上海交大机械设计——第十八章

1、多媒体CAI课件设计基础 第一章第第18章章轴轴 基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点18.1 轴的功用、类型及设计要求轴的功用、类型及设计要求18.2 轴的材料轴的材料18.3 轴的结构设计轴的结构设计18.4 轴的强度、刚度计算轴的强度、刚度计算 计划学时：计划学时：2h多媒体CAI课件设计基础 第一章基本要求基本要求:1 1）掌握轴的功用及类型。）掌握轴的功用及类型。 2 2）了解轴常用的材料。）了解轴常用的材料。3 3）掌握轴结构设计主要问题。）掌握轴结构设计主要问题。4 4）了解提高轴强度、刚度的措施。）了解提高轴强度、刚度的措施。 重点、难点：重点、难点：1）轴的分类。轴的分类

2、。2）轴的结构问题。）轴的结构问题。 作业作业: 18.1；18.3；18.4 多媒体CAI课件设计基础 第一章18.1 轴的功用和类型及设计要求轴的功用和类型及设计要求 18.1.1 轴的分类轴的分类及及功用功用 1.根据轴线形状分根据轴线形状分 轴一般要由滑动轴承或滚动轴承支承，使其上零件具轴一般要由滑动轴承或滚动轴承支承，使其上零件具有确定的工作位置，并传递运动和动力。轴是机械传动中有确定的工作位置，并传递运动和动力。轴是机械传动中必不可少的重要零件之一。必不可少的重要零件之一。 直轴、曲轴和挠性钢丝软轴。直轴、曲轴和挠性钢丝软轴。 曲轴主要用于作往复运动的机械中。挠性钢丝软轴是曲轴主要

3、用于作往复运动的机械中。挠性钢丝软轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成，可以把转矩和旋转运动由几层紧贴在一起的钢丝层构成，可以把转矩和旋转运动灵活传到任何位置，直轴应用最为广泛灵活传到任何位置，直轴应用最为广泛 。多媒体CAI课件设计基础 第一章长直轴长直轴多媒体CAI课件设计基础 第一章 光轴形状简单、加工方便、应力集中源少，但轴上零光轴形状简单、加工方便、应力集中源少，但轴上零件不易定位及装配；阶梯轴与光轴正好相反。通常直轴都件不易定位及装配；阶梯轴与光轴正好相反。通常直轴都制成实心的，但有时由于结构的要求而需要在轴中装设其制成实心的，但有时由于结构的要求而需要在轴中装设其它零件，或者在提高轴

4、的刚度、减小轴的质量具有特别重它零件，或者在提高轴的刚度、减小轴的质量具有特别重大作用的场合，则将其制成空心轴大作用的场合，则将其制成空心轴。空心轴内径与外径的。空心轴内径与外径的比值通常为比值通常为0.50.6，以保证轴的刚度及扭转稳定性。，以保证轴的刚度及扭转稳定性。 2. 根据轴的外形分根据轴的外形分 直径无变化的直径无变化的光轴光轴和直径有变化的和直径有变化的阶梯轴阶梯轴。 多媒体CAI课件设计基础 第一章光轴光轴多媒体CAI课件设计基础 第一章阶梯轴阶梯轴多媒体CAI课件设计基础 第一章空心轴空心轴多媒体CAI课件设计基础 第一章3.根据承载情况不同分根据承载情况不同分 转轴、心轴和

5、传动轴三类。转轴、心轴和传动轴三类。 1 1）转轴）转轴 既传递转矩又承受弯矩，这类轴在各类机既传递转矩又承受弯矩，这类轴在各类机器中最为常见；器中最为常见； 多媒体CAI课件设计基础 第一章 2 2）传动轴）传动轴 只传递转矩而不承受弯矩或承受弯矩很小，只传递转矩而不承受弯矩或承受弯矩很小，多媒体CAI课件设计基础 第一章 3 3）心轴）心轴 只承受弯矩而不传递转矩，如火车车辆的轴、只承受弯矩而不传递转矩，如火车车辆的轴、自行车的前轴，心轴又可细分为自行车的前轴，心轴又可细分为固定心轴固定心轴和和转动心轴转动心轴。 多媒体CAI课件设计基础 第一章 转动心轴转动心轴多媒体CAI课件设计基础

6、第一章18.1.2 轴的设计要求和设计步骤轴的设计要求和设计步骤 1. 对轴的设计要求对轴的设计要求 轴的设计包括结构设计和工作能力计算。合理的结构和轴的设计包括结构设计和工作能力计算。合理的结构和足够的强度是轴的设计必须满足的基本要求。足够的强度是轴的设计必须满足的基本要求。 轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。如造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。如果轴的结构设计不合理，则会影响轴的加工和装配工艺，增果轴的结构设计不合理，则会影响轴的加工和装配工艺，增加制造成本，甚至

7、影响轴的强度和刚度。因此，轴的结构设加制造成本，甚至影响轴的强度和刚度。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。计是轴设计中的重要内容。 轴的工作能力计算包括轴的强度、刚度和振动稳定性等轴的工作能力计算包括轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。足够的强度是轴的承载能力的基本保证。否则方面的计算。足够的强度是轴的承载能力的基本保证。否则会发生塑性变形或断裂失效，使其不能正常工作。对某些旋会发生塑性变形或断裂失效，使其不能正常工作。对某些旋转精度要求较高的轴或受力较大的细长轴，需保证足够的刚转精度要求较高的轴或受力较大的细长轴，需保证足够的刚度，以防止工作时产生过大的弹性变形；对一些高速旋转的度

8、，以防止工作时产生过大的弹性变形；对一些高速旋转的轴，还要考虑振动稳定性问题，以防止共振的发生。轴，还要考虑振动稳定性问题，以防止共振的发生。 多媒体CAI课件设计基础 第一章2. 轴的设计步骤轴的设计步骤 按工作要求选择轴的材料；按工作要求选择轴的材料； 估算轴的基本直径；估算轴的基本直径； 轴的结构设计；轴的结构设计； 轴的强度校核计算；轴的强度校核计算； 必要时作刚度或振动稳定性等的校核计算；必要时作刚度或振动稳定性等的校核计算； 绘制轴的零件工作图。绘制轴的零件工作图。 注意：注意：在轴的设计计算过程中，应注意轴的设在轴的设计计算过程中，应注意轴的设计计算与其他有关零件的设计计算往往相

9、互联系、计计算与其他有关零件的设计计算往往相互联系、影响，因此必须结合进行。影响，因此必须结合进行。 多媒体CAI课件设计基础 第一章18.2 轴的材料轴的材料 2. 合金钢合金钢 优质中碳钢具有较高的综合机械性能，用于较重要或承优质中碳钢具有较高的综合机械性能，用于较重要或承载较大的轴，并可通过调质或正火等热处理方法改善和提高载较大的轴，并可通过调质或正火等热处理方法改善和提高其机械性能。普通碳素钢用于不重要或承载较小的轴。其机械性能。普通碳素钢用于不重要或承载较小的轴。 1. 碳素钢碳素钢 合金钢具有较高的综合力学性能和较好的热处理性能，合金钢具有较高的综合力学性能和较好的热处理性能，常用

10、于重要性很强、承载很大而重量尺寸受限或有较高耐常用于重要性很强、承载很大而重量尺寸受限或有较高耐磨性、防腐性要求的轴。但合金钢对应力集中敏感性较高，磨性、防腐性要求的轴。但合金钢对应力集中敏感性较高，且价格较高。且价格较高。 3. 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁具有价廉、强度较高、良好的耐磨性、吸振球墨铸铁具有价廉、强度较高、良好的耐磨性、吸振性和易切性以及对应力集中的敏感性较低等优点。适于制性和易切性以及对应力集中的敏感性较低等优点。适于制造成形轴。但铸铁件品质不易控制，可靠性差。造成形轴。但铸铁件品质不易控制，可靠性差。注意：注意：钢材的种类和热处理对其弹性模量影响甚小，如欲采用合金钢材的种类

11、和热处理对其弹性模量影响甚小，如欲采用合金钢代替碳素钢或通过热处理来提高轴的刚度，收效甚微。钢代替碳素钢或通过热处理来提高轴的刚度，收效甚微。 多媒体CAI课件设计基础 第一章18.3 轴的结构设计轴的结构设计 设计实质：设计实质：确定轴的合理外形和包括各轴段长度、直径及确定轴的合理外形和包括各轴段长度、直径及其他细小尺寸在内的全部结构尺寸。其他细小尺寸在内的全部结构尺寸。 决定因素：决定因素：轴的毛坯种类，轴上作用力的大小和分布情况，轴的毛坯种类，轴上作用力的大小和分布情况，轴上零件的布置及固定方式，轴承类型及位置，轴的加工和轴上零件的布置及固定方式，轴承类型及位置，轴的加工和装配工艺性以及

12、其他一些要求。装配工艺性以及其他一些要求。 注意：注意：轴的结构受多方面因素的影响，且其结构形式又轴的结构受多方面因素的影响，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。 应满足的要求：应满足的要求：1)1)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；2)2)轴上零件应便于装拆和调整；轴上零件应便于装拆和调整；3)3)轴应具有良好的制造工轴应具有良好的制造工艺性；艺性；4)4)轴的受力合理，有利于提高强度和刚度；轴的受力合理，有利于提高强度和刚度；5)5)节省节省材料，减轻重量；材料，减轻重量；6)6

13、)形状及尺寸有利于减小应力集中。形状及尺寸有利于减小应力集中。 多媒体CAI课件设计基础 第一章18.3.1 轴的主要组成轴的主要组成 轴颈轴颈 轴上被支承的部分。轴上被支承的部分。 轴头轴头安装轮毂部分。安装轮毂部分。 轴身轴身联接轴颈和轴头的部分。联接轴颈和轴头的部分。 轴伸轴伸外伸的轴头外伸的轴头。 轴肩或轴环轴肩或轴环阶梯轴上截面尺寸变化的部位阶梯轴上截面尺寸变化的部位 为了便于安装和拆卸，一般的转轴均为中间大、两头小为了便于安装和拆卸，一般的转轴均为中间大、两头小的阶梯轴。轴肩和轴环便于轴上零件的安装，常做为轴向定的阶梯轴。轴肩和轴环便于轴上零件的安装，常做为轴向定位、固定的手段，其

14、高度取决于它的用途。位、固定的手段，其高度取决于它的用途。 多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章18.3.2 轴的各段直径和长度的确定轴的各段直径和长度的确定 1.轴的各段直径轴的各段直径 遵循原则遵循原则 ：1)1)配合性质不同的表面配合性质不同的表面( (包括配合表面与非配包括配合表面与非配合表面合表面) )直径应有所不同；直径应有所不同；2)2)加工精度、表面粗糙度不同的加工精度、表面粗糙度不同的表面直径应有所不同；表面直径应有所不同；3)3)应便于轴上零件的装拆。应便于轴上零件的装拆。 多媒体CAI课件设计基础 第一章注意问题注意问题 ： 1)1)与轴承配合

15、的轴颈，其直径必须符合滚动轴承内径的标准与轴承配合的轴颈，其直径必须符合滚动轴承内径的标准系列；系列； 2)2)轴上的螺纹部分必须符合螺纹标准；轴上的螺纹部分必须符合螺纹标准； 3)3)利用轴肩或轴环定位最方便可靠，轴肩分为定位轴肩利用轴肩或轴环定位最方便可靠，轴肩分为定位轴肩( (图图中的轴肩中的轴肩、) )和非定位轴间和非定位轴间( (轴肩轴肩、) )两类。两类。 定位轴肩通常用于轴向力较大的场合定位轴肩通常用于轴向力较大的场合,其其高度一般取为高度一般取为h=(0.070.1)d，d为与零件配合处的轴径，单位为为与零件配合处的轴径，单位为mm，或，或取取h=(23)C。滚动轴承的定位轴肩

16、高度必须低于轴承内圈滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承，端面的高度，以便拆卸轴承， 非定位轴肩是为了加工和装配非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般取为规定，一般取为12mm。 多媒体CAI课件设计基础 第一章 4) 4)与轴上传动零件配合的轴头直径，应尽可能圆整成标准与轴上传动零件配合的轴头直径，应尽可能圆整成标准直径尺寸系列直径尺寸系列，或以，或以0，2，5，8结尾的尺寸；结尾的尺寸； 5)5)非配合的轴身直径，可不取标准值，但一般应取成整数。非配合的轴身直径，可不取标准值，但一般应取成整数。 2.轴的各

17、段长度轴的各段长度 注意问题注意问题 ： 1)1)轴颈的长度通常与轴承的宽度相同轴颈的长度通常与轴承的宽度相同； 2)2)轴头的长度取决于与其相配合的传动零件轮毂的宽度，轴头的长度取决于与其相配合的传动零件轮毂的宽度，若该零件需在轴向固定，则应使轴头长度较所装零件轮毂的若该零件需在轴向固定，则应使轴头长度较所装零件轮毂的宽度小宽度小23mm，以便将零件沿轴向夹紧，保证其固定的可，以便将零件沿轴向夹紧，保证其固定的可靠性靠性 ； 3) 3)轴环宽度一般取为轴环宽度一般取为b b= =(0.10.15)d，或或b b 1.4h，并圆整为整数，并圆整为整数，多媒体CAI课件设计基础 第一章18.3.

18、3 轴上零件的轴向定位与固定轴上零件的轴向定位与固定 a) 键联接键联接 b) 花键联接花键联接 c) 成形联接成形联接 d) 弹性环联接弹性环联接 e) 销联接销联接 f) 过盈联接过盈联接 1.周向固定周向固定 2.轴向固定轴向固定 套套 筒筒 轴肩与轴环轴肩与轴环 多媒体CAI课件设计基础 第一章 轴端挡圈轴端挡圈 锥锥 面面 圆螺母圆螺母 弹性挡圈弹性挡圈 多媒体CAI课件设计基础 第一章18.3.4 轴的结构工艺性轴的结构工艺性 1.加工工艺性加工工艺性 1) 1)轴的直径变化应尽可能少，应尽量限制轴的最大直径与轴的直径变化应尽可能少，应尽量限制轴的最大直径与各轴段的直径差，这样既能

19、节省材料，又可减少切削量。各轴段的直径差，这样既能节省材料，又可减少切削量。 2) 2)轴上有磨削与切螺纹处，要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽，轴上有磨削与切螺纹处，要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽，以保证加工的完整和方便。以保证加工的完整和方便。 多媒体CAI课件设计基础 第一章 3) 3)轴上有多个键槽时，应将它们布置在同一直线上，以免轴上有多个键槽时，应将它们布置在同一直线上，以免加工键槽时多次装夹，从而提高生产效率。加工键槽时多次装夹，从而提高生产效率。 4) 4)如有可能，应使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、如有可能，应使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符

20、合标准和规定，以利退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符合标准和规定，以利于加工和检验。于加工和检验。 5) 5)轴上配合轴段直径应取标准值；与滚动轴承配合的轴颈轴上配合轴段直径应取标准值；与滚动轴承配合的轴颈应按滚动轴承内径尺寸选取；轴上的螺纹部分直径应符合螺应按滚动轴承内径尺寸选取；轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。纹标准等。 多媒体CAI课件设计基础 第一章2.装配工艺性装配工艺性 1) 1)为了便于轴上零件的装配，常采用直径从两端向中间逐为了便于轴上零件的装配，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴。渐增大的阶梯轴。 2) 2)轴端应倒角，去掉毛刺并便于装配。轴端应倒角，去掉毛刺并便于装

21、配。 3) 3)固定滚动轴承的轴肩高度通常应不大于内圈高度的固定滚动轴承的轴肩高度通常应不大于内圈高度的3/43/4，过高不便于轴承的拆卸。过高不便于轴承的拆卸。 多媒体CAI课件设计基础 第一章18.3.4 轴的结构改错轴的结构改错结构改错一结构改错一多媒体CAI课件设计基础 第一章结构改错结构改错二二多媒体CAI课件设计基础 第一章结构改错结构改错三三多媒体CAI课件设计基础 第一章结构改错结构改错四四多媒体CAI课件设计基础 第一章18.3.4 轴的结构设计举例轴的结构设计举例轴系结构举例轴系结构举例1 1 在蜗轮传动中，为保证蜗轮蜗杆正确啮合，蜗轮中间平在蜗轮传动中，为保证蜗轮蜗杆正确

22、啮合，蜗轮中间平面必须通过蜗杆的轴线，因此，蜗轮轴系中的轴承应能按箭面必须通过蜗杆的轴线，因此，蜗轮轴系中的轴承应能按箭头方向调整。头方向调整。多媒体CAI课件设计基础 第一章轴系结构举例轴系结构举例2 2 在锥齿轮传动中，为保证正确的啮合，必须使两锥齿轮在锥齿轮传动中，为保证正确的啮合，必须使两锥齿轮锥顶重合，因此轴承的位置应按箭头方向调整。锥顶重合，因此轴承的位置应按箭头方向调整。多媒体CAI课件设计基础 第一章轴轴系系的组合设计的组合设计多媒体CAI课件设计基础 第一章18.4 轴的强度轴的强度、刚度、刚度计算计算 18.4.1 按许用切应力计算按许用切应力计算 传动轴只受转矩的作用，可

23、直接按许用切应力设计其轴径。传动轴只受转矩的作用，可直接按许用切应力设计其轴径。 转轴受弯扭复合作用，转轴受弯扭复合作用，在设计开始时，因为各轴段长度未定，在设计开始时，因为各轴段长度未定，轴的跨距和轴上弯矩大小是未知的，所以轴的跨距和轴上弯矩大小是未知的，所以不能按轴所受弯矩来不能按轴所受弯矩来计算轴颈。通常是按轴所传递的转矩估算出轴上受扭转轴段的计算轴颈。通常是按轴所传递的转矩估算出轴上受扭转轴段的最小直径，并以其作为基本参考尺寸进行轴的结构设计。最小直径，并以其作为基本参考尺寸进行轴的结构设计。 1.扭转强度扭转强度 T6TT 0.2109.553dnPWT实心圆轴的扭转强度条件实心圆轴

24、的扭转强度条件 多媒体CAI课件设计基础 第一章轴的基本直径估算轴的基本直径估算 33=2 . 0109.55T6nPCnPd式中：式中：d为轴的直径，为轴的直径，mm； T为轴的扭剪应力，为轴的扭剪应力，MPa；T为轴传递的转为轴传递的转矩，矩，N mm；P为轴传递的功率，为轴传递的功率，kW；n 为轴的转速，为轴的转速，r/min；WT 为轴为轴的抗扭剖面系数的抗扭剖面系数mm3，其中，其中WT = d3 /16 0.2d 3； T 为许用扭剪应力为许用扭剪应力(已考虑弯矩对轴的影响已考虑弯矩对轴的影响)，MPa；C 为计算常数，取决于轴的材料和受为计算常数，取决于轴的材料和受载情况。载情

25、况。 材料材料Q235、20354540Cr、35SiMnC16014813512511811210710298多媒体CAI课件设计基础 第一章注意问题注意问题 1) 1)轴段上开有键槽时，应适当增大轴径；轴段上开有键槽时，应适当增大轴径； 单键槽增大单键槽增大3，双键槽增大双键槽增大7。然后将轴径圆整。然后将轴径圆整。 2) 2)按此方法按此方法估算出的轴径，应为轴上端部最小直径。估算出的轴径，应为轴上端部最小直径。空心圆轴的扭转强度条件空心圆轴的扭转强度条件 34)1 (nPCd式中：式中： = = d1/ /d，即空心轴的内径，即空心轴的内径d1与外径与外径d之比。之比。 多媒体CAI课

26、件设计基础 第一章2.经验公式估算经验公式估算轴径轴径高速轴的最小直径估算高速轴的最小直径估算 Dd）（2 . 18 . 0min1式中：式中：D D为为电机输出轴的直径电机输出轴的直径。 低低速轴的最小直径估算速轴的最小直径估算 各级低速轴的最小直径可按同各级低速轴的最小直径可按同级齿轮中心距级齿轮中心距a进行估算进行估算 a4 . 03 . 0min）（d多媒体CAI课件设计基础 第一章18.4.2 按许用弯曲应力计算按许用弯曲应力计算 轴承的载荷作用中心轴承的载荷作用中心 轴的简化力学模型为轴的简化力学模型为 通常把轴简化为简支梁、外伸梁或悬臂梁三种力学模通常把轴简化为简支梁、外伸梁或悬

27、臂梁三种力学模型中的一种形式型中的一种形式 多媒体CAI课件设计基础 第一章强度校核步骤强度校核步骤 1 1）求轴上零件的载荷求轴上零件的载荷； 2 2）求支反力求支反力； 3 3）作弯矩图作弯矩图，计算合成弯矩计算合成弯矩，并绘制，并绘制合成弯矩合成弯矩图；图； 2V2HMMM 其中其中 是考虑转矩与弯矩性质不同而设的应力校正系是考虑转矩与弯矩性质不同而设的应力校正系数。对于不变的转矩，取数。对于不变的转矩，取 =0.3；对于脉动循环的转矩，；对于脉动循环的转矩，取取 =0.6；对于对称循环的转矩，取；对于对称循环的转矩，取 =1。如转矩变化规。如转矩变化规律不清楚，一般按脉动循环处理。律不清楚，一般按脉动循环处理。 1.绘制计算简图绘制计算简图 2. 计算计算当量弯矩当量弯矩 22caTMM多媒体CAI课件设计基础 第一章 3. 确定危险截面确定危险截面 4. 进行强度校核进行强度校核 241ca2222ca WMWTMWTWM实心圆轴上危险截面应满足的强度条件：实心圆轴上危险截面应满足的强度条件： 13