机械设计 课件 第10章 轴

第10章轴本章提要轴的类型、失效形式及设计准则，轴的结构设计，轴的强度和刚度计算重点：轴的结构设计和强度计算目录10.1概述10.2轴的材料10.3轴的结构设计10.4轴的强度计算10.5轴的刚度计算10.6轴的共振和临界转速的概念10.1概述10.1.1轴的用途与分类按外形分按载荷分直轴曲轴转轴软轴传动轴心轴光轴阶梯轴空心轴固定心轴转动心轴10.1概述10.1.1轴的用途与分类光轴形状简单，容易加工，应力集中源少轴上零件的装配和定位不易实现主要用作传动轴，如机床主轴10.1概述10.1.1轴的用途与分类阶梯轴加工复杂，应力集中源较多轴上零件的装配和定位易实现主要用作转轴，如减速器中的轴10.1概述10.1.1轴的用途与分类曲轴专有零件用于往复式机构中主要用于各类发动机10.1概述10.1.1轴的用途与分类软轴实现将回转运动灵活地传动到设定位置主要用于承受连续振动的场合，具缓和冲击作用电钻通用软轴船挂机专用软轴10.1概述10.1.1轴的用途与分类转轴既传递转矩又承受弯矩作用的轴应用最广泛，减速器和变速箱中的轴例图受载情况10.1概述10.1.1轴的用途与分类传动轴只传递转矩而不承受弯矩或承受很小弯矩的轴车辆前后桥间传动的轴例图受载情况10.1概述10.1.1轴的用途与分类心轴只承受弯矩而不传递转矩的轴

转动心轴—机车轮轴10.1概述10.1.1轴的用途与分类心轴只承受弯矩而不传递转矩的轴

固定心轴—自行车前轮轴10.1.2轴的失效形式及设计准则疲劳断裂过大变形(高速)共振主要失效形式设计准则疲劳强度校核、静强度校核刚度计算振动稳定性计算10.1概述1.轴的材料选择2.轴径的初步计算3.轴的结构设计4.轴的强度校核5.轴的刚度计算轴设计步骤6.轴的振动稳定性计算10.1概述对轴材料的要求(1)具有足够的强度、足够的塑性、冲击韧性、抗磨损性和抗腐蚀性(2)对应力集中的敏感性小(3)具有良好的工艺性(4)能通过各种热处理方式,提高轴的疲劳强度10.2轴的材料轴材料的选择轴的工作条件及制造工艺等因素

主要采用碳素钢和合金钢碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，应用广泛形状复杂的轴可采用球墨铸铁10.2轴的材料10.3轴的结构设计影响因素1)轴的安装位置及形式

2)轴上零件的布置和固定形式

3)轴的受力情况

4)轴承的类型和尺寸

5)轴的加工和装配工艺的技术要求合理确定轴各部分几何形状和尺寸原则 1)轴上零件易于安装、调整、拆卸

2)轴的受力合理、应力集中小

3)轴上零件定位准确

4)轴应便于加工，加工工艺性好10.3轴的结构设计合理确定轴各部分几何形状和尺寸10.3轴的结构设计合理确定轴各部分几何形状和尺寸单级圆柱齿轮减速器的低速轴10.3轴的结构设计合理确定轴各部分几何形状和尺寸光轴10.3.1制造安装要求1轴的形状阶梯轴光轴

等强度易于加工10.3轴的结构设计2轴的装配工艺性过盈连接轴端上的导引锥10.3.1制造安装要求10.3轴的结构设计滚动轴承的拆卸10.3.2改善轴的受力情况1轴上零件的布置10.3轴的结构设计10.3.2改善轴的受力情况1轴上零件的布置10.3轴的结构设计2减小轴的应力集中阶梯轴相邻轴段直径相差不易过大10.3.2改善轴的受力情况10.3轴的结构设计应力集中出现处

轴肩过渡剖面、轮毂与轴配合面、开有键槽，有小孔剖面轴肩过渡圆角应大2减小轴的应力集中10.3.2改善轴的受力情况10.3轴的结构设计在轴上或轮毂上开减载槽2减小轴的应力集中10.3.2改善轴的受力情况10.3轴的结构设计肩环凹切圆角退刀槽盘铣刀开键槽2减小轴的应力集中10.3.2改善轴的受力情况10.3轴的结构设计尽量避免开横孔，若不可避免，应将孔端倒角，提高表面粗糙度等级避免在轴上打印1轴上零件的轴向定位与固定方法1)轴肩10.3.3轴上零件的定位和固定10.3轴的结构设计2)轴环3)轴套1轴上零件的轴向定位与固定方法4)螺钉锁紧挡圈10.3.3轴上零件的定位和固定10.3轴的结构设计5)弹性挡圈1轴上零件的轴向定位与固定方法6)轴端挡圈10.3.3轴上零件的定位和固定10.3轴的结构设计7)圆螺母1轴上零件的轴向定位与固定方法8)紧定螺钉10.3.3轴上零件的定位和固定10.3轴的结构设计9)圆锥形轴端+轴端挡板1)键连接2)花键连接2轴上零件的周向定位与固定方法10.3.3轴上零件的定位和固定10.3轴的结构设计3)销连接4)过盈配合键连接5)成型连接2轴上零件的周向定位与固定方法10.3.3轴上零件的定位和固定10.3轴的结构设计6)胀紧连接1轴的形状力求简单2轴上的键槽最好布置在同一直线上3轴上过渡圆角半径尽可能取相同数值4与零件配合的轴段直径应取标准值5退刀槽越程槽10.3.4轴的加工工艺性10.3轴的结构设计已知：作用在轴上的转矩T适用：1.传动轴的设计2.粗(初)估轴径3.不重要轴的设计10.4轴的强度计算10.4.1按扭转强度条件计算强度计算要同时考虑弯曲和扭转对轴的影响。但轴的结构未定前，无法求出弯矩，所以，轴的强度计算分为两步。τT——轴的扭转应力，N/mm2，

T——轴传递的扭矩，N.mmWT——轴的抗扭截面模量，mm3；P——轴传递的功率，kW；

n——轴的转速，r/min；[τT]——许用扭转应力，N/mm2；10.4轴的强度计算10.4.1按扭转强度条件计算轴的最小直径：A——由轴材料及承载情况确定的系数，A=110~160；材质好、弯矩较小、无冲击和过载时取小值；反之取大值。当轴上有键槽时，应适当增大轴径：单键增大3%-5%，双键增大7%-10%。实心圆轴：空心圆轴：10.4轴的强度计算10.4.1按扭转强度条件计算已知：各段轴径，轴所受各力、轴承跨距计算：轴的强度步骤：可先画出轴的弯扭合成图，然后计算危险截面的最大弯曲应力。10.4.2按弯扭合成强度计算主要用于计算一般重要，受弯扭复合的轴。计算精度中等。10.4轴的强度计算第三强度理论10.4.2按弯扭合成强度计算10.4轴的强度计算弯曲应力对称循环弯曲应力与扭转切应力的循环特征不同所以引入的应力校正系数α扭转应力不变化的转矩脉动变化转矩频繁正反变化转矩[σ]-1对称循环许用应力[σ]0脉动循环应力轴的许用应力[σ]+1静应力状态下轴的许用应力10.4.2按弯扭合成强度计算10.4轴的强度计算计算弯矩或校核轴径10.4.2按弯扭合成强度计算10.4轴的强度计算已知：各段轴径、轴所受各力、轴承跨距、过渡圆角、表面粗糙度、轴毂配合计算：轴的强度用于重要的轴，计算精度高且复杂10.4.3按疲劳强度计算安全系数10.4轴的强度计算轴的疲劳强度许用安全系数[S]＝1.3-1.5，用于材料均匀[S]=1.5-1.8，用于材料不够均匀[S]=1.8-2.5，用于材料均匀性及计算精确度很低，或轴径d>200mm10.4.3按疲劳强度计算安全系数10.4轴的强度计算措施：1.增大尺寸2.改变材料3.从结构上采取措施减小应力集中4.降低表面粗糙度5.采用表面强化，如辗压、喷丸、碳氮共渗、渗氮、渗碳、表面淬火等10.4.3按疲劳强度计算安全系数10.4轴的强度计算[S0]=1.2~1.4，用于高塑性材料；[S0]=

1.4~1.8，用于中等塑性材料[S0]=

1.8~2，用于低塑性材料的轴[S0]=

2~3，用于铸造轴.10.4.4按静强度计算安全系数10.4轴的强度计算10.5