文档介绍：十七轴的设计
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【重点】掌握轴的强度计算和结构设计;
【难点】轴的结构设计
:多媒体和演示柜教学
正文
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轴是组成机器的重要零件之一,各种作回转(或摆动)运动的零件(如齿轮、带轮等)都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此,轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。
一、轴的分类和用途
轴有不同的分类方法,也有不同类型的轴。常用的分类方法有两类: 1)根据轴线的形状不同分类;2)根据承受载荷不同分类。
1、直轴
图12-1
直轴按外形可以分为光轴和阶梯轴,如图所示。阶梯轴便于轴上零件的拆装和定位。
图12-4
图12-2
图12-3
轴一般做成实心的,但为了减轻重量或满足某种功能,则可以做成空心轴。所以按轴的结构可以分为实心轴和空心轴,如图所示。
2、曲轴
图12-5
常用于往复式机械中,例如内燃机、空气压缩机等。可以实现直线运动与旋转运动的转换。
3、钢丝软轴(挠性轴)
它不受任何空间的限制,可以将扭转或旋转运动灵活地传到任何所需的位置,常用于医疗设备、操纵机构、仪表等机械中。
图12-6
1、转轴
同时承受扭矩和弯曲载荷的作用,例如齿轮减速器中的轴,如图所示。
2、心轴
图12-7
心轴只需承受弯矩而不传递转距,例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等。按轴旋转与否分为转动心轴和固定心轴两种,如图所示。
3、传动轴
只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴。例如图所示的汽车传动轴。
图12-8
二、轴的材料
由于轴工作时产生的应力多为变应力,所以轴的失效多为疲劳损坏,因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的应力集中敏感性和良好的加工性能等。
轴的主要材料是碳钢和合金钢。
碳钢:价格低廉,对应力集中的敏感性较低,可以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。常用的有35、40、45、50钢,其中以45钢使用最广。对于受力较小的或不太重要的轴,可以使用Q235、Q275等普通碳素钢。
合金钢:对于要求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴,可以采用合金钢材料。耐磨性要求较高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢;要求较高的轴可以使用40Cr(或用35SiMn、40MnB代替)、40CrNi(或用38SiMnMo代替)等进行热处理。
合金钢比碳素钢机械强度高,热处理性能好。但对应力集中敏感性高,价格也较高。设计时应特别注意从结构上避免和降低应力集中,提高表面质量等。
对于形状复杂的轴,如曲轴、凸轮轴等,也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工,易于得到所需形状,而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性,对应力集中的敏感性也较低。
同时应该知道,在一般工作温度下,各种碳钢和合金钢的弹性模量相差不大,故在选择钢的种类和热处理方法时,所依据的主要是强度和耐磨性,而不是轴的弯曲刚度和扭转刚度等。
轴的常用材料见教材。
三、轴的设计内容及应考虑的主要问题
与其它零件一样,轴的设计包括两个方面的内容:
1)轴的结构设计:即根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工艺等方面的要求,合理确定轴的结构形状和尺寸。
2)轴的工作能力设计:即从强度、刚度和振动稳定性等方面来保证轴具有足够的工作能力和可靠性。对于不同机械的轴的工作能力的要求是不同的,必须针对不同的要求进行。但是强度要求是任何轴都必须满足的基本要求。
设计轴时主要应该满足轴的强度要求和结构要求;对于刚度要求较高的轴(例如机床主轴),主要应该满足刚度要求;对于一些高速旋转的轴(例如高速磨床主轴、气轮机主轴等),要考虑满足振动稳定性的要求,另外要根据装配、加工、受力等具体要求,合理确定轴的形状和各部分的尺寸,即进行轴的结构设计。
同时应当注意:在转轴设计中,因为转轴工作时受到弯矩和转距的联合作用,而弯矩是与轴上载荷的大小及轴上零件相互位置有关的,所以在轴的结构尺寸未确定之前,轴上的载荷的大小及分布情况以及支反力的作用点还不能确定,无法求出轴锁承受的弯矩,因此不能对轴进行强度计算。
所以,轴的设计程序是:先根据扭转强度(或扭转刚度)条件,初步确定轴的最小直径;然后,根据轴上零件的相互关系和定位要求,以及轴的加工、装配工艺性等,合理地拟订轴的结构形状和尺寸;在此基础上,再对较为重要的轴进行强度校核。只有在需要时,才进行轴的刚度或振动稳定性校核。
因而,轴的设计区别于其它零件设计过程的显著特点是:必须先进行结构设计,然后才能进行工作能力的核算。
轴的基本直径估算
图12-9
如图所示为一既受弯矩又受扭矩的转轴。已知:齿轮的模数m,齿数z,齿宽b,轴的转速n(r/mi