武汉理工大学机械设计考研课件8

1、 8 8 1 1 概概 述述 8 82 2 轴的结构设计轴的结构设计 8 83 3 轴的强度计算轴的强度计算 一一. .轴的功用：轴的功用：1.1.支承作回转运动的零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；支承作回转运动的零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；3.3.受弯矩，抵抗变形，保证受弯矩，抵抗变形，保证 轴上零件正常工作。轴上零件正常工作。2.2.传递运动和动力；传递运动和动力； 8 8 1 1 概概 述述本章主本章主要内容要内容1.1.轴的分类及材料选择（保证轴的强度、刚度要求）；轴的分类及材料选择（保证轴的强度、刚度要求）；2.2.轴的正确结构设计轴的正确结构设计（轴上零件定位准确、固定可靠、

2、（轴上零件定位准确、固定可靠、装拆方便，轴加工工艺性好；装拆方便，轴加工工艺性好；重点重点3.3.轴的强度计算；轴的强度计算；4.4.轴系设计实例分析。轴系设计实例分析。光光 轴轴阶梯轴阶梯轴空心轴空心轴曲轴曲轴直直轴轴按按轴轴的的形形状状二二. . 轴的分类轴的分类转轴转轴既受弯矩，又受转矩的轴，如齿轮减速既受弯矩，又受转矩的轴，如齿轮减速 中装齿轮的轴。中装齿轮的轴。按轴工作按轴工作时受载情时受载情况况心轴心轴只受弯矩只受弯矩M的轴，如滑轮轴的轴，如滑轮轴、自行车前自行车前 轮轴轮轴传动轴传动轴只受扭矩只受扭矩T T，或少量弯矩（轴自重引，或少量弯矩（轴自重引 起）如汽车双万向联轴器的中间

3、轴起）如汽车双万向联轴器的中间轴 固定心轴固定心轴转动心轴转动心轴传传 动动 轴轴万向联轴器的中间轴万向联轴器的中间轴转转 轴轴 特殊用途的轴特殊用途的轴如钢丝软轴如钢丝软轴接头接头驱动装置驱动装置 钢丝软轴钢丝软轴（外层为护套）（外层为护套）动力源动力源设备设备设备设备接头接头二二. .轴的材料及选择轴的材料及选择 对轴材料要求对轴材料要求：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性能和加工工艺性好；材料来源广，价格适中。能和加工工艺性好；材料来源广，价格适中。碳碳钢钢普通碳素钢：普通碳素钢：Q235,Q255-Q235,Q255-用于不重要，轻载的轴；用于不重要

4、，轻载的轴；优质碳素钢：优质碳素钢：3535，4040，4545号号- - 廉物广，应用较广泛；廉物广，应用较广泛；合合金金钢钢中碳合金钢：中碳合金钢：40cr40cr等等-强度高，价贵用于重要轴强度高，价贵用于重要轴低碳合金钢：低碳合金钢：20crMnTi-20crMnTi-表面渗碳淬火后，表面表面渗碳淬火后，表面硬度高硬度高 芯部韧性好，适用于冲击载荷较大的场合。芯部韧性好，适用于冲击载荷较大的场合。球墨铸铁球墨铸铁-宜用于制造形状复杂的轴宜用于制造形状复杂的轴轴轴常常用用材材料料滚动轴承滚动轴承齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承键槽键槽半联轴器半联轴器轴颈轴颈轴身轴身轴头轴头轴颈轴颈轴身轴身轴头轴

5、头轴承盖轴承盖轴承盖轴承盖一一. . 轴系结构分析轴系结构分析 8 82 2 轴的结构设计轴的结构设计轴的结构设计目的轴的结构设计目的合理确定轴的外部形状和全部尺寸合理确定轴的外部形状和全部尺寸二二. .轴的结构设计应考虑的主要因素轴的结构设计应考虑的主要因素4.4.有利于提高轴的强度和刚度（轴的受有利于提高轴的强度和刚度（轴的受 力合理、应力集中）。力合理、应力集中）。3.3.良好的加工工艺性；良好的加工工艺性；2.2.便于轴上零件的装拆和调整；便于轴上零件的装拆和调整；1.1.保证轴上零件的定位和固定可靠；保证轴上零件的定位和固定可靠；一）零件轴向固定的目的一）零件轴向固定的目的三三. .

6、 零件轴向固定零件轴向固定防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。特点：特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴 向定位和固定向定位和固定轴肩轴肩轴环轴环二）常用轴向固定二）常用轴向固定1.1.轴肩（或轴环）轴肩（或轴环）过渡圆角过渡圆角r r定位高度定位高度h h由由组成组成注意事项：注意事项：1 1）轴的过渡圆角半径）轴的过渡圆角半径r r 应小于轴上零件的倒角应小于轴上零件的倒角C C 或圆角或圆角半径半径R R；2 2）轴肩轴）轴肩轴 环高度环高度h h定位轴肩：定位轴肩：高度高度

7、hC(hC(或或R) ,R) ,通常取通常取h=(2h=(23)C3)C或或(2(2 3)R3)R或或h=0.07d+(2h=0.07d+(23) mm3) mm滚动轴承：滚动轴承： 按轴承型号查标准按轴承型号查标准非定位轴肩：非定位轴肩：为使零件装拆方便，取为使零件装拆方便，取h=(1h=(12)mm2)mm3 3）轴环宽度）轴环宽度b b b b 1.4h 10 mm1.4h 10 mmrRhdDhcrDdb 2 2套筒套筒-常用于两个距离相近的零件之间，起定位荷常用于两个距离相近的零件之间，起定位荷固定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的固定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜

8、用于转速较高的轴上。轴上。套筒套筒注意：轮毂宽度注意：轮毂宽度B 轴头长度轴头长度l，取，取l = B -= B -（2 23 3）mmmmBl3 3轴端挡圈轴端挡圈-常与轴肩或锥面联合使用，固定零件常与轴肩或锥面联合使用，固定零件 稳定可靠，能承受较大的轴向力：稳定可靠，能承受较大的轴向力：注意：轮毂宽度注意：轮毂宽度B B 轴头长度轴头长度l ，取l = B- （23）mm轴肩轴肩B轴端挡圈轴端挡圈止动垫片止动垫片止动销止动销l止动垫片止动垫片止动销止动销轴端挡圈轴端挡圈螺钉螺钉螺钉螺钉4 4圆锥面圆锥面-装拆方便，宜用于高速、重载及零件对中性装拆方便，宜用于高速、重载及零件对中性 要求高

9、的场合。要求高的场合。锥面锥面轴端挡圈轴端挡圈螺钉螺钉止动垫片止动垫片5 5圆螺母与止动垫圈圆螺母与止动垫圈-固定可靠，可承受较大的轴固定可靠，可承受较大的轴 向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。 注意：零件宽度注意：零件宽度B B 轴长度轴长度l ，取取l = B-（23）mmlB止动垫圈止动垫圈圆螺母圆螺母止动垫圈止动垫圈 6 6弹性挡圈弹性挡圈- -结构简单，但在轴上需切槽，会引起结构简单，但在轴上需切槽，会引起 应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。弹性挡圈弹性挡圈Bl注意：零件宽

10、度注意：零件宽度B B 轴长度轴长度l ，取取l = B-（23）mm7 7紧定螺钉紧定螺钉-结构简单，可兼作周向固定，传递不大的结构简单，可兼作周向固定，传递不大的 力或力矩，不宜用于高速。力或力矩，不宜用于高速。紧定螺钉紧定螺钉三三. . 轴的结构工艺性轴的结构工艺性便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装一）轴的加工工艺性要求一）轴的加工工艺性要求 1. 不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工，以减少键槽加工 时的装卡次数；时的装卡次数；a. 正确结构正确结构b.不正确结构不正确结构2. 需磨制轴段时，应留

11、需磨制轴段时，应留砂轮越程槽砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应；需车制螺纹的轴段，应 留留螺纹退刀槽螺纹退刀槽。砂轮越程槽砂轮越程槽螺纹退刀槽螺纹退刀槽3. 相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽 量统一量统一.0.8二）轴上零件装配工艺性要求二）轴上零件装配工艺性要求与零件过盈配合的轴端应加工出与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面导向锥面。a）倒角）倒角b）导向锥面）导向锥面轴的配合直径应圆整为标准值轴的配合直径应圆整为标准值轴端应有轴端应有cX45的的倒角倒角五五. 提高轴强度、刚度的措施提高轴强度、刚度的措施一）合理布置轴上零件

12、，改善轴的受力情况一）合理布置轴上零件，改善轴的受力情况1. 使弯矩分布合理使弯矩分布合理把轴、毂配合分成两段，减小最大弯把轴、毂配合分成两段，减小最大弯 矩值。矩值。不合理结构不合理结构合理结构合理结构FF2.使转矩合理分配使转矩合理分配不合理的布置不合理的布置合理布置合理布置输出轮输出轮输入轮输入轮T1T3T4T2T1T2T3T4输出轮输出轮输出轮输出轮输入轮输入轮1Tmax= T2 + T3 + T4Tmax= T3 + T43. 改进轴上零件结构减轻轴的载荷改进轴上零件结构减轻轴的载荷卷筒轴既受弯又受扭卷筒轴既受弯又受扭卷筒轴只受弯矩卷筒轴只受弯矩卷筒卷筒螺栓卷筒卷筒齿轮齿轮轴承轴承轴

13、承轴承齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮二）减小轴的应力集中二）减小轴的应力集中轴的剖面变化处、轴毂配合面的边缘键槽轴的剖面变化处、轴毂配合面的边缘键槽 根部等会产生应力集中。根部等会产生应力集中。 b）过盈配合处的应力集中）过盈配合处的应力集中 轴的应力集中轴的应力集中发生的位置发生的位置a a）截面尺寸变化处）截面尺寸变化处 的应力集中的应力集中b b）过盈配合处的应力集中）过盈配合处的应力集中c c）小孔处的应力集中）小孔处的应力集中a）截面尺寸变化处的应力集中）截面尺寸变化处的应力集中c）小孔处的应力集中）小孔处的应力集中减小力集减小力集中的措施中的措施当过渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环

14、当过渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环对于过盈配合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽对于过盈配合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环减载槽减载槽 83 轴的强度计算轴的强度计算 一.按扭转强度计算适用于传动轴、转轴初算1095503TTTTWnPWT扭转强度条件：扭转强度条件：T轴的扭剪应力轴的扭剪应力（MPa）；轴传递的转矩（轴传递的转矩（Nmm）；）；TWT 轴的抗扭剖面系数（轴的抗扭剖面系数（mm3），），对于实心圆轴对于实心圆轴，3330516dddWT.2P轴传递的功率（轴传递的功率（KW）； 轴的许用扭剪应力（轴的许用扭剪应力（MPa）；）；式中：式中：对

15、于实心圆轴对于实心圆轴： mmnpCnPdTca3331095505C与轴的材料有关的系数，查表与轴的材料有关的系数，查表12-2。计算说明：计算说明：1）求得的）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为轴端；为受扭部分的最小直径，通常为轴端；2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大5%。双键槽增大双键槽增大10%，将所计算的直径圆整为标准值即：，将所计算的直径圆整为标准值即：cacadd)10. 105. 1 (单键槽单键槽双键槽双键槽设计计算式：设计计算式：满足轴强度要求）；满足轴强度要求）；(ddcamin径要求；径要求；满足该段轴上零件的孔满足该段轴上

16、零件的孔D).(d2180与与电电机机相相联联；或或者者根根据据经经验验估估算算，如如 3）轴的最小）轴的最小 直径直径dmin 应根据应根据W W轴的抗弯剖面系数（轴的抗弯剖面系数（mmmm3 3） bbcaWM转动心轴：转动心轴：=-1=-1 b b = = -1-1 M M不变：不变： b b= = +1 b+1 b M M变化：变化： b b = = 0 b0 b b b 许用弯应力许用弯应力弯曲强度条件：弯曲强度条件：对于实心圆轴，对于实心圆轴，W WT T= = d d3 3/32/32 d d3 3/10/10查表查表12 - 112 - 1固定心轴固定心轴二二 按弯曲强度计算按

17、弯曲强度计算用于心轴强度计算 材材 料料热热处处理理毛坯毛坯直径直径/mm硬度硬度/HBS主主 要要 机机 械械 性性 能能类类别别牌号牌号强度强度极限极限b屈服屈服极限极限S弯曲弯曲疲劳疲劳极限极限-1剪切剪切疲劳疲劳极限极限-1=1许用弯许用弯应力应力 +1b=0许用弯许用弯应力应力 0b=-1许用弯许用弯应力应力 -1b表表8-1 轴的常用材料及主要机械性能轴的常用材料及主要机械性能24511869碳碳素素钢钢45正正火火 1001702176003002751401969354调调质质 2002172556503603001552169859合合金金钢钢40Cr调调质质 100100

18、300241 286750550350200241 2867005503401856503603001552169859碳碳素素钢钢45 200217255调调质质b=600 Mpa，s=360 Mpa，-1=300 Mpa，-1 =155 Mpa +1b=216 Mpa， 0b=98 Mpa， -1b=59 Mpa如：如：45钢调钢调质，查得：质，查得：三三 按弯、扭合成强度计算按弯、扭合成强度计算 用于转轴强度计算用于转轴强度计算强度计算的前提条件：强度计算的前提条件：轴的结构设计初步完成，支点力点位置轴的结构设计初步完成，支点力点位置 确定，支反力可求。确定，支反力可求。转轴危险截面转轴危险截面上的应力状态上的应力状态弯弯 应应 力：力：3101dWMb扭剪应力扭剪应力：351dWTTT转轴危险截面上的应力：转轴危险截面上的应力： WTMWTWMTTbca22222244 称为计算弯矩或称为当量弯矩称为计算弯矩或称为当量弯矩 22TM考虑考虑M、T两者产生的应力循环特性两者产生的应力循环特性和和不同，通常不同，通常=1，而一般，而一般1，考虑两者差异的影响，考虑两者差异的影响，becaWMWTM122轴弯、扭合成强度条件为：轴弯、扭合成强度条件为：WMWT