机械设计基础课件轴.ppt
第十章 轴的设计,本章主要内容,第一节 轴的功用及类型,第三节 轴的结构设计,第二节 轴的材料及选择,本章基本要求,1、了解轴的功用、分类、特点和应用2、了解轴的材料及其选择 3、掌握轴的结构设计,本章重点难点,本章重点,本章难点,轴的结构设计,轴的结构设计,第一节 轴的功用及类型,一、轴的功用,（1）支承回转零件（齿轮、皮带轮）；（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。轴是组成机器的重要零件之一，轴的工作情况好坏直接影响到整台机器的性能和质量,第一节 轴的功用及类型,二、轴的分类,1）转动心轴：工作时轴随转动件一起转动。2）固定心轴：工作时轴不转动。,（一）按承载情况不同分为：（1）心轴只受弯矩的轴；（2）转轴既受弯矩又受转矩的轴；（3）传动轴只受转矩或弯矩很小的轴。,1、心轴,第一节 轴的功用及类型,二、轴的分类（续）,传动轴,2、传动轴,接发动机,接后桥,第一节 轴的功用及类型,二、轴的分类（续）,转轴,3、转轴转轴是机器中最常见的轴，简称为轴。,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。,第一节 轴的应用及类型,二、轴的分类（续）,a:直轴b:曲轴c:挠性轴,光轴阶梯轴,（二）按轴线的形状分类,轴,1、直轴轴线为直线的轴（又可分为实心、空心）,1）光轴各轴段直径相同的直轴称为光轴。光轴形状简单，加工容易、应力集中源少，主要用做传动轴。,a),第一节 轴的应用及类型,二、轴的分类（续）,2）阶梯轴各轴段直径不同的直轴称为阶梯轴。这种设计使得各轴段的强度相近，且便于轴上零件的装拆和固定，故在机器中应用最广泛。,第一节 轴的应用及类型,二、轴的分类（续）,2、曲轴轴线为曲线的轴,3、挠性轴轴线可按使用要求变化的轴,常用于往复式机器和行星轮系中。,常用于建筑机械中的捣振器、汽车中的转速表等。,第二节 轴的材料及其选择,对轴材料的要求：具有足够的强度，对应力集中的敏感性低，有较好的耐磨性、工艺性和经济性。,轴的材料常用碳钢和合金钢 1、碳钢价格低，对应力集中不敏感，中碳优质钢可通过热处理，得到良好的综合力学性能。常用的碳素钢有35、40、45钢，碳素钢中应用最广泛的是45号钢，常用调质或正火处理。,2、合金钢强度高、耐磨性好，具有良好的力学性能和热处理性能，可满足特殊工作要求。多用于高速、重载及要求耐磨性好的场合。但价格较贵，对应力集中敏感。20Cr、40Cr、20CrMnTi,3、形状复杂的轴：高强度铸铁及球墨铸铁。球墨铸铁吸振性好，对应力集中不敏感。常用于凸轮轴、曲轴。,一、轴的材料及选择,第二节 轴的材料及其选择,轴的材料、热处理方法及材料的主要力学性能 见表111（P184）。,在选择轴的材料和热处理方法时，应以强度和耐磨性为根据。,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,二、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；,第二节 轴的材料及其选择,第二节 轴的材料及其选择,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。,第三节 轴的结构设计,一、轴的结构设计的任务与原则,合理确定轴的外形和全部结构尺寸。（轴没有标准的结构形式，须针对不同情况具体分析。）,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。,设计任务：,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。,二、轴上零件的布置,端轴颈,轴头,中轴颈,轴头,第三节 轴的结构设计,典型轴系结构,第三节 轴的结构设计,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题（一）轴上零件的装配方案:,一般应考虑拟定几种不同方案，进行分析比较后再选择。,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题（一）轴上零件的装配方案（续）:,1 轴端挡圈 2 带轮 3 轴承端盖 4 轴承 5 套筒 6 键 7 齿轮,轴的结构设计,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题（二）轴上零件的定位,（1）轴肩和轴环,目的：防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。,零件的轴向定位:,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,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；表11-5,2）轴环宽度b b1.4h 10 mm,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,定位轴肩：高度hC(或R),通常取h=（0.070.1）d 或h=R（C）+(0.52)mm,滚动轴承：轴肩高度滚动轴承内圈高度（查机械手册）,非定位轴肩：为使零件装拆方便，取h=(12)mm,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,（2）套筒常用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,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,（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,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,（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。,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,（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,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,为防松，需加止动垫圈或使用双螺母。,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,（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,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,（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。,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,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。,必须注意：,第三节 轴的结构设计,三、结构设计中应考虑的主要问题,目的：使零件能同轴一起转动，传递转矩。常用键、花键、销、紧定螺钉、过盈等联接来定位。,键联接制造简单，装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。,键槽应设计成同一加工直线，并尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。,紧定螺钉联接只能用于传力不大处。,2.零件的周向定位,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。,作业,课后 五 3,第三节 轴的结构设计,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）（三）轴的结构工艺性,1、加工工艺性：结构应便于加工。,便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装,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,第三节 轴的结构设计,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）,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圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一。,第三节 轴的结构设计,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）,3）相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一。,2）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。,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）,第三节 轴的结构设计,（四）、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,第三节 轴的结构设计,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。,1）用圆角过渡；,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）,第三节 轴的结构设计,4）避免相邻轴径相差太大；,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）,第三节 轴的结构设计,2、合理布置轴上零件，改善轴的受力情况,1）使弯矩分布合理把轴、毂配合分成两段，减小最大弯矩值,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）,第三节 轴的结构设计,2）使转矩合理分配,第三节 轴的结构设计,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,第三节 轴的结构设计,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,第三节 轴的结构设计,3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度。,更差！,第三节 轴的结构设计,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。,二、结构设计中应考虑的主要问题（续）,第三节 轴的结构设计,三、各轴段直径和长度的确定,第三节 轴的结构设计,1、各轴段直径的确定，应考虑轴上载荷的大小,1）按所受扭矩初估轴径dmin，从dmin按装配方案和定位要求确定各段直径。轴上有一个键槽，最小直径增大35%；两个键槽增大710%,三、各轴段直径和长度的确定,第三节 轴的结构设计,2、各轴段长度根据零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间 必要的间隙确定。,1）轴头长比轮毂宽小23mm可靠定位。2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。,指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.轴承宽度应比轴段长度大23mm；,4.轴肩高度应低于轴承内圈高度。,错误原因：,正确答案,1.轮毂宽度上插键槽；,2.套筒无法安装；,3.轴颈处不应有键槽。,2.多个键应位于 同一母线上,1.左侧键太长，套筒无法装入,正确答案,作业,课后 七（做书上）,下图为双级斜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轴承为脂润滑，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,改错题,答案,改错题,改错题,改错题,输出轴的两种结构方案,
