《飞机结构》第11章 轴

长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授第11章轴§11-1概述§11-2轴的结构设计§11-3轴的强度计算§11-5轴的设计§11-4轴的材料及选择长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦§11-1概述功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴——传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有分类：按轴的形状分有带式运输机减速器电动机转轴长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴——传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有分类：按轴的形状分有传动轴——只传递扭矩发动机后桥传动轴§11-1概述长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴——传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有分类：按轴的形状分有传动轴——只传递扭矩心轴——只承受弯矩前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴§11-1概述长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授§11-1概述功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴——传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有分类：按轴的形状分有传动轴——只传递扭矩心轴——只承受弯矩直轴长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授§11-1概述功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴——传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有分类：按轴的形状分有传动轴——只传递扭矩心轴——只承受弯矩直轴曲轴长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦本章只研究直轴§11-1概述功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴——传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有分类：按轴的形状分有传动轴——只传递扭矩心轴——只承受弯矩直轴曲轴挠性钢丝轴设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确定尺寸等长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。§11-2轴的结构设计设计要求：1.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；(定位)3.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。轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承设计：郭谆钦典型轴系结构长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦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。④设计：郭谆钦

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。零件的安装次序一、制造安装要求②③⑥⑦①⑤①倒角取值见P119长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦零件的轴向定位由轴肩或套筒来实现。二、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：郭谆钦轴肩——阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。

轴肩套筒1~21~2长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦设计：郭谆钦轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。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。双向固定长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦设计：郭谆钦设计：郭谆钦设计：郭谆钦无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。轴肩的尺寸要求:r<C1

或r<Rb≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)DdrR轴端挡圈双圆螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈固定。C1Ddr取值见P119DdrRhhb长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦设计：郭谆钦设计：郭谆钦设计：郭谆钦轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且紧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长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦设计：郭谆钦设计：郭谆钦TTTTTQ方案b四、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。输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T11.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，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理TTQ方案a输出输出输入FtFt长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦设计：郭谆钦设计：郭谆钦设计：郭谆钦Rdd/430˚2.减小应力集中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。措施：1.

用圆角过渡；2.

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B、过渡肩环、凹切圆角、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r凹切圆角B卸载槽也可以在轮毂上增加卸载槽B位置d/4长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授§11-3轴的强度计算一、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，强度条件为设计公式为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。计算结果为最小直径！解释各符号的意义及单位轴的材料A3,20354540Cr,35SiMn[τ](N/mm)12~2020~3030~4040~52C160~135135~118118~107107~92表11-1常用材料的[τ]值和C值注:

当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,C取较小值;

否则取较大值应圆整为标准直径！长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦设计：郭谆钦减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。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σb和τ的循环特性不同，折合后得二、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l1l弯曲应力扭切应力代入得W——抗弯截面系数；WT

——抗扭截面系数；α----折合系数Me---当量弯矩长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]40013070405001707545600200955570023011065800270130759003001408010003301509050012070404001005030表11-2轴的许用弯曲应力碳素钢合金钢铸钢折合系数取值α=0.3

——转矩不变；0.6

——脉动变化；1

——频繁正反转。静应力状态下的许用弯曲应力设计公式长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授折合系数取值α=0.3

——转矩不变；0.6

——脉动变化；1

——频繁正反转。设计公式材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]40013070405001707545600200955570023011065800270130759003001408010003301509050012070404001005030表11-2轴的许用弯曲应力碳素钢合金钢铸钢脉动循环状态下的许用弯曲应力长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授折合系数取值α=0.3

——转矩不变；0.6

——脉动变化；1

——频繁正反转。设计公式材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]40013070405001707545600200955570023011065800270130759003001408010003301509050012070404001005030表11-2轴的许用弯曲应力碳素钢合金钢铸钢对称循环状态下的许用弯曲应力长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授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。求垂直面支撑反力FV和水平面支撑反力FH

;2.作垂直弯矩MV图和弯矩MH图

;3.作合成弯矩M图；4.作转矩T图；5.弯扭合成，作当量弯矩Me图；6.计算危险截面轴径:1.

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，且相不大，一般以结构设计的轴径为准。对于一般刚轴，按上述方法设计即可。对于重要的轴，还必须用安全系数法作精确校核计算。说明：长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授种类碳素钢35、45、50、Q235轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。§11-4轴的材料及选择合金钢20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是45钢应用最广。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。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。表11-3轴的常用材料及其主要力学性能材料及热处理毛坯直径mm硬度HBS强度极限σb

屈服极限σs

MPa弯曲疲劳极限σ-1应用说明Q235440240200用于不重要或载荷不大的轴35正火520270250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。≤100149~187长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦对2点取矩举例：计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N,径向力，Fr=6140N,轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=146mm,作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）,L=193mm,K=206mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12解：1)求垂直面的支反力和轴向力=Fad2aadP231§11-4轴的设计长沙航空职院专用作者：郭谆钦教授设计：郭谆钦MavM’avFtF1HF2HMaHF1FF2F2)求水平面的支反力L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadP231F3)求F力在支点产生的反力4)绘制垂直面的弯矩图5)绘制水平面的弯矩图长沙航空职院专用