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1、第十五章軸,機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版),15-1 概述 15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15-3 軸的計(jì)算,15-1概述,軸的功用:支承旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件,并傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。 按所受載荷性質(zhì)不同軸可以分為三種類(lèi)型: (1)心軸:只承受彎矩,不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸。心軸又為:轉(zhuǎn)動(dòng)心軸和固定心軸。,15-1概述,(2)轉(zhuǎn)軸:既承受彎矩,又傳遞轉(zhuǎn)矩的軸;,15-1概述,(3)傳動(dòng)軸:工作時(shí)只傳遞轉(zhuǎn)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(jī)械中,常見(jiàn)的是剛性實(shí)心階梯軸。當(dāng)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(jī)器中也得到了應(yīng)用。,鋼絲軟軸,設(shè)計(jì)軸的主要內(nèi)容和一般步驟,軸的設(shè)計(jì)一般應(yīng)
2、解決軸的結(jié)構(gòu)和承載能力兩方面的問(wèn)題。具體的說(shuō),軸的設(shè)計(jì)步驟有: (1)選擇軸的材料; (2)初步估算軸的直徑; (3)進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); (4)精確校核(強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)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(duì)軸材料的基本要求: (1)有一定的疲勞強(qiáng)度,且對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低; (2)考慮工藝性和經(jīng)濟(jì)性等要求。,鋼材,碳鋼:價(jià)廉,對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低,最常用的是45鋼。 合金鋼:在傳遞大動(dòng)力并要求減小尺寸與質(zhì)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(qiáng)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(dāng)軸的剛度為主要問(wèn)題時(shí),可選擇強(qiáng)度較低的碳鋼,而用增大軸的截面尺寸的辦法來(lái)提高軸的剛度。 各種熱處理和表面強(qiáng)化處理,提高軸的抗疲勞強(qiáng)度。,鑄鐵,球墨鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵的特點(diǎn): (1)容易作成復(fù)雜的形狀; (2)具有良好的吸振性和耐磨性、價(jià)格低廉、對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低等; (3)鑄件品質(zhì)不易控制,可靠性較差。,15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),15.2.1 軸各部分名稱(chēng) 15.2.2 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)工藝性 15.2.6 改善軸的受力情況 15.2.7 軸的直徑與長(zhǎng)度,軸各部分名稱(chēng),軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求,(1)定位要求:軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置; (2) 固定要求:各零件要牢固而可靠地相對(duì)固定; (3)工藝要求:軸應(yīng)便于加工,軸上的零件要易于裝拆; (4) 疲勞強(qiáng)度要求:盡量減少應(yīng)力集中; (5)尺寸要求:軸的各部份的直徑和長(zhǎng)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(xiāo)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(chǎng)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 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(guò)盈配合等。 (2)普通平鍵聯(lián)接和過(guò)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(zhuǎn)矩。 (3)當(dāng)傳遞的轉(zhuǎn)矩較小時(shí),也可采用緊定螺釘或銷(xiāo)釘同時(shí)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(yīng)滿足強(qiáng)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(shí)際直徑: (1)與滾動(dòng)軸承配合的軸頸直徑,必須符合滾動(dòng)軸承內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)系列; (2)安裝聯(lián)軸器的軸頭直徑應(yīng)與聯(lián)軸器孔徑系列相適應(yīng); (3)軸上切制螺紋部分的直徑,必須符合外螺紋大徑的標(biāo)準(zhǔn)系列; (4)與零件相配合的軸頭直徑,應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。,各軸段長(zhǎng)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(lái)確定軸的長(zhǎng)度: (1) 裝有緊固件的軸段,其長(zhǎng)度應(yīng)保證緊固件有一定的軸向調(diào)整余地; (2) 軸上的旋轉(zhuǎn)零件與固定零件之間應(yīng)留有適當(dāng)?shù)木嚯x,以免旋轉(zhuǎn)時(shí)相碰。,改善軸的受力情況,為了
7、減小軸所受的彎矩,傳動(dòng)件應(yīng)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(zhǎng)度。 當(dāng)傳矩由一個(gè)傳動(dòng)件輸入,而由幾個(gè)傳動(dòng)件輸出時(shí),為了減小軸上的傳矩,應(yīng)將輸入件放在中間。,減小應(yīng)力集中的措施,(1)采用圓角過(guò)渡; (2)過(guò)渡環(huán); (3)凹切圓角; (4)在軸上切制卸載槽; (5)在孔零件上開(kāi)卸載槽等。,減小應(yīng)力集中的措施,軸的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度也有很大的影響,實(shí)踐表明疲勞裂紋常發(fā)生在表面粗糙的地方,因此應(yīng)降低軸的表面粗糙度,即使非配合表面也不應(yīng)忽視。 采用輾壓、噴丸等強(qiáng)化處理,也可提高軸的疲勞強(qiáng)度。,軸上零件的裝配和軸的結(jié)構(gòu)工藝性,為了便于零件的裝配和固定,常將軸設(shè)計(jì)成階梯形。 軸的兩
8、端和軸肩處應(yīng)做出倒角,使零件易于安裝,同時(shí)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(guān)手冊(cè)。,軸的裝配方案比較,軸的裝配方案比較,15-3軸的強(qiáng)度計(jì)算,進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí),應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況,采取相應(yīng)的計(jì)算方法,并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。 15.3.1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 15.3.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算,只按軸所受的扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度。如果還受不大的彎矩時(shí),則采用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。 在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),通常用這種方法初步估算軸徑。對(duì)于不大重要的軸,也可作為最后計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為:,
9、軸常用幾種材料的T值和A0值,軸直徑計(jì)算,軸直徑計(jì)算公式為:,對(duì)于空心軸,計(jì)算公式為:,軸直徑計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題,當(dāng)軸截面上開(kāi)有鍵槽時(shí),應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱。 對(duì)于直徑d 100mm的軸,有一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑增大3%; 有兩個(gè)鍵槽時(shí),應(yīng)增大7%。 對(duì)于直徑d 100mm的軸,有一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑增大57%;有兩個(gè)鍵槽時(shí),應(yīng)增大1015%。,15.3.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,(1)做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖,15.3.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,(2)做出彎矩圖,15.3.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,(3)做出扭矩圖,總彎矩圖:,15.3.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,式中:是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)。 對(duì)于靜扭矩,=0.3; 對(duì)于脈動(dòng)循環(huán)變化的扭矩,=0.6; 對(duì)于對(duì)稱(chēng)循環(huán)變化的扭矩,=1。,(4)校核軸的強(qiáng)度 已知軸的彎矩和扭矩后,可針對(duì)某些危險(xiǎn)截面,按第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算:,15.3.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,(5)軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為:,15.3.2 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算,15.3.3 軸的剛度計(jì)算,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(guò)允許的限度,就會(huì)影響軸上零件的正常工作,甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。 (1)軸的彎曲剛度校核計(jì)算 對(duì)于階梯軸,可按下式計(jì)算出當(dāng)量直徑:,15.3.3 軸的剛度計(jì)算,軸
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