《 机械原理与机械零件 第十二章 轴的设计讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《 机械原理与机械零件 第十二章 轴的设计讲解（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三篇第三篇 轴系零部件设计轴系零部件设计 轴轴 轴承轴承 联轴器联轴器/ / 离合器离合器/ / 制动器制动器 第十二章第十二章 轴的设计轴的设计 概述概述 轴的结构设计轴的结构设计 轴的强度计算轴的强度计算 轴的设计实例分析轴的设计实例分析 121 121 概概 述述 轴的功用轴的功用：重要的支承件。用来支：重要的支承件。用来支 持齿轮、带轮等旋转零件。持齿轮、带轮等旋转零件。 轴的类型轴的类型 类型承载类型举 例 根据 载荷 类型 分 转轴既传递转 矩又承受弯 矩 齿轮 减速器中的 轴 传动 轴 只传递转 矩不承受弯 矩 心轴 只承受弯短不传递转 矩 、 自行车的 按轴 线形 状分 直轴
2、光轴 / 阶梯轴 (本章只讨论直轴) 曲轴 常用于往复式机械中 挠性钢丝 轴 常用于振动器等设备中 一、轴的功用和类型一、轴的功用和类型 汽车的传动轴汽车的传动轴 铁路车辆的轴铁路车辆的轴 前后轴前后轴 轴的设计任务轴的设计任务：主要是根据工作要求并考虑制：主要是根据工作要求并考虑制 造工艺等因素，选用合适的材料，进行造工艺等因素，选用合适的材料，进行结构设计结构设计 ，经过，经过强度和刚度计算强度和刚度计算，定出轴的结构形状相尺，定出轴的结构形状相尺 寸，必要时还要考虑振动稳定性。寸，必要时还要考虑振动稳定性。 二、二、轴的材料轴的材料 注意注意： 钢材的种类和热处理钢材的种类和热处理对其对
3、其弹性模量弹性模量的影响甚小，欲的影响甚小，欲 采用合金钢或通过热处理来提高轴的采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度刚度无实效。无实效。 合金钢对合金钢对应力集中很敏感应力集中很敏感，设计合金钢轴时，应从，设计合金钢轴时，应从 结构上避免或结构上避免或减小应力集中减小应力集中，并，并减小其表面粗糙度减小其表面粗糙度。 类 型综合性能热处理 碳素钢(如35/45/55 等优质中碳钢) 具有较高的综合力学 性能 正火或调质 合金钢 力学性能高，但价格 较贵，用于特殊场合 用渗碳淬火等 提高耐磨性 轴的常用材料轴的常用材料有：有：碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢。 轴的毛坯轴的毛坯一般用一般用圆钢圆钢或
4、或锻件锻件，有时也可采用铸，有时也可采用铸 钢或球墨铸铁。例如：用球墨铸铁制造曲轴、凸轮钢或球墨铸铁。例如：用球墨铸铁制造曲轴、凸轮 轴，具有成本低、吸振性好、对应力集中敏感性低轴，具有成本低、吸振性好、对应力集中敏感性低 、强度较好等优点。、强度较好等优点。 P174P174表表12-112-1为几种为几种轴的常用材料轴的常用材料及其主要力学及其主要力学 性能。性能。 122 122 轴的结构设计轴的结构设计 轴的结构设计轴的结构设计是指：使轴的各部分具有合理是指：使轴的各部分具有合理 的的形状形状和和尺寸尺寸。其主要要求是：。其主要要求是： 1) 1) 制造安装要求制造安装要求：便于加工，
5、轴上零件易于装拆。：便于加工，轴上零件易于装拆。 2) 2) 定位固定要求定位固定要求：轴和轴上零件要有准确定位。各：轴和轴上零件要有准确定位。各 零件要牢固可靠地相对固定。零件要牢固可靠地相对固定。 3) 3) 工艺要求工艺要求：应具有良好的制造工艺性。：应具有良好的制造工艺性。 4) 4) 性能要求性能要求：改善受力状况改善受力状况，减小应力集中。，减小应力集中。 下面以下面以P175P175图图12-812-8的单级齿轮减速器的高速的单级齿轮减速器的高速 轴说明这些要求。轴说明这些要求。 一、一、制造安装要求制造安装要求 为为便于装拆便于装拆：阶梯轴阶梯轴；通常；通常轴径轴径从从 轴端向
6、轴端向中间逐渐增大中间逐渐增大；设；设倒角倒角。 轴上零件的装拆轴上零件的装拆 示例示例 二、轴上零件的轴向定位和二、轴上零件的轴向定位和固定固定( (轴向轴向+ +周向周向) ) 轴向定位轴向定位: : 用用轴肩轴肩或或套筒套筒。 ： 轴向固定轴向固定: : 常采用常采用轴肩轴肩、套筒套筒、螺母螺母或或轴端挡圈轴端挡圈( (又称又称 压板压板) )等形式。等形式。 周向固定周向固定: : 大多采用键、花键或过盈配合。大多采用键、花键或过盈配合。 无法用套筒或无法用套筒或 套筒太长套筒太长时用时用 三、结构工艺要求三、结构工艺要求 为为便于加工便于加工：形状和尺寸：形状和尺寸简单简单；磨削段有
7、；磨削段有砂轮越程砂轮越程 槽槽；车制螺纹段有；车制螺纹段有退刀槽退刀槽。 为便于装配为便于装配: : 轴端应加工倒角；过盈配合端常加工轴端应加工倒角；过盈配合端常加工 出导向锥面。出导向锥面。 用用键联接键联接时时, , 各轴段的各轴段的键槽应键槽应 设计在同一加工直线上设计在同一加工直线上, , 并尽量并尽量 用用同一规格同一规格的键槽的键槽截面尺寸截面尺寸。 采用套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装采用套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装 零件的零件的轴段长度轴段长度做得做得比比零件零件轮毂短轮毂短23mm23mm。 轴肩的圆角半径必须小于相配零件倒角。轴向力较轴肩的圆角半径必须
8、小于相配零件倒角。轴向力较 小时，可采用小时，可采用弹性挡圈弹性挡圈或或紧定螺钉紧定螺钉。 轴的结构改错轴的结构改错1 1 轴的结构改错轴的结构改错2 2 四、强度要求四、强度要求 合理布置轴上的零件合理布置轴上的零件可可改善轴的受力状况改善轴的受力状况。 输入轴位于中间输入轴位于中间 不同结构的轴弯矩不同结构的轴弯矩 改进零件结构减小轴的载荷改进零件结构减小轴的载荷 减小应力集中减小应力集中改善轴的受力状况。对于合金钢尤应改善轴的受力状况。对于合金钢尤应 注意。注意。 零件截面突变化处应零件截面突变化处应采用圆角过渡采用圆角过渡( (圆角半径不宜圆角半径不宜 过小过小) )，并尽量，并尽量避
9、免避免在轴上开横孔、切口或凹槽。在轴上开横孔、切口或凹槽。 在重要结构中，可在重要结构中，可采用卸载槽采用卸载槽(a/d)(a/d)、过渡肩环过渡肩环(b)(b) 或或凹切圆角凹切圆角(c)(c)增大轴肩圆角半径增大轴肩圆角半径，以减小局部应力。，以减小局部应力。 (c)(c)(d)(d) 123 123 轴的强度计算轴的强度计算 轴的强度计算应根据轴的承载情况不同，采用相应轴的强度计算应根据轴的承载情况不同，采用相应 的计算方法。常见的轴的强度计算方法有两种：的计算方法。常见的轴的强度计算方法有两种： 一一 、按扭转强度计算按扭转强度计算 适用于适用于：传动轴传动轴( (只承受转矩只承受转矩
10、) )的的精确计算精确计算和和转轴转轴的的 近似计算近似计算。 对于圆截面传动轴对于圆截面传动轴, , 其强度条件为：其强度条件为： 式中：式中： 为轴的扭切应力；为轴的扭切应力；T T为转矩；为转矩；WW T T 为为抗扭截面系抗扭截面系 数数；P P为传递的功率；为传递的功率；n n为轴的转速；为轴的转速；d d为轴的直径；为轴的直径； 为为 许用扭切应力。许用扭切应力。 = = = = T T WW T T 9.55109.5510 6 6P P 0.20.2d d 3 3n n 对于对于转轴转轴可用下面两种方式估算轴径：可用下面两种方式估算轴径： 1) 1) 按上式初估轴径按上式初估轴
11、径, , 应适当降低应适当降低( (补偿弯矩的影响补偿弯矩的影响) )。 2) 2) 用经验公式估算轴径用经验公式估算轴径。如在一般减速器中，高速。如在一般减速器中，高速 轴的直径轴的直径d d可按与其相联的电机轴径可按与其相联的电机轴径D D估算：估算：d = d = (0.8 (0.8 1.2)1.2)D D; ; 各级低速轴的轴径可按同级齿轮中心距各级低速轴的轴径可按同级齿轮中心距a a估算估算: : d = d = (0.30.4)(0.30.4)a a 。 二、按二、按弯扭合成强度计算弯扭合成强度计算 这种计算一般是在按前述方法求出轴径后，根据选这种计算一般是在按前述方法求出轴径后，
12、根据选 定的装配方案设计出轴的主要结构尺寸的基础上进行定的装配方案设计出轴的主要结构尺寸的基础上进行 的。这时轴上零件的位置已知，即外载荷及支反力的的。这时轴上零件的位置已知，即外载荷及支反力的 作用位置已知，因而可以分析轴的受力、绘制弯扭图作用位置已知，因而可以分析轴的受力、绘制弯扭图 、进行轴的强度校核。其、进行轴的强度校核。其步骤步骤为：为： 作作轴的计算简图轴的计算简图( (即建立力学模型即建立力学模型) )。 作作弯矩图弯矩图。 作作扭矩图扭矩图( (T T 图图) )。 作作当量弯矩图当量弯矩图：对一般钢轴，可用第三强度理论求对一般钢轴，可用第三强度理论求。 MM e e = =
13、MM 2 2 + +(T T ) ) 2 2 MM总 总 = = MMH H 2 2 + M+ M V V 2 2 校核轴的强度：校核轴的强度： MM e e : : 当量弯矩；当量弯矩；WW为为抗弯截面系数抗弯截面系数。 : : 根据转矩性质而定的根据转矩性质而定的折合系数折合系数。 对对不变不变的转矩，的转矩， = -1b-1b/ / +1b+1b=0.3; =0.3; 当转矩当转矩脉动变化脉动变化时，时，= -1b-1b/ / 0b0b=0.6; =0.6; 对于频繁正反转的轴对于频繁正反转的轴( (对称循环对称循环变应力变应力): ): =1=1。 若转矩的变化规律不清楚，按脉动循环处
14、理。若转矩的变化规律不清楚，按脉动循环处理。 ( ( -1b-1b 、 、 +1b +1b 、 、 0b 0b 为对称、脉动和静应力下的许用 为对称、脉动和静应力下的许用 弯曲应力弯曲应力 ) ) MM 2 2 + +( ( T T ) ) 2 2 MM e e e e = = = = b b WW0.10.1d d 3 3 对于直径为对于直径为d d 的圆轴：的圆轴： 故轴的计算直径为：故轴的计算直径为： 若截面上有键槽，则轴径计算值应加大约若截面上有键槽，则轴径计算值应加大约4%4%； 若计算出的轴径大于初估轴径，须修改结构设计若计算出的轴径大于初估轴径，须修改结构设计; ; 若计算出的轴径小于初估轴径且相差不大时，可若计算出的轴径小于初估轴径且相差不大时，可 以结构设计的轴径为准。以结构设计的轴径为准。 对于重要轴还需作进一步的强度校核。对于重要轴还需作进一步的强度校核。 例例12-112-1 如图如图, , 已知作用在带轮已知作用在带轮D D上转矩上转矩T T=78100N=78100N，斜，斜 齿轮齿轮C C 的压力角的压力角 n n =20=20 ，螺旋角，螺旋角 =9=9 41
