a機械設(shè)計.軸

1、第十四章第十四章 軸軸本章要求本章要求14-1 軸的功用和類型軸的功用和類型一、軸的功用一、軸的功用二、軸的類型二、軸的類型一、軸的功用一、軸的功用1）支承旋轉(zhuǎn)零件；）支承旋轉(zhuǎn)零件； 2）傳遞運動和動力）傳遞運動和動力 二、軸的類型二、軸的類型 心軸心軸 如自行車的前軸。如自行車的前軸。 傳動軸傳動軸 如汽車變速箱到后橋傳動裝置的傳動軸如汽車變速箱到后橋傳動裝置的傳動軸 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸是機器中最常見的軸，如減速器中的軸。轉(zhuǎn)軸是機器中最常見的軸，如減速器中的軸。按承載按承載情況情況 直直 軸軸 曲曲 軸軸按軸線按軸線形狀形狀軸是機械設(shè)備中的重要零件之軸是機械設(shè)備中的重要零件之一一 鋼絲軟軸鋼絲軟

2、軸 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 既承受彎矩、又既承受彎矩、又承受轉(zhuǎn)矩的軸。承受轉(zhuǎn)矩的軸。傳動軸傳動軸只傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩或彎矩很小的軸。只傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩或彎矩很小的軸。心軸心軸心軸又分為心軸又分為轉(zhuǎn)動心軸轉(zhuǎn)動心軸和和固定心軸固定心軸。只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸。只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸。直軸直軸在一般的機器設(shè)備中，最常見到的是直軸。在一般的機器設(shè)備中，最常見到的是直軸。階梯軸階梯軸 光軸光軸曲軸曲軸 常用于往復(fù)式機械中常用于往復(fù)式機械中撓性鋼絲軟軸撓性鋼絲軟軸 由多層緊貼在一起由多層緊貼在一起的鋼絲構(gòu)成，常用于振搗器等設(shè)備的鋼絲構(gòu)成，常用于振搗器等設(shè)備。一、一、軸的材料要求軸的材料要求二、二、軸的材料

3、選擇軸的材料選擇142 142 軸的材料軸的材料一、一、軸的材料要求軸的材料要求 根據(jù)具體的工作條件，要求軸的材料應(yīng)根據(jù)具體的工作條件，要求軸的材料應(yīng)具有一定的強度、剛度、韌性、耐磨性、耐具有一定的強度、剛度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性和較小的應(yīng)力集中敏感性等性能外，腐蝕性和較小的應(yīng)力集中敏感性等性能外，同時還要考慮結(jié)構(gòu)工藝性和經(jīng)濟(jì)性。同時還要考慮結(jié)構(gòu)工藝性和經(jīng)濟(jì)性。二、二、軸的材料選擇軸的材料選擇軸的材料主要采用軸的材料主要采用碳素鋼碳素鋼和和合金鋼合金鋼。碳素鋼碳素鋼碳素鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性小，可通碳素鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性小，可通過熱處理提高其耐磨性及疲勞強度，因此

4、應(yīng)用廣泛。過熱處理提高其耐磨性及疲勞強度，因此應(yīng)用廣泛。常用的碳素鋼有常用的碳素鋼有3535、4040、4545和和5050等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其中中4545鋼用的最多鋼用的最多。一般為了保證機械性能，應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。一般為了保證機械性能，應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。不重要的軸也可以采用普通碳素鋼如：不重要的軸也可以采用普通碳素鋼如：Q235Q235、Q275Q275等。等。合金鋼合金鋼合金鋼具有更高的機械性能和更好的淬火性能，但合金鋼具有更高的機械性能和更好的淬火性能，但對應(yīng)力集中較敏感。另外價格較貴。對應(yīng)力集中較敏感。另外價格較貴。對強度、耐磨性要求高且結(jié)構(gòu)尺寸受限制及在高溫對強

5、度、耐磨性要求高且結(jié)構(gòu)尺寸受限制及在高溫或低溫條件下工作的軸，可采用合金鋼?；虻蜏貤l件下工作的軸，可采用合金鋼。常用材料為常用材料為20Cr，20CrMnTi、38CrMoAl、40Cr、40CrNi、38SiMnMo、40MnB等。等。采用合金鋼制造的軸必須進(jìn)行熱處理和化學(xué)熱處理。采用合金鋼制造的軸必須進(jìn)行熱處理和化學(xué)熱處理。合金鋼對應(yīng)力集中較敏感合金鋼對應(yīng)力集中較敏感,因此設(shè)計軸時，因從結(jié)構(gòu)因此設(shè)計軸時，因從結(jié)構(gòu)上避免或減小應(yīng)力集中，并減小表面粗糙度。上避免或減小應(yīng)力集中，并減小表面粗糙度。 各種碳鋼和合金鋼的彈性模量數(shù)值差不各種碳鋼和合金鋼的彈性模量數(shù)值差不多，因此熱處理，只能提高其疲勞

6、強度和耐多，因此熱處理，只能提高其疲勞強度和耐磨性，對提高軸的剛度并無實效。磨性，對提高軸的剛度并無實效。軸的毛坯一般用軋制的圓鋼或鍛制毛坯，對于形軸的毛坯一般用軋制的圓鋼或鍛制毛坯，對于形狀復(fù)雜的軸，可采用鑄鋼或球墨鑄鐵制造。狀復(fù)雜的軸，可采用鑄鋼或球墨鑄鐵制造。注意：注意：軸的常用材料及其主要力學(xué)性能見軸的常用材料及其主要力學(xué)性能見P226表表141。143 143 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、制造安裝要求一、制造安裝要求二、軸上零件的定位二、軸上零件的定位三、軸上零件的固定三、軸上零件的固定四、改善軸的受力狀況，減小應(yīng)力集中四、改善軸的受力狀況，減小應(yīng)力集中 進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是根據(jù)工作

7、條件，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是根據(jù)工作條件，確定軸的外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。確定軸的外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。主要要求有：主要要求有：4. 4. 盡量減少應(yīng)力集中盡量減少應(yīng)力集中 。1. 軸要便于加工，軸上零件要易于裝拆（制造安裝要求）軸要便于加工，軸上零件要易于裝拆（制造安裝要求）2. 軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置（定位）軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置（定位）3. 各零件要牢固而可靠地相對固定（固定）各零件要牢固而可靠地相對固定（固定） 下面以單級減速器的高速軸為例，來討論軸的結(jié)構(gòu)下面以單級減速器的高速軸為例，來討論軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求設(shè)計的主要要求。安裝安裝定位定位注意注意軸頸軸頸 軸身軸身 軸頸軸

8、頸 與軸承相配合的部分；與軸承相配合的部分；軸頭軸頭 與旋轉(zhuǎn)零件相配合的部分；與旋轉(zhuǎn)零件相配合的部分；軸身軸身 連接軸頸與軸頭部分；連接軸頸與軸頭部分；軸肩軸肩 直徑變化處形成的階梯部分；直徑變化處形成的階梯部分；軸頭軸頭 軸肩軸肩 軸環(huán)軸環(huán) 加工方法不同，軸的結(jié)構(gòu)也可能不同加工方法不同，軸的結(jié)構(gòu)也可能不同 將軸做成將軸做成中間大兩頭小中間大兩頭小的階梯形，便于軸上零件的階梯形，便于軸上零件可以從軸的兩端裝入?？梢詮妮S的兩端裝入。 為使軸上零件易于安裝，軸端及各軸段的端面都為使軸上零件易于安裝，軸端及各軸段的端面都應(yīng)有倒角。應(yīng)有倒角。一、制造安裝要求一、制造安裝要求車削車削 磨削磨削 砂輪越程

9、槽砂輪越程槽 退刀槽退刀槽 在滿足使用要求的情況下，軸的形狀和在滿足使用要求的情況下，軸的形狀和尺寸盡量簡單，便于加工。尺寸盡量簡單，便于加工。車螺紋車螺紋 二、軸上零件的定位二、軸上零件的定位 階梯軸上截面變化處稱為階梯軸上截面變化處稱為軸肩軸肩，起軸向定位作，起軸向定位作用。用。軸上還可采用套筒定位。軸上還可采用套筒定位。、三、軸上零件的固定三、軸上零件的固定 為了保證軸上零件的正常工作，其為了保證軸上零件的正常工作，其軸向軸向和和周向周向都必須固定，以防止工作時，出現(xiàn)軸向竄動和周向轉(zhuǎn)都必須固定，以防止工作時，出現(xiàn)軸向竄動和周向轉(zhuǎn)動而喪失傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的功能。動而喪失傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的功能。

10、1、軸上零件的軸向固定、軸上零件的軸向固定 常采用常采用軸肩（環(huán)）、套筒、螺母、或軸端擋圈軸肩（環(huán)）、套筒、螺母、或軸端擋圈。當(dāng)軸向力較小時，零件在軸上的固定也可采用彈性擋當(dāng)軸向力較小時，零件在軸上的固定也可采用彈性擋圈或緊定螺釘?shù)?。圈或緊定螺釘?shù)?。軸軸肩肩和和軸軸環(huán)環(huán) 為保證軸上零件緊靠軸肩，為保證軸上零件緊靠軸肩，應(yīng)使：應(yīng)使：軸肩的圓軸肩的圓角半徑角半徑r r必須小于必須小于相配零件的圓角半徑相配零件的圓角半徑R R或倒角或倒角C C。軸肩高也必須大于軸肩高也必須大于R R或或C C注意：注意：零件的圓角半徑零件的圓角半徑R R軸肩的圓角半徑軸肩的圓角半徑r rr r R Rh hh h零

11、件的倒角零件的倒角C C軸肩的圓角半徑軸肩的圓角半徑r rr r C C套套 筒筒 對軸上零件起對軸上零件起固定作用。常用于固定作用。常用于近距離的兩個零件近距離的兩個零件間的固定。間的固定。圓圓 螺螺 母母用于軸上兩零件距離較遠(yuǎn)時，或軸端。用于軸上兩零件距離較遠(yuǎn)時，或軸端。由于需切制螺紋，削弱了軸的強度。由于需切制螺紋，削弱了軸的強度。 用于固用于固定軸端零件，定軸端零件，能承受較大能承受較大的軸向力。的軸向力。注意：注意： 采用這些方法固定軸上零件時，為保證采用這些方法固定軸上零件時，為保證固定可靠，固定可靠，應(yīng)使：應(yīng)使：與輪轂相配的軸段長度與輪轂相配的軸段長度比輪轂寬度比輪轂寬度短短23

12、 mm，即即：lB - (23)軸端擋圈軸端擋圈lB23緊定螺釘緊定螺釘2、軸上零件的周向固定、軸上零件的周向固定平平 鍵鍵常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：花花 鍵鍵緊定螺釘緊定螺釘過盈配合過盈配合 軸上有多處鍵槽時，應(yīng)將鍵槽開在同一軸上有多處鍵槽時，應(yīng)將鍵槽開在同一直線上，并采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。直線上，并采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。四、改善軸的受力狀況，減小應(yīng)力集中四、改善軸的受力狀況，減小應(yīng)力集中改善軸的受力狀況改善軸的受力狀況合理布置軸上零件，使受載減小。合理布置軸上零件，使受載減小。減小應(yīng)力集中減小應(yīng)力集中 適當(dāng)增大截面變化處的過渡圓角適當(dāng)增大截面變化處的過渡圓角半徑。

13、可以減小應(yīng)力集中?；虿捎茫喊霃??？梢詼p小應(yīng)力集中?；虿捎茫喊记袌A角凹切圓角過渡肩環(huán)過渡肩環(huán)減載槽減載槽軸系結(jié)構(gòu)改錯 軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中，軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中，特別是對于合金鋼材料的軸。特別是對于合金鋼材料的軸。過盈配合減載槽過盈配合減載槽四處錯誤四處錯誤正確答案正確答案三處錯誤三處錯誤正確答案正確答案軸系結(jié)構(gòu)改錯錯誤錯誤1.左側(cè)鍵太長，左側(cè)鍵太長，套筒無法裝入套筒無法裝入2.多個鍵應(yīng)位多個鍵應(yīng)位于同一母線上于同一母線上結(jié)構(gòu)設(shè)計示例結(jié)構(gòu)設(shè)計示例軸設(shè)計一、按扭轉(zhuǎn)強度計算一、按扭轉(zhuǎn)強度計算二、按彎扭合成強度計算二、按彎扭合成強度計算三、軸設(shè)計步驟和方法三、軸設(shè)計步驟和方法144 軸的強

14、度計算軸的強度計算 軸的強度計算主要是根據(jù)軸的承載情況，軸的強度計算主要是根據(jù)軸的承載情況，而采用相應(yīng)的計算辦法。而采用相應(yīng)的計算辦法。應(yīng)力分析：應(yīng)力分析：FT彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力b 對稱循環(huán)變應(yīng)力；對稱循環(huán)變應(yīng)力；扭剪應(yīng)力扭剪應(yīng)力T 循環(huán)特征根據(jù)實際情況而定。循環(huán)特征根據(jù)實際情況而定。計算方法：計算方法： 按扭轉(zhuǎn)強度計算；按扭轉(zhuǎn)強度計算； 按彎扭合成強度計算；按彎扭合成強度計算； 安全系數(shù)法計算。安全系數(shù)法計算。一般的軸一般的軸一、按扭轉(zhuǎn)強度計算一、按扭轉(zhuǎn)強度計算只受轉(zhuǎn)矩或主要承受轉(zhuǎn)矩的傳動軸的強度計算只受轉(zhuǎn)矩或主要承受轉(zhuǎn)矩的傳動軸的強度計算 結(jié)構(gòu)設(shè)計前先按結(jié)構(gòu)設(shè)計前先按扭轉(zhuǎn)強度計算來扭轉(zhuǎn)強度計

15、算來初估初估軸的直軸的直徑徑d dmin 用于：用于：TTWT ndPdnP36362 . 01055. 916/1055. 9 扭剪應(yīng)力扭剪應(yīng)力:軸的抗扭軸的抗扭剖面系數(shù)剖面系數(shù)只傳遞轉(zhuǎn)矩的圓截面軸，其強度條件為只傳遞轉(zhuǎn)矩的圓截面軸，其強度條件為:扭轉(zhuǎn)強度設(shè)計式扭轉(zhuǎn)強度設(shè)計式: 3362 . 01055. 9nPd mmnPC3 令其為系數(shù)令其為系數(shù) C扭轉(zhuǎn)強度公式一般用來初算軸的直徑，計算扭轉(zhuǎn)強度公式一般用來初算軸的直徑，計算出的出的 d 作為軸最細(xì)處的直徑作為軸最細(xì)處的直徑 dmin 。彎矩相對轉(zhuǎn)矩較小或只受轉(zhuǎn)矩時，彎矩相對轉(zhuǎn)矩較小或只受轉(zhuǎn)矩時，C 取小值。取小值。若若考慮到開鍵槽對軸強

16、度的削弱，則軸的直徑考慮到開鍵槽對軸強度的削弱，則軸的直徑應(yīng)相應(yīng)增大應(yīng)相應(yīng)增大。開一個鍵槽，。開一個鍵槽，d 值值增大增大4% , ,開開兩個鍵槽，兩個鍵槽，增大增大7% 。彎矩較大時，彎矩較大時，C 取大值。取大值。注意：注意： 系數(shù)系數(shù) C C 與軸的材料和承載情況有關(guān)，查與軸的材料和承載情況有關(guān)，查P230P230表表14-214-2。二、按彎扭合成強度計算二、按彎扭合成強度計算此方法既考慮彎矩又考慮轉(zhuǎn)矩，比前法精確。此方法既考慮彎矩又考慮轉(zhuǎn)矩，比前法精確。需已知：需已知： 軸的支反力作用點、外載荷的大小及位置。軸的支反力作用點、外載荷的大小及位置。彎、扭聯(lián)合作用時，采用第三強度理論。彎

17、、扭聯(lián)合作用時，采用第三強度理論。224 be則軸危險截面上的當(dāng)量應(yīng)力則軸危險截面上的當(dāng)量應(yīng)力e：對于直徑為對于直徑為 d 的實心軸：的實心軸：WMb 16/3dTWTT 32/3dM 31 . 0 dM 32 . 0 dT WT2 b 許用彎曲許用彎曲應(yīng)力應(yīng)力224 be 2224WTWM WTM22 WTMe22)( 由于由于 b b 與與 的循環(huán)特征可能不同，需引進(jìn)校的循環(huán)特征可能不同，需引進(jìn)校正系數(shù)正系數(shù)將將 折合成對稱循環(huán)變應(yīng)力。折合成對稱循環(huán)變應(yīng)力。則強度條件為：則強度條件為： bedM131 . 0 22)( TMMe 當(dāng)量彎矩當(dāng)量彎矩對稱循環(huán)對稱循環(huán)變應(yīng)力下變應(yīng)力下的許用應(yīng)的許

18、用應(yīng)力力 對于不變的轉(zhuǎn)矩：對于不變的轉(zhuǎn)矩：3 . 011 bb 頻繁啟動、振動頻繁啟動、振動或情況不明：或情況不明：6 . 001 bb 經(jīng)常雙向運轉(zhuǎn)：經(jīng)常雙向運轉(zhuǎn)：111 bb mmMdbe311 . 0 WTMe22)( bedM131 . 0 校正系數(shù)校正系數(shù)的取值：的取值：設(shè)計式：設(shè)計式：三、軸設(shè)計步驟和方法三、軸設(shè)計步驟和方法1、根據(jù)、根據(jù)傳遞功率為傳遞功率為P P，高速軸，高速軸轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為 n1 ，用扭轉(zhuǎn)強度公式初算軸的最小直，用扭轉(zhuǎn)強度公式初算軸的最小直徑徑dmin 。2、根據(jù)初算軸徑，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。、根據(jù)初算軸徑，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。3、按彎扭合成強度校核軸的危險截面。、按

19、彎扭合成強度校核軸的危險截面。N將將 dmin 圓整成標(biāo)準(zhǔn)直徑（查圓整成標(biāo)準(zhǔn)直徑（查“機械設(shè)計課程設(shè)機械設(shè)計課程設(shè)計計”）mmnPCd3min 危險截面：危險截面：Me 最大的截面；最大的截面；22VHMMM 畫出空間受力圖，求出支反力；畫出空間受力圖，求出支反力； 分別作出水平面受力圖和垂直面受力分別作出水平面受力圖和垂直面受力圖；圖； 分別作出水平面彎矩圖分別作出水平面彎矩圖MH和垂直面彎矩圖和垂直面彎矩圖MV ； 求合成彎矩：求合成彎矩：22)( TMMe 求危險截面的當(dāng)量彎矩：求危險截面的當(dāng)量彎矩：靠近靠近Memax ，直徑較小的截面。，直徑較小的截面。 按彎扭合成強度條件，校核按彎扭

20、合成強度條件，校核軸的強度，危險剖軸的強度，危險剖面應(yīng)滿足：面應(yīng)滿足： ：危險截面危險截面直徑直徑若強度不足，應(yīng)適當(dāng)增大軸徑。若強度不足，應(yīng)適當(dāng)增大軸徑。 2122/mmNWTMbe 對于一般的軸，設(shè)計計算到此即可。對于重要的軸對于一般的軸，設(shè)計計算到此即可。對于重要的軸還得進(jìn)行危險剖面安全系數(shù)（疲勞強度和靜強度）還得進(jìn)行危險剖面安全系數(shù)（疲勞強度和靜強度）校核。校核。 mmMdbe311 . 0 若該截面有鍵槽，將計算出的軸徑加大若該截面有鍵槽，將計算出的軸徑加大4%。例題如圖已知作用在齒輪上的圓周力如圖已知作用在齒輪上的圓周力F Ft t=17400N=17400N，徑向，徑向力力F Fr

21、 r=6410N=6410N，軸向力，軸向力F Fa a=2860=2860，齒輪分度圓直徑，齒輪分度圓直徑d d2 2=146mm=146mm，作用在軸右端帶輪上的外力，作用在軸右端帶輪上的外力F=4500NF=4500N，L=193mmL=193mm，K=206mmK=206mm，試計算危險截面的軸徑，試計算危險截面的軸徑例題例題1 1VrRF1V2R 1）求垂直面）求垂直面的支反力：的支反力：解：解：V21RVRLdFLFRarV2221 N21231932146286021936410 N428721236410 1、 畫出空間受力圖，求出支反力畫出空間受力圖，求出支反力N930348

22、034500R1F2 FRF2）求水平面）求水平面的支反力的支反力HHRR21 2tF N8700217400 LKFRF 1N48031932064500 3）F力在支點產(chǎn)力在支點產(chǎn)生的反力生的反力21LRMVaV 1）垂直面彎矩）垂直面彎矩FaFrR2VR1VLL/222LRMVaV mN4142193. 04287 mN2052193. 02123 2、分別作出水平面彎矩圖、分別作出水平面彎矩圖MH和垂直面彎矩圖和垂直面彎矩圖MV 2）水平面彎矩）水平面彎矩FtR2HR1HLL/221LRMHaH mN8402193. 08700 3）F力產(chǎn)生的彎矩力產(chǎn)生的彎矩KFMF 2mN927206. 04500 a-a截面截面F力產(chǎn)生的彎矩力產(chǎn)生的彎矩21LRMHaH mN8402193. 08700 mN927mN1328463840205)()(mN14004638404142222222222 FaFaHaVaaFaHaVaMMMMMMMMMM3、求合成彎矩、求合成彎矩mm674.6404.1mm4.64601.01016001.0mN1600)12706.0(1400)(mN12702146.0174002333122222dMdTMMdFTbeaet5、危險截面當(dāng)量彎矩、危險截面當(dāng)量彎矩4、求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩、求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩22)( TMMae mN 1600)12706