机械基础 课件 项目十 轴的结构设计

项目十轴的结构设计学习导航知识目标：能力目标：了解轴的类型及应用。掌握轴的结构设计方法，能够进行轴的工作能力验算。会分析轴的类型。能够合理进行轴的结构设计。能够进行轴的受力分析，验算轴的工作能力。项目十轴的结构设计任务一

轴的功用与材料

任务二

轴的结构设计过程

任务三

轴的强度计算任务一轴的功用与材料10.1.1轴的功用10.1.2轴的类型学习要点了解轴的类型及分类方法。10.1.3轴设计的要求和步骤10.1.4轴的材料10.1.1轴的功用做回转运动的传动零件，如图中的齿轮、联轴器等，都是安装在轴上，并通过轴实现传动的。因此，轴的主要功用就是支承零件并传递运动和动力。减速器示意图动画10.1.2轴的类型按受载情况分1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，如图的电动机轴只承受弯矩作用的轴称为心轴，如图所示的火车轮轴。火车轮轴减速器示意图10.1.2轴的类型按结构形状分2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10.1.3轴设计的要求和步骤轴的设计要求1

(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。轴的设计步骤2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10.1.4轴的材料学习要点了解轴的常用材料及机械性能。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。任务二轴的结构设计过程10.2.1轴的结构及各部分名称10.2.2轴的结构设计中需重点解决的问题学习要点掌握轴的结构名称及设计中的轴向、周向和固定方法。10.2.1轴的结构及各部分名称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。10.2.1轴的结构及各部分名称如图所示为阶梯轴的常见结构，轴上与轴承配合的部分称为轴颈，与轮毂配合的部分称为轴头，连接轴颈和轴头的非配合部分统称为轴身，直径大且呈环状的短轴段称为轴环，截面尺寸变化的台阶处称为轴肩。阶梯轴的结构及各部分名称10.2.2轴的结构设计中需重点解决的问题轴上零件的轴向定位、固定和周向固定1轴上零件的轴向定位主要靠轴肩和轴环来完成。齿轮靠右侧轴环的联轴器靠右侧轴肩定位。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≈1.4h

轴肩和轴环10.2.2轴的结构设计中需重点解决的问题轴上零件的轴向定位、固定和周向固定1

轴上零件的轴向固定就是不允许轴上零件沿轴向窜动。轴向紧固措施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。10.2.2轴的结构设计中需重点解决的问题制造工艺和装配工艺要求2

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。为此，轴端倒角的尺寸。砂轮越程槽和螺纹退刀槽寸应尽量一样，轴肩的圆角半径也要尽可能相同。若轴上采用多个单键联接时，键宽应尽可能统一，并在同一加工直线上。在磨削和车螺纹的轴段应有砂轮越程槽和螺纹退刀槽。砂轮越程槽和螺纹退刀槽10.2.2轴的结构设计中需重点解决的问题标准尺寸要求3

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。提高轴的疲劳强度4

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。任务三轴的强度计算10.3.1按抗扭强度计算10.3.2按抗弯扭合成强度计算学习要点掌握轴的扭转强度和弯扭合成强度的计算方法，能够绘制受力分析简图。10.3.1按抗扭强度计算

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