山轻院机械设计基础课件14轴

§14.1概述§14.2轴的结构设计§14.3轴的强度计算§14.4轴的刚度计算§14.5轴的临界转速第14章轴支承旋转零件、传递转矩和运动。1.轴的功用

§14-1轴的功用和类型2.轴的分类按承受载荷不同，可分为：

转轴、心轴、传动轴按轴线形状的不同，可分为：直轴、曲轴、挠性钢丝轴直轴按外形的不同，可分为：

光轴、阶梯轴转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。工作时既承受弯矩又承受转矩。例：减速器中的轴心轴：用来支承转动零件，

只承受弯矩而不传递转矩。例：自行车的前轮轴传动轴:主要用于传递转矩而不承受弯矩，

或所承受的弯矩很小的轴。例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴阶梯轴光轴

轴的材料主要是碳素钢和合金钢。轴的常用材料及其部分机械性能（见下页）

§14-2轴的材料

§14-2轴的材料

§14-3轴的结构设计2.轴和轴上零件准确定位，各零件牢固可靠地相对固定。1.轴应便于加工，轴上零件应便于装拆。3.轴的受力合理，尽量减少应力集中。对轴的结构进行设计主要是:确定轴的结构形状和尺寸设计要求：轴颈轴头轴身1.制造安装要求阶梯轴——便于拆装轴端和个轴段端部有倒角——易于安装1.制造安装要求磨削轴段有越程槽车制螺纹轴段有退刀槽2.轴上零件的轴向定位（1）轴肩（截面变化处）、套筒、轴承端盖轴颈轴头轴身——轴肩定位轴向固定特点：结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位r轴<R孔或r轴<C孔！

错误

正确轴肩高度<滚动轴承内圈高度！正确错误

特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降

应用：常用于轴的中部和端部（2）圆螺母2.轴上零件的轴向定位特点：结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力，切槽需要一定的精度应用：常用于固定滚动轴承等的轴向定位（3）弹性挡圈2.轴上零件的轴向定位用于轴端定位可承受剧烈振动和冲击适用于轴向力小，转速低的场合（4）轴端挡圈（压板）、紧定螺钉2.轴上零件的轴向定位3.轴上零件的周向定位——键、花键4.改善轴受力状况，减小应力集中

改变轴上零件的布置，改善轴的受力状况。

最大转矩:(a)<(b)(a)(b)大齿轮和卷筒连成一体，转矩经大齿轮直接传给卷筒，卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。轮毂配合面分成两段,减小弯矩、改善配合

合理设计轴上零件结构

减小应力集中

轴系结构改错四处错误正确答案三处错误正确答案三处错误1.左侧键太长，套筒无法装入2、轮毂键槽是通槽3.多个键应位于同一母线上——扭转强度计算(传动轴）

4.轴的强度计算对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为：MTp

求出的直径值，需圆整成标准直径，并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽，可将值增大3%—5%，如有两个键槽可增大7%—10%。估算直径：

§14-3轴的强度计算——弯扭合成强度计算（转轴）

16.1轴4.轴的强度计算转轴同时承受扭矩和弯矩，必须按二者组合强度进行计算。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点上。具体的计算步骤如下：1）画出轴的空间力系图；（分解为水平面分力和垂直面分力）2）计算水平面和垂直面上的弯矩并作出弯矩图；3）计算合成弯矩M并作出弯矩图；4）计算转矩MT并作出转矩图；5）计算当量弯矩M，绘出当量弯矩图。6）根据当量弯矩图找出危险截面，进行轴的强度校核。——弯扭合成强度计算（转轴）

16.1轴4.轴的强度计算]

轴的许用弯曲应力可查表。轴的材料和工作环境不同，其值也不同。请参考P253表16-1-5。5.轴的常用材料及热处理16.1轴轴的常用材料是碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的优质碳素钢，尤其是45号钢。对于不重要或受力较小的轴也可用Q235、Q275等碳素结构钢。合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。16.1轴6.轴的设计

开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算。然后进行轴的结构设计后，再按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。16.1轴6.轴的设计设计轴的一般步骤为：

1）选材;

2）按扭转强度估算轴的最小直径;

3）设计轴的结构，绘出轴的结构草图;4）按弯扭合成进行轴的强度校核。

确定轴上零件的位置和固定方法；确定各轴段直径、长度。一般按一般选2—3个危险截面进行校核。若危险截面强度不够，则必须重新修改轴的结构。16.2轴的结构设计要求：受载合理轴上零部件定位及拆装良好工艺性减小应力集中1.受载合理(1)减小轴上扭矩。改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。

(2)减小轴上弯矩。(3)减小轴上载荷a)T由卷筒传递，轴仅受M(心轴)b)T由轴传递，轴受M、T(转轴)16.2轴的结构设计

卷筒的轮毂结构MmaxMmax

改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。

16.2轴的结构设计2.轴在轴上零件定位、固定可靠、装拆方便见16.2.33.良好的工艺性（1）退刀槽需磨削处需车螺纹处(2）倒角易对中安装（紧配合处），安全倒角、圆角一致。(3)键槽：在同一母线上16.2轴的结构设计(4)非定位轴肩的设置：便于紧配合处的安装4.尽量避免应力集中(1)减小不必要的尺寸变化和减小尺寸变化的幅度；(2)采用大过渡圆角；(3)紧配合处采用卸载槽；(4)减少表面粗糙度；(5)采用輾压、喷丸工艺。16.2.3零件在轴上的固定轴上零件常以其毂和轴联接在一起。轴和毂的固定可分为轴向固定和周向固定两类。16.2轴的结构设计1.轴上零件的轴向固定轴上零件轴向固定的方法由：轴肩（或挡环）、弹性挡圈、套筒、锁紧挡圈（加紧定螺钉）、锥形轴头、紧定螺钉、圆螺母、紧配合、轴端挡圈。加P311图16.3扫描图轴肩由定位面和内圆角组成DhCrdbDhrRd轴肩处16.2轴的结构设计16.2轴的结构设计2.轴上零件的周向固定常用的周向固定方法有键、花键、成形、弹性环、销和过盈配合等联接。

16.3

轴的强度计算轴的强度计算主要由三种方法（据轴受载及对安全要求）设计思路：（1）按许用切应力计算（2）许用弯曲应力计算；（3）安全系数校核计算。16.3.1按许用切应力计算1.应用（仅与T有关）(1)传动轴计算（主要T）(2)需初步结构化的转轴（只知T）(3)不重要转轴的计算（将M影响折算进行内）16.3

轴的强度计算2.算式强度条件：(16.1)设计式：(16.2)式中：16.3

轴的强度计算16.3.2按许用弯曲应力计算（弯扭组合计算）1.应用(1)（初步结构化）已知跨度的转轴（支点确定）(2)一般为重要的转轴2.算式弯曲应力一般计算顺序如下：(1)画空间受力简图；(2)作水平、垂直平面受力图；(3)作；作；(4)作合成；由第三强度理论M、T载荷性质相同：(5)作T图；M、T载荷性质不同时：将修正成与性质相同的应力（引入）16.3

轴的强度计算16.3

轴的强度计算(16.3)(8)设计式(16.4)对于不变T：对于脉动循环的T：对于对称循环的T：式中－应力修正系数；(6)作当量；(7)；16.3

轴的强度计算3.计算步骤（1）作空间受力简图（图a）；（2）作垂直平面（V面）受力图，计算支反力（图b）；（3）作(a)(b)(c)16.3

轴的强度计算（4）作水平平面（H面）受力图，计算支反力（图d）（5）作(d)(e)16.3

轴的强度计算（6）作合成弯曲图M（图f）逐点合成（7）作T图（图g）（8）作当量弯矩图(图h)

逐点合成(f)(g)(h)16.3

轴的强度计算（9）计算d作等强度轴（10）进一步结构化（尺寸细化，加工、配合得知）16.3.3安全系数校核计算1.应用：(1)结构细化的重要轴（改善薄弱环节）(2)只限危险截面处2.算式(1)疲劳强度安全系数的校核计算（防疲劳破坏）确定危险截面16.3

轴的强度计算弯曲作用下的安全系数扭转作用下的安全系数(16.5)式中：16.3

轴的强度计算16.3

轴的强度计算(16.6)(2)静强度安全系数校核计算（防止尖峰载荷出现时轴塑性变形）