軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算PPT課件

1、3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)l軸的結(jié)構(gòu)分析 軸主要由軸頸、 軸頭、 軸身三部分組成(如下圖)。 軸上被支承的部分為軸頸，如圖中， 段； 安裝輪轂的部分稱做軸頭，如圖中，段； 聯(lián)接軸頸和軸頭的部分稱做軸身，如圖中，段。 第1頁/共51頁l軸徑向尺寸的確定 為了便于軸上零件的裝拆，常將軸做成階梯形，它的直徑從軸端逐漸向中間增大。齒輪、 套筒、左端滾動(dòng)軸承、軸承端蓋和聯(lián)軸器可按順序從左端裝拆，右端軸承從右端裝拆。因而，為了便于裝拆齒輪，軸段的直徑應(yīng)比軸段略大一些；為了便于左端滾動(dòng)軸承的裝拆，軸段的直徑應(yīng)比軸段略大一些。其中軸段， ， ， 的徑向尺寸必須符合軸承、 聯(lián)軸器和密封圈內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)系列和技術(shù)要

2、求（相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊）。 3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第2頁/共51頁l軸徑向尺寸的確定 齒輪用軸環(huán)和套筒作軸向固定，用平鍵作圓周方向的固定。為使套筒能頂住齒輪，應(yīng)使軸段的長度l4小于齒輪輪轂寬度b。裝在軸段上的滾動(dòng)軸承， 用套筒和軸承蓋固定其軸向位置。裝在軸段上的滾動(dòng)軸承用軸肩和軸承蓋固定其軸向位置。軸承內(nèi)圈在圓周方向上的固定是靠內(nèi)圈與軸之間的配合實(shí)現(xiàn)的。 3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第3頁/共51頁l軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 軸應(yīng)便于加工，具有良好的工藝性； 軸上零件位置合理并易于拆裝和調(diào)整； 軸上零件的軸向、周向定位準(zhǔn)確，固定可靠； 盡量減少應(yīng)力集中，有利于提高軸的強(qiáng)度和剛度。3.2.5

3、.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第4頁/共51頁(1)便于軸上零件的裝 軸的結(jié)構(gòu)外形主要取決于軸在箱體上的安裝位置及形式，軸上零件的布置和固定方式，受力情況和加工工藝等。為了便于軸上零件的裝拆，將軸制成階梯軸，中間直徑最大，向兩端逐漸直徑減小。近似為等強(qiáng)度軸。3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第5頁/共51頁(2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定軸向定位的固定(a)軸肩或軸環(huán) 為保證軸上零件緊靠定位面，軸肩和軸環(huán)的的圓角半徑R必須小于相配零件的倒角C1或圓角R1。軸肩高度h必須大于R1，一般h=(0.07d+3)(0.1d+5)mm或h(23)C1。軸環(huán)的寬度b=1.4h。安裝滾動(dòng)軸承處軸肩的圓角半徑和高度查閱軸

4、承安裝標(biāo)準(zhǔn)來確定。非定位軸肩可取h1.52mm。3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第6頁/共51頁3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第7頁/共51頁(2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定軸向定位的固定(b)套筒和圓螺母 當(dāng)軸上零件距離較近時(shí)采用套筒作相對 固定。套筒定位可簡化軸的結(jié)構(gòu)，減少軸徑的變化，減少軸的應(yīng)力集中。 當(dāng)套筒太長時(shí)，可采用圓螺母作軸向固定。此時(shí)須在軸上加工螺紋，將會引起較大的應(yīng)力集中，軸段橫截面面積減小，影響軸的疲勞壽命。3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第8頁/共51頁圓螺母定位(2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定軸向定位的固定(b)套筒和圓螺母 止動(dòng)墊圈固定3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第

5、9頁/共51頁(2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定軸向定位的固定(c)彈性擋圈和緊定螺釘 這兩種固定方法結(jié)構(gòu)簡單，只能承受較小的軸向力，或用于僅僅為了防止零件偶然軸向移動(dòng)的場合 。3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第10頁/共51頁彈性擋圈固定 (2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定 軸向定位的固定 (c)彈性擋圈和緊定螺釘 緊定螺釘固定 3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第11頁/共51頁(2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定軸向定位的固定(d)軸端擋圈、圓錐面 軸端擋圈與軸肩、圓錐面聯(lián)合使用，常用于軸端起到雙向固定，錐面配合能保證較高的同軸度。裝拆方便，多用于軸上零件與軸段同軸度要求較高或軸承受劇烈

6、振動(dòng)和沖擊的場合。 用套筒、螺母和軸端擋圈作軸向固定時(shí)，軸上零件的軸段長度應(yīng)比零件的輪轂長度短23mm，以保證壓緊零件，防止串動(dòng)。3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第12頁/共51頁 軸端壓板 (2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定軸向定位的固定(d)軸端擋圈圓錐面 3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第13頁/共51頁軸上零件的軸向定位和固定方法3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第14頁/共51頁3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第15頁/共51頁3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第16頁/共51頁(2)保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定周向定位與固定圖3-2-59 零件在軸上周向固定的形式 零件在軸上作周向固定是為了傳遞轉(zhuǎn)

7、矩和防止零件與軸產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。常用的方式有鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接，成形聯(lián)接及過盈配合聯(lián)接。緊定螺釘也可起周向固定作用。3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第17頁/共51頁（3）軸的加工和裝配工藝性好 軸的形狀要力求簡單，階梯數(shù)應(yīng)盡可能少。 軸頸、軸頭的直徑應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值。直徑的大小由與之相配合的零件的內(nèi)孔決定。 為了便于軸上零件的裝配，軸端應(yīng)加工出45倒角，與零件過盈配合時(shí)，軸的裝入端常需加工出導(dǎo)向圓錐面。 軸身尺寸應(yīng)取以mm為單位的整數(shù)，最好取為偶數(shù)或5的整數(shù)倍。 軸上各段的鍵槽、圓角半徑、倒角、中心孔等尺寸應(yīng)盡可能統(tǒng)一，以利于加工和檢驗(yàn)。 軸上沿長度方向開有幾個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)將鍵槽安排在軸的同一母線上

8、。 軸上需磨削的軸段應(yīng)設(shè)計(jì)出砂輪越程槽，需車制螺紋的軸段應(yīng)有退刀槽。圖3-2-60 砂輪越程槽及螺紋退刀槽3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第18頁/共51頁鍵槽的布置 3060 r63.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第19頁/共51頁（4）改善軸的結(jié)構(gòu)、受力情況，減少應(yīng)力集中，改善表面質(zhì)量 軸大多在變應(yīng)力下工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)改善軸的受力狀況或改善軸的結(jié)構(gòu)，以減少應(yīng)力集中。 軸截面尺寸變化處會造成應(yīng)力集中，所以對于階梯軸，相鄰兩段軸徑變化不宜過大，一般在5l0mm左右；在軸徑變化處應(yīng)平緩過渡，制成圓角，圓角半徑盡可能取大些。 3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第20頁/共51頁改變軸上零件的布置，有時(shí)可以減小軸

9、上的載荷。 輸入T1+T2T1T2T1T2輸入3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第21頁/共51頁改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)也可以減小軸上的載荷。 圖13.12 卷筒的輪轂結(jié)構(gòu)MmaxMmax3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第22頁/共51頁盡量避免各軸段剖面突然改變而引起的局部應(yīng)力集中，提高軸的疲勞強(qiáng)度。 rba)減載槽b)中間環(huán)r30c)凹切圓角3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第23頁/共51頁 過盈配合時(shí)軸的結(jié)構(gòu)形式(a) 增大配合處軸徑； (b) 軸上開減載槽； (c) 轂端開減載槽(a)(b)(c)dd1d1ddabcr 當(dāng)軸上零件與軸為過盈配合時(shí)， 可采用下圖結(jié)構(gòu)形式以減少軸配合邊緣處的應(yīng)力集中。3.2

10、.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第24頁/共51頁（4）改善軸的結(jié)構(gòu)、受力情況，減少應(yīng)力集中，改善表面質(zhì)量 采用定位套筒代替圓螺母和彈性擋圈使零件軸向固定，可避免在軸上制出螺紋、環(huán)形槽等，能有效地提高軸的疲勞強(qiáng)度。 軸的表面質(zhì)量對軸的疲勞強(qiáng)度影響很大。因軸工作時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在軸的表面處，另一方面，由于加工等原因，軸表而易產(chǎn)生微小裂紋，引起應(yīng)力集中，因此軸的破壞常從表面開始。減小軸的表面粗糙度，或采用滲碳、高頻淬火等方式進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，均可以顯著提軸的疲勞強(qiáng)度。3.2.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第25頁/共51頁 軸的設(shè)計(jì)要求： 在一般情況下設(shè)計(jì)軸時(shí)，只需考慮強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。 但對某些旋轉(zhuǎn)精度要求較高的

11、軸，還需保證有足夠的剛度。另外，對高速旋轉(zhuǎn)的軸， 還需進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性方面的計(jì)算。 軸的設(shè)計(jì)一般按照以下步驟進(jìn)行： 合理地選擇軸的材料； 初估軸的直徑， 進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 對軸進(jìn)行強(qiáng)度、 剛度及振動(dòng)方面的校核計(jì)算； 繪出軸的零件工作圖。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第26頁/共51頁l軸的強(qiáng)度計(jì)算 1. 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算：對于傳動(dòng)軸可只按扭矩計(jì)算軸的直徑；對于轉(zhuǎn)軸，常用此法估算最小直徑，然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用彎扭合成強(qiáng)度校核。圓軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件為 639.55 10/ 0.2TTTTP nMPaWd(3-1) 式中：T軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（MPa）； T軸傳遞的扭矩（Nmm）； WT軸的抗扭截面

12、系數(shù)（mm3）； P軸傳遞的功率（kW）； n軸的轉(zhuǎn)速（rmin）。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第27頁/共51頁由上式可得到軸的設(shè)計(jì)公式 mmnPAnPdT336 2 . 01055. 9(3-2) 式中：A計(jì)算常數(shù)，與軸的材料和T值有關(guān)，可按表3-3確定。 表3-3 軸常用材料的T和A值 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第28頁/共51頁 由式3-2求出的d值，一般作為軸的最小直徑。若軸段上有鍵槽，應(yīng)把算的直徑增大，單鍵增大3%，雙鍵增大7%，然后圓整到標(biāo)準(zhǔn)值 。（見表3-2-5） 各軸段的長度根據(jù)安裝零件與軸配合部分的軸向尺寸確定，并應(yīng)考慮保證軸上零件軸向定位的可靠： 與齒輪、聯(lián)軸器等

13、相配合部分的軸長，一般應(yīng)比輪轂的長度短2-3mm； 軸頸的長度取決于滾動(dòng)軸承的寬度尺寸； 軸上轉(zhuǎn)動(dòng)零件之間或轉(zhuǎn)動(dòng)件與箱殼內(nèi)壁之間應(yīng)留有適當(dāng)間隙，一般取1015 mm，以防運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相碰； 裝有緊固件(如螺母、擋圈等)的軸段，其長度應(yīng)保證裝拆或調(diào)整緊固件時(shí)，有一定扳手空間，通常取1520 mm。3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第29頁/共51頁 2. 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步完成后，通常要對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度校核。 對于鋼制軸可按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，強(qiáng)度條件為 ：2213()0.1eebMTMWd(3-3) 式中：e當(dāng)量應(yīng)力(Nmm2)； Me當(dāng)量彎矩(Nmm)，； M危險(xiǎn)截面上的合成彎矩

14、， ，MH、MV分別為水平面上、垂直面上的彎矩； 22)( TMMe)(22mmNMMMVHe3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第30頁/共51頁 W軸的抗彎截面系數(shù)（mm3），對圓截面軸W0.1d3，d為危險(xiǎn)剖面直徑； 折合系數(shù)。對于不變的轉(zhuǎn)矩，0.3；對于脈動(dòng)循轉(zhuǎn)矩，0.6；對于對稱循環(huán)轉(zhuǎn)矩，1。對于頻繁正反轉(zhuǎn)的軸， 可視為對稱循環(huán)交變應(yīng)力；若扭矩變化規(guī)律不清，一般也按脈動(dòng)循環(huán)處理。 111bb6 . 001bb3 . 011bb（3-4） 扭矩對稱循環(huán)變化 扭矩脈動(dòng)循環(huán)變化 不變的扭矩3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第31頁/共51頁 表3-4中的1b，0b，+1b分別為對稱循環(huán)、 脈動(dòng)循環(huán)及

15、靜應(yīng)力狀態(tài)下材料的許用彎曲應(yīng)力，供設(shè)計(jì)時(shí)選用。 當(dāng)危險(xiǎn)截面有鍵槽時(shí)，應(yīng)將軸徑的計(jì)算值增大47。當(dāng)計(jì)算只承受彎矩的心軸時(shí)，可利用式(3-3)，此時(shí)T=0。 表3-4 軸的許用彎曲應(yīng)力 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第32頁/共51頁 彎扭合成強(qiáng)度的計(jì)算按下列步驟進(jìn)行： (1) 繪出軸的計(jì)算簡圖， 標(biāo)出作用力的方向及作用點(diǎn)的位置。 (2) 取定坐標(biāo)系，將作用在軸上的力分解為水平分力和垂直分力，并求其支反力。 (3) 分別繪制出水平面和垂直面內(nèi)的彎矩圖。 (4) 計(jì)算合成彎矩， 并繪制出合成彎矩圖。 (5) 繪制轉(zhuǎn)矩圖。 (6) 確定危險(xiǎn)剖面， 校核危險(xiǎn)剖面的彎扭合成強(qiáng)度。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)

16、計(jì)算 第33頁/共51頁 【例3-1】試設(shè)計(jì)如圖3-1所示斜齒圓柱齒輪減速器的低速軸。已知軸的轉(zhuǎn)速n=80r/min， 傳遞功率P=3.15 kW。軸上齒輪的參數(shù)為：法面模數(shù)mn=3 mm，分度圓螺旋角=12，齒數(shù)z=94，齒寬b=72 mm。 （1） 選擇軸的材料。 減速器功率不大，又無特殊要求，故選最常用的45鋼并作正火處理。由表3-1查得B=616 MPa。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第34頁/共51頁圖3-1 帶式輸送機(jī)3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第35頁/共51頁 (2) 按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑。 應(yīng)用式(3-2)估算。由表3-3取A167118(因軸上受較大彎矩)， 于是得：

17、 mmnPAd)18.4043.36(8 .7915. 3)118107(33考慮鍵槽對軸強(qiáng)度的影響和聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)，取d40 mm。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第36頁/共51頁 (3) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，軸的結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)如圖3-12所示。 軸段，之間應(yīng)有定位軸肩；軸段，及，之間應(yīng)設(shè)置臺階以利于裝配；軸段，及， 之間應(yīng)有定位軸肩。各軸段的具體設(shè)計(jì)如下 軸段：軸的輸出端用HL4尼龍柱銷聯(lián)軸器， 孔徑40 mm，孔長84 mm。取d1=40mm，l1=70mm。 軸段：取軸肩高2.5 mm，作定位用，故d2=45mm，該尺寸還應(yīng)滿足密封件的直徑系列要求。該段長度可根據(jù)結(jié)構(gòu)和安

18、裝要求最后確定。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第37頁/共51頁 軸段：齒輪兩側(cè)對稱安裝一對軸承，選擇36216，寬度為20mm，取d3=50mm。左軸承用套筒定位，根據(jù)軸承對安裝尺寸的要求，軸肩高度取3.5mm。該軸段的長度l3的確定如下：齒輪兩側(cè)端面至箱體內(nèi)壁的距離取16mm（箱體鑄造精度的要求）。軸承采用脂潤滑（潤滑方式選用見11.6.1節(jié)），為使軸承和箱體內(nèi)潤滑油隔絕， 應(yīng)設(shè)擋油環(huán)（兼作套筒定位），為此取軸承端面至箱體內(nèi)壁的距離為16mm，故擋油環(huán)的總寬度為20mm。綜合考慮，取l3=45mm。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第38頁/共51頁 軸段長度l2：根據(jù)箱體箱蓋的加工和安裝

19、的要求，取箱體軸承孔長度為46mm，軸承端蓋和箱體之間應(yīng)有調(diào)整墊片，取其厚度為2mm，軸承端蓋厚度取16 mm，端蓋和聯(lián)軸器之間應(yīng)有一定的間隙，取16 mm。綜合考慮，取l2=35mm。 軸段、：考慮設(shè)置裝配軸肩，取d4=56 mm，該段長度應(yīng)小于齒輪輪轂寬度， 取l4=68 mm。 由于采用軸環(huán)定位，取軸肩高4mm，作定位面，選取最小過渡圓角半徑，r=2 mm，取d5=65 mm。取l5=8 mm。 軸段：取d5=d3=50mm。為使齒輪相對殼體對稱布置，基于和軸段同樣的考慮，取l6=34 mm。這樣軸承跨距為132 mm， 由此可進(jìn)行軸和軸承等的計(jì)算。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第39

20、頁/共51頁圖3-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第40頁/共51頁 (4) 按彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合強(qiáng)度對軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 繪出軸的計(jì)算簡圖（如圖3-3(a)），根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)lAB=lCD=66mm齒輪的受力計(jì)算 NFFNFFNdTFmmmmzmdmmNmmNnPTtantrtn48.55412tan61.2608tan67.97012cos20tan61.2608costan61.260830.28825.0313762230.28812cos943cos25.3760318015. 31055. 91055. 911663.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第41頁/共51頁 垂直

21、面支反力（如圖3-3（d）： NFRMtVCVC31.1304261.26082垂直面彎矩圖（如圖3-3（e）： MVC=RVBlBC=1304.3166=86 084.16 Nmm 合成彎矩（如圖3-3（f）： mmNMMMmmNMMMVCHCVCHC84.4488616.0848619.793264.22211216.084861 .99671222222222211扭矩圖（如圖3-3（g）：T=376 031.25 Nmm 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第42頁/共51頁 當(dāng)量彎矩圖（如圖3-3（h）：根據(jù)B=600 MPa，查表3-4得：-1b=55 MPa。由于轉(zhuǎn)矩有變化，按脈動(dòng)考慮，取=0.6。 T=0.6376 031.25=225 618.75 NmmMPadMWMmmNTMMeececec35.14561 . 058.9872511 . 058.98725175.61822564.222112)(33422221 校核結(jié)果：ec-1b=55 MPa，剖面c的強(qiáng)度滿足要求。 3.2.5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 第43頁/共51頁圖3-3 軸的受力分析及彎矩圖 第44頁/共51頁3.2.5.3 軸的剛度計(jì)算 軸的剛度包括扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，前者以扭轉(zhuǎn)角度量，