機械設(shè)計課程設(shè)計軸的設(shè)計

1、第四章 軸的設(shè)計機器上所安裝的旋轉(zhuǎn)零件，例如帶輪、齒輪、聯(lián)軸器和離合器等都必須用軸來支承，才能正常工作，因此軸是機械中不可缺少的重要零件。本章將討論軸的類型、軸的材料和輪轂聯(lián)接，重點是軸的設(shè)計問題，其包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算。結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理確定軸的形狀和尺寸，它除應(yīng)考慮軸的強度和剛度外，還要考慮使用、加工和裝配等方面的許多因素。4.1 軸的分類按軸受的載荷和功用可分為：1.心軸：只承受彎矩不承受扭矩的軸，主要用于支承回轉(zhuǎn)零件。如.車輛軸和滑輪軸。2.傳動軸：只承受扭矩不承受彎矩或承受很小的彎矩的軸,主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩。如汽車的傳動軸。3.轉(zhuǎn)軸：同時承受彎矩和扭矩的軸，既支承零件又傳遞轉(zhuǎn)矩。如減

2、速器軸。4.2軸的材料主要承受彎矩和扭矩。軸的失效形式是疲勞斷裂，應(yīng)具有足夠的強度、韌性和耐磨性。軸的材料從以下中選?。?. 碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼具有較好的機械性能，對應(yīng)力集中敏感性較低，價格便宜，應(yīng)用廣泛。例如：35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼。一般軸采用45鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)或正火處理；有耐磨性要求的軸段，應(yīng)進行表面淬火及低溫回火處理 。輕載或不重要的軸，使用普通碳素鋼q235、q275等。2. 合金鋼合金鋼具有較高的機械性能，對應(yīng)力集中比較敏感，淬火性較好，熱處理變形小，價格較貴。多使用于要求重量輕和軸頸耐磨性的軸。例如：汽輪發(fā)電機軸要求，在高速、高溫重載下工作，采用27cr2mo1v、38crmoa

3、la等。滑動軸承的高速軸，采用20cr、20crmnti等。3. 球墨鑄鐵球墨鑄鐵吸振性和耐磨性好，對應(yīng)力集中敏感低，價格低廉，使用鑄造制成外形復(fù)雜的軸。例如：內(nèi)燃機中的曲軸。4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖所示為一齒輪減速器中的的高速軸。軸上與軸承配合的部份稱為軸頸，與傳動零件配合的部份稱為軸頭，連接軸頸與軸頭的非配合部份稱為軸身，起定位作用的階梯軸上截面變化的部分稱為軸肩。軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求有：（1）、便于軸上零件的裝配軸的結(jié)構(gòu)外形主要取決于軸在箱體上的安裝位置及形式，軸上零件的布置和固定方式，受力情況和加工工藝等。為了便于軸上零件的裝拆，將軸制成階梯軸，中間直徑最大，向兩端逐漸直徑減小。近似為

4、等強度軸。（2）、保證軸上零件的準確定位和可靠固定軸上零件的軸向定位方法主要有：軸肩定位、套筒定位、圓螺母定位、軸端擋圈定位和軸承端蓋定位。1）軸向定位的固定 軸肩或軸環(huán)：如教材圖10-7所示。軸肩定位是最方便可靠的定位方法，但采用軸肩定位會使軸的直徑加大，而且軸肩處由于軸徑的突變而產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，多用于軸向力較大的場合。定位軸肩的高度h=(0.070.1)d，d為與零件相配處的軸徑尺寸。要求r軸<r孔或r軸<c孔 套筒和圓螺母 定位套筒用于軸上兩零件的距離較小，結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠。圓螺母用于軸上兩零件距離較大，需要在軸上切制螺紋，對軸的強度影響較大。性擋圈和緊定螺釘 這兩種固

5、定的方法，常用于軸向力較小的場合。軸端擋圈圓錐面： 軸端擋圈與軸肩、圓錐面與軸端擋圈聯(lián)合使用，常用于軸端起到雙向固定。裝拆方便，多用于承受劇烈振動和沖擊的場合。2）周向定位和固定軸上零件的周向固定是為了防止零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。常用的固定方式有：a.鍵聯(lián)接 b.過盈配合聯(lián)接 c.圓錐銷聯(lián)接 d.成型聯(lián)接鍵聯(lián)接和圓錐銷聯(lián)接見教材§104節(jié)。過盈配合是利用軸和零件輪轂孔之間的配合過盈量來聯(lián)接，能同時實現(xiàn)周向和軸向固定，結(jié)構(gòu)簡單，對中性好，對軸削弱小，裝拆不便。成型聯(lián)接是利用非圓柱面與相同的輪轂孔配合，對中性好，工作可靠，制造困難應(yīng)用少。（3）、具有良好的制造和裝配工藝性1）. 軸為階梯軸

6、便于裝拆。軸上磨削和車螺紋的軸段應(yīng)分別設(shè)有砂輪越程槽和螺紋退刀槽。如教材圖1012所示。2）. 軸上沿長度方向開有幾個鍵槽時，應(yīng)將鍵槽安排在軸的同一母線上。同一根軸上所有圓角半徑和倒角的大小應(yīng)盡可能一致，以減少刀具規(guī)格和換刀次數(shù)。為使軸上零件容易裝拆，軸端和各軸段端部都應(yīng)有45°的倒角。為便于加工定位，軸的兩端面上應(yīng)做出中心孔。（4）、減小應(yīng)力集中，改善軸的受力情況軸大多在變應(yīng)力下工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)減少應(yīng)力集中，以提高軸的疲勞強度，尤為重要。軸截面尺寸突變處會造成應(yīng)力集中，所以對階梯軸，相鄰兩段軸徑變化不宜過大，在軸徑變化處的過渡圓角半徑不宜過小。盡量不在軸面上切制螺紋和凹槽以免引起

7、應(yīng)力集中。盡量使用圓盤銑刀。此外，提高軸的表面質(zhì)量，降低表面粗糙度，采用表面碾 壓、噴丸和滲碳淬火等表面強化方法，均可提高軸的疲勞強度。當(dāng)傳矩由一個傳動件輸入，而由幾個傳動件輸出時，為了減小軸上的傳矩，應(yīng)將輸入件放在中間。如圖1014所示，輸入傳矩t1t2t3，軸上各輪按圖14-15a的布置形式，軸所受的最大傳矩為t2t3，如改為圖10-14b的布置形式，最大傳矩減小為t2或t3。4.4 軸的設(shè)計計算4.4.1按扭轉(zhuǎn)強度計算這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強度。如果還受不大的彎矩時，則采用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。并且應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其

8、許用應(yīng)力。在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為最后計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：強度條件： mpa 設(shè)計公式： （mm）軸上有鍵槽： 放大：35%一個鍵槽；710%二個鍵槽。并且取標(biāo)準植式中：許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（n/mm2），c為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。4.4.2 按彎扭合成強度計算通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上零件的位置以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計算。對于鋼制的軸，按第三強度理論，強度條件為：設(shè)計公式：（mm）式中、：e為當(dāng)量應(yīng)力，mpa。 d為軸的直

9、徑，mm; 為當(dāng)量彎矩；m為危險截面的合成彎矩； mh為水平面上的彎矩；mv為垂直面上的彎矩；w為軸危險截面抗彎截面系數(shù)；為將扭矩折算為等效彎矩的折算系數(shù)彎矩引起的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力往往為非對稱循環(huán)變應(yīng)力與扭矩變化情況有關(guān) 扭矩對稱循環(huán)變化 = 扭矩脈動循環(huán)變化 不變的扭矩，分別為對稱循環(huán)、脈動循環(huán)及靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力。對于重要的軸，還要考慮影響疲勞強度的一些因素而作精確驗算。內(nèi)容參看有關(guān)書籍。4.4.3 軸的剛度計算概念軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C器應(yīng)有的工作性能。軸的彎曲剛度

10、是以撓度y或偏轉(zhuǎn)角以及扭轉(zhuǎn)角來度量，其校核公式為：yy; ; 。式中：y、 、 分別為軸的許用撓度、許用轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角。4.4.4 軸的設(shè)計步驟設(shè)計軸的一般步驟為：（1）選擇軸的材料 根據(jù)軸的工作要求，加工工藝性、經(jīng)濟性，選擇合適的材料和熱處理工藝。（2）初步確定軸的直徑 按扭轉(zhuǎn)強度計算公式，計算出軸的最細部分的直徑。（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 要求：軸和軸上零件要有準確、牢固的工作位置；軸上零件裝拆、調(diào)整方便；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。盡量避免應(yīng)力集中；根據(jù)軸上零件的結(jié)構(gòu)特點，首先要預(yù)定出主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系，它是軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，擬定裝配方案，應(yīng)先考慮幾個方案，進行分析比較后

11、再選優(yōu)。原則：1）軸的結(jié)構(gòu)越簡單越合理；2）裝配越簡單越合理。4.5各軸的計算4.5.1高速軸計算（1）查得c=118（低速軸彎矩較大），由公式 取高速軸的直徑d=45mm。（2）求作用在齒輪上的力齒輪分度圓直徑為 齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為 齒輪作用力 圓周力 徑向力 軸向力 （3）畫軸的計算簡圖并計算支反力(圖 a)水平支反力 垂直支反力 （4）畫彎矩圖a水平面內(nèi)彎矩圖m(b圖) 截面c b垂直面內(nèi)彎矩圖mc（c圖） 截面c c合成彎矩（d圖）d 畫扭矩圖（e圖） 又根據(jù) 查得 則 e 繪當(dāng)量彎矩圖（f圖）4.5.2中間軸設(shè)計（1）查得c=118（低速軸彎矩較大），由公式 取高速軸的直徑d=60mm

12、。（2）求作用在齒輪上的力齒輪分度圓直徑為 齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為 齒輪作用力 圓周力 徑向力 軸向力 （3）畫軸的計算簡圖并計算支反力(圖 a)水平支反力 垂直支反力 （4）畫彎矩圖a水平面內(nèi)彎矩圖m(b圖) 截面c 截面d b垂直面內(nèi)彎矩圖mc（c圖） 截面c 截面d c合成彎矩（d圖）d合成彎矩d 畫扭矩圖（e圖） 又根據(jù) 查得 則 e 繪當(dāng)量彎矩圖（f圖）4.5.3 低速軸設(shè)計（1）查得c=118，由公式 取高速軸的直徑d=75mm。（2）求作用在齒輪上的力齒輪分度圓直徑為 齒輪所受的轉(zhuǎn)矩為 齒輪作用力 圓周力 徑向力 軸向力 （3）畫軸的計算簡圖并計算支反力(圖 a)水平支反力 垂直支反力

13、 （4）畫彎矩圖a水平面內(nèi)彎矩圖m(b圖) 截面c b垂直面內(nèi)彎矩圖mc（c圖） 截面c c合成彎矩（d圖）d 畫扭矩圖（e圖） 又根據(jù) 查得 則 e 繪當(dāng)量彎矩圖（f圖）4.6軸的設(shè)計與校核4.6.1高速軸設(shè)計初定最小直徑，選用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。取a0=112（不同）則rmin=a0=16.56mm最小軸徑處有鍵槽rmin = 1.07dmin = 17.72mm最小直徑為安裝聯(lián)軸器外半徑，取ka=1.7，同上所述已選用tl4彈性套柱聯(lián)軸器，軸孔半徑r=20mm。 取高速軸的最小軸徑為r=20mm。由于軸承同時受徑向和軸向載荷，故選用6300滾子軸承按國標(biāo)t297-94 d*d*t=17

14、.25 軸承處軸徑d =36mm高速軸簡圖如下：取l1=38+46=84mm,取擋圈直徑d=43mm,取d2=d4=54mm,d3=67mm,d1=d5=67mm。聯(lián)軸器用鍵：圓頭普通平鍵。b*h=6*6,長l=91 mm齒輪用鍵：同上。b*h=6*6, 長l=10mm,倒角為2*45度4.6.2中間軸設(shè)計中間軸簡圖如下：初定最小直徑dmin=20mm選用6303軸承，d*d*t=25*62*18.25d1=d6=25mm,取 l1=26mm,l2=19，l4=120mm,d2=d4=35mm,l3=12mmd3=50mm,d5=30mm,l5=1.2*d5=69mm，l6=55mm齒輪用鍵：

15、圓頭普通鍵：b*h=12*8,長l=61mm4.6.3 低速軸設(shè)計初定最小直徑：dmin=25mm取小軸徑處有鍵槽dmin=1.07dmin=36.915mm取d1=75mm,d2=90mm,d3=97mm,d4 =75mmd5=65mm,d6=60mm,l1=35mm,l2=94mm,l3=15mm,l4=28mm,l5=38mm,l6=40mm,l7=107mm齒輪用鍵：圓頭普通鍵：b*h=16*6,長l=85mm選用6300軸承：d*d*t=40*90*25.25mm,b=23mm,c=20mm4.6.4高速軸的校核 由于減速器中，最容易出現(xiàn)損壞的軸為高速軸，故在進行軸的校驗的時候，只需對高速軸進行校驗。高速軸的校驗計算如下所示：p=3.105kw,n=960r/min,