第11章 轴的设计

1、机械设计,萍乡高等专科学校机电系,基本要求: 了解转轴、心轴和传动轴的载荷的特点； 掌握轴的结构设计的方法，熟悉轴上零件的轴向和周向定位方法，明确轴的结构设计中应注意的问题； 掌握轴的三种强度计算方法。 本章重点： 轴的结构设计。,第11章 轴的设计,111 概述 112 轴的失效形式和设计内容 113 轴的材料和毛坯 114 轴的结构设计 115 轴的强度校核计算,基本要求: 了解转轴、心轴和传动轴的载荷的特点； 掌握轴的结构设计的方法，熟悉轴上零件的轴向和周向定位方法，明确轴的结构设计中应注意的问题； 掌握轴的三种强度计算方法。 本章重点： 轴的结构设计。,第11章 轴的设计,111 概述

2、 112 轴的失效形式和设计内容 113 轴的材料和毛坯 114 轴的结构设计 115 轴的强度校核计算,111 概述,1、按载荷性质分类。 2、按形状分类。,轴：支承回转零件的零件。 功用:1、支承旋转零件并传递运动和动力。 2、保证所有轴上零件有确定的轴向工作位置。,一、轴的功用,二、轴的分类,1、按载荷性质分类,心轴：只承受弯矩，不承受转矩。 传动轴：主要承受转矩。 转轴：既承受弯矩，又承受转矩。,2、按形状分类,直轴、曲轴、软轴,三、轴设计解决的问题,1、结构问题 确定轴的形状和尺寸 2、强度问题 防止轴发生疲劳断裂 3、刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形 4、振动稳定性问题 防止轴发

3、生共振,1.拟定轴上零件装配方案 2.估算轴的最小直径min 3.确定各段直径及长度 4.确定轴的结构要素,轴的结构设计,轴的强度计算,其它计算,1.刚度计算 2.振动稳定性计算( 临界转速),1.许用切应力法(扭转强度) 2.许用弯曲应力法( 弯扭合成强度 ) 3.安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算,112 轴的失效形式和设计内容,轴的失效形式 疲劳断裂，塑性变形， 过大弯曲变形和扭转变形。,轴的设计内容 1、选择材料、毛坯形式及热处理方法。 2、结构设计：轴上零件的定位和固定，轴的结构和尺寸，轴的加工方法。 3、轴的强度计算,113 轴的材料和毛坯,2、球墨铸铁: QT400-18、

4、QT600-2,轴的材料，见表111 1、钢： 碳素钢 ：优质碳素钢: 45，普通碳素钢：Q235、Q275 合金钢：20Cr、20CrMnTi、40Cr、35SiMn,轴的毛坯 轧钢制圆钢（d150mm）、锻造（大批量重要轴）、 铸造（大批量现状复杂）,114 轴的结构设计,一、轴的组成部分,轴肩(轴环)：轴的直径变化所形成的阶梯处,轴头：轴和旋转零件的配合部分 轴颈：轴和轴承配合的部分 轴身：连接轴颈与轴头部分,减速器轴 ,轴身,二、轴的结构设计的要求,3、定位和固定要求： 轴与轴上零件要有准确的工作位置，并牢固地保持这一位置。 4、尽量减少应力集中, 改善轴的受力状态。,1、制造工艺性要

5、求： 轴应有良好的制造工艺，便于加工。 2、装拆要求： 轴上零件要易于装拆、调整。,1、制造工艺性要求,轴应有良好的制造工艺，便于加工,加工方法不同，轴的结构也可能不同 键槽应位于同一母线上；螺纹退刀槽；砂轮越程槽,光轴,等强度轴,阶梯轴,车削,倒角,磨削,砂轮越程槽,2 、装拆要求,轴上零件要易于装拆、调整。 不同的装拆方案，得到不同结构。 轴的直径应圆整成标准值。,阶梯状轴，轴端应有45倒角。 非定位轴肩(便于装配)、定位轴肩(零件定位)。 设计轴肩时应注意: 轴承定位轴肩(套筒)不能过高(以便拆卸)； 轴长应略短于轮毂宽度(保证零件固定)； 轴肩圆角轮毂孔圆角(倒角)。,3 、定位和固定

6、要求,周向固定 轴向定位和固定,轴与轴上零件要有准确的工作位置。 定位：零件有准确的工作位置。 固定：零件在轴上的位置牢固可靠。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,周向定位和固定,常用的周向固定方法： 键、花键、紧定螺钉、过盈配合等,防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩,方法：轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈等。 要求：轴头长度 轮毂的轴向长度。,目的：防止轴上零件工作时发生轴向蹿动。,轴向定位和固定,1）零件的轴向定位,（1）轴肩和轴环,要求：r轴R孔或r轴C孔,错误,正确,（2）套筒,（3）轴用圆螺母,错误,正确,轴肩高度滚动轴承内圈高度,轴向定位和固定,轴肩

7、和轴环,轴肩与轴环由定位面和过度圆角组成。 为保证零件端面能靠紧定位面，轴肩(环)圆角半径r必须小于零件毂孔的圆角半径R或倒角高度C; 轴肩(环)高度h应大于C1和R，为了有足够的强度来承受轴向力，轴肩高： h=R(C)+(0.52)mm，或h=(0.070.1)d 。 轴环宽度b1.4h 。,R、C见P306表F3,轴向定位和固定,轴套（套筒）,轴套适用于轴上两个相距较近零件之间的定位，其两个端面为定位面。为使轴上零件定位可靠，应使 轴段长度比零件毂长短l=23mm， 非定位轴肩高h=12mm 。,1,2,3,4,l,同一轴径轴段上不能安装三个以上零件。,注意：与标准零件相配合轴径应取标准植

8、,各轴段长度,转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙。,各轴段与其上相配合零件宽度相对应,轴的结构工艺性,1）轴肩圆角r,2）轴端倒角,3）砂轮越程槽,4）螺纹退刀槽,尽量减少应力集中： 轴肩处要有过渡圆角。 相邻轴径的变化不宜太大。,4 、尽量减少应力集中, 改善轴的受力状态,改善零件位置及结构, 以改善轴的受力状态。,结构示例1,轴的结构设计图,轴的结构设计图,结构示例2：结构改错, 轴承没定位 轴向定位不确定 轴承装错 无调整垫片 端盖端面无凹坑加工量大, 无定位轴肩 端盖无密封 键槽太长 无非定位轴肩 套筒太高,轴系结构改错,四处错误,正确答案,三处错误,正确答案,两处错误,1.左侧键

9、太长，套筒无法装入 2.多个键应位于同一母线上,轴的计算流程：,机器的结构,轴的长度 轴上零件的位置,载荷计算简图,力的分 析简化,强度计算,轴径,轴的结构设计,计算方法： 按扭转强度计算 按弯扭合成强度计算,115 轴的强度校核计算,一、按扭转强度计算,用于：只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算,结构设计前按扭矩初估轴的最小直径dmin,强度条件,设计公式,放大轴径：一个键槽：3% 二个键槽：7% 取标准植,轴上有键槽时：,P：轴传递的功率kw n：轴的转速r/min A：与轴材料有关系数,二、按弯扭合成强度条件计算,条件：已知支点、扭距，弯矩,二、按弯扭合成强度条件计算,条件：已知支点

10、、扭距，弯矩,二、按弯扭合成强度条件计算,条件：已知支点、扭距，弯矩,步骤：,1、作轴的空间受力简图,RBH,RBV,RDH,RDV,RBH,RBV,RDH,RDV,二、按弯扭合成强度条件计算,条件：已知支点、扭距，弯矩,步骤：,1、作轴的空间受力简图,2、求水平面支反力RBH、RDH、作水平面弯矩图,RBH,RDH,3、求垂直平面内支反力RBV、RDV，作垂直平面内的弯矩图,4、作合成弯矩图,RBV,RDV,5、作扭矩图,6、作当量弯矩图,为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数,7、校核 危险截面轴的强度,设计公式,轴结构设计步骤,1.拟定轴上零件装配方案不同的结构,说明： 轴上有单键，直径增大3

11、 % ;有双键,直径增大7 % P传递的功率(kw) ; n轴的转速(r/min) ; d轴的直径(mm) 。,2.估算轴的最小直径（只计转矩按扭转强度）,3.确定轴的各段直径及长度,由外向内定各段直径,由内向外定各段长度,4.确定轴上零件周向固定及结构要素,解：1 求输出轴上的功率P3、转速n3，和转矩T 2求作用在齿轮上的力 3初步估算轴的最小直径，选取联轴器。 4轴的结构设计 (1)拟定轴上零件的装配方案； (2)根据轴向定位及固定要求，确定轴的各段直径和长度； (3)轴上零件的周向固定； (4)定出轴肩处的圆角半径r的值； 5选择轴的材料，确定许用应力； 6画轴的计算简图，计算支反力； 7、画