機(jī)械設(shè)計(jì)第16章

第16章軸

軸—組成機(jī)器的一個(gè)重要零件，用于支承旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件。 本章介紹軸的分類(lèi)、材料和軸的有關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題（理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）。16.1概述

一、軸的分類(lèi)按軸的形狀分類(lèi)直軸按載荷性質(zhì)分類(lèi)按外形分類(lèi)

光軸

階梯軸曲軸鋼絲軟軸特殊用途的軸：凸輪軸轉(zhuǎn)軸心軸傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)軸工作時(shí)既受彎矩又受扭矩心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸心軸：工作時(shí)只承受彎矩而不承受扭矩火車(chē)車(chē)廂的支承軸是轉(zhuǎn)動(dòng)心軸固定心軸—自行車(chē)前軸傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸則主要承受扭矩。不受彎矩或彎矩很小。汽車(chē)的傳動(dòng)軸二、設(shè)計(jì)軸的主要問(wèn)題軸的設(shè)計(jì)： 根據(jù)工作要求并考慮制造工藝等因素，選用合適的材料，按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)強(qiáng)度和剛度計(jì)算，定出軸的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，高速軸還需進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算。二、設(shè)計(jì)軸的主要問(wèn)題軸的設(shè)計(jì)步驟：

1.選擇軸的材料

2.初定軸徑

3.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.軸的強(qiáng)度、剛度等校核軸的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 足夠的強(qiáng)度（剛度） 合理的結(jié)構(gòu) 良好的工藝性三、軸的材料及選擇選擇材料時(shí)要考慮的因素：軸的強(qiáng)度、剛度和耐磨性軸的熱處理方式及機(jī)加工工藝性的要求軸的材料來(lái)源軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛鋼。三、軸的材料及選擇1.碳素鋼（價(jià)格低）45

一般用途的軸，一般經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理Q235（A3)

不重要或受力較小的軸2.合金鋼（有較高的機(jī)械性能和良好的熱處理性能）40Cr

較重要或受力大的軸，調(diào)質(zhì)處理20Cr

較重要或受力大的軸，滲碳+淬火處理38CrMoAl重要的軸，調(diào)質(zhì)+氮化處理3.球墨鑄鐵（成型軸，成本低、可靠性差）16.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 根據(jù)軸上零件定位和固定的要求，以及加工和裝配的具體情況，合理地定出軸的各部分形狀和全部尺寸的過(guò)程。這是在設(shè)計(jì)軸時(shí)很重要的內(nèi)容。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（要求）：1.有利于提高軸的強(qiáng)度、剛度（減小軸上的負(fù)荷和應(yīng)力集中）。2.保證軸上各零件定位準(zhǔn)確、固定可靠。3.便于加工和裝拆（具有良好的工藝性）。本節(jié)內(nèi)容1.軸上零件的合理布置2.軸的結(jié)構(gòu)形狀3.合理選擇軸上零件定位和固定方式4.軸的結(jié)構(gòu)工藝性和改善軸的疲勞強(qiáng)度軸的結(jié)構(gòu)1.軸上零件的合理布置使轉(zhuǎn)矩分配合理圖（a）Tmax=T1+T2,圖（b）Tmax=T1（T1>T2）1.軸上零件的合理布置改善軸上的彎矩分布圖（a）Mmax=FL/4圖（b）Mmax=FL/81.軸上零件的合理布置改變應(yīng)力狀態(tài)圖（a）軸同時(shí)受彎矩和轉(zhuǎn)矩圖（b）軸只受彎矩卷筒軸受彎矩和轉(zhuǎn)矩作用卷筒軸只受彎矩作用1.軸上零件的合理布置2.軸的結(jié)構(gòu)形狀光軸便于加工，拋物形回轉(zhuǎn)體軸等強(qiáng)度階梯軸（便于軸上零件的裝拆和加工）配合軸段直徑取標(biāo)準(zhǔn)值與滾動(dòng)軸承配合軸徑，應(yīng)符合軸承內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)軸上螺紋直徑，應(yīng)符合螺紋標(biāo)準(zhǔn)（大徑、螺距）軸上各段長(zhǎng)度，取決于軸上零件的寬度一般L=(1.5~2)d d—軸徑3.合理選擇軸上零件定位和固定方式軸上零件應(yīng)有確定的位置，零件必須牢靠地安裝在軸上，不允許零件沿軸向或圓周方向滑動(dòng)。定位和固定方式分為：軸向和周向（切向）零件在軸向定位和固定軸肩、軸環(huán)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位可靠、可承受較大的軸向力、應(yīng)用廣泛（齒輪、軸承等軸向固定）；但會(huì)增加軸的直徑。軸承的拆卸軸肩高度不能超過(guò)軸承內(nèi)圈，套筒的高度不能超過(guò)軸承內(nèi)圈。零件在軸向定位和固定套筒： 簡(jiǎn)單、可靠，可承受較大的軸向力，簡(jiǎn)化軸的結(jié)構(gòu)，用于軸中部、2個(gè)零件距離較小的場(chǎng)合。零件在軸向定位和固定軸端擋圈：用于軸端零件固定，可承受較大的軸向力。零件在軸向定位和固定軸端擋圈與錐面雙圓螺母和軸肩圓螺母與止推墊圈：定位可靠、拆卸方便、可承受較大的軸向力，用于零件間距離較大的場(chǎng)合。零件在軸向定位和固定零件在軸向定位和固定零件在軸向定位和固定彈性擋圈：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，只能承受較小的軸向力，常用于固定滾動(dòng)軸承。零件在軸向定位和固定鎖緊擋圈緊定螺釘和鎖緊擋圈：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于軸向力較小的零件固定，也可用于周向固定。軸上零件的周向固定鍵聯(lián)接花鍵聯(lián)接成形聯(lián)接過(guò)盈聯(lián)接銷(xiāo)聯(lián)接彈性環(huán)聯(lián)接4.軸的工藝性和改善疲勞強(qiáng)度圓角減載槽1）減少軸的應(yīng)力集中（截面變化處應(yīng)采用圓角）4.軸的工藝性和改善疲勞強(qiáng)度凹切圓角中間環(huán)1）減少軸的應(yīng)力集中4.軸的工藝性和改善疲勞強(qiáng)度2）改善軸的表面品質(zhì)，提高軸的疲勞強(qiáng)度Ra1.6μm→0.2μm強(qiáng)度提高5%Ra1.6μm→12.5μm強(qiáng)度降低10%常采用：噴丸、滲碳、氮化和高頻淬火；重要的軸要進(jìn)行探傷，防止內(nèi)部裂紋。4.軸的工藝性和改善疲勞強(qiáng)度3）軸的結(jié)構(gòu)工藝性為了便于導(dǎo)向和避免擦傷配合表面，軸的端部應(yīng)制成倒角或引導(dǎo)錐。4.軸的工藝性和改善疲勞強(qiáng)度3）軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸磨削加工和車(chē)螺紋時(shí)，應(yīng)有砂輪越程槽、螺尾的退刀槽。軸上的鍵槽一般布置在同一條母線(xiàn)上。同一軸上的過(guò)渡圓角半徑、鍵槽、越程槽、退刀槽的尺寸應(yīng)盡量相同。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)四處錯(cuò)誤正確答案（1）左端光軸直徑與螺紋外徑一樣大，螺母無(wú)法旋入（2）螺紋無(wú)退刀槽（3）安裝軸承的軸段長(zhǎng)與軸承寬度一樣，無(wú)法保證軸承的軸向固定（4）右軸肩高度＝滾動(dòng)軸承內(nèi)圈高度軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)四處錯(cuò)誤正確答案（4）多個(gè)鍵應(yīng)位于同一母線(xiàn)上（1）套筒無(wú)法裝入（3）鍵與輪轂槽底無(wú)間隙（2）鍵無(wú)法裝入軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三處錯(cuò)誤（1）左側(cè)鍵太長(zhǎng)，套筒無(wú)法裝入（2）鍵與輪轂槽底無(wú)間隙（3）多個(gè)鍵應(yīng)位于同一母線(xiàn)上軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件剛度條件臨界轉(zhuǎn)速的概念16.3軸的強(qiáng)度計(jì)算按許用切應(yīng)力計(jì)算（扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度）按許用彎曲應(yīng)力計(jì)算（彎扭合成強(qiáng)度）安全系數(shù)校核計(jì)算（疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)計(jì)算）靜強(qiáng)度校核（靜強(qiáng)度的安全系數(shù)計(jì)算）一、按許用切應(yīng)力計(jì)算（扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度）用于既受彎矩又受扭矩的軸的近似計(jì)算。（降低扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力來(lái)考慮彎矩）可用于傳動(dòng)軸的精確計(jì)算計(jì)算出的d一般做軸受載荷部分最細(xì)處的直徑。[τT]和C見(jiàn)表16.2，已考慮了彎矩的影響。當(dāng)彎矩相對(duì)于轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，[τT]取大值，C取小值。軸截面有一個(gè)鍵槽時(shí)，d增大3%，兩個(gè)鍵槽時(shí)，d增大7%.二、按許用彎曲應(yīng)力計(jì)算（彎扭合成強(qiáng)度）適用于同時(shí)承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的軸。計(jì)算步驟：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所確定的軸的幾何結(jié)構(gòu)和軸上零件的位置，畫(huà)出軸的受力簡(jiǎn)圖；繪制彎矩圖、扭矩圖；按第三強(qiáng)度理論進(jìn)行軸的彎扭合成強(qiáng)度的校核。齒輪減速器設(shè)計(jì)草圖第三強(qiáng)度理論：考慮到彎矩M作用下產(chǎn)生的正應(yīng)力與轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的性質(zhì)不同，引入修正系數(shù)3.安全系數(shù)校核計(jì)算（疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)計(jì)算）4.靜強(qiáng)度的安全系數(shù)計(jì)算靜強(qiáng)度校核的目的在于校核軸對(duì)塑性變形的抵抗能力。軸上的尖峰載荷即使作用時(shí)間很短和出現(xiàn)次數(shù)很少，不足以引起疲勞破壞，但卻能使軸產(chǎn)生塑性變形?！捎诩夥遢d荷所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力；——材料的彎曲和剪切屈服極限。軸的設(shè)計(jì)過(guò)程選材，估算出軸徑，再進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，并“細(xì)化”各部分尺寸．對(duì)軸進(jìn)行安全系數(shù)的校核時(shí)，軸的過(guò)渡圓角、鍵槽等尺寸，軸的表面狀態(tài)和熱處理等必須先行確定。軸的強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要交替進(jìn)行，邊畫(huà)圖，邊計(jì)算，逐步完善。軸的設(shè)計(jì)實(shí)例已知：作用在齒輪上的圓周力Ft=17400N，徑向力Fr=6410N，軸向力Fa=2860N，齒輪分度圓直徑d2=146mm，作用在軸右端帶輪上的外力F=4500N（方向未定），L=193mm，K=206mm。解：1、求支承反力（1）在垂直面內(nèi)：（2）在水平面內(nèi)（3）F力在支點(diǎn)產(chǎn)生的反力2、繪制彎矩圖（1）垂直面內(nèi)的彎矩圖（2）水平面內(nèi)的彎矩圖（3）F力產(chǎn)生的彎矩圖3、