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1、20122012年年1212月月机机 械械 设设 计计第十五章第十五章 轴轴1 1、概述、概述一、主要功用一、主要功用二、分类二、分类1、按承载分心轴心轴心轴心轴：只承受弯曲（只承受弯曲（只承受弯曲（只承受弯曲（MMMM），不传递转矩（），不传递转矩（），不传递转矩（），不传递转矩（T=0T=0T=0T=0）1、支承轴上回转零件（如齿轮）转动心轴转动心轴转动心轴转动心轴：轴转动固定心轴固定心轴固定心轴固定心轴：轴固定2、传递运动和动力问：火车轮轴属于什么类型？问：自行车轴属于什么类型？转轴转轴转轴转轴：既传递转矩（既传递转矩（既传递转矩（既传递转矩（T T T T）、又承受弯矩（）、又承受弯矩
2、（）、又承受弯矩（）、又承受弯矩（MMMM） 如：减速器中的轴。传动轴传动轴传动轴传动轴：只受转矩，不受弯矩只受转矩，不受弯矩只受转矩，不受弯矩只受转矩，不受弯矩M=0M=0M=0M=0，T0T0T0T0 如：汽车下的传动轴。问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0 轴：轴：轴：轴：轴：轴：传动轴转轴转动心轴转轴转轴转动心轴如何判断轴是否传递转矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路从原动机向工作机画传动路线，若传动路线线沿该轴轴线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩：该轴上该轴上除联轴器外除联轴器外是否还有是否还有其它传动零件其它传动
3、零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。曲轴曲轴曲轴曲轴：发动机专用零件2、按轴线形状分直轴直轴直轴直轴又可分为实心、空心（加工困难）光轴光轴阶梯轴阶梯轴钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。动力源被驱动装置接头接头钢丝软轴钢丝软轴三、轴的材料三、轴的材料1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应用最广。 价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。2、中、低碳合金钢：强度高、寿命长，对应力集中敏感，用于重载、小尺寸的轴。钢丝软轴的绕制注意：钢材种类热处理对钢材弹性模量E影响很小，3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，
4、品质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。四、轴设计的主要问题四、轴设计的主要问题失效形式：1、疲劳破坏 疲劳强度校核。2、变形过大 刚度验算（如机床主轴）。问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？用热处理合金钢合金钢不能提高轴的刚度。不能提高轴的刚度。3、振动折断 高速轴，自振频率与轴转速接近；4、塑性变形 短期尖峰载荷 验算屈服强度。设计的主要问题：a、有足够的强度 疲劳强度、静强度；1、合理的结构设计 保证轴上零件有可靠的工作位置；装配、拆卸方便；周向、轴向固定可靠；便于轴上零件的调整；b、有足够的刚度 防止产生大的变形；c、有足够的稳定性 防止共振 稳定性计算。2、工作能力计算二、要求二、要求1
5、、轴与轴上零件要有准确的相对位置；2、受力合理轴结构有利于提高轴的强度和刚度；3、轴的加工、装配有良好的工艺性、减少应力集中；三、轴的毛坯三、轴的毛坯d小圆钢（棒料）：车制；d大锻造毛坯；空心轴：充分利用材料，质量，但加工困难。2 2、轴的结构设计、轴的结构设计一、目的一、目的确定轴的尺寸、形状：d、l；结构复杂铸造毛坯，如曲轴；重点重点四、阶梯轴的结构设计四、阶梯轴的结构设计F等强度阶梯轴1、拟定轴上零件装配方案动画（平面flash、三维avi）组成轴颈轴颈：装轴承处 尺寸尺寸= = 轴承内径；轴承内径；轴头轴头：装轮毂处 直径与轮毂内径相当；轴身轴身：联接轴颈轴颈和轴头轴头部分；装配方案的
6、比较：2、零件在轴上的固定（1）轴向固定轴向固定轴向固定轴向固定a）借助轴本身形状定位：轴肩、圆锥形轴头；b）借助挡圈、圆螺母、套筒等定位；注意注意：防止过定位防止过定位防止过定位防止过定位 L L L L轴段长度轴段长度轴段长度轴段长度=B=B=B=B轮毂宽轮毂宽轮毂宽轮毂宽-(23)mm-(23)mm-(23)mm-(23)mm保证轴上零件可靠定位：保证轴上零件可靠定位：保证轴上零件可靠定位：保证轴上零件可靠定位：轴圆角半径轴圆角半径轴圆角半径轴圆角半径r r r r轴上零件倒角尺寸轴上零件倒角尺寸轴上零件倒角尺寸轴上零件倒角尺寸c c c c轴肩高度轴肩高度轴肩高度轴肩高度h h h h
7、 或 轴圆角半径轴圆角半径轴圆角半径轴圆角半径r r r r 轴上零件圆角半径轴上零件圆角半径轴上零件圆角半径轴上零件圆角半径R R R R轴肩高度轴肩高度轴肩高度轴肩高度h h h h（2）周向固定周向固定周向固定周向固定键、花键、成形联接、弹性环联接、过盈、销等 轴毂联接轴肩轴肩轴肩轴肩定位轴肩定位轴肩定位轴肩定位轴肩：h= (0.070.1)d d：轴颈尺寸；非定位轴肩非定位轴肩非定位轴肩非定位轴肩：h=(12)mm；五、轴段尺寸五、轴段尺寸1、d：由载荷dmin由结构设计要求确定各段的d。2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑：1）轴段长比轮毂宽小23mm可靠定位。2）传动
8、件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。固定方式固定方式轴结构的改错实例1,2注意：各轴段直径d 和长度L的确定。六、轴的结构工艺性设计六、轴的结构工艺性设计1、需磨削的轴段：砂轮越程槽。3、轴端应有倒角：c45便于装配。4、装配段不宜过长。5、固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以各键槽应布置在同一母线上，以各键槽应布置在同一母线上，以各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。减少装夹次数。减少装夹次数。减少装夹次数。2、需切制螺纹的轴段：螺纹退刀槽。3 3、轴的强度计算、轴的强度计算一、按许用切应力计算（按扭转强度计算）一、按许用切应力计算（按扭转强度计算）强度条件：式中：WT抗
9、扭截面系数，mm3T许用切应力C与材料有关的系数（表16.2）公式应用：a）传动轴精确计算；b）转轴的初估轴径dmin结构设计，逐步阶梯化di （ 支点、力作用点未知）；c）对于转轴：算出dmin结构设计弯矩图弯扭 合成强度计算；d）有键槽处：d，单键3%；双键7%。二、按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度计算）二、按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度计算）已知条件：作用力大小、位置、轴d、l、支点位置由dmin(扭转初估)结构设计支点、力大小、作用点画出M、T合成弯矩图危险截面计算。步骤：P3141、画出轴的空间受力简图：力分解到水平面、垂直面2、作水平面弯矩Mxy图和垂直面弯矩Mxz图3、作出合成
10、弯矩图4、绘转矩T图5、求当量弯矩，绘图 根据转矩性质不同转矩性质不同转矩性质不同转矩性质不同而引入的应力校正系数应力校正系数应力校正系数应力校正系数。 一般为对称循环变化（弯矩引起的弯曲应力）（M）1）单向旋转、载荷稳定：切应力接近不变r=+1，2）单向旋转、载荷不稳定：切应力接近脉动循环r=0，3）连续正反转、载荷不稳定：切应力接近对称循环，r= -1，T 实际机器运转不可能完全均匀，且有扭转振动的存在，为安全计，常按脉动转矩计算按脉动转矩计算按脉动转矩计算按脉动转矩计算。循环特性：静应力r=+1 （），脉动循环r=0（，）对称循环r=-1（， ）6、强度条件：W轴的抗弯截面系数，P332
11、 附录表75、确定危险截面。若轴上开键槽：d适当单键：（35）%，双键：（710）%花键：计算出的d为内径。三、轴的安全系数校核计算（精确计算）三、轴的安全系数校核计算（精确计算）1、疲劳强度校核1）按计算：尺寸系数（、）表面状态应力集中（k、k） 重要轴：需进一步在轴结构化后进行精确计算。没有精确计入影响疲劳强度的其它重要因素。2）方法：对轴上若干“危险剖面”（实际应力较大的剖面，如受力较大、截面较小及应力集中较严重处）进行安全系数校核。3）基本公式：单纯受弯：单纯受扭：k、k有效应力集中系数，P329、P330；表面状态系数P331；、尺寸系数P331；复合安全系数：2、静强度校核校核轴对
12、塑性变形的抵抗能力（尖峰载荷）。max、Tmax尖峰载荷所产生的弯曲应力、切应力；sb、s材料的弯曲和剪切屈服极限；例16.24 4、轴的刚度计算（自学）、轴的刚度计算（自学）轴的变形：挠度、转角、扭角5 5、轴的临界转速（略）、轴的临界转速（略）6 6、提高轴的强度、刚度和减轻重量的措施、提高轴的强度、刚度和减轻重量的措施1、合理布置轴上零件，轴受扭矩。a)不合理的布置b)合理的布置2、改进轴上零件结构，轴弯矩。a)不合理的布置b)合理的布置3、载荷分担，轴上载荷卸荷带轮：双联齿轮斜齿轮：两斜齿轮旋向应相同两斜齿轮旋向应相同两斜齿轮旋向应相同两斜齿轮旋向应相同4、采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。行星齿轮减速器：多个行星轮均布多个行星轮均布5、改变支点位置，改善轴的强度和刚度。更差！更差！锥齿轮减速器结构图6、改进轴的结构,减少应力集中1）避免相邻轴径相差太大；3）合理选择键槽(盘铣)盘状铣刀应力集中小立铣刀2）适当过渡圆角r，或用凹切圆角、肩环；7、改善表面品质，疲劳强度。表面粗糙度；表面强化：辗压、喷丸等。4）过盈配合轴：开减载槽；a)过盈配合应力集中 b)轮毂上开卸载槽 c)轴上开卸载槽 d)增大轴径本章结束本章结束
