零件第十五章轴课件

第十五章第十五章 轴轴 第十五章第十五章 轴轴15-1 概述15-2 轴的结构设计15-3 轴的计算第十五章第十五章 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）直轴直轴1、分类、分类钢丝软轴（钢丝软轴（flexible shaft）几何轴线不几何轴线不在同一条直在同一条直线上的轴线上的轴轴是用来支撑回转零轴是用来支撑回转零件、传递运动和动力件、传递运动和动力的的,所有回转零件都必所有回转零件都必须支撑在轴上。须支撑在轴上。几何轴线在几何轴线在同一条直线同一条直线上的轴上的轴由多组钢由多组钢丝分层卷丝分层卷绕而成，绕而成，有良好的有良好的挠性挠性轴心轴（心轴（mandrel）按传递载荷分按传递载荷分只承受只承受弯矩不弯矩不受扭矩受扭矩的轴的轴传动轴传动轴(transmission shaft)主要受主要受扭矩或扭矩或弯矩很弯矩很小的轴小的轴转轴转轴既受弯既受弯矩又受矩又受扭矩的扭矩的轴轴轴传动轴：扭矩传动轴：扭矩T转轴：转轴：T+M心轴心轴:弯矩弯矩M 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，但从加工工艺上考虑，最好做成直轴，但轴上零件不好固定；轴上零件不好固定；从受力角度考虑，最好是等强度的抛物从受力角度考虑，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；线回转体，但不好加工，零件也不好固定；所以，轴都做成阶梯轴。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轴2、轴的材料、轴的材料 碳素钢碳素钢价格便宜，对应价格便宜，对应力集中敏感性小，力集中敏感性小，为了保证机械性为了保证机械性能，应进行调质能，应进行调质或正火处理。或正火处理。常用常用30、40、45号钢号钢 合金钢合金钢具有较高的机械强度，更具有较高的机械强度，更好的淬火性能，所以，在好的淬火性能，所以，在传递大功率、减轻重量、传递大功率、减轻重量、提高轴颈耐磨性时采用。提高轴颈耐磨性时采用。40Cr、40CrNi、20Cr、38SiMnMo 铸铁铸铁QT6003、QT8002 选择轴的材料和热处理方式时，主要考虑强度和耐磨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。性，而不是轴的弯曲和扭转刚度。易做成复杂的外形，价易做成复杂的外形，价廉，具有良好的吸振性廉，具有良好的吸振性和耐磨性，对应力集中和耐磨性，对应力集中敏感性较低，但铸造品敏感性较低，但铸造品质难控制，可靠性较差质难控制，可靠性较差 注意：注意：1）各种钢材、热处理前后其弹性模量差别不大，各种钢材、热处理前后其弹性模量差别不大，因此要提高因此要提高刚度不能用合金钢或通过热处理刚度不能用合金钢或通过热处理 的方法获得。的方法获得。2）合金钢对应力集中敏感性高，设计时必须从结构合金钢对应力集中敏感性高，设计时必须从结构 上采取措施，减轻上采取措施，减轻应力集中，并降低表面粗糙度。应力集中，并降低表面粗糙度。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、轴设计的主要内容轴二、轴的结构设计二、轴的结构设计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、影响轴的结构的因素、影响轴的结构的因素轴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。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轴和回转零件的配合部分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非定位轴肩非定位轴肩联接轴颈和联接轴颈和轴头的部分轴头的部分定位轴肩定位轴肩轴设计任务：设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。15-2轴的结构设计轴的结构设计设计要求：设计要求：1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装)2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)3.各零件要牢固而可靠地相对固定；各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定)4.改善应力状况，减小应力集中。改善应力状况，减小应力集中。轴端挡圈轴端挡圈 带轮带轮 轴承盖轴承盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承典型典型轴系轴系结构结构设计：潘存云装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。车螺纹的轴端应有退刀槽。设计：潘存云 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。渐向中间增大的阶梯状。零件的安装次序一、制造安装要求一、制造安装要求倒角倒角二、轴上零件的定位二、轴上零件的定位 轴肩轴肩-阶梯轴上截面变化之处。阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。轴肩套筒套筒1212设计：潘存云轴向固定轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。双向固定双向固定设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云无法采用套筒或套筒太长时，可采用无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母双圆螺母加以固定。加以固定。轴肩的尺寸要求轴肩的尺寸要求:r C1 或或 r Rb1.4h(与滚动轴承相配合处的与滚动轴承相配合处的h和和b值值,见轴承标准见轴承标准)DdrR轴端挡圈轴端挡圈双圆螺母双圆螺母DdC1rh(0.070.1)d装在轴端上的零件往往采用装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈轴端挡圈固定。固定。C1DdrDdrRhhb设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云轴向力较小时，轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。式来实现。为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且紧可能采用同一规格的键槽截面尺寸。键槽应设计成同一加工直线键槽应设计成同一加工直线三、确定轴的基本直径和各段长度三、确定轴的基本直径和各段长度1.1.按扭转强度计算按扭转强度计算(初算轴径初算轴径)仅考虑仅考虑 的强度条件的强度条件 n轴的转速（轴的转速（rmin）P轴传递的功率（轴传递的功率（kW）T许用扭转剪应力（许用扭转剪应力（MPa）A0系数，查表系数，查表153求出直径作为轴的最小直径求出直径作为轴的最小直径dmindmin对空心轴：对空心轴：空心轴内外径比系数，空心轴内外径比系数，d1d，一般，一般0.50.6d100mm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%轴2、确定其余各段直径和长度、确定其余各段直径和长度直径：直径：dmin其它直径其它直径轴肩的变化轴肩的变化长度：长度：毂的长度和相邻零件间必要的间隙决定轴1.1.合理的部置轴上零件以减小轴的载荷：合理的部置轴上零件以减小轴的载荷：尽可能减小跨距和悬臂长度（尽可能不用悬臂支撑形式）；2.2.改进轴上零件的结构以减小轴上的载荷：改进轴上零件的结构以减小轴上的载荷：3.3.减小应力集中（尤其合金钢）减小应力集中（尤其合金钢）圆角过渡、圆角过渡、卸载卸载4.4.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度：改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度：四提高轴的强度的措施：四提高轴的强度的措施：传动零件尽可能靠近轴承。轴设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云TTTTTQ方案方案b 图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。输出输出输出输出 输入输入Tmax=T1+T2Tmax=T1改善受力状况改善受力状况当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理合理不合理不合理 TTQ方案方案 a输出输出输出输出输入输入FtFt设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云Rdd/430 减小应力集中减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化的。应力集中出现在截面突然发生变化的。措施：措施：1.用圆角过渡；用圆角过渡；2.尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;3.重要结构可增加卸载槽重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。过渡肩环过渡肩环r凹切圆角凹切圆角B卸载槽卸载槽 也可以在轮毂上增加卸载槽B位置d/4过盈配合过盈配合：配合边缘处会产生较大的应力集中,开减载槽开减载槽a)过盈配合应力集中 b)轮毂上开卸载槽 c)轴上开卸载槽 d)增大轴径轴五制造、装配工艺性考虑五制造、装配工艺性考虑2.2.直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、键槽、退刀槽圆角、倒角、键槽、退刀槽等 结构尺寸尽量统一，以减少刀具数量和换刀时间。退刀槽退刀槽越程槽越程槽1.1.必要的工艺结构（退刀槽、越程槽）：必要的工艺结构（退刀槽、越程槽）：已标准化，尺已标准化，尺寸尽量一致寸尽量一致3.3.不同轴段的各键槽方向应一致。不同轴段的各键槽方向应一致。4.4.与零件过盈配合的轴端应有导向锥面。与零件过盈配合的轴端应有导向锥面。轴装配方案的比较：装配方案的比较：轴三、三、轴的计算轴的计算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RH和垂直力和垂直力Rv的确定的确定计算弯矩计算弯矩 MH和和MV:计算应力计算应力 材料力学第三强度理论，同时承受 和 的某一截面强度条件为：轴 强度校核强度校核 按疲劳强度精确校核按疲劳强度精确校核W轴的抗弯截面系数（轴的抗弯截面系数（mm）-1对称循环变应力时轴的许对称循环变应力时轴的许用弯曲应力用弯曲应力只有法向应力时只有法向应力时考虑扭矩和弯矩考虑扭矩和弯矩作用性质差异的系数作用性质差异的系数扭转切应力为静应力扭转切应力为静应力时，时，0.3扭转切应力为脉动循扭转切应力为脉动循环变应力时，环变应力时，0.6扭转切应力为对称循扭转切应力为对称循环变应力时，环变应力时，1扭矩扭矩T与弯矩与弯矩M的循环特性不同的循环特性不同折合系数折合系数轴只有扭转剪应力时只有扭转剪应力时 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轴 计算不满足要求时的措施计算不满足要求时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适用于瞬时过载很大，或应力循很大，或应力循环不对称性较为环不对称性较为严重的轴严重的轴 强度条件强度条件SSca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（高塑性材料（S B0.6）的）的轴，轴，SS1.21.4中等塑性材料（中等塑性材料（S B0.60.8）的轴，）的轴，SS1.41.8低塑性材料的轴，低塑性材料的轴，SS1.82铸造轴，铸造轴，SS23SS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只考虑扭矩时的安全系数只考虑扭矩时的安全系数S材料的抗弯屈服极限材料的抗弯屈服极限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S材料的抗扭屈服极限材料的抗扭屈服极限 S（0.550.62）S 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轴的允许偏转角，查表轴的允许偏转角，查表155 轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角来度量。对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角。轴 轴的扭转刚度校核轴的扭转刚度校核光轴：光轴：阶梯轴：阶梯轴：T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性模量 钢材钢材G8.1104IP轴截面的极惯性矩轴截面的极惯性矩轴的扭转刚度以扭转角轴的扭转刚度以扭转角 来度量。轴的扭转刚度条件为来度量。轴的扭转刚度条件为 轴L阶梯轴受扭矩作用的长度阶梯轴受扭矩作用的长度Ti、li、IPi第第i 段上的扭矩、长度、极惯性矩段上的扭矩、长度、极惯性矩z阶梯轴受扭矩的轴段数阶梯轴受扭矩的轴段数轴每米长的允许扭转角轴每米长的允许扭转角(具体值见具体值见P376)轴1 12 23 34 4、5 56 6、7 78 89 9101011111212轴系结构设计改错轴系结构设计改错轴 11111212轴轴