機(jī)械設(shè)計(jì)課件11第十一章軸

第四篇

軸系零部件——軸、軸承、聯(lián)軸器第十一章軸shaft§11—1概述

一、軸的用途與分類

1、功用：

1）支承回轉(zhuǎn)零件；2）傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力

2、分類：

按承載情況分：

轉(zhuǎn)軸——扭矩和彎矩

心軸——只受彎矩,不傳遞轉(zhuǎn)矩（T=0）。

自行車前軸屬于哪種？

傳動(dòng)軸——主要受扭矩

［討論］

右圖：0軸：

軸Ⅰ軸：

軸Ⅱ軸：

軸Ⅲ軸：

軸Ⅳ軸：

軸Ⅴ軸：

軸傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)軸心軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸心軸按軸線形狀分

直軸：階梯軸

光軸曲軸：

空心軸和鋼絲軟軸

二、軸的材料及其選擇

碳素鋼——35,45,50鋼(正火或調(diào)質(zhì)),常用45#合金鋼——力學(xué)性能高，貴，多用于有特殊要求的軸，如：20Cr（↑軸頸耐磨性）；對(duì)應(yīng)力集中較敏感。

注意：鋼材彈性模量E基本相同，①采用合金鋼并不能提高軸的剛度。

②軸的熱處理和表面強(qiáng)化可提高軸的疲勞強(qiáng)度

表11-1

三、軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：按軸上零件安裝定位要求定軸的形狀和尺寸工作能力計(jì)算：強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§11—2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要求：

①軸和軸上零件要有準(zhǔn)確、牢固的工作位置

②軸上零件裝拆、調(diào)整方便

③軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等

一、擬定軸上零件的裝配方案

原則：1）軸的結(jié)構(gòu)越簡單越合理2）裝配越簡單、方便越合理4、盡量避免應(yīng)力集中1、零件的軸向定位

1）軸肩和軸環(huán)：最常用，軸向傳力大

二、軸上零件的定位目的：1、使零件有固定的軸向位置2、承受軸向載荷軸肩不宜太多：1、不利加工；2、應(yīng)力集中要求r軸<R零件或r軸<C零件否則，零件不能準(zhǔn)確定位錯(cuò)誤

正確錯(cuò)誤

正確要求軸肩高度<滾動(dòng)軸承內(nèi)圈高度2）套筒

3）軸用圓螺母：傳遞力大，簡單，但有應(yīng)力集中（細(xì)牙），要防松

注：套筒與軸配合較松；套筒不宜過長。為保證軸向定位可靠，要求L軸<L轂4）軸端擋圈:用于軸端零件的定位，應(yīng)用較廣

當(dāng)用軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母、軸端擋圈進(jìn)行零件的軸向定位時(shí)，為保證軸向定位可靠，要求L軸<L轂錯(cuò)誤

正確正確5）軸承端蓋：對(duì)軸承外圈軸向定位，使軸有確定的軸向工作位置

軸承端蓋與機(jī)座間加墊片，以調(diào)整軸的位置

6）彈性擋圈

7）鎖緊擋圈、緊定螺釘或銷

結(jié)構(gòu)簡單，定位方便，但有應(yīng)力集中，適于輕載。結(jié)構(gòu)簡單、但承載能力低，可同時(shí)兼作周向定位（儀器、儀表中較常用）8）圓錐面（+擋圈、螺母）

2、零件的周向定位

1）鍵2）花鍵3）緊定螺釘、銷

4）過盈配合三、各軸段的直徑和長度的確定1、各軸段直徑確定

a)按扭矩估算軸段直徑dmin

，公式11-2b)按軸上零件安裝、定位要求確定各段軸徑。②同一軸徑軸段上不能安裝三個(gè)以上零件

注意：①與標(biāo)準(zhǔn)零件相配合軸徑應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值2、各軸段長度

②考慮零件間適當(dāng)?shù)拈g距：轉(zhuǎn)動(dòng)零件與靜止零件之間必須有一定的間隙

①各軸段與其上相配合零件寬度相對(duì)應(yīng)注意：防止過定位！

L軸段長度=B輪轂寬-(2～3)mm四、軸的結(jié)構(gòu)工藝性

1）軸肩圓角r：避免應(yīng)力集中，查標(biāo)準(zhǔn)（手冊）多個(gè)圓角盡可能取相同值，以減少加工中更換刀具的次數(shù)。2）軸端倒角：便于裝配，去毛刺

3）裝配軸段不宜過長3）砂輪越程槽

4）螺紋退刀槽

5）同一軸上鍵槽位于圓柱同一母線上，且取相同尺寸軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)四處錯(cuò)誤正確答案三處錯(cuò)誤正確答案兩處錯(cuò)誤正確答案§11—3軸的強(qiáng)度計(jì)算

一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的傳動(dòng)軸的強(qiáng)度計(jì)算

②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前按扭矩初估軸的直徑dmin

強(qiáng)度條件

設(shè)計(jì)公式

許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/mm2），表11-3

A0——軸的材料系數(shù),表11-3放大軸徑：一個(gè)鍵槽：3~5%

二個(gè)鍵槽：7~10%

取標(biāo)準(zhǔn)植軸上有鍵槽時(shí)：對(duì)于空心軸：d1—空心軸的內(nèi)徑如軸上有鍵槽，則d放大：3~5%（1個(gè)）；7~10%（2個(gè)）取整

二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算公式：對(duì)于鋼材料，用第三強(qiáng)度理論：通常M→σ，T→τ，兩者在軸上的循環(huán)特性不同，引入折合系數(shù)α對(duì)于直徑為d的圓軸Mca－當(dāng)量彎矩條件：已知支點(diǎn)、扭矩，彎矩可求

步驟：以斜齒輪軸為例1、作軸的空間受力簡圖2、求水平面支反力RH1、RH2作水平面彎矩圖

3、求垂直平面內(nèi)支反力RV1、RV2，作垂直平面內(nèi)的彎矩圖

4、作合成彎矩圖

5、作扭矩圖

6、作當(dāng)量彎矩圖

—為將扭矩折算為等效彎矩的折算系數(shù)

折算系數(shù)α∵彎矩引起的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力往往為非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力∴α與扭矩變化情況有關(guān)τ為靜應(yīng)力時(shí)：α≈0.3

τ為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)：α≈0.6τ為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)：α=17、校核

危險(xiǎn)截面軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式

如果計(jì)算所得d大于軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)d結(jié)構(gòu)，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)對(duì)于心軸：T=0，Mca=M轉(zhuǎn)動(dòng)心軸，許用應(yīng)力用固定心軸，許用應(yīng)力用三、軸的安全系數(shù)校核計(jì)算（自學(xué)）1、疲勞強(qiáng)度校核

要考慮載荷性質(zhì)、應(yīng)力集中、尺寸因素和表面質(zhì)量及強(qiáng)化等因素的影響。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇Mca較大，并有應(yīng)力集中的幾個(gè)截面，計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)2、靜強(qiáng)度校核——校核軸對(duì)塑性變形的抵抗能力（略）

§11—4軸的剛度及振動(dòng)穩(wěn)定性

一、軸的剛度計(jì)算

1、彎曲剛度

撓曲線方程：

撓度：

偏轉(zhuǎn)角：

2、扭轉(zhuǎn)剛度

一般傳動(dòng)軸，許用扭轉(zhuǎn)角

精密傳動(dòng)軸：

二、軸的振動(dòng)穩(wěn)定性及臨界轉(zhuǎn)速

彎曲振動(dòng)（橫向）

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

臨界轉(zhuǎn)速——軸引起共振時(shí)的轉(zhuǎn)速彎曲臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算

軸的臨界角速度

k=mg/y0——軸的剛度剛性軸：

撓性軸：

y0——為軸在圓盤處的靜撓度

nc1、nc2——分別為一階和二階臨界轉(zhuǎn)速

∴高速軸應(yīng)使其工作轉(zhuǎn)速避開相應(yīng)的高階臨界轉(zhuǎn)速。

§11—5提高軸的強(qiáng)度、剛度和減輕軸的重量的措施

一、改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中

應(yīng)力集中源：打孔，切螺紋，溝槽（鍵槽，砂輪越程槽…），過盈配合處內(nèi)凹圓角過渡肩環(huán)措施：1）軸徑變化平緩2）增大軸的過渡圓角r；3）當(dāng)過渡圓角不能增大時(shí)，內(nèi)凹圓角4）過渡肩環(huán)5）開卸載槽—過盈配合處減少應(yīng)力集中6）加大配合部軸徑7）選擇合理的配合，過盈配合過緊，引起應(yīng)力集中。8）盤銑刀銑鍵槽比用指銑刀銑，應(yīng)力集中小9）漸開線花鍵比矩形花鍵應(yīng)力集中?。?0）避免在受載較大處切制螺紋。輪轂上開槽軸上開槽二、合理布置軸上零件以減少軸的載荷

不合理合理

1、軸上傳動(dòng)件盡量靠近支承，并避免使用懸臂支承形式，以減少軸所受的彎矩。2、扭矩由一個(gè)傳動(dòng)件輸入，幾個(gè)傳動(dòng)件輸出時(shí)，應(yīng)將輸入件放在中間。輸入件三、改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)，減小軸的載荷合理不合理

軸僅受彎矩,不受轉(zhuǎn)矩即受彎又受扭

四、選擇受力方式以減小軸的載荷，改善軸的強(qiáng)度和剛度

行星輪均勻布置，使太陽輪只受轉(zhuǎn)矩不受彎矩。小錐齒輪軸