机械基础轴类零件.ppt

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1、机械基础 机械零件,第五章 机械零件轴,5-1 概述,5-4 轴的强度和刚度计算,5-3 轴的结构设计,5-2 轴径的初步估算,5-1 概述,一、轴的主要功用,1、支承轴上回转零件（如齿轮）,2、传递运动和动力,3、受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。,二、轴的分类,1、按承载情况分,转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）如：减速器中的轴。,传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T0 如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。,心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0）,固定心轴：轴固定,问：火车轮轴属于什么类型？,转动心轴,滑轮轴,问：自行车的前轮轴属于什么类型？,固定心轴,自行车的中轴是转轴

2、,问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？,传动轴,转轴,转动心轴,转轴,转轴,转动心轴,如何判断轴是否传递转矩：,从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。,如何判断轴是否承受弯矩：,该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。,2、按轴线形状分,又可分为实心、空心（加工困难）,光轴,阶梯轴,曲轴：发动机专用零件,钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。,钢丝软轴的绕制,三、轴的材料,对轴材料要求：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性能和加 工工艺性好；材料来源广，价格适中。,1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应

3、用最广。价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。,2、合金钢：40Cr、40MnB、20CrMnTi等，强度高、寿命 长，对应力集中敏感，价格较贵。用于重载、小尺寸的轴。,3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。,问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？,轴的毛坯：,圆钢棒料 尺寸小的轴,锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴,焊接毛坯 大件锻造困难,铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等,四、轴设计的主要问题与设计特点,失效形式：1、疲劳破坏 疲劳强度校核。,2、变形过大 刚度验算（如机床主轴）。,3、振动折断 高速轴，自振频率与轴转速接近。,4、塑性变形 短期尖峰

4、载荷 验算屈服强度。,设计的主要问题：,1、合理的结构设计 保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整；,a、有足够的强度 疲劳强度、静强度；,b、有足够的刚度 防止产生大的变形；,c、有足够的稳定性 防止共振 稳定性计算。,2、工作能力计算,轴的设计步骤,轴的结构形状和尺寸,选用合适的材料,结构设计,强度和刚度计算,转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。,5-2 轴径的初步估算,一、按扭转强度估算轴径,扭转强度条件：,T、T轴的扭剪应力和许用扭剪应力，MPa；,T转矩，Nmm；P轴所传递的功率，kW；,WT轴的抗扭截面系数，mm3，对

5、于实心圆轴，WT=d3/160.2d3；,d轴的直径，mm；n轴的转速，r/min。,对实心圆轴，设计计算式：,C与轴的材料和承载情况有关的系数。,计算说明：,1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为轴端；,2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大5%，双键槽增大10%，将所计算的直径圆整为标准值，即：,3）轴的最小直径dmin应根据,4）对于传动轴，精确计算；,5）对转轴，初估轴径dmin结构设计，逐步阶梯化di（支点、力作用点未知）；,6）对于转轴：算出dmin结构设计弯矩图弯扭 合成强度计算；,二、按经验公式估算轴径,对高速轴：,d(0.81.2)D,其中，D为电机轴径,对低速轴：,d(

6、0.30.4)a,其中，a为同级齿轮中心距,设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。,5-3 轴的结构设计,设计要求：,1.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定；,2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整；,3.轴应具有良好的加工工艺性；,4.应有利于提高轴的强度和刚度。,轴颈：装轴承处 尺寸=轴承内径；,轴头：装轮毂处 直径与轮毂内径相当；,轴身：联接轴颈和轴头部分。,一、轴上零件的布置,典型轴系结构,装配方案的比较：,二、各轴段直径和长度的确定,1、d：由载荷dmin由结构设计要求确定各段的d。,2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑：,1）轴段长比轮毂宽小23mm可靠定位。2）

7、传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。,一）零件轴向固定的目的,三、轴上零件的轴向固定,防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。,二）常用轴向固定,轴肩,轴环,1.轴肩（或轴环）,过渡圆角r,定位高度h,特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴 向定位和固定。,注意事项：,1）轴的过渡圆角半径r 应小于轴上零件的倒角C 或圆角 半径R；,2）轴环宽度b b1.4h 10 mm,定位轴肩：高度hC(或R),通常取h=(23)C或(2 3)R或h=0.07d+(23)mm,滚动轴承：轴肩高度滚动轴承内圈高度,非定位轴肩：为使零件装拆方便，取h=(12)mm,2套筒-常用

8、于两个距离相近的零件之间，起定位和固 定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高 的轴上。,注意：轮毂宽度B 轴头长度l，取l=B-（23）mm,3轴端挡圈-常与轴肩或锥面联合使用，固定零件 稳定可靠，能承受较大的轴向力。,注意：轮毂宽度B轴头长度l，取l=B-（23）mm,4圆锥面-装拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定。,5圆螺母与止动垫圈-固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。常用于轴上两零件间距较大处，也可用于轴端。,注意：零件宽度B 轴长度l，取l=B-（23）mm,

9、为防松，需加止动垫圈或使用双螺母。,6弹性挡圈-结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。,注意：零件宽度B 轴长度l，取l=B-（23）mm,7紧定螺钉-结构简单，可兼作周向固定，传递不大的 力或力矩，不宜用于高速。,必须注意：1）轴上零件一般均应作双向固定，可将各种方法联合使用。2）保证固定可靠，防止过定位，L轴段长度=B轮毂宽-(23)mm。,一）零件周向固定的目的,四、轴上零件的周向固定,使零件能同轴一起转动，传递转矩。,二）常用周向固定,周向固定大多采用键、花键、过盈配合或销等联接形式来实现。,键槽应设计成同一加工直线。,键联接制造简单，装拆方便。

10、用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。,花键联接承载能力高，定心好，导向性好，但制造较困难，成本较高。用于传递转矩大，对中性要求高或导向性好的场合。,过盈配合联接结构简单，定心好，承载能力高，工作可靠，但装配困难，对配合尺寸的精度要求较高。,销联接用于固定不太重要，受力不大，但同时需要轴向固定的零件。,五、轴的结构工艺性,便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装,一）轴的加工工艺性要求,1.不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工 时的装卡次数；,a.正确结构,b.不正确结构,2.需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应 留螺纹退刀槽。,3.相近直径轴段的过渡

11、圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸 尽量统一。,二）轴上零件装配工艺性要求,3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。,1.轴的配合直径应圆整为标准值。,2.轴端应有cX45的倒角。,4.装配段不宜过长。,六、提高轴强度和刚度的措施,1.减小应力集中,合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。,b）过盈配合处的应力集中,a）截面尺寸变化处的应力集中,c）小孔处的应力集中,减小应力集中的措施：,2）尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽；,3）重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。,1）用圆角过渡；,4）避免相邻轴径相差太大；,2.合理布置轴上零件，改善轴的

12、受力情况,1）使弯矩分布合理把轴、毂配合分成两段，减小最大弯 矩值。,2）使转矩合理分配,3）改进轴上零件结构，减轻轴的载荷,卷筒轴既受弯矩又受扭矩,卷筒轴只受弯矩,斜齿轮：,4）采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。,行星齿轮减速器：,多个行星轮均布,3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度。,4.改善轴的表面质量,表面粗糙度和表面强化处理会对轴的疲劳强度产生影响。,1）表面愈粗糙疲劳强度愈低；提高表面粗糙度。,2）表面强化处理的方法有：,表面高频淬火；,表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；,碾压、喷丸等强化处理。,通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的疲劳能力。,指

13、出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。,1 缺少键联接，齿轮未周向固定；,错误原因：,2 轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠；,3 轴端无倒角，轴承不便安装。,轴系结构设计中常见错误实例分析,1 连轴齿轮两端无倒角轮廓线；,错误原因：,2 齿轮左右两端均未轴向固定；,3 缺少键联接，齿轮未周向固定。,正确答案,1.螺母无法安装；,2.应有螺纹退刀槽；,3.轴肩高度应低于轴承内圈高度。,错误原因：,正确答案,1.轮毂上的键槽应贯穿，键连接应局部剖视；,2.套筒无法安装；,3.轴颈处不应有键槽。,2.键连接画法错误，且多个键应位于同一母线上。,1.左侧键太长；,正确答案,下图为双级斜

14、齿圆柱齿轮减速器输出轴的轴系结构图，齿轮用油润滑，轴承采用脂润滑。试分析轴系结构的错误，在有错误处标明序号，说明原因并提出改正方法。,1联轴器顶住端盖，产生摩擦磨损，应设计一定位轴肩；,2轴承盖与轴应有间隙，并设有密封件；,3应加调整垫片，箱体加工面与非加工面应分开；,4轴承端面距箱体内壁应有一定距离，30000类轴承“反 装”（“背对背”安装），轴承外圈窄边不应固定，而 外圈宽边应予固定；,5齿轮无法装拆；,6键槽应与联轴器处键槽设置在同一方位上，且键顶部与轮毂键槽之间应有间隙,键应局部剖开；,7轴过长；,8不应该开键槽，且此段轴过长，顶住了端盖；,9轴肩过高，不便于轴承拆卸；,10轴承没有

15、轴向定位，可设轴套定位，且轴承内圈外侧未 固定；,11键过长，并且与齿轮处的键不在同一方位。,试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。,正确,W轴的抗弯截面系数（mm3）,转动心轴：r=-1 b=-1b,M不变：b=+1 b,M变化：b=0 b,b 许用弯曲应力,弯曲强度条件：,对于实心圆轴，W=d3/32 d3/10,二、按弯曲强度计算用于心轴强度计算,5-4 轴的强度和刚度计算,一、按扭转强度计算适用于传动轴、转轴初算,三、按弯、扭合成强度计算 用于转轴强度计算,已知条件：轴的结构设计初步完成，支承点位置确定，支反力可求。,由dmin(扭转初估)结构设计支点、力大小、作用点画出M、T合成弯

16、矩图危险截面计算。,弯曲应力：,扭剪应力：,根椐第三强度理论，转轴危险截面上的应力：,称为计算弯矩或当量弯矩,因为M、T两者产生的应力循环特性r和r不同，弯矩引起的弯曲应力一般为对称循环变化，即r=1；而一般r1，将T转化为对称循环变化，引入应力修正系数,则,轴弯、扭合成强度条件为：,轴受不变扭矩时，rT=+1,轴受脉动扭矩（有振动冲击或频繁启动停车）rT=0,轴受对称扭矩(频繁双向运转)时，rT=-1,转矩的变化不清楚时按脉动循环处理,根据转矩性质不同而引入的应力校正系数。,实际机器运转不可能完全均匀，且有扭转振动的存 在，为安全计，常按脉动转矩计算。,也可按弯、扭合成强度条件计算轴的直径,

17、对于实心圆轴：,mm,1）若轴上开键槽：d适当,单键：3%5%，双键：7%10%花键：计算出的d为内径。,设计时应注意：,2）要合理选择危险剖面。轴的危险剖面在当量弯矩较 大或轴径较小处。,3）若验算轴的强度不够，c-1b，可用增大轴的直 径、改用强度较高的材料或改变热处理方法等措施提 高轴的强度。,4）若c比-1b小很多时，是否要减小轴的直径，应综 合考虑其他因素而定。有时单从强度观点，轴的尺寸 可以缩小，不过却受到其他条件的限制。例如刚度、振动稳定性、加工和装配工艺条件以及与轴有关联的 其他零件和结构的限制等。,5）对于重要的轴，需采用更精确的安全系数法校核。,计算步骤：,1、画出轴的空间

18、受力简图：力分解到水平面、垂直面,2、作水平面弯矩Mxy图和垂直面弯矩Mxz图,4、绘转矩T图,7、强度计算：,6、确定危险截面,四、轴的安全系数校核计算（精确计算）,1、按轴的疲劳强度校核,1）按Mc计算：没有精确计入影响疲劳强度的其它重要 因素。,尺寸系数（、）,表面状态,重要轴：需进一步在轴结构化后进行精确计算。,2）方法：对轴上若干“危险剖面”（实际应力较大的剖面，如受力较大、截面较小及应力集中较严重处）进行安全系数校核。,3）基本公式：,单纯受弯：,单纯受扭：,k、k弯曲、扭剪时的有效应力集中系数；轴的表面质量系数；、弯曲、扭剪时的绝对尺寸系数；-1、-1对称循环应力时材料的弯曲、扭

19、剪疲劳极限；、弯曲、扭剪时的等效系数。,复合安全系数：,S许用安全系数,说明：（1）危险截面在有应力集中源且当量弯矩较大处。（2）同一截面有多种应力集中源时取最大的。,（3）弯曲应力,（4）扭剪应力,2、按静强度校核,短时严重过载场合，校核轴对塑性变形的抵抗能力（尖峰载荷）。,S 0静强度计算安全系数；,S0、S0受弯矩，转矩作用时的静强度计算安全系数；,S0静强度许用安全系数(P366)；,max、max尖峰载荷所产生的弯曲、扭转切应力；,s、s材料抗弯、抗扭屈服极限。,轴的设计实例分析,例：设计图示带式运输机中单级斜齿轮减速器输出轴。已知：电动机的功率P1=25KW，n1=970r/min

20、；齿轮传动的主要参数及尺寸为：法面模数mn=4mm，两轮齿数分别为Z1=20，Z2=79，螺旋角，分度圆直径d1=81.81mm，d2=319.19mm，中心距a=200mm，齿宽b1=85mm，b2=80mm，单向运转。,设计方法及步骤,一、选择轴的材料,因该轴无特殊结构尺寸要求，故选45钢调质，,二、按扭转强度初步计算轴的直径,低速轴的功率：,低速轴的转速：,低速轴的计算直径：,考虑轴端装联轴器需要开键槽，轴径应为,低速轴计算扭矩：,选输出轴端联轴器型号为：,联轴器孔径要求：d联孔=55 mm,强度要求即：dmin d2,初定轴最小直径d2min,三、轴的结构化设计,一）选择轴上零件的装拆

21、方案，初定轴的形状,轴上零件的装拆，可采取两种方案：,轴上零件：有齿轮、滚动轴承、联轴器,左边轴承从左端装拆，用轴肩定位和固定；大齿轮、右边轴承和联轴从右端装拆，前两者之间用套筒固定，联轴器用轴肩和轴端挡圈固定。,轴上零件装拆方案a）,左边轴承和大齿轮从左端装拆，两者均用套筒固定；右边轴承和联轴器从右端装拆，两者均用轴肩定位和固定。,轴上零件装拆方案b）,二）按a）方案进行轴的结构化设计,1.确定轴的最小直径dmin：因为轴的最小直径处安装联轴器，故取dmin=55mm；,2.设计轴的结构；,1)仅从轴的强度和加工工艺考虑，可将轴制成55的光轴,2）考虑轴上零件的装拆、定位、固定要求，应轴制成

22、阶梯轴,考虑左轴承和大齿轮的定位及固定，应制轴肩和轴环,考虑左轴承和大齿轮的定位及固定，应有套筒,考虑联轴器、大齿轮轴向和周向固定，联轴器的轴向固定，进一步完善轴的结构,3）根据轴上零件的定位和固定要求确定各段轴的直径,取：定位轴肩高度h=（0.07）d+(2 3)mm,非定位轴肩高度,各段轴直径：,4）根据轴上零件的尺寸及位置要求确定各段轴的长度l和各力点距离L,L,a,b1,a,L,K,L联轴器,l,L3,L2,L1,l7,l5,l4,l6,l3,l2,l1,B,s,b2,B,s,L联孔,l6,确定各段轴的长度li,7214AC轴承，宽度B=24mm,确定各力作用点间距离Li,四、按弯扭合

23、成强度校核计算,1.计算齿轮上的作用力：,扭矩,圆周力,径向力,轴向力,2.求轴承支反力，轴的各平面弯矩MV、MH，合成弯矩M合及计算弯矩Me,A,C,B,D,3.按弯、扭合成强度校核计算,1）确定危险截面位置,2）强度校核计算：,结论轴的弯、扭合成强度足够。,4.按疲劳强度校核安全系数,1）确定危险截面位置：C截面处计算弯矩最大且有键槽的应力集中，截面处计算弯矩较大，其直径较C截面处小，且有圆角和配合边缘的应力集中；截面处直径最小，有圆角、键槽和配合边缘等多种应力集中。故以上三个截面都是可能的危险截面。取许用安全系数S=1.5。,2）C截面处安全系数校核计算：,抗弯截面系数,抗扭截面系数,合成弯矩,扭矩,弯曲应力按对称循环变化，则,扭剪应力按脉动循环变化，则,绝对尺寸系数,弯曲、扭剪疲劳极限,弯曲、扭剪的等效系数,表面质量系数,弯曲时配合处（H7/k6）及键槽处有效应力集中系数分别为：,扭转时配合处（H7/k6）及键槽处有效应力集中系数分别为：,取大值，即,受弯矩作用时的安全系数,受扭矩作用时的安全系数,安全系数,3）截面处安全系数校核（略）,4）截面处安全系数校核（略）,故可知此轴疲劳强度安全。,