軸（航空機械課件）

課題：基于齒輪、帶輪及軸承設計的單級齒輪減速器高速軸系結構設計1

本課題以帶式輸送機傳動系統(tǒng)為設計對象，針對已確定的傳動方案，進行軸系的結構設計及壽命校核。一、課題陳述：2二、課題訓練目的：掌握軸系結構的設計、校核原則及方法

熟悉軸系傳動零件的定位、固定及調整方式

能夠判斷不同軸系結構方案的優(yōu)缺點3三、預備知識

帶傳動設計齒輪傳動設計軸承設計彎扭組合變形力學分析計算

4四、本課題新知識點概述1軸的結構設計

2軸的強度校核3軸的使用與維護451、概述1.1軸的功用與分類

1、功用

軸主要是用來支承作旋轉運動的零件，如齒輪、帶輪等，以傳遞運動和動力。

2、分類

按載荷分類：心軸、傳動軸、轉軸

按結構分類：光軸、階梯軸、曲軸、彈性軟軸6軸的常用材料是碳素鋼和合金鋼。常用碳素鋼為30、35、40、45、50號鋼，其中最常用的是45號鋼。為了提高軸的機械性能，應進行調質或正火處理。對受力小或不重要的軸，可用Q235、Q275等普通碳素鋼。1.2軸的材料7合金鋼比碳素鋼具有更高的機械強度和更好的淬火性能，但對應力集中比較敏感，價格也較貴，因此多用于強度和耐磨性要求較高、要求重量和尺寸較小或非常濕、有腐蝕性介質的場合。常用的中碳合金鋼有40Cr、35SiMn、40MnB等。低碳合金鋼20Cr、20CrMnTi經(jīng)滲碳淬火后，表面耐磨性和心部韌性都比較好，適于制造耐磨和承受沖擊載荷的軸。8材料牌號及熱處理毛坯直徑

mm硬度

HBS強度極限MPa屈服極限MPa彎曲疲勞極限MPa應

用

說

明Q235440240200用于不重要或載荷不大的軸35正火≤100149～187520270250有好的塑性和適當?shù)膹姸龋勺鲆话愕那S和轉軸45正火≤100170～217600300275用于較重要的軸，應用最為廣泛45調質≤200217～25565036030040Cr調質251000800500用于載荷較大且無很大沖擊的重要軸≤100241～286750550350100～300241～26670055034040MnB調質251000800485性能接近于40Cr，用于重要的軸≤200241～28675050033535CrMo調質≤100207～269750550390用于重載荷的軸20Cr滲碳淬火回火15表面HRC56～62850550375用于要求強度、韌性及耐磨性均較高的軸≤60650400280軸的常用材料牌號、機械性能及應用舉例92.1影響軸結構的因素軸的結構主要與下列因素有關：①載荷的性質、大小、方向及分布情況；②軸上零件的數(shù)目和布置情況；③零件在軸上的定位及固定方法；④軸承的類型及尺寸；⑤軸的加工工藝及裝配方法等。2、軸的結構設計101．軸頸、軸頭和軸身軸的典型結構如圖所示，軸和軸承配合的部分稱為軸頸，其直徑應符合軸承內徑標準；軸上安裝輪轂的部分稱為軸頭，其直徑應與相配零件的輪轂內徑一致，并采用標準直徑。2.2軸的結構設計11軸上零件的軸向定位和固定方式常用的有軸肩、軸環(huán)、鎖緊擋圈、套筒、圓螺母和止動墊圈、彈性擋圈、軸端擋圈及圓錐面等。

裝配

特點和應用2．軸上零件的軸向定位及固定12軸上零件周向固定的目的是為了傳遞轉矩和防止零件與軸產(chǎn)生相對轉動。

應用3．軸上零件的周向固定131）軸的結構形狀和尺寸在盡量滿足加工、裝配和維修要求的前提下，應力求簡單，階梯數(shù)盡可能少。2）螺紋軸段有退刀槽，磨削軸段要有越程槽3）不同軸段均有鍵槽，應布置在同一母線上。4）軸端有倒角，便于裝配。軸徑變化處有圓角，減小應力集中。5）軸上鍵槽、圓角、倒角、退刀槽、越程槽應盡可能采用同一尺寸。4．軸的結構工藝性14（1）改善軸的受載情況為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應盡量靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支撐形式，力求縮短支撐跨距及懸臂長度。5．提高軸的強度的措施15軸上零件的合理布置16軸上零件的合理設計17（2）減少應力集中的措施為了減少直徑突變處的應力集中，提高軸的疲勞強度，應適當增大軸肩處的圓角半徑。18減小軸肩應力集中的措施19減小過盈配合處應力集中的措施20

軸系的裝配、拆卸21思考題試指出圖中結構不合理的地方，并予以改正。22比較231．計算法按轉矩初步計算軸端直徑的強度條件是3軸的強度校核計算3.1最小軸徑的確定241022.4459011.223.647.59512.5255010013.226.5531061428561121530601181631.5631251733.5671321835.5711401937.57515020408016021.242.585170 標準直徑系列（摘自GB2822—81）25對于與電機軸聯(lián)接的軸，可取軸徑，d電為電機伸出軸的軸端直徑。2．經(jīng)驗法26彎扭組合強度計算一般用第三強度理論，其強度條件為3.2軸的強度校核27材

料

b[

+1]b[

0]b[

?1]b碳素鋼40013070405001707545600200955570023011065合金鋼80027013075100033015090鑄鋼40010050305001207040軸的許用彎曲應力28（2）按扭轉強度，初估軸的最小直徑（3）確定齒輪和軸承的潤滑（4）軸系的初步設計（5）軸的結構設計29軸的設計實例軸的結構設計及強度校核舉例：設計如圖所示的單級直齒圓柱齒輪減速器的高速軸。30314.1軸的使用和檢查①軸在使用前，應注意軸和軸上零件固聯(lián)要可靠；軸和軸上有相對移動和轉動的零件的間隙應適當；軸頸潤滑應符合要求，潤滑不當，是使軸頸非正常磨損的重要原因。4軸的使用與維護32②軸在使用中，應避免突加、突減負載或超載，尤其是對新配滑動軸瓦的軸和使用已久的軸更應注意，以防疲勞斷裂和彎扭變形。33③在機器大修或中修時，通常應檢查軸有無裂紋、彎曲、扭曲及軸頸磨損等，如不合要求應進行修復和更換。裂紋常發(fā)生在應力集中處，由此導致軸的疲勞斷裂，應予以注意。軸上的裂紋可用放大鏡和磁力探傷器等檢查。軸頸的最大磨損量為測得的最小直徑同公稱徑之差，當超過規(guī)定值時應進行修磨。34對于液體潤滑軸承中的軸頸，應檢查其圓度和圓柱度，因為失圓的軸頸運轉時，會使油膜壓力波動，不僅加速軸瓦材料的疲勞損壞，也增加了軸瓦和軸頸的直接接觸，使磨損加劇。軸上花鍵的磨損，可通過檢查配合的齒側間隙或用標準花鍵套在花鍵軸上檢查。351．軸彎曲變形的校正2．軸頸磨損的修復3．花鍵、鍵槽、螺紋的修復4.2軸的維修36軸彎曲變形的校正37軸頸磨損的鑲套修復38花鍵鍵槽的修復39課后作業(yè)分組討論：圓錐—圓柱齒輪減速器軸系結構40謝謝各位，再會41分類轉

軸心

軸傳

動

軸回

轉

心

軸靜

止

心

軸同時承受彎矩M和轉矩T

只承受彎矩M只承受彎矩M只承受轉矩T應力彎曲應力為對稱循環(huán)應力，扭轉應力一般為變應力彎曲應力為對稱循環(huán)應力彎曲應力在靜載荷下為靜應力扭轉應力通常按變應力考慮 軸的分類（按所承受載荷）42光軸43階梯軸44曲軸45鋼絲軟軸46軸的結構47軸向固定方法及結構簡圖特點和應用設計注意要點軸肩與軸環(huán)簡單可靠，不需附加零件，能承受較大的軸向力；廣泛應用于各種軸上零件固定；該方法會使軸徑增大，階梯處形成應力集中，且階梯過多將不利于加工為保證零件與定位面靠緊，軸上過渡圓角半徑ｒ應小于零件圓角半徑Ｒ或倒角Ｃ，即r＜C＜a，r＜R＜a。一般取定位高度a=(0.07～0.1)d，軸環(huán)寬度b=1.4a套筒簡單可靠，簡化了軸的結構且不削弱軸的強度；常用于軸上兩個近距離零件間的相對固定；不宜用于高度轉軸套筒內徑與軸的配合較松，套筒結構、尺寸可視需要靈活設計軸端擋圈工作可靠，能承受較大軸向力，應用廣泛只用于軸端；常與軸端擋圈聯(lián)合使用，實現(xiàn)零件的雙向固定 軸上零件的軸向固定方法及應用48軸向固定方法及結構簡圖特點和應用設計注意要點錐面拆裝方便，且可兼作周向固定；宜用于高速、沖擊及對中性要求高的場合只用于軸端；常與軸端擋圈聯(lián)合使用，實現(xiàn)零件的雙向固定圓螺母固定可靠，可承受較大軸向力，能實現(xiàn)軸上零件的間隙調整；常用于軸上兩零件間距較大處［如圖(a)所示］，亦可用于軸端［如圖(b)所示］為減小對軸強度的削弱，常用細牙螺紋；為防松，須加止動墊圈或使用雙螺母彈性擋圈結構緊湊、簡單，裝拆方便，但受力較小，且軸上切槽將引起應力集中；常用于軸承的固定軸上車槽尺寸見GB894.1—86緊定螺釘與鎖緊擋圈結構簡單，但受力較小，且不適于高速場合續(xù)表49套筒固定50軸徑d10～1818～3030～5050～8080～120120～180R或CR1或C1國0.8國國1.6國國1.0國國2.0國國1.6國國3.0國國2.0國國4.0國國2.5國國5.0國國3.0國國6.0國零件倒圓與倒角（摘自GB6403.8—86）51導向圓錐面52砂輪越程槽螺紋退刀槽5354第14章軸概述14.1軸的結構設計

14.2軸的強度校核14.3軸的使用與維護14.45514.1概述14.1.1軸的功用與分類

1、功用

軸主要是用來支承作旋轉運動的零件，如齒輪、帶輪等，以傳遞運動和動力。

2、分類

按載荷分類：心軸、傳動軸、轉軸

按結構分類：光軸、階梯軸、曲軸、彈性軟軸56軸的常用材料是碳素鋼和合金鋼。常用碳素鋼為30、35、40、45、50號鋼，其中最常用的是45號鋼。為了提高軸的機械性能，應進行調質或正火處理。對受力小或不重要的軸，可用Q235、Q275等普通碳素鋼。14.1.2軸的材料57合金鋼比碳素鋼具有更高的機械強度和更好的淬火性能，但對應力集中比較敏感，價格也較貴，因此多用于強度和耐磨性要求較高、要求重量和尺寸較小或非常濕、有腐蝕性介質的場合。常用的中碳合金鋼有40Cr、35SiMn、40MnB等。低碳合金鋼20Cr、20CrMnTi經(jīng)滲碳淬火后，表面耐磨性和心部韌性都比較好，適于制造耐磨和承受沖擊載荷的軸。58材料牌號及熱處理毛坯直徑

mm硬度

HBS強度極限MPa屈服極限MPa彎曲疲勞極限MPa應

用

說

明Q235440240200用于不重要或載荷不大的軸35正火≤100149～187520270250有好的塑性和適當?shù)膹姸?，可做一般的曲軸和轉軸45正火≤100170～217600300275用于較重要的軸，應用最為廣泛45調質≤200217～25565036030040Cr調質251000800500用于載荷較大且無很大沖擊的重要軸≤100241～286750550350100～300241～26670055034040MnB調質251000800485性能接近于40Cr，用于重要的軸≤200241～28675050033535CrMo調質≤100207～269750550390用于重載荷的軸20Cr滲碳淬火回火15表面HRC56～62850550375用于要求強度、韌性及耐磨性均較高的軸≤60650400280軸的常用材料牌號、機械性能及應用舉例5914.2.1影響軸結構的因素軸的結構主要與下列因素有關：①載荷的性質、大小、方向及分布情況；②軸上零件的數(shù)目和布置情況；③零件在軸上的定位及固定方法；④軸承的類型及尺寸；⑤軸的加工工藝及裝配方法等。14.2軸的結構設計601．軸頸、軸頭和軸身軸的典型結構如圖所示，軸和軸承配合的部分稱為軸頸，其直徑應符合軸承內徑標準；軸上安裝輪轂的部分稱為軸頭，其直徑應與相配零件的輪轂內徑一致，并采用標準直徑。14.2.2軸的結構設計61軸上零件的軸向定位和固定方式常用的有軸肩、軸環(huán)、鎖緊擋圈、套筒、圓螺母和止動墊圈、彈性擋圈、軸端擋圈及圓錐面等。

裝配

特點和應用2．軸上零件的軸向定位及固定62軸上零件周向固定的目的是為了傳遞轉矩和防止零件與軸產(chǎn)生相對轉動。

應用3．軸上零件的周向固定631）軸的結構形狀和尺寸在盡量滿足加工、裝配和維修要求的前提下，應力求簡單，階梯數(shù)盡可能少。2）螺紋軸段有退刀槽，磨削軸段要有越程槽3）不同軸段均有鍵槽，應布置在同一母線上。4）軸端有倒角，便于裝配。軸徑變化處有圓角，減小應力集中。5）軸上鍵槽、圓角、倒角、退刀槽、越程槽應盡可能采用同一尺寸。4．軸的結構工藝性64（1）改善軸的受載情況為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應盡量靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支撐形式，力求縮短支撐跨距及懸臂長度。5．提高軸的強度的措施65軸上零件的合理布置66軸上零件的合理設計67（2）減少應力集中的措施為了減少直徑突變處的應力集中，提高軸的疲勞強度，應適當增大軸肩處的圓角半徑。68減小軸肩應力集中的措施69減小過盈配合處應力集中的措施70

軸系的裝配、拆卸71思考題試指出圖中結構不合理的地方，并予以改正。72比較731．計算法按轉矩初步計算軸端直徑的強度條件是14.3軸的強度校核計算14.3.1最小軸徑的確定741022.4459011.223.647.59512.5255010013.226.5531061428561121530601181631.5631251733.5671321835.5711401937.57515020408016021.242.585170 標準直徑系列（摘自GB2822—81）75對于與電機軸聯(lián)接的軸，可取軸徑，d電為電機伸出軸的軸端直徑。2．經(jīng)驗法76彎扭組合強度計算一般用第三強度理論，其強度條件為14.3.2軸的強度校核77材

料

b[

+1]b[

0]b[

?1]b碳素鋼40013070405001707545600200955570023011065合金鋼80027013075100033015090鑄鋼40010050305001207040軸的許用彎曲應力78（2）按扭轉強度，初估軸的最小直徑（3）確定齒輪和軸承的潤滑（4）軸系的初步設計（5）軸的結構設計79軸的設計實例軸的結構設計及強度校核舉例：設計如圖所示的單級直齒圓柱齒輪減速器的高速軸。808114.4.1軸的使用和檢查①軸在使用前，應注意軸和軸上零件固聯(lián)要可靠；軸和軸上有相對移動和轉動的零件的間隙應適當；軸頸潤滑應符合要求，潤滑不當，是使軸頸非正常磨損的重要原因。14.4軸的使用與維護82②軸在使用中，應避免突加、突減負載或超載，尤其是對新配滑動軸瓦的軸和使用已久的軸更應注意，以防疲勞斷裂和彎扭變形。83③在機器大修或中修時，通常應檢查軸有無裂紋、彎曲、扭曲及軸頸磨損等，如不合要求應進行修復和更換。裂紋常發(fā)生在應力集中處，由此導致軸的疲勞斷裂，應予以注意。軸上的裂紋可用放大鏡和磁力探傷器等檢查。軸頸的最大磨損量為測得的最小直徑同公稱徑之差，當超過規(guī)定值時應進行修磨。84對于液體潤滑軸承中的軸頸，應檢查其圓度和圓柱度，因為失圓的軸頸運轉時，會使油膜壓力波動，不僅加速軸瓦材料的疲勞損壞，也增加了軸瓦和軸頸的直接接觸，使磨損加劇。軸上花鍵的磨損，可通過檢查配合的齒側間隙或用標準花鍵套在花鍵軸上檢查。851．軸彎曲變形的校正2．軸頸磨損的修復3．花鍵、鍵槽、螺紋的修復14.4.2軸的維修86軸彎曲變形的校正87軸頸磨損的鑲套修復88花鍵鍵槽的修復89謝謝90分類轉

軸心

軸傳

動

軸回

轉

心

軸靜

止

心

軸同時承受彎矩M和轉矩T

只承受彎矩M只承受彎矩M只承受轉矩T應力彎曲應力為對稱循環(huán)應力，扭轉應力一般為變應力彎曲應力為對稱循環(huán)應力彎曲應力在靜載荷下為靜應力扭轉應力通常按變應力考慮表14-1 軸的分類（按所承受載荷）91光軸92階梯軸93曲軸94鋼絲軟軸95軸的結構96軸向固定方法及結構簡圖特點和應用設計注意要點軸肩與軸環(huán)簡