機械設計基礎、軸章節(jié)

第12章軸§12-1軸的功用(gōngyòng)和類型§12-2軸的材料(cáiliào)§12-3軸的結(jié)構(gòu)設計§12-4軸的強度設計§12-5軸的剛度設計帶傳動和鏈傳動都是通過中間撓性件傳遞運動和動力的，適用于兩軸中心距較大的場合。與齒輪傳動相比，它們具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉等優(yōu)點。精品資料設計(shèjì)：潘存云§12-1軸的功用(gōngyòng)和類型功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件(如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等)和傳遞轉(zhuǎn)矩。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：帶式運輸機減速器電動機轉(zhuǎn)軸精品資料§12-1軸的功用(gōngyòng)和類型功用：用來支撐(zhīchēng)旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩發(fā)動機后橋傳動軸精品資料設計(shèjì)：潘存云§12-1軸的功用(gōngyòng)和類型功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩前輪輪轂固定心軸火車輪軸車廂重力前叉自行車前輪軸支撐反力轉(zhuǎn)動心軸精品資料§12-1軸的功用(gōngyòng)和類型功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸精品資料§12-1軸的功用(gōngyòng)和類型功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪(liànlún)、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸曲軸精品資料設計(shèjì)：潘存云本章只研究直軸§12-1軸的功用(gōngyòng)和類型功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸曲軸撓性鋼絲軸設計任務：選材、結(jié)構(gòu)設計、強度和剛度設計、確定尺寸等精品資料種類(zhǒnglèi)碳素鋼：35、45、50、Q235軸的毛坯:一般(yībān)用圓鋼或鍛件，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵?！?2-2軸的材料合金鋼:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學性能，應用較多，尤其是45鋼應用最廣。合金鋼具有較高的力學性能，但價格較貴，多用于有特殊要求的軸。如用球墨鑄鐵制造曲軸和凸輪軸，具有成本低廉、吸振性較好、對應力集中的敏感較低、強度較好等優(yōu)點。為了改善力學性能正火或調(diào)質(zhì)處理。表11-1軸的常用材料及其主要力學性能材料及熱處理毛坯直徑mm硬度HBS強度極限σb

屈服極限σs

MPa彎曲疲勞極限σ-1應用說明Q235400240170用于不重要或載荷不大的軸35正火520270250有較好的塑性和適當?shù)膹姸龋捎糜谝话闱S、轉(zhuǎn)軸?！?00149~187精品資料設計(shèjì)：潘存云設計任務：使軸的各部分具有合理的形狀(xíngzhuàn)和尺寸?！?2-3軸的結(jié)構(gòu)設計設計要求：1.軸應便于制造，軸上零件要易于裝拆；(制造安裝)2.軸和軸上零件要有準確的工作位置；(定位)3.各零件要牢固而可靠地相對固定；(固定)4.改善應力狀況，減小應力集中和提高疲勞強度。軸端擋圈帶輪軸承蓋套筒齒輪滾動軸承設計：潘存云典型軸系結(jié)構(gòu)精品資料設計(shèjì)：潘存云裝零件(línɡjiàn)的軸端應有倒角，需要磨削的軸端有砂輪越程槽，車螺紋的軸端應有退刀槽。④設計：潘存云為便于軸上零件的裝拆，一般軸都做成從軸端逐漸向中間增大的階梯狀。零件的安裝次序一、制造安裝要求②③⑥⑦①⑤①倒角取值見P243精品資料設計(shèjì)：潘存云零件(línɡjiàn)的軸向定位由軸肩或套筒來實現(xiàn)。二、軸上零件的定位

4、5間的軸肩使齒輪在軸上定位，1、2間的軸肩使帶輪定位，6、7間的軸肩使右端滾動軸承定位。設計：潘存云軸肩----階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。

軸肩套筒1~21~2精品資料設計(shèjì)：潘存云設計(shèjì)：潘存云軸向固定由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實現(xiàn)。三、軸上零件的固定齒輪受軸向力時，向右是通過4、5間的軸肩，并由6、7間的軸肩頂在滾動軸承的內(nèi)圈上；向左則通過套筒頂在滾動軸承的內(nèi)圈上。帶輪的軸向固定是靠1、2間的軸肩和軸端當圈。雙向固定精品資料設計(shèjì)：潘存云設計(shèjì)：潘存云設計：潘存云設計：潘存云無法采用套筒或套筒太長時，可采用雙圓螺母加以固定。軸肩的尺寸要求:r<C1或r<Rb≈1.4h(與滾動軸承相配合處的h和b值,見軸承標準)DdrR軸端擋圈雙圓螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm裝在軸端上的零件往往采用軸端擋圈固定。C1Ddr取值見P243DdrRhhb精品資料設計(shèjì)：潘存云設計(shèjì)：潘存云設計：潘存云設計：潘存云軸向力較小時，可采彈性擋圈或緊定螺釘來實現(xiàn)。周向固定大多采用鍵、花鍵、或過盈配合等聯(lián)接形式來實現(xiàn)。為了加工方便，鍵槽應設計成同一加工直線上，且盡可能采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。鍵槽應設計成同一加工直線精品資料四、軸的各段直徑和長度(chángdù)的確定1）、凡要求配合的軸段,其直徑應與傳動零件輪轂(lúngǔ)的內(nèi)孔直徑相等，并盡量采用標準直徑;2）、安裝滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等標準件的軸徑，應符合各標準件內(nèi)徑系列的規(guī)定;3）、套筒的內(nèi)徑，應與相配的軸徑相同并采用過渡配合；1、軸段直徑的確定

4）、有螺紋的軸段，直徑應符合螺紋的標準直徑。2、軸段長度的確定

軸的各個軸段長度主要是根據(jù)軸上零件的軸向尺寸、軸承的結(jié)構(gòu)、箱體上的有關尺寸、裝配零件時所需的裝配間距等要求來確定。精品資料設計(shèjì)：潘存云設計(shèjì)：潘存云設計：潘存云TTTTTQ方案b五、改善軸的受力狀況，減小應力集中圖示為起重機卷筒兩種布置方案。A圖中大齒輪和卷筒聯(lián)成一體，轉(zhuǎn)距經(jīng)大齒輪直接傳遞給卷筒，故卷筒軸只受彎矩而不傳遞扭矩。圖b中軸同時受彎矩和扭矩作用。故載荷相同時，圖a結(jié)構(gòu)軸的直徑要小。輸出輸出輸入Tmax=T1+T2Tmax=T11.改善受力狀況當軸上有兩處動力輸出時，為了減小軸上的載荷，應將輸入輪布置在中間。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理TTQ方案a輸出輸出輸入FtFt精品資料設計(shèjì)：潘存云設計(shèjì)：潘存云設計：潘存云設計：潘存云Rdd/430?2.減小應力集中合金鋼對應力集中比較敏感，應加以注意。應力集中出現(xiàn)在截面突然發(fā)生變化的位置。措施：1.

用圓角過渡；2.盡量避免在軸上開橫孔、切口或凹槽;3.重要結(jié)構(gòu)可增加卸載槽B、過渡肩環(huán)、凹切圓角、增大圓角半徑。也可以減小過盈配合處的局部應力。過渡肩環(huán)r凹切圓角B卸載槽

也可以在輪轂上增加卸載槽B位置d/4精品資料精品資料精品資料精品資料1、軸與軸承蓋直接(zhíjiē)接觸，應留有間隙2、套筒過厚,應低于軸承內(nèi)圈3、軸的長度應略短于軸上零件寬度2-3mm4、半聯(lián)軸器無軸向定位，應設置階梯5、半聯(lián)軸器無周向固定，應設置鍵聯(lián)接6、彈性擋圈無用，應拆去7、軸承蓋端部應抵住軸承外圈8、半聯(lián)軸器右端應為通孔9、應設置工藝凸臺，以減少加工量10、軸肩過高，軸承無法拆卸11、鍵過長12、應設置墊片13、應設置擋油環(huán)14、應設置密封裝置精品資料1.軸承端蓋應減少加工面；2.軸承座端面應設工藝凸臺，減少加工面；3.軸承內(nèi)圈右側(cè)無軸向定位；4.齒輪與軸間無鍵聯(lián)接；5.彈性擋圈無用(wúyònɡ)，去掉；6.軸承蓋與外伸軸間應留有間隙；7.軸承蓋與端面間無墊圈；8.鍵去掉；9.精加工面過長，最好設置成階梯軸段10.套筒過厚,軸承無法拆卸精品資料§12-4軸的強度(qiángdù)設計一、按扭轉(zhuǎn)強度(qiángdù)計算軸的強度設計應根據(jù)軸的承載情況，采用相應的計算方法，常用方法有兩種。對于只傳遞扭轉(zhuǎn)的圓截面軸，強度條件為：設計公式為：對于既傳遞扭轉(zhuǎn)又傳遞彎矩的軸，可按上式初步估算軸的直徑。計算結(jié)果為：最小直徑！解釋各符號的意義及單位軸的材料A3,20354540Cr,35SiMn[τ](N/mm)12~2020~3030~4040~52A0

160~135135~118118~107107~92表11-3常用材料的[τ]值和A0值注:

當作用在軸上的彎矩比傳遞的轉(zhuǎn)矩小或只傳遞轉(zhuǎn)矩時,A0取較小值;否則取較大值應圓整為：標準直徑！精品資料設計(shèjì)：潘存云設計(shèjì)：潘存云減速器中齒輪軸的受力為典型的彎扭合成。在完成單級減速器草圖設計后，外載荷與支撐反力的位置即可確定，從而可進行受力分析。因σb和τ的循環(huán)特性不同，折合后得：二、按彎扭合成強度計算對于一般鋼制軸，可用第三強度理論（最大切應力理論）求出危險截面的當量應力。強度條件為：l1l彎曲應力：扭切應力：代入得：W------抗彎截面系數(shù)；WT

----抗扭截面系數(shù)；α----修正系數(shù)Mc---當量彎矩精品資料材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]

4001307040

5001707545

6002009555

70023011065

80027013075

90030014080100033015090

5001207040

4001005030表12-6軸的許用彎曲應力

碳素鋼合金鋼鑄鋼修正(xiūzhèng)系數(shù)取值：α=

0.3----轉(zhuǎn)矩不變；0.6----脈動(màidòng)變化；1----頻繁正反轉(zhuǎn)。靜應力狀態(tài)下的許用彎曲應力設計公式：精品資料折合(zhéhé)系數(shù)取值：α=

0.3----轉(zhuǎn)矩不變；0.6----脈動(màidòng)變化；1----頻繁正反轉(zhuǎn)。設計公式：材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]4001307040

5001707545

6002009555

70023011065

80027013075

90030014080

100033015090

5001207040

4001005030表12-6軸的許用彎曲應力

碳素鋼合金鋼鑄鋼脈動循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應力精品資料折合(zhéhé)系數(shù)取值：α=0.3----轉(zhuǎn)矩不變；0.6----脈動(màidòng)變化；1----頻繁正反轉(zhuǎn)。設計公式：材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]40013070405001707545600200955570023011065800270130759003001408010003301509050012070404001005030表12-6軸的許用彎曲應力碳素鋼合金鋼鑄鋼對稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應力精品資料設計(shèjì)：潘存云對2點取矩舉例：計算某減速器輸出(shūchū)軸危險截面的直徑。已知作用在齒輪上的圓周力Ft=17400N,徑向力，F(xiàn)r=6140N,軸向力Fa=2860N,齒輪分度圓直徑d2=146mm,作用在軸右端帶輪上外力F=4500N（方向未定）,L=193mm,K=206mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12解：1)

求垂直面的支反力和軸向力=Fad2aadP231精品資料設計(shèjì)：潘存云MavM’avFtF1HF2HMaHF1FF2F2)求水平面的支反力L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F3)求F力在支點(zhīdiǎn)產(chǎn)生的反力4)繪制垂直面的彎矩圖5)繪制水平面的彎矩圖精品資料設計(shèjì)：潘存云MaMavM’avFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F6)求F力產(chǎn)生(chǎnshēng)的彎矩圖L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F7)繪制合成彎矩圖考慮F可能與H、V內(nèi)合力共面a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為：MaFM’a精品資料設計(shèjì)：潘存云MaMavM’avFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F8)求軸傳遞(chuándì)的轉(zhuǎn)矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F9)求危險截面的當量彎矩MaFM2M’aT扭切應力為脈動循環(huán)變應力，取修正系數(shù):α=0.6精品資料求考慮到鍵槽(jiàncáo)對軸的削弱，將d值增大4%，故得：10)計算危險(wēixiǎn)截面處軸的直徑選45鋼，調(diào)質(zhì)，σb=650MPa,[σ-1b]=60MPa符合直徑系列。精品資料按彎扭合成(héchéng)強度計算軸徑的一般步驟：1.將外載荷分解(fēnjiě)到水平面和垂直面。求垂直面支撐反力FV和水平面支撐反力FH;2.作垂直彎矩MV圖和水平彎矩MH圖

;3.作合成彎矩M圖；4.作轉(zhuǎn)矩T圖；5.彎扭合成，作當量彎矩Mc圖；6.計算危險截面軸徑:1.

若危險