2022年轴系结构方案与轴常用材料及其机械性能 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用轴系结构设计.1 高速轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构及使用要求 ,把该轴设计成阶梯轴且为齿轮轴,共分七段 ,其中第 5段为齿轮 ,如图 2 所示: 图 2由于结构及工作需要将该轴定为齿轮轴,因此其材料须与齿轮材料相同,均为合金钢 ,热处理为调制处理 , 材料系数为 110。所以,有该轴的最小轴径为 : 考虑到该段开键槽的影响,轴径增大 6%,于是有 : 标准化取精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用其他各段轴径、长度的设计计算依据和过程见下表: 表 6 高速

2、轴结构尺寸设计阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第 1 段(考虑键槽影响 21.76 25 60 第 2 段(由唇形密封圈尺寸确定 30(27.848 50 第 3 段由轴承尺寸确定(轴承预选 6007 35 25 第 4 段42.5(41.3 145 第 5 段齿顶圆直径齿宽65 70 第 6 段41 10 第 7段35 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用25 二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化 (见图 3及受力计算图 3 L1=92.5 L2=192.5 L3=40 精选学习资料 -

3、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便 ,轴承均采用正装 .预设轴承寿命为 3 年即 12480h. 校核步骤及计算结果见下表: 表 7 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6007轴承A 端B 端由手册查出 Cr、C0r 及 e、Y 值Cr=12.5kN C0r=8.60kN e=0.68 计算 Fs=eFr(7类、Fr/2Y(3类 FsA=1809.55 FsB=1584.66 计算比值 Fa/Fr FaA /FrAe FaB /FrB PA=981.039

4、PB=981.039 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用计算轴承寿命9425.45h 小于12480h 由计算结果可见轴承6007合格.2 中间轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构几使用要求该轴设计成阶梯轴且为齿轮轴,共分五段 ,其中第 II 段和第 IV 段为齿轮 ,如图 4所示: 图 4 由于结构及工作需要将该轴定为齿轮轴,因此其材料须与齿轮材料相同,均为合金钢 ,热处理为调制处理 ,取材料系数所以,有该轴的最小轴径为 : 因键槽开在中间，其影响不预考虑标准化取其他各段轴径、长度

5、的设计计算依据和过程见下表: 表 8 中间轴结构尺寸设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第 1段由轴承尺寸确定(轴承预选 6008 33.6 40 25 第 2段(考虑键槽影响 45(44.68 77.5 第 3段50 12.5 第 4段99 109 第 5段46 39 第 6段40 25 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用二、轴的受力分析及计算轴的受力

6、模型简化 (见图 5及受力计算L1=51 L2=105.75 L3=106 图 5 由高速轴的受力分析知：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便 ,轴承均采用正装 .预设轴承寿命为 3 年即 12480h. 校核步骤及计算结果见下表: 表 9 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6007 A 端B 端精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用由手册查出

7、Cr、C0r 及 e、Y 值Cr=29kN C0r=19.2kN e=0.68 确定 X、Y 值X= 1 Y=0 查载荷系数 fP 1.2 计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa PA=4976.72 PB=5982.60 计算轴承寿命10179.13h 小于12480h 由计算结果可见轴承6007合格, .3 低速轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构几使用要求该轴设计成阶梯轴,共分八段 ,如图 6 所示: 图 6精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用考 虑 到 低 速 轴 的 载 荷 较

8、 大 ， 材 料 选 用45, 热 处 理 调 质 处 理 , 取 材 料 系 数所 以 , 有 该 轴 的 最 小 轴 径 为 : 考虑到该段开键槽的影响,轴径增大 6%,于是有 : 标准化取其他各段轴径、长度的设计计算依据和过程见下表: 表 10 低速轴结构尺寸设计阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第 1 段(考虑键槽影响 (由联轴器宽度尺寸确定 52.49 60(55.64 142 第 2 段(由唇形密封圈尺寸确定 64(63.84 50 第 3 段66 16第 4 段由轴承尺寸确定(轴承预选 6014C 70 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -

9、- - - -第 10 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用24 第 5 段78 75 第 6 段20 88 20 第 7 段齿宽+10 80(79.8 119 第 8 段70 24 二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化 (见图 7及受力计算图 7 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用L1=71.5 L2=119 由中间轴的受力分析知：三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便 ,轴承均采用正装 .预设轴承寿命为 3 年即 12480h. 校核步骤及计算结果见下表: 表 11 轴承寿命校核步

10、骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014 A 端B 端由手册查出 Cr、C0r及 e、Y 值Cr=98.5kN C0r=86.0kN e=0.68 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用计算比值 Fa/Fr FaA /FrA e 确定 X、Y 值XA=1 YA =0 查载荷系数 fP 1.2 计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa PA=5796.24 PB=6759.14 计算轴承寿命763399h 大于12480h 由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。四、

11、轴的强度校核经分析知 C、D 两处为可能的危险截面，现来校核这两处的强度：1）、合成弯矩精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用2）、扭矩 T 图3）、当量弯矩和化学处理 ( 如渗碳、渗氮、氮化等 ，以提高其强度 尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小时，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，多采用锻件。为节约金属和提高工艺性，直径大的

12、轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴 材料牌号热处理毛坯直径(mm 硬度HB 抗拉强度 b 屈服强度 s弯曲疲劳极限-1 扭转疲劳极限-1许用弯曲应力备注 +1 0 -1 Q235-A - - - 440 240 180 105 125 70 40 用于不重要或载荷不大的轴20 正火25 156 420 250 180 100 125 70 40 用于载荷不大，要求韧性较高的场合。正火回火100100300 300500 500700 103156 400 380 370 360 220 200 190 180 165 155 150 145 95 90 85 8

13、0 125 70 40 35 正火25 87 540 320 230 130 165 75 45 用于有一定强度要求和加工塑性要求的轴。正火回火100100300 300500 500750 7501000 149187 143187 137187 520 500 480 460 440 270 260 240 230 220 210 205 190 185 175 120 115 110 105 100 165 75 45 调质100100300 156207 560 540 300 280 230 220 130 125 175 85 50 45 正火25 241 610 360 260

14、150 195 95 55 应用最广泛。正火回火100100300 300500 500750 170217 162217 156217 600 580 560 540 300 290 280 270 240 235 225 215 140 135 130 125 195 95 55 调质200 217255 650 360 270 155 215 100 60 40Cr 调质25 1000 800 485 280 245 120 70 用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴。100241750 550 350 200 245 120 70 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归

15、纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用100300 300500 500800 286 229269 217255 700 650 600 500 450 350 320 295 255 185 170 145 35SiMn 42SiMn 调质25 900 750 445 255 245 120 70 性能接近 40Cr，用于中小型轴。100100300 300400 400500 229286 217269 217255 196255 800750700650 520450400380 355320295275 205185170160 245

16、120 70 40MnB 调质25 1000 800 485 280 245 120 70 性能同 40Cr，用于重要的轴。200 241286 750 500 335 195 245 120 70 40CrNi 调质25 1000 800 485 280 285 130 75 用于很重要的轴35CrMo 调质25 100 850 500 285 245 120 70 性能接近40CrNi，用于重载荷的轴。100100300 300500 500800 207269 750700650600 550500450400 350320295270 200185170155 245 120 70 3

17、8SiMnMo 调质100100300 300500 500800 229286 217269 196241 187241 750700650600 600550500400 360335310270 210195175155 275 120 70 性能接近于35CrMo。37SiMn2MoV 调质25 1000 850 495 285 275 120 70 用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。200269880 700650600 425395370 245230215 275 120 70 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，

18、共 22 页个人资料整理仅限学习使用200400 400600 302 241286 241269 830 780 38CrMoAlA 调质30 229 1000 850 495 285 275 125 75 用于要求耐磨、高强且热处理变形很小的(氮化轴20Cr 渗碳淬火回火15 60 表面HRC 5662 850650 550400 375280 215160 215 100 60 用于要求强度、韧性均较高的轴(如齿轮轴、蜗杆 20CrMnTi 渗碳淬火回火15 表面HRC 5662 1100 850 525 300 365 165 100 1Cr13 调质60 187217 600 420

19、 275 155 275 130 75 用于腐蚀条件下工作的轴。2Cr13 调质100 197248 660 450 295 170 275 130 75 1Cr18Ni9Ti 淬火6060180 100200 192 550540500 220200200 205195185 120185105 165 75 45 用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的轴。QT400-15 - - 156197 400 300 145 125 100 用于结构、形状复杂的轴QT450-10 - - 170207 450 330 160 140 110 QT500-7 - - 187255 500 380 180

20、 155 125 QT600-3 - - 197269 600 420 215 185 150 注：1. 表中所列疲劳极限数据，均按下式计算-10.27( b+s，-10.156( b+s。2. 其他性能，一般可取s(0.550.62 s，01.4 -1，01.5 -1。3. 球墨铸铁-10.36 b，-10.31 b。4. 许用静应力 +1= b/Sb，许用疲劳应力 -1 -1/S-1。5. 选用 -1 时，重要零件取小值，一般零件取大值。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用各种发动机曲轴

21、材料及热处理用 途材 料预备热处理最终热处理工艺硬度 HB ）工艺层深 mm ）硬度 HB ）轿车、轻型车拖拉机45 50Mn QT600-3 正火调质正火170228 217277 229302 感应淬火氮碳共渗： 570， 180min 油冷氮碳共渗： 560， 180min 油冷24.5 0.5 0.15563 500HV0.1650HV 载重车及拖拉机QT600-3 45 45 正火正火调质220260 163196 207241 感应淬火，自回火感应淬火，自回火感应淬火，自回火2.9 3.5 34.5 34658 5563 55重型载重车45 QT900-2 35CrMo 正火正火

22、+回火调质280321 216269 氮碳共渗感应淬火0.91.2 35 300HV10 5358 大马力柴油机QT600-3 35CrNi3Mo 35CrMo QT600-3 正火 +回火调质 + 稳定化处理调质正火 +回火240300 渗氮， 490 ， 60h 离子渗氮， 515， 40h 渗氮， 510， 120h 0.3 0.5 0.7 600HV 550HV 600HV各种凸轮轴材料及热处理工艺用 途材 料预备热处理最终热处理工艺硬度 HB ）工艺层深 mm ）硬度 与滚动轴承配合2 轻载荷或中等载荷，转速低3 精度要求不高4 稍有冲击载荷，交变载荷可以忽略不计45 调质处理220

23、250HB 1 调质后，保证主轴具有一定强度2 精度要求不高一般机床主轴1 与滚动轴承配合2 轻载荷或中等载荷，转速略高3 装配精度要求不太高4 冲击和交变载荷可以忽略不计45 调质后局部整体淬硬4247HRC 1 有足够的强度2 轴颈及配件装拆处得到需要的硬度3 简化热处理操作4 不承受较大冲击载荷龙门铣床，立式铣床小型立式车床等的主轴1 与滚动轴承配合2 轻载荷或中等载荷，转速低PV 150N m/(cm2 s 3 精度要求不很高4 冲击 ,交变载荷不大45 正火170217HB 1 正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性2 轴颈处有滑动摩擦，需要有较高的硬度C650 、C660、C84

24、80等大重型车床主轴调质220250HB 轴颈部分表面淬硬4853HRC 1 与滚动轴承配合2 承受中等，转速较高3 精度要求较高4 交变 ,冲击载荷较小40Cr(42MnVB 淬硬调质后局部淬硬4247HRC 或5257HRC1 为保证有足够的强度，选用40Cr 调质2 轴颈和配件装拆处得到需要的硬度3 若无冲击力，硬度要求取高值齿轮铣床，组合车床等的主轴1 与滚动轴承配合2 承受中等，转速较高3 精度要求较高4 交变 ,冲击载荷较小5 工作中受冲击载荷40Cr(42MnVB 调质220250HB 1 调质后主轴有较高的强度和韧性2 轴颈处得到需要的硬度铣床，龙门铣床，车床等的主轴轴颈部分表

25、面淬硬4853HRC 1 与滑动轴承配合2 承受中等载荷，转速较高PV400N m/(cm2 s 40Cr(42MnVB 调质处理220250HB 或250280HB 1 调质后主轴有较高的强度和韧性2 为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3 配件装拆部分有一定硬度车床主轴或磨床砂轮主轴 (80mm 以下 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用3 承受较高的交变和冲击载荷4 精度要求较高轴颈部分表面淬火5257HRC 装拆配件处表面淬硬4853HRC 1 与滑动轴承配合2 承受中等载荷，转速较PV4

26、00N m/(cm2 s 提高3 承受较高的交变和冲击载荷4 精度要求更高40Cr(42CrMn 调质处理表面硬度5661HRC 1 调质后主轴有较高的强度和韧性2 为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3 配件装拆部分有一定硬度磨床砂轮主轴轴颈部分表面淬火装拆配件处表面淬硬1 与滑动轴承配合2 承受中等载荷或重载荷PV400N m/(cm2 s 3 要求轴颈有更高的耐磨性4 精度要求较高5 承受较高的交变，但冲击载荷较小65Mn 调质250280HB 1 调质后有较高的强度2 表面淬硬后提高耐疲劳性能3 获得较高的硬度，提高耐磨性4 表面马氏体易粗大，冲击值低磨床砂轮主轴轴颈部分表面淬硬 59HRC

27、 装拆配件处表面淬硬5055HRC 1 与滑动轴承配合2 承受中等载荷或重载荷PV400N m/(cm2 s 3 要求轴颈有更高的耐磨性4 精度要求较高5 承受较高的交变，但冲击载荷较小6 表面硬度和显微组织要求更高GCr15 9Mn2V 调质250280HB 59HRC 1 获得高的表面硬度和良好的耐磨性能2 超精磨性好，粗糙度易降低较高精度的磨床主轴轴颈部分表面淬硬装拆配件处表面淬硬1 与滑动轴承配合2 受重载荷，转速很高3 精度要求极高，轴隙 0.003mm4 受很高的疲劳应力和冲击载荷38CrMoAlA 正火或调质250280HB 1 有很高的心部强度2 达到很高的表面硬度，不易磨损保

28、持精度稳定3 优良的耐疲劳性能4 畸变量小高精度磨床主轴，镗床主轴、坐标镗床等的主轴渗氮900HV 1 与滚动或滑动轴承配合，转速较低2 受轻载荷或中等载荷50Mn2 正火192241HB 对于大直径主轴，当热处理设备或技术有困难时，可用此材料重型机床主轴1 与滑动轴承配合2 受中等载荷心部强度不高，但转速很高3 精度要求不太高4 不大的冲击压力和较高的疲劳应力20Cr 20MnVB 20Mn2B 渗碳后淬硬表面硬度5663HRC 1 心部强度不高，受力易扭曲畸变2 表面硬度高，适用于高速低载荷主轴高精度精密车床，内圆磨床等的主轴1 与滑动轴承配合2 重载荷，高速运转20CrMnTi 12Cr

29、Ni3 渗碳后淬硬表面硬度5663HRC 1 很高的表面硬度冲击韧性和心部强度2 热处理畸变比20Cr 小转塔车床、齿轮磨床、精密丝杆车床、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用3 高的冲击力4 很高的交变载荷重型齿轮铣床等的主轴半轴常用材料及技术要求产品钢号预处理整体调质感应淬火渗碳淬火杆部 (HRC 法兰 (HRC 层深 (mm 硬度 (HRC 层深 (mm 硬度 (HRC 轿车和吉普40Cr 正火2832 2832 46 5055 - - 40MnB 正火4147 - - - - - 2

30、0CrMnTi 正火- - - - 1.5 1.8 5863 42CrMo 正火3741 2232 12 5055 - - 载重车40Cr 正火- - 36 4962 - - 12Cr2Ni4A 正火- - - - 1.2 1.6 5863 40MnB 正火 187241HB - - 47 5258 - - -40MnB 调质 229269HB - - 47 5263 重型车40CrMnMo 退火 255HB 3744 - - - - -40Cr 正火- - 710 5055 40CrNi 退火- - 810 5360 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 22 页