 14.3.2 按弯扭合成强度计算 14.3 轴的强度计算 7、校核 危险截面轴的强度 b e b d TM W M 1 . 0 )( 1 3 22 强度校核： 3 1 . 0 b e M d 设计公式： 挠 度： yy 偏转角： 22 )3( xzxy MMM作出合成弯矩： 22 )()5(TMM作出当量弯矩： b e b d TM W M 1 . 0 )( )6( 1 3 22 强度校核： ：考虑扭矩和弯矩产生应力的循环特性差