轴系结构设计与轴的常用材料及其机械性能

1、 轴系结构设计.1 高速轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构及使用要求,把该轴设计成阶梯轴且为齿轮轴,共分七段,其中第5段为齿轮,如图2所示: 图2由于结构及工作需要将该轴定为齿轮轴,因此其材料须与齿轮材料相同,均为合金钢,热处理为调制处理, 材料系数为110。所以,有该轴的最小轴径为: 考虑到该段开键槽的影响,轴径增大6%,于是有: 标准化取其他各段轴径、长度的设计计算依据和过程见下表:表6 高速轴结构尺寸设计阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第1段(考虑键槽影响)21.762560第2段(由唇形密封圈尺寸确定)30(27.848)50第3段由轴承尺寸确定(轴承预选6007 )352

2、5第4段42.5(41.3)145第5段齿顶圆直径齿宽6570第6段4110第7段3525二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图3)及受力计算 图3L1=92.5 L2=192.5 L3=40 三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表7 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6007轴承A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=12.5kNC0r=8.60kNe=0.68计算Fs=eFr(7类)、Fr/2Y(3类)FsA=1809.55 FsB=1584.66计算比值Fa/FrFaA /FrA>

3、;e FaB /FrB< e确定X、Y值XA= 1,YA = 0, XB =1 YB=0查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=981.039 PB=981.039计算轴承寿命9425.45h小于12480h由计算结果可见轴承6007合格.2 中间轴的轴系结构设计一、轴的结构尺寸设计根据结构几使用要求该轴设计成阶梯轴且为齿轮轴,共分五段,其中第II段和第IV段为齿轮,如图4所示:图4由于结构及工作需要将该轴定为齿轮轴,因此其材料须与齿轮材料相同,均为合金钢,热处理为调制处理,取材料系数 所以,有该轴的最小轴径为: 因键槽开在中间，其影响不预考虑 标准化取其他各段轴

4、径、长度的设计计算依据和过程见下表:表8 中间轴结构尺寸设计阶梯轴段设计计算依据和过程计算结果第1段由轴承尺寸确定(轴承预选6008 )33.64025第2段(考虑键槽影响)45(44.68)77.5第3段5012.5第4段99109第5段 4639第6段4025二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图5)及受力计算L1=51 L2=105.75 L3=106图5由高速轴的受力分析知： 三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表: 表9 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6007A端B端由手册查出Cr、C0

5、r及e、Y值Cr=29kNC0r=19.2kNe=0.68确定X、Y值X= 1 Y=0查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=4976.72 PB=5982.60计算轴承寿命10179.13h小于12480h由计算结果可见轴承6007合格,.3 低速轴的轴系结构设计一、 轴的结构尺寸设计根据结构几使用要求该轴设计成阶梯轴,共分八段,如图6所示:图6考虑到低速轴的载荷较大，材料选用45,热处理调质处理,取材料系数 所以,有该轴的最小轴径为: 考虑到该段开键槽的影响,轴径增大6%,于是有: 标准化取其他各段轴径、长度的设计计算依据和过程见下表:表10 低速轴结构尺寸设计阶梯

6、轴段设计计算依据和过程计算结果第1段(考虑键槽影响)(由联轴器宽度尺寸确定)52.4960(55.64)142第2段(由唇形密封圈尺寸确定)64(63.84)50第3段6616第4段由轴承尺寸确定(轴承预选6014C )7024第5段7875第6段208820第7段齿宽+1080(79.8)119第8段7024二、轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图7)及受力计算图7L1=71.5 L2=119 由中间轴的受力分析知： 三、轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表11 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6

7、014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA<e FaB /FrB> e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。四、轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核由手册查材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由

8、计算结果可见C截面安全。轴的常用材料及其机械性能   轴的材料种类很多，选用时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。    轴的常用材料是优质碳素钢35、45、50，最常用的是45和40Cr钢。对于受载较小或不太重要的钢，也常用Q235或Q275等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。    球墨铸铁和一些高强度铸铁，

9、由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。    特别是我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件，如曲轴等。    根据工作条件要求，轴都要整体热处理，一般是调质，对不重要的轴采用正火处理。对要求高或要求耐磨的轴或轴段要进行表面处理，以及表面强化处理(如喷丸、辐压等)和化学处理(如渗碳、渗氮、氮化等)，以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。&#

10、160;   在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。    轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小时，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，多采用锻件。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。    对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。轴的常用材料及其机械性能(MPa)材料牌号 热处理 毛坯直径(mm) 硬度HB 抗拉强度b 屈服强度s 弯曲疲劳极

11、限-1 扭转疲劳极限-1 许用弯曲应力备  注+1 0 -1 Q235-A - - - 440 240 180 105 125 70 40     用于不重要或载荷不大的轴 20 正火 25 156 420 250 180 100 125 70 40 用于载荷不大，要求韧性较高的场合。 正火回火 100>100300>300500>500700 103156 400380370360 220200190180 165155150145 95908580 125 70 40 35 正火 25 87 540 320 23

12、0 130 165 75 45 用于有一定强度要求和加工塑性要求的轴。 正火回火 100>100300>300500>500750>7501000 149187143187137187 520500480460440 270260240230220 210205190185175 120115110105100 165 75 45 调质 100>100300 156207 560540 300280 230220 130125 175 85 50 45 正火 25 241 610 360 260 150 195 95 55 应用最广泛。 正火回火 100>1

13、00300>300500>500750 170217162217156217 600580560540 300290280270 240235225215 140135130125 195 95 55 调质 200 217255 650 360 270 155 215 100 60 40Cr 调质 25 1000 800 485 280 245 120 70 用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴。 100>100300>300500>500800 241286229269217255 750700650600 550500450350 350320295255 20

14、0185170145 245 120 70 35SiMn42SiMn 调质 25 900 750 445 255 245 120 70 性能接近40Cr，用于中小型轴。 100>100300>300400>400500 229286217269217255196255 800750700650 520450400380 355320295275 205185170160 245 120 70 40MnB 调质 25 1000 800 485 280 245 120 70 性能同40Cr，用于重要的轴。 200 241286 750 500 335 195 245 120 70

15、 40CrNi 调质 25 1000 800 485 280 285 130 75 用于很重要的轴 35CrMo 调质 25 100 850 500 285 245 120 70 性能接近40CrNi，用于重载荷的轴。 100>100300>300500>500800 207269 750700650600 550500450400 350320295270 200185170155 245 120 70 38SiMnMo 调质 100>100300>300500>500800 229286217269196241187241 750700650600 60

16、0550500400 360335310270 210195175155 275 120 70 性能接近于35CrMo。 37SiMn2MoV 调质 25 1000 850 495 285 275 120 70 用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。 200>200400>400600 269302241286241269 880830780 700650600 425395370 245230215 275 120 70 38CrMoAlA 调质 30 229 1000 850 495 285 275 125 75 用于要求耐磨、高强且热处理变形很小的(氮化)轴 20Cr 渗碳淬火回火

17、 1560 表面HRC5662 850650 550400 375280 215160 215 100 60 用于要求强度、韧性均较高的轴(如齿轮轴、蜗杆) 20CrMnTi 渗碳淬火回火 15 表面HRC5662 1100 850 525 300 365 165 100 1Cr13 调质 60 187217 600 420 275 155 275 130 75 用于腐蚀条件下工作的轴。 2Cr13 调质 100 197248 660 450 295 170 275 130 75 1Cr18Ni9Ti 淬火 60>60180>100200 192 550540500 2202002

18、00 205195185 120115105 165 75 45 用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的轴。 QT400-15 - - 156197 400 300 145 125 100 用于结构、形状复杂的轴 QT450-10 - - 170207 450 330 160 140 110 QT500-7 - - 187255 500 380 180 155 125 QT600-3 - - 197269 600 420 215 185 150 注：1. 表中所列疲劳极限数据，均按下式计算-10.27(b+s)，-10.156(b+s)。    2. 其他性

19、能，一般可取s(0.550.62)s，01.4-1，01.5-1。    3. 球墨铸铁-10.36b，-10.31b。    4. 许用静应力+1=b/Sb，许用疲劳应力-1-1/S-1。    5. 选用-1时，重要零件取小值，一般零件取大值。各种发动机曲轴材料及热处理用  途 材  料 预备热处理 最终热处理工艺 硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）轿车、轻型车拖拉机 4550MnQT600-3 正火调质正火 17022821

20、7277229302 感应淬火氮碳共渗：570，180min油冷氮碳共渗：560，180min油冷 24.50.50.1 5563500HV0.1650HV 载重车及拖拉机 QT600-34545 正火正火调质 220260163196207241 感应淬火，自回火感应淬火，自回火感应淬火，自回火 2.93.534.53 4658556355 重型载重车 45QT900-235CrMo 正火正火+回火调质 280321216269 氮碳共渗感应淬火 0.91.235 300HV105358 大马力柴油机 QT600-335CrNi3Mo35CrMoQT600-3 正火+回火调质+稳定化处理调质

21、正火+回火 240300 渗氮，490，60h离子渗氮，515，40h渗氮，510，120h 0.30.50.7 600HV550HV600HV 各种凸轮轴材料及热处理工艺用  途 材  料 预备热处理 最终热处理工艺 硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）小拖拉机轿车吉普 QT600-3合金铸铁45 正火去应力退火调质 229302241302187229 贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火氮碳共渗感应淬火 0.10.153.06.0 4350700HV颈5563齿4558 载重车拖拉机 45QT600-3 正火去应力退火 163197230280 感应淬

22、火贝氏体等温淬火 2.55.5 颈5563齿455845 重型车 20QT600-350 去应力退火正火 170 渗碳、淬火回火贝氏体等温淬火感应淬火、回火 1.31.71.52.0 586243515963 大马力柴油机 船 20CrMnTi 正火 - 渗碳、淬火、回火 1.72.2 5661机 车50Mn 退火去应力退火 241285 感应淬火    凸轮轴颈 251.54 58625562 45 正火 - 感应淬火、回火 1.32.5 5055 机床主轴材料和热处理工作条件 材  料 热处理 硬  度 原&#

23、160;  因 使用实例 1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速低3)精度要求不高4)稍有冲击载荷，交变载荷可以忽略不计 45 调质处理 220250HB 1)调质后，保证主轴具有一定强度2)精度要求不高 一般机床主轴 1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速略高3)装配精度要求不太高4)冲击和交变载荷可以忽略不计 45   调质后局部整体淬硬4247HRC 1)有足够的强度2)轴颈及配件装拆处得到需要的硬度3)简化热处理操作4)不承受较大冲击载荷 龙门铣床，立式铣床小型立式车床等的主轴 1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速低PV150N

24、3;m/(cm2·s)3)精度要求不很高4)冲击,交变载荷不大 45 正火 170217HB 1)正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性2)轴颈处有滑动摩擦，需要有较高的硬度 C650、C660、C8480等大重型车床主轴 调质 220250HB 轴颈部分 表面淬硬4853HRC 1)与滚动轴承配合2)承受中等，转速较高3)精度要求较高4)交变,冲击载荷较小 40Cr(42MnVB) 淬硬调质后局部淬硬 4247HRC或5257HRC1)为保证有足够的强度，选用40Cr调质2)轴颈和配件装拆处得到需要的硬度3)若无冲击力，硬度要求取高值 齿轮铣床，组合车床等的主轴 1)与滚动轴承配

25、合2)承受中等，转速较高3)精度要求较高4)交变,冲击载荷较小5)工作中受冲击载荷 40Cr(42MnVB) 调质 220250HB 1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)轴颈处得到需要的硬度 铣床，龙门铣床，车床等的主轴 轴颈部分 表面淬硬 4853HRC 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷，转速较高PV400N·m/(cm2·s)3)承受较高的交变和冲击载荷4)精度要求较高 40Cr(42MnVB) 调质处理 220250HB或250280HB 1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3)配件装拆部分有一定硬度 车床主轴或磨床砂轮主轴(80mm以

26、下) 轴颈部分表面淬火 5257HRC 装拆配件处表面淬硬 4853HRC 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷，转速较PV400N·m/(cm2·s)提高3)承受较高的交变和冲击载荷4)精度要求更高 40Cr(42CrMn) 调质处理 表面硬度5661HRC 1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3)配件装拆部分有一定硬度 磨床砂轮主轴 轴颈部分表面淬火 装拆配件处表面淬硬 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷或重载荷PV400N·m/(cm2·s)3)要求轴颈有更高的耐磨性4)精度要求较高5)承受较高的交变，但冲击载荷较小 6

27、5Mn 调质 250280HB 1)调质后有较高的强度2)表面淬硬后提高耐疲劳性能3)获得较高的硬度，提高耐磨性4)表面马氏体易粗大，冲击值低 磨床砂轮主轴 轴颈部分 表面淬硬 59HRC 装拆配件处表面淬硬 5055HRC 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷或重载荷PV400N·m/(cm2·s)3)要求轴颈有更高的耐磨性4)精度要求较高5)承受较高的交变，但冲击载荷较小6)表面硬度和显微组织要求更高 GCr159Mn2V 调质 250280HB59HRC 1)获得高的表面硬度和良好的耐磨性能2)超精磨性好，粗糙度易降低 较高精度的磨床主轴 轴颈部分 表面淬硬 装拆配件处表面淬硬 1)与滑动轴承配合2)受重载荷，转