机械设计基础、轴章节课件

1、第第12章章 轴轴 12-1 轴的功用和类型轴的功用和类型12-2 轴的材料轴的材料12-3 轴的结构设计轴的结构设计12-4 轴的强度设计轴的强度设计12-5 轴的刚度设计轴的刚度设计带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运动和动力的，适用于两轴中心距较大的场合。与齿轮传动相比，它们具有结构简单，成本低廉等优点。设计：潘存云12-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：用来支撑旋转的机械零件功用：用来支撑旋转的机械零件(如齿轮、带轮、如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等链轮、凸轮等)和传递转矩。和传递转矩。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩。传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类

2、：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机转轴转轴12-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩。传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩发动机发动机后桥后桥传动轴传动轴设计：潘存云12-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、

3、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩前轮轮毂前轮轮毂固定心轴固定心轴火车轮轴火车轮轴车厢重力车厢重力 前叉前叉自行车自行车前轮轴前轮轴支撑反力支撑反力转动心轴转动心轴12-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分

4、类分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴12-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴设计：潘存云本章只研究直轴12-1 轴的功用和类型轴的功用和类型 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、功用：

5、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确 定尺寸等定尺寸等种种类类碳素钢：碳素钢：3535、4545、5050、Q235Q235轴的毛坯轴的毛坯: :一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。12-2 轴的材料轴的

6、材料 合金钢合金钢: 20Cr: 20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40CrNi40CrNi、38CrMoAlA38CrMoAlA等等用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是多，尤其是4545钢应用最广钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。为了改善力学性能正火或调质处理。正火或调质处理。表表11-1 11-1 轴的常用材料及其主要力

7、学性能轴的常用材料及其主要力学性能材料及热处理材料及热处理毛坯直径毛坯直径mm硬度硬度HBSHBS强度极限强度极限b b 屈服极限屈服极限s s MPaMPa弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限-1-1应用说明应用说明Q235Q235400400240240170170用于不重要或载荷不大的轴35 35 正火正火520520270270250250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。100100149149187187设计：潘存云设计任务：使轴的各部分具有合理的设计任务：使轴的各部分具有合理的形状形状和和尺寸尺寸。12-3 轴的结构设计轴的结构设计设计要求：设计要求： 1.轴应便于制造，轴上零

8、件要易于装拆；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装) 2.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；(定位) 3.各零件要牢固而可靠地相对固定；各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定) 4.改善应力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。改善应力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。轴端挡圈轴端挡圈 带轮带轮轴承盖轴承盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承设计：潘存云典型典型轴系轴系结构结构设计：潘存云装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。车螺纹的轴端应有退刀槽。设计：潘存云 为便于轴上零件的装

9、拆，一般轴都做成从轴端逐为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。渐向中间增大的阶梯状。零件的安装次序一、制造安装要求一、制造安装要求倒角倒角取值见P243设计：潘存云零件的零件的轴向定位轴向定位由轴肩或套筒来实现。由轴肩或套筒来实现。二二、轴上零件的定位、轴上零件的定位 4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。设计：潘存云轴肩轴肩-阶梯轴上截面变化之处。阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。 轴肩套筒套筒1212设计：潘存云设计：潘存云轴向固定轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实

10、现。三、轴上零件的固定三、轴上零件的固定齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。双向固定双向固定设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云无法采用套筒或套筒太长时，可采用无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母双圆螺母加以固定。加以固定。轴肩的尺寸要求轴肩的尺寸要求: r C1 或或 r Rb1.4h(与滚动轴承相配合处的与滚动轴承相配合处的h和和b值值,见轴承标准见轴承标准)DdrR轴端挡圈轴端挡圈双圆螺母双圆螺母DdC1rh(0.07d+3)(0.1d+5)mm装

11、在轴端上的零件往往采用装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈轴端挡圈固定。固定。C1Ddr取值见P243DdrRhhb设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。式来实现。为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。键槽应设计成同一加工直线键槽应设计成同一加工直线四、轴的各段直径和长度的确定四、轴的各段直径和长度的确定 1）、凡要求配合的轴段）、凡要求配合的轴段,其直径应与传动零

12、件轮毂的其直径应与传动零件轮毂的内孔直径相等，并尽量采用标准直径内孔直径相等，并尽量采用标准直径;2）、安装滚动轴承、联轴器、密封圈等标准件的轴径，）、安装滚动轴承、联轴器、密封圈等标准件的轴径，应符合各标准件内径系列的规定应符合各标准件内径系列的规定;3）、套筒的内径，应与相配的轴径相同并采用过渡配合；）、套筒的内径，应与相配的轴径相同并采用过渡配合；1、轴段直径轴段直径的确定的确定 4）、有螺纹的轴段，直径应符合螺纹的标准直径。）、有螺纹的轴段，直径应符合螺纹的标准直径。2、轴段长度轴段长度的确定的确定 轴的各个轴段长度主要是根据轴上零件的轴向尺寸、轴的各个轴段长度主要是根据轴上零件的轴向

13、尺寸、轴承的结构、箱体上的有关尺寸、装配零件时所需的轴承的结构、箱体上的有关尺寸、装配零件时所需的装配间距等要求来确定。装配间距等要求来确定。设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云TTTTTQ方案方案b 五、改善轴的受力状况，减小应力集中五、改善轴的受力状况，减小应力集中 图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。输出输出输出输出 输入输入Tmax= T1+T2Tmax = T11.改善受力状况改善受力状况当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入

14、轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理合理不合理不合理 TTQ方案方案 a输出输出输出输出输入输入FtFt设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云Rdd/430 2.减小应力集中减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化的位置。应力集中出现在截面突然发生变化的位置。措施：措施：1. 用圆角过渡；用圆角过渡；2. 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;3. 重要结构可增加卸载槽重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。也可以减小过盈

15、配合处的局部应力增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。过渡肩环过渡肩环r凹切圆角凹切圆角B卸载槽卸载槽 也可以在轮毂上增加卸载槽B位置d/41、轴与轴承盖直接接触，应留有间隙2、套筒过厚,应低于轴承内圈3、轴的长度应略短于轴上零件宽度2-3mm4、半联轴器无轴向定位，应设置阶梯5、半联轴器无周向固定，应设置键联接6、弹性挡圈无用，应拆去7、轴承盖端部应抵住轴承外圈8、半联轴器右端应为通孔9、应设置工艺凸台，以减少加工量 10、轴肩过高，轴承无法拆卸 11、键过长 12、应设置垫片 13、应设置挡油环 14、应设置密封装置1.轴承端盖应减少加工面；2.轴承座端面应设工艺凸台，减少加工面；

16、3.轴承内圈右侧无轴向定位；4.齿轮与轴间无键联接；5.弹性挡圈无用，去掉；6.轴承盖与外伸轴间应留有间隙；7.轴承盖与端面间无垫圈；8.键去掉；9.精加工面过长，最好设置成阶梯轴段10.套筒过厚,轴承无法拆卸12-4 轴的强度设计轴的强度设计 一、一、 按扭转强度计算按扭转强度计算 轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，常用方法有两种。对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：设计公式为：设计公式为：mmnPA30MPandP362 .01055.9TWT3362 .01055.9nPd对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。对

17、于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。计算结果为：最小直径！计算结果为：最小直径！解释各符号的意义及单位轴的材料轴的材料 A3,20 35 45 40Cr, 35SiMn(N/mm ) 1220 2030 3040 4052A0 160135 135118 118107 10792表表11-3 常用材料的常用材料的值和值和A0值值注注: 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时, A0取较小值取较小值; 否则取较大值否则取较大值应圆整为：标准直径！应圆整为：标准直径！0A设计：潘存云设计：潘存云减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭

18、合成。在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。因因b和和的循环特性不同，的循环特性不同，折合后得：折合后得：1 . 0132bdM12bMW二、二、 按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算对于一般钢制轴，可用第三强度理论（最大切应力理论）求出危险截面的当量应力。强度条件为：强度条件为：422bbcbl1l221TMW2224WTWMcbWMccb弯曲应力：弯曲应力：扭切应力：扭切应力：WMbTWT32/3dM31 . 0 dMWT2代入得：代入得：W-抗弯截面系数；抗弯截面系数；WT -抗扭截面系数；抗扭截面系数；3221 . 0)(dTM-修正系数修正系

19、数Mc-当量弯矩当量弯矩材材 料料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表表12-6 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸钢铸钢修正系数取值：修正系数取值：= 0.3 -转矩不变；转矩不变； 0.6 -脉动变化；脉动变化；1 -频繁正反转。频繁正反转。静应力状态下的静应力状态下的许用弯曲应力许用弯曲应力mmMdbcb31

20、1.0设计公式：设计公式：折合系数取值：折合系数取值：= 0.3 -转矩不变；转矩不变； 0.6 -脉动变化；脉动变化；1 -频繁正反转。频繁正反转。mmMdbe311.0设计公式：设计公式：材材 料料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表表12-6 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸钢铸钢脉动循环状态下的脉动循环状态

21、下的许用弯曲应力许用弯曲应力折合系数取值：折合系数取值：= 0.3 -转矩不变；转矩不变； 0.6 -脉动变化；脉动变化；1 -频繁正反转。频繁正反转。mmMdbe311.0设计公式：设计公式：材材 料料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表表12-6 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸钢铸钢对称循环状态下的对称循环状

22、态下的许用弯曲应力许用弯曲应力设计：潘存云N212319321462860对2点取矩NFv42872123641011932146286021936410举例：计算某减速器输出轴危举例：计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力轮上的圆周力Ft=17400N, 径向径向力，力， Fr=6140N, 轴向力轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径齿轮分度圆直径d2=146 mm,作用在轴右端带作用在轴右端带轮上外力轮上外力F=4500N（方向未（方向未定）定）, L=193 mm, K=206 mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12解：解

23、：1) 求垂直面的支反力和轴向力求垂直面的支反力和轴向力LdFLFFarv2221vrvFFF12=FaaAFF d2aadP231设计：潘存云N930348034500MavMavFtF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力求水平面的支反力L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231NLKFFF48031932064500187002/21tHHFFFF3) 求求F力在支点产生的反力力在支点产生的反力FFFFF124) 绘制垂直面的弯矩图绘制垂直面的弯矩图2/193. 04287 aVM 2/2LFMVaVmN 4142/193. 02123aVM

24、2/1LFMVaVmN 2055) 绘制水平面的弯矩图绘制水平面的弯矩图2/193. 08700 aVM2/1LFMHaHmN 840设计：潘存云MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求求F力产生的弯矩图力产生的弯矩图L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F7) 绘制合成弯矩图绘制合成弯矩图考虑F可能与H、V内合力共面2284041446322aHaVaFaMMMMmN 1400206. 04500aVMKFMF2mN 927a-a 截面截面F力产生的弯矩为：力产生的弯矩为：2/193. 04803 aVM2/1LFMFaFmN 4

25、63MaF2284020546322)(aHaVaFaMMMMmN 1328Ma设计：潘存云MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求轴传递的转矩求轴传递的转矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F9)求危险截面的当量弯矩求危险截面的当量弯矩MaF22)( TMMCM2Ma2/146. 0174002T2/2dFTtmN 1270T扭切应力为脉动循环变应力，扭切应力为脉动循环变应力，取修正系数取修正系数: =0.6 22)12706 .0(1400TMCmN 1600mNMMF92722求考虑到键槽对轴的削弱，将求考虑到键槽对轴的削

26、弱，将d值增大值增大4%，故得：，故得：mmd6710)计算危险截面处轴的直径计算危险截面处轴的直径 33601 .010160031 1.0bCMdmN 4.64选选45钢，调质，钢，调质，b =650 MPa, -1b =60 MPa 符合直径系列。符合直径系列。按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：1. 将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力力FV和水平面支撑反力和水平面支撑反力FH ;2. 作垂直弯矩作垂直弯矩MV图和水平弯矩图和水平弯矩MH图图 ;3. 作合成弯矩作合成弯矩M图；图；4. 作转矩作转矩T图；图；5. 弯扭合成，作当量弯矩弯扭合成，作当量弯矩Mc图；图；6. 计算危险截面轴径计算危险截面轴径:22)( TMMc22VHMMMmmMdbc31 1 . 01. 若危险截面上有键槽，则应加大若危险截面上有键槽，则应加大4%2. 若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度不够，应修改设计；不够，应修改设计；3. 若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相差若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相差 不大，一般以结构设计的轴径为准