第十四章-轴

NorthwestA&FUniversity第十四章轴《机械设计基础》§14-1轴的功用和类型§14-2轴的材料§14-3轴的结构设计§14-4轴的强度计算§14-5轴的刚度计算§14-6轴的临界转速的概念NorthwestA&FUniversity第一节轴的功用和类型第十四章轴一、轴的功用1、支承零件（齿轮、带轮等）；2、传递运动和动力。二、轴的类型按所受载荷的不同，分为：1、心轴─只承受弯矩的轴转动心轴固定心轴如火车车轮轴如自行车前轴2、传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。3、转轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。NorthwestA&FUniversity第一节轴的功用和类型第十四章轴带式运输机减速器电动机NorthwestA&FUniversity发动机后桥第一节轴的功用和类型第十四章轴NorthwestA&FUniversity4.按轴线形状的不同，轴可分：可以随意弯曲，把回转运动灵活地传到任意空间位置。曲轴直轴钢丝软轴：光轴阶梯轴实心轴空心轴:有特殊要求时，减轻重量等。用以将旋转运动与往复直线运动相互转变。第一节轴的功用和类型第十四章轴NorthwestA&FUniversityNorthwestA&FUniversity光轴具有形状简单、加工方便、制造成本低、轴上应力集中源少等优点，其缺点是轴上零件不易装配定位。阶梯轴的特点则正好与光轴相反。因此，光轴常用作心轴和传动轴，阶梯轴常用作转轴。轴一般做成阶梯轴，原因是：⑴为了便于轴上零件轴向定位和固定；⑵为了便于轴上零件的拆装；⑶使各轴段达到或接近等强度；⑷为了实现尺寸分段，以满足不同配合特性、精度和光洁度的要求。第一节轴的功用和类型第十四章轴NorthwestA&FUniversity三、轴的失效形式1.因疲劳强度不足而产生疲劳断裂；2.因静强度不足而生产塑性变形或脆性断裂；3.因刚度不足而产生过大弯曲及扭转变形；4.高速时发生共振破坏等。第一节轴的功用和类型第十四章轴NorthwestA&FUniversity四、轴的设计准则1.具有合理的结构和良好的工艺性并保证其疲劳强度足够；2.对有过载情况的轴，还应保证其静强度足够；3.而对刚度要求较高的轴及受力较大的细长轴，还应进行刚度计算；4.对高速旋转的轴，则应进行振动稳定性计算。第一节轴的功用和类型第十四章轴NorthwestA&FUniversity第二节轴的材料第十四章轴毛坯一般用圆钢或锻件，有时也可采用铸钢或球墨铸铁，它常用来制作曲轴、凸轮轴，具有成本低、吸振性好、对应力集中敏感性小、强度较好等优点。一般用途的轴：优质中碳钢--30、40、45、50次要的轴：Q235、Q255、Q275重要的轴：合金钢耐磨性要求高：12CrNi、20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，轴颈渗碳淬火高速重载：40Cr、40CrNi、35CrMo等合金钢，表面淬火、调质形状复杂的轴：QT600、ZG45NorthwestA&FUniversity第二节轴的材料第十四章轴NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴一、轴结构的影响因素与设计要求轴端挡圈轴承盖顺序：先结构设计，再强度校核；原则：工艺简单、装拆方便，定位可靠，受力合理。NorthwestA&FUniversity影响轴的结构形状的因素有：轴上零件的类型、数量和尺寸及其安装位置、定位方法；载荷的大小、方向和性质及分布情况；轴的制造工艺性等。在进行结构设计时，必须满足如下要求：1.轴应便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）；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.改善受力状况，减小应力集中。第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity二、轴上零件的定位与固定轴向固定方法轴肩套筒轴端挡圈圆螺母弹性挡圈等周向固定方法：键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴1）轴肩、轴环轴肩轴环NorthwestA&FUniversity结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力特点第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity轴肩的尺寸要求:rC或rRDdrRDdCr或h≈(0.07~0.1)dCDdrDdrRb(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)一般，定位轴肩：h(3~5）mm非定位轴肩:h(0.5~1)mm轴环宽度:b1.4hhh第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity2）套筒第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity特点第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity特点3）弹性挡圈第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity固定可靠,装拆方便,可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大.4）圆螺母加止动垫片第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity5）双圆螺母第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity适用于轴向力很小,转速很低或为防止零件偶然沿轴向滑动的场合,亦可用于周向固定6）紧定螺钉锁紧挡圈第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity适用于固定轴端零件特点7）轴端挡圈第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴特点装拆方便，互换性好，但对轴强度有削弱1）键轴上零件的定位---周向定位NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴特点精度要求较高，定心性好，拆装方便，但制造需用专用设备和工具。2）花键NorthwestA&FUniversity圆柱销圆锥销只能传递较小扭矩,互换性好,拆装方便,但对轴强度削弱较大.3）销第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴3.轴身——联接轴头和轴颈的部分。②4.轴肩——用作零件轴向固定的台阶。⑤⑥三、轴的各段名称，直径和长度的确定1．轴颈——被轴承支承的部分，长度由轴承宽定。③⑦2.轴头——安装传动零件（轮毂）部分，长度由传动件宽定。①④5.砂轮越程槽（退刀槽）—为满足加工要求而设计的沟槽。⑥—⑦之间NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴初步确定装配方案以后，按扭转强度确定dmin，然后按轴的各段在装配中的作用，由小到大来定。如起定位作用可大（6~10）mm，但轴肩或套筒直径应小于轴承内圈外径。如图中①和②、④和⑤、⑥和⑦。若仅为装配方便或区别加工，可大（1~3）mm，如图中②和③、③和④、⑤和⑥。退刀槽的尺寸可查手册。333][2.01055.92.01055.9636][nPnPndPWTCdTNorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴d=22，d1=28，d2=30，d3=32，d4=40，d5=30有配合要求的轴段注意配合零件的要求，尽量采用标准直径；与标准件配合的轴段采用相应的标准值，例如：滚动轴承、联轴器、密封装置，应满足装配尺寸要求。非标准轴段：定位轴肩h(3~5)mm，非定位轴肩h(0.5~1)mm。NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴各轴段长度的确定，应综合考虑零件的轮毂长度和相对箱体的安装位置，由内向外确定。一般轴头长度略短于与之配合的轮毂长度（1~3）mm，如①和④段要小于带轮宽和齿轮宽；轴上周向固定的键长度应小于该轴头（5~8）mm，并取标准，且靠近装入端（2~5）mm。NorthwestA&FUniversity为了保证圆锥齿轮的啮合精度，装配时需要调整大小圆锥齿轮的轴向位置，使两轮锥顶重合。所以通常把小圆锥齿轮和轴承等放在套杯中，用一组垫片来调整小圆锥齿轮的轴向位置。（图47a），还要注意套杯右端的凸肩的尺寸参考轴承手册。图47b就是错误的，因为无法拆装轴承外圈。第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity四、提高轴的强度的常用措施第三节轴的结构设计第十四章轴Tmax=T1Tmax=T2T3T2T1T2T1T3合理不合理1.合理布置传动零件位置，以减小轴上载荷输入T1输出T2输出T3输入T1输出T3输出T2NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴2、改进轴上零件结构，以减小轴上载荷QQ合理不合理NorthwestA&FUniversity3、改进轴的结构以减小应力集中1）轴结构要尽量避免突然变化，增大过渡圆角半径，可采用r内凹圆角隔离环第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity2）轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘会产生较大的应力集中，为了减小应力集中，可在轴或毂上开卸荷槽，或加大配合部分直径。第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity3）盘铣刀比端铣刀加工的键槽在过渡处产生的应力集中小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，设计时要适当考虑。端铣刀盘铣刀第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity4、改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度表面强化处理，方法有：表面高頻淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；辗压、噴丸等强化处理；合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。第三节轴的结构设计第十四章轴NorthwestA&FUniversity五、轴的结构工艺性第三节轴的结构设计第十四章轴轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，须留出砂轮越程槽、退刀槽；轴端应制出45º的倒角；砂轮越程槽退刀槽45NorthwestA&FUniversity第三节轴的结构设计第十四章轴一根轴上的圆角尽可能统一，退刀槽、越程槽、倒角尽量取同样尺寸；不同轴段的键槽宽度尽可能一致，并布置在同一母线上；轴段的阶梯数量要尽可能少。NorthwestA&FUniversity指出图中轴结构设计中的不合理之处，并绘出改进后的结构图2.齿轮右侧未作轴向固定1.轴两端均未倒角7.轴端挡圈直接压在轴端轮毂上6.齿轮与右轴承装卸不便3.齿轮处键槽太短4.键槽应开在同一条直线上5.左轴承无法拆卸①②③④⑤⑥⑦①④⑥更多例子1、2第三节轴的结构设计第十四章轴轴上零件的装配过程NorthwestA&FUniversity第四节轴的强度计算第十四章轴轴强度计算的目的：验算经结构设计初步得出的轴能否满足强度要求。工程上常用的轴强度计算方法有两种━━按扭转强度计算和按弯、扭合成强度计算。一、按扭转强度计算这种方法适用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受扭矩的轴的近似计算。对于只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为639.5510(MPa)0.2TTPWdnNorthwestA&FUniversity对于既受扭矩又受弯矩作用的转轴，也可用此法来估算轴的强度，但必须把轴的许用扭转剪应力[τ]适当降低(见表14-2)，以考虑弯矩对轴的影响。这种方法更多用在轴的结构设计时，估算轴的最小直径。将降低后的许用应力代入上式，并改写为设计公式63339.5510(mm)0.2PPdCnn几种轴的材料的[τ]和C值轴的材料Q2351Cr18Ni9Ti354540Cr,35SiMn,2Cr13,20CrMnTi[τ]12～2012～2520～3030～4040～52160～135148～125135～118118～107107～9