机械设计 轴.doc

第十二章 轴本章主要内容 轴的基本概念； 轴的材料； 轴的概略计算及强度、刚度校核、振动计算； 轴的结构设计。重点难点 轴系结构设计； 轴的强度校核计算。主要内容：轴的结构设计、强度计算12-1 轴的概述一 的功能及分类功能支撑回转零件并传递扭矩。2分类轴的用途及分类轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力按照承受载荷的不同，轴可分为：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。转轴同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发动机的主轴。除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置。二轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。在一般工作温度下（低于200），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。 高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。三轴设计的主要内容 轴的设计包括结构设计和工作能力验算两方面的内容。（1）根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。 （2）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。 轴的设计过程是：选择材料初估轴径结构设计校核强度，刚度，稳定性轴的结构设计。阶梯轴的典型结构如图13-3所示轴上安装轮毂的部分称为轴头； 轴被轴承支承的部分称为轴颈； 连接轴头和轴颈的部分称为轴身； 用作零件轴向固定的台阶部分称为轴肩，环形部分称为轴环 轴上零件的周向固定采用键、花键、销、型面或过盈连接，这些连接统称为轴毂连接 轴上零件的轴向固定 利用轴本身的组成部分，如轴肩、轴环、圆锥面、过盈配合等，这类方法可承受较大的轴向力 采用附件，如挡环、间隔套筒、轴端挡圈、圆螺母、弹性卡环、紧定螺钉、楔键、销等 轴的加工、装配工艺性轴的形状应力求简单，阶梯数尽可能少，键槽、退刀槽、砂轮越程槽、圆角半径、中心孔等尺寸尽可能划一；轴肩高度不应妨碍零件的拆卸；轴端应有倒角 提高轴的强度和减小轴的质量 轴上零件的合理布置和合理设计， 见图13-4 降低应力集中，提高疲劳强度 尽量少开小孔、切口或凹槽， 小孔的孔边要倒圆 尽量减少相邻轴段的直径差 剖面变化处应平缓过渡，圆角半 径尽可能大些 如果受相配零件内孔倒角或圆角 限制时，则可采用凹切圆角、中 间环或减载槽等结构，见图13-5 提高表面质量，提高疲劳强度在轴的表面进行辊压、喷丸等强化处理和减小表面粗糙度 采用空心轴，减轻质量和增大剖面模量12-2 轴的直径初估方法： 类比法 按扭矩估算一 轴的扭转强度强度条件：校核式：T=T/WT=9.55106P/0.2d3nT设计式：d=CC-系数（表12-2）12-3轴的结构设计轴的结构设计应该确定：轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构设计应该保证：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整； 轴应具有良好的制造工艺性等。一、拟定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。 二、轴上零件的定位 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈和圆螺母等来保证的。 轴上零件的周向定位是通过键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合来实现的。 三、各轴段直径和长度的确定 首先按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。有配合要求的零件要便于装拆。 应保证轴上零件能可靠的轴向固定。四、提高轴的强度的常用措施 合理布置轴上零件以减小轴的载荷改进轴上零件的结构以减小轴的载荷改进轴的结构以减小应力集中的影响改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 五、 轴的结构工艺性在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。轴上应有满足加工和装配所要求的倒角、圆角、螺纹退刀槽和砂轮越程槽等12- 轴的强度计算一力的简化分布力简化为集中力根据实际情况确定集中力的位置，大小和方向二 轴的强度校核计算 1转矩法 这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的强度计算。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。（已讲过）为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径：单键增大3%,双键增大7%。2.当量弯矩法一般的转轴强度用这种方法验算。计算步骤如下： 轴的弯矩与扭矩分析 校核轴的强度（弯扭合成强度）：根据第三强度理论计算危险界面的最大当量应力=式中：=式中-取值见书240页式中-1为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表12-3选取）；a为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数3安全系数法校核 疲劳强度校核在已知轴的外形、尺寸及载荷的情况下，可对轴的疲劳强度进行校核，轴的疲劳强度条件为 安全系数：综合安全系数安全条件：静强度校核 当轴在工作中，可能会出现短时尖峰载荷时，则应按尖峰载荷计算静强度对于瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的轴，应当进行静强度条件校核。轴的静强度条件为： -由尖峰载荷产生的最大弯曲应力和切应力。-静强度的需用安全系数（表12-6）12- 轴的刚度计算一轴的扭转刚度校核计算 轴的扭转刚度以扭转角j来度量。轴的扭转刚度条件为 等直径的光轴: G-材料的切变模量 Ip-轴剖面的极惯性矩阶梯轴总扭角: n轴上受扭的轴段数，惯性矩第i个轴段上的转矩，长度，和极惯性矩二 轴的弯曲刚度校核计算 轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角来度量。对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角。 轴的弯曲刚度条件为 挠度 yy 偏转角 y和分别为轴的许用挠度及许用偏转角。当量轴径： -支点间距离轴上第段的长度和直径12- 轴的临界转速一、轴的振动及振动稳定性的概念 轴是一弹性体，旋转时，会产生弯曲振动、扭转振动及纵向振动。当轴的振动频率与轴的自振频率相同时，就会产生共振。共振时轴的转速称为临界转速。临界转速可以有很多个，其中一阶临界转速下振动最为