机械设计基础第14章轴.ppt

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1、第第14章章 轴轴 14-1 轴的分类轴的分类14-2 轴的常用材料轴的常用材料14-3 轴的结构设计及其制造工艺轴的结构设计及其制造工艺湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 本本 章章 概概 要要 (1)(1)轴的分类。轴的分类。(2)(2)轴的常用材料及选用时应考虑的因素。轴的常用材料及选用时应考虑的因素。(3)(3)轴结构设计的目的及要求。轴结构设计的目的及要求。(4)(4)轴的强度和刚度计算方法。轴的强度和刚度计算方法。湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 14-1 轴的分类轴的分类 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮

2、、凸轮等。类类型型按承受载荷分按承受载荷分 分类：分类：按轴的形状分有按轴的形状分有 传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩发动机发动机后桥后桥传动轴传动轴湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云14-1 轴的分类轴的分类 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴传递扭矩又承受弯矩。传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有按轴的形状分有 带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机转轴转轴传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 14-1

3、轴的分类轴的分类 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等，并传递运动和动力。链轮、凸轮等，并传递运动和动力。类类型型转轴转轴传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有按轴的形状分有 传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 14-1 轴的分类轴的分类 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按

4、承受载荷分有按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有按轴的形状分有 传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云本章只研究直轴14-1 轴的分类轴的分类 功用：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型转轴转轴传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有按承受载荷分有 分类：分类：按轴的形状分有按轴的形状分有传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴曲轴曲轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴设计任务：设计任务：选材、结

5、构设计、强度和刚度设计、确选材、结构设计、强度和刚度设计、确 定尺寸等定尺寸等湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 种种类类碳素钢碳素钢 35、45、50、Q235轴的毛坯轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。14-2 轴的常用材料轴的常用材料 合金钢合金钢 20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等等用途：用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是多，尤其是4545钢应用最广钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有但价格较

6、贵，多用于有特殊要求的轴。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。正火或调质处理。轴的常用材料及其主要性能见表轴的常用材料及其主要性能见表14-1材料选择材料选择:考虑强度、刚度及耐磨性，热处理方法，考虑强度、刚度及耐磨性，热处理方法，加工工艺要求，材料的来源及价格加工工艺要求，材料的来源及价格湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计任务：设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。14-3 轴的结构设计及其制造工艺轴的结构设计及其制造工艺设计要求：

7、设计要求：1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；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；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；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。改善应力状况，减小应力集中。轴端挡圈轴端挡圈 带轮带轮轴承盖轴承盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承设计：潘存云典型典型轴系轴系结构结构湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，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。车螺纹的轴端应有退刀

8、槽。设计：潘存云 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐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。渐向中间增大的阶梯状。零件的安装次序一、轴的结构设计一、轴的结构设计倒角倒角取值见P1191、制造安装要求、制造安装要求湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云零件的零件的轴向定位轴向定位由轴肩或套筒来实现。由轴肩或套筒来实现。2、轴上零件的定位、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：潘存云轴肩轴肩阶梯轴上截面变化之处。阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。轴肩套筒套筒1212湖南科技大学

9、专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云轴向固定轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。3、轴上零件的固定、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。双向固定双向固定湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云无法采用套筒或套筒太长时，可采用无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母双圆螺母加以固定加以固定轴肩的尺寸要求轴肩的尺寸要求:r C1 或或 r Rb1.4h(与滚动轴

10、承相配合处的与滚动轴承相配合处的h和和b值值,见轴承标准见轴承标准)DdrR轴端挡圈轴端挡圈双圆螺母双圆螺母DdC1rh(0.07d+3)(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈轴端挡圈固定。固定。C1Ddr取值见P119DdrRhhb湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云轴向力较小时，轴向力较小时，可采用弹性挡圈或紧定螺钉来实现。可采用弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。式来实现。为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且

11、尽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键槽应设计成同一加工直线湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云TTTTTQ方案方案b 4、改善轴的受力状况，减小应力集中、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。输出输出输出输出 输入输入Tmax=T1+T2Tmax=T1A.改善受力状况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+T2

12、T1T1+T2T2合理合理不合理不合理 TTQ方案方案 a输出输出输出输出输入输入FtFt湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云Rdd/430 B.减小应力集中减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。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处应力集中出现在截面突然发生变化处措施：措施：a.用圆角过渡；用圆角过渡；b.尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;c.重要结构可增加卸载槽重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、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

13、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过渡肩环r凹切圆角凹切圆角B卸载槽卸载槽 也可以在轮毂上增加卸载槽B位置d/4湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 二二 轴的工作能力计算轴的工作能力计算可简单讲解，课程设计再学可简单讲解，课程设计再学 1、按扭转强度计算按扭转强度计算 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。对于只传递扭矩的圆截面轴，强度条件为对于只传递扭矩的圆截面轴，强度条件为 设计公式为设计公式为 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。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。计算结果为计算结果为 最小直径！最小

14、直径！解释各符号的意义及单位轴的材料轴的材料 A3,20 35 45 40Cr,35SiMn(N/mm)1220 2030 3040 4052C 160135 135118 118107 10792表表14-2 常用材料的常用材料的值和值和C值值注注:当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,C取较小值取较小值;否则取较大值否则取较大值应圆整为应圆整为 标准直径！标准直径！湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云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

15、分析。因因b和和的循环特性不同，的循环特性不同，折合后得折合后得2、按弯扭合成强度计算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。强度条件为强度条件为 l1l弯曲应力弯曲应力 扭切应力扭切应力 代入得代入得 W抗弯截面系数；抗弯截面系数；WT 抗扭截面系数；抗扭截面系数；-折合系数折合系数Me-当量弯矩当量弯矩湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 折合系数取值折合系数取值 =0.3 转矩不变；转矩不变；0.6 脉动变化；脉动变化；1 频繁正反转。频繁正反转。设计公式设计公式 材材 料料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500

16、170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表表14-3 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸钢铸钢脉动循环状态下的脉动循环状态下的许用弯曲应力许用弯曲应力湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 折合系数取值折合系数取值 =0.3 转矩不变；转矩不变；0.6 脉动变化；脉动变化；1 频繁正反转。频繁正反转。设计公式设计公式 材材 料料 b +1b 0b -1b 400 130 70 40 500

17、 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30表表14-3 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸钢铸钢对称循环状态下的对称循环状态下的许用弯曲应力许用弯曲应力湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：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。求垂直面支撑反将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力力FV和水平面支撑反力和水平面支撑反力

18、FH;2.作垂直弯矩作垂直弯矩MV图和弯矩图和弯矩MH图图;3.作合成弯矩作合成弯矩M图；图；4.作转矩作转矩T图；图；5.弯扭合成，作当量弯矩弯扭合成，作当量弯矩Me图；图；6.计算危险截面轴径计算危险截面轴径:1.若危险截面上有键槽，则应加大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；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，且相差若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相差 不大，一般以结构设计的轴径为准。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

19、于重要的轴，还必须用安全系数法作精确校核计算。说明：说明：湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云lFFF”12三三 轴的刚度计算轴的刚度计算解释何为刚度弯矩弯矩 弯曲变形弯曲变形扭矩扭矩 扭转变形扭转变形若刚度不够导致轴的变形过大，就会影响其正常工作。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 复习材料力学相关内容。yTTl y 可查表可查表14-3 湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云四四 轴的临界转速轴的临界转速复习材料力学相关内容。回转件的重心与几何轴线不可能精确重合回转件的重心与几何轴线不可

20、能精确重合,其偏差将产其偏差将产生离心力，引起轴的弯曲振动，当其频率与轴的弯曲生离心力，引起轴的弯曲振动，当其频率与轴的弯曲自振频率相同时，引起弯曲共振。自振频率相同时，引起弯曲共振。当轴由于传递的功率有周期性变化时，引起轴的扭转当轴由于传递的功率有周期性变化时，引起轴的扭转振动，当其频率与轴的扭转自振频率相同时，引起共振动，当其频率与轴的扭转自振频率相同时，引起共振现象。振现象。轴在引起共振时的转速称为临界转速。轴在引起共振时的转速称为临界转速。为避免共振，需要计算临界转速，使其工作转速为避免共振，需要计算临界转速，使其工作转速 避开临界转速。避开临界转速。对高速轴对高速轴 一般计算一阶临界

21、转速，必要时才计算高阶临界转速一般计算一阶临界转速，必要时才计算高阶临界转速。湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 设计：潘存云设计：潘存云五五 轴的制造工艺轴的制造工艺 图图14-18。P232。加工工艺，注意粗精加工顺序，热处理等加工工艺，注意粗精加工顺序，热处理等湖南科技大学专用 作者：潘存云教授 轴设计计算结构设计类型及其应用轴上零件定位轴上零件固定加工装配工艺改善受力扭转强度弯扭合成强度扭转刚度弯曲强度振动计算本章小结本章小结重点：轴的结构设计；轴的强度计算重点：轴的结构设计；轴的强度计算难点：针对轴上安装的不同零件，正确设计轴的结构。难点：针对轴上安装的不同零件，正确设计轴的结构。作业：作业：14-1、14-2论语14湖南科技大学专用 作者：潘存云教授