机械设计基础轴系

轴§1概述§2轴的结构设计§3轴的计算§1概述一、主要功用二、分类1、按承载分心轴：传动轴：转轴：1、支承轴上回转零件（如齿轮等）2、传递运动和动力

轴

——主要用于支承转动零件，传递运动和动力，同时又受轴承支承，是机械中必不可少的重要零件。只承受弯矩（M

），不传递转矩（T＝0）只受转矩（T

），不受弯矩（M

＝0）既传递转矩（T）、又承受弯矩（M

）心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T

＝0）转动心轴：固定心轴：轴转动轴固定问：火车轮轴属于什么类型？问：自行车轴属于什么类型？转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）如：减速器中的轴。传动轴：只受转矩（T

），不受弯矩（M

＝0）如：汽车下面的传动轴。讨论：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？

0轴：Ⅰ轴：Ⅱ轴：Ⅲ轴：Ⅳ轴：Ⅴ轴：传动轴转轴转动心轴转轴转轴转动心轴

如何判断轴是否传递转矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩：该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。曲轴：发动机专用零件2、按轴线形状分直轴：又可分为实心、空心（加工困难）光轴：阶梯轴：钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。动力源被驱动装置接头接头钢丝软轴曲轴：三、轴的材料1、碳素钢：30、35、45、50（正火或调质），45钢应用最广。价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。2、中、低碳合金钢：20Cr、35SiMn、40Cr、40MnB等。

强度高、寿命长，对应力集中敏感，用于重载、小尺寸的轴。钢材种类热处理对钢材弹性模量E

影响很小讨论：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？∴用热处理合金钢不能提高轴的刚度。注意：3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制。常用于凸轮轴、曲轴。四、轴设计的主要问题失效形式：1、疲劳破坏疲劳强度校核2、变形过大刚度验算（如机床主轴）3、振动折断高速轴，自振频率与轴转速接近4、塑性变形短期尖峰载荷验算屈服强度

设计的主要问题：1、合理的结构设计

—→保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整；2、工作能力计算

a、有足够的强度

—→疲劳强度、静强度；

b、有足够的刚度

—→防止产生大的变形；

c、有足够的稳定性

—→

防止共振—→

稳定性计算。§2轴的结构设计一、目的

确定轴的尺寸、形状：d、l；二、要求

1、轴与轴上零件要有准确的相对位置；

2、受力合理——轴结构有利于提高轴的强度和刚度；

3、轴的加工、装配有良好的工艺性、减少应力集中；三、轴的毛坯

d小

——圆钢（棒料）：车制；

d大

——锻造毛坯；结构复杂——铸造毛坯，如曲轴；空心轴：充分利用材料，↓质量，但加工困难。四、阶梯轴的结构设计F等强度阶梯轴1、拟定轴上零件装配方案装轴承处尺寸＝轴承内径；装轮毂处直径与轮毂内径相当；联接轴颈和轴头部分。组成轴颈：轴头：轴身：

2、零件在轴上的固定（1）轴向固定a）借助轴本身形状定位：轴肩、圆锥形轴头；b）借助挡圈、圆螺母、套筒等定位。注意：防止过定位

L轴段长度＝

B轮毂宽－

(2～3)mm保证轴上零件可靠定位：轴圆角半径r

＜轴上零件倒角尺寸c

＜轴肩高度h

或：轴圆角半径r

＜轴上零件圆角半径R

＜轴肩高度h（2）周向固定键、花键、成形联接、弹性环联接、过盈、销等——

轴毂联接轴肩定位轴肩：非定位轴肩：五、轴段尺寸

1、d：由载荷—→

dmin

—→

由结构设计要求确定各段的d

；

2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑：

1）轴段长比轮毂宽小2～3mm——可靠定位；

2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离（查手册）。固定方式＞h＝(0.07～0.1)d；d：轴颈尺寸

h

＝(1～2)mm注意：各轴段直径d

和长度L的确定。六、轴的结构工艺性设计1、需磨削的轴段：砂轮越程槽。3、轴端应有倒角：c×45°——便于装配。4、装配段不宜过长。5、固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。2、需切制螺纹的轴段：螺纹退刀槽。§3轴的计算一、轴的强度计算

1、按许用切应力计算（按扭转强度计算）强度条件：式中：WT——抗扭截面系数，mm3[τ

]——许用切应力，MPa公式应用：

a）传动轴精确计算；

b）转轴的初估轴径dmin

——结构设计，逐步阶梯化di

（∵支点、力作用点未知）；

c）对于转轴：算出dmin

—→

结构设计—→

弯矩图—→

弯扭合成 强度计算；

d）有键槽处：若轴上开键槽：d

适当↑，单键：↑（3～5）%；双键：↑（7～10）%；花键：计算出的d

为内径。2、按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度计算）已知条件：作用力大小、位置、轴d、l、支点位置由dmin

（扭转初估）—→

结构设计—→

支点、力大小、作用点—→

画出M、T合成弯矩图—→

危险截面—→

计算。

步骤：P2471）画出轴的空间受力简图：力分解到水平面、垂直面2）作水平面弯矩Mxy

图和垂直面弯矩Mxz

图3）作出合成弯矩图4）绘转矩T图5）求当量弯矩，绘图α

——根据转矩性质不同而引入的应力校正系数。σ

——一般为对称循环变化（弯矩引起的弯曲应力）1）单向旋转、载荷稳定：切应力接近不变r

＝+1；2）单向旋转、载荷不稳定：切应力接近脉动循环r

＝0；3）连续正反转、载荷不稳定：切应力接近对称循环，r

＝-1；T：7）强度条件：式中：

W

——轴的抗弯截面系数；

[σ]——轴的许用弯曲应力，见表14-1。6）确定危险截面。二、轴的刚度计算轴的变形：挠度y、偏转角θ

、转角φ

y≦[y]θ