機械設(shè)計的教案第1頁/共64頁§15-1概述一、軸的主要功用二、軸的分類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)動心軸：軸轉(zhuǎn)動固定心軸：軸固定2、傳遞運動和動力第2頁/共64頁分析火車輪軸屬于什么類型？分析自行車軸屬于什么類型？第3頁/共64頁轉(zhuǎn)軸：既傳遞轉(zhuǎn)矩（T）、又承受彎矩（M）如：減速器中的軸。傳動軸：只受轉(zhuǎn)矩，不受彎矩M=0，T≠0

如：汽車下的傳動軸。第4頁/共64頁第5頁/共64頁分析：根據(jù)承載情況下列各軸分別為哪種類型？0軸：Ⅰ軸：Ⅴ軸：Ⅱ軸：Ⅲ軸：Ⅳ軸：傳動軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動心軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動心軸第6頁/共64頁如何判斷軸是否傳遞轉(zhuǎn)矩：

從原動機向工作機畫傳動路線，若傳動路線沿該軸軸線走過一段距離，則該軸傳遞轉(zhuǎn)矩。如何判斷軸是否承受彎矩：

該軸上除聯(lián)軸器外是否還有其它傳動零件，若有則該軸承受彎矩，否則不承受彎矩。第7頁/共64頁2）曲軸：發(fā)動機專用零件2、按軸線形狀分1）直軸又可分為實心軸和空心軸光軸階梯軸第8頁/共64頁3）鋼絲軟軸：軸線可任意彎曲，傳動靈活。動力源被驅(qū)動裝置接頭接頭鋼絲軟軸鋼絲軟軸的繞制第9頁/共64頁3.根據(jù)圖示卷筒軸的三種設(shè)計方案填寫下表方案軸的類型軸上應(yīng)力abc轉(zhuǎn)動心軸彎曲應(yīng)力固定心軸彎曲應(yīng)力轉(zhuǎn)軸彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力第10頁/共64頁三、軸的材料

軸工作時主要承受彎矩和轉(zhuǎn)矩，且多為交變力作用，其主要失效形式為疲勞破壞。因此，軸的材料應(yīng)滿足強度、剛度、耐磨性和耐腐蝕性等方面的要求。1.碳素鋼

工程中常用35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其中以45鋼用得最廣。其價格低廉，對應(yīng)力集中敏感性較小，可以通過調(diào)質(zhì)或正火處理以保證其機械性能，通過表面淬火或低溫回火以保證其耐磨性。對于輕載和不重要的軸也可采用Q235、Q275等普通碳素鋼。第11頁/共64頁2、中、低碳合金鋼：具有較高的力學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；但價格較貴，對應(yīng)力集中敏感，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須盡量減少應(yīng)力集中。注意：鋼材種類和熱處理方法對鋼材彈性模量E影響很小，分析：當軸的剛度不足時，如何提高軸的剛度？∴用熱處理合金鋼不能提高軸的剛度。第12頁/共64頁3.球墨鑄鐵

耐磨、價格低、吸振性好，對應(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；第13頁/共64頁三、軸設(shè)計的基本要求和設(shè)計步驟：1.基本要求：

1）具有足夠的承載能力：強度和剛度，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，同時使軸加工方便，成本低。第14頁/共64頁選擇材料及熱處理方式，確定許用應(yīng)力。估算軸的最小直徑軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計、繪制草圖校核軸的強度繪制軸的工作圖不安全安全2.設(shè)計步驟：第15頁/共64頁§15—2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

要求：

①軸和軸上零件要有準確、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)越簡單越合理2）裝配越簡單、方便越合理第16頁/共64頁

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計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軸承與機座相連，如圖示單級圓柱齒輪減速器中的低速軸。§13-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計該軸系由哪些零件組成第17頁/共64頁二、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：其它過渡部分

第18頁/共64頁

與軸向定位有關(guān)的軸肩高度、軸環(huán)寬度以及軸上過渡圓角半徑均應(yīng)合理。1）定位軸肩（圖中II）的高度h一般取為：h=（0.07~0.1）d三、軸上零件的軸向定位和周向定位：第19頁/共64頁

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

三、軸上零件的軸向定位和周向定位：錯誤

正確要求軸肩高度<滾動軸承內(nèi)圈高度第20頁/共64頁

與軸向定位有關(guān)的軸肩高度、軸環(huán)寬度以及軸上過渡圓角半徑均應(yīng)合理。3）不起定位作用的非定位軸肩高度沒有嚴格規(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，以免零件端面無法與軸肩端面相接觸。

5）軸環(huán)寬度b一般取為（1~1.5）h。第21頁/共64頁2.套筒特點：定位可靠，結(jié)構(gòu)簡單，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。與滾動軸承組合時，套筒的厚度不應(yīng)超過軸承內(nèi)圈的厚度，以便軸承拆卸。第22頁/共64頁3.圓螺母和止動墊圈特點：定位可靠，裝拆方便，可承受較大的軸向力由于切制螺紋使軸的疲勞強度下降

應(yīng)用：常用于軸的中部和端部正確錯誤錯誤第23頁/共64頁4.軸端擋圈特點：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。第24頁/共64頁5.圓錐面特點：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。第25頁/共64頁6.彈性擋圈特點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，裝拆方便，只能承受很小的軸向力，可靠性差。

應(yīng)用：常用于固定滾動軸承和移動齒輪的軸向定位第26頁/共64頁二、軸上零件的周向定位目的：防止零件與軸之間的相對轉(zhuǎn)動1.鍵平鍵：對中性好，可用于較高精度、高轉(zhuǎn)速及受沖擊或交變載荷作用的場合。半圓鍵：裝配方便，特別適合錐形軸端的聯(lián)接，對軸的削弱較大，只適用于輕載。第27頁/共64頁2.花鍵特點：承載能力強，定心精度高，導向性好，但制造成本高。3.緊定螺釘特點：適用于軸向力小，轉(zhuǎn)速低的場合；在有振動和沖擊的場合，應(yīng)防松。第28頁/共64頁4.圓錐銷5.過盈配合特點：用于受力不大的場合特點：對中性好，承載能力強，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。第29頁/共64頁四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定1．擬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，強度過裕。

3）兩端的軸承型號無法一致，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、檢驗和裝配方便很多。此軸適合于專業(yè)工廠成批制造。第30頁/共64頁四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定1．擬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，中間粗，符合等強度要求。

3）軸承成對使用，箱體上的兩個座孔可一次鏜出。

4）總的制造、檢驗和裝配工作量多。此軸特別適合于小型工廠或單件生產(chǎn)。

軸上零件裝配過程第31頁/共64頁四、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)驗或類比法確定以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。

第32頁/共64頁四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定2．確定軸上各段直徑和各段長度

(l)直徑

圓整直徑的值要進行圓整。有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標準直徑。安裝標準件(如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等)部位的軸徑，應(yīng)取為相應(yīng)的標準值及所選配合的公差。第33頁/共64頁四、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部位上采用不同的尺寸公差。第34頁/共64頁四、軸的結(jié)構(gòu)尺寸的確定2．確定軸上各段直徑和各段長度

(2)長度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度第35頁/共64頁四、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零件，在軸向和周向均應(yīng)有可靠的固定，以保證其準確的工作位置，達到傳遞一定功率和保證齒輪傳動的質(zhì)量。第36頁/共64頁五、軸的結(jié)構(gòu)工藝性1.一般將軸設(shè)計成階梯軸（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；第37頁/共64頁（4）軸的兩端加工倒角，便于零件導入，不宜傷人；（5）裝配段不宜過長。第38頁/共64頁（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，退刀槽可以保證刀具退出。2.軸的加工工藝性第39頁/共64頁（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)。第40頁/共64頁五、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)過軸段直徑小于零件孔徑。第41頁/共64頁六、提高軸的強度、剛度的措施1、合理布置軸上零件第42頁/共64頁六、提高軸的強度、剛度的措施2.改進軸上零件結(jié)構(gòu)，減小軸的載荷。第43頁/共64頁六、提高軸的強度、剛度的措施3.采用載荷分擔的方法減小軸的載荷第44頁/共64頁六、提高軸的強度、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.改變支點位置，改善軸的強度和剛度6.改進軸的結(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；采用表面強化，如輾壓、噴丸、滲碳、滲氮、表面淬火等。第45頁/共64頁軸系結(jié)構(gòu)改錯四處錯誤正確答案三處錯誤正確答案第46頁/共64頁兩處錯誤1.左側(cè)鍵太長，套筒無法裝入2.多個鍵應(yīng)位于同一母線上第47頁/共64頁圖中所示減速箱輸出軸，齒輪用油潤滑，軸承用脂潤滑。指出其中的結(jié)構(gòu)錯誤。12

3456781.鍵不在同一母線上。2.軸承蓋與軸直接接觸。3.軸承蓋與箱體無調(diào)整墊片。4.軸套超過軸承內(nèi)圈定位高度。5.齒輪處軸段長度過長，齒輪定位不可靠6.鍵頂部與輪轂接觸。7.無擋油盤8軸承端蓋處應(yīng)減少加工面第48頁/共64頁§15-3軸的強度計算3、振動折斷—高速軸，自振頻率與軸轉(zhuǎn)速接近；a、有足夠的強度—疲勞強度、靜強度；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)定性計算。強度計算失效形式：

1、疲勞破壞—疲勞強度校核；2、變形過大—剛度驗算（如機床主軸）；第49頁/共64頁一、按扭轉(zhuǎn)強度條件計算用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的傳動軸的強度計算

②結(jié)構(gòu)設(shè)計前按扭矩初估軸的直徑dmin

強度條件

設(shè)計公式

第50頁/共64頁公式應(yīng)用：a）傳動軸精確計算；b）轉(zhuǎn)軸的初估軸徑dmin——結(jié)構(gòu)設(shè)計，逐步階梯化di

（∵支點、力作用點未知）；c）對于轉(zhuǎn)軸：算出dmin→結(jié)構(gòu)設(shè)計→彎矩圖→彎扭合成強度計算；d）有鍵槽處：↑d，單鍵——↑3%；雙鍵——↑7%。第51頁/共64頁第52頁/共64頁第53頁/共64頁第54頁/共64頁第55頁/共64頁第56頁/共64頁a為考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力循環(huán)特性不同時的折合系數(shù)。②校核軸的強度軸的彎扭合成強度條件為：2．按彎扭合成進行強度條件驗算式中[σ-1]為對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力（可查表選取）；詳細內(nèi)容扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力靜應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力a

≈0.3a

≈0.６a

=1第57頁/共64頁校核

危險截面軸的強度設(shè)計公式

此式僅用于實心圓軸，其余W見P365表15-4危險面的確定：(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]第58頁/共64頁確定危險斷面，進行校核(mm)此式僅用于實心圓軸，其余W見P365表15-4危險面的確定：(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]該計算方法討論:a.對于影響軸的強度的許多重要因素,如應(yīng)力集中.尺寸因素,是通過降低許用應(yīng)力考慮.b如果實際d遠大于計算時，說明軸的直徑能滿足強度要求。既使相差比較大一般