18第14章 轴

郑大工学院专用第14章轴§14-1轴的功用和类型§14-2轴的材料§14-3轴的结构设计§14-4轴的强度设计§14-5轴的刚度设计郑大工学院专用工程中的实际轴郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用郑大工学院专用§14-1轴的功用和类型功用：①用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等；②传递运动和力。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：带式运输机减速器电动机转轴郑大工学院专用转轴---传递扭矩又承受弯矩。郑大工学院专用§14-1轴的功用和类型类型转轴---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功用：①用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等；②传递运动和力。郑大工学院专用传动轴---只传递扭矩郑大工学院专用§14-1轴的功用和类型类型转轴---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---只承受弯矩功用：①用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等；②传递运动和力。固定心轴、转动心轴郑大工学院专用固定心轴郑大工学院专用转动心轴郑大工学院专用固定心轴转动心轴郑大工学院专用§14-1轴的功用和类型类型转轴---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---只承受弯矩直轴功用：①用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等；②传递运动和力。郑大工学院专用§14-1轴的功用和类型类型转轴---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---只承受弯矩直轴曲轴功用：①用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等；②传递运动和力。郑大工学院专用郑大工学院专用本章只研究直轴§14-1轴的功用和类型类型转轴---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---只承受弯矩直轴曲轴挠性钢丝轴功用：①用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等；②传递运动和力。郑大工学院专用设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。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。设计步骤：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NY郑大工学院专用•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§14-2轴的材料注意：200°以下的碳钢、合金钢E值相差不大郑大工学院专用轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承典型轴系结构典型轴系结构§14-3轴的结构设计郑大工学院专用设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。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.轴应有良好的制造工艺性。4.结构上有利于提高轴的强度、刚度。减小应力集中。5、有利于节省材料、减轻重量轴的结构设计：郑大工学院专用潘存云教授研制一、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。潘存云教授研制郑大工学院专用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§14—3轴的结构设计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。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（一）轴上零件的定位----轴向定位§14—3轴的结构设计二、轴上零件的定位§14—3轴的结构设计1）轴肩、轴环轴肩轴环结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力特点§14—3轴的结构设计轴肩的尺寸要求:rC或rRDdrRDdCr或h≈(0.07~0.1)dCDdrDdrRb(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(3~5）mm非定位轴肩:h(0.5~1)mm轴环宽度:b1.4hhh§14—3轴的结构设计§14—3轴的结构设计2）套筒特点§14—3轴的结构设计特点§14—3轴的结构设计3）弹性挡圈固定可靠,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§14—3轴的结构设计5）双圆螺母§14—3轴的结构设计适用于轴向力很小,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§14—3轴的结构设计§14—3轴的结构设计适用于固定轴端零件特点7）轴端挡圈§14—3轴的结构设计§14—3轴的结构设计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§14—3轴的结构设计键花键销过盈联接成型联接（二）轴上零件的定位---周向定位§14—3轴的结构设计21二、轴上零件的定位特点装拆方便，互换性好，但对轴强度有削弱§14—3轴的结构设计1）键特点精度要求较高，定心性好，拆装方便，但制造需用专用设备和工具。2）花键§14—3轴的结构设计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§14—3轴的结构设计轴上零件的定位方法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(3~5)mm非定位轴肩h(0.5~1)mm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。三、各轴段直径的确定§14—3轴的结构设计§14—3轴的结构设计主要根据：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=(1.5~2)d毂比轴长2~3mm四、各轴段长度的确定§14—3轴的结构设计详细说明L2~3mm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§14—3轴的结构设计轴端应制出45º的倒角；砂轮越程槽退刀槽45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；不同轴段的键槽宽度尽可能一致，并布置在同一母线上；§14—3轴的结构设计轴段的阶梯数量要尽可能少。郑大工学院专用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。Q方案aQ方案bT1、改进轴上零件结构，以减小轴上载荷六、提高轴的强度和刚度的措施郑大工学院专用输出输出输入输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T1T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理2、合理布置轴上零件减小轴上载荷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。郑大工学院专用潘存云教授研制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;R郑大工学院专用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系数可减少30~40%d1.05d3）采取增加卸载槽、增大轴径、过渡肩环、凹切圆角、等也可以减小过盈配合处的局部应力。30˚r凹切圆角过渡肩环1.06~1.06dd郑大工学院专用郑大工学院专用4.改善轴的表面质量可提高轴的疲劳强度1）表面愈粗糙疲劳强度愈低；提高表面粗糙度；轴的表面粗糙度和强化处理方法会对轴的疲劳强度产生影响2）表面强化处理的方法有：▲表面高频淬火；▲表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；▲碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的疲劳能力。郑大工学院专用§14-4轴的强度设计一、按扭转强度计算轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，常用方法有两种。对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：设计公式为：mmnPC3MPa][ndP362.01055.9TWT336][2.01055.9nPd对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。计算结果为：最小直径！解释各符号的意义及单位轴的材料A3,20354540Cr,35SiMn[τ](N/mm)12~2020~3030~4040~52C160~135135~118118~107107~92表14-2常用材料的[τ]值和C值注:当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,C取较小值;否则取较大值郑大工学院专用考虑键槽对轴有削弱，可按以下方式修正轴径：轴径d≤100mmd增大5%～7%d增大10%～15%轴径d＞100mmd增大3%d增大7%有一个键槽有两个键槽郑大工学院专用减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。因σb和τ的循环特性不同，折合后得：][1.0132bdM][12bMW二、按弯扭合成强度计算对于一般钢制轴，可用第三强度理论（最大切应力理论）求出危险截面的当量应力。强度条件为：][422bbel1l221TMW2224WTWMeWMee弯曲应力：扭切应力：WMbTWT32/3dM31.0dMWT2代入得：W------抗弯截面系数；WT----抗扭截面系数；3221.0)(dTMα----折合系数Me---当量弯矩郑大工学院专用材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]40013070405001707545600200955570023011065800270130759003001408010003301509050012070404001005030表14-3轴的许用弯曲应力碳素钢合金钢铸钢折合系数取值：α=0.3----转矩不变；0.6----脉动变化；1----频繁正反转。静应力状态下的许用弯曲应力mmMdbe31][1.0设计公式：郑大工学院专用折合系数取值：α=0.3----转矩不变；0.6----脉动变化；1----频繁正反转。mmMdbe31][1.0设计公式：材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]40013070405001707545600200955570023011065800270130759003001408010003301509050012070404001005030表14-3轴的许用弯曲应力碳素钢合金钢铸钢脉动循环状态下的许用弯曲应力郑大工学院专用折合系数取值：α=0.3----转矩不变；0.6----脉动变化；1----频繁正反转。mmMdbe31][1.0设计公式：材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]40013070405001707545600200955570023011065800270130759003001408010003301509050012070404001005030表14-3轴的许用弯曲应力碳素钢合金钢铸钢对称循环状态下的许用弯曲应力郑大工学院专用N21