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1、长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云14-1 概述概述 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类型转轴传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有 带式运输机减速器电动机转轴第1页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 14-1 概述概述 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类型转轴传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有 传动轴只传递扭矩发动机后桥传动轴第2页/共40页长沙航空职
2、院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云14-1 概述概述 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类型转轴传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有传动轴只传递扭矩心轴只承受弯矩前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力 前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴第3页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 14-1 概述概述 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类型转轴传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有
3、传动轴只传递扭矩心轴只承受弯矩直轴第4页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 14-1 概述概述 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类型转轴传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有 传动轴只传递扭矩心轴只承受弯矩直轴曲轴第5页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云本章只研究直轴14-1 概述概述 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类型转轴传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 分类：分类
4、：按轴的形状分有传动轴只传递扭矩心轴只承受弯矩直轴曲轴挠性钢丝轴设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确 定尺寸等第6页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计任务：设计任务：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。14-2 轴的结构设计轴的结构设计设计要求：设计要求：1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装)2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)3.各零件要牢固而可靠地相对固定；各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定)4.改善应力状况，减小应力集中。改善应力状况
5、，减小应力集中。轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承设计：潘存云典型轴系结构第7页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。车螺纹的轴端应有退刀槽。设计：潘存云 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。渐向中间增大的阶梯状。零件的安装次序一、制造安装要求一、制造安装要求倒角倒角取值见P119第8页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云零件的零件的轴向定位轴向定位由轴肩或套筒
6、来实现。由轴肩或套筒来实现。二、轴上零件的定位二、轴上零件的定位 4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。设计：潘存云轴肩轴肩阶梯轴上截面变化之处。阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。轴肩套筒1212第9页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云轴向固定轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。三、轴上零件的固定三、轴上零件的固定齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的
7、轴肩和轴端当圈。双向固定双向固定第10页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云无法采用套筒或套筒太长时，可采用无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母双圆螺母加以固定。加以固定。轴肩的尺寸要求轴肩的尺寸要求:r C1 或或 r Rb1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)DdrR轴端挡圈轴端挡圈双圆螺母双圆螺母DdC1rh(0.07d+3)(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈轴端挡圈固定。固定。C1Ddr取值见P119DdrRhhb第11页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设
8、计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云轴向力较小时，轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。式来实现。为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且紧可能采用同一规格的键槽截面尺寸。键槽应设计成同一加工直线键槽应设计成同一加工直线第12页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云TTTTTQ方案b 四、改善轴的受力状况，减小应力集中四、改善轴的受力状况，减小应力集中 图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成
9、一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T11.改善受力状况改善受力状况当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理合理不合理不合理 TTQ方案 a输出输出输入FtFt第13页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云Rdd/430 2.减小应力集中减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截
10、面突然发生变化的。应力集中出现在截面突然发生变化的。措施：措施：1.用圆角过渡；用圆角过渡；2.尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;3.重要结构可增加卸载槽重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。过渡肩环过渡肩环r凹切圆角凹切圆角B卸载槽 也可以在轮毂上增加卸载槽B位置d/4第14页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 14-3 轴的强度计算轴的强度计算 一、一、按扭转强度计算按扭转强度计算 轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，
11、常用方法有两种。对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为 设计公式为设计公式为 对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。计算结果为计算结果为 最小直径！最小直径！解释各符号的意义及单位轴的材料 A3,20 35 45 40Cr,35SiMn(N/mm)1220 2030 3040 4052C 160135 135118 118107 10792表14-1 常用材料的值和C值注:当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,C取较小值;否则取较大值应圆整为应圆整为 标准直径！标准直径！第15
12、页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。因因b和和的循环特性不同，的循环特性不同，折合后得折合后得二、二、按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算对于一般钢制轴，可用第三强度理论（最大切应力理论）求出危险截面的当量应力。强度条件为强度条件为 l1l弯曲应力弯曲应力 扭切应力扭切应力 代入得代入得 W抗弯截面系数；抗弯截面系数；WT 抗扭截面系数；抗扭截面系数；-折合系数折合系数Me-当量弯矩当量弯矩第16页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授
13、 材 料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表14-2 轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢折合系数取值折合系数取值 =0.3 转矩不变；转矩不变；0.6 脉动变化；脉动变化；1 频繁正反转。频繁正反转。静应力状态下的许用静应力状态下的许用弯曲应力弯曲应力设计公式设计公式 第17页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 折合系数取值折合系数
14、取值 =0.3 转矩不变；转矩不变；0.6 脉动变化；脉动变化；1 频繁正反转。频繁正反转。设计公式设计公式 材 料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表14-2 轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢脉动循环状态下的许用脉动循环状态下的许用弯曲应力弯曲应力第18页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 折合系数取值折合系数取值 =0.3 转
15、矩不变；转矩不变；0.6 脉动变化；脉动变化；1 频繁正反转。频繁正反转。设计公式设计公式 材 料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表14-2 轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢对称循环状态下的许用对称循环状态下的许用弯曲应力弯曲应力第19页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：按弯扭合成强度计算轴径
16、的一般步骤：1.将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力力FV和水平面支撑反力和水平面支撑反力FH;2.作垂直弯矩作垂直弯矩MV图和弯矩图和弯矩MH图图;3.作合成弯矩作合成弯矩M图；图；4.作转矩作转矩T图；图；5.弯扭合成，作当量弯矩弯扭合成，作当量弯矩Me图；图；6.计算危险截面轴径计算危险截面轴径:1.若危险截面上有键槽，则应加大若危险截面上有键槽，则应加大4%2.若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度不够，应修改设计；不够，应修改设计；3.若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相若计
17、算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相 不大，一般以结构设计的轴径为准。不大，一般以结构设计的轴径为准。对于一般刚轴，按上述方法设计即可。对于重要的轴，还必须用安全系数法作精确校核计算。说明：说明：第20页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 种类碳素钢 3535、4545、5050、Q235Q235轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。14-4 轴的材料及选择轴的材料及选择 合金钢 20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40CrNi40CrNi、38CrMoAlA38CrMoAlA等用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是4545钢应用最
18、广。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。为了改善力学性能正火或调质处理。表14-3 14-3 轴的常用材料及其主要力学性能材料及热处理毛坯直径mm硬度HBSHBS强度极限b b 屈服极限s s MPaMPa弯曲疲劳极限-1-1应用说明Q235Q235440440240240200200用于不重要或载荷不大的轴35 35 正火520520270270250250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。100100149149187187第21页/共40页长沙航空职院专用
19、作者：潘存云教授 设计：潘存云对2点取矩举例：举例：计算某减速器输出轴危计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力轮上的圆周力Ft=17400N,径径向力，向力，Fr=6140N,轴向力轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径齿轮分度圆直径d2=146 mm,作用在轴右端带作用在轴右端带轮上外力轮上外力F=4500N（方向未定）（方向未定）,L=193 mm,K=206 mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12解：解：1)求垂直面的支反力和轴向力求垂直面的支反力和轴向力=Fad2aadP23114-4 14-4 轴的设计第22页/共40页
20、长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云MavMavFtF1HF2HMaHF1FF2F2)求水平面的支反力求水平面的支反力L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F3)求求F力在支点产生的反力力在支点产生的反力4)绘制垂直面的弯矩图绘制垂直面的弯矩图5)绘制水平面的弯矩图绘制水平面的弯矩图第23页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F6)求求F力产生的弯矩图力产生的弯矩图L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F7)绘制合成弯矩图绘制合成弯
21、矩图考虑F可能与H、V内合力共面a-a 截面截面F力产生的弯矩为：力产生的弯矩为：MaFMa第24页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F8)求轴传递的转矩求轴传递的转矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F9)求危险截面的当量弯矩求危险截面的当量弯矩MaFM2MaT扭切应力为脉动循环变应力，扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数取折合系数 =0.6 第25页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 求考虑到键槽对轴的削弱，将求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大值增大4%，故得：
22、，故得：10)计算危险截面处轴的直径计算危险截面处轴的直径 选选45钢，调质，钢，调质，b=650 MPa,-1b=60 MPa 符合直径系列。符合直径系列。第26页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云1146 轴毂连接作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的轴向固定或移动。一、键联接的类型类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。1.平键联接工作面特点：定心好、装拆方便。种类普通平键导向平键间隙轴第27页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云普通平键结构单圆头(C型)圆头(A型)方头(B型)用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。用盘
23、铣刀加工，轴的应力集中小。用于轴端普通平键应用最广。A型B型C型盘铣刀 第28页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云起键螺孔导向平键固定螺钉零件可以在轴上移动，构成动联接。结构特点：长度较长，需用螺钉固定。为便于装拆，制有起键螺孔。起键螺孔固定螺钉第29页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 表14-4 普通平键和键槽尺寸（GB1095-79、GB1096-79）A型B型C型bhR=b/2C 45或r1LLLbhbtd-tbt1d+t1标记实例：圆头普通平键(A型):键16100 GB1096-79 方头普通平键(B型):键B16100 GB1096-79单圆头普
24、通平键(C型):键C16100 GB1096-79d第30页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云d b h C或r L t t1 半径r 续表14-4键的尺寸键 槽轴的直径自 68 2 2 620 1.2 1810 3 3 0.160.25 636 1.8 1.4 0.080.16 1012 4 4 845 2.5 1.81217 5 5 1056 3.0 2.31722 6 6 0.250.4 1470 3.5 2.8 0.160.252230 8 7 1890 4.0 3.33038 10 8 22110 5.0 3.33844 12 8 28140 5.0 3.34
25、450 14 9 0.40.6 36160 5.5 3.8 0.250.45058 16 10 45180 6.5 4.35865 18 11 50200 7.0 4.46575 20 12 56220 7.5 4.97585 22 14 63250 9.0 5.40.60.8 0.40.6第31页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云2.半圆键联接优点：定心好，装配方便。因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。缺点：对轴的削弱较大，只适 用于轻载联接。特别适用于锥形轴端的联接。工作面第32页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云
26、3.楔键联接和切向键联接结构特点：键的上表面有1:100的斜度，轮毂槽的底面也有1:100的斜度。缺点：定心精度不高。应用：只能应用于定心精度不高，载荷 平稳和低速的联接。安装时用力打入工作面第33页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云dd类型：普通楔键、钩头楔键。钩头是用来拆卸用的拆卸空间斜度1：100120 130 在重型机械中常采用切向键一对楔键组成。装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成120130 。窄面工作面设计：潘存云第34页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存
27、云bA型d二、平键联接的强度校核键的材料：B 370 Mpa的碳素钢，常用45钢。键的截面尺寸b、h查表选取，长度L参照轮毂长度从标准中选取。键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。Lbh/2挤压强度条件：p=SFt(d/2)(h/2)lT=p MPa MPa d h l4T=l=L-bl=LbB型一般不会出现ld第35页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 p d h l4Tp=对于导向平键联接，计算依据是磨损，应限制压强：钢 125150 100120 6090表14-5 键联接的许用压强许用值 轮毂材料静载荷 轻微冲击 冲 击载 荷 性 质铸铁 7080 5060 3045
28、钢 50 40 30 p p 若强度不时，可采用两个键按180布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。第36页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云三、花键联接结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。优点：承载能力高、对轴的削弱程度小、定心好、导向性好。类型：矩形花键、键开线花键、三角形花键。制造容易最常用用于高强度联接用于薄壁零件联接第37页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云四、销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。类型圆柱销圆锥销-经多次拆装后，定位精度会降低；有1:501:50的锥度，可反复多次拆装。拆装方便用于盲孔螺母锁紧抗冲击不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次装拆。带槽圆柱销装配前、后 第38页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 本本 章章 重重 点点掌握轴的结构设计掌握对轴进行强度计算了解轴与轴类零件的连接第39页/共40页长沙航空职院专用 作者：潘存云教授 感谢您的观看！第40页/共40页