《轴疲劳强度校核》PPT课件

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1、第十二章轴的设计教学目标1．掌握轴的结构及设计方法；2．掌握轴的受力分析及强度计算；§12.1概述轴是组成机器的重要零件之一，各种作回转（或摆动）运动的零件（如齿轮、带轮等）都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。一、轴的分类和用途轴有不同的分类方法，也有不同类型的轴。常用的分类方法有两类：1）根据轴线的形状不同分类；2）根据承受载荷不同分类。1、直轴直轴按外形可以分为光轴和阶梯轴，如图所示。阶梯轴便于轴上零件的拆装和定位。轴一般做成实心的，但为了减轻重量或满足某

2、种功能，则可以做成空心轴。所以按轴的结构可以分为实心轴和空心轴，如图所示。图12－2图12－32、曲轴常用于往复式机械中，例如内燃机、空气压缩机等。可以实现直线运动与旋转运动的转换。图12－43、钢丝软轴（挠性轴）它不受任何空间的限制，可以将扭转或旋转运动灵活地传到任何所需的位置，常用于医疗设备、操纵机构、仪表等机械中。图12－5二、按照承受载荷不同分类1、转轴同时承受扭矩和弯曲载荷的作用，例如齿轮减速器中的轴，如图所示。图12－62、心轴心轴只需承受弯矩而不传递转距，例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等。按轴旋转与否

3、分为转动心轴和固定心轴两种，如图所示。图12－73、传动轴只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴。例如图所示的汽车传动轴。图12－8二、轴的材料由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多为疲劳损坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的应力集中敏感性和良好的加工性能等。轴的主要材料是碳钢和合金钢。碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。常用的有35、40、45、50钢，其中以45钢使用最广。对于受力较小的或不太重要的轴，可以使用Q235、Q275等普通碳素钢。合金钢

4、：对于要求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴，可以采用合金钢材料。耐磨性要求较高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢；要求较高的轴可以使用40Cr（或用35SiMn、40MnB代替）、40CrNi(或用38SiMnMo代替)等进行热处理。合金钢比碳素钢机械强度高，热处理性能好。但对应力集中敏感性高，价格也较高。设计时应特别注意从结构上避免和降低应力集中，提高表面质量等。对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨

5、性，对应力集中的敏感性也较低。同时应该知道，在一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量相差不大，故在选择钢的种类和热处理方法时，所依据的主要是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲刚度和扭转刚度等。轴的常用材料见教材。三、轴的设计内容及应考虑的主要问题与其它零件一样，轴的设计包括两个方面的内容：1）轴的结构设计：即根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工艺等方面的要求，合理确定轴的结构形状和尺寸。2）轴的工作能力设计：即从强度、刚度和振动稳定性等方面来保证轴具有足够的工作能力和可靠性。对于不同机械的轴的工作能力的要求是不同的，

6、必须针对不同的要求进行。但是强度要求是任何轴都必须满足的基本要求。设计轴时主要应该满足轴的强度要求和结构要求；对于刚度要求较高的轴（例如机床主轴），主要应该满足刚度要求；对于一些高速旋转的轴（例如高速磨床主轴、气轮机主轴等），要考虑满足振动稳定性的要求，另外要根据装配、加工、受力等具体要求，合理确定轴的形状和各部分的尺寸，即进行轴的结构设计。同时应当注意：在转轴设计中，因为转轴工作时受到弯矩和转距的联合作用，而弯矩是与轴上载荷的大小及轴上零件相互位置有关的，所以在轴的结构尺寸未确定之前，轴上载荷的大小及分布情况以及

7、支反力的作用点还不能确定，无法求出轴所承受的弯矩，因此不能对轴进行强度计算。所以，轴的设计程序是：先根据扭转强度（或扭转刚度）条件，初步确定轴的最小直径；然后，根据轴上零件的相互关系和定位要求，以及轴的加工、装配工艺性等，合理地拟订轴的结构形状和尺寸；在此基础上，再对较为重要的轴进行强度校核。只有在需要时，才进行轴的刚度或振动稳定性校核。因而，轴的设计区别于其它零件设计过程的显著特点是：必须先进行结构设计，然后才能进行工作能力的核算。§12．2轴的基本直径估算如图所示为一既受弯矩又受扭矩的转轴。已知：齿轮的模数m，

8、齿数z，齿宽b，轴的转速n(r/min)和传递的功率P（kW）。如何估算轴的直径？轴的估算有两种方法：按扭转强度估算和按经验公式估算。图12－91、按扭转强度估算直径在开始的时候，轴的长度及结构形式往往是未知的，因此求不出支撑反力，画不出弯矩图，应力集中情况也不清楚，无法对轴进行弯曲疲劳强度计算，所以常按抗扭强度计算公式来进行轴径的初步估算，并采用降低许用切