机械设计第16章

1、第16章 轴轴组成机器的一个重要零件，用于支承旋转的机械零件。本章介绍轴的分类、材料和轴的有关设计问题（理论计算和结构设计）。16.1 概述一、轴的分类n按轴的形状分类直轴 按载荷性质分类 按外形分类n 光轴n 阶梯轴曲轴钢丝软轴特殊用途的轴：凸轮轴转轴心轴传动轴转轴工作时既受弯矩又受扭矩心轴转动心轴n心轴：工作时只承受弯矩而不承受扭矩n火车车厢的支承轴是转动心轴固定心轴自行车前轴传动轴n传动轴则主要承受扭矩。不受弯矩或弯矩很小。汽车的传动轴二、 设计轴的主要问题n轴的设计： 根据工作要求并考虑制造工艺等因素，选用合适的材料，按结构设计要求，经强度和刚度计算，定出轴的结构尺寸和形状，高速轴还需

2、进行振动稳定性计算。二、 设计轴的主要问题n轴的设计步骤：1. 选择轴的材料2. 初定轴径3. 轴的结构设计4. 轴的强度、刚度等校核n轴的设计准则： 足够的强度（刚度）合理的结构良好的工艺性三、 轴的材料及选择n选择材料时要考虑的因素：n轴的强度、刚度和耐磨性n轴的热处理方式及机加工工艺性的要求n轴的材料来源n轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻钢。三、 轴的材料及选择n1. 碳素钢（价格低）45 一般用途的轴，一般经正火或调质处理Q235（A3) 不重要或受力较小的轴n2. 合金钢（有较高的机械性能和良好的热处理性能）40Cr 较重要或受力大的轴，调质处理20Cr 较重

3、要或受力大的轴，渗碳+淬火处理38CrMoAl 重要的轴，调质+氮化处理n3. 球墨铸铁（成型轴，成本低、可靠性差）16.2 轴的结构设计轴的结构设计： 根据轴上零件定位和固定的要求，以及加工和装配的具体情况，合理地定出轴的各部分形状和全部尺寸的过程。 这是在设计轴时很重要的内容。 由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。轴的结构设计准则（要求）：n1. 有利于提高轴的强度、刚度（减小轴上的负荷和应力集中）。n2. 保证轴上各零件定位准确、固定可靠。n3. 便于加工和装拆（具有良好的工艺性）。本节内容n1.轴上零件的合理布置n2. 轴的结构

4、形状n3. 合理选择轴上零件定位和固定方式n4. 轴的结构工艺性和改善轴的疲劳强度轴的结构1. 轴上零件的合理布置n使转矩分配合理图（a）Tmax=T1+T2,图 （b）Tmax=T1（T1T2）1. 轴上零件的合理布置n改善轴上的弯矩分布图（a）Mmax=FL/4图（b）Mmax=FL/81. 轴上零件的合理布置n改变应力状态图（a）轴同时受弯矩和转矩 图（b）轴只受弯矩n卷筒轴受弯矩和转矩作用n卷筒轴只受弯矩作用1. 轴上零件的合理布置2. 轴的结构形状光轴便于加工，抛物形回转体轴等强度n阶梯轴（便于轴上零件的装拆和加工）n配合轴段直径取标准值n与滚动轴承配合轴径，应符合轴承内径标准n轴上

5、螺纹直径，应符合螺纹标准（大径、螺距）n轴上各段长度，取决于轴上零件的宽度n一般L=(1.52)dd轴径3. 合理选择轴上零件定位和固定方式n轴上零件应有确定的位置，零件必须牢靠地安装在轴上，不允许零件沿轴向或圆周方向滑动。n定位和固定方式分为：轴向和周向（切向）零件在轴向定位和固定n轴肩、轴环：结构简单、定位可靠、可承受较大的轴向力、应用广泛（齿轮、轴承等轴向固定）；但会增加轴的直径。hbdhRrcr4 . 1) 1 . 007. 0( 或轴的定位端面靠紧：为了保证轴上零件与轴承的拆卸n轴肩高度不能超过轴承内圈，套筒的高度不能超过轴承内圈。零件在轴向定位和固定n套筒： 简单、可靠，可承受较大

6、的轴向力，简化轴的结构，用于轴中部、2个零件距离较小的场合。零件在轴向定位和固定n轴端挡圈： 用于轴端零件固定，可承受较大的轴向力。零件在轴向定位和固定轴端挡圈与锥面n双圆螺母和轴肩n圆螺母与止推垫圈： 定位可靠、拆卸方便、可承受较大的轴向力，用于零件间距离较大的场合。零件在轴向定位和固定零件在轴向定位和固定零件在轴向定位和固定弹性挡圈：结构简单、紧凑，只能承受较小的轴向力，常用于固定滚动轴承。零件在轴向定位和固定锁紧挡圈紧定螺钉和锁紧挡圈：结构简单，用于轴向力较小的零件固定，也可用于周向固定。轴上零件的周向固定n键联接n花键联接n成形联接n过盈联接n销联接n弹性环联接4. 轴的工艺性和改善疲

7、劳强度n圆角 减载槽1）减少轴的应力集中（截面变化处应采用圆角）4. 轴的工艺性和改善疲劳强度 凹切圆角 中间环 1）减少轴的应力集中4. 轴的工艺性和改善疲劳强度2）改善轴的表面品质，提高轴的疲劳强度Ra 1.6m 0.2m 强度提高 5%Ra 1.6m 12.5m 强度降低 10%常采用：喷丸、渗碳、氮化和高频淬火；重要的轴要进行探伤，防止内部裂纹。4. 轴的工艺性和改善疲劳强度3）轴的结构工艺性n为了便于导向和避免擦伤配合表面，轴的端部应制成倒角或引导锥。4. 轴的工艺性和改善疲劳强度3）轴的结构工艺性n轴磨削加工和车螺纹时，应有砂轮越程槽、螺尾的退刀槽。n轴上的键槽一般布置在同一条母线

8、上。n同一轴上的过渡圆角半径、键槽、越程槽、退刀槽的尺寸应尽量相同。轴的结构设计 轴系结构改错四处错误正确答案（1）左端光轴直径与螺纹外径一样大，螺母无法旋入（2）螺纹无退刀槽（3）安装轴承的轴段长与轴承宽度一样，无法保证轴承的轴向固定（4）右轴肩高度滚动轴承内圈高度轴系结构改错四处错误正确答案（4）多个键应位于同一母线上（1）套筒无法装入（3）键与轮毂槽底无间隙（2）键无法装入轴的结构设计 三处错误（1）左侧键太长，套筒无法装入（2）键与轮毂槽底无间隙（3）多个键应位于同一母线上轴的结构设计 轴的设计强度条件刚度条件临界转速的概念16.3 轴的强度计算n按许用切应力计算（扭转强度）n按许用弯

9、曲应力计算（弯扭合成强度）n安全系数校核 计算（疲劳强度的安全系数计算）n静强度校核（静强度的安全系数计算）一、按许用切应力计算（扭转强度）n用于既受弯矩又受扭矩的轴的近似计算。（降低扭转许用应力来考虑弯矩）n可用于传动轴的精确计算33333955010/1655955010/TTTTTTTPnWWddWPnd 对对实实心心圆圆轴轴：n计算出的d一般做轴受载荷部分最细处的直径。nT和 C 见表16.2，已考虑了弯矩的影响。n当弯矩相对于转矩较小时， T取大值，C取小值。n轴截面有一个键槽时，d增大3%3%，两个键槽时，d增大7%7%.333335(9550 10)5(9550 10 )TTPP

10、dCnnC 二、按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度）n适用于同时承受弯矩和转矩的轴。n计算步骤：n根据结构设计所确定的轴的几何结构和轴上零件的位置，画出轴的受力简图；n绘制弯矩图、扭矩图；n按第三强度理论进行轴的弯扭合成强度的校核。齿轮减速器设计草图n第三强度理论：422cd)(4)(22TcdWTWMWTMdWdWcdT223316 32考虑到弯矩M作用下产生的正应力与转矩产生的扭转应力的性质不同，引入修正系数bcdWMWTM)(122当量弯矩当量弯矩( ( T)T)MMMM2 22 20 0. .3 3 ），扭扭转转应应力力为为静静应应力力转转矩矩不不变变（大大小小和和方方向向b b1 1b

11、 b1 10 0. .6 6 应应力力扭扭转转应应力力为为脉脉动动循循环环变变大大小小变变而而方方向向不不变变），转转矩矩按按脉脉动动循循环环变变化化（b b0 0b b1 11 1 应应力力时时扭扭转转应应力力为为对对称称循循环环变变向向变变），转转矩矩对对称称循循环环变变化化（方方b b1 1b b1 1311333122 1 . 01 . 01 . 032bbcdbcdMddMddWWMWTM实心圆轴设计公式）（2211 NamNamS SSSSSkSkkSk mamaWMWM ）（弯曲应力脉动循环时：弯曲应力对称循环时：2/0/0/2/mTamTaWTWT 经常正反转的轴：）（单方向转

12、动的轴：3. 安全系数校核 计算（疲劳强度的安全系数计算）4. 静强度的安全系数计算maxmaxT、22maxmax sbsTS SSSSSSS静强度校核的目的在于校核轴对塑性变形的抵抗能力。轴上的尖峰载荷即使作用时间很短和出现次数很少，不足以引起疲劳破坏，但却能使轴产生塑性变形。 由于尖峰载荷所产生的弯曲应力和切应力； 材料的弯曲和剪切屈服极限。SbS、轴的设计过程n选材，估算出轴径，再进行轴的结构草图设计，然后进行轴的强度校核计算。n在此基础上，再对轴的结构进行修改，并“细化”各部分尺寸对轴进行安全系数的校核时，轴的过渡圆角、键槽等尺寸，轴的表面状态和热处理等必须先行确定。n轴的强度计算和

13、结构设计要交替进行，边画图，边计算，逐步完善。轴的设计实例n已知：作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N，径向力Fr=6410N，轴向力Fa=2860N，齿轮分度圆直径d2=146mm，作用在轴右端带轮上的外力F=4500N（方向未定），L=193mm，K=206mm。n解：1、求支承反力n（1）在垂直面内：022 021221 LFdFLFMFFFraVrVVNFFFNLdFLFFVrVarV42872123641021231932146286021936410221221 n（2）在水平面内02 01221 LFLFMFFFrVtHHNFFFtHH8700217400221 n（3）F力在

14、支点产生的反力0 01212 KFLFMFFFVFFNFFFNLKFFFFF93034803450048031932064500121 n2、绘制弯矩图n（1）垂直面内的弯矩图截面截面表示表示下标中下标中aaamNLFMmNLFMVaVVaV 2052193. 0212324142193. 04287212n（2）水平面内的弯矩图mNLFLFMHHaH 8402193. 087002221n（3）F力产生的弯矩图mNLFMaamNKFMFaFF 4632193. 048032927206. 0450012截面产生的弯矩截面产生的弯矩在在n3、求合成弯矩n考虑到最不利的情况，把 与 直接相加mNMMmNMMMMmNMMMMFaFaHaVaaFaHaVa 9271328463840205 1400463840414 2222222222aFM22aHaVMM n4、求轴传递的转矩n5、求危险剖面的当量弯矩mNdFTt 12702146. 01740022