机械设计基础第14章-轴课件

1、第14章 轴14-1 轴的功用和类型14-3 轴的结构设计14-4 轴的强度设计14-5 轴的刚度设计14-1 轴的材料14-1 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：带式运输机减速器电动机转轴功用：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-只传递扭矩发动机后桥传动轴功用：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

2、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-只承受弯矩直轴曲轴类型转轴-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-只承受弯矩直轴曲轴挠性钢丝轴设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确 定尺寸等种类碳素钢：35、45、50、Q235轴的毛坯:圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。14-2 轴的材料 合金钢: 20

3、Cr、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。正火或调质处理。表14-1 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设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。14-3 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；2.轴

4、和轴上零件要有准确的工作位置；3.各零件要牢固而可靠地相对固定；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装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。一、制造安装要求倒角零件的轴向定位由轴肩或套筒来实现。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，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。轴肩套筒轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。三、轴上零件的固定双向固定无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定

5、。轴肩的尺寸要求:r C1 或 r Rb1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)DdrR轴端挡圈双圆螺母DdC1h(0.07d+3)(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈固定。hhC1DdrDdRb轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。键槽应设计成同一加工直线四、轴的各段直径和长度的确定凡有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径 安装滚动轴承、联轴器、密封圈等标准件的轴径就符合各标准件内径系列的规定。 套筒的内径应与相配的轴径相同并采用过渡配合。采用套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比零件

6、轮毂短23mm.五、改善轴的受力状况，减小应力集中 Q方案 aQ方案b 输出输出输入输出输出输入Tmax= T1+T2Tmax = T11.改善受力状况T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理 TRdd/430 2.减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化的。措施：1. 用圆角过渡；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。也可以减小过盈配合处的局部应力。过渡肩环r凹切圆角B卸载槽 也可以在轮毂上增加卸载槽B位置d/416-4 轴的强度设计 一、按扭转强度计算 对于只传递扭转的圆截面轴

7、，强度条件为：设计公式为：对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。计算结果为：最小直径！轴的材料 A3,20 35 45 40Cr, 35SiMn(N/mm ) 1220 2030 3040 4052C 160135 135118 118107 10792表14-2 常用材料的值和C值注: 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,C取较小值; 否则取较大值因b和的循环特性不同，折合后得：二、按弯扭合成强度计算强度条件为：l1l弯曲应力：扭切应力：代入得：W-抗弯截面系数；WT -抗扭截面系数；-折合系数Me-当量弯矩材 料 b +1b 0b -1b 400 130 70

8、 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表16-3 轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢折合系数取值：= 0.3 -转矩不变； 0.6 -脉动变化；1 -频繁正反转。静应力状态下的许用弯曲应力设计公式：折合系数取值：= 0.3 -转矩不变； 0.6 -脉动变化；1 -频繁正反转。设计公式：材 料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95

9、 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表16-3 轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢脉动循环状态下的许用弯曲应力折合系数取值：= 0.3 -转矩不变； 0.6 -脉动变化；1 -频繁正反转。设计公式：材 料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 12

10、0 70 40 400 100 5 0 30表16-3 轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢对称循环状态下的许用弯曲应力对2点取矩例：计算某减速器输出轴危险截面的直径。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/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12解：1) 求垂直面的支反力和轴向力=Fad2aadP2472) 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Ma

11、vMavFtF1HF2HMaHF1FF2FL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP247F6) 求F力产生的弯矩图7) 绘制合成弯矩图a-a 截面F力产生的弯矩为：MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2FL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP247FMaFM2MaMaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求轴传递的转矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP247F9)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 求考虑到键槽对

12、轴的削弱，将d值增大5%，故得：10)计算危险截面处轴的直径 选45钢，调质，b =650 MPa, -1b =60 MPa 符合直径系列。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5%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。说明：lFFF”1214-5 轴的刚度设计弯矩 弯曲变形扭矩 扭转变形变形量的描述：挠度 y、转角 、扭角 设计要求： y y 一、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。yTTl表14-4 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(0.010.05)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