机械设计第十五章-轴课件

大家好大家好15-1 概述15-2 轴的结构设计15-3 轴的计算第十五章 轴机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴3 315-115-1、概述、概述一、轴的功用一、轴的功用二、轴的分类二、轴的分类1、按承受载荷分心轴心轴心轴心轴1、支承轴上回转零件（如齿轮）转动心轴转动心轴转动心轴转动心轴：轴转动固定心轴固定心轴固定心轴固定心轴：轴固定2、传递运动和动力机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4 4火车轮轴自行车轴机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴5 5转轴转轴转轴转轴：减速器中的轴。传动轴传动轴传动轴传动轴:汽车的传动轴。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴6 6问：根据承载情况分析下列各轴分别为哪种类型？0 轴：轴：轴：轴：轴：轴：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扭矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路从原动机向工作机画传动路线，若传动路线线沿该轴轴线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递扭矩。走过一段距离，则该轴传递扭矩。如何判断轴是否承受弯矩：该轴上该轴上除联轴器外除联轴器外是否还有是否还有其它传动零件其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴7 7曲轴曲轴曲轴曲轴：发动机专用零件2、按轴线形状分直轴直轴直轴直轴又可分为实心、空心光轴光轴阶梯轴阶梯轴钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴8 8钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。动力源被驱动装置接头接头钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴的绕制机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴9 9三、轴的材料三、轴的材料1、碳素钢：碳素钢：35、40、45、50(正火或调质)，45应用最广。价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。2、中、低碳合金钢：中、低碳合金钢：强度高、寿命长，价贵，对应力中敏感 用于重载、小尺寸的轴和高温或低温条件下的轴。注意：钢材种类热处理对钢材弹性模量E影响很小，用热处理合金钢合金钢不能提高轴的刚度。不能提高轴的刚度。3、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。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1010表表15-1 轴的常用材料及其主要力学性能轴的常用材料及其主要力学性能机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1111设计的主要内容：1、结构设计轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置；轴应便于加工，轴上零件应便于装拆；轴的受力合理，尽量减少应力集中等。2、工作能力计算（2）塑性变形 短期尖峰载荷 验算屈服强度。（4）振动折断 高速轴，自振频率与轴转速接近。（3）变形过大 刚度验算（如机床主轴）。（1）疲劳断裂 疲劳强度校核。四、轴设计的主要内容四、轴设计的主要内容机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1212五、轴的设计过程五、轴的设计过程轴的设计分三步进行轴的设计分三步进行:1、初定轴径;2、结构设计:画草图,确定轴的各段尺寸,得到轴的跨距和力的作用点;3、计算弯矩、弯曲应力及扭剪应力，进行校核计算。已知已知条件条件选择选择轴的轴的材料材料初算初算轴径轴径结构结构设计设计计算计算弯矩弯矩校核校核计算计算完善完善设计设计修改直径修改直径转轴设计程序框图机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1313二、要求二、要求1、轴和轴上零件要有准确可靠的相对位置；2、受力合理有利于提高轴的强度和刚度；3、良好的结构工艺性轴应便于加工，轴上零件 应便于装拆；15-215-2、轴的结构设计、轴的结构设计一、目的一、目的确定轴的形状、尺寸：dl；4、节省材料，减轻重量；5、形状和尺寸有利于减小应力集中；机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1414三、阶梯轴的结构设计三、阶梯轴的结构设计机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1515（一）拟定轴上零件装配方案机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1616（二）零件在轴上的定位1、轴向定位轴向定位轴向定位轴向定位（1）轴肩定位）轴肩定位机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1717机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1818（2）套筒定位）套筒定位轴承与齿轮之间（3）圆螺母定位）圆螺母定位相邻零件间距大机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴1919（4）轴端挡圈）轴端挡圈（5）弹性挡圈）弹性挡圈轴向力小削弱轴的强度机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴2020（6）紧定螺钉）紧定螺钉传递力小键、花键、成形连接、弹性环连接、过盈、销等2、周向定位周向定位周向定位周向定位 轴毂连接机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴2121（三）有利于提高轴的强度、刚度和减轻重量1、合理布置轴上零件，轴受扭矩a)不合理的布置b)合理的布置机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴22222、改进轴上零件结构，轴弯矩a)不合理的布置b)合理的布置机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴23233、载荷分担，轴上载荷卸荷带轮：机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴2424双联齿轮斜齿轮：两斜齿轮旋向应相同两斜齿轮旋向应相同两斜齿轮旋向应相同两斜齿轮旋向应相同4、采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴2525行星齿轮减速器：多个行星轮均布多个行星轮均布机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴26265、改变支点位置，改善轴的强度和刚度更差！更差！机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴2727锥齿轮减速器结构图机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴28286、改进轴的结构,减少应力集中1）避免相邻轴径相差太大；机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴29293）表面打印、紧定螺钉端坑等，合理选择键槽(盘铣)；2）适当过渡圆角r，或用凹切圆角、肩环；机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴30307、改善表面品质，疲劳强度。表面粗糙度；表面强化：表面高频淬火、表面渗碳、氮化、氰化、辗压、喷丸等。4）过盈配合轴：开减载槽；a)过盈配合应力集中 b)轮毂上开卸载槽 c)轴上开卸载槽 d)增大轴径机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴31311、需磨削的轴段：砂轮越程槽。3、轴端应有倒角：c45便于装配。4、装配段不宜过长。5、固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以减各键槽应布置在同一母线上，以减各键槽应布置在同一母线上，以减各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。少装夹次数。少装夹次数。少装夹次数。2、需切制螺纹的轴段：螺纹退刀槽。（四）良好的结构工艺性便于装拆，便于制造机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴3232四、轴段尺寸的确定四、轴段尺寸的确定1、径向尺寸的确定：由扭矩dmin由结构设计要求确定各段的d。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴33331）轴段长比轮毂宽小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)。2、轴向尺寸的确定：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑：机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴3434（1）箱体内壁位置的确定H=1015mmA=b+2HA应圆整应圆整机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴3535（2）轴承座端面位置的确定C=+C1+C2+(510)mm-箱体壁厚箱体壁厚C1、C2-螺栓螺栓扳手空间扳手空间B=A+2CB应圆整应圆整机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴3636（3）轴承在轴承座孔中位置的确定 值尽量小值尽量小减小支点距离减小支点距离油润滑时油润滑时=(38)mm脂润滑时脂润滑时=(1015)mm机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴3737(1)当轴端安装弹性套柱销联轴器时K值由联轴器的型号确定(2)当使用凸缘式轴承盖时K值由连接 螺栓长度确定(3)当轴承盖与轴端零件都不需拆卸时,一般取K=5mm8mm（4）轴的外伸长度的确定机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴3838机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴393915-3 15-3 轴的强度计算轴的强度计算一、按许用切应力计算（按扭转强度计算）一、按许用切应力计算（按扭转强度计算）强度条件：式中：WT抗扭截面系数，mm3T许用切应力与材料有关的系数（表15-3）机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4040公式应用：a）传动轴精确计算；b）转轴的初估轴径dmin结构设计，逐步阶梯化di （支点、力作用点未知）；c）对于转轴：算出dmin结构设计弯矩图弯扭 合成强度计算；d）有键槽处：d，单键3%；双键7%。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4141二、按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度计算）二、按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度计算）已知条件：作用力大小、位置、轴d、l、支点位置由dmin(扭转初估)结构设计支点、力大小、作用点画出M、T合成弯矩图危险截面计算。步骤：1、画出轴的空间受力简图：力分解到水平面、垂直面机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴42422、作水平面弯矩Mxy图和垂直面弯矩Mxz图3、作出合成弯矩图4、绘扭矩T图机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴43435、求当量弯矩，绘图 根据扭矩性质不同扭矩性质不同扭矩性质不同扭矩性质不同而引入的应力校正系数应力校正系数应力校正系数应力校正系数。一般为对称循环变化（弯矩引起的弯曲应力）（M）1）单向旋转、载荷稳定：切应力接近不变r=+1，2）单向旋转、载荷不稳定：切应力接近脉动循环r=0，3）连续正反转、载荷不稳定：切应力接近对称循环，r=-1，T机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4444 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，常按脉动扭矩计算按脉动扭矩计算按脉动扭矩计算按脉动扭矩计算。循环特性：静应力r=+1（），脉动循环r=0（，）对称循环r=-1（，）6、强度条件：W轴的抗弯截面系数，P373表15-45、确定危险截面。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4545若轴上开键槽：d适当单键：（35）%，双键：（7 10）%花键：计算出的d为内径。三、轴的安全系数校核计算（精确计算）三、轴的安全系数校核计算（精确计算）1、疲劳强度校核1）按计算：尺寸系数（、）表面状态应力集中（k、k）重要轴：需进一步在轴结构化后进行精确计算。没有精确计入影响疲劳强度的其它重要因素。机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴46462）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有效应力集中系数；表面质量系数；、尺寸系数；机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4747查表查表10-5应力集中系数：影响因素：圆角半径键槽、孔过盈配合机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4848表面质量系数：影响因素：表面强化处理表面粗糙度腐蚀情况尺寸系数：影响因素：尺寸大小材料性能机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴4949复合安全系数：许用安全系数：机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴50502、静强度校核校核轴对塑性变形的抵抗能力（尖峰载荷）。max、Tmax尖峰载荷所产生的弯曲应力、切应力；s、s材料的弯曲和剪切屈服极限；许用安全系数：机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴5151设计时的轴的刚度条件为：四、轴的刚度校核简介四、轴的刚度校核简介机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴5252机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴5353等直径轴的挠曲线近似微分方程对于阶梯轴，其当量直径（二）扭转变形计算等直径轴扭转角阶梯轴做一次积分得偏转角方程，做二次积分得挠曲线方程，根据边界条件可得、y（一）弯曲变形计算机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴5454轴轴系系结结构构设设计计改改错错机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴555511机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴56561 12 23 34 4、5 56 6、7 78 89 9101011111212机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴5757 111112121313机械设计机械设计第十五章第十五章第十五章第十五章 轴轴轴轴5858