軸與軸承設(shè)計(jì)和36

3.1新產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序3.2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論3.3機(jī)械零部件設(shè)計(jì)3.6現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法3.3.3軸與軸承設(shè)計(jì)1、軸一、功用：

1）支承回轉(zhuǎn)零件；2）傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力

二、分類：

按承載情況分：

轉(zhuǎn)軸——扭矩和彎矩

3.3機(jī)械零、部件設(shè)計(jì)心軸——只受彎矩,不傳遞轉(zhuǎn)矩（T=0）。

傳動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要求：

①軸和軸上零件要有準(zhǔn)確、牢固的工作位置

②軸上零件裝拆、調(diào)整方便

③軸應(yīng)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(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越合理2）裝配越簡(jiǎn)單、方便越合理4、盡量避免應(yīng)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(duì)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(jī)座間加墊片，以調(diào)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(guò)盈配合三)、各軸段的直徑和長(zhǎng)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(cè)②同一軸徑軸段上不能安裝三個(gè)以上零件

注意：①與標(biāo)準(zhǔn)零件相配合軸徑應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值2、各軸段長(zhǎng)度

②考慮零件間適當(dāng)?shù)拈g距：轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)應(yīng)注意：防止過(guò)定位！L軸段長(zhǎng)度=B輪轂寬-(2～3)mm四、提高軸的強(qiáng)度、剛度和減輕軸的重量的措施

一）改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中

應(yīng)力集中源：打孔，切螺紋，溝槽（鍵槽，砂輪越程槽…），過(guò)盈配合處內(nèi)凹圓角過(guò)渡肩環(huán)措施：1）軸徑變化平緩2）增大軸的過(guò)渡圓角r；3）當(dāng)過(guò)渡圓角不能增大時(shí)，內(nèi)凹圓角4）過(guò)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(dòng)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(gè)傳動(dòng)件輸入，幾個(gè)傳動(dòng)件輸出時(shí)，應(yīng)將輸入件放在中間。輸入件三）改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)，減小軸的載荷合理不合理軸僅受彎矩,不受轉(zhuǎn)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(qiáng)度和剛度

行星輪均勻布置，使太陽(yáng)輪只受轉(zhuǎn)矩不受彎矩。五）改進(jìn)表面質(zhì)量提高軸的疲勞強(qiáng)度①改進(jìn)軸的表面粗糙度→提高軸的疲勞強(qiáng)度→高強(qiáng)度材料軸更應(yīng)如此②表面強(qiáng)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(yù)壓應(yīng)力→提高軸的抗疲勞能力。五、軸的結(jié)構(gòu)工藝性

1）軸肩圓角r：避免應(yīng)力集中，查標(biāo)準(zhǔn)（手冊(cè)）多個(gè)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(guò)長(zhǎng)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(yīng)用題20分）——指出圖示軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，在錯(cuò)誤之處標(biāo)出數(shù)字作記號(hào)，分別按數(shù)字記號(hào)說(shuō)明其錯(cuò)誤原因。

1）悶蓋無(wú)螺釘連接，無(wú)調(diào)整墊片或調(diào)整螺釘調(diào)整軸承間隙。2）軸肩過(guò)高，無(wú)法拆卸軸承；軸承用脂潤(rùn)滑而齒輪嚙合油飛濺到軸承上，無(wú)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(wú)法裝配。5）過(guò)渡配合零件裝卸距離過(guò)長(zhǎng)。6）透蓋上無(wú)密封。7）透蓋與軸不能直接接觸，應(yīng)留縫隙。8）轉(zhuǎn)動(dòng)零件與轉(zhuǎn)動(dòng)零件不能作相互定位。9）鍵槽過(guò)長(zhǎng)。10）輪轂寬度應(yīng)大于相配合的軸段長(zhǎng)度。（指出1項(xiàng)給3分，滿分為20分）六、軸的強(qiáng)度計(jì)算按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的傳動(dòng)軸的強(qiáng)度計(jì)算

②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前按扭矩初估軸的直徑dmin

強(qiáng)度條件

設(shè)計(jì)公式

許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/mm2），查手冊(cè)A0——軸的材料系數(shù),查手冊(cè)放大軸徑：一個(gè)鍵槽：3~5%

二個(gè)鍵槽：7~10%

取標(biāo)準(zhǔn)植軸上有鍵槽時(shí)：對(duì)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(gè)）；7~10%（2個(gè)）取整

七、軸的剛度驗(yàn)算1、彎曲剛度

撓曲線方程：

撓度：

偏轉(zhuǎn)角：

2、扭轉(zhuǎn)剛度一般傳動(dòng)軸，許用扭轉(zhuǎn)角精密傳動(dòng)軸：八、主軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)和支承刀具、工件的軸。一）、對(duì)主軸組件的基本要求1.旋轉(zhuǎn)精度：指機(jī)床空載時(shí)，低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，此時(shí)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(cè)得的徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)值的大小。旋轉(zhuǎn)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(diào)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(dòng)軸承的型號(hào)、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支承的跨距和主軸前懸伸量，傳動(dòng)件的布置方式等3.溫升溫升將引起熱變形使主軸伸長(zhǎng)，軸承間隙變化，降低了加工精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的黏度，惡化潤(rùn)滑條件。對(duì)高精度機(jī)床應(yīng)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(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力主軸的振動(dòng)將降低甚至惡化工件的表面質(zhì)量，限制機(jī)床能力的充分發(fā)揮，增大機(jī)床的噪聲。5.精度保持性機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，才能長(zhǎng)期保持精度。2、滑動(dòng)軸承1）滑動(dòng)軸承的主要類型和結(jié)構(gòu)一、整體式徑向滑動(dòng)軸承

二、剖分式徑向滑動(dòng)軸承

三、自動(dòng)調(diào)心式：軸瓦外表面做成球形

2）滑動(dòng)軸承常用材料主要失效形式：磨損和膠合、疲勞破壞

對(duì)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(yīng)性，嵌入性和磨合性3）足夠的強(qiáng)度和必要的塑性4）良好的耐腐蝕性、熱化學(xué)性能（傳熱性和熱膨脹性）和調(diào)滑性（對(duì)油的吸附能力）5）良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。一、滾動(dòng)軸承的構(gòu)造

內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架

3、滾動(dòng)軸承1）滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)和構(gòu)造2）運(yùn)轉(zhuǎn)精度高（可用預(yù)緊方法消除游隙）3）軸向尺寸小4）某些軸能同時(shí)承受Fr和Fa，使機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊5）潤(rùn)滑方便、簡(jiǎn)單、易于密封和維護(hù)6）互換性好（標(biāo)準(zhǔn)零件）缺點(diǎn)：1）承受沖擊載荷能力差2）高速時(shí)噪音、振動(dòng)較大3）高速重載壽命較低4）徑向尺寸較大（相對(duì)于滑動(dòng)軸承）優(yōu)點(diǎn)：1）f小起動(dòng)力矩小，η高二、滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)三、滾動(dòng)軸承的類型

按照滾動(dòng)體的形狀

接觸角向心軸承主要承受徑向力推力軸承——滾動(dòng)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(shí)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(dòng)軸承選擇的原則工作載荷、轉(zhuǎn)速、支承剛性、安裝精度

1）n高，載荷小，旋轉(zhuǎn)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(shí)→推力軸承3）要求n<nlim——極限轉(zhuǎn)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(diào)心軸承

5）便于裝拆和間隙調(diào)整——內(nèi)、外圈分離的軸承6）3、7兩類軸承應(yīng)成對(duì)使用，對(duì)稱安裝7）旋轉(zhuǎn)精度較高時(shí)——較高的公差等級(jí)和較小的游隙8）優(yōu)先考慮用普通公差等級(jí)的深溝球軸承五、滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一般軸承——疲勞壽命計(jì)算（針對(duì)點(diǎn)蝕）靜強(qiáng)度計(jì)算低速或擺動(dòng)軸承——只進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算高速軸承——進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算、校驗(yàn)極限轉(zhuǎn)速六、滾動(dòng)軸承的材料內(nèi)、外圈、滾動(dòng)體:GCr15、GCr15-SiMn等軸承鋼，熱處理后硬度：HRC60~65滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的材料要求有高的硬度和接觸疲勞強(qiáng)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(dòng)軸承裝置的設(shè)計(jì)——解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤(rùn)滑、密封等問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：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(diǎn)相對(duì)于箱體孔壁的懸臂3)、采用加強(qiáng)筋加強(qiáng)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(gè)方向的軸向移動(dòng)允許軸工作時(shí)有少量熱膨脹2)、一端雙向固定，一端游動(dòng)圓柱滾子軸承(CylindricalRollerBearing)的游動(dòng)?固定端游動(dòng)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(gè)軸承都是游動(dòng)的，以防止齒輪卡死或人字齒的兩側(cè)受力不均勻3)、兩端游動(dòng)——人字齒輪高速主動(dòng)軸3、滾動(dòng)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(dòng)墊圈4)、開(kāi)口圓錐緊定套+圓螺母和止動(dòng)墊圈

一端軸肩另一端1)、孔用彈性擋圈

2)、軸承外圈止動(dòng)槽內(nèi)嵌入止動(dòng)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(dòng)軸承游隙的調(diào)整軸承的游隙對(duì)其壽命、旋轉(zhuǎn)精度、溫升和噪聲影響很大，安裝時(shí)應(yīng)合理調(diào)整。通過(guò)帶螺紋的零件或端蓋下的墊片來(lái)調(diào)節(jié)。3.6現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法1、優(yōu)化設(shè)計(jì)2、可靠性設(shè)計(jì)3、有限元分析4、其他設(shè)計(jì)方法——并行設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。1、優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法——將最優(yōu)原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是一種把經(jīng)驗(yàn)的、感性的、類比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的、理性的、立足于計(jì)算分析的設(shè)計(jì)方法。在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，能從眾多設(shè)計(jì)方案中尋找到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案，該方法能大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。2、可靠性設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)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(biāo)，也包括可靠性指標(biāo)?？煽啃栽u(píng)價(jià)指標(biāo)——可靠度、實(shí)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(shí)用性很強(qiáng)的數(shù)值方法，它避開(kāi)了在整個(gè)求解區(qū)域上尋找連續(xù)解析函數(shù)這一難點(diǎn)，轉(zhuǎn)為尋求在各子域（單元）上適當(dāng)控制方程，并滿足整個(gè)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