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1、直轴（光轴）,直轴（阶梯）,曲轴,CH7 轴（Shafts),习 题,二-14,三-4、四-4,作业题P114,思考题P113,轴的结构设计,轴的工作能力设计,提高轴的强度、刚度和减轻重量的措施,1 轴的结构设计概述2 轴的结构设计3 轴的最小直径的确定,轴的结构设计,1 轴的结构设计概述,一.主要功用,二.分类,1.按承载分,心轴：只承受弯曲（M），不传递转矩（T=0）,1.支承轴上回转零件（如齿轮）,转动心轴：轴转动,固定心轴：轴固定,2.传递运动和动力,轴主要用于支承转动零件，传递运动和动力，同时又受轴承支承，是机械中必不可少的重要零件。,问：火车轮轴属于什么类型？,问：自行车轴属于什么
2、类型？,转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）如：减速器中的轴。,传动轴：只受转矩（T），不受弯矩（M=0）如：汽车下面的传动轴。,讨论：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？,传动轴,转轴,转动心轴,转轴,转轴,转动心轴,如何判断轴是否传递转矩：,从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。,如何判断轴是否承受弯矩：,该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。,曲轴：发动机专用零件,2.按轴线形状分,又可分为实心、空心（加工困难）,光轴,阶梯轴,钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。,曲轴：,三.轴的材料,1.碳素钢：30、35
3、、45、50(正火或调质)，45应用最广。价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。,钢丝软轴的绕制,2.中、低碳合金钢：20Cr、35SiMn、40Cr、40MnB等。强度高、寿命长，对应力集中敏感，用于重载、小尺寸的轴。,3.合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制。常用于凸轮轴、曲轴。,四.轴设计的主要问题,失效形式：,2.变形过大,问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？,1.疲劳破坏,疲劳强度校核,刚度验算（如机床主轴）,4.塑性变形,设计的主要问题：,a.有足够的强度 疲劳强度、静强度；,1.合理的结构设计 保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，
4、便于轴上零件的调整；,b.有足够的刚度 防止产生大的变形；,c.有足够的稳定性 防止共振 稳定性计算。,2.工作能力计算,3.振动折断,高速轴，自振频率与轴转速接近,短期尖峰载荷,验算屈服强度,回 顾,1 轴的结构设计概述,一.主要功用,二.分类,三.轴的材料,四.轴设计的主要问题,二.要求,1.轴与轴上零件要有准确的相对位置；,2.受力合理轴结构有利于提高轴的强度和刚度；,3.轴的加工、装配有良好的工艺性、减少应力集中；,三.轴的毛坯,d小圆钢（棒料）：车制；,d大锻造毛坯；,空心轴：充分利用材料，质量，但加工困难。,2 轴的结构设计,一.目的,确定轴的尺寸、形状：d、l；,结构复杂铸造毛坯
5、，如曲轴；,四.阶梯轴的结构设计,1.拟定轴上零件装配方案,轴颈：装轴承处 尺寸=轴承内径；,轴头：装轮毂处 直径与轮毂内径相当；,轴身：联接轴颈和轴头部分；,装配方案的比较：,2.零件在轴上的固定,（1）轴向固定,a）借助轴本身形状定位：轴肩、圆锥形轴头；,b）借助挡圈、圆螺母、套筒等定位；,注意：防止过定位 L轴段长度=B轮毂宽-(23)mm,保证轴上零件可靠定位：,轴圆角半径r轴上零件倒角尺寸c轴肩高度h,或 轴圆角半径r 轴上零件圆角半径R轴肩高度h,（2）周向固定,键、花键、成形联接、弹性环联接、过盈、销等 轴毂联接,轴肩,非定位轴肩：h=(12)mm；,轴环（直径最大的轴段称为轴环
6、）：b 1.4h；,四处错误,正确答案,三处错误,正确答案,轴系结构改错,两处错误,1.左侧键太长，套筒无法装入2.多个键应位于同一母线上,五.轴段尺寸,1.d：由载荷dmin由结构设计要求确定各段的d。,2.L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑：,1）轴段长比轮毂宽小23 mm可靠定位。2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。,各轴段直径d 和长度L的确定示例,六.轴的结构工艺性设计,1.需磨削的轴段：砂轮越程槽。,3.轴端应有倒角：c45便于装配。,4.装配段不宜过长。,5.固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。,2.需切制螺纹的轴段：螺纹退刀槽。
7、,3 轴的最小直径的确定,按许用切应力计算（按扭转强度计算）,强度条件：,式中：WT 抗扭截面系数，mm3,T许用切应力,C与材料有关的系数（表16.2）,公式应用：,a）传动轴精确计算；,b）转轴的初估轴径dmin结构设计，逐步阶梯化di（支点、力作用点未知）；,c）对于转轴：算出dmin结构设计弯矩图弯扭 合成强度计算；,d）有键槽处：d，单键3%；双键7%。,1 轴的强度计算 2 轴的刚度计算 3 轴的临界转速,轴的工作能力设计,1 轴的强度计算,一.按许用切应力计算（按扭转强度计算）（见结构设计）,二.按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度计算）,已知条件：作用力大小、位置、轴d、l、支点位
8、置,由dmin(扭转初估)结构设计支点、力大小、作用点画出M、T 合成弯矩图危险截面计算。,步骤：P314,1.画出轴的空间受力简图：力分解到水平面、垂直面,画出轴的空间受力简图：力分解到水平面、垂直面,2.作水平面弯矩Mxy图,3.垂直面弯矩Mxz图,5.绘转矩T 图,根据转矩性质不同而引入的应力校正系数。,1）单向旋转、载荷稳定：切应力接近不变 r=+1；,2）单向旋转、载荷不稳定：切应力接近脉动循环 r=0；,3）连续正反转、载荷不稳定：切应力接近对称循环，r=-1；,实际机器运转不可能完全均匀，且有扭转振动的存在，为安全计，常按脉动转矩计算。,循环特性：,6.强度条件：,W 轴的抗弯截
9、面系数，P332 附录表7,5.确定危险截面。,若轴上开键槽：d适当,单键：（35）%，双键：（710）%花键：计算出的d为内径。,回 顾,1 轴的结构设计概述,2 轴的结构设计,3 轴的最小直径的确定,1 轴的强度计算,轴的结构设计,轴的工作能力设计,1.按许用切应力计算（按扭转强度计算,2.按许用弯曲应力计算（弯扭合成强度计算）,3.轴的安全系数校核计算（精确计算）,三.轴的安全系数校核计算（精确计算）,1.疲劳强度校核,重要轴：需进一步在轴结构化后进行精确计算。,没有精确计入影响疲劳强度的其它重要因素。,尺寸系数（、）,表面状态,2）方法：对轴上若干“危险剖面”(实际应力较大的剖面，如受
10、力较 大、截面较小及应力集中较严重处)进行安全系数校核。,3）基本公式：,单纯受弯：,单纯受扭：,k、k有效应力集中系数，P329、P330；表面状态系数P331；、尺寸系数P331；,2 轴的刚度计算,轴受弯矩作用会产生弯曲变形：挠度、转角轴受扭矩作用会产生扭转变形：扭角,1.弯曲变形计算,按挠度曲线的近似微分方程式积分求解按变形能法,2.扭转变形的计算,1）等直径轴：,2）阶梯轴：,3 轴的临界转速,轴发生显著变形的转速ncr n工ncr 共振计算临界转速的目的：在于使工作转速n避开轴的临界转速。,刚性轴n工ncr1n工（0.750.8）ncr1挠性轴超过第一阶临界转速的轴1.4ncr1n
11、0.7ncr2,提高轴的强度、刚度和减轻重量的措施,1.合理布置轴上零件，轴受扭矩。,a)不合理的布置,b)合理的布置,2.改进轴上零件结构，轴弯矩。,a)不合理的布置,b)合理的布置,3.载荷分担，轴上载荷,卸荷带轮：,双联齿轮,斜齿轮：,4.采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。,5.改进轴的结构，减少应力集中,1）避免相邻轴径相差太大；,3）表面打印、紧定螺钉端坑等，,合理选择键槽(盘铣)；,2）适当过渡圆角r，,或用凹切圆角、,肩环；,1、键无法装上,3、运动件不能与静止件接触,15、轴承盖不能与轴直接接触，缺少密封,5、缺少密封和调节垫,6、轴颈该段长度太长,14、套筒外径太大,7、齿轮轴向夹不紧,13、键太长，且与另一键不在同一侧面,12、轴肩太高,8、缺少密封和调节垫,11、轴承应安装成肩并肩,9、多余,10、轴不能与轴承盖接触,2、无法定位,4、箱体外面加工面与非加工面未分开,
