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1、主要内容1、轴的结构设计：影响轴结构的因素；轴的台阶化设计；轴的设计步骤。2、轴的强度与刚度计算：轴上载荷及应力分析；轴的强度计算、刚度计算等。基本要求1、了解轴的功用、类型、特点及应用。2、掌握轴的结构设计方法。3、掌握轴的三种强度计算方法：按扭转强度计算、按弯扭合成强度计算、按疲劳强度进行安全系数校核计算。,第六章 轴的设计,一、轴设计概述,1.轴的功用及分类,功用,支撑回转零件,传递运动和转矩,分类,心轴：只承受弯矩、不承受转矩,传动轴：主要承受转矩、不承受或承受很小弯矩,转轴：既承受弯矩、又承受转矩,转动心轴,固定心轴,按载荷分类,分类,按轴的外形分类,光轴,阶梯轴,直径无变化,直径有
2、变化,光轴,阶梯轴,空心轴,2.轴的设计步骤,有特殊要求时,3.轴的材料,(1)碳素钢,优质碳素钢：35、45、50等,45钢使用最广泛,普通碳素钢：Q235A等,特点,强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好,应力集中敏感性小,热处理后提高耐磨性、疲劳强度,(2)合金钢,用于高速、重载、较重要的轴,常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等,特点,对应力集中敏感性较大,强度和淬火性比碳素钢好,价格比碳素钢贵,注意,刚度与碳素钢相同(两者弹性模量 E 相近),我国Cr、Ni 资源少，尽量用代用钢种,(如40MnB机械性能接近40Cr),(3)球墨铸铁,以铁代钢,特点,对应力集中敏感性较小,吸振
3、性、耐磨性好,可以做成复杂形状,价廉,冲击韧性低、质量不易控制,毛坯,圆钢棒料 尺寸小的轴,锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴,焊接毛坯 大件锻造困难,铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等,二、轴的结构设计,1.轴的结构设计原则,满足强度、刚度、防振的要求，并通过,结构设计提高这些方面的性能,(2)保证轴上零件定位且固定可靠,(3)便于轴上零件装拆和调整,(4)轴的加工工艺性好,2 轴的主要组成,轴颈 轴上被支承的部分。,轴头安装轮毂部分。,轴身联接轴颈和轴头的部分。,轴伸外伸的轴头。,轴肩或轴环阶梯轴上截面尺寸变化的部位,为了便于安装和拆卸，一般的转轴均为中间大、两头小的阶梯轴。轴肩和轴环便于轴
4、上零件的安装，常做为轴向定位、固定的手段，其高度取决于它的用途。,3.轴上零件的轴向定位和固定,(1)轴肩与轴环,轴的过渡圆角半径 r 零件毂孔倒角C,或圆角 R,轴肩高度 h C或R,(2)套筒,不宜用于较高转速的轴,不能有“过定位”L B,(3)紧定螺钉,兼作周向固定,受力较小、不宜于高速轴,(4)圆螺母和弹性档圈,螺纹应力集中严重、不宜,在轴的中间部位,用于轴向力较小的场合,圆螺母,弹性档圈,(5)轴端档圈,用螺钉将档圈固定在轴的端面,要与轴肩或锥面配合、固定轴端零件,4.轴上零件的周向固定,(1)键,(2)过盈配合,平键 使用最为广泛,花键 承载能力较大,5.轴的加工和装配工艺性,从装
5、配观点 两头小中间粗,从承载观点 中间受弯矩大,退刀槽,越程槽,6.提高轴强度与刚度的结构措施,(1)减小轴的应力集中,避免轴的剖面尺寸剧变，过渡圆角半径不宜过小,减小过盈处应力集中开减载槽,凹切圆角,过渡肩环,(2)改善轴的受力状况,合理布置零件位置,改变零件结构,改善轴的受力,车床输入轴卸载装置,7.轴的结构改错,结构改错一,结构改错二,结构改错三,结构改错四,7.轴的结构设计举例,确定各零件位置,初估dmin,确定各配合段直径,零件的轴向定位与固定,零件的周向固定,注意：键槽,过定位,密封,轴系结构举例1 在蜗轮传动中，为保证蜗轮蜗杆正确啮合，蜗轮中间平面必须通过蜗杆的轴线，因此，蜗轮轴
6、系中的轴承应能按箭头方向调整。,轴系结构举例2 在锥齿轮传动中，为保证正确的啮合，必须使两锥齿轮锥顶重合，因此轴承的位置应按箭头方向调整。,三、轴的强度计算,1.按扭转强度计算(初算轴径),对于转轴,由轴的结构而定,(跨距？力作用点？),转矩,弯矩,解决办法：,适于初估直径,的强度条件,仅考虑,用降低,来考虑,的影响,T为轴传递的转矩，Nmm；WT为轴的抗扭剖面系数mm3，其中WT=d3/16 0.2d 3；T 为许用扭剪应力(已考虑弯矩对轴的影响)，MPa；,对于一定的材料为常数,对于实心圆轴,的设计式,取值,式中：d为轴的直径，mm；T为轴的扭剪应力，MPa；P为轴传递的功率，kW；n 为
7、轴的转速，r/min；C 为计算常数，取决于轴的材料和受载情况。,注意问题,1)轴段上开有键槽时，应适当增大轴径；单键槽增大3，双键槽增大7。然后将轴径圆整。,2)按此方法估算出的轴径，应为轴上端部最小直径。,2.按弯扭合成强度计算(一般轴),强度条件为：,对于直径 d 的实心轴,轴结构,水平面,受力简图,水平弯矩图,转矩图,当量弯矩图,垂直面,受力简图,垂直弯矩图,合成弯矩图,折算系数,当量弯矩,和,在转轴上产生的应力性质可能不同,材料力学中：,产生的弯曲应力,对称循环变应力,产生的扭剪应力,为：,大小和方向不变,静应力,大小经常变化,脉动循环变应力,大小和方向经常变化,对称循环变应力,转化
8、为对称循环变化来考虑,将,校核式：,危险截面,最大处,设计式：,截面若有键槽，算出直径加大5,3.按安全系数校核计算(重要轴),疲劳强度安全系数计算,受弯曲、扭剪应力复合作用的强度条件,计算安全系数,受弯矩的安全系数,受扭矩的安全系数,许用安全系数,考虑,应力集中,绝对尺寸,表面质量,对轴疲劳强度的影响,危险截面：有应力集中源且,当量弯矩较大处,同一截面有多种应力,集中源时取最大的,表面质量 系数,绝对尺寸 系数,应力集中 系数,弯曲时,扭转时,平均 应力,应力幅,对称循 环应力,弯曲,扭剪,平均应力折合成应力幅的等效系数,弯曲时,扭转时,应力性质,对称循环,脉动循环,固定轴或 载荷随轴转,一
9、般转轴,应力性质,脉动 循环,对称 循环,单向 转动,双向 转动,静强度安全系数计算,短时严重过载场合,提高轴的强度和刚度的措施,1.合理设计和合理布置轴上零件，减小最大载荷,2.采用力平衡或局部相互抵消的办法，减小轴的载荷,3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度,4.改善表面质量，提高轴的疲劳强度,表面强化处理的方法：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氮花、氰化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。,5.采用空心轴，增大轴的刚度,设计实例例：设计带式运输机减速器的主动轴.已知传递功率=10kW,转速=200 r/min,齿轮齿宽 B=100mm,齿数=40,模数=5mm,螺旋角，轴端装有联轴器。,
10、a,b,1、优质碳素钢经调质处理制造的轴，验算刚度时发现不足，正确的改进方法是。A、加大直径B、改用合金钢C、改变热处理方法D、降低表面粗糙度值 2、工作时只承受弯矩，不传递转矩的轴，称为。A、心轴B、转轴C、传动轴D、曲轴 3、采用的措施不能有效地改善轴的刚度。A、改用高强度合金钢B、改变轴的直径C、改变轴的支承位置D、改变轴的结构 4、计算当量弯矩时，要引入系数a，这是考虑。A、轴上键槽削弱轴的强度B、合成正应力与剪切应力时的折算系数C、正应力与剪切应力的循环特性不同的系数D、正应力与剪切应力方向不同,自测题,5、转动的轴，受不变的载荷作用，其所受的弯曲应力的性质为。A、脉动循环B、对称循环C、静应力D、非对称循环 6、对于受对称循环转矩作用的转轴，计算当量弯矩，应取。A、0.3B、0.6C、1D、1.3 7、设计减速器中的轴，其一般设计步骤为。A、先进行结构设计，再按转矩、弯曲应力和安全系数校核B、按弯曲应力初算轴径，再进行结构设计，最后校核转矩和安全系数C、根据安全系数定出轴径和长度，冉校核转矩和弯曲应力D、按转矩初估轴径，再进行结构设计，最后校核弯曲应力和安全系数 8、根据轴的承载情况，的轴称为转轴。A、既承受弯矩又承受转矩B、只承受弯矩不承受转矩C、不承受弯矩只承受转矩D、承受较大轴向载荷,
