81轴的设计

§11.1概述§11.2轴的结构设计§11.3轴的强度计算第11章轴的设计11.1概述轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。按照承受载荷的不同，轴可分为：除了刚性轴外，还有钢丝软轴（挠性轴），可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置。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。直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。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。11.1.1轴的分类转轴传动轴固定心轴前轮轮毂固定心轴前叉自行车前轮轴火车轮轴车厢重力支撑反力转动心轴转动心轴按照轴线形状的不同，轴可分为直轴和曲轴两大类。实心轴空心轴直轴直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。光轴阶梯轴曲轴曲轴气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮9曲轴钢丝软轴轴上各段的名称轴端轴头轴颈轴头轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任何零件的轴段等部分组成。轴身转轴的结构：可分为三部分轴头：装传动零件的轴段（带轮、链轮、齿轮、蜗轮）；轴颈：装轴承的轴段；轴身：连接轴头和轴颈的轴段。轴端轴头轴颈轴头轴的结构和形状取决于：轴的毛坯种类轴上作用力的大小及分布情况轴上零件的位置、配合性质以及联结固定的方法轴承的类型、尺寸和位置轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求轴身选材轴的结构设计初定轴的最小直径轴上零件的定位和固定加工和装配的工艺性提高轴强度的结构措施轴的强度计算轴的刚度计算轴的稳定性计算轴的承载能力计算轴的设计步骤11.1.2轴的设计准则设计轴时主要应满足轴的强度和结构的要求；对刚度要求较高的轴，主要应满足刚度的要求；对一些高速机械的轴，要考虑满足振动稳定性的要求；轴的结构设计：根据装配、加工、受力等具体要求，合理定出轴的形状和各部分结构尺寸。轴的工作能力计算由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多为疲劳破坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的应力集中敏感性和良好的加工特性。(1)碳素钢优质碳素钢：35、45、50等45钢使用最广泛普通碳素钢：Q235A等特点强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好应力集中敏感性小热处理后提高耐磨性、疲劳强度11.1.3轴的材料(2)合金钢用于高速、重载、较重要的轴常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等特点对应力集中敏感性较大强度和淬火性比碳素钢好价格比碳素钢贵注意刚度与碳素钢相同(两者弹性模量E相近)我国Cr、Ni资源少，尽量用代用钢种(如40MnB机械性能接近40Cr)11.1.3轴的材料(3)球墨铸铁以铁代钢特点对应力集中敏感性较小吸振性、耐磨性好可以做成复杂形状价廉冲击韧性低、质量不易控制毛坯圆钢棒料尺寸小的轴焊接毛坯大件锻造困难铸造毛坯形状复杂的轴、空心轴等11.1.3轴的材料33955010[]0.2TTTPTnWd在作轴的结构设计时，通常用轴的扭转强度来初步估算轴的最小直径。满足扭转强度条件为：11.2轴的结构设计63339.55100.2[]TPPdAnn满足扭转强度条件轴径计算式为：T扭转剪应力，T轴传递的扭矩，TW为轴的抗扭截面系数，330.216TdWd[]T为许用扭转剪应力A是由轴的材料和承载情况确定的常数。106～97117～106134～117158～134A40-5230-4020-3011-2040Cr,35SiMn,42SiMn,38SiMn45Q275，35Q235，20轴的材料[]TMPa如果在该处有键槽，则应考虑削弱轴的强度。11.2轴的结构设计63339.55100.2[]TPPdAnnd≤100mm，若有一个键槽，d值应增大5-7％；若有两个键槽，d值应增大10-15％.d＞100mm，若有一个键槽，d值应增大3％；若有两个键槽，d值应增大7％。2、按经验公式估算对一般减速器装置中的轴，可用经验公式来估算轴的最小直径。(0.8~1.2)dD对于高速级输入轴的最小直径可按与其相连的电动机轴径D估算。(0.3~0.4)da相应各级低速轴的最小直径可按同级齿轮中心距a估算。11.2轴的结构设计11.2轴的结构设计当用初步估算求得轴的最小轴径后，即可进行轴的结构设计。轴的结构设计的目的，主要是确定轴的合理外形和全部结构尺寸。其主要要求是：轴上零件要易于装拆（制造、装拆要求）；各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；轴应便于加工。轴上零件要有准确的工作位置（定位）；选材轴的结构设计初定轴的最小直径轴上零件的定位和固定加工和装配的工艺性提高轴强度的结构措施轴的强度计算轴的刚度计算轴的稳定性计算轴的承载能力计算轴的设计步骤轴的结构设计主要解决的问题是：1、轴上零件的装配方案2、轴上零件的周向定位和轴向定位3、各轴段直径的确定4、各轴段长度的确定5、轴的结构工艺性6、提高轴的强度的措施11.2轴的结构设计从装配观点两头小中间粗从承载观点中间受弯矩大阶梯轴一、拟定轴上零件的装配方案根据轴上零件的结构特点，首先要预定出主要零件的装配方向、顺序和相互关系，它是轴进行结构设计的基础，拟定装配方案，应先考虑几个方案，进行分析比较后再选优。原则：1）轴的结构越简单越好；2）应装配简单、方便。(1)轴肩与轴环rhDdC1轴肩hDdbrR轴环r轴的过渡圆角半径零件毂孔倒角C1或圆角R轴肩高度h零件毂孔倒角C1或圆角R三、确定各轴段直径1)估算或类比在实际设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验取定，或参考同类机械用类比的方法确定，此外，也可采用经验公式来估算轴的直径。可按轴所受的扭矩初步估算轴所需的最小直径dmin，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐一确定各段轴的直径。一般定位轴肩，轴肩处的直径差可取5~10mm。2)、圆整3)、便于零件轴向装配2)、圆整直径的值要进行圆整。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封圈等)部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。3)、便于零件轴向装配相配轴段的压入端应制出锥度同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。四、确定各轴段长度1)、为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2～3mm。2)、若在轴上装有滑移的零件，应该考虑零件的滑移距离3)、轴的相邻零件间应该有必要的空隙.五、轴的结构工艺性轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上零件，并且生产率高，成本低。一般地说,轴的结构越简单,工艺性越好。因此,在满足使用要求的前提下,轴的结构形式应尽量简化。为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45°的倒角；为了减少装夹工件的时间，在同一轴上，不同轴段的键槽应布置（或投影）在轴的同一母线上需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。六、提高轴的强度和刚度(1)减小轴的应力集中(2)改善支撑方案(3)改善零件布置(4)表面处理工艺角接触球轴承和圆锥滚子轴承一般成对使用，根据调整、安装以及使用场合的不同，有如下两种排列方式。1．正装（面对面：外圈窄端面相对）两角接触球轴承或圆锥滚子轴承的压力中心距离小于两个轴承中点跨距时，称为正装。该方式的轴系，结构简单，装拆、调整方便，但是，轴的受热伸长会减小轴承的轴向游隙，甚至会卡死。2．反装（背对背：外圈宽端面相对）两角接触球轴承或圆锥滚子轴承的压力中心距离大于两个轴承中点的跨距时，称为反装，显然，轴的热膨胀会增大轴承的轴向游隙。另外，反装的结构较复杂，装拆、调整不便。正、反装的刚度分析当传动零件悬臂安装时，反装的轴系刚度比正装的轴系高，这是因为反装的轴承压力中心距离较大，使轴承的反力、变形及轴的最大弯矩和变形均小于正装。当传动零件介于两轴承中间时，正装使轴承压力中心距离减小而有助于提高轴的刚度，反装则相反。因此,两角接触球轴承或圆锥滚子轴承的正装和反装应该根据传动零件(齿轮,蜗轮蜗杆)和轴的结构综合考虑.而选择使用11.3轴的强度计算•轴的计算通常都是在初步完成结构设计后进行校核计算。•以转轴为例，轴的强度包括：1、按扭转强度条件校核2、按弯扭合成强度校核3、按疲劳强度进行校核4、按静强度校核33955010[]0.2TTTPTnWd对于只承受转矩的轴，由材料力学可知，圆截面轴的扭转强度条件为：63339.55100.2[]TPPdAnn满足扭转强度条件轴径计算式为：T扭转剪应力，T轴传递的扭矩，TW为轴的抗扭截面系数，330.216TdWd[]T为许用扭转剪应力1、按扭转强度条件校核2、按弯扭合成强度校核的9步•l）绘出轴的结构图•2）绘出轴的空间受力图•3）绘出轴的水平面的弯矩图•4）绘出轴的垂直面的弯矩图•5）绘出轴的合成弯矩图•6）绘出轴的扭矩图•7）绘出轴的计算弯矩图•8）按第三强度理论计算当量矩：•9）校核危险断面的当量弯曲应力（计算应力）：1、画梁的剪力图的时候“左起右落”为正，图形画在杆件上方，反之为负，图形画在杆件下方；2、画梁的弯矩图的时候“左起右起”为正，图形画在杆件上方，反之为负，图形画在杆件下方；3、画梁的扭矩图，根据右手法则，大拇指直向截面外侧就是正，反之为负。将右手张开，四指并拢，拇指与其成直角方向，然后将四指顺着扭转的方向，将轴握住，此时大拇指的方向就是扭矩的方向。Sσ零件只承受法向应力σa是的计算安全系数S零件只承受法向应力a是的计算安全系数•在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。•例如：安装齿轮的轴，若弯曲刚度不足而导致挠度过大时，将影响齿轮的正确啮合，使齿轮沿齿宽和齿高方向接触不良，造成载荷在齿面上严重分布不均。轴的刚度计算轴的弯曲刚度以挠度或偏转角来度量；扭转刚度以扭转角来度量。•轴的弯曲刚度条件为：挠度：y≤[y]mm轴的刚度计算l——轴的跨距；Δ——电动机转子与定子间的气隙，mm；mn——齿轮的法面模数；mt2——蜗轮的端面模数。结构分析题：指出下图中轴系的结构错误，并改正(7)轴上有两个键，但两个键槽不在同一母线上．11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．2(2)轴与右端盖之间不能接触，应有间隙，并有密封措施3(3)齿轮两侧都是轴环，无法安装到位4(4)齿轮上的键槽没打通，深度不够，这样的结构，键槽无法加工，也无法装配。5(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(6)因轴肩过高，两个轴承拆卸困难67例1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(1)轴承的轴向固定、调整，轴向力传递方面的错误．②两端固定结构中，轴左端的弹性挡圈多余，应去掉①轴系采用两端固定结构，两轴承反装不能将轴向力传到机架，应该为正装③端盖处没有调整垫片，不能调整轴承游隙．(2)转动零件与固定零件接触，不能正常工作方面的错误①轴右端的联轴器不能接触端盖，用端盖轴向定位更不行②轴与右端盖之间不能接触，应有间隙．③定位齿轮的套筒径向尺寸过大，与轴承外圈接触．④轴的左端端面不能与轴承端盖接触(3)轴上零件装配、拆卸工艺性方面的错误①有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)②套筒径向尺寸过大，右轴承拆卸困难．③因轴肩过高，左轴承拆卸困难④齿轮与轴联接的键过长．套筒和轴承不能安装到位：(4)轴上零件定位、固定可靠性方面的错误①轴右端的联轴器没有轴向定位②齿轮的轴向定位不可靠，轴头长应短于轮毂宽③齿轮与轴联接键的长度过大，套筒顶不住齿轮④右侧外伸端的长度太长，使得两半联轴器无法连接(5)加上工艺性方面的错误①两侧轴承端盖处箱体上没有凸台，加工面与非加工而没有分开②轴有两个键，两个平槽不在同一母线上．③联轴器轮毂上的键槽没开通，深度不够，联轴器无法安装．(6)润滑、密封方面的错误①右轴承端盖与轴间没有密封措施②轴承用脂润滑，轴承处没