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1、项目十 轴及轴承设计项目十 轴及轴承设计任务一任务一 轴的设计轴的设计 任务二任务二 滚动轴承设计滚动轴承设计 任务三任务三 滑动轴承设计滑动轴承设计项目十 轴及轴承设计知识目标知识目标 (1)熟悉轴的类型。 (2)掌握轴的结构设计要求。 (3)掌握滑动轴承、滚动轴承的结构、类型和代号。 (4)掌握滑动轴承、滚动轴承类型及型号选择。 (5)能进行滚动轴承的组合设计。 能力目标能力目标 (1)能合理设计轴的结构; (2)能根据轴上载荷合理选用滑动轴承、滚动轴承。项目十 轴及轴承设计任务一任务一 轴轴 的的 设设 计计任务导入任务导入设计图10-1所示的斜齿轮减速器的低速轴。已知低速轴的转速n=1
2、40r/min,传递 的功率P=5kW,大齿轮齿数z=58,法面模数mn=3mm,齿轮分度圆螺旋角=1117 3,左旋,齿宽b=70mm。项目十 轴及轴承设计图10-1 传动机构项目十 轴及轴承设计任务实施任务实施机器上所安装的旋转零件,例如带轮、齿轮、联轴器和离合器等都必须用轴来支承,才能正常工作,因此轴是机械中不可缺少的重要零件。本章将讨论轴的类型、轴的材料和 轮毂联接,重点是轴的设计问题,其中包括轴的结构设计和强度计算。轴的结构设计是要 合理确定轴的形状和尺寸,设计中除应考虑轴的强度和刚度外,还要考虑使用、加工和装 配等方面的许多因素。轴的强度使轴具有可靠的工作能力,其计算方法在工程力学
3、中已经 介绍过。对于初学者,轴的结构设计较难掌握,因此,轴的结构设计是重点之一。项目十 轴及轴承设计一、一、 轴的类型和常用材料轴的类型和常用材料 1.轴的类型及应用轴的类型及应用 根据轴的承载性质和功用可将轴分为心轴、传动轴、转轴三类。只承受弯矩而不承受 转矩的轴称为心轴,如车辆轴和滑轮轴(见图10-2)。只承受扭矩不承受弯矩或所受弯矩 很小的轴称为传动轴,如汽车传动轴(见图10-3)。既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴, 如减速箱中的齿轮轴(见图10-4)。转轴在各类机械中最为常见。项目十 轴及轴承设计按照轴的轴线形状,可将轴分为直轴、曲轴和挠性轴。直轴各轴段轴线为同一直线。 曲轴各轴段轴线
4、不在同一直线上,主要用于有往复式运动的机械中,如内燃机中的曲轴 (见图10-5)。挠性轴轴线可任意弯曲,可改变运动的传递方向,常用于远距离控制机构、 仪表传动及手持电动工具中(见图10-6)。另外还有空心轴、光轴和阶梯轴(见图10-7)。项目十 轴及轴承设计图10-2 心轴 图10-3 传动轴项目十 轴及轴承设计图10-4 转轴 图10-5 曲轴项目十 轴及轴承设计图10-6 挠性轴 图10-7 阶梯轴项目十 轴及轴承设计2.轴的材料轴的材料 轴的材料种类很多,选择时应主要考虑如下因素:轴的强度、刚度及耐磨性要求;轴 的热处理方法及机加工工艺性的要求;轴的材料来源和经济性等。值得注意的是:由于
5、常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多,因此当其他条件相 同时,如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。项目十 轴及轴承设计低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火,可提高其耐磨性,常用于韧性要求较高或转速较高 的轴。球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性,不需要锻压设备,吸振性好,对应力 集中的敏感性低,近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难控 制。轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀,强度较好,因此,重要的大尺寸 的轴,常用锻造毛坯。项目十 轴及轴承设计二、二、 轴的结构设计轴的结构设计 轴的结构设计就是确定轴的形状和尺寸。轴的形状和尺寸与轴上零件的安装拆卸和零
6、件的定位及加工工艺有着密切的关系。因此轴的结构没有统一的形状,进行轴的结构设计 首先要分析轴上零件的定位和固定以及轴的结构工艺性。项目十 轴及轴承设计对轴的结构基本要求是: (1)轴和轴上的零件有准确定位和固定措施。 (2)轴上零件便于调整和装拆。 (3)良好的制造工艺性。(4)形状、尺寸应尽量减小应力集中。为了便于轴上零件的装拆,可以将轴制成阶梯轴。项目十 轴及轴承设计轴的各部分名称:如图10-8所示,轴头是回转零件配合的部分,轴上设置有键槽。轴 颈上装有轴承;轴身是连接轴头和轴颈的部分。轴肩和轴环是阶梯轴截面变化的部分,对 轴起轴向定位作用。例如齿轮、带轮和右端轴承是靠轴肩定位。左端轴承是
7、靠套筒定位。 两端轴承盖把轴固定在箱体上。阶梯轴可以满足轴和轴上零件有准确的工作位置;轴上各 零件应有可靠的相对固定;轴上零件便于装拆。因此,阶梯轴被广泛使用。项目十 轴及轴承设计图10-8 轴的结构项目十 轴及轴承设计在图10-8中,轴各部分的含义: 轴颈:轴与轴承配合处的轴段。 轴头:安装轮毂键槽处的轴段。 轴身:轴头与轴颈间的轴段。 轴肩或轴环:阶梯轴上截面尺寸变化的部位,其中一个尺寸直径最大称为轴环。项目十 轴及轴承设计1.轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定 轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置;固定则是为了保证轴上 零件在运转中保持原位不变。 (1)轴上零件的轴
8、向定位和固定。为了防止零件的轴向移动,通常采用下列结构形式 实现轴向固定:轴肩、轴环、套筒、圆螺母和止退垫圈、弹性挡圈、轴端挡圈等。 (2)轴上零件的周向固定。周向固定的目的是为了限制轴上零件相对于轴的转动,以 满足机器传递扭矩和运动的要求。常用的周向固定方法有键、花键、销、过盈配合、成型连 接等,其中以键和花键连接应用最广。项目十 轴及轴承设计2.轴的结构工艺性轴的结构工艺性 轴的结构形状和尺寸应尽量满足加工、装配和维修的要求。为此,常采用以下措施。 (1)当某一轴段需车制或磨削加工时,应留有退刀槽(见图10-9(a)或砂轮越程槽(见 图10-9(b)。 (2)轴上所有键槽应沿轴的同一母线布
9、置(见图10-10)。 (3)为了便于所有轴上零件的装配和去除毛刺,轴端及轴肩一般均应制出45的倒角。 过盈配合轴段的装入端加工出半锥角为30的导向锥面(见图10-10)。(4)为便于加工,应使轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽和越程槽等尺寸一致。项目十 轴及轴承设计图10-9 退刀槽和越程槽项目十 轴及轴承设计图10-10-轴的结构与键槽在轴上的布置项目十 轴及轴承设计3.提高轴强度、刚度的措施提高轴强度、刚度的措施 (1)结构设计方面。轴截面尺寸突变会造成应力集中,所以阶梯轴相邻轴段直径不宜 相差太大,在轴径变化处的过渡圆角不宜过小;尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹。 在重要结构中可采用
10、中间环(见图10-11(a)、或凹切圆角(见图10-11(b)以增加轴肩处 过渡圆角半径和减小应力集中。项目十 轴及轴承设计图10-11 减小轴圆角处应力集中的结构项目十 轴及轴承设计(2)制造工艺方面。提高轴的表面质量,降低表面粗糙度,对轴表面采用碾压、喷丸和 表面热处理等强化方法,均可显著提高轴的疲劳强度。 (3)轴上零件的合理布局。在轴结构设计时,可采取改变受力情况和零件在轴上的位 置等措施,达到减轻轴载荷,减小轴尺寸,提高轴强度的目的。项目十 轴及轴承设计4.轴的直径和长度轴的直径和长度 (1)与滚动轴承配合的轴颈直径,必须符合滚动轴承内径的标准系列。 (2)轴上车制螺纹部分的直径,必
11、须符合外螺纹大径的标准系列。 (3)安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围相适应。 (4)与零件(如齿轮、带轮等)相配合的轴头直径,应优先采用标准直径尺寸。轴的标 准直径见表10-1。项目十 轴及轴承设计项目十 轴及轴承设计三、三、 轴的强度计算轴的强度计算 1.轴的计算简图轴的计算简图 在进行轴的强度计算时,为了便于分析计算,可以通过必要的简化,得出轴的合理简化力学模型,即轴的计算简图。 通常将轴简化为一置于铰链支座上的梁,轴和轴上零件的自重可忽略不计。作用在轴 上的扭矩通常从传动件轮毂中点计算。项目十 轴及轴承设计2.轴的强度计算轴的强度计算 根据受载情况,轴常用的强度计算方法有以下几种
12、:(1)按扭转强度计算。对只受转矩或以承受转矩为主的传动轴,应按扭转强度条件计 算轴的直径。若有弯矩作用,可用降低许用应力的方法来考虑其影响。项目十 轴及轴承设计项目十 轴及轴承设计项目十 轴及轴承设计(2)按弯扭合成强度条件计算。对于同时承受弯矩和转矩的轴,可根据转矩和弯矩的 合成强度进行计算。计算时,先根据结构设计所确定的轴的几何结构和轴上零件的位置, 画出轴的受力简图,然后绘制弯矩图、转矩图,按第三强度理论条件建立轴的弯扭合成强 度条件:项目十 轴及轴承设计项目十 轴及轴承设计项目十 轴及轴承设计【例【例10-1】 完成任务导入中的设计要求。 解解 (1)选择轴的材料,确定许用应力。 减
13、速器功率不大,又无特殊要求,故选用45钢并作正火处理。查得b=600 MPa,又 由表10-3查得-1b=55MPa。 项目十 轴及轴承设计(2)按扭转强度估算轴的最小直径:由表10-2取A=110,由式(10-2)得轴身安装联轴器,考虑补偿轴的可能位移,选用弹性柱销联轴器。由n 和转矩TC= KT=1.59.551065/140= 511607Nmm,查 GB501485选用 HL3弹性柱销联 轴器,标准孔径d1=38mm,即轴身直径d1=38mm。项目十 轴及轴承设计(3)确定齿轮和轴承的润滑。 计算齿轮圆周速度齿轮润滑采用油浴润滑,轴承采用脂润滑。项目十 轴及轴承设计(4)轴系的初步设计
14、。 根据轴系结构分析要点,结合后述各零件尺寸,按比例绘制轴系结构草图,见图10-12。项目十 轴及轴承设计图10-12 轴系结构草图项目十 轴及轴承设计任务二任务二 滚动轴承设计滚动轴承设计任务导入任务导入齿轮减速器中的7204C 轴承的轴向力 Fa=800N,径向力 Fr=2000N,载荷 Fp= 1.2,工作温度系数fT=1,工作转速为n=700r/min。求该轴承寿命Lh。项目十 轴及轴承设计任务实施任务实施轴承的作用是支承轴及轴上的零件,使其回转并保持一定的旋转精度。合理地选择和 使用轴承对提高机器的使用性能,延长寿命都有重要作用。 根据转动副工作表面摩擦性质的不同,轴承可以分为滑动摩
15、擦轴承(简称滑动轴承)和 滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两大类。滚动轴承是一个标准件,由专门工厂成批生产。它 具有摩擦阻力小、启动灵敏、效率高,安装、维护方便,且类型较多,易于选购和互换等优 点,故广泛应用于各类机器和仪器中。对于高速、精密机械和低速、重载或冲击载荷较大 的机器,滑动轴承有其优异的性能。在需要剖分结构的场合,必须采用滑动轴承。项目十 轴及轴承设计一、一、 滚动轴承的结构、滚动轴承的结构、 类型及特性类型及特性 滚动轴承是标准化、系列化程度很高的一种部件,也是现代机器中广泛应用的部件之 一。它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件。项目十 轴及轴承设计1.滚动轴承的结构滚动轴承的
16、结构 滚动轴承的基本结构形式如图10-13(a)所示。滚动轴承主要由外圈1、内圈2、滚动 体3和保持架4等组成。滚动体位于内外圈的滚道之间,是滚动轴承中必不可少的基本元 件。内圈用来和轴颈装配,外圈装在机座或零件的轴承孔内。外圈一般不转动,内圈和轴一起 转动。当内外圈相对转动时,滚动体即在内外圈滚道间滚动。保持架的主要作用是均匀地隔开滚动体,避免滚动体之间的碰撞和磨损。常见滚动体的形状如图10-13(b)所示。项目十 轴及轴承设计图10-13 滚动轴承的基本构造及常用滚动体项目十 轴及轴承设计2.滚动轴承的主要类型和特性滚动轴承的主要类型和特性 滚动轴承的类型很多,其结构形式也不尽相同,以适应各种不同的工作要求。 1)常用滚动轴承的类型(1)按滚动体的形状不同分类。 球轴承。滚动体的形状为球形的轴承称为球轴承。工作时,球与滚道之间形成高 副,呈点接触状态,摩擦阻力小,因而其承载能力和耐冲击能力较低;但球的制造工艺较 简单,极限转速较高,价格低廉。 项目十 轴及轴承设计 滚子轴承。除了球轴承以外,其他轴承均称为滚子轴承。滚子与滚道之间亦为高 副,且呈线接触,所以其承载能力和耐冲击能力均较
