机械设计基础轴.ppt

*,15-1,轴的概述,15-2,轴的结构设计,15-3,轴的计算,第十五章 轴,15-4,轴的设计实例,2,概述,一、,轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,转轴,支承旋转零件,传递运动和力,带式运输机,减速器,电动机,同时承受弯矩和扭矩,3,一、,轴的功用,概述,二、轴的分类,按承载情况分,转轴,支承传动零件,传递运动和力,心轴,固定心轴,只承受弯矩,前轮轮毂,固定心轴,前叉,自行车,前轮轴,4,一、,轴的功用,概述,二、轴的分类,按承载情况分,转轴,支承传动零件,传递运动和力,心轴,固定心轴,转动心轴,只承受弯矩,火车轮轴,转动心轴,5,一、,轴的功用,概述,二、轴的分类,按承载情况分,转轴,支承传动零件,传递运动和力,心轴,固定心轴,转动心轴,传动轴,发动机,后桥,只承受扭矩,6,一、,轴的功用,概述,二、轴的分类,按承载情况分,转轴,支承传动零件,传递运动和力,心轴,固定心轴,转动心轴,传动轴,按轴线形状分,直轴,7,一、,轴的功用,概述,二、轴的分类,按承载情况分,转轴,支承传动零件,传递运动和力,心轴,固定心轴,转动心轴,传动轴,按轴线形状分,直轴,曲轴,8,一、,轴的功用,概述,二、轴的分类,按承载情况分,转轴,支承传动零件,传递运动和力,心轴,固定心轴,转动心轴,传动轴,按轴线形状分,直轴,曲轴,钢丝软轴（挠性轴）,9,转轴：同时承受弯矩和扭矩,心轴：只受弯矩，不受扭矩,固定心轴,转动心轴,传动轴：主要受扭矩，不受弯矩或弯矩很小,概述,载荷,运转情况,应力状态,转轴,弯曲扭转,单向,弯曲：对称 扭转：脉动,双向,弯曲：对称 扭转：对称,心轴,弯曲,固定,静应力或脉动,转动,对称,传动轴,扭转,单向,脉动,双向,对称,各种轴的受力,10,内容,工作能力的设计,强度,-,保证安全使用,刚度,-,保证工作精度,振动稳定性,-,保证高速轴正常工作,结构设计,特点,边计算、边画图、边修改,-“,三边,”设计方法,概述,三、轴设计的内容、特点,11,选择材料,初算轴径,结构设计,强度、刚度计算,确定轴的结构尺寸、绘图,N,Y,四、轴的设计步骤,概述,12,一般用途的轴,：,优质中碳钢,-30,、,40,、,45,、,50,次要的轴,：,Q235,、,Q255,、,Q275,重要的轴,：,合金钢,耐磨性要求高：,12CrNi,、,20Cr,、,20CrMnTi,等低碳合金钢，轴颈渗碳淬火,高速重载：,40Cr,、,40CrNi,、,35CrMo,等合金钢，表面淬火、调质,形状复杂的轴,：,QT600,、,ZG45,注意：,200,以下的碳钢、合金钢,E,值相差不大,概述,五、轴的材料,13,轴的结构设计,一、轴的结构设计的内容与要求,内容,：确定轴的外形和全部结构尺寸,要求,：,轴和轴上零件要有准确的定位,轴上零件应便于装拆和调整,轴应具有良好的制造工艺性,结构上要有利于提高轴的强度、刚度，尽量减少应力集中,有利于节省材料、减轻重量,14,轴的结构设计,典型轴系结构,齿轮,轴承盖,轴端挡圈,套筒,滚动轴承,联轴器,15,轴的结构设计,拟定轴上零件装配方案,轴上零件的定位,各段轴直径和长度的确定,提高轴的强度和刚度的措施,轴的结构工艺性,二、轴的结构设计,16,轴的结构设计,（一）,拟定轴上零件装配方案,17,轴的结构设计,18,轴肩或轴环,套筒,弹性挡圈,圆螺母加止动垫圈、双圆螺母,紧定螺钉、锁紧挡圈、销钉,轴端挡圈,圆锥面,（二）,轴上零件的定位,-,轴向定位,轴的结构设计,19,轴的结构设计,1,）,轴肩、轴环,轴肩,轴环,20,结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力,特点,轴的结构设计,21,轴肩的尺寸要求,:,r,C,或,r,R,D,d,r,R,D,d,C,r,或,h,(0.070.1),d,C,D,d,r,D,d,r,R,b,（与滚动轴承相配合处的,h,和,b,值，见轴承标准）,一般，定位轴肩：,h,(35,）,mm,非定位轴肩：,h,(,0.51),mm,轴环宽度：,b,1.4,h,h,h,轴的结构设计,22,轴的结构设计,2,）,套筒,23,特点,结构简单,定位可靠,用于零件间距,较小场合,轴转速较高时不易选用,轴的结构设计,24,特点,结构简单,只能承受很小的轴向力,轴的结构设计,3,）弹性挡圈,25,固定可靠,装拆方便,可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大,.,4,）圆螺母加止动垫片,轴的结构设计,26,5,）,双圆螺母,轴的结构设计,27,适用于轴向力很小,转速很低或,为防止零件偶然沿轴向滑动的,场合,亦可用于周向固定,6,）紧定螺钉 锁紧挡圈,轴的结构设计,28,轴的结构设计,29,适用于固定轴端零件,特点,7,）轴端挡圈,轴的结构设计,30,轴的结构设计,31,能消除轴与轮毂间的径向间,隙,装拆较方便,对中性好,可兼,作周向固定,但加工较困难,8,）,圆锥面,轴的结构设计,32,键,花键,销,过盈联接,成型联接,（二）,轴上零件的定位,-,周向定位,轴的结构设计,33,特点,装拆方便，互换性好，但对轴强度有削弱,轴的结构设计,1,）,键,34,特点,精度要求较高，定心性好，,拆装方便，但制造需用专用,设备和工具。,2,）,花键,轴的结构设计,35,圆柱销,圆锥销,只能传递较小扭矩,互换性好,拆装方便,但对轴强度削弱较大,.,3,）,销,轴的结构设计,36,轴的结构设计,37,有配合要求的轴段注意配合零件的要求，尽量采用,标准直径,；,与标准件配合的轴段采用相应的标准值，例如：滚动轴承、联轴器、密封装置，应满足,装配尺寸要求,。,非标准轴段：,定位轴肩,h,(35),mm,非定位轴肩,h,(0.51),mm,（三）,各轴段直径的确定,轴的结构设计,38,便于装拆,轴上零件安装时，所经过轴上各段直径应小于安装零件轮毂直径，以,便于装拆,。,滚动轴承定位轴肩高度必须低于内圈端面高度，以便于拆卸，具体尺寸由标准查出。,39,便于装拆,40,主要根据：,轴上零件的轴向尺寸,相邻零件之间的距离,轴上零件的装拆和轴向固定,一般,:,轮毂长度,L,=(1.52),d,毂比轴长,23,mm,（四）,各轴段长度的确定,轴的结构设计,L,d,23,mm,41,轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，须留出砂轮越程槽、退刀槽；,（五）轴的结构工艺性,轴的结构设计,轴端应制出,45,的倒角；,砂轮越程槽,退刀槽,45,42,一根轴上的圆角尽可能统一，退刀槽、越程槽、倒角尽量取同样尺寸；,不同轴段的键槽寛度尽可能一致，并布置在同一母线上；,轴的结构设计,轴段的阶梯数量要尽可能少。,43,T,max,=,T,1,T,max,=,T,2,T,3,T,2,T,1,T,2,T,1,T,3,合理,不合理,轴的结构设计,（六）提高轴的强度和刚度的措施,1.,合理布置传动零件位置，以减小轴上载荷,输入,T,1,输出,T,2,输出,T,3,输入,T,1,输出,T,3,输出,T,2,44,轴的结构设计,2.,改进轴上零件结构，以减小轴上载荷,Q,Q,合理,不合理,45,轴的结构设计,合理,不合理,46,3,.,改进轴的结构以减小应力集中,轴结构要尽量避免突然变化，增大过渡圆角半径，可采用,轴的结构设计,r,内凹圆角,隔离环,47,轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘会产生较大的应力集中，为了减小应力集中，可在轴或毂上开卸荷槽，或加大配合部分直径。,轴的结构设计,48,盘铣刀比端铣刀加工的键槽在过渡处产生的应力集中小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，设计时要适当考虑。,轴的结构设计,端铣刀,盘铣刀,4,.,改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度,表面强化处理，方法有：表面高頻淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；辗压、噴丸等强化处理；,合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。,49,轴的计算,按扭转强度条件计算,传动轴,初估转轴直径,-,结构设计,-,校核,次要的转轴估算，再降低许用应力,按弯扭合成强度计算,安全系数法校核计算,一、轴的强度校核计算,二、轴的刚度校核计算,50,-,设计公式,1,.,按扭转强度条件计算,轴的计算,一、轴的强度校核计算,轴的扭转强度条件为：,为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径,有一个键槽,有两个键槽,轴径,d,100mm,轴径增大,3%,轴径增大,7%,轴径,d,100mm,轴径增大,5%,7%,轴径增大,10%,15%,查表,15-3,51,作出轴的计算简图（即力学模型），求支承反力,2.,按弯扭合成强度条件计算,轴的计算,轴的载荷简化,将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；,轴毂采用过盈配合时，由于轴的弹性变形，载荷分布要向轴的两端集中；,作用在轴上的扭矩从传动件轮毂宽度中点算起；,忽略轴上零件的自重及轴承中的摩擦力。,52,轴的计算,F,F,F,l,a,a=,(0.20.3),l,将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；,轴毂采用过盈配合时，由于轴的弹性变形，载荷分布要向轴的两端集中；,53,轴的支承简化,轴的计算,l,e,e,与轴承的宽径比有关,54,轴的计算,F,t,F,a,F,t,F,r,F,H2,F,H1,M,H,F,r,F,a,M,V1,B,A,C,D,F,V2,M,H,F,V1,F,V1,M,V2,M,1,M,2,M,V,T,T,F,V1,F,V1,F,H1,F,V2,F,H2,M,=,水平面受力图,水平面弯矩图,垂直面受力图,垂直面弯矩图,合成弯矩图,扭矩图,T,T,作出轴的计算简图,画出垂直面受力图及弯矩图,M,V,画出水平面受力图及弯矩图,M,H,画出合成弯矩图,M,画出扭矩图,T,56,校核轴的强度,轴的计算,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,0.3,0.,=1,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。,式中,-1,为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查,表,15-1,）；,57,1,变形量的描述：,挠度,y,、转角,、扭角,设计要求：,y,y,2,l,T,T,l,二、轴的刚度校核计算,轴的计算,y,F,F,F”,58,y,过大,则,:,齿轮轴：偏载，破坏齿轮啮合,机床主轴：加工误差增大,电机轴：改变转子、定子间间隙，性能降低,过大，则：,滚动轴承：内外圈偏斜，寿命降低,滑动轴承：边缘接触,过大，则：,凸轮轴：改变内燃机配气时间,过大变形对零件的影响,轴的计算,59,一、,轴结构设计问题专题,轴系结构分析例题,各段配合直径直应符合标准尺寸,(GB2822,81),，而与滚动轴承、联轴器、油封等标准件配合的轴径,(,如图中轴的 段,),，应符合标准件的内径系列。,60,轴系结构分析例题,注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的,(,如图中轴的,段、,段、,段,),，这种台阶过低，定位作用差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度,A,(23)C,或,R(C,、,R,分别为零件倒角和圆角半径尺寸,),。另一种台阶是为了装配容易通过,(,如图中轴的,、,),这种台阶高度很小，一般在直径方向上只差,l3mm,即可。,61,轴系结构分析例题,与轴上零件,(,如齿轮,),相配合的轴段长度,L,，要比轴上零件的宽度尺寸,B,短,23mm(,见图）,轴的过渡圆角半径,r,要比相配合的零件的倒角,c,或圆角半径,R,小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。,为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心孔尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上。,62,轴系结构分析例题,二、,轴设计中常见错误,1,轴上零件的定位和固定方面,3,1,2,4,需要轴向定位的零件没有轴向定位措施,轴头没有比与之配合的轮毂短,键的尺寸或位置不合理，超出了轮毂长度，使其他零件无法安装到位,轴头处没有键联接（周向定位）,63,轴系结构分析例题,2,轴上零件装拆方便方面,3,加工工艺性方面,一根轴上有两处键联接，而键槽不在轴的同一母线上,1,(I),轴肩高度或套简厚度过大，超过轴承内圈高度使轴承拆卸困难,2,(2),轴承处没有工艺轴肩，使轴承装拆路线过长，装拆困难,3,(3),轴头处键的位置没有靠近轮毂装入端，使得轮毂装入困难,64,轴系结构分析例题,结构分析题：指出下图中轴系的结构错误，并改正,1,2,3,4,5,6,7,(7),轴上有两个键，但两个键槽不在同一母线上,(,6),因轴肩过高，两个轴承拆卸困难,(,4),齿轮上的键槽没打通，既无法加工也无法装配,。,(,3),齿轮两侧都是轴环，无法安装到位,(5),右轴承的右侧轴上应有工艺轴肩，轴承装拆路线长,(,精加工面长,),，装拆困难,(,2),轴与右端盖之间不能接触，应有间隙，并有密封措施,(1),轴右端的带轮不能通过套筒利用轴承端盖轴向定位，转动零件与固定零件不能接触,65,轴系结构分析例题,66,轴系结构分析例题,试分析下图所示轴系结构中的错误，并加以改进。图中齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。,67,轴系结构分析例题,