轴的设计ppt课件

第十七章 轴的设计
§17-1 概述 §17-2 轴径的初步估算 §17-3 轴的结构设计 §17-4 轴的强度和刚度计算
§17-1 概述
一、轴的主要功用 1、支承轴上回转零件（如齿轮） 2、传递运动和动力
3、受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。
二、轴的分类
1、按承载情况分 转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）
2）轴环宽度b—— b1.4h ≥ 10 mm
r
h
b
h
r
R
D c
d D
d
3）轴肩轴 环高度h
轴肩
轴环
定位轴肩：高度h>C(或R) ,通常取h=(2～3)C或(2
～3)R或h=0.07d+(2～3) mm
滚动轴承：轴肩高度<滚动轴承内圈高度
非定位轴肩：为使零件装拆方便，
取h=(1～2)mm
2．套筒----常用于两个距离相近的零件之间，起定位和固 定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高 的轴上。 套筒 B
WT=πd3/16≈0.2d3； d——轴的直径，mm； n——轴的转速，r/min。
对实心圆轴，设计计算式：
3
d
9.55106
0.2[T ]
3
P
3
C
n
P n
mm
C——与轴的材料和承载情况有关的系数。
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，即：
质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。
轴的毛坯：圆钢棒料 锻造毛坯 焊接毛坯 铸造毛坯
尺寸小的轴 尺寸较大或为提高强度的轴 大件锻造困难 形状复杂的轴、空心轴等
四、轴设计的主要问题与设计特点 失效形式：1、疲劳破坏— 疲劳强度校核。
2、变形过大— 刚度验算（如机床主轴）。 3、振动折断— 高速轴，自振频率与轴转速接近。
二、按经验公式估算轴径
对高速轴： d＝(0.8－1.2)D
对低速轴：
其中，D为电机轴径 d＝(0.3－0.4)a 其中，a为同级齿轮中心距
§17-3 轴的结构设计
设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。 设计要求： 1.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定；
2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整； 3.轴应具有良好的加工工艺性； 4.应有利于提高轴的强度和刚度。
4、塑性变形— 短期尖峰载荷— 验算屈服强度。 设计的主要问题：
1、合理的结构设计— 保证轴上零件有可靠的 工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固 定可靠，便于轴上零件的调整；
2、工作能力计算 a、有足够的强度— 疲劳强度、静强度；
b、有足够的刚度— 防止产生大的变形； c、有足够的稳定性— 防止共振— 稳定性计算。 转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。
d (1.05 ~ 1.10)d
单键槽 双键槽
3）轴的最小直径dmin应根据
dmin d (满足轴强度要求） 满足该段轴上零件的孔径要求
4）对于传动轴，精确计算；
5）对转轴，初估轴径dmin——结构设计，逐步阶梯化di （∵ 支点、力作用点未知）；
6）对于转轴：算出dmin→结构设计→弯矩图→弯扭 合成强度计算；
三、轴上零件的轴向固定
一）零件轴向固定的目的
防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。
二）常用轴向固定 1.轴肩（或轴环） 由
定位高度h 过渡圆角r
组成
r
r
h
h
D d
D d
轴肩
轴环
r
h
b
h
r
R
D c
d D

轴肩
轴环
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。
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；
l
注意：轮毂宽度B > 轴头长度l，取l = B -（2~3）mm
直轴 阶梯轴
又可分为实心、空心（加工困难）
曲轴：发动机专用零件
钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。
动力源 接头
接头 驱动装置
钢丝软轴（外层为护套）
钢丝软轴的绕制
三、轴的材料
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。
1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应用最广。 价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。
2、合金钢：40Cr、40MnB、20CrMnTi等，强度高、寿命 长，对应力集中敏感，价格较贵。用于重载、 小尺寸的轴。
种类
注意：钢材
对钢材弹性模量E影响很小，
热处理
∴用 热处理 不能提高轴的刚度。 合金钢
问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？ 3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品
轴的设计步骤 选用合适的材料
结构设计
强度和刚度计算
轴的结构形状和尺寸
§17-2 轴径的初步估算
一、按扭转强度估算轴径
扭转强度条件： T
T WT
9550 10 3
WT
P n
[ T ]
τT、[τT]——轴的扭剪应力和许用扭剪应力，MPa； T——转矩，N·mm； P——轴所传递的功率，kW； WT——轴的抗扭截面系数，mm3，对于实心圆轴 ，
如：减速器中的轴。
传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0 如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。
心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0） 转动心轴：轴转动 固定心轴：轴固定 问：火车轮轴属于什么类型？
转动心轴
问：自行车的前轮轴属于什么类型？
滑轮轴
转动心轴
自行车的中轴是转轴
固定心轴
问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？
0 轴： 传动轴 Ⅰ轴： 转轴 Ⅱ轴： 转动心轴 Ⅲ轴： 转轴 Ⅳ轴： 转轴 Ⅴ轴： 转动心轴
如何判断轴是否传递转矩： 从原动机向工作机画传动路线，若传动路
线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。
如何判断轴是否承受弯矩： 该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，
若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。
2、按轴线形状分 光轴
F
等强度
阶梯轴
一、轴上零件的布置 轴颈：装轴承处
尺寸= 轴承内径；
组成 轴头：装轮毂处
直径与轮毂内径相当；
轴身：联接轴颈和轴头部分。
典型轴系结构
轴承盖 滚动轴承 齿轮 滚动轴承 轴承盖 键槽
联轴器
轴颈
轴身
轴头
轴颈
轴身
轴头
装配方案的比较：
二、各轴段直径和长度的确定 1、d：由载荷→dmin→由结构设计要求确定各段的d。 2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑： 1）轴段长比轮毂宽小2~3mm——可靠定位。 2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。