第11章 轴的设计(上课).ppt

1、第十二章 轴的设计,一.轴的功用：,1.支承作回转运动的零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；,3.受弯矩，抵抗变形，保证 轴上零件正常工作。,2.传递运动和动力；,12 1 概 述,1.轴的分类及材料选择（保证轴的强度、刚度求）；,2.轴的正确结构设计（轴上零件定位准确、固定可靠、装拆方便，轴加工工艺性好；重点,3.轴的强度计算；,减速器结构分析,轴,轴 承,联轴器,光 轴,阶梯轴,空心轴,曲轴,二. 轴的分类,转轴既受弯矩，又受转矩的轴，如齿轮减速中装齿轮的轴。,心轴只受弯矩M的轴，如滑轮轴、自行车前轮轴,传动轴只受扭矩T，或少量弯矩（轴自重引起）如汽车双万向联轴器的中间轴,传 动 轴,转 轴

2、,特殊用途的轴如钢丝软轴,设备,二.轴的材料及选择,对轴材料要求：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性 能和加工工艺性好；材料来源广，价格适中。,普通碳素钢：Q235,Q255-用于不重要，轻载的轴；,优质碳素钢：35，40，45号- 价廉物广，应用较广泛；,中碳合金钢：40cr等-强度高，价贵用于重要轴,低碳合金钢：20crMnTi-表面渗碳淬火后，表面 硬度高 芯部韧性好，适用于冲击载荷较大的场合。,球墨铸铁-宜用于制造形状复杂的轴,一. 轴系结构分析,122 轴的结构设计,轴的结构设计目的合理确定轴的外部形状和全部尺寸,二.轴的结构设计应考虑的主要因素,4.有利于提高轴的强度和刚度（轴的受

3、力合理、应力集中）。,3.良好的加工工艺性；,2.便于轴上零件的装拆和调整；,1.保证轴上零件的定位和固定可靠；,一）零件轴向固定的目的,三. 零件轴向固定,防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。,特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴向定位和固定,轴肩,轴环,二）常用轴向固定,1.轴肩（或轴环）,过渡圆角r,定位高度h,注意事项：,1）轴的过渡圆角半径r 应小于轴上零件的倒角C 或圆角半径R；,定位轴肩：高度hC(或R) ,通常取h=(23)C或(23)R或h=0.07d+(23) mm,滚动轴承： 按轴承型号查标准,非定位轴肩：为使零件装拆方便，取h=(12)mm,2）

4、轴环宽度b b1.4h 10 mm,2套筒-常用于两个距离相近的零件之间，起定位和 固定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的 轴上。,注意：轮毂宽度B 轴头长度l，取l = B -（23）mm,3轴端挡圈-常与轴肩或锥面联合使用，固定零件稳定可靠，能承受较大的轴向力：,注意：轮毂宽度B轴头长度l ，取l = B- （23）mm,4圆锥面-装拆方便，宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。,5圆螺母与止动垫圈-固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。,注意：零件宽度B 轴长度l ，取l = B-（23）mm,6弹性挡圈-结构简单，但在轴上需切槽，会引起应

5、力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。,注意：零件宽度B 轴长度l ，取l = B-（23）mm,7紧定螺钉-结构简单，可兼作周向固定，传递不大的力或力矩，不宜用于高速。,三. 轴的结构工艺性便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装,一）轴的加工工艺性要求,1. 不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工时的装卡次数；,a. 正确结构,b.不正确结构,2. 需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应留螺纹退刀槽。,砂轮越程槽,螺纹退刀槽,3. 相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一.,二）轴上零件装配工艺性要求,与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。,a）

6、倒角,b）导向锥面,轴的配合直径应圆整为标准值,轴端应有cX45的倒角,五. 提高轴强度、刚度的措施,一）合理布置轴上零件，改善轴的受力情况,1. 使弯矩分布合理把轴、毂配合分成两段，减小最大弯矩值。,不合理结构,合理结构,2.使转矩合理分配,不合理的布置,合理布置,3. 改进轴上零件结构减轻轴的载荷,卷筒轴既受弯又受扭,卷筒轴只受弯矩,二）减小轴的应力集中轴的剖面变化处、轴毂配合面的边缘键槽根部等会产生应力集中。,b）过盈配合处,a）截面尺寸变化处的应力集中,b）过盈配合处的应力集中,c）小孔处的应力集中,a）截面尺寸变化处,c）小孔处,当过渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环,对于过盈配

7、合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽,凹切圆角,过渡肩环,减载槽,123 轴的强度计算,一.按扭转强度计算适用于传动轴、转轴初算,扭转强度条件：,轴的扭剪应力（MPa）；,式中：,对于实心圆轴：,C与轴的材料有关的系数，查表12-2。,计算说明：,1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为轴端；,2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大5%。 双键槽增大10%，将所计算的直径圆整为标准值即：,设计计算式：,表12-1 轴的常用材料及主要机械性能,245,118,69,碳素钢,45,正火,100,170217,600,300,275,140,196,93,54,调质,200,217255,650,36

8、0,300,155,216,98,59,合金钢,40Cr,调质,100,100 300,241 286,750,550,350,200,241 286,700,550,340,185,b=600 Mpa，s=360 Mpa，-1=300 Mpa，-1 =155 Mpa, +1b=216 Mpa， 0b=98 Mpa， -1b=59 Mpa,二 按弯、扭合成强度计算 用于转轴强度计算,强度计算的前提条件：轴的结构设计初步完成，支点力点位置确定，支反力可求。,弯 应 力：,扭剪应力：,转轴危险截面上的应力：, 称为计算弯矩或称为当量弯矩,考虑M、T两者产生的应力循环特性和不同，通常 =1，而一般1

9、，考虑两者差异的影响，,轴弯、扭合成强度条件为：,应将e 进行修正为：,轴受不变转矩时，T=+1，,轴受脉动转矩（有振动冲击或频繁启动停车）T=0，,轴受对称转矩(频繁双向运转)时，T =-1，,转矩的变化不清楚时按脉动循环处理,也可按弯、扭合成强度条件计算轴的直径,设计时应注意：1)要合理选择危险剖面。由于轴的各剖面的当量弯矩和直径不同，因此轴的危险剖面在当量弯矩较大或轴的直径较小处。一般选一个或二个危险剖面核算。 2)若验算轴的强度不够，即 ,则可用增大轴的直径、改用强度较高的材料或改变热处理方法等措施来提高轴的强度；若 比 小很多时，是否要减小轴的直径，应综合考虑其他因素而定。有时单从强

10、度观点，轴的尺寸可以缩小，不过却受到其他条件的限制。例如刚度、振动稳定性、加工和装配工艺条件以及与轴有关联的其他零件和结构的限制等。因此必须就所有条件进行全面考虑，方可做出改变轴结构尺寸的决定。对于重要的轴，尚需采用更精确的安全系数法校核。其计算方法可参阅有关资料。,12-4 轴的设计方法及步骤,设计图示带式运输机中单级斜齿轮减速器输出轴。已知：电动机的功率 P1=25KW，n1=970r/min；齿轮传动的主要参数及尺寸为：法面模数mn=4mm， 两轮齿数分别为Z1=20，Z2=79，螺旋角 ，分度圆直径d1=81.81mm ，d2=319.19mm，中心距a=200mm，齿宽b1=85mm

11、，b2=80mm，单向运转。,一.例题题目,二.设计方法及步骤,一）选择轴的材料,因该轴无特殊结构尺寸要求，故选45钢调质，,二）按扭转强度初步计算轴的直径,低速轴的功率：,低速轴的转速：,低速轴的计算直径：,考虑轴端装联轴器需要开键槽，轴径应为,低速轴计算扭矩：,选输出轴端联轴器型号为：,联轴器孔径要求：d联孔= 55 mm,强度要求即： dmin d2ca,初定轴最小直径d2min,三）轴的结构化设计,1. 选择轴上零件的装拆方案，初定轴的形状,轴上零件的装拆，看采取两种方案：,轴上零件：有齿轮、滚动轴承、 联轴器,左边轴承从左端装拆，用轴肩定位和固定；大齿轮、右边轴承 和联轴从右端装拆，

12、前两者之间用套筒固定，联轴器用轴肩和轴 端挡圈固定。,轴上零件装拆方案a）,左边轴承和大齿轮从左端装拆，两者均用套筒固定； 右边轴承和联轴器从右端装拆，两者均用轴肩定位和固定。,轴上零件装拆方案b）,2. 按a）方案进行轴的结构化设计,1. 确定轴的最小直径dmin：因为轴的最小直径处安装联轴 器，故取dmin=55mm；,2. 设计轴的结构；,1) 仅从轴的强度和加工工艺考虑，可将轴制成55的光轴,2）考虑轴上零件的装拆、定位、固定要求，应轴制成阶梯轴,考虑左轴承和大齿轮的定位及固定，应制轴肩和轴环,考虑左轴承和大齿轮的定位及固定，应有套筒,考虑联轴器、大齿轮轴向和周向固定，联轴器的轴向固定

13、，进 一步完善轴的结构,3）根据轴上零件的定位和固定要求确定各段轴的直径；,取：定位轴肩高度h =（0.07）d +(2 3) mm,非定位轴肩高度,各段轴直径：,各段轴直径：,4）根据轴上零件的尺寸及位置要求确定各段轴的长度l和各力点距离L,L,a,b1,a,L,K,L联轴器,l,L3,L2,L1,l7,l5,l4,l6,l3,l2,l1,B,s,b2,B,s,L联孔,l6, 确定各段轴的长度li,7214AC轴承，宽度B=24mm, 确定各力作用点间距离Li,四）按弯扭合成强度校核计算,1.计算齿轮上的作用力：,扭矩,圆周力,径向力,轴向力,2.求轴承支反力，轴的各平面弯矩MV、MH，合成

14、弯矩M合及计算弯矩Mca,A,C,B,D,3.按弯、扭合成强度校核计算,1）确定危险截面位置,2）强度校核计算：,结论轴的弯、扭合成强度足够。,125 轴系结构设计中常见错误事例分析,例2-1（题12-13）指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。,错误分析图,正确结构图,1 缺少键联接，齿轮未周向固定；,错误原因：,2 轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠；,3 轴端无倒角，轴承不便安装。,正确结构图,错误分析图,b）,1 连轴齿轮两端无倒角轮廓线；,错误原因：,2 齿轮左右两端均未轴向固定；,3 缺少键联接，齿轮未周向固定。,轴系结构设计错误原因分析 1.段轴过长，顶住了轴端挡

15、圈，带轮轴向固定不可靠。 2.套筒不应该顶在固定的轴承盖上，这样会影响轴系的正常工作。 3.轴承盖与外伸轴段之间应有间隙，且轴承盖通孔与轴之间应有密封件。 4.轴承盖螺钉孔与螺钉杆之间应留有间隙。 5.箱体加工面与非加工面应分开。 6.轴承盖与箱体之间应加调整垫片。 7.不通螺纹孔画法错误。 8.角接球轴承安装错误，面对面安装时，应使两端轴承外圈窄边相对。 9.小齿轮齿根圆直径与安装齿轮处的轴径相近，不应该将齿轮与轴分开制造。 10.轴肩过高，不便于轴承拆卸。 11.滚动轴承用油润滑，箱体接合面凸缘上应设置导油沟，轴承盖应开槽，否则润滑油无法流入轴承。 12.剖分式箱体，其轴承座旁应设置箱体与

16、箱盖联接螺栓。 13.滚动轴承采用两端固定的轴向固定形式时，轴承内圈外侧无须轴向固定。,结 束,五）按安全系数校核轴的疲劳强度,1.确定危险截面位置,E、F、G截面只受弯矩作用，I、J截面只受扭矩作用， H截面既受弯矩又受扭矩，且有圆角、配合引起的应力集中； J截面虽受扭矩作用但直径较小，H、J截面可能是危险截面。,2.对危险截面进行安全系数校核（校核H、J截面）,H截面安全系数校核：,1）H截面合成弯矩MH合，扭矩TH,2）H截面弯曲应力（对称循环）：,3）H截面扭剪应力（按脉动循环）：,绝对尺寸系数（表12-8）,有效应力集中系数,综合影响系数,5）安全系数校核计算,H截面左侧：,H截面右

17、侧：,J截面左侧无应力集中源，只需校核右侧面。值得注意是：J截面右 侧同时存在配合和圆角应力集中，综合影响系数,具体计算（略）。,J截面安全系数校核：,低速轴,键,齿 轮,轴承,轴,齿 轮,轴 承,键,4）根据轴上零件的尺寸及位置要求确定各段轴的长度,各段轴长度； 7214AC轴承 宽度B=24mm,L,a,b1,a,L,K,L联轴器,l,L3,L2,L1,l7,l5,l4,l6,l3,l2,l1,B,s,b2,B,s,L联孔,带式运输机传动简图,原动机电动机,传动系统减速器,工作机带式运输机,W轴的抗弯剖面系数（mm3）,转动心轴：r=-1 b = -1,M不变： b= +1 b,M变化： b = 0 b,b 许用弯应力,弯曲强度条件：,对于实心圆轴，WT=d3/32 d3/10,二 按弯曲强度计算用于心轴强度计算,