第16章-轴.pptx

16-1 轴的功用和分类轴的功用和分类一、轴的功用一、轴的功用支承旋转零件支承旋转零件 传递运动和动力传递运动和动力 二、分类按受载情况二、分类按受载情况只承受弯矩不传递承受转矩只承受弯矩不传递承受转矩(固定、转动固定、转动)1.按载荷性质分类按载荷性质分类1)心轴心轴 前轮轮毂前轮轮毂固定心轴固定心轴火车轮轴火车轮轴车厢重力车厢重力 前叉前叉自行车自行车前轮轴前轮轴支撑反力支撑反力转动心轴转动心轴二、分类按受载情况二、分类按受载情况2)传动轴传动轴 只传递转矩不承受弯矩只传递转矩不承受弯矩(或弯矩很小或弯矩很小)后桥后桥发动机发动机传动轴传动轴二、分类按受载情况二、分类按受载情况既承受弯矩又传递转矩既承受弯矩又传递转矩3)转轴转轴带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机转轴转轴二、分类按轴线的形状二、分类按轴线的形状2)曲轴：发动机专用零件曲轴：发动机专用零件1)直轴直轴又可分为实心、空心（加工困难）又可分为实心、空心（加工困难）光轴光轴阶梯轴阶梯轴二、分类按轴线的形状二、分类按轴线的形状3)3)挠性钢丝轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。挠性钢丝轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。动力源动力源被驱动装置被驱动装置接头接头接头接头挠性钢丝轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。轴设计的主要内容轴设计的主要内容轴的结构设计：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，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。合理地确定轴的结构形式和尺寸。工作能力计算：工作能力计算：轴的强度、刚度和振动稳定性。轴的强度、刚度和振动稳定性。轴的设计过程：轴的设计过程：N 选择材料选择材料 结构设计结构设计 轴的承载能力验算轴的承载能力验算验算合格验算合格?结结 束束Y16-2 轴的材料轴的材料1.钢钢 碳素钢 优质碳素钢:35、45、50，正火或调质处理 普通碳素钢Q235、Q255、Q275合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr、40CrNi、35SiMn、35CrMo 价格较贵，多用于有特殊要求的轴。2.球墨铸铁球墨铸铁:QT500-5、QT600-2 曲轴、凸轮轴表16-1列出几种轴的常用材料及其主要力学性能。热处理合金钢不能提高轴的刚度。注意：钢材种类热处理对钢材弹性模量E影响很小一、轴结构设计的内容一、轴结构设计的内容 合理外型合理外型 各段直径和长度各段直径和长度 16-3轴的结构设计轴的结构设计(非标准件非标准件)轴颈轴颈轴头轴头轴身轴身轴头轴头轴环轴环轴颈轴颈1 轴的组成2 轴结构设计的内容二、轴结构设计的要求二、轴结构设计的要求1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆和调整；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆和调整；(制造安装要求制造安装要求)2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位定位)3.各零件要牢固而可靠地相对固定；各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定固定)4.使轴具有良好的工艺性。使轴具有良好的工艺性。5.改善应力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。改善应力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。三、制造安装要求三、制造安装要求1 零件的轴向定位和固定方法轴肩轴肩/环、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖环、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖1）轴肩）轴肩/环：环：阶阶梯轴上截面变化梯轴上截面变化之处之处四、轴上零件的定位四、轴上零件的定位轴肩套筒套筒b)b)要求要求r r轴轴RR零零或或r r轴轴CC零零 注意：注意：a)a)定位轴肩高度定位轴肩高度零件定位零件定位h h3 35 mm5 mm 或或h=(0.07d+3)h=(0.07d+3)(0.1d+5)(0.1d+5)非定位轴肩非定位轴肩h=(1h=(12)mm2)mm错误错误 正确正确 错错误误正正确确c)要求轴肩高度要求轴肩高度滚动轴承内圈高度滚动轴承内圈高度正确正确 错误错误 b)b)要求要求r r轴轴RR零零或或r r轴轴CC零零 2）套筒）套筒 3）轴用圆螺母）轴用圆螺母 4）轴端挡圈）轴端挡圈 5）弹性挡圈）弹性挡圈 6）紧定螺钉或销）紧定螺钉或销 注意：注意：当当用用套套筒筒、圆圆螺螺母母、轴轴端端挡挡圈圈进进行行零零件件的的轴轴向向定定位位时时，为保证轴向定位可靠，要求为保证轴向定位可靠，要求L L轴轴 轮毂宽（轮毂宽（2-32-3）mmmm2 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 常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。配合轴配合轴段的直径段的直径 应由标准件和配合性质确定。应由标准件和配合性质确定。1)装配轴承装配轴承 与滚动轴承配合段轴径一般为与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数；的倍数；(20385 mm)2)装配联轴器装配联轴器 配合段直径应符合联轴器的尺寸系列：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联轴器的孔径与长度系列 孔径孔径d 30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 65 60 63 65长系列长系列 82 112 142 短系列短系列 60 84 107 长度长度L3)密封圈密封圈 便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施：便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施：H7/r6H7/d11H7/r6 为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不能过大。能过大。2)配合段前端制成锥度；配合段前端制成锥度；3)配合段前后采用不同的尺寸公差。配合段前后采用不同的尺寸公差。1)在配合轴段前应采用较小的直径；在配合轴段前应采用较小的直径；结构不合理！结构不合理！轴的设计要便于加工及轴上零件装拆轴的设计要便于加工及轴上零件装拆,因而要注意因而要注意:2 轴肩处要有过渡圆角，轴端有倒角 3 若用多个键，键槽应位于同一母线上4 螺纹退刀槽 5 砂轮越程槽五、轴的结构工艺性五、轴的结构工艺性 1 轴应制成阶梯状且利于装配磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐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，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。轴的结构越简单，工艺性越好。六、尽量减少应力集中六、尽量减少应力集中,改善轴的受力状态改善轴的受力状态1 尽量减少应力集中增大轴肩圆角半径增大轴肩圆角半径加卸载槽加卸载槽利用过渡肩环利用过渡肩环凹切圆环凹切圆环卸载槽卸载槽2 改善零件位置及结构,以改善轴的受力状态心轴转轴例例1：轴改错：轴改错62096209620943H7/k685H7/k685H745k643H7/k685H7/k6四处错误四处错误正确答案正确答案三处错误三处错误正确答案正确答案例例2：轴改错：轴改错例例3：轴承没定位轴承没定位 轴向定位不确定轴向定位不确定 轴承用错或装错轴承用错或装错 无调整垫片无调整垫片 端盖端面无凹坑加工量大端盖端面无凹坑加工量大 无定位轴肩无定位轴肩 端盖无密封端盖无密封 键槽太长键槽太长无非定位轴肩无非定位轴肩套筒太高套筒太高轴环太高轴环太高轴向定位不确定轴向定位不确定无螺纹退刀槽无螺纹退刀槽键槽太长键槽太长套筒太高套筒太高键槽位置不对键槽位置不对例例4：例例5：七、轴结构设计步骤七、轴结构设计步骤 1 估算轴的最小直径（只计转矩按扭转强度）(16-1)(16-1)(16-2)(16-2)2 确定各轴段的直径和长度1)1)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(装配尺寸要求装配尺寸要求)2 2）各轴段长度与其上相配合零件宽度相对应）各轴段长度与其上相配合零件宽度相对应3 3）转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙）转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙4 4）有配合要求的零件要便于装拆。）有配合要求的零件要便于装拆。5 5）采用套筒、螺母、轴端挡圈做轴向固定时，应把装）采用套筒、螺母、轴端挡圈做轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比零件轮毂短零件的轴段长度做得比零件轮毂短2 23mm3mm例例1：由外向内确定各段直径由外向内确定各段直径 宽度定宽度定宽度定宽度定标准标准dmin=60mm60 687072708082由内向外定各段长度由内向外定各段长度确定轴上零件周向固定及结构要素确定轴上零件周向固定及结构要素例例2：16-4 轴的强度计算轴的强度计算 一、按扭转强度计算一、按扭转强度计算说明说明:轴上有单键轴上有单键,直径增大直径增大5%;5%;有双键有双键,直径增大直径增大10%10%P P传递的功率传递的功率(kw);n(kw);n轴的转速轴的转速(r/min);(r/min);d d轴的直径轴的直径(mm)(mm)；C C系数系数表表(16-3)P272(16-3)P272 材料的许用扭转剪应力材料的许用扭转剪应力 (Mpa)(Mpa)(16-1)(16-2)经验公式经验公式 高速轴高速轴:按电机轴径按电机轴径D D估算估算:d=(0.8:d=(0.81.2)D 1.2)D 低速轴低速轴:按同级齿轮中心距按同级齿轮中心距a a估算估算:d=(0.3:d=(0.30.4)a0.4)a例题例题 某一化工设备中的输送装置运转平稳，工作转矩变化很小，以圆锥一圆柱某一化工设备中的输送装置运转平稳，工作转矩变化很小，以圆锥一圆柱齿轮减速器作为减速装置，试设计该减速器的输出轴。输入轴与电动机相联，齿轮减速器作为减速装置，试设计该减速器的输出轴。输入轴与电动机相联，输出轴通过弹性柱销联轴器与工作机相联，输出轴为单向旋转（从装有半联输出轴通过弹性柱销联轴器与工作机相联，输出轴为单向旋转（从装有半联轴器的一端看为顺时针方向）。已知电动机功率轴器的一端看为顺时针方向）。已知电动机功率P=10 kW，转速，转速n1=1 450 rmin，齿轮机构的参数列于下表：，齿轮机构的参数列于下表：2求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力（公式（公式13-9，P208）已知低速级大齿轮的分度圆直径为已知低速级大齿轮的分度圆直径为1求输出轴上的功率求输出轴上的功率P3、转速、转速n3和转矩和转矩T3 若取每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内）若取每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内）=0.97，则，则12受力简图受力简图3.初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径考虑键槽的影响考虑键槽的影响,增大增大5%输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径d dI-III-II，为与所选联轴器的孔径相适应，为与所选联轴器的孔径相适应，需同时选取联轴器型号。需同时选取联轴器型号。计算转矩计算转矩选用选用HL4弹性柱销联轴器，其公称转矩为弹性柱销联轴器，其公称转矩为1250000Nmm。半联轴器孔径。半联轴器孔径dI55mm，半联轴器长度半联轴器长度L112mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度L184mm4.轴的结构设计轴的结构设计 由由 b r =1 单向单向 r=0 双向双向 r=12 当量弯矩e 第三强度理论：第三强度理论：1 受力分析(16-3)二、按弯扭合成强度计算（结构设计完成后）二、按弯扭合成强度计算（结构设计完成后）转轴转轴根据转矩性质而定的折合系数根据转矩性质而定的折合系数将扭转剪应力转将扭转剪应力转 换成与弯曲应力变化特性相同的扭转切应力。换成与弯曲应力变化特性相同的扭转切应力。当当=r=r=1 1=-1-1/-1-1=1=1 r=0 r=0 =-1-1/0 00.6 0.6 r=+1 r=+1=-1-1/+1+10.30.3若转矩变化规律不清楚，按脉动循环处理。若转矩变化规律不清楚，按脉动循环处理。一般转轴的一般转轴的b b为对称循环变应力，而为对称循环变应力，而的循环特性往往不同，的循环特性往往不同，考虑到两者循环特性不同的影响，对上式的考虑到两者循环特性不同的影响，对上式的T T引入折合系数引入折合系数3 转轴的强度计算弯扭合成强度弯扭合成强度mm (16-6)许用弯曲应力，许用弯曲应力，MpaMpa，按材料按材料B B及应力性质查及应力性质查表表(16-4)P273(16-4)P273B B 查查表表(16-1)P266(16-1)P266Mpa (16-5)按弯扭合成强度计算步骤按弯扭合成强度计算步骤 1 1、作轴的计算简图（将力看成作用在轮缘中点处）、作轴的计算简图（将力看成作用在轮缘中点处）2 2、把外载荷分解到水平面和垂直面，分别求支反力、把外载荷分解到水平面和垂直面，分别求支反力F FH H和和F FV V 3 3、分别作水平面弯矩图、分别作水平面弯矩图M MH H和垂直面弯矩图和垂直面弯矩图M MV V 4 4、作合成弯矩图、作合成弯矩图M M 5 5、求扭矩及作扭矩、求扭矩及作扭矩T T图图 6 6、求当量弯矩及作当量弯矩图、求当量弯矩及作当量弯矩图 7 7、计算危险截面直径、计算危险截面直径对2点取矩举例：计算某减速器输出轴危险截举例：计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力周力Ft=17400N,径向力径向力 Fr=6140N,轴向力轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径齿轮分度圆直径d2=146 mm,作用在轴右端带轮上外作用在轴右端带轮上外力力F=4500N（方向未定）（方向未定）,L=193 mm,K=206 mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：解：1)求垂直面的支反力和轴向力求垂直面的支反力和轴向力=Fad2轴的设计实例轴的设计实例aad12F1HF2HF1FF2F2)求水平面的支反力求水平面的支反力3)求求F力在支点产生的反力力在支点产生的反力(考虑最考虑最不利情况，不利情况，F与垂直、水平面的合与垂直、水平面的合力共面力共面)FtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad12MavMavF1HF2HMaHF1FF2F4)绘制垂直面的弯矩图绘制垂直面的弯矩图5)绘制水平面的弯矩图绘制水平面的弯矩图FtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad126)求求F力产生的弯矩图力产生的弯矩图a-a 截面截面F力产生的弯矩为：力产生的弯矩为：M2FMaFMa7)绘制合成弯矩图绘制合成弯矩图MaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FFtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad12M2FMaF8)求轴传递的转矩求轴传递的转矩9)求危险截面的当量弯矩求危险截面的当量弯矩T扭切应力为脉动循环变应力，取扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数折合系数:=0.6 MaMaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FFtFL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad2aad12M2FMaF求考虑到键槽对轴的削弱，将求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大值增大5%，故得：，故得：10)计算危险截面处轴的直径计算危险截面处轴的直径 选选45钢，调质，表钢，调质，表16-1查得查得B=650 MPa,表表16-4查得查得-1b=60 MPa 作业16-11