哈尔滨工程大学机械设计课件9轴

1、第九章第九章 轴轴2 目录9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 轴的结构设计轴的结构设计 9.3 9.3 轴的强度计算轴的强度计算 3 9.1 概述概述 （Introduction） 一、轴的分类一、轴的分类一、轴的分类一、轴的分类心心 轴：只受弯矩轴：只受弯矩M M转转 轴：承受弯矩轴：承受弯矩M+M+扭矩扭矩T T传动轴：只受扭矩传动轴：只受扭矩T T1 1、按承载分、按承载分4 9.1 概述概述 （Introduction） 一、轴的分类一、轴的分类2 2 按轴的形状按轴的形状 软软轴轴曲曲轴轴常常见见阶阶梯梯轴轴直直轴轴)(5 9.1 概述概述 （Introduction） 二、二、

2、轴的常用材料轴的常用材料二、二、轴的常用材料轴的常用材料常用材料：优质碳钢常用材料：优质碳钢 4545，3535，50 50 正火或调质正火或调质一般的轴：普通碳钢一般的轴：普通碳钢 Q235Q235，Q275Q275重要的轴：合金钢重要的轴：合金钢 40Cr40Cr，35SiMn 35SiMn 调质调质 表面淬火表面淬火注：注：高强材料对应力集中敏感高强材料对应力集中敏感 轴的刚度不足时，应加大轴的截面，减小跨距轴的刚度不足时，应加大轴的截面，减小跨距 三、轴设计的基本准则三、轴设计的基本准则轴上零件装拆方便轴上零件定位可靠加工工 艺性好1 1、 具有足够的强度和刚度，具有足够的强度和刚度，

3、 使用中不发生断裂和过大的弹性变形使用中不发生断裂和过大的弹性变形2 2、 结构合理结构合理 6 9.2 9.2 轴的结构设计轴的结构设计一、一、轴的各部分名称轴的各部分名称7 9.2 9.2 轴的结构设计轴的结构设计二、轴的结构设计的要求二、轴的结构设计的要求1 1、轴与轴上零件要有准确的工作位置、轴与轴上零件要有准确的工作位置2 2、轴上零件要便于装拆、调整、轴上零件要便于装拆、调整3 3、轴应有良好的制造工艺、轴应有良好的制造工艺4 4、尽量减少应力集中、尽量减少应力集中, , 改善轴的受力情况改善轴的受力情况8 9.2 轴的结构设计轴的结构设计三三 、轴上零件的轴向定位、轴上零件的轴向

4、定位1 1、轴肩或轴环、轴肩或轴环非定位轴肩（非定位轴肩（h=1.5h=1.52mm),2mm),定位轴肩定位轴肩 (h=0.07d+3(h=0.07d+30.1d+5mm)0.1d+5mm)rR ,rCrR ,rC1 1与标准件配合的轴段与标准件配合的轴段 d,h,rd,h,r参考标准件确定参考标准件确定9 9.2 轴的结构设计轴的结构设计2 2、轴套、轴套( (活动的轴肩或轴环活动的轴肩或轴环) )轴套的径向尺寸参照定位轴肩确定轴套的径向尺寸参照定位轴肩确定轴套定位的零件轴套定位的零件: :轮毂长轮毂长- -轴段长轴段长=2=23mm3mm轴套与轴为过渡配合轴套与轴为过渡配合10 9.2

5、轴的结构设计轴的结构设计3 3、其他轴向定位方法、其他轴向定位方法紧定螺钉紧定螺钉弹性挡圈弹性挡圈轴端挡圈轴端挡圈圆圆 螺螺 母母紧定螺钉紧定螺钉弹性挡圈弹性挡圈圆圆 螺螺 母母轴端挡板轴端挡板11 9.2 轴的结构设计轴的结构设计4 4、轴系整体轴向定位、轴系整体轴向定位轴承端盖轴承端盖四、轴上零件的周向定位四、轴上零件的周向定位-键键, ,花键花键, ,销，销，紧定螺钉及过盈配合紧定螺钉及过盈配合五、轴的结构工艺性五、轴的结构工艺性1 1、减少应力集中、减少应力集中轴的圆角尽可能大，重载轴轴的圆角尽可能大，重载轴r r0.1d0.1d相邻轴段直径差不要太大相邻轴段直径差不要太大减少应力集中

6、的常用结构形式减少应力集中的常用结构形式12 9.2 轴的结构设计轴的结构设计2 2、加工方便、加工方便轴的形状力求简单轴的形状力求简单, ,减少轴段的变化减少轴段的变化. .轴的所有键槽在一条直线上轴的所有键槽在一条直线上, ,圆角尽量统一圆角尽量统一有必要的螺纹退刀槽有必要的螺纹退刀槽, ,砂轮越程槽砂轮越程槽13 9.2 轴的结构设计轴的结构设计3 3、装拆方便、装拆方便轴端有轴端有4545倒角倒角非定位轴肩，非定位轴肩，h=1.5 h=1.5 2mm2mm零件间留必要的轴向间隙零件间留必要的轴向间隙滚动轴承定位轴肩低于轴承内圈厚度滚动轴承定位轴肩低于轴承内圈厚度 14 9.2 轴的结构

7、设计轴的结构设计4 4、轴上零件合理布置、轴上零件合理布置改变轴的受力状态改变轴的受力状态15 9.2 轴的结构设计轴的结构设计六、轴的设计步骤六、轴的设计步骤1 1、确定轴上零件的装配方案、确定轴上零件的装配方案- -装配方案影响结构装配方案影响结构16 9.2 轴的结构设计轴的结构设计4 4、考虑轴上零件的定位和装拆要求，确定各轴段的径向尺寸、考虑轴上零件的定位和装拆要求，确定各轴段的径向尺寸 由外向内由外向内2 2、确定最小轴径、确定最小轴径d dminmin 按轴只受扭矩作用按轴只受扭矩作用 设计式设计式: : C C =110=110160,160,材质好、弯矩小、载荷平稳取小值材质

8、好、弯矩小、载荷平稳取小值2 . 01055. 936TdnPWTt t = = =t t336 2010559nPCnPd= = .t t3 3、与标准件配合的轴段，应尽量采用标准直径、与标准件配合的轴段，应尽量采用标准直径17 9.2 轴的结构设计轴的结构设计5 5、考虑轴上零件的定位和装拆要求，确定各轴段的轴向尺寸、考虑轴上零件的定位和装拆要求，确定各轴段的轴向尺寸 由内向外由内向外6 6、精确校核轴的强度、精确校核轴的强度各轴段长度与其上相配合零件的宽度相对应各轴段长度与其上相配合零件的宽度相对应转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙由内向外确定各

9、段长度由内向外确定各段长度18 9.2 轴的结构设计轴的结构设计讨论：下面轴系的结构错误？讨论：下面轴系的结构错误？四处错误四处错误正确答案正确答案19 9.2 轴的结构设计轴的结构设计分组讨论：结构错误分组讨论：结构错误 无定位轴肩无定位轴肩 端盖无密封端盖无密封 键槽太长键槽太长无非定位轴肩无非定位轴肩套筒太高套筒太高 轴承没定位轴承没定位 轴向定位不确定轴向定位不确定 轴承用错或装错轴承用错或装错 无调整垫片无调整垫片 端盖端面无凹坑加工量大端盖端面无凹坑加工量大20 9.3 轴的强度计算轴的强度计算一、一、 心轴心轴只受弯矩只受弯矩按弯曲强度计算按弯曲强度计算设设: :不变不变 不变不

10、变静应力静应力按弯曲强度计算按弯曲强度计算 虽然不变虽然不变但但 变变对称循环变应力对称循环变应力= -1= -1bbb1 1、受力分析：由、受力分析：由固定心轴轴不转动固定心轴轴不转动但常开停但常开停 脉动循环变应力脉动循环变应力 转动心轴轴转动转动心轴轴转动 2 2、强度计算、强度计算: :b拉拉压压21 9.3 轴的强度计算轴的强度计算 MPa2 . 01055. 936tt=ndPWTTmm)1 (43nPd mm2 . 01055. 93363nPCnPd=t二、传动轴只受转矩二、传动轴只受转矩按扭转强度计算按扭转强度计算1 1、受力分析：、受力分析： 轴单向传动：轴单向传动： 轴双

11、向传动：轴双向传动：按扭转强度计算按扭转强度计算( (估算轴的最小直径估算轴的最小直径) )（开停）（开停）由由2 2、强度计算、强度计算强度条件强度条件 设计公式设计公式 空心轴空心轴d d1 1空心轴内径空心轴内径dd /1=22 9.3 轴的强度计算轴的强度计算三、弯扭合成强度计算三、弯扭合成强度计算1 1、绘出轴的空间受力图、绘出轴的空间受力图2 2、外载荷向轴线简化、外载荷向轴线简化3 3、空间力系分解为、空间力系分解为: :XYXY（V V面）、面）、XZXZ（H H面）面）力系和扭矩力系力系和扭矩力系4 4、求解、求解XYXY平面力系得支反力和弯矩，平面力系得支反力和弯矩， 并作

12、弯矩图并作弯矩图5 5、求解、求解XZXZ平面力系得支反力和弯矩，平面力系得支反力和弯矩， 并作弯矩图并作弯矩图6 6、求合成弯矩、求合成弯矩, ,作合成弯矩图作合成弯矩图7 7、计算扭矩，作扭矩图、计算扭矩，作扭矩图T T8 8、求当量弯矩、求当量弯矩, ,作当量弯矩图作当量弯矩图VMHM22VHMMM = =22)( TMMea a = =23 应力折算系数应力折算系数( (将将 ) )a a t t考虑考虑T T引起的引起的与与M M引起的引起的循环特性不同，将循环特性不同，将折算成等效的折算成等效的注：键槽削弱轴的强度注：键槽削弱轴的强度, ,一个键槽一个键槽, ,轴径轴径d d 加大

13、加大45%,45%, 两个键槽两个键槽, ,轴径轴径d d 加大加大710% 710% 3 .011= = = =a a bb（1 1）轴单向稳定运转）轴单向稳定运转, , 为静应力为静应力 （2 2）频繁启动或扭矩波动）频繁启动或扭矩波动, , 为脉动变应力为脉动变应力 6 .001= = = =a a bb（3 3）轴频繁正反转）轴频繁正反转,为对称循环变应力为对称循环变应力 111= = = =a a bb9.3 轴的强度计算轴的强度计算中中式式 )( 22TMMea a = =或或 9 9、校核危险截面强度、校核危险截面强度 131 . 0 = = beedM31 1 . 0 beMd24 9.3 轴的强度计算轴的强度计算四、按疲劳强度计算安全系数四、按疲劳强度计算安全系数考虑应力集中、尺寸因素、表面状态对轴疲劳强度的影响考虑应力集中、尺寸因素、表面状态对轴疲劳强度的影响 全全系系数数弯弯矩矩产产生生正正应应力力作作用用安安 = = makS1全全系系数数扭扭矩矩产产生生剪剪应应力力作作用用安安 t t t t t t= =t tt tt t t tmakS1SSSSSSca=22tt25 9.3 轴的强度计算轴的强度计算五、按静强度计算轴的安全系数五、按静强度计算轴的安全系数 对瞬时过载较大的轴，按尖峰载荷