机械设计的教案

机械设计的教案第1页/共64页§15-1概述一、轴的主要功用二、轴的分类1、按承载分心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0）1、支承轴上回转零件（如齿轮）转动心轴：轴转动固定心轴：轴固定2、传递运动和动力第2页/共64页分析火车轮轴属于什么类型？分析自行车轴属于什么类型？第3页/共64页转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）如：减速器中的轴。传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0

如：汽车下的传动轴。第4页/共64页第5页/共64页分析：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0轴：Ⅰ轴：Ⅴ轴：Ⅱ轴：Ⅲ轴：Ⅳ轴：传动轴转轴转动心轴转轴转轴转动心轴第6页/共64页如何判断轴是否传递转矩：

从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩：

该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。第7页/共64页2）曲轴：发动机专用零件2、按轴线形状分1）直轴又可分为实心轴和空心轴光轴阶梯轴第8页/共64页3）钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。动力源被驱动装置接头接头钢丝软轴钢丝软轴的绕制第9页/共64页3.根据图示卷筒轴的三种设计方案填写下表方案轴的类型轴上应力abc转动心轴弯曲应力固定心轴弯曲应力转轴弯曲应力、扭剪应力第10页/共64页三、轴的材料

轴工作时主要承受弯矩和转矩，且多为交变力作用，其主要失效形式为疲劳破坏。因此，轴的材料应满足强度、刚度、耐磨性和耐腐蚀性等方面的要求。1.碳素钢

工程中常用35、45、50等优质碳素钢，其中以45钢用得最广。其价格低廉，对应力集中敏感性较小，可以通过调质或正火处理以保证其机械性能，通过表面淬火或低温回火以保证其耐磨性。对于轻载和不重要的轴也可采用Q235、Q275等普通碳素钢。第11页/共64页2、中、低碳合金钢：具有较高的力学性能和良好的热处理性能，常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴；但价格较贵，对应力集中敏感，所以在结构设计时必须尽量减少应力集中。注意：钢材种类和热处理方法对钢材弹性模量E影响很小，分析：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？∴用热处理合金钢不能提高轴的刚度。第12页/共64页3.球墨铸铁

耐磨、价格低、吸振性好，对应力集中的敏感性较低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。轴的毛坯d小——轧制的圆钢（棒料）：车制；d大——锻造毛坯；空心轴——充分利用材料，↓质量，但加工困难。结构复杂——铸造毛坯，如曲轴；第13页/共64页三、轴设计的基本要求和设计步骤：1.基本要求：

1）具有足够的承载能力：强度和刚度，保证正常工作

2）具有合理的结构形状：轴上零件定位正确、固定可靠且易于装拆，同时使轴加工方便，成本低。第14页/共64页选择材料及热处理方式，确定许用应力。估算轴的最小直径轴的结构设计、绘制草图校核轴的强度绘制轴的工作图不安全安全2.设计步骤：第15页/共64页§15—2轴的结构设计

要求：

①轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置

②轴上零件装拆、调整方便

③轴应具有良好的制造工艺性等

④尽量避免应力集中

一、拟定轴上零件的装配方案

原则：1）轴的结构越简单越合理2）装配越简单、方便越合理第16页/共64页

轴的结构设计包括确定轴的合理外形和全部结构尺寸。轴作为重要的支承零件，除了与齿轮、带轮等旋转零件联接外，还要与轴承组合通过轴承与机座相连，如图示单级圆柱齿轮减速器中的低速轴。§13-2轴的结构设计该轴系由哪些零件组成第17页/共64页二、轴的结构分析

轴颈：轴与轴承配合的部分轴头：安装回转零件的部分

轴身：其它过渡部分

第18页/共64页

与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆角半径均应合理。1）定位轴肩（图中II）的高度h一般取为：h=（0.07~0.1）d三、轴上零件的轴向定位和周向定位：第19页/共64页

与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆角半径均应合理。2）轴上零件为滚动轴承时，定位轴肩高度应查手册中的轴承安装尺寸，不可使轴肩高出轴承内圈端面的高度，以免轴承无法拆卸。

三、轴上零件的轴向定位和周向定位：错误

正确要求轴肩高度<滚动轴承内圈高度第20页/共64页

与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆角半径均应合理。3）不起定位作用的非定位轴肩高度没有严格规定，一般取为1~2mm。

4）轴肩处的圆角半径r必须小于轴上零件毂孔端部的圆角半径R或倒角尺寸C，以免零件端面无法与轴肩端面相接触。

5）轴环宽度b一般取为（1~1.5）h。第21页/共64页2.套筒特点：定位可靠，结构简单，加工方便，可承受较大的轴向力。

应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位。轴上间距不大的两零件的轴向定位。与滚动轴承组合时，套筒的厚度不应超过轴承内圈的厚度，以便轴承拆卸。第22页/共64页3.圆螺母和止动垫圈特点：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：常用于轴的中部和端部正确错误错误第23页/共64页4.轴端挡圈特点：能承受较大的轴向力及冲击载荷，需采用放松措施。

应用：常用于轴的端部的零件固定。第24页/共64页5.圆锥面特点：能承受冲击载荷，装拆方便，但配合面加工较困难。

应用：常用于轴的端部的零件固定。第25页/共64页6.弹性挡圈特点：结构简单紧凑，装拆方便，只能承受很小的轴向力，可靠性差。

应用：常用于固定滚动轴承和移动齿轮的轴向定位第26页/共64页二、轴上零件的周向定位目的：防止零件与轴之间的相对转动1.键平键：对中性好，可用于较高精度、高转速及受冲击或交变载荷作用的场合。半圆键：装配方便，特别适合锥形轴端的联接，对轴的削弱较大，只适用于轻载。第27页/共64页2.花键特点：承载能力强，定心精度高，导向性好，但制造成本高。3.紧定螺钉特点：适用于轴向力小，转速低的场合；在有振动和冲击的场合，应防松。第28页/共64页4.圆锥销5.过盈配合特点：用于受力不大的场合特点：对中性好，承载能力强，适用于不常拆卸的部位。可与平键组合使用，能承受较大的交变载荷。第29页/共64页四、轴的结构尺寸的确定1．拟定轴上零件的装配方案

方案一：

1）由于半联轴器做在轴端上，制造轴的毛坯需要较大的锻造设备。

2）为了方便零件依次从左端装拆，轴的各段直径必须从左至右逐段放大，使得轴右端直径偏大，强度过裕。

3）两端的轴承型号无法一致，箱体上两轴承座孔大小一，不能一次镗出，即不能保证两座孔同心。

4）减少了零件数及零件与轴的配合面数，使部件总的制造、检验和装配方便很多。此轴适合于专业工厂成批制造。第30页/共64页四、轴的结构尺寸的确定1．拟定轴上零件的装配方案方案二：

1）可直接用圆钢做轴的毛坯。

2）轴两头细，中间粗，符合等强度要求。

3）轴承成对使用，箱体上的两个座孔可一次镗出。

4）总的制造、检验和装配工作量多。此轴特别适合于小型工厂或单件生产。

轴上零件装配过程第31页/共64页四、轴的结构尺寸的确定2．确定轴上各段直径和各段长度

(l)直径

各轴段所需的直径与什么因素有关？轴上应力的大小有关。估算或类比轴的最小直径dminA．根据轴所传递扭矩初步估算轴的直径

B．根据经验或类比法确定以dmin为基础,考虑轴上零件的装配,轴向定位以及其与轴的联接，定出轴其它各段的直径。

第32页/共64页四、轴的结构尺寸的确定2．确定轴上各段直径和各段长度

(l)直径

圆整直径的值要进行圆整。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封圈等)部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。第33页/共64页四、轴的结构尺寸的确定2．确定轴上各段直径和各段长度

(l)直径

便于零件轴向装配为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。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不同的尺寸公差。第34页/共64页四、轴的结构尺寸的确定2．确定轴上各段直径和各段长度

(2)长度L

考虑轴上零件的宽度,零件的拆装、定位，零件的布局确定出各轴长度第35页/共64页四、轴的结构尺寸的确定3．轴上各零件的周向和轴向定位装在轴上的各个零件，在轴向和周向均应有可靠的固定，以保证其准确的工作位置，达到传递一定功率和保证齿轮传动的质量。第36页/共64页五、轴的结构工艺性1.一般将轴设计成阶梯轴（1）提供零件定位和固定的轴肩、轴环；（2）区别不同精度和表面粗糙度以及配合的要求；（3）直径变化应尽可能少，直径常为中间大两端小，便于零件的装拆；第37页/共64页（4）轴的两端加工倒角，便于零件导入，不宜伤人；（5）装配段不宜过长。第38页/共64页（1）退刀槽和越程槽越程槽：保证砂轮能磨削到轴肩，保证轴肩的垂直度；退刀槽：加工螺纹时，退刀槽可以保证刀具退出。2.轴的加工工艺性第39页/共64页（2）键槽布置

固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。第40页/共64页五、轴的结构工艺性2.装配工艺性a、轴承安装处的定位轴肩高度应小于轴承内圈高度。

b、在阶梯轴上应使零件所经过轴段直径小于零件孔径。第41页/共64页六、提高轴的强度、刚度的措施1、合理布置轴上零件第42页/共64页六、提高轴的强度、刚度的措施2.改进轴上零件结构，减小轴的载荷。第43页/共64页六、提高轴的强度、刚度的措施3.采用载荷分担的方法减小轴的载荷第44页/共64页六、提高轴的强度、刚度的措施4.采用力平衡或局部相互抵消的办法减小轴的载荷5.改变支点位置，改善轴的强度和刚度6.改进轴的结构，减少应力集中7.提高轴的表面质量降低表面粗糙度；采用表面强化，如辗压、喷丸、渗碳、渗氮、表面淬火等。第45页/共64页轴系结构改错四处错误正确答案三处错误正确答案第46页/共64页两处错误1.左侧键太长，套筒无法装入2.多个键应位于同一母线上第47页/共64页图中所示减速箱输出轴，齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。指出其中的结构错误。12

3456781.键不在同一母线上。2.轴承盖与轴直接接触。3.轴承盖与箱体无调整垫片。4.轴套超过轴承内圈定位高度。5.齿轮处轴段长度过长，齿轮定位不可靠6.键顶部与轮毂接触。7.无挡油盘8轴承端盖处应减少加工面第48页/共64页§15-3轴的强度计算3、振动折断—高速轴，自振频率与轴转速接近；a、有足够的强度—疲劳强度、静强度；b、有足够的刚度—防止产生大的变形；c、有足够的稳定性—防止共振—稳定性计算。强度计算失效形式：

1、疲劳破坏—疲劳强度校核；2、变形过大—刚度验算（如机床主轴）；第49页/共64页一、按扭转强度条件计算用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算

②结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin

强度条件

设计公式

第50页/共64页公式应用：a）传动轴精确计算；b）转轴的初估轴径dmin——结构设计，逐步阶梯化di

（∵支点、力作用点未知）；c）对于转轴：算出dmin→结构设计→弯矩图→弯扭合成强度计算；d）有键槽处：↑d，单键——↑3%；双键——↑7%。第51页/共64页第52页/共64页第53页/共64页第54页/共64页第55页/共64页第56页/共64页a为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。②校核轴的强度轴的弯扭合成强度条件为：2．按弯扭合成进行强度条件验算式中[σ-1]为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表选取）；详细内容扭转切应力静应力脉动循环变应力对称循环变应力弯曲应力为对称循环变应力a

≈0.3a

≈0.６a

=1第57页/共64页校核

危险截面轴的强度设计公式

此式仅用于实心圆轴，其余W见P365表15-4危险面的确定：(1)Mca→max(2)Mca较大，而d较小处(3)应力集中较大的截面。[-1]查表15-3举例：45，调质，确定[-1]第58页/共64页确定危险断面，进行校核(mm)此式仅用于实心圆轴，其余W见P365表15-4危险面的确定：(1)Mca→max(2)Mca较大，而d较小处(3)应力集中较大的截面。[-1]查表15-3举例：45，调质，确定[-1]该计算方法讨论:a.对于影响轴的强度的许多重要因素,如应力集中.尺寸因素,是通过降低许用应力考虑.b如果实际d远大于计算时，说明轴的直径能满足强度要求。既使相差比较大一般