第15章軸第15章軸

1概述

2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3軸設(shè)計(jì)中的物理約束

4軸的設(shè)計(jì)

本章重點(diǎn)：1.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)§15-1概述一、軸的主要功用二、軸的分類(lèi)1、按承載分心軸：只承受彎矩（M），不傳遞轉(zhuǎn)矩（T=0）1、支承軸上回轉(zhuǎn)零件（如齒輪）轉(zhuǎn)動(dòng)心軸：軸轉(zhuǎn)動(dòng)固定心軸：軸固定2、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)軸：既傳遞轉(zhuǎn)矩（T）、又承受彎矩（M）如：減速器中的軸。傳動(dòng)軸：只受轉(zhuǎn)矩，不受彎矩M=0，T≠0如：汽車(chē)下的傳動(dòng)軸。分析：根據(jù)承載情況下列各軸分別為哪種類(lèi)型？0軸：Ⅰ軸：Ⅴ軸：Ⅱ軸：Ⅲ軸：Ⅳ軸：傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸2）曲軸：發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用零件2、按軸線形狀分1）直軸又可分為實(shí)心軸和空心軸光軸階梯軸3）鋼絲軟軸：軸線可任意彎曲，傳動(dòng)靈活。動(dòng)力源被驅(qū)動(dòng)裝置接頭接頭鋼絲軟軸鋼絲軟軸的繞制3.根據(jù)圖示卷筒軸的三種設(shè)計(jì)方案填寫(xiě)下表方案軸的類(lèi)型軸上應(yīng)力abc轉(zhuǎn)動(dòng)心軸彎曲應(yīng)力固定心軸彎曲應(yīng)力轉(zhuǎn)軸彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力2、中、低碳合金鋼：具有較高的力學(xué)性能和良好的熱處理性能，常用于高溫、高速、重載以及結(jié)構(gòu)要求緊湊的軸；但價(jià)格較貴，對(duì)應(yīng)力集中敏感，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量減少應(yīng)力集中。注意：鋼材種類(lèi)和熱處理方法對(duì)鋼材彈性模量E影響很小，分析：當(dāng)軸的剛度不足時(shí)，如何提高軸的剛度？∴用熱處理合金鋼不能提高軸的剛度。3.球墨鑄鐵

耐磨、價(jià)格低、吸振性好，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，但可靠性較差，一般用于形狀復(fù)雜的軸，如曲軸、凸輪軸等。軸的毛坯d小——軋制的圓鋼（棒料）：車(chē)制；d大——鍛造毛坯；空心軸——充分利用材料，↓質(zhì)量，但加工困難。結(jié)構(gòu)復(fù)雜——鑄造毛坯，如曲軸；三、軸設(shè)計(jì)的基本要求和設(shè)計(jì)步驟：1.基本要求：1）具有足夠的承載能力：強(qiáng)度和剛度，保證正常工作2）具有合理的結(jié)構(gòu)形狀：軸上零件定位正確、固定可靠且易于裝拆，同時(shí)使軸加工方便，成本低。§15—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

④盡量避免應(yīng)力集中

一、擬定軸上零件的裝配方案

原則：1）軸的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越合理2）裝配越簡(jiǎn)單、方便越合理軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸作為重要的支承零件，除了與齒輪、帶輪等旋轉(zhuǎn)零件聯(lián)接外，還要與軸承組合通過(guò)軸承與機(jī)座相連，如圖示單級(jí)圓柱齒輪減速器中的低速軸?！?3-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該軸系由哪些零件組成二、軸的結(jié)構(gòu)分析軸頸：軸與軸承配合的部分軸頭：安裝回轉(zhuǎn)零件的部分

軸身：其它過(guò)渡部分

與軸向定位有關(guān)的軸肩高度、軸環(huán)寬度以及軸上過(guò)渡圓角半徑均應(yīng)合理。2）軸上零件為滾動(dòng)軸承時(shí)，定位軸肩高度應(yīng)查手冊(cè)中的軸承安裝尺寸，不可使軸肩高出軸承內(nèi)圈端面的高度，以免軸承無(wú)法拆卸。

三、軸上零件的軸向定位和周向定位：錯(cuò)誤

正確要求軸肩高度<滾動(dòng)軸承內(nèi)圈高度與軸向定位有關(guān)的軸肩高度、軸環(huán)寬度以及軸上過(guò)渡圓角半徑均應(yīng)合理。3）不起定位作用的非定位軸肩高度沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定，一般取為1~2mm。4）軸肩處的圓角半徑r必須小于軸上零件轂孔端部的圓角半徑R或倒角尺寸C，以免零件端面無(wú)法與軸肩端面相接觸。5）軸環(huán)寬度b一般取為（1~1.5）h。2.套筒特點(diǎn)：定位可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，可承受較大的軸向力。

應(yīng)用：齒輪、帶輪、聯(lián)軸器、軸承等的軸向定位。軸上間距不大的兩零件的軸向定位。與滾動(dòng)軸承組合時(shí)，套筒的厚度不應(yīng)超過(guò)軸承內(nèi)圈的厚度，以便軸承拆卸。4.軸端擋圈特點(diǎn)：能承受較大的軸向力及沖擊載荷，需采用放松措施。

應(yīng)用：常用于軸的端部的零件固定。5.圓錐面特點(diǎn)：能承受沖擊載荷，裝拆方便，但配合面加工較困難。

應(yīng)用：常用于軸的端部的零件固定。2.花鍵特點(diǎn)：承載能力強(qiáng)，定心精度高，導(dǎo)向性好，但制造成本高。3.緊定螺釘特點(diǎn)：適用于軸向力小，轉(zhuǎn)速低的場(chǎng)合；在有振動(dòng)和沖擊的場(chǎng)合，應(yīng)防松。4.圓錐銷(xiāo)5.過(guò)盈配合特點(diǎn)：用于受力不大的場(chǎng)合特點(diǎn)：對(duì)中性好，承載能力強(qiáng)，適用于不常拆卸的部位?？膳c平鍵組合使用，能承受較大的交變載荷。四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定1．?dāng)M定軸上零件的裝配方案

方案一：1）由于半聯(lián)軸器做在軸端上，制造軸的毛坯需要較大的鍛造設(shè)備。2）為了方便零件依次從左端裝拆，軸的各段直徑必須從左至右逐段放大，使得軸右端直徑偏大，強(qiáng)度過(guò)裕。3）兩端的軸承型號(hào)無(wú)法一致，箱體上兩軸承座孔大小一，不能一次鏜出，即不能保證兩座孔同心。4）減少了零件數(shù)及零件與軸的配合面數(shù)，使部件總的制造、檢驗(yàn)和裝配方便很多。此軸適合于專(zhuān)業(yè)工廠成批制造。四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定1．?dāng)M定軸上零件的裝配方案方案二：

1）可直接用圓鋼做軸的毛坯。2）軸兩頭細(xì)，中間粗，符合等強(qiáng)度要求。3）軸承成對(duì)使用，箱體上的兩個(gè)座孔可一次鏜出。4）總的制造、檢驗(yàn)和裝配工作量多。此軸特別適合于小型工廠或單件生產(chǎn)。

軸上零件裝配過(guò)程四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定2．確定軸上各段直徑和各段長(zhǎng)度

(l)直徑

各軸段所需的直徑與什么因素有關(guān)？軸上應(yīng)力的大小有關(guān)。估算或類(lèi)比軸的最小直徑dminA．根據(jù)軸所傳遞扭矩初步估算軸的直徑B．根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或類(lèi)比法確定以dmin為基礎(chǔ),考慮軸上零件的裝配,軸向定位以及其與軸的聯(lián)接，定出軸其它各段的直徑。

四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定2．確定軸上各段直徑和各段長(zhǎng)度

(l)直徑

圓整直徑的值要進(jìn)行圓整。有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。安裝標(biāo)準(zhǔn)件(如滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器、密封圈等)部位的軸徑，應(yīng)取為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值及所選配合的公差。四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定2．確定軸上各段直徑和各段長(zhǎng)度

(l)直徑

便于零件軸向裝配為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件裝拆方便，并減少配合表面的擦傷，在配合軸段前應(yīng)采用較小的直徑。為了使與軸作過(guò)盈配合的零件易于裝配，相配軸段的壓入端應(yīng)制出錐度；或在同一軸段的兩個(gè)部位上采用不同的尺寸公差。四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定2．確定軸上各段直徑和各段長(zhǎng)度

(2)長(zhǎng)度L

考慮軸上零件的寬度,零件的拆裝、定位，零件的布局確定出各軸長(zhǎng)度四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定3．軸上各零件的周向和軸向定位裝在軸上的各個(gè)零件，在軸向和周向均應(yīng)有可靠的固定，以保證其準(zhǔn)確的工作位置，達(dá)到傳遞一定功率和保證齒輪傳動(dòng)的質(zhì)量。五、軸的結(jié)構(gòu)工藝性1.一般將軸設(shè)計(jì)成階梯軸（1）提供零件定位和固定的軸肩、軸環(huán)；（2）區(qū)別不同精度和表面粗糙度以及配合的要求；（3）直徑變化應(yīng)盡可能少，直徑常為中間大兩端小，便于零件的裝拆；（4）軸的兩端加工倒角，便于零件導(dǎo)入，不宜傷人；（5）裝配段不宜過(guò)長(zhǎng)。（1）退刀槽和越程槽越程槽：保證砂輪能磨削到軸肩，保證軸肩的垂直度；退刀槽：加工螺紋時(shí)，退刀槽可以保證刀具退出。2.軸的加工工藝性（2）鍵槽布置固定不同零件的各鍵槽應(yīng)布置在同一母線上，以減少裝夾次數(shù)。五、軸的結(jié)構(gòu)工藝性2.裝配工藝性a、軸承安裝處的定位軸肩高度應(yīng)小于軸承內(nèi)圈高度。b、在階梯軸上應(yīng)使零件所經(jīng)過(guò)軸段直徑小于零件孔徑。六、提高軸的強(qiáng)度、剛度的措施1、合理布置軸上零件六、提高軸的強(qiáng)度、剛度的措施2.改進(jìn)軸上零件結(jié)構(gòu)，減小軸的載荷。六、提高軸的強(qiáng)度、剛度的措施3.采用載荷分擔(dān)的方法減小軸的載荷六、提高軸的強(qiáng)度、剛度的措施4.采用力平衡或局部相互抵消的辦法減小軸的載荷5.改變支點(diǎn)位置，改善軸的強(qiáng)度和剛度6.改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中7.提高軸的表面質(zhì)量降低表面粗糙度；采用表面強(qiáng)化，如輾壓、噴丸、滲碳、滲氮、表面淬火等。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1.左側(cè)鍵太長(zhǎng)，套筒無(wú)法裝入2.多個(gè)鍵應(yīng)位于同一母線上圖中所示減速箱輸出軸，齒輪用油潤(rùn)滑，軸承用脂潤(rùn)滑。指出其中的結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤。12

3456781.鍵不在同一母線上。2.軸承蓋與軸直接接觸。3.軸承蓋與箱體無(wú)調(diào)整墊片。4.軸套超過(guò)軸承內(nèi)圈定位高度。5.齒輪處軸段長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，齒輪定位不可靠6.鍵頂部與輪轂接觸。7.無(wú)擋油盤(pán)8軸承端蓋處應(yīng)減少加工面§15-3軸的強(qiáng)度計(jì)算3、振動(dòng)折斷—高速軸，自振頻率與軸轉(zhuǎn)速接近；a、有足夠的強(qiáng)度—疲勞強(qiáng)度、靜強(qiáng)度；b、有足夠的剛度—防止產(chǎn)生大的變形；c、有足夠的穩(wěn)定性—防止共振—穩(wěn)定性計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算失效形式：1、疲勞破壞—疲勞強(qiáng)度校核；2、變形過(guò)大—?jiǎng)偠闰?yàn)算（如機(jī)床主軸）；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

公式應(yīng)用：a）傳動(dòng)軸精確計(jì)算；b）轉(zhuǎn)軸的初估軸徑dmin——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逐步階梯化di（∵支點(diǎn)、力作用點(diǎn)未知）；c）對(duì)于轉(zhuǎn)軸：算出dmin→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→彎矩圖→彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算；d）有鍵槽處：↑d，單鍵——↑3%；雙鍵——↑7%。a為考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力循環(huán)特性不同時(shí)的折合系數(shù)。②校核軸的強(qiáng)度軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為：2．按彎扭合成進(jìn)行強(qiáng)度條件驗(yàn)算式中[σ-1]為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力（可查表選?。?；詳細(xì)內(nèi)容扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力靜應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力a

≈0.3a

≈0.６a

=1校核

危險(xiǎn)截面軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式

此式僅用于實(shí)心圓軸，其余W見(jiàn)P365表15-4危險(xiǎn)面的確定：(1)Mca→max(2)Mca較大，而d較小處(3)應(yīng)力集中較大的截面。[-1]查表15-3舉例：45，調(diào)質(zhì)，確定[-1]確定危險(xiǎn)斷面，進(jìn)行校核(mm)此式僅用于實(shí)心圓軸，其余W見(jiàn)P365表15-4危險(xiǎn)面的確定：(1)Mca→max(2)Mca較大，而d較小處(3)應(yīng)力集中較大的截面。[-1]查表15-3舉例：45，調(diào)質(zhì)，確定[-1]該計(jì)算方法討論:a.對(duì)于影響軸的強(qiáng)度的許多重要因素,如應(yīng)力集中.尺寸因素,是通過(guò)降低許用應(yīng)力考慮.b如果實(shí)際d遠(yuǎn)大于計(jì)算時(shí)，說(shuō)明軸的直徑能滿足強(qiáng)度要求。既使相差比較大一般也不做修改。因?yàn)橛绊戄S的結(jié)構(gòu)的因素很多。c.按公式計(jì)算的軸徑中，如有一個(gè)鍵槽，d增大4%-5%，兩個(gè)鍵槽d增大7%-10%

3.安全系數(shù)法：(1)確定危險(xiǎn)剖面：根據(jù)Mca和d確定(2)計(jì)算危險(xiǎn)剖面上的σ和τ(3)平均應(yīng)力和應(yīng)力幅.：a、m、a、m

(4)計(jì)算軸的安全系數(shù)二、軸的剛度校核計(jì)算1.軸的彎曲剛度校核計(jì)算軸的彎曲剛度條件為撓度

y≤[y]

偏轉(zhuǎn)角θ≤[θ]

2．軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算軸的扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來(lái)度量。軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為[y]和[