轴的设计

主要内容1、轴的结构设计：影响轴结构的因素；轴的台阶化设计；轴的设计步骤。2、轴的强度与刚度计算：轴上载荷及应力分析；轴的强度计算、刚度计算等。基本要求1、了解轴的功用、类型、特点及应用。2、掌握轴的结构设计方法。3、掌握轴的三种强度计算方法：按扭转强度计算、按弯扭合成强度计算、按疲劳强度进行安全系数校核计算。第六章轴的设计一、轴设计概述1.轴的功用及分类功用支撑回转零件传递运动和转矩分类心轴：只承受弯矩、不承受转矩传动轴：主要承受转矩、不承受或承受很小弯矩转轴：既承受弯矩、又承受转矩转动心轴固定心轴按载荷分类分类按轴的外形分类光轴阶梯轴直径无变化直径有变化光轴阶梯轴空心轴2.轴的设计步骤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有特殊要求时3.轴的材料(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(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)(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锻造毛坯尺寸较大或为提高强度的轴焊接毛坯大件锻造困难铸造毛坯形状复杂的轴、空心轴等二、轴的结构设计1.轴的结构设计原则(1)满足强度、刚度、防振的要求，并通过结构设计提高这些方面的性能(2)保证轴上零件定位且固定可靠(3)便于轴上零件装拆和调整(4)轴的加工工艺性好2轴的主要组成•轴颈——轴上被支承的部分。•轴头——安装轮毂部分。•轴身——联接轴颈和轴头的部分。•轴伸——外伸的轴头。•轴肩或轴环——阶梯轴上截面尺寸变化的部位为了便于安装和拆卸，一般的转轴均为中间大、两头小的阶梯轴。轴肩和轴环便于轴上零件的安装，常做为轴向定位、固定的手段，其高度取决于它的用途。一）零件轴向固定的目的三、轴上零件的轴向固定防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。二）常用轴向固定轴肩轴环1.轴肩（或轴环）过渡圆角r定位高度h由组成rhdDhrDd特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴向定位和固定。注意事项：1）轴的过渡圆角半径r——应小于轴上零件的倒角C或圆角半径R；R轴环rhdDc轴肩hrDdb2）轴环宽度b——b1.4h≥10mm3）轴肩轴环高度h定位轴肩：高度hC(或R),通常取h=(2～3)C或(2～3)R或h=0.07d+(2～3)mm滚动轴承：轴肩高度滚动轴承内圈高度非定位轴肩：为使零件装拆方便，取h=(1～2)mmc轴肩hrDd轴环rhdDRb2．套筒----常用于两个距离相近的零件之间，起定位和固定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的轴上。套筒注意：轮毂宽度B轴头长度l，取l=B-（2~3）mmBl3．轴端挡圈----常与轴肩或锥面联合使用，固定零件稳定可靠，能承受较大的轴向力。注意：轮毂宽度B轴头长度l，取l=B-（2~3）mm轴肩B轴端挡圈止动垫片止动销l止动垫片止动销轴端挡圈螺钉螺钉4．圆锥面----装拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定。锥面轴端挡圈螺钉止动垫片5．圆螺母与止动垫圈----固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。常用于轴上两零件间距较大处，也可用于轴端。注意：零件宽度B轴长度l，取l=B-（2~3）mmlB止动垫圈圆螺母为防松，需加止动垫圈或使用双螺母。止动垫圈6．弹性挡圈-----结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。弹性挡圈Bl注意：零件宽度B轴长度l，取l=B-（2~3）mm7．紧定螺钉----结构简单，可兼作周向固定，传递不大的力或力矩，不宜用于高速。紧定螺钉必须注意：1）轴上零件一般均应作双向固定，可将各种方法联合使用。2）保证固定可靠，防止过定位，L轴段长度=B轮毂宽-(2~3)mm。2~32~3一）零件周向固定的目的四、轴上零件的周向固定使零件能同轴一起转动，传递转矩。二）常用周向固定周向固定大多采用键、花键、过盈配合或销等联接形式来实现。键槽应设计成同一加工直线。键联接——制造简单，装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。花键联接——承载能力高，定心好，导向性好，但制造较困难，成本较高。用于传递转矩大，对中性要求高或导向性好的场合。过盈配合联接——结构简单，定心好，承载能力高，工作可靠，但装配困难，对配合尺寸的精度要求较高。销联接——用于固定不太重要，受力不大，但同时需要轴向固定的零件。五、轴的结构工艺性——便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装一）轴的加工工艺性要求1.不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工时的装卡次数；a.正确结构b.不正确结构2.需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应留螺纹退刀槽。3.相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一。砂轮越程槽0.8螺纹退刀槽二）轴上零件装配工艺性要求3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。b）导向锥面1.轴的配合直径应圆整为标准值。2.轴端应有cX45º的倒角。°a）倒角°4.装配段不宜过长。六、提高轴强度和刚度的措施1.减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。b）过盈配合处的应力集中轴的应力集中发生的位置a）截面尺寸变化处的应力集中b）过盈配合处的应力集中c）小孔处的应力集中a）截面尺寸变化处的应力集中c）小孔处的应力集中减小应力集中的措施：2）尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽；3）重要结构可增加卸载槽B、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。1）用圆角过渡；卸载槽dd/4BB过渡肩环凹切圆角r30˚4）避免相邻轴径相差太大；2.合理布置轴上零件，改善轴的受力情况1）使弯矩分布合理——把轴、毂配合分成两段，减小最大弯矩值。不合理结构F合理结构F2）使转矩合理分配输出轮输入轮输出轮输出轮输入轮1不合理的布置Tmax=T2+T3+T4合理布置Tmax=T3+T43）改进轴上零件结构，减轻轴的载荷卷筒轴既受弯矩又受扭矩卷筒轴只受弯矩卷筒齿轮轴承齿轮螺栓卷筒轴承齿轮齿轮斜齿轮：两斜齿轮旋向应相同4）采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。行星齿轮减速器：多个行星轮均布a)悬臂支承方案b)简支支承方案3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度。c)悬臂支承方案(正安装）4.改善轴的表面质量表面粗糙度和表面强化处理会对轴的疲劳强度产生影响。1）表面愈粗糙疲劳强度愈低；提高表面粗糙度。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。指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。错误分析图滚动轴承轴齿轮套筒123正确结构图1—缺少键联接，齿轮未周向固定；错误原因：2—轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠；3—轴端无倒角，轴承不便安装。轴系结构设计中常见错误实例分析1—连轴齿轮两端无倒角轮廓线；错误分析图齿轮连轴齿轮1223正确结构图错误原因：2—齿轮左右两端均未轴向固定；3—缺少键联接，齿轮未周向固定。正确答案12,341.螺母无法安装；2.应有螺纹退刀槽；3.轴承宽度应比轴段长度大2~3mm；4.轴肩高度应低于轴承内圈高度。错误原因：正确答案1321.轮毂宽度上插键槽；2.套筒无法安装；3.轴颈处不应有键槽。2.多个键应位于同一母线上121.左侧键太长，套筒无法装入正确答案下图为双级斜齿圆柱齿轮减速器输出轴的轴系结构图，齿轮用油润滑，轴承采用脂润滑。试分析轴系结构的错误，在有错误处标明序号，说明原因并提出改正方法。1．联轴器顶住端盖，产生摩擦磨损，应设计一定位轴肩；2．轴承盖与轴应有间隙，并设有密封件；3．应加调整垫片，箱体加工面与非加工面应分开；4．轴承端面距箱体内壁应有一定距离，30000类轴承“反装”（“背对背”安装），轴承外圈窄边不应固定，而外圈宽边应予固定；5．齿轮无法装拆；6．键槽应与联轴器处键槽设置在同一方位上，且键顶部与轮毂键槽之间应有间隙,键应局部剖开；134235647．轴过长；8．不应该开键槽，且此段轴过长，顶住了端盖；9．轴肩过高，不便于轴承拆卸；10．轴承没有轴向定位，可设轴套定位，且轴承内圈外侧未固定；11．键过长，并且与齿轮处的键不在同一方位。1078911试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。112234678,910115正确1、优质碳素钢经调质处理制造的轴，验算刚度时发现不足，正确的改进方法是＿＿。A、加大直径B、改用合金钢C、改变热处理方法D、降低表面粗糙度值2、工作时只承受弯矩，不传递转矩的轴，称为＿＿。A、心轴B、转轴C、传动轴D、曲轴3、采用＿＿的措施不能有效地改善轴的刚度。A、改用高强度合金钢B、改变轴的直径C、改变轴的支承位置D、改变轴的结构4、计算当量弯矩时，要引入系数a，这是考虑＿＿。A、轴上键槽削弱轴的强度B、合成正应力与剪切应力时的折算系数C、正应力与剪切应力的循环特性不同的系数D、正应力与剪切应力方向不同自测题5、转动的轴，受不变的载荷作用，其所受的弯曲应力的性质为＿＿。A、脉动循环B、对称循环C、静应力D、非对称循环6、对于受对称循环转矩作用的转轴，计算当量弯矩，α应取＿＿。A、0.3B、0.6C、1D、1.37、设计减速器中的轴，其一般设计步骤为＿＿。A、先进行结构设计，再按转矩、弯曲应力和安全系数校核B、按弯曲应力初算轴径，再进行结构设计，最后校核转矩和安全系数C、根据安全系数定出轴径和长度，冉校核转矩和弯曲应力D、按转矩初估轴径，再进行结构设计，最后校核弯曲应力和安全系数8、根据轴的承载情况，＿＿的轴称为转轴。A、既承受弯矩又承受转矩B、只承受弯矩不承受转矩C、不承受弯矩只承受转矩D、承受较大轴向载荷