機(jī)械原理軸課件

第16章軸§16-1概述§16-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§16-3軸的計(jì)算§16-4軸的剛度計(jì)算§16-5軸的臨界轉(zhuǎn)速

§16-6提高軸的強(qiáng)度、剛度和減輕 重量的措施潘存云教授研制帶式運(yùn)輸機(jī)減速器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸§16-1概述功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。傳遞轉(zhuǎn)矩

類型轉(zhuǎn)軸——傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有分類：按軸的形狀分有一、軸的用途及分類按軸的外形分有潘存云教授研制功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。傳遞轉(zhuǎn)矩

類型轉(zhuǎn)軸——傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有分類：按軸的形狀分有傳動(dòng)軸——只傳遞扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)后橋傳動(dòng)軸一、軸的用途及分類§16-1概述按軸的外形分有潘存云教授研制前輪輪轂潘存云教授研制功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。傳遞轉(zhuǎn)矩

類型轉(zhuǎn)軸——傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有分類：按軸的形狀分有傳動(dòng)軸——只傳遞扭矩心軸——只承受彎矩固定心軸火車輪軸車廂重力前叉支撐反力轉(zhuǎn)動(dòng)心軸一、軸的用途及分類§16-1概述自行車前輪軸按軸的外形分有功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。傳遞轉(zhuǎn)矩

類型轉(zhuǎn)軸——傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有分類：傳動(dòng)軸——只傳遞扭矩心軸——只承受彎矩直軸一、軸的用途及分類§16-1概述光軸階梯軸按軸的形狀分有潘存云教授研制按軸的外形分有功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。傳遞轉(zhuǎn)矩

類型轉(zhuǎn)軸——傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有分類：按軸的形狀分有傳動(dòng)軸——只傳遞扭矩心軸——只承受彎矩直軸一、軸的用途及分類§16-1概述光軸階梯軸曲軸潘存云教授研制潘存云教授研制按軸的外形分有功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。傳遞轉(zhuǎn)矩

類型轉(zhuǎn)軸——傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有分類：按軸的形狀分有傳動(dòng)軸——只傳遞扭矩心軸——只承受彎矩直軸一、軸的用途及分類§16-1概述光軸階梯軸曲軸撓性鋼絲軸(軟軸）潘存云教授研制按軸的外形分有功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。傳遞轉(zhuǎn)矩

類型轉(zhuǎn)軸——傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有分類：按軸的形狀分有傳動(dòng)軸——只傳遞扭矩心軸——只承受彎矩直軸一、軸的用途及分類§16-1概述光軸階梯軸曲軸撓性鋼絲軸(軟軸）按軸的外形分有種類碳素鋼：35、45、50、Q235軸的毛坯:一般用圓鋼或鍛件，有時(shí)也用鑄鋼或球墨鑄鐵。二、軸的材料-------剛度、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性要求：

合金鋼:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用較多，尤其是45鋼應(yīng)用最廣。合金鋼具有較高的力學(xué)性能，但價(jià)格較貴，多用于有特殊要求的軸。正火或調(diào)質(zhì)處理。表16-1軸的常用材料及其主要力學(xué)性能材料及熱處理毛坯直徑/mm硬度/HBS強(qiáng)度極限σb

屈服極限σs

MPa彎曲疲勞極限σ-1應(yīng)用說明Q235440240200用于不重要或載荷不大的軸35正火520270250有較好的塑性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，可用于一般曲軸、轉(zhuǎn)軸。≤100149~187……表16-2軸的常用材料及其主要力學(xué)性能材料牌號(hào)熱處理毛坯直徑硬度

/mm/HBS抗拉強(qiáng)度極限σb屈服強(qiáng)度極限σs彎曲疲勞極限σ-1剪切疲勞極限σ-1許用彎曲應(yīng)力[σ-1]備注應(yīng)用最為廣泛用于不太重要及受載荷不大的軸用于載荷較大，而無大的沖擊的重要軸用于很重要的軸用于重要軸，性能近于40CrNi用于要求高耐磨性，高強(qiáng)度且熱處理變形很小的軸用于要求強(qiáng)度及韌性均較高的軸用于腐蝕條件下的軸用于高、低溫及腐蝕條件下的軸用于制造復(fù)雜外形的軸≤100400~420225>100~250375~39021517010540≤100170~217590295255140>100~300162~217570285245135>100~300685490335185241~286>100~300240~270785570370210>100~300217~269685540345195>100~160241~277785590375220>60~100277~302835685410270≤200217~255640355275155≤100735540355200≤100270~300900735430260≤100229~286735590365210≤60293~321930785440280淬火≤6056~626403903051605560707570756075≤100≥241835635395230≤100530190115>100~200490180110190~270600370215185245~33580048029025045195≤192滲碳滲碳回火HRC調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)正火熱軋或鍛后空冷Q235A4540Cr40CrNi38SiMnMo38CrMoAlAMPa20Cr3Cr131Cr18NiTiQT600-3QT800-2調(diào)質(zhì)淬火1、設(shè)計(jì)任務(wù)：選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作能力計(jì)算。（根據(jù)工作要求和制造的因素，選擇合適的材料）三、軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容-----軸的設(shè)計(jì)中解決的主要問題

2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。3、工作能力計(jì)算：軸的承載能力驗(yàn)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的驗(yàn)算。（經(jīng)過工作能力計(jì)算，定出軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸）4、軸的設(shè)計(jì)過程：N選擇材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的承載能力驗(yàn)算驗(yàn)算合格?結(jié)束Y結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)：確定軸的形狀，有多少階梯？每個(gè)階梯的直徑？長(zhǎng)度？是確定軸上零件的定位（周向定位、軸向定位）

工作能力計(jì)算：可能的失效：變形（套用材料力學(xué)）①強(qiáng)度計(jì)算②剛度計(jì)算③臨界轉(zhuǎn)速校核§16-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的：各段的直徑，各段的長(zhǎng)度取決于：①軸的毛坯②軸上零件作用力大小，分配情況③軸承的類型和位置④軸的加工和裝配工藝性其中的核心問題是軸上零件的定位

軸端擋圈帶輪軸承蓋套筒齒輪滾動(dòng)軸承潘存云教授研制典型軸系結(jié)構(gòu)一、基本知識(shí)：

1、毛坯：毛坯形式：

實(shí)心軸，空心軸：考慮1)軸的制造工藝性，如細(xì)長(zhǎng)軸，掏空心，制造不易，容易偏心。2)多大的情況才合理，d0和d的關(guān)系，當(dāng)d0=0.625d，對(duì)于強(qiáng)度的削弱占18%，重量減輕39%2、軸段

3、軸上零件的定位

4、軸的結(jié)構(gòu)尺寸分析：

1)

軸肩的高度：h2)

軸環(huán)；h=2c+(3~5)，寬度>103)

定位窗口；用途：保證定位可靠，保證安裝合理、方便形成：4)

圓角；圓角越大，應(yīng)力集中越小，但定位不準(zhǔn)確。r<c5)

退刀槽；為了軸上車螺紋要形成退刀槽5、最小軸頸估算

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟：

1)

根據(jù)功率和轉(zhuǎn)速，確定最小直徑d2)

根據(jù)軸上零件個(gè)數(shù)，確定主要零件的位置3)

根據(jù)軸上零件情況，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4)

受力分析5)

完成工作能力計(jì)算6)

結(jié)構(gòu)的細(xì)化

潘存云教授研制1、擬定軸上零件的裝配方案裝配方案：確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互關(guān)系。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制軸上零件的裝配方案不同，則軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相同。設(shè)計(jì)時(shí)可擬定幾種裝配方案，進(jìn)行分析與選擇。圖示減速器輸出軸就有兩種裝配方案。saBcLa圓錐圓柱齒輪二級(jí)減速器方案二方案二需要一個(gè)用于軸向定位的長(zhǎng)套筒，多了一個(gè)零件，加工工藝復(fù)雜，且質(zhì)量較大，故不如方案一合理。方案一潘存云教授研制④②③⑥⑦⑤①2、軸上零件的定位軸肩——階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。

定位方法：軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。軸肩套筒1~21~2潘存云教授研制軸向固定由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實(shí)現(xiàn)。雙向固定無法采用套筒或套筒太長(zhǎng)時(shí)，可采用雙圓螺母加以固定。軸肩的尺寸要求:r<C1或r<Rb≈1.4h(與滾動(dòng)軸承相配合處的h和b值,見軸承標(biāo)準(zhǔn))DdrR潘存云教授研制軸端擋圈潘存云教授研制雙圓螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm裝在軸端上的零件往往采用軸端擋圈圓錐面定位。hh潘存云教授研制C1Ddr潘存云教授研制DdrRb潘存云教授研制潘存云教授研制軸向力較小時(shí)，可采彈性擋圈或緊定螺釘來實(shí)現(xiàn)。周向固定大多采用鍵、花鍵、過盈配合或型面連接等形式來實(shí)現(xiàn)。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制鍵槽應(yīng)設(shè)計(jì)成同一加工直線3、各軸段直徑和長(zhǎng)度的確定確定軸段直徑大小的基本原則：最小軸徑dmin的確定.按軸所受的扭矩估算軸徑，作為軸的最小軸徑dmin。.有配合要求的零件要便于裝拆。.安裝標(biāo)準(zhǔn)件的軸徑，應(yīng)滿足裝配尺寸要求。.有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。T——扭矩，[τT]——許用應(yīng)力，WT——抗扭截面系數(shù)，P——功率，n——轉(zhuǎn)速，d——計(jì)算直徑，A0——材料系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)直徑應(yīng)按優(yōu)先數(shù)系選?。篟51.001.602.504.006.3010.00R101.001.251.602.002.503.154.005.006.308.0010.001.001.121.251.401.601.802.002.242.502.803.153.554.004.505.005.606.307.108.009.0010.001.001.061.121.181.251.321.401.501.601.701.801.902.002.122.242.362.502.652.803.003.153.353.553.754.004.254.504.755.005.305.606.006.306.707.107.508.008.509.009.5010.00R40R20優(yōu)先數(shù)——表中任意一個(gè)數(shù)值。大于10的優(yōu)先數(shù)，可將表數(shù)值分別乘以10、100、1000。Q275,3540Cr,35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo,3Cr13[τT]/(N/mm)15~2520~3525~4535~55A0

149~126135~112126~103112~97表16-３常用材料的[τT]值和A0值軸的材料Q235-A3,2045常用的與軸相配的標(biāo)準(zhǔn)件有滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器等。配合軸段的直徑應(yīng)由標(biāo)準(zhǔn)件和配合性質(zhì)確定。(1)裝配軸承與滾動(dòng)軸承配合段軸徑一般為5的倍數(shù)；(φ20~385mm)與滑動(dòng)軸承配合段軸徑應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)直徑系列軸套：…32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70…..(2)裝配聯(lián)軸器配合段直徑應(yīng)符合聯(lián)軸器的尺寸系列。聯(lián)軸器的孔徑與長(zhǎng)度系列孔徑d

3032353840424548505565606365…長(zhǎng)系列82112142短系列6084107長(zhǎng)度L便于零件的裝配，減少配合表面的擦傷的措施：潘存云教授研制H7/r6潘存云教授研制H7/D11H7/r6為了便于軸上零件的拆卸，軸肩高度不能過大。(2)配合段前端制成錐度；(3)配合段前后采用不同的尺寸公差。(1)在配合段軸段前應(yīng)采用較小的直徑；結(jié)構(gòu)不合理！潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制Q方案b

4、提高軸的強(qiáng)度的常用措施輸出輸出輸入輸出輸出輸入Tmax=T1+T2Tmax=T11）.改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理T2）.合理布置軸上零件Q方案a軸徑大軸徑小3）.改進(jìn)軸的局部結(jié)構(gòu)可減小應(yīng)力集中的影響合金鋼對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，應(yīng)加以注意。應(yīng)力集中出現(xiàn)在截面突然發(fā)生變化或過盈配合邊緣處。潘存云教授研制應(yīng)力集中處

措施：.

用圓角過渡；.盡量避免在軸上開橫孔、切口或凹槽;R.重要結(jié)構(gòu)可增加卸載槽、過渡肩環(huán)、凹切圓角、增大圓角半徑。也可以減小過盈配合處的局部應(yīng)力。潘存云教授研制潘存云教授研制軸上開卸載槽應(yīng)力集中系數(shù)可減少40%軸上開卸載槽應(yīng)力集中系數(shù)可減少15%~25%潘存云教授研制增大軸的直徑應(yīng)力集中系數(shù)可減少30%~40%d1.05d.采取增加卸載槽、增大軸徑、過渡肩環(huán)、凹切圓角、等也可以減小過盈配合處的局部應(yīng)力。潘存云教授研制30?r凹切圓角過渡肩環(huán)1.06~1.06dd潘存云教授研制4）.改善軸的表面質(zhì)量可提高軸的疲勞強(qiáng)度.表面愈粗糙

疲勞強(qiáng)度愈低；

提高表面粗糙度；.表面強(qiáng)化處理的方法有：▲

表面高頻淬火▲

表面滲碳、氰化、氮化等化學(xué)處理▲

碾壓、噴丸等強(qiáng)化處理通過碾壓、噴丸等強(qiáng)化處理時(shí)可使軸的表面產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，從而提高軸的疲勞能力。潘存云教授研制④為便于軸上零件的裝拆，一般軸都做成從軸端逐漸向中間增大的階梯狀。在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，工藝性越好。零件的安裝次序5、軸的結(jié)構(gòu)工藝性裝零件的軸端應(yīng)有倒角，需要磨削的軸端有砂輪越程槽，車螺紋的軸端應(yīng)有退刀槽。②③⑥⑦①⑤①潘存云教授研制倒角退刀槽§16-3軸的強(qiáng)度計(jì)算一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于只傳遞扭轉(zhuǎn)的圓截面軸，強(qiáng)度條件為設(shè)計(jì)公式為計(jì)算結(jié)果為最小直徑！思路（引言）按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行力分析：

注:當(dāng)作用在軸上的彎矩比傳遞的轉(zhuǎn)矩小或只傳遞轉(zhuǎn)矩、載荷較平穩(wěn)、無軸向載荷或只有較小的軸向載荷、減速器的低速軸、軸只作單向旋轉(zhuǎn),[τT]取較大值，A0取較小值;否則[τT]取較小值，A0取較大值。軸的材料Q235-A3,20Q275,354540Cr,35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo,3Cr13[τT](N/mm)15~2520~3525~4535~55A0

149~126135~112