機械設計基礎之機械設計-第3章：軸2007

1、第三章第三章E軸的功用與分類軸的功用與分類E軸的設計步驟軸的設計步驟E軸的材料及其選擇軸的材料及其選擇E軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計E軸的計算軸的計算重點及難點重點及難點軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算校核軸的強度計算校核基本要求基本要求了解轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸的載荷特點了解轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸的載荷特點掌握軸的結(jié)構(gòu)設計方法及相關注意事項掌握軸的結(jié)構(gòu)設計方法及相關注意事項掌握軸的三種強度計算方法掌握軸的三種強度計算方法了解軸的剛度計算方法了解軸的剛度計算方法支承旋轉(zhuǎn)零件并傳遞運動和動力支承旋轉(zhuǎn)零件并傳遞運動和動力軸向軸向/ /周向定位軸上零件周向定位軸上零件軸軸, ,持輪也。持輪也。說文說文服重任

2、服重任, ,行遠道行遠道, ,正直而固者正直而固者, ,軸也。軸也。列女傳列女傳母儀母儀功用功用軸軸v心軸：心軸：主要承受彎矩主要承受彎矩v傳動軸：傳動軸：主要承受轉(zhuǎn)矩主要承受轉(zhuǎn)矩v轉(zhuǎn)軸：轉(zhuǎn)軸：既承受彎矩，又承受轉(zhuǎn)矩既承受彎矩，又承受轉(zhuǎn)矩分類（分類（1 1）載荷性質(zhì)載荷性質(zhì)直軸（光軸、階梯軸）直軸（光軸、階梯軸）曲軸曲軸軟軸（撓性軸）軟軸（撓性軸）分類（分類（2 2）軸線形狀軸線形狀空心軸空心軸實心軸實心軸分類（分類（3 3）截面形狀截面形狀4 4、結(jié)構(gòu)問題結(jié)構(gòu)問題 確定軸的形狀和尺寸確定軸的形狀和尺寸主要問題主要問題軸的工作能力設計軸的工作能力設計1 1、強度問題強度問題 防止軸發(fā)生疲勞斷裂

3、防止軸發(fā)生疲勞斷裂2 2、剛度問題剛度問題 防止軸發(fā)生過大的彈性變形防止軸發(fā)生過大的彈性變形3 3、振動穩(wěn)定性問題振動穩(wěn)定性問題 防止軸發(fā)生共振防止軸發(fā)生共振軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計1. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算軸的最小直徑估算軸的最小直徑minmin3. 3.確定各段直徑及長度確定各段直徑及長度4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算8. 8.剛度計算剛度計算9. 9.振動穩(wěn)定性計算振動穩(wěn)定性計算( ( 臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速) )5. 5.許用切應力法許用切應力法( (扭轉(zhuǎn)強度扭轉(zhuǎn)強度) )6.

4、6.許用彎曲應力法許用彎曲應力法( ( 彎扭合成強度彎扭合成強度 ) )7. 7.安全系數(shù)計算法：疲勞強度計算、安全系數(shù)計算法：疲勞強度計算、 靜強度計算靜強度計算基本步驟基本步驟材料選擇材料選擇三邊：三邊：邊計算、邊畫圖、邊修改邊計算、邊畫圖、邊修改基本特點基本特點三與：三與：估算與精算、計算與畫圖、估算與精算、計算與畫圖、 軸的設計與軸上零件的設計軸的設計與軸上零件的設計2. 2. 球墨鑄鐵球墨鑄鐵QT500-5QT500-5、QT600-2QT600-21. 1. 鋼鋼碳素鋼碳素鋼 ：優(yōu)質(zhì)碳素鋼：優(yōu)質(zhì)碳素鋼:35:35、 50 50 、 45 45 軸鋼軸鋼 普通碳素鋼普通碳素鋼Q235

5、Q235、Q255Q255、Q275Q275合金鋼合金鋼：20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40Cr40Cr、35SiMn35SiMn、35CrMo35CrMo廉價、應廉價、應力集中敏力集中敏度小度小強度高、強度高、耐磨性好耐磨性好成形性好、成形性好、吸振性高吸振性高參照教材參照教材p184-185p184-185表表26-226-2軸頸軸頸軸頭軸頭軸身軸身軸頭軸頭軸身軸身軸頸軸頸v軸肩軸肩：軸的直徑：軸的直徑變化所形成的階變化所形成的階梯處梯處v軸頭軸頭：軸和回轉(zhuǎn)零件的配合部：軸和回轉(zhuǎn)零件的配合部v軸頸軸頸：軸和軸承的配合部：軸和軸承的配合部v軸身軸身：連接軸頸與軸頭部分：

6、連接軸頸與軸頭部分結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)例結(jié)構(gòu)例v在初步估算軸徑的基礎上，根據(jù)軸的在初步估算軸徑的基礎上，根據(jù)軸的具體使用狀況，確定軸的合理外形和具體使用狀況，確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸（長度、直徑）全部結(jié)構(gòu)尺寸（長度、直徑）內(nèi)容與要求內(nèi)容與要求v滿足強度、剛度的要求滿足強度、剛度的要求v滿足工藝性要求：滿足工藝性要求： （1）易加工；易加工； （2）應力集中少；）應力集中少； （3）軸上零件準確定位；）軸上零件準確定位； （4）易裝拆和調(diào)整；）易裝拆和調(diào)整； （5）軸的受力狀態(tài)好。）軸的受力狀態(tài)好。內(nèi)容內(nèi)容要求要求步驟步驟1 11. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估

7、算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算材料選擇材料選擇易裝拆易調(diào)整易裝拆易調(diào)整步驟步驟1 1改善軸的受力狀態(tài)改善軸的受力狀態(tài)步驟步驟2 21. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算材料選擇材料選擇根據(jù)已知軸上近似載荷（取根據(jù)已知軸上近似載荷（取決于功率和轉(zhuǎn)速），初步估決于功率和轉(zhuǎn)速），初步估算

8、基本軸徑或根據(jù)經(jīng)驗確定算基本軸徑或根據(jù)經(jīng)驗確定軸的某個徑向尺寸軸的某個徑向尺寸步驟步驟2 2估算軸徑時，因軸承等位置尚未確估算軸徑時，因軸承等位置尚未確定，彎矩未知，故只能考慮扭矩。定，彎矩未知，故只能考慮扭矩。T WWT T抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材p425p425附錄附錄A A表表A-7A-7； P P傳遞的功率傳遞的功率(kw)(kw)；n n軸的轉(zhuǎn)速軸的轉(zhuǎn)速(r/min)(r/min)； d d最小軸徑最小軸徑(mm) (mm) ；C C材料相關系數(shù)材料相關系數(shù)教材教材p189p189表表(26-3)(26-3) 軸上有單鍵，直徑增大軸上有單鍵，直徑增

9、大3-4 %3-4 %；有雙鍵；有雙鍵, ,直徑增大直徑增大7-10 %7-10 %扭剪應力扭剪應力TTWT ndPdT3632 . 01055. 916/ T 設計公式設計公式mmnPCnPTdTT333 2 . 01055. 9 2 . 06 步驟步驟3 31. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算材料選擇材料選擇步驟步驟3 3根據(jù)軸上零件根據(jù)軸上零件受力情況及安裝受力情況及安裝固定對軸表面的固定對軸表面的要求

10、，由外向內(nèi)要求，由外向內(nèi)確定各段直徑確定各段直徑 根據(jù)軸上零件根據(jù)軸上零件的位置、配合長的位置、配合長度、支承結(jié)構(gòu)和度、支承結(jié)構(gòu)和形式，由內(nèi)向外形式，由內(nèi)向外確定各段長度確定各段長度定定定定定定60 68 70 7270808270k672H7/r660H7/k62112296.520696.5鍵鍵2020110110鍵鍵1818100100步驟步驟4 41. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算材料選擇材料選擇v

11、滿足強度、剛度的要求滿足強度、剛度的要求v滿足工藝性要求：滿足工藝性要求： （1 1）易加工；易加工； （2 2）應力集中少；）應力集中少； （3 3）軸上零件準確定位；）軸上零件準確定位； （4 4）易裝拆和調(diào)整；）易裝拆和調(diào)整； （5 5）軸的受力狀態(tài)好）軸的受力狀態(tài)好綜合考慮！綜合考慮?。? 1） 制造工藝性要求制造工藝性要求v軸應有良好的制造工藝，便于加工軸應有良好的制造工藝，便于加工v加工方法不同，軸的結(jié)構(gòu)也可能不同加工方法不同，軸的結(jié)構(gòu)也可能不同v鍵槽應位于同一母線上；螺紋退刀槽；砂輪越程槽鍵槽應位于同一母線上；螺紋退刀槽；砂輪越程槽階梯軸階梯軸 光軸光軸 等強度軸等強度軸 車削車

12、削 倒角倒角 磨削磨削 砂輪越程槽砂輪越程槽 （2 2） 裝拆要求裝拆要求v階梯軸軸端應設計階梯軸軸端應設計4545 倒角倒角v鍵槽應置于軸與輪轂先接觸的直徑變化處鍵槽應置于軸與輪轂先接觸的直徑變化處v過盈配合采用錐面直徑過渡過盈配合采用錐面直徑過渡v合理設計非定位軸肩，減少不必要的配合面合理設計非定位軸肩，減少不必要的配合面v軸承定位軸肩軸承定位軸肩( (或套筒或套筒) )不能過高不能過高( (以便拆卸以便拆卸) ) v軸肩圓角輪轂孔圓角軸肩圓角輪轂孔圓角( (倒角倒角) )v軸上零件要易于裝拆、調(diào)整軸上零件要易于裝拆、調(diào)整v不同的裝拆方案，得到不同結(jié)構(gòu)不同的裝拆方案，得到不同結(jié)構(gòu)v軸的直徑

13、應圓整成標準值軸的直徑應圓整成標準值hrRrR（3 3） 定位和固定要求定位和固定要求v軸與軸上零件要有準確的工作位置軸與軸上零件要有準確的工作位置v定位：定位：零件有準確的工作位置零件有準確的工作位置v固定：固定：零件在軸上的位置牢固可靠零件在軸上的位置牢固可靠周向定位和固定周向定位和固定常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：v鍵、花鍵、緊定螺釘、過盈配合等鍵、花鍵、緊定螺釘、過盈配合等v防止軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，以傳遞轉(zhuǎn)矩防止軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，以傳遞轉(zhuǎn)矩軸向定位和固定軸向定位和固定常用的軸向定位和固定方法：常用的軸向定位和固定方法：v軸肩、套筒、螺母、軸端擋圈等軸肩、套筒、螺

14、母、軸端擋圈等v軸頭長度軸頭長度 輪轂的軸向長度輪轂的軸向長度v定位軸肩高度一般取定位軸肩高度一般取3 36mm6mmv防止軸上零件工作時發(fā)生軸向躥動防止軸上零件工作時發(fā)生軸向躥動（4 4） 盡量減少應力集中盡量減少應力集中, , 改善軸的受力狀態(tài)改善軸的受力狀態(tài)v軸肩處要有過渡圓角軸肩處要有過渡圓角v相鄰軸徑的變化不宜太大相鄰軸徑的變化不宜太大v改善零件位置及結(jié)構(gòu)改善零件位置及結(jié)構(gòu), , 以改善軸的受力狀態(tài)以改善軸的受力狀態(tài)找錯練習找錯練習v 軸承沒定位軸承沒定位v 軸向定位不確定軸向定位不確定v 軸承用錯或裝錯軸承用錯或裝錯v 無調(diào)整墊片無調(diào)整墊片v 端蓋端面無凹坑加工量大端蓋端面無凹坑加

15、工量大v 無定位軸肩無定位軸肩v 端蓋無密封端蓋無密封v 鍵槽太長鍵槽太長v無非定位軸肩無非定位軸肩v套筒太高套筒太高v在完成軸的結(jié)構(gòu)設計后，針對在完成軸的結(jié)構(gòu)設計后，針對不同情況，采用不同強度校核不同情況，采用不同強度校核計算方法對結(jié)構(gòu)進行驗證。計算方法對結(jié)構(gòu)進行驗證。內(nèi)容內(nèi)容方法方法1 1軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算材料選擇材料選擇5. 5.許用切應力法許用切應力法( (扭轉(zhuǎn)強度扭轉(zhuǎn)強度) )6. 6.許用彎曲應力法許用彎曲應力法( ( 彎扭合成強度彎扭合成強度 ) )7. 7.安全系數(shù)計算法：疲勞強度計算、安全系數(shù)計算法：疲勞強度計算、 靜強度計算靜強

16、度計算T適用情況：適用情況：(1)(1)軸只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩軸只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩（或很小的彎矩）（或很小的彎矩）(2)(2)彎矩未知，按扭距作初步計算彎矩未知，按扭距作初步計算方法方法1 1T WWT T抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材p425p425附錄附錄A A表表A-7A-7； P P傳遞的功率傳遞的功率(kw)(kw)；n n軸的轉(zhuǎn)速軸的轉(zhuǎn)速(r/min)(r/min)； d d最小軸徑最小軸徑(mm) (mm) ； T T 、C C材料相關系數(shù)材料相關系數(shù)教材教材p189p189表表(26-3)(26-3) 軸上有單鍵，直徑增大軸上有單鍵，直徑增大

17、3-4 %3-4 %；有雙鍵；有雙鍵, ,直徑增大直徑增大7-10 %7-10 %扭剪應力扭剪應力TTWT ndPdT3632 . 01055. 916/ T 設計公式設計公式mmnPCnPTdTT333 2 . 01055. 9 2 . 06 方法方法2 2軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算材料選擇材料選擇5. 5.許用切應力法許用切應力法( (扭轉(zhuǎn)強度扭轉(zhuǎn)強度) )6. 6.許用彎曲應力法許用彎曲應力法( ( 彎扭合成強度彎扭合成強度 ) )7. 7.安全系數(shù)計算法：疲勞強度計算、安全系數(shù)計算法：疲勞強度計算、 靜強度計算靜強度計算T適用情況：適用情況：(1)

18、(1)一般精度情況的軸計算一般精度情況的軸計算(2)(2)支撐點、載荷均已知支撐點、載荷均已知F步驟：步驟：v繪制受力計算簡圖繪制受力計算簡圖v計算所有力引起的彎矩計算所有力引起的彎矩v合成彎矩合成彎矩M Mv計算扭矩計算扭矩v合成當量彎矩合成當量彎矩MMv強度條件：強度條件：22水平垂直MMM22)(TMM 1bWM 為扭為扭- -彎應力性質(zhì)折合系數(shù)彎應力性質(zhì)折合系數(shù)含義：將扭剪應力的循環(huán)特性轉(zhuǎn)換含義：將扭剪應力的循環(huán)特性轉(zhuǎn)換 成與彎曲應力的循環(huán)特性一致成與彎曲應力的循環(huán)特性一致方法方法2 211bb01bb0.111 bb 恒定轉(zhuǎn)矩恒定轉(zhuǎn)矩循環(huán)轉(zhuǎn)矩循環(huán)轉(zhuǎn)矩脈動轉(zhuǎn)矩脈動轉(zhuǎn)矩許用彎曲應力參照教

19、材許用彎曲應力參照教材p190p190表表26-426-4WW：抗彎截面模量，參照教材：抗彎截面模量，參照教材p425p425附錄附錄A A表表A-7A-7 v對只承受彎矩的心軸對只承受彎矩的心軸v對轉(zhuǎn)動心軸：對轉(zhuǎn)動心軸：v對不轉(zhuǎn)動心軸：對不轉(zhuǎn)動心軸：v設計校核公式設計校核公式31 .01b Md31.0bMd 1bb or 10bbb 危險截面的確定：危險截面的確定：承受當量彎矩最大的截面承受當量彎矩最大的截面承受當量彎矩較大且?guī)缀纬叽巛^小的截面承受當量彎矩較大且?guī)缀纬叽巛^小的截面2 23 3個截面?zhèn)€截面方法方法2 2方法方法3 3軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計軸的強度計算軸的強度計算其它計算其它計算材料選擇材料選擇5. 5.許用切應力法許用切應力法( (扭轉(zhuǎn)強度扭轉(zhuǎn)強度) )6. 6.許用彎曲應力法許用彎曲應力法( ( 彎扭合成強度彎扭合成強度 )