第12讲-轴

第11章轴轴是机器中的核心零件，一系列转动零件(如齿轮、带轮都要装在轴上以实现其回转运动，并且依靠轴实现其准确的定位和可靠固定。轴一般为细长构件，且承受较大的载荷，是机器的薄弱环节，轴一旦断裂失效，常会造成严重事故。轴的强度、刚度、运动精度对机器的性能有着重要的影响，是机器获得良好性能的基础。本章要求①明确轴的功用和分类②会根据工况条件正确选材及确定热处理方法③会进行结构设计④明确工作能力要求，会对其进行必要的计算一．功用§1概述支撑定位回转零件及传递运动和动力二．分类1.按照轴线形状：直轴、曲轴、软轴二．分类2.按照承受载荷：心轴（受弯）转轴（受扭）传动轴（弯扭）§1概述三．工作能力指标1.足够的静强度2.足够的疲劳强度3.足够的刚度4.振动稳定性轴一般都具有细长结构，承受弯曲和扭转载荷，相当于转动的梁，是机器中的受力薄弱环节。工作中应满足：四．材料及热处理要求具有良好的综合机械性能1.常用中碳钢、中碳合金钢经调质或正火处理。2.存在局部摩擦的部位，可采用局部硬化方法。3.毛坯锻件优先、圆钢次之；尺寸较大或结构复杂者可考虑铸钢、铸铁。轴的常用材料及其机械性能见教材P226表11.1注意：钢材的种类和热处理对其弹性模量的影响很小，故采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度是无效的。五．设计中要解决的问题①正确选择材料及热处理方法②结构设计③工作能力计算④完成零件工作图（放在课程设计中解决）§2结构设计目的使轴以及轴上所安装的零件处于正确的位置并牢靠地固定原则①定位准确、固定可靠（轴上零件有位置要求）②便于装拆:一般为阶梯轴，中间粗，两端细，便于装配③便于制造（加工工艺性）④受力合理（工作能力）顺序--轴系零件装拆方案--定位固定方法与结构--确定轴的尺寸一．装拆的考虑考虑轴肩是否定位，装拆是否方便，从而确定各段轴径。§2结构设计轴系装配过程1—装轴承2—套上端盖3—套上密封圈4—套上密封圈压板5—装键6—将轴系置于机座上7—盖上机盖8—拧上端盖螺钉9—拧上密封圈压板螺钉10—装带轮、档圈和螺钉11—装刀具零件组二．定位和固定的考虑(教材P228有详细论述)§2结构设计周向——键联结、花键联结。二．定位和固定的考虑(教材P228有详细论述)轴向——轴肩、轴套、圆螺母、挡圈、端盖等双向固定；轴颈要稍短；轴肩处圆角和倒角。§2结构设计二．定位和固定的考虑(教材P228有详细论述)轴向——轴肩、轴套、圆螺母、挡圈、端盖等双向固定；轴颈要稍短；轴肩处圆角和倒角。§2结构设计二．定位和固定的考虑(教材P228有详细论述)轴向——轴肩、轴套、圆螺母、挡圈、端盖等双向固定；轴颈要稍短；轴肩处圆角和倒角。§2结构设计三．制造工艺性考虑①必要的工艺结构：退刀槽、越程槽、圆角、倒角、装配压紧缝§2结构设计②键槽划一（提高加工功效）四．提高强度的考虑①减小应力集中——圆角过渡、卸载§2结构设计四．提高强度的考虑②载荷分布合理§2结构设计四．提高强度的考虑②载荷分布合理§2结构设计四．提高强度的考虑②载荷分布合理§2结构设计§2结构设计五.注意几个具体问题1.各段配合直径d应符合标准尺寸(GB2822—81)，而与滚动轴承、联轴器、油封等标准件配合的轴径(如图中轴的①、②、③、⑦段)，应符合标准件的内径系列。2.注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的(如图中轴的①～②段、④～⑤段、⑥～⑦段)，这种台阶过低，定位作用差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度h＝(2～3)C或R(C、R分别为零件倒角和圆角半径尺寸)。另一种台阶是为了装配容易通过(如图中轴的②～③、③～④段)，这种台阶高度很小，一般在直径方向上只差1～3mm即可。3与轴上零件(如齿轮)相配合的轴段长度l，要比轴上零件的宽度尺寸B短2～3mm，这样才能把轴上零件固定住。(4)轴的过渡圆角半径r要比相配合的零件的倒角C或圆角半径R小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。5为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心孔尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上,便于加工。6轴上应尽量避免开横孔，若无法避免时应将孔端倒角，或用滚珠辗压棱边，并要尽量提高孔的表面粗糙度等级(见图)。2.轴上零件未定位和固定：1.转动件与静止件接触：结构改错图所示为一用滚动轴承支承的齿轮轴轴系结构图，现要求分析图上的错误结构并改正之。轴承采用油脂润滑，齿轮用油润滑。解:此轴系有以下四方面的错误结构：如轴承端盖与轴[图中标号为1、14处]、套筒与轴承外圈[2处]相接触如套筒顶不住齿轮[图中标号为3处]；联轴器未定位[4处]；联轴器周向及轴向未固定[图中标号为5、4处]；卡圈无用[6处]；结构改错图所示为一用滚动轴承支承的齿轮轴轴系结构图，现要求分析图上的错误结构并改正之。轴承采用油脂润滑，齿轮用油润滑。解:此轴系有以下四方面的错误结构：3.工艺不合理调整:如无垫片，无法调整轴承游隙[图中标号为9、12处]；安装:如轴肩过高，无法拆卸轴承[图中标号为10、13处]；键过长，套筒无法装入[11处]；加工:如精加工面过长且装拆轴承不便[图中标号为7处]；联轴器未打通[8处]；箱体端面加工面和非加工面没分开[9、12处]；结构改错图所示为一用滚动轴承支承的齿轮轴轴系结构图，现要求分析图上的错误结构并改正之。轴承采用油脂润滑，齿轮用油润滑。解:此轴系有以下四方面的错误结构：4.润滑与密封的问题:齿轮油润滑、轴承脂润滑无档油圈；外伸轴端无密封设施[图上标号为1、14处]等。结束此轴系结构错误从四个方面考虑：1.转动件与静止件干涉；2.轴上零件的定位和固定；3.工艺不合理：加工、安装、调整4.润滑与密封的问题；试分析图所示齿轮轴系结构的错误,并改正。图中轴承用脂润滑,齿轮用油润滑。1.轴上零件的固定与定位方面：①联轴器轴向未定位，周向未固定；②齿轮周向未固定；③套筒对齿轮的轴向固定不可靠。2.转动件与静止件的关系方面：①联轴器与轴承盖接触；②轴与轴承透盖接触。试分析图所示齿轮轴系结构的错误,并改正。图中轴承用脂润滑,齿轮用油润滑。该齿轮轴系结构存在以下几方面错误：3.零件的结构工艺性方面：①箱体两端面与轴承盖接触处无凸台，使端面加工面积过大；②轴承盖外端面加工面积过大；③轴的两端均伸出过长，增加了加工和装配长度。试分析图所示齿轮轴系结构的错误,并改正。图中轴承用脂润滑,齿轮用油润滑。该齿轮轴系结构存在以下几方面错误：4.装拆与调整方面①轴上还缺台阶，轴承装配不方便；②套筒过高，轴承无法拆卸；③箱体两端面与轴承盖间缺少调整垫片，无法调整轴承间隙。试分析图所示齿轮轴系结构的错误,并改正。图中轴承用脂润滑,齿轮用油润滑。该齿轮轴系结构存在以下几方面错误：5.润滑与密封方面：①轴与轴承透盖间缺密封措施；②缺挡油环。结构改正前后的比较：§3轴的强度计算进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法。强度计算有三种方法：一.按扭转强度条件计算二.按弯扭合成强度条件计算三.按疲劳强度条件计算（又称安全系数校核计算)。用于重要的轴进行校核强度用。33632.01055.916nPAddPdTWTT3113221.032brbrMddTMWMmamakSkSSSSSS1122适用于：A.传动轴和不重要轴；B.估算轴径；适用于一般轴的计算轴的三种强度计算方法及特点§4轴的刚度计算与振动计算必要时才进行轴的刚度计算和振动计算一.轴的刚度计算二.轴的振动计算扭转角截面转角挠度yy2117.04.18.0~75.0cccnnnnn挠性轴：刚性轴：轴的设计步骤1先估算出轴径；2进行轴的初步结构设计3进行轴的强度、刚度校核计算；画受力图、计算支座反力、扭矩图、弯矩图、校核强度和刚度。4最后细化轴的结构；转速较高的轴，需校核其振动稳定性。轴的设计过程应遵循结构设计与强度校核计算交替进行，逐步完善的。轴系设计例题轴设计流程图返回转轴：既受M，又受T只受T，不受M(或M很小)心轴：只受M，不受T受变应力受静应力支承——受弯矩M作用传递运动和动力——受扭矩T作用轴上零件的周向固定及定位轴上零件的轴向定位及固定返回砂轮越程槽螺纹退刀槽轴肩圆角轴上零件的合理布置，目的是减小轴的M和J，提高轴的强度和减轻重量。避免轴受弯矩过大，该结构轴为传动轴，只受T，而M由机座承受。返回轴的应力不仅取决于轴所承受的载荷，而且也与轴的工作条件和运转情况有关，因工作条件和运转情况的不同也会使轴的应力状态发生变化：类型运转情况应力状态转轴单向转动对称循环弯曲应力和脉动循环扭转剪应力双向转动对称循环弯曲应力和对称循环扭转剪应力心轴固定心轴弯曲应力为静应力或脉动循环应力转动心轴对称循环弯曲应力传动轴单向转动脉动循环扭转剪应力双向转动对称循环扭转剪应力进行轴的结构设计时，要注意几个具体问题：(以单级斜齿圆柱齿轮减速器输出轴为例)1.各段配合直径d应符合标准尺寸(GB2822—81)，而与滚动轴承、联轴器、油封等标准件配合的轴径(如图中轴的①、②、③、⑦段)，应符合标准件的内径系列。2.注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的(如图中轴的①～②段、④～⑤段、⑥～⑦段)，这种台阶过低，定位作用差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度h＝(2～3)C或R(C、R分别为零件倒角和圆角半径尺寸)。另一种台阶是为了装配容易通过(如图中轴的②～③、③～④段)，这种台阶高度很小，一般在直径方向上只差1～3mm即可。3与轴上零件(如齿轮)相配合的轴段长度l，要比轴上零件的宽度尺寸B短2～3mm，这样才能把轴上零件固定住。(4)轴的过渡圆角半径r要比相配合的零件的倒角C或圆角半径R小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。5为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心孔尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上,便于加工。6轴上应尽量避免开横孔，若无法避免时应将孔端倒角，或用滚珠辗压棱边，并要尽量提高孔的表面粗糙度等级(见图)。返回