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1、第14章 轴,轴是组成机器的重要零件之一，轴的主要功用是支承旋转零件、传递转矩和运动。一、轴的分类（转轴、心轴、传动轴）1.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（固定心轴）、铁路机车轮轴（旋转心轴）。,14-1 轴的功用和类型,2.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。,3.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。,根据轴线的形状的不同，轴又可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。,14-2 轴的材料 p.241表14-1,1.钢 碳素钢 优质碳素钢:35、45、50 普通碳素钢Q235
2、、Q255、Q275 合金钢 20Cr、20CrMnTi、40Cr、40CrNi、 35SiMn、 35CrMo2.球墨铸铁: QT500-5、QT600-2 曲轴、凸轮轴, 14-3轴的结构设计 p.242,一.轴与轴上零件要有准确的工作位置(定位、固定) 二.轴上零件要易于装拆、调整三. 轴应有良好的制造工艺四. 尽量减少应力集中, 改善轴的受力状态,轴结构设计的要求:,外型各段直径和长度结构要素,轴结构设计的内容,制造安装要求,轴的结构设计就是确定轴的外形和全部结构尺寸。,轴的强度与工作应力的大小和性质有关，在进行轴的结构设计时应注意以下几点：,1.当某一轴段需车制螺纹或磨削加工时，应留
3、有退刀槽或砂轮越程槽。,2.轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置。,3.为了便于轴上零件的装配和去除毛刺，轴及轴肩端部一般均应制出45的倒角。,4.为便于加工，应使轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽、退刀槽和越程槽等尺寸一致。,轴的结构形状和尺寸应尽量满足加工、装配和维修的要求。为此，常采用以下措施：,11.2.2 零件在轴上的固定,常用的轴向固定方法有：轴肩（轴环）、圆螺母（止动片）、套筒、弹性挡圈、紧定螺钉、轴端挡圈定位等。,1.轴上零件的轴向定位与固定,轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置；固定则是为了保证轴上零件在运转中保持原位不变。作为轴的具体结构，既起定位作用又起固定作用
4、。,轴肩定位,轴肩定位,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,圆螺母定位,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,特点：结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力。,应用：常用于固定滚动轴承等的轴向定位,弹性挡圈固定,止动垫圈固定,轴端压板,应用：用于轴端零件的固定，,特点：可承受剧烈振动和冲击。,轴端压板固定,应用：适用于轴向力很小，转速低的场合,特点：可承受很小的轴向力。,紧定螺钉固定,1.周向固定（键、花键、销和过盈配合等）,键联接,1.平键联接,轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣
5、刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。,导向平键和滑键,2半圆键联接,3.楔键联接,4切向键,5花键联接,采用键连接时，为了加工方便，各段的键槽应设计在同一加工直线上，并尽可能采用同一规规格的键槽截面尺寸。,改善轴的受力状况。减小应力集中,结构设计方面，轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以对阶梯轴相邻轴段直径不宜相差太大，在轴径变化处的过渡圆角半径不宜过小。尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹。在重要结构中可采用凹切圆角、过渡肩环，以增加轴肩处过渡圆角半径和减小应力集中。为减小轮毂的轴压配合引起的应力集中，可开减载槽。,合理布置轴上零件可以改善轴的受力状况,1.改进轴上零件的结构,Tmax= T
6、1+T2,Tmax = T1,合理,不合理,2.合理布置轴上零件,改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。,尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。,14.4.1 扭转强度计算(传动轴）,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%。,14.4 轴的强度计算,对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为：,由上式可得轴的直径计算公式：,转轴的弯扭组合强度条件：,当量应力（N/2）；,其中MH、MV分别为水平面上、垂直面上的弯矩。,当量弯矩（N），,Me,危险截面上的合成弯矩，,对于频繁正反转的轴，可视
7、为对称循环交变应力，取,若扭矩变化规律不清，一般也按脉动循环处理；,折合系数,对于不变转矩，,对于脉动循环扭矩，,分别为对称循环、脉动循环,及静应力状态下材料的许用弯曲应力。,当危险截面有键槽时，应将计算得轴径增大4%7%。,具体的计算步骤如下：,1）画轴的空间力系图，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）4）计算转矩T ，并作出转矩图；5） 6）根据当量弯矩图找出危险截面，进行轴的强度校核。,计算出合成弯矩 绘出合成弯矩图,计算当量弯矩 ，绘出当量弯矩图,14.5 轴的刚度计算,1. 轴的弯曲刚度校核计算,轴的弯曲刚度条件为,挠 度,偏转角,2轴的扭转
8、刚度校核计算,轴的扭转刚度以扭转角来度量。轴的扭转刚度条件为,y和分别为轴的许用挠度及许用偏转角。,轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角来度量。对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角。,14.5 轴的设计,设计轴的一般步骤为：,（1）根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。,（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。,1）确定轴上零件的位置和固定方法；2）确定各轴段直径、长度。,一般按一般选23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。,（
9、5）绘制轴的零件工作图,例题14-1(P. 247) 1 .作计算简图,2 .求作支反力及弯矩图,FR1H=FR2H=Ft/2=17400/2 =8700N, FR1VL FrL/2Fad2/2=0, FR1V=(FrL/2Fad2/2)/L =2123N FR2V=FrFR1V=64102123 =4287N,MaH=FR1HL/2=8700193/2 =840 Nm,H面,V面,F面,MaV=FR2VL/2=4287193/2=414NmMaV=FR1VL/2=2123193/2=205Nm,H,MH,V,MV,考虑最不利情况，F与H、V面的合力共面,FR1F=FK/L=4500206/1
10、93=4803NFR2F=FR1FF=48034500=9303N,MaF=FR1FL/2=4803193/2 =463NmM2F=FK=4500206 =927Nm,F面:,M合:,MH,MV,F,MF,M合,T=Ftd2/2=17400146/2 =1.27103Nm,5 .求危险截面处轴的直径：a-a,4.求作当量弯矩图：,3. 作转矩图,考虑键:d=64.41.056872mm(结构设计的要求),M合,T,Me,表(14-1)P.241: B=650Mpa ; 表(14-3)P.246: -1=60Mpa,取45钢, 调质,装齿轮d4=72mm,五、轴的结构工艺性,指状铣刀铣键槽,圆盘
11、铣刀铣键槽,导向平键联接,滑键联接,楔键联接,切向键联接,花键联接,对2点取矩,举例：计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N, 径向力， Fr=6140N, 轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=146 mm,作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）, L=193 mm, K=206 mm,解：1) 求垂直面的支反力和轴向力,15-4 轴的设计实例,2) 求水平面的支反力,3) 求F力在支点产生的反力,4) 绘制垂直面的弯矩图,5) 绘制水平面的弯矩图,6) 求F力产生的弯矩图,7) 绘制合成弯矩图,a-a 截面F力产生的弯矩为：,8) 求轴
12、传递的转矩,9)求危险截面的当量弯矩,扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数: =0.6,求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大5%，故得：,10)计算危险截面处轴的直径,选45钢，调质，b =650 MPa, -1b =60 MPa,符合直径系列。,四处错误,正确答案,四处错误,正确答案,轴系结构改错,错误,1.左侧键太长，套筒无法装入,2.多个键应位于同一母线上,轴结构改错专项练习,按示例规范指出题45图所示轴系结构中的错误。(不考虑轴承的润滑方式，倒角和圆角忽略不计。)缺调整垫片,说明题图46所示轴系结构中的所指处的错误。（注：轴承采用脂润滑）,题47图中的轴承为外圈窄边相对安装的轴系结构，轴承用脂润滑。试按示例所示，指出其它错误。（注：倒角和圆角忽略不计）示例：缺少调整垫片,题图48所示为轴承外圈窄边相对安装的轴系结构。按示例所示，指出其他错误（不少于7外）。（注：不考虑轴承的润滑方式以及图中的倒角和圆角）示例：缺少调整垫片,题49图所示为用一对角接触球轴承支承的轴系部件，轴承外圈窄边相对安装。试按示例I所示找出其他错误。（注：不考虑轴承润滑、倒角和圆角）示例：缺少调整垫片,
