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文檔簡介
1、第十五章軸,機械設計(第八版),15-1 概述 15-2 軸的結構設計 15-3 軸的計算,15-1概述,軸的功用:支承旋轉的機械零件,并傳遞轉矩和運動。 按所受載荷性質不同軸可以分為三種類型: (1)心軸:只承受彎矩,不傳遞轉矩的軸。心軸又為:轉動心軸和固定心軸。,15-1概述,(2)轉軸:既承受彎矩,又傳遞轉矩的軸;,15-1概述,(3)傳動軸:工作時只傳遞轉矩,不承受彎矩或彎矩很小的軸。,按軸幾何形狀還可分為:直軸和曲軸,在通用機械中,常見的是剛性實心階梯軸。當然,隨著彈性環(huán)等新的軸轂聯(lián)接方式的采用,直的光軸在某些機器中也得到了應用。,鋼絲軟軸,設計軸的主要內(nèi)容和一般步驟,軸的設計一般應
2、解決軸的結構和承載能力兩方面的問題。具體的說,軸的設計步驟有: (1)選擇軸的材料; (2)初步估算軸的直徑; (3)進行軸的結構設計; (4)精確校核(強度、剛度、振動等); (5)繪制零件的工作圖。,軸的材料,軸主要失效形式是疲勞失效。軸的常用材料有:碳素鋼和合金鋼。 對軸材料的基本要求: (1)有一定的疲勞強度,且對應力集中的敏感性較低; (2)考慮工藝性和經(jīng)濟性等要求。,鋼材,碳鋼:價廉,對應力集中的敏感性較低,最常用的是45鋼。 合金鋼:在傳遞大動力并要求減小尺寸與質量,提高軸頸的耐磨性,處于高溫或低溫條件下工作的軸,常用合金鋼。 需特別強調(diào)的是: (1)在一般工作溫度下,各種碳鋼和
3、合金鋼的彈性模量均相差不多,因此用合金鋼代替碳鋼并不能提高軸的剛度。 (2)提高軸的剛度的方法只能是增大軸的截面尺寸或改變軸的截面形狀。 (3)當軸的剛度為主要問題時,可選擇強度較低的碳鋼,而用增大軸的截面尺寸的辦法來提高軸的剛度。 各種熱處理和表面強化處理,提高軸的抗疲勞強度。,鑄鐵,球墨鑄鐵和高強度鑄鐵的特點: (1)容易作成復雜的形狀; (2)具有良好的吸振性和耐磨性、價格低廉、對應力集中的敏感性較低等; (3)鑄件品質不易控制,可靠性較差。,15-2 軸的結構設計,15.2.1 軸各部分名稱 15.2.2 軸結構設計的基本要求 15.2.3 軸向定位 15.2.4 軸上零件的固定 15
4、.2.5 軸上零件的裝配和軸的結構工藝性 15.2.6 改善軸的受力情況 15.2.7 軸的直徑與長度,軸各部分名稱,軸結構設計的基本要求,(1)定位要求:軸和軸上零件要有準確的工作位置; (2) 固定要求:各零件要牢固而可靠地相對固定; (3)工藝要求:軸應便于加工,軸上的零件要易于裝拆; (4) 疲勞強度要求:盡量減少應力集中; (5)尺寸要求:軸的各部份的直徑和長度的尺寸要合理。,擬定軸上零件的裝配方案,軸向定位,主要方法有: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 。,軸向定位,軸向定位,緊定螺釘與銷釘固定,軸向力較小,軸向定位,軸肩定位:多用于軸向力較大的場合。定位
5、軸肩的高度: h = ( 0.07 0.1 ) d,主要方法有: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 。,軸上零件的周向固定,目的:防止零件與軸發(fā)生相對轉動。 常用的固定方式有: (1)鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和軸與軸上零件的過盈配合等。 (2)普通平鍵聯(lián)接和過盈配合一起作為軸上零件的周向固定方式,以傳遞更大的轉矩。 (3)當傳遞的轉矩較小時,也可采用緊定螺釘或銷釘同時作為軸向固定和周向固定。,各軸段直徑的確定,軸直徑可按所受的扭矩初步估算出所需的直徑。將初步求出的直徑作為承受扭矩的軸段的最小直徑dmin,然后再按軸上零件的裝配方案和定位要求,從dmin處起逐一確定各段軸的直徑。
6、,軸的直徑,軸的直徑應滿足強度和剛度的要求。此外,還要根據(jù)下面具體情況確定軸的實際直徑: (1)與滾動軸承配合的軸頸直徑,必須符合滾動軸承內(nèi)徑的標準系列; (2)安裝聯(lián)軸器的軸頭直徑應與聯(lián)軸器孔徑系列相適應; (3)軸上切制螺紋部分的直徑,必須符合外螺紋大徑的標準系列; (4)與零件相配合的軸頭直徑,應盡量采用標準直徑。,各軸段長度的確定,主要決定于軸上零件和軸承的寬度以及它們的相互配置。此外,還要根據(jù)下面的具體情況來確定軸的長度: (1) 裝有緊固件的軸段,其長度應保證緊固件有一定的軸向調(diào)整余地; (2) 軸上的旋轉零件與固定零件之間應留有適當?shù)木嚯x,以免旋轉時相碰。,改善軸的受力情況,為了
7、減小軸所受的彎矩,傳動件應盡量靠近軸承,并盡可能不用懸臂支承,盡量縮短支承跨距和懸臂長度。 當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,應將輸入件放在中間。,減小應力集中的措施,(1)采用圓角過渡; (2)過渡環(huán); (3)凹切圓角; (4)在軸上切制卸載槽; (5)在孔零件上開卸載槽等。,減小應力集中的措施,軸的表面質量對疲勞強度也有很大的影響,實踐表明疲勞裂紋常發(fā)生在表面粗糙的地方,因此應降低軸的表面粗糙度,即使非配合表面也不應忽視。 采用輾壓、噴丸等強化處理,也可提高軸的疲勞強度。,軸上零件的裝配和軸的結構工藝性,為了便于零件的裝配和固定,常將軸設計成階梯形。 軸的兩
8、端和軸肩處應做出倒角,使零件易于安裝,同時避免劃傷人手。 軸上螺紋尾部退刀槽、砂輪越程槽和軸兩端的中心孔等,軸的這些局部尺寸,查閱有關手冊。,軸的裝配方案比較,軸的裝配方案比較,15-3軸的強度計算,進行軸的強度校核計算時,應根據(jù)軸的具體受載及應力情況,采取相應的計算方法,并恰當?shù)剡x取其許用應力。 15.3.1 按扭轉強度條件計算 15.3.2 按彎扭合成強度條件計算,按扭轉強度條件計算,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切應力的辦法予以考慮。 在進行軸的結構設計時,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果。軸的扭轉強度條件為:,
9、軸常用幾種材料的T值和A0值,軸直徑計算,軸直徑計算公式為:,對于空心軸,計算公式為:,軸直徑計算時應注意的問題,當軸截面上開有鍵槽時,應增大軸徑以考慮鍵槽對軸強度的削弱。 對于直徑d 100mm的軸,有一個鍵槽時,軸徑增大3%; 有兩個鍵槽時,應增大7%。 對于直徑d 100mm的軸,有一個鍵槽時,軸徑增大57%;有兩個鍵槽時,應增大1015%。,15.3.2 按彎扭合成強度條件計算,(1)做出軸的計算簡圖,15.3.2 按彎扭合成強度條件計算,(2)做出彎矩圖,15.3.2 按彎扭合成強度條件計算,(3)做出扭矩圖,總彎矩圖:,15.3.2 按彎扭合成強度條件計算,式中:是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應力的循環(huán)特性差異的系數(shù)。 對于靜扭矩,=0.3; 對于脈動循環(huán)變化的扭矩,=0.6; 對于對稱循環(huán)變化的扭矩,=1。,(4)校核軸的強度 已知軸的彎矩和扭矩后,可針對某些危險截面,按第三強度理論進行計算:,15.3.2 按彎扭合成強度條件計算,(5)軸的彎扭合成強度條件為:,15.3.2 按彎扭合成強度條件計算,15.3.3 軸的剛度計算,軸在載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度,就會影響軸上零件的正常工作,甚至會喪失機器應有的工作性能。 (1)軸的彎曲剛度校核計算 對于階梯軸,可按下式計算出當量直徑:,15.3.3 軸的剛度計算,軸
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