厦理工机械设计课件第15章 轴

(1)概述；(2)轴的结构设计；(3)轴的计算。主要内容：基本要求：(1)掌握轴的结构尺寸初步确定及结构工艺性；(2)掌握轴上零件的装配方案及其定位方式；(3)掌握不同类型轴的计算方法；(4)掌握影响轴的结构和形状的因素，提高轴的疲劳强度措施。重点和难点：重点：轴的强度设计及结构设计。难点：轴的结构设计。第一节概述一、轴的用途及分类分类按承载分

1.支撑轴上零件

2.传递运动、动力

3.确定并保持轴上零件的轴向位置主要功用心轴转轴传动轴心轴：只承受弯曲（M），不传递转矩（T=0）转动心轴：轴转动固定心轴：轴固定转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）如：减速器中的轴。传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0

如：汽车下的传动轴。问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0轴：Ⅰ轴：Ⅴ轴：Ⅱ轴：Ⅲ轴：Ⅳ轴：传动轴转轴心轴转轴转轴心轴如何判断轴是否传递转矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩：该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。曲轴：发动机专用零件按轴线形状分直轴又可分为实心、空心（加工困难）光轴阶梯轴钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。动力源被驱动装置接头接头钢丝软轴二、

轴设计的主要内容1.结构设计：

合理地选材及适当的热处理；考虑轴上零件的安装、定位、加工工艺因素，合理地确定轴的结构形式和尺寸。2.承载能力的计算：（轴相当于梁且工作时多数要转动）①静强度②疲劳强度③刚度④振动稳定性三、轴的材料1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应用最广。

价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。3.轴的失效形式和设计准则：失效形式强度不足发生断裂、刚度不够失稳

对一般机械：保证足够的强度，合理的结构，良好的工艺性。

对于刚度为主的轴：设计准则是刚度，即由刚度来确定主要尺寸，验算强度。设计准则注意：钢材种类热处理对钢材弹性模量E影响很小，3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？用热处理合金钢不能提高轴的刚度。2、中、低碳合金钢：强度高、寿命长，对应力集中敏感，用于重载、小尺寸的轴。第二节轴的结构设计一.概述：1.目的——使轴各部分具有合理的形状和尺寸2.轴的结构设计应考虑的因素：①便于装拆（装配工艺性）、调整。②定位准确、固定可靠（工作时轴上零件有位置要求）。③便于制造（制造工艺性），结构力求简单。④受力合理，有利于提高强度、刚度（材尽其用）。（并通过结构设计提高这些方面的性能）

影响轴的结构设计的因素较多，其结构设计具有较大的灵活性、多样性，没有一个统一的标准。安装轮毂的轴段安装轴承的轴段轴颈轴身联接轴颈和轴头的轴段轴头轴=轴头+轴身+轴颈3.轴的构成：一般设计成中间大、两端小的阶梯形状，目的是：

满足轴上零件的定位和固定区别不同精度、粗糙度、配合等便于轴上零件的装拆从承载观点中间受弯矩大

轴上零件的装配方向、顺序和相互关系，从而确定各段轴径。不同的装配方案，轴的结构形式就不同。设计时多种方案分析比较，择优。三、轴上零件的定位和固定：定位----使轴上的零件保持准确的工作位置，防止轴上零件受力时发生轴向或周向的相对运动。轴向定位周向定位二、拟定轴上零件的装配方案轴向定位的方法轴肩定位：多用于轴向力较大的场合套筒定位：多用于两个零件之间的定位。圆螺母定位：可承受大的轴向力，一般用于轴端零件的固定。（注意：防松结构）轴端挡圈：用于轴端零件的固定。其它：用于较小轴向力的场合。如：弹性挡圈、紧定螺钉、锁紧挡圈、圆锥面定位等。轴承端盖定位：一般也用于整个轴系的轴向定位方法：键、花键、销、紧定螺钉、过盈配合、成型联接等。2.周向定位：1.轴向定位轴肩与轴环套筒轴向定位圆螺母轴端挡圈

端盖弹性挡圈紧定螺钉销圆锥面平键、花键紧定螺钉销过盈配合成形联接周向固定与标件配合的轴径不能任意取。尽可能结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配和调整空间。四、轴的各段直径及各段长度的确定

1、d：由载荷→dmin→由结构设计要求确定各段的d。2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑：1）轴段长比轮毂宽小2-3mm——可靠定位。2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。注意五、轴的结构工艺性2.直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一，以减少刀具数量和换刀时间。退刀槽越程槽1.必要的工艺结构（退刀槽、越程槽）：3.不同轴段的各键槽方向应一致。4.与零件过盈配合的轴端应有导向锥面。装配段不宜过长

除了要考虑强度、定位、安装等因素外，从降低成本而言，阶梯的数量越少越好，多加工一个接阶梯，就多一次对刀，多调整更换一次量具，相应应力集中源也增多，不利于提高轴的疲劳强度。总之在保证使用的条件下，力求结构简单。5.阶梯的数量：1.合理的部置轴上零件以减小轴的载荷：

尽可能减小跨距和悬臂长度（尽可能不用悬臂支撑形式）；2.改进轴上零件的结构以减小轴上的载荷：3.减小应力集中（尤其合金钢）——圆角过度、卸载4.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度：六．提高轴的强度的措施：粗糙度表面强化处理

传动零件尽可能靠近轴承。第三节轴的计算计算准则：满足轴的强度、刚度要求，对高速轴还应验算其振动稳定性。方法：初步完成结构设计后，再进行校核计算。①对传动轴，按扭转强度计算；②对心轴，按弯曲强度计算；③对转轴，按弯扭合成强度条件计算。必要时还应按疲劳强度条件进行精确计算；④对瞬时过载很大的轴，还应校核其静强度。以免塑性变形过大。一、轴的强度校核计算该方法适用于只承受扭矩的传动轴，亦可对转轴进行近似计算。对于转轴由轴的结构而定转矩弯矩(跨距？力作用点？)解决办法：用降低来考虑的影响抗弯截面模量仅考虑的强度条件

1.按扭转强度计算(初算轴径)见P370表15-3*设计式：轴的直径，mm见P370表15-3为轴传递的功率，kW为轴的转速,r/min对于实心圆轴的强度条件为：对于空心圆轴：空心圆轴的内径注意d>100mm：开有一个键槽时，增大3%；有两个键槽时，增大7%；d

100mm：开有一个键槽时，增大5

7%；有两个键槽时，增大10

15%。2.轴上开有键槽时，应增大轴径3.该直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径dmin。亦可按经验公式来估算轴径，一般减速机中：高速轴电机直径中心距各级低速轴1.是由轴的材料和承载情况确定的系数，当弯矩相对转矩较小时，A0取较小值，弯矩较大时，A0取大值。

轴结构简图水平弯矩图转矩图当量弯矩图垂直面受力简图垂直弯矩图合成弯矩图1）已知：轴上零件的位置，支撑位置,载的大小、方向、性质。水平面受力简图2.按弯扭合成强度计算（一般轴）：2）计算步骤：

材料力学第三强度理论，同时承受和的某一截面强度条件为：对于直径d的实心轴

当量弯矩和在转轴上产生的应力性质可能不同。

产生的弯曲应力对称循环变应力产生的扭剪应力为：大小和方向不变大小经常变化大小和方向经常变化静应力脉动循环变应力对称循环变应力将转化为对称循环变化来考虑折算系数轴的应力分为三类：

转轴的强度计算校核式：危险截面最大处较大且较小处见P362表15-1按弯扭合成强度计算应用场合：注意1.对转轴：按弯扭合成只考虑了循环特性的差异，没考虑应力集中等因素的影响，只是粗略的计算，对重要轴应作精确计算。2.对心轴：转动心轴：固定心轴：考虑启动、停车等的影响，弯矩视脉动循环弯矩视对称循环受弯曲、扭剪应力复合作用的强度条件:计算安全系数受弯矩的安全系数受扭矩的安全系数许用安全系数P374目的：确定变应力情况下轴的安