轴的设计

第十七章轴的设计§17-1概述§17-4轴的强度和刚度计算§17-3轴的结构设计§17-2轴径的初步估算§17-1概述一、轴的主要功用1、支承轴上回转零件（如齿轮）2、传递运动和动力3、受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。二、轴的分类1、按承载情况分转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）如：减速器中的轴。传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0）固定心轴：轴固定问：火车轮轴属于什么类型？转动心轴转动心轴：轴转动转动心轴滑轮轴问：自行车的前轮轴属于什么类型？固定心轴自行车的中轴是转轴问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0轴：Ⅰ轴：Ⅴ轴：Ⅱ轴：Ⅲ轴：Ⅳ轴：传动轴转轴转动心轴转轴转轴转动心轴如何判断轴是否传递转矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩：该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。2、按轴线形状分直轴又可分为实心、空心（加工困难）光轴阶梯轴曲轴：发动机专用零件钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。钢丝软轴的绕制动力源驱动装置接头钢丝软轴（外层为护套）接头三、轴的材料对轴材料要求：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性能和加工工艺性好；材料来源广，价格适中。1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应用最广。价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。2、合金钢：40Cr、40MnB、20CrMnTi等，强度高、寿命长，对应力集中敏感，价格较贵。用于重载、小尺寸的轴。3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？注意：钢材种类热处理对钢材弹性模量E影响很小，∴用热处理合金钢不能提高轴的刚度。轴的毛坯：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、空心轴等四、轴设计的主要问题与设计特点失效形式：1、疲劳破坏—疲劳强度校核。2、变形过大—刚度验算（如机床主轴）。3、振动折断—高速轴，自振频率与轴转速接近。4、塑性变形—短期尖峰载荷—验算屈服强度。设计的主要问题：1、合理的结构设计—保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整；a、有足够的强度—疲劳强度、静强度；b、有足够的刚度—防止产生大的变形；c、有足够的稳定性—防止共振—稳定性计算。2、工作能力计算轴的设计步骤轴的结构形状和尺寸选用合适的材料结构设计强度和刚度计算转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。§17-2轴径的初步估算一、按扭转强度估算轴径扭转强度条件：τT、[τT]——轴的扭剪应力和许用扭剪应力，MPa；T——转矩，N·mm；P——轴所传递的功率，kW；WT——轴的抗扭截面系数，mm3，对于实心圆轴，WT=πd3/16≈0.2d3；d——轴的直径，mm；n——轴的转速，r/min。][1095503TTTTWnPWT对实心圆轴，设计计算式：mmnPC3336][2.01055.9nPdTC——与轴的材料和承载情况有关的系数。计算说明：1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为轴端；2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大5%，双键槽增大10%，将所计算的直径圆整为标准值，即：dd)10.1~05.1(单键槽双键槽径要求满足该段轴上零件的孔3）轴的最小直径dmin应根据满足轴强度要求）(mindd4）对于传动轴，精确计算；5）对转轴，初估轴径dmin——结构设计，逐步阶梯化di（∵支点、力作用点未知）；6）对于转轴：算出dmin→结构设计→弯矩图→弯扭合成强度计算；二、按经验公式估算轴径对高速轴：d＝(0.8－1.2)D其中，D为电机轴径对低速轴：d＝(0.3－0.4)a其中，a为同级齿轮中心距设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。§17-3轴的结构设计设计要求：1.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定；2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整；3.轴应具有良好的加工工艺性；4.应有利于提高轴的强度和刚度。F等强度阶梯轴组成轴颈：装轴承处尺寸=轴承内径；轴头：装轮毂处直径与轮毂内径相当；轴身：联接轴颈和轴头部分。一、轴上零件的布置滚动轴承齿轮滚动轴承键槽联轴器轴颈轴身轴头轴颈轴身轴头轴承盖轴承盖典型轴系结构装配方案的比较：二、各轴段直径和长度的确定1、d：由载荷→dmin→由结构设计要求确定各段的d。2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑：1）轴段长比轮毂宽小2~3mm——可靠定位。2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。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1231.螺母无法安装；2.应有螺纹退刀槽；3.轴肩高度应低于轴承内圈高度。错误原因：正确答案1321.轮毂上的键槽应贯穿，键连接应局部剖视；2.套筒无法安装；3.轴颈处不应有键槽。2.键连接画法错误，且多个键应位于同一母线上。121.左侧键太长；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W——轴的抗弯截面系数（mm3）bbcWM转动心轴：rσ=-1[σb]=[σ-1b]M不变：[σb]=[σ+1b]M变化：[σb]=[σ0b][σb]——许用弯曲应力弯曲强度条件：对于实心圆轴，W=d3/32d3/10查表17–2(P354)固定心轴二、按弯曲强度计算——用于心轴强度计算§17-4轴的强度和刚度计算一、按扭转强度计算——适用于传动轴、转轴初算三、按弯、扭合成强度计算——用于转轴强度计算已知条件：轴的结构设计