机械设计课件 轴

轴

概述(ɡàishù)轴的结构设计轴的计算精品资料§1概述(ɡàishù)1.1轴的用途及分类轴的作用：支承回转零件、传递运动和动力。轴的分类1）按轴线形状(xíngzhuàn)分：直轴、曲轴和钢丝软轴；2）按外形分：光轴、阶梯轴；3）按剖面分：空心轴、实心轴4）按承受载荷情况分：转轴传动轴心轴精品资料心轴：只承受(chéngshòu)弯矩而不传递转矩转动(zhuàndòng)心轴固定心轴精品资料传动轴:只传递(chuándì)转矩而不承受弯矩或弯矩很小精品资料转轴(zhuànzhóu)：既传递转矩又承受弯矩精品资料曲轴精品资料挠性钢丝(ɡānɡsī)轴精品资料例传动轴：扭矩T心轴：弯矩M转轴(zhuànzhóu)：T+M精品资料脉动循环(xúnhuán)应力对称(duìchèn)循环应力（）to（）（）ttoo轴的应力转轴弯矩：对称循环应力扭矩：脉动循环应力t静应力精品资料1.2轴设计的主要(zhǔyào)内容1、轴的结构设计①确定轴的各段直径和长度②轴的结构工艺性③解决轴上零件的固定和定位等问题2、轴的工作能力设计①强度计算（防止疲劳折断）②刚度计算（防止过渡变形）③磨损计算（防止过量磨损）④振动计算（防止共振）3、轴设计的一般过程估算轴径初步(chūbù)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精品资料1.3轴的材料对轴材料的要求：强度、刚度、耐磨性1）碳素钢：价格低，对应力集中不敏感，可以通过(tōngguò)热处理提高耐磨性优质中碳钢：35、40、45和50号等，进行调质或正火处理。普通碳钢：Q215、Q235、Q255和Q275等2）合金钢：强度高，耐磨性好，可以满足特殊工作要求20Cr、40Cr、20CrMnTi、35SiMn、38CrMoAlA、40MnB等。3）球墨铸铁：价廉、对应力集中敏感性低，适于复杂外形的轴精品资料§2轴的结构设计目的：确定轴的外形和全部结构尺寸轴结构设计的基本要求①装在轴上的零件有相对确定的位置；②轴受力合理，有利于提高强度和刚度；③具有良好的工艺性；④便于装拆和调整；⑤节省材料，减轻重量。设计方法：“三边”设计方法，边计算、边画图、边修改。已知条件(tiáojiàn)：P、n，传动零件的尺寸、参数及传动装置简图。设计步骤精品资料一、拟定轴上零件的装配方案(fāngàn)对如图所示的圆锥-圆柱齿轮减速器的输出轴Ⅲ，可拟定如图所示方案(fāngàn)。精品资料二、轴上零件的轴向定位及固定定位目的(mùdì)定位方法(a)轴肩-锁紧挡圈（b）轴肩-弹性(tánxìng)挡圈（c）双锁紧挡圈（d）轴肩-套筒(e)轴肩-圆螺母（f）轴肩-轴端挡圈（g）套筒-轴端挡圈（h）圆锥形轴头-轴端挡圈

精品资料说明①轴肩高度的确定：定位轴肩，h=（0.07～0.1）d，非定位轴肩，h=1.5～2.5mm，h为与零件相配处的轴的直径；②为保证轴向固定牢靠(láokɑo)，与齿轮、联轴器等零件相配合的轴段落长度应比轮毂长度略短2～4mm。三、轴上零件的周向固定目的：为传递运动和转矩，必须限制轴上零件与轴发生相对转动。方法：键、花键、销、紧定螺钉（用于传力不大之处）以及过盈配合等。精品资料四、初步确定各轴段的直径和长度(1)初步估算轴径1、方法类比法：经验设计方法；按扭转强度(qiángdù)估算：2、按扭转强度(qiángdù)估算对圆剖面钢轴：式中τT扭转剪应力，d估算轴径。式中A与轴的材料有关，。精品资料3、说明①估算确定的轴径d是阶梯轴承(zhóuchéng)受扭矩作用的轴段的最小直径dmin，通常也把它作为中间轴Ⅱ轴装轴承(zhóuchéng)处的直径。②当剖面上开有一键槽时，轴径增大3%～7%，有两个键槽时，增大7%～15%，然后将轴径圆整至标准直径。（2）以dmin为基础画图，初步确定各段轴直径和长度1、阶梯轴各段直径的确定根据拟定的装配方案、轴上零件的固定、装拆要求，以dmin为基础，逐次加大各段轴的直径。d1=dmind2=d1+2(0.07～0.1)d1d3=d2+2(1.5～2.5)，取标准值d4=d3+2(1.5～2.5)d5=d4+2(0.07～0.1)d4d6=d3+2(0.07～0.1)d3精品资料精品资料注①轴颈、轴头的直径应按规范取标准直径，特别是装滚动轴承、联轴器、密封圈等标准件的轴径必须取相应的标准值及所选配合的公差。②为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减小配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用(cǎiyòng)较小的直径。③为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度，或在同一轴段的两个部位上采用(cǎiyòng)不同的尺寸公差。精品资料2、阶梯轴各段长度的确定根据(gēnjù)轴上各零件与轴配合部分的轴向尺寸来确定。例如：l3=b+s+Δ（b为轴承宽度）l1=联轴器与轴配合长度-（2～4）mml2=l+轴承端盖的总宽度；l4=B-(2～4)mml5：轴环宽度，≥1.4h；l6=Δ+s-l5其中：l根据(gēnjù)轴承端盖和联轴器的装拆要求定出，l=20～30mm，s滚动轴承内侧与箱体的距离，s=5～10mm，Δ齿轮端面距箱体内壁的距离，Δ=10～20mm，B为齿轮宽度。精品资料五、轴的结构(jiégòu)工艺性①轴的过渡处应有圆角，为便于加工，过渡圆角处半径尽可能一致；②为便于加工，轴上若有两个以上键槽，应布置在同一母线上，同时键槽的结构(jiégòu)尺寸，尽可能一致；③若轴上有螺纹，应考虑有螺纹推退刀槽；若轴上有磨削，应有砂轮越程槽;④轴端应有倒角，便于装拆，Cx450；⑤轴上零件安装时，所经过的轴段直径都应比该零件孔小；⑥滚动轴承内圈定位的轴肩、套筒的外径应小于内圈的直径。精品资料六、提高轴的强度的措施1、改善(gǎishàn)轴的受载情况弹性(tánxìng)挡圈精品资料2、改进(gǎijìn)轴上零件的结构，减少轴承受的弯矩图示卷筒的轮毂结构使轴承受的弯矩较大；改进(gǎijìn)卷筒的轮毂结构后，不仅可以减小轴的弯矩，提高轴的强度和刚度，而且使轴与轮毂的配合良好。精品资料3、改进轴的结构，减少应力集中4、改善表面质量，提高轴的疲劳强度提高疲劳强度的方法(fāngfǎ)有：减小轴表面的粗糙度值；对轴的表面进行辊压、喷丸等。精品资料§3轴的计算(jìsuàn)3.1轴的强度校核计算强度计算的目的：检验轴的工作能力及结构设计的合理性。强度计算方法：传动轴：传递转矩，应按扭转强度条件计算；心轴：承受弯矩，应按弯曲强度条件计算；转轴：传递转矩，又承受弯矩，按弯扭合成强度条件计算，同时(tóngshí)还应按疲劳强度条件进行精确校核；对瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核静强度，以免产生过大的塑性变形。精品资料一、按弯扭合成强度条件计算当轴上的作用载荷(zàihè)（弯矩、扭矩）和跨距确定后，则可作出扭矩和弯矩图，然后根据各个剖面上的当量力矩计算。为简化计算，通常把轴当作铰支梁，不计轴、轴上零件的重量和轴承中的摩擦力矩。精品资料步骤(bùzhòu)（1）作出轴的计算简图（力学模型）①简化力：先求出轴上受力零件所受的载荷（若为空间力系，应分解为Ft、Fr、Fa），然后把它们全部转化到轴上；②把力分解到水平面和垂直面；③确定支点位置；④计算水平面、垂直面的支反力，FNH，FNV。（2）作出弯矩图根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出水平面上的弯矩MH和垂直面上的弯矩MV，然后按下式求出总弯矩图，精品资料（3）作出扭矩图T（4）校核轴的强度根据M、T，确定危险截面(jiémiàn)，按第三强度理论校核。因为弯曲应力σ为对称循环变应力，而τ常常不是，为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数α，则

α的确定：τ为静应力时，取α=0.3；τ为脉动循环变应力时，取α=0.6；τ为对称循环变应力时，取α=1。精品资料（5）说明①若σca≤[σ-1]，满足要求；若σca>[σ-1]时，需要修改轴的结构；若σca<<[σ-1]时，从经济角度，应修改，但应综合(zōnghé)全面考虑轴承寿命、轴上零件装拆、定位等。②α是按扭矩性质确定的。③对心轴σca=σ，转动心轴，σ为对称循环变应力，许用应力为[σ-1]；固定心轴，σ为脉动循环变应力，许用应力为[σ0]，[σ0]=1.7[σ-1]；对传动轴，按扭转强度计算。④支点位置的确定对“6”类深沟球轴承，支点在轴承宽度中点；对向心推力轴承，支点在压力中心；滑动轴承：当B/d≤1时，e=0.5B；当B/d>1，取e=0.5d，但不小于（0.25～0.35）B。对于调心轴承，e=0.5B。精品资料二、按安全系数进行精确(jīngquè)校核计算（1）目的、实质、方法目的：判断轴在变应力作用下，抵抗疲劳破坏的能力；实质：确定在变应力作用下轴的安全程度；方法：找出一个或几个危险剖面确定安全系数。（2）计算根据第三强度理论，考虑成双向稳定变应力时的疲劳强度，即

式中[S]为许用安全系数精品资料例题某单级直齿圆柱齿轮(chǐlún)减速器用电机拖动，电机功率P=22kW,转速n1=1470rpm，齿轮(chǐlún)的模数m=4,齿数Z1=18,Z2=82，支撑跨距L=180mm，轴的材料用45钢调质，试计算输出轴危险截面处的直径。精品资料解题：1.确定(quèdìng)许用应力[-1]b=60N/mm²3.确定(quèdìng)输出轴上的作用力Ft=2T2/d2=3960NFr=Ft·tgα=1440NFrFtyzxT12342.绘制输出轴的受力简图P=22kWn1=1470rpmm=4Z1=18Z2=82L=180mm45钢调质精品资料解题：FryxMVRV1RV2FtzxMHRH1RH2TFrFtyzxT12344.求弯矩MMV=RV1·L/2=Fr·L/4=64.8N·mMH=RH1·L/2=Ft·L/4=178N·m精品资料解题：FryxMVRV1RV2FtzxMHRH1RH2TFrFtyzxT12345.求当量(dāngliàng)弯矩Me6.求轴径d考虑到键槽(jiàncáo)对轴的削弱，将d值加大5％，故精品资料三、按静强度条件进行校核（1）目的(mùdì)：判断轴抵抗塑性变形的能力；（2）方法：利用瞬时或尖峰载荷，校核静强度。强度条件：3.2轴的刚度校核计算（自学）3.3轴的振动及振动稳定性的概念（自学）精品资料输出(shūchū)轴的设计精品资料轴的材料选用45钢，调质处理。（1）估算轴的最小直径(zhíjìng)查表11.3（机械设计徐锦康主编）确定A值。

单键槽轴径应增大即增大至（取）。精品资料（2）选择输入轴的联轴器1）计算联轴器的转矩查表10.1确定工作情况系数选择弹性柱销联轴器，按