機(jī)械設(shè)計(jì)之軸的設(shè)計(jì)

軸的設(shè)計(jì)本章目錄工程應(yīng)用問題思考

軸是直接支持傳動(dòng)零件和其它軸上零件以傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的重要零件。機(jī)器的工作能力和工作質(zhì)量在很大程度上與軸有關(guān)。軸一般都是非標(biāo)準(zhǔn)件。本部分包括軸的分類、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度計(jì)算、減少應(yīng)力集中、改善受力、軸系組裝、軸系結(jié)構(gòu)舉例與改錯(cuò)等內(nèi)容。總目錄教學(xué)要求重點(diǎn)難點(diǎn)本章目錄

概述

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的工作能力設(shè)計(jì)分目錄上一頁概述軸的分類軸的材料軸設(shè)計(jì)的主要問題上一頁分目錄軸的分類分目錄上一頁軸的分類分目錄上一頁返回軸的分類分目錄上一頁返回軸的分類分目錄上一頁返回軸的分類分目錄上一頁返回軸的分類分目錄上一頁返回軸的分類分目錄上一頁返回軸的分類分目錄上一頁返回軸的分類分目錄上一頁返回軸的材料對(duì)軸材料的要求

除具有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)具備足夠的塑性、沖擊韌性、抗磨損性和抗腐蝕性；對(duì)應(yīng)力集中的敏感性??；具有良好的工藝性；能通過各種熱處理方式提高軸的疲勞強(qiáng)度。軸材料的選擇（詳見表）

主要采用碳素鋼和合金鋼。碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小，應(yīng)用廣泛。

常用的碳鋼有30~50鋼，最常用的是45鋼。為保證其力學(xué)性能，應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。不重要的或受力較小的軸及一般傳動(dòng)軸可使用Q235~Q275。分目錄上一頁軸的材料

合金鋼具有較高的強(qiáng)度，可淬性也較好，可以在傳遞大功率并要求減少質(zhì)量和提高軸頸耐磨性時(shí)采用。常用的合金鋼有12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr和38SiMnMo等。

高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵有良好的工藝性，并具有價(jià)廉、吸振性和耐磨性好以及對(duì)應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點(diǎn)，適用于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的軸（如曲軸、凸輪軸等）。軸的毛坯選擇

當(dāng)軸的直徑較小而又不太重要時(shí)，可采用軋制圓鋼；重用的軸應(yīng)當(dāng)采用鍛造坯件；對(duì)于大型的低速軸，也可采用鑄件。分目錄上一頁軸設(shè)計(jì)的主要問題1.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。2.

軸的強(qiáng)度計(jì)算：多數(shù)情況下軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時(shí)只需對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。3.軸的剛度計(jì)算：對(duì)剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止工作時(shí)產(chǎn)生過大的彈性變形。4.軸的穩(wěn)定性計(jì)算：對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，以防止發(fā)生共振而破壞。分目錄上一頁軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬定軸上零件的裝配方案軸上零件的固定各軸段直徑和長度的確定提高軸的強(qiáng)度的措施軸系設(shè)計(jì)舉例軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)分目錄上一頁擬定軸上零件的裝配方案

擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預(yù)定出軸上主要零件裝配方向、順序和相互關(guān)系。如下圖：軸系組裝仿真：斜齒輪軸系分目錄上一頁錐齒輪軸系軸系組裝仿真斜齒輪軸系分目錄上一頁單擊…返回軸系組裝仿真錐齒輪軸系單擊…分目錄上一頁返回軸上零件的固定零件在軸上的周向固定

為了滿足機(jī)器傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩的要求，軸上零件還必須作可靠的周向固定，常用的軸向固定方法有：1.鍵聯(lián)接2.花鍵聯(lián)接3.成型聯(lián)接4.彈性環(huán)聯(lián)接5.銷聯(lián)接6.過盈聯(lián)接分目錄上一頁零件在軸上的周向固定分目錄上一頁返回零件在軸上的周向固定分目錄上一頁返回零件在軸上的周向固定分目錄上一頁返回零件在軸上的周向固定分目錄上一頁返回零件在軸上的周向固定分目錄上一頁返回零件在軸上的周向固定分目錄上一頁軸上零件的固定零件在軸上的軸向固定分目錄上一頁零件在軸上的軸向固定分目錄上一頁零件在軸上的軸向固定注意：ra＜C＜a,ra＜r＜a。分目錄上一頁零件在軸上的軸向固定分目錄上一頁零件在軸上的軸向固定分目錄上一頁零件在軸上的軸向固定分目錄上一頁零件在軸上的軸向固定分目錄上一頁返回各軸段直徑和長度的確定直徑的確定有配合要求的直徑，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）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。長度的確定

軸的各段長度主要根據(jù)各零件與配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間必要的空隙來確定。

為保證軸向定位可靠，軸轂配合部分的軸段長度應(yīng)比輪轂長度短2~3mm。分目錄上一頁返回提高軸的強(qiáng)度的措施

為了提高軸的承載能力，減小軸的尺寸，可從以下兩個(gè)方面采取措施：改善受力減少應(yīng)力集中分目錄上一頁改善受力轉(zhuǎn)軸改為心軸分目錄上一頁改善受力改進(jìn)軸上零件結(jié)構(gòu)，減少軸受彎矩分目錄上一頁改善受力分目錄上一頁改善受力改變支點(diǎn)位置，改善軸的強(qiáng)度和剛度分目錄上一頁改善受力采用力平衡或局部相互抵消的辦法減小軸的載荷分目錄上一頁返回減少應(yīng)力集中分目錄上一頁減少應(yīng)力集中分目錄上一頁減少應(yīng)力集中分目錄上一頁減少應(yīng)力集中分目錄上一頁返回軸的結(jié)構(gòu)工藝性

軸的結(jié)構(gòu)工藝性是指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，并且生產(chǎn)率高，成本低。

為了便于裝配零件并去毛刺，軸端應(yīng)倒角；需要磨削加工的軸段，應(yīng)留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽。

為了減少裝夾工件的時(shí)間，同一軸上不同軸段的鍵槽應(yīng)布置在軸的同一母線上分目錄上一頁返回軸系設(shè)計(jì)舉例請(qǐng)完成如圖所示的軸系設(shè)計(jì)。請(qǐng)選擇齒輪的裝配方向分目錄上一頁軸系設(shè)計(jì)舉例分目錄上一頁返回軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)圖中有一處錯(cuò)誤，請(qǐng)改正。錯(cuò)誤原因r>c

使得軸上零件與軸肩的配合不夠緊密。分目錄上一頁軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)圖中有四處錯(cuò)誤，請(qǐng)改正。錯(cuò)誤原因4.圓螺母無法裝入。1.軸肩太高，滾動(dòng)軸承無法拆卸。2.軸上未留退刀槽，不便于螺紋加工。3.軸承左邊造成過定位。分目錄上一頁軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)圖中有三處錯(cuò)誤，請(qǐng)改正。錯(cuò)誤原因3.滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的配合為過盈配合，無需鍵聯(lián)接。1.輪轂上鍵槽未開通，零件無法裝入。2.套筒無法裝入應(yīng)改為軸肩。分目錄上一頁軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)錯(cuò)誤原因圖中有三處錯(cuò)誤，請(qǐng)改正。3.同一軸上的兩個(gè)平鍵應(yīng)布置在同一母線，否則不便于軸的加工。1.鍵太長，右端套筒無法裝入。2.輪轂上鍵槽未開通，右端齒輪無法裝入。分目錄上一頁軸的工作能力設(shè)計(jì)

軸的工作能力設(shè)計(jì)包括強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算、振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，一般的軸只需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。軸的強(qiáng)度計(jì)算主要有三種方法：1.許用切應(yīng)力計(jì)算2.許用彎曲應(yīng)力計(jì)算3.安全系數(shù)校核計(jì)算分目錄上一頁強(qiáng)度計(jì)算分目錄上一頁強(qiáng)度計(jì)算受轉(zhuǎn)矩T(N.mm)的實(shí)心圓軸，其切應(yīng)力寫成設(shè)計(jì)公式，軸的最小直徑上兩式中WT——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；P——軸傳遞的功率，kW；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；[τT]——許用切應(yīng)力，MPa；C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，可由表查得。對(duì)于受彎矩較大的軸宜取較小的[τT]值。當(dāng)軸上有鍵槽時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大軸徑：?jiǎn)捂I增大3%，雙鍵增大7%。分目錄上一頁返回強(qiáng)度計(jì)算分目錄上一頁強(qiáng)度計(jì)算

軸完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，軸上零件的位置均以確定，則外載荷和支點(diǎn)反力的作用點(diǎn)也隨之而定。畫出軸的空間受力簡(jiǎn)圖后，即可進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算步驟如下：

1.將軸上作用力分解為水平面受力圖和垂直面受力圖,求出水平面上和垂直面上的支點(diǎn)反力。

2.分別作出水平面上的彎矩Mxy圖和垂直面上的彎矩Mxz圖。3.作出合成彎矩圖。4.作出轉(zhuǎn)矩T圖。5.計(jì)算當(dāng)量彎矩，畫出當(dāng)量彎矩圖。式中α為考慮彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的循環(huán)特征不同而引入的修正系數(shù)。通常彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變化，而扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力隨工作情況而變化。分目錄上一頁強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定不變時(shí)，；當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化時(shí)，，當(dāng)轉(zhuǎn)矩對(duì)稱變化時(shí)（軸頻繁正反轉(zhuǎn)），其中、、分別為靜應(yīng)力、脈動(dòng)應(yīng)力、和對(duì)稱應(yīng)力下軸的許用彎曲應(yīng)力，單位均為Mpa,其值見表。6.校核危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度?；蚴街蠾---軸的抗彎截面系數(shù)。分目錄上一頁返回強(qiáng)度計(jì)算分目錄上一頁教學(xué)要求分目錄上一頁重點(diǎn)難點(diǎn)分目錄上一頁

軸系組裝仿真

軸系設(shè)計(jì)

軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)

改善受力工程應(yīng)用分目錄上一頁工程應(yīng)用分目錄上一頁工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程應(yīng)用分目錄上一頁返回工程