轴（航空机械课件）

课题：基于齿轮、带轮及轴承设计的单级齿轮减速器高速轴系结构设计1

本课题以带式输送机传动系统为设计对象，针对已确定的传动方案，进行轴系的结构设计及寿命校核。一、课题陈述：2二、课题训练目的：掌握轴系结构的设计、校核原则及方法

熟悉轴系传动零件的定位、固定及调整方式

能够判断不同轴系结构方案的优缺点3三、预备知识

带传动设计齿轮传动设计轴承设计弯扭组合变形力学分析计算

4四、本课题新知识点概述1轴的结构设计

2轴的强度校核3轴的使用与维护451、概述1.1轴的功用与分类

1、功用

轴主要是用来支承作旋转运动的零件，如齿轮、带轮等，以传递运动和动力。

2、分类

按载荷分类：心轴、传动轴、转轴

按结构分类：光轴、阶梯轴、曲轴、弹性软轴6轴的常用材料是碳素钢和合金钢。常用碳素钢为30、35、40、45、50号钢，其中最常用的是45号钢。为了提高轴的机械性能，应进行调质或正火处理。对受力小或不重要的轴，可用Q235、Q275等普通碳素钢。1.2轴的材料7合金钢比碳素钢具有更高的机械强度和更好的淬火性能，但对应力集中比较敏感，价格也较贵，因此多用于强度和耐磨性要求较高、要求重量和尺寸较小或非常湿、有腐蚀性介质的场合。常用的中碳合金钢有40Cr、35SiMn、40MnB等。低碳合金钢20Cr、20CrMnTi经渗碳淬火后，表面耐磨性和心部韧性都比较好，适于制造耐磨和承受冲击载荷的轴。8材料牌号及热处理毛坯直径

mm硬度

HBS强度极限MPa屈服极限MPa弯曲疲劳极限MPa应

用

说

明Q235440240200用于不重要或载荷不大的轴35正火≤100149～187520270250有好的塑性和适当的强度，可做一般的曲轴和转轴45正火≤100170～217600300275用于较重要的轴，应用最为广泛45调质≤200217～25565036030040Cr调质251000800500用于载荷较大且无很大冲击的重要轴≤100241～286750550350100～300241～26670055034040MnB调质251000800485性能接近于40Cr，用于重要的轴≤200241～28675050033535CrMo调质≤100207～269750550390用于重载荷的轴20Cr渗碳淬火回火15表面HRC56～62850550375用于要求强度、韧性及耐磨性均较高的轴≤60650400280轴的常用材料牌号、机械性能及应用举例92.1影响轴结构的因素轴的结构主要与下列因素有关：①载荷的性质、大小、方向及分布情况；②轴上零件的数目和布置情况；③零件在轴上的定位及固定方法；④轴承的类型及尺寸；⑤轴的加工工艺及装配方法等。2、轴的结构设计101．轴颈、轴头和轴身轴的典型结构如图所示，轴和轴承配合的部分称为轴颈，其直径应符合轴承内径标准；轴上安装轮毂的部分称为轴头，其直径应与相配零件的轮毂内径一致，并采用标准直径。2.2轴的结构设计11轴上零件的轴向定位和固定方式常用的有轴肩、轴环、锁紧挡圈、套筒、圆螺母和止动垫圈、弹性挡圈、轴端挡圈及圆锥面等。

装配

特点和应用2．轴上零件的轴向定位及固定12轴上零件周向固定的目的是为了传递转矩和防止零件与轴产生相对转动。

应用3．轴上零件的周向固定131）轴的结构形状和尺寸在尽量满足加工、装配和维修要求的前提下，应力求简单，阶梯数尽可能少。2）螺纹轴段有退刀槽，磨削轴段要有越程槽3）不同轴段均有键槽，应布置在同一母线上。4）轴端有倒角，便于装配。轴径变化处有圆角，减小应力集中。5）轴上键槽、圆角、倒角、退刀槽、越程槽应尽可能采用同一尺寸。4．轴的结构工艺性14（1）改善轴的受载情况为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支撑形式，力求缩短支撑跨距及悬臂长度。5．提高轴的强度的措施15轴上零件的合理布置16轴上零件的合理设计17（2）减少应力集中的措施为了减少直径突变处的应力集中，提高轴的疲劳强度，应适当增大轴肩处的圆角半径。18减小轴肩应力集中的措施19减小过盈配合处应力集中的措施20

轴系的装配、拆卸21思考题试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。22比较231．计算法按转矩初步计算轴端直径的强度条件是3轴的强度校核计算3.1最小轴径的确定241022.4459011.223.647.59512.5255010013.226.5531061428561121530601181631.5631251733.5671321835.5711401937.57515020408016021.242.585170 标准直径系列（摘自GB2822—81）25对于与电机轴联接的轴，可取轴径，d电为电机伸出轴的轴端直径。2．经验法26弯扭组合强度计算一般用第三强度理论，其强度条件为3.2轴的强度校核27材

料

b[

+1]b[

0]b[

−1]b碳素钢40013070405001707545600200955570023011065合金钢80027013075100033015090铸钢40010050305001207040轴的许用弯曲应力28（2）按扭转强度，初估轴的最小直径（3）确定齿轮和轴承的润滑（4）轴系的初步设计（5）轴的结构设计29轴的设计实例轴的结构设计及强度校核举例：设计如图所示的单级直齿圆柱齿轮减速器的高速轴。30314.1轴的使用和检查①轴在使用前，应注意轴和轴上零件固联要可靠；轴和轴上有相对移动和转动的零件的间隙应适当；轴颈润滑应符合要求，润滑不当，是使轴颈非正常磨损的重要原因。4轴的使用与维护32②轴在使用中，应避免突加、突减负载或超载，尤其是对新配滑动轴瓦的轴和使用已久的轴更应注意，以防疲劳断裂和弯扭变形。33③在机器大修或中修时，通常应检查轴有无裂纹、弯曲、扭曲及轴颈磨损等，如不合要求应进行修复和更换。裂纹常发生在应力集中处，由此导致轴的疲劳断裂，应予以注意。轴上的裂纹可用放大镜和磁力探伤器等检查。轴颈的最大磨损量为测得的最小直径同公称径之差，当超过规定值时应进行修磨。34对于液体润滑轴承中的轴颈，应检查其圆度和圆柱度，因为失圆的轴颈运转时，会使油膜压力波动，不仅加速轴瓦材料的疲劳损坏，也增加了轴瓦和轴颈的直接接触，使磨损加剧。轴上花键的磨损，可通过检查配合的齿侧间隙或用标准花键套在花键轴上检查。351．轴弯曲变形的校正2．轴颈磨损的修复3．花键、键槽、螺纹的修复4.2轴的维修36轴弯曲变形的校正37轴颈磨损的镶套修复38花键键槽的修复39课后作业分组讨论：圆锥—圆柱齿轮减速器轴系结构40谢谢各位，再会41分类转

轴心

轴传

动

轴回

转

心

轴静

止

心

轴同时承受弯矩M和转矩T

只承受弯矩M只承受弯矩M只承受转矩T应力弯曲应力为对称循环应力，扭转应力一般为变应力弯曲应力为对称循环应力弯曲应力在静载荷下为静应力扭转应力通常按变应力考虑 轴的分类（按所承受载荷）42光轴43阶梯轴44曲轴45钢丝软轴46轴的结构47轴向固定方法及结构简图特点和应用设计注意要点轴肩与轴环简单可靠，不需附加零件，能承受较大的轴向力；广泛应用于各种轴上零件固定；该方法会使轴径增大，阶梯处形成应力集中，且阶梯过多将不利于加工为保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径ｒ应小于零件圆角半径Ｒ或倒角Ｃ，即r＜C＜a，r＜R＜a。一般取定位高度a=(0.07～0.1)d，轴环宽度b=1.4a套筒简单可靠，简化了轴的结构且不削弱轴的强度；常用于轴上两个近距离零件间的相对固定；不宜用于高度转轴套筒内径与轴的配合较松，套筒结构、尺寸可视需要灵活设计轴端挡圈工作可靠，能承受较大轴向力，应用广泛只用于轴端；常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定 轴上零件的轴向固定方法及应用48轴向固定方法及结构简图特点和应用设计注意要点锥面拆装方便，且可兼作周向固定；宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合只用于轴端；常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定圆螺母固定可靠，可承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙调整；常用于轴上两零件间距较大处［如图(a)所示］，亦可用于轴端［如图(b)所示］为减小对轴强度的削弱，常用细牙螺纹；为防松，须加止动垫圈或使用双螺母弹性挡圈结构紧凑、简单，装拆方便，但受力较小，且轴上切槽将引起应力集中；常用于轴承的固定轴上车槽尺寸见GB894.1—86紧定螺钉与锁紧挡圈结构简单，但受力较小，且不适于高速场合续表49套筒固定50轴径d10～1818～3030～5050～8080～120120～180R或CR1或C1国0.8国国1.6国国1.0国国2.0国国1.6国国3.0国国2.0国国4.0国国2.5国国5.0国国3.0国国6.0国零件倒圆与倒角（摘自GB6403.8—86）51导向圆锥面52砂轮越程槽螺纹退刀槽5354第14章轴概述14.1轴的结构设计

14.2轴的强度校核14.3轴的使用与维护14.45514.1概述14.1.1轴的功用与分类

1、功用

轴主要是用来支承作旋转运动的零件，如齿轮、带轮等，以传递运动和动力。

2、分类

按载荷分类：心轴、传动轴、转轴

按结构分类：光轴、阶梯轴、曲轴、弹性软轴56轴的常用材料是碳素钢和合金钢。常用碳素钢为30、35、40、45、50号钢，其中最常用的是45号钢。为了提高轴的机械性能，应进行调质或正火处理。对受力小或不重要的轴，可用Q235、Q275等普通碳素钢。14.1.2轴的材料57合金钢比碳素钢具有更高的机械强度和更好的淬火性能，但对应力集中比较敏感，价格也较贵，因此多用于强度和耐磨性要求较高、要求重量和尺寸较小或非常湿、有腐蚀性介质的场合。常用的中碳合金钢有40Cr、35SiMn、40MnB等。低碳合金钢20Cr、20CrMnTi经渗碳淬火后，表面耐磨性和心部韧性都比较好，适于制造耐磨和承受冲击载荷的轴。58材料牌号及热处理毛坯直径

mm硬度

HBS强度极限MPa屈服极限MPa弯曲疲劳极限MPa应

用

说

明Q235440240200用于不重要或载荷不大的轴35正火≤100149～187520270250有好的塑性和适当的强度，可做一般的曲轴和转轴45正火≤100170～217600300275用于较重要的轴，应用最为广泛45调质≤200217～25565036030040Cr调质251000800500用于载荷较大且无很大冲击的重要轴≤100241～286750550350100～300241～26670055034040MnB调质251000800485性能接近于40Cr，用于重要的轴≤200241～28675050033535CrMo调质≤100207～269750550390用于重载荷的轴20Cr渗碳淬火回火15表面HRC56～62850550375用于要求强度、韧性及耐磨性均较高的轴≤60650400280轴的常用材料牌号、机械性能及应用举例5914.2.1影响轴结构的因素轴的结构主要与下列因素有关：①载荷的性质、大小、方向及分布情况；②轴上零件的数目和布置情况；③零件在轴上的定位及固定方法；④轴承的类型及尺寸；⑤轴的加工工艺及装配方法等。14.2轴的结构设计601．轴颈、轴头和轴身轴的典型结构如图所示，轴和轴承配合的部分称为轴颈，其直径应符合轴承内径标准；轴上安装轮毂的部分称为轴头，其直径应与相配零件的轮毂内径一致，并采用标准直径。14.2.2轴的结构设计61轴上零件的轴向定位和固定方式常用的有轴肩、轴环、锁紧挡圈、套筒、圆螺母和止动垫圈、弹性挡圈、轴端挡圈及圆锥面等。

装配

特点和应用2．轴上零件的轴向定位及固定62轴上零件周向固定的目的是为了传递转矩和防止零件与轴产生相对转动。

应用3．轴上零件的周向固定631）轴的结构形状和尺寸在尽量满足加工、装配和维修要求的前提下，应力求简单，阶梯数尽可能少。2）螺纹轴段有退刀槽，磨削轴段要有越程槽3）不同轴段均有键槽，应布置在同一母线上。4）轴端有倒角，便于装配。轴径变化处有圆角，减小应力集中。5）轴上键槽、圆角、倒角、退刀槽、越程槽应尽可能采用同一尺寸。4．轴的结构工艺性64（1）改善轴的受载情况为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支撑形式，力求缩短支撑跨距及悬臂长度。5．提高轴的强度的措施65轴上零件的合理布置66轴上零件的合理设计67（2）减少应力集中的措施为了减少直径突变处的应力集中，提高轴的疲劳强度，应适当增大轴肩处的圆角半径。68减小轴肩应力集中的措施69减小过盈配合处应力集中的措施70

轴系的装配、拆卸71思考题试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。72比较731．计算法按转矩初步计算轴端直径的强度条件是14.3轴的强度校核计算14.3.1最小轴径的确定741022.4459011.223.647.59512.5255010013.226.5531061428561121530601181631.5631251733.5671321835.5711401937.57515020408016021.242.585170 标准直径系列（摘自GB2822—81）75对于与电机轴联接的轴，可取轴径，d电为电机伸出轴的轴端直径。2．经验法76弯扭组合强度计算一般用第三强度理论，其强度条件为14.3.2轴的强度校核77材

料

b[

+1]b[

0]b[

−1]b碳素钢40013070405001707545600200955570023011065合金钢80027013075100033015090铸钢40010050305001207040轴的许用弯曲应力78（2）按扭转强度，初估轴的最小直径（3）确定齿轮和轴承的润滑（4）轴系的初步设计（5）轴的结构设计79轴的设计实例轴的结构设计及强度校核举例：设计如图所示的单级直齿圆柱齿轮减速器的高速轴。808114.4.1轴的使用和检查①轴在使用前，应注意轴和轴上零件固联要可靠；轴和轴上有相对移动和转动的零件的间隙应适当；轴颈润滑应符合要求，润滑不当，是使轴颈非正常磨损的重要原因。14.4轴的使用与维护82②轴在使用中，应避免突加、突减负载或超载，尤其是对新配滑动轴瓦的轴和使用已久的轴更应注意，以防疲劳断裂和弯扭变形。83③在机器大修或中修时，通常应检查轴有无裂纹、弯曲、扭曲及轴颈磨损等，如不合要求应进行修复和更换。裂纹常发生在应力集中处，由此导致轴的疲劳断裂，应予以注意。轴上的裂纹可用放大镜和磁力探伤器等检查。轴颈的最大磨损量为测得的最小直径同公称径之差，当超过规定值时应进行修磨。84对于液体润滑轴承中的轴颈，应检查其圆度和圆柱度，因为失圆的轴颈运转时，会使油膜压力波动，不仅加速轴瓦材料的疲劳损坏，也增加了轴瓦和轴颈的直接接触，使磨损加剧。轴上花键的磨损，可通过检查配合的齿侧间隙或用标准花键套在花键轴上检查。851．轴弯曲变形的校正2．轴颈磨损的修复3．花键、键槽、螺纹的修复14.4.2轴的维修86轴弯曲变形的校正87轴颈磨损的镶套修复88花键键槽的修复89谢谢90分类转

轴心

轴传

动

轴回

转

心

轴静

止

心

轴同时承受弯矩M和转矩T

只承受弯矩M只承受弯矩M只承受转矩T应力弯曲应力为对称循环应力，扭转应力一般为变应力弯曲应力为对称循环应力弯曲应力在静载荷下为静应力扭转应力通常按变应力考虑表14-1 轴的分类（按所承受载荷）91光轴92阶梯轴93曲轴94钢丝软轴95轴的结构96轴向固定方法及结构简图特点和应用设计注意要点轴肩与轴环简