機械設(shè)計基礎(chǔ) 課件 模塊五項目六 軸的結(jié)構(gòu)認知與設(shè)計

《機械設(shè)計基礎(chǔ)》——模塊五：簡單傳動裝置的設(shè)計與維護主講教師：楊紅項目六：軸的結(jié)構(gòu)認知與設(shè)計項目導(dǎo)入

軸是組成機器的重要零件之一。它是一個非標(biāo)準零件，所以其設(shè)計工作非常重要。軸的設(shè)計既要滿足強度和剛度條件，結(jié)構(gòu)上還需滿足一系列要求。本項目主要介紹軸的功用與類型、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和軸的強度計算等相關(guān)知識。項目六：軸的結(jié)構(gòu)認知與設(shè)計任務(wù)一認識軸任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)三軸的強度計算任務(wù)一認識軸【任務(wù)描述】

了解軸的功用與分類、材料選擇與熱處理，以及軸的設(shè)計步驟。三、軸的設(shè)計步驟一、軸的功用與分類二、軸的材料【知識導(dǎo)航】：任務(wù)一認識軸任務(wù)一認識軸一、軸的功用與分類設(shè)計：潘存云功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：按軸的形狀分有：帶式運輸機減速器電動機轉(zhuǎn)軸任務(wù)一認識軸功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩發(fā)動機后橋傳動軸任務(wù)一認識軸功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸任務(wù)一認識軸功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸曲軸任務(wù)一認識軸設(shè)計：潘存云本項目只研究直軸功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸曲軸撓性鋼絲軸另外，軸還可以按內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，分為實心軸和空心軸。一般軸都制成實心的，而空心軸主要是為了某些特殊要求，如從空心處輸送潤滑油、冷卻液，安裝其他零件等。任務(wù)一認識軸二、軸的材料種類碳素鋼：35、45、50、Q235軸的毛坯:一般用圓鋼或鍛件，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵。合金鋼:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用較多，尤其是45鋼應(yīng)用最廣。合金鋼具有較高的力學(xué)性能，但價格較貴，多用于有特殊要求的軸。如用球墨鑄鐵制造曲軸和凸輪軸，具有成本低廉、吸振性較好、對應(yīng)力集中的敏感較低、強度較好等優(yōu)點。正火或調(diào)質(zhì)處理。任務(wù)一認識軸表6-6-1軸的常用材料及其主要力學(xué)性能材料及熱處理毛坯直徑mm硬度HBS強度極限σb

屈服極限σs

MPa彎曲疲勞極限σ-1應(yīng)用說明Q235440240200用于不重要或載荷不大的軸35正火、回火520270250有較好的塑性和適當(dāng)?shù)膹姸?，可用于一般曲軸、轉(zhuǎn)軸。≤100149~187＞100~300≤100163~20750056025030024026545正火35調(diào)質(zhì)35正火45回火45調(diào)質(zhì)≤100＞100~300≤200170~217162~217217~255600580650300290360275270300用于較重要的軸，應(yīng)用最廣泛。40Cr調(diào)質(zhì)≤100241~286750550350用于載荷較大而沒有很大沖擊的重要軸。任務(wù)一認識軸三、軸的設(shè)計步驟設(shè)計任務(wù)：選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度和剛度設(shè)計、確定尺寸等設(shè)計步驟：選擇軸的材料→估算軸的最小直徑→軸的結(jié)構(gòu)

設(shè)計→軸的強度校核→畫出軸的零件工作圖。任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計【任務(wù)描述】

圖６-1-1中的單級直齒圓柱齒輪減速器，若已知輸出軸傳遞的功率P=11ｋＷ，轉(zhuǎn)速n=210ｒ／ｍｉｎ，軸上大齒輪分度圓直徑d=382ｍｍ，輪轂寬度B=80ｍｍ，作用在齒輪上的圓周力Fｔ=2618Ｎ，徑向力Fｒ=635Ｎ，傳動方式為單向傳動。試對該減速器的輸出軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計【知識導(dǎo)航】一、軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求二、軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中要解決的問題三、各段軸徑和長度的確定任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計任務(wù)：使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。1.軸應(yīng)便于制造，軸上零件要易于裝拆；(制造安裝)2.軸和軸上零件要有準確的工作位置；(定位)3.各零件要牢固而可靠地相對固定；(固定)4.改善應(yīng)力狀況，減小應(yīng)力集中。軸端擋圈帶輪軸承蓋套筒齒輪滾動軸承設(shè)計：潘存云典型軸系結(jié)構(gòu)一、軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云④設(shè)計：潘存云

為便于軸上零件的裝拆，一般軸都做成從軸端逐漸向中間增大的階梯狀。零件的安裝次序1、擬定軸上零件的裝配方案②③⑥⑦①⑤①二、軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中要解決的問題任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云零件的軸向定位由軸肩或套筒來實現(xiàn)。2、軸上零件的定位4、5間的軸肩使齒輪在軸上定位，1、2間的軸肩使帶輪定位，6、7間的軸肩使右端滾動軸承定位。設(shè)計：潘存云軸肩----階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。

套筒1~21~2任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云軸向固定由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實現(xiàn)。3、軸上零件的固定齒輪受軸向力時，向右是通過4、5間的軸肩，并由6、7間的軸肩頂在滾動軸承的內(nèi)圈上；向左則通過套筒頂在滾動軸承的內(nèi)圈上。帶輪的軸向固定是靠1、2間的軸肩和軸端當(dāng)圈。雙向固定任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云軸肩的尺寸要求:r<C1

或r<Rb≈1.4h(與滾動軸承相配合處的h和b值,見軸承標(biāo)準)DdrR軸端擋圈雙圓螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm裝在軸端上的零件往往采用軸端擋圈固定。C1DdrDdrRhhb任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云軸向力較小時，可采彈性擋圈或緊定螺釘來實現(xiàn)。周向固定大多采用鍵、花鍵、或過盈配合等聯(lián)接形式來實現(xiàn)。為了加工方便，鍵槽應(yīng)設(shè)計成同一加工直線上，且緊可能采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云④設(shè)計：潘存云4、改善軸的結(jié)構(gòu)工藝性②③⑥⑦①⑤①倒角（1）為了便于裝配零件，防止銳邊劃傷手或碰傷其他零件，軸端應(yīng)加工出４5°的倒角。任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云④設(shè)計：潘存云4、改善軸的結(jié)構(gòu)工藝性②③⑥⑦①⑤①（2）需要磨削的軸段，應(yīng)留砂輪越程槽。軸上需要切制螺紋的軸段，應(yīng)設(shè)置螺紋退刀槽。任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計4、改善軸的結(jié)構(gòu)工藝性（2）需要磨削的軸段，應(yīng)留砂輪越程槽。軸上需要切制螺紋的軸段，應(yīng)設(shè)置螺紋退刀槽。設(shè)計：潘存云雙圓螺母任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計4、改善軸的結(jié)構(gòu)工藝性（3）同一根軸的多個軸段有鍵槽時，槽寬盡可能統(tǒng)一，并布置在同一加工母線上。設(shè)計：潘存云鍵槽應(yīng)設(shè)計成同一加工直線任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云TTTTTQ方案b5、改善軸的受力狀況，減小應(yīng)力集中圖示為起重機卷筒兩種布置方案。A圖中大齒輪和卷筒聯(lián)成一體，轉(zhuǎn)距經(jīng)大齒輪直接傳遞給卷筒，故卷筒軸只受彎矩而不傳遞扭矩。圖b中軸同時受彎矩和扭矩作用。故載荷相同時，圖a結(jié)構(gòu)軸的直徑要小。輸出輸出輸入Tmax=T1+T2Tmax=T1（1）改善受力狀況當(dāng)軸上有兩處動力輸出時，為了減小軸上的載荷，應(yīng)將輸入輪布置在中間。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理TTQ方案a輸出輸出輸入FtFt任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云Rdd/430?（2）避免或減小軸的應(yīng)力集中合金鋼對應(yīng)力集中比較敏感，應(yīng)加以注意。應(yīng)力集中出現(xiàn)在截面突然發(fā)生變化的。措施：1.

用圓角過渡；2.

盡量避免在軸上開橫孔、切口或凹槽;3.

重要結(jié)構(gòu)可增加卸載槽B、過渡肩環(huán)、凹切圓角、增大圓角半徑。也可以減小過盈配合處的局部應(yīng)力。過渡肩環(huán)r凹切圓角B卸載槽也可以在輪轂上增加卸載槽B位置d/4任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計三、各段軸徑和長度的確定1、最小直徑的估算

任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計2、各段軸徑和長度的設(shè)計原則（1）軸的直徑除了應(yīng)滿足強度和剛度要求外，還應(yīng)注意盡量采用標(biāo)準直徑（表6-6-3），安裝標(biāo)準件（如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等）及切制螺紋部位的軸徑，應(yīng)取為相應(yīng)的標(biāo)準值及所選配合的公差。任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（2）為了保證軸向定位可靠，與齒輪、帶輪和聯(lián)軸器等零件相配合的部分的軸段長度一般應(yīng)比輪轂長度短2～3mm，如圖6-6-5所示①④處軸段長度。2、各段軸徑和長度的設(shè)計原則任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（3）其它各段長度要保證所需的裝配空間和相鄰零件的軸向運轉(zhuǎn)空間，如圖6-6-5所示②③⑤⑥處長度。2、各段軸徑和長度的設(shè)計原則任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（4）若在軸上裝有滑移的零件，應(yīng)考慮零件的滑移距離。2、各段軸徑和長度的設(shè)計原則任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計【任務(wù)實施】任務(wù)描述中對減速器的輸出軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

2、確定軸輸出端直徑。按扭轉(zhuǎn)強度估算軸輸出端直徑。

任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

此段軸的直徑和長度應(yīng)與聯(lián)軸器相符，聯(lián)軸器選用LX4型彈性柱銷聯(lián)軸器，其軸孔直徑為45mm，與軸配合部分長度為84mm，故軸輸出端直徑取45mm。3、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）軸上零件的定位、固定和裝配任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（2）確定軸的各段直徑和長度

任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

任務(wù)二軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

任務(wù)三軸的強度計算【任務(wù)描述】對任務(wù)二中的減速器輸出軸進行強度校核。任務(wù)三軸的強度計算【知識導(dǎo)航】一、軸的主要失效形式二、軸的設(shè)計準則三、按彎扭組合強度計算任務(wù)三軸的強度計算一、軸的主要失效形式1、強度失效軸在扭轉(zhuǎn)和彎矩的作用下，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其應(yīng)力一般是變化的。在變應(yīng)力的反復(fù)作用下，軸有可能發(fā)生疲勞斷裂。2、剛度失效在彎矩作用下，軸將產(chǎn)生彎曲變形，如變形量過大，則會影響軸及軸上零件的正常工作；而在扭矩作用下，將會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，如扭轉(zhuǎn)剛度不足，也會應(yīng)扭轉(zhuǎn)角過大影響軸上零件的正常工作。3、穩(wěn)定性失效在高速下工作的軸，當(dāng)軸的固有頻率和激振頻率相接近時，軸將發(fā)生共振，從而導(dǎo)致軸及軸上零件不能正常工作或發(fā)生破壞。任務(wù)三軸的強度計算

二、軸的設(shè)計準則任務(wù)三軸的強度計算

軸的強度計算，尤其是轉(zhuǎn)軸和心軸的強度計算，一般都是在初步完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計之后進行的。對于受不同載荷和應(yīng)力性質(zhì)的軸，應(yīng)采用不同的計算方法。其中，傳動軸按扭轉(zhuǎn)強度計算；心軸按彎曲強度計算；而轉(zhuǎn)軸則按彎扭組合強度計算。三、按彎扭組合強度計算1、軸的支點位置的確定

對于滑動軸承和滾動軸承來說，軸的支點位置都不全是在軸承的寬度中點上，支點位置可查軸承樣本或有關(guān)手冊。但是，為了簡化計算，通?？蓪⒅?/p>