机械设计课件2014第15章轴

1、湘潭大学专用 第15章 轴15-1 概 述15-2 轴的结构设计15-3 轴的计算带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运动和动力的，适用于两轴中心距较大的场合。与齿轮传动相比，它们具有结构简单，成本低廉等优点。15-4 轴的设计实例湘潭大学专用 带式运输机减速器电动机转轴15-1 概 述 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。类型转轴-传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：一、轴的用途及分类湘潭大学专用 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。类型转轴-传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩

2、发动机后桥传动轴一、轴的用途及分类15-1 概 述 湘潭大学专用 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。类型转轴-传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力 前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴一、轴的用途及分类15-1 概 述 湘潭大学专用 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。类型转轴-传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类15-1 概 述 光轴 阶梯轴 按轴的形状分有：一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重

3、时做成空心轴湘潭大学专用 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。类型转轴-传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类15-1 概 述 光轴 阶梯轴 曲轴湘潭大学专用 本章只研究直轴功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。类型转轴-传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类15-1 概 述 光轴 阶梯轴 曲轴挠性钢丝轴湘潭大学专用 设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。二、轴设计的主要内容轴的结构设计： 根

4、据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。 工作能力计算： 轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。 轴的设计过程：N 选择材料 结构设计 轴的承载能力验算验算合格?结 束Y湘潭大学专用 种类碳素钢：35、45、50、Q235轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。三、 轴的材料 合金钢: 20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是45钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本

5、低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。为了改善力学性能正火或调质处理。表15-1 轴的常用材料及其主要力学性能 材料及热处理毛坯直径mm硬度HBS强度极限b 屈服极限s MPa弯曲疲劳极限-1应用说明Q235440240200用于不重要或载荷不大的轴35 正火520270250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。100149187 湘潭大学专用 表15-1 轴的常用材料及其主要力学性能湘潭大学专用 设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。15-2 轴的结构设计设计要求：1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装) 2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定

6、位) 3.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定) 4.改善应力状况，减小应力集中。轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承典型轴系结构湘潭大学专用 一、拟定轴上零件的装配方案 装配方案：确定轴上零件的装配方向、顺序、和相互 关系。湘潭大学专用 轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。 图示减速器输出轴就有两种装配方案。saBcLa圆锥圆柱齿轮二级减速器湘潭大学专用 方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理 。湘潭大学专用 二、轴上零件的定位 4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，

7、6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。轴肩-阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。 轴肩套筒定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。湘潭大学专用 轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。双向固定湘潭大学专用 无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。轴肩的尺寸要求:r C1 或 r 200 mm。 湘潭大学专用 4）按静强度条件进行校核 对于瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的轴，应当进行静强度条件校核。轴的静强

8、度条件为： SS=1.21.4-高塑性材料的钢轴(S /B 0.6)； SS=1.41.8-中等塑性材料的钢轴(S /B =0.60.8)； SS=1.82.0-低塑性材料的钢轴； SS=2.02.3-铸造轴; SS-按屈服强度设计的安全系数； SSca-危险截面静强度设计的安全系数； 其中： SS -同时考虑弯矩和轴向力时的安全系数； 湘潭大学专用 SS -只考虑扭矩时的安全系数：Mmax -轴的危险截面上所受的最大弯矩； Tmax -轴的危险截面上所受的最大扭矩, N.mm； Famx -轴的危险截面上所受的最大轴向力, N； A -轴的危险截面的面积， mm2； W -轴的危险截面的抗弯

9、截面系数， mm3； W-轴的危险截面的抗扭截面系数， mm3。 s -材料的抗弯屈服极限； s -材料的抗扭屈服极限； 湘潭大学专用 lFFF”12弯矩 弯曲变形扭矩 扭转变形若刚度不够导致轴的变形过大，就会影响其正常工作。变形量的描述：挠度 y、转角 、扭角 设计要求： y y 1）弯曲变形计算方法有：1.按微分方程求解2.变形能法适用于等直径轴。适用于阶梯轴。复习材料力学相关内容。y三、 轴的刚度校核计算 TTl湘潭大学专用 表15-4 轴的许用变形量变形种类许用值适用场合变形种类许用值适用场合(0.00030.0005)l一般用途的轴0.0002l刚度要求较高感应电机轴(0.010.0

10、5)mn安装齿轮的轴0.01 (0.020.05) m安装蜗轮的轴滚动轴承0.05向心球轴承调心球轴承圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承0.0010.002齿轮处轴截面0.51一般传动0.20.5较精密传动重要传动挠度mm转角rad每米长的扭角( )/ml 支撑间的跨矩 0.25 0.0016 电机定子与转子 间的间隙 mn 齿轮的模数 m 蜗轮的模数 0.0010.050.0025湘潭大学专用 2）扭转变形计算等直径轴的扭转角：阶梯轴的扭转角：其中：T-转矩； Ip-轴截面的极惯性矩 l -轴受转矩作用的长度；d -轴径；G-材料的切变模量；湘潭大学专用 对2点取矩举例：计算某减速器输出轴危险截面的直

11、径。已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N, 径向力， Fr=6140N, 轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=146 mm,作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）, L=193 mm, K=206 mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：1) 求垂直面的支反力和轴向力=Fad215-4 轴的设计实例aad12湘潭大学专用 L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadMavMavF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力3) 求F力在支点产生的反力4) 绘制垂直面的弯矩图5) 绘制水平面的弯矩图FtF湘潭大学专用 MaMa

12、vMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求F力产生的弯矩图7) 绘制合成弯矩图考虑F可能与H、V内合力共面a-a 截面F力产生的弯矩为：MaFMaL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF湘潭大学专用 MaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求轴传递的转矩9)求危险截面的当量弯矩MaFM2MaT扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数: =0.6 L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF湘潭大学专用 求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大4%，故得：10)计算危险截面处轴的直径 选45钢，调质，b =650

13、MPa, -1b =60 MPa 符合直径系列。湘潭大学专用 按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：1. 将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力FV和水平面支撑反力FH ;2. 作垂直弯矩MV图和弯矩MH图 ;3. 作合成弯矩M图；4. 作转矩T图；5. 弯扭合成，作当量弯矩Me图；6. 计算危险截面轴径:1. 若危险截面上有键槽，则应加大4%2. 若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度不够，应修改设计；3. 若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相 不大，一般以结构设计的轴径为准。对于一般刚轴，按上述方法设计即可。对于重要的轴，还必须用安全系数法作精确校核计算。说明：湘潭大学专用 四、轴的振动及振动稳定性的概念 轴是一弹性体，旋转时，会产生弯曲振动、扭转振动及纵向振动。 一般通用机械中的轴很少发