轴的设计ppt课件

1、第十七章 轴的设计,17-1 概述,17-4 轴的强度和刚度计算,17-3 轴的结构设计,17-2 轴径的初步估算,17-1 概述,一、轴的主要功用,1、支承轴上回转零件（如齿轮,2、传递运动和动力,3、受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作,二、轴的分类,1、按承载情况分,转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M） 如：减速器中的轴,传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T0 如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴,心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0,固定心轴：轴固定,问：火车轮轴属于什么类型,转动心轴,滑轮轴,问：自行车的前轮轴属于什么类型,固定心轴,自行车的中轴是转轴,问：根据承载情况下列

2、各轴分别为哪种类型,传动轴,转轴,转动心轴,转轴,转轴,转动心轴,如何判断轴是否传递转矩,从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩,如何判断轴是否承受弯矩,该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩,2、按轴线形状分,又可分为实心、空心（加工困难,光轴,阶梯轴,曲轴：发动机专用零件,钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活,钢丝软轴的绕制,三、轴的材料,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,1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应用最广。 价廉，对应力集中不敏感，良好

3、的加工性,2、合金钢：40Cr、40MnB、20CrMnTi等，强度高、寿命 长，对应力集中敏感，价格较贵。用于重载、 小尺寸的轴,3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制，常用于凸轮轴、曲轴,问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度,轴的毛坯,圆钢棒料 尺寸小的轴,锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴,焊接毛坯 大件锻造困难,铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等,四、轴设计的主要问题与设计特点,失效形式：1、疲劳破坏 疲劳强度校核,2、变形过大 刚度验算（如机床主轴,3、振动折断 高速轴，自振频率与轴转速接近,4、塑性变形 短期尖峰载荷 验算屈服强度,设计的主要问题,1、合理的结构设

4、计 保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整,a、有足够的强度 疲劳强度、静强度,b、有足够的刚度 防止产生大的变形,c、有足够的稳定性 防止共振 稳定性计算,2、工作能力计算,轴的设计步骤,轴的结构形状和尺寸,选用合适的材料,结构设计,强度和刚度计算,转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸,17-2 轴径的初步估算,一、按扭转强度估算轴径,扭转强度条件,T、T轴的扭剪应力和许用扭剪应力，MPa,T转矩，Nmm； P轴所传递的功率，kW,WT轴的抗扭截面系数，mm3，对于实心圆轴 ， WT=d3/160.2d3,d轴的直径，mm； n轴

5、的转速，r/min,对实心圆轴，设计计算式,C与轴的材料和承载情况有关的系数,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,3）轴的最小直径dmin应根据,4）对于传动轴，精确计算,5）对转轴，初估轴径dmin结构设计，逐步阶梯化di （ 支点、力作用点未知,6）对于转轴：算出dmin结构设计弯矩图弯扭 合成强度计算,二、按经验公式估算轴径,对高速轴,d(0.81.2)D,其中，D为电机轴径,对低速轴,d(0.30.4)a,其中，a为同级齿轮中心距,设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺

6、寸,17-3 轴的结构设计,设计要求,1.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定,2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整,3.轴应具有良好的加工工艺性,4.应有利于提高轴的强度和刚度,轴颈：装轴承处 尺寸= 轴承内径,轴头：装轮毂处 直径与轮毂内径相当,轴身：联接轴颈和轴头部分,一、轴上零件的布置,典型轴系结构,装配方案的比较,二、各轴段直径和长度的确定,1、d：由载荷dmin由结构设计要求确定各段的d,2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑,1）轴段长比轮毂宽小23mm可靠定位。 2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册,一）零件轴向固定的目的,三、轴上零件的轴向固定,防止零

7、件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置,二）常用轴向固定,轴肩,轴环,1.轴肩（或轴环,过渡圆角r,定位高度h,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,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,2）轴环宽度b b1.4h 10 mm,定位轴肩：高度hC(或R) ,通常取h=(23)C或(2 3)R或h=0.07d+(23) mm,滚动轴承：轴肩高度滚动轴承内圈高度,非定位轴肩：为使零件装拆方便， 取h=(12)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

8、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，可兼作周向固定。宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定,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。常用于轴上两零件间距较大处，也可用于轴端,注意：零件宽度B 轴长度l ，取l = B-（23）mm,为防松，需加止动垫圈或使用双螺母,6弹性挡圈-结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，一般用于轴

9、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,必须注意： 1）轴上零件一般均应作双向固定，可将各种方法联合使用。 2）保证固定可靠，防止过定位，L轴段长度=B轮毂宽-(23)mm,一）零件周向固定的目的,四、轴上零件的周向固定,使零件能同轴一起转动，传递转矩,二）常用周向固定,周向固定大多采用键、花键、过盈配合或销等联接形式来实现,键槽应设计成同一加工直线,键联接制造简单，装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛,花键联接承载能力高，定心好，导向性好，但制造较困

10、难，成本较高。用于传递转矩大，对中性要求高或导向性好的场合,过盈配合联接结构简单，定心好，承载能力高，工作可靠，但装配困难，对配合尺寸的精度要求较高,销联接用于固定不太重要，受力不大，但同时需要轴向固定的零件,五、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,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,3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面

11、,1.轴的配合直径应圆整为标准值,2.轴端应有cX45的倒角,4.装配段不宜过长,六、提高轴强度和刚度的措施,1.减小应力集中,合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意,b）过盈配合处的应力集中,a）截面尺寸变化处的应力集中,c）小孔处的应力集中,减小应力集中的措施,2）尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽,3）重要结构可增加卸载槽B、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,1）用圆角过渡,4）避免相邻轴径相差太大,2.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,2）使转矩合理分配,3）改进轴上零件结构，减轻轴的载荷,卷筒轴

12、既受弯矩又受扭矩,卷筒轴只受弯矩,斜齿轮,4）采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷,行星齿轮减速器,多个行星轮均布,3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度,4.改善轴的表面质量,表面粗糙度和表面强化处理会对轴的疲劳强度产生影响,1）表面愈粗糙疲劳强度愈低； 提高表面粗糙度,2）表面强化处理的方法有,表面高频淬火,表面渗碳、氰化、氮化等化学处理,碾压、喷丸等强化处理,通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的疲劳能力,指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图,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

13、承不便安装,轴系结构设计中常见错误实例分析,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,正确答案,1.螺母无法安装,2.应有螺纹退刀槽,3.轴肩高度应低于轴承内圈高度,错误原因,正确答案,1. 轮毂上的键槽应贯穿，键连接应局部剖视,2.套筒无法安装,3. 轴颈处不应有键槽,2.键连接画法错误，且多个键应位于同一母线上,1.左侧键太长,正确答案,下图为双级斜齿圆柱齿轮减速器输出轴的轴系结构图，齿轮用油润滑，轴承采用脂润滑。试分析轴系结构的错误，在有错误处标明序号，说明原因并提出改正方法,1联轴器顶住端盖，产生摩擦磨损，应设计一定位轴肩,2

14、轴承盖与轴应有间隙，并设有密封件,3应加调整垫片，箱体加工面与非加工面应分开,4轴承端面距箱体内壁应有一定距离，30000类轴承“反 装”（“背对背”安装），轴承外圈窄边不应固定，而 外圈宽边应予固定,5齿轮无法装拆,6键槽应与联轴器处键槽设置在同一方位上，且键顶部与轮毂键槽之间应有间隙,键应局部剖开,7轴过长,8不应该开键槽，且此段轴过长，顶住了端盖,9轴肩过高，不便于轴承拆卸,10轴承没有轴向定位，可设轴套定位，且轴承内圈外侧未 固定,11键过长，并且与齿轮处的键不在同一方位,试指出图中结构不合理的地方，并予以改正,正确,W轴的抗弯截面系数（mm3,转动心轴：r=-1 b = -1b,M不

15、变： b= +1 b,M变化： b = 0 b,b 许用弯曲应力,弯曲强度条件,对于实心圆轴，W=d3/32 d3/10,二、按弯曲强度计算用于心轴强度计算,17-4 轴的强度和刚度计算,一、按扭转强度计算适用于传动轴、转轴初算,三、按弯、扭合成强度计算 用于转轴强度计算,已知条件：轴的结构设计初步完成，支承点位置确定， 支反力可求,由dmin(扭转初估)结构设计支点、力大小、作用点 画出M、T合成弯矩图危险截面计算,弯曲应力,扭剪应力,根椐第三强度理论，转轴危险截面上的应力,称为计算弯矩或当量弯矩,因为M、T两者产生的应力循环特性r和r不同，弯矩引起的弯曲应力一般为对称循环变化，即r=1；而

16、一般r1，将T转化为对称循环变化，引入应力修正系数,则,轴弯、扭合成强度条件为,轴受不变扭矩时，rT =+1,轴受脉动扭矩（有振动冲击或频繁启动停车）rT=0,轴受对称扭矩(频繁双向运转)时，rT = -1,转矩的变化不清楚时按脉动循环处理,根据转矩性质不同而引入的应力校正系数,实际机器运转不可能完全均匀，且有扭转振动的存 在，为安全计，常按脉动转矩计算,也可按弯、扭合成强度条件计算轴的直径,对于实心圆轴,mm,1）若轴上开键槽：d适当,单键：3%5%，双键：7%10% 花键：计算出的d为内径,设计时应注意,2）要合理选择危险剖面。轴的危险剖面在当量弯矩较 大或轴径较小处,3）若验算轴的强度不

17、够，c-1b，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提 高轴的强度,4）若c比-1b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,5）对于重要的轴，需采用更精确的安全系数法校核,计算步骤,1、画出轴的空间受力简图：力分解到水平面、垂直面,2、作水平面弯矩Mxy图和垂直面弯矩Mxz图,4、绘转矩T图,7、强度计算,6、确定危险截面,四、轴的安全系数校核计算（精确计算,1、按轴的疲劳强度校核,1）按Mc计算：没有精确计入

18、影响疲劳强度的其它重要 因素,尺寸系数（,表面状态,重要轴：需进一步在轴结构化后进行精确计算,2）方法：对轴上若干“危险剖面”（实际应力较大的剖面，如受力较大、截面较小及应力集中较严重处）进行安全系数校核,3）基本公式,单纯受弯,单纯受扭,k、k弯曲、扭剪时的有效应力集中系数； 轴的表面质量系数； 、弯曲、扭剪时的绝对尺寸系数； -1、-1对称循环应力时材料的弯曲、扭剪疲劳极限； 、弯曲、扭剪时的等效系数,复合安全系数,S许用安全系数,说明： （1）危险截面在有应力集中源且当量弯矩较大处。 （2）同一截面有多种应力集中源时取最大的,3）弯曲应力,4）扭剪应力,2、按静强度校核,短时严重过载场合

19、，校核轴对塑性变形的抵抗能力（尖峰载荷,S 0静强度计算安全系数,S0、S0受弯矩，转矩作用时的静强度计算安全系数,S0静强度许用安全系数(P366,max、max尖峰载荷所产生的弯曲、扭转切应力,s、s材料抗弯、抗扭屈服极限,轴的设计实例分析,例：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，b2=80mm，单向运转,设计方法及步骤,一、选择轴

20、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 d2,初定轴最小直径d2min,三、轴的结构化设计,一）选择轴上零件的装拆方案，初定轴的形状,轴上零件的装拆，可采取两种方案,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，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,二）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，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