轴的设计和计算.ppt

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1、第14章轴§14-1轴的功用和类型§14-2轴的材料§14-3轴的结构设计§14-4轴的强度计算§14-5轴的刚度计算§14-6轴的临界转速的概念§14-1轴的功用和类型轴是组成机器的重要零件之一，用来支承旋转的机械零件。轴的功用：支承回转零件及传递运动和动力。轴的分类：(1)按照承受载荷的不同可分为转轴、心轴和传动轴三类。转轴——工作中既受弯矩又受扭矩的轴。传动轴——只受扭矩不受弯矩或弯矩很小的轴。心轴——只受弯矩而不受扭矩的轴，它又分为转动心轴和固定心轴两种。(2)按照轴线形状的不同可分为直轴、曲轴和软轴直轴按其外形的不同，可分为阶梯轴和光轴。光轴具有形状简单、加工方便、制造成本

2、低、轴上应力集中源少等优点，其缺点是轴上零件不易装配定位。阶梯轴的特点则正好与光轴相反。因此，光轴常用作心轴和传动轴，阶梯轴常用作转轴。转轴阶梯轴心轴光轴轴一般都制成实心的(实心轴)。只有在因机器结构要求，需要在轴中安装其它零件或是减轻轴的质量具特别重大作用时，才将轴制成空心的(空心轴)。曲轴用以将旋转运动与往复直线运动相互转变。空心轴软轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成的，它能把回转运动灵活地传到任何位置，主要用于两传动轴线不在同一直线或工作时彼此有相对运动的空间传动，也可用于受连续振动的场合，具有缓和冲击的作用。轴一般做成阶梯轴，原因是：⑴为了便于轴上零件轴向定位和固定；⑵为了便于

3、轴上零件的拆装；⑶使各轴段达到或接近等强度；⑷为了实现尺寸分段，以满足不同配合特性、精度和光洁度的要求。轴的失效形式是：①因疲劳强度不足而产生疲劳断裂；②因静强度不足而生产塑性变形或脆性断裂；③因刚度不足而产生过大弯曲及扭转变形；④高速时发生共振破坏等。一般转轴的设计准则是：具有合理的结构和良好的工艺性并保证其疲劳强度足够。对有过载情况的轴，还应保证其静强度足够；而对刚度要求较高的轴及受力较大的细长轴，还应进行刚度计算；对高速旋转的轴，则应进行振动稳定性计算。轴设计的主要内容(1)选用合适的材料、毛坯形式及热处理方法。(2)轴的结构设计，根据轴上零件的安装、定位和固定及轴的制造工艺等

4、方面要求，合理确定轴的结构形状和尺寸。(3)工作能力校核计算，包括疲劳强度、静强度及刚度计算等。§14-2轴的材料轴的常用材料主要是碳素钢和合金钢。轴的毛坯一般多为轧制圆钢和锻件。碳素钢具有足够的强度，比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，并且可通过正火或调质处理获得较好的综合机械性能，故应用广泛，其中以45号钢经调质处理最为常用。合金钢具有较高的机械性能，但价格较贵，常用于制造有特殊要求的轴。如高速重载轴；受力大而又要求尺寸小、重量轻的轴；处于高温、低温或腐蚀性介质中的轴等。值得注意的是：在一般工作温度下，碳钢和合金钢的弹性模量相差不大，因此，欲选用高强度合金钢来提高轴的刚度并无实

5、效。另外，合金钢对应力集中敏感性高，所以设计合金刚轴时，必须要有合理的结构形状，尽量减少应力集中源，并要求轴表面的粗糙度较低，否则，采用合金钢并无实际意义。轴的材料除了碳素钢和合金钢外，还有球墨铸铁和高强度铸铁等。铸铁材料具有易于作成复杂的外形，且吸振性、耐磨性好，对应力集中敏感性低、价格廉等优点，多用于制作外形复杂的曲轴、凸轮轴等。轴的常用材料及其主要机械性能见表14-1。§14-3轴的结构设计轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。影响轴的结构形状的因素有：轴上零件的类型、数量和尺寸及其安装位置、定位方法；载荷的大小、方向和性质及分布情况；轴的制造工艺性等。在进行结构设

6、计时，必须满足如下要求：轴应便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）；轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）；各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；改善受力状况，减小应力集中。在进行轴的结构设计时，首先应拟定轴上零件的装配方案轴上零件的装配方案大体决定了轴的基本形式。装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。同一个设计任务，轴上零件的装配方案不同，可有不同的结构。如图所示是两种不同装配方案得出的两种不同的轴结构。在拟定装配方案时，一般应考虑几个方案，进行分析比较与选择。一、制造安装要求为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴

7、端逐渐向中间增大。如图14-7所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装拆，另一滚动轴承从右端装拆。为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽（图14-7中⑥与⑦的交界处）；车制螺纹的轴段，应有退刀槽。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。二、轴上零件的定位轴上零件的轴向定位方式主要是轴肩和套简定位。阶梯轴上截面变化处叫做轴肩，起轴向定位作用。在图14-7中，④、⑤间的轴肩