河海机械设计轴

河海机械设计轴第1页，共53页，2023年，2月20日，星期二二、类型：

1、按承载情况分：

转轴——同时承受扭矩和弯矩

应用：应用最为广泛，如减速器和变速箱中的轴第2页，共53页，2023年，2月20日，星期二心轴——只受弯矩，不受转矩转动心轴固定心轴应用：机车轮轴应用：自行车前轮轴第3页，共53页，2023年，2月20日，星期二传动轴——传递转矩而不承受弯矩（或弯矩很小）应用：广泛应用于车辆前后桥之间第4页，共53页，2023年，2月20日，星期二2、按轴线形状分

直轴：阶梯轴

光轴曲轴：

钢丝软轴

空心轴第5页，共53页，2023年，2月20日，星期二一、对轴材料的要求：1)足够的强度、刚度、耐磨性2)应力集中的敏感性小3)良好的机械加工工艺性4)能通过热处理方式提高疲劳强度5)材料来源和经济性§14-2轴的材料第6页，共53页，2023年，2月20日，星期二碳素钢比合金钢价廉，应力集中的敏感性较低，适用于一般要求的轴。合金钢的力学性能和淬火性能好，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下采用。一般工作温度下（低于200℃），碳素钢和合金钢的弹性模量相差不多，因此刚度相差不多。二、轴的材料轴的材料主要是碳素钢和合金钢，毛坯多用轧制圆钢和锻件高强度铸铁和球墨铸铁用于制造外形复杂的轴。价廉、良好的吸振性和耐磨性，对应力集中的敏感性较低等优点，质较脆。第7页，共53页，2023年，2月20日，星期二轴的设计内容：一、轴的结构设计根据轴的功能要求，确定轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方案，合理地确定轴的形状和尺寸。二、轴的工作能力计算1）强度计算---防止轴的断裂和塑性变形。2）刚度计算---防止轴过大的弹性变形（对刚度要求高的轴，应按刚度条件来设计轴的尺寸）。3）振动稳定性计算---防止轴发生共振破坏（对高速或载荷作周期变化运转的轴，应按临界转速条件进行轴的稳定性计算）。第8页，共53页，2023年，2月20日，星期二同一工作要求的轴，其结构设计的结果具有多样性§14-3轴的结构设计轴的结构应满足的要求：1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置

2）轴上的零件应便于装拆和调整

3）具有良好的制造和装配工艺性

4）使轴受力合理

5）有利于节约原材料和减轻重量；第9页，共53页，2023年，2月20日，星期二轴颈－轴上被支承的部分轴头－安装轮毂的部分轴身－连接轴颈与轴头的部分轴颈轴头轴身轴颈和轴头的直径应按规范选取圆整尺寸（滚动轴承），并要求较高的加工精度和较低的表面粗糙度。第10页，共53页，2023年，2月20日，星期二第11页，共53页，2023年，2月20日，星期二轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上零件，并且生产率高，成本低。一般地说，轴的结构越简单，工艺性越好。一、轴的结构工艺性1、要磨削加工的轴段，应有砂轮越程槽；要切制螺纹的轴段，应有退刀槽。第12页，共53页，2023年，2月20日，星期二2、为减少装夹时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置（或投影）在同一母线上。第13页，共53页，2023年，2月20日，星期二3、为了便于装配并去掉毛刺，轴端应制出45°的倒角4、为了减少刀具种类和提高生产率，轴上直径相近的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸。第14页，共53页，2023年，2月20日，星期二定位－轴上零件处于正确的工作位置二、零件的轴向定位和固定固定－轴上零件牢固地保持某一位置常用的轴向定位和固定方法：2、套筒4、轴端挡圈6、弹性挡圈3、圆螺母8、锥面1、轴肩或轴环5、轴承端盖7、锁紧挡圈、紧定螺钉或销第15页，共53页，2023年，2月20日，星期二1）轴肩和轴环错误正确第16页，共53页，2023年，2月20日，星期二注意：ra＜C＜a,ra＜r＜a。第17页，共53页，2023年，2月20日，星期二2）套筒错误正确轴肩高度<滚动轴承内圈高度第18页，共53页，2023年，2月20日，星期二3）圆螺母4）轴端挡圈用套筒、圆螺母、轴端挡圈进行轴向定位时，要求L轴<L毂第19页，共53页，2023年，2月20日，星期二6）弹性挡圈

错误5）轴承端盖

第20页，共53页，2023年，2月20日，星期二7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销8）圆锥面（+挡圈、螺母）第21页，共53页，2023年，2月20日，星期二三、零件的周向定位1）键2）花键3）紧定螺钉、销4）过盈配合第22页，共53页，2023年，2月20日，星期二1）合理布置轴上零件，减小轴的载荷。转矩由一个传动件输入,几个传动件输出时,为了减小轴上扭矩,应将输入件放在中间,而不要置于一端。四、改善轴的受力情况、提高轴的强度第23页，共53页，2023年，2月20日，星期二2）改进轴上零件的结构，减小轴的载荷。图中b方案(双联)均优于a方案(分装)，因为a方案中轴Ⅰ既受弯矩又受扭矩，而b方案中轴Ⅰ只受扭矩。第24页，共53页，2023年，2月20日，星期二3）改进轴的结构，减少应力集中。轴通常在变应力条件下工作，轴的截面尺寸突变处产生应力集中①轴肩采用较大的过渡圆角降低应力集中。对定位轴肩，必须保证零件得到可靠的定位。②当轴肩定位零件的圆角半径很小时，为增大轴肩圆角半径，可采用内凹圆角或隔离环。

第25页，共53页，2023年，2月20日，星期二③轴与轮毂过盈配合时，开卸载槽或增大配合处直径。第26页，共53页，2023年，2月20日，星期二④盘状铣刀加工的键槽比用键槽铣刀加工的键槽在过渡处对轴的截面削弱较为平缓，应力集中较小；⑤渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小⑥切制螺纹处的应力集中较大，应尽量避免在受载较大的区段切制。⑦打穿的销孔比未打穿的销孔应力集中小第27页，共53页，2023年，2月20日，星期二4）改进轴的表面质量，提高轴的疲劳强度。轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。对应力集中敏感的高强度材料制作轴时，表面质量应特别注意。表面强化处理可使轴的表层产生预压应力，提高轴的抗疲劳能力。表面强化处理的方法有：①表面高频淬火等热处理；②表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；③碾压、喷丸等强化处理。第28页，共53页，2023年，2月20日，星期二轴系结构改错四处错误正确答案三处错误正确答案第29页，共53页，2023年，2月20日，星期二两处错误1.左侧键太长，套筒无法装入2.多个键应位于同一母线上第30页，共53页，2023年，2月20日，星期二尽可能使结构紧凑，同时保证各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙轴上安装零件的轴向尺寸又往往与相应各段轴径d有关。如齿轮、带轮的轮毂长度可取L=（0.5-2）d为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2～3mm。轴段长度的确定：第31页，共53页，2023年，2月20日，星期二第32页，共53页，2023年，2月20日，星期二改错:第33页，共53页，2023年，2月20日，星期二通常在完成轴的结构设计后，进行校核计算，计算准则是满足轴的强度和刚度要求。按扭转强度计算（传动轴）§14-4轴的强度计算按弯曲强度计算（心轴）按弯扭合成强度计算（转轴）根据轴的具体受载和应力情况，采取相应的计算方法。按安全系数校核计算（重要的轴）第34页，共53页，2023年，2月20日，星期二1、按扭转强度初步估算轴的最小直径按轴的扭矩初步估算轴的最小直径dmin

，然后按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐一确定各段轴的直径。轴的直径确定：轴的结构设计前，通常可求得轴的扭矩。但不知道轴上支反力的作用点，不能决定弯矩载荷的大小与分布情况，不能按轴所受的全部载荷及其的应力来确定轴的直径。第35页，共53页，2023年，2月20日，星期二3、圆整有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封圈等)部位的轴径，应取为相应的标准值及配合公差。轴的直径可凭经验取定，或参考同类机械用类比的方法确定。用经验公式来估算轴的直径。如一般减速器，高速输入轴的直径可按与之相联的电机轴的直径D估算：d=（0.8-1.2）D；各级低速轴的轴径可按同级齿轮中心距a估算：d=（0.3-0.4）a。

2、根据实践经验确定轴的直径第36页，共53页，2023年，2月20日，星期二对于只承受转矩T(N.mm)的实心圆轴，其强度条件写成设计公式，轴的最小直径上两式中：WT——轴的抗扭截面系数，mm3；P——轴传递的功率，kW；n——轴的转速，r/min；[τ]——许用切应力，MPa；C——与轴材料有关的系数，可由表查得。对于既传递转矩又承受弯矩的轴宜取较小的[τ]值。一、按扭转强度计算第37页，共53页，2023年，2月20日，星期二常用几种轴材料的[τT]值和C值轴的材料Q235、20354540Cr、35SiMn[τT]15~2520~3525~4535~55(MPa)C149~126135~112126~103112~97有一个键槽有两个键槽轴径d＞100mm轴径增大3%轴径增大7%轴径d≤100mm轴径增大5%～7%轴径增大10%～15%考虑键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径第38页，共53页，2023年，2月20日，星期二二、按弯曲强度计算对于受纯弯矩的心轴，其强度计算公式第39页，共53页，2023年，2月20日，星期二扭转强度估算轴段直径各支反力的作用点轴上的弯矩载荷的大小与分布全部载荷及其引起的应力轴的危险截面强度校核/直径计算结构设计转矩载荷轴段的长度三、按弯扭合成强度条件计算第40页，共53页，2023年，2月20日，星期二对于钢制的轴，按第三强度理论（最大切应力理论）求出危险截面的当量应力，其强度条件为：式中：第41页，共53页，2023年，2月20日，星期二当转矩稳定不变时，当转矩脉动变化时，当转矩对称变化时（轴频繁正反转），分别为静应力、脉动应力、对称应力下轴的许用弯曲应力，单位均为MPa,其值见表14-3。

α为考虑弯曲应力与扭转切应力的循环特性不同而引入的折合系数。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。考虑和的循环特性不同第42页，共53页，2023年，2月20日，星期二计算步骤如下：2.轴上作用力分解到水平面和垂直面，求出水平面上支反力FH和垂直面上的支反力FV

。4.合成弯矩图。3.水平面的弯矩MH图和垂直面的弯矩MV图。1.轴的受力情况简化成计算简图，即建立力学模型第43页，共53页，2023年，2月20日，星期二7.校核危险截面的强度（计算危险截面轴径）。或6.当量弯矩，画出当量弯矩图。5.转矩T图。第44页，共53页，2023年，2月20日，星期二已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N,径向力Fr=6410N，轴向力Fa=2860N，齿轮分度圆直径d2=146mm，作用在轴右端带轮上的外力F=4500N（方向未定），L=193mm，k=206mm。求减速器输出轴危险截面的直径。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期二求垂直面的支反力（图b)求水平面的支反力（图c)F力在支点的反力（图d)垂直面弯矩（图b)水平面弯矩（图c)F力产生的弯矩（图d)合成弯矩（图e)轴传递的转矩（图f)危险截面的当量弯矩危险截面的直径将轴的实际受力情况简化为计算简图，建立力学模型第46页，共53页，2023年，2月20日，星期二四、轴的安全系数校核计算1、疲劳强度安全系数校核第47页，共53页，2023年，2月20日，星期二2、静强度校核——校核轴对塑性变形的抵抗能力第48页，共53页，2023年，2月20日，星期二§14-5轴的刚度计算一.轴的弯曲刚度校核计算轴的弯曲刚度条件挠度y≤[y]偏转角θ≤[θ]

[y]和[θ]分别为轴的许用挠度及许用偏转角。

轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角θ来度量。对于光轴，可用挠度