机械设计第15章轴

第十五章轴§15-1概述§15-2轴的结构设计§15-3轴的计算§15-4轴的设计实例本章学习的基本要求：熟练掌握的内容1）轴的功用、类型、特点及应用；2）轴的扭转强度和弯扭合成强度计算；3）轴的结构设计及提高轴的强度的措施。本章的重点：轴的结构设计和强度计算。其中，结构设计是本章的难点。带式运输机减速器电动机转轴§15-1概述功用：支承旋转的零件及传递运动和动力。按承受载荷分分类：（一）轴的用途及分类转轴传动轴心轴----既承受弯矩又传递扭矩。按承受载荷分发动机后桥传动轴功用：支承旋转的零件及传递运动和动力。分类：（一）轴的用途及分类转轴传动轴心轴----既承受弯矩又传递扭矩----只受扭矩不承受弯矩（或弯矩很小）传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩,或所受弯矩很小的轴例如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴转轴---既承受弯矩又传递扭矩按承受载荷分:传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩而不承受扭矩前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴心轴转动心轴固定心轴心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。例：自行车的前轮轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有分类：传动轴---只传递扭矩（一）轴的用途及分类光轴阶梯轴按轴线形状分有直轴一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴潘存云教授研制心轴---只承受弯矩而不承受扭矩转轴---既承受弯矩又传递扭矩按承受载荷分有：分类：按轴线形状分有：传动轴---只传递扭矩直轴（一）轴的用途及分类光轴阶梯轴曲轴心轴---只承受弯矩而不承受扭矩本章只研究直轴按轴线形状分有：直轴光轴阶梯轴曲轴挠性钢丝轴按承受载荷分有：分类：（一）轴的用途及分类转轴---既承受弯矩又传递扭矩传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩而不承受扭矩传动轴转轴固定心轴转动心轴试分析图示巻扬机中各轴所受的载荷，并由此判断各轴的类型。举例：ⅣⅠⅡⅢP（二）轴设计的主要内容◆轴的结构设计：根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形状和尺寸。◆工作能力计算：指轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。轴的设计工作能力计算结构设计具有一个合理的结构对轴而言至关重要，它是轴设计中的一个重要内容。轴的设计过程：N选择材料结构设计轴的工作能力计算验算合格?结束Y§15-1概述(三)轴的材料碳钢合金钢------最常用45钢。-----多用于有特殊要求的轴。常用40Cr。轴的常用材料及其主要力学性能见表15—1。§15-1概述表15-1轴的常用材料及其主要力学性能材料牌号热处理毛坯直径硬度mmHBS抗拉强度极限σb屈服强度极限σs弯曲疲劳极限σ-1剪切疲劳极限σ-1许用弯曲应力[σ-1]备注应用最为广泛用于不太重要及受载荷不大的轴用于载荷较大，而无大的冲击的重要轴用于很重要的轴用于重要轴，性能近于40CrNi用于要求高耐磨性，高强度且热处理变形很小的轴用于要求强度及韧性均较高的轴用于腐蚀条件下的轴用于高、低温及腐蚀条件下的轴用于制造复杂外形的轴≤100400~420225100~250375~39021517010540≤100170~217590295255140100~300162~217570285245135100~300685490335185241~286100~300240~270785570370210100~300217~269685540345195100~160241~27778559037522060~100277~302835685410270≤200217~255640355275155≤100735540355200≤100270~300900735430260≤100229~286735590365210≤60293~321930785440280淬火≤6056~626403903051605560707570756075≤100≥241835635395230≤100530190115100~200490180110190~270600370215185245~33580048029025045195≤192渗碳渗碳回火HRC调质调质调质调质调质正火热轧或锻后空冷Q235A4540Cr40CrNi38SiMnMo38CrMoAlAMPa20Cr3Cr131Cr18NiTiQT600-3QT800-2调质淬火必须指出：钢的种类和热处理对其弹性模量E的影响甚小，因此，如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度并无实效。yPL提高轴的刚度的方法→增大轴的截面面积。§15-1概述轴的结构设计§15-2轴的结构设计轴的结构设计具有较大的灵活性和多样性。轴没有标准的结构形式。设计时必须针对轴的具体情况作具体分析。定出轴的合理外形和全部的结构尺寸。典型轴系结构2.轴上零件应便于装拆和调整；1.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)3.轴应具有良好的制造工艺性。（即轴应便于加工）轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承轴的结构应满足的基本要求：§15-2轴的结构设计图15-8轴上零件装配与轴的结构示例结构设计时，已知的条件有：◆轴的装配简图；◆轴的转速n(rpm)；◆轴传递的功率P(KW);◆传动零件的主要参数和尺寸saBcLa二级圆锥圆柱齿轮减速器设计时可根据装配简图来确定轴上主要零件之间的相互位置关系。c=10~20mms=3~5mm一般取：a=10~15mm（一）拟定轴上零件的装配方案装配方案：轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。§15-2轴的结构设计轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。图示减速器输出轴就有两种装配方案。saBcLa二级圆锥圆柱齿轮减速器方案二多了一个用于轴向定位的长套筒，使机器的零件增多，重量增大。故不如方案一合理。方案一方案二（二）轴上零件的定位轴上零件的定位轴向定位周向定位§15-2轴的结构设计1.零件的轴向定位轴肩轴肩定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。定位轴肩非定位轴肩轴肩的尺寸要求:轴肩定位轴肩非定位轴肩h=（0.07~0.1）dh=1~2mmDdrDdbhrR轴环宽度：b≥1.4h§15-2轴的结构设计结构不合理！为了便于拆卸，滚动轴承的定位轴肩高度不能超过轴承内圈端面的高度。特别注意：轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。§15-2轴的结构设计DdrRDdC1rhhC1DdrDdrRb轴肩的尺寸要求:轴肩定位轴肩非定位轴肩h=（0.07~0.1）dh=1~2mmrC1或rR为了使零件能靠紧轴肩而得到准确可靠的定位：h轴和零件上的倒角和圆角尺寸的常用范围见表15-2套筒套筒定位结构简单，定位可靠。一般用于轴上两个零件之间的定位§15-2轴的结构设计当两个零件间距离较大时，可采用圆螺母定位。双圆螺母圆螺母与止动垫圈可承受大的轴向力，但螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件。特点：轴端挡圈轴承盖套筒轴承端盖用螺钉与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。一般情况下，整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。轴向力较小时，可采弹性挡圈、紧定螺钉及锁紧挡圈来实现。轴端的零件常采用轴端挡圈或圆锥面定位。轴端挡圈2.零件的周向定位目的--------限制轴上零件与轴发生相对转动。周向定位大多采用键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等形式来实现。§15-2轴的结构设计（三）各轴段直径和长度的确定2.按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin起逐一确定各轴段的直径。作法：1.按轴所受的扭矩初步估算轴径，并将其作为承受扭矩的轴段的最小直径dmin。2.轴各段的长度是根据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来确定的。说明：1.轴直径的变化是根据轴上零件的受力、装拆、固定、以及对轴加工工艺的要求确定的。§15-2轴的结构设计轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；基本原则：1.与标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）相配合的轴径，应采用相应的标准值。2.为保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度应比轮毂长度短2~3mm。§15-2轴的结构设计为使零件的装配方便，减少配合表面的擦伤：1)相配合轴段的压入端应制成锥度（图1示）2)配合段前后采用不同的尺寸公差（图2示）在配合轴段前应采用较小的直径；为使与轴作过盈配合的零件易于装配：图2H7/r6图1H7/D11H7/r6（四）提高轴的强度的常用措施输出输出输入输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T1当扭矩由一个传动件输入而由几个传动件输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理1.合理布置轴上零件以减少轴的载荷为减少轴所受的弯矩：◆传动件应尽量靠近轴承，◆尽量不采用悬臂的支承形式，◆尽量缩短支承跨距及悬臂长度。2.改进轴上零件的结构以减小轴的载荷A图中大齿轮和卷筒联成一体，转矩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。Q方案bTQ方案a轴径大轴径小§15-2轴的结构设计3.改进轴的结构以减小应力集中的影响合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中处措施：1)用圆角过渡；2)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;R应力集中出现在轴的截面尺寸发生突变处或过盈配合边缘处。30˚r凹切圆角过渡肩环3）为增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或过渡肩环。§15-2轴的结构设计轴上开卸载槽应力集中系数可减少40%轮毂上开卸载槽应力集中系数可减少15~25%增大轴的直径应力集中系数可减少30~40%d1.05d1.06~1.06dd4）在轮毂上或轴上开卸载槽或加大配合部分的直径可以减小过盈配合处的局部应力；5)用盘铣刀加工的键槽比键槽铣刀产生的应力集中小；6)尽可能避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。4.改善轴的表面质量以提高轴的疲劳强度1）表面愈粗糙疲劳强度愈低；减小表面粗糙度；轴的表面粗糙度和强化处理方法会对轴的疲劳强度产生影响2）表面强化处理的方法有：▲表面高频淬火；▲表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；▲碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。§15-2轴的结构设计（五）轴的结构工艺性----指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，且生产率高，成本低。在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简化。一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。§15-2轴的结构设计④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。装零件的轴端应有倒角，②③⑥⑦①⑤①倒角退刀槽需要磨削的轴端有砂轮越程槽。车螺纹的轴端应有退刀槽，◆为了加工方便，同一轴上不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上。键槽应布置在轴的同一母线上（五）轴的结构工艺性◆为减少刀具种类和提高劳动力生产力：轴上直径相近处的圆角、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。§15-3轴的计算通常是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的振动稳定性。（一）轴的强度校核计算传动轴------按扭转强度条件计算转轴------按弯扭合成强度条件计算心轴------按弯曲强度条件计算1.按扭转强度条件计算轴的扭转强度条件为：轴的直径：mmnPA30MPaT][362.01055.9dnPTTWT336][2.01055.9nPdT式中：[τT]及A0-------查表15--3---（15-1）---（15-2）§15-3轴的计算表15--3轴常用材料的[τT]值和A0值轴的材料Q235-A,20Q275,354540Cr,35SiMn(1Cr18Ni9Ti)38SiMnMo,3Cr13[τT]/MPa15~2520~3525~4535~55A0149~126135~112126~103112~972）在下述情况时，[τT]取较大值，A0取较小值：注:1）表中[τT]值