轴的结构设计及计算.ppt

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1、3.2课题二：轴,机 械 设 计 基 础,3.2.5 轴的设计,3.2.5.1 轴的结构设计,轴的结构分析 轴主要由轴颈、 轴头、 轴身三部分组成(如下图)。 轴上被支承的部分为轴颈，如图中， 段； 安装轮毂的部分称做轴头，如图中，段； 联接轴颈和轴头的部分称做轴身，如图中，段。,轴径向尺寸的确定 为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形，它的直径从轴端逐渐向中间增大。齿轮、 套筒、左端滚动轴承、轴承端盖和联轴器可按顺序从左端装拆，右端轴承从右端装拆。因而，为了便于装拆齿轮，轴段的直径应比轴段略大一些；为了便于左端滚动轴承的装拆，轴段的直径应比轴段略大一些。其中轴段， ， ， 的径向尺寸必须符

2、合轴承、 联轴器和密封圈内径的标准系列和技术要求（相应标准查机械设计手册）。,3.2.5.1 轴的结构设计,轴径向尺寸的确定 齿轮用轴环和套筒作轴向固定，用平键作圆周方向的固定。为使套筒能顶住齿轮，应使轴段的长度l4小于齿轮轮毂宽度b。装在轴段上的滚动轴承， 用套筒和轴承盖固定其轴向位置。装在轴段上的滚动轴承用轴肩和轴承盖固定其轴向位置。轴承内圈在圆周方向上的固定是靠内圈与轴之间的配合实现的。,3.2.5.1 轴的结构设计,轴的结构设计的要求 轴应便于加工，具有良好的工艺性； 轴上零件位置合理并易于拆装和调整； 轴上零件的轴向、周向定位准确，固定可靠； 尽量减少应力集中，有利于提高轴的强度和刚

3、度。,3.2.5.1 轴的结构设计,(1)便于轴上零件的装 轴的结构外形主要取决于轴在箱体上的安装位置及形式，轴上零件的布置和固定方式，受力情况和加工工艺等。为了便于轴上零件的装拆，将轴制成阶梯轴，中间直径最大，向两端逐渐直径减小。近似为等强度轴。,3.2.5.1 轴的结构设计,(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 轴向定位的固定 (a)轴肩或轴环 为保证轴上零件紧靠定位面，轴肩和轴环的的圆角半径R必须小于相配零件的倒角C1或圆角R1。轴肩高度h必须大于R1，一般h=(0.07d+3)(0.1d+5)mm或h(23)C1。轴环的宽度b=1.4h。安装滚动轴承处轴肩的圆角半径和高度查阅轴承安装

4、标准来确定。非定位轴肩可取h1.52mm。,3.2.5.1 轴的结构设计,3.2.5.1 轴的结构设计,(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 轴向定位的固定 (b)套筒和圆螺母 当轴上零件距离较近时采用套筒作相对 固定。套筒定位可简化轴的结构，减少轴径的变化，减少轴的应力集中。 当套筒太长时，可采用圆螺母作轴向固定。此时须在轴上加工螺纹，将会引起较大的应力集中，轴段横截面面积减小，影响轴的疲劳寿命。,3.2.5.1 轴的结构设计,圆螺母定位,(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 轴向定位的固定 (b)套筒和圆螺母,止动垫圈固定,3.2.5.1 轴的结构设计,(2)保证轴上零件的准确定位和可

5、靠固定 轴向定位的固定 (c)弹性挡圈和紧定螺钉 这两种固定方法结构简单，只能承受较小的轴向力，或用于仅仅为了防止零件偶然轴向移动的场合 。,3.2.5.1 轴的结构设计,弹性挡圈固定,(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 轴向定位的固定 (c)弹性挡圈和紧定螺钉,紧定螺钉固定,3.2.5.1 轴的结构设计,(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 轴向定位的固定 (d)轴端挡圈、圆锥面 轴端挡圈与轴肩、圆锥面联合使用，常用于轴端起到双向固定，锥面配合能保证较高的同轴度。装拆方便，多用于轴上零件与轴段同轴度要求较高或轴承受剧烈振动和冲击的场合。 用套筒、螺母和轴端挡圈作轴向固定时，轴上零件的轴

6、段长度应比零件的轮毂长度短23mm，以保证压紧零件，防止串动。,3.2.5.1 轴的结构设计,轴端压板,(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 轴向定位的固定 (d)轴端挡圈圆锥面,3.2.5.1 轴的结构设计,轴上零件的轴向定位和固定方法,3.2.5.1 轴的结构设计,3.2.5.1 轴的结构设计,3.2.5.1 轴的结构设计,(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定,周向定位与固定,图3-2-59 零件在轴上周向固定的形式,零件在轴上作周向固定是为了传递转矩和防止零件与轴产生相对转动。 常用的方式有键联接、花键联接、销联接，成形联接及过盈配合联接。 紧定螺钉也可起周向固定作用。,3.2.5.

7、1 轴的结构设计,（3）轴的加工和装配工艺性好 轴的形状要力求简单，阶梯数应尽可能少。 轴颈、轴头的直径应取标准值。直径的大小由与之相配合的零件的内孔 决定。 为了便于轴上零件的装配，轴端应加工出45倒角，与零件过盈配合时， 轴的装入端常需加工出导向圆锥面。 轴身尺寸应取以mm为单位的整数，最好取为偶数或5的整数倍。 轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于 加工和检验。 轴上沿长度方向开有几个键槽时，应将键槽安排在轴的同一母线上。 轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽。,图3-2-60 砂轮越程槽及螺纹退刀槽,3.2.5.1 轴的结构设计,键

8、槽的布置,3.2.5.1 轴的结构设计,（4）改善轴的结构、受力情况，减少应力集中，改善表面质量 轴大多在变应力下工作，结构设计时应改善轴的受力状况或 改善轴的结构，以减少应力集中。 轴截面尺寸变化处会造成应力集中，所以对于阶梯轴，相邻两 段轴径变化不宜过大，一般在5l0mm左右；在轴径变化处应平 缓过渡，制成圆角，圆角半径尽可能取大些。,3.2.5.1 轴的结构设计,改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。,3.2.5.1 轴的结构设计,改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。,3.2.5.1 轴的结构设计,尽量避免各轴段剖面突然改变而引起的局部应力集中，提高轴的疲劳强度。,3.2.5.

9、1 轴的结构设计,过盈配合时轴的结构形式 (a) 增大配合处轴径； (b) 轴上开减载槽； (c) 毂端开减载槽,当轴上零件与轴为过盈配合时， 可采用下图结构形式以减少轴 配合边缘处的应力集中。,3.2.5.1 轴的结构设计,（4）改善轴的结构、受力情况，减少应力集中，改善表面质量 采用定位套筒代替圆螺母和弹性挡圈使零件轴向固定，可避免 在轴上制出螺纹、环形槽等，能有效地提高轴的疲劳强度。 轴的表面质量对轴的疲劳强度影响很大。因轴工作时，最大应 力发生在轴的表面处，另一方面，由于加工等原因，轴表而易产 生微小裂纹，引起应力集中，因此轴的破坏常从表面开始。减小 轴的表面粗糙度，或采用渗碳、高频淬

10、火等方式进行表面强化处 理，均可以显著提轴的疲劳强度。,3.2.5.1 轴的结构设计,轴的设计要求： 在一般情况下设计轴时，只需考虑强度和结构两个方面。 但对某些旋转精度要求较高的轴，还需保证有足够的刚度。另外，对高速旋转的轴， 还需进行振动稳定性方面的计算。 轴的设计一般按照以下步骤进行： 合理地选择轴的材料； 初估轴的直径， 进行轴的结构设计； 对轴进行强度、 刚度及振动方面的校核计算； 绘出轴的零件工作图。,3.2.5.2 轴的设计计算,轴的强度计算 1. 按扭转强度计算：对于传动轴可只按扭矩计算轴的直径；对于转轴，常用此法估算最小直径，然后进行轴的结构设计，并用弯扭合成强度校核。圆轴扭

11、转的强度条件为,(3-1),式中：T轴的扭转切应力（MPa）； T轴传递的扭矩（Nmm）； WT轴的抗扭截面系数（mm3）； P轴传递的功率（kW）； n轴的转速（rmin）。,3.2.5.2 轴的设计计算,由上式可得到轴的设计公式,(3-2),式中：A计算常数，与轴的材料和T值有关，可按表3-3确定。,表3-3 轴常用材料的T和A值,3.2.5.2 轴的设计计算,由式3-2求出的d值，一般作为轴的最小直径。若轴段上 有键槽，应把算的直径增大，单键增大3%，双键增大7%， 然后圆整到标准值 。（见表3-2-5） 各轴段的长度根据安装零件与轴配合部分的轴向尺寸确定， 并应考虑保证轴上零件轴向定位

12、的可靠： 与齿轮、联轴器等相配合部分的轴长，一般应比轮毂的长 度短2-3mm； 轴颈的长度取决于滚动轴承的宽度尺寸； 轴上转动零件之间或转动件与箱壳内壁之间应留有适当 间隙，一般取1015 mm，以防运转时相碰； 装有紧固件(如螺母、挡圈等)的轴段，其长度应保证装拆 或调整紧固件时，有一定扳手空间，通常取1520 mm。,3.2.5.2 轴的设计计算,2. 按弯扭合成强度计算 轴的结构设计初步完成后，通常要对转轴进行弯扭合成强度校核。 对于钢制轴可按第三强度理论计算，强度条件为 ：,(3-3),式中：e当量应力(Nmm2)； Me当量弯矩(Nmm)， ； M危险截面上的合成弯矩， ，MH、MV

13、分别为水平面上、垂直面上的弯矩；,3.2.5.2 轴的设计计算,W轴的抗弯截面系数（mm3），对圆截面轴W0.1d3，d为危险剖面直径； 折合系数。对于不变的转矩，0.3；对于脉动循转矩，0.6；对于对称循环转矩，1。对于频繁正反转的轴， 可视为对称循环交变应力；若扭矩变化规律不清，一般也按脉动循环处理。,（3-4）,扭矩对称循环变化,扭矩脉动循环变化,不变的扭矩,3.2.5.2 轴的设计计算,表3-4中的1b，0b，+1b分别为对称循环、 脉动循环及静应力状态下材料的许用弯曲应力，供设计时选用。 当危险截面有键槽时，应将轴径的计算值增大47。当计算只承受弯矩的心轴时，可利用式(3-3)，此时

14、T=0。,表3-4 轴的许用弯曲应力,3.2.5.2 轴的设计计算,弯扭合成强度的计算按下列步骤进行： (1) 绘出轴的计算简图， 标出作用力的方向及作用点的位置。 (2) 取定坐标系，将作用在轴上的力分解为水平分力和垂直分力，并求其支反力。 (3) 分别绘制出水平面和垂直面内的弯矩图。 (4) 计算合成弯矩， 并绘制出合成弯矩图。 (5) 绘制转矩图。 (6) 确定危险剖面， 校核危险剖面的弯扭合成强度。,3.2.5.2 轴的设计计算,【例3-1】试设计如图3-1所示斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。已知轴的转速n=80r/min， 传递功率P=3.15 kW。轴上齿轮的参数为：法面模数mn=3

15、mm，分度圆螺旋角=12，齿数z=94，齿宽b=72 mm。 （1） 选择轴的材料。 减速器功率不大，又无特殊要求，故选最常用的45钢并作正火处理。由表3-1查得B=616 MPa。,3.2.5.2 轴的设计计算,图3-1 带式输送机,3.2.5.2 轴的设计计算,(2) 按转矩估算轴的最小直径。 应用式(3-2)估算。由表3-3取A167118(因轴上受较大弯矩)， 于是得：,考虑键槽对轴强度的影响和联轴器标准，取d40 mm。,3.2.5.2 轴的设计计算,(3) 轴的结构设计。 根据轴的结构设计要求，轴的结构草图设计如图3-12所示。 轴段，之间应有定位轴肩；轴段，及，之间应设置台阶以利

16、于装配；轴段，及， 之间应有定位轴肩。各轴段的具体设计如下 轴段：轴的输出端用HL4尼龙柱销联轴器， 孔径40 mm，孔长84 mm。取d1=40mm，l1=70mm。 轴段：取轴肩高2.5 mm，作定位用，故d2=45mm，该尺寸还应满足密封件的直径系列要求。该段长度可根据结构和安装要求最后确定。,3.2.5.2 轴的设计计算,轴段：齿轮两侧对称安装一对轴承，选择36216，宽度为20mm，取d3=50mm。左轴承用套筒定位，根据轴承对安装尺寸的要求，轴肩高度取3.5mm。该轴段的长度l3的确定如下：齿轮两侧端面至箱体内壁的距离取16mm（箱体铸造精度的要求）。轴承采用脂润滑（润滑方式选用见

17、11.6.1节），为使轴承和箱体内润滑油隔绝， 应设挡油环（兼作套筒定位），为此取轴承端面至箱体内壁的距离为16mm，故挡油环的总宽度为20mm。综合考虑，取l3=45mm。,3.2.5.2 轴的设计计算,轴段长度l2：根据箱体箱盖的加工和安装的要求，取箱体轴承孔长度为46mm，轴承端盖和箱体之间应有调整垫片，取其厚度为2mm，轴承端盖厚度取16 mm，端盖和联轴器之间应有一定的间隙，取16 mm。综合考虑，取l2=35mm。 轴段、：考虑设置装配轴肩，取d4=56 mm，该段长度应小于齿轮轮毂宽度， 取l4=68 mm。 由于采用轴环定位，取轴肩高4mm，作定位面，选取最小过渡圆角半径，r=

18、2 mm，取d5=65 mm。取l5=8 mm。 轴段：取d5=d3=50mm。为使齿轮相对壳体对称布置，基于和轴段同样的考虑，取l6=34 mm。这样轴承跨距为132 mm， 由此可进行轴和轴承等的计算。,3.2.5.2 轴的设计计算,图3-2 轴的结构设计图,3.2.5.2 轴的设计计算,(4) 按弯曲和扭转复合强度对轴进行强度计算。 绘出轴的计算简图（如图3-3(a)），根据结构设计参数lAB=lCD=66mm齿轮的受力计算,3.2.5.2 轴的设计计算,垂直面支反力（如图3-3（d）：,垂直面弯矩图（如图3-3（e）：,MVC=RVBlBC=1304.3166=86 084.16 Nm

19、m,合成弯矩（如图3-3（f）：,扭矩图（如图3-3（g）：T=376 031.25 Nmm,3.2.5.2 轴的设计计算,当量弯矩图（如图3-3（h）：根据B=600 MPa，查表3-4得：-1b=55 MPa。由于转矩有变化，按脉动考虑，取=0.6。,T=0.6376 031.25=225 618.75 Nmm,校核结果：ec-1b=55 MPa，剖面c的强度满足要求。,3.2.5.2 轴的设计计算,图3-3 轴的受力分析及弯矩图,3.2.5.3 轴的刚度计算,轴的刚度包括扭转刚度和弯曲刚度，前者以扭转角度量， 后者以挠度y或偏转角度量。轴的刚度计算就是计算出轴受载时的变形量， 并使其控制

20、在允许的范围内，即,(3-5),表3-5 轴的挠度、偏转角和扭转角的允许值,3.2.5.3 轴的刚度计算,小 结,(1)选材 (2)按扭转强度估算轴的最小直径 (3)设计轴的结构，绘出轴的结构草图（确定轴上零件的位置和固定方法；确定各轴段直径、长度。） (4)按弯扭合成进行轴的强度校核。一般选23个危险截面进行校核。若危险截面强度不够或强度裕度 太大，则必须重新修改轴的结构。 (5)按弯、扭组合作用验算轴的强度 (6)键槽设计及其公差 (7)确定轴的各处倒角、圆角，公差 本章小结 轴是支承传动零件以传递运动和动力的重要零件；按所受的载荷分类轴可分为心轴、传动轴、转轴，按轴线和外部几何形状可分为

21、直轴和曲轴；轴设计的主要是解决两方面的问题，一是轴的结构、二是强度。,轴的设计的一般步骤为：,例3-2 图示为一电动机通过一级直齿圆柱齿轮减速器带动带传动的简图。已知 电动机功率为30KW,转速 n=970r/min,减速器效率为0.92，传动比i=4,单 向传动，从动齿轮分度圆直径d2=410mm,轮毂长度105mm,采用深沟球轴 承。试设计从动齿轮轴的结构和尺寸。,练 习,单级齿轮减速器简图,解：（1）求输出轴的转速与输出功率。 n2=n1/i=970/4=242.5r/min P2=0.92*P1=0.92*30=27.6KW （2）选择轴的材料和热处理方法。 轴采用45钢正火处理。查表b=600MPa （3）估算轴的最小直径。,练 习,(4)轴的结构设计及 绘制结构草图,练 习,练 习,