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1、第十章 轴的设计第二节 轴的结构设计第一节 概述第三节 轴的强度计算及校核第一节 概述一、 轴的应用和分类轴的应用减速器中的轴转 轴第一节 概述轴的应用和分类轴的应用自行车的前轮轴 固定心轴第一节 概述轴的应用和分类轴的应用铁路机车轮轴 转动心轴第一节 概述点击图动画演示轴的应用和分类轴的应用汽车中联接变速箱与后桥之间的轴传动轴第一节 概述轴的应用和分类轴的应用曲轴、挠性钢丝轴 第一节 概述轴的应用和分类轴的分类按承受的 载荷不同转轴既承受弯矩又承受扭矩心轴仅承受弯矩转动心轴如火车轮轴固定心轴如自行车轴传动轴主要承受扭矩如汽车变速箱至后桥 的传动轴如减速器中的轴第一节 概述轴的应用和分类轴的分
2、类按照轴线形状不同曲轴直轴光轴阶梯轴可将回转运动灵活地传到不开敞地空间位置实心轴空心轴 如车床主轴 刚性轴钢丝软轴第一节 概述支承回转零件及传递运动和动力主要受交变弯曲、扭转或弯曲、扭转应力的复合作用轴与轴上零件有相对运动时相互间存在摩擦和磨损轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷多数轴会承受一定的过载载荷二、 轴的材料及其选用轴的功用轴 的 工 作 条 件轴的材料第一节 概述轴的材料轴的分类和材料对轴材料的性能要求良好的综合机械性能高的疲劳强度具有良好的工艺性具有足够的耐磨性 轴的失效形式疲劳断裂过量变形甚至断裂表面过度磨损第一节 概述轴的材料常 用 材 料轴的分类和材料优质碳素钢3
3、5、40、45、50钢等，其中45钢最常用一般要经正火、调质或表面淬火热处理合金钢20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等 采用合金钢必须采取相应的热处理球墨铸铁或可锻铸铁QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等轴颈轴头轴身一、 轴的各部分名称第二节 轴的结构设计一、 轴的各部分名称轴 的 结 构 图轴颈轴环轴肩轴头轴颈轴身轴头第二节 轴的结构设计第二节 轴的结构设计（二）轴的结构设计内容轴的结构设计应该保证：轴上的零件应便于装拆和调整轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置轴应具有良好的制造工艺性等轴的合理外形和全部结构尺寸二、 轴的结构要求和
4、结构设计步骤（一）轴的结构要求尽量减少应力集中, 改善轴的受力状态第二节 轴的结构设计三、 轴上零件的固定定位：指零件在轴上安装到位（位置准确）固定：指工作时零件与轴之间相对位置保持不变（位置不动）第二节 轴的结构设计1、轴向定位轴肩和轴环特点：能承受较大的轴向力常用于齿轮、链轮等轴向定位第二节 轴的结构设计1、 轴向定位轴肩和轴环要求r轴R孔或r轴C孔 正 确要求轴肩高度滚动轴承内圈高度错 误第二节 轴的结构设计1、 轴向定位套 筒用于距离较短、转速不高的场合注意：L轴L毂-（2 3)mm第二节 轴的结构设计1、 轴向定位圆螺母装拆方便，可承 受较大的轴向力第二节 轴的结构设计1、 轴向定位
5、用于固定轴端零件 可以承受振动和冲击轴端挡圈注意：L轴L毂-（23)mm第二节 轴的结构设计1、 轴向定位弹性挡圈承受很小的轴向力 注意画法第二节 轴的结构设计1、 轴向定位紧定螺钉承受很小的轴向力第二节 轴的结构设计1、 轴向定位第二节 轴的结构设计2、周向定位键花 键弹性环第二节 轴的结构设计2、周向定位销成形联接 过盈配合第二节 轴的结构设计四、轴上各轴段的尺寸确定满足强度和刚度要求轴颈直径必须符合相配轴承的内径安装联轴器、离合器等零件的轴头直径应与相应孔径范围相适应与齿轮等零件相配合的其它轴头直径，应采用标准直径轴上需车制螺纹的部分，其直径必须符合外螺纹大径的标准系列1）直径确定依据第
6、二节 轴的结构设计四、轴上各轴段的尺寸确定2）轴的长度确定依据 根据轴上零件的宽度以及各 零件之间的相互配置确定留有装拆空间装有螺母等紧固件的轴段长度应保证紧固件有一定的轴向调整余地轴上的旋转零件与机座之间应留有适当的空间，避免两者相碰第二节 轴的结构设计1) 便 于 加 工 结 构 五、 轴的结构工艺性第二节 轴的结构设计2) 便 于 装 配 结 构 五、 轴的结构工艺性轴肩高度滚动 轴承内圈高度圆螺母顺利拧入第二节 轴的结构设计五、 轴的结构工艺性例题：分析轴系结构中的错误110234567891.轴肩 2.间隙3.轴肩 4.过高5.过宽 6.过长7.过高 8.画法9.垫片 10.垫片第三
7、节 轴的强度计算及校核。在轴的设计中，多数都是对转轴的设计。转轴受 弯矩和扭矩联合作用，而弯矩与轴上载荷的大小及轴 上零件相互位置有关。在轴的结构尺寸未确定之前， 还不知道轴上零件的位置和支撑点的位置，无法确定 轴的受力情况，也就无法求出轴所受的弯矩。所以， 转轴设计时，先认为弯扭组合的轴只受扭矩作用，按 纯扭强度条件估算出轴径，将此轴径作为整个阶梯轴 的最小轴径，其他轴段的直径根据结构、安装、工艺 等要求依次增减。全部轴向和径向尺寸都确定下来以 后，再按弯扭组合条件进行校核。下面以转轴为例，说明轴的计算步骤和计算方法 一、 估算最小轴径对于圆截面传动轴，其抗扭强度条件为第三节 轴的强度计算及
8、校核。由此可得轴的最小直径估算公式为式中C为由轴的材料和载荷情况确定的常数（见表10-3）注意: 若该轴段有一个键槽，d 值增大5%; 有两个键槽， 增大10%；轴的直径应符合标准直径系列（详见教 材P176）。第三节 轴的强度计算及校核。二、 轴的结构设计（1）确定轴上零件的位置和固定方法（2）确定各轴段的直径（3）确定各轴段的长度第三节 轴的强度计算及校核。三、 转轴的强度校核按弯扭组合强度计算轴类零件一般都采用钢材，按第三强度理论建立强度条件式中 弯曲正应力与扭转剪应力的当量应力， ；抗弯截面系数，mm3；轴的直径，mm；对称循环状态下的许用弯曲应力 ，见表10-4根据扭矩性质而定的折算
9、系数。当扭矩不变时， 0.3，当扭矩 脉动循环变化时， 0.6，正反转频繁的轴，扭矩按对称循环变化， =1，对一般的转轴，通常取 0.6。第三节 轴的强度计算及校核。二、 按弯扭合成强度条件计算具体步骤如下： 1）画出轴的空间力系图 将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分 力，并求出水平面和垂直面上的支点反力。2）分别作出水平面上的弯矩（MH）图和垂直面上的弯矩（MV）图。3）计算出合成弯矩 ，绘制出合成弯矩图。 4）作出扭矩（T）图。 5）计算当量弯矩 ，式中为考虑弯曲应力与扭转切 应力循环特性的不同而引入的修正系数。6）校核危险截面的强度。 三、 转轴的强度校核第三节 轴的强度计算及校核。
10、四、 轴的设计方法和步骤1）根据工作要求选择轴的材料及热处理方式，确定许用应力 2）估算轴的最小直径 3）进行轴的结构设计，绘制草图 4）按弯、扭组合作用对轴的强度进行校核计算 5）绘制轴的工作图。（一）轴的设计方法1.类比法： 根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计， 画出轴的零件图，用类比法设计轴一般不进行强度计算 。2. 设计计算法（二）设计计算法的一般步骤第三节 轴的强度计算及校核。五、 轴的设计实例例题：设计带式输送机两极圆锥圆柱齿 轮减速器的输出轴，工作转矩变化很 小。减速器传动简图如图所示。输入 轴与电动机相联，输出轴通过弹性柱 销联轴器与工作机相联，该输送机为 单
11、向连续运转。已知电动机功率P 10kW，转速n1450r/min。减速器齿 轮传动的主要参数列于下表：级别z1z2mn/mmmt/mmn齿宽/mm高速 级20753.5201大锥齿轮轮毂长L 50低速 级239544.04 0480634 B185，B280第三节 轴的强度计算及校核。五、轴的设计实例解：1.求输出轴上的功率P3、转速n3和转矩TP3P2=100.972kW9.41kW2.求作用在齿轮上的力圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa的方向如图所示 第三节 轴的强度计算及校核。五、 轴的设计实例解：3.初步确定轴的最小直径，选取联轴器按式10-2初步估算轴的最小直径 选取联轴器：考虑工况
12、，实际转矩T =1.3960000Nmm 1248000 Nmm，查相关手册，选取HL4型弹性柱销联轴器，半 联轴器的孔径d55mm，取d55mm，半联轴器长度 L=112mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度L184mm。第三节 轴的强度计算及校核。五、轴的设计实例4.轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案 （2）根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度第三节 轴的强度计算及校核。五、轴的设计实例5求轴上的载荷 根据轴的结构图可确定轴承支点跨距L2=71mm，悬臂L1=120mm。 由此作出轴的计算简图，如图所示，两轴承之间的跨距L2 L3=71141212mm。根据计算简图作出轴的弯矩图和扭矩
13、图 ，如图所示。从轴的结构简图以及弯矩图和扭矩图中可以看出 截面C处是轴的危险截面。现将各处的支反力、C截面处水平面 和垂直截面上的弯矩值和扭矩值列于下表。 载荷水平面H垂直面V支反力FFRBH=3327N，FRDH=1675NFRBV=1869N，FRBV=30N弯矩MMCH=236217NmmMV1=132699Nmm，MV2=4140Nmm总弯矩扭矩TT=960000Nmm第三节 轴的强度计算及校核五、轴的设计实例第三节 轴的强度计算及校核。五、轴的设计实例6.按弯扭合成应力校核轴的强度取0.6，截面C处的当量弯矩由表10-4查得-1 b60MPa，e-1 b，所以 ，截面C处的强度足够
