机械设计基础14.ppt

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1、 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 工程实际中的轴 设计：潘存云14-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩。传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机转轴转轴n支承传动零件支承传动零件 n传递运动和力传递运动和力功用：功用：14-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩。传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：按承受载荷分有：

2、分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩发动机发动机后桥后桥传动轴传动轴n支承传动零件支承传动零件 n传递运动和力传递运动和力功用：功用：设计：潘存云14-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：功用：类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩前轮轮毂前轮轮毂固定心轴固定心轴火车轮轴火车轮轴车厢重力车厢重力 前叉前叉自行车自行车前轮轴前轮轴支撑反力支撑反力转动心轴转动心轴n支承传动零件支承传动零件 n传

3、递运动和力传递运动和力14-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴14-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩

4、按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴设计：潘存云本章只研究直轴14-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴设计任务：设计任务：选材

5、、结构设计、强度和刚度设计、确选材、结构设计、强度和刚度设计、确 定尺寸等定尺寸等种种类类碳素钢：碳素钢：3535、4545、5050、Q235Q235轴的毛坯轴的毛坯: :一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。14-2 轴的材料轴的材料 合金钢合金钢: 20Cr: 20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40CrNi40CrNi、38CrMoAlA38CrMoAlA等等用途：用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是多，尤其是4545钢应用最广钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，。合金钢具

6、有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。特殊要求的轴。如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。为了改善力学性能正火或调质处理。正火或调质处理。表表14-1 14-1 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材料及热处理材料及热处理毛坯直径毛坯直径mm硬度硬度HBSHBS强度极限强度极限b b 屈服极限屈服极限s s MPaMPa弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限-1-1应用说明应用说明Q235Q235440440240240200200用于不重要或载荷不大的轴35 35 正火正火520520270270

7、250250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。100100149149187187设计：潘存云设计任务：设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。14-3 轴的结构设计轴的结构设计设计要求：设计要求： 1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；轴和轴上零件要有准确的工作位置；3.各零件要牢固而可靠地相对固定；各零件要牢固而可靠地相对固定；4.改善应力状况，减小应力集中。改善应力状况，减小应力集中。轴端挡圈轴端挡圈 带轮带轮轴承盖轴承盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承设计：潘存云典

8、型典型轴系轴系结构结构(固定) (定位) 设计：潘存云装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。车螺纹的轴端应有退刀槽。设计：潘存云 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。渐向中间增大的阶梯状。一、制造安装要求一、制造安装要求倒角倒角取值见P119设计：潘存云零件的零件的轴向定位轴向定位由轴肩或套筒来实现。由轴肩或套筒来实现。二、轴上零件的定位二、轴上零件的定位 设计：潘存云轴肩轴肩-阶梯轴上截面变化之处。阶梯轴上截面变化之处。轴肩套筒套筒121

9、2设计：潘存云设计：潘存云轴向固定轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。三、轴上零件的固定三、轴上零件的固定双向固定双向固定 固定可靠固定可靠,装拆方便装拆方便,可承受较大轴向力可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大但螺纹对轴削弱较大.圆螺母加止动垫片圆螺母加止动垫片 特点特点结构简单结构简单,定位可靠定位可靠,用于零件间距用于零件间距 较小场合较小场合,轴转速较高时不易选用轴转速较高时不易选用套筒套筒 特点特点结构简单结构简单,只能承受很小的轴向力只能承受很小的轴向力 弹性挡圈弹性挡圈设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云无法采用套筒或套筒太

10、长时，可采用无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母双圆螺母加以固定。加以固定。轴肩的尺寸要求轴肩的尺寸要求:r C1 或或 r Rb1.4h(与滚动轴承相配合处的与滚动轴承相配合处的h和和b值值,见轴承标准见轴承标准)DdrR轴端挡圈轴端挡圈双圆螺母双圆螺母DdC1rh(0.07d+3)(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈轴端挡圈固定。固定。C1DdrDdrRhhb设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云轴向力较小时，轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形大

11、多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。式来实现。键槽应设计成同一加工直线键槽应设计成同一加工直线设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云TTTTTQ方案方案b 四、改善轴的受力状况，减小应力集中四、改善轴的受力状况，减小应力集中 输出输出输出输出 输入输入Tmax= T1+T2Tmax = T11.改善受力状况改善受力状况T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理合理不合理不合理 TTQ方案方案 a输出输出输出输出输入输入FtFt设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云Rdd/430 2.减小应力集中减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意

12、。应力集中出现在截面突然发生变化的。应力集中出现在截面突然发生变化的。措施：措施：1. 用圆角过渡；用圆角过渡；2. 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽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重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。过渡肩环过渡肩环r凹切圆角凹切圆角B卸载槽卸载槽B位置d/4 指出下列轴系结构设计中的错误，绘出正确的结构设计图。(采用脂润滑)指出结构错误7处以上；正确如图所示。4按图示例所示，指出图中轴系结构的其它错误（注：至少至少5处处，不考虑

13、轴承的润滑方式；倒角和圆角忽略不计）答：轴端缺少轴端挡圈定位带轮；该键应该和右边的键在同一条母线上；缺少定位带轮的轴肩；轴承端盖和轴之间应有间隙；缺少密封圈；应有一轴肩便于安装轴承；该轴承安装反了；键太长；轴头长度应短于轮毂长度；套筒高于轴承内圈；缺少轴肩定位右轴承；轴承端盖应定位轴承外圈；14-4 轴的强度设计轴的强度设计 一、一、 按扭转强度计算按扭转强度计算 对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：设计公式为：设计公式为：mmnPC3MPandP362 .01055.9TWT3362 . 01055. 9nPd对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步

14、估算轴的直径。对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。计算结果为：计算结果为：最小直径！最小直径！轴的材料轴的材料 A3,20 35 45 40Cr, 35SiMn(N/mm ) 1220 2030 3040 4052C 160135 135118 118107 10792表表14-2 常用材料的常用材料的值和值和C值值注注: 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,C取较小值取较小值; 否则取较大值否则取较大值应圆整为：应圆整为：标准直径！标准直径！设计：潘存云设计：潘存云因因b和和的循环特性不同，的循环特性不同，折合后得

15、：折合后得：1 . 0132bdM12bMW二、二、 按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算强度条件为：强度条件为：422bbel1l221TMW2224WTWMeWMee弯曲应力：弯曲应力：扭切应力：扭切应力：WMbTWT32/3dM31 . 0 dMWT2代入得：代入得：W-抗弯截面系数；抗弯截面系数；WT -抗扭截面系数；抗扭截面系数；3221 . 0)(dTM-折合系数折合系数Me-当量弯矩当量弯矩材材 料料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 3

16、00 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表表14-3 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸钢铸钢折合系数取值：折合系数取值：= 0.3 -转矩不变；转矩不变； 0.6 -脉动变化；脉动变化；1 -频繁正反转。频繁正反转。静应力状态下的静应力状态下的许用弯曲应力许用弯曲应力mmMdbe311.0设计公式：设计公式：折合系数取值：折合系数取值：= 0.3 -转矩不变；转矩不变； 0.6 -脉动变化；脉动变化；1 -频繁正反转。频繁正反转。mmMdbe311.0设计公式：设计公式：材材 料料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表表14-3 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸钢铸钢脉动循环状态下的脉动循环状态下的许用弯曲应力许用