轴的类型应用结构设计以及工作能力的校核课件

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1.主要内容

轴的类型、应用、结构设计以及工作能力的校核2.重点、难点提示

轴的结构设计以及工作能力的校核。轴是机器中的重要零件之一，应用很广。因为它是一个非标准零件，所以轴的设计工作非常重要。本章知识导读211.1概述

做回转运动的传动零件，如图所示减速器示意图中的齿轮、联轴器等，都是安装在轴上，并通过轴实现传动。因此，轴的主要功用就是支承零件并传递运动和动力。11.1.1轴的作用轴的分类轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。一、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。

心轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。

传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。

4传动轴1端接变速器，2端接后桥齿轮系传动轴5心轴6转动轴7同时承受弯矩和转矩作用的轴称为转轴，如图所示的输入轴Ⅰ和输出轴Ⅱ

只承受转矩作用的轴称为传动轴，如图的电动机轴11.1.2轴的类型8

只承受弯矩作用的轴称为心轴，如图所示的火车轮轴。92.按结构形状分

轴有实心轴、空心轴（车床的主轴）、曲轴、挠性钢丝轴和直轴。直轴又可分为截面相等的光轴和截面分段变化的阶梯轴

工程中最常见的是同时承受弯矩和转矩作用的阶梯轴曲轴阶梯轴挠性钢丝轴光轴1011

1.轴的设计要求（1）结构设计要求轴应具有合理的结构形状和尺寸。（2）工作能力要求轴应具有足够的疲劳强度，对于某些特殊用途的轴，还应有刚度、振动稳定性等方面的要求11.1.3轴设计的要求和步骤对轴的结构基本要求：1、轴和轴上的零件有准确定位和固定。2、轴上零件便于调整和装拆；3、有良好的制造工艺性；4、形状、尺寸应尽量减小应力集中；5、为了便于轴上零件的装拆，将轴制成阶梯轴。2.轴的设计步骤为转轴设计程序框图，其他类型轴的设计步骤与此类似，其中结构设计与验算工作能力往往是交叉进行的，也是最重要的两步

转轴设计程序框图

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长期承受交变应力作用下的疲劳破坏是轴的主要失效形式因此，轴的材料要求具有较好的强度、韧性，与轴上零件有相对滑动的部位还应具有较好的耐磨性（1）碳素钢工程中广泛采用35、45、50等优质碳素钢对于轻载和不重要的轴也可采用Q235、Q275等普通碳素钢

（2）合金钢常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴，有较高的力学性能，但价格较贵，对应力集中敏感，所以在结构设计时必须尽量减少应力集中（3）球墨铸铁耐磨、价格低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴11.2轴的材料15

轴的结构设计主要取决于轴在机器中的安装位置及形式，轴上零件的定位、固定以及联接方法，轴所承受的载荷，轴的加工工艺以及装配工艺要求等如果轴的结构设计不合理，可能会影响轴的工作能力，增加轴的制造成本或轴上零件装配的困难。因此轴的结构设计是轴设计中的重要内容11.3轴的结构设计1611.3.1轴的结构及各部分名称

171.轴上零件的轴向定位、固定和周向固定轴肩和轴环

(1)轴向固定

轴上零件的轴向定位主要靠轴肩和轴环或套筒来完成。

为了保证轴上零件靠紧定位面，轴肩处的圆角半径R必须小于零件内孔的圆角R1或倒角C1

轴肩高度一般取h=（0.07～0.1）d，轴环宽度b≈1.4h11.3.2轴的结构设计中重点解决的问题18轴上零件的轴向固定就是不允许轴上零件沿轴向窜动。

常用的轴向固定措施还有:轴的一端可采用轴端挡圈，如图（a）、套筒过长可采用圆螺母，如图（b）、受载较小时可采用弹性挡圈，如图（c）、紧定螺钉如图（d）所示和销钉等固定。（2）.周向固定

为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动，轴上零件的周向固定必须可靠。常用的周向固定方法有键、花键、销和过盈配合等联接。20212.制造工艺和装配工艺要求

制造工艺要求是指轴的结构应尽可能便于加工，节约加工成本。轴的形状要力求简单，阶梯轴的级数应尽可能少，轴上各段的圆角半径、倒角等尺寸应尽可能统一，以利于加工和检验轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽当轴上有多处键槽时，应使各键槽位于轴的同一母线上为使轴便于装配，轴端应有倒角、中心孔。对于阶梯轴常设计成两端小中间大的形状，以便于零件从两端装拆轴肩高度不能妨碍零件的拆卸243.标准尺寸要求

轴上的零件多数都是标准零件，如滚动轴承、联轴器、圆螺母等，因此与标准零件配合处的轴段尺寸必须符合标准零件的标准尺寸系列4.提高轴的疲劳强度

加大轴肩处的过渡圆角半径和减小轴肩高度，就可以减少应力集中，从而提高轴的疲劳强度。提高轴的表面质量、合理分布载荷等也可以提高轴的疲劳强度25题11-11分析下图错误如图所示，共有6处错误。（1）轴肩高度超过轴承内圈高度，轴承无法拆卸；（2）键过长，无法装配；（3）轴头长度太长（轮毂长度过短），轮毂定位不准确；（4）套筒高度超过轴承内圈高度，轴承无法拆卸；（5）轴承处直径和套筒处直径一样，导致装配和加工难度增加;（6）没有密封装置，导致润滑剂流失。29如图所示，共有7处错误。（1）轴肩高度超过轴承内圈高度，轴承无法拆卸；（2）轴头长度太长（轮毂长度过短），轮毂定位不准确；（3）键过长，无法装配；（4）套筒高度超过轴承内圈高度，轴承无法拆卸；（5）没有退导槽，螺母无法拧紧，轴承定位不可靠；（6）半联轴器没有定位。（7）轴过长。轴的设计步骤

1、按扭转强度初步估算最小轴径。

2、轴的结构设计（确定轴各段的直径和长度）

3、按弯扭合成强度校核轴的强度

11.4轴的工作能力计算设计如图所示斜齿轮减速器输出轴。已知：输出功率P=15KW，转速n=280r/min,齿轮直径d=320mm,所受的作用力Ft=3197N,Fr=1200N,Fa=812N.齿轮的轮毂宽度为80mm。32

轴的强度验算方法有:按抗扭强度条件估算转轴的最小直径和验算传动轴的强度按抗弯扭合成强度条件验算转轴的强度。必要时，还要进行安全系数的验算对于圆截面传动轴，其抗扭强度条件为11.4.1按抗扭强度计算实心轴的直径为：

为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径有一个键槽有两个键槽轴径d＞100mm轴径增大3%轴径增大7%轴径d≤100mm轴径增大5%～7%轴径增大10%～15%343511.4.2按抗弯扭合成强度计算

在轴的结构设计完成后，要验算其强度，对于一般钢制的转轴，按第三强度理论校核抗弯扭合成强度.危险截面强度校核：建立力学模型:

按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。通常把轴当作置于铰链支座上的梁计算步骤计算步骤（1）画出轴的空间力系图。将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分力，并求出水平面和垂直面的支点反力。（2）分别作出水平面的弯矩图和垂直面上的弯矩图（3）计算出合成弯矩绘出合成弯矩图（4）作出转矩（T）图（5）计算当量弯矩，绘出当量弯矩图（6）校核危险截面的强度。38394041（1）安装时，要严格按照轴上零件的先后顺序进行，注意保证安装精度（2）安装结束后，要严格检查轴在机器中的位置以及轴上零件的位置，并将其调整到最佳工作位置，同时轴承的游隙也要按工作要求进行调整（3）在工作中，尽量使轴避免承受过量载荷和冲击载荷，并保证润滑，从而保证轴的疲劳强度11.5轴的使用与维护

轴若使用不当，没有良好的维护，就会影响其正常工作，甚至产生意外损坏，降低轴的使用寿命。因此，轴的正确使用和良好的维护，对轴的正常工作及保证轴的疲劳寿命有着很重要的意义11.5.1轴的使用42

（1）认真检查轴和轴上零件的完好程度，若发现问题应及时维修或更换