机械设计基础之机械设计－第3章：轴2009.ppt

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1、第三章第三章E轴的功用与分类轴的功用与分类E轴的设计步骤轴的设计步骤E轴的材料及其选择轴的材料及其选择E轴的结构设计轴的结构设计E轴的计算轴的计算重点及难点重点及难点轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算校核轴的强度计算校核基本要求基本要求了解转轴、心轴和传动轴的载荷特点了解转轴、心轴和传动轴的载荷特点掌握轴的结构设计方法及相关注意事项掌握轴的结构设计方法及相关注意事项掌握轴的三种强度计算方法掌握轴的三种强度计算方法了解轴的刚度计算方法了解轴的刚度计算方法本章要求及重点难点本章要求及重点难点1、轴的功用与分类、轴的功用与分类支承旋转零件并传递运动和动力支承旋转零件并传递运动和动力轴向轴向/周向定

2、位轴上零件周向定位轴上零件轴轴,持轮也。持轮也。说文说文服重任服重任,行远道行远道,正直而固者正直而固者,轴也。轴也。列女传列女传母仪母仪功用功用轴轴1、轴的功用与分类、轴的功用与分类v心轴：心轴：主要承受弯矩主要承受弯矩v传动轴：传动轴：主要承受转矩主要承受转矩v转轴：转轴：既承受弯矩，又承受转矩既承受弯矩，又承受转矩分类（分类（1 1）载荷性质载荷性质直轴（光轴、阶梯轴）直轴（光轴、阶梯轴）曲轴曲轴软轴（挠性轴）软轴（挠性轴）1、轴的功用与分类、轴的功用与分类分类（分类（2 2）轴线形状轴线形状空心轴空心轴实心轴实心轴1、轴的功用与分类、轴的功用与分类分类（分类（3 3）截面形状截面形状4

3、 4、结构问题结构问题 确定轴的形状和尺寸确定轴的形状和尺寸2、轴的设计步骤轴的设计步骤主要问题主要问题轴的工作能力设计轴的工作能力设计1 1、强度问题强度问题 防止轴发生疲劳断裂防止轴发生疲劳断裂2 2、刚度问题刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形防止轴发生过大的弹性变形3 3、振动稳定性问题振动稳定性问题 防止轴发生共振防止轴发生共振轴的结构设计轴的结构设计1.1.拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案2.2.估算轴的最小直径估算轴的最小直径minmin3.3.确定各段直径及长度确定各段直径及长度4.4.确定轴的结构要素确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计

4、算其它计算8.8.刚度计算刚度计算9.9.振动稳定性计算振动稳定性计算(临界转速临界转速)5.5.许用切应力法许用切应力法(扭转强度扭转强度)6.6.许用弯曲应力法许用弯曲应力法(弯扭合成强度弯扭合成强度 )7.7.安全系数计算法：疲劳强度计算、安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算静强度计算2、轴的设计步骤、轴的设计步骤基本步骤基本步骤材料选择材料选择三边：三边：边计算、边画图、边修改边计算、边画图、边修改2、轴的设计步骤、轴的设计步骤基本特点基本特点三与：三与：估算与精算、计算与画图、估算与精算、计算与画图、轴的设计与轴上零件的设计轴的设计与轴上零件的设计3、轴的材料及其选择、轴的材料及

5、其选择2.2.球墨铸铁球墨铸铁QT500-5QT500-5、QT600-2QT600-21.1.钢钢碳素钢碳素钢 ：优质碳素钢：优质碳素钢:35:35、50 50、45 45 轴钢轴钢 普通碳素钢普通碳素钢Q235Q235、Q255Q255、Q275Q275合金钢合金钢：20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40Cr40Cr、35SiMn35SiMn、35CrMo35CrMo廉价、应廉价、应力集中敏力集中敏度小度小强度高、强度高、耐磨性好耐磨性好成形性好、成形性好、吸振性高吸振性高参照教材参照教材p184-185p184-185表表26-226-2轴颈轴颈轴头轴头轴身轴身轴头轴头

6、轴身轴身轴颈轴颈4、轴的结构设计、轴的结构设计v轴身轴身：连接轴颈与连接轴颈与轴头部分轴头部分v轴肩轴肩：轴的直径变轴的直径变化所形成的阶梯处化所形成的阶梯处v轴头轴头：轴：轴和回转零件和回转零件的的配合部配合部v轴颈轴颈：轴和：轴和轴承的配合部轴承的配合部结构组成结构组成4、轴的结构设计、轴的结构设计结构例结构例4、轴的结构设计、轴的结构设计v在初步估算轴径的基础上，根据轴的在初步估算轴径的基础上，根据轴的具体使用状况，确定轴的合理外形和具体使用状况，确定轴的合理外形和全部结构尺寸（长度、直径）全部结构尺寸（长度、直径）内容与要求内容与要求v满足强度、刚度的要求满足强度、刚度的要求v满足工艺

7、性要求：满足工艺性要求：（1）易加工；易加工；（2）应力集中少；）应力集中少；（3）轴上零件准确定位；）轴上零件准确定位；（4）易）易装拆和调整；装拆和调整；（5）轴的受力状态好。）轴的受力状态好。内容内容要求要求4、轴的结构设计、轴的结构设计步骤步骤1 11.1.拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案2.2.估算最小轴径估算最小轴径3.3.确定各段尺寸确定各段尺寸4.4.确定轴的结构要素确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择易装拆易调整易装拆易调整4、轴的结构设计、轴的结构设计步骤步骤1 1改善轴的受力状态改善轴的受力状态4、轴的结

8、构设计、轴的结构设计步骤步骤2 21.1.拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案2.2.估算最小轴径估算最小轴径3.3.确定各段尺寸确定各段尺寸4.4.确定轴的结构要素确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择根据已知轴上近似载荷（取根据已知轴上近似载荷（取决于功率和转速），初步估决于功率和转速），初步估算基本轴径或根据经验确定算基本轴径或根据经验确定轴的某个径向尺寸轴的某个径向尺寸4、轴的结构设计、轴的结构设计步骤步骤2 2估算轴径时，因轴承等位置尚未确定，估算轴径时，因轴承等位置尚未确定，弯矩未知，故只能考虑扭矩。弯矩未知，故只能考虑

9、扭矩。T WWT T抗扭截面模量（系数），参照教材抗扭截面模量（系数），参照教材p425p425附录附录A A表表A-7A-7；P P传递的功率传递的功率(kwkw)；n n轴的转速轴的转速(r/min)(r/min)；d d最小轴径最小轴径(mm)(mm)；C C材料相关系数材料相关系数教材教材p189p189表表(26-3)(26-3)轴上有单键，直径增大轴上有单键，直径增大3-4%3-4%；有双键；有双键,直径增大直径增大7-10%7-10%扭剪应力扭剪应力设计公式设计公式4、轴的结构设计、轴的结构设计步骤步骤3 31.1.拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案2.2.估算最小轴径估算

10、最小轴径3.3.确定各段尺寸确定各段尺寸4.4.确定轴的结构要素确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择4、轴的结构设计、轴的结构设计步骤步骤3 3根据轴上零件根据轴上零件受力情况及安装受力情况及安装固定对轴表面的固定对轴表面的要求，由外向内要求，由外向内确定各段直径确定各段直径 根据轴上零件根据轴上零件的位置、配合长的位置、配合长度、支承结构和度、支承结构和形式，由内向外形式，由内向外确定各段长度确定各段长度定定定定定定60 68 70 7270808270k672H7/r660H7/k62112296.520696.5键键201102

11、0110键键18100181004、轴的结构设计、轴的结构设计步骤步骤4 41.1.拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案2.2.估算最小轴径估算最小轴径3.3.确定各段尺寸确定各段尺寸4.4.确定轴的结构要素确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择v满足强度、刚度的要求满足强度、刚度的要求v满足工艺性要求：满足工艺性要求：（1 1）易加工；易加工；（2 2）应力集中少；）应力集中少；（3 3）轴上零件准确定位；）轴上零件准确定位；（4 4）易）易装拆和调整；装拆和调整；（5 5）轴的受力状态好）轴的受力状态好综合考虑！综合考虑！（1

12、1）制造工艺性要求制造工艺性要求v轴应有良好的制造工艺，便于加工轴应有良好的制造工艺，便于加工v加工方法不同，轴的结构也可能不同加工方法不同，轴的结构也可能不同v键槽应位于同一母线上；螺纹退刀槽；砂轮越程槽键槽应位于同一母线上；螺纹退刀槽；砂轮越程槽阶梯轴阶梯轴 光轴光轴 等强度轴等强度轴 车削车削 倒角倒角 磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 （2 2）装拆要求装拆要求v阶梯轴轴端应设计阶梯轴轴端应设计4545 倒角倒角v键槽应置于轴与轮毂先接触的直径变化处键槽应置于轴与轮毂先接触的直径变化处v过盈配合采用锥面直径过渡过盈配合采用锥面直径过渡v合理设计非定位轴肩，减少不必要的配合面合理设计非定位

13、轴肩，减少不必要的配合面v轴承定位轴肩轴承定位轴肩(或套筒或套筒)不能过高不能过高(以便拆卸以便拆卸)v轴肩圆角轮毂孔圆角轴肩圆角轮毂孔圆角(倒角倒角)v轴上零件要易于装拆、调整轴上零件要易于装拆、调整v不同的装拆方案，得到不同结构不同的装拆方案，得到不同结构v轴的直径应圆整成标准值轴的直径应圆整成标准值hrRrR（3 3）定位和固定要求定位和固定要求v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v定位：定位：零件有准确的工作位置零件有准确的工作位置v固定：固定：零件在轴上的位置牢固可靠零件在轴上的位置牢固可靠周向定位和固定周向定位和固定常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：

14、v键、花键、紧定螺钉、过盈配合等键、花键、紧定螺钉、过盈配合等v防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩轴向定位和固定轴向定位和固定常用的轴向定位和固定方法：常用的轴向定位和固定方法：v轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈等轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈等v轴头长度轴头长度 轮毂的轴向长度轮毂的轴向长度v定位轴肩高度一般取定位轴肩高度一般取3 36mm6mmv防止轴上零件工作时发生轴向蹿动防止轴上零件工作时发生轴向蹿动（4 4）尽量减少应力集中尽量减少应力集中,改善轴的受力状态改善轴的受力状态v轴肩处要有过渡圆角轴肩处要有过渡圆角v相邻轴径的变化不宜太大相邻轴径的变化

15、不宜太大v改善零件位置及结构改善零件位置及结构,以改善轴的受力状态以改善轴的受力状态4、轴的结构设计、轴的结构设计找错练习找错练习v 轴承没定位轴承没定位v 轴向定位不确定轴向定位不确定v 轴承用错或装错轴承用错或装错v 无调整垫片无调整垫片v 端盖端面无凹坑加工量大端盖端面无凹坑加工量大v 无定位轴肩无定位轴肩v 端盖无密封端盖无密封v 键槽太长键槽太长v无非定位轴肩无非定位轴肩v套筒太高套筒太高5、轴的强度计算、轴的强度计算v在完成轴的结在完成轴的结构设计后，针对构设计后，针对不同情况，采用不同情况，采用不同强度校核计不同强度校核计算方法对结构进算方法对结构进行验证。行验证。内容内容轴的结

16、构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择5、轴的强度计算、轴的强度计算方法方法1 1轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择5.5.许用切应力法许用切应力法(扭转强度扭转强度)6.6.许用弯曲应力法许用弯曲应力法(弯扭合成强度弯扭合成强度 )7.7.安全系数计算法：疲劳强度计算、安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算静强度计算T适用情况：适用情况：(1)(1)轴只传递转矩，不承受弯矩轴只传递转矩，不承受弯矩（或很小的弯矩）（或很小的弯矩）(2)(2)弯矩未知，按扭距作初步计算弯矩未知，按扭距作初步计算5、轴的强度计算、

17、轴的强度计算方法方法1 1T WWT T抗扭截面模量（系数），参照教材抗扭截面模量（系数），参照教材p425p425附录附录A A表表A-7A-7；P P传递的功率传递的功率(kwkw)；n n轴的转速轴的转速(r/min)(r/min)；d d最小轴径最小轴径(mm)(mm)；T T、C C材料相关系数材料相关系数教材教材p189p189表表(26-3)(26-3)轴上有单键，直径增大轴上有单键，直径增大3-4%3-4%；有双键；有双键,直径增大直径增大7-10%7-10%扭剪应力扭剪应力设计公式设计公式 5、轴的强度计算、轴的强度计算方法方法2 2轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强

18、度计算其它计算其它计算材料选择材料选择5.5.许用切应力法许用切应力法(扭转强度扭转强度)6.6.许用弯曲应力法许用弯曲应力法(弯扭合弯扭合成强度成强度 )7.7.安全系数计算法：疲劳强度计算、安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算静强度计算T适用情况：适用情况：(1)(1)一般精度情况的轴计算一般精度情况的轴计算(2)(2)支撑点、载荷均已知支撑点、载荷均已知F5、轴的强度计算、轴的强度计算步骤：步骤：v绘制受力计算简图绘制受力计算简图v计算所有力引起的弯矩计算所有力引起的弯矩v合成弯矩合成弯矩M Mv计算扭矩计算扭矩v合成当量弯矩合成当量弯矩M Mv强度条件：强度条件：为扭为扭-弯应力性

19、质折合（校正）系数弯应力性质折合（校正）系数含义：将扭剪应力的循环特性转换含义：将扭剪应力的循环特性转换 成与弯曲应力的循环特性一致成与弯曲应力的循环特性一致方法方法2 2恒定转矩恒定转矩循环转矩循环转矩脉动转矩脉动转矩许用弯曲应力参照教材许用弯曲应力参照教材p190p190表表26-426-4WW：抗弯截面模量，参照：抗弯截面模量，参照教材教材p425p425附录附录A A表表A-7A-7 v对只承受弯矩的心轴对只承受弯矩的心轴v对转动心轴：对转动心轴：v对不转动心轴：对不转动心轴：v设计校核公式设计校核公式危险截面的确定：危险截面的确定：承受当量弯矩最大的截面承受当量弯矩最大的截面承受当量

20、弯矩较大且几何尺寸较小的截面承受当量弯矩较大且几何尺寸较小的截面2 23 3个截面个截面5、轴的强度计算、轴的强度计算方法方法2 25、轴的强度计算、轴的强度计算方法方法3 3轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择5.5.许用切应力法许用切应力法(扭转强度扭转强度)6.6.许用弯曲应力法许用弯曲应力法(弯扭合成强度弯扭合成强度 )7.7.安全系数计算法：疲劳强度计算、安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算静强度计算T适用情况：适用情况：(1)(1)针对重要轴的精确计算针对重要轴的精确计算(2)(2)同时考虑应力集中等多种因素同时考虑应力集中等多种因素

21、F5、轴的强度计算、轴的强度计算方法方法3 3S S S 2+S 2S=KN-1S =k a+mKN-1S =k a+mK KN N：寿命系数：寿命系数-1-1,-1-1：对称循环应力时材料弯曲和扭转疲劳强度：对称循环应力时材料弯曲和扭转疲劳强度k k，k k：弯曲与扭转时应力集中系数，教材：弯曲与扭转时应力集中系数，教材p424p424表表A-4,5A-4,5：表面质量系数，教材：表面质量系数，教材p422p422、423423表表A-1,2,3A-1,2,3 ，：尺寸系数，教材：尺寸系数，教材p424p424表表A-6A-6S S教材教材192表表26-5疲劳强度精确计算疲劳强度精确计算5、轴的强度计算、轴的强度计算方法方法3 3静强度精确计算静强度精确计算见教材见教材p1921936、轴的其它计算、轴的其它计算轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算材料选择材料选择TF8.8.刚度计算刚度计算9.9.振动稳定性计算振动稳定性计算(临界转速临界转速)扭转刚度计算扭转刚度计算v扭角条件：扭角条件：弯曲刚度计算弯曲刚度计算v挠度条件：挠度条件：v倾角条件：倾角条件：刚度计算刚度计算6、轴的其它计算、轴的其它计算7、轴的设计与计算、轴的设计与计算教材教材p198-200作业：教材作业：教材p201 习题习题26-7