轴的校核例题很好.ppt

SEU-QRMSEU-QRMChapter 19 Design of ShaftsPART Ⅲ Design of Elements and Parts in General Use主讲主讲————钱瑞明机械设计机械设计 Machine DesignMachine Design1SEU-QRMSEU-QRM19.1 Introduction概述轴用于安装传动零件(如齿轮、凸轮、带轮等)，使其有确定 的工作位置，实现运动和动力的传递，并通过轴承支承在机 架或机座上 2SEU-QRMSEU-QRM19.1.1 Classification of Shafts轴的分类按轴线形状分——直轴(straight shaft)、曲轴(crankshaft) 和软轴(flexible shaft)Straight Shaft——3SEU-QRMSEU-QRMCrankshaft——Flexible Shaft——4SEU-QRMSEU-QRM按所受载荷性质分——心轴、转轴和传动轴l Rotating Shaft(转轴)——指既受弯矩(bending moment)又受转矩(torsional moment)的轴，转轴在各 种机器中最为常见。

l Mandrel(心轴)——只承受弯矩而不承受转矩的轴，如自 行车轮轴按轴转动与否，又可分为转动心轴和固定心 轴l Transmitting Shaft(传动轴)——指只受转矩不受弯矩或 受很小弯矩的轴，如连接汽车发动机输出轴和后桥的轴 5SEU-QRMSEU-QRMRotating shaftTransmitting shaft6SEU-QRMSEU-QRM转动心轴不转心轴不转心轴7SEU-QRMSEU-QRM1Lifter2341——传动轴：T 2——转轴：T + M 3——转轴：T + M 4——心轴 ：MMotor××××8SEU-QRMSEU-QRMStresses in shafts——脉动循环应力对称循环应力静应力()ot()ot()ot转轴—— 弯矩：对称循环应力 扭矩：脉动循环应力9SEU-QRMSEU-QRM19.1.2 Materials and Roughs of Shafts材料与毛坯Shaft Materials —— Table 19.1u碳钢，合金钢，球墨铸铁，高强度铸铁等u热处理，化学处理，表面强化处理等 l可用轧制圆钢材、锻造、焊接、铸造等方法获得。

l对要求不高的轴或较长的轴，毛坯直径小于150mm时，可用轧制 圆钢材；l受力大，生产批量大的重要轴的毛坯可由锻造提供；l对直径特大而件数很少的轴可用焊件毛坯；l生产批量大、外形复杂、尺寸较大的轴，可用铸造毛坯 Shaft Roughs ——10SEU-QRMSEU-QRM19.1.3 Failure Forms and Design Requirements of Shafts轴的失效形式与设计要求l 因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂;l 因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损;l 超过允许范围的变形和振动等 Failure Forms —— 11SEU-QRMSEU-QRM轴与轴上零件组成一个组合体称为轴系部件轴的设计必 须与轴系零部件整体结构紧密联系起来Design Requirements —— (1) 根据轴的工作条件、生产批量和经济性原则，选取适合 的材料、毛坯形式及热处理方法2) 根据轴的受力情况、轴上零件的安装位置、配合尺寸及 定位方式、轴的加工方法等具体要求，确定轴的合理结 构形状及尺寸，即进行轴的结构设计3) 轴的强度计算或校核对受力大的细长轴(如蜗杆轴)和 对刚度要求高的轴，还要进行刚度计算。

在对高速工作 下的轴，因有共振危险，故应进行振动稳定性计算12SEU-QRMSEU-QRM19.2 Structure Design of Shafts轴的结构设计轴结构设计的任务——在满足强度、刚度和振动稳定性的基 础上，根据轴上零件的定位要求及轴的加工、装配工艺性要 求，合理地确定轴的结构形状和全部尺寸 轴的组成—— 轴颈(journal)——轴上被支承部分； 轴头——安装轮毂(hub)部分； 轴身——连接轴颈和轴头的部分轴的结构设计主要解决以下几个问题： 轴上零件的布置；零件在轴上的轴向定位和固定，零件在轴 上的周向定位；轴结构的工艺性；提高轴强度的措施13SEU-QRMSEU-QRM19.2.1 Arranging Scheme of Elements on a Shaft轴上零件的布置方案轴上零件的布置——预定出轴上零件的装配方向、顺序和 相互关系，它决定了轴的结构形状装配方案——以轴最大直径处的轴环为界限，轴上零件分 别从两端装入按安装顺序即可形成各轴段粗细和结构形 式的初步布置方案在拟定方案时，可以考虑几个方案，以供比较选择14SEU-QRMSEU-QRM1234567891 01 11 21 31 415SEU-QRMSEU-QRM19.2.2 Location and Fixing of Elements on a Shaft零件在轴上的定位和固定1. 零件在轴上的轴向定位和固定——应考虑——零件所受轴向力的大小，轴的制造，轴上零件 装拆的难易程度，对轴强度的影响，工作可靠性等因素。

轴上零件轴向定位与固定的常用方法——轴肩和轴环，轴套(套筒) ，圆螺母，圆锥面，轴端挡板，弹 性挡圈，锁紧挡圈、紧定螺钉等16SEU-QRMSEU-QRM轴向定位和固定——轴肩和轴环①轴肩与轴环——由定位面和过度圆角组成为保证零件端面能靠紧定位面，轴肩(环)圆角半径r必须 小于零件毂孔的圆角半径R或倒角高度C1; 轴肩(环)高度 h应大于C1和R，为了有足够的强度来承受轴向力，通常 取h=(0.07~0.1)d轴环宽度b≥1.4hrhDdbrRhDd轴环C1轴肩17SEU-QRMSEU-QRM轴向定位和固定——轴套（套筒）轴套适用于轴上两个相距较近零件之间的定位，其两个 端面为定位面，应有较高的平行度和垂直度为使轴上 零件定位可靠，应使轴段长度比零件毂长短2~3mm②123418SEU-QRMSEU-QRM轴向定位和固定——圆螺母③可用圆螺母与轴肩、 轴环等的组合实现零 件在轴上的双向定位 和固定圆螺母定位装拆方便 ，通常用细牙螺纹来 增强防松能力和减小 对轴的强度消弱及应 力集中1219SEU-QRMSEU-QRM轴向定位和固定——圆锥面④将轴与零件的配合面加工成圆锥面，可以实现轴向定位 。

圆锥面的锥度小时，所需轴向力小，但不易拆卸，通 常取锥度1:30～1:8 紧定套20SEU-QRMSEU-QRM轴向定位和固定——轴端挡板⑤当零件位于轴端时，可用轴端挡板与轴肩、轴套、圆锥 面等的组合，使零件双向固定挡板用螺钉紧固在轴端 并压紧被定位零件的端面该方法简单可靠、装拆方便 ，但需在轴端加工螺纹孔21SEU-QRMSEU-QRM轴向定位和固定——弹性挡圈⑥在轴上切出环形槽(手册)，将弹性挡圈嵌入槽中，利用 它的侧面压紧被定位零件的端面，图为轴肩与弹性挡圈 联合使用的情况这种定位方法工艺性好、装拆方便， 但对轴的强度消弱较大，常用于所受轴向力小的轴 22SEU-QRMSEU-QRM轴向定位和固定——锁紧挡圈、紧定螺钉⑦锁紧挡圈用紧定螺钉固定在轴上，装拆方便，但不能承 受大的轴向力23SEU-QRMSEU-QRM2. 零件在轴上的周向定位和固定——l 定位方式的选择——考虑传递转矩的大小和性质、零 件对中精度的高低、加工难易等因素l 常用周向定位方法——键、 花键、成形、销、过盈配合 等，通称轴毂连接紧定螺 钉也可作周向定位，但仅用 于转矩不大的场合l 在运动精度要求较高的场合 (如有运动协调性要求等)， 周向定位周向定位要求精确并可调整可调整 ，周向定位比轴向定位更重 要。

24SEU-QRMSEU-QRM19.2.3 Structural Technology of Shafts轴结构的工艺性轴结构的工艺性——是指轴的结构应尽量简单，有良好的 加工和装配工艺性，以利减少劳动量，提高劳动生产率及 减少应力集中，提高轴的疲劳强度注意点—— (1) 为减少加工时换刀时间及装夹工件时间，同一根轴上所 有圆角半径、倒角尺寸、退刀槽宽度应尽可能统一；当 轴上有两个以上键槽时，应置于轴的同一条母线上，以 便一次装夹后就能加工25SEU-QRMSEU-QRM(2) 轴上的某轴段需磨削时，应留有砂轮的越程槽；需切制 螺纹时，应留有退刀槽 (3) 为了去掉毛刺，便于装配，轴端应制出45º倒角 (4) 当采用过盈配合连接时 ，配合轴段的零件装入 端，常加工成导向锥面 若还附加键连接，则 键槽的长度应延长到锥 面处，便于轮毂上键槽 与键对中 (5) 如果需从轴的一端装入两个过盈配合的零件，则轴上两 配合轴段的直径不应相等，否则第一个零件压入后，会 把第二个零件配合的表面拉毛，影响配合 26SEU-QRMSEU-QRM19.2.4 Measures for Improving Strength of Shafts提高轴的强度的措施1. 改进轴的结构以减少应力集中——(1)轴上相邻轴段的直径不应相差过大，在直径变化处，尽量用圆角 过渡，圆角半径尽可能大。

2)轴上与零件毂孔配合的轴段，在配合边缘会产生较大的应力集中 可以在轴或轮毂上开卸载槽以及加大配合部分的直径等措施进 行改善3)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽 (4)盘铣刀加工的键槽与端铣刀铣出的键槽相比，前者槽底过渡平缓 ；采用渐开线花键结构代替矩形花键，均可减小应力集中避免 在轴上受载较大的部分设计螺纹结构27SEU-QRMSEU-QRM2. 改进轴上零件的结构或布置以减小轴的载荷——Example 1 —— 起重卷筒的两种不同结构方案比较××Motor 1×23FQ×Motor 123FQ××l左图方案——齿轮2与卷筒3之间用螺栓连接，空套于轴上，固定 心轴也可改为齿轮2与轴用键连接，转动心轴 轴直径小l右图方案——齿轮2和卷筒3分别用键与轴连接，转轴轴直径大 28SEU-QRMSEU-QRMExample 2 —— 起重卷筒的两种不同结构方案比较29SEU-QRMSEU-QRMInput T1 +T2×××Output T1Output T2Input T1 +T2××OutputT2×Output T1Torque diagramT1T2T1 +T2T1T2 T1 +T2Torque diagramExample 3 ——合理安排轴上载荷的传递路线当动力需要两个轮输出时，为了减小轴上的转矩，尽量将输入轮布置 在中间（左图）。

当输入转矩为T1+T2时，此时左图轴上的最大转矩 为T1而右图的结构，轴上的最大转矩为T1+T2 30SEU-QRMSEU-QRM3. 改善轴的表面品质以提高其疲劳强度——u 轴的表面粗糙度对疲劳强度有很大的影响疲劳裂纹 常常发生在表面最粗糙的地方u 为提高轴的疲劳强度，可采用表面强化处理，如碾压 、喷丸、氮化、渗碳、淬火等方法，可显著提高轴的 承载能力31SEU-QRMSEU-QRM19.3 Design and Calculation of Shafts轴的设计计算根据轴的失效形式，对轴的计算内容通常为l强度(strength)计算——l刚度(stiffness)计算——轴受载后发生弯曲、扭转等变形如果变 形过大，超过允许变形范围，轴上零件就不能正常工作，甚至影响 机器的性能因此，对于有刚度要求的轴，必须进行刚度校核轴 的刚度分为弯曲刚度和扭转刚度l临界转速(critical rotating speed)计算——若轴受载荷作用引起的 强迫振动频率与轴的固有频率相同或接近时，将产生共振现象，以 至于轴或轴上零件乃至整个机器遭到破坏发生共振时轴的转速称 为临界转速。