軸的功用和類型 教案

1、教 案授課時(shí)間年 月 日 星期 第 節(jié)授課內(nèi)容概要§14-1 軸的功用和類型§14-2軸的材料§14-4軸的強(qiáng)度計(jì)算目的要求1掌握軸的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法； 2掌握軸的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算；重點(diǎn)掌握軸的強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；難點(diǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作業(yè)布置14-1、14-2、14-9本章（節(jié)）參考書教學(xué)方法多媒體和演示柜教學(xué)主要教具備注授 課 過 程 及 內(nèi) 容備 注§14-1 軸的功用和類型軸是組成機(jī)器的重要零件之一，各種作回轉(zhuǎn)（或擺動(dòng)）運(yùn)動(dòng)的零件（如齒輪、帶輪等）都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的傳遞。因此，軸的主要功用是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。軸有不同的分類

2、方法，也有不同類型的軸。常用的分類方法有兩類： 1）根據(jù)軸線的形狀不同分類；2）根據(jù)承受載荷不同分類。1、直軸直軸按外形可以分為光軸和階梯軸，如圖所示。階梯軸便于軸上零件的拆裝和定位。圖144圖142圖143軸一般做成實(shí)心的，但為了減輕重量或滿足某種功能，則可以做成空心軸。所以按軸的結(jié)構(gòu)可以分為實(shí)心軸和空心軸，如圖所示。2、曲軸圖145常用于往復(fù)式機(jī)械中，例如內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)等?？梢詫?shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。3、鋼絲軟軸（撓性軸）它不受任何空間的限制，可以將扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地傳到任何所需的位置，常用于醫(yī)療設(shè)備、操縱機(jī)構(gòu)、儀表等機(jī)械中。圖141圖1461、轉(zhuǎn)軸同時(shí)承受扭矩和彎曲載荷的作用

3、，例如齒輪減速器中的軸，如圖所示。2、心軸圖147心軸只需承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)距，例如鐵路車輛的軸、自行車的前軸等。按軸旋轉(zhuǎn)與否分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸和固定心軸兩種，如圖所示。3、傳動(dòng)軸只承受扭矩而不承受彎矩或承受彎矩較小的軸。例如圖所示的汽車傳動(dòng)軸。圖148§14-2軸的材料由于軸工作時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力多為變應(yīng)力，所以軸的失效多為疲勞損壞，因此軸的材料應(yīng)具有足夠的疲勞強(qiáng)度、較小的應(yīng)力集中敏感性和良好的加工性能等。軸的主要材料是碳鋼和合金鋼。碳鋼：價(jià)格低廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，可以利用熱處理提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。常用的有35、40、45、50鋼，其中以45鋼使用最廣。對(duì)于受力較小的或不太重要的

4、軸，可以使用Q235、Q275等普通碳素鋼。合金鋼：對(duì)于要求強(qiáng)度較高、尺寸較小或有其它特殊要求的軸，可以采用合金鋼材料。耐磨性要求較高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼；要求較高的軸可以使用40Cr（或用35SiMn、40MnB代替）、40CrNi(或用38SiMnMo代替)等進(jìn)行熱處理。合金鋼比碳素鋼機(jī)械強(qiáng)度高，熱處理性能好。但對(duì)應(yīng)力集中敏感性高，價(jià)格也較高。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意從結(jié)構(gòu)上避免和降低應(yīng)力集中，提高表面質(zhì)量等。對(duì)于形狀復(fù)雜的軸，如曲軸、凸輪軸等，也采用球墨鑄鐵或高強(qiáng)度鑄造材料來進(jìn)行鑄造加工，易于得到所需形狀，而且具有較好的吸振性能和好的耐磨性，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性也較低。

5、同時(shí)應(yīng)該知道，在一般工作溫度下，各種碳鋼和合金鋼的彈性模量相差不大，故在選擇鋼的種類和熱處理方法時(shí)，所依據(jù)的主要是強(qiáng)度和耐磨性，而不是軸的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等。軸的常用材料見教材。§14-3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸上與軸承配合的部分稱為軸頸。與傳動(dòng)零件（帶輪、齒輪、聯(lián)軸器等）配額和的部分稱為軸頭，聯(lián)接軸頸與軸頭的非配合部分通稱為軸身。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，主要要求有：1）軸上零件的定位、固定；2）軸上零件的拆裝、調(diào)整；3）軸的制造工藝性；4）軸上零件的結(jié)構(gòu)和位置的安排。軸的結(jié)構(gòu)沒有標(biāo)準(zhǔn)形式，在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)不同的情況進(jìn)行具體分析。要合理考慮機(jī)器的總體布局

6、，軸上零件的類型及其定位方式，軸上載荷的大小、性質(zhì)、方向和分布情況等，同時(shí)要考慮軸的加工和裝配工藝等，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸?？傮w來說，軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足：軸和裝配在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上零件應(yīng)便于拆裝和調(diào)整；軸應(yīng)該具有良好的制造工藝性等。下面我們就來討論軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要問題。一、擬訂軸上零件的裝配方案在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)按傳動(dòng)簡(jiǎn)圖上所給出的各主要零件的相互位置關(guān)系擬訂軸上零件的裝配方案。軸上零件的裝配方案不同，軸的結(jié)構(gòu)形狀也不同。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，往往擬訂幾種不同的裝配方案進(jìn)行比較，從中選出一種最佳方案。圖149如圖所示為一單級(jí)圓柱齒輪內(nèi)減速器簡(jiǎn)圖。其輸出軸上裝有

7、齒輪、聯(lián)軸器和滾動(dòng)軸承?？梢圆捎萌缦碌难b配方案：將齒輪、左端軸承和聯(lián)軸器從軸的左端裝配，右端軸承從軸的右端裝配。在考慮了軸的加工及軸和軸上零件的定位、裝配與調(diào)整要求后，確定軸的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。二、軸上零件的軸向定位軸上零件的定位和固定是兩個(gè)不同的概念。定位是針對(duì)裝配而言的，為了保證準(zhǔn)確的安裝位置；固定是針對(duì)工作而言的，為了使運(yùn)轉(zhuǎn)中保持原位不變。但二者之間又有聯(lián)系，通常作為結(jié)構(gòu)措施，既起固定作用尤其定位作用。圖1212為了傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，保證機(jī)械的工作精度和使用可靠，零件必須可靠地安裝在軸上，不允許零件沿軸向發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，軸上零件都必須有可靠的軸向定位措施。軸上零件的軸向定位方法取決于零

8、件所承受的軸向載荷大小。三、軸上零件的周向定位軸上零件的周向定位方法主要有鍵（平鍵、半圓鍵、楔鍵等）、花鍵、型面、過盈等等圖1219工作條件不同，對(duì)零件在軸上的定位方式和配合性質(zhì)也不相同，而軸上零件的定位方法又直接影響到軸的結(jié)構(gòu)形狀。因此，在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮軸上載荷的大小及性質(zhì)、軸的轉(zhuǎn)速、軸上零件的類型及其使用要求等，合理作出定位選擇。1）平鍵聯(lián)接制造簡(jiǎn)單、裝拆方便。用于傳遞轉(zhuǎn)矩較大，對(duì)中性要求一般的場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。2）花鍵聯(lián)接承載能力高，定心好、導(dǎo)向性好，但制造較困難，成本較高。圖1410適用于傳遞轉(zhuǎn)矩較大，對(duì)中性要求較高或零件在軸上移動(dòng)時(shí)要求導(dǎo)向性良好的場(chǎng)合。3）過盈配

9、合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定心好、承載能力高和在振動(dòng)下能可靠的工作。但裝配困難，且對(duì)配合尺寸的精度要求較高。圖1411常與平鍵聯(lián)合使用，以承受大的交變、振動(dòng)和沖擊載荷。4）銷聯(lián)接用于固定不太重要、受力不大，但同時(shí)需要周向或軸向固定的零件。四、確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度軸上零件的裝配方案和定位方法確定之后，軸的基本形狀就確定下來了。軸的直徑大小應(yīng)該根據(jù)軸所承受的載荷來確定。但是，初步確定軸的直徑時(shí)，往往不知道支反力的作用點(diǎn)，不能決定彎矩的大小和分布情況。因而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常是按扭矩強(qiáng)度條件來初步估算軸的直徑，并將這一估算值作為軸受扭段的最小直徑（也可以憑經(jīng)驗(yàn)和參考同類機(jī)械用類比的方法確定）。軸的直徑確定后，可

10、按軸上零件的裝配方案和定位要求，逐步確定各軸段的直徑，并根據(jù)軸上零件的軸向尺寸、各零件的相互位置關(guān)系以及零件裝配所需的裝配和調(diào)整空間，確定軸的各段長(zhǎng)度。具體工作時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問題：1）軸上與零件向配合的直徑應(yīng)取成標(biāo)準(zhǔn)值，非配合軸段允許為非標(biāo)準(zhǔn)值，但最好取為整數(shù)。2）與滾動(dòng)軸承相配合的直徑，必須符合滾動(dòng)軸承的內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)。3）安裝聯(lián)軸器的軸徑應(yīng)與聯(lián)軸器的孔徑范圍相適應(yīng)。4）軸上的螺紋直徑應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。5）軸上與零件相配合部分的軸段長(zhǎng)度，應(yīng)比輪轂長(zhǎng)度略短23mm，以保證零件軸向定位可靠。6）若在軸上裝又滑移的零件，應(yīng)該考慮零件的滑移距離。7）軸上各零件之間應(yīng)該留有適當(dāng)?shù)拈g隙，以防止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相碰。五、

11、軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸的形狀，從滿足強(qiáng)度和節(jié)省材料考慮，最好是等強(qiáng)度的拋物線回轉(zhuǎn)體。但是這種形狀的軸既不便于加工，也不便于軸上零件的固定；從加工考慮，最好是直徑不變的光軸，但光軸不利于零件的拆裝和定位。由于階梯軸接近于等強(qiáng)度，而且便于加工和軸上零件的定位和拆裝，所以實(shí)際上的軸多為階梯形。為了能選用合適的圓鋼和減少切削用量，階梯軸各軸段的直徑不宜相差過大，一般取為510MM。圖1412圖1223為了便于切削加工，一根軸上的圓角應(yīng)盡可能取相同的半徑，退刀槽取相同的寬度，倒角尺寸相同；一根軸上各鍵槽應(yīng)開在同一母線上，若揩油鍵槽的軸段直徑相差不大時(shí)，應(yīng)盡可能采用相同寬度的鍵槽（如圖），以減少換刀次數(shù)。需要磨

12、削的軸段，應(yīng)該留有砂輪越程槽，以便磨削時(shí)砂輪可以磨削到軸肩的端部；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽，以保證螺紋牙均能達(dá)到與其期的高度（如圖）。為了便于加工和檢驗(yàn)，軸的直徑應(yīng)取為圓整值；與滾動(dòng)軸承相配合的軸頸直徑應(yīng)符合滾動(dòng)軸承內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)；有螺紋的軸段直徑應(yīng)符合螺紋標(biāo)準(zhǔn)直徑。為了便于裝配，軸端應(yīng)加工出倒角（一般為45º），以免裝配時(shí)把軸上零件的孔壁擦傷（如圖）；過盈配合零件的裝入端應(yīng)加工出導(dǎo)向錐面（如圖），以便零件能順利地壓入。制造工藝性往往是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一個(gè)重要方面，為了便于制造、降低成本，一根軸上的具體結(jié)構(gòu)都必須認(rèn)真考慮。如圖所示軸結(jié)構(gòu)：1）螺紋段留有退刀槽（圖a中的），磨削段要留越

13、程槽（圖b中的）;同一軸上的圓角、倒角應(yīng)盡可量相同；同一軸上的幾個(gè)鍵槽應(yīng)開在同一母線上（圖b中的）；螺紋前導(dǎo)段（圖a中的）直徑應(yīng)該小于螺紋小徑；軸上零件（如齒輪、帶輪、聯(lián)軸器）的輪轂寬度大于與其配合的軸段長(zhǎng)度；軸上各段的精度和表面粗糙度不同。六、提高軸疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施軸的基本形狀確定之后，換需要按照工藝的要求，對(duì)軸的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而提高軸的加工和裝配工藝性，改善軸的疲勞強(qiáng)度。1、減小應(yīng)力集中軸上的應(yīng)力集中會(huì)嚴(yán)重削弱軸的疲勞強(qiáng)度，因此軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免和減小應(yīng)力集中。為了減小應(yīng)力集中，應(yīng)該在軸剖面發(fā)生突變的地方制成適當(dāng)?shù)倪^渡圓角；由于軸肩定位面要與零件接觸，加大圓角半徑經(jīng)常受到限制，這時(shí)可以采用凹切圓角或肩環(huán)結(jié)構(gòu)等。常見的減小應(yīng)力集中的方法如表所示。2、改善軸的表面質(zhì)量表面粗糙度對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度也有顯著的影響。實(shí)踐表明，疲勞裂紋常發(fā)生在表面粗糙的部位。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)十