機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第10章軸

第十章軸10.1概述轉(zhuǎn)軸心軸傳動(dòng)軸工作時(shí)既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸。用來支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件且只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸稱為心軸。用來傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩的軸稱為傳動(dòng)軸。轉(zhuǎn)動(dòng)心軸固定心軸1、按受載荷分一、軸的分類（1）曲軸（2）軟軸（3）空心軸2、按結(jié)構(gòu)形狀分二、軸的受力、應(yīng)力及失效形式以減速器的輸出軸為例來討論轉(zhuǎn)軸的受力、應(yīng)力及失效形式在AB之間的任意截面上，只有彎矩M，因此只有彎曲應(yīng)力在BC之間的任意截面上，既作用有彎矩M，又作用有轉(zhuǎn)矩T，因此，即有彎曲應(yīng)力，又有扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力而在CD之間的任意截面上，只作用有轉(zhuǎn)矩T，因此只有扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力1、受力及應(yīng)力分析轉(zhuǎn)軸彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力，其循環(huán)特征r=-1(見圖a)。扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的循環(huán)特征r隨轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)而變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩T的大小及方向恒定不變時(shí)，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為靜應(yīng)力，其循環(huán)特征r=+1（見圖b）。當(dāng)轉(zhuǎn)矩T按脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力也為脈動(dòng)循環(huán)，其循環(huán)特征r=0（見圖c）。當(dāng)轉(zhuǎn)矩T為對稱循環(huán)時(shí)，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力也為對稱循環(huán)，其循環(huán)特征r=-1（見圖d）。圖a圖b圖c圖d2、應(yīng)力循環(huán)特征3、軸的一般失效形式疲勞斷裂：疲勞裂紋發(fā)展到一定程度后突然斷裂。三、軸的設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的設(shè)計(jì)分三步進(jìn)行:（1）初定軸徑;（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):畫草圖,確定軸的各段尺寸,得到軸的跨距和力的作用點(diǎn);（3）計(jì)算彎矩、彎曲應(yīng)力及扭剪應(yīng)力，進(jìn)行校核計(jì)算。已知條件選擇軸的材料初算軸徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算彎矩校核計(jì)算完善設(shè)計(jì)修改直徑轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)程序框圖軸的設(shè)計(jì)主要解決兩個(gè)方面的問題軸的材料主要采用常用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼有30、40、45、和50鋼，其中45鋼應(yīng)用最多碳素鋼合金鋼常用的合金鋼有20Cr、40Cr、35SiMn和35CrMo等10.2軸的材料10.3軸徑的初步估算一、類比法二、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算高速輸入軸的直徑d可按與其相聯(lián)的電動(dòng)機(jī)軸的直徑D估算d=(0.8~1.2)D各級(jí)低速軸的直徑d可按同級(jí)齒輪傳動(dòng)中心a估算d=(0.3~0.4)a通常估算軸的最小直徑，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)參考同類已有機(jī)器的軸的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行分析對比三、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算或計(jì)算公式當(dāng)最小直徑剖面上有一個(gè)鍵槽時(shí)增大5%，當(dāng)有兩個(gè)鍵槽時(shí)增大10%，然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑10.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求是：（1）軸應(yīng)便于加工，軸上零件應(yīng)便于裝拆。（制造安裝要求）（2）軸和軸上零件應(yīng)有正確而可靠的工作位置。（定位固定要求）（3）軸的受力合理，盡量減少應(yīng)力集中等。以下，以減速器的低速軸為例加以說明減速器中有階梯軸減速器低速軸結(jié)構(gòu)圖一、制造安裝要求便于拆卸、便于安裝、便于制造做成階梯軸應(yīng)有倒角有越程槽鍵應(yīng)靠近端部二、固定要求1.軸上零件的軸向固定(1)軸肩固定聯(lián)軸器齒輪軸承(2)套筒固定軸承與齒輪之間(3)圓螺母固定相鄰零件間距大(4)軸端擋圈查標(biāo)準(zhǔn)(5)彈性擋圈軸向力小削弱軸的強(qiáng)度(6)、緊定螺釘傳遞力小2.軸上零件的周向固定為了傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩,或因某些需要,軸上零件還需有周向固定（參考軸轂聯(lián)接）三、受力、應(yīng)力要求1.合理布置軸上傳動(dòng)零件的位置分析兩種方案的最大轉(zhuǎn)矩(a)小于(b)2.合理設(shè)計(jì)軸上零件的結(jié)構(gòu)輪轂配合面分成兩段減小彎矩、改善配合3.減小應(yīng)力集中過渡肩環(huán)軸肩過渡結(jié)構(gòu)內(nèi)凹圓角配合軸段上的卸載槽輪轂上的卸載槽4.提高軸的表面質(zhì)量提高軸的疲勞強(qiáng)度:表面強(qiáng)化—碾壓、噴丸、表面淬火等四、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的徑向尺寸確定1.箱體內(nèi)壁位置的確定H=10~15mmA=b+2HA應(yīng)圓整軸的軸向尺寸確定2.軸承座端面位置的確定C=δ+C1+C2+(5~10)mmδ--箱體壁厚C1、C2--螺栓扳手空間B=A+2CB應(yīng)圓整3.軸承在軸承座孔中位置的確定Δ值盡量小減小支點(diǎn)距離油潤滑時(shí)Δ=(3~8)mm脂潤滑時(shí)Δ=(10~15)mm4.軸的外伸長度的確定(1)當(dāng)軸端安裝彈性套柱銷聯(lián)軸器時(shí)K值由聯(lián)軸器的型號(hào)確定(2)當(dāng)使用凸緣式軸承蓋時(shí)K值由連接螺栓長度確定(3)當(dāng)軸承蓋與軸端零件都不需拆卸時(shí),一般取K=5mm~8mm10.5軸的強(qiáng)度校核計(jì)算一、軸的計(jì)算簡圖簡化成簡支梁，力的作用點(diǎn)：彎矩、扭矩，簡化在中點(diǎn)，支點(diǎn)：與軸承類型有關(guān)。二、按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度條件（第三強(qiáng)度理論、當(dāng)量應(yīng)力）在計(jì)算截面上彎曲應(yīng)力σb=M/W扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ=T/WT三、軸的安全系數(shù)校核計(jì)算1.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的校核計(jì)算危險(xiǎn)剖面：指發(fā)生破壞可能性最大的剖面校核危險(xiǎn)剖面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的公式為危險(xiǎn)剖面的可能位置：截面小、受力大、應(yīng)力集中彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性:扭剪應(yīng)力的循環(huán)特性:2.靜強(qiáng)度的安全系數(shù)校核計(jì)算靜強(qiáng)度安全系數(shù)條件:若強(qiáng)度不夠：換材料、增大尺寸、熱處理、修改結(jié)構(gòu)若強(qiáng)度富裕：減小尺寸等綜合考慮剛度、結(jié)構(gòu)等要求許用安全系數(shù)：查表10-5應(yīng)力集中系數(shù)：影響因素：圓角半徑鍵槽、孔過盈配合表面質(zhì)量系數(shù)：影響因素：表面強(qiáng)化處理表面粗糙度腐蝕情況尺寸系數(shù)：影響因素：尺寸大小