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转轴结构及设计
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机械设计基础习题及答案16轴
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机械设计基础习题及答案16轴
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转轴结构及设计
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轴和轴承的设计与配合(总论)
9.1&&& 概&&&&& 述
9.19.29.39.4
9.5a9.5b9.5c
9.2&& 轴的结构设计
39.11aT1+T29.11bT1+T2T1
49.129.12a
9.13rRCRCh=RC+0.52mmb1.4h
9.149.823mm
mm59.189.8
9.3&& 轴的强度计算与设计
TNmmWrmm3PkWnr/minMPadmm
表9.1　常用材料的［&］值和C值
9.23%5%7%10%
3M M2H+M2v
5Me M2H+aT)2-1b/+1b0.3-1b/+0b0.61-1b0b+1b9.2
Wmm3;MTMeNmmdmmeMPa
表9－2轴的许用弯曲应力
思考题9.2& 如果设计的轴径经校核后发现强度不够，可采取哪些措施提高轴的强度？
9.3.3& 轴的刚度计算
轴受载荷的作用后会发生弯曲、扭转变形，如变形过大会影响轴上零件的正常工作，例如装有齿轮的轴，如果变形过大会使啮合状态恶化。因此对于有刚度要求的轴必须要进行轴的刚度校核计算。轴的刚度有弯曲刚度和扭转刚度两种，下面分别讨论这两种刚度的计算方法。
1.轴的弯曲刚度校核计算
应用材料力学的计算公式和方法算出轴的挠度&或转角&，并使其满足下式
　　　　　　　　　　　　&&［&］　　　　　　　　　　　（14.4）
　　　　　　　　　　　　&&［&］　　　　　　　　　　　（14.5）
式中［&］、［&］分别为许用挠度或许用转角，其值列于表9.3中。
表9.3轴的许用变形量
2.轴的扭转刚度校核计算
应用材料力学的计算公式和方法算出轴每米长的扭转角&，并使其满足下式
　　　　　　　　　　　　　　　　&＝［&］　　　　　　（9.6）
式中［&］为轴每米长的许用扭转角。一般传动的［&］值列于表9.3中。
9.3．4轴的材料及选择
轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。轴的毛坯一般采用碾压件和锻件，很少采用铸件。由于碳素钢比合金钢成本低，且对于应力集中的敏感性较小，所以得到广泛的应用。
常用的碳素钢有30、40、50钢等，其中最常用的为45钢。为保证轴材料的机械性能，应对轴材料进行调质或正火处理。轴受载荷较小或用于不重要的场合时，可普通碳素钢（如Q235A、Q275等）作为轴的材料。
合金钢具有较高的机械性能，可淬火性也较好，可以在传递大功率，要求减轻轴的重量和提高轴颈耐磨性时采用，如20Cr，40Cr等。
轴也可以采用合金铸铁或球墨铸铁制造，其毛坯是铸造成型的，所以易于得到更合理的形状。合金铸件和球墨铸铁的吸振性高，可用热处理方法提高材料的耐磨性，材料对应力集中的敏感性也较低。但是铸造轴的质量不易控制，可靠性较差。
表9.4　轴的常用材料及其部分机械性能
9.3．5轴的设计
通常现场对于一般轴的设计方法有类比法和设计计算法两种。
这种方法是根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计，画出轴的零件图。用类比法设计轴一般不进行强度计算。由于完全依靠现有资料及设计者的经验进行轴的设计，设计结果比较可靠、稳妥，同时又可加快设计进程，因此类比法较为常用，但有时这种方法也会带有一定的盲目性。
2.设计计算法
用设计计算法设计轴的一般步骤为：
（1）根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。
（2）按扭转强度估算出轴的最小直径。
（3）设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。具体内容包括以下几点：
1）根据工作要求确定轴上零件的位置和固定方式；
2）确定各轴段的直径；
3）确定各轴段的长度；
4）根据有关设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽等的尺寸。
（4）按弯扭合成进行轴的强度校核。一般在轴上选取2～3个危险截面进行强度校核。若危险截面强度不够或强度太大，则必须重新修改轴的结构。
（5）修改轴的结构后再进行校核计算。这样反复交替地进行校核和修改，直至设计出较为合理的轴的结构。
（6）绘制轴的零件图。
需要指出的是：（1）一般情况下设计轴时不必进行轴的刚度、振动、稳定性等校核。如需进行轴的刚度校核时，也只作轴的弯曲刚度校核。（2）对用于重要场合的轴、高速转动的轴应采用疲劳强度校核计算方法进行轴的强度校核。具体内容可查阅机械设计方面的有关资料。
例9.1设计图9.20所示的斜齿圆柱齿轮减速器的从动轴（Ⅱ轴）已知传递功率P＝8kW,从动齿轮的转速n=280r/min，分度圆直径d=265mm，圆周力F1＝2059N，径向力Fr＝763.8N，轴向力Fa＝405.7N。齿轮轮毂宽度为60mm，工作单向运转，轴承采用深沟球轴承。
（1）选择轴的材料，确定许用应力
由已知条件知减速器传递的功率属中小功率，对材料无特殊要求，故选用45钢并经调质处理。由表9.4查得强度极限&B＝650MPa，再由表9.2得许用弯曲应力［&-1b］＝60MPa。
（2）按扭转强度估算轴径
根据表9.1得C＝118～107。又由式（9.2）得：
考虑到轴的最小直径要安装联轴器，会有键槽存在，故将估算直径加大3%～5%，取为33.68～37.91mm。由设计手册取标准直径d1＝35mm。
（3）设计轴的结构并绘制结构草图
由于设计的是单级减速器，可将齿轮布置在箱体内部中央，将轴承对称安装在齿轮两侧，轴的外伸端安装半联轴器。
1）确定轴上零件的位置和固定方式　要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的装配顺序和固定方式。这样齿轮在轴上的轴向位置被完全确定。齿轮的周围固定采用平键连接。轴承对称安装于齿轮的两侧，其轴向用轴肩固定，周向采用过盈配合固定。
2）确定各轴段的直径　如图9.21a所示，轴段①（外伸端）直径最小，d1＝35mm；考虑到要对安装在轴段①上的联轴器进行定位，轴段②上应有轴肩，同时为能很顺利地在轴段②上安装轴承，轴段②必须满足轴承内径的标准，故取轴段②的直径d2＝40mm；用相同的方法确定轴段③、④的直径为d3＝45mm，d4＝55mm；为了便于拆卸左轴承，可查出6208型滚动轴承的安装高度为3.5mm，取d5＝47mm。
3）确定各轴段的长度　齿轮轮毂宽度为60mm，为保证齿轮固定可靠，轴段③的长度应略短于齿轮轮毂宽度，取为58mm；为保证齿轮端面与箱体内壁不相碰，齿轮端面与箱体内壁间应留有一定间距，取该间距为15mm；为保证轴承安装在箱体轴承座孔中（轴承宽度为18mm），并考虑轴承的润滑，取轴承端面距箱体内壁的距离为5mm，所以轴段④的长度取为20mm，轴承支点距离&＝118mm；根据箱体结构及联轴器距轴承盖要有一定距离的要求，取&&＝75mm；查阅有关的联轴器手册取&&P为70mm；在轴段①、③上分别加工出键槽，使两健槽处于轴的同一圆柱母线上，键槽长度比相应的轮毂宽度小约5～10mm，键槽的宽度按轴段直径查手册得到，详见9.6节。
4）选定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽等的尺寸。
按设计结果画出轴的结构草图（见图9.21a）
1）画出轴的受力图（图9.21b）
2）作水平面内的弯矩图（图9.21c）。支点反力为
9.4&&& 轴&&& 承
GCr15GCr15siMnGCr6GCr96065HRC
表9.５　各类轴承的公称接触角
506542206X
表9.6　常用滚动轴承的类型、代号及特性简表
1090%100%60%90%60%
GB/T272939-7
表9.7轴承代号的构成
表9.8　一般滚动轴承类型代号
表9.9　向心轴承、推力轴承尺寸系列代号
9.129-139.149-15
表9.10轴承内径代号
表9.11前置、后置代号
表9.12后置代号的内部结构代号及含义
表9.13后置代号民中的公差等级代号及其含义（摘录）
表9.14后置代号中的游隙代号及其含义（摘录）
表9.15后置代号中的配置代号及其含义（摘录）
9-10F9.291
P0P6P5P411.51.86
9.5&&&&& 滑动轴承概述
9.36a9.41b
表9.16　常用金属轴瓦材料的使用性能
表9.17　滑动轴承润滑油的选择(工作温度10℃～60℃)
表9.18根据工作条件推荐选用的滑动轴承润滑脂的品种和牌号
9.399.39c9.39d9.39e
pMPapF/(Ld)FNdmLmm/s
表9.19　滑动轴承润滑方式的选择
表9.20　滚动轴承与滑动轴承性能的比较
9-1 在轴的弯扭合成强度校核中， 表示什么？为什么要引入 ？
9-2 轴上零件的轴向固定有哪些方法？各适用于哪些场合？
9-3 轴的结构设计应从哪几个方面考虑？
9-4 滚动轴承的主要失效形式有哪些？
9-5 试述滚动轴承的优点。
9-6 何谓滚动轴承的极限转速？
9-7 滚动轴承的类型选择应考虑哪些主要因素？
9-8 滚动轴承内圈与轴，外圈与机座孔的配合采用基孔制还是基轴制？
9-9 试说明滚动轴承62205代号的含义。
9-10 角接触球轴承和圆锥滚子轴承常成对使用，为什么？
9-11 何谓滚动轴承的基本额定寿命？
9-12 滚动轴承由哪些基本元件组成？
9-13 滚动轴承的主要失效形式有哪些？其计算准则是什么？
9-14 滚动轴承密封的目的是什么？常用的密封方式有哪几种？
9-15 滚动轴承的组合设计内容？
9-16 滚动轴承间隙调整的方法有哪些？
9-17 说明滚动轴承7309C代号的含义。
9-18 滚动轴承选择配合时应注意哪几点?
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