机械设计基础 陈远华第12章 轴.ppt

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1、第12章轴引入案例机械传动中，旋转或摆动的零部件，需要轴的支承。轴零件应用十分广泛，如数控机床的主轴，减速器中的齿轮轴，汽车的前后桥与变速器之间的传动轴，和内燃机中的凸轮轴等。图12-1减速器中的转轴12.1概述12.2轴的结构设计12．3轴的工作能力计算12．4轴系结构的组合设计12.1概述12.1.1轴的分类按承载情况不同，轴可分为转轴、传动轴和心轴三种。图12-2减速器中的转轴图12-3传动轴图12-4转动心轴图12-5固定心轴按轴线情况的不同，轴还可分为直轴和曲轴。直轴又分为光轴和阶梯轴。阶梯轴便于轴上零件的装拆和定位，应用最广。轴一般制成实心

2、，为减轻重量或满足工作要求，可用空心轴。12.1.2轴的材料轴的材料常采用优质碳素钢和合金钢。优质碳素钢对应力集中的敏感性低，45钢最为常用。为保证材料的力学性能，通常要进行调质或正火处理。重要的轴还要进行表面强化处理，不重要或受力较小的轴，也可以用普通结构钢。12.2轴的结构设计轴的结构设计是确定合理的形状和结构尺寸。由于影响轴结构的因素很多，轴又没有标准的结构形式，设计时必须根据具体情况进行分析，综合考虑。图12-7单级圆柱齿轮减速器的主动轴由图12-7可知，轴由三部分组成：1．轴颈与轴承相配合的部分。2．轴头与传动零件或联轴器相配合的部分。3．轴

3、身联接轴颈与轴头的其余部分。轴结构设计时应考虑的几个问题12.2.1轴上主要零件的布置根据传动要求，合理地布置轴上的主要零件，如图12-7中的齿轮应对称地布置在两轴承之间，使载荷沿齿宽分布均匀；两轴承尽量靠近齿轮，以增加轴的刚度；带轮在不影响轴承盖螺钉拆装的条件下，尽量减少轴的悬臂长度。12.2.2轴上各段直径的确定为了便于轴上零件的装拆，常将轴作成中间大、两端小的阶梯轴。根据轴所传递的功率大小，估算出轴的最小轴径为安装带轮处的轴径。由于轴上的轴颈是与轴承孔相配，确定轴颈的直径时，应与所选滚动轴承的孔相一致。12.2.3轴上零件的固定1．轴向固定轴向固

4、定的目的是为了保证零件在轴上有确定的轴向位置，防止零件作轴向移动，并承受轴向力。常见的轴向固定方法见表12-2。2．周向固定周向固定的目的是为了将轴上零件固定于轴的圆周方向，使轴与轴上零件同步转动，以满足机器传递扭矩和运动的要求。例如内燃机中的凸轮轴上的凸轮与齿轮的相位必须保证准确，否则内燃机无法正常工作。常用的周向固定方法有销、键、花键等，以普通平键和花键联接形式应用最广。12.2.4提高轴疲劳强度的措施1.采用合理的结构图12-8减少轴肩处应力集中措施图12-9降低轴配合边缘处应力措施2.采用适当的制造工艺轴的弯曲最大应力和扭转最大应力位于轴的表层

5、，因此，轴的疲劳裂纹最易从轴表层处开始产生和扩展。设计时应降低轴的表面粗糙度数值，改善轴的表面质量，以提高轴的抗疲劳强度。12.2.5轴的结构工艺性1.当某一轴段需车制螺纹或磨削加工时，应留有退刀槽（图12-10（a））或砂轮越程槽（图12-10（b）），以便于退刀，保护刀具和保证零件加工质量。2.图12-11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。过盈配合轴段的装入端应加工出半锥角为30°的导向锥面（图12-11）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

6、尺寸一致。5.装有轴上零件的轴段的宽度应小于轴上零件的宽度，以使轴上零件能够可靠地定位和固定。12．3轴的工作能力计算12.3.1轴的最小直径的估算轴的最小直径估算公式为12.3.2转轴的强度计算估算出轴的最小直径后，可进行轴的结构设计。在完成结构设计的基础上，可画出弯矩图和扭矩图，以确定危险截面处位置。最大弯曲正应力σ和最大切应力τ分别由下式计算：弯曲正应力为：扭转切应力为：根据强度理论，弯曲与扭转组合变形的转轴强度条件为对实心圆轴，WP=2Wz。一般转轴的弯曲正应力为对称循环变应力，而扭转切应力一般情况下可以认为是不变的静应力，但实际上由于机器运转

7、的不均匀性，一般假设扭转切应力按脉动循环变化，从对轴的强度影响来看，它没有对称循环的影响大。考虑两者不同循环特性的影响，将扭转切应力的变化特性转换成与弯曲正应力相同的变化特性，对上式中的扭矩T乘以折算系数α，即得危险截面处的强度条件为12.3.3轴的设计应用举例设计轴的一般步骤为：⑴选择轴的材料，确定许用应力。⑵按扭转强度估算轴的最小直径。⑶轴的结构设计。具体包括以下几项内容：①确定轴上零件的位置和固定方式；②确定各轴段的直径；③确定各轴段的长度；④确定其余尺寸，如键槽、倒角、圆角、螺纹退刀槽、砂轮越程槽等。⑷按弯扭组合校核轴的强度。若危险截面强度不够

8、或相差太大时，必须重新修改轴的结构。⑸绘制轴的零件图。12．4轴系结构的组合设计轴系结构设计要