机械设计第16章

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、轴的分类按轴的形状分类直轴按载荷性质分类按外形分类

光轴

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心轴：工作时只承受弯矩而不承受扭矩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，高速轴还需进行振动稳定性计算。二、设计轴的主要问题轴的设计步骤：

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、轴的材料及选择选择材料时要考虑的因素：轴的强度、刚度和耐磨性轴的热处理方式及机加工工艺性的要求轴的材料来源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1.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2.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

较重要或受力大的轴，渗碳+淬火处理38CrMoAl重要的轴，调质+氮化处理3.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）：1.有利于提高轴的强度、刚度（减小轴上的负荷和应力集中）。2.保证轴上各零件定位准确、固定可靠。3.便于加工和装拆（具有良好的工艺性）。本节内容1.轴上零件的合理布置2.轴的结构形状3.合理选择轴上零件定位和固定方式4.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使转矩分配合理图（a）Tmax=T1+T2,图（b）Tmax=T1（T1>T2）1.轴上零件的合理布置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改变应力状态图（a）轴同时受弯矩和转矩图（b）轴只受弯矩卷筒轴受弯矩和转矩作用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阶梯轴（便于轴上零件的装拆和加工）配合轴段直径取标准值与滚动轴承配合轴径，应符合轴承内径标准轴上螺纹直径，应符合螺纹标准（大径、螺距）轴上各段长度，取决于轴上零件的宽度一般L=(1.5~2)d d—轴径3.合理选择轴上零件定位和固定方式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。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。轴承的拆卸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套筒： 简单、可靠，可承受较大的轴向力，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双圆螺母和轴肩圆螺母与止推垫圈：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键联接花键联接成形联接过盈联接销联接弹性环联接4.轴的工艺性和改善疲劳强度圆角减载槽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Ra1.6μm→0.2μm强度提高5%Ra1.6μm→12.5μm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）轴的结构工艺性轴磨削加工和车螺纹时，应有砂轮越程槽、螺尾的退刀槽。轴上的键槽一般布置在同一条母线上。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轴的强度计算按许用切应力计算（扭转强度）按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度）安全系数校核计算（疲劳强度的安全系数计算）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）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）可用于传动轴的精确计算计算出的d一般做轴受载荷部分最细处的直径。[τT]和C见表16.2，已考虑了弯矩的影响。当弯矩相对于转矩较小时，[τT]取大值，C取小值。轴截面有一个键槽时，d增大3%，两个键槽时，d增大7%.二、按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度）适用于同时承受弯矩和转矩的轴。计算步骤：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；绘制弯矩图、扭矩图；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第三强度理论：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。轴的设计过程选材，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。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。轴的强度计算和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。解：1、求支承反力（1）在垂直面内：（2）在水平面内（3）F力在支点产生的反力2、绘制弯矩图（1）垂直面内的弯矩图（2）水平面内的弯矩图（3）F力产生的弯矩图3、