軸與軸承設計和36

3.1新產(chǎn)品設計程序3.2機械系統(tǒng)設計概論3.3機械零部件設計3.6現(xiàn)代機械設計方法3.3.3軸與軸承設計1、軸一、功用：

1）支承回轉零件；2）傳遞運動和動力

二、分類：

按承載情況分：

轉軸——扭矩和彎矩

3.3機械零、部件設計心軸——只受彎矩,不傳遞轉矩（T=0）。

傳動軸——主要受扭矩

按軸線形狀分

直軸：階梯軸

光軸曲軸：

空心軸和鋼絲軟軸

三、軸的結構設計

要求：

①軸和軸上零件要有準確、牢固的工作位置

②軸上零件裝拆、調整方便

③軸應具有良好的制造工藝性等

一）擬定軸上零件的裝配方案

原則：1）軸的結構越簡單越合理2）裝配越簡單、方便越合理4、盡量避免應力集中1、零件的軸向定位

二）軸上零件的定位目的：1、使零件有固定的軸向位置2、承受軸向載荷軸承端蓋：對軸承外圈軸向定位，使軸有確定的軸向工作位置

軸承端蓋與機座間加墊片，以調整軸的位置

彈性擋圈

鎖緊擋圈、緊定螺釘或銷

圓錐面（+擋圈、螺母）

2、零件的周向定位

1）鍵2）花鍵3）緊定螺釘、銷

4）過盈配合三)、各軸段的直徑和長度的確定1、各軸段直徑確定

a)按扭矩估算軸段直徑dminb)按軸上零件安裝、定位要求確定各段軸徑。A0——軸的材料系數(shù),查手冊②同一軸徑軸段上不能安裝三個以上零件

注意：①與標準零件相配合軸徑應取標準值2、各軸段長度

②考慮零件間適當?shù)拈g距：轉動零件與靜止零件之間必須有一定的間隙

①各軸段與其上相配合零件寬度相對應注意：防止過定位！L軸段長度=B輪轂寬-(2～3)mm四、提高軸的強度、剛度和減輕軸的重量的措施

一）改進軸的結構，減少應力集中

應力集中源：打孔，切螺紋，溝槽（鍵槽，砂輪越程槽…），過盈配合處內(nèi)凹圓角過渡肩環(huán)措施：1）軸徑變化平緩2）增大軸的過渡圓角r；3）當過渡圓角不能增大時，內(nèi)凹圓角4）過渡肩環(huán)二）合理布置軸上零件以減少軸的載荷

不合理合理

1、軸上傳動件盡量靠近支承，并避免使用懸臂支承形式，以減少軸所受的彎矩。2、扭矩由一個傳動件輸入，幾個傳動件輸出時，應將輸入件放在中間。輸入件三）改進軸上零件的結構，減小軸的載荷合理不合理軸僅受彎矩,不受轉矩即受彎又受扭四）選擇受力方式以減小軸的載荷，改善軸的強度和剛度

行星輪均勻布置，使太陽輪只受轉矩不受彎矩。五）改進表面質量提高軸的疲勞強度①改進軸的表面粗糙度→提高軸的疲勞強度→高強度材料軸更應如此②表面強化處理（高頻淬火、表面滲碳、氰化、氮化、噴丸、碾壓）使軸的表層產(chǎn)生預壓應力→提高軸的抗疲勞能力。五、軸的結構工藝性

1）軸肩圓角r：避免應力集中，查標準（手冊）多個圓角盡可能取相同值，以減少加工中更換刀具的次數(shù)。2）軸端倒角：便于裝配，去毛刺

3）裝配軸段不宜過長3）砂輪越程槽

4）螺紋退刀槽

5）同一軸上鍵槽位于圓柱同一母線上，且取相同尺寸07年考題（綜合應用題20分）——指出圖示軸系結構設計中的錯誤，在錯誤之處標出數(shù)字作記號，分別按數(shù)字記號說明其錯誤原因。

1）悶蓋無螺釘連接，無調整墊片或調整螺釘調整軸承間隙。2）軸肩過高，無法拆卸軸承；軸承用脂潤滑而齒輪嚙合油飛濺到軸承上，無擋油板。3）軸上鍵槽不在同一母線上。4）軸上齒輪（或其他零件）兩邊都用軸環(huán)（肩）固定，無法裝配。5）過渡配合零件裝卸距離過長。6）透蓋上無密封。7）透蓋與軸不能直接接觸，應留縫隙。8）轉動零件與轉動零件不能作相互定位。9）鍵槽過長。10）輪轂寬度應大于相配合的軸段長度。（指出1項給3分，滿分為20分）六、軸的強度計算按扭轉強度條件計算用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的傳動軸的強度計算

②結構設計前按扭矩初估軸的直徑dmin

強度條件

設計公式

許用扭轉剪應力（N/mm2），查手冊A0——軸的材料系數(shù),查手冊放大軸徑：一個鍵槽：3~5%

二個鍵槽：7~10%

取標準植軸上有鍵槽時：對于空心軸：d1—空心軸的內(nèi)徑如軸上有鍵槽，則d放大：3~5%（1個）；7~10%（2個）取整

七、軸的剛度驗算1、彎曲剛度

撓曲線方程：

撓度：

偏轉角：

2、扭轉剛度一般傳動軸，許用扭轉角精密傳動軸：八、主軸系結構的設計主軸系一般包括主軸和主軸軸承兩大部分。主軸是指直接驅動和支承刀具、工件的軸。一）、對主軸組件的基本要求1.旋轉精度：指機床空載時，低速轉動主軸，此時在主軸安裝工件或刀具部位的定心表面(如車床軸端的定心短錐、錐孔，)上測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動值的大小。旋轉精度取決于各主要件(如主軸、軸承、殼體孔等)的制造、裝配和調整精度2.剛度影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預緊和配置形式，前后支承的跨距和主軸前懸伸量，傳動件的布置方式等3.溫升溫升將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙變化，降低了加工精度；溫升也會降低潤滑劑的黏度，惡化潤滑條件。對高精度機床應研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等4.抗振性：指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運轉的能力主軸的振動將降低甚至惡化工件的表面質量，限制機床能力的充分發(fā)揮，增大機床的噪聲。5.精度保持性機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，才能長期保持精度。2、滑動軸承1）滑動軸承的主要類型和結構一、整體式徑向滑動軸承

二、剖分式徑向滑動軸承

三、自動調心式：軸瓦外表面做成球形

2）滑動軸承常用材料主要失效形式：磨損和膠合、疲勞破壞

對軸承材料的要求

1）良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性2）良好的順應性，嵌入性和磨合性3）足夠的強度和必要的塑性4）良好的耐腐蝕性、熱化學性能（傳熱性和熱膨脹性）和調滑性（對油的吸附能力）5）良好的工藝性和經(jīng)濟性等。一、滾動軸承的構造

內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架

3、滾動軸承1）滾動軸承的特點和構造2）運轉精度高（可用預緊方法消除游隙）3）軸向尺寸小4）某些軸能同時承受Fr和Fa，使機器結構緊湊5）潤滑方便、簡單、易于密封和維護6）互換性好（標準零件）缺點：1）承受沖擊載荷能力差2）高速時噪音、振動較大3）高速重載壽命較低4）徑向尺寸較大（相對于滑動軸承）優(yōu)點：1）f小起動力矩小，η高二、滾動軸承的特點三、滾動軸承的類型

按照滾動體的形狀

接觸角向心軸承主要承受徑向力推力軸承——滾動體與套圈滾道接觸處的法線與半徑方向的夾角。向心推力軸承只能承受軸向力能同時承受徑向和軸向力向心角接觸軸承推力角接觸軸承徑向力（主要）軸向力徑向力軸向力（主要）向心推力軸承四、滾動軸承選擇的原則工作載荷、轉速、支承剛性、安裝精度

1）n高，載荷小，旋轉精度高→球軸承n低，載荷大，或沖擊載荷→滾子軸承

2）主要受Fr→向心軸承主要受Fa，n不高時→推力軸承3）要求n<nlim——極限轉速

6、7、N——nlim較高5——nlim較低4）軸的剛性較差，軸承孔不同心——調心軸承

5）便于裝拆和間隙調整——內(nèi)、外圈分離的軸承6）3、7兩類軸承應成對使用，對稱安裝7）旋轉精度較高時——較高的公差等級和較小的游隙8）優(yōu)先考慮用普通公差等級的深溝球軸承五、滾動軸承的設計準則一般軸承——疲勞壽命計算（針對點蝕）靜強度計算低速或擺動軸承——只進行靜強度計算高速軸承——進行疲勞壽命計算、校驗極限轉速六、滾動軸承的材料內(nèi)、外圈、滾動體:GCr15、GCr15-SiMn等軸承鋼，熱處理后硬度：HRC60~65滾動體與內(nèi)外圈的材料要求有高的硬度和接觸疲勞強度、良好的耐磨性和沖擊韌性。保持架:低碳鋼板沖壓而成，高速軸承多采用有色金屬（如黃銅）或塑料、聚四氟乙烯保持架。七、滾動軸承裝置的設計——解決軸承的安裝、配置、緊固、調節(jié)、潤滑、密封等問題設計時注意以下幾個要點：1、支承的剛度和座孔的同心度

提高支承剛度的措施：1)、增加軸承座孔的壁厚2)、減小軸承支點相對于箱體孔壁的懸臂3)、采用加強筋加強支承部位的剛性.2、軸承的布置形式1)、兩端固定支承——兩端各限制一個方向的軸向移動允許軸工作時有少量熱膨脹2)、一端雙向固定，一端游動圓柱滾子軸承(CylindricalRollerBearing)的游動?固定端游動端低速齒輪軸必須兩端固定！

圓柱滾子軸承高速軸上的兩個軸承都是游動的，以防止齒輪卡死或人字齒的兩側受力不均勻3)、兩端游動——人字齒輪高速主動軸3、滾動軸承的軸向緊固內(nèi)圈與軸的緊固：1)、軸用彈性擋圈2)、軸端擋圈+緊固螺釘3)、圓螺母+止動墊圈4)、開口圓錐緊定套+圓螺母和止動墊圈

一端軸肩另一端1)、孔用彈性擋圈

2)、軸承外圈止動槽內(nèi)嵌入止動環(huán)外圈與座孔的緊固：4)、軸承座孔凸肩3)、軸承端蓋

5)、螺紋環(huán)6)、軸承套杯4、滾動軸承游隙的調整軸承的游隙對其壽命、旋轉精度、溫升和噪聲影響很大，安裝時應合理調整。通過帶螺紋的零件或端蓋下的墊片來調節(jié)。3.6現(xiàn)代機械設計方法1、優(yōu)化設計2、可靠性設計3、有限元分析4、其他設計方法——并行設計、綠色設計、基于TRIZ理論的創(chuàng)新設計。1、優(yōu)化設計優(yōu)化設計方法——將最優(yōu)原理和計算機技術應用于設計領域，是一種把經(jīng)驗的、感性的、類比的傳統(tǒng)設計方法轉變?yōu)榭茖W的、理性的、立足于計算分析的設計方法。在解決復雜設計問題時，能從眾多設計方案中尋找到盡可能完善的或最適宜的設計方案，該方法能大大提高設計效率和設計質量。2、可靠性設計產(chǎn)品質量是產(chǎn)品滿足使用要求所具有的固有屬性，既包括功能指標，也包括可靠性指標。可靠性評價指標——可靠度、實效率、平均壽命、有效壽命、維修度、有效度和重要度。3、有限元分析有限元法——一種實用性很強的數(shù)值方法，它避開了在整個求解區(qū)域上尋找連續(xù)解析函數(shù)這一難點，轉為尋求在各子域（單元）上適當控制方程，并滿足整個物體的邊界條件和連續(xù)條件的分塊近似的插值函數(shù)。4、并行