机械设计基础课件第十四章 轴

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1、第十四章轴轴的功用和类型轴的材料轴的结构设计轴的强度计算轴的刚度计算轴的临界转速的概念第一节轴的功用和类型一、轴的功用●支撑回转零件，如齿轮、带轮；●传递运动和转矩二、轴的类型●心轴—只承受弯矩●传动轴—只承受转矩●转轴—既受弯矩、又受转矩按受载●直轴（光轴、阶梯轴）●曲轴按轴心线第一节轴的功用和类型三、轴设计时所要解决的问题—确定轴的形状和尺寸—防止轴发生疲劳断裂—防止轴发生过大的弹性变形—防止轴发生共振4、振动稳定性问题3、刚度问题2、强度问题1、结构问题第二节轴的材料轴的材料常采用碳素钢和合金钢。碳素钢20、35、45、50

2、等优质碳素结构钢，45钢用的最广；热处理多采用正火、调质处理；毛坯多采用扎制圆钢和锻件。不重要或受力较小的轴，可采用Q235、Q275等普通碳素结构钢。合金钢20Cr、40Cr、20CrMnTi、35SiMn、38CrMoAlA、40CrNi等，合金钢具有较高的力学性能，可淬性好，但价格较贵。注意：当轴的刚度不够时，应考虑从结构上加以解决，而不能用合金钢来代替碳钢，这是因为一般温度下，二者的弹性模量相差很小。球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴。第三节轴的结构设计轴的结构应满足的要求：加工工艺性要好，即轴应便于加工。便于轴上零件装拆，调整方便

3、。轴上零件要有准确的定位。轴上零件要有可靠的固定。尽量使轴的受力合理，尽量减少应力集中。一、加工工艺要求光轴等强度轴阶梯轴第三节轴的结构设计轴颈－与轴承相配的部分；轴头－与轮毂相配的部分；轴身－连接轴颈与轴头的部分；轴头轴身轴颈第三节轴的结构设计为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大，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，轴端及各轴段的台阶处都应有倒角。磨削的轴段应留有砂轮越程槽；车制螺纹

4、的轴段应留有退刀槽。二、制造安装要求第三节轴的结构设计倒角砂轮越程槽第三节轴的结构设计轴环第三节轴的结构设计三、轴上零件的轴向定位和固定定位－使轴上零件处于正确的工作位置；固定－使轴上零件牢固地保持这一位置。目的－防止轴上零件工作时发生轴向蹿动。常用的轴向定位和固定方法：轴肩或轴环轴肩定位方便可靠，而且能承受较大的轴向力。因为采用轴肩使轴的直径增大，并引起应力集中，且轴肩太多也不利于加工，所以定位轴肩多在轴向力较大，且不致过多增加阶梯数的情况下采用。阶梯轴上截面变化处第三节轴的结构设计定位轴肩的高度：h≈(2~3)C或(2~3)R

5、非定位轴肩：h≈1～2mm，作用是便于轴上零件的装拆。为保证定位准确，R或C＞r轴环宽度一般取：b≈1.4h滚动轴承的定位轴肩或轴环高度－查标准（不大于滚动轴承内圈的高度）套筒定位多用于轴上两个零件距离不大，或不便于加工轴肩的情况。采用套筒可避免应力集中，但因套筒与轴配合较松，所以不宜用于高速轴上。为相配零件的倒角尺寸为相配零件的圆角尺寸第三节轴的结构设计圆螺母螺母可传递较大的轴向力，用于轴上两零件距离较远时，或轴端。需切制螺纹，削弱了轴的强度。轴端挡圈轴端挡圈定位也十分常见。用于固定轴端零件，能承受较大的轴向力。第三节轴的结构设

6、计弹性挡圈需切环槽，削弱了轴的强度。承受不大的轴向力。锥面常与轴端挡圈配合使用。紧定螺钉定位方法简单，轴上零件可沿轴向调整位置，并可兼作周向固定，但这种结构只能承受很小的轴向力，且不适用于高速。采用这些方法固定轴上零件时，为保证固定可靠，应使：与轮毂相配的轴段长度比轮毂宽度短2～3mm，即：l＝B-(2~3)第三节轴的结构设计轴承端盖用螺钉或槽与箱体联接，使轴承外圈固定，一般情况下，整个轴也由此固定。此外还有防尘作用。四、轴上零件的周向固定为传递运动和扭矩大多数采用键（平键、半圆键）花键。在传力很小时，可采用紧配合或紧定螺钉。第三

7、节轴的结构设计为保证轴上零件紧靠在定位面（轴肩），轴肩的圆角半径r必须小于相配零件的倒角C1或圆角半径R，轴肩高度h必须大于C1或R。第三节轴的结构设计四、改善轴的受力状况，减小应力集中合理布置轴上零件可以改善轴的受力状况。第三节轴的结构设计减小应力集中零件截面发生突然变化的地方，都会产生应力集中。合金钢对应力集中比较敏感，尤需加以注意。第四节轴的强度计算由于轴类零件的结构较复杂，受力情况也较复杂，因此应先将其受力形式简化，然后再进行计算。简化方法：均布载荷分布较短时，按集中载荷计算。轴与轴上零件的自重一般忽略。支反力作用点按轴承

8、形式作为铰链支座处理。轴的设计首先要保证其强度，下面介绍常用的几种强度计算方法。一、按扭转强度计算这种方法适用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于即受弯矩又受扭矩的轴的近似计算。第四节轴的强度计算对于只传递转矩的圆截面的轴，其强度条件为第四节轴