机械设计基础单元12--轴

1、1.了解轴的类型和特点2.了解轴所用的材料学会各种轴材料的选用任务1 认识轴知识目标：技能目标：首页退出单元12 轴表12-1 根据轴的形状分类任务1 认识轴1.轴的分类类型示意图直轴 光轴 阶梯轴曲轴挠性轴首页退出单元12 轴表12-2 根据轴的承载情况分类任务1 认识轴类型举例应用特点心轴转动 心轴工作时只承受弯矩,起支承作用固定心轴传动轴工作时只承受扭矩,不承受弯矩或承受很小的弯矩,仅起传递动力作用挠性轴工作时要承受弯矩又承受扭矩,既起支承作用又起传递动力作用,是机器中最常用的一种轴首页退出单元12 轴表12-3 轴的常用材料及其主要机械性能任务1 认识轴2.轴的材料首页退出单元12 轴

2、材料及热处理毛坯直径硬度HBS抗拉强度极限屈服强度极限许用弯曲应力许用剪切应力常数A应用说明Q235100400420225401220160135用于不重要及受载荷不大的轴10025037539021535正火300143187520270452030135118用于一般轴45正火100170217600300553040118107用于较重的轴，应用最广泛45调质20021725565036055表12-3 轴的常用材料及其主要机械性能任务1 认识轴首页退出单元12 轴材料及热处理毛坯直径硬度HBS抗拉强度极限屈服强度极限许用弯曲应力许用剪切应力常数A应用说明40Cr调质200241286

3、75055060405210798用于载荷较大，而无很大冲击的重要的轴40MnB调质20024128675050070405210798性能接近于40Cr，用于重要的轴35CrMo调质10020726975055070405210798用于重载荷的轴35SiMn调质10022928680052070405210798可代替40Cr，用于中、小型轴42SiMn调质10022928680052070405210798与35SiMn相同，但专供表面淬火用表12-4 轴的类型分析任务1 认识轴3.轴的类型分析实例首页退出单元12 轴序号图例分析1.汽车上的轴工作时只承受扭矩，不承受弯矩或承受很小的弯矩

4、，仅起传递动力作用，是传动轴2.自行车的前轴工作时只承受弯矩，起支承作用,是心轴3.减速器的输出轴工作时要承受弯矩又承受扭矩，既起支承作用又起传递动力作用，是转轴任务1 认识轴 练习题 首页退出单元12 轴1.选择题： 自行车前轴是（ ） A.固定心轴 B. 转动心轴 C.转轴 在机床设备中，最常见的轴是（ ） A.传动轴 B.转轴 C.曲轴 车床的主轴是（ ） A.传动轴 B.心轴 C.转轴 传动齿轮轴是（ ） A.转轴 B.心轴 C.传动轴 既支承回转零件，又传递动力的轴称为（ ） A.心轴 B.转轴 C.传动轴任务1 认识轴 首页退出单元12 轴2.判断题： 按轴的外部形状不同，可分为心

5、轴、传动轴和转轴三种。（ ） 根据心轴是否转动，可分为固定心轴和转动心轴两种。（ ） 心轴在工作时只承受弯曲载荷作用。（ ） 传动轴在工作时只传递转矩而不承受或仅承受很小弯曲载荷的作用。( )转轴在工作时既承受弯曲载荷又传递转矩，但轴的本身并不转动。（ ）3.填空题： 轴的主要功用是：支承_传递_和_ 轴一般应具有足够的_合理的_和良好的_ 根据轴承载情况的不同，可将直轴分为_、_和_三类。 轴是机器中_、_零件之一。 自行车前轴工作时只承受_起_作用。1.了解轴的周向固定方式2.了解轴的轴向固定方式3.了解轴的常见的工艺结构1.分析轴的结构2.设计轴的结构任务2 设计轴的结构知识目标：技能目

6、标：首页退出单元12 轴表12-5 轴上零件的轴向固定方法及应用任务2 设计轴的结构1.轴上零件的轴向固定单元12 轴类型图例结构特点及应用圆螺母固定可靠,装拆方便,可承受较大的轴向力,能调整轴上零件之间的间歇,为防止松脱,必须加止动垫圈或使用双螺母. 由于在轴上切割了螺纹,使轴的强度降低 常用于轴上零件距离较大处及轴端零件的固定.轴肩与轴环应使轴肩 轴环的过渡圆角半径r小于轴上零件孔端的圆角半径R或倒角C(即rR或rC),这样才能使轴上零件的端面紧靠定位面,结构简单 定位可靠,能承受较大的轴向力,广泛应用于各种轴上零件的定位套筒结构简单,定位可靠,常用于轴上零件间距离较短的场合,当轴的转速很

7、高时不宜采用轴端挡圈工作可靠 结构简单,可承受剧烈振动和冲击载荷。使用时,应采取止动垫片 防转螺钉等防松措施.应用广泛,适用于固定轴端零件首页退出任务2 设计轴的结构单元12 轴类型图例结构特点及应用弹性挡圈结构简单紧凑 装拆方便,只能承受很小的轴向力.需要在轴上切槽,这将引起应力集中,常用于滚动轴承的固定轴端挡板结构简单,适用于心轴上零件的固定和轴端固定紧定螺钉、挡圈结构简单,同地起周向固定作用,但承载能力较低,且不适用于高速场合圆锥面能消除轴与轮毂间的径向间隙,装拆方便,可兼作周向固定.常与轴端挡圈联合使用,实现零件的双向固定.适用于有冲击载荷和对中性要求较高的场合,常用于轴端零件的固定首

8、页退出表12-6 轴上零件的周向固定方法及应用。任务2 设计轴的结构2.轴上零件的周向固定单元12 轴类型图例结构特点及应用平键连接加工容易、装拆方便,但轴向不能固定,不能承受轴向力花键连接具有接触面积大、承载能力强、对中性和导向性好等特点,适用于载荷较大 定心要求高的静 动连接。加工工艺较复杂,成本较高销钉连接轴向 、周向都可以固定,常用做安全装置,过载时可被剪断,防止损坏其他零件,不能承受较大载荷,对轴强度有削弱紧定螺钉紧定螺钉端部拧入轴上凹坑实现固定.结构简单,不能承受较大载荷,只适用于辅助连接。过盈配合同时有周向和轴向固定作用,对中精度高,选择不同的配合有不同的连接强度.不适用于重载和

9、经常装拆的场合首页退出 轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工 便于轴上零件的装配和使用维修,并且能提高生产率、降低成本.一般来说,轴的结构越简单,工艺性就越好.所以,在满足使用要求的前提下,轴的结构形式应尽量简化。（1）轴的结构和形状应便于加工、装配和维修。（2）阶梯轴的直径应该是中间大、两端小,以便于轴上零件的装拆(图12-3)。任务2 设计轴的机构3.轴上常见的工艺结构首页退出单元12 轴图12-3轴上常见的工艺结构（3）轴端 、轴颈与轴肩(或轴环)的过渡部位应有倒角或过渡圆角,便于轴上零件的装配避免划伤配合表面,减小应力集中。应尽可能使倒角(或圆角半径)一致,以便于加工。（4）当轴上

10、需要切制螺纹或进行磨削时,应有螺纹退刀槽如图12-4，砂轮越程槽，图12-5。（5）当轴上有两个以上键槽时,槽宽应尽可能相同,并布置在同一母线上,以利于加工，图12-3。任务2 设计轴的机构首页退出单元12 轴图12-4螺纹退刀槽 图12-5砂轮越程槽表12-7 分析减速器转轴结构任务2 设计轴的机构首页退出单元12 轴4.轴上各部分结构分析步骤分析1.转轴上零件名称轴端挡圈、带轮、套筒、齿轮、滚动轴承、轴承盖2.转轴上周向固定的方法平键连接、过盈配合3.转轴上轴向固定的方法轴肩与轴环、轴端挡圈、套筒、轴承盖4.转轴上的工艺结构（1）轴的直径是中间大、两端小,以便于轴上零件的装拆；（2）轴端

11、、轴颈与轴肩(或轴环)的过渡部位有倒角或过渡圆角,便于轴上零件的装配避免划伤配合表面,减小应力集中；（3）轴上有砂轮越程槽；（4）轴上有两个以上键槽时,槽宽相同,并布置在同一母线上,以利于加工。图12-2 转轴的结构任务2 轴的结构设计 练习题 首页退出单元12 轴1.选择题：具有固定可靠、装拆方便等特点，常用于轴上零件距离较大处及轴端零件的轴向固定是。 A.圆螺母 B.圆锥面 C.轴肩与轴环在轴上支承传动零件的部分称为（ ） A.轴颈 B.轴头 C.轴身具有机构简单、定位可靠、能承受较大的轴向力的特点，广泛应用于各种轴上零件的轴向固定是（ ） A.紧定螺钉 B.轴肩与轴环 C.紧定螺钉与挡圈

12、常用于轴上零件间距离较小的场合，但当轴的转速要求很高时，不宜采用的轴向固定是。 A.轴肩与轴环 B.轴端挡板 C.套筒接触面积大、承载能力强、对中性和导向性都好的周向固定是（ ） A.紧定螺钉 B.花键连接 C.平键连接加工容易、装拆方便、应用最广泛的周向固定是（ ） A平键连接 .B过盈配合 C.花键连接具有对轴上林很关键起周向固定是（ ） A.轴肩与轴环 B.平键连接 C.套筒和圆螺母为了便于加工，在车削螺纹的油段上应有（ ），在需要磨削的轴段上应留出（ ） A.砂轮越程槽 B.键槽 C.螺纹退刀槽轴上零件最常用的轴向固定方法是（ ） A.套筒 B.轴肩与轴环 C.平键连接任务2 轴的结构

13、设计 首页退出单元12 轴2.判断题： 阶梯轴上安装传动零件的轴段称为轴颈。（ ） 轴肩或轴环能对轴上零件起准确定位作用。（ ） 阶梯轴上各截面变化处都应当有越程槽。（ ） 轴上零件的轴向固定是为了防止在轴向力作用下零件沿轴线移动。（ ） 阶梯轴肯有便于轴上零件的安装和拆卸的优点。（ ）3.填空题： 轴上零件的轴向定位与固定的方法主要优_、_和_等。 轴的工艺结构应满足三个方面的要求：轴上零件应有可靠的_轴便于_和尽量避免或减小_轴上零件便于_。 轴上零件轴向固定的目的是为了保证零件在轴上有_防止零件作_并能承受_。 轴上零件周向固定的目的是为了保证轴能可靠地传递_防止轴上零件与轴产生_。 轴

14、上零件的周向定位与固定的方法主要有_、_、_和_等。 在采用圆螺母作轴向固定时，轴上必须切制出_。 轴常设计成阶梯性，其主要目的是便于轴上零件的_和_。1.了解三种类型轴的强度条件2.了解三种类型轴的强度计算1.学会轴的强度计算；2.掌握正确查阅设计的相关资料。任务3 轴的强度计算知识目标：技能目标：首页退出单元12 轴任务3 轴的强度计算1.扭转时横截面上的扭矩和扭矩图单元12 轴首页退出（1）外力偶矩的计算轴的两端受到一对大小相等、转向相反、作用面与轴线垂直的力偶作用时，横截面绕轴线产生相对转动，使轴产生扭转变形。如图12-7所示。 在工程实际中，通常无法直接知道外力偶矩的大小，而是给出轴

15、所传递的功率P和轴的转速n，利有下式计算： 式中 M作用于轴上的外力偶矩，Nm； P轴传递的功率，kW； n轴的转速，r/min。图12-7 汽车传动轴任务3 轴的强度计算单元12 轴首页退出 （2）传动轴横截面上的内力扭矩 如图12-8 a)所示，轴在外力偶矩的作用下，横截面上会产生抵抗变形和破坏的内力。可用截面法求出内力。现用假想平面mm将轴截开，取左段为研究对象，如图12-8b)所示。也可取右段为研究对象（如图12-8 c)所示）来求T。 由平衡关系可知，横截面上的内力合成为内力偶矩，这个内力偶矩称为扭矩或转矩，用T表示。平衡条件：M=0 TM=0所以 T=M图12-8扭转时横截面上的扭

16、矩和扭矩图为了使取左段或右段所求得的扭矩在符号上一致，采用右手螺旋法则来规定扭矩的正负。如图12-9所示，以右手四指弯曲表示扭矩的转向，则拇指指向离开截面时扭矩为正，反之为负。 任务3 轴的强度计算单元12 轴首页退出 当轴上作用多个外力偶矩时，任一截面上的扭矩等于该截面左段（或右段）所有外力偶矩的代数和。图12-9扭矩正负的判定 （3）扭矩图 工程上，为了形象地表示各截面扭矩的大小和正负，以便分析危险截面，常需画出各截面扭矩随截面位置变化的分析图，称为扭矩图。 其画法为：以平行于轴线的横坐标x表示各截面位置，垂直于轴线的纵坐标表示相应截面上的扭矩T，正扭矩画在x轴上方，负扭矩画在x轴下方。任

17、务3 轴的强度计算2.扭转时横截面上应力单元12 轴首页退出 横截面上没有正应力,只有切应力，且与半径垂直。圆轴扭转时横截面上任意点处的切应力计算公式:式中: 横截面上任意点的切应力，MP； T 横截面上的扭矩，Nm； 截面任意点到圆心的距离，mm； 截面的极惯性矩，mm4，与截面的形状和尺寸有关。图12-10 圆轴扭转时的应力任务3 轴的强度计算单元12 轴首页退出由公式可见, 当=R时，切应力最大，轴的强度校核公式为：式中: Wp圆轴的抗扭截面模量，单位为mm3。 惯性矩所抗扭截面模量的大小，与截面的形状和尺寸有关。工程上常用的实心圆轴与空心轴的极惯性矩与抗扭截面模量计算如下。 （1）实心

18、圆轴：式中: d轴径，mm。 （2）空心圆轴：式中: D1空心圆轴的外径；=d1/D1，d1为内径，mm。当 时,则有任务3 轴的强度计算3.传动轴扭转时的强度计算单元12 轴首页退出圆轴扭转时，为了保证轴能正常工作，应限制轴上危险截面的最大切应力不超过材料的许用切应力，即：式中： 危险截面的最大切应力（MPa; 材料的许用切应力,MPa，见表10-2； T轴所承受的转矩,Nmm； 轴危险截面的抗扭截面模量,mm3; P 轴的传递功率,Kw； n 轴的转速,r/min； d 轴危险截面的直径,mm。 轴的设计计算公式为：式中: A是由轴的材料和承载情况确定的常数，见表12-2 。任务3 轴的强

19、度计算单元12 轴首页退出 若在计算面处有键槽，则应将直径加大5%（单键）或10%（双键），以补偿健槽对轴强度削弱的影响。轴的标准直径系列，见表12-8。 表12-8 轴的标准直径 单位:mm 101214161820222425262830323436384042454850535660636771758085任务3 轴的强度计算4.转轴的直径估算单元12 轴首页退出 对承受弯曲和扭转复合作用的转轴,由于轴上零件的位置和两轴承间的距离尚未确定,所以对轴所承受弯矩无法进行计算。因此常用扭矩法作轴径的估算。 轴扭转时的强度条件为 ， 其中扭矩 ，抗扭截面系数 ，则轴直径的设计式为：式中： P轴所

20、传递的功率，kw； n轴的转速，r/min； C由轴的材料和许用切应力所确定的因数,可按表12-9确定。表12-9 常用材料值和C值轴的材料Q235、20354540Cr、35SiNn/MPa1220203030404052C10013513511811810710798任务3 轴的强度计算5.校核转轴的强度单元12 轴首页退出 轴的最小轴径确定后,可依次确定其他各段轴径,轴上零件位置得以确定,轴各截面的弯矩即可算出.这时可按弯 扭组合作用校核轴的强度.弯、扭组合强度条件为： 由于一般转轴的弯矩M为对称循环变应力,而T的循环特性与M不同.考虑两者不同循环特性的影响,对上式中的扭矩乘以折算系数,即得危险截面处强度校核式：由上式可得，轴危险截面处直径d的计算公式： 式中: 当量弯矩(MPa)； 折算系数，取 = 0.6； 许用弯曲应力，可查表12-3，或查阅机械设计手册。任务3 轴的强度计算6.轴的强度实例单元12 轴首页退出 图12-6所示为实心轴与空心轴通过牙嵌式离合器联接传递转矩，已知轴的转速n=120r/min，传递的功率P=lOkW，材料的许用切应力=40MPa，空心轴内径为d1，外径为D。空心轴内外径之比=d1/D=0.6，设计实心轴的直径d和空心轴的外径D。图12-6 实心轴与空心轴通过牙嵌式离合器联接设计分析见表12-10。任