轴与轴承设计和36.pptx

3.1新产品设计程序新产品设计程序3.2机械系统设计概论机械系统设计概论3.3机械零部件设计机械零部件设计3.6现代机械设计方法现代机械设计方法3.3.3轴与轴承设计轴与轴承设计1、轴、轴一、功用：一、功用：1）支承回转零件；）支承回转零件；2）传递运动和动力）传递运动和动力二、分类：二、分类：按承载情况分：按承载情况分：转轴转轴扭矩和弯矩扭矩和弯矩3.3机械零、部件设计机械零、部件设计心轴心轴只受弯矩只受弯矩,不传递转矩（不传递转矩（T=0）。）。传动轴传动轴主要受扭矩主要受扭矩按轴线形状分按轴线形状分直轴：直轴：阶梯轴阶梯轴光轴光轴曲轴：曲轴：空心轴和钢丝软轴空心轴和钢丝软轴三、轴的结构设计三、轴的结构设计要求：要求：轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置轴上零件装拆、调整方便轴上零件装拆、调整方便轴应具有良好的制造工艺性等轴应具有良好的制造工艺性等一）拟定轴上零件的装配方案一）拟定轴上零件的装配方案原则：原则：1）轴的结构越简单越合理）轴的结构越简单越合理2）装配越简单、方便越合理）装配越简单、方便越合理4、尽量避免应力集中、尽量避免应力集中1、零件的轴向定位、零件的轴向定位二）轴上零件的定位二）轴上零件的定位目的：目的：1、使零件有固定的轴向位置、使零件有固定的轴向位置2、承受轴向载荷、承受轴向载荷轴承端盖轴承端盖：对轴承外圈轴向定位，使轴有确定：对轴承外圈轴向定位，使轴有确定的轴向工作位置的轴向工作位置轴承端盖与机座间加垫片，以调整轴的位置轴承端盖与机座间加垫片，以调整轴的位置弹性挡圈弹性挡圈锁紧挡圈、紧定螺钉或销锁紧挡圈、紧定螺钉或销圆锥面（圆锥面（+挡圈、螺母）挡圈、螺母）2、零件的周向定位、零件的周向定位1）键）键2）花键）花键3）紧定螺钉、销）紧定螺钉、销4）过盈配合）过盈配合三三)、各轴段的直径和长度的确定、各轴段的直径和长度的确定1、各轴段直径确定、各轴段直径确定a)按扭矩估算轴段直径按扭矩估算轴段直径dminb)按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径。按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径。A0轴的材料系数轴的材料系数,查手册查手册同一轴径轴段上不能安装三个以上零件同一轴径轴段上不能安装三个以上零件注意：注意：与标准零件相配合轴径应取标准值与标准零件相配合轴径应取标准值2、各轴段长度、各轴段长度考虑零件间适当的间距：转动零件与静止零考虑零件间适当的间距：转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙件之间必须有一定的间隙各轴段与其上相配合零件宽度相对应各轴段与其上相配合零件宽度相对应注意注意：防止过定位！防止过定位！L轴段长度轴段长度=B轮毂宽轮毂宽-(23)mm四、提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施四、提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施一）改进轴的结构，减少应力集中一）改进轴的结构，减少应力集中应力集中源：打孔，切螺纹，沟槽（键槽，砂轮越程槽应力集中源：打孔，切螺纹，沟槽（键槽，砂轮越程槽），过盈配合处），过盈配合处内凹圆角过渡肩环过渡肩环措施：措施：1）轴径变化平缓）轴径变化平缓2）增大轴的过渡圆角）增大轴的过渡圆角r；3）当过渡圆角不能增大时，内凹圆角）当过渡圆角不能增大时，内凹圆角4）过渡肩环）过渡肩环二）合理布置轴上零件以减少轴的载荷二）合理布置轴上零件以减少轴的载荷不合理不合理合理合理1、轴上传动件尽量靠近支承，并避免使用悬臂支承形、轴上传动件尽量靠近支承，并避免使用悬臂支承形式，以减少轴所受的弯矩。式，以减少轴所受的弯矩。2、扭矩由一个传动件输入，几个传动件输出时，应将输、扭矩由一个传动件输入，几个传动件输出时，应将输入件放在中间。入件放在中间。输入件输入件三）改进轴上零件的结构，减小轴的载荷三）改进轴上零件的结构，减小轴的载荷合理合理 不合理不合理 轴仅受弯矩轴仅受弯矩,不受转矩不受转矩 即受弯又受扭即受弯又受扭 四）选择受力方式以减小轴的载荷，改善轴的强四）选择受力方式以减小轴的载荷，改善轴的强度和刚度度和刚度行星轮均匀布置，使太阳轮只受转矩不受弯矩。行星轮均匀布置，使太阳轮只受转矩不受弯矩。五）改进表面质量提高轴的疲劳强度五）改进表面质量提高轴的疲劳强度改进轴的表面粗糙度改进轴的表面粗糙度提高轴的疲劳强度提高轴的疲劳强度高强度高强度材料轴更应如此材料轴更应如此表面强化处理（高频淬火、表面渗碳、氰化、氮表面强化处理（高频淬火、表面渗碳、氰化、氮化、喷丸、碾压）使轴的表层产生预压应力化、喷丸、碾压）使轴的表层产生预压应力提高轴提高轴的抗疲劳能力。的抗疲劳能力。五、五、轴的结构工艺性轴的结构工艺性1）轴肩圆角）轴肩圆角r：避免应力集中，查标准（手册）：避免应力集中，查标准（手册）多个圆角尽可能取相同值，以减少加工中更换刀具的次数。多个圆角尽可能取相同值，以减少加工中更换刀具的次数。2）轴端倒角：便于装配，去毛刺）轴端倒角：便于装配，去毛刺3）装配轴段不宜过长装配轴段不宜过长3）砂轮越程槽）砂轮越程槽4）螺纹退刀槽）螺纹退刀槽5）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸07年考题（年考题（综合应用题综合应用题20分分）指出图示轴系结指出图示轴系结构设计中的错误，在错误之处标出数字作记号，分构设计中的错误，在错误之处标出数字作记号，分别按数字记号说明其错误原因。别按数字记号说明其错误原因。1）闷盖无螺钉连接，无调整垫片或调整螺钉调整轴承间隙。）闷盖无螺钉连接，无调整垫片或调整螺钉调整轴承间隙。2）轴肩过高，无法拆卸轴承；轴承用脂润滑而齿轮啮合油飞溅到轴承上，无）轴肩过高，无法拆卸轴承；轴承用脂润滑而齿轮啮合油飞溅到轴承上，无挡油板。挡油板。3）轴上键槽不在同一母线上。）轴上键槽不在同一母线上。4）轴上齿轮（或其他零件）两边都用轴环（肩）固定，无法装配。）轴上齿轮（或其他零件）两边都用轴环（肩）固定，无法装配。5）过渡配合零件装卸距离过长。）过渡配合零件装卸距离过长。6）透盖上无密封。）透盖上无密封。7）透盖与轴不能直接接触，应留缝隙。）透盖与轴不能直接接触，应留缝隙。8）转动零件与转动零件不能作相互定位。）转动零件与转动零件不能作相互定位。9）键槽过长。）键槽过长。10）轮毂宽度应大于相配合的轴段长度。）轮毂宽度应大于相配合的轴段长度。（指出（指出1项给项给3分，满分为分，满分为20分）分）六、轴的强度计算六、轴的强度计算按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算用于：用于：只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算结构设计前按扭矩初估轴的直径结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin强度条件强度条件设计公式设计公式许用扭转剪应力（N/mm2），查手册A0轴的材料系数轴的材料系数,查手册查手册放大轴径：一个键槽：放大轴径：一个键槽：35%二个键槽：二个键槽：710%取标准植取标准植轴上有键槽时：轴上有键槽时：对于空心轴：对于空心轴：d1空心轴的内径空心轴的内径如轴上有键槽，则如轴上有键槽，则d放大：放大：35%（1个个）；710%（2个）取整个）取整七、轴的刚度验算七、轴的刚度验算1、弯曲刚度、弯曲刚度挠曲线方程：挠曲线方程：挠挠度：度：偏转角：偏转角：2 2、扭转刚度、扭转刚度 一般传动轴，许用扭转角一般传动轴，许用扭转角 精密传动轴：精密传动轴：八、主轴系结构的设计八、主轴系结构的设计主轴系一般包括主轴和主轴轴承两大部分。主轴系一般包括主轴和主轴轴承两大部分。主轴是指直接驱动和支承刀具、工件的轴。主轴是指直接驱动和支承刀具、工件的轴。一）、对主轴组件的基本要求一）、对主轴组件的基本要求1.旋转精度：旋转精度：指机床空载时，低速转动主轴，此时在主轴安装工件或指机床空载时，低速转动主轴，此时在主轴安装工件或刀具部位的定心表面刀具部位的定心表面(如车床轴端的定心短锥、锥孔，如车床轴端的定心短锥、锥孔，)上上测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值的大小。测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值的大小。旋转精度取决于各主要件旋转精度取决于各主要件(如主轴、轴承、壳体孔等如主轴、轴承、壳体孔等)的的制造、装配和调整精度制造、装配和调整精度2.刚度刚度影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的跨距和主的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的跨距和主轴前悬伸量，传动件的布置方式等轴前悬伸量，传动件的布置方式等3.温升温升温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙变化，降低了温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙变化，降低了加工精度；温升也会降低润滑剂的黏度，恶化润滑条件。加工精度；温升也会降低润滑剂的黏度，恶化润滑条件。对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等如何控温等4.抗振性：指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运抗振性：指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力转的能力主轴的振动将降低甚至恶化工件的表面质量，限制主轴的振动将降低甚至恶化工件的表面质量，限制机床能力的充分发挥，增大机床的噪声。机床能力的充分发挥，增大机床的噪声。5.精度保持性精度保持性机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，才能长期保持精度。机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，才能长期保持精度。2、滑动轴承、滑动轴承1）滑动轴承的主要类型和结构）滑动轴承的主要类型和结构一、整体式径向滑动轴承一、整体式径向滑动轴承二、剖分式径向滑动轴承二、剖分式径向滑动轴承三、自动调心式：轴瓦外表面做成球形三、自动调心式：轴瓦外表面做成球形2）滑动轴承常用材料）滑动轴承常用材料主要失效形式：磨损和胶合、疲劳破坏主要失效形式：磨损和胶合、疲劳破坏对轴承材料的要求对轴承材料的要求1）良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性）良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性2 2）良好的顺应性，嵌入性和磨合性）良好的顺应性，嵌入性和磨合性 3 3）足够的强度和必要的塑性）足够的强度和必要的塑性 4 4）良好的耐腐蚀性、热化学性能（传热性和）良好的耐腐蚀性、热化学性能（传热性和热膨胀性）和调滑性（对油的吸附能力）热膨胀性）和调滑性（对油的吸附能力）5 5）良好的工艺性和经济性等。）良好的工艺性和经济性等。一、滚动轴承的构造一、滚动轴承的构造内圈、外圈、滚动体、保持架内圈、外圈、滚动体、保持架3、滚动轴承、滚动轴承1）滚动轴承的特点和构造）滚动轴承的特点和构造2）运转精度高（可用预紧方法消除游隙）运转精度高（可用预紧方法消除游隙）3）轴向尺寸小）轴向尺寸小4）某些轴能同时承受）某些轴能同时承受Fr和和Fa，使机器结构紧凑，使机器结构紧凑5）润滑方便、简单、易于密封和维护）润滑方便、简单、易于密封和维护6）互换性好（标准零件）互换性好（标准零件）缺点：缺点：1）承受冲击载荷能力差）承受冲击载荷能力差2）高速时噪音、振动较大）高速时噪音、振动较大3）高速重载寿命较低）高速重载寿命较低4）径向尺寸较大（相）径向尺寸较大（相对于滑动轴承）对于滑动轴承）优点：优点：1）f小起动力矩小，小起动力矩小，高高二、滚动轴承的特点二、滚动轴承的特点三、滚动轴承的类型三、滚动轴承的类型按照滚动体的形状按照滚动体的形状接触角接触角向心轴承向心轴承主要承受径向力主要承受径向力推力轴承推力轴承滚动体与套滚动体与套圈滚道接触处的圈滚道接触处的法线与半径方向法线与半径方向的夹角。的夹角。向心推力轴承向心推力轴承只能承受轴向力只能承受轴向力能同时承受径向和轴向力能同时承受径向和轴向力向心角接触轴承向心角接触轴承推力角接触轴承推力角接触轴承径向力（主要）径向力（主要）轴向力轴向力径向力径向力轴向力轴向力（主要）（主要）向心推力轴承向心推力轴承四、滚动轴承选择的原则四、滚动轴承选择的原则工作载荷、转速、支承刚性、安装精度工作载荷、转速、支承刚性、安装精度1）n高，载荷小，旋转精度高高，载荷小，旋转精度高球轴承球轴承n低，载荷大，或冲击载荷低，载荷大，或冲击载荷滚子轴承滚子轴承2）主要受）主要受Fr向心轴承向心轴承主要受主要受Fa，n不高时不高时推力轴承推力轴承3）要求）要求nnlim极限转速极限转速6、7、Nnlim较高较高5nlim较低较低4）轴的刚性较差，轴承孔不同心）轴的刚性较差，轴承孔不同心调心轴承调心轴承5）便于装拆和间隙调整）便于装拆和间隙调整内、外圈分离的轴承内、外圈分离的轴承6）3、7两类轴承应成对使用，对称安装两类轴承应成对使用，对称安装7）旋转精度较高时）旋转精度较高时较高的公差等级和较小的游隙较高的公差等级和较小的游隙8）优先考虑用普通公差等级的深沟球轴承）优先考虑用普通公差等级的深沟球轴承五、滚动轴承的设计准则五、滚动轴承的设计准则一般轴承一般轴承疲劳寿命计算（针对点蚀）疲劳寿命计算（针对点蚀）静强度计算静强度计算低速或摆动轴承低速或摆动轴承只进行静强度计算只进行静强度计算高速轴承高速轴承进行疲劳寿命计算、校验极限转速进行疲劳寿命计算、校验极限转速六、滚动轴承的材料六、滚动轴承的材料内、外圈、滚动体内、外圈、滚动体:GCr15、GCr15-SiMn等等轴轴承承钢钢，热热处处理理后后硬硬度度：HRC6065滚动体与内外圈的材料要求有高的硬度和接触疲劳强滚动体与内外圈的材料要求有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。度、良好的耐磨性和冲击韧性。保持架保持架:低碳钢板冲压而成，高速轴承多采用有色金低碳钢板冲压而成，高速轴承多采用有色金属（如黄铜）或塑料属（如黄铜）或塑料、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯保持架。保持架。七、滚动轴承装置的设计七、滚动轴承装置的设计解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题等问题设计时注意以下设计时注意以下几个要点：几个要点：1、支承的刚度和座孔的同心度、支承的刚度和座孔的同心度提高支承刚度的措施：提高支承刚度的措施：1)、增加轴承座孔的壁厚、增加轴承座孔的壁厚2)、减小轴承支点相对于箱体孔壁的悬臂、减小轴承支点相对于箱体孔壁的悬臂3)、采用加强筋加强支承部位的刚性、采用加强筋加强支承部位的刚性.2、轴承的布置形式、轴承的布置形式1)、两端固定支承、两端固定支承两端各限制一个方向的轴向移动两端各限制一个方向的轴向移动允许轴工作时允许轴工作时有少量热膨胀有少量热膨胀2)、一端双向固定，一端游动、一端双向固定，一端游动圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承(CylindricalRollerBearing)的游动的游动固定端固定端游动端游动端低速齿轮轴必须两端固定！低速齿轮轴必须两端固定！圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承高速轴上的两个轴承高速轴上的两个轴承都是游动的，以防止都是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿的齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀两侧受力不均匀3)、两端游动、两端游动人字齿轮高速主动轴人字齿轮高速主动轴3、滚动轴承的轴向紧固、滚动轴承的轴向紧固内圈与轴的紧固：内圈与轴的紧固：1)、轴用弹性挡圈、轴用弹性挡圈 2)、轴端挡圈、轴端挡圈+紧固螺钉紧固螺钉3)、圆螺母、圆螺母+止动垫圈止动垫圈 4)、开口圆锥紧定套、开口圆锥紧定套+圆螺母和止动垫圈圆螺母和止动垫圈一端一端轴肩轴肩另一端另一端1)、孔用弹性挡圈、孔用弹性挡圈 2)、轴承外圈止动槽、轴承外圈止动槽内嵌入止动环内嵌入止动环外圈与座孔的紧固：外圈与座孔的紧固：4)、轴承座孔凸肩、轴承座孔凸肩3)、轴承端盖、轴承端盖5)、螺纹环、螺纹环6)、轴承套杯、轴承套杯4、滚动轴承游隙的调整、滚动轴承游隙的调整轴承的游隙对其寿命、旋转精度、温升和噪声影响轴承的游隙对其寿命、旋转精度、温升和噪声影响很大，安装时应合理调整。很大，安装时应合理调整。通过带螺纹的零件或端盖下的垫片来调节。通过带螺纹的零件或端盖下的垫片来调节。3.6现代机械设计方法现代机械设计方法1、优化设计、优化设计2、可靠性设计、可靠性设计3、有限元分析、有限元分析4、其他设计方法、其他设计方法并行设计、绿色设计、基于并行设计、绿色设计、基于TRIZ理论的创新设计。理论的创新设计。1、优化设计、优化设计优化设计方法优化设计方法将最优原理和计算机技术应用于设将最优原理和计算机技术应用于设计领域，是一种把经验的、感性的、类比的传统设计计领域，是一种把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。方法。在解决复杂设计问题时，能从众多设计方案中寻找到在解决复杂设计问题时，能从众多设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，该方法能大大提尽可能完善的或最适宜的设计方案，该方法能大大提高设计效率和设计质量。高设计效率和设计质量。2、可靠性设计、可靠性设计产品质量是产品满足使用要求所具有的固有属性，既产品质量是产品满足使用要求所具有的固有属性，既包括功能指标，也包括可靠性指标。包括功能指标，也包括可靠性指标。可靠性评价指标可靠性评价指标可靠度、实效率、平均寿命、可靠度、实效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度和重要度。有效寿命、维修度、有效度和重要度。3、有限元分析、有限元分析有限元法有限元法一种实用性很强的数值方法，它避开了一种实用性很强的数值方法，它避开了在整个求解区域上寻找连续解析函数这一难点，转为在整个求解区域上寻找连续解析函数这一难点，转为寻求在各子域（单元）上适当控制方程，并满足整个寻求在各子域（单元）上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续条件的分块近似的插值函数。物体的边界条件和连续条件的分块近似的插值函数。4、并行设计、并行设计产品在设计时与相关过程进行集成产品在设计时与相关过程进行集成的一种系统化设计方法。可以避免在产品研制后期的一种系统化设计方法。可以避免在产品研制后期出现不必要的返工和重复性工作。出现不必要的返工和重复性工作。5、绿色设计、绿色设计在产品整个生命内，着重考虑产品在产品整个生命内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可综环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可综合利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境合利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境要求的同时，保证产品应有的功能、使用的寿命、要求的同时，保证产品应有的功能、使用的寿命、质量等。质量等。6、基于、基于TRIZ理论的创新设计理论的创新设计TRIZ理论是解决发明问题的理论，是实现发明创造、理论是解决发明问题的理论，是实现发明创造、创新设计、概念设计的有效方法。该理论不仅能提高创新设计、概念设计的有效方法。该理论不仅能提高发明的成功率、缩短发明周期，也能使发明问题具有发明的成功率、缩短发明周期，也能使发明问题具有预见性。预见性。