專升本機械設計基礎第11章軸

第11章軸§11-1概述§11-2軸的材料§11-3軸的結構設計§11-4軸的工作能力計算青島科技大學專用潘存云教授研制帶式運輸機減速器電動機轉(zhuǎn)軸§11-1軸的分類和材料功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：一、軸的作用與分類青島科技大學專用潘存云教授研制功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩發(fā)動機后橋傳動軸青島科技大學專用潘存云教授研制類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩前輪輪轂固定心軸火車輪軸車廂重力前叉自行車前輪軸支撐反力轉(zhuǎn)動心軸青島科技大學專用潘存云教授研制類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸光軸階梯軸按軸的形狀分有：一般情況下，直軸做成實心軸，需要減重時做成空心軸青島科技大學專用潘存云教授研制類型轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩按承受載荷分有：分類：按軸的形狀分有：傳動軸---只傳遞扭矩心軸---只承受彎矩直軸光軸階梯軸曲軸青島科技大學專用潘存云教授研制二、軸設計步驟軸的設計程序框圖：青島科技大學專用潘存云教授研制種類碳素鋼：35、45、50、Q235軸的毛坯:一般用圓鋼或鍛件，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵。§

11.2軸的材料

合金鋼:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素結構鋼因具有較好的綜合力學性能，應用較多，尤其是45鋼應用最廣。合金鋼具有較高的力學性能，但價格較貴，多用于有特殊要求的軸。如用球墨鑄鐵制造曲軸和凸輪軸，具有成本低廉、吸振性較好、對應力集中的敏感較低、強度較好等優(yōu)點。為了改善力學性能正火或調(diào)質(zhì)處理。表11-1軸的常用材料及其主要力學性能材料及熱處理毛坯直徑mm硬度HBS強度極限σb

屈服極限σs

MPa彎曲疲勞極限σ-1應用說明Q235440240200用于不重要或載荷不大的軸35正火520270250有較好的塑性和適當?shù)膹姸?，可用于一般曲軸、轉(zhuǎn)軸?！?00149~187……青島科技大學專用潘存云教授研制表11-1軸的常用材料及其主要力學性能青島科技大學專用潘存云教授研制設計任務：使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸?！?1-3軸的結構設計一、軸的結構及各部分名稱軸頭軸身軸頸軸頭軸環(huán)典型軸系結構青島科技大學專用潘存云教授研制裝配方案：確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互關系。青島科技大學專用潘存云教授研制1、軸上零件的定位4、5間的軸肩使齒輪在軸上定位，1、2間的軸肩使帶輪定位，6、7間的軸肩使右端滾動軸承定位。軸肩----階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。

軸肩套筒定位方法：軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。二、軸的結構設計青島科技大學專用潘存云教授研制無法采用套筒或套筒太長時，可采用雙圓螺母加以固定。軸肩的尺寸要求:r<C1

或r<Rb≈1.4h(與滾動軸承相配合處的h和b值,見軸承標準)DdrR軸端擋圈雙圓螺母DdC1rh≈(0.07d~0.1d)mm裝在軸端上的零件往往采用軸端擋圈圓錐面定位。hhC1DdrDdrRb青島科技大學專用潘存云教授研制軸向力較小時，可采彈性擋圈或緊定螺釘來實現(xiàn)。2）周向固定大多采用鍵、花鍵、過盈配合或型面聯(lián)接等形式來實現(xiàn)。為了加工方便，鍵槽應設計成同一加工直線上，且緊可能采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。鍵槽應設計成同一加工直線青島科技大學專用潘存云教授研制④為便于軸上零件的裝拆，一般軸都做成從軸端逐漸向中間增大的階梯狀。2、軸的結構工藝性裝零件的軸端應有倒角，需要磨削的軸端有砂輪越程槽，車螺紋的軸端應有退刀槽。②③⑥⑦①⑤①倒角退刀槽青島科技大學專用潘存云教授研制§11-4軸的設計計算一、按扭轉(zhuǎn)強度計算對于只傳遞扭轉(zhuǎn)的圓截面軸，強度條件為：設計公式為：計算結果為：最小直徑！解釋各符號的意義及單位考慮鍵槽對軸有削弱，可按以下方式修正軸徑：軸徑d≤100mm

d增大5%～7%d增大10%～15%軸徑d＞100mm

d增大3%d增大7%有一個鍵槽有兩個鍵槽青島科技大學專用潘存云教授研制L1L2L3ABCD減速器中齒輪軸的受力為典型的彎扭合成。在完成單級減速器草圖設計后，外載荷與支撐反力的位置即可確定，從而可進行受力分析。二、按抗彎扭合成強度計算

1)軸的彎矩和扭矩分析一般轉(zhuǎn)軸強度用這種方法計算，其步驟如下：青島科技大學專用潘存云教授研制ABCDFNH2FNH2FrFaFtF’NV1FNV2FNV1FNH2FNH2FNV2FNV1Fr水平面受力及彎矩圖→

鉛垂面受力及彎矩圖→

水平鉛垂彎矩合成圖→

扭矩圖→

ωTF’NV1FaMa=Far1)軸的彎矩和扭矩分析一般轉(zhuǎn)軸強度用這種方法計算，其步驟如下：L1L2L3MHMHMV1MV2M1M2T青島科技大學專用潘存云教授研制對于一般鋼制軸，可用第三強度理論（最大切應力理論）求出危險截面的當量應力。2)軸的強度校核設計公式：校核公式：青島科技大學專用潘存云教授研制因σb和τ的循環(huán)特性不同，折合后得：對于一般鋼制軸，可用第三強度理論（最大切應力理論）求出危險截面的當量應力。彎曲應力：扭切應力：代入得：W------抗彎截面系數(shù)；WT

----抗扭截面系數(shù)；2)軸的強度校核按第三強度理論得出的軸的強度條件為：青島科技大學專用潘存云教授研制折合系數(shù)取值：α=

0.3----轉(zhuǎn)矩不變；

0.6----脈動變化；1----頻繁正反轉(zhuǎn)。設計公式：材料σb[σ+1b][σ0b][σ-1b]

4001307040

5001707545

6002009555

70023011065

80027013075

90030014080

100033015090

5001207040

4001005030表13-3軸的許用彎曲應力碳素鋼合金鋼鑄鋼對稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應力青島科技大學專用潘存云教授研制對2點取矩舉例：計算某減速器輸出軸危險截面的直徑。已知作用在齒輪上的圓周力Ft=17400N,徑向力，F(xiàn)r=6140N,軸向力Fa=2860N,齒輪分度圓直徑d2=146mm,作用在軸右端帶輪上外力F=4500N（方向未定）,L=193mm,K=206mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：1)求垂直面的支反力和軸向力=Fad2軸的設計實例aad12青島科技大學專用潘存云教授研制L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadMavM’avF1HF2HMaHF1FF2F2)求水平面的支反力3)求F力在支點產(chǎn)生的反力4)繪制垂直面的彎矩圖5)繪制水平面的彎矩圖FtF青島科技大學專用潘存云教授研制MaMavM’avF1HF2HMaHF1FF2FM2F6)求F力產(chǎn)生的彎矩圖7)繪制合成彎矩圖考慮F可能與H、V內(nèi)合力共面a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為：MaFM’aL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF青島科技大學專用潘存云教授研制MaMavM’avF1HF2HMaHF1FF2FM2F8)求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩9)求危險截面的當量彎矩MaFM2M’aT扭切應力為脈動循環(huán)變應力，取折合系數(shù):α=0.6L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF青島科技大學專用潘存云教授研制求考慮到鍵槽對軸的削弱，將d值增大4%，故得：10)計算危險截面處軸的直徑選45鋼，調(diào)質(zhì)，σb=650MPa,[σ-1b]=60MPa符合直徑系列。青島科技大學專用潘存云教授研制按彎扭合成強度計算軸徑的一般步驟：1.將外載荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反力FV和水平面支撐反力FH

;2.作垂直彎矩MV圖和彎矩MH圖

;3.作轉(zhuǎn)矩T圖；4.彎扭合成，作當量彎矩Me圖；5.計算危險截面軸徑:1.

若危險截面上有鍵槽，則應加大4%2.

若計算結果大于結構設計初步估計的軸徑，則強度不夠，應修改設計；3.

若計算結果小于結構設計初步估計的軸徑，且相不大，一般以結構設計的軸徑為準。對于一般剛軸，按上述方法設計即可。對于重要的軸，還必須用安全系數(shù)法作精確校核計算。說明：青島科技大學專用潘存云教授研制§13-4軸轂聯(lián)接一、鍵連接

鍵聯(lián)接主要用于軸和軸上零件的周向固定并傳遞轉(zhuǎn)矩；有的兼作軸上零件的軸向固定或軸向滑動。松鍵聯(lián)接

松鍵聯(lián)接可分為平鍵聯(lián)接和半圓鍵聯(lián)接。

1、平鍵聯(lián)接工作原理：平鍵的上表面與輪轂鍵槽頂面留有間隙，依靠鍵與鍵槽間的兩側面擠壓力F，傳遞轉(zhuǎn)矩T。工作面：兩側面為工作面青島科技大學專用潘存云教授研制（1）普通平鍵聯(lián)接：主要尺寸：鍵長L、鍵寬b和鍵高h。端部形狀：圓頭（A型）、平頭（B型）和單圓頭（C型），C型鍵用于軸端。A、C型鍵的軸上鍵槽用立銑刀切制，對軸應力集中較大。B型鍵的軸上鍵槽用盤銑刀銑出，軸上應力集中較小。青島科技大學專用潘存云教授研制（2）導向平鍵聯(lián)接

當零件需要作軸向移動時，可采用導向平鍵聯(lián)接。導向平鍵較普通平鍵長，為防止鍵體在軸中松動，用兩個螺釘將其固定在軸上，其中部制有起鍵螺釘。（3）滑鍵聯(lián)接

滑鍵與軸上的零件固定為一體，工作時二者一起沿長的軸槽滑動，適應于軸上零件移動距離