機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之機(jī)械設(shè)計(jì)-第3章：軸2007

1、第三章第三章E軸的功用與分類(lèi)軸的功用與分類(lèi)E軸的設(shè)計(jì)步驟軸的設(shè)計(jì)步驟E軸的材料及其選擇軸的材料及其選擇E軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)E軸的計(jì)算軸的計(jì)算重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)及難點(diǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算校核軸的強(qiáng)度計(jì)算校核基本要求基本要求了解轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸的載荷特點(diǎn)了解轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸的載荷特點(diǎn)掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及相關(guān)注意事項(xiàng)掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及相關(guān)注意事項(xiàng)掌握軸的三種強(qiáng)度計(jì)算方法掌握軸的三種強(qiáng)度計(jì)算方法了解軸的剛度計(jì)算方法了解軸的剛度計(jì)算方法支承旋轉(zhuǎn)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力支承旋轉(zhuǎn)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力軸向軸向/ /周向定位軸上零件周向定位軸上零件軸軸, ,持輪也。持輪也。說(shuō)文說(shuō)文服重任

2、服重任, ,行遠(yuǎn)道行遠(yuǎn)道, ,正直而固者正直而固者, ,軸也。軸也。列女傳列女傳母儀母儀功用功用軸軸v心軸：心軸：主要承受彎矩主要承受彎矩v傳動(dòng)軸：傳動(dòng)軸：主要承受轉(zhuǎn)矩主要承受轉(zhuǎn)矩v轉(zhuǎn)軸：轉(zhuǎn)軸：既承受彎矩，又承受轉(zhuǎn)矩既承受彎矩，又承受轉(zhuǎn)矩分類(lèi)（分類(lèi)（1 1）載荷性質(zhì)載荷性質(zhì)直軸（光軸、階梯軸）直軸（光軸、階梯軸）曲軸曲軸軟軸（撓性軸）軟軸（撓性軸）分類(lèi)（分類(lèi)（2 2）軸線形狀軸線形狀空心軸空心軸實(shí)心軸實(shí)心軸分類(lèi)（分類(lèi)（3 3）截面形狀截面形狀4 4、結(jié)構(gòu)問(wèn)題結(jié)構(gòu)問(wèn)題 確定軸的形狀和尺寸確定軸的形狀和尺寸主要問(wèn)題主要問(wèn)題軸的工作能力設(shè)計(jì)軸的工作能力設(shè)計(jì)1 1、強(qiáng)度問(wèn)題強(qiáng)度問(wèn)題 防止軸發(fā)生疲勞斷裂

3、防止軸發(fā)生疲勞斷裂2 2、剛度問(wèn)題剛度問(wèn)題 防止軸發(fā)生過(guò)大的彈性變形防止軸發(fā)生過(guò)大的彈性變形3 3、振動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題振動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題 防止軸發(fā)生共振防止軸發(fā)生共振軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算軸的最小直徑估算軸的最小直徑minmin3. 3.確定各段直徑及長(zhǎng)度確定各段直徑及長(zhǎng)度4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算8. 8.剛度計(jì)算剛度計(jì)算9. 9.振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算( ( 臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速) )5. 5.許用切應(yīng)力法許用切應(yīng)力法( (扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度) )6.

4、6.許用彎曲應(yīng)力法許用彎曲應(yīng)力法( ( 彎扭合成強(qiáng)度彎扭合成強(qiáng)度 ) )7. 7.安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、 靜強(qiáng)度計(jì)算靜強(qiáng)度計(jì)算基本步驟基本步驟材料選擇材料選擇三邊：三邊：邊計(jì)算、邊畫(huà)圖、邊修改邊計(jì)算、邊畫(huà)圖、邊修改基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)三與：三與：估算與精算、計(jì)算與畫(huà)圖、估算與精算、計(jì)算與畫(huà)圖、 軸的設(shè)計(jì)與軸上零件的設(shè)計(jì)軸的設(shè)計(jì)與軸上零件的設(shè)計(jì)2. 2. 球墨鑄鐵球墨鑄鐵QT500-5QT500-5、QT600-2QT600-21. 1. 鋼鋼碳素鋼碳素鋼 ：優(yōu)質(zhì)碳素鋼：優(yōu)質(zhì)碳素鋼:35:35、 50 50 、 45 45 軸鋼軸鋼 普通碳素鋼普通碳素鋼Q235

5、Q235、Q255Q255、Q275Q275合金鋼合金鋼：20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40Cr40Cr、35SiMn35SiMn、35CrMo35CrMo廉價(jià)、應(yīng)廉價(jià)、應(yīng)力集中敏力集中敏度小度小強(qiáng)度高、強(qiáng)度高、耐磨性好耐磨性好成形性好、成形性好、吸振性高吸振性高參照教材參照教材p184-185p184-185表表26-226-2軸頸軸頸軸頭軸頭軸身軸身軸頭軸頭軸身軸身軸頸軸頸v軸肩軸肩：軸的直徑：軸的直徑變化所形成的階變化所形成的階梯處梯處v軸頭軸頭：軸和回轉(zhuǎn)零件的配合部：軸和回轉(zhuǎn)零件的配合部v軸頸軸頸：軸和軸承的配合部：軸和軸承的配合部v軸身軸身：連接軸頸與軸頭部分：

6、連接軸頸與軸頭部分結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)例結(jié)構(gòu)例v在初步估算軸徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸的在初步估算軸徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸的具體使用狀況，確定軸的合理外形和具體使用狀況，確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)度、直徑）全部結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)度、直徑）內(nèi)容與要求內(nèi)容與要求v滿足強(qiáng)度、剛度的要求滿足強(qiáng)度、剛度的要求v滿足工藝性要求：滿足工藝性要求： （1）易加工；易加工； （2）應(yīng)力集中少；）應(yīng)力集中少； （3）軸上零件準(zhǔn)確定位；）軸上零件準(zhǔn)確定位； （4）易裝拆和調(diào)整；）易裝拆和調(diào)整； （5）軸的受力狀態(tài)好。）軸的受力狀態(tài)好。內(nèi)容內(nèi)容要求要求步驟步驟1 11. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估

7、算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算材料選擇材料選擇易裝拆易調(diào)整易裝拆易調(diào)整步驟步驟1 1改善軸的受力狀態(tài)改善軸的受力狀態(tài)步驟步驟2 21. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算材料選擇材料選擇根據(jù)已知軸上近似載荷（取根據(jù)已知軸上近似載荷（取決于功率和轉(zhuǎn)速），初步估決于功率和轉(zhuǎn)速），初步估算

8、基本軸徑或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定算基本軸徑或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定軸的某個(gè)徑向尺寸軸的某個(gè)徑向尺寸步驟步驟2 2估算軸徑時(shí)，因軸承等位置尚未確估算軸徑時(shí)，因軸承等位置尚未確定，彎矩未知，故只能考慮扭矩。定，彎矩未知，故只能考慮扭矩。T WWT T抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材p425p425附錄附錄A A表表A-7A-7； P P傳遞的功率傳遞的功率(kw)(kw)；n n軸的轉(zhuǎn)速軸的轉(zhuǎn)速(r/min)(r/min)； d d最小軸徑最小軸徑(mm) (mm) ；C C材料相關(guān)系數(shù)材料相關(guān)系數(shù)教材教材p189p189表表(26-3)(26-3) 軸上有單鍵，直徑增大軸上有單鍵，直徑增

9、大3-4 %3-4 %；有雙鍵；有雙鍵, ,直徑增大直徑增大7-10 %7-10 %扭剪應(yīng)力扭剪應(yīng)力TTWT ndPdT3632 . 01055. 916/ T 設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)公式mmnPCnPTdTT333 2 . 01055. 9 2 . 06 步驟步驟3 31. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算材料選擇材料選擇步驟步驟3 3根據(jù)軸上零件根據(jù)軸上零件受力情況及安裝受力情況及安裝固定對(duì)軸表面的固定對(duì)軸表面的要求

10、，由外向內(nèi)要求，由外向內(nèi)確定各段直徑確定各段直徑 根據(jù)軸上零件根據(jù)軸上零件的位置、配合長(zhǎng)的位置、配合長(zhǎng)度、支承結(jié)構(gòu)和度、支承結(jié)構(gòu)和形式，由內(nèi)向外形式，由內(nèi)向外確定各段長(zhǎng)度確定各段長(zhǎng)度定定定定定定60 68 70 7270808270k672H7/r660H7/k62112296.520696.5鍵鍵2020110110鍵鍵1818100100步驟步驟4 41. 1.擬定軸上零件裝配方案擬定軸上零件裝配方案2. 2.估算最小軸徑估算最小軸徑3. 3.確定各段尺寸確定各段尺寸4. 4.確定軸的結(jié)構(gòu)要素確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算材料選擇材料選擇v

11、滿足強(qiáng)度、剛度的要求滿足強(qiáng)度、剛度的要求v滿足工藝性要求：滿足工藝性要求： （1 1）易加工；易加工； （2 2）應(yīng)力集中少；）應(yīng)力集中少； （3 3）軸上零件準(zhǔn)確定位；）軸上零件準(zhǔn)確定位； （4 4）易裝拆和調(diào)整；）易裝拆和調(diào)整； （5 5）軸的受力狀態(tài)好）軸的受力狀態(tài)好綜合考慮！綜合考慮?。? 1） 制造工藝性要求制造工藝性要求v軸應(yīng)有良好的制造工藝，便于加工軸應(yīng)有良好的制造工藝，便于加工v加工方法不同，軸的結(jié)構(gòu)也可能不同加工方法不同，軸的結(jié)構(gòu)也可能不同v鍵槽應(yīng)位于同一母線上；螺紋退刀槽；砂輪越程槽鍵槽應(yīng)位于同一母線上；螺紋退刀槽；砂輪越程槽階梯軸階梯軸 光軸光軸 等強(qiáng)度軸等強(qiáng)度軸 車(chē)削車(chē)

12、削 倒角倒角 磨削磨削 砂輪越程槽砂輪越程槽 （2 2） 裝拆要求裝拆要求v階梯軸軸端應(yīng)設(shè)計(jì)階梯軸軸端應(yīng)設(shè)計(jì)4545 倒角倒角v鍵槽應(yīng)置于軸與輪轂先接觸的直徑變化處鍵槽應(yīng)置于軸與輪轂先接觸的直徑變化處v過(guò)盈配合采用錐面直徑過(guò)渡過(guò)盈配合采用錐面直徑過(guò)渡v合理設(shè)計(jì)非定位軸肩，減少不必要的配合面合理設(shè)計(jì)非定位軸肩，減少不必要的配合面v軸承定位軸肩軸承定位軸肩( (或套筒或套筒) )不能過(guò)高不能過(guò)高( (以便拆卸以便拆卸) ) v軸肩圓角輪轂孔圓角軸肩圓角輪轂孔圓角( (倒角倒角) )v軸上零件要易于裝拆、調(diào)整軸上零件要易于裝拆、調(diào)整v不同的裝拆方案，得到不同結(jié)構(gòu)不同的裝拆方案，得到不同結(jié)構(gòu)v軸的直徑

13、應(yīng)圓整成標(biāo)準(zhǔn)值軸的直徑應(yīng)圓整成標(biāo)準(zhǔn)值hrRrR（3 3） 定位和固定要求定位和固定要求v軸與軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置軸與軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置v定位：定位：零件有準(zhǔn)確的工作位置零件有準(zhǔn)確的工作位置v固定：固定：零件在軸上的位置牢固可靠零件在軸上的位置牢固可靠周向定位和固定周向定位和固定常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：v鍵、花鍵、緊定螺釘、過(guò)盈配合等鍵、花鍵、緊定螺釘、過(guò)盈配合等v防止軸上零件與軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以傳遞轉(zhuǎn)矩防止軸上零件與軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以傳遞轉(zhuǎn)矩軸向定位和固定軸向定位和固定常用的軸向定位和固定方法：常用的軸向定位和固定方法：v軸肩、套筒、螺母、軸端擋圈等軸肩、套筒、螺

14、母、軸端擋圈等v軸頭長(zhǎng)度軸頭長(zhǎng)度 輪轂的軸向長(zhǎng)度輪轂的軸向長(zhǎng)度v定位軸肩高度一般取定位軸肩高度一般取3 36mm6mmv防止軸上零件工作時(shí)發(fā)生軸向躥動(dòng)防止軸上零件工作時(shí)發(fā)生軸向躥動(dòng)（4 4） 盡量減少應(yīng)力集中盡量減少應(yīng)力集中, , 改善軸的受力狀態(tài)改善軸的受力狀態(tài)v軸肩處要有過(guò)渡圓角軸肩處要有過(guò)渡圓角v相鄰軸徑的變化不宜太大相鄰軸徑的變化不宜太大v改善零件位置及結(jié)構(gòu)改善零件位置及結(jié)構(gòu), , 以改善軸的受力狀態(tài)以改善軸的受力狀態(tài)找錯(cuò)練習(xí)找錯(cuò)練習(xí)v 軸承沒(méi)定位軸承沒(méi)定位v 軸向定位不確定軸向定位不確定v 軸承用錯(cuò)或裝錯(cuò)軸承用錯(cuò)或裝錯(cuò)v 無(wú)調(diào)整墊片無(wú)調(diào)整墊片v 端蓋端面無(wú)凹坑加工量大端蓋端面無(wú)凹坑加

15、工量大v 無(wú)定位軸肩無(wú)定位軸肩v 端蓋無(wú)密封端蓋無(wú)密封v 鍵槽太長(zhǎng)鍵槽太長(zhǎng)v無(wú)非定位軸肩無(wú)非定位軸肩v套筒太高套筒太高v在完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，針對(duì)在完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，針對(duì)不同情況，采用不同強(qiáng)度校核不同情況，采用不同強(qiáng)度校核計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。內(nèi)容內(nèi)容方法方法1 1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算材料選擇材料選擇5. 5.許用切應(yīng)力法許用切應(yīng)力法( (扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度) )6. 6.許用彎曲應(yīng)力法許用彎曲應(yīng)力法( ( 彎扭合成強(qiáng)度彎扭合成強(qiáng)度 ) )7. 7.安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、 靜強(qiáng)度計(jì)算靜強(qiáng)

16、度計(jì)算T適用情況：適用情況：(1)(1)軸只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩軸只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩（或很小的彎矩）（或很小的彎矩）(2)(2)彎矩未知，按扭距作初步計(jì)算彎矩未知，按扭距作初步計(jì)算方法方法1 1T WWT T抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材p425p425附錄附錄A A表表A-7A-7； P P傳遞的功率傳遞的功率(kw)(kw)；n n軸的轉(zhuǎn)速軸的轉(zhuǎn)速(r/min)(r/min)； d d最小軸徑最小軸徑(mm) (mm) ； T T 、C C材料相關(guān)系數(shù)材料相關(guān)系數(shù)教材教材p189p189表表(26-3)(26-3) 軸上有單鍵，直徑增大軸上有單鍵，直徑增大

17、3-4 %3-4 %；有雙鍵；有雙鍵, ,直徑增大直徑增大7-10 %7-10 %扭剪應(yīng)力扭剪應(yīng)力TTWT ndPdT3632 . 01055. 916/ T 設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)公式mmnPCnPTdTT333 2 . 01055. 9 2 . 06 方法方法2 2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算材料選擇材料選擇5. 5.許用切應(yīng)力法許用切應(yīng)力法( (扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度) )6. 6.許用彎曲應(yīng)力法許用彎曲應(yīng)力法( ( 彎扭合成強(qiáng)度彎扭合成強(qiáng)度 ) )7. 7.安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、 靜強(qiáng)度計(jì)算靜強(qiáng)度計(jì)算T適用情況：適用情況：(1)

18、(1)一般精度情況的軸計(jì)算一般精度情況的軸計(jì)算(2)(2)支撐點(diǎn)、載荷均已知支撐點(diǎn)、載荷均已知F步驟：步驟：v繪制受力計(jì)算簡(jiǎn)圖繪制受力計(jì)算簡(jiǎn)圖v計(jì)算所有力引起的彎矩計(jì)算所有力引起的彎矩v合成彎矩合成彎矩M Mv計(jì)算扭矩計(jì)算扭矩v合成當(dāng)量彎矩合成當(dāng)量彎矩MMv強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件：22水平垂直MMM22)(TMM 1bWM 為扭為扭- -彎應(yīng)力性質(zhì)折合系數(shù)彎應(yīng)力性質(zhì)折合系數(shù)含義：將扭剪應(yīng)力的循環(huán)特性轉(zhuǎn)換含義：將扭剪應(yīng)力的循環(huán)特性轉(zhuǎn)換 成與彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性一致成與彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性一致方法方法2 211bb01bb0.111 bb 恒定轉(zhuǎn)矩恒定轉(zhuǎn)矩循環(huán)轉(zhuǎn)矩循環(huán)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩許用彎曲應(yīng)力參照教

19、材許用彎曲應(yīng)力參照教材p190p190表表26-426-4WW：抗彎截面模量，參照教材：抗彎截面模量，參照教材p425p425附錄附錄A A表表A-7A-7 v對(duì)只承受彎矩的心軸對(duì)只承受彎矩的心軸v對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)心軸：對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)心軸：v對(duì)不轉(zhuǎn)動(dòng)心軸：對(duì)不轉(zhuǎn)動(dòng)心軸：v設(shè)計(jì)校核公式設(shè)計(jì)校核公式31 .01b Md31.0bMd 1bb or 10bbb 危險(xiǎn)截面的確定：危險(xiǎn)截面的確定：承受當(dāng)量彎矩最大的截面承受當(dāng)量彎矩最大的截面承受當(dāng)量彎矩較大且?guī)缀纬叽巛^小的截面承受當(dāng)量彎矩較大且?guī)缀纬叽巛^小的截面2 23 3個(gè)截面?zhèn)€截面方法方法2 2方法方法3 3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算其它計(jì)算材料選擇材料選擇5. 5.許用切應(yīng)力法許用切應(yīng)力法( (扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度) )6. 6.許用彎曲應(yīng)力法許用彎曲應(yīng)力法( ( 彎扭合成強(qiáng)度彎扭合成強(qiáng)度 )