河海大学机械设计轴.pptx

二、类型：二、类型：1、按承载情况分：、按承载情况分：转轴转轴同时承受扭矩和弯矩同时承受扭矩和弯矩 应用：应用最为广泛，如减速器和变速箱中的轴应用：应用最为广泛，如减速器和变速箱中的轴心轴心轴只受弯矩，不受转矩只受弯矩，不受转矩转动心轴转动心轴固定心轴固定心轴应用：机车轮轴应用：机车轮轴应用：自行车应用：自行车 前轮轴前轮轴传动轴传动轴传递转矩而不承受弯矩（或弯矩很小）传递转矩而不承受弯矩（或弯矩很小）应用：广泛应用于车辆前后桥之间应用：广泛应用于车辆前后桥之间2、按轴线形状分、按轴线形状分 直轴：直轴：阶梯轴阶梯轴 光轴光轴曲轴：曲轴：钢丝软轴钢丝软轴 空心轴空心轴一、对轴材料的要求：一、对轴材料的要求：1)足够的强度、刚度、耐磨性足够的强度、刚度、耐磨性2)应力集中的敏感性小应力集中的敏感性小3)良好的机械加工工艺性良好的机械加工工艺性4)能通过热处理方式提高疲劳强度能通过热处理方式提高疲劳强度5)材料来源和经济性材料来源和经济性14-2 14-2 轴的材料轴的材料碳碳素素钢钢比比合合金金钢钢价价廉廉，应应力力集集中中的的敏敏感感性性较较低低，适适用用于于一般要求的轴。一般要求的轴。合合金金钢钢的的力力学学性性能能和和淬淬火火性性能能好好，在在传传递递大大功功率率并并要要求求减减小小尺尺寸寸和和质质量量、要要求求高高的的耐耐磨磨性性，以以及及处处于于高高温温、低低温温和和腐蚀条件下采用。腐蚀条件下采用。一一般般工工作作温温度度下下（低低于于200200），碳碳素素钢钢和和合合金金钢钢的的弹弹性模量相差不多，因此刚度相差不多。性模量相差不多，因此刚度相差不多。二、轴的材料二、轴的材料轴的材料主要是碳素钢和合金钢，毛坯多用轧制圆钢和锻件轴的材料主要是碳素钢和合金钢，毛坯多用轧制圆钢和锻件高强度铸铁和球墨铸铁用于制造外形复杂的轴。价廉、良好高强度铸铁和球墨铸铁用于制造外形复杂的轴。价廉、良好的吸振性和耐磨性，对应力集中的敏感性较低等优点，质较脆。的吸振性和耐磨性，对应力集中的敏感性较低等优点，质较脆。轴的设计内容：轴的设计内容：一、轴的结构设计一、轴的结构设计 根据轴的功能要求，确定轴上零件的安装、定位以及轴的根据轴的功能要求，确定轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方案，合理地确定轴的形状和尺寸。制造工艺等方案，合理地确定轴的形状和尺寸。二、轴的工作能力计算二、轴的工作能力计算 1 1）强度强度计算计算-防止轴的断裂和塑性变形。防止轴的断裂和塑性变形。2 2）刚度刚度计算计算-防止轴过大的弹性变形（对刚度要求防止轴过大的弹性变形（对刚度要求高的轴，应按刚度条件来设计轴的尺寸）。高的轴，应按刚度条件来设计轴的尺寸）。3 3）振动稳定性振动稳定性计算计算-防止轴发生共振破坏（对高速或防止轴发生共振破坏（对高速或载荷作周期变化运转的轴，应按临界转速条件进行轴的载荷作周期变化运转的轴，应按临界转速条件进行轴的稳定性计算）。稳定性计算）。同一工作要求的轴，其结构设计的结果具有多样性同一工作要求的轴，其结构设计的结果具有多样性14-3 14-3 轴的结构设计轴的结构设计轴的结构应满足的要求：轴的结构应满足的要求：1 1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置2 2）轴上的零件应便于装拆和调整）轴上的零件应便于装拆和调整3 3）具有良好的制造和装配工艺性）具有良好的制造和装配工艺性4 4）使轴受力合理）使轴受力合理5 5）有利于节约原材料和减轻重量；）有利于节约原材料和减轻重量；轴颈轴颈 轴上被支承的轴上被支承的部分部分轴头轴头 安装轮毂的安装轮毂的部分部分轴身轴身 连接轴颈与轴连接轴颈与轴头的部分头的部分轴颈轴颈 轴头轴头 轴身轴身 轴颈和轴头的直径应按规范选取圆轴颈和轴头的直径应按规范选取圆整尺寸整尺寸（滚动轴承）（滚动轴承），并要求较高的加，并要求较高的加工精度和较低的表面粗糙度。工精度和较低的表面粗糙度。轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上零件，并且生产率高，成本低。上零件，并且生产率高，成本低。一般地说，轴的结构越简单，工艺性越好。一般地说，轴的结构越简单，工艺性越好。一、轴的结构工艺性一、轴的结构工艺性 1 1、要磨削加工的轴段，应有砂轮越程槽；要切制、要磨削加工的轴段，应有砂轮越程槽；要切制螺纹的轴段，应有退刀槽。螺纹的轴段，应有退刀槽。2、为减少装夹时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置（或投、为减少装夹时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置（或投影）在同一母线上。影）在同一母线上。3、为了便于装配并去掉毛刺，轴端应制出、为了便于装配并去掉毛刺，轴端应制出45的倒角的倒角4、为了减少刀具种类和提高生产率，轴上直径相近的圆角、为了减少刀具种类和提高生产率，轴上直径相近的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸。用相同的尺寸。定位定位 轴上零件处于正确的工作位置轴上零件处于正确的工作位置二、零件的轴向定位和固定二、零件的轴向定位和固定固定固定 轴上零件牢固地保持某一位置轴上零件牢固地保持某一位置常用的轴向定位和固定方法：常用的轴向定位和固定方法：2 2、套、套 筒筒4 4、轴端挡圈、轴端挡圈6 6、弹性挡圈、弹性挡圈3 3、圆、圆 螺螺 母母8 8、锥、锥 面面1、轴肩或轴环、轴肩或轴环5 5、轴承端盖、轴承端盖 7 7、锁紧挡圈、紧定螺钉或销、锁紧挡圈、紧定螺钉或销1 1）轴肩和轴环）轴肩和轴环 错误错误 正确正确注意：注意：raCa,rara。2 2）套筒）套筒 错错误误正正确确轴肩高度轴肩高度 滚动轴承内圈高度滚动轴承内圈高度3 3）圆螺母）圆螺母 4 4）轴端挡圈）轴端挡圈 用套筒、圆螺母、轴用套筒、圆螺母、轴端挡圈进行轴向定位时，端挡圈进行轴向定位时，要求要求L L轴轴LL毂毂6）弹性挡圈）弹性挡圈 错误错误 5）轴承端盖）轴承端盖 7 7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销）锁紧挡圈、紧定螺钉或销 8 8）圆锥面（）圆锥面（+挡圈、螺母）挡圈、螺母）三、零件的周向定位三、零件的周向定位 1 1）键）键2 2）花键）花键3 3）紧定螺钉、销）紧定螺钉、销 4 4）过盈配合）过盈配合1 1）合理布置轴上零件，减小轴的载荷。）合理布置轴上零件，减小轴的载荷。转矩由一个传动件输入转矩由一个传动件输入,几个传动件输出时几个传动件输出时,为了减小轴上扭为了减小轴上扭矩矩,应将输入件放在中间应将输入件放在中间,而不要置于一端。而不要置于一端。四、改善轴的受力情况、提高轴的强度四、改善轴的受力情况、提高轴的强度2 2）改进轴上零件的结构，减小轴的载荷。）改进轴上零件的结构，减小轴的载荷。图中图中b b方案方案(双联双联)均优于均优于a a方案方案(分装分装)，因为，因为a a方案中轴方案中轴既受弯矩又受扭矩，而既受弯矩又受扭矩，而b b方案中轴方案中轴只受扭矩。只受扭矩。3 3）改进轴的结构，减少应力集中。）改进轴的结构，减少应力集中。轴通常在变应力条件下工作，轴的截面尺寸突变处产生轴通常在变应力条件下工作，轴的截面尺寸突变处产生应力集中应力集中 轴肩采用较大的过渡圆角降低应力集中。对定位轴肩，轴肩采用较大的过渡圆角降低应力集中。对定位轴肩，必须保证零件得到可靠的定位。必须保证零件得到可靠的定位。当轴肩定位零件的圆角半径很小时，为增大轴肩圆角当轴肩定位零件的圆角半径很小时，为增大轴肩圆角半径，可采用内凹圆角或隔离环。半径，可采用内凹圆角或隔离环。轴与轮毂过盈配合时，开卸载槽或增大配合处直径。轴与轮毂过盈配合时，开卸载槽或增大配合处直径。盘状铣刀加工的键槽比用键槽铣刀加工的键槽在过盘状铣刀加工的键槽比用键槽铣刀加工的键槽在过渡处对轴的截面削弱较为平缓，应力集中较小；渡处对轴的截面削弱较为平缓，应力集中较小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小切制螺纹处的应力集中较大，应尽量避免在受载较大切制螺纹处的应力集中较大，应尽量避免在受载较大的区段切制。的区段切制。打穿的销孔比未打穿的销孔应力集中小打穿的销孔比未打穿的销孔应力集中小4 4）改进轴的表面质量，提高轴的疲劳强度。）改进轴的表面质量，提高轴的疲劳强度。轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。应合理减小轴的表面轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。及圆角处的加工粗糙度值。对应力集中敏感的高强度材料制作轴时，表面质量应特对应力集中敏感的高强度材料制作轴时，表面质量应特别注意。别注意。表面强化处理可使轴的表层产生预压应力，提高轴的抗疲表面强化处理可使轴的表层产生预压应力，提高轴的抗疲劳能力。劳能力。表面强化处理的方法有：表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；碾压、喷丸等强化处理。碾压、喷丸等强化处理。轴系结构改错四处错误正确答案三处错误正确答案两处错误1.左侧键太长，套筒无法装入2.多个键应位于同一母线上尽可能使结构紧凑，同时保证尽可能使结构紧凑，同时保证各零件与轴配合部分的轴向各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙尺寸和相邻零件间必要的空隙轴上安装零件的轴向尺寸又往往与相应各段轴径轴上安装零件的轴向尺寸又往往与相应各段轴径d d有关。如有关。如齿轮、带轮的轮毂长度可取齿轮、带轮的轮毂长度可取L=L=（0.5-20.5-2）d d为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短分的轴段长度一般应比轮毂长度短2 23mm3mm。轴段长度的确定：轴段长度的确定：改错改错:通常在完成轴的结构设计后，进行校核计算，计算准则是通常在完成轴的结构设计后，进行校核计算，计算准则是满足轴的强度和刚度要求。满足轴的强度和刚度要求。按扭转强度计算（传动轴）按扭转强度计算（传动轴）14-4 14-4 轴的强度计算轴的强度计算按弯曲强度计算（心轴）按弯曲强度计算（心轴）按弯扭合成强度计算（转轴）按弯扭合成强度计算（转轴）根据轴的具体受载和应力情况，采取相应的计算方法。根据轴的具体受载和应力情况，采取相应的计算方法。按安全系数校核计算（重要的轴）按安全系数校核计算（重要的轴）1 1、按扭转强度初步估算轴的最小直径、按扭转强度初步估算轴的最小直径按轴的扭矩初步估算轴的最小直径按轴的扭矩初步估算轴的最小直径d dminmin ，然后按轴上零，然后按轴上零件的装配方案和定位要求，从件的装配方案和定位要求，从d dminmin处起逐一确定各段轴处起逐一确定各段轴的直径。的直径。轴的直径确定：轴的直径确定：轴的结构设计前，通常可求得轴的扭矩。但不知道轴轴的结构设计前，通常可求得轴的扭矩。但不知道轴上支反力的作用点，上支反力的作用点，不能决定弯矩载荷的大小与分布不能决定弯矩载荷的大小与分布情况，情况，不能按轴所受的全部载荷及其的应力来确定轴不能按轴所受的全部载荷及其的应力来确定轴的直径。的直径。3 3、圆整、圆整 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封圈等如滚动轴承、联轴器、密封圈等)部位的轴径，应取部位的轴径，应取为相应的标准值及配合公差。为相应的标准值及配合公差。轴的直径可凭经验取定，或参考同类机械用类轴的直径可凭经验取定，或参考同类机械用类比的方法确定。比的方法确定。用经验公式来估算轴的直径。用经验公式来估算轴的直径。如一般减速器，高速输入轴的如一般减速器，高速输入轴的直径可按与之相联的电机轴的直径直径可按与之相联的电机轴的直径D D估算：估算：d=d=（0.8-1.20.8-1.2）D D；各级低速轴的轴径可按同；各级低速轴的轴径可按同级齿轮中心距级齿轮中心距a a估算：估算：d=d=（0.3-0.40.3-0.4）a a。2 2、根据实践经验确定轴的直径、根据实践经验确定轴的直径对于只承受转矩对于只承受转矩 T(N.mm)的实心圆轴，其强度条件的实心圆轴，其强度条件写成设计公式，轴的最小直径写成设计公式，轴的最小直径上两式中：上两式中：WT轴的抗扭截面系数，轴的抗扭截面系数，mm3；P轴传递的功率，轴传递的功率，kW；n轴的转速，轴的转速，r/min；许用切应力，许用切应力，MPa；C与轴材料有关的系数，可由与轴材料有关的系数，可由表查得。对于既传递转矩又承受弯矩的轴宜取较小的表查得。对于既传递转矩又承受弯矩的轴宜取较小的值。值。一、按扭转强度计算一、按扭转强度计算常用几种轴材料的常用几种轴材料的T 值和值和C值值轴的材料轴的材料Q235、20354540Cr、35SiMnT1525203525453555(MPa)C14912613511212610311297有一个键槽有一个键槽有两个键槽有两个键槽轴径轴径d d100mm100mm轴径增大轴径增大3%3%轴径增大轴径增大7%7%轴径轴径d100mmd100mm轴径增大轴径增大5%5%7%7%轴径增大轴径增大10%10%15%15%考虑键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径考虑键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径二、按弯曲强度计算二、按弯曲强度计算对于受纯弯矩的心轴，其强度计算公式对于受纯弯矩的心轴，其强度计算公式扭转强度估算轴段直径扭转强度估算轴段直径各支反力的作用点各支反力的作用点轴上的弯矩载荷的大小与分布轴上的弯矩载荷的大小与分布全部载荷及其引起的应力全部载荷及其引起的应力轴的危险截面强度校核轴的危险截面强度校核/直径计算直径计算结构设计结构设计转矩载荷转矩载荷轴段的长度轴段的长度三、按弯扭合成强度条件计算三、按弯扭合成强度条件计算对对于于钢钢制制的的轴轴，按按第第三三强强度度理理论论（最最大大切切应应力力理论）求出危险截面的当量应力，其强度条件为：理论）求出危险截面的当量应力，其强度条件为：式中：式中：当转矩稳定不变时，当转矩稳定不变时，当转矩脉动变化时，当转矩脉动变化时，当转矩对称变化时（轴频繁正反转），当转矩对称变化时（轴频繁正反转），分别为静应力、脉动应力、对称分别为静应力、脉动应力、对称应力下轴的许用弯应力下轴的许用弯曲应力，单位均为曲应力，单位均为MPa,其值见表其值见表14-3。为考虑弯曲应力与扭转切应力的循环特性不同而引入为考虑弯曲应力与扭转切应力的循环特性不同而引入的折合系数。通常弯曲应力为对称循环变化，而扭转切应力的折合系数。通常弯曲应力为对称循环变化，而扭转切应力随工作情况而变化。随工作情况而变化。考虑考虑 和和 的循环特性不同的循环特性不同计算步骤如下：计算步骤如下：2.2.轴上作用力分解到水平面和垂直面，求出水平面轴上作用力分解到水平面和垂直面，求出水平面上支反力上支反力 F FH H和垂直面上的支反力和垂直面上的支反力 F FV V。4.4.合成弯矩合成弯矩 图。图。3.3.水平面的弯矩水平面的弯矩M MH H图和垂直面的弯矩图和垂直面的弯矩M MV V图。图。1.1.轴的受力情况简化成计算简图，即建立力学模型轴的受力情况简化成计算简图，即建立力学模型7.校核危险截面的强度（计算危险截面轴径）。校核危险截面的强度（计算危险截面轴径）。或或6.6.当量弯矩当量弯矩，画出当量弯矩图。，画出当量弯矩图。5.5.转矩转矩 T T 图。图。已知作用在齿轮上的圆周力已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N,Ft=17400N,径向力径向力Fr=6410NFr=6410N，轴向，轴向力力Fa=2860NFa=2860N，齿轮分度圆直径，齿轮分度圆直径d d2 2=146mm=146mm，作用在轴右端带轮上，作用在轴右端带轮上的外力的外力F=4500NF=4500N（方向未定），（方向未定），L=193mmL=193mm，k=206mmk=206mm。求减速器输。求减速器输出轴危险截面的直径。出轴危险截面的直径。n求垂直面的支反力（图求垂直面的支反力（图b)n求水平面的支反力（图求水平面的支反力（图c)nF力在支点的反力（图力在支点的反力（图d)n垂直面弯矩（图垂直面弯矩（图b)n水平面弯矩（图水平面弯矩（图c)nF力产生的弯矩（图力产生的弯矩（图d)n合成弯矩（图合成弯矩（图e)n轴传递的转矩（图轴传递的转矩（图f)n危险截面的当量弯矩危险截面的当量弯矩n危险截面的直径危险截面的直径将轴的实际受力情况简化为将轴的实际受力情况简化为计算简图，建立力学模型计算简图，建立力学模型四、轴的安全系数校核计算四、轴的安全系数校核计算1 1、疲劳强度安全系数校核、疲劳强度安全系数校核2 2、静强度校核、静强度校核校核轴对塑性变形的抵抗能力校核轴对塑性变形的抵抗能力 14-5 14-5 轴的刚度计算轴的刚度计算 一一.轴的弯曲刚度校核计算轴的弯曲刚度校核计算 轴的弯曲刚度条件轴的弯曲刚度条件挠度挠度y y y y 偏转角偏转角 y y 和和 分别为轴的许用挠度及许用偏转角。分别为轴的许用挠度及许用偏转角。轴的弯曲刚度以挠度轴的弯曲刚度以挠度y y和偏转角和偏转角来度量。来度量。对于光轴，可用挠度曲线的近似微分方程积分求解。对于光轴，可用挠度曲线的近似微分方程积分求解。对于阶梯轴，可用变形能法求解。对于阶梯轴，可用变形能法求解。二、轴的扭转刚度校核计算二、轴的扭转刚度校核计算 轴的扭转刚度以扭转角轴的扭转刚度以扭转角 来度量来度量1 1）等直径轴）等直径轴 2 2）阶梯轴）阶梯轴 式中：式中：TT扭矩，扭矩，N.mmN.mm；GG材料的剪切弹性模量，材料的剪切弹性模量，MPaMPa；IpIp轴截面的极惯性矩；轴截面的极惯性矩；ll阶梯轴受扭矩作用的长度，阶梯轴受扭矩作用的长度，mmmm；TiTi、lili、IpiIpi分别代表阶梯轴第分别代表阶梯轴第i i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩段上所受的扭矩、长度和极惯性矩T 轴是一弹性体，旋转时，会产生弯曲振动、扭转振动及纵轴是一弹性体，旋转时，会产生弯曲振动、扭转振动及纵向振动。向振动。轴的振动频率与轴的自振频率相同时，会产生共振。轴的振动频率与轴的自振频率相同时，会产生共振。共振时轴的转速称为临界转速。共振时轴的转速称为临界转速。临界转速可以有很多个，其中一阶临界转速下振动最为激临界转速可以有很多个，其中一阶临界转速下振动最为激烈，最为危险烈，最为危险一般通用机械中的轴很少发生共振。若发生共振，多为弯曲一般通用机械中的轴很少发生共振。若发生共振，多为弯曲共振。共振。14-6 14-6 轴的临界转速轴的临界转速 刚性轴：工作转速低于一阶临界转速的轴；刚性轴：工作转速低于一阶临界转速的轴；挠性轴：工作转速超过一阶临界转速的轴；挠性轴：工作转速超过一阶临界转速的轴；一般情况下，应使刚性轴的工作转速一般情况下，应使刚性轴的工作转速n n0.80.8n nc1c1，挠，挠性轴的工作转速性轴的工作转速1.41.4n nc1c1 n n0.80.8 n nc2c2。满足上述条件的轴。满足上述条件的轴具有弯曲振动的稳定性。具有弯曲振动的稳定性。