机械设计 第13章 轴.ppt

第13章 轴轴概述1. 轴的用途及分类13.1 概 述轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力 按照承受载荷的不同，轴可分为： ◆ 转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴，自行车中轴◆ 心 轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴,自行车前、后轴◆ 传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置 直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如车床主轴轴的类型碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢 轴的材料轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆材料的选择（1）受力不大，主要考虑刚度和耐磨性。

如主要考虑的刚 性，可以用碳钢或球墨铸铁来制造；对于轴颈有较高要求 的轴，则须选用中碳钢并进行表面淬火、将硬度提高到 HRC52以上；若要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的轴 ，如机床主轴，则常选用38CrMoAlA钢，并进行调质及渗氮 处理2）主要受弯曲、扭转的轴这类轴一般选用中碳钢，如 45钢、40Cr、40MnB等3）同时承受弯曲及拉压载荷的轴如船用推进器轴、锻 锤杆等，这类轴的整个截面上应力分布均匀，心部受力也 较大，选用的钢种应具有较高的淬透性轴的设计准则与步骤失效形式1 轴的断裂 ①疲劳断裂 由于受扭转疲劳和弯曲疲劳交变载荷长期作用，造成 轴的疲劳断裂，它是轴的主要失效形式 ②断裂失效 由于大载荷或冲击载荷作用，轴发生折断或扭断2 轴的塑性变形 塑性变形是由于在过大的应力作用下，轴的材料处于屈服状态而产 生的弯曲或扭转变形 可用适当增大轴的截面面积的方法来提高轴的刚度3 共振2、强度问题 — 防止轴发生疲劳断裂3、刚度问题— 防止轴发生过大的弹性变形4、振动稳定性问题— 防止轴发生共振1、结构问题 — 确定轴的形状和尺寸轴设计的主要问题 1 根据工作要求选择轴的材料和热处理方式；2 按扭转强度约束条件或与同类机器类比，初步确定轴的最小直 径dmin；3 考虑轴上零件的定位和装配及轴的加工等几何约束，进行轴的 结构设计，画草图，确定轴的几何尺寸，得到轴的跨距和力的作用 点；4 根据轴的结构尺寸和工作要求，进行强度计算。

如不满足要求 ，则应修改初定轴径dmin，重复进行第三、第四步，直到满足设计 要求 轴的设计步骤轴系结构组合设计与工程应用轴的结构设计的要求：加工工艺性要好便于轴上零件装拆 轴上零件要有准确的定位 轴上零件要有可靠的固定 尽量减少应力集中一、加工工艺要求光轴 等强度轴 阶梯轴 车削 倒角 加工方法不同，轴的结构也可能不同磨削 装拆要求砂轮越程槽 ● 装拆应方便； ● 不同的装拆方案，得到不同结构；● 轴的直径应圆整成标准值一）拟定轴上零件的装配方案目的：防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动二）轴上零件的定位1、零件的轴向定位（1）轴肩定位轴肩定位：轴肩高度h=（0.07~0.1）d注意：滚动轴承的定位轴肩的高度非定位轴肩定位：轴肩高度h=1~2mm注意：为了使零件能靠紧轴肩而得到准确可靠的定位，轴肩 处的过渡圆角半径r应小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半 径R或倒角尺寸C 设计：潘存云设计：潘存云轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现三、轴上零件的固定齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上 ；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。

带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当 圈双向固定设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定 轴肩的尺寸要求:r

式中：  ---轴的扭切应力，MPa；T---转矩，Nmm； WT---抗扭截面系数，mm3；P---传递的功率，kW； n ---轴的转速，r／min；d ---轴的直径，mm； []---许用扭切应力，MPa注意1 当轴截面上开有键槽或过盈配合时，轴径d应增大，一个键 槽增大4%～5%，两个键槽增大7%～10%然后将轴径按要 求圆整2 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径安装标准件（如 滚动轴承、联轴器等）部位的轴径，应取为相应的标准值及所 选配合的公差2、轴段长度的确定注意：为保证可靠的定位，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2~3mm1、合理布置轴上零件以减小轴的载荷2、改进轴上零件的结构以减小轴的载荷3、改进轴的结构以减少应力集中的影响4、改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度（四）提高轴的强度的常用措施设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云TTTT TQ方案b 输出输出 输入Tmax= T1+T2Tmax = T11.改善受力状况T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理 TTQ方案 a输出输出输入FtFt设计：潘存云 设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云Rdd/430˚ 2.减小应力集中措施： 1. 用圆角过渡；2. 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽; 3. 重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。

也可以减小过盈配合处的局部应力 过渡肩环r凹切圆角B卸载槽一、按扭转强度计算（传动轴）轴的强度计算对于只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为：  = T/WT = 9.55106P / 0.2d3n  [] Mpa为轴的扭切应力，Mpa ；T为转矩，N.mm；WT为抗扭截面系数，mm3 ； P为传递的功率，kW；n为转速，r/min；d为轴的直径，mm；[]为许用扭切应力，Mpa 因σb和τ的循环特性不同，折合后得：二、 按弯扭合成强度计算 强度条件为：弯曲应力：扭切应力：代入得：W------抗弯截面系数 ； WT ----抗扭截面系数 ；l1lα----折合系数 Me---当量弯矩折合系数取值：α= 0.3 ----转矩不变；0.6 ----脉动变化； 1 ----频繁正反转设计公式：将 dmin 圆整成标准直径（查“机械设计课程设计”）受扭段最小直径 dmin13.3.3按疲劳强度安全系数计算安全系数的约束条件： 仅有法向应力时，应满足：仅有扭转切应力时，应满足：13.4.1 轴的刚度计算轴的弯曲刚度以挠度或偏转角来度量；扭转刚度以扭转角来 度量。

即： 13.4.2 轴的临界转速计算 工作转速低于一阶临界转速的轴称为刚性轴（工作于亚临界 区）；超过一阶临界转速的轴称为挠性轴（工作于超临界区 ）两者的临界转速约束条件分别为 刚性轴 挠性轴 式中，nc1——阶临界转速；nc2—二阶临界转速。