武漢理工大學機械設計考研課件8

1、 8 8 1 1 概概 述述 8 82 2 軸的結(jié)構設計軸的結(jié)構設計 8 83 3 軸的強度計算軸的強度計算 一一. .軸的功用：軸的功用：1.1.支承作回轉(zhuǎn)運動的零件（齒輪、蝸輪、帶輪、鏈輪等）；支承作回轉(zhuǎn)運動的零件（齒輪、蝸輪、帶輪、鏈輪等）；3.3.受彎矩，抵抗變形，保證受彎矩，抵抗變形，保證 軸上零件正常工作。軸上零件正常工作。2.2.傳遞運動和動力；傳遞運動和動力； 8 8 1 1 概概 述述本章主本章主要內(nèi)容要內(nèi)容1.1.軸的分類及材料選擇（保證軸的強度、剛度要求）；軸的分類及材料選擇（保證軸的強度、剛度要求）；2.2.軸的正確結(jié)構設計軸的正確結(jié)構設計（軸上零件定位準確、固定可靠、

2、（軸上零件定位準確、固定可靠、裝拆方便，軸加工工藝性好；裝拆方便，軸加工工藝性好；重點重點3.3.軸的強度計算；軸的強度計算；4.4.軸系設計實例分析。軸系設計實例分析。光光 軸軸階梯軸階梯軸空心軸空心軸曲軸曲軸直直軸軸按按軸軸的的形形狀狀二二. . 軸的分類軸的分類轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸既受彎矩，又受轉(zhuǎn)矩的軸，如齒輪減速既受彎矩，又受轉(zhuǎn)矩的軸，如齒輪減速 中裝齒輪的軸。中裝齒輪的軸。按軸工作按軸工作時受載情時受載情況況心軸心軸只受彎矩只受彎矩M的軸，如滑輪軸的軸，如滑輪軸、自行車前自行車前 輪軸輪軸傳動軸傳動軸只受扭矩只受扭矩T T，或少量彎矩（軸自重引，或少量彎矩（軸自重引 起）如汽車雙萬向聯(lián)軸器的中間

3、軸起）如汽車雙萬向聯(lián)軸器的中間軸 固定心軸固定心軸轉(zhuǎn)動心軸轉(zhuǎn)動心軸傳傳 動動 軸軸萬向聯(lián)軸器的中間軸萬向聯(lián)軸器的中間軸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 軸軸 特殊用途的軸特殊用途的軸如鋼絲軟軸如鋼絲軟軸接頭接頭驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置 鋼絲軟軸鋼絲軟軸（外層為護套）（外層為護套）動力源動力源設備設備設備設備接頭接頭二二. .軸的材料及選擇軸的材料及選擇 對軸材料要求對軸材料要求：軸的強度和剛度足夠；材料的熱處理性：軸的強度和剛度足夠；材料的熱處理性能和加工工藝性好；材料來源廣，價格適中。能和加工工藝性好；材料來源廣，價格適中。碳碳鋼鋼普通碳素鋼：普通碳素鋼：Q235,Q255-Q235,Q255-用于不重要，輕載的軸；用于不重要

4、，輕載的軸；優(yōu)質(zhì)碳素鋼：優(yōu)質(zhì)碳素鋼：3535，4040，4545號號- - 廉物廣，應用較廣泛；廉物廣，應用較廣泛；合合金金鋼鋼中碳合金鋼：中碳合金鋼：40cr40cr等等-強度高，價貴用于重要軸強度高，價貴用于重要軸低碳合金鋼：低碳合金鋼：20crMnTi-20crMnTi-表面滲碳淬火后，表面表面滲碳淬火后，表面硬度高硬度高 芯部韌性好，適用于沖擊載荷較大的場合。芯部韌性好，適用于沖擊載荷較大的場合。球墨鑄鐵球墨鑄鐵-宜用于制造形狀復雜的軸宜用于制造形狀復雜的軸軸軸常常用用材材料料滾動軸承滾動軸承齒輪齒輪滾動軸承滾動軸承鍵槽鍵槽半聯(lián)軸器半聯(lián)軸器軸頸軸頸軸身軸身軸頭軸頭軸頸軸頸軸身軸身軸頭軸

5、頭軸承蓋軸承蓋軸承蓋軸承蓋一一. . 軸系結(jié)構分析軸系結(jié)構分析 8 82 2 軸的結(jié)構設計軸的結(jié)構設計軸的結(jié)構設計目的軸的結(jié)構設計目的合理確定軸的外部形狀和全部尺寸合理確定軸的外部形狀和全部尺寸二二. .軸的結(jié)構設計應考慮的主要因素軸的結(jié)構設計應考慮的主要因素4.4.有利于提高軸的強度和剛度（軸的受有利于提高軸的強度和剛度（軸的受 力合理、應力集中）。力合理、應力集中）。3.3.良好的加工工藝性；良好的加工工藝性；2.2.便于軸上零件的裝拆和調(diào)整；便于軸上零件的裝拆和調(diào)整；1.1.保證軸上零件的定位和固定可靠；保證軸上零件的定位和固定可靠；一）零件軸向固定的目的一）零件軸向固定的目的三三. .

6、 零件軸向固定零件軸向固定防止零件沿軸向竄動，確保零件軸向準確位置。防止零件沿軸向竄動，確保零件軸向準確位置。特點：特點：定位可靠，能承受較大的軸向載荷，用于各類零件的軸定位可靠，能承受較大的軸向載荷，用于各類零件的軸 向定位和固定向定位和固定軸肩軸肩軸環(huán)軸環(huán)二）常用軸向固定二）常用軸向固定1.1.軸肩（或軸環(huán)）軸肩（或軸環(huán)）過渡圓角過渡圓角r r定位高度定位高度h h由由組成組成注意事項：注意事項：1 1）軸的過渡圓角半徑）軸的過渡圓角半徑r r 應小于軸上零件的倒角應小于軸上零件的倒角C C 或圓角或圓角半徑半徑R R；2 2）軸肩軸）軸肩軸 環(huán)高度環(huán)高度h h定位軸肩：定位軸肩：高度高度

7、hC(hC(或或R) ,R) ,通常取通常取h=(2h=(23)C3)C或或(2(2 3)R3)R或或h=0.07d+(2h=0.07d+(23) mm3) mm滾動軸承：滾動軸承： 按軸承型號查標準按軸承型號查標準非定位軸肩：非定位軸肩：為使零件裝拆方便，取為使零件裝拆方便，取h=(1h=(12)mm2)mm3 3）軸環(huán)寬度）軸環(huán)寬度b b b b 1.4h 10 mm1.4h 10 mmrRhdDhcrDdb 2 2套筒套筒-常用于兩個距離相近的零件之間，起定位荷常用于兩個距離相近的零件之間，起定位荷固定的作用。套筒與軸之間配合較松，不宜用于轉(zhuǎn)速較高的固定的作用。套筒與軸之間配合較松，不宜

8、用于轉(zhuǎn)速較高的軸上。軸上。套筒套筒注意：輪轂寬度注意：輪轂寬度B 軸頭長度軸頭長度l，取，取l = B -= B -（2 23 3）mmmmBl3 3軸端擋圈軸端擋圈-常與軸肩或錐面聯(lián)合使用，固定零件常與軸肩或錐面聯(lián)合使用，固定零件 穩(wěn)定可靠，能承受較大的軸向力：穩(wěn)定可靠，能承受較大的軸向力：注意：輪轂寬度注意：輪轂寬度B B 軸頭長度軸頭長度l ，取l = B- （23）mm軸肩軸肩B軸端擋圈軸端擋圈止動墊片止動墊片止動銷止動銷l止動墊片止動墊片止動銷止動銷軸端擋圈軸端擋圈螺釘螺釘螺釘螺釘4 4圓錐面圓錐面-裝拆方便，宜用于高速、重載及零件對中性裝拆方便，宜用于高速、重載及零件對中性 要求高

9、的場合。要求高的場合。錐面錐面軸端擋圈軸端擋圈螺釘螺釘止動墊片止動墊片5 5圓螺母與止動墊圈圓螺母與止動墊圈-固定可靠，可承受較大的軸固定可靠，可承受較大的軸 向力，但需切制螺紋和退刀槽，會削弱軸的強度。向力，但需切制螺紋和退刀槽，會削弱軸的強度。 注意：零件寬度注意：零件寬度B B 軸長度軸長度l ，取取l = B-（23）mmlB止動墊圈止動墊圈圓螺母圓螺母止動墊圈止動墊圈 6 6彈性擋圈彈性擋圈- -結(jié)構簡單，但在軸上需切槽，會引起結(jié)構簡單，但在軸上需切槽，會引起 應力集中，一般用于軸向力不大的零件的軸向固定。應力集中，一般用于軸向力不大的零件的軸向固定。彈性擋圈彈性擋圈Bl注意：零件寬

10、度注意：零件寬度B B 軸長度軸長度l ，取取l = B-（23）mm7 7緊定螺釘緊定螺釘-結(jié)構簡單，可兼作周向固定，傳遞不大的結(jié)構簡單，可兼作周向固定，傳遞不大的 力或力矩，不宜用于高速。力或力矩，不宜用于高速。緊定螺釘緊定螺釘三三. . 軸的結(jié)構工藝性軸的結(jié)構工藝性便于加工、測量、維修及軸上零件的拆裝便于加工、測量、維修及軸上零件的拆裝一）軸的加工工藝性要求一）軸的加工工藝性要求 1. 不同軸段的鍵槽，應布置軸的同一母線上不同軸段的鍵槽，應布置軸的同一母線上，以減少鍵槽加工，以減少鍵槽加工 時的裝卡次數(shù)；時的裝卡次數(shù)；a. 正確結(jié)構正確結(jié)構b.不正確結(jié)構不正確結(jié)構2. 需磨制軸段時，應留

11、需磨制軸段時，應留砂輪越程槽砂輪越程槽；需車制螺紋的軸段，應；需車制螺紋的軸段，應 留留螺紋退刀槽螺紋退刀槽。砂輪越程槽砂輪越程槽螺紋退刀槽螺紋退刀槽3. 相近直徑軸段的過渡圓角、鍵槽、越程槽、退刀槽尺寸盡相近直徑軸段的過渡圓角、鍵槽、越程槽、退刀槽尺寸盡 量統(tǒng)一量統(tǒng)一.0.8二）軸上零件裝配工藝性要求二）軸上零件裝配工藝性要求與零件過盈配合的軸端應加工出與零件過盈配合的軸端應加工出導向錐面導向錐面。a）倒角）倒角b）導向錐面）導向錐面軸的配合直徑應圓整為標準值軸的配合直徑應圓整為標準值軸端應有軸端應有cX45的的倒角倒角五五. 提高軸強度、剛度的措施提高軸強度、剛度的措施一）合理布置軸上零件

12、，改善軸的受力情況一）合理布置軸上零件，改善軸的受力情況1. 使彎矩分布合理使彎矩分布合理把軸、轂配合分成兩段，減小最大彎把軸、轂配合分成兩段，減小最大彎 矩值。矩值。不合理結(jié)構不合理結(jié)構合理結(jié)構合理結(jié)構FF2.使轉(zhuǎn)矩合理分配使轉(zhuǎn)矩合理分配不合理的布置不合理的布置合理布置合理布置輸出輪輸出輪輸入輪輸入輪T1T3T4T2T1T2T3T4輸出輪輸出輪輸出輪輸出輪輸入輪輸入輪1Tmax= T2 + T3 + T4Tmax= T3 + T43. 改進軸上零件結(jié)構減輕軸的載荷改進軸上零件結(jié)構減輕軸的載荷卷筒軸既受彎又受扭卷筒軸既受彎又受扭卷筒軸只受彎矩卷筒軸只受彎矩卷筒卷筒螺栓卷筒卷筒齒輪齒輪軸承軸承軸

13、承軸承齒輪齒輪齒輪齒輪齒輪齒輪二）減小軸的應力集中二）減小軸的應力集中軸的剖面變化處、軸轂配合面的邊緣鍵槽軸的剖面變化處、軸轂配合面的邊緣鍵槽 根部等會產(chǎn)生應力集中。根部等會產(chǎn)生應力集中。 b）過盈配合處的應力集中）過盈配合處的應力集中 軸的應力集中軸的應力集中發(fā)生的位置發(fā)生的位置a a）截面尺寸變化處）截面尺寸變化處 的應力集中的應力集中b b）過盈配合處的應力集中）過盈配合處的應力集中c c）小孔處的應力集中）小孔處的應力集中a）截面尺寸變化處的應力集中）截面尺寸變化處的應力集中c）小孔處的應力集中）小孔處的應力集中減小力集減小力集中的措施中的措施當過渡圓角半徑受限制時用凹切圓角、過渡肩環(huán)

14、當過渡圓角半徑受限制時用凹切圓角、過渡肩環(huán)對于過盈配合的軸段，在軸上或輪轂上開減載槽對于過盈配合的軸段，在軸上或輪轂上開減載槽凹切圓角凹切圓角過渡肩環(huán)過渡肩環(huán)減載槽減載槽 83 軸的強度計算軸的強度計算 一.按扭轉(zhuǎn)強度計算適用于傳動軸、轉(zhuǎn)軸初算1095503TTTTWnPWT扭轉(zhuǎn)強度條件：扭轉(zhuǎn)強度條件：T軸的扭剪應力軸的扭剪應力（MPa）；軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（Nmm）；）；TWT 軸的抗扭剖面系數(shù)（軸的抗扭剖面系數(shù)（mm3），），對于實心圓軸對于實心圓軸，3330516dddWT.2P軸傳遞的功率（軸傳遞的功率（KW）； 軸的許用扭剪應力（軸的許用扭剪應力（MPa）；）；式中：式中：對

15、于實心圓軸對于實心圓軸： mmnpCnPdTca3331095505C與軸的材料有關的系數(shù)，查表與軸的材料有關的系數(shù)，查表12-2。計算說明：計算說明：1）求得的）求得的d為受扭部分的最小直徑，通常為軸端；為受扭部分的最小直徑，通常為軸端；2）該軸段有鍵槽適當加大直徑，單鍵槽增大）該軸段有鍵槽適當加大直徑，單鍵槽增大5%。雙鍵槽增大雙鍵槽增大10%，將所計算的直徑圓整為標準值即：，將所計算的直徑圓整為標準值即：cacadd)10. 105. 1 (單鍵槽單鍵槽雙鍵槽雙鍵槽設計計算式：設計計算式：滿足軸強度要求）；滿足軸強度要求）；(ddcamin徑要求；徑要求；滿足該段軸上零件的孔滿足該段軸上

16、零件的孔D).(d2180與與電電機機相相聯(lián)聯(lián)；或或者者根根據(jù)據(jù)經(jīng)經(jīng)驗驗估估算算，如如 3）軸的最?。┹S的最小 直徑直徑dmin 應根據(jù)應根據(jù)W W軸的抗彎剖面系數(shù)（軸的抗彎剖面系數(shù)（mmmm3 3） bbcaWM轉(zhuǎn)動心軸：轉(zhuǎn)動心軸：=-1=-1 b b = = -1-1 M M不變：不變： b b= = +1 b+1 b M M變化：變化： b b = = 0 b0 b b b 許用彎應力許用彎應力彎曲強度條件：彎曲強度條件：對于實心圓軸，對于實心圓軸，W WT T= = d d3 3/32/32 d d3 3/10/10查表查表12 - 112 - 1固定心軸固定心軸二二 按彎曲強度計算按

17、彎曲強度計算用于心軸強度計算 材材 料料熱熱處處理理毛坯毛坯直徑直徑/mm硬度硬度/HBS主主 要要 機機 械械 性性 能能類類別別牌號牌號強度強度極限極限b屈服屈服極限極限S彎曲彎曲疲勞疲勞極限極限-1剪切剪切疲勞疲勞極限極限-1=1許用彎許用彎應力應力 +1b=0許用彎許用彎應力應力 0b=-1許用彎許用彎應力應力 -1b表表8-1 軸的常用材料及主要機械性能軸的常用材料及主要機械性能24511869碳碳素素鋼鋼45正正火火 1001702176003002751401969354調(diào)調(diào)質(zhì)質(zhì) 2002172556503603001552169859合合金金鋼鋼40Cr調(diào)調(diào)質(zhì)質(zhì) 100100

18、300241 286750550350200241 2867005503401856503603001552169859碳碳素素鋼鋼45 200217255調(diào)調(diào)質(zhì)質(zhì)b=600 Mpa，s=360 Mpa，-1=300 Mpa，-1 =155 Mpa +1b=216 Mpa， 0b=98 Mpa， -1b=59 Mpa如：如：45鋼調(diào)鋼調(diào)質(zhì)，查得：質(zhì)，查得：三三 按彎、扭合成強度計算按彎、扭合成強度計算 用于轉(zhuǎn)軸強度計算用于轉(zhuǎn)軸強度計算強度計算的前提條件：強度計算的前提條件：軸的結(jié)構設計初步完成，支點力點位置軸的結(jié)構設計初步完成，支點力點位置 確定，支反力可求。確定，支反力可求。轉(zhuǎn)軸危險截面轉(zhuǎn)軸危險截面上的應力狀態(tài)上的應力狀態(tài)彎彎 應應 力：力：3101dWMb扭剪應力扭剪應力：351dWTTT轉(zhuǎn)軸危險截面上的應力：轉(zhuǎn)軸危險截面上的應力： WTMWTWMTTbca22222244 稱為計算彎矩或稱為當量彎矩稱為計算彎矩或稱為當量彎矩 22TM考慮考慮M、T兩者產(chǎn)生的應力循環(huán)特性兩者產(chǎn)生的應力循環(huán)特性和和不同，通常不同，通常=1，而一般，而一般1，考慮兩者差異的影響，考慮兩者差異的影響，becaWMWTM122軸彎、扭合成強度條件為：軸彎、扭合成強度條件為：WMWT