机械设计06_轴设计

1、第六章第六章 轴设计轴设计一、轴设计概述一、轴设计概述1. 轴的功用及分类轴的功用及分类功用功用支撑回转零件支撑回转零件传递运动和转矩传递运动和转矩分类分类心轴：只承受弯矩、不承受转矩心轴：只承受弯矩、不承受转矩传动轴：主要承受转矩、不承受或承受很小弯矩传动轴：主要承受转矩、不承受或承受很小弯矩转轴：既承受弯矩、又承受转矩转轴：既承受弯矩、又承受转矩转动心轴转动心轴固定心轴固定心轴(按载荷分类按载荷分类)2. 轴的设计步骤轴的设计步骤选材选材轴的结构设计轴的结构设计初定轴的最小直径初定轴的最小直径轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定加工和装配的工艺性加工和装配的工艺性提高轴强度的结构措施提

2、高轴强度的结构措施轴的强度计算轴的强度计算轴的刚度计算轴的刚度计算轴的稳定性计算轴的稳定性计算有特殊要求时有特殊要求时3. 轴的材料轴的材料(1) 碳素钢碳素钢优质碳素钢：优质碳素钢：35、45、50等等 4545钢使用最广泛钢使用最广泛普通碳素钢：普通碳素钢：Q235A等等强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好应力集中敏感性小应力集中敏感性小热处理后提高耐磨性、疲劳强度热处理后提高耐磨性、疲劳强度(2) 合金钢合金钢用于高速、重载、较重要的轴用于高速、重载、较重要的轴常用常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等等对应力集中敏感性较大对应力集中敏感性较

3、大强度和淬火性比碳素钢好强度和淬火性比碳素钢好价格比碳素钢贵价格比碳素钢贵刚度与碳素钢相同刚度与碳素钢相同 ( (两者弹性模量两者弹性模量 E E 相近相近) )我国我国CrCr、Ni Ni 资源少，尽量用代用钢种资源少，尽量用代用钢种(如如40MnB40MnB机械性能接近机械性能接近40Cr40Cr)(3) 球墨铸铁球墨铸铁以铁代钢以铁代钢对应力集中敏感性较小对应力集中敏感性较小吸振性、耐磨性好吸振性、耐磨性好可以做成复杂形状可以做成复杂形状价廉价廉冲击韧性低、质量不易控制冲击韧性低、质量不易控制毛坯毛坯圆钢棒料圆钢棒料 尺寸小的轴尺寸小的轴锻造毛坯锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴尺寸较大

4、或为提高强度的轴焊接毛坯焊接毛坯 大件锻造困难大件锻造困难铸造毛坯铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等形状复杂的轴、空心轴等二、轴的结构设计二、轴的结构设计1. 轴的结构设计原则轴的结构设计原则(1) 满足强度、刚度、防振的要求，并通过满足强度、刚度、防振的要求，并通过 结构设计提高这些方面的性能结构设计提高这些方面的性能(2) 保证轴上零件定位且固定可靠保证轴上零件定位且固定可靠(3) 便于轴上零件装拆和调整便于轴上零件装拆和调整(4) 轴的加工工艺性好轴的加工工艺性好一般设计成中间大、两端小的阶梯形状一般设计成中间大、两端小的阶梯形状2. 轴上零件的轴向定位和固定轴上零件的轴向定位和固定(1)

5、 轴肩与轴环轴肩与轴环rhDdC1轴肩轴肩r轴的过渡圆角半径轴的过渡圆角半径零件毂孔倒角零件毂孔倒角C1或圆角或圆角R轴肩与轴环轴肩与轴环(2) 圆螺母和弹性档圈圆螺母和弹性档圈螺纹应力集中严重、螺纹应力集中严重、不宜在轴的中间部位不宜在轴的中间部位用于轴向力较小用于轴向力较小的场合的场合弹性档弹性档圈圈翅翅片片圆螺圆螺母母(3)(3)套筒套筒不宜用于较高转速的轴不宜用于较高转速的轴不能有不能有“过定位过定位”套筒套筒123(4) 轴端档圈轴端档圈用螺钉将档圈固定在轴的端面用螺钉将档圈固定在轴的端面要与轴肩或锥面配合、固定轴端零件要与轴肩或锥面配合、固定轴端零件(5) 紧定螺钉紧定螺钉兼作周向

6、固定兼作周向固定受力较小、不宜于高速轴受力较小、不宜于高速轴紧定螺钉紧定螺钉3. 轴上零件的周向固定轴上零件的周向固定(1) 键键(2) 过盈配合过盈配合平键平键 使用最为广泛使用最为广泛花键花键 承载能力较大承载能力较大4. 轴的加工和装配工艺性轴的加工和装配工艺性从装配观点从装配观点 两头小中间粗两头小中间粗从承载观点从承载观点 中间受弯矩大中间受弯矩大阶梯轴阶梯轴直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一不同轴段的各键槽方向应一致不同轴段的各键槽方向应一致轴的配合直径应圆整为标准值轴的配合直径应圆整为标

7、准值与零件过盈配合的轴端与零件过盈配合的轴端应有导向锥面应有导向锥面磨削或车螺纹应留有越磨削或车螺纹应留有越程槽或退刀槽程槽或退刀槽退刀槽退刀槽越程槽越程槽5. 提高轴强度与刚度的结构措施提高轴强度与刚度的结构措施(1) 减小轴的应力集中减小轴的应力集中避免轴的剖面尺寸剧变，避免轴的剖面尺寸剧变，过渡圆角半径不宜过小过渡圆角半径不宜过小减小过盈处应力集中减小过盈处应力集中开减载槽开减载槽凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环(2) 改善轴的受力状况改善轴的受力状况合理布置零件位置合理布置零件位置改变零件结构改变零件结构改善轴的受力改善轴的受力车床输入轴车床输入轴卸载卸载装置装置6. 轴的结构设计举例

8、轴的结构设计举例确定各零件位置确定各零件位置初估最小轴颈初估最小轴颈 dmin确定各段直径确定各段直径零件的轴向定位与固定零件的轴向定位与固定零件的周向固定零件的周向固定键槽、过定位、密封键槽、过定位、密封举例举例三、轴的强度计算三、轴的强度计算1. 按扭转强度计算按扭转强度计算(初算轴径初算轴径)对于转轴对于转轴).(1055. 96mmNnP由轴的结构而定由轴的结构而定解决办法：解决办法：T转矩转矩M弯矩弯矩T仅考虑仅考虑的强度条件的强度条件TTTWTM用降低用降低T来考虑来考虑的影响的影响适于初估直径适于初估直径对于实心圆轴对于实心圆轴)2 . 0(3dWt的设计式的设计式3336min

9、2 . 01055. 9nPCnPdT对于一定的材料为常数对于一定的材料为常数MC取值取值( 跨距？力作用点？跨距？力作用点？)2. 按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算(一般轴一般轴)材料力学第三强度理论材料力学第三强度理论TM同时承受同时承受和和的某一截面的某一截面强度条件为：强度条件为：2222)(4)(4TTbcaWTWMbWTM22对于直径对于直径 d 的实心轴的实心轴31 . 0 dW 32 . 0 dWT轴结构轴结构垂直面垂直面受力简图受力简图垂直弯矩图垂直弯矩图转矩图转矩图当量弯矩图当量弯矩图水平面水平面受力简图受力简图水平弯矩图水平弯矩图合成弯矩图合成弯矩图当量弯矩当量弯矩caMTM和和在转轴上产生的在转轴上产生的应力性质可能不同应力性质可能不同M产生的弯曲应力产生的弯曲应力b 对称循环变应力对称循环变应力1b为：为：T产生的扭剪应力产生的扭剪应力TT大小和方向不变大小和方向不变T大小经常变化大小经常变化T大小和方向经常变化大小和方向经常变化静应力静应力13 . 011bb脉动循环变应力脉动循环变应力06 . 001bb对称循环变应力对称循环变应力1111bbT将将转化为对称循环变化来考虑转化为对称循环变化来考虑22)( T