15机械设计

§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功用：用来支承旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等，传递运动和动力。§15-1轴的概述一、轴的用途及分类：带式运输机减速器电动机轴曲轴直轴按所受载荷性质分类按外形分类心轴：只承受弯矩传动轴：只承受转矩转轴：既承受弯矩又承受转矩光轴阶梯轴实心轴空心轴§15-1轴的概述分类：挠性钢丝轴直轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分类按外形分类带式运输机减速器电动机转轴§15-1轴的概述⊙×⊙×传动轴---只传递扭矩发动机后桥传动轴直轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分类按轴的形状分类§15-1轴的概述心轴---只承受弯矩火车轮轴车厢重力固定心轴前轮轮毂前叉自行车前轮轴支撑反力传动轴---只传递扭矩直轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分类按轴的形状分类§15-1轴的概述转动心轴自行车工作时前轮轮毂和滚珠一起相对于前叉和车轴转动，而车轴本身固定不动，且仅承受横向力产生的弯矩，故自行车前轮为固定心轴。心轴---只承受弯矩传动轴---只传递扭矩直轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分类按轴的形状分类§15-1轴的概述光轴－光轴形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上零件不易装配及定位。光轴主要用于心轴和传动轴。心轴---只承受弯矩传动轴---只传递扭矩直轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分类按轴的形状分类§15-1轴的概述光轴阶梯轴§15-1轴的概述实心轴空心轴心轴---只承受弯矩传动轴---只传递扭矩直轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分类按轴的形状分类光轴阶梯轴－轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发动机的主轴。§15-1轴的概述轴曲轴直轴轴曲轴直轴挠性钢丝轴§15-1轴的概述动力源设备设备接头钢丝软轴(外层为护套)接头被驱动装置挠性钢丝轴轴的概述2设计任务：选材、结构设计和工作能力验算等方面的内容。（2）根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。（3）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。根据总体结构的要求进行轴的结构设计轴的承载能力验算验算合格?结束yesno轴的设计过程是：二、轴设计的主要内容：§15-1轴的概述（1）根据轴的应用场合、载荷情况等选择轴的材料。轴的材料选择种类碳素钢：35、45、50、Q235合金钢:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳钢比合金钢价廉，且具有较好的综合力学性能，对应力集中的敏感性较低。应用较多，适用于一般要求的轴，尤其以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:如传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件等。正火或调质处理。三、轴的材料：§15-1轴的概述铸钢或球墨铸铁轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。轴的常用材料及其主要力学特性表材料牌号热处理毛坯直径/mm硬度/HBS抗拉强度极限σB屈服强度极限σS弯曲疲劳极限σ-1剪切疲劳极限τ-1许用弯曲应力[σ-1]备注MPaQ235-A热轧或锻后空冷≤100400~42022517010540用于不太重要及受载荷不大的轴＞100~250375~39021545正火≤100170~21759029525514055应用最广泛＞100~300162~217570285245135调质≤200217~2556403552751556040Cr调质≤100241~28673554035520070用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴＞100~30068549033518540CrNi调质≤100270~30090073543026075用于很重要的轴＞100~300240~27078557037021038SiMnMo调质≤100229~28673559036521070用于很重要的轴，性能近于40CrNi＞100~300217~26968554034519538CrMoAlA调质≤60293~32193078544028075用于要求高耐磨性，高强度且热处理（氮化）变形很小的轴＞60~100277~302835685410270＞100~160241~27778559037522020Cr渗碳≤60渗碳64039030516060用于要求强度及韧性均较高的轴淬火56~62回火HRC3Cr13调质≤100≥24183563539523075用于腐蚀条件下的轴1Cr18Ni9Ti淬火≤100≤19253019519011545用于高、低温及腐蚀条件下的轴＞100~200490180110QT600-3190~270600370215185用于制造复杂外形的轴QT800-2245~335800480290250§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设计任务：轴的合理外形和全部结构尺寸。◆定位－－轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置◆制造安装－－轴应具有良好的制造工艺性等；轴上的零件应便于装拆、调整；◆应力－－改善应力状况，减小应力集中。§15-2轴的结构设计设计要求：带轮齿轮轴端挡圈轴承盖套筒滚动轴承典型轴系结构轴上各部分的名称：轴颈轴头轴身§15-2轴的结构设计减速器带式运输机电动机§15-2轴的结构设计一、拟定轴上零件的装配方案－－即确定轴上零件的装配方向、顺序；一般应考虑几个方案，进行分析比较和选择。图中轴的装配方案：齿轮、右轴承、大带轮依次从轴的右端向左安装；左轴承从轴的左端向右安装。§15-2轴的结构设计二、轴上零件的定位－－为了保证轴上零件有准确的工作位置，必须进行轴向和周向定位。1.零件的轴向定位1）定位轴肩定位－－是最简单可靠的轴向定位方法，应用广泛;dh定位轴肩高度:h=(0.07~0.1)d★滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度；§15-2轴的结构设计二、轴上零件的定位1.零件的轴向定位1）定位轴肩定位dh定位轴肩高度:h=(0.07~0.1)d★滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度；III★倒角及过渡圆角：Rr或CrCDdrhIIIIIDdrRIDd§15-2轴的结构设计非定位轴肩：－－因齿轮、轴承与轴有配合要求，为装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在III及IV处应分别设置非定位轴肩。IIIIV非定位轴肩高度:h=1~2mm★清楚在轴的哪些位置需要设置轴肩§15-2轴的结构设计2）套筒定位III1.零件的轴向定位1）定位轴肩定位3）轴端挡圈定位一般用于两零件间距离不大时，不宜用于高速轴可承受较大轴向力，定位可靠，装拆方便。用于固定轴端零件，如联轴器、带轮等★留有间隙★留有间隙§15-2轴的结构设计2）套筒定位1.零件的轴向定位1）定位轴肩定位3）轴端挡圈定位4）轴承端盖固定轴承外圈。整个轴的轴向固定也利用轴承端盖实现。★透盖孔与轴之间应留有间隙。★且有密封圈密封。★安装调整垫片，为轴的热胀冷缩预留空间、方便调整轴承游隙。★减少加工面积：§15-2轴的结构设计2）套筒定位1.零件的轴向定位1）定位轴肩定位3）轴端挡圈定位5）圆螺母定位可承受较大轴向力，定位可靠。但应力集中较大，降低轴的疲劳强度。无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。4）轴承端盖★螺纹退刀槽双圆螺母圆螺母与止动垫片§15-2轴的结构设计2）套筒定位1.零件的轴向定位1）定位轴肩定位3）轴端挡圈定位5）圆螺母定位4）轴承端盖6）弹性挡圈定位结构简单紧凑，只能承受较小轴向力，常用于固定滚动轴承。7）紧定螺钉和锁紧挡圈定位结构简单紧凑，只能承受较小轴向力，常用光轴上零件的定位。8）圆锥面定位能承受冲击载荷，用于同心度较高的轴端零件。§15-2轴的结构设计2.零件的周向定位1）普通平键联接★布置在同一母线上2）其它周向定位方式：导向平键、半圆键、花键、销、紧定螺钉及过盈配合等。销轴的结构设计2三、各轴段直径和长度的确定◆首先按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。§15-2轴的结构设计带式运输机减速器电动机转轴⊙×⊙×扭矩传递路线轴的结构设计2三、各轴段直径和长度的确定◆有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。§15-2轴的结构设计◆安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求，如：滚动轴承、联轴器、密封圈等。§15-2轴的结构设计1．装配轴承的轴段与滚动轴承配合的轴径应为5的倍数（Φ20~Φ385范围内）。与滑动轴承配合的轴径应采用以下直径系列轴套(GB2508―81)…32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70…。2．装配联轴器的轴段装配联轴器的轴段尺寸应符合联轴器的尺寸系列。联轴器的孔径和长度系列节录孔径d3032353840424548505556606365···长度L长系列82112142短系列6084107轴的结构设计2◆有配合要求的零件要便于装拆。◆应保证轴上零件能可靠的轴向固定。§15-2轴的结构设计三、各轴段直径和长度的确定★留有间隙IIIIII指出图示轴系中的结构错误（用笔圈出错误之处，并简要说明错误的原因）•1）弹性挡圈为多余零件；•2）装轴承段应无键槽；•3）轴肩太高，不便拆卸；•4）应无轴环，齿轮无法从右装入，改为套筒固定，或齿轮用过盈配合实现轴向固定；•5）应有键槽，周向固定；•6）此处应加工成阶梯轴；•7）端盖不应与轴接触；•8）端盖密封槽形状应为梯形；•9）平键顶部与轮毂槽间应有间隙；•10）联轴器无轴向固定，且与端盖间隙太小，易接触；•11）轴端部与端盖间应有一定间隙；•12）应该有调整垫片。轴的结构设计1§15-2轴的结构设计四、提高轴的强度的常用措施◆合理布置轴上零件以减小轴的载荷T4T3T2T1输出轮输入轮不合理的布置输出轮输出轮输入轮T4T3T1T4合理的布置不同的支承方案将影响轴的支承跨距和刚度，方案a)、d)的支承跨距大，b)、c)的跨距小，但a)的悬臂短，b)的悬臂长。L3L4a)L1L2b)L1c)L1d)轴的结构设计1§15-2轴的结构设计◆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的影响Ia)Ib)Ia)Ib)a)方案中轴I既受弯矩又受扭矩b)方案中轴I只受弯矩r内凹圆角r加装隔离环键槽铣刀加工键槽盘形铣刀加工键槽◆改进轴的结构以减小应力集中的影响§15-2轴的结构设计轴的结构设计1§15-2轴的结构设计◆改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响。当采用对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时，表面质量尤应予以注意。轴的表面愈粗糙疲劳强度表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。轴的结构设计3★在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。§15-2轴的结构设计五、轴的结构工艺性1.6a)砂轮越程槽1.6b)螺纹退刀槽c)不同轴段键槽布置在同一母线上d)轴端处加工45°倒角§15-2轴的结构设计六、轴上零件的装配过程例2：★轴系结构改错1★轴系结构改错2例1：装配顺序演示合理§15-2轴的结构设计七、轴的工作图未注倒角1×45◦§15-2轴的结构设计1.锥齿轮与轴单独加工八、小锥齿轮轴的轴系结构设计阶梯轴结构：中间粗，两端细。轴上零件分别从两端安装。双支点各单向固定，正装§15-2轴的结构设计2.锥齿轮轴阶梯轴结构：锥齿轮一端粗，另一端细。轴上零件从没有齿轮的一侧安装。双支点各单向固定，正装双支点各单向固定，反装§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轴的计算1一、轴的强度校