轴的设计计算及校核

轴的设计、计算、校核

轴的设计、计算、校核

以转轴为例，轴的强度计算的步骤为：

一、轴的强度计算

1、按扭转强度条件初步估算轴的直径

机器的运动简图确定后，各轴传递的P和n为已知，在轴的结构具体化之前，只能计算出轴所传递的扭矩，而所受的弯矩是未知的。这时只能按扭矩初步估算轴的直径，作为轴受转矩作用段最细处的直径dmin，一般是轴端直径。

根据扭转强度条件确定的最小直径为：

式中：P为轴所传递的功率（KW） n为轴的转速（r/min） Ao为计算系数，查表3

（mm）

若计算的轴段有键槽，则会削弱轴的强度，此时应将计算所得的直径适当增大，若有一个键槽，将dmin增大5％，若同一剖面有两个键槽，则增大10％。

以dmin为基础，考虑轴上零件的装拆、定位、轴的加工、整体布局、作出轴的结构设计。在轴的结构具体化之后进行以下计

4.3 升降轴的设计

升降轴是升降电机动力通过链轮输入的一段，它的结构如下图：

图4-2 轴的结构图

1. 估算轴的基本直径

选用45钢，热处理方式为调质处理，由《机械设计》课本表15-3查得

取A0=120，得

d?A03P2.2?120?3?51mm n27.5所求为轴的最细处，即装联轴器处（图5-2）。但因此处有个键槽，故轴颈应增大5%，即dmin?51?1.05?53.5mm。

为了使所选的直径与联轴器孔径相适应，故需同时选择与其相适应的联轴器。

由《机械设计课程设计》课本查得采用凸缘联轴器，其型号选为YLD10,取与轴配合的的半联轴器孔径55mm，故轴颈d12?55mm，与轴配合长度84mm。 2. 轴的结构设计

（1）初定各段直径，见表4-1

表4-1 升降轴各段直径 位置 轴颈/mm 说明 装联轴器与半联轴器的内孔配合，故取55mm d12=55 轴段1-2 定位轴承放置端盖处，故取115mm d23=60 段 2-3 轴承段 d34=70 选用深沟球轴承6012，其孔径为70mm 3-4 装链轮段 与链轮轮毂内孔配合 d45=80 4-5 轴环段 链轮的轴向定位 d56=90 5-6 自由锻 轴承的左端轴向定位 d67=

3轴的设计计算

3.1轴的材料选择和最小直径估算

3.1.1轴的材料选用45号钢，调质处理。 3.1.2高速轴直径和轴长的确定

初算直径时，若最小直径段开于键槽，应考虑键槽对轴强度的影响，当该段截面上有一个键槽时，d增加5%~7%，两个键槽时，d增加10%~15%，由教材表12-2，高速轴所以：

，同时要考虑电动机的外伸直径d=48mm。

高速轴：

3.1.3低速轴直径和轴长的确定

所以低速轴的轴长初步确定为

3.2轴的强度校核（低速轴所受转矩大，且两轴的直径相差很小，只校核

低速轴）

(1)求齿轮上作用力的大小、方向 齿轮上作用力的大小：

（2）求轴承的支反力 水平面上支力

垂直面上支力

（3）画弯矩图 水平面上的弯矩

垂直面上的弯矩

合成弯矩

（4）画转矩图

（5）画当量弯矩图

因单向回转，视转矩为脉动转矩，查表12-1可得

剖面C处的当量弯矩：

，

,已知

，

（6）判断危险剖面并验算强度

a）剖面C当量弯矩最大，而且直径与相邻段相差不大，故剖面C为危险面。

已知

则

b)轴7的剖面虽仅受弯矩，但其直径最小，则该剖面

轴有限元分析

1 概述

本计算是对轴进行强度校核仿真，通过SOLIDWORKS软件对轴进行三维几何建模，在ANSYS/WORKBENCH软件中进行有限元网格划分、载荷约束施加，计算轴在工作状态下的结构应力及形变量，校核轴的强度是否满足要求。

2 材料参数

轴采用的材料——，其材料各力学属性见表1。

表1 材料属性

材料名称 ——

弹性模量 200GPa

泊松比 0.3

密度 7850kg/m3

3 结构有限元分析 3.1 结构几何模型

打开WORKBENCH软件，将Static Structural模块左键按着拖入到右侧工作窗口内，如图1。

图1

右键点击Geometry，选择Import Geometry，点击Browse，最后选择我们在SOLIDWORKS里面建好的三维模型，如图2所示。

图2

双击Geometry，进入DM界面。右键点击Import1，点击Generate,最终显示的几何模型如图3所示。

图3

3.2 结构有限元模型

关闭DM界面，重新回到工作窗口。双击Model，如图5所示。

图4

双击Model后，进入DS界面。左键点击Mesh，左键点击Generate Mesh，进行网格划分，最终画好的有限元模型如图5所示。

图

河南工业大学 机电工程学院

毕 业 设 计（论文）

轴的强度校核方法

姓 名： 学 号： 性 别： 专 业: 联系方式： 学习中心： 指导教师：

2XXX年X月X日

I

河南工业大学毕业设计（论文）

轴的强度校核方法

摘 要

轴是用来支承回转运动零件，如带轮、齿轮、蜗轮等，同时实现同一轴上不同零件间的回转运动和动力的传递的重要的零件。为实现机械产品的完整和可靠设计，轴的设计应考虑选材、结构、强度和刚度等要求。并应对轴的材料或设备的力学性能进行检测并调节，轴的强度校核应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。最后确定轴的设计能否达到使用要求，对轴的设计十分重要。

本文根据轴的受载及应力情况，介绍了几种典型的常用的对轴的强度校核计算的方法，并对如何精确计算轴的安全系数做了具体的介绍。当校核结果如不满足承载要求时，则必须修改原结构设计结果，再重新校核。

最后，本文对提高轴的疲劳强度和刚度提出相应改进方法，并对新材料，新技术的应用进行了展望。

关键词：轴；强度；弯矩；扭矩；

i

目 录

第一章 引 言 ...........................................

第四章：轴的设计计算 第一节：输入轴的设计

4.1：输入轴的设计：

4.1.1：选取轴的材料和热处理方法：

选取轴的材料为45钢，经过调质处理，硬度HB?240。 4.1.2：初步估算轴的直径：

dmin?A03P n根据选用材料为45钢，A0的范围为126~103，选取A0值为120，高速轴功率P?7.81kW，n?500r/min， 代入数据：

dmin?120?37.81?41.85.mm 500考虑到轴的外伸端上开有键槽，将计算轴颈增大3%～7%后，取标准直径为45mm。

4.1.3:输入轴的结构设计：

输入轴系的主要零部件包括一对深沟球轴承，考虑到轴的最小直径为45mm，而差速器的输入齿轮分度圆为70mm，设计输入轴为齿轮轴，且外为了便于轴上零件的装卸，采用阶梯轴结构。 （1）外伸段：

输入轴的外伸段与带轮的从动齿轮键连接，开有键槽，选取直径为

45mm，长为78mm。

（2）密封段：

密封段与油封毡圈50JB/ZQ4406?1997配合，选取密封段长度为

60mm，直径为50mm。

（3）齿轮段：

此段加工出轴上齿轮，根据主动轮B?70mm，选取此段的长度为

100mm，齿轮两端的轴颈为12.5mm，轴颈直径为63mm。

（4）左右两端

例题：某一化工设备中的输送装置运转平稳，工作转矩变化很小，以圆锥-圆柱齿轮减速器作为减速装置。试设计该减速器的输出轴。减速器的装置简图如下。输入轴与电动机相联，输出轴通过弹性柱销联轴器与工作机相联，输出轴为单向旋转（从装有联轴器的一端看为顺时针方向）。已知电动机功率P=10kW，转速n1=1450r/min，齿轮机构的参数列于下表： 级 别 z1 高速级 20 低速级 23 z2 75 95 mn(mm) mt(mm) 4 3.5 4.0404 β αn 1 齿 宽(mm) 大圆锥齿轮轮毂长L=50 B1=85,B2=80 解： 1.求输出轴上的功率P3、转速n3和转矩T3

若取每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内）η＝0.97，则

又

2.求作用在齿轮上的力

因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

于

是

而

圆周力Ft，径向力Fr及轴向力Fa的方向如图。

3.初步确定轴的最小直径

先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45号钢，调质处理。取A0=112，于是得

输出轴的最小直径显然是安

2 齿轮的设计及校核 2.1 设计参数及基本参数

表2.1 设计对象主要参数

项目 前进档档数 最高时速 最大扭矩 最高转速 传动比范围

参数 5 140km/h

200Nm/1400r/min 4800r/min 0.5-5.57

2.1.1 基本参数表

表2.2 各档传动比

传动比/档位 计算值 实际值

一档 5.57 5.46

二档 3.14 3.20

三档 1.77 1.76

四档 1 1

五档 0.56 0.58

表2.3各档齿轮齿数

档位/齿数 输出轴齿轮

常啮合 21

一档 40

二档 36

三档 28

五档 18

倒档 36

中间轴齿轮 38 13 23 31 41 19

2.2 齿轮参数确定

2.2.1 齿形、压力角α、螺旋角β

汽车变速器齿轮的齿形、压力角、及螺旋角按表2.4选取。

表2.4汽车变速器齿轮的齿形、压力角与螺旋角

项目/车型 齿形 轿车 一般货车

高齿并修形的齿形 GB1356-78规定的标准齿形

重型车

同上

低档、倒档齿轮22.5°，25°

小螺旋角

压力角α

螺旋角β

14.5°，15°，16°16.5° 25°~45° 20°

20°~30°

压力角

过 程 设 备 强 度 计 算 书 SW6-98

软件批准号：CSBTS/TC40/SC5-D01-1999

DATA SHEET OF PROCESS EQUIPMENT DESIGN

工程名 ：

PROJECT

设备位号： ITEM

设备名称： EQUIPMENT

图 号： DWG NO。 设计单位： XXXXXXXXXXXXXXXXX

DESIGNER

设 计 Designed by 日期 Date 校 核 Checked by 日期 Date 审 核 Verified by 日期 Date 审 定 Approved by 日期Date

全 国 化 工 设 备 设 计 技 术 中 心 站 0

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塔 设 备 校 核 计 算 单

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