轴的原理学习

1、第十四章第十四章 轴轴一、轴的功用一、轴的功用1 1）支承旋转零件；）支承旋转零件； 2 2）传递运动和动力）传递运动和动力 二、轴的类型二、轴的类型 心心 轴轴 M 传动轴传动轴 T转转 轴轴T+M按承载情况按承载情况 直直 轴轴 曲曲 轴轴按轴线形状按轴线形状 钢丝软轴钢丝软轴 光光 轴轴按轴的外形按轴的外形 阶梯轴阶梯轴 轴的材料主要采用轴的材料主要采用碳素钢碳素钢和和合金钢合金钢。碳素钢碳素钢为了保证机械性能，应进行为了保证机械性能，应进行调质调质或或正火正火处理。处理。不重要的轴可用不重要的轴可用Q235Q235、Q275Q275等普通碳素钢等普通碳素钢 常用常用3535、4040、

2、4545和和5050等优质碳素钢（等优质碳素钢（4545钢用得最多）钢用得最多）合金钢合金钢优点：优点：具有较高的机械性能、较好的热处理性能，具有较高的机械性能、较好的热处理性能，缺点：缺点：对对应力集中应力集中较敏感、价格较贵。较敏感、价格较贵。应用：应用： 对强度、耐磨性要求高且结构尺寸受限制处；对强度、耐磨性要求高且结构尺寸受限制处； 高温或低温条件下工作的轴高温或低温条件下工作的轴 常用常用:20Cr，20CrMnTi、38CrMoAl、40Cr、40CrNi、38SiMnMo、40MnB等。等。 合金钢轴必须进行热处理和化学热处理。合金钢轴必须进行热处理和化学热处理。从结构上减小应力

3、集中从结构上减小应力集中，并减小表面粗糙度。，并减小表面粗糙度。 钢的种类和热处理对钢的种类和热处理对弹性模量弹性模量影响甚微影响甚微因此采用热处理，或用合金钢代替碳钢，因此采用热处理，或用合金钢代替碳钢，只能提高其疲劳强度和耐磨性，对提高轴的只能提高其疲劳强度和耐磨性，对提高轴的刚度刚度并无实效。并无实效。轴的毛坯：轴的毛坯： 一般用轧制的圆钢或锻制毛坯；一般用轧制的圆钢或锻制毛坯； 形状复杂的轴，采用铸钢或球墨铸铁形状复杂的轴，采用铸钢或球墨铸铁注意：注意：常用材料及其主要力学性能：常用材料及其主要力学性能： 表表141。材料牌号材料牌号 热处理热处理 毛坯直径毛坯直径 硬度硬度 mm H

4、BSmm HBS抗拉强抗拉强度极限度极限b b屈服强屈服强度极限度极限s s弯曲疲弯曲疲劳极限劳极限-1-1剪切疲剪切疲劳极限劳极限 -1-1许用弯许用弯曲应力曲应力-1-1 备备 注注应用最为广泛应用最为广泛用于不太重要及受用于不太重要及受载荷不大的轴载荷不大的轴用于载荷较大，而无用于载荷较大，而无大的冲击的重要轴大的冲击的重要轴用于很重要的轴用于很重要的轴用于重要轴，性能用于重要轴，性能近于近于40CrNi40CrNi用于要求高耐磨性，用于要求高耐磨性，高强度且热处理变高强度且热处理变形很小的轴形很小的轴用于要求强度及韧用于要求强度及韧性均较高的轴性均较高的轴用于腐蚀条件下的轴用于腐蚀条件

5、下的轴用于高、低温及腐用于高、低温及腐蚀条件下的轴蚀条件下的轴用于制造复杂外形用于制造复杂外形的轴的轴 100 400420 225 100250 375390 215 170 105 40 100 170217 590 295 255 140 100300 162217 570 285 245 135 100300 685 490 335 185 241286 100300 240270 785 570 370 210 100300 217269 685 540 345 195 100160 241277 785 590 375 220 60100 277302 835 685 410 27

6、0 200 217255 640 355 275 155 100 735 540 355 200 100 270300 900 735 430 260 100 229286 735 590 365 210 60 293321 930 785 440 280 淬火淬火 60 5662 640 390 305 160 5560707570756075 100 241 835 635 395 230 100 530 190 115 100200 490 180 110 190270 600 370 215 185 245335 800 480 290 250 45195 192渗碳渗碳 渗碳渗碳回火

7、回火 HRC调质调质调质调质调质调质调质调质调质调质正火正火热轧或锻热轧或锻后空冷后空冷Q235A4540Cr40CrNi38SiMnMo38CrMoAlAMPa20Cr3Cr13 1Cr18NiTi QT600-3 QT800-2调质调质淬火淬火 轴的结构设计轴的结构设计？4. 4. 尽量减少应力集中、提高疲劳强度尽量减少应力集中、提高疲劳强度 。1. 轴要便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）轴要便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）2. 轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）3. 各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）各零件要牢固而可靠地相

8、对固定（固定）主要要求有：主要要求有： 根据工作条件，确根据工作条件，确定轴的外形和全部结定轴的外形和全部结构尺寸。构尺寸。轴颈轴颈 与轴承与轴承相配合的部分；相配合的部分；轴头轴头 与旋转零与旋转零件相配合的部分；件相配合的部分；轴身轴身 连接轴颈连接轴颈与轴头部分；与轴头部分；轴肩轴肩 直径变化直径变化处形成的阶梯部分；处形成的阶梯部分；一、制造安装要求一、制造安装要求 1）将轴做成阶梯形）将轴做成阶梯形 2）两端倒角）两端倒角磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 退刀槽退刀槽 车螺纹车螺纹 3）砂轮越程槽、螺纹退刀槽砂轮越程槽、螺纹退刀槽 在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸尽量在满足使用要

9、求的情况下，轴的形状和尺寸尽量简单，便于加工。简单，便于加工。二、轴上零件的定位二、轴上零件的定位定位：定位： 轴上零件的定位，指轴上零件轴上零件的定位，指轴上零件必须必须有一个有一个准确位置准确位置。定位方法：定位方法： 1）轴肩）轴肩(轴环轴环)2）套筒）套筒（活动轴环）（活动轴环） 轴上零件的固定，指轴上零件在轴上零件的固定，指轴上零件在外力外力作用下，作用下， 不改变不改变其其位置位置。三、轴上零件的固定三、轴上零件的固定目的：目的：固定：固定：防止工作时，出现轴向窜动和周向转动。防止工作时，出现轴向窜动和周向转动。1、轴向固定、轴向固定 常采用：轴肩（轴环）、套筒、轴端挡圈、园螺母常

10、采用：轴肩（轴环）、套筒、轴端挡圈、园螺母 。图中：图中：定位：轴肩（轴环）、套筒定位：轴肩（轴环）、套筒固定：轴肩（轴环）、套筒固定：轴肩（轴环）、套筒固定：必须双向固定固定：必须双向固定直接固定直接固定间接固定间接固定轴环轴环+套筒套筒轴肩轴肩+轴端挡圈轴端挡圈 轴向力较小时：采用弹性挡圈、紧定螺钉等。轴向力较小时：采用弹性挡圈、紧定螺钉等。1 1）轴肩高度）轴肩高度h h轴肩定位的几点说明：轴肩定位的几点说明：h= (0.070.1)d dh= (0.070.1)d d：轴颈尺寸；：轴颈尺寸；：h=(12)mmh=(12)mm；2 2）轴肩圆角半径）轴肩圆角半径r rr C1 或或 r

11、R2、轴上零件的周向固定、轴上零件的周向固定键（平键、楔键）键（平键、楔键）花键花键过盈配合过盈配合紧定螺钉紧定螺钉注意：采用键联接时，键槽安排在同一直线上。注意：采用键联接时，键槽安排在同一直线上。四、轴的各段直径和长度的确定四、轴的各段直径和长度的确定 直径：直径：首先按强度条件确定最小轴径首先按强度条件确定最小轴径dmin。3. 无配合要求的轴段，在无配合要求的轴段，在dmin 基础上园整。基础上园整。 2. 有配合要求的轴段，采用标准直径系列数值。有配合要求的轴段，采用标准直径系列数值。1. 安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。 轴承对轴肩高有限

12、制轴承对轴肩高有限制便于零件装配的措施：便于零件装配的措施：2) 2) 配合段前端制成锥度；配合段前端制成锥度； 3) 3) 配合段前后采用不同的尺寸公差。配合段前后采用不同的尺寸公差。 1) 1) 在配合段轴段前应采用较小的直径；在配合段轴段前应采用较小的直径；长度：长度：3 3）其它：由轴上零件相对位置定。）其它：由轴上零件相对位置定。1 1）轴上传动件有固定元件时：轴段长比轮毂宽小）轴上传动件有固定元件时：轴段长比轮毂宽小2 2 3mm3mm。2 2）与标准件（轴承、联轴器等）与标准件（轴承、联轴器等) )配合处：由其宽度定。配合处：由其宽度定。四、改善轴的受力状况，减小应力集中四、改善

13、轴的受力状况，减小应力集中1.改进轴上零件的结构改进轴上零件的结构 Q方案方案 a潘存云教授研制Q方案方案b 2.合理布置轴上零件合理布置轴上零件 潘存云教授研制输出输出输出输出输入输入输出输出输出输出 输入输入Tmax= T1+T2Tmax = T1T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理合理不合理不合理 3.改进轴的局部结构可减小应力集中的影响改进轴的局部结构可减小应力集中的影响 应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处（缘处（合金钢轴更敏感）合金钢轴更敏感）增大圆角半径、或采用：增大圆角半径、或采用： 卸载槽卸载槽30 r凹切圆角凹切圆角过

14、渡肩环过渡肩环 轮毂卸载槽轮毂卸载槽轴系结构改错 心心 轴轴 M 传动轴传动轴 T转转 轴轴T+M按承载情况按承载情况传动轴：传动轴：T max max转轴：转轴：T+M + max max二、按弯扭合成强度计算二、按弯扭合成强度计算*当轴上的弯矩当轴上的弯矩M、扭矩、扭矩T均可求出时，用此法。均可求出时，用此法。*受受M、T联合作用时，采用第三强度理论，求出当量应力。联合作用时，采用第三强度理论，求出当量应力。*强度条件为：强度条件为：422bbe，332.01.0dTWMdMWMTb1)2(4)(b2222eTMWWTWM 事实上，弯矩与扭矩的循环特性不同的，应考事实上，弯矩与扭矩的循环特

15、性不同的，应考虑这种不同的影响。虑这种不同的影响。11b-22eWMTMWe）（弯矩循环特性：对称循环变应力弯矩循环特性：对称循环变应力 max max 扭矩不变扭矩不变 静应力静应力扭矩循环特性：扭矩循环特性： 频繁启动停车频繁启动停车脉动循环变应力脉动循环变应力 频繁正反转频繁正反转 对称循环变应力对称循环变应力循环特性不同在那里？循环特性不同在那里？如何考虑循环特性不同的影响？如何考虑循环特性不同的影响？3.011 bb 6.001 bb 0.111 bb 在在T T前乘折合系数前乘折合系数 ：扭矩不变扭矩不变 频繁启动停车频繁启动停车频繁正反转频繁正反转验算公式：验算公式：归纳一下：归

16、纳一下：设计公式：设计公式：31 .01beMdd1.01b-3eeeMWMM M、T T、 画弯矩、扭矩图画弯矩、扭矩图根据扭矩的循环特性定根据扭矩的循环特性定 求求M Me e22）（TM -1b-1b 表表14-314-3例例14-1：计算某减速器输出轴危险截面的直径。计算某减速器输出轴危险截面的直径。 已知作用在齿轮上的已知作用在齿轮上的Ft=17400N，Fr=6140N，Fa=2860N， 分度圆直径分度圆直径d2=146 mm, 作用在轴右端带轮上外力作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）（方向未定）, L=193 mm, K=206 mmaadL/2LKFXYZFaF

17、tFr解：解：一、求反力一、求反力1) 求垂直面的支反力求垂直面的支反力N21232221LdFLFFarvN427812vrvFFFF 1vF2 v12FaFr2) 求水平面的支反力求水平面的支反力NLKFFF48031N87002/21tHHFFF3) 求求F力在支点产生的反力力在支点产生的反力N930312FFFFFF 1HF2H12FtF 1FF2F12FdFFaFtFrLK为何为何F F产生的反力要单独求？产生的反力要单独求？二、二、 绘弯矩图绘弯矩图1）垂直面弯矩图）垂直面弯矩图Nm4242/2LFMVaVNm2052/1LFMVaVMavMav2）绘制水平面的弯矩图）绘制水平面的

18、弯矩图Nm8402/1LFMHaHF 1vF2 v12FaFrF 1HF2H12FtF 1FF2F12FMaH3) 求求F力产生的弯矩图力产生的弯矩图Nm9272KFMFM2FMaF在在a-a 截面：截面：Nm4632/1LFMFaF4) 绘制合成弯矩图绘制合成弯矩图Nm140022aFaHaVaMMMMNm1328)(22aFaHaVaMMMMMaMaM2F三、弯矩合成图三、弯矩合成图1） 求轴传递的转矩求轴传递的转矩2）求危险截面的当量弯矩）求危险截面的当量弯矩22)( TMMaeNm12702/2dFTtT扭切应力为脉动循环变应力：扭切应力为脉动循环变应力：=0.6 MaMaM2FMeMeNmMNmMee16001480求考虑到键槽对轴的削弱，将求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大值增大4%，故得：，故得：mmd67四、计算危险截面处轴的直径四、计算危险截面处轴的直径 33601 .0101600311.0beMdmm4.64选选45钢，调质，钢，调质，B =650 MPa, -1b =60 MPa 符合直径系列。符合直径系列。 轴的刚度不足，在工作中会产生过大的变形，轴的刚度不足，在工作中会产生过大的变形，从而影响轴上零件的工作能力，甚至导致轴的破坏。从而影响轴上零件的工作能力，甚至导致轴的破坏。二、二、 扭转刚度计