轴设计学习教程.pptx

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1、第1页/共56页第2页/共56页第3页/共56页第4页/共56页分类分类按按轴的外形分类分类光轴阶梯轴直径无变化直径有变化光轴第5页/共56页阶梯轴第6页/共56页空心轴第7页/共56页2.轴的设计步骤轴的设计步骤选材选材轴的结构设计轴的结构设计初定轴的最小直径初定轴的最小直径轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定加工和装配的工艺性加工和装配的工艺性提高轴强度的结构措施提高轴强度的结构措施轴的强度计算轴的强度计算轴的刚度计算轴的刚度计算轴的稳定性计算轴的稳定性计算有特殊要求时有特殊要求时第8页/共56页3.轴的材料轴的材料(1)碳素钢碳素钢优质碳素钢：优质碳素钢：35、45、50等等45钢使

2、用最广泛钢使用最广泛普通碳素钢：普通碳素钢：Q235A等等特点特点强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好应力集中敏感性小应力集中敏感性小热处理后提高耐磨性、疲劳强度热处理后提高耐磨性、疲劳强度第9页/共56页(2)合金钢合金钢用于高速、重载、较重要的轴用于高速、重载、较重要的轴常用常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等等特点特点对应力集中敏感性较大对应力集中敏感性较大强度和淬火性比碳素钢好强度和淬火性比碳素钢好价格比碳素钢贵价格比碳素钢贵注意注意刚度与碳素钢相同刚度与碳素钢相同(两者弹性模量两者弹性模量 E 相近相近)我国我国Cr、Ni 资源少，尽量

3、用代用钢种资源少，尽量用代用钢种(如如40MnB机械性能接近机械性能接近40Cr)第10页/共56页(3)球墨铸铁球墨铸铁以铁代钢以铁代钢特点特点对应力集中敏感性较小对应力集中敏感性较小吸振性、耐磨性好吸振性、耐磨性好可以做成复杂形状可以做成复杂形状价廉价廉冲击韧性低、质量不易控制冲击韧性低、质量不易控制毛坯毛坯圆钢棒料圆钢棒料 尺寸小的轴尺寸小的轴锻造毛坯锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴尺寸较大或为提高强度的轴焊接毛坯焊接毛坯 大件锻造困难大件锻造困难铸造毛坯铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等形状复杂的轴、空心轴等第11页/共56页二、轴的结构设计二、轴的结构设计1.轴的结构设计原则轴的结构

4、设计原则(1)满足强度、刚度、防振的要求，并通过满足强度、刚度、防振的要求，并通过结构设计提高这些方面的性能结构设计提高这些方面的性能(2)保证轴上零件定位且固定可靠保证轴上零件定位且固定可靠(3)便于轴上零件装拆和调整便于轴上零件装拆和调整(4)轴的加工工艺性好轴的加工工艺性好第12页/共56页2 轴的主要组成 轴颈 轴上被支承的部分。轴头安装轮毂部分。轴身联接轴颈和轴头的部分。轴伸外伸的轴头。轴肩或轴环阶梯轴上截面尺寸变化的部位 为了便于安装和拆卸，一般的转轴均为中间大、两头小的阶梯轴。轴肩和轴环便于轴上零件的安装，常做为轴向定位、固定的手段，其高度取决于它的用途。第13页/共56页第14

5、页/共56页3.轴上零件的轴向定位和固定轴上零件的轴向定位和固定(1)轴肩与轴环轴肩与轴环轴的过渡圆角半径轴的过渡圆角半径 r C或或R(2)(2)套筒套筒不宜用于较高转速的轴不宜用于较高转速的轴不能有不能有“过定位过定位”L BBL第15页/共56页(3)紧定螺钉紧定螺钉兼作周向固定兼作周向固定受力较小、不宜于高速轴受力较小、不宜于高速轴(4)圆螺母和弹性档圈圆螺母和弹性档圈螺纹应力集中严重、不宜螺纹应力集中严重、不宜在轴的中间部位在轴的中间部位用于轴向力较小的场合用于轴向力较小的场合圆螺母圆螺母弹性档圈弹性档圈第16页/共56页(5)轴端档圈轴端档圈用螺钉将档圈固定在轴的端面用螺钉将档圈固

6、定在轴的端面要与轴肩或锥面配合、固定轴端零件要与轴肩或锥面配合、固定轴端零件第17页/共56页4.轴上零件的周向固定轴上零件的周向固定(1)键键(2)过盈配合过盈配合平键平键 使用最为广泛使用最为广泛花键花键 承载能力较大承载能力较大第18页/共56页5.轴的加工和装配工艺性轴的加工和装配工艺性从装配观点从装配观点 两头小中间粗两头小中间粗从承载观点从承载观点 中间受弯矩大中间受弯矩大阶梯轴阶梯轴 直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一不同轴段的各键槽方向应一致不同轴段的各键槽方向应一致轴的配合直径应圆整

7、为标准值轴的配合直径应圆整为标准值与零件过盈配合的轴端与零件过盈配合的轴端 应有导向锥面应有导向锥面磨削或车螺纹应留有越磨削或车螺纹应留有越 程槽或退刀槽程槽或退刀槽退刀槽退刀槽越程槽越程槽第19页/共56页6.提高轴强度与刚度的结构措施提高轴强度与刚度的结构措施(1)减小轴的应力集中减小轴的应力集中避免轴的剖面尺寸剧变，过渡圆角半径不宜过小避免轴的剖面尺寸剧变，过渡圆角半径不宜过小减小过盈处应力集中减小过盈处应力集中开减载槽开减载槽凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环第20页/共56页(2)改善轴的受力状况改善轴的受力状况合理布置零件位置合理布置零件位置改变零件结构改变零件结构改善轴的受力改善轴

8、的受力车床输入轴卸载装置车床输入轴卸载装置第21页/共56页7.轴的结构改错轴的结构改错结构改错一第22页/共56页结构改错二第23页/共56页结构改错三第24页/共56页结构改错四第25页/共56页7.轴的结构设计举例轴的结构设计举例确定各零件位置确定各零件位置初估初估dmin确定各配合段直径确定各配合段直径零件的轴向定位与固定零件的轴向定位与固定零件的周向固定零件的周向固定注意：键槽注意：键槽过定位过定位密封密封第26页/共56页轴系结构举例1 1 在蜗轮传动中，为保证蜗轮蜗杆正确啮合，蜗轮中间平面必须通过蜗杆的轴线，因此，蜗轮轴系中的轴承应能按箭头方向调整。第27页/共56页轴系结构举例

9、2 2 在锥齿轮传动中，为保证正确的啮合，必须使两锥齿轮锥顶重合，因此轴承的位置应按箭头方向调整。第28页/共56页三、轴的强度计算三、轴的强度计算1.按扭转强度计算按扭转强度计算(初算轴径初算轴径)对于转轴对于转轴由轴的结构而定由轴的结构而定(跨距？力作用点？跨距？力作用点？)转矩转矩弯矩弯矩解决办法：解决办法：适于初估直径适于初估直径的强度条件的强度条件仅考虑仅考虑用降低用降低来考虑来考虑的影响的影响 T为轴传递的转矩，N mm；WT为轴的抗扭剖面系数mm3，其中WT=d3/16 0.2d 3；T 为许用扭剪应力(已考虑弯矩对轴的影响)，MPa；第29页/共56页对于一定的材料为常数对于一

10、定的材料为常数对于实心圆轴对于实心圆轴的设计式的设计式取值取值式中：d为轴的直径，mm；T为轴的扭剪应力，MPa；P为轴传递的功率，kW；n 为轴的转速，r/min；C 为计算常数，取决于轴的材料和受载情况。材料Q235、20354540Cr、35SiMnC16014813512511811210710298第30页/共56页注意问题 1)1)轴段上开有键槽时，应适当增大轴径；单键槽增大3，双键槽增大7。然后将轴径圆整。2)2)按此方法估算出的轴径，应为轴上端部最小直径。第31页/共56页2.按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算(一般轴一般轴)材料力学第三强度理论材料力学第三强度理论同时承受同

11、时承受和和的某一截面的某一截面强度条件为：强度条件为：对于直径对于直径 d 的实心轴的实心轴轴结构轴结构水平面水平面受力简图受力简图水平弯矩图水平弯矩图转矩图转矩图当量弯矩图当量弯矩图垂直面垂直面受力简图受力简图垂直弯矩图垂直弯矩图合成弯矩图合成弯矩图第32页/共56页 折算系数折算系数当量弯矩当量弯矩和和在转轴上产生的应力性质可能不同在转轴上产生的应力性质可能不同材料力学中：材料力学中：产生的弯曲应力产生的弯曲应力对称循环变应力对称循环变应力产生的扭剪应力产生的扭剪应力为：为：大小和方向不变大小和方向不变静应力静应力大小经常变化大小经常变化脉动循环变应力脉动循环变应力大小和方向经常变化大小和

12、方向经常变化对称循环变应力对称循环变应力转化为对称循环变化来考虑转化为对称循环变化来考虑将将第33页/共56页转轴的强度计算转轴的强度计算校核式：校核式：危险截面危险截面最大处最大处较大且较大且较小处较小处设计式：设计式：截面若有键槽，算出直径加大截面若有键槽，算出直径加大5第34页/共56页3.按安全系数校核计算按安全系数校核计算(重要轴重要轴)疲劳强度安全系数计算疲劳强度安全系数计算受弯曲、扭剪应力复合作用的强度条件受弯曲、扭剪应力复合作用的强度条件计算安全系数计算安全系数受弯矩的安全系数受弯矩的安全系数受扭矩的安全系数受扭矩的安全系数 许用安全系数许用安全系数计算精度及材质均匀程度计算精

13、度及材质均匀程度较高较高较低较低很低很低1.3 1.51.5 1.81.8 2.5第35页/共56页考虑考虑应力集中应力集中绝对尺寸绝对尺寸表面质量表面质量对轴疲劳强度的影响对轴疲劳强度的影响危险截面：有应力集中源且危险截面：有应力集中源且当量弯矩较大处当量弯矩较大处同一截面有多种应力同一截面有多种应力 集中源时取最大的集中源时取最大的表面质量 系数绝对尺寸 系数应力集中 系数弯曲时弯曲时扭转时扭转时平均 应力应力幅对称循 环应力弯曲弯曲扭剪扭剪平均应力折合成应力幅的等效系数弯曲时弯曲时扭转时扭转时应力性质应力性质对称循环对称循环脉动循环脉动循环固定轴或固定轴或 载荷随轴转载荷随轴转一般转轴一

14、般转轴应力性质脉动脉动 循环循环对称对称 循环循环单向单向 转动转动双向双向 转动转动第36页/共56页静强度安全系数计算静强度安全系数计算短时严重过载场合短时严重过载场合第37页/共56页提高轴的强度和刚度的措施 1.合理设计和合理布置轴上零件，减小最大载荷 第38页/共56页2.2.采用力平衡或局部相互抵消的办法，减小轴的载荷 第39页/共56页 3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度 第40页/共56页4.改善表面质量，提高轴的疲劳强度 表面强化处理的方法：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氮花、氰化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。5.采用空心轴，增大轴的刚度 第41页/共56页设计实例

15、例：设计带式运输机减速器的主动轴.已知传递功率=10kW,转速=200r/min,齿轮齿宽 B=100mm,齿数=40,模数=5mm,螺旋角，轴端装有联轴器。设计计算内容设计计算内容结果结果1、选择轴的材料和热处理方式、选择轴的材料和热处理方式选择轴的材料为选择轴的材料为45钢，经调质处理钢，经调质处理,其机械性能由表其机械性能由表6-1查查得：得：=650MPa，=360MPa，=300MPa，=155MPa；查表查表6-4得，得，=60MPa。2、初算轴的最小轴径、初算轴的最小轴径由表由表6-3，选，选c=110则轴的最小直径为：则轴的最小直径为：mm 轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直

16、径，需开键槽，轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，需开键槽，故将最小轴径增加故将最小轴径增加5%，变为，变为42.525mm。查。查机械设计手册机械设计手册，取标准直径取标准直径45mm。材料为材料为45钢，钢，调质处理调质处理 =650MPa =360MPa =300MPa =155MPa =60MPadmin=45mm第42页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果3、选择联轴器、选择联轴器取载荷系数取载荷系数 =1.3，则联轴器的计算转矩为：，则联轴器的计算转矩为：=1.3477500=620750N.mm根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准手册，选用弹性根据计算转矩、最小轴径

17、、轴的转速，查标准手册，选用弹性柱销联轴器，其型号为：柱销联轴器，其型号为：4、初选轴承、初选轴承因轴承同时受有径向力和轴向力的作用。故选用角接触球轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用。故选用角接触球轴承。根据工作要求及输入端的直径根据工作要求及输入端的直径(为为45mm)，由轴承产品目录中，由轴承产品目录中选取型号为选取型号为7211C的滚动轴承，其尺寸（内径的滚动轴承，其尺寸（内径外径外径宽度）为宽度）为dDb=5510021。联轴器联轴器滚动轴承滚动轴承7211C第43页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果5、轴的结构设计、轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案图a中，齿轮从

18、非输入端装入，齿轮、套筒、右端轴承和端盖从轴的右端装入，左端轴承和端盖、联轴器依次从轴的左端装入。图b中，齿轮从输入端装入，齿轮、套筒、右端轴承和端盖、联轴器依次从轴的右端装入，仅左端轴承从左端装入。仅从这两个装配方案比较来看，图b的装拆更为简单方便，若为成批生产，该方案在机加工和装拆等方面更能发挥其长处。综合考虑各种因素,故初步选定轴结构尺寸如图b。ab第44页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果（2）确定轴的各段直径根据联轴器型号，左端用轴端挡圈定位,右端用轴肩定位。轴段6直径为相配合的半联轴器直径，取为45mm。联轴器是靠轴段5的轴肩轴向定位，为保证定位可靠，轴段5要比轴段6大51

19、0mm，取轴段5的直径为52mm。轴段1和轴段4均是放置滚动轴承的，所以直径与滚动轴承内圈直径一样，为55mm。考虑拆卸的方便，轴段3的直径只要比轴段4的直径大12mm就行了，这里取为58mm。轴段2是一轴环，右侧用来定位齿轮，左侧用来定位滚动轴承，查滚动轴承手册，该型号的滚动轴承内圈安装尺寸最小为64mm，同时轴环的直径还要满足比轴段3的直径(为58mm)大510mm的要求，故这段直径最终取为66mm。第45页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果（3）确定轴的各段长度轴段6的长度比半联轴器毂孔长度要(为84mm)短2-3mm，故该段轴长取为82mm。同理，轴段3的长度要比齿轮的轮毂宽度

20、(为100mm)短2-3mm，故该段轴长取为98mm。轴段1的长度即为滚动轴承的宽度，查手册为21mm。轴环2宽度取为18mm。轴承端盖的总宽度为20mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离L=25mm，故取轴段5的长度为45mm。取齿轮距箱体内壁之距离为10mm，考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离，取5mm。已知滚动轴承宽度为21mm，齿轮轮毂长为100mm,则轴段4的长度为：105(100-98)+21=38mm第46页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果（4）轴上零件的周向定位）轴上零件的周向定位齿轮

21、、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接。查手册，对齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接。查手册，对于齿轮，平键的宽于齿轮，平键的宽高高=1610(GB1095-79)，键槽长为，键槽长为80mm(标准键长见标准键长见 GB1096-79),配合为配合为H7/n6；同样，半联轴器与轴；同样，半联轴器与轴选用平键联接选用平键联接14963，配合为，配合为H7/k6。滚动轴承与轴的周向。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为k6。（5）确定轴上圆角和倒角尺寸。）确定轴上圆角和倒角尺寸。取轴端倒角为取轴端倒角为245

22、第47页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果6、按当量弯矩法校核、按当量弯矩法校核（1）画受力简图）画受力简图 将轴上作用力分解为垂直面受力图将轴上作用力分解为垂直面受力图d和水平受力图和水平受力图e。（2）计算轴上转矩和齿轮作用力）计算轴上转矩和齿轮作用力 轴传递的转矩：轴传递的转矩：N.mm 齿轮的圆周力：齿轮的圆周力：N 齿轮的径向力：齿轮的径向力：N 齿轮的轴向力：齿轮的轴向力：N第48页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果（3）计算作用于轴上的支反力）计算作用于轴上的支反力 水平面内支反力水平面内支反力N 垂直面内支反力垂直面内支反力 N N（4）计算轴的弯矩，并画弯、转

23、矩图）计算轴的弯矩，并画弯、转矩图分别作出垂直面和水平面上分别作出垂直面和水平面上 的弯矩图的弯矩图f、g，并按，并按 计算合成弯矩。计算合成弯矩。画转矩图画转矩图h。第49页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果（5）计算并画当量弯矩图）计算并画当量弯矩图 转矩按脉动循环变化计算，取转矩按脉动循环变化计算，取 ，则，则 N.mm（6）校核轴的强度）校核轴的强度轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。径较小处。a-a 截面处弯矩最大截面处弯矩最大,且截面尺寸也非最大且截面尺寸也非最大,属于危属于危险截面；险截面；

24、b-b截面处当量弯矩不大但轴径较小，也属于危险截截面处当量弯矩不大但轴径较小，也属于危险截面。而对于面。而对于c-c、d-d 截面尺寸，仅受纯转矩作用，虽截面尺寸，仅受纯转矩作用，虽d-d 截面截面尺寸最小，但由于轴最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，尺寸最小，但由于轴最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，故强度肯定满足，无需校核弯扭合成强度。故强度肯定满足，无需校核弯扭合成强度。a-a 截面处当量弯矩为：截面处当量弯矩为：N.mm b-b 截面处当量弯矩为截面处当量弯矩为 N.mm第50页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果强度校核强度校核:考虑键槽的影响，查附表考虑键槽的影响，查附

25、表6-8计算，计算，MPa MPa 显然：显然：，故安全。故安全。7、按安全系数法校核、按安全系数法校核一般用途的轴按前述弯扭合成强度校核后就足够了，对于重要一般用途的轴按前述弯扭合成强度校核后就足够了，对于重要的轴可直接用下述的安全系数法校核。这两种方法不必同时进的轴可直接用下述的安全系数法校核。这两种方法不必同时进行。行。（1）判断危险截面）判断危险截面截面截面a-a、b-b、c-c、d-d和和e-e都有应力集中源都有应力集中源(键槽、齿轮键槽、齿轮和轴的配合、过渡圆角等和轴的配合、过渡圆角等)，且当量弯矩均较大，故确定为危险，且当量弯矩均较大，故确定为危险截面，下面仅以截面，下面仅以a-

26、a截面为例进行安全系数校核。截面为例进行安全系数校核。第51页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果（2）疲劳强度校核）疲劳强度校核 a、a-a截面上的应力：截面上的应力：弯曲应力幅（对称循环）：弯曲应力幅（对称循环）：MPa扭剪应力幅（脉动循环）：扭剪应力幅（脉动循环）：MPa弯曲平均应力：弯曲平均应力：=0扭剪平均应力：扭剪平均应力：=7.92MPa b、材料的疲劳极限：、材料的疲劳极限：根据根据 =650MPa，=360MPa，查表，查表6-1附注得：附注得：=0.2，=0.1 c、a-a截面应力集中系数：查附表截面应力集中系数：查附表6-1得：得：=1.825，=1.625 d、表

27、面状态系数及尺寸系数：查附表、表面状态系数及尺寸系数：查附表6-5、附表、附表6-4,得：得：=0.81，=0.76第52页/共56页设计计算内容设计计算内容结果结果e、分别考虑弯矩或转矩作用时的安全系数：、分别考虑弯矩或转矩作用时的安全系数：故安全。故安全。第53页/共56页1、优质碳素钢经调质处理制造的轴，验算刚度时发现不足，正确的改进方法是。A、加大直径B、改用合金钢C、改变热处理方法D、降低表面粗糙度值2、工作时只承受弯矩，不传递转矩的轴，称为。A、心轴B、转轴C、传动轴D、曲轴3、采用的措施不能有效地改善轴的刚度。A、改用高强度合金钢B、改变轴的直径C、改变轴的支承位置D、改变轴的结

28、构4、计算当量弯矩时，要引入系数a，这是考虑。A、轴上键槽削弱轴的强度B、合成正应力与剪切应力时的折算系数C、正应力与剪切应力的循环特性不同的系数D、正应力与剪切应力方向不同自测题第54页/共56页5、转动的轴，受不变的载荷作用，其所受的弯曲应力的性质为。A、脉动循环B、对称循环C、静应力D、非对称循环6、对于受对称循环转矩作用的转轴，计算当量弯矩，应取。A、0.3B、0.6C、1D、1.37、设计减速器中的轴，其一般设计步骤为。A、先进行结构设计，再按转矩、弯曲应力和安全系数校核B、按弯曲应力初算轴径，再进行结构设计，最后校核转矩和安全系数C、根据安全系数定出轴径和长度，冉校核转矩和弯曲应力D、按转矩初估轴径，再进行结构设计，最后校核弯曲应力和安全系数8、根据轴的承载情况，的轴称为转轴。A、既承受弯矩又承受转矩B、只承受弯矩不承受转矩C、不承受弯矩只承受转矩D、承受较大轴向载荷第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页