第15章軸--機械設計課件

1、第第15章章 軸軸15-1 概概 述述15-2 軸的結構設計軸的結構設計15-3 軸的計算軸的計算15-4 軸的設計實例軸的設計實例帶式運帶式運輸機輸機減速器減速器電動機電動機轉軸轉軸15-1 概概 述述 功用：功用：用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉軸轉軸-傳遞扭矩又承受彎矩。傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類功用：功用：用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。

2、鏈輪、凸輪等。類類型型轉軸轉軸-傳遞扭矩又承受彎矩。傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩發(fā)動機發(fā)動機后橋后橋傳動軸傳動軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 設計：潘存云功用：功用：用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉軸轉軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎

3、矩前輪輪轂前輪輪轂固定心軸固定心軸火車輪軸火車輪軸車廂重力車廂重力 前叉前叉自行車自行車前輪軸前輪軸支撐反力支撐反力轉動心軸轉動心軸15-1 概概 述述 功用：功用：用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉軸轉軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：功用：功用：用來支撐旋轉的機械零件，如齒

4、輪、帶輪、用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉軸轉軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 曲軸曲軸本章只研究直軸功用：功用：用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、用來支撐旋轉的機械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型轉軸轉軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類

5、：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 曲軸曲軸撓性鋼絲軸撓性鋼絲軸設計任務：設計任務：選材、結構設計、工作能力計算。選材、結構設計、工作能力計算。二、軸設計的主要內容二、軸設計的主要內容軸的結構設計：軸的結構設計： 根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結構形式和尺寸。方面的要求，合理地確定軸的結構形式和尺寸。 工作能力計算：工作能力計算： 軸的承載能力驗算指的軸的承載

6、能力驗算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的驗算。定性等方面的驗算。 軸的設計過程：軸的設計過程：N 選擇材料選擇材料 結構設計結構設計 軸的承載能力驗算軸的承載能力驗算驗算合格驗算合格?結結 束束Y種種類類碳素鋼：碳素鋼：3535、4545、5050、Q235Q235軸的毛坯軸的毛坯: :一般用圓鋼或鍛件，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵。圓鋼或鍛件，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵。三、三、 軸的材料軸的材料 合金鋼合金鋼: 20Cr: 20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40CrNi40CrNi、38CrMoAlA38CrMoAlA等等用途：用途：碳素結構鋼因具有較好的綜

7、合力學性能，應用較碳素結構鋼因具有較好的綜合力學性能，應用較多，尤其是多，尤其是4545鋼應用最廣鋼應用最廣。合金鋼具有較高的力學性能，。合金鋼具有較高的力學性能，但價格較貴，多用于有但價格較貴，多用于有特殊要求的軸。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質處理。正火或調質處理。表表15-1 15-1 軸的常用材料及其主要力學性能軸的常用材料及其主要力學性能 材料及熱處理材料及熱處理毛坯直徑毛坯直徑mm硬度硬度HBSHBS強度極限強度極限b b 屈服極限屈服極限s s MPaMPa彎曲疲勞極限彎曲疲勞

8、極限-1-1應用說明應用說明Q235Q235440440240240200200用于不重要或載荷不大的軸35 35 正火正火520520270270250250有較好的塑性和適當?shù)膹姸?，可用于一般曲軸、轉軸。100100149149187187 表表15-1 15-1 軸的常用材料及其主要力學性能軸的常用材料及其主要力學性能設計任務：設計任務：使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。15-2 軸的結構設計軸的結構設計設計要求：設計要求： 1.軸應便于制造，軸上零件要易于裝拆；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；軸和軸上

9、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；各零件要牢固而可靠地相對固定；(固定) 4.改善受力狀況，減小應力集中。改善受力狀況，減小應力集中。軸端擋圈軸端擋圈 帶輪帶輪軸承蓋軸承蓋套筒套筒齒輪齒輪滾動軸承滾動軸承典型典型軸系軸系結構結構一、擬定軸上零件的裝配方案一、擬定軸上零件的裝配方案 裝配方案：裝配方案：確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互 關系。關系。 軸上零件的裝配方案不同，則軸的結構形狀也不相軸上零件的裝配方案不同，則軸的結構形狀也不相同。設計時可擬定幾種裝配方案，進行分析與選擇。同。設計時可擬定幾種裝配方案，進行分析與選

10、擇。 圖示減速器輸出軸就有兩種裝配方案。圖示減速器輸出軸就有兩種裝配方案。sa B c L a圓錐圓柱齒輪圓錐圓柱齒輪二級減速器二級減速器 方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，多了一方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，多了一個零件，加工工藝復雜，且質量較大，故不如方案一個零件，加工工藝復雜，且質量較大，故不如方案一合理合理 。二、軸上零件的定位二、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。軸肩軸肩-階梯軸上截面變化之處。階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。 軸肩套筒套筒定位方法：定位方法：軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。軸

11、肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。軸向固定軸向固定由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實現(xiàn)。由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實現(xiàn)。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圈上；向左則通過套筒頂在滾動軸承的內圈上。帶輪的軸向固定是靠1、2間的軸肩和軸端當圈。雙向固定雙向固定設計：潘存云設計：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，可采用無法采用套筒或套筒太長時，可采用雙圓螺母雙圓螺母加以固定。加以固定。軸肩的尺寸要求軸肩的尺寸要求:r C1 或或 r 200 mm mm。 4）按靜強度條件進行校核）按靜強度條件進行校核 對于瞬時過載很大，或應力循環(huán)的不

12、對稱性較為嚴重對于瞬時過載很大，或應力循環(huán)的不對稱性較為嚴重的軸，應當進行靜強度條件校核。軸的靜強度條件為：的軸，應當進行靜強度條件校核。軸的靜強度條件為： SSSSSScaSSSSSS22SS=1.21.4-高塑性材料的鋼軸高塑性材料的鋼軸(S /B 0.6)； SS=1.41.8-中等塑性材料的鋼軸中等塑性材料的鋼軸(S /B =0.60.8)； SS=1.82.0-低塑性材料的鋼軸；低塑性材料的鋼軸； SS=2.02.3-鑄造軸鑄造軸; ; SS-按屈服強度設計的安全系數(shù)；按屈服強度設計的安全系數(shù)； SSca-危險截面靜強度設計的安全系數(shù)；危險截面靜強度設計的安全系數(shù)； 其中：其中： S

13、S -同時考慮彎矩和軸向力時的安全系數(shù)；同時考慮彎矩和軸向力時的安全系數(shù)； SS -只考慮扭矩時的安全系數(shù)：只考慮扭矩時的安全系數(shù)：WTSSS/maxMmax -軸的危險截面上所受的最大彎矩；軸的危險截面上所受的最大彎矩； Tmax -軸的危險截面上所受的最大扭矩軸的危險截面上所受的最大扭矩, N.mm, N.mm； Famx -軸的危險截面上所受的最大軸向力軸的危險截面上所受的最大軸向力, N, N； A -軸的危險截面的面積，軸的危險截面的面積， mmmm2 2； W -軸的危險截面的抗彎截面系數(shù)，軸的危險截面的抗彎截面系數(shù)， mmmm3 3； W-軸的危險截面的抗扭截面系數(shù)，軸的危險截面

14、的抗扭截面系數(shù)， mmmm3 3。 s -材料材料的抗彎屈服極限；的抗彎屈服極限； s -材料材料的抗扭屈服極限；的抗扭屈服極限； AFaWMSSSmaxmaxlFFF”12彎矩彎矩 彎曲變形彎曲變形扭矩扭矩 扭轉變形扭轉變形若剛度不夠導致軸的變形過大，就會影響其正常工作。變形量的描述：變形量的描述：撓度撓度 y、轉角、轉角 、扭角、扭角 設計要求：設計要求： y y 1）彎曲變形計算）彎曲變形計算方法有：方法有：1.按微分方程求解按微分方程求解2.變形能法變形能法適用于等直徑軸。適用于等直徑軸。適用于階梯軸。適用于階梯軸。復習材料力學相關內容。y三、三、 軸的剛度校核計算軸的剛度校核計算 T

15、Tl表表15-4 軸的許用變形量軸的許用變形量變形種類變形種類許用值許用值適用場合適用場合變形種類變形種類許用值許用值適用場合適用場合(0.00030.0005)l一般用途的軸一般用途的軸0.0002l剛度要求較高剛度要求較高感應電機軸感應電機軸( (0.010.05)mn安裝齒輪的軸安裝齒輪的軸0.01 ( (0.020.05) m安裝蝸輪的軸安裝蝸輪的軸滾動軸承滾動軸承0.05向心球軸承向心球軸承調心球軸承調心球軸承圓柱滾子軸承圓柱滾子軸承圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承0.0010.002齒輪處軸截面齒輪處軸截面0.51一般傳動一般傳動0.20.5較精密傳動較精密傳動重要傳動重要傳動撓度撓度mm

16、轉角轉角rad每米長每米長的扭角的扭角( )/ml 支撐間的跨矩支撐間的跨矩 0.25 0.0016 電機定子與轉子電機定子與轉子 間的間隙間的間隙 mn 齒輪的模數(shù)齒輪的模數(shù) m 蝸輪的模數(shù)蝸輪的模數(shù) 0.0010.050.00252）扭轉變形計算）扭轉變形計算raddGTlGITlp432radIlTGnipiii11等直徑軸的扭轉角：等直徑軸的扭轉角：階梯軸的扭轉角：階梯軸的扭轉角：其中：其中：T-轉矩；轉矩； Ip-軸截面的極慣性矩軸截面的極慣性矩 l -軸受轉矩作用的長度；軸受轉矩作用的長度；d -軸徑；軸徑；G-材料的切變模量；材料的切變模量；N212319321462860對2點

17、取矩1932146286021936410舉例：舉例：計算某減速器輸出軸危計算某減速器輸出軸危險截面的直徑。已知作用在齒險截面的直徑。已知作用在齒輪上的圓周力輪上的圓周力Ft=17400N, 徑向徑向力，力， Fr=6140N, 軸向力軸向力Fa=2860N,齒輪分度圓直徑齒輪分度圓直徑d2=146 mm,作用在軸右端帶作用在軸右端帶輪上外力輪上外力F=4500N（方向未（方向未定）定）, L=193 mm, K=206 mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：解：1) 求垂直面的支反力和軸向力求垂直面的支反力和軸向力LdFLFFarv2221NFv4287212364101v

18、rvFFF12=FaaAFF d215-4 軸的設計實例軸的設計實例aad12L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadN930348034500MavMavF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力求水平面的支反力NLKFFF48031932064500187002/21tHHFFF3) 求求F力在支點產(chǎn)生的反力力在支點產(chǎn)生的反力FFFFF124) 繪制垂直面的彎矩圖繪制垂直面的彎矩圖2/193. 04287 aVM 2/2LFMVaVmN 4142/193. 02123aVM2/1LFMVaVmN 2055) 繪制水平面的彎矩圖繪制水平面的彎矩圖2/19

19、3. 08700 aVM2/1LFMHaHmN 840FtFMaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求求F力產(chǎn)生的彎矩圖力產(chǎn)生的彎矩圖7) 繪制合成彎矩圖繪制合成彎矩圖考慮F可能與H、V內合力共面2284041446322aHaVaFaMMMMmN 1400206. 04500aVMKFMF2mN 927a-a 截面截面F力產(chǎn)生的彎矩為：力產(chǎn)生的彎矩為：2/193. 04803 aVM2/1LFMFaFmN 463MaF2284020546322)(aHaVaFaMMMMmN 1328MaL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtFMaMavMa

20、vF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求軸傳遞的轉矩求軸傳遞的轉矩9)求危險截面的當量彎矩求危險截面的當量彎矩MaF22)( TMMaeM2Ma2/146. 0174002T2/2dFTtmN 1270T扭切應力為脈動循環(huán)變應力，扭切應力為脈動循環(huán)變應力，取折合系數(shù)取折合系數(shù): =0.6 22)12706 .0(1400TMemN 1600mNMMF92722L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF求考慮到鍵槽對軸的削弱，將求考慮到鍵槽對軸的削弱，將d值增大值增大4%，故得：，故得：mmd6710)計算危險截面處軸的直徑計算危險截面處軸的直徑 33601

21、 .0101600311.0beMdmN 4.64選選45鋼，調質，鋼，調質，b =650 MPa, -1b =60 MPa 符合直徑系列。符合直徑系列。按彎扭合成強度計算軸徑的一般步驟：按彎扭合成強度計算軸徑的一般步驟：1. 將外載荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反將外載荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反力力FV和水平面支撐反力和水平面支撐反力FH ;2. 作垂直彎矩作垂直彎矩MV圖和彎矩圖和彎矩MH圖圖 ;3. 作合成彎矩作合成彎矩M圖；圖；4. 作轉矩作轉矩T圖；圖；5. 彎扭合成，作當量彎矩彎扭合成，作當量彎矩Me圖；圖；6. 計算危險截面軸徑計算危險截面軸徑:22)( TMM

22、e22VHMMMmmMdbe31 1 . 01. 若危險截面上有鍵槽，則應加大若危險截面上有鍵槽，則應加大4%2. 若計算結果大于結構設計初步估計的軸徑，則強度若計算結果大于結構設計初步估計的軸徑，則強度不夠，應修改設計；不夠，應修改設計；3. 若計算結果小于結構設計初步估計的軸徑，且相若計算結果小于結構設計初步估計的軸徑，且相 不大，一般以結構設計的軸徑為準。不大，一般以結構設計的軸徑為準。對于一般剛軸，按上述方法設計即可。對于重要的軸，還必須用安全系數(shù)法作精確校核計算。說明：說明：設計軸的一般步驟為：設計軸的一般步驟為： （1）根據(jù)軸的工作條件選擇材料，確定許用應力。 （2）按扭轉強度估算

23、軸的最小直徑; （3）設計軸的結構，繪出軸的結構草圖;（4）按彎扭合成進行軸的強度校核。 1）確定軸上零件的位置和固定方法；2）確定各軸段直徑、長度。 一般按一般選23個危險截面進行校核。若危險截面強度不夠，則必須重新修改軸的結構。（5）繪制軸的零件工作圖1. 1.自行車的前軸是（自行車的前軸是（ ）A.A.心軸心軸 B .B .轉軸轉軸 C .C .傳動軸傳動軸2. 2. 軸環(huán)的用途是（軸環(huán)的用途是（ ）A.A.作為軸加工時的定位面作為軸加工時的定位面 B.B.提高軸的強度提高軸的強度C.C.提高軸的剛度提高軸的剛度 D .D .是軸上零件獲得軸向定位和固定是軸上零件獲得軸向定位和固定3. 3.當軸上安裝的零件要承受軸向力時，采用（當軸上安裝的零件要承受