第12章轴的设计.

§12-1概述§12-2轴的初步估算§12-3轴的结构设计§12-4轴的强度验算§12-5轴的设计实例分析减速器结构分析称为轴系零部件轴轴承联轴器轴承齿轮半联轴器半联轴器轴一.轴的功用1.支承作回转运动的零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；3.受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。2.传递运动和动力；§12-1概述本章主要内容1.轴的分类及材料选择（保证轴的强度、刚度要求）；2.轴的正确结构设计（轴上零件定位准确、固定可靠、装拆方便，轴加工工艺性好)；—重点3.轴的强度计算；4.轴的设计实例分析。光轴阶梯轴空心轴曲轴直轴按轴线的形状二.轴的分类转轴——既受弯矩，又受转矩的轴，如齿轮减速中装齿轮的轴。按轴工作时受载情况分类心轴——只受弯矩M的轴，如滑轮轴、自行车前轮轴传动轴——只受扭矩T，或少量弯矩（轴自重引起），如汽车双万向联轴器的中间轴固定心轴转动心轴传动轴万向联轴器的中间轴转轴ⅢⅠⅡ（1）曲轴（2）软轴（3）空心轴按结构形状分潘存云教授研制空心轴接头驱动装置钢丝软轴（外层为护套）动力源设备设备接头潘存云教授研制三.轴的材料及选择对轴材料要求：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性能和加工工艺性好；材料来源广，价格适中。碳钢普通碳素钢：Q235,Q255---用于不重要，轻载的轴；优质碳素钢：35，40，45号---廉价、物广，应用较广泛；合金钢中碳合金钢：40Cr等---强度高，价贵用于重要轴低碳合金钢：20CrMnTi---表面渗碳淬火后，表面硬度高芯部韧性好，适用于冲击载荷较大的场合。球墨铸铁--宜用于制造形状复杂的轴轴常用材料表12-2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……………………§12-2轴的初步估算1.按扭转强度计算——适用于传动轴、转轴初算][1095503TTTTWnPWT扭转强度条件：T——轴的扭转切应力（MPa）；——轴传递的转矩（N·mm）；TWT——轴的抗扭截面系数（mm3），对于实心圆轴3330516dddWT.2P——轴传递的功率（kW）；[τТ]——轴的许用扭转切应力（MPa）；式中：mm109550][5333npCnPdT设计计算式：对于实心圆轴：C——与轴的材料有关的系数，查表12-2。计算说明：1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为轴端；2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增大5%。双键槽增大10%，将所计算的直径圆整为标准值。dd)10.1~05.1(单键槽双键槽满足轴强度要求）；(mindd径要求；满足该段轴上零件的孔Dd)2.1~8.0(:与电机相联或者根据经验估算，如3.轴的最小直径dmin应根据2.按经验公式估算Dd)2.1~8.0(对一般减速装置中的轴，也可按经验公式估算轴的直径:高速轴:用与之相连的电机轴径D估算相应的各级低速轴的最小直径可按同级齿轮中心距估算ad)4.0~3.0(滚动轴承齿轮滚动轴承键槽半联轴器轴承盖轴承盖一.轴系结构分析§12-3轴的结构设计轴的结构设计目的——合理确定轴的外部形状和全部尺寸二.轴的结构设计应考虑的主要因素4.有利于提高轴的强度和刚度（轴的受力合理、应力集中小）。3.良好的结构工艺性（装拆工艺性和加工工艺性）；2.保证轴上零件的固定可靠；1.保证轴上零件的定位准确；一）零件轴向定位和固定的目的三.零件轴向定位和固定防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴向定位和固定轴肩轴环二）常用轴向固定1.轴肩（或轴环）过渡圆角r定位高度h由组成注意事项：1）轴的过渡圆角半径r——应小于轴上零件的倒角C或圆角半径R；2）轴肩轴环高度h定位轴肩：高度hC(或R),rCh,rRh,通常取h=(2～3)C或(2～3)R或h=0.07d+(2～3)mm滚动轴承：按轴承型号查标准非定位轴肩：为使零件装拆方便，取h=(1～2)mm3）轴环宽度b——b1.4h≥10mmrRhdDhcrDdb1）特点2．套筒-------常用于两个距离相近的零件之间的相对固定。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的轴。套筒注意：轮毂宽度Bl，取l=B-（2~3）mm套筒壁厚3mmBl3．轴端挡圈-------常与轴肩或锥面联合使用，固定零件（只用于轴端）稳定可靠，能承受较大的轴向力。注意：轮毂宽度Bl，取l=B-（2~3）mm轴肩B轴端挡圈止动垫片止动销l止动垫片止动销轴端挡圈螺钉螺钉4．圆锥面-----装拆方便，宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。锥面轴端挡圈螺钉止动垫片（只用于轴端）5．圆螺母与止动垫圈----------固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。注意：零件宽度B轴长度l，取l=B-（2~3）mmlB止动垫圈圆螺母止动垫圈6．弹性挡圈---------结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。弹性挡圈Bl注意：零件宽度B轴长度l，取l=B-（2~3）mm7．紧定螺钉:结构简单，可兼作周向固定，传递不大的力或力矩，不宜用于高速。紧定螺钉四.轴上零件的周向定位方法平键：用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。花键：适用于传递转矩大，对中性要求高的场合。过盈配合：常与平键联合使用，以承受大的交变、振动和冲击载荷。销联接：用于固定不大重要，受力不大，但同时需要轴向固定的零件。五.轴的结构工艺性——便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装一）轴的加工工艺性要求1.不同轴段的键槽，应布置在轴的同一母线上，以减少键槽加工时的装卡次数；a.正确结构b.不正确结构2.需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应留螺纹退刀槽。砂轮越程槽螺纹退刀槽3.相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一，以便于加工。0.8二）轴上零件装配工艺性要求3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。a）倒角b）导向锥面°°1.轴的配合直径应圆整为标准值；2.轴端应有cX45º的倒角；六.提高轴强度、刚度的措施一）合理布置轴上零件，改善轴的受力情况1.使弯矩分布合理——把轴、毂配合分成两段，减小最大弯矩值。不合理结构合理结构FF2.使转矩合理分配不合理的布置合理布置输出轮输入轮输出轮输出轮输入轮1Tmax=T2+T3+T4Tmax=T3+T43.改进轴上零件结构减轻轴的载荷卷筒轴既受弯又受扭卷筒轴只受弯矩卷筒螺栓卷筒齿轮轴承轴承齿轮齿轮齿轮二）减小轴的应力集中b）过盈配合处的应力集中轴的应力集中发生的位置a）截面尺寸变化处的应力集中b）过盈配合处的应力集中c）小孔处的应力集中a）截面尺寸变化处的应力集中c）小孔处的应力集中减小应力集中的措施当过渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环;对于过盈配合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽凹切圆角°过渡肩环减载槽三）改善轴的表面质量以提高轴的疲劳强度1.合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值；2.轴的表面强化处理。如高频淬火、表面渗碳、碳氮共渗、渗氮、碾压、喷丸等；四）在满足机器零件相互位置尺寸要求的前提下，为提高轴的刚度，轴在支承间的跨度应尽量小；悬臂布置的工作件其悬臂尺寸应尽量缩短。§12-4轴的强度验算强度验算的前提条件：轴的结构设计初步完成，支点力点位置确定，支反力可求。弯曲应力：WMb扭转切应力：TTWT对实心圆轴，WWT2转轴危险截面上的应力状态转轴危险截面上的应力（根据第三强度理论）：WTMWTWMTTbe22222244——称为计算弯矩或称为当量弯矩22TM3.011bb轴受不变扭矩时，γτ=+1，6.001bb轴受脉动扭矩（有振动冲击或频繁启动停车）γτ=0，111bb轴受对称扭矩(频繁双向运转)时，γτ=-1，α—应力校正系数转矩的变化不清楚时按脉动循环处理经整理可得轴的直径设计公式(实心轴)：311.0beMdmmbeeWMWTM122可得校核轴强度的基本公式为：考虑M、T两者产生的应力循环特性γσ和γτ不同，通常γσ=－1，而一般γτ≠－1，考虑两者差异的影响，将σe进行修正为：WMWTMee22轴的设计方法及步骤设计图示带式运输机中单级斜齿轮减速器输出轴。已知：电动机的功率P1=25kW，n1=970r/min；齿轮传动的主要参数及尺寸为：法面模数mn=4mm，两轮齿数分别为Z1=20，Z2=79，螺旋角，分度圆直径d1=81.81mm，d2=319.19mm，中心距a=200mm，齿宽b1=85mm，b2=80mm，单向运转。43680联轴器输送带低速轴减速器联轴器电动机一.选择轴的材料因该轴无特殊结构尺寸要求，故选45钢调质，查表12-1可得：MPa][σMPa][σMPa][σMPaMPaMPaMPa1b0b1b599821615530036065011,,,,,,sb二.按扭转强度初步计算轴的直径低速轴的功率：低速轴的转速：kW249809909902512...PP齿轮轴承联轴器min6.245207997012runnmm7.50mm245.624110nPCd33222min低速轴的计算直径：C查表12-2，取C=110考虑轴端装联轴器需要开键槽，轴径应为mmdd235.53)05.01(min2min2低速轴计算扭矩：mN2.1213mN6.2452495503.1955022nPKTAca选输出轴端联轴器型号为：8550141125584554GBYAJCHL弹性柱销联轴器联轴器孔径要求：d联孔=55mmd2min应同时满足强度要求即：dmin≥d2min′初定轴的最小直径d2min取dmin=55mmd联孔三.轴的结构设计(一)选择轴上零件的装拆方案，初定轴的形状联轴器滚动轴承大齿轮滚动轴承轴上零件的装拆，看采取两种方案：轴上零件：有齿轮、滚动轴承、联轴器左边轴承从左端装拆，用轴肩定位和固定；大齿轮、右边轴承和联轴器从右端装拆，前两者之间用套筒固定，联轴器用轴肩和轴端挡圈固定。轴上零件装拆方案a）套筒左边轴承和大齿轮从左端装拆，两者均用套筒固定；右边轴承和联轴器从右端装拆，两者均用轴肩定位和固定。轴上零件装拆方案b）（二）按a）方案进行轴的结构设计1.确定轴的最小直径dmin：因为轴的最小直径处安装联轴器，故取dmin=55mm；2.设计轴的结构1)仅从轴的强度和加工工艺考虑，可将轴制成Ф55的光轴滚动轴承滚动轴承联轴器大齿轮φ55套筒考虑左轴承和大齿轮的定位及固定，应制轴肩和轴环大齿轮滚动轴承联轴器滚动轴承考虑右轴承和大齿轮的定位及固定，应有套筒d7d6d5d4d3d2d12）考虑轴上零件的装拆、定位、固定要求，应轴制成阶梯轴套筒考虑联轴器、大齿轮轴向和周向固定，进一步完善轴的结构——键连接，挡圈、轴承盖3）根据轴上零件的定位和固定要求确定各段轴的直径取：定位轴肩高度h=（0.07）d+(2～3)mm非定位轴肩高度mmhmmh5.2,)3~2(取d7d6d4d3d2d1d5各段轴直径：mmdd55min1mmmmmm657667115525507025522112d,...hdd取倍数）滚动轴承孔径为57056552222223(.dhddmmmmmmmmdhdd755705.2223334mmmmAC797972146）轴承寸，（滚动轴承内圈安装尺aadddmm90mmmm5895147527