第十四章轴.ppt

机械工程基础,机械电子工程学院,本章重点：14-3 轴的结构设计,轴是机器的主要零件之一，另外，减速器设计中，也要设计一根轴， 故本章很重要。,第14章 轴,14-1 轴的功用和类型,一 、轴的功用途 ：,1、支承作回转运动的零件,2、传递运动和力（转矩T）,心轴：只受弯矩M作用，不传动转矩，T0 如火车车轮的轴。,1、按承受载荷不同分为三种：,二、轴的分类： 按轴线分为三大类：,轴受变应力,心轴,心轴（前后轴）,心轴：只受弯矩M作用，如火车车轮的轴。,1、按承受载荷不同分为三种：,传动轴：只承受转矩（扭矩）T，弯矩很小或没有, M=0，如汽车的传动轴。,、轴的分类： 按轴线分为三大类：,心轴：只受弯矩M作用，如火车车轮的轴。,1、按承受载荷不同分为三种：,转轴：同时承受转矩和弯矩的作用， 如斜齿轮轴。,传动轴： 只承受转矩（扭矩）T，弯矩很小或没有, 如汽车的传动轴。,二、轴的分类： 按轴线分为三大类：,转轴,2、按轴线形状分为两种：,阶梯轴：,、轴的分类：,光轴：,直轴,曲轴,发动机专用零件,直轴又可分为：实心轴、空心轴,发动机曲轴,汽车发动机曲轴,本章只研究直轴,此外，还有钢丝软轴（挠性钢丝轴),实验室有,1、自行车中轴属于什么轴？ 转轴 2、火车车辆轴、自行车前后车轮轴、汽车前车轮（无前驱动）轴属于什么轴？ 心轴,3、汽车后桥的传动轴属于什么轴？ 传动轴。 4、汽车后车轮轴属于什么轴？,转轴,碳素钢：30、35、45、50，其中45号钢最常用。 由于碳素钢成本低，所以一般用碳素钢。 合金钢： 常用的有：20Cr、20CrMnTi、 20CrMoV、38CrMoAl、 40Cr、 12CrNi2等。 在传动大功率时或要求提高轴径耐磨性时 才用合金钢。,常用材料分为两类：,§14-2、轴的材料及选择,碳素钢： 合金钢：,比较：两者刚度相近，而强度则合金钢大。 价格：碳素钢低，合金钢贵， 所以一般用碳素钢。,轴常用材料机械性能见P241表14-1,§14-2、轴的材料及选择,轴设计的基本步骤：分为五步,1、选用合适的材料： 根据工作要求和制造工艺等 选择用碳素钢或合金钢。,2、通过强度和刚度计算， 确定轴径d的范围d？,（1）、一般的轴是以强度为设计准则 （2）、对于有些重要的轴： 比如机床主轴，因为工作时不允许有 过大的变形，则应以刚度为设计准则。,3、进行结构设计：,确定全部尺寸（直径和长度）： 特别要确定的是轴的最小直径dmin 一般来说，阶梯轴的轴颈直径d1最小， 或与联轴器相连处直径最小。,确定合理的外形：一般为阶梯轴,4、轴的精确校核计算： 当轴的全部尺寸确定后，就可找出危险截面， 进行精确的强度、刚度计算。 如果不合格，则重新设计。,5、根据装配图绘制零件图,14-3 轴的结构设计,一、轴的结构设计概述： 二、阶梯轴结构设计的几个主要问题：,1-3 轴的结构设计,确定合理的外形：一般设计成阶梯轴 确定全部的尺寸：轴径大小、每一段的长度,一、轴的结构设计概述： 轴的结构设计非常重要。 1、轴结构设计的主要目的：,由于影响轴结构设计的因素很多， 故轴没有标准的结构形式，即轴的结构设计具有多方案性。,14-3 轴的结构设计,一、轴的结构设计概述：,2、轴的结构设计的基本要求： 、应力求轴上零件的定位准确和固定可靠； 、受力合理： 应合理布置轴上零件，力求受力合理， 有利于提高轴的工作能力； 、应有利于轴上零件的装拆和调整; 制造工艺性好：,1、轴结构设计的主要目的：,14-3 轴的结构设计,二、阶梯轴结构设计的几个主要问题：,一、轴的结构设计概述：,、制造安装要求,轴的装配方案指轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。 轴上零件的装配方案不同，则轴的基本形式就不同。,便于安装： 为了便于拆装轴上的零件，一 般将轴设计成阶梯状，而且直径为两头大、中间大。,安装程序： 要考虑零件是从左端装进去，还是从右端装进 去。关键要能顺序装进去。,如上图，减速器箱体一般为剖分式，轴上零件安装顺序为：,套筒,从左端装齿轮,左滚动轴承；,右滚动轴承,左端盖,将轴装在轴承座上,右端盖,装带轮,轴端挡圈,、轴上零件的定位和固定：,轴上零件的定位是指确定零件在轴向上的相对位置； 轴上零件的固定根据定位确定的位置，再用零件使轴上零件固定。二者紧密相关 要求轴向定位要准确，固定要牢固。 1、零件的轴向定位与固定 常用轴肩（轴环）、套筒、轴端挡圈等的定位和固定：,轴向定位,轴肩承载时的轴肩高度 h（0.07d+3) (0.1d+5)mm 一般取：h36mm,rRh,rCh 当周肩不承载时， 取：h12mm,为了保证轴上零件与轴肩（环）端面紧密接触，,有间隙，放弃,轴肩与套筒定位：,为了保证轴上零件与套筒紧密接触，,轴段长度 L,轮毂宽度 B,轴段长度 LB 23mm 零件轮毂宽度,LB （23mm）,23mm,套筒,有间隙,LB （23mm）的类似情况,轴端挡圈定位,轴肩轴端挡圈,LB （23mm）的类似情况,2、 轴上零件的周向固定：,大多采用键、 花键或成形联接， 过盈配合来实现周向固定。,周向定位,、轴上零件的定位和固定：,1、轴向长度：主要根据零件宽度和保证有足够的装配空间，以及相邻零件间必要的空隙来确定。,812mm,、 轴段直径和轴向长度的确定：,轴环,当轴肩不受轴向力，只是为了安装方便时（非定位）： 轴肩高度h12mm,当轴肩要受轴向力或固定零件（定位轴肩）时： 取 h （0.07d3）（0.1d5） 或h36mm,设计时，一般从d1开始，依次计算d2 、d3 ,2、轴肩高度的确定：,注意：,为了保证滚动轴承拆卸方便，轴肩处的直径d与轴承内圈的外径 D的关系满足： d D,、改善轴的受力状态，减小应力集中,如将输入轮l布置在轴的一端，最大转矩为：,如将输入轮1布置在轴的中间，则轴上的最大转矩为：,TmaxT1T2,TmaxT1,、轴的结构工艺性,如下图所示,请指出并说明轴系结 构中的错误（11个）。其中， 轴承采用润滑油润滑 ，齿轮也采 用油润滑，直角、圆角忽略不计。 不同地方的相同错误算不的错误。,例题1,滚动轴承拆卸方法,内圈,外圈,d,D,为了保证顺利拆卸滚动轴承，必须使轴肩高度 dD 滚动轴承内圈外径,滚动轴承,带轮处无键槽，不能实现周向固定，应加键槽。,应有轴肩，以便轴向固定带轮。,L太长，端盖不容易装入，取L=1015mm, 端盖应有凸台,端盖与轴承座之间应加垫片，以起到密封作用。,套筒的高度应低于滚动轴承内圈外径的高度，以便拆装,轴环应改为套筒，否则齿轮安装不进去。,LB, 轴肩的高度应降低，同, 、与 同,、 与 相同,无键槽,密封圈和间隙,例题2,如下图所示,请指出并说明轴系结 构中的错误。 其中，轴承采用润滑脂润滑 ，齿轮蜗轮均采用油润滑，直角、圆角忽略不计。 不同地方的相同错误算不同的错误。,、无螺栓联接,无垫片，应加上,轴肩太高，因用脂润滑，应采用挡油圈，轴肩右移，,应有间隙23,套筒高于轴承内圈外径，套筒缩短，增加挡油圈,此处轴段应短 一点，留间隙,无垫片，应加上,、应有凹槽，以便于加工,应有一段距离，可将零件右移,、同一根轴上的键槽，应在同一母线上,11、存在间隙，不能固定轴上零件,12、此处应有轴肩，以轴向固定零件,14应为梯形,15应有孔轴线,13轴端伸出过长,例题3,如下图所示,请指出并说明轴系结 构中的错误。 其中，轴承采用润滑脂润滑 ，齿轮蜗轮均采用油润滑，直角、圆角忽略不计。 不同地方的相同错误算不的错误。,无垫片,、应有凹槽,、应有凹槽,轴环太高，应采用挡油圈，轴肩右移,键过长,应有间隙,套筒太高，应采用挡油圈,应有轴肩,无垫片,应有毡圈和间隙,11、应有键槽，实现周向固定,13、应有螺钉，实现轴向固定,12应有轴肩,§144 轴的强度计算,二、按弯扭合成强度计算,一、按扭转强度计算,144 轴的强度计算,轴的强度计算通常有四种方法：,扭转强度条件 按弯扭合成强度条件 按疲劳强度条件进行精确校核计算 （前三种最常用） 静强度条件进行校核计算,轴的强度计算概述：,本节主要讲前面二种方法,一、扭转强度,对于只受转矩或以承受转矩为主的传动轴， （即所受弯矩很小的传动轴）应按扭转强度 条件计算轴的直径。这时按轴传递的转矩T的大小，计算出扭转切应力。 扭转强度约束条件为： ,扭转切应力Mpa,轴传递的转矩 N.mm,轴的抗扭截面模量， mm3,轴传递的功率Kw,轴的转速r/min,许用扭切应力，表15-3,（14-1）,是与材料有关的系数，可查表P245表142。,对于实心轴，有,设计公式 （14-2）,许用扭切应力，Mpa，表1-2,系数C的取值原则： 当弯矩很小或只受扭矩，载荷平稳、低速，无轴向载荷时， C取较小值，取较大值；反之亦然。,设计公式15-2的应用场合： 只受转矩，不受弯矩的传动轴的精确计算。 主要受转矩，弯矩很小的轴，如带轮的 外伸轴。但这时为近似计算， 可用降低许用应力的方法来考虑其影响。 初步估算轴的最小直径dmin , 并根据dmin进 行结构设计，这是最重要用途。 因为新设计一根轴时一般只知道P和 n 。,设计公式 （14-2）,当轴同时受弯矩和转矩联合作用时（即转轴），就可以按弯扭合成强度条件进行 设计计算。,、适用范围： 主要适用于比较重要的轴、弯扭复合的轴， 在结构设计完成后（尺寸全部确定后）进行的 比较精确的校核计算。 一般轴用这种方法计算即可,二、按弯扭合成强度条件计算,轴肩承载时的轴肩高度 h（0.07d3） （0.1d5） 一般取：36mm,rRh,rCh,5、为了保证轴上零件与轴肩（环）端面紧密接触，,有间隙，放弃,C和R的值可查手册,6、为了保证轴上零件与套筒紧密接触，,轴段长度 L,轮毂宽度 B,轴段长度 LB 23mm 零件轮毂宽度（考点）,LB （23mm）,23mm,套筒,7、轴的强度计算的应用场合,、按弯扭合成强度计算 主要适用于比较重要的轴、弯扭复合的轴，在结构设计完成后进行的比较精确的校核计算。,、扭转强度条件的应用场合？ 只受转矩，不受弯矩的传动轴的精确计算。 主要受转矩，弯矩很小的轴，但这时为近似计算。 初步估算轴的最小直径dmin , 并根据dmin进 行结构设计，这是最重要用途。,