機械設計第16章

第16章軸

軸—組成機器的一個重要零件，用于支承旋轉的機械零件。 本章介紹軸的分類、材料和軸的有關設計問題（理論計算和結構設計）。16.1概述

一、軸的分類按軸的形狀分類直軸按載荷性質分類按外形分類

光軸

階梯軸曲軸鋼絲軟軸特殊用途的軸：凸輪軸轉軸心軸傳動軸轉軸工作時既受彎矩又受扭矩心軸轉動心軸心軸：工作時只承受彎矩而不承受扭矩火車車廂的支承軸是轉動心軸固定心軸—自行車前軸傳動軸傳動軸則主要承受扭矩。不受彎矩或彎矩很小。汽車的傳動軸二、設計軸的主要問題軸的設計： 根據工作要求并考慮制造工藝等因素，選用合適的材料，按結構設計要求，經強度和剛度計算，定出軸的結構尺寸和形狀，高速軸還需進行振動穩(wěn)定性計算。二、設計軸的主要問題軸的設計步驟：

1.選擇軸的材料

2.初定軸徑

3.軸的結構設計

4.軸的強度、剛度等校核軸的設計準則： 足夠的強度（剛度） 合理的結構 良好的工藝性三、軸的材料及選擇選擇材料時要考慮的因素：軸的強度、剛度和耐磨性軸的熱處理方式及機加工工藝性的要求軸的材料來源軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，鋼軸的毛坯多數用軋制圓鋼和鍛鋼。三、軸的材料及選擇1.碳素鋼（價格低）45

一般用途的軸，一般經正火或調質處理Q235（A3)

不重要或受力較小的軸2.合金鋼（有較高的機械性能和良好的熱處理性能）40Cr

較重要或受力大的軸，調質處理20Cr

較重要或受力大的軸，滲碳+淬火處理38CrMoAl重要的軸，調質+氮化處理3.球墨鑄鐵（成型軸，成本低、可靠性差）16.2軸的結構設計軸的結構設計： 根據軸上零件定位和固定的要求，以及加工和裝配的具體情況，合理地定出軸的各部分形狀和全部尺寸的過程。這是在設計軸時很重要的內容。由于影響軸的結構的因素較多，且其結構形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結構形式。軸的結構設計準則（要求）：1.有利于提高軸的強度、剛度（減小軸上的負荷和應力集中）。2.保證軸上各零件定位準確、固定可靠。3.便于加工和裝拆（具有良好的工藝性）。本節(jié)內容1.軸上零件的合理布置2.軸的結構形狀3.合理選擇軸上零件定位和固定方式4.軸的結構工藝性和改善軸的疲勞強度軸的結構1.軸上零件的合理布置使轉矩分配合理圖（a）Tmax=T1+T2,圖（b）Tmax=T1（T1>T2）1.軸上零件的合理布置改善軸上的彎矩分布圖（a）Mmax=FL/4圖（b）Mmax=FL/81.軸上零件的合理布置改變應力狀態(tài)圖（a）軸同時受彎矩和轉矩圖（b）軸只受彎矩卷筒軸受彎矩和轉矩作用卷筒軸只受彎矩作用1.軸上零件的合理布置2.軸的結構形狀光軸便于加工，拋物形回轉體軸等強度階梯軸（便于軸上零件的裝拆和加工）配合軸段直徑取標準值與滾動軸承配合軸徑，應符合軸承內徑標準軸上螺紋直徑，應符合螺紋標準（大徑、螺距）軸上各段長度，取決于軸上零件的寬度一般L=(1.5~2)d d—軸徑3.合理選擇軸上零件定位和固定方式軸上零件應有確定的位置，零件必須牢靠地安裝在軸上，不允許零件沿軸向或圓周方向滑動。定位和固定方式分為：軸向和周向（切向）零件在軸向定位和固定軸肩、軸環(huán)：結構簡單、定位可靠、可承受較大的軸向力、應用廣泛（齒輪、軸承等軸向固定）；但會增加軸的直徑。軸承的拆卸軸肩高度不能超過軸承內圈，套筒的高度不能超過軸承內圈。零件在軸向定位和固定套筒： 簡單、可靠，可承受較大的軸向力，簡化軸的結構，用于軸中部、2個零件距離較小的場合。零件在軸向定位和固定軸端擋圈：用于軸端零件固定，可承受較大的軸向力。零件在軸向定位和固定軸端擋圈與錐面雙圓螺母和軸肩圓螺母與止推墊圈：定位可靠、拆卸方便、可承受較大的軸向力，用于零件間距離較大的場合。零件在軸向定位和固定零件在軸向定位和固定零件在軸向定位和固定彈性擋圈：結構簡單、緊湊，只能承受較小的軸向力，常用于固定滾動軸承。零件在軸向定位和固定鎖緊擋圈緊定螺釘和鎖緊擋圈：結構簡單，用于軸向力較小的零件固定，也可用于周向固定。軸上零件的周向固定鍵聯接花鍵聯接成形聯接過盈聯接銷聯接彈性環(huán)聯接4.軸的工藝性和改善疲勞強度圓角減載槽1）減少軸的應力集中（截面變化處應采用圓角）4.軸的工藝性和改善疲勞強度凹切圓角中間環(huán)1）減少軸的應力集中4.軸的工藝性和改善疲勞強度2）改善軸的表面品質，提高軸的疲勞強度Ra1.6μm→0.2μm強度提高5%Ra1.6μm→12.5μm強度降低10%常采用：噴丸、滲碳、氮化和高頻淬火；重要的軸要進行探傷，防止內部裂紋。4.軸的工藝性和改善疲勞強度3）軸的結構工藝性為了便于導向和避免擦傷配合表面，軸的端部應制成倒角或引導錐。4.軸的工藝性和改善疲勞強度3）軸的結構工藝性軸磨削加工和車螺紋時，應有砂輪越程槽、螺尾的退刀槽。軸上的鍵槽一般布置在同一條母線上。同一軸上的過渡圓角半徑、鍵槽、越程槽、退刀槽的尺寸應盡量相同。軸的結構設計

軸系結構改錯四處錯誤正確答案（1）左端光軸直徑與螺紋外徑一樣大，螺母無法旋入（2）螺紋無退刀槽（3）安裝軸承的軸段長與軸承寬度一樣，無法保證軸承的軸向固定（4）右軸肩高度＝滾動軸承內圈高度軸系結構改錯四處錯誤正確答案（4）多個鍵應位于同一母線上（1）套筒無法裝入（3）鍵與輪轂槽底無間隙（2）鍵無法裝入軸的結構設計

三處錯誤（1）左側鍵太長，套筒無法裝入（2）鍵與輪轂槽底無間隙（3）多個鍵應位于同一母線上軸的結構設計

軸的設計強度條件剛度條件臨界轉速的概念16.3軸的強度計算按許用切應力計算（扭轉強度）按許用彎曲應力計算（彎扭合成強度）安全系數校核計算（疲勞強度的安全系數計算）靜強度校核（靜強度的安全系數計算）一、按許用切應力計算（扭轉強度）用于既受彎矩又受扭矩的軸的近似計算。（降低扭轉許用應力來考慮彎矩）可用于傳動軸的精確計算計算出的d一般做軸受載荷部分最細處的直徑。[τT]和C見表16.2，已考慮了彎矩的影響。當彎矩相對于轉矩較小時，[τT]取大值，C取小值。軸截面有一個鍵槽時，d增大3%，兩個鍵槽時，d增大7%.二、按許用彎曲應力計算（彎扭合成強度）適用于同時承受彎矩和轉矩的軸。計算步驟：根據結構設計所確定的軸的幾何結構和軸上零件的位置，畫出軸的受力簡圖；繪制彎矩圖、扭矩圖；按第三強度理論進行軸的彎扭合成強度的校核。齒輪減速器設計草圖第三強度理論：考慮到彎矩M作用下產生的正應力與轉矩產生的扭轉應力的性質不同，引入修正系數3.安全系數校核計算（疲勞強度的安全系數計算）4.靜強度的安全系數計算靜強度校核的目的在于校核軸對塑性變形的抵抗能力。軸上的尖峰載荷即使作用時間很短和出現次數很少，不足以引起疲勞破壞，但卻能使軸產生塑性變形。——由于尖峰載荷所產生的彎曲應力和切應力；——材料的彎曲和剪切屈服極限。軸的設計過程選材，估算出軸徑，再進行軸的結構草圖設計，然后進行軸的強度校核計算。在此基礎上，再對軸的結構進行修改，并“細化”各部分尺寸．對軸進行安全系數的校核時，軸的過渡圓角、鍵槽等尺寸，軸的表面狀態(tài)和熱處理等必須先行確定。軸的強度計算和結構設計要交替進行，邊畫圖，邊計算，逐步完善。軸的設計實例已知：作用在齒輪上的圓周力Ft=17400N，徑向力Fr=6410N，軸向力Fa=2860N，齒輪分度圓直徑d2=146mm，作用在軸右端帶輪上的外力F=4500N（方向未定），L=193mm，K=206mm。解：1、求支承反力（1）在垂直面內：（2）在水平面內（3）F力在支點產生的反力2、繪制彎矩圖（1）垂直面內的彎矩圖（2）水平面內的彎矩圖（3）F力產生的彎矩圖3、