机械基础 课件 模块八任务一 轴

课程导入：模块八轴系零部件

任务一

轴

轴是机械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回转的机械零件（如齿轮、带轮等），并传递运动和动力。汽车传动轴火车车轮轴减速器轴

2010年11月4日，澳洲航空公司的一架A380客机执行伦敦-新加坡-悉尼的QF32航班任务时，机上载有440名乘客及26名机组成员。

飞机由新加坡起飞后，爬升几分钟飞到2134米高度时，突然出现了爆炸声，飞机随即处于难以控制的状态。原因是2号发动机中压涡轮驱动中压压气机的传动轴突然折断，造成中压涡轮盘爆破成几块，断块以很大的离心力打穿涡轮机匣与发动机短舱（如图）。

在机组人员精心操作下，将损坏严重、难于控制的飞机终于在起飞后109分钟，在距机场跑道（跑道长4000米）尽头150米处安全停住。创造了航空史上的一个奇迹。受损的发动机附件传动机构发动机受损情况教学目标知识目标1.了解轴的类型和特性；2.掌握轴的常用材料；3.掌握轴的结构设计；4.掌握轴的强度校核。能力目标1.能够正确选择轴的材料；2.能够进行轴的结构设计；3.能够进行轴的强度校核。素养目标1.树立自立协作、严谨细心的工作态度，处理好人际关系。2.培养学生标准意识和规范意识；3.培养学生敢于担当、精益求精的工匠精神。【学习重点与难点】1.轴的功用和类型；2.轴材料的选择；3.轴的结构设计；4.轴强度的校核。【相关知识】一、轴的功用和类型（一）轴的功用

轴的主要功用是支承旋转零件（如齿轮、带轮、联轴器等），以传递运动和动力，是组成机器的重要零件之一。（二）轴的类型1.根据承载情况不同，轴可分为传动轴、心轴和转轴三类。如图所示。（a）传动轴

（b）心轴

（c）转轴2.按轴线的几何形状分类

按轴线的几何形状不同，轴可分为直轴、曲轴和挠性轴三类，如图所示。二、轴的材料

轴的主要失效形式为疲劳破坏，其材料应具有较好的强度、韧性及耐磨性。

选用轴材料时应综合考虑，具体按以下要求选取：1.一般用途的轴常用优质碳素结构钢，如35、45、50等，采用正火或调质处理；2.轻载或不重要的轴可采用普通碳素钢；3.重载重要的轴可选用合金结构钢，如20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等，其力学性能高，但成本较高。三、轴的结构设计（一）轴的结构应满足的基本要求

1.有利于提高轴的强度和刚度。

2.轴和轴上零件要有准确的工作位置。

3.轴应便于加工，轴上零件要易于装拆。4.轴应具有良好的制造工艺性。5.轴各部分的直径和长度的尺寸要合理。轴的装配（二）轴的结构组成

轴的结构一般由轴头、轴颈、轴身、轴肩和轴环等组成，如图所示。（三）轴最小直径的估算

常根据轴的扭转强度条件来估算轴的最小直径，轴的最小直径可按照模块一公式（1-29）进行计算。则轴的最小直径估算公式为：C—由轴的材料和载荷情况确定的常数。

考虑到轴上开有键槽会削弱轴的强度，可将轴径适当增大。轴上开有一个键槽时，轴径可增大3%左右，轴的同一截面开有两个键槽时，轴径可增大7%左右。轴的标准直径见表8-2。（四）轴的结构设计1.轴的加工和装配工艺性（1）轴的形状应力求简单，阶梯级数尽可能少。（2）键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸尽可能统一，以利于加工和检验。如图所示。键槽与倒角（3）车制螺纹的轴段应有退刀槽，磨削的轴段应设计砂轮越程槽，如图所示。（4）当轴上有多处键槽时，应使各键槽位于同一圆轴母线上。（5）为便于装配，轴端均应有倒角。（6）为了便于安装与拆卸，阶梯轴应设计成两端小中间大，便于零件从两端装拆。（7）各零件装配应尽量不接触其他零件的配合表面。（8）轴肩高度不应妨碍零件的拆卸。退刀槽与越程槽2.轴上零件的定位与固定（1）轴上零件的轴向定位与固定

常用轴上零件的轴向定位与固定方式、特点及应用见表8-3。注意：（1）非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般为1～2mm。（2）为保证轴上零件能可靠定位，当采用套筒、轴端挡圈、圆螺母作轴向定位与固定时，轴与零件相配合的轴段长度应比轮毂的长度短2～3mm。（3）轴上零件的周向固定

轴上零件周向必须固定可靠，才能传递运动与动力。周向固定可采用平键、花键、销、过盈配合等，如图所示。轴上零件的周向固定方法3.提高轴疲劳强度的结构设计

在设计轴的结构时，应考虑减少应力集中，以提高轴的疲劳强度。如图所示。（a）凹切圆角

（b）过渡肩环

（c）开卸载槽C为由轴的材料及承载情况确定的常数。由下表查得。1.按扭转强度计算

这种方法视轴只受转矩，根据转矩大小估算d，并用降低许用扭剪应力的方法来考虑弯矩的影响。四、轴的设计计算轴的材料Q235、20Q275、354540Cr、35SiMn、38SiMnMo[τ]/MPa15～2520～3525～4540～52C149～126135～112126～103106～97—扭剪应力，MPa—许用扭剪应力，MPa—抗扭截面系数，mm3

—转矩，N.mm—传递的功率，KW—转速，r/min—轴的直径，mm式中：上式所求d作为轴的最小直径进行轴的结构设计，若该处有一个键槽，d增大5%，有两个键槽，d增大10%。2.按经验公式估算

对于一般减速装置中的轴，也可用经验公式估算轴的最小轴径。

对于高速级输入轴d=(0.8～1.2)D

D——与高速级轴相联的电动机轴径

对于各级低速轴d=(0.3～0.4)a

a——同级齿轮中心距3.按弯扭合成强度计算

在初估轴径及结构设计完成以后，即可确定轴上载荷大小、方向、作用点和轴的支承点位置。从而可求出支承反力，画出弯矩图和扭矩图，这时就可按弯扭合成强度计算轴的直径（多用来对已设计好的轴进行强度校核）。

由弯矩图和转矩图可初步判断轴的危险剖面。对于一般的钢制轴，可用第三强度理论求出危险剖面的当量应力

e，其强度条件为：

e—当量应力MPa

b—弯曲应力MPaM—危险截面上的合成弯矩N.mmW—危险截面上的抗弯截面系数mm3

对于一般转轴，

b为对称循环，而

的应力特性常是不变或脉动，考虑到两者循环特性不同的影响，将上式中的转矩乘以折算系数α，得校核轴的强度基本公式为：α—折算系数Me—当量弯矩N.mm

[

-1]b—对称循环下许用弯曲应力设计式：

对于一般用途的轴，按上述方法计算已足够精确。对重要的轴，还要考虑影响轴疲劳强度的一些因素而作精确验算。其内容可参阅有关书籍。设计注意：1）找危险截面：Me较大或d较小处

2）强度不足采取措施

a)增大轴径，其它尺寸跟着变化

b)改用材料、热处理方法4.轴的刚度计算概念轴受载后会产生弹性变形，机械中若轴的刚度不够，会影响机器的正常工作。如机床的主轴变形太大时，将影响机床的加工精度，电机转子轴弯曲变形太大时，将使转子和定子的间隙改变而影响电机性能，所以轴必须有足够的刚度。

对于有刚度要求的轴，为使轴不因刚度不足而失效，设计时应根据轴的不同要求限制其变形量：