机械设计 第15章 轴

1、杜永平轴1. 分类分类第十五章第十五章 轴轴 一、概述一、概述按轴心线形状分按轴心线形状分曲轴（曲轴（crank shaft）几何轴线不在同一条直线上的轴几何轴线不在同一条直线上的轴轴是用来支撑回转零件、传递运动和动力轴是用来支撑回转零件、传递运动和动力所有回转零件都必须支撑在轴上。所有回转零件都必须支撑在轴上。杜永平轴直轴直轴几何轴线在同一条几何轴线在同一条直线上的轴直线上的轴钢丝软轴（钢丝软轴（flexible shaft）由多组钢丝分由多组钢丝分层卷绕而成，层卷绕而成，有良好的挠性有良好的挠性杜永平轴心轴（心轴（mandrel）按传递载荷分按传递载荷分只承受弯矩不只承受弯矩不受扭矩的轴受

2、扭矩的轴杜永平轴传动轴传动轴(transmission shaft)主要受扭矩或主要受扭矩或弯矩很小的轴弯矩很小的轴转轴转轴既受弯矩又既受弯矩又受扭矩的轴受扭矩的轴杜永平轴光轴（光轴（plain shaft）阶梯轴（阶梯轴（stepped shaft）空心轴（空心轴（hollow shaft）实心轴（实心轴（solid shaft） 从加工工艺上考虑，最好做成直轴，但轴从加工工艺上考虑，最好做成直轴，但轴上零件不好固定；上零件不好固定； 从受力角度考虑，最好是等强度的抛物线从受力角度考虑，最好是等强度的抛物线回转体，但不好加工，零件也不好固定；回转体，但不好加工，零件也不好固定； 所以，轴都做

3、成阶梯轴。所以，轴都做成阶梯轴。 按轴的外形分按轴的外形分形状简单，形状简单，加工方便，加工方便，轴上零件装轴上零件装配定位困难配定位困难能满足定位能满足定位和装配方便和装配方便的需要的需要杜永平轴2. 轴的材料轴的材料 碳素钢碳素钢常用常用30、40、45号钢号钢 合金钢合金钢40Cr、40CrNi、20Cr、38SiMnMo价格便宜，对应力集中敏感性小，为了保证价格便宜，对应力集中敏感性小，为了保证机械性能，应进行调质或正火处理。机械性能，应进行调质或正火处理。具有较高的机械强度，更好的淬火性能，所具有较高的机械强度，更好的淬火性能，所以，在传递大功率、减轻重量、提高轴颈耐以，在传递大功率

4、、减轻重量、提高轴颈耐磨性时采用。磨性时采用。杜永平轴强度和刚度计算；强度和刚度计算；振动稳定性计算振动稳定性计算 ；结构设计。结构设计。3. 轴设计的主要内容轴设计的主要内容 铸铁铸铁QT6003、QT8002 选择轴的材料和热处理方式时，主要考虑强度选择轴的材料和热处理方式时，主要考虑强度和耐磨性，而不是轴的弯曲和扭转刚度。和耐磨性，而不是轴的弯曲和扭转刚度。 易做成复杂的外形，价廉，具有良好的吸振性易做成复杂的外形，价廉，具有良好的吸振性和耐磨性，对应力集中敏感性较低，但铸造品和耐磨性，对应力集中敏感性较低，但铸造品质难控制，可靠性较差质难控制，可靠性较差 杜永平轴二、轴的结构设计二、轴

5、的结构设计杜永平轴轴在机器中的安装位置及形式；轴在机器中的安装位置及形式；轴上零件的类型、尺寸、数量；轴上零件的类型、尺寸、数量； 轴上载荷的性质、大小、方向及分布；轴上载荷的性质、大小、方向及分布； 轴承的类型、尺寸和布置；轴承的类型、尺寸和布置；轴的毛坯和加工工艺；轴的毛坯和加工工艺；轴上零件的装配方案。轴上零件的装配方案。1. 影响轴结构的因素影响轴结构的因素杜永平轴装装配配方方案案对对轴轴结结构构的的影影响响一一端端装装配配两两端端装装配配杜永平轴2. 轴的结构应满足的条件轴的结构应满足的条件 装在轴上的零件有准确的工作位置；装在轴上的零件有准确的工作位置； 便于零件的拆装和调整；便于

6、零件的拆装和调整； 具有良好的加工工艺性。具有良好的加工工艺性。杜永平轴轴与轴承配合的部分轴与轴承配合的部分轴颈（轴颈（neck of shaft）轴头（轴头（axle-neck）3. 轴各段的名称轴各段的名称轴肩（轴肩（shaft shoulder）轴身轴身轴和回转零件的配合部分轴和回转零件的配合部分轴的直径变化所轴的直径变化所形成的阶梯处形成的阶梯处联接轴颈和联接轴颈和轴头的部分轴头的部分杜永平轴 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案选方案时，应尽量减少轴上零件的个数、轴选方案时，应尽量减少轴上零件的个数、轴自重，有好的加工工艺性和合理的受力自重，有好的加工工艺性和合理的受力 4.

7、 轴的结构设计方法轴的结构设计方法 确定轴的基本直径和各段长度确定轴的基本直径和各段长度2 . 01095534TTdnP 3033434min 2 . 010955 2 . 010955nPAnPnPdTT n轴的转速（轴的转速（rmin）P轴传递的功率（轴传递的功率（kW） 许用扭转剪应力（许用扭转剪应力（MPa）A0系数，查表系数，查表153T 杜永平轴对空心轴：对空心轴：d100mm时：时： 单键槽增大单键槽增大3%，双键槽增大，双键槽增大7%；d100mm时：时： 单键槽增大单键槽增大57%，双键槽增大，双键槽增大1015%340min)1( nPAd空心轴内外径比系数空心轴内外径比

8、系数 6 60 05 50 0.1 ，一一般般dd杜永平轴 轴上零件的轴向定位轴上零件的轴向定位轴肩定位轴肩定位定位轴肩的高度定位轴肩的高度h(0.070.1)d 非定位轴肩高度非定位轴肩高度为为12mm杜永平轴 套筒定位套筒定位用于两个零件之间的定位，不易用于较大距用于两个零件之间的定位，不易用于较大距离两零件之间的轴向定位，不易用于高速旋离两零件之间的轴向定位，不易用于高速旋转之处转之处套筒套筒轴长比轮毂宽度轴长比轮毂宽度短短23mm杜永平轴 轴端挡圈定位轴端挡圈定位 圆螺母定位圆螺母定位可以承受较大的轴向力，可以承受较大的轴向力，适用于轴端零件的定位适用于轴端零件的定位可承受大的轴向力，

9、有应力集中，可承受大的轴向力，有应力集中，用于轴端零件的定位。用于轴端零件的定位。杜永平轴 轴承端盖定位轴承端盖定位用于整个轴的轴向定位用于整个轴的轴向定位轴承端盖轴承端盖(透盖透盖)轴轴承承端端盖盖(闷闷盖盖)杜永平轴 弹性档圈定位弹性档圈定位 紧定螺钉定位紧定螺钉定位 锁紧档圈定位锁紧档圈定位只只能能承承受受不不大大的的轴轴向向力力杜永平轴适用于有冲击载适用于有冲击载荷和同心度要求荷和同心度要求较高的场合较高的场合键、花键、过盈配合、紧定螺钉键、花键、过盈配合、紧定螺钉圆锥面定位圆锥面定位轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位杜永平轴5. 轴的结构工艺性轴的结构工艺性尽量增大过渡圆角半径，轴

10、上各处的圆角半尽量增大过渡圆角半径，轴上各处的圆角半径应尽可能统一径应尽可能统一为便于装配零件，应去毛为便于装配零件，应去毛刺，轴端制出刺，轴端制出45倒角倒角进行磨削加工要进行磨削加工要有砂轮越程槽有砂轮越程槽要车制螺纹，需要车制螺纹，需要退刀槽要退刀槽键槽应置于同一直线上键槽应置于同一直线上杜永平轴三、轴的计算三、轴的计算1. 轴的强度校核计算轴的强度校核计算 按弯扭合成强度条件计算按弯扭合成强度条件计算 画出扭矩图（画出扭矩图（T） 水平力水平力FNH和和MH MH 和和MV的合成的合成22VHMMM 计算弯矩计算弯矩22)( TMMca 垂直力垂直力FNV和和MV杜永平轴22)( TM

11、Mca 考虑扭矩和弯矩作用性质差异的系数考虑扭矩和弯矩作用性质差异的系数按扭转切应力性质取：按扭转切应力性质取：静应力，静应力，脉动循环应力，脉动循环应力，对称循环应力，对称循环应力， 0.3 0.6 1 强度校核强度校核)(122 WTMWMcaca杜永平轴 轴承支点位置的确定轴承支点位置的确定滚动轴承：宽度的中点；滚动轴承：宽度的中点；取值取值滑动轴承按滑动轴承按dBBedB5 . 0 时时，当当1 1dedB5 . 0 时时，当当1 1B)35. 025. 0(但但不不少少于于Be5 . 0 调调心心轴轴承承，杜永平轴 按疲劳强度精确校核按疲劳强度精确校核只有法向应力时只有法向应力时SS

12、SSSSca 22 SKSma 1只有扭转剪应力时只有扭转剪应力时SKSma 1杜永平轴 安全系数安全系数材料均匀、载荷与应力计算精确时，材料均匀、载荷与应力计算精确时，S1.31.5材料不够均匀、计算精度较低时，材料不够均匀、计算精度较低时，S1.51.8材料均匀性和计算精度很低，或轴的直径材料均匀性和计算精度很低，或轴的直径d200mm时，时，S1.82.5杜永平轴 不满足要求时可采取的措施不满足要求时可采取的措施结构设计上降低应力集中的影响结构设计上降低应力集中的影响增大过渡圆角半径；增大过渡圆角半径；不在受载区加工螺纹；不在受载区加工螺纹；放松轴与零件的配合。放松轴与零件的配合。杜永平

13、轴采用能强化机械性能的工艺方法采用能强化机械性能的工艺方法减小表面粗糙度减小表面粗糙度表面强化处理表面强化处理表面碾压、喷丸处理表面碾压、喷丸处理表面高频淬火表面高频淬火渗碳渗碳氰化氰化氮化氮化用高强度材料，或加大轴的直径。用高强度材料，或加大轴的直径。 按静强度校核按静强度校核适用于瞬时过载很大，或应力适用于瞬时过载很大，或应力循环不对称性较为严重的轴循环不对称性较为严重的轴 强度条件强度条件SSSSSScaSSSSSS 22 杜永平轴SS按屈服强度的设计安全系数按屈服强度的设计安全系数高塑性材料轴高塑性材料轴4 . 12 . 1)6 . 0( SB， s s中塑性材料轴中塑性材料轴8 .

14、14 . 1)8 . 06 . 0( SB， s s低塑性材料轴，低塑性材料轴，S1.82铸造轴，铸造轴，S23SSca危险截面静强度的计算安全系数危险截面静强度的计算安全系数杜永平轴只考虑弯矩和轴向力时的安全系数只考虑弯矩和轴向力时的安全系数 SS)(maxmaxAFWMSSS 材料的抗弯屈服极限材料的抗弯屈服极限S Mmax轴危险截面上的最大弯矩轴危险截面上的最大弯矩Fmax轴危险截面上的最大轴向力轴危险截面上的最大轴向力A轴的危险截面的面积轴的危险截面的面积W危险截面的抗弯截面系数危险截面的抗弯截面系数杜永平轴TSSWTSmax 只考虑扭矩时的安全系数只考虑扭矩时的安全系数 SS材料的抗

15、扭屈服极限材料的抗扭屈服极限S SS )62. 055. 0( Tmax轴危险截面上的最大扭矩轴危险截面上的最大扭矩WT危险截面的抗扭截面系数危险截面的抗扭截面系数杜永平轴2. 轴的刚度校核计算轴的刚度校核计算 轴的弯曲刚度校核轴的弯曲刚度校核414 ziiivdlLdyy li阶梯轴第阶梯轴第i 段的长度段的长度di阶梯轴第阶梯轴第i 段的直径段的直径L阶梯轴的计算长度阶梯轴的计算长度z阶梯轴计算长度内的轴段数阶梯轴计算长度内的轴段数y轴的允许挠度，查表轴的允许挠度，查表155载荷作用于两支承之间时，载荷作用于两支承之间时，Ll（支承跨矩）（支承跨矩）载荷作用于悬臂端时，载荷作用于悬臂端时，Ll+K （悬臂长度）悬臂长度） 轴的允许偏转角，查表轴的允许偏转角，查表155 杜永平轴 轴的扭转刚度校核轴的扭转刚度校核光轴：光轴：1073. 54 PGIT阶梯轴：阶梯轴：11073. 514 ziPiiiIlTLGT轴所受的扭矩轴所受的扭矩G轴材料的剪切弹性模量轴材料的剪切弹