第八章　轴的设计

机械设计教程第3版机械工业出版社第八章轴的设计第一节概述

第二节轴的强度计算第三节轴的刚度计算简介第四节轴的振动稳定性计算简介

第一节概述

轴是机器中重要的机械零件之一。例如机床主轴、自行车轮轴、录音机磁带轴、计算机磁盘中心轴等,都是其中非常关键的零件。轴属于非标准件,其设计内容包括材料选择、结构设计、工作能力计算等。轴设计的一般步骤是:根据工作要求选择轴的材料和热处理方法;然后根据传动系统简图计算出轴的转矩,进行最小直径估算;再根据轴上零件的安装和受力等情况进行轴的初步结构设计;最后对轴的工作能力进行校核计算,若不满足要求,则需重新进行结构设计和工作能力计算。因此,轴的设计过程是结构设计和工作能力计算交替进行、逐步完善的。本章主要介绍轴的工作能力设计问题。第一节概述

一、轴的功用和分类轴的结构一般是横截面为圆形的回转体。轴上零件也大多是回转件。轴的主要作用是支撑机器中的其他回转零件,如齿轮、飞轮等,并在传动零件之间传递运动和动力。轴的分类方法有许多种,概括起来,可以按两种方法分类,即按轴所受载荷类型分类和按轴的结构类型分类。轴按所受载荷类型分为心轴、传动轴和转轴(表8-1)。第一节概述

一、轴的功用和分类第一节概述

一、轴的功用和分类轴按结构类型分为直轴和曲轴(图8-1)、光轴和阶梯轴、实心轴和空心轴(图8-2)。图8-3所示为钢丝软轴。图8-1内燃机曲轴图8-2车床主轴第一节概述

一、轴的功用和分类图8-3钢丝软轴第一节概述

二、轴的材料轴的材料主要采用碳钢和合金钢。钢轴的毛坯大多用轧制圆钢和锻件,也有的直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价格低廉,对应力集中的敏感性较小,所以应用较为广泛。合金钢常用于载荷大、要求结构紧凑、耐磨或工作条件较为恶劣的场合。钢材的种类和热处理对其弹性模量的影响很小,因此选用高性能钢材来提高轴的刚性并无实效。对于形状复杂的轴,轴的材料也可以采用铸造性能好的高强度铸铁和球墨铸铁。表8-2列出了轴的常用材料及其主要力学性能,其他材料可以参阅文献[25]。第一节概述

二、轴的材料第一节概述

三、轴的工作能力计算轴的工作能力计算主要包括轴的强度、刚度和振动稳定性计算。一般的轴只要满足强度条件即可正常工作。此时,为避免轴的断裂或塑性变形,只需对轴的强度进行计算。而有的轴,如车床主轴和受力大的细长轴,为避免轴产生过大的弹性变形而造成失效,需要对轴的刚度进行计算。对于高速旋转的轴,为避免产生共振而造成失效,需要对轴的振动稳定性进行计算。第二节轴的强度计算轴的强度计算方法主要分为两大类:①按疲劳强度计算,包括按扭转强度条件计算、按弯扭合成强度条件计算和按疲劳强度条件进行精确校核三种方法。②按静强度计算。按扭转强度条件计算的方法主要用于以下几种情况:①传动轴的计算。②初步估算转轴受扭段的最小直径,以便进行轴的结构设计。③不重要的轴。若存在不大的弯矩时,则通过降低许用切应力来考虑弯矩的影响。按弯扭合成强度条件计算的方法主要用于一般转轴和心轴的计算。按疲劳强度条件计算的方法比较复杂,主要用于重要转轴的精确计算。按静强度条件计算的方法主要用于瞬时过载很大的轴的计算。这四种方法可以单独使用,也可以联合使用,视具体情况而定。第二节轴的强度计算一、按扭转强度条件计算

第二节轴的强度计算一、按扭转强度条件计算第二节轴的强度计算一、按扭转强度条件计算第二节轴的强度计算一、按扭转强度条件计算

第二节轴的强度计算二、按弯扭合成强度条件计算

第二节轴的强度计算二、按弯扭合成强度条件计算

第二节轴的强度计算二、按弯扭合成强度条件计算

第二节轴的强度计算二、按弯扭合成强度条件计算第二节轴的强度计算二、按弯扭合成强度条件计算第二节轴的强度计算三、按疲劳强度条件进行精确校核

第二节轴的强度计算三、按疲劳强度条件进行精确校核

第二节轴的强度计算四、按静强度条件计算

第二节轴的强度计算四、按静强度条件计算

第三节轴的刚度计算简介

第三节轴的刚度计算简介图8-6轴的变形第三节轴的刚度计算简介第四节轴的振动稳定性计算简介当轴和轴上零件组成一个构件做整体运动时,如果它所受外力的激振频率与自身的固有频率相同或接近时,那么轴将产生共振现象,这种现象称为轴的振动。轴在引起共振时的转速称为临界转速。轴的振动稳定性计算的目的就是使轴的工作转速避开其临界转速。轴的振动分为弯曲振动、扭转振动和纵向振动等。一般而言,轴的弯曲振动现象最为常见。在转速不高的一般通用机械中,轴的振动问题不是很突出,常予以忽略。但在高速运转的轴中,就必须对轴的振动稳定性问题进行计算分析。当激振频率与零件的固有频率成整数倍关系时,零件就会发生共振而失效。共振时的转速称为临界转速。高转速的轴,其临界转速有许多个,由低到高分别称为一阶临界转速、二阶临界转速等。各阶临界转速区的共振都会加剧轴的振动,但在一阶临界转速时,轴的振动最激烈,最为危险,所以通常主要计算一阶临界转速。当轴的工作转速很高时,应使轴快速通过各阶临界转速。轴的工作转速应避开相应的共振区,这样的轴才具有振动稳定性。即振动稳定性就是在设计时要使外部激振频率与零件的固有频率错开(图8-7)。若用f表示零件固有频率,fp表示激振频率,则振动稳定性条件为fp<0.85f或fp>1.25f(8-15)把激振源与零件隔离,阻止