机械设计 轴学习.pptx

一、轴的用途及分类11-1 概 述轴的功用：1）支承回转件；2）传递运动和动力。按所受载荷的不同，分为：按轴线形状的不同，轴可分：图例 转轴同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。心轴只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。传动轴只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。可以随意弯曲，把回转运动灵活地传到任意空间位置。曲轴直轴钢丝软轴：光轴阶梯轴实心轴空心轴:有特殊要求时，如航空发动机的主轴。转动心轴固定心轴掌握掌握第1页/共49页11-1 概 述 第2页/共49页轴 的 概 述轴 的 概 述 3 3二、轴设计的主要内容 轴的设计过程：根据轴上零件的安装、固定及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构和尺寸。校核轴的强度、刚度和振动稳定性等。结构设计：承载能力计算：轴的设计包括：选材料验算合格?结 束yesno轴的承载能力计算估算轴的直径轴的结构设计轴的概述事事1 1事事2 2第3页/共49页合金钢比碳钢有更高的强度和更好的淬火性能。一般情况下用碳钢，重要的轴用合金钢。轴 的 概 述轴 的 概 述 2 2轴的概述三、轴的材料毛坯多用圆钢或锻件。轴的常用材料及其主要力学特性表 合金钢代替碳钢并不能提高轴的刚度。碳钢合金钢钢球墨铸铁：用于外形复杂的轴。价廉、吸振性和耐磨性好，对应力集中的敏感性较低，但是质较脆。正火调质淬火等常用热处理（见表111）第4页/共49页四、轴径的初步估算1、类比法、类比法2、经验公式计算、经验公式计算高速输入轴的直径高速输入轴的直径d可按与其相联的电动机轴的直径可按与其相联的电动机轴的直径D估算估算d=(0.81.2)D各级低速轴的直径各级低速轴的直径d可按同级齿轮传动中心可按同级齿轮传动中心a估算估算d=(0.30.4)a目的目的：通常估算轴的最小直径，作为结构设计的：通常估算轴的最小直径，作为结构设计的开始。开始。参考同类已有机器的轴的结构和尺寸进行分析对比参考同类已有机器的轴的结构和尺寸进行分析对比轴的概述方法：第5页/共49页3、按扭转强度计算、按扭转强度计算得：得：根据：根据：当最小直径剖面上有一个键槽时增大当最小直径剖面上有一个键槽时增大5%，当有，当有两个键槽时增大两个键槽时增大10%，然后圆整为标准直径，然后圆整为标准直径轴的概述第6页/共49页轴结构设计的主要要求：轴结构设计的主要要求：一、轴应便于加工，轴上零件应便于装拆。一、轴应便于加工，轴上零件应便于装拆。二、轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置。二、轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置。三、轴的受力合理，尽量减少应力集中等。三、轴的受力合理，尽量减少应力集中等。下面以减速器的低速轴为例加以说明下面以减速器的低速轴为例加以说明11-2 轴的结构设计制造安装要求定位固定要求强度高要求轴的结构设计：即确定轴的合理形状和全部结构尺寸。第7页/共49页11-2 轴的结构设计减速器中有阶梯轴减速器中有阶梯轴第8页/共49页轴的结构设计轴 的 结 构 设 计轴 的 结 构 设 计 3 3 在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单越好。轴上应设计加工和装配所需要的倒角、螺纹退刀槽和砂轮越程槽、键应靠近端部等。不同轴段的键槽应设计在同一母线上。详细说明一、制造安装要求第9页/共49页11-2 轴的结构设计减速器低速轴结构图减速器低速轴结构图拆装动画第10页/共49页11-2 轴的结构设计轴上安装轮毂的轴段。轴上安装轴承的轴段。1）轴头：2）轴颈：3）轴肩：图例定位轴肩：非定位轴肩：用于确定轴上零件位置的轴肩。为便于安装零件而设计的轴肩。2、拟定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。二、固定要求1、准备几个名词第11页/共49页轴 的 结 构 设 计轴 的 结 构 设 计 2 23、轴上零件的固定方法：轴向固定方法详细介绍轴肩套筒轴端挡圈圆螺母弹性挡圈等周向固定方法：键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。轴的结构设计（见图1111）第12页/共49页1）轴上零件的轴向固定）轴上零件的轴向固定(1)轴肩固定轴肩固定联轴器联轴器 齿轮齿轮 轴承轴承第13页/共49页第14页/共49页(2)套筒固定套筒固定轴承与齿轮之间轴承与齿轮之间(3)圆螺母固定圆螺母固定相邻零件间距大相邻零件间距大第15页/共49页(4)轴端挡圈轴端挡圈查标准查标准(5)弹性挡圈弹性挡圈轴向力小轴向力小削弱轴的强度削弱轴的强度第16页/共49页(6)、紧定螺钉、紧定螺钉传递力小传递力小2）.轴上零件的周向固定为了为了传递运动传递运动和和转矩转矩,或因某些需要或因某些需要,轴上零件轴上零件还需有周向固定（参考轴毂联接）还需有周向固定（参考轴毂联接）第17页/共49页轴的结构设计目的：提高轴的强度。常用措施：合理布置轴上零件以减小轴的载荷 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 改进轴的结构以减小应力集中 改善轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 详细说明轴 的 结 构 设 计轴 的 结 构 设 计 3 3三、受力、应力要求第18页/共49页1.合理布置轴上传动零件的位置合理布置轴上传动零件的位置分析两种方案的最大转矩分析两种方案的最大转矩(a)小于小于(b)轴的结构设计第19页/共49页2.合理设计轴上零件的结构轮毂配合面分成两段轮毂配合面分成两段减小弯矩、改善配合减小弯矩、改善配合轴的结构设计第20页/共49页3.减小应力集中过渡肩环过渡肩环轴肩过渡结构轴肩过渡结构内凹圆角内凹圆角轴的结构设计第21页/共49页配合轴段上的卸载槽配合轴段上的卸载槽轮毂上的卸载槽轮毂上的卸载槽4.提高轴的表面质量提高轴的疲劳强度提高轴的疲劳强度:表面强化表面强化碾碾压、喷丸、压、喷丸、表面淬火等表面淬火等轴的结构设计第22页/共49页5）为便于零件的装拆而设计的非定位轴肩高度（半径差）h 12mm。2）与标准件配合的轴径应根据标准件的尺寸设计。1）估算的轴径作为轴上最细处的直径。轴 的 结 构 设 计轴 的 结 构 设 计 2 2四、各轴段直径和长度的确定 4）滚动轴承的定位轴肩，应小于轴承内圈的厚度。1.直径的确定原则3）定位轴肩的高度（半径差）h（0.07 0.1）d12mm。轴的结构设计1）轴头的长度应比轮毂的宽度小23mm，以保证固定可靠。2）轴颈的长度一般等于轴承的宽度。2.长度的确定原则第23页/共49页例如：轴的径向尺寸确定例如：轴的径向尺寸确定轴的结构设计第24页/共49页1.箱体内壁位置的确定箱体内壁位置的确定H=1015mmA=b+2HA应圆整应圆整轴的轴向尺寸确定轴的轴向尺寸确定轴的结构设计第25页/共49页2.轴承座端面位置的确定轴承座端面位置的确定C=+C1+C2+(510)mm-箱体壁厚箱体壁厚C1、C2-螺栓螺栓扳手空间扳手空间B=A+2CB应圆整应圆整第26页/共49页3.轴承在轴承座孔中位置的确定轴承在轴承座孔中位置的确定 值尽量小值尽量小减小支点距离减小支点距离油润滑时油润滑时=(38)mm脂润滑时脂润滑时=(1015)mm第27页/共49页4.轴的外伸长度的确定(1)当轴端安装弹性当轴端安装弹性套柱销联轴器时套柱销联轴器时K值由联轴器的型值由联轴器的型号确定号确定(2)当使用凸缘式轴当使用凸缘式轴承盖时承盖时K值由连接值由连接 螺栓长螺栓长度确定度确定(3)当轴承盖与轴端当轴承盖与轴端零件都不需拆卸时零件都不需拆卸时,一般取一般取K=5mm8mm第28页/共49页第29页/共49页补充：轴的受力、应力及失效形式补充：轴的受力、应力及失效形式以减速器的输出轴为例来讨论转轴的受力、应力及失效形式以减速器的输出轴为例来讨论转轴的受力、应力及失效形式在在AB之间的任意截面上，只有弯矩之间的任意截面上，只有弯矩M，因，因此只有弯曲应力此只有弯曲应力在在BC之间的任意截面上，既作用有弯矩之间的任意截面上，既作用有弯矩M，又作用有转矩，又作用有转矩T T，因此，即有弯曲应力，因此，即有弯曲应力 ，又有扭转剪应力，又有扭转剪应力而在而在CD之间的任意截面上，只作用有转矩之间的任意截面上，只作用有转矩T，因此只有扭转剪应力，因此只有扭转剪应力1 1、受力及应力分析、受力及应力分析转轴转轴12-3 轴的强度计算第30页/共49页弯曲应力弯曲应力 为对称循环变应力，其循环特征为对称循环变应力，其循环特征r=-1(见图见图a)。扭转剪应力的循环特征扭转剪应力的循环特征r随转矩的性质而变化。随转矩的性质而变化。当转矩当转矩T的大小及方向恒定不变时，扭转剪应的大小及方向恒定不变时，扭转剪应力力 为静应力，其循环特征为静应力，其循环特征r=+1（见图（见图b）。）。当转矩当转矩T按脉动循环变化时，扭转剪应力按脉动循环变化时，扭转剪应力 也也为脉动循环，其循环特征为脉动循环，其循环特征r=0（见图（见图c）。）。当转矩当转矩T为对称循环时，扭转剪应力为对称循环时，扭转剪应力 也为对也为对称循环，其循环特征称循环，其循环特征r=-1（见图（见图d）。）。图a图b图c图d2、应力循环特征、应力循环特征第31页/共49页3 3、轴的一般失效形式、轴的一般失效形式疲劳断裂：疲劳裂纹发展到一定程度后突然断裂。疲劳断裂：疲劳裂纹发展到一定程度后突然断裂。第32页/共49页一、轴的计算简图一、轴的计算简图简化成简支梁，简化成简支梁，力的作用点：弯矩、扭矩，简化在中点，力的作用点：弯矩、扭矩，简化在中点，支点：与轴承类型有关。支点：与轴承类型有关。12-3 轴的强度计算 结构设计结束之后，对轴进行适当简化，并进行受力分析，计算出轴所受的载荷，即可对轴进行校核计算。第33页/共49页 1 2-3 1 2-3 轴 的 强 度轴 的 强 度计 算计 算 1 112-3 轴的强度计算1转矩法这种方法用于只受转矩或主要受转矩作用轴的强度计算。通常按这种方法估算转轴的直径。实心轴的直径为：扭转强度条件为：考虑到键槽的影响，应适当加大轴径：式中：C计算常数，见表112。许用扭应力，见表113。有1个键槽，轴径加大3；有2个键槽，轴径加大7；第34页/共49页强度条件（第三强度理论、当量应力）强度条件（第三强度理论、当量应力）理论基础：理论基础：在计算截面上弯曲应力在计算截面上弯曲应力W=M/W 扭转剪应力扭转剪应力=T/WT（这种方法适用于转轴的计算）。2、当量弯矩法实心园轴：WT=d 316；W d 332第35页/共49页轴 的 强 度 计 算轴 的 强 度 计 算 3 3用应力校正系数 a 考虑扭切应力与弯曲应力循环特性不同的影响。式中：-1W对称循环应力下轴的许用弯曲应力（可查表111选取）；详细内容强度条件：W轴的抗弯截面系数（mm3）。（的值见 P251）轴强度的计算第36页/共49页轴 的 强 度 计 算轴 的 强 度 计 算 2 2轴强度的计算计算步骤：1）轴的弯矩与扭矩分析2）校核轴的强度第37页/共49页轴 的 强 度 计 算轴 的 强 度 计 算 4 43安全系数法 根据轴上危险截面的循环应力，计算疲劳强度安全系数：详细内容1）轴的疲劳强度校核安全条件：轴强度的计算 式中各参数的选取见P252，见见表114。S S第38页/共49页轴 的 强 度 计 算轴 的 强 度 计 算 5 52）轴的静强度校核 对于瞬时过载很大的轴，应进行静强度校核。详细内容强度条件为：峰值载荷产生的弯曲应力峰值载荷产生的扭切应力 许用安全系数S Ss的选取见表115。轴强度的计算第39页/共49页应力集中系数：应力集中系数：影响因素：影响因素：圆角半径圆角半径键槽、孔键槽、孔过盈配合过盈配合第40页/共49页表面质量系数：表面质量系数：影响因素：影响因素：表面强化处理表面强化处理表面粗糙度表面粗糙度腐蚀情况腐蚀情况尺寸系数：尺寸系数：影响因素：影响因素：尺寸大小尺寸大小材料性能材料性能第41页/共49页 1 2-4 1 2-4 轴 的 刚 度 计 算轴 的 刚 度 计 算1 112-4 轴的刚度计算1轴的扭转刚度计算 扭转刚度条件：更多内容扭角 为轴的许用扭角，见表116。详细说明光轴阶梯轴式中：T、l分别为轴的转矩（N.mm）和受扭长度（mm）。G为轴材料的切变模量，钢：G8.1104 MPa。Ip为轴的截面极惯性矩（mm4），实心圆轴：Ipd 432；对刚度有要求的轴，需进行刚度计算。例如：电动机的转子轴、内燃机的凸轮轴等。第42页/共49页轴 的 刚 度 计 算轴 的 刚 度 计 算 2 22.轴的弯曲刚度校核计算 y和 分别为轴的许用挠度及许用偏转角，见表116。对于阶梯轴，可用当量轴径法转化为当量光轴计算其挠度和偏转角。详细说明弯曲刚度条件：挠度 y y 偏转角 对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。当量轴径：式中：di、li第 i 个轴段的轴径和长度。轴的刚度计算第43页/共49页 1 2-5 1 2-5 轴 的 振轴 的 振动 及 临动 及 临界 转 速界 转 速12-5 轴的振动及临界转速 一般通用机械中的轴很少发生共振。高速轴易共振，多为弯曲共振。1.单圆盘轴的一阶临界转速 nc1 满足上述条件的轴就是具有了弯曲振动的稳定性。详细推导（rad/s）；（r/min）要求：n 0.75nc1要求：1.4 nc1 n 0.7nc22.多圆盘轴的一阶临界转速 见教材P264。刚性轴：工作转速 n 低于 nc1 的轴，挠性轴：工作转速 n 超过 nc1 的轴，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。当轴的振动频率与轴的自振频率相同时，就会发生共振。共振时轴的转速称为临界转速。临界转速有多个，其中一阶临界转速（其转速最低）下的共振最激烈。第44页/共49页轴 的 设 计 实 例轴 的 设 计 实 例轴的结构分析装配过程演示轴的设计实例一、轴的结构分析轴的结构应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整，轴应具有良好的制造工艺性等。下面通过一具体轴系结构的改错加以说明。二、装配顺序演示轴上装有多种零件时，各零件有其正确的装配顺序，下面通过一具体实例来说明装配顺序。三、轴的设计实例轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容，下面通过设计一个圆锥圆柱齿轮减速器的输出轴来说明一具体轴的设计内容。轴的设计实例轴系结构的改错第45页/共49页例10.1 请将图中轴系结构有错误及不合理处，用序号标出，并按序号简要说明原因。解：其错误如下：轴的结构实例第46页/共49页（1）轴的右端面应缩进带轮右端面12mm且应有轴端挡圈固定带轮；（2）带轮与轴间应有键联接；（3）带轮左端面靠轴肩定位，下一段轴径加大；（4）带轮两个槽中没有线；（5）取消套筒（若保留套筒对带轮定位也可，那么套筒应穿过透盖顶到轴承内圈右端面）；（6）透盖与轴之间应有间隙，且还应有密封毡圈；（7）应改为喇叭口斜线，用角接触球轴承；（8）与轮毂配合段轴颈长度应比轮毂长小12mm；（9）轮毂与轴之间应有键联接；（10）两个轴承端盖与箱体间应有调整垫片；（11）箱体上端盖接触面之外的外表面应低一些；（12）轴承端盖外圆外侧应倒角。轴系结构改正如图11.2轴线上半部分。轴的结构实例第47页/共49页轴的结构实例第48页/共49页感谢您的观看！第49页/共49页