机械设计第3章：轴2016公开

1、第三章第三章E轴的功用与分类轴的功用与分类E轴的设计步骤轴的设计步骤E轴的材料及其选择轴的材料及其选择E轴的结构设计轴的结构设计E轴的计算轴的计算支承旋转零件并传递运动和动力轴向/周向定位轴上零件功用功用轴轴v心 轴：主要承受弯矩v传动轴：主要承受转矩v转 轴：既承受弯矩，又承受转矩分类（分类（1 1）载荷性质载荷性质直轴（光轴、阶梯轴）曲轴软轴（挠性轴）分类（分类（2 2）轴线形状轴线形状空心轴实心轴分类（分类（3 3）截面形状截面形状4、结构问题 确定轴的形状和尺寸主要问题主要问题轴的工作能力设计1、强度问题 防止轴发生疲劳断裂2、刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形3、振动稳定性问题 防止

2、轴发生共振轴的结构设计1.拟定轴上零件装配方案2.估算轴的最小直径min3.确定各段直径及长度4.确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算8.刚度计算9.振动稳定性计算( 临界转速)5.许用切应力法(扭转强度)6.许用弯曲应力法( 弯扭合成强度 )7.安全系数计算法：疲劳强度计算、 静强度计算基本步骤基本步骤材料选择材料选择三边：边计算、边画图、边修改基本特点基本特点三与：估算与精算、计算与画图、 轴的设计与轴上零件的设计2. 2. 球墨铸铁球墨铸铁QT500-5QT500-5、QT600-2QT600-21. 1. 钢钢碳素钢碳素钢 ：优质碳素钢：优质

3、碳素钢:35:35、 50 50 、 45 45 轴钢轴钢 普通碳素钢普通碳素钢Q235Q235、Q255Q255、Q275Q275合金钢合金钢：20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40Cr40Cr、35SiMn35SiMn、35CrMo35CrMo廉价、应廉价、应力集中敏力集中敏度小度小强度高、强度高、耐磨性好耐磨性好成形性好、成形性好、吸振性高吸振性高参照教材参照教材p33-34p33-34表表1-21-2轴颈轴颈轴头轴头轴身轴身轴头轴头轴身轴身轴颈轴颈v轴头：轴和回转零件的配合部v轴颈：轴和轴承的配合部v轴身：连接轴颈与轴头部分v轴肩：轴的直径变化所形成的阶梯处结构组成结

4、构组成结构例结构例v在初步估算轴径的基础上，根据轴的具体使用状况，确定轴的合理外形和全部结构尺寸（长度、直径）内容与要求内容与要求v满足强度、刚度的要求v满足工艺性要求 （1）易加工 （2）应力集中少 （3）轴上零件准确定位 （4）易装拆和调整 （5）轴的受力状态好内容内容要求要求步骤步骤1 11.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择易装拆易调整易装拆易调整步骤步骤1 1改善轴的受力状态改善轴的受力状态步骤步骤2 21.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定

5、轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择根据已知轴上近似载荷（取决于功率和转速），初步估算基本轴径或根据经验确定轴的某个径向尺寸步骤步骤2 2估算轴径时，因轴承等位置尚未确定，弯矩未知，故只能考虑扭矩。T WT抗扭截面模量（系数），参照教材p264附录A表A-7； P传递的功率(kw)；n轴的转速(r/min)； d最小轴径(mm) ；C材料相关系数教材p38表1-3 轴上有单键，直径增大3-4 %；有双键,直径增大7-10 %扭剪应力扭剪应力TTWT ndPdT3632 . 01055. 916/ T 设计公式设计公式mmnPCnPTdTT

6、333 2 . 01055. 9 2 . 06 步骤步骤3 31.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择步骤步骤3 3根据轴上零件受力情况及安装固定对轴表面的要求，由外向内确定各段直径 根据轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式，由内向外确定各段长度60 68 70 7270808270k672H7/r660H7/k62112296.520696.5键键2020110110键键1818100100步骤步骤4 41.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定轴的结

7、构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择v满足强度、刚度的要求v满足工艺性要求： （1）易加工； （2）应力集中少； （3）轴上零件准确定位； （4）易装拆和调整； （5）轴的受力状态好综合考虑！（1 1） 制造工艺性要求制造工艺性要求v轴应有良好的制造工艺，便于加工v加工方法不同，轴的结构也可能不同v键槽应位于同一母线上；螺纹退刀槽；砂轮越程槽阶梯轴阶梯轴 光轴光轴 等强度轴等强度轴 车削车削 倒角倒角 磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 （2 2） 装拆要求装拆要求v阶梯轴轴端应设计45倒角v键槽应置于靠近定位轮毂的轴肩处v过盈配合采用锥面直径过渡

8、v合理设计非定位轴肩，减少不必要的配合面v轴承定位轴肩(或套筒)不能过高(以便拆卸) v轴肩圆角轮毂孔圆角(倒角)v轴上零件要易于装拆、调整v不同的装拆方案，得到不同结构v轴的直径应圆整成标准值rRrR（3 3） 定位和固定要求定位和固定要求v轴与轴上零件要有准确的工作位置v定位：零件有准确的工作位置v固定：零件在轴上的位置牢固可靠周向定位和固定周向定位和固定常用的周向固定方法：v键、花键、紧定螺钉、过盈配合等v防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩轴向定位和固定轴向定位和固定常用的轴向定位和固定方法：v轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈等v轴头长度 轮毂的轴向长度v定位轴肩高度一般取36mmv防止

9、轴上零件工作时发生轴向蹿动h（4 4） 尽量减少应力集中尽量减少应力集中, , 改善轴的受力状态改善轴的受力状态v轴肩处要有过渡圆角v相邻轴径的变化不宜太大v改善零件位置及结构, 以改善轴的受力状态找错练习找错练习v 轴承没定位v 轴向定位不确定v 轴承用错或装错v 无调整垫片v 端盖端面无凹坑加工量大v 无定位轴肩v 端盖无密封v 键槽太长v无非定位轴肩v套筒太高v完成轴的结构设计后，针对不同情况，采用不同强度校核计算方法对结构进行验证。内容内容轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择方法方法1 1轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计

10、算其它计算材料选择材料选择5.许用切应力法(扭转强度)6.许用弯曲应力法( 弯扭合成强度 )7.安全系数计算法：疲劳强度计算、 静强度计算T适用情况：(1)轴只传递转矩，不承受弯矩（或很小的弯矩）(2)弯矩未知，按扭距作初步计算方法方法1 1T WT抗扭截面模量（系数），参照教材p264附录A表A-7； P传递的功率(kw)；n轴的转速(r/min)； d最小轴径(mm) ；C材料相关系数教材p38表1-3 轴上有单键，直径增大3-4 %；有双键,直径增大7-10 %扭剪应力扭剪应力TTWT ndPdT3632 . 01055. 916/ T 设计公式设计公式mmnPCnPTdTT333 2

11、. 01055. 9 2 . 06 方法方法2 2轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择5.许用切应力法(扭转强度)6.许用弯曲应力法( 弯扭合成强度 )7.安全系数计算法：疲劳强度计算、 静强度计算T适用情况：(1)一般精度情况的轴计算(2)支撑点、载荷均已知F步骤：v绘制受力计算简图v计算所有力引起的弯矩v合成弯矩Mv计算扭矩v合成当量弯矩Mv强度条件：22MMM=+垂直水平22)(TMM 1bWM 为扭-弯应力性质折合（校正）系数含义：将扭剪应力的循环特性转换成 与弯曲应力的循环特性一致方法方法2 2许用弯曲应力参照教材p39表1-4W：抗弯截面

12、模量，参照教材p264附录A表A-7v对只承受弯矩的心轴v对转动心轴：v对不转动心轴：v设计校核公式设计校核公式31 .01b Md31.0bMd 1bb or 10bbb 危险截面的确定：承受当量弯矩最大的截面承受当量弯矩较大且几何尺寸较小的截面23个截面方法方法2 2方法方法3 3轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择5.许用切应力法(扭转强度)6.许用弯曲应力法( 弯扭合成强度 )7.安全系数计算法：疲劳强度计算、 静强度计算T适用情况：(1)针对重要轴的精确计算(2)同时考虑应力集中等多种因素F方法方法3 3S S S 2 +S 2S =KN -1S =k a+ mKN -1S =k a+ mKN：寿命系数 -1, -1：对称循环应力时材料弯曲和扭转疲劳强度k ，k ：弯曲与扭转时应力集中系数，教材p261表A-1,2,3 ：表面质量系数，教材p263表A-4,5 ， ：尺寸系数，教材p263表A-6S S教材p41表1-5疲劳强度精确计算疲劳强度精确计算方法方法3 3静强度精确计算