机械设计第16章轴(重点工程班)新

第 十 六 章 轴

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。本章的难点： 轴的结构设计。 作业：Page318 16.5 应该注意： 轴的结构设计要与滚动轴承的组合结构设计等联 系起来考虑。作者：朱理

第 十 六 章 轴

16.1 概述 16.1.1 轴的功用及分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。 分类： 转轴——传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有

类 型

按轴的形状分有

带式运 输机

电动机 减速器 转轴作者：朱理

第 十 六 章 轴

16.1 概述 16.1.1 轴的功用及分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。 分类： 转轴——传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 传动轴——只传递扭矩

类 型

按轴的形状分有发动机 传动轴 后桥

作者：朱理

第 十 六 章 轴

16.1 概述 16.1.1 轴的功用及分类

功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。 分类： 转轴——传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 传动轴——只传递扭矩 类 心轴——只承受弯矩 型

按轴的形状分有车厢重力

自行车 前轮轴

前叉

转动心轴 支承反力 火车轮轴

前轮轮毂 固定心轴作者：朱理

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16.1 概述 16.1.1 轴的功用及分类

功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。 分类： 转轴——传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 传动轴——只传递扭矩 类 心轴——只承受弯矩 一般情况下，直轴做成实心 型 直轴 光轴 轴，需要减重时做成空心轴 阶梯轴 按轴的形状分有

潘存云教授研制

作者：朱理

第 十 六 章 轴

16.1 概述 16.1.1 轴的功用及分类

功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。 分类： 转轴——传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 传动轴——只传递扭矩 类 心轴——只承受弯矩 一般情况下，直轴做成实心 型 直轴 光轴 轴，需要减重时做成空心轴 阶梯轴 按轴的形状分有 曲轴

作者：朱理

第 十 六 章 轴

16.1 概述 16.1.1 轴的功用及分类

功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。 分类： 转轴——传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有 传动轴——只传递扭矩 本章只研究直轴 类 心轴——只承受弯矩 一般情况下，直轴做成实心 型 直轴 光轴 轴，需要减重时做成空心轴 阶梯轴 按轴的形状分有 曲轴 挠性钢丝轴

作者：朱理

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16.1 概述 16.1.1 轴的功用及分类 举例： 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。 转轴

固定心轴

传动轴

转动心轴 P作者：朱理

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16.1 概述 16.1.2 轴设计时要解决的主要内容轴的设计与其它零件设计相似,为了保证轴具有足够的工作能 力,它须具有足够的强度和刚度(即进行强度和刚度计算), 对于高 速轴还必须具有良好的稳定性(即进行振动稳定性计算)。另外为 了保证安装在轴上的零件能正确定位和固定,以及轴的加工和装 配要求,轴必须有合理的结构和良好的工艺性(即要进行轴的结构 设计) 。

设计主要任务：选材、结构设计、工作能力计算。 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。作者：朱理

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16.1 概述 16.1.3 轴的设计过程： 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。选择材料 结构设计 轴的承载能力验算

验算合格? Y结束

N

作者：朱理

第 十 六 章

16.2

轴的材料为了改善力学性能

正火或调质处理。 种 碳素钢：35、45、50、Q235 轴 类 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。 轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。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。

表16.1材料及热处理

轴的常用材料及其主要力学性能应用说明

毛坯直径 硬度 强度极限σb 屈服极限σs 弯曲疲劳极限σ-1 /mm /HBS MPa

Q235 35 正火 ≤100 ~187149

440 520

240 270

200 250

……

…

…

…

…

…

用于不重要或 载荷不大的轴 有较好的塑性 和适当的强度， 可用于一般曲 轴、转轴。

…

作者：朱理

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16.3 轴的结构设计 轴的结构设计 定出轴的合理外形和全部的结构尺寸。 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。 设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素： 1. 轴在机器中的安装位置及形式； 2. 轴上零件的类型、尺寸、数量及与轴联接方式； 3. 载荷性质、大小、方向及分布情况； 4. 轴的加工工艺性等。作者：朱理

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16.3 轴的结构设计轴端挡圈 带轮 轴承盖套筒 齿轮 滚动轴承

典型 轴系 结构

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。

作者：朱理

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16.3 轴的结构设计 轴结构设计时，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。

sa B c L a

一般取： a = 10 ~ 15 mm

c = 10 ~ 20 mm s = 10 ~ 15 mm L = (1.5~ 2)d轴 mm B一般为齿轮宽度，但必须满足： 二级圆锥圆柱 齿轮减速器 B = (1.5~ 2)d轴 mm作者：朱理

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16.3 轴的结构设计 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。

作者：朱理

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16.3 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。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。

s a B c L a

圆锥圆柱齿轮 二级减速器

作者：朱理

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16.3 轴的结构设计 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。 方案一

方案二

作者：朱理

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16.3 轴的结构设计初步确定轴的直径时往往不知轴的跨距，因轴上零件 轮毂的长度与直径有关，一般取L=(1.5~2)d ,故轴的长 度和跨距无法确定，因而不能求出弯矩的大小和分布情况， 故不能按弯矩确定其轴的直径，所以设计之初是按扭矩来 初定直径，并在确定许用剪切应力时采用降低的方法来考 虑弯矩的影响。 TT 9.55 106 P T N / mm 2 WT 0.2d 3 n9.55 ×106 ≥3 0.2 [ τ T ]3

二、 各轴段直径和长度的确定

1. 初估轴的最小直径dmin

d min

P P 3 ≥ C mm n n

T——扭矩 ，WT——抗扭截面系数，P——功率，n——转速， [τT] ——许用应力， d——计算直径，C——材料系数。 作者：朱理

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16.3 轴的结构设计 二、 各轴段直径和长度的确定 1. 初估轴的最小直径dmin 式中轴的材料C=3 9.55 ×10 6 0.2 [ τ T ]

其值查表16.2 。Q275, 35 1Cr18Ni9Ti 45 40Cr, 35SiMn 38SiMnMo, 3Cr13

表16.2

常用材料的[τT]值和C值

Q235-A3, 20

[τT]/(N/mm )

15~25

20~35

25~45

35~55

C

149~126

135~112

126~103

112~97

当按上式算出轴径后,只能作为整个轴上仅受扭矩 的那一段轴的最小直径d min ,注意： 1) 当该段轴上开有键槽时,应增大轴径,单键增大 5%~7%左右, 双键增大10%~15%; 2) 当最小直径段装有带轮或齿轮时, 则应使d min≥d轮 /10。作者：朱理

第 十 六 章

16.3 轴的结构

设计

二、 各轴段直径和长度的确定 轴 2.各段轴的直径及长度的确定 当确定dmin后,就可以按所选定的装配方案从dmin处起 逐一确定各段轴的直径及长度。在确定轴径时应注意： 1) 尽可能选用轴的标准直径(见下表);标准直径尺寸系列10 30 56 12 32 60 14 34 63 16 36 67 18 38 71 20 40 75 22 42 80 24 45 85 25 48 90 26 50 95 28 53 100

2)安装标准件的轴径，应满足标准尺寸要求； 3) 开有螺纹处应符合螺纹标准； 4)有配合要求的零件要便于装拆； 5) 轴径和轴段长度应为整数。

作者：朱理

第 十 六 章

16.3 轴的结构设计

二、 各轴段直径和长度的确定 轴 2.各段轴的直径及长度的确定 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；(υ 20~385 mm) 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d 长度 长系列 L 短系列 30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 65 82 60 112 84 60 63 65… 142 107

作者：朱理

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