《軸和軸轂聯(lián)接設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《軸和軸轂聯(lián)接設計（48頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 機械設計 第 6章 軸設計 軸： shaft 6-1 概 述 6-1 軸概述 一 軸的功用 傳遞運動和動力 支承回轉零件 二 軸的類型 按軸線分： 撓性鋼絲軸 直軸 曲軸 光軸 階梯軸 可以彎曲且不影響傳遞扭矩。比如汽車、 摩托車和輪船里程表、轉速表，計數器， 割草機及各種機械轉動儀表中的、通下 水的、還有振搗用的等等 機械設計 轉 軸 心 軸 傳動軸 按受載性質分： 只受彎矩 M 只受扭矩 T 既受彎矩 M，又受扭矩 T 轉動心軸 固定心軸 6-1 軸概述 減速器中的轉軸，彎曲應力、扭剪應力的循環(huán)特征 r為多少？ 機械設計 6-1 軸概述 三 軸設計的主要內容 設計任務 選材、結構設計、校

2、核工作能力 結構設計 根據軸上零件的定位、固定、安裝以及 軸的制造工藝等方面的要求，合理地確 定軸的形狀和尺寸 校核工作能力 強度 防止軸發(fā)生疲勞斷裂 剛度 防止軸發(fā)生過大的彈性變形 振動穩(wěn)定性 防止高速時軸發(fā)生共振 機械設計 6-1 軸概述 軸的設計過程 N 選擇材料 結構設計 軸的工作能力驗算 驗算合格 ? Y 結 束 強度問題 結構問題 重點本章討論： 機械設計 6-1 軸概述 四 軸的材料 碳素鋼、 合金鋼 和 鑄鐵 在其它條件相同時，把 軸材料由碳素鋼改為合金鋼 能提高 軸的剛度嗎？ 不能。 因為這兩種材料的彈性模量 E相差無幾 碳素鋼 具有較好的綜合力學性能，應用較多，尤其 是 4

3、5鋼應用最廣 合金鋼 具有較高的力學性能，但價格較貴，多用于 有特殊要求的軸 鑄鐵：用來制造形狀復雜的軸，具有成本低廉、吸振性 較好、對應力集中的敏感較低等優(yōu)點。 機械設計 6-2 軸的結構設計 6-2 軸的結構設計 加工工藝性要好 便于軸上零件裝拆 軸上零件要有準確的定位 軸上零件要有可靠的固定 盡量減少應力集中 需考慮的問題： 軸頸 軸頭 軸身 與軸承相配的部分 與輪轂相配的 部分 連接軸頸與軸頭 部分 軸頸 軸身 軸頭 軸的常用術語： 輪轂：齒輪中心的圓柱部分 ,常帶有一孔 ,其作用 是安裝在軸上使其在軸上轉動或與軸一起轉動 機械設計 6-2 軸的結構設計 一 軸上零件的軸向定位和固定

4、軸肩或軸環(huán) r 簡單可靠，能受較大軸向力 定位軸肩： 非定位軸肩： 滾動軸承的定位軸肩或軸環(huán)高度 查軸承標準 為保證定位準確， R 或 C r h=(0.070.1)d ，一般為 2.55mm 便于軸上零件裝拆 h1 2 mm，甚至更小 軸環(huán)寬度： b 1.4 h 孔倒角 C C h 階梯軸上截面變化之處 機械設計 6-2 軸的結構設計 套筒 間距較大、 轉速較高時 不宜采用 用于兩個 近距離 零件間 需切制螺紋，削弱了軸的強度 用于兩零件距離較遠時，或軸端 圓螺母和止動墊圈 對頂螺母（兩個細牙螺母） 螺母 需切環(huán)槽，削弱了軸的強度 彈性擋圈 只能受較小軸向力、常用于滾動軸 承的固定 機械設計

5、 6-2 軸的結構設計 能承受較大的軸向力 軸端擋圈 圓錐面 用來固定軸端零件 常與軸端擋圈配合使用 與輪轂相配的軸 段長度應比輪轂 寬度短 2 3 mm! 固定 可靠 緊定螺釘 B L B = L (2 3) 機械設計 6-2 軸的結構設計 目的：防止零件與軸發(fā)生相對轉動，并傳遞轉矩 二 軸上零件的周向固定 平鍵連接 花鍵連接 緊定螺釘 過盈配合 銷 連 接 如：滾動軸承內圈 與軸之間的配合 成型連接 機械設計 6-2 軸的結構設計 例：試分析下圖中軸上零件的定位和固定情況。 機械設計 6-2 軸的結構設計 結構設計之前，要先擬定好軸上零件的裝配方案 確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互關系

6、 機械設計 軸上零件的裝配方案不同，則軸的結構形狀也不相同。 設計時可擬定幾種裝配方案，進行分析與選擇。 圖示 圓錐圓柱齒輪 減速器輸出軸就有兩種裝配方案 機械設計 方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，多了一個零件， 加工工藝復雜，且質量較大，故不如方案一合理 機械設計 6-2 軸的結構設計 軸應便于加工、測量，工作量少、生產效率高 三 軸的加工和裝配工藝性 通常情況下軸應設計成階梯直軸 軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽等 尺寸一致 不同軸段的各鍵槽應布置在同一直線上 軸端要倒角 (45 )，過盈配合要有導向錐面 磨削或車螺紋應留有越程槽或退刀槽 越程槽 軸上零件應裝拆方便 軸的配合直徑應盡量

7、按標準值選取 機械設計 6-2 軸的結構設計 軸結構設計時，各軸段直徑確定的基本原則： 按一定的方法確定出軸的最細處直徑 dmin 有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑 安裝標準件的軸徑，應滿足標準件裝配尺寸要求 機械設計 6-2 軸的結構設計 1) 裝配軸承 與滾動軸承配合段軸徑一般為 5的倍數； ( 20495 mm) 與滑動軸承配合段軸徑應采用標準直徑系列軸套： 32 、 35、 38、 40、 45、 48、 50、 55、 60、 65、 70 . 2) 裝配聯(lián)軸器 配合段直徑應符合聯(lián)軸器的尺寸系列： 聯(lián)軸器的孔徑與長度系列 孔徑 d 30 32 35 38 40 42 45 48

8、50 55 65 60 63 65 長系列 82 112 142 短系列 60 84 107 長度 L 常用的與軸相配的標準件有 滾動軸承 、 聯(lián)軸器 等。 配合軸段的直徑應由標準件和配合性質確定 機械設計 6-2 軸的結構設計 有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑： 標準直徑應按 優(yōu)先數 選取： R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3

9、.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.35 3.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.30 6.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 R40 R20 此表參見 機械設計課 程設計 P73頁表 9-7 優(yōu)先數 -表中任意一個

10、數值 機械設計 6-2 軸的結構設計 什么是 優(yōu)先數系和優(yōu)先數 優(yōu)先數是由公比分別為 ， 且項值中含有 10的整數冪的理論等比數列導出的一組近似等比的數列。 各數列分別用符號 R5， R10， R20， R40和 R80表示。稱為 R5數系、 R10 數系、 R20數系、 R40數系和 R80數系。即： R5數系：以 1.60為公比形成的數系； R10數系：以 1.25為公比形成的數系； R20數系：以 1.12為公比形成的數系； R40數系：以 1.06為公比形成的數系； 以上稱為基本系列。 R80數系：以 1.03為公比形成的數系； 它稱為補充系列。僅在參數分級很細，基本系列不能適應實際情

11、況時，才 可靠考慮采用。 優(yōu)先數系中有任一個項值均稱為優(yōu)先數。 根據 GB 321的規(guī)定， 優(yōu)先數和優(yōu)先數系適用于各種量值的分級，特別是在 確定產品的參數或參數系列時，必須按該標準的規(guī)定最大限度地采用，這就是 “優(yōu)先”的含義。 5 1 0 2 0 4 0 8 01 0 , 1 0 , 1 0 , 1 0 , 1 0 機械設計 四 提高軸的強度、剛度 1、改變軸上零件結構 Q 方案 b 圖示為起重機卷筒兩種布置方案 T Q 方案 a 軸徑大 軸徑小 a圖中大齒輪和卷筒聯(lián)成一體，故卷筒軸只受彎矩而不傳遞扭矩。 b圖中軸同時受彎矩和扭矩作用。故載荷相同時，圖 a結構軸的 直徑要小。 機械設計 6-2

12、 軸的結構設計 改變軸上零件的結構，可使軸受載減小 例： 機械設計 6-2 軸的結構設計 2、合理布置軸上零件 輸出 輸出 輸入 輸出 輸出 輸入 Tmax= T1+T2 T max = T1 T2 T1 T1+T2 T1 T1+T2 T2 合理 不合理 當軸上有兩處動力輸出時，為了減小軸上的載荷，應 將輸入輪布置在中間。 機械設計 6-2 軸的結構設計 2、減小應力集中 合金鋼對應力集中比較敏感，應加以注意。 應力集中出現在截面突然發(fā)生變化或過盈配合邊緣處。 應力集中處 措施： 1) 用圓角過渡； 2) 盡量避免在軸上開橫孔、切口或凹槽 ; R 3) 重要結構可增加卸載槽、過渡肩環(huán)、凹切圓角

13、、 增大圓角半徑。也可以減小過盈配合處的局部應 力。 機械設計 6-2 軸的結構設計 主要措施： 軸的剖面尺寸變化不能太急劇 若圓角半徑增大受限時，可采用下列方法： 凹切圓角 過渡肩環(huán) 適當加大過渡圓角半徑 減載槽 機械設計 6-2 軸的結構設計 五 軸的結構設計示例 套筒外徑如何確定？ 假設最細處直徑為 28mm，如何確定其它軸段直徑？ 帶輪 小端外徑查滾動軸承的內圈安裝尺寸確定，大端外徑等于 齒輪右側軸環(huán)外徑！ 機械設計 6-3 軸的強度計算 6-3 軸的強度計算 一 按扭轉強度計算 如果 軸是傳動軸 ，則強度條件為： T T T W 6 3 9 . 5 5 1 0 / / 1 6 Pn

14、d T 6 3 9 .5 5 1 0 0 .2 P dn 設計式： 6 33 T 9 . 5 5 1 0 0 . 2 Pd n 3 mmPC n C：與軸的材料 有關，查表 6-3 只受轉矩或彎矩相對轉矩較小時， C 取小值；反之取較大值 若最細軸段有一個鍵槽， d 值增大 5% ； 有兩個鍵槽，增大 10% 、承載情況 如果 軸是轉軸 ： 也可用設計式來估算受扭軸段的最細處直徑 45： C=118107 機械設計 例題 1： 在初算軸傳遞轉矩段的最小直徑公式 中， 3 /d C P n 系數 C與什么有關？ 當材料已確定時， C 值應如何選??？ 計算出的 d 值應經如何處理才能定出最細段直徑

15、？ 此軸徑應放在軸的哪一部分？ 請問： 與軸的材料和軸的承載情況有關 當軸上彎矩相對轉矩較大時， C 值應取大些 根據最細軸段處鍵槽數目的個數適當增大該處 直徑，然后將所得直徑向標準化數值靠攏 軸的最末端，一般是外伸端 機械設計 例題 2： 試分析如下方案圖中雙級斜齒圓柱齒輪減速器的三根軸的 類型是什么？最細軸徑估算公式中 C值如何選??？最細軸 徑是哪一段？ vvF 機械設計 6-3 軸的強度計算 二 按彎扭合成強度計算 此方法針對轉軸 強度計算時需由軸的結構設計確定： 危險截面上的當量應力 (第三強度理論 )： 22c a b T4 b MW TTTW 2TW 2242M W T W 22M

16、 T W 支反力作用點 、外載荷的大小及跨距 3 / 3 2Wd 3 / 1 6TWd 機械設計 注：近似計算時，單、雙鍵槽一般可忽略，花鍵軸截面可視為直徑等 于平均直徑的圓截面 軸的抗彎和抗扭截面系數 機械設計 6-3 軸的強度計算 實際上彎曲應力 b和扭轉應力 T的性質 r可能不同 n F 對于轉軸和轉動的心軸： 彎曲應力 b r = -1 扭剪應力 T T 大小和方向不變 T 大小經常變化，方向不變 T 大小和方向經常變化 r = +1 r = 0 r = -1 a = 0.3 a = 0.6 a = 1 不同的 r， 對軸疲勞強度的影響程度也不同 n 需將不是對稱循環(huán)的扭剪應力折算為對

17、稱循環(huán)變應力 22ca ()M M Ta a：折算系數 當量彎矩： 若 T 的變化規(guī)律不清楚， 一般按脈動循環(huán)處理 ！ 機械設計 6-3 軸的強度計算 設計式： ca3 1 b m m0.1 Md 22 ca ()MT W a 1301 ca b. M d 校核式： 危險截面 Mca最大處 Mca較大且 d 較小處 算出的 d 應考慮危險截面上鍵槽的影響，適當的加大 -1b：對稱循環(huán)變應力作用下的許用彎曲應力， 查表 6-4 機械設計 材 料 b +1 b 0 b -1 b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800

18、 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30 表 6-4 軸的許用彎曲應力 碳素鋼 合金鋼 鑄鋼 靜應力時 的許用彎 曲應力 脈動循環(huán) 時的許用 彎曲應力 對稱循環(huán) 時的許用 彎曲應力 靜應力時 的強度極 限 機械設計 6-3 軸的強度計算 彎扭合成法計算流程： 垂直 面受力 垂直 面彎矩 扭矩 軸的當量彎矩 水平 面受力 水平 面彎矩 合成彎矩 強度不滿足 要求 1ca b 軸的簡化受力圖 重新設計 機械設計 三 按安全系數法計算 一般用途的軸，用“彎扭合成法”進行強度計算即可 重要場合的軸，用

19、基于疲勞強度的“安全系數法”進行強度計算 需考慮軸上的 應力集中 、 軸徑尺寸 和 表面質量 的影響 22ca S SS SSS 轉軸危險截面用安全系數表達的強度條件為： ma K S 1 ma K S 1 Sca 計算安全系數 S 受彎矩作用的安全系數 S 受扭矩作用的安全系數 S 許用安全系數，見表 6-5 機械設計 ma K S 1 ma K S 1 應力集中系數 絕對尺寸系數 表面質量系數 受彎曲時 K 受扭轉時 K 附表 6-16-3 附表 6-4 附表 6-56-7 對稱循環(huán)應力時 材料的疲勞極限 工作應 力幅 工作應力 平均值 等效系數 受彎曲時 -1 a m 受扭轉時 -1 a

20、 m 表 6-1 需計算 需計算 應力集中系數：若同一危險截面處有多種應力集中源，則取其中最大值 10 0 2 10 0 2 機械設計 ma K S 1 ma K S 1 一般轉軸： 固定軸或載 荷隨軸轉： r = -1 a MW 0m 軸單向轉動： 如何計算危險截面上工作應力的平均值和應力幅？ r = 0 WM ma 2 r = 0 2 a m TTW 軸經常正反轉： r = -1 2 aTTW 0m 彎曲應力 扭剪應力 M：危險截面上的彎矩 T：危險截面上的扭矩 3 / 3 2Wd 3 / 1 6TWd 機械設計 短時嚴重過載的軸可能會發(fā)生較大的塑性變形 ma x 0 SS m a x 0

21、 SS 0 2 0 2 0 00 0 SSS SSS 彎矩作用時的靜強度安全系數 扭矩作用時的靜強度安全系數 四 靜強度安全系數法 表 6-6 機械設計 鍵： key；花鍵： spline 主要作用：實現周向固定，傳遞扭矩 主要類型： 平鍵 、 半圓鍵 、 楔鍵 和 切向鍵 普通平鍵 導鍵 滑鍵 A型 B型 C型 兩 端 圓 頭 兩 端 方 頭 一 端 方 一 端 圓 6-5 軸轂連接及計算 類型不同， 軸上鍵槽加 工方法不同 A型 B型 C型 6-5 軸轂連接及計算 平 鍵 鍵是標準件，由專業(yè)廠家生產 一 鍵連接 C型一般 用在軸端 機械設計 軸向滑移距離較短時采用 軸上零件帶動滑鍵一起軸向

22、 滑移。 滑移距離較長時采用 導鍵： 滑鍵： 1、平鍵是靜連接；導鍵和滑鍵是動連接 2、平鍵的工作面是兩側面 3、鍵的上表面與輪轂槽底間留有間隙 4、輪轂鍵槽沿軸線方向全部打通 T 拉刀： 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 半圓鍵 楔鍵 半圓鍵、楔鍵和切向鍵都屬 于靜連接 上下面為工作面。靠摩擦力傳遞轉矩 切向鍵 由一對楔鍵構成。用于軸徑大、載荷大 的連接 工作面為兩側面。鍵槽深，削弱軸強度 用于錐形軸與輪轂的連接 能承受單身軸向載荷，實現單向軸向固定 用于要求不高、載荷平穩(wěn)和低速連接 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 二 鍵連接的選擇 根據連接的結構特點，使用要求和工作條件選定 靜連接 ：

23、動連接 ： 普通平鍵、半圓鍵、楔鍵、花鍵 導鍵、滑鍵、花鍵 類型： 平鍵尺寸： 橫截面尺寸 b h 鍵公稱長度 L 一般略短于輪轂寬度 B b h 由軸徑 d 查標準確定 普通平鍵由輪轂寬度 B確定 導鍵長度由滑移距離確定 鍵的長度還須符合標準規(guī)定的長度系列 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 三 平鍵連接的校核 靜聯(lián)接 ： 動聯(lián)接 ： 工作面被 壓潰 失效： 校核計算： 工作面 磨損 強度問題 耐磨性問題 T h 2 工作面上擠壓應力： 2/ 0.5 Td hlp /2 P hl 4T hld l 為鍵的 工作長度 l = L b (A型 ) l = L (B型 ) l = L - b/2 (

24、C型 ) 擠壓強度條件： pp 4 M P aT hld 靜連接 ： 偶爾工作面被剪斷 失效一定發(fā)生在鍵上嗎？ 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 動連接 ： 限制工作面上壓強： 4T p hld M P ap p、 p為鍵、軸、輪轂三者中強度最弱者的許用值，查 若鍵的強度不夠，怎么辦？ 1、適當增加鍵長 2、采用雙鍵 3、采用花鍵 兩鍵成 180 方向布置 強度校核時按 1.5個鍵進行 一根軸上若有多個 鍵槽 (不同軸段 )， 應安排在同一母線方 向，以減少裝夾次數 表 5-1 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 四 花鍵連接 內花鍵： 外花鍵： 齒多、槽淺，應力集中小，對中性、導向性好 工作面

25、為兩側面，用于重載、變載或對中性要求高的靜或動連接 矩形花鍵： 漸開線花鍵： 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 銷： spin 五 銷連接 分類 定位銷、連接銷、安全銷 形式 圓柱銷、圓錐銷、彈性銷、開口銷及特殊形狀銷等 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 六 成型連接 裝拆方便，定心性好，承載能力高，但加工復雜，成本高 七 過盈連接 6-5 軸轂連接及計算 機械設計 6-4 軸的設計方法及綜合示例 初算軸的最細處直徑 進行結構設計 進行強度驗算 剛度驗算 振動穩(wěn)定性計算 選擇軸的材料 軸的設計方法： 對于階梯直軸，一般流程是： 軸的設計并無固定不變的步驟，視具體情況而定 3 PdC n 有特殊要求 時才進行 6-4 軸的設計方法及綜合示例