第15章-轴

机械设计第15章轴§15-1概述§15-2轴的结构设计§15-3轴的计算§15-4轴的设计实例机械设计机械设计§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、轴的用途及分类带式运输机减速器电动机转轴机械设计功用：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概述机械设计功用：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——只承受弯矩火车轮轴车厢重力支撑反力转动心轴一、轴的用途及分类§15-1概述前轮轮毂固定心轴前叉自行车前轮轴机械设计功用：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机械设计功用：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机械设计功用：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机械设计设计任务：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：选择材料结构设计结束Y轴的承载能力验算N验算合格?机械设计机械设计种类碳素钢：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。正火或调质处理。机械设计表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……………………机械设计表15-2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/mm/HBS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≤100400~420225100375~39021517010540≤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调质淬火机械设计设计任务：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。机械设计轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承典型轴系结构机械设计一、拟定轴上零的装配方案装配方案：确定轴上零件的装配方向、顺序相互关系。机械设计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。saaBcL圆锥圆柱齿轮二级减速器机械设计方案二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。方案一机械设计④②③⑥⑦⑤①二、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。定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。轴肩套筒1~21~2机械设计机械设计轴向固定由轴肩、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。双向固定机械设计无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。轴端挡圈双圆螺母装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈圆锥面定位。机械设计轴肩的尺寸要求:rC1或rRb≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)rRdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mmhhC1DdrDdb轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。机械设计周向固定大多采用键、花键、过盈配合或型面连接等形式来实现。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：1.按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。2.有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；机械设计最小轴径dmin的确定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。mm≥30nPAMPa][≤TndP362.01055.9TTWT336][2.01055.9≥nPd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。Q275,3540Cr,35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo,3Cr13[τT]/(N/mm)15~2520~3525~4535~55A0149~126135~112126~103112~97表15-３常用材料的[τT]值和A0值轴的材料Q235-A3,45机械设计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。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。机械设计(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机械设计便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施：H7/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；机械设计H7/r6结构不合理！四、提高轴的强度的常用措施1.改进轴上零件的结构机械设计Q方案b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。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。输出输出输入Tmax=T1+T2T2T1T1+T2不合理T输出输出输入Tmax=T1T1T1+T2T2合理2.合理布置轴上零件Q方案a轴径大轴径小机械设计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；R机械设计(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、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。(4）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。机械设计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%d1.05d30˚r凹切圆角1.06~1.06dd过渡肩环机械设计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。机械设计机械设计为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。零件的安装次序五、轴的结构工艺性装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。机械设计机械设计§15-3轴的计算一、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mm≥30nPAMPa][TndP362.01055.9TTWT336][2.010×55.9≥nPd计算结果为最小直径！解释各符号的意义及单位机械设计机械设计考虑键槽对轴有削弱，可