机械设计基础 教学课件 作者 王亚辉 主编第十三章 轴.doc

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1、授课题目：第十三章轴授课方式（请打√）理论课√讨论课□实验课□习题课□其他□本章累计课时12课时安排2教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）轴的分类和结构轴的材料轴的工艺结构以及轴的设计计算教学重点轴的工艺结构和轴的设计计算难点课后总结分析轴的分类轴的工艺结构轴的设计计算思考题综合题1、2讨论题综合题4、6作业一、二教学内容备注第一节概述第一节概述一、轴的分类、特点和应用轴是组成机器的主要零件之一，应用很广。做回转运动的传动零件（例如带轮、齿轮等）都是安装在轴上，并通过轴实现运动及动力的传递。轴的主要功用是支承回转零

2、件并传递运动和动力。按照轴的承载情况，可将其分为：（1）转轴既承受弯矩又承受扭矩的轴（如图13-1所示的轴），这类轴在各种机器中最为常见。图13-1支承齿轮的转轴（2）心轴只承受弯矩而不承受扭矩的轴。心轴又分为转动心轴（图13-2a）和固定心轴（图13-2b）两种。a）转动心轴b）固定心轴图13-2心轴（3）传动轴只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴，如汽车传动轴（图13-3）。图13-3传动轴按照轴的结构形状，轴可分为光轴（图13-4）、阶梯轴（图13-1）和曲轴（图13-5）。光轴结构简单，加工容易，应力集中源少，

3、主要用作传动轴。阶梯轴的各轴段截面直径不同，便于轴上零件的固定，在机器中应用最为广泛。曲轴是专用零件，主要用于内燃机中。图13-4图13-5曲轴直轴一般都制成实心的。若因机器结构需要或者为了减轻的重量，可采用空心轴。此外，还有一种钢丝软轴，又称钢丝挠性轴。它是由多组钢丝分层卷绕而成的（图13-6），具有良好的挠性，可以把回转运动灵活地传到任何位置（图13-7）。它能用于受连续振动的场合，具有缓和冲击的作用。图13-6钢丝软轴的绕制图13-7钢丝软轴二、轴的材料及其选用由于轴工作时产生的应力多为变应力，其失效一般为疲劳断裂，

4、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。同时还必须满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性要求，并具有良好的加工工艺性。轴的常用材料是碳素钢和合金钢。尺寸较小的钢轴的毛坯可以用轧制圆钢车制，尺寸较大的轴应该用锻造的毛坯。铸造毛坯应用很少。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，并能通过热处理改善其综合力学性能，所以应用较为广泛。一般的轴多用碳量比为0.25%～0.50%的优质中碳钢制造，其中最常用的是45钢。对于轻载或不重要的轴可以用Q235和Q275。合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能，但价格较贵。因此，

5、常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴。常用的合金钢有20Cr、40Cr、35SiMn、40MnB等。合金钢和碳素钢的弹性模量相差不多，不宜采用合金钢来提高轴的刚度。轴的常用材料及其主要力学性能见表13-1。轴也可以采用高强度铸铁和球墨铸铁来做，其毛坯是铸造成型的。这些材料具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。但是铸造轴的质量不易控制，可靠性较差。三、轴的结构组成如图13-8所示为阶梯轴的常见结构。轴上与轴承配合的部分称为轴颈，安装轮毂的部分称为轴头，联接轴颈和轴头的

6、部分称为轴身。截面尺寸变化的部分称为轴肩或轴环，轴肩和轴环常用于轴上零件的定位。为了固定轴上的零件，轴上开有键槽，通过键联接实现轮毂的周向定位。此外，为了便于加工和装配，轴上还有轴肩的过渡圆角、轴端的倒角等结构。图13-8轴的结构第二节轴的结构设计一、轴的强度和刚度轴的强度和刚度与工作应力的大小有关。因此，在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面。（1）使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。对于只受转矩的传动轴，为了使各轴段剖面上的切应力大小相等，常制成光轴或接近于光轴的形状；对于受交变弯曲载荷的轴应制成曲

7、线形，如图13-9所示。实际生产中一般制成阶梯轴以便于安装和定位。图13-9等强度梁（2）尽量避免各轴段尺寸突然变化以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。为了减小应力集中，在各轴段尺寸过渡处制成适当大的圆角，并尽量避免在轴上开孔或开槽，必要时可采用减载槽、中间环或凹切圆角等结构，如图13-10所示。图13-10减载结构（3）改善轴上零件的布置，可以减小轴所承受的载荷。如图13-11a所示的轴，轴上作用的最大转矩为T1+T2。如把输入轮布置在两输出轮之间如图13-11b所示，则轴所受的最大转矩由T1+T2减小为T1，从而提高

8、了轴的强度和刚度。图13-11轴上零件的合理布置（4）改进轴上零件的结构也可以减小轴的载荷。如图13-12所示为起重机卷筒机构的两种不同设计方案，图a的方案是大齿轮和卷筒联在一起，转矩经大齿轮直接传给卷筒，这样卷筒轴只受弯矩而不受转矩作用。在起重同样载荷F时，轴的直径可比图b中的轴径小。图13-12卷筒