机械设计基础轴.ppt

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1、15-1 轴的概述轴的概述15-2 轴的结构设计轴的结构设计15-3 轴的计算轴的计算第十五章第十五章 轴轴15-4 轴的设计实例轴的设计实例2概述概述一、一、轴的功用轴的功用二、轴的分类二、轴的分类按承载情况分按承载情况分转轴转轴n支承旋转零件支承旋转零件n传递运动和力传递运动和力带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机同时承受弯矩和扭矩同时承受弯矩和扭矩3一、一、一、一、轴的功用轴的功用轴的功用轴的功用概述概述二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类按承载情况分按承载情况分转轴转轴n支承传动零件支承传动零件n传递运动和力传递运动和力心轴心轴固定心轴固定心轴只承受弯矩只承受弯矩前

2、轮轮毂前轮轮毂固定心轴固定心轴前叉前叉自行车自行车前轮轴前轮轴4一、一、一、一、轴的功用轴的功用轴的功用轴的功用概述概述二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类按承载情况分按承载情况分转轴转轴n支承传动零件支承传动零件n传递运动和力传递运动和力心轴心轴固定心轴固定心轴 转动心轴转动心轴只承受弯矩只承受弯矩火车轮轴火车轮轴转动心轴转动心轴5一、一、一、一、轴的功用轴的功用轴的功用轴的功用概述概述二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类按承载情况分按承载情况分转轴转轴n支承传动零件支承传动零件n传递运动和力传递运动和力心轴心轴固定心轴固定心轴转动心轴转动心轴传动轴传动轴发动机发动机

3、后桥后桥只承受扭矩只承受扭矩6一、一、一、一、轴的功用轴的功用轴的功用轴的功用概述概述二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类按承载情况分按承载情况分转轴转轴n支承传动零件支承传动零件n传递运动和力传递运动和力心轴心轴固定心轴固定心轴转动心轴转动心轴传动轴传动轴按轴线形状分按轴线形状分直轴直轴7一、一、一、一、轴的功用轴的功用轴的功用轴的功用概述概述二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类按承载情况分按承载情况分转轴转轴n支承传动零件支承传动零件n传递运动和力传递运动和力心轴心轴固定心轴固定心轴转动心轴转动心轴传动轴传动轴按轴线形状分按轴线形状分直轴直轴曲轴曲轴8一、一、一、一

4、、轴的功用轴的功用轴的功用轴的功用概述概述二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类二、轴的分类按承载情况分按承载情况分转轴转轴n支承传动零件支承传动零件n传递运动和力传递运动和力心轴心轴固定心轴固定心轴转动心轴转动心轴传动轴传动轴按轴线形状分按轴线形状分直轴直轴曲轴曲轴钢丝软轴（挠性轴）钢丝软轴（挠性轴）9n转轴：同时承受弯矩和扭矩转轴：同时承受弯矩和扭矩n心轴：只受弯矩，不受扭矩心轴：只受弯矩，不受扭矩w固定心轴固定心轴w转动心轴转动心轴n传动轴：主要受扭矩，不受弯矩或弯矩很小传动轴：主要受扭矩，不受弯矩或弯矩很小概述概述载荷载荷运转情况运转情况应力状态应力状态转轴转轴弯曲弯曲扭转扭转单向单向弯

5、曲：对称弯曲：对称 扭转：脉动扭转：脉动双向双向弯曲：对称弯曲：对称 扭转：对称扭转：对称心轴心轴弯曲弯曲固定固定静应力或脉动静应力或脉动转动转动对称对称传动轴传动轴 扭转扭转单向单向脉动脉动双向双向对称对称各种轴的受力各种轴的受力10q内容内容n工作能力的设计工作能力的设计w强度强度-保证安全使用保证安全使用w刚度刚度-保证工作精度保证工作精度w振动稳定性振动稳定性-保证高速轴正常工作保证高速轴正常工作n结构设计结构设计特点特点n边计算、边画图、边修改边计算、边画图、边修改-“三边三边”设计方法设计方法概述概述三、轴设计的内容、特点三、轴设计的内容、特点11选择材料选择材料初算轴径初算轴径结

6、构设计结构设计强度、刚度计算强度、刚度计算确定轴的结构尺寸、绘图确定轴的结构尺寸、绘图NY四、轴的设计步骤四、轴的设计步骤概述概述12一般用途的轴一般用途的轴：优质中碳钢优质中碳钢-30、40、45、50次要的轴次要的轴：Q235、Q255、Q275重要的轴重要的轴：合金钢合金钢n耐磨性要求高：耐磨性要求高：12CrNi、20Cr、20CrMnTi等低碳等低碳合金钢，轴颈渗碳淬火合金钢，轴颈渗碳淬火n高速重载：高速重载：40Cr、40CrNi、35CrMo等合金钢，表等合金钢，表面淬火、调质面淬火、调质形状复杂的轴形状复杂的轴：QT600、ZG45注意：注意：200以下的碳钢、以下的碳钢、合金

7、钢合金钢E值相差不大值相差不大概述概述五、轴的材料五、轴的材料13轴的结构设计轴的结构设计一、轴的结构设计的内容与要求一、轴的结构设计的内容与要求 内容内容：确定轴的外形和全部结构尺寸：确定轴的外形和全部结构尺寸要求要求：n轴和轴上零件要有准确的定位轴和轴上零件要有准确的定位n轴上零件应便于装拆和调整轴上零件应便于装拆和调整n轴应具有良好的制造工艺性轴应具有良好的制造工艺性n结构上要有利于提高轴的强度、刚度，尽量减少结构上要有利于提高轴的强度、刚度，尽量减少应力集中应力集中n有利于节省材料、减轻重量有利于节省材料、减轻重量14轴的结构设计轴的结构设计典型轴系结构典型轴系结构齿轮齿轮轴承盖轴承盖

8、轴端挡圈轴端挡圈套筒套筒滚动轴承滚动轴承联轴器联轴器15轴的结构设计轴的结构设计拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案轴上零件的定位轴上零件的定位各段轴直径和长度的确定各段轴直径和长度的确定提高轴的强度和刚度的措施提高轴的强度和刚度的措施轴的结构工艺性轴的结构工艺性二、轴的结构设计二、轴的结构设计16轴的结构设计（一）（一）拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案17轴的结构设计18轴肩或轴环轴肩或轴环套筒套筒弹性挡圈弹性挡圈圆螺母加止动垫圈、双圆螺母圆螺母加止动垫圈、双圆螺母紧定螺钉、锁紧挡圈、销钉紧定螺钉、锁紧挡圈、销钉轴端挡圈轴端挡圈圆锥面圆锥面（二）（二）轴上零件的定位轴上零件的定位

9、-轴向定位轴向定位轴的结构设计轴的结构设计19轴的结构设计轴的结构设计1）轴肩、轴环轴肩、轴环轴肩轴肩轴环轴环20结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力特点特点轴的结构设计21轴肩的尺寸要求轴肩的尺寸要求:r C 或或 r RDdrRDdCr或或h(0.070.1)dCDdrDdrRb（与滚动轴承相配合处的（与滚动轴承相配合处的h和和b值，见轴承标准）值，见轴承标准）一般，定位轴肩：一般，定位轴肩：h(35）mm非定位轴肩：非定位轴肩：h(0.51)mm轴环宽度：轴环宽度：b 1.4hhh轴的结构设计轴的结构设计22轴的结构设计轴的结构设计2）套筒套筒23特点结构简单结构简单,定位可靠定位可靠,

10、用于零件间距用于零件间距较小场合较小场合,轴转速较高时不易选用轴转速较高时不易选用轴的结构设计24特点特点结构简单结构简单,只能承受很小的轴向力只能承受很小的轴向力轴的结构设计轴的结构设计3）弹性挡圈）弹性挡圈25固定可靠固定可靠,装拆方便装拆方便,可承受较大轴向力可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较但螺纹对轴削弱较大大.4）圆螺母加止动垫片）圆螺母加止动垫片轴的结构设计轴的结构设计265）双圆螺母双圆螺母轴的结构设计轴的结构设计27适用于轴向力很小适用于轴向力很小,转速很低或转速很低或为防止零件偶然沿轴向滑动的为防止零件偶然沿轴向滑动的场合场合,亦可用于周向固定亦可用于周向固定6）紧定螺钉）紧

11、定螺钉 锁紧挡圈锁紧挡圈轴的结构设计轴的结构设计28轴的结构设计29适用于固定轴端零件适用于固定轴端零件特点特点7）轴端挡圈）轴端挡圈轴的结构设计轴的结构设计30轴的结构设计31 能消除轴与轮毂间的径向间能消除轴与轮毂间的径向间隙隙,装拆较方便装拆较方便,对中性好对中性好,可兼可兼作周向固定作周向固定,但加工较困难但加工较困难8）圆锥面圆锥面轴的结构设计轴的结构设计32键键花键花键销销过盈联接过盈联接成型联接成型联接（二）（二）轴上零件的定位轴上零件的定位-周向定位周向定位轴的结构设计轴的结构设计33特点特点装拆方便，互换性好，但对轴强度有削弱装拆方便，互换性好，但对轴强度有削弱轴的结构设计轴

12、的结构设计1）键键34特点特点精度要求较高，定心性好，精度要求较高，定心性好，拆装方便，但制造需用专用拆装方便，但制造需用专用设备和工具。设备和工具。2）花键花键轴的结构设计轴的结构设计35圆柱销圆柱销圆锥销圆锥销只能传递较小扭矩只能传递较小扭矩,互换性好互换性好,拆装方便拆装方便,但对轴强度削弱较大但对轴强度削弱较大.3）销销轴的结构设计轴的结构设计36轴的结构设计轴的结构设计37q有配合要求的轴段注意配合零件的要求，尽量采用有配合要求的轴段注意配合零件的要求，尽量采用标准直径标准直径；q与标准件配合的轴段采用相应的标准值，例如：滚动轴承、联轴与标准件配合的轴段采用相应的标准值，例如：滚动轴

13、承、联轴器、密封装置，应满足器、密封装置，应满足装配尺寸要求装配尺寸要求。q非标准轴段：非标准轴段：定位轴肩定位轴肩 h(35)mm非定位轴肩非定位轴肩 h(0.51)mm（三）（三）各轴段直径的确定各轴段直径的确定轴的结构设计轴的结构设计38便于装拆便于装拆q轴上零件安装时，所经过轴上各段直径应小于安装轴上零件安装时，所经过轴上各段直径应小于安装零件轮毂直径，以零件轮毂直径，以便于装拆便于装拆。q滚动轴承定位轴肩高度必须低于内圈端面高度，以滚动轴承定位轴肩高度必须低于内圈端面高度，以便于拆卸，具体尺寸由标准查出。便于拆卸，具体尺寸由标准查出。39便于装拆便于装拆40主要根据：主要根据：w轴上

14、零件的轴向尺寸轴上零件的轴向尺寸w相邻零件之间的距离相邻零件之间的距离w轴上零件的装拆和轴轴上零件的装拆和轴向固定向固定一般一般:轮毂长度轮毂长度L=(1.52)d毂比轴长毂比轴长23mm（四）（四）各轴段长度的确定各轴段长度的确定轴的结构设计轴的结构设计Ld23mm41轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，须留出砂轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，须留出砂轮越程槽、退刀槽；轮越程槽、退刀槽；（五）轴的结构工艺性（五）轴的结构工艺性轴的结构设计轴的结构设计 轴端应制出轴端应制出45的倒角；的倒角；砂轮越程槽砂轮越程槽退刀槽退刀槽45 42n 一根轴上的圆角尽可能统一，退刀槽、越程槽、倒角一

15、根轴上的圆角尽可能统一，退刀槽、越程槽、倒角尽量取同样尺寸；尽量取同样尺寸；n 不同轴段的键槽寛度尽可能一致，并布置在同一母线上；不同轴段的键槽寛度尽可能一致，并布置在同一母线上；轴的结构设计轴的结构设计n 轴段的阶梯数量要尽可能少。轴段的阶梯数量要尽可能少。43Tmax=T1Tmax=T2T3T2T1T2T1T3合理合理不合理不合理 轴的结构设计轴的结构设计（六）提高轴的强度和刚度的措施（六）提高轴的强度和刚度的措施1.合理布置传动零件位置，以减小轴上载荷合理布置传动零件位置，以减小轴上载荷输入输入T1输出输出T2输出输出T3输入输入T1输出输出T3输出输出T244轴的结构设计轴的结构设计2

16、.改进轴上零件结构，以减小轴上载荷改进轴上零件结构，以减小轴上载荷QQ合理合理不合理不合理 45轴的结构设计轴的结构设计合理合理不合理不合理463.改进轴的结构以减小应力集中改进轴的结构以减小应力集中1)轴结构要尽量避免突然变化，轴结构要尽量避免突然变化，增大过渡圆角半径，可采用增大过渡圆角半径，可采用 轴的结构设计轴的结构设计r内凹圆角内凹圆角隔离环隔离环472)轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘会产生较大的应力轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘会产生较大的应力集中，为了减小应力集中，可在轴或毂上开卸荷槽，集中，为了减小应力集中，可在轴或毂上开卸荷槽，或加大配合部分直径。或加大配合部分直径。轴的结构

17、设计轴的结构设计483)盘铣刀比端铣刀加工的键槽在过渡处产生的应盘铣刀比端铣刀加工的键槽在过渡处产生的应力集中小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的力集中小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，设计时要适当考虑。应力集中小，设计时要适当考虑。轴的结构设计轴的结构设计端铣刀端铣刀盘铣刀盘铣刀4.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度1)表面强化处理，方法有：表面高頻淬火等热处理；表面强化处理，方法有：表面高頻淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；辗压、噴表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；辗压、噴丸等强化处理；丸等强化处理；2)合理减小轴的表面及圆角处的加

18、工粗糙度值。合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。49 轴的计算轴的计算按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算n传动轴传动轴n初估转轴直径初估转轴直径-结构设计结构设计-校核校核n次要的转轴估算，再降低许用应力次要的转轴估算，再降低许用应力按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算安全系数法校核计算安全系数法校核计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算二、轴的刚度校核计算二、轴的刚度校核计算50-设计公式设计公式1 1.按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算 轴的计算轴的计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算轴的扭转

19、强度条件为：轴的扭转强度条件为：为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径有一个键槽有一个键槽有两个键槽有两个键槽轴径轴径d100mm轴径增大轴径增大3%轴径增大轴径增大7%轴径轴径d100mm轴径增大轴径增大5%7%轴径增大轴径增大10%15%查表查表15-351作出轴的计算简图（即力学模型），求支承反力作出轴的计算简图（即力学模型），求支承反力2.按弯扭合成强度条件计算按弯扭合成强度条件计算 轴的计算轴的计算1)轴的载荷简化轴的载荷简化将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；宽度的中点；轴毂采

20、用过盈配合时，由于轴的弹性变形，载轴毂采用过盈配合时，由于轴的弹性变形，载荷分布要向轴的两端集中；荷分布要向轴的两端集中；作用在轴上的扭矩从传动件轮毂宽度中点算起；作用在轴上的扭矩从传动件轮毂宽度中点算起；忽略轴上零件的自重及轴承中的摩擦力。忽略轴上零件的自重及轴承中的摩擦力。52 轴的计算轴的计算FFFlaa=(0.20.3)l将轴上的分布载荷简化为集中将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；力，作用在轮毂宽度的中点；轴毂采用过盈配合时，由于轴的弹性轴毂采用过盈配合时，由于轴的弹性变形，载荷分布要向轴的两端集中；变形，载荷分布要向轴的两端集中；532)轴的支承简化轴的支承简化 轴

21、的计算轴的计算lee与轴承的宽与轴承的宽径比有关径比有关54轴的计算FtFaFtFrFH2FH1MHFrFaMV1BACDFV2MHFV1FV1MV2M1M2MVTTFV1FV1FH1FV2FH2M=水平面受力图水平面受力图水平面弯矩图水平面弯矩图垂直面受力图垂直面受力图垂直面弯矩图垂直面弯矩图合成弯矩图合成弯矩图扭矩图扭矩图TT作出轴的计算简图作出轴的计算简图 画出垂直面受力画出垂直面受力图及弯矩图图及弯矩图MV画出水平面受力画出水平面受力图及弯矩图图及弯矩图MH画出合成弯矩图画出合成弯矩图M画出扭矩图画出扭矩图T56校核轴的强度校核轴的强度 轴的计算轴的计算扭转切应力扭转切应力静应力静应力

22、脉动循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力对称循环变应力弯曲应力为对弯曲应力为对称循环变应力称循环变应力 0.3 0.=1 为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。式中式中-1为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表表15-1）；）；57 1变形量的描述：变形量的描述：挠度挠度 y、转角、转角 、扭角、扭角 设计要求：设计要求：y y 2lTTl 二、轴的刚度校核计算二、轴的刚度校核计算 轴的计算轴的计算yFFF”58y过大过大,则则:n齿轮轴：偏载，破坏齿轮啮合齿轮轴：偏载，破坏齿轮啮合

23、n机床主轴：加工误差增大机床主轴：加工误差增大n电机轴：改变转子、定子间间隙，性能降低电机轴：改变转子、定子间间隙，性能降低 过大，则：过大，则：n滚动轴承：内外圈偏斜，寿命降低滚动轴承：内外圈偏斜，寿命降低n滑动轴承：边缘接触滑动轴承：边缘接触 过大，则：过大，则：n凸轮轴：改变内燃机配气时间凸轮轴：改变内燃机配气时间过大变形对零件的影响过大变形对零件的影响 轴的计算轴的计算59一、一、轴结构设计问题专题轴结构设计问题专题 轴系结构分析例题轴系结构分析例题u 各段配合直径直应符合标准尺寸各段配合直径直应符合标准尺寸(GB2822(GB282281)81)，而与滚，而与滚动轴承、联轴器、油封等

24、标准件配合的轴径动轴承、联轴器、油封等标准件配合的轴径(如图中轴的如图中轴的 段段)，应符合标准件的内径系列。，应符合标准件的内径系列。60 轴系结构分析例题轴系结构分析例题u 注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的(如图中如图中轴的轴的 段、段、段、段、段段)，这种台阶过低，定位作用，这种台阶过低，定位作用差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度A A(23)C(23)C或或R R(C(C、R R分别为零件倒角和圆角半径尺寸分别为零件倒角和圆角半径尺寸)。另一种台阶是为了装。另一种台阶是为了装配容易通过

25、配容易通过(如图中轴的如图中轴的、)这种台阶高度很小，这种台阶高度很小，一般在直径方向上只差一般在直径方向上只差l3mml3mm即可。即可。61 轴系结构分析例题轴系结构分析例题u 与轴上零件与轴上零件(如齿轮如齿轮)相配合的轴段长度相配合的轴段长度L L，要比轴上零件的，要比轴上零件的宽度尺寸宽度尺寸B B短短23mm(23mm(见图）见图）u 轴的过渡圆角半径轴的过渡圆角半径r要比相配合的零件的倒角要比相配合的零件的倒角c或圆角半径或圆角半径R小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。u 为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心

26、孔为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心孔尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上。尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上。62 轴系结构分析例题轴系结构分析例题二、二、轴设计中常见错误轴设计中常见错误 1轴上零件的定位和固定方面轴上零件的定位和固定方面3124需要轴向定位的需要轴向定位的零件没有轴向定零件没有轴向定位措施位措施轴头没有比与之配轴头没有比与之配合的轮毂短合的轮毂短键的尺寸或位置不合理，超出了键的尺寸或位置不合理，超出了轮毂长度，使其他零件无法安装轮毂长度，使其他零件无法安装到位到位轴头处没有键轴头处没有键联接（周向定联接（周向定位）位）6

27、3 轴系结构分析例题轴系结构分析例题 2轴上零件装拆方便方面轴上零件装拆方便方面3加工工艺性方面加工工艺性方面一根轴上有两处键联接，而键槽不在轴的同一母线上一根轴上有两处键联接，而键槽不在轴的同一母线上1(I)轴肩高度轴肩高度或套简厚度或套简厚度过大，超过过大，超过轴承内圈高轴承内圈高度使轴承拆度使轴承拆卸困难卸困难2(2)轴承处没有工艺轴肩，使轴承装轴承处没有工艺轴肩，使轴承装拆路线过长，装拆困难拆路线过长，装拆困难3(3)轴头处键的位置轴头处键的位置没有靠近轮毂装入端，没有靠近轮毂装入端，使得轮毂装入困难使得轮毂装入困难64 轴系结构分析例题轴系结构分析例题结构分析题：指出下图中轴系的结构

28、错误，并改正结构分析题：指出下图中轴系的结构错误，并改正1234567(7)(7)轴上轴上有两个有两个键，但键，但两个键两个键槽不在槽不在同一母同一母线上线上(6)6)因因轴肩轴肩过高，过高，两个两个轴承轴承拆卸拆卸困难困难(4)4)齿轮上齿轮上的键槽没的键槽没打通，既打通，既无法加工无法加工也无法装也无法装配配。(3)3)齿齿轮两轮两侧都侧都是轴是轴环，环，无法无法安装安装到位到位(5)(5)右轴承右轴承的右侧轴上的右侧轴上应有工艺轴应有工艺轴肩，轴承装肩，轴承装拆路线长拆路线长(精加工面精加工面长长)，装拆，装拆困难困难(2)2)轴与轴与右端盖右端盖之间不之间不能接触，能接触，应有间应有间隙，并隙，并有密封有密封措施措施(1)(1)轴右轴右端的带轮端的带轮不能通过不能通过套筒利用套筒利用轴承端盖轴承端盖轴向定位，轴向定位，转动零件转动零件与固定零与固定零件不能接件不能接触触65 轴系结构分析例题轴系结构分析例题66 轴系结构分析例题轴系结构分析例题试分析下图所示轴系结构中的错误，并加以改进。试分析下图所示轴系结构中的错误，并加以改进。图中齿轮图中齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。用油润滑，轴承用脂润滑。67 轴系结构分析例题轴系结构分析例题