机械设计_轴

济南大学专用作者：潘存云教授第15章轴§15-1概述§15-2轴的结构设计§15-3轴的计算带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运动和动力的，适用于两轴中心距较大的场合。与齿轮传动相比，它们具有结构简单，成本低廉等优点。§15-4轴的设计实例济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制带式运输机减速器电动机转轴§15-1概述功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：一、轴的用途及分类济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩发动机后桥传动轴一、轴的用途及分类§15-1概述济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴一、轴的用途及分类§15-1概述济南大学专用作者：潘存云教授功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类§15-1概述光轴阶梯轴按轴的形状分有：一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴潘存云教授研制济南大学专用作者：潘存云教授功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类§15-1概述光轴阶梯轴曲轴潘存云教授研制潘存云教授研制济南大学专用作者：潘存云教授本章只研究直轴功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类§15-1概述光轴阶梯轴曲轴挠性钢丝轴潘存云教授研制济南大学专用作者：潘存云教授设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。二、轴设计的主要内容轴的结构设计：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。工作能力计算：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。轴的设计过程：N选择材料结构设计轴的承载能力验算验算合格?结束Y济南大学专用作者：潘存云教授种类碳素钢：35、45、50、Q235轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。三、轴的材料合金钢:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是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。如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。为了改善力学性能正火或调质处理。表15-1轴的常用材料及其主要力学性能材料及热处理毛坯直径mm硬度HBS强度极限σb屈服极限σsMPa弯曲疲劳极限σ-1应用说明Q235440240200用于不重要或载荷不大的轴35正火520270250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。≤100149~187……………………济南大学专用作者：潘存云教授表15-1轴的常用材料及其主要力学性能材料牌号热处理毛坯直径硬度mmHBS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σ-1许用弯曲应力[σ-1]备注应用最为广泛用于不太重要及受载荷不大的轴用于载荷较大，而无大的冲击的重要轴用于很重要的轴用于重要轴，性能近于40CrNi用于要求高耐磨性，高强度且热处理变形很小的轴用于要求强度及韧性均较高的轴用于腐蚀条件下的轴用于高、低温及腐蚀条件下的轴用于制造复杂外形的轴≤100400~420225100~250375~39021517010540≤100170~217590295255140100~300162~217570285245135100~300685490335185241~286100~300240~270785570370210100~300217~269685540345195100~160241~27778559037522060~100277~302835685410270≤200217~255640355275155≤100735540355200≤100270~300900735430260≤100229~286735590365210≤60293~321930785440280淬火≤6056~626403903051605560707570756075≤100≥241835635395230≤100530190115100~200490180110190~270600370215185245~33580048029025045195≤192渗碳渗碳回火HRC调质调质调质调质调质正火热轧或锻后空冷Q235A4540Cr40CrNi38SiMnMo38CrMoAlAMPa20Cr3Cr131Cr18NiTiQT600-3QT800-2调质淬火济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。§15-2轴的结构设计设计要求：1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装)2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)3.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定)4.改善应力状况，减小应力集中。轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承典型轴系结构济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制一、拟定轴上零件的装配方案装配方案：确定轴上零件的装配方向、顺序、和相互关系。潘存云教授研制济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。图示减速器输出轴就有两种装配方案。saBcLa圆锥圆柱齿轮二级减速器济南大学专用作者：潘存云教授方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理。方案一方案二济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制二、轴上零件的定位4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。轴肩----阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。轴肩套筒定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。双向固定济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。轴肩的尺寸要求:rC1或rRb≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)DdrR轴端挡圈双圆螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈圆锥面定位。hhC1DdrDdrRb济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定大多采用键、花键、过盈配合或型面联接等形式来实现。为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且紧可能采用同一规格的键槽截面尺寸。键槽应设计成同一加工直线济南大学专用作者：潘存云教授三、各轴段直径和长度的确定确定轴段直径大小的基本原则：最小轴径dmin的确定:轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；1.按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。4.有配合要求的零件要便于装拆。3.安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。2.有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。mmnPA30MPaT][ndP362.01055.9TTWT336][2.01055.9nPdT—扭矩，[τT]—许用应力，WT—抗扭截面系数，P—功率，n—转速，d—计算直径，A0—材料系数。济南大学专用作者：潘存云教授标准直径应按优先数系选取：R51.001.602.504.006.3010.00R101.001.251.602.002.503.154.005.006.308.0010.001.001.121.251.401.601.802.002.242.502.803.153.554.004.505.005.606.307.108.009.0010.001.001.061.121.181.251.321.401.501.601.701.801.902.002.122.242.362.502.652.803.003.153.353.553.754.004.254.504.755.005.305.606.006.306.707.107.508.008.509.009.5010.00R40R20优先数----表中任意一个数值。大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000。Q275,3540Cr,35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo,3Cr13[τT](N/mm)15~2520~3525~4535~55A0149~126135~112126~103112~97表15-2常用材料的[τT]值和A0值轴的材料Q235-A3,2045济南大学专用作者：潘存云教授常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。配合轴段的直径应由标准件和配合性质确定。1)装配轴承与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数；(φ20~385mm)与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套：…32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70…..2)装配联轴器配合段直径应符合联轴器的尺寸系列：联轴器的孔径与长度系列孔径d3032353840424548505565606365…长系列82112142短系列6084107长度L济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施：H7/r6H7/D11H7/r6为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不能过大。2)配合段前端制成锥度；3)配合段前后采用不同的尺寸公差。1)在配合段轴段前应采用较小的直径；结构不合理！济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制Q方案b四、提高轴的强度的常用措施图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。输出输出输入输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T11.改进轴上零件的结构当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理T2.合理布置轴上零件Q方案a轴径大轴径小济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制3.改进轴的局部结构可减小应力集中的影响合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。应力集中处措施：1)用圆角过渡；2)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;R3)重要结构可增加卸载槽、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。济南大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制轴上开卸载槽应力集中系数可减少40%轴上开卸载槽应力集中系数可减少15~25%增大轴的直径应力集中