轴的设计[96页]

1、学习单元8 轴的设计,一、项目导入,1 概 述,2 轴的结构设计,3 轴的强度计算,一.轴的功用：,1.支承作回转运动的零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；,2.传递运动和动力；,1 概 述,1.轴的分类及材料选择（保证轴的强度、刚度要求）；,2.轴的正确结构设计（轴上零件定位准确、固定可靠、 装拆方便，轴加工工艺性好；重点,3.轴的强度计算；,4.轴系设计实例分析。,光 轴,阶梯轴,空心轴,曲轴,二. 轴的分类,转轴既受弯矩，又受转矩的轴，如齿轮减速 器中装齿轮的轴。,心轴只受弯矩M的轴，如滑轮轴、自行车前 轮轴,传动轴只受扭矩T，或少量弯矩（轴自重引 起）如汽车双万向联轴器的中间轴,传 动 轴,转 轴,特殊用途的轴如钢丝软轴,设备,轴的设计步骤,有特殊要求时,三.轴的材料及选择,(1) 碳素钢,优质碳素钢：35、45、50等,45钢使用最广泛,普通碳素钢：Q235A等,特点,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,热处理后提高耐磨性、疲劳强度,(2) 合金钢,用于高速、重载、较重要的轴,常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等,特点,对应力集中敏感性较大,强度和

2、淬火性比碳素钢好,价格比碳素钢贵,注意,刚度与碳素钢相同 (两者弹性模量 E 相近),我国Cr、Ni 资源少，尽量用代用钢种,(如40MnB机械性能接近40Cr),(3) 球墨铸铁,以铁代钢,特点,对应力集中敏感性较小,吸振性、耐磨性好,可以做成复杂形状,价廉,冲击韧性低、质量不易控制,毛坯,圆钢棒料 尺寸小的轴,锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴,焊接毛坯 大件锻造困难,铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等,轴的结构设计主要取决于轴在机器中的安装位置及形式，轴上零件的定位、固定以及联接方法，轴所承受的载荷，轴的加工工艺以及装配工艺要求等 如果轴的结构设计不合理，可能会影响轴的工作能力，增加轴的制造成本或轴上零件装配的困难。因此轴的结构设计是轴设计中的重要内容,2 轴的结构设计,一. 轴系结构分析,轴的结构设计目的合理确定轴的外部形状和全部尺寸,轴颈：轴上与轴承配合的部分 轴头：与轮毂配合的部分 轴身：联接轴颈和轴头的非配合部分 轴环：直径大且呈环状的短轴段 轴肩：截面尺寸变化的台阶处,二.轴的结构设计应考虑的主要因素,4.有利于提高轴的强度和刚度（轴的受 力合理、应力集中小）。,3.良好

3、的加工工艺性；,2.便于轴上零件的装拆和调整；,1.保证轴上零件的定位和固定可靠；,一）零件轴向固定的目的,三. 零件轴向固定,防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。,特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴 向定位和固定,轴肩,轴环,二）常用轴向固定,1.轴肩（或轴环）,过渡圆角r,定位高度h,注意事项：,1）轴的过渡圆角半径r 应小于轴上零件的倒角C 或圆角半径R；,定位轴肩：过渡圆角rC(或R) ,通常取h=(0.07-0.1)d或D=d+(5-10)mm,滚动轴承： 按轴承型号查标准,非定位轴肩：为使零件装拆方便，取h=(12.5)mm,3）轴环宽度b b1.4h,2套筒-,注意：轮毂宽度B 轴头长度l，取l = B -（12）mm,常用于两个近距离的零件之间，起定位和固定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的轴上。,常与轴肩或锥面联合使用，固定零件稳 定可靠，能承受较大的轴向力：,注意：轮毂宽度B轴头长度l ，取l = B- （12）mm,3轴端挡圈-,4圆锥面-装拆方便，宜用于高速、重载及零件对中性 要求高的场合。,5圆螺母与止动垫圈-固定可靠，

4、可承受较大的轴 向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。,注意：零件宽度B 轴长度l ，取l = B-（12）mm,6弹性挡圈-结构简单，但在轴上需切槽，会引起 应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。,注意：零件宽度B 轴长度l ，取l = B-（12）mm,7紧定螺钉-结构简单，可兼作周向固定，传递不大的 力或力矩，不宜用于高速。,三. 轴的结构工艺性便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装,一）轴的加工工艺性要求,1. 不同轴段的键槽，应布置在轴的同一母线上，,a. 正确结构,b.不正确结构,以减少键槽加工时的装卡次数；,2. 需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应 留螺纹退刀槽。,砂轮越程槽,螺纹退刀槽,3. 相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽 量统一.,二）轴上零件装配工艺性要求,与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。,a）倒角,b）导向锥面,轴的配合直径应圆整为标准值,轴端应有cX45的倒角,五. 提高轴强度、刚度的措施,一）合理布置轴上零件，改善轴的受力情况,1. 使弯矩分布合理把轴、毂配合分成两段，减小最大弯 矩值。,不合理结构,合理结

5、构,2.使转矩合理分配,不合理的布置,合理布置,3. 改进轴上零件结构减轻轴的载荷,卷筒轴只受弯矩,卷筒轴既受弯又受扭,4. 改进轴的结构以减小应力集中的影响,1）轴肩变化处,尽量增大采用较大的过渡圆角， 受限时可采用内凹圆角或加装隔离环。,4. 改进轴的结构以减小应力集中的影响,2）加工键槽时,用盘铣刀比用键槽铣刀加工对轴的削弱较为平缓。,渐开线花键比矩形花键在齿根处应力集中小。,4. 改进轴的结构以减小应力集中的影响,3）当过盈配合时,要合理地选择零件与轴的配合；并可在轮毂或轴上开减载槽 或者加大配合部分的直径。,5. 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度,表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。,轴的表面粗糙度和表面强化处理方法对轴的疲劳强度有影响。轴的表面越粗糙，疲劳强度也越低。,二）减小轴的应力集中轴的剖面变化处、轴毂配合面的边缘键槽 根部等会产生应力集中。,b）过盈配合处的应力集中,a）截面尺寸变化处 的应力集中,b）过盈配合处的应力集中,c）小孔处的应力集中,a）截面尺寸变化处的应力集中,c）小孔处的应力集中,当过

6、渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环,对于过盈配合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽,凹切圆角,过渡肩环,减载槽, 3 轴的强度计算,一.按扭转强度计算适用于传动轴、转轴初算,扭转强度条件：,轴的扭剪应力（MPa）；,式中：,对于实心圆轴：,A与轴的材料有关的系数，查表11-1。,计算说明：,1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为轴端；,2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大5%。 双键槽增大10%，将所计算的直径圆整为标准值即：,设计计算式：,W轴的抗弯剖面系数（mm3）,转动心轴：r=-1 b = -1,M不变： b= +1 b,M变化： b = 0 b,b 许用弯曲应力,弯曲强度条件：,对于实心圆轴，WT=d3/32 d3/10,二 按弯曲强度计算用于心轴强度计算,表1 轴的常用材料及主要机械性能,245,118,69,碳素钢,45,正火,100,170217,600,300,275,140,196,93,54,调质,200,217255,650,360,300,155,216,98,59,合金钢,40Cr,调质,100,100 300,241 286,750,550,350,

7、200,241 286,700,550,340,185,b=650 Mpa，s=360 Mpa，-1=300 Mpa，-1 =155 Mpa, +1b=216 Mpa， 0b=98 Mpa， -1b=59 Mpa,三 按弯、扭合成强度计算 用于转轴强度计算,强度计算的前提条件：轴的结构设计初步完成，支承点位置 确定，支反力可求。,弯曲应 力：,扭剪应力：,根椐第三强度理论转轴危险截面上的应力：, 称为计算弯矩或当量弯矩,因为M、T两者产生的应力循环特性r和r不同，通常 r=1，而一般r1，将T转化为对称循环变化， 引入应力修正系数,则,轴弯、扭合成强度条件为：,轴受不变扭矩时，rT =+1，,轴受脉动扭矩（有振动冲击或频繁启动停车）rT=0，,轴受对称扭矩(频繁双向运转)时，rT =-1，,转矩的变化不清楚时按脉动循环处理,也可按弯、扭合成强度条件计算轴的直径,设计时应注意： 由于轴的各剖面的当量弯矩和直径不同，因此轴的危险剖面在当量弯矩较大或轴的直径较小处。一般选一个或二个危险剖面核算。,1)要合理选择危险剖面,若验算轴的强度不够，即 , 则可用增大轴的直径、改用强度较高的材料或改变

8、热处理方法等措施来提高轴强度；,3) 若 比 小很多时，是否要减小轴的直径，应综合考虑其他因素而定。有时单从强度观点，轴的尺寸可以缩小，不过却受到其他条件的限制。例如刚度、振动稳定性、加工和装配工艺条件以及与轴有关联的其他零件和结构的限制等。因此必须就所有条件进行全面考虑，方可做出改变轴结构尺寸的决定。,4) 对于重要的轴，尚需采用更精确的安全系数法校核。,四. 按安全系数校核计算(重要轴),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,计算安全系数,受弯矩的安全系数,受扭矩的安全系数,许用安全系数,静强度安全系数计算,短时严重过载场合,S 0-静强度计算安全系数,S0,S0-受弯矩，转矩作用时的静强度计算安全系数,S0静强度安全系数(P366),4 轴的设计方法及步骤,设计图示带式运输机中单级斜齿轮减速器输出轴。已知：电动机的功率P1=25KW，n1=970r/min；齿轮传动的主要参数及尺寸为：法面模数mn=4mm， 两轮齿数分别为Z1=20，Z2=79，螺旋角 ，分度圆直径d1=81.81mm ，d2=319.19mm，中心距a=200mm，齿宽b1=85mm，b2=

9、80mm，单向运转。,一.例题题目,二.设计方法及步骤,一）选择轴的材料,因该轴无特殊结构尺寸要求，故选45钢调质，,二）按扭转强度初步计算轴的直径,低速轴的功率：,低速轴的转速：,低速轴的计算直径：,考虑轴端装联轴器需要开键槽，轴径应为,低速轴计算扭矩：,选输出轴端联轴器型号为：,联轴器孔径要求：d联孔= 55 mm,强度要求即： dmin d2ca,初定轴最小直径d2min,(P310),三）轴的结构化设计,1. 选择轴上零件的装拆方案，初定轴的形状,轴上零件的装拆，可采取两种方案：,轴上零件：有齿轮、滚动轴承、 联轴器,左边轴承从左端装拆，用轴肩定位和固定；大齿轮、右边轴承 和联轴从右端装拆，前两者之间用套筒固定，联轴器用轴肩和轴 端挡圈固定。,轴上零件装拆方案a）,左边轴承和大齿轮从左端装拆，两者均用套筒固定； 右边轴承和联轴器从右端装拆，两者均用轴肩定位和固定。,轴上零件装拆方案b）,2. 按a）方案进行轴的结构化设计,1. 确定轴的最小直径dmin：因为轴的最小直径处安装联轴 器，故取dmin=55mm；,2. 设计轴的结构；,1) 仅从轴的强度和加工工艺考虑，可将轴制成55的光轴,2）考虑轴上零件的装拆、定位、固定要求，应轴制成阶梯轴,考虑左轴承和大齿轮的定位及固定，应制轴肩和轴环,考虑右轴承和大齿轮的定位及固定，应有套筒,考虑联轴器、大齿轮轴向和周向固定，联轴器的轴向固定，进 一步完善轴的结构,3）根据轴上零件的定位和固定要求确定各段轴的直径；,取：定位轴肩高度h =（0.07）d +(2 3) mm,非定位轴肩高度,各段轴直径：,或d=(5-10)mm,4）根据轴上零件的尺寸及位置要求确定各段轴的长度l和各力点距离L,L,a,b1,a,L,K,L联轴器,l,L3,L2,L1,l7,l5,l4,l6,l3,l2,l1,B,s,b2,B,s,L联孔,

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