机械设计习题集课件.ppt
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1、 周建波教授周建波教授 天津职业大学机电学院天津职业大学机电学院 6/3/2023第10章 轴和轴毂联接 10.1 概述概述 10.2 轴的材料轴的材料 10.3 轴及轴系的结构设计轴及轴系的结构设计 10.4 轴的设计计算轴的设计计算 10.5 轴毂轴毂联接联接 6/3/20231 轴是组成机器最基本的重要零件之一,其主要轴是组成机器最基本的重要零件之一,其主要功能是传递运动和转矩支撑回转零件(如齿轮、带功能是传递运动和转矩支撑回转零件(如齿轮、带轮)。轴一般都要有足够的强度、合理的结构和良轮)。轴一般都要有足够的强度、合理的结构和良好的工艺性。好的工艺性。(一)、轴的分类和应用特点(一)、
2、轴的分类和应用特点1、按轴线形状不同,轴可分为直轴、曲轴和软轴、按轴线形状不同,轴可分为直轴、曲轴和软轴三种。三种。6/3/20232(1 1)直轴:直轴:中心线为一直线的轴称为直轴。中心线为一直线的轴称为直轴。在轴的全长在轴的全长上直径都相等的直轴称为光轴上直径都相等的直轴称为光轴,如图如图10-1(a)10-1(a)所示所示;各段直径不等的直轴称为阶梯轴各段直径不等的直轴称为阶梯轴,如图如图10-10-1(b)1(b)所示。所示。6/3/20233 由由于于阶阶梯梯轴轴上上零零件件便便于于拆拆装装和和固固定定,又又利利于于节节省省材材料料和和减减轻轻重重量量,因因此此在在机机械械中中应应用
3、用最最普普遍遍。在在某某些些机机器器中中也也有有采采用用空空心心轴轴(见见图图10 10-1(c)1(c)的的,以以减减轻轻轴轴的的重重量量或或利利用用空空心心轴轴孔孔输输送送润润滑滑油油、冷却液等。冷却液等。6/3/20234 图 10-1 直轴(a)光轴;(b)阶梯轴;(c)空心轴 6/3/20235(2 2)曲轴:曲轴:中中心心线线为为折折线线的的轴轴称称为为曲曲轴轴,如如图图10 10-2 2所所示示。它它主主要要用用在在需需要要将将回回转转运运动动与与往往复复直直线运动相互转换的机械中。线运动相互转换的机械中。6/3/20236图 10-2 曲轴 6/3/20237(3 3)挠性软轴
4、:挠性软轴:能能把把旋旋转转运运动动灵灵活活地地传传到到任任何何位位置置的的钢钢丝丝软轴称为挠性软轴软轴称为挠性软轴,如图如图10-3 10-3 所示。所示。它它由由多多组组钢钢丝丝分分层层卷卷绕绕而而成成(见见图图10 10-4),4),其其特特点点是是具具有有良良好好的的挠挠性性。它它常常用用于于医医疗器械和小型机具等移动设备上。疗器械和小型机具等移动设备上。6/3/20238图 10-3 钢丝软轴 6/3/20239图 10-4 钢丝软轴的结构 6/3/2023102.2.按承载情况不同分类按承载情况不同分类 (1)(1)转轴:转轴:工工作作中中同同时时受受弯弯矩矩和和扭扭矩矩的的轴轴称
5、称为为转转轴轴。转转轴轴在在各各种种机机器器中中最最常常见见,如如减减速速箱箱中中的的齿齿轮轮轴轴(见图见图10-5)10-5)。(2)(2)传动轴传动轴:只只受受扭扭矩矩不不受受弯弯矩矩或或所所受受弯弯矩矩很很小小的的轴轴称称为传动轴。为传动轴。如汽车传动轴如汽车传动轴(见图见图10-6)10-6)。6/3/202311(3)(3)心轴:心轴:只承受弯矩的轴称为心轴。只承受弯矩的轴称为心轴。心轴又分为心轴又分为转动心轴和固定心轴转动心轴和固定心轴,前者如机车车轴前者如机车车轴(见图见图10-7(a),10-7(a),后者如自行车的前轴后者如自行车的前轴(见图见图10-10-7(b)7(b)。
6、6/3/202312图 10-5 转轴 工作中同时受弯矩和扭矩的轴称为转轴工作中同时受弯矩和扭矩的轴称为转轴 6/3/202313图 10-6 传动轴 只受扭矩不受弯矩或所受弯矩很小的轴称为传动轴只受扭矩不受弯矩或所受弯矩很小的轴称为传动轴 6/3/202314 图 10-7 心轴(a)机车车轴;(b)自行车前轴轴小结jb140101.swf只承受弯矩的轴称为心轴 6/3/202315 10.1.2 轴设计的要求和一般步骤 1.轴设计的基本要求 不同机械对轴有不同的设计要求,基本包括以下三方面:(1)合理的结构和良好的工艺性,以保证零件具有可靠的轴向和周向定位,并利于加工;(2)具有足够的强度
7、,以承受设计要求的工作载荷;(3)具有足够的刚度和良好的稳定性。6/3/2023162.2.轴设计的一般步骤轴设计的一般步骤(1)(1)选择轴的材料;选择轴的材料;(2)(2)初步估算轴的基本直径;初步估算轴的基本直径;(3)(3)进行轴的结构设计;进行轴的结构设计;(4)(4)进行轴的强度、进行轴的强度、刚度或稳定性等验算;刚度或稳定性等验算;(5)(5)绘制轴的工作图。绘制轴的工作图。6/3/20231710.2 轴的材料 1.1.碳素钢碳素钢 碳碳素素钢钢比比合合金金钢钢价价廉廉,对对应应力力集集中中不不敏敏感感,并并可可用用热热处处理理的的方方法法改改善善其其力力学学性性能能。一一般般
8、机机械械中中常常用用3535、4545、5050钢钢等等优优质质碳碳素素钢钢,并并进进行行正正火火或或调调质处理质处理,其中以其中以4545钢用得最为广泛。钢用得最为广泛。不不重重要要的的、受受力力较较小小的的轴轴可可采采用用Q235Q235、Q275Q275等碳素结构钢。等碳素结构钢。6/3/2023182.2.合金钢合金钢 合合金金钢钢具具有有较较高高的的力力学学性性能能和和良良好好的的热热处处理理工工艺艺性性,但但对对应应力力集集中中比比较较敏敏感感,且且价价格格较较贵贵,多多用用于于高高速速、重重载载及及有有特特殊殊要要求求的的轴轴材材料料。对对于于耐耐磨磨性性要要求求较较高高的的轴轴
9、,可可选选用用20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等等低低碳碳合合金金钢钢,进进行行渗渗碳碳淬淬火火处处理理。对对于于在在高高温温、高高速速和和重重载载条条件件下下工工作作的的轴轴,可选用可选用38CrMoAlA38CrMoAlA、40CrNi40CrNi等合金结构钢。等合金结构钢。6/3/202319 由于在一般工作温度下由于在一般工作温度下,碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢的弹性模量相差无几的弹性模量相差无几,因此因此,不能用合金钢代不能用合金钢代替碳素钢来提高轴的刚度。替碳素钢来提高轴的刚度。轴的毛坯通常用锻件和热轧圆钢。轴的毛坯通常用锻件和热轧圆钢。对于对于某些结构外形复杂的
10、轴可采用铸钢或球墨铸铁某些结构外形复杂的轴可采用铸钢或球墨铸铁,后者具有吸震性、后者具有吸震性、耐磨性好、耐磨性好、价格低廉、价格低廉、对应力集中敏感性差等优点。对应力集中敏感性差等优点。表表10-110-1列出了几种轴的常用材料及其力列出了几种轴的常用材料及其力学性能。学性能。6/3/202320表10-1 轴的常用材料及其主要力学性能 6/3/20232110.3 轴及轴系的结构设计 一、轴系的结构简介 6/3/202322轴上各部分名称如图所示 6/3/202323二、轴的结构简介jb1403.swf(一)(一)零件在轴上的轴向固定零件在轴上的轴向固定 零件在轴上的轴向固定方法很多零件在
11、轴上的轴向固定方法很多,如图如图10 10-8-8 所示所示,选择时要综合考虑零件在轴上的位选择时要综合考虑零件在轴上的位置、置、轴向力的大小、轴向力的大小、具体的安装条件等。具体的安装条件等。6/3/202324 (1).轴肩和轴环 阶梯轴上常采用轴肩或轴环定位,如图10-8所示。轴肩或轴环是阶梯轴上截面变化的部分,由定位面和过渡圆角组成。轴肩结构简单,能承受较大的轴向力,应用较多。6/3/202325图 10 8 轴肩和轴环 6/3/202326表10-2 轴肩圆角半径 6/3/202327 (2).套筒 在轴的中部,当两个零件间距离较小时,常采用套筒作相对固定,如图10-9所示。使用套筒
12、可简化轴的结构,避免在轴上制出螺纹、环形槽等,能有效地提高轴的疲劳强度,但增加了一些重量,故套筒不应太长。且因套筒与轴的配合较松,所以也不宜用于高速轴。6/3/202328图 10-9 套筒的使用 6/3/202329 (3)圆螺母 圆螺母可承受较大的轴向力,但在螺纹处有应力集中,会降低轴的疲劳强度,故其多用于固定装在轴端的零件,一般采用细牙螺纹。为防止圆螺母松脱,可采用加止动垫圈或用双圆螺母(见图10-10)。6/3/202330图 10 10 圆螺母 6/3/202331 (4).挡圈 挡圈通常与轴肩联合使用定位,常用的有螺钉锁紧挡圈、弹性挡圈和轴端挡圈三种。6/3/202332图 10-
13、11 轴上零件的轴向固定方法 6/3/202333 (二)零件在轴上的周向周向固定 为了传递运动和转矩,防止轴上零件与轴作相对转动,必须有可靠的周向固定。转动零件与轴的周向固定所形成的联结,称为轴毂联结。轴毂联结的形式很多,常用的周向固定方法有键、花键,成形、销,弹性环、过盈等联结,如图10-13所示。6/3/202334图 10-13 轴上零件常用的周向固定方法 6/3/202335图 10-13 轴上零件常用的周向固定方法 6/3/202336 (三)轴的结构工艺性 设计轴的结构时,应使轴的结构形状便于加工、装配和维修。例如,对于需要磨削的轴段,应留有砂轮越程槽,如图10-14所示;对于需
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