第16章 轴

16.2 轴的结构设计
轴的结构设计的目的: 轴的结构设计的目的: 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. 设计的主要要求: 设计的主要要求: 1.满足制造安装要求,轴应便于加工,轴上零件要 满足制造安装要求,轴应便于加工, 满足制造安装要求 方便装拆; 方便装拆; 2.满足零件定位要求,轴和轴上零件有准确的工作 满足零件定位要求, 满足零件定位要求 位置,各零件要牢固而可靠地相对固定; 位置,各零件要牢固而可靠地相对固定; 3.满足结构工艺性要求,使加工方便和节省材料; 满足结构工艺性要求,使加工方便和节省材料; 满足结构工艺性要求 4.满足强度要求,尽量减少应力集中等. 满足强度要求,尽量减少应力集中等. 满足强度要求
d
h C1
D
r
d
图16-15 轴肩的圆角和倒角 -
在采用套筒,螺母,轴端挡圈作轴向固定时, 在采用套筒,螺母,轴端挡圈作轴向固定时,应把装 零件的轴段长度做得比零件轮毂短2~3mm,以确保套筒, 零件的轴段长度做得比零件轮毂短 ,以确保套筒, 螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面. 螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面.
表16-1 轴的常用材料及其主要机械性能 16-
材料及 热处理 Q235 35正火 45正火 45调质 ≤ 100 ≤100 ≤200 25 40Cr调质 <100 >100～300 40MnB调质 35CrMo调质 20Cr渗碳 淬火回火 QT400-100 QT600-2 25 ≤200 ≤100 15 ≤60 - - 241～286 207～269 表面HRC 56～62 156～197 197～269 241～286 241～266 149～187 170～217 217～255 毛坯 直径 /mm 硬度 HB 强度 极限 屈服 极限 MPa 440 520 600 650 1000 750 700 1000 750 750 850 650 400 600 240 270 300 360 800 550 550 800 500 550 550 400 300 200 200 250 275 300 500 350 340 485 335 390 375 280 145 215 性能接近于40Cr,用于重 要的轴 用于受重载荷的轴 用于要求强度,韧性及耐 磨性均较高的轴 结构复杂的轴 结构复杂的轴 用于载荷较大,而无很大 冲击的重要的轴 用于不重要或载荷不大的 轴 塑性好和强度适中,可做 一般曲轴,转轴等 用于较重要的轴,应用最 为广泛 弯曲疲 劳极限 应用说明
16.1.2 轴的材料 在轴的设计中,首先要选择合适的材料. 在轴的设计中,首先要选择合适的材料.轴的材 料常采用碳素钢 合金钢. 碳素钢和 料常采用碳素钢和合金钢. 碳素钢有 , , 等优质中碳钢 等优质中碳钢. 碳素钢有35,45,50等优质中碳钢.它们具有较 高综合机械性能,因此应用较多,特别是45号钢应用 高综合机械性能,因此应用较多,特别是 号钢应用 最为广泛.为了改善碳素钢的机械性能,应进行正火 最为广泛.为了改善碳素钢的机械性能, 或调质处理.不重要或受力较小的轴,可采用Q237, 或调质处理.不重要或受力较小的轴,可采用 , Q275等普通碳素钢. 等普通碳素钢. 等普通碳素钢 合金钢具有较高的机械性能 但价格较贵, 具有较高的机械性能, 合金钢具有较高的机械性能,但价格较贵,多用 于有特殊要求的轴.例如采用滑动轴承的高速轴, 于有特殊要求的轴.例如采用滑动轴承的高速轴,常 等低碳合金钢, 用20Cr, 20CrMnTi等低碳合金钢,经渗碳淬火后可 , 等低碳合金钢 提高轴颈耐磨性;汽轮发电机转子轴在高温, 提高轴颈耐磨性;汽轮发电机转子轴在高温,高速和 重载条件下工作,必须具有良好的高温机械性能, 重载条件下工作,必须具有良好的高温机械性能,常 采用27Cr2Mo1V, 38CrMoA1A等合金结构钢. 等合金结构钢. 采用 , 等合金结构钢
轴的结构(轴系拆装动画 轴系拆装动画) 图16-8 轴的结构 轴系拆装动画)
倒角
退刀槽
①
②
③
④
⑤⑥ ⑦
轴上磨削的轴段,应有砂轮越程槽; 轴上磨削的轴段,应有砂轮越程槽; 砂轮越程槽 车制螺纹的轴段,应有退刀槽 退刀槽; 车制螺纹的轴段,应有退刀槽; 在满足使用要求的情况下, 在满足使用要求的情况下,轴的形状和尺寸应力求简 以便于加工. 单,以便于加工.
轴系拆装动画
16.2.2 零件轴向和轴向定位 16.2.2.1 轴上零件的轴向定位和固定 阶梯轴上截面变化处叫轴肩,利用轴肩和轴环进行 阶梯轴上截面变化处叫轴肩,利用轴肩和轴环进行 轴肩 轴肩和轴环 轴向定位,其结构简单,可靠,并能承受较大轴向力. 轴向定位,其结构简单,可靠,并能承受较大轴向力. 图中, 间的轴肩使带轮定位; 图中,①,②间的轴肩使带轮定位; 轴环⑤ 轴环⑤ 使齿轮在 轴上定位; 轴上定位;⑥ ,⑦间的轴肩使右端滚动轴承定位. 间的轴肩使右端滚动轴承定位.
图16-9 圆螺母定位 -
在端部可以用圆锥面定位 如图16- ), ),圆锥面定 (如图 -10),圆锥面定 位的轴和轮毂之间无径向间 装拆方便,能承受冲击, 隙,装拆方便,能承受冲击, 但锥面加工较为麻烦. 但锥面加工较为麻烦.
图16-10 圆锥面定位 -
和图16- 中的挡圈和弹性挡圈定位结构 图16-11和图 -12中的挡圈和弹性挡圈定位结构 - 和图 简单,紧凑,能承受较小的轴向力,但可靠性差, 简单,紧凑,能承受较小的轴向力,但可靠性差,可在 不太重要的场合使用. 不太重要的场合使用.
第16章 章
16.1 16.2 16.3 16.4
轴
轴的类型与材料 轴的结构设计 轴的强度计算 轴的刚度计算
16.1 轴的类型与材料
16.1.1 轴的功用和类型 功用:轴是机器中的重要零件之一, 功用:轴是机器中的重要零件之一,用来支持旋转零 如齿轮,带轮等. 件,如齿轮,带轮等. 转轴- 转轴-即承受转矩又承受弯矩 类 根据承受载荷不同 型
图16-14 销定位 -
16.2.2.2 轴上零件的轴向固定 轴上零件轴向固定的目的是使其能同轴一起转动 并传递转矩.轴上零件的周向固定,大多采用键. 并传递转矩.轴上零件的周向固定,大多采用键.花 键或过盈配合等联接形式.具体可参考第13和 章内 键或过盈配合等联接形式.具体可参考第 和14章内 容.
图16-5 曲轴 -
16.1 轴
16.1.1 轴 轴 转
类 型
转轴- 转轴-即承受转矩又承受弯矩 根据承受载荷不同 轴- 轴- 承受转矩 轴 轴- 轴- 承受弯矩 光轴 转 轴 轴 轴 根据轴 不同 轴 轴
图16-6 挠性轴 -
另外,为减轻轴的重量,还可以将轴制成空心的形式, 另外,为减轻轴的重量,还可以将轴制成空心的形式, 如图16- 所示 所示. 如图 -7所示.
16.2.3 结构工艺性要求 轴的形状,从满足强度和节省材料考虑, 轴的形状,从满足强度和节省材料考虑,最好是等强 度的抛物线回转体.但这种形状的轴既不便于加工, 度的抛物线回转体.但这种形状的轴既不便于加工,也不 便于轴上零件的固定;从加工考虑, 便于轴上零件的固定;从加工考虑,最好是直径不变的光 但光轴不利于轴上零件的装拆和定位. 轴,但光轴不利于轴上零件的装拆和定位. 由于阶梯轴接近于等强度, 由于阶梯轴接近于等强度,而且便于加工和轴上零件 的定位和装拆,所以实际上轴的形状多呈阶梯形. 的定位和装拆,所以实际上轴的形状多呈阶梯形.为了能 选用合适的圆钢和减少切削加工量, 选用合适的圆钢和减少切削加工量,阶梯轴各轴段的直径 不宜相差太大,一般取( 不宜相差太大,一般取(5~10)mm. ) .
16.1.2 制造安装要求 为了方便轴上零件的装拆,常将轴做成阶梯状 阶梯状. 为了方便轴上零件的装拆,常将轴做成阶梯状. 对于一般剖分式箱体中的轴, 对于一般剖分式箱体中的轴,它的直径从轴端逐渐向 中间增大.如图16- 所示 可依次将齿轮,套筒, 所示, 中间增大.如图 -8所示,可依次将齿轮,套筒, 左端滚动轴承,轴承盖和带轮从轴的左端装拆, 左端滚动轴承,轴承盖和带轮从轴的左端装拆,另一 滚动轴承从右边装拆.为使零件易于安装, 滚动轴承从右边装拆.为使零件易于安装,轴端及各 轴段的端部应有倒角. 轴段的端部应有倒角.
图16-3 - 固定心轴
图16-4 - 转动心轴
16.1 轴
16.1.1 轴 轴 转
类 型
转轴- 转轴-即承受转矩又承受弯矩 根据承受载荷不同 轴- 轴- 承受转矩 轴 轴- 轴- 承受弯矩 光轴 转 轴 轴 轴 根据轴 不同
16.1 轴
16.1.1 轴 轴 转
类 型
转轴- 转轴-即承受转矩又承受弯矩 根据承受载荷不同 轴- 轴- 承受转矩 轴 轴- 轴- 承受弯矩 光轴 转 轴 轴 轴 根据轴 不同 轴
图16-7 空心轴 -
轴的设计,主要是根据工作要求并考虑制造工艺因素, 轴的设计,主要是根据工作要求并考虑制造工艺因素, 选用合适的材料,进行结构设计,经过强度和刚度计算, 选用合适的材料,进行结构设计,经过强度和刚度计算, 定出轴的结构形状和尺寸.高速时还要考虑振动稳定性. 定出轴的结构形状和尺寸.高速时还要考虑振动稳定性.
值得注意的是: 值得注意的是:钢材的种类和热处理对其弹性模量的 影响甚小, 影响甚小,因此如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的 刚度,并无实效.此外,合金钢对应力集中的敏感性较高, 刚度,并无实效.此外,合金钢对应力集中的敏感性较高, 因此设计合金钢时,更应从结构上避免或减小应力集中, 因此设计合金钢时,更应从结构上避免或减小应力集中, 并减小其表面粗糙度. 并减小其表面粗糙度. 轴的毛坯一般用圆钢或锻件.有时也可采用铸钢或球 轴的毛坯一般用圆钢或锻件.有时也可采用铸钢或球 圆钢或锻件 墨铸铁.例如,用球墨铸铁制造曲轴,凸轮轴, 墨铸铁.例如,用球墨铸铁制造曲轴,凸轮轴,具有成本 低廉,吸振性较好,对应力集中的敏感性较低, 低廉,吸振性较好,对应力集中的敏感性较低,强度较好 等优点.适合制造结构形状复杂的轴. 等优点.适合制造结构形状复杂的轴.
图16-1 - 减速箱转轴
16.1 轴
16.1.1 轴 轴 转
类 型
转轴- 转轴-即承受转矩又承受弯矩 根据承受载荷不同 轴- 轴- 承受转矩
轴
图16-2 汽车传动轴 -
16.1 轴
16.1.1 轴 轴 转
类 型
转轴- 转轴-即承受转矩又承受弯矩 根据承受载荷不同 轴- 轴- 承受转矩 轴 轴- 轴- 承受弯矩 转 轴
图16-11 挡圈 -
图16-12 弹性挡圈 -
是轴端挡圈定位, 图16-13是轴端挡圈定位,它适用于轴端,可承受剧 - 是轴端挡圈定位 它适用于轴端, 烈的振动和冲击载荷. 烈的振动和冲击载荷.在图16-8中,带轮的轴向固定是 - 中 靠轴端挡圈. 靠轴端挡圈.
图16-13 轴端挡圈 -
圆锥销也可以用作轴向定位,它结构简单, 圆锥销也可以用作轴向定位,它结构简单,用 于受力不大且同时需要轴向定位和固定的场合, 于受力不大且同时需要轴向定位和固定的场合, 如图16- 所示 所示. 如图 -14所示.
①
②
源自文库
③
④
⑤⑥ ⑦
有些零件依靠套筒定位. 有些零件依靠套筒定位. 套筒定位 图中左端滚动轴承采用套筒③定位. 图中左端滚动轴承采用套筒③定位.套筒定位结 构简单,可靠,但不适合高转速情况. 构简单,可靠,但不适合高转速情况.
套筒
①
②
③
④
⑤⑥ ⑦
无法采用套筒或套筒太长时, 无法采用套筒或套筒太长时,可采用圆螺母加以固 如图16- 所示 圆螺母定位可靠, 所示. 定,如图 -9所示.圆螺母定位可靠,并能承受较大 轴向力. 轴向力.
为了保证轴上零件紧靠定位面(轴肩), ),轴肩的圆角 为了保证轴上零件紧靠定位面(轴肩),轴肩的圆角 半径r必须小于相配零件的倒角 1或圆角半径R,轴肩高h 半径 必须小于相配零件的倒角C 或圆角半径 ,轴肩高 必须小于相配零件的倒角 必须大于C 必须大于 1或R(图16-15). 图 .
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