軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軸的常用材料及其機(jī)械性能

1、 軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).1 高速軸的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)及使用要求,把該軸設(shè)計(jì)成階梯軸且為齒輪軸,共分七段,其中第5段為齒輪,如圖2所示: 圖2由于結(jié)構(gòu)及工作需要將該軸定為齒輪軸,因此其材料須與齒輪材料相同,均為合金鋼,熱處理為調(diào)制處理, 材料系數(shù)為110。所以,有該軸的最小軸徑為: 考慮到該段開(kāi)鍵槽的影響,軸徑增大6%,于是有: 標(biāo)準(zhǔn)化取其他各段軸徑、長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和過(guò)程見(jiàn)下表:表6 高速軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)階梯軸段設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和過(guò)程計(jì)算結(jié)果第1段(考慮鍵槽影響)21.762560第2段(由唇形密封圈尺寸確定)30(27.848)50第3段由軸承尺寸確定(軸承預(yù)選6007 )352

2、5第4段42.5(41.3)145第5段齒頂圓直徑齒寬6570第6段4110第7段3525二、軸的受力分析及計(jì)算軸的受力模型簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖3)及受力計(jì)算 圖3L1=92.5 L2=192.5 L3=40 三、軸承的壽命校核鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝.預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.校核步驟及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表:表7 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果計(jì)算步驟及內(nèi)容計(jì)算結(jié)果6007軸承A端B端由手冊(cè)查出Cr、C0r及e、Y值Cr=12.5kNC0r=8.60kNe=0.68計(jì)算Fs=eFr(7類)、Fr/2Y(3類)FsA=1809.55 FsB=1584.66計(jì)算比值Fa/FrFaA /FrA>

3、;e FaB /FrB< e確定X、Y值XA= 1,YA = 0, XB =1 YB=0查載荷系數(shù)fP1.2計(jì)算當(dāng)量載荷P=Fp(XFr+YFa)PA=981.039 PB=981.039計(jì)算軸承壽命9425.45h小于12480h由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)軸承6007合格.2 中間軸的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)幾使用要求該軸設(shè)計(jì)成階梯軸且為齒輪軸,共分五段,其中第II段和第IV段為齒輪,如圖4所示:圖4由于結(jié)構(gòu)及工作需要將該軸定為齒輪軸,因此其材料須與齒輪材料相同,均為合金鋼,熱處理為調(diào)制處理,取材料系數(shù) 所以,有該軸的最小軸徑為: 因鍵槽開(kāi)在中間，其影響不預(yù)考慮 標(biāo)準(zhǔn)化取其他各段軸

4、徑、長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和過(guò)程見(jiàn)下表:表8 中間軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)階梯軸段設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和過(guò)程計(jì)算結(jié)果第1段由軸承尺寸確定(軸承預(yù)選6008 )33.64025第2段(考慮鍵槽影響)45(44.68)77.5第3段5012.5第4段99109第5段 4639第6段4025二、軸的受力分析及計(jì)算軸的受力模型簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖5)及受力計(jì)算L1=51 L2=105.75 L3=106圖5由高速軸的受力分析知： 三、軸承的壽命校核鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝.預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.校核步驟及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表: 表9 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果計(jì)算步驟及內(nèi)容計(jì)算結(jié)果6007A端B端由手冊(cè)查出Cr、C0

5、r及e、Y值Cr=29kNC0r=19.2kNe=0.68確定X、Y值X= 1 Y=0查載荷系數(shù)fP1.2計(jì)算當(dāng)量載荷P=Fp(XFr+YFa)PA=4976.72 PB=5982.60計(jì)算軸承壽命10179.13h小于12480h由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)軸承6007合格,.3 低速軸的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)幾使用要求該軸設(shè)計(jì)成階梯軸,共分八段,如圖6所示:圖6考慮到低速軸的載荷較大，材料選用45,熱處理調(diào)質(zhì)處理,取材料系數(shù) 所以,有該軸的最小軸徑為: 考慮到該段開(kāi)鍵槽的影響,軸徑增大6%,于是有: 標(biāo)準(zhǔn)化取其他各段軸徑、長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和過(guò)程見(jiàn)下表:表10 低速軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)階梯

6、軸段設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和過(guò)程計(jì)算結(jié)果第1段(考慮鍵槽影響)(由聯(lián)軸器寬度尺寸確定)52.4960(55.64)142第2段(由唇形密封圈尺寸確定)64(63.84)50第3段6616第4段由軸承尺寸確定(軸承預(yù)選6014C )7024第5段7875第6段208820第7段齒寬+1080(79.8)119第8段7024二、軸的受力分析及計(jì)算軸的受力模型簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖7)及受力計(jì)算圖7L1=71.5 L2=119 由中間軸的受力分析知： 三、軸承的壽命校核鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝.預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.校核步驟及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表:表11 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果計(jì)算步驟及內(nèi)容計(jì)算結(jié)果6

7、014A端B端由手冊(cè)查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68計(jì)算比值Fa/FrFaA /FrA<e FaB /FrB> e確定X、Y值XA=1 YA =0 查載荷系數(shù)fP1.2計(jì)算當(dāng)量載荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14計(jì)算軸承壽命763399h大于12480h由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)軸承6014AC、6007均合格，最終選用軸承6014。四、軸的強(qiáng)度校核經(jīng)分析知C、D兩處為可能的危險(xiǎn)截面， 現(xiàn)來(lái)校核這兩處的強(qiáng)度：（1）、合成彎矩（2）、扭矩T圖（3）、當(dāng)量彎矩（4）、校核由手冊(cè)查材料45的強(qiáng)度參數(shù)C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：由

8、計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)C截面安全。軸的常用材料及其機(jī)械性能   軸的材料種類很多，選用時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝問(wèn)題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。    軸的常用材料是優(yōu)質(zhì)碳素鋼35、45、50，最常用的是45和40Cr鋼。對(duì)于受載較小或不太重要的鋼，也常用Q235或Q275等普通碳素鋼。對(duì)于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。    球墨鑄鐵和一些高強(qiáng)度鑄鐵，

9、由于鑄造性能好，容易鑄成復(fù)雜形狀，且減振性能好，應(yīng)力集中敏感性低，支點(diǎn)位移的影響小，故常用于制造外形復(fù)雜的軸。    特別是我國(guó)研制成功的稀土-鎂球墨鑄鐵，沖擊韌性好，同時(shí)具有減摩、吸振和對(duì)應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點(diǎn)，已用于制造汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床上的重要軸類零件，如曲軸等。    根據(jù)工作條件要求，軸都要整體熱處理，一般是調(diào)質(zhì)，對(duì)不重要的軸采用正火處理。對(duì)要求高或要求耐磨的軸或軸段要進(jìn)行表面處理，以及表面強(qiáng)化處理(如噴丸、輻壓等)和化學(xué)處理(如滲碳、滲氮、氮化等)，以提高其強(qiáng)度（尤其疲勞強(qiáng)度）和耐磨、耐腐蝕等性能。&#

10、160;   在一般工作溫度下，合金鋼的彈性模量與碳素鋼相近，所以只為了提高軸的剛度而選用合金鋼是不合適的。    軸一般由軋制圓鋼或鍛件經(jīng)切削加工制造。軸的直徑較小時(shí)，可用圓鋼棒制造；對(duì)于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，多采用鍛件。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕墶?#160;   對(duì)于形狀復(fù)雜的軸（如凸輪軸、曲軸）可采用鑄造。軸的常用材料及其機(jī)械性能(MPa)材料牌號(hào) 熱處理 毛坯直徑(mm) 硬度HB 抗拉強(qiáng)度b 屈服強(qiáng)度s 彎曲疲勞極

11、限-1 扭轉(zhuǎn)疲勞極限-1 許用彎曲應(yīng)力備  注+1 0 -1 Q235-A - - - 440 240 180 105 125 70 40     用于不重要或載荷不大的軸 20 正火 25 156 420 250 180 100 125 70 40 用于載荷不大，要求韌性較高的場(chǎng)合。 正火回火 100>100300>300500>500700 103156 400380370360 220200190180 165155150145 95908580 125 70 40 35 正火 25 87 540 320 23

12、0 130 165 75 45 用于有一定強(qiáng)度要求和加工塑性要求的軸。 正火回火 100>100300>300500>500750>7501000 149187143187137187 520500480460440 270260240230220 210205190185175 120115110105100 165 75 45 調(diào)質(zhì) 100>100300 156207 560540 300280 230220 130125 175 85 50 45 正火 25 241 610 360 260 150 195 95 55 應(yīng)用最廣泛。 正火回火 100>1

13、00300>300500>500750 170217162217156217 600580560540 300290280270 240235225215 140135130125 195 95 55 調(diào)質(zhì) 200 217255 650 360 270 155 215 100 60 40Cr 調(diào)質(zhì) 25 1000 800 485 280 245 120 70 用于載荷較大，而無(wú)很大沖擊的重要軸。 100>100300>300500>500800 241286229269217255 750700650600 550500450350 350320295255 20

14、0185170145 245 120 70 35SiMn42SiMn 調(diào)質(zhì) 25 900 750 445 255 245 120 70 性能接近40Cr，用于中小型軸。 100>100300>300400>400500 229286217269217255196255 800750700650 520450400380 355320295275 205185170160 245 120 70 40MnB 調(diào)質(zhì) 25 1000 800 485 280 245 120 70 性能同40Cr，用于重要的軸。 200 241286 750 500 335 195 245 120 70

15、 40CrNi 調(diào)質(zhì) 25 1000 800 485 280 285 130 75 用于很重要的軸 35CrMo 調(diào)質(zhì) 25 100 850 500 285 245 120 70 性能接近40CrNi，用于重載荷的軸。 100>100300>300500>500800 207269 750700650600 550500450400 350320295270 200185170155 245 120 70 38SiMnMo 調(diào)質(zhì) 100>100300>300500>500800 229286217269196241187241 750700650600 60

16、0550500400 360335310270 210195175155 275 120 70 性能接近于35CrMo。 37SiMn2MoV 調(diào)質(zhì) 25 1000 850 495 285 275 120 70 用于高強(qiáng)度、大尺寸和重載荷的軸。 200>200400>400600 269302241286241269 880830780 700650600 425395370 245230215 275 120 70 38CrMoAlA 調(diào)質(zhì) 30 229 1000 850 495 285 275 125 75 用于要求耐磨、高強(qiáng)且熱處理變形很小的(氮化)軸 20Cr 滲碳淬火回火

17、 1560 表面HRC5662 850650 550400 375280 215160 215 100 60 用于要求強(qiáng)度、韌性均較高的軸(如齒輪軸、蝸桿) 20CrMnTi 滲碳淬火回火 15 表面HRC5662 1100 850 525 300 365 165 100 1Cr13 調(diào)質(zhì) 60 187217 600 420 275 155 275 130 75 用于腐蝕條件下工作的軸。 2Cr13 調(diào)質(zhì) 100 197248 660 450 295 170 275 130 75 1Cr18Ni9Ti 淬火 60>60180>100200 192 550540500 2202002

18、00 205195185 120115105 165 75 45 用于在高、低溫及強(qiáng)腐蝕條件下工作的軸。 QT400-15 - - 156197 400 300 145 125 100 用于結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的軸 QT450-10 - - 170207 450 330 160 140 110 QT500-7 - - 187255 500 380 180 155 125 QT600-3 - - 197269 600 420 215 185 150 注：1. 表中所列疲勞極限數(shù)據(jù)，均按下式計(jì)算-10.27(b+s)，-10.156(b+s)。    2. 其他性

19、能，一般可取s(0.550.62)s，01.4-1，01.5-1。    3. 球墨鑄鐵-10.36b，-10.31b。    4. 許用靜應(yīng)力+1=b/Sb，許用疲勞應(yīng)力-1-1/S-1。    5. 選用-1時(shí)，重要零件取小值，一般零件取大值。各種發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材料及熱處理用  途 材  料 預(yù)備熱處理 最終熱處理工藝 硬度（HB）工藝層深（mm）硬度（HB）轎車(chē)、輕型車(chē)拖拉機(jī) 4550MnQT600-3 正火調(diào)質(zhì)正火 17022821

20、7277229302 感應(yīng)淬火氮碳共滲：570，180min油冷氮碳共滲：560，180min油冷 24.50.50.1 5563500HV0.1650HV 載重車(chē)及拖拉機(jī) QT600-34545 正火正火調(diào)質(zhì) 220260163196207241 感應(yīng)淬火，自回火感應(yīng)淬火，自回火感應(yīng)淬火，自回火 2.93.534.53 4658556355 重型載重車(chē) 45QT900-235CrMo 正火正火+回火調(diào)質(zhì) 280321216269 氮碳共滲感應(yīng)淬火 0.91.235 300HV105358 大馬力柴油機(jī) QT600-335CrNi3Mo35CrMoQT600-3 正火+回火調(diào)質(zhì)+穩(wěn)定化處理調(diào)質(zhì)

21、正火+回火 240300 滲氮，490，60h離子滲氮，515，40h滲氮，510，120h 0.30.50.7 600HV550HV600HV 各種凸輪軸材料及熱處理工藝用  途 材  料 預(yù)備熱處理 最終熱處理工藝 硬度（HB）工藝層深（mm）硬度（HB）小拖拉機(jī)轎車(chē)吉普 QT600-3合金鑄鐵45 正火去應(yīng)力退火調(diào)質(zhì) 229302241302187229 貝氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火氮碳共滲感應(yīng)淬火 0.10.153.06.0 4350700HV頸5563齒4558 載重車(chē)拖拉機(jī) 45QT600-3 正火去應(yīng)力退火 163197230280 感應(yīng)淬

22、火貝氏體等溫淬火 2.55.5 頸5563齒455845 重型車(chē) 20QT600-350 去應(yīng)力退火正火 170 滲碳、淬火回火貝氏體等溫淬火感應(yīng)淬火、回火 1.31.71.52.0 586243515963 大馬力柴油機(jī) 船 20CrMnTi 正火 - 滲碳、淬火、回火 1.72.2 5661機(jī) 車(chē)50Mn 退火去應(yīng)力退火 241285 感應(yīng)淬火    凸輪軸頸 251.54 58625562 45 正火 - 感應(yīng)淬火、回火 1.32.5 5055 機(jī)床主軸材料和熱處理工作條件 材  料 熱處理 硬  度 原&#

23、160;  因 使用實(shí)例 1)與滾動(dòng)軸承配合2)輕載荷或中等載荷，轉(zhuǎn)速低3)精度要求不高4)稍有沖擊載荷，交變載荷可以忽略不計(jì) 45 調(diào)質(zhì)處理 220250HB 1)調(diào)質(zhì)后，保證主軸具有一定強(qiáng)度2)精度要求不高 一般機(jī)床主軸 1)與滾動(dòng)軸承配合2)輕載荷或中等載荷，轉(zhuǎn)速略高3)裝配精度要求不太高4)沖擊和交變載荷可以忽略不計(jì) 45   調(diào)質(zhì)后局部整體淬硬4247HRC 1)有足夠的強(qiáng)度2)軸頸及配件裝拆處得到需要的硬度3)簡(jiǎn)化熱處理操作4)不承受較大沖擊載荷 龍門(mén)銑床，立式銑床小型立式車(chē)床等的主軸 1)與滾動(dòng)軸承配合2)輕載荷或中等載荷，轉(zhuǎn)速低PV150N

24、3;m/(cm2·s)3)精度要求不很高4)沖擊,交變載荷不大 45 正火 170217HB 1)正火或調(diào)質(zhì)后保證主軸具有一定的強(qiáng)度和韌性2)軸頸處有滑動(dòng)摩擦，需要有較高的硬度 C650、C660、C8480等大重型車(chē)床主軸 調(diào)質(zhì) 220250HB 軸頸部分 表面淬硬4853HRC 1)與滾動(dòng)軸承配合2)承受中等，轉(zhuǎn)速較高3)精度要求較高4)交變,沖擊載荷較小 40Cr(42MnVB) 淬硬調(diào)質(zhì)后局部淬硬 4247HRC或5257HRC1)為保證有足夠的強(qiáng)度，選用40Cr調(diào)質(zhì)2)軸頸和配件裝拆處得到需要的硬度3)若無(wú)沖擊力，硬度要求取高值 齒輪銑床，組合車(chē)床等的主軸 1)與滾動(dòng)軸承配

25、合2)承受中等，轉(zhuǎn)速較高3)精度要求較高4)交變,沖擊載荷較小5)工作中受沖擊載荷 40Cr(42MnVB) 調(diào)質(zhì) 220250HB 1)調(diào)質(zhì)后主軸有較高的強(qiáng)度和韌性2)軸頸處得到需要的硬度 銑床，龍門(mén)銑床，車(chē)床等的主軸 軸頸部分 表面淬硬 4853HRC 1)與滑動(dòng)軸承配合2)承受中等載荷，轉(zhuǎn)速較高PV400N·m/(cm2·s)3)承受較高的交變和沖擊載荷4)精度要求較高 40Cr(42MnVB) 調(diào)質(zhì)處理 220250HB或250280HB 1)調(diào)質(zhì)后主軸有較高的強(qiáng)度和韌性2)為獲得良好的耐磨性選擇表面淬硬3)配件裝拆部分有一定硬度 車(chē)床主軸或磨床砂輪主軸(80mm以

26、下) 軸頸部分表面淬火 5257HRC 裝拆配件處表面淬硬 4853HRC 1)與滑動(dòng)軸承配合2)承受中等載荷，轉(zhuǎn)速較PV400N·m/(cm2·s)提高3)承受較高的交變和沖擊載荷4)精度要求更高 40Cr(42CrMn) 調(diào)質(zhì)處理 表面硬度5661HRC 1)調(diào)質(zhì)后主軸有較高的強(qiáng)度和韌性2)為獲得良好的耐磨性選擇表面淬硬3)配件裝拆部分有一定硬度 磨床砂輪主軸 軸頸部分表面淬火 裝拆配件處表面淬硬 1)與滑動(dòng)軸承配合2)承受中等載荷或重載荷PV400N·m/(cm2·s)3)要求軸頸有更高的耐磨性4)精度要求較高5)承受較高的交變，但沖擊載荷較小 6

27、5Mn 調(diào)質(zhì) 250280HB 1)調(diào)質(zhì)后有較高的強(qiáng)度2)表面淬硬后提高耐疲勞性能3)獲得較高的硬度，提高耐磨性4)表面馬氏體易粗大，沖擊值低 磨床砂輪主軸 軸頸部分 表面淬硬 59HRC 裝拆配件處表面淬硬 5055HRC 1)與滑動(dòng)軸承配合2)承受中等載荷或重載荷PV400N·m/(cm2·s)3)要求軸頸有更高的耐磨性4)精度要求較高5)承受較高的交變，但沖擊載荷較小6)表面硬度和顯微組織要求更高 GCr159Mn2V 調(diào)質(zhì) 250280HB59HRC 1)獲得高的表面硬度和良好的耐磨性能2)超精磨性好，粗糙度易降低 較高精度的磨床主軸 軸頸部分 表面淬硬 裝拆配件處表面淬硬 1)與滑動(dòng)軸承配合2)受重載荷，轉(zhuǎn)