轴结构设计及计算PPT课件

1、3.2.5.1 轴的结构设计l轴的结构分析 轴主要由轴颈、 轴头、 轴身三部分组成(如下图)。 轴上被支承的部分为轴颈，如图中， 段； 安装轮毂的部分称做轴头，如图中，段； 联接轴颈和轴头的部分称做轴身，如图中，段。 第1页/共51页l轴径向尺寸的确定 为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形，它的直径从轴端逐渐向中间增大。齿轮、 套筒、左端滚动轴承、轴承端盖和联轴器可按顺序从左端装拆，右端轴承从右端装拆。因而，为了便于装拆齿轮，轴段的直径应比轴段略大一些；为了便于左端滚动轴承的装拆，轴段的直径应比轴段略大一些。其中轴段， ， ， 的径向尺寸必须符合轴承、 联轴器和密封圈内径的标准系列和技术要

2、求（相应标准查机械设计手册）。 3.2.5.1 轴的结构设计第2页/共51页l轴径向尺寸的确定 齿轮用轴环和套筒作轴向固定，用平键作圆周方向的固定。为使套筒能顶住齿轮，应使轴段的长度l4小于齿轮轮毂宽度b。装在轴段上的滚动轴承， 用套筒和轴承盖固定其轴向位置。装在轴段上的滚动轴承用轴肩和轴承盖固定其轴向位置。轴承内圈在圆周方向上的固定是靠内圈与轴之间的配合实现的。 3.2.5.1 轴的结构设计第3页/共51页l轴的结构设计的要求 轴应便于加工，具有良好的工艺性； 轴上零件位置合理并易于拆装和调整； 轴上零件的轴向、周向定位准确，固定可靠； 尽量减少应力集中，有利于提高轴的强度和刚度。3.2.5

3、.1 轴的结构设计第4页/共51页(1)便于轴上零件的装 轴的结构外形主要取决于轴在箱体上的安装位置及形式，轴上零件的布置和固定方式，受力情况和加工工艺等。为了便于轴上零件的装拆，将轴制成阶梯轴，中间直径最大，向两端逐渐直径减小。近似为等强度轴。3.2.5.1 轴的结构设计第5页/共51页(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定轴向定位的固定(a)轴肩或轴环 为保证轴上零件紧靠定位面，轴肩和轴环的的圆角半径R必须小于相配零件的倒角C1或圆角R1。轴肩高度h必须大于R1，一般h=(0.07d+3)(0.1d+5)mm或h(23)C1。轴环的宽度b=1.4h。安装滚动轴承处轴肩的圆角半径和高度查阅轴

4、承安装标准来确定。非定位轴肩可取h1.52mm。3.2.5.1 轴的结构设计第6页/共51页3.2.5.1 轴的结构设计第7页/共51页(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定轴向定位的固定(b)套筒和圆螺母 当轴上零件距离较近时采用套筒作相对 固定。套筒定位可简化轴的结构，减少轴径的变化，减少轴的应力集中。 当套筒太长时，可采用圆螺母作轴向固定。此时须在轴上加工螺纹，将会引起较大的应力集中，轴段横截面面积减小，影响轴的疲劳寿命。3.2.5.1 轴的结构设计第8页/共51页圆螺母定位(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定轴向定位的固定(b)套筒和圆螺母 止动垫圈固定3.2.5.1 轴的结构设计第

5、9页/共51页(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定轴向定位的固定(c)弹性挡圈和紧定螺钉 这两种固定方法结构简单，只能承受较小的轴向力，或用于仅仅为了防止零件偶然轴向移动的场合 。3.2.5.1 轴的结构设计第10页/共51页弹性挡圈固定 (2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 轴向定位的固定 (c)弹性挡圈和紧定螺钉 紧定螺钉固定 3.2.5.1 轴的结构设计第11页/共51页(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定轴向定位的固定(d)轴端挡圈、圆锥面 轴端挡圈与轴肩、圆锥面联合使用，常用于轴端起到双向固定，锥面配合能保证较高的同轴度。装拆方便，多用于轴上零件与轴段同轴度要求较高或轴承受剧烈

6、振动和冲击的场合。 用套筒、螺母和轴端挡圈作轴向固定时，轴上零件的轴段长度应比零件的轮毂长度短23mm，以保证压紧零件，防止串动。3.2.5.1 轴的结构设计第12页/共51页 轴端压板 (2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定轴向定位的固定(d)轴端挡圈圆锥面 3.2.5.1 轴的结构设计第13页/共51页轴上零件的轴向定位和固定方法3.2.5.1 轴的结构设计第14页/共51页3.2.5.1 轴的结构设计第15页/共51页3.2.5.1 轴的结构设计第16页/共51页(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定周向定位与固定图3-2-59 零件在轴上周向固定的形式 零件在轴上作周向固定是为了传递转

7、矩和防止零件与轴产生相对转动。常用的方式有键联接、花键联接、销联接，成形联接及过盈配合联接。紧定螺钉也可起周向固定作用。3.2.5.1 轴的结构设计第17页/共51页（3）轴的加工和装配工艺性好 轴的形状要力求简单，阶梯数应尽可能少。 轴颈、轴头的直径应取标准值。直径的大小由与之相配合的零件的内孔决定。 为了便于轴上零件的装配，轴端应加工出45倒角，与零件过盈配合时，轴的装入端常需加工出导向圆锥面。 轴身尺寸应取以mm为单位的整数，最好取为偶数或5的整数倍。 轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于加工和检验。 轴上沿长度方向开有几个键槽时，应将键槽安排在轴的同一母线上

8、。 轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽。图3-2-60 砂轮越程槽及螺纹退刀槽3.2.5.1 轴的结构设计第18页/共51页键槽的布置 3060 r63.2.5.1 轴的结构设计第19页/共51页（4）改善轴的结构、受力情况，减少应力集中，改善表面质量 轴大多在变应力下工作，结构设计时应改善轴的受力状况或改善轴的结构，以减少应力集中。 轴截面尺寸变化处会造成应力集中，所以对于阶梯轴，相邻两段轴径变化不宜过大，一般在5l0mm左右；在轴径变化处应平缓过渡，制成圆角，圆角半径尽可能取大些。 3.2.5.1 轴的结构设计第20页/共51页改变轴上零件的布置，有时可以减小轴

9、上的载荷。 输入T1+T2T1T2T1T2输入3.2.5.1 轴的结构设计第21页/共51页改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。 图13.12 卷筒的轮毂结构MmaxMmax3.2.5.1 轴的结构设计第22页/共51页尽量避免各轴段剖面突然改变而引起的局部应力集中，提高轴的疲劳强度。 rba)减载槽b)中间环r30c)凹切圆角3.2.5.1 轴的结构设计第23页/共51页 过盈配合时轴的结构形式(a) 增大配合处轴径； (b) 轴上开减载槽； (c) 毂端开减载槽(a)(b)(c)dd1d1ddabcr 当轴上零件与轴为过盈配合时， 可采用下图结构形式以减少轴配合边缘处的应力集中。3.2

10、.5.1 轴的结构设计第24页/共51页（4）改善轴的结构、受力情况，减少应力集中，改善表面质量 采用定位套筒代替圆螺母和弹性挡圈使零件轴向固定，可避免在轴上制出螺纹、环形槽等，能有效地提高轴的疲劳强度。 轴的表面质量对轴的疲劳强度影响很大。因轴工作时，最大应力发生在轴的表面处，另一方面，由于加工等原因，轴表而易产生微小裂纹，引起应力集中，因此轴的破坏常从表面开始。减小轴的表面粗糙度，或采用渗碳、高频淬火等方式进行表面强化处理，均可以显著提轴的疲劳强度。3.2.5.1 轴的结构设计第25页/共51页 轴的设计要求： 在一般情况下设计轴时，只需考虑强度和结构两个方面。 但对某些旋转精度要求较高的

11、轴，还需保证有足够的刚度。另外，对高速旋转的轴， 还需进行振动稳定性方面的计算。 轴的设计一般按照以下步骤进行： 合理地选择轴的材料； 初估轴的直径， 进行轴的结构设计； 对轴进行强度、 刚度及振动方面的校核计算； 绘出轴的零件工作图。 3.2.5.2 轴的设计计算 第26页/共51页l轴的强度计算 1. 按扭转强度计算：对于传动轴可只按扭矩计算轴的直径；对于转轴，常用此法估算最小直径，然后进行轴的结构设计，并用弯扭合成强度校核。圆轴扭转的强度条件为 639.55 10/ 0.2TTTTP nMPaWd(3-1) 式中：T轴的扭转切应力（MPa）； T轴传递的扭矩（Nmm）； WT轴的抗扭截面

12、系数（mm3）； P轴传递的功率（kW）； n轴的转速（rmin）。 3.2.5.2 轴的设计计算 第27页/共51页由上式可得到轴的设计公式 mmnPAnPdT336 2 . 01055. 9(3-2) 式中：A计算常数，与轴的材料和T值有关，可按表3-3确定。 表3-3 轴常用材料的T和A值 3.2.5.2 轴的设计计算 第28页/共51页 由式3-2求出的d值，一般作为轴的最小直径。若轴段上有键槽，应把算的直径增大，单键增大3%，双键增大7%，然后圆整到标准值 。（见表3-2-5） 各轴段的长度根据安装零件与轴配合部分的轴向尺寸确定，并应考虑保证轴上零件轴向定位的可靠： 与齿轮、联轴器等

13、相配合部分的轴长，一般应比轮毂的长度短2-3mm； 轴颈的长度取决于滚动轴承的宽度尺寸； 轴上转动零件之间或转动件与箱壳内壁之间应留有适当间隙，一般取1015 mm，以防运转时相碰； 装有紧固件(如螺母、挡圈等)的轴段，其长度应保证装拆或调整紧固件时，有一定扳手空间，通常取1520 mm。3.2.5.2 轴的设计计算 第29页/共51页 2. 按弯扭合成强度计算 轴的结构设计初步完成后，通常要对转轴进行弯扭合成强度校核。 对于钢制轴可按第三强度理论计算，强度条件为 ：2213()0.1eebMTMWd(3-3) 式中：e当量应力(Nmm2)； Me当量弯矩(Nmm)，； M危险截面上的合成弯矩

14、， ，MH、MV分别为水平面上、垂直面上的弯矩； 22)( TMMe)(22mmNMMMVHe3.2.5.2 轴的设计计算 第30页/共51页 W轴的抗弯截面系数（mm3），对圆截面轴W0.1d3，d为危险剖面直径； 折合系数。对于不变的转矩，0.3；对于脉动循转矩，0.6；对于对称循环转矩，1。对于频繁正反转的轴， 可视为对称循环交变应力；若扭矩变化规律不清，一般也按脉动循环处理。 111bb6 . 001bb3 . 011bb（3-4） 扭矩对称循环变化 扭矩脉动循环变化 不变的扭矩3.2.5.2 轴的设计计算 第31页/共51页 表3-4中的1b，0b，+1b分别为对称循环、 脉动循环及

15、静应力状态下材料的许用弯曲应力，供设计时选用。 当危险截面有键槽时，应将轴径的计算值增大47。当计算只承受弯矩的心轴时，可利用式(3-3)，此时T=0。 表3-4 轴的许用弯曲应力 3.2.5.2 轴的设计计算 第32页/共51页 弯扭合成强度的计算按下列步骤进行： (1) 绘出轴的计算简图， 标出作用力的方向及作用点的位置。 (2) 取定坐标系，将作用在轴上的力分解为水平分力和垂直分力，并求其支反力。 (3) 分别绘制出水平面和垂直面内的弯矩图。 (4) 计算合成弯矩， 并绘制出合成弯矩图。 (5) 绘制转矩图。 (6) 确定危险剖面， 校核危险剖面的弯扭合成强度。 3.2.5.2 轴的设计

16、计算 第33页/共51页 【例3-1】试设计如图3-1所示斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。已知轴的转速n=80r/min， 传递功率P=3.15 kW。轴上齿轮的参数为：法面模数mn=3 mm，分度圆螺旋角=12，齿数z=94，齿宽b=72 mm。 （1） 选择轴的材料。 减速器功率不大，又无特殊要求，故选最常用的45钢并作正火处理。由表3-1查得B=616 MPa。 3.2.5.2 轴的设计计算 第34页/共51页图3-1 带式输送机3.2.5.2 轴的设计计算 第35页/共51页 (2) 按转矩估算轴的最小直径。 应用式(3-2)估算。由表3-3取A167118(因轴上受较大弯矩)， 于是得：

17、 mmnPAd)18.4043.36(8 .7915. 3)118107(33考虑键槽对轴强度的影响和联轴器标准，取d40 mm。 3.2.5.2 轴的设计计算 第36页/共51页 (3) 轴的结构设计。 根据轴的结构设计要求，轴的结构草图设计如图3-12所示。 轴段，之间应有定位轴肩；轴段，及，之间应设置台阶以利于装配；轴段，及， 之间应有定位轴肩。各轴段的具体设计如下 轴段：轴的输出端用HL4尼龙柱销联轴器， 孔径40 mm，孔长84 mm。取d1=40mm，l1=70mm。 轴段：取轴肩高2.5 mm，作定位用，故d2=45mm，该尺寸还应满足密封件的直径系列要求。该段长度可根据结构和安

18、装要求最后确定。 3.2.5.2 轴的设计计算 第37页/共51页 轴段：齿轮两侧对称安装一对轴承，选择36216，宽度为20mm，取d3=50mm。左轴承用套筒定位，根据轴承对安装尺寸的要求，轴肩高度取3.5mm。该轴段的长度l3的确定如下：齿轮两侧端面至箱体内壁的距离取16mm（箱体铸造精度的要求）。轴承采用脂润滑（润滑方式选用见11.6.1节），为使轴承和箱体内润滑油隔绝， 应设挡油环（兼作套筒定位），为此取轴承端面至箱体内壁的距离为16mm，故挡油环的总宽度为20mm。综合考虑，取l3=45mm。 3.2.5.2 轴的设计计算 第38页/共51页 轴段长度l2：根据箱体箱盖的加工和安装

19、的要求，取箱体轴承孔长度为46mm，轴承端盖和箱体之间应有调整垫片，取其厚度为2mm，轴承端盖厚度取16 mm，端盖和联轴器之间应有一定的间隙，取16 mm。综合考虑，取l2=35mm。 轴段、：考虑设置装配轴肩，取d4=56 mm，该段长度应小于齿轮轮毂宽度， 取l4=68 mm。 由于采用轴环定位，取轴肩高4mm，作定位面，选取最小过渡圆角半径，r=2 mm，取d5=65 mm。取l5=8 mm。 轴段：取d5=d3=50mm。为使齿轮相对壳体对称布置，基于和轴段同样的考虑，取l6=34 mm。这样轴承跨距为132 mm， 由此可进行轴和轴承等的计算。 3.2.5.2 轴的设计计算 第39

20、页/共51页图3-2 轴的结构设计图 3.2.5.2 轴的设计计算 第40页/共51页 (4) 按弯曲和扭转复合强度对轴进行强度计算。 绘出轴的计算简图（如图3-3(a)），根据结构设计参数lAB=lCD=66mm齿轮的受力计算 NFFNFFNdTFmmmmzmdmmNmmNnPTtantrtn48.55412tan61.2608tan67.97012cos20tan61.2608costan61.260830.28825.0313762230.28812cos943cos25.3760318015. 31055. 91055. 911663.2.5.2 轴的设计计算 第41页/共51页 垂直

21、面支反力（如图3-3（d）： NFRMtVCVC31.1304261.26082垂直面弯矩图（如图3-3（e）： MVC=RVBlBC=1304.3166=86 084.16 Nmm 合成弯矩（如图3-3（f）： mmNMMMmmNMMMVCHCVCHC84.4488616.0848619.793264.22211216.084861 .99671222222222211扭矩图（如图3-3（g）：T=376 031.25 Nmm 3.2.5.2 轴的设计计算 第42页/共51页 当量弯矩图（如图3-3（h）：根据B=600 MPa，查表3-4得：-1b=55 MPa。由于转矩有变化，按脉动考虑，取=0.6。 T=0.6376 031.25=225 618.75 NmmMPadMWMmmNTMMeececec35.14561 . 058.9872511 . 058.98725175.61822564.222112)(33422221 校核结果：ec-1b=55 MPa，剖面c的强度满足要求。 3.2.5.2 轴的设计计算 第43页/共51页图3-3 轴的受力分析及弯矩图 第44页/共51页3.2.5.3 轴的刚度计算 轴的刚度包括扭转刚度和弯曲刚度，前者以扭转角度量，