轴的结构设计

青岛科技大学专用潘存云教授研制第15章轴§15-1概述§15-2轴的结构设计§15-3轴的计算带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运动和动力的，适用于两轴中心距较大的场合。与齿轮传动相比，它们具有结构简单，成本低廉等优点。§15-4轴的设计实例青岛科技大学专用潘存云教授研制带式运输机减速器电动机转轴§15-1概述功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：一、轴的用途及分类青岛科技大学专用潘存云教授研制功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩发动机后桥传动轴一、轴的用途及分类§15-1概述青岛科技大学专用潘存云教授研制功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯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一、轴的用途及分类§15-1概述青岛科技大学专用潘存云教授研制功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类§15-1概述光轴阶梯轴按轴的形状分有：一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴青岛科技大学专用潘存云教授研制功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类§15-1概述光轴阶梯轴曲轴青岛科技大学专用潘存云教授研制本章只研究直轴功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴一、轴的用途及分类§15-1概述光轴阶梯轴曲轴挠性钢丝轴青岛科技大学专用潘存云教授研制设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。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式和尺寸。工作能力计算：轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。轴的设计过程：N选择材料结构设计轴的承载能力验算验算合格?结束Y青岛科技大学专用潘存云教授研制种类碳素钢：35、45、50、Q235轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。三、轴的材料合金钢:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是45钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。为了改善力学性能正火或调质处理。表15-1轴的常用材料及其主要力学性能材料及热处理毛坯直径mm硬度HBS强度极限σb屈服极限σsMPa弯曲疲劳极限σ-1应用说明Q235440240200用于不重要或载荷不大的轴35正火520270250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。≤100149~187……………………青岛科技大学专用潘存云教授研制表15-1轴的常用材料及其主要力学性能青岛科技大学专用潘存云教授研制设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。§15-2轴的结构设计设计要求：1.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；(定位)3.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。轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承典型轴系结构青岛科技大学专用潘存云教授研制一、拟定轴上零件的装配方案装配方案：确定轴上零件的装配方向、顺序、和相互关系。青岛科技大学专用潘存云教授研制轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。图示减速器输出轴就有两种装配方案。saBcLa圆锥圆柱齿轮二级减速器青岛科技大学专用潘存云教授研制方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理。青岛科技大学专用潘存云教授研制二、轴上零件的定位4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。轴肩----阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。轴肩套筒定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。青岛科技大学专用潘存云教授研制轴向固定由轴肩、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。双向固定青岛科技大学专用潘存云教授研制无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。轴肩的尺寸要求:rC1或rRb≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)DdrR轴端挡圈双圆螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈圆锥面定位。hhC1DdrDdrRb青岛科技大学专用潘存云教授研制轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。周向固定大多采用键、花键、过盈配合或型面联接等形式来实现。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青岛科技大学专用潘存云教授研制三、各轴段直径和长度的确定确定轴段直径大小的基本原则：最小轴径dmin的确定:轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；1.按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。4.有配合要求的零件要便于装拆。3.安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。2.有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。mmnPA30MPaT][ndP362.01055.9TTWT336][2.01055.9nPdT—扭矩，[τT]—许用应力，WT—抗扭截面系数，P—功率，n—转速，d—计算直径，A0—材料系数。青岛科技大学专用潘存云教授研制标准直径应按优先数系选取：R51.001.602.504.006.3010.00R101.001.251.602.002.503.154.005.006.308.0010.001.001.121.251.401.601.802.002.242.502.803.153.554.004.505.005.606.307.108.009.0010.001.001.061.121.181.251.321.401.501.601.701.801.902.002.122.242.362.502.652.803.003.153.353.553.754.004.254.504.755.005.305.606.006.306.707.107.508.008.509.009.5010.00R40R20优先数----表中任意一个数值。大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000。Q275,3540Cr,35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo,3Cr13[τT](N/mm)15~2520~3525~4535~55A0149~126135~112126~103112~97表15-2常用材料的[τT]值和A0值轴的材料Q235-A3,2045青岛科技大学专用潘存云教授研制常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。配合轴段的直径应由标准件和配合性质确定。1)装配轴承与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数；(φ20~385mm)与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套：…32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70…..2)装配联轴器配合段直径应符合联轴器的尺寸系列：联轴器的孔径与长度系列孔径d3032353840424548505565606365…长系列82112142短系列6084107长度L青岛科技大学专用潘存云教授研制便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施：H7/r6H7/D11H7/r6为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不能过大。2)配合段前端制成锥度；3)配合段前后采用不同的尺寸公差。1)在配合段轴段前应采用较小的直径；结构不合理！青岛科技大学专用潘存云教授研制Q方案b四、提高轴的强度的常用措施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。输出输出输入输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T11.改进轴上零件的结构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合理不合理T2.合理布置轴上零件Q方案a轴径大轴径小青岛科技大学专用潘存云教授研制3.改进轴的局部结构可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。应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。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;R3)重要结构可增加卸载槽、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。青岛科技大学专用潘存云教授研制轴上开卸载槽应力集中系数可减少40%轴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%d1.05d3）采取增加卸载槽、增大轴径、过渡肩环、凹切圆角、等也可以减小过盈配合处的局部应力。30˚r凹切圆角过渡肩环1.06~1.06dd青岛科技大学专用潘存云教授研制4.改善轴的表面质量可提高轴的疲劳强度1）表面愈粗糙疲劳强度愈低；提高表面粗糙度；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，从而提高轴的疲劳能力。青岛科技大学专用潘存云教授研制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。在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。零件的安装次序五、轴的结构工艺性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。②③⑥⑦①⑤①倒角退刀槽青岛科技大学专用潘存云教授研制§15-3轴的计算一、按扭转强度计算轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，常用方法有两种。对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：设计公式为：mmnPA30MPaT][ndP362.01055.9TTWT336][2.01055.9nPd计算结果为：最小直径！解释各符号的意义及单位考虑键槽对轴有削弱，可按以下方式修正轴径：轴径d≤100mmd增大5%～7%d增大10%～15%轴径d＞100mmd增大3%d增大7%有一个键槽有两个键槽青岛科技大学专用潘存云教授研制注:当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只作单向旋转,[τT]取较大值，A0取较小值;否则[τT]取较小值，A0取较大值。轴的材料Q235-A3,20Q275,354540Cr,35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo,3Cr13[τT](N/mm)15~2520~3525~4535~55A0149~126135~112126~103112~97表15-2常用材料的[τT]值和A0值青岛科技大学专用潘存云教授研制L1L2L3ABCD减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。二、按弯扭合成强度计算1)轴的弯矩和扭