機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件 模塊8 軸類(lèi)零件分析與設(shè)計(jì)

模塊8軸類(lèi)零件分析與設(shè)計(jì)單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析單元8.2軸的承載能力分析模塊8軸類(lèi)零件分析與設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】學(xué)習(xí)的類(lèi)型、軸的材料、軸的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程。完成不同情況下針對(duì)不同類(lèi)型軸以及材料應(yīng)用的選用；學(xué)習(xí)軸在不同載荷情況下強(qiáng)度及剛度問(wèn)題；完成軸結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)問(wèn)題?！局R(shí)要點(diǎn)】（1）軸的類(lèi)型、軸的材料、軸的結(jié)構(gòu)及各部分名稱(chēng)、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程（包括軸上零件的裝配方案、各軸段直徑和長(zhǎng)度的確定、軸上零件的定位和固定、軸的結(jié)構(gòu)工藝性分析等）；（2）軸的強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)、復(fù)雜變形下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析8.1.1軸的類(lèi)型與材料概述軸是機(jī)器中的主要支承零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件（如齒輪、蝸輪、帶輪、鏈輪、聯(lián)軸器等），都必須安裝在軸上才能傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因此，軸的主要功用是支承旋轉(zhuǎn)零件、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。軸工作狀況的好壞直接影響到整臺(tái)機(jī)器的性能和質(zhì)量。軸按其軸線(xiàn)形狀分為直軸和曲軸兩大類(lèi)。曲軸(如下圖所示)只用于內(nèi)燃機(jī)中，屬于專(zhuān)用機(jī)械零件。曲軸通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或作相反的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。1.

軸的類(lèi)型單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析直軸可分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸三類(lèi)。轉(zhuǎn)軸工作中既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸稱(chēng)為轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸在各類(lèi)機(jī)器中最常見(jiàn)，如齒輪減速器中的軸(如下圖所示)。轉(zhuǎn)軸單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析心軸只受彎矩的軸稱(chēng)為心軸。按照軸是否發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，可分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸和固定心軸。前者如鐵路機(jī)車(chē)的輪軸、自行車(chē)的前輪軸(如下圖所示)；單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析傳動(dòng)軸只承受轉(zhuǎn)矩或主要承受轉(zhuǎn)矩(即受到的彎矩很小)的軸稱(chēng)傳動(dòng)軸(如下圖所示)。單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析根據(jù)軸的外形，直軸又可分為階梯軸（圖8-4）和光軸（圖8-3），前者便于軸上零件的裝配，故應(yīng)用很廣，而后者很少應(yīng)用，主要用作傳動(dòng)軸。圖8-3光軸

圖8-4階梯軸此外還有一種能把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地傳到任何位置的鋼絲軟軸（圖8-5），它具有良好的撓性，亦稱(chēng)為鋼絲撓性軸。圖8-5鋼絲軟軸單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析2.軸的材料選擇軸的材料，應(yīng)考慮下列因素：（1）軸的強(qiáng)度、剛度及耐磨性要求；（2）熱處理方法；（3）材料來(lái)源；（4）材料加工工藝性；（5）材料價(jià)格等。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，故采用碳鋼制造軸較為廣泛，其中最常用的是45號(hào)鋼。對(duì)于受力不大或不重要的軸，可用Q235、Q275等普通碳素鋼。合金鋼的力學(xué)性能和淬火性能比碳素鋼要好，但對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，且價(jià)格較貴，多用于對(duì)強(qiáng)度和耐磨性能要求較高的場(chǎng)合，以及高溫或低溫的場(chǎng)合。高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵容易作成復(fù)雜的形狀，且具有價(jià)廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造外形復(fù)雜的軸。單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析8.1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器中的一般轉(zhuǎn)軸，主要應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的要求；對(duì)于剛度要求高的軸（如機(jī)床主軸），主要應(yīng)滿(mǎn)足剛度的要求；對(duì)于一些高速機(jī)械的軸（如高速磨床主軸），要考慮滿(mǎn)足振動(dòng)穩(wěn)定性的要求。在轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)中，其特點(diǎn)是不能首先通過(guò)精確計(jì)算確定軸的截面尺寸。因?yàn)檗D(zhuǎn)軸工作時(shí)，既承受彎矩的作用，也承受轉(zhuǎn)矩的作用，而彎矩又與軸上載荷的大小及軸上零件相互位置有關(guān)，所以當(dāng)軸的結(jié)構(gòu)尺寸未確定前，無(wú)法求出軸所受的彎矩。因此轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)始只能按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度或經(jīng)驗(yàn)公式估算軸的直徑然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行軸的強(qiáng)度驗(yàn)算。軸的設(shè)計(jì)步驟可歸納為如圖所示的轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)程序框圖，其他類(lèi)型軸的設(shè)計(jì)步驟與此類(lèi)似，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作能力驗(yàn)算往往是交叉進(jìn)行的，也是最重要的兩步。單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析1.軸的結(jié)構(gòu)及各部分名稱(chēng)圖8-6所示為階梯軸的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，軸通常由軸頭、軸頸、軸肩、軸環(huán)、軸身等部分組成。軸與傳動(dòng)零件配合的軸段稱(chēng)為軸頭；與軸承配合的軸段稱(chēng)為軸頸；聯(lián)接軸頭和軸頸的軸段稱(chēng)為軸身；直徑大用于定位的短軸段稱(chēng)為軸環(huán)；截面尺寸變化的臺(tái)階處稱(chēng)為軸肩。此外，還有軸肩的過(guò)渡圓角；軸端的倒角；與鍵聯(lián)接處的鍵槽等結(jié)構(gòu)。圖8-6軸的結(jié)構(gòu)及各部分名稱(chēng)單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析2.

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程（1）擬定軸上零件的裝配方案圖8-7（a）布置方案的裝配方法是：齒輪、套筒、左端軸承、軸承蓋、半聯(lián)軸器依次從軸的左端安裝，右端只裝軸承及其端蓋；而圖8-7（b）布置方案的裝配方法是：左端套筒、軸承、軸承蓋、半聯(lián)軸器依次從軸的左端安裝，而齒輪、右端套筒、軸承、端蓋依次從軸的右端安裝。圖8-7輸出軸的兩種布置方案（a）(b)圖8-7（b）較圖8-7（a）多了一個(gè)用于軸向定位的長(zhǎng)套筒，使機(jī)器的零件增多，質(zhì)量增大，所以圖8-7（a）中的方案較為合理。單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析（2）各軸段直徑和長(zhǎng)度的確定擬定軸上零件的裝配方案后，可初步估算軸所需的最小直徑，初步確定階梯軸各段的直徑、長(zhǎng)度和配合類(lèi)型。軸徑的估算有兩種方法：一種是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸徑；另一種是按經(jīng)驗(yàn)公式估算軸徑。估算出軸最小直徑后，按軸上零件的布置方案和定位要求，從軸端段起逐一確定各軸段直徑。需要注意的是，當(dāng)軸段有配合要求時(shí)，應(yīng)盡量采用推薦的標(biāo)準(zhǔn)直徑。安裝標(biāo)準(zhǔn)件（如滾動(dòng)軸承）部位的軸徑尺寸，應(yīng)取為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。另外，為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件裝拆方便，避免配合表面的刮傷，應(yīng)在配合段前（非配合段）采用較小的直徑，或在同一軸段的兩個(gè)部位上采用不同的公差值。軸的各段長(zhǎng)度主要是根據(jù)各零件與配合部分的軸向尺寸和相鄰零件必要的空隙來(lái)確定。為了保證軸上零件軸向定位可靠，如齒輪、聯(lián)軸器等軸上零件相配合部分的軸段長(zhǎng)度一般應(yīng)比輪轂長(zhǎng)度短2~3mm。單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析（3）軸上零件的定位和固定軸上零件的軸向定位:①軸肩和軸環(huán)；②套筒；③圓螺母和止動(dòng)墊圈；④軸端擋圈；⑤圓錐面；⑥彈性擋圈等。套筒定位軸肩定位軸端擋圈單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析圓螺母止動(dòng)墊圈軸端檔圈彈性檔圈單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析零件的周向定位：①過(guò)盈配合；②鍵；③花鍵；④緊定螺釘；⑤圓錐銷(xiāo)等。單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析（4）軸的結(jié)構(gòu)工藝性分析為了改善軸的抗疲勞強(qiáng)度，減小軸在剖面突變處的應(yīng)力集中，應(yīng)適當(dāng)增大其過(guò)渡圓角半徑，階梯軸的相鄰截面變化不要太大。如果結(jié)構(gòu)上不宜增大圓角半徑，可采用卸載槽（如圖8-10（a）所示）、肩環(huán)（如圖8-10（b）所示）、凹切圓角（如圖8-10（c）所示）等結(jié)構(gòu)。（a）

（b）

（c）

圖8-10減小應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)

單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析為了便于軸的裝拆和去掉加工時(shí)的毛刺，軸及軸肩的端部應(yīng)制出45°的倒角；當(dāng)軸的某段須磨削加工或有螺紋時(shí)，須留出砂輪越程槽（如圖8-11（a）所示）或退刀槽（如圖8-11（b）所示）。它的尺寸可參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)。

（a）

（b）

圖8-11越程槽與退刀槽為便于加工，應(yīng)使軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽、砂輪越程槽、退刀槽等尺寸一致；軸上不同段的鍵槽應(yīng)布置在軸的同一母線(xiàn)上。軸的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，工藝性越好。因此在滿(mǎn)足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。軸系結(jié)構(gòu)分析實(shí)例單元8.1軸的結(jié)構(gòu)分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還可以采用改善受力情況、改變軸上零件位置等措施來(lái)提高軸的強(qiáng)度。例如在圖8-12所示的起重卷筒的兩種不同方案中，如圖8-12（a）所示的方案是大齒輪和卷筒做成一體，轉(zhuǎn)矩經(jīng)大齒輪直接傳給卷筒，這樣卷筒軸只受彎矩而不受扭矩，而圖8-12（b）所示的方案是大齒輪將轉(zhuǎn)矩通過(guò)軸傳到卷筒，卷筒軸既受彎矩又受扭矩。在同樣的載荷F作用下，圖8-12（a）中所示軸的直徑顯然可比圖8-12（b）中所示的軸的直徑小。

（a）

（b）圖8-12起重卷筒的兩種結(jié)構(gòu)方案

（a）

（b）圖8-12軸上零件的合理布置改變軸上零件的布置，也可以減小軸上的載荷。如圖8-13（a）所示的軸，軸上作用的最大轉(zhuǎn)矩為T(mén)1+T2。如把輸入輪布置在兩輸出輪之間，則軸所受的最大轉(zhuǎn)矩將降低到T1，如圖8-13（b）所示。（具體的理論分析將在后續(xù)內(nèi)容介紹）單元8.2軸的承載能力分析軸在工作時(shí)應(yīng)有足夠的疲勞強(qiáng)度，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算。常用的強(qiáng)度計(jì)算方法有：軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算；軸的彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)于傳動(dòng)軸，我們可以通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算來(lái)驗(yàn)算軸的強(qiáng)度；而對(duì)于轉(zhuǎn)軸，則可以通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算來(lái)估算轉(zhuǎn)軸的最小直徑，通過(guò)彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算來(lái)驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。1.軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算設(shè)軸在轉(zhuǎn)矩T的作用下，產(chǎn)生剪應(yīng)力τ。對(duì)于圓截面的實(shí)心軸，其抗扭強(qiáng)度條件為式中：

τ—危險(xiǎn)截面的切應(yīng)力（Mpa）；[τ]—材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（Mpa）；T—軸所承受的轉(zhuǎn)矩（N·mm）；WT—軸危險(xiǎn)截面的抗扭截面系數(shù)（mm3）；P—軸傳遞的功率（kW）；n—軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；d—軸危險(xiǎn)截面的直徑（mm）。（8-1）單元8.2軸的承載能力分析上式也可寫(xiě)成如下形式式中A是由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)，可查詢(xún)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)獲得。若在計(jì)算截面處有鍵槽，則應(yīng)將直徑加大5%（單鍵）或10%（雙鍵），以補(bǔ)償鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度削弱的影響。對(duì)于轉(zhuǎn)軸，可利用式（8-2）求出的直徑，作為轉(zhuǎn)軸的最小直徑。（8-2）單元8.2軸的承載能力分析2.軸的彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于一般鋼制的轉(zhuǎn)軸，按第三強(qiáng)度理論得到的抗彎扭合成強(qiáng)度條件為式中：σe—危險(xiǎn)截面的當(dāng)量應(yīng)力Mpa；Me—危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩N·mm；M—合成彎矩N·mm；，

MH指水平平面彎矩N·mm；MV指豎直平面彎矩N·mm；W—抗彎截面系數(shù)mm3；α—根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)。穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩取α=0.3，脈動(dòng)循環(huán)變化的轉(zhuǎn)矩取α=0.6，對(duì)稱(chēng)循環(huán)變化的轉(zhuǎn)