重大社2024《机械基础》教学课件第13章 轴

出版社 理工分社 机械基础轴轴第第1313章章 轴轴 出版社 理工分社 机械基础轴轴一一 概述概述 1 轴的用途及分类轴的用途及分类 轴是机械系是机械系统中的重要零件，其功用是支承中的重要零件，其功用是支承转动零件和零件和传递扭矩。扭矩。轴按受按受载情况可以分三种情况可以分三种类型，型，即即心心轴、传动轴及及转轴。心心轴工作工作时只受弯矩不受扭矩。当工作只受弯矩不受扭矩。当工作时心心轴转动则称称为转动心心轴，如，如图a所示火所示火车车厢轮轴；当工作；当工作时心心轴不不转动则称称为固定心固定心轴，如，如图b所示起重支承滑所示起重支承滑轮轴。出版社 理工分社 机械基础轴轴 出版社 理工分社 机械基础轴轴 传动轴工作时只传递扭矩不受弯矩或传动轴工作时只传递扭矩不受弯矩或受很小弯矩，如图受很小弯矩，如图2所示汽车传动轴。所示汽车传动轴。出版社 理工分社 机械基础轴轴转轴工作时同时受弯矩和扭转轴工作时同时受弯矩和扭矩，如图矩，如图3所示减速器中的输所示减速器中的输入轴和输出轴。入轴和输出轴。出版社 理工分社 机械基础轴轴2 轴的材料轴的材料轴的失效多的失效多为疲疲劳破坏，因此要求破坏，因此要求轴的材料的材料应具有具有足足够的的强度及度及刚度，度，对应力集中敏力集中敏 感性感性应低，同低，同时应考考虑良好的工良好的工艺性及性及经济性。性。轴的材料主要是碳的材料主要是碳钢和合金和合金钢。钢制制轴的毛坯多用的毛坯多用轧制制圆钢和和锻钢。出版社 理工分社 机械基础轴轴 1碳素碳素钢 碳素碳素钢较合金合金钢价廉，价廉，对应力集中的敏感力集中的敏感性性较小，故小，故应用用较广。常用的有广。常用的有 30、35、40、45和和50等等优质碳素碳素钢，其中，其中45钢最最为常用。常用。为改善其机械性能，常改善其机械性能，常进行行调质或正火或正火处理。滑理。滑动轴承的支承承的支承轴颈部分部分应进行表面淬火以提高其耐行表面淬火以提高其耐磨性。磨性。对于受力于受力较小和不重要的小和不重要的轴可用可用Q235等普等普通碳素通碳素钢。出版社 理工分社 机械基础轴轴 2合金合金钢 合金合金钢具有具有较好的机械性能和好的机械性能和热处理性能，理性能，但但对应力集中力集中较敏感而价格也敏感而价格也较高。当要求高。当要求强度度高、尺寸小、重量高、尺寸小、重量轻、以及耐磨性好，或有耐高、以及耐磨性好，或有耐高温耐腐温耐腐蚀等特殊要求等特殊要求时 可采用合金可采用合金钢。常用中。常用中碳合金碳合金钢有有40Cr，40MnB，35SiMn等，低碳合等，低碳合金金钢有有20Cr，20CrMnTi等。等。出版社 理工分社 机械基础轴轴 3合金合金铸铁和球墨和球墨铸铁 铸铁具有良好的吸振性和耐磨性，具有良好的吸振性和耐磨性，对应力集力集中敏感性中敏感性较低，低，易于得到合理外形，如曲易于得到合理外形，如曲轴、凸凸轮轴等。等。缺点是冲缺点是冲击韧性差，性差，铸造造轴的的质量不易控制。量不易控制。出版社 理工分社 机械基础轴轴第二节第二节 轴的结构设计轴的结构设计一 轴的的结构构设计 主要决定于主要决定于轴系系结构。构。轴系系结构是指构是指轴与被支与被支承零件、承零件、轴与与轴承及其支座承及其支座(轴承座或箱体支座承座或箱体支座)，以，以及与及与轴相关的其它零部件的装配相关的其它零部件的装配总成。具体成。具体进行行轴结构构设计时应考考虑轴的受的受载情况、情况、轴上零件的布置上零件的布置与固定方式、与固定方式、轴承承类型与尺寸、型与尺寸、轴的工的工艺结构等因构等因素。素。出版社 理工分社 机械基础轴轴轴的工作能力的工作能力计算算 强度、度、刚度、度、稳定性定性1拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案2 零件在轴上的固定零件在轴上的固定 零件的周向定位零件的周向定位 零件的轴向定位零件的轴向定位 出版社 理工分社 机械基础轴轴 出版社 理工分社 机械基础轴轴 图所示一所示一级圆柱柱齿轮减速器减速器输出出轴的的轴系系结构。构。轴上被支承零件是大上被支承零件是大齿轮和和联轴器。与器。与轴相关零件有相关零件有定位套筒及透盖。两支承采用向心球定位套筒及透盖。两支承采用向心球轴承及箱体支座。承及箱体支座。出版社 理工分社 机械基础轴轴 从从轴的右端依次装入大的右端依次装入大齿轮、定位套筒、定位套筒、滚动轴承、透盖及承、透盖及联轴器等。左端装入左端器等。左端装入左端轴承。承。为装拆方便及装拆方便及轴上零件定位需要，通常上零件定位需要，通常转轴的的结构构为由两端向中部由两端向中部渐次增大直径的次增大直径的阶梯形状。由于梯形状。由于轴径径有突有突变，从而引起，从而引起应力集中。力集中。为减少减少应力集中，力集中，轴径径变化化处须有适当的有适当的圆角或采用角或采用锥柱面柱面过渡。渡。出版社 理工分社 机械基础轴轴 与与轴承相配合的承相配合的轴段称段称为轴颈，与被，与被支承零件配合的支承零件配合的轴段称段称为轴头，连接接轴头与与轴颈的的轴段称段称为轴身。身。轴上被支承零件的轴向定位与固定是借助于轴上被支承零件的轴向定位与固定是借助于轴环或轴肩与其它固定零件配合实现的。轴环或轴肩与其它固定零件配合实现的。轴上不起定位作用但方便于零件的装拆的轴肩轴上不起定位作用但方便于零件的装拆的轴肩称为非定位轴肩，当相邻两段轴径相差较大称为非定位轴肩，当相邻两段轴径相差较大时宜采用锥柱面过渡。轴环定位方便可靠，通时宜采用锥柱面过渡。轴环定位方便可靠，通常用于受轴向力较大的零件的轴向定位；一常用于受轴向力较大的零件的轴向定位；一般轴肩定位不能承受较大的轴向力而主要起定般轴肩定位不能承受较大的轴向力而主要起定位作用。位作用。出版社 理工分社 机械基础轴轴与与滚动轴承配合承配合处的的轴肩肩结构与构与轴 承承类型有关，型有关，当受有当受有轴向力采用向心推力向力采用向心推力轴承承时，要求定位面，要求定位面紧密相靠密相靠贴，为保保证配合要求采用磨削加工配合要求采用磨削加工时须留有留有砂砂轮越程糟。以上越程糟。以上结构构见图定位定位轴肩相关尺寸与非肩相关尺寸与非定位定位轴肩自由表面肩自由表面过渡渡圆角半径角半径须查手册确定。手册确定。滚动轴承承轴肩的肩的圆角半径另有角半径另有规定定须查手册确定。手册确定。出版社 理工分社 机械基础轴轴 出版社 理工分社 机械基础轴轴 套筒定位套筒定位图适用于零件适用于零件间距离距离较短的短的场合。当无法采用套筒或套筒合。当无法采用套筒或套筒过长时宜采用宜采用圆螺母与止推螺母与止推垫片固定片固定图a或双或双圆螺母固定螺母固定图b。用上述各种。用上述各种方法定位方法定位时，轮毂宽度均度均应略大于配略大于配合合轴段的段的长度，以保度，以保证定位定位侧面相互面相互紧靠。加工螺靠。加工螺纹部分部分应留有退刀槽。留有退刀槽。出版社 理工分社 机械基础轴轴 出版社 理工分社 机械基础轴轴 出版社 理工分社 机械基础轴轴 轴端挡圈固定图仅适用于轴端零件的轴轴端挡圈固定图仅适用于轴端零件的轴向固定。向固定。出版社 理工分社 机械基础轴轴紧定螺钉固定图和弹性挡圈固定图只紧定螺钉固定图和弹性挡圈固定图只适用于承受不大轴向力的场合。适用于承受不大轴向力的场合。出版社 理工分社 机械基础轴轴 轴上零件的周向固定通常采用平上零件的周向固定通常采用平键连接。当接。当传递载荷很大荷很大时可采用花可采用花键连接。接。有关有关轴的的结构尺寸有些已构尺寸有些已经标准化，准化，设计时须查阅有关机械有关机械设计手册。手册。出版社 理工分社 机械基础轴轴第三节第三节 轴的强度计算轴的强度计算 传动轴只只传递扭矩，按扭扭矩，按扭转强度度计算；心算；心轴只受弯矩，按弯曲只受弯矩，按弯曲强度度计算；算；对于于转轴则按弯、按弯、扭合成扭合成强度度计算。算。设计转轴时，轴的的结构构设计尚未确定之前尚未确定之前,支支承跨距是未知的，故支承反力和弯矩大小无法承跨距是未知的，故支承反力和弯矩大小无法计算。通常的算。通常的设计方法是，初步按扭方法是，初步按扭转强度估算度估算轴的最小直径，然后根据的最小直径，然后根据轴上零件的布置与定位、上零件的布置与定位、采用采用轴承的承的类型与尺寸、型与尺寸、轴的工的工艺因素等因素等进行行轴的的结构构设计。出版社 理工分社 机械基础轴轴从而确定从而确定轴的支承跨距，然后的支承跨距，然后计算支承反力和所算支承反力和所受弯矩，最后受弯矩，最后对轴进行弯、扭合成行弯、扭合成强度度计算。算。对某些某些特特别重要的重要的轴，有，有时需需进行安全系数校核行安全系数校核计算算(有关有关计算方法可算方法可查阅其它其它资料料)。一、轴的扭转强度计算一、轴的扭转强度计算 当所传递扭矩和轴径已知时，轴的扭转强度计算公式为当所传递扭矩和轴径已知时，轴的扭转强度计算公式为 出版社 理工分社 机械基础轴轴 出版社 理工分社 机械基础轴轴当当轴上有一个上有一个键槽槽时d值增大增大3；一个断面；一个断面上有两个上有两个键槽槽时增大增大7。对于空心于空心轴，可用下式，可用下式计算算 对于转轴，可利用上述公式初步估算轴的最小直径对于转轴，可利用上述公式初步估算轴的最小直径dmin然后进行轴的结构设计，初步确定轴的几何形然后进行轴的结构设计，初步确定轴的几何形状和尺寸。状和尺寸。出版社 理工分社 机械基础轴轴当轴上有一个键槽时当轴上有一个键槽时d值增大值增大3；一个断面；一个断面上有两个键槽时增大上有两个键槽时增大7。对于空心轴，可用下式计算对于空心轴，可用下式计算各段长度的确定各段长度的确定