機械基礎(chǔ)-學(xué)做一體化 課件 任務(wù)六 軸的選擇與設(shè)計

任務(wù)六軸的選擇與設(shè)計6.1軸的分類及其應(yīng)用6.2軸的材料及其選用6.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計6.4軸的設(shè)計計算

6.1軸的分類及其應(yīng)用

1.按軸受的載荷和功用分類1)心軸如圖6-1所示，心軸是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。圖6-1心軸

2)傳動軸

如圖6-2所示，傳動軸是只承受扭矩不承受彎矩或承受很小彎矩的軸，主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩，如汽車的傳動軸。圖6-2傳動軸

3)轉(zhuǎn)軸

如圖6-3所示，轉(zhuǎn)軸是同時承受彎矩和扭矩的軸，既支承零件又傳遞轉(zhuǎn)矩，如減速器主動軸。圖6-3轉(zhuǎn)軸

2.按軸線形狀分類

按軸線形狀分類，軸可分為直軸(圖6-4)、曲軸(圖6-5)和撓性軸(圖6-6)。在實際應(yīng)用中以直軸為主。圖6-4直軸(階梯軸)圖6-5曲軸圖6-6撓性軸

6.2軸的材料及其選用

1.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，且價格便宜，故應(yīng)用較廣泛，如35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼。一般軸采用45鋼，應(yīng)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。軸的常用材料及機械性能見表6.1。

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高的軸。例如：汽輪發(fā)電機軸，要求在高速、高溫、重載下工作，可采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等；滑動軸承的高速軸，可采用20Cr、20CrMnTi等。

3.球墨鑄鐵

球墨鑄鐵吸振性和耐磨性較好，對應(yīng)力集中敏感性較低，且價格低廉，使用鑄造制成外形復(fù)雜的軸，如內(nèi)燃機中的曲軸。

6.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

6.3.1軸的結(jié)構(gòu)如圖6-7所示，軸頭是與回轉(zhuǎn)零件相配合的部分，通常軸上開有鍵槽；軸頸是與軸承配合的部分，其上裝有軸承；軸身是連接軸頭和軸頸的部分。圖6-7軸的結(jié)構(gòu)

6.3.2軸上零件的軸向定位與固定

1.軸肩和軸環(huán)

軸肩和軸環(huán)是階梯軸上截面變化的部位，其特點為定位方法簡單、可靠。軸肩的圓角半徑R越大，此處的應(yīng)力集中就越??；但為了使軸上零件的端面能與軸肩緊貼，軸肩的圓角半徑R必須小于零件孔端的圓角半徑R1或倒角C1(如圖6-8所示)，否則無法與軸肩緊貼。圖6-8軸肩和軸環(huán)

2.軸端擋圈和圓錐面

如圖6-9所示，軸端擋圈與軸肩、圓錐面與軸端擋圈聯(lián)合使用，常用于軸端能起到雙向固定的作用。這種方式裝拆方便，多用于承受劇烈振動和沖擊的場合。圖6-9軸端擋圈軸肩

3.定位套筒和圓螺母

定位套筒(圖6-10)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(圖6-11)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。圖6-10定位套筒圖6-11圓螺母

4.彈性擋圈和緊定螺釘

彈性擋圈(圖6-12)和緊定螺釘(圖6-13)常用于軸向力較小的場合。圖6-12彈性擋圈圖6-13緊定螺釘

6.3.3軸上零件的周向定位與固定

軸上零件的周向固定形式如圖6-14所示，平鍵連接見任務(wù)八相關(guān)內(nèi)容。過盈配合是利用軸和零件輪轂孔之間的配合過盈量來連接，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，但裝拆不方便。成型連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，但制造困難，應(yīng)用較少。圖6-14周向固定的形式

6.3.4軸的加工和裝配工藝性

(1)軸的形狀應(yīng)力求簡單，階梯軸的臺階數(shù)應(yīng)盡可能少。

(2)軸段若需磨削或切制螺紋，須留出螺紋退刀槽或砂輪越程槽，如圖6-15所示。圖6-15螺紋退刀槽或砂輪越程槽

(3)當(dāng)軸上有多個鍵槽時，各軸段上的鍵槽應(yīng)布置在軸的同一素線上，鍵槽寬度應(yīng)盡量一致。

(4)階梯軸的直徑應(yīng)中間大(圖6-16(a))，向兩端依次減小，以便于軸上零件的裝拆。

(5)軸端、軸頸與軸肩的過渡部位應(yīng)加工出45°倒角(圖6-16(b))或圓角，以便于軸上零件的裝配，并可減少應(yīng)力集中。圖6-16鍵槽設(shè)置與倒角

6.3.5各段直徑和長度的確定

1.軸徑的確定原則

軸徑的確定通常是先根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的大小，按扭轉(zhuǎn)強度初步估算出軸的最小直徑(見式6.2)，然后再考慮軸上零件的安裝與固定等因素逐一確定各段軸的直徑。

(1)有配合要求的軸段(見圖6-17中①、④段)應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)直徑，可查表6.2。

(2)安裝標(biāo)準(zhǔn)零、部件(如軸承、聯(lián)軸器等)處的軸段(見圖6-17中③、⑦段)，其直徑必須符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列；車削螺紋處的直徑應(yīng)符合螺紋標(biāo)準(zhǔn)系列。

(3)用作定位和固定的軸肩或軸環(huán)(見圖6-17中②、⑤、⑥段)，其高度為h?=?(0.07～0.1)d?+?(1～2)?mm；非定位軸肩的高度，一般取h?≈?1～2?mm。

(4)應(yīng)當(dāng)有利于軸上零件的裝拆。圖6-17減速器輸入軸

2.軸長度的確定

軸的各段長度主要根據(jù)軸上零件的軸向尺寸及軸系結(jié)構(gòu)的總體布置來確定，設(shè)計時應(yīng)滿足下列要求：

(1)軸與傳動零件輪轂相配合部分(見圖6-17中①、④段)的長度，一般應(yīng)比輪轂的長度略短2～3?mm，以保證傳動零件能得到可靠的軸向固定。

(2)其余軸上各段的長度，可根據(jù)總體結(jié)構(gòu)的要求來確定。

6.4軸的設(shè)計計算

6.4.1扭轉(zhuǎn)強度的計算按照扭轉(zhuǎn)強度進行計算，這種計算方法主要應(yīng)用于設(shè)計傳動軸，也可以初步估算軸的最小直徑，在此基礎(chǔ)上再進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

式中：[τ]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)；T為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，也是軸承受的扭矩(N·mm)；W為軸的抗扭截面系數(shù)，W?=?0.2d3(mm)；P為軸傳遞的功率(kW)；d為軸的直徑(mm)；n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。C為由軸的材料和受載情況所決定的常數(shù)，可查表6.3。

6.4.2彎扭合成強度的計算

1.作軸的受力簡圖

軸上零件所受的作用力，其作用點在輪轂寬度的中間點。而軸承處在支承反力作用點的位置，要根據(jù)軸承類型和布置方式確定(圖6-18)。如果軸上的載荷不在同一平面內(nèi)，則需求出兩個互相垂直平面的支承反力，即水平面和垂直面的支承反力。圖6-18軸承的類型和布置方式

2.作彎矩圖

根據(jù)受力簡圖分別作出水平面彎矩圖MH和垂直面的彎矩圖MV，再求出合成彎矩M，并作合成彎矩圖。

3.作軸的扭矩圖

在軸上安裝傳動零件之間的軸段有一定扭矩，其他軸段扭矩為零。

4.作當(dāng)量彎矩圖

根據(jù)已作出的合成彎矩圖和扭矩圖，按第三強度理論計算各剖面上的當(dāng)量彎矩Md，并作出當(dāng)量彎矩圖。

式中，α為根據(jù)扭矩性質(zhì)而定的校正系數(shù)。對于不變的扭矩，α?=?0.3；對于脈動循環(huán)變化的扭矩，α?=?0.6；對于對稱循環(huán)變化的扭矩，α?=?1。

5.軸的強度計算

階梯軸的危險截面一般在最小直徑過渡處和最大當(dāng)量彎矩處。求出危險截面的當(dāng)量彎矩后，按強度條件進行計算。

式中：σe為當(dāng)量彎曲應(yīng)力(MPa)；W為軸的危險截面的抗彎截面系數(shù)，實心軸W?=?0.1d3(mm)。[σ-1]b為軸的材料在對稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力(MPa)，見表6.4。

例6.1試設(shè)計用于帶式運輸機單級直齒圓柱齒輪減速器的低速軸。已知電動機的功率P?=?15?kW，從動齒輪轉(zhuǎn)速n?=?280?r/min，分度圓直徑d?=?320?mm，輪轂長度l?=?80?mm，減速器單向運轉(zhuǎn)。

(3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(軸的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖6-19所示，軸的長度設(shè)計略)。圖6-19軸的結(jié)構(gòu)與尺寸

(4)按彎扭組合強度校核軸的強度。

②繪制水平面，如圖6-18(c)和垂直面彎矩圖，如圖6-20(e)所示。圖6-20軸系受力、彎矩及扭矩圖

③繪制軸的合成彎矩圖，如圖6-20(f)所示。

④繪制軸的扭矩圖，如圖6-20(g)所示。

⑤繪制軸的當(dāng)量彎矩圖，如圖6-20(h)所示。

最大