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1、轴的设计概述概述 1轴的结构设计轴的结构设计 2轴的计算轴的计算 3概述轴的用途和分类轴的用途和分类11轴的用途轴的用途 用来支撑回转类机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑回转类机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等，并传递运动和动力。链轮、凸轮等，并传递运动和动力。概述轴的用途和分类轴的用途和分类12轴的分类轴的分类转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：按承受载荷分有：按轴的形状分有：按轴的形状分有：带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机转轴转轴概述轴的用途和分类轴的用途和分类12轴的分类轴的分类转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：按承受载荷
2、分有：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩发动机发动机后桥后桥传动轴传动轴概述轴的用途和分类轴的用途和分类12轴的分类轴的分类转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩前轮轮毂前轮轮毂固定心轴固定心轴火车轮轴火车轮轴车厢重力车厢重力 前叉前叉自行车自行车前轮轴前轮轴支撑反力支撑反力转动心轴转动心轴概述轴的用途和分类轴的用途和分类12轴的分类轴的分类转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有：按轴的
3、形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴概述轴的用途和分类轴的用途和分类12轴的分类轴的分类转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴概述轴的用途和分类轴的用途和分类12轴的分类轴的分类本章只研究直轴转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴
4、钢丝钢丝挠性轴挠性轴更多说明 概述概述轴的设计内容轴的设计内容21设计任务设计任务结构设计结构设计承载能力的计算承载能力的计算结构设计结构设计确定轴的结构形式和尺寸。确定轴的结构形式和尺寸。承载能力的计算承载能力的计算强度强度、刚度、刚度、振动稳定性等计算。振动稳定性等计算。失效形式：断裂、变形、过大的弹性变形、振动失效形式：断裂、变形、过大的弹性变形、振动 概述轴的设计内容轴的设计内容22轴的材料轴的材料碳素钢：碳素钢：35、45、50、Q235合金钢合金钢:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等等正火或调质处理正火或调质处理 碳素结构钢碳素结构钢因具有较好的综合力学
5、性能，应用因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是较多，尤其是4545钢应用最广。钢应用最广。合金钢合金钢具有较高的具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。球墨铸铁球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、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、强度较好等吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。优点。概述轴的设计内容轴的设计内容22轴的材料轴的材料 查表查表15-1轴的毛坯轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。墨铸铁。表表1 1 轴的常用材料及其主要力学
6、性能轴的常用材料及其主要力学性能材料及热处理材料及热处理毛坯直径毛坯直径mmmm硬度硬度HBSHBS强度极限强度极限B B 屈服极限屈服极限s s MPaMPa弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限-1-1应用说明应用说明Q235Q235440440240240200200用于不重要或用于不重要或载荷不大的轴载荷不大的轴35 35 正火正火520520270270250250有较好的塑性有较好的塑性和适当的强度，和适当的强度，可用于一般曲可用于一般曲轴、转轴。轴、转轴。100100149149187187轴的结构设计轴的设计任务轴的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。
7、轴端挡圈轴端挡圈带轮带轮 轴承端盖轴承端盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承典型典型轴系轴系结构结构轴的结构设计轴的设计要求轴的设计要求轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；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；12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；3改善应力状况，减小应力集中。改善应力状况，减小应力集中。4轴的结构设计轴上零件的装配方案轴上零件的装配方案1 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从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轴端逐渐向中间增大的阶梯状阶梯状。轴的结构设计轴的结构设计轴上零件
8、的轴上零件的定位定位2 轴向定位：轴向定位：零件的轴向定位由轴肩、挡肩、套零件的轴向定位由轴肩、挡肩、套筒、轴承端盖、筒、轴承端盖、轴端挡圈、轴端挡圈、弹性挡圈、紧定螺钉弹性挡圈、紧定螺钉和圆和圆螺母等来实现螺母等来实现。零件的定位零件的定位轴向定位轴向定位周向定位周向定位轴的结构设计轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定2轴肩轴肩轴肩1定位轴肩定位轴肩非定位轴肩非定位轴肩轴的结构设计轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定2定位轴定位轴肩的尺寸要求肩的尺寸要求:r C 或或 r 100mm，有一个键槽，将，有一个键槽，将dmin增大增大3%；有两个键槽，将有两个键槽，将dmin增大增大7%
9、；d100mm，有一个键槽，将，有一个键槽，将dmin增大增大5%7%；有两个键槽，将有两个键槽，将dmin增大增大10%15%；轴的结构设计确定各轴段的直径和长度确定各轴段的直径和长度31.估算轴的最小轴径估算轴的最小轴径各各轴段直径的确定轴段直径的确定1按经验公式估算按经验公式估算dmin一般减速器中一般减速器中 高速级输入轴：高速级输入轴：dmin=（0.81.2）D各级低速轴：各级低速轴：dmin=（0.30.4）aD电动机的输出轴径；电动机的输出轴径；a对应级中心距对应级中心距带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机转轴转轴轴的结构设计确定各轴段的直径和长度确定各轴段的直径和长度
10、32.在在dmin的基础上，按轴上零件的的基础上，按轴上零件的装配方案装配方案和和定位要定位要求求，确定各轴段的直径。，确定各轴段的直径。各各轴段直径的确定轴段直径的确定1轴的结构设计确定各轴段的直径和长度确定各轴段的直径和长度3各各轴轴段长度的段长度的确定确定从传动零件出发，按设计规范确定各轴段的长度。从传动零件出发，按设计规范确定各轴段的长度。为了保证轴上零件轴向定位可靠，与齿轮、带轮、联轴器等为了保证轴上零件轴向定位可靠，与齿轮、带轮、联轴器等轴上零件相配合的轴段长度一般比轮毂长度短轴上零件相配合的轴段长度一般比轮毂长度短2-3mm。2轴的结构设计提高轴的强度与刚度的措施提高轴的强度与刚
11、度的措施 41改善受力状况改善受力状况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。Q方案方案 aQ方案方案b T改进轴上零件的结构以减小轴的载荷改进轴上零件的结构以减小轴的载荷轴的结构设计提高轴的强度与刚度的措施提高轴的强度与刚度的措施 41改善受力状况改善受力状况合理布置轴上零件以减小轴的载荷合理布置轴上零件以减小轴的载荷输出输出输出输出输入输入输出输出输出输出 输入输入Tmax=T1+T2Tmax=T1T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理合理不合理不
12、合理 轴的结构设计提高轴的强度与刚度的措施提高轴的强度与刚度的措施 42减小应力集中减小应力集中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;应力集中出现在截面突然发生变化处。应力集中出现在截面突然发生变化处。CDdr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。轴的结构设计提高轴的强度与刚度的措施提高轴的强度与刚度的措施 42减小应力集中减小应力集中Rdd/430 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
13、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卸载槽卸载槽 也可以在轮毂上增加卸载槽B位置d/4轴的结构设计提高轴的强度与刚度的措施提高轴的强度与刚度的措施 43不同的支承方案影响轴的支承跨距和刚度不同的支承方案影响轴的支承跨距和刚度 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。倒角倒角轴的结构设计结构工艺性结构工艺性5轴的计算按扭转强度计算按扭转强度计算 1对于只传递扭矩的圆截面轴，强度条件为：对于只传递扭矩的圆截面轴，强度条件为：设计公式为：设计公式为：mmnPA30
14、MPandP362.01055.9TWTT3362.01055.9nPd计算结果为：最小直径！计算结果为：最小直径！解释各符号的意义及单位轴的计算按扭转强度计算按扭转强度计算 1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。轴的材料轴的材料 Q235A,20 35 45 40Cr,35SiMn(N/mm)1525 2035 2545 3555A0 149126 135112 126103 11297表表15-3 常用材料的常用材料的值和值和A0值值注注:当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时当作用在轴上的弯矩比传递的转矩
15、小或只传递转矩时,A0取较小值取较小值;否则取较大值否则取较大值mmnPA303362.01055.9nPd轴的计算按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算2强度条件为：强度条件为：42T2ca弯曲应力：弯曲应力：扭切应力：扭切应力：WMTWTT32/3dM31.0 dMWT2W-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；轴的计算按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算2因因和和的循环特性不同，的循环特性不同，折合后得：折合后得：1.0132dM221TMW2224WTWMcaWMcaa代入得：代入得：WTM22)(-折合系数折合系数Mca-当量弯矩当量弯矩轴的计算按弯扭合成强度计
16、算按弯扭合成强度计算2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：单向转动，反复启动；脉动变化：单向转动，反复启动；1 -对称变化：频繁正反转。对称变化：频繁正反转。mmMdca31 1.0设计公式：设计公式：=轴的计算计算步骤计算步骤:1.建立轴的受力计算建立轴的受力计算 简图（简支梁）；简图（简支梁）；2.计算轴承的支反力；计算轴承的支反力；1）水平面上的支反力；）水平面上的支反力；2）垂直面上的支反力；）垂直面上的支反力；3.绘制弯矩图；绘制弯矩图；1）水平面上的弯矩图；）水平面上的弯矩图；2）垂直面上的）垂直面上的弯矩图弯矩图；3）合成）合成弯矩弯矩M
17、；22VHMMM轴的计算计算步骤计算步骤:3.绘制弯矩图；绘制弯矩图；1）水平面上的弯矩图；）水平面上的弯矩图；2）垂直面上的）垂直面上的弯矩图弯矩图；3）合成）合成弯矩弯矩M；4.绘制绘制扭矩图；扭矩图；5.计算计算当量弯矩当量弯矩Mca，绘制计算弯矩图；绘制计算弯矩图；6.选择选择危险截面进行强度校核。危险截面进行强度校核。轴的计算轴轴的刚度计算的刚度计算3弯矩弯矩 弯曲变形弯曲变形 扭矩扭矩 扭转变形扭转变形lFFF”12变形量的描述：变形量的描述：挠度挠度 y、转角、转角、扭角、扭角 yTTl设计要求：设计要求：y y 轴的计算轴轴的刚度计算的刚度计算31.弯曲弯曲变形计算变形计算方法有：方法有：当量轴径法当量轴径法等直径轴等直径轴适用于阶梯轴：适用于阶梯轴：mmdlLdniiiv44轴的计算轴轴的刚度计算的刚度计算3raddGTlGITlp432radIlTGnipiii11等直径轴的扭转角：等直径轴的扭转角：阶梯轴的扭转角：阶梯轴的扭转角：其中：其中：T-转矩；转矩；Ip-轴截面的极惯性矩轴截面的极惯性矩 l-轴受转矩作用的长度；轴受转矩作用的长度；d-轴径；轴径；G-材料的切变模量；材料的切变模量；