轴(工业06级)

1、本章目录本章目录工程应用工程应用问题思考问题思考 轴是直接支持传动零件和其它轴是直接支持传动零件和其它轴上零件以传递运动和动力的重要轴上零件以传递运动和动力的重要零件。机器的工作能力和工作质量零件。机器的工作能力和工作质量在很大程度上与轴有关。轴一般都在很大程度上与轴有关。轴一般都是非标准件。本部分包括是非标准件。本部分包括轴的分类轴的分类、轴的、轴的结构设计结构设计、轴的强度计算、轴的强度计算、减少应力集中、改善受力、减少应力集中、改善受力、轴系组轴系组装装、轴系结构举例与改错轴系结构举例与改错等内容。等内容。总目录总目录教学要求教学要求重点难点重点难点本章目录分目录分目录上一页上一页 1.

2、概 述 2. 轴 的 结 构 设 计3. 轴的工作能力计算1. 概 述一、轴一、轴 的的 分分 类类二、轴二、轴 的的 材材 料料三、轴设计的主要问题三、轴设计的主要问题上一页上一页分目录分目录分目录分目录上一页上一页一、轴的分类一、轴的分类轴的分类轴的分类分目录分目录上一页上一页返回返回轴的分类轴的分类分目录分目录上一页上一页返回返回轴的分类轴的分类分目录分目录上一页上一页返回返回轴的分类轴的分类分目录分目录上一页上一页返回返回轴的分类轴的分类分目录分目录上一页上一页返回返回轴的分类轴的分类分目录分目录上一页上一页轴的分类轴的分类分目录分目录上一页上一页返回返回轴的分类轴的分类分目录分目录上

3、一页上一页常用轴的材料常用轴的材料（详见表（详见表13-1） ：二、轴的材料二、轴的材料对轴材料的要求：对轴材料的要求：足够的强度；足够的强度；足够的冲击韧性、抗磨损性和抗腐蚀性；足够的冲击韧性、抗磨损性和抗腐蚀性；应力集中小；应力集中小；良好的工艺性；良好的工艺性；能通过各种热处理方式提高轴的疲劳强度。能通过各种热处理方式提高轴的疲劳强度。碳素钢碳素钢合金钢合金钢铸铸 铁铁最常用的是最常用的是4545钢（正火或调质）。钢（正火或调质）。碳钢比合金钢价廉，碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性对应力集中的敏感性小，应用广泛。小，应用广泛。具有较高的强度，具有较高的强度，可淬性也较好，可可淬性也较

4、好，可以在传递大功率并以在传递大功率并要求减少质量和提要求减少质量和提高轴颈耐磨性时采高轴颈耐磨性时采用用。高强度铸铁和球墨铸铁有良好的工艺高强度铸铁和球墨铸铁有良好的工艺性，并具有价廉、吸振性和耐磨性好性，并具有价廉、吸振性和耐磨性好以及对应力集中敏感性小等优点，适以及对应力集中敏感性小等优点，适用于制造结构形状复杂的轴。用于制造结构形状复杂的轴。三、轴设计的主要问题三、轴设计的主要问题分目录分目录上一页上一页1. 轴的结构设计：轴的结构设计：根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。工艺等方面的要求，合理地确定轴

5、的结构形式和尺寸。2. 轴的强度计算：轴的强度计算：多数情况下轴的工作能力主要取决于轴的多数情况下轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。3. 轴的刚度计算：轴的刚度计算：对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。弹性变形。4. 轴的稳定性计算：轴的稳定性计算：对高速运转的轴，还应进行振动稳定性对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。计算

6、，以防止发生共振而破坏。2. 轴的结构设计轴的结构设计分目录分目录上一页上一页拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案轴上零件的固定轴上零件的固定各轴段直径和长度的确定各轴段直径和长度的确定提高轴的强度的措施提高轴的强度的措施轴系设计举例轴系设计举例轴的结构工艺性轴的结构工艺性轴系结构改错轴系结构改错轴的结构要求轴的结构要求分目录分目录上一页上一页一、轴的结构要求一、轴的结构要求轴及轴上零件有准确的工作位置；轴及轴上零件有准确的工作位置；轴上零件便于装拆；轴上零件便于装拆；轴具有良好的制造工艺性；轴具有良好的制造工艺性；轴的结构有利于强度和刚度提高。轴的结构有利于强度和刚度提高。返回返回二

7、、拟定轴上零件的装配方二、拟定轴上零件的装配方案案 拟定轴上零件的装配方案是进行轴结构设计的前提，它决定着轴的拟定轴上零件的装配方案是进行轴结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件装配方向、顺序和基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件装配方向、顺序和相互关系。如下图：相互关系。如下图：轴系组装仿真：轴系组装仿真：斜齿轮轴系斜齿轮轴系分目录分目录上一页上一页锥齿轮轴系锥齿轮轴系分目录分目录上一页上一页轴系组装仿真轴系组装仿真 斜齿轮轴系轴系组装仿真轴系组装仿真分目录分目录上一页上一页 锥齿轮轴系返回返回分目录分目录上一页上一页三、轴上零件的固定三、轴上零

8、件的固定零件在轴上的轴向定位与固定：零件在轴上的轴向定位与固定： 为防止零件在载荷作用下轴向移动，保证零件的准确工作位置，零件在轴上必须作轴向定位与固定。常用轴向定位与固定方法有：5. 圆锥形轴头圆锥形轴头1. 轴肩轴肩2. 挡圈挡圈3. 圆螺母圆螺母4. 套筒套筒分目录分目录上一页上一页零件在轴上的轴向定位零件在轴上的轴向定位轴肩轴肩分目录分目录上一页上一页注意注意：raCa, rara。2、轴肩高度应大于零件孔的倒角或圆角；1、轴肩过渡圆角应小于零件孔的倒角或圆角；零件在轴上的轴向定位零件在轴上的轴向定位轴肩轴肩返返 回回分目录分目录上一页上一页零件在轴上的轴向固定零件在轴上的轴向固定挡圈

9、挡圈（标准件）（标准件）返返 回回分目录分目录上一页上一页零件在轴上的轴向固定零件在轴上的轴向固定圆螺母圆螺母返返 回回分目录分目录上一页上一页零件在轴上的轴向固定零件在轴上的轴向固定套筒套筒返返 回回分目录分目录上一页上一页零件在轴上的轴向固定零件在轴上的轴向固定圆锥形轴头圆锥形轴头分目录分目录上一页上一页三、轴上零件的固定三、轴上零件的固定零件在轴上的周向固定零件在轴上的周向固定 为了满足机器传递运动和扭矩的要求，轴上零件必须作可靠的周向固定，常用的周向固定方法有：1.1.键连接键连接3.3.销连接销连接4.4.过盈连接过盈连接2.2.花键连接花键连接返回返回零件在轴上的周向固定零件在轴上

10、的周向固定分目录分目录上一页上一页返返 回回零件在轴上的周向固定零件在轴上的周向固定分目录分目录上一页上一页返返 回回零件在轴上的周向固定零件在轴上的周向固定分目录分目录上一页上一页返返 回回零件在轴上的周向固定零件在轴上的周向固定分目录分目录上一页上一页返返 回回分目录分目录上一页上一页四、各轴段直径和长度的确定四、各轴段直径和长度的确定1、直径的确定、直径的确定有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。 安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈）部位的轴径 应取为相应的标准值及所选配合的公差。2、长度的确定、长度的确定 轴的各段长度主要根据各零件与配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定。

11、 *为保证轴向定位可靠，轴毂配合部分的轴段长度应比轮毂长度短 2 3mm。*旋转件至固定件间要留有适当的距离返回返回分目录分目录上一页上一页五、提高轴的强度的措施五、提高轴的强度的措施 为了提高轴的承载能力，减小轴的尺寸，可从以下两个方面采取措施：改善受力改善受力减少应力集中减少应力集中返回返回改善受力改善受力改进轴上零件结构，减少轴受弯矩改进轴上零件结构，减少轴受弯矩分目录分目录上一页上一页改善受力改善受力改变支点位置，改善轴的强度和刚度改变支点位置，改善轴的强度和刚度分目录分目录上一页上一页改善受力改善受力采用力平衡或局部相互抵消的办法减小轴的载荷采用力平衡或局部相互抵消的办法减小轴的载荷

12、分目录分目录上一页上一页返返 回回减少应力集中减少应力集中分目录分目录上一页上一页减少应力集中减少应力集中分目录分目录上一页上一页减少应力集中减少应力集中分目录分目录上一页上一页减少应力集中减少应力集中分目录分目录上一页上一页返返 回回分目录分目录上一页上一页六、轴的结构工艺性六、轴的结构工艺性 # 为便于轴的加工，轴上台阶应尽可能少，台阶高度应尽可能小 非定位轴肩高度a =13 mm；# 需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的段，应留有退刀槽。# 为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键槽 应布置在轴的同一母线上# 为了便于装配零件并去毛刺，轴端应倒角；返返 回回轴系设计举

13、例轴系设计举例请完成如图所示的轴系设计。请完成如图所示的轴系设计。请选择齿轮的装配方向请选择齿轮的装配方向分目录分目录上一页上一页分目录分目录上一页上一页返返 回回轴系设计举例轴系设计举例 分目录分目录上一页上一页轴系结构改错轴系结构改错图中有一处错误，请改正。错误原因错误原因r c 使得轴上零件与轴肩的配合不够紧密，无法定位。分目录分目录上一页上一页轴系结构改错轴系结构改错图中有四处错误，请改正。错误原因错误原因3.轴左段直径过大，圆螺母无法装入。1.轴肩太高，滚动轴承无法拆卸。2.轴上未留退刀槽，不便于螺纹加工。4.应轴短毂长。分目录分目录上一页上一页轴系结构改错轴系结构改错图中有三处错误

14、，请改正。错误原因错误原因3.滚动轴承内圈与轴的配合为过盈配合，无需键连接。1.轮毂上键槽未开通，零件无法装入。2.套筒无法装入应改为轴肩。轴系结构改错轴系结构改错分目录分目录上一页上一页图中有三处错误，请改正。错误原因错误原因3. 同一轴上的两个平键应布置在同一母线，否则不便于轴的加工。1. 左端键太长，套筒无法装入。2. 轮毂上键槽未开通，右端齿轮无法装入。轴的设计计算轴的设计计算分目录分目录上一页上一页设计步骤设计步骤：返返 回回轴的设计计算轴的设计计算强度计算强度计算分目录分目录上一页上一页强度计算强度计算受转矩受转矩 T ( N.mm ) 的实心圆轴，其切应力的实心圆轴，其切应力 M

15、Pa 2 . 0/1055. 936TTTdnPWT写成设计公式，轴的最小直径写成设计公式，轴的最小直径 mm 2 . 01055. 9 336nPAnPdT分目录分目录上一页上一页 T轴所受的转矩，轴所受的转矩，Nmm； WT轴的抗扭截面系数，轴的抗扭截面系数，mm3； P轴传递的功率，轴传递的功率，kW； n轴的转速，轴的转速，r/min； d计算截面处轴的直径，计算截面处轴的直径，mm； T许用切应力，许用切应力，MPa； A与轴材料有关的系数，可由与轴材料有关的系数，可由 表查得表查得(P230 (P230 表表13-2)13-2) 。注意：注意：当轴上有键槽时适当增大轴径：单键增大3

16、%，双键增大7%。返返 回回强度计算强度计算分目录分目录上一页上一页分目录分目录上一页上一页 轴完成结构设计后，轴上零件的位置均已确定，则外载荷和支点反力的作用点也随之而定。画出轴的空间受力简图后，即可进行强度计算，其计算步骤如下： 1. 1.将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图, ,求出水平面上和垂直面上的支点反力求出水平面上和垂直面上的支点反力（P231 P231 图图13-1313-13）。 2. 2.分别作出水平面上的弯矩分别作出水平面上的弯矩 M MH H图和垂直面上的弯矩图和垂直面上的弯矩 M MV V图。图。 3.3.作出合成弯

17、矩作出合成弯矩 图。图。22VHMMM4.4.作出转矩作出转矩T T图图（P231）。5.5.计算当量弯矩计算当量弯矩2ca)(2TMM式中为考虑弯矩与扭矩的性质不同而引入的应力校正系数。通常弯曲应力为对称循环变化，而扭转切应力随工作情况而变化。2. 2. 按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算分目录分目录上一页上一页当转矩稳定不变时当转矩稳定不变时: 3011. bb6 . 001bb 111 bb当转矩脉动变化时当转矩脉动变化时:当转矩对称变化时（轴频繁正反转）当转矩对称变化时（轴频繁正反转）:其中其中 1b-0b b1 、分别为静应力、脉动应力和对称分别为静应力、脉动应力和对称应力下轴的许

18、用弯曲应力。应力下轴的许用弯曲应力。6. 6. 校核危险截面的强度。校核危险截面的强度。bdMWM131 . 0cacaca或或3ca11 . 0bMd式中式中 W-W-轴的抗弯截面系数。轴的抗弯截面系数。 2. 2. 按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页

19、工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页工程应用工程应用分目录分目录上一页上一页分目录分目录上一页上一页轴的设计步骤轴的设计步骤一、选择轴的材料、定许用应力二、按扭矩估算轴的最小轴径三、结构设计、确定各轴段直径、长度四、轴的强度校核五、绘制轴的工作图一般选择：一般选择：4545钢（正火或调质），查钢（正火或调质），查P225 P225 表表13-113-1，定抗拉强度，定抗拉强度已知条件：各轴的输入功率已知条件：各轴的输入功率P、转速转速n、扭矩扭矩T。（二）（二）传动零件的设计计算传动零件的设计计算：( (三三) ) 轴的设计计算轴的设计计算： 步骤：

20、步骤：一、一、 选材料、定许用弯曲应力：选材料、定许用弯曲应力：Mpa590bb1（查（查P232 P232 表表13-313-3）=54MPa=54MPa二、二、 按扭矩估算轴的最小直径：按扭矩估算轴的最小直径：mm 3nPAd A查表查表P230 表表13-2110115 查表查表P117，选，选择联轴器（凸缘、滑块、弹性柱销）标准件，选出牌号择联轴器（凸缘、滑块、弹性柱销）标准件，选出牌号mm 3nPAd 假设计算假设计算d=36.7mm，取多少呢？，取多少呢？轴径根据联轴器孔径尺寸轴径根据联轴器孔径尺寸（P122）确定确定TCA=KAT（P246 表表14-1）nd确定确定d尺寸尺寸

21、联轴器处轴直径最小联轴器处轴直径最小1. 画结构草图：画结构草图：三、结构设计（参考三、结构设计（参考P226 图图13-7 ）：）：定位轴肩定位轴肩h=(0.070.1)d。安装轴承盖、密封圈安装轴承盖、密封圈安装轴承安装轴承装配轴肩，装配轴肩，高度不用高度不用算，能圆算，能圆整就行整就行分目录分目录上一页上一页譬如选深沟球轴承譬如选深沟球轴承挡油环挡油环 P42 图图15-15分目录分目录上一页上一页13mm分目录分目录上一页上一页d1d2d3d4d5d62. 尺寸确定：尺寸确定： 直径确定：直径确定：d1=38mmd2=d1+2h1=38+23.5=45mm （ P133 表表13-10

22、 ） 密封圈是标准件密封圈是标准件 轴承也是标准件轴承也是标准件d3=d2+2h2=50mm装配轴肩，不需计算装配轴肩，不需计算d4=52mm（齿轮非标准件，轴不可太粗）（齿轮非标准件，轴不可太粗）d5=d4+2h=52+25=62mmd6=d3=50mm分目录分目录上一页上一页2. 尺寸确定：尺寸确定： 长度确定：长度确定：长度长度1：由联轴器：由联轴器长度确定，注意长度确定，注意用短的和轴配合用短的和轴配合的那段长度的那段长度P122；B20长度长度2：不设计箱体，无法确定，与轴承盖尺寸有关；：不设计箱体，无法确定，与轴承盖尺寸有关；10-15查表（查表（P29-30）可查出）可查出5-1

23、0长度长度3：（B+202）mm；长度长度4：（齿轮（齿轮b2-2）mm；10-15长度长度5+6：（B+20）mm； 配合代号的确定：配合代号的确定：50k650k652H7/r6分目录分目录上一页上一页四、强度校核：四、强度校核：B2010-155-1010-15跨距跨距L=齿轮宽齿轮宽b2+220+B 齿轮圆周力和齿轮圆周力和径向力需转化到径向力需转化到轴承上去轴承上去FrFt 画轴的空间受力简图：画轴的空间受力简图：分目录分目录上一页上一页FrFt 求支反力、画弯距图：求支反力、画弯距图：水平平面水平平面垂直平面垂直平面FrFV1FV2FtFH1FH2弯距：左顺右逆为正弯距：左顺右逆为正参考参考P231 图图13-13MH