第八章　軸的設(shè)計

機械設(shè)計教程第3版機械工業(yè)出版社第八章軸的設(shè)計第一節(jié)概述

第二節(jié)軸的強度計算第三節(jié)軸的剛度計算簡介第四節(jié)軸的振動穩(wěn)定性計算簡介

第一節(jié)概述

軸是機器中重要的機械零件之一。例如機床主軸、自行車輪軸、錄音機磁帶軸、計算機磁盤中心軸等,都是其中非常關(guān)鍵的零件。軸屬于非標(biāo)準(zhǔn)件,其設(shè)計內(nèi)容包括材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作能力計算等。軸設(shè)計的一般步驟是:根據(jù)工作要求選擇軸的材料和熱處理方法;然后根據(jù)傳動系統(tǒng)簡圖計算出軸的轉(zhuǎn)矩,進行最小直徑估算;再根據(jù)軸上零件的安裝和受力等情況進行軸的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計;最后對軸的工作能力進行校核計算,若不滿足要求,則需重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算。因此,軸的設(shè)計過程是結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算交替進行、逐步完善的。本章主要介紹軸的工作能力設(shè)計問題。第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類軸的結(jié)構(gòu)一般是橫截面為圓形的回轉(zhuǎn)體。軸上零件也大多是回轉(zhuǎn)件。軸的主要作用是支撐機器中的其他回轉(zhuǎn)零件,如齒輪、飛輪等,并在傳動零件之間傳遞運動和動力。軸的分類方法有許多種,概括起來,可以按兩種方法分類,即按軸所受載荷類型分類和按軸的結(jié)構(gòu)類型分類。軸按所受載荷類型分為心軸、傳動軸和轉(zhuǎn)軸(表8-1)。第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類軸按結(jié)構(gòu)類型分為直軸和曲軸(圖8-1)、光軸和階梯軸、實心軸和空心軸(圖8-2)。圖8-3所示為鋼絲軟軸。圖8-1內(nèi)燃機曲軸圖8-2車床主軸第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類圖8-3鋼絲軟軸第一節(jié)概述

二、軸的材料軸的材料主要采用碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯大多用軋制圓鋼和鍛件,也有的直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價格低廉,對應(yīng)力集中的敏感性較小,所以應(yīng)用較為廣泛。合金鋼常用于載荷大、要求結(jié)構(gòu)緊湊、耐磨或工作條件較為惡劣的場合。鋼材的種類和熱處理對其彈性模量的影響很小,因此選用高性能鋼材來提高軸的剛性并無實效。對于形狀復(fù)雜的軸,軸的材料也可以采用鑄造性能好的高強度鑄鐵和球墨鑄鐵。表8-2列出了軸的常用材料及其主要力學(xué)性能,其他材料可以參閱文獻[25]。第一節(jié)概述

二、軸的材料第一節(jié)概述

三、軸的工作能力計算軸的工作能力計算主要包括軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性計算。一般的軸只要滿足強度條件即可正常工作。此時,為避免軸的斷裂或塑性變形,只需對軸的強度進行計算。而有的軸,如車床主軸和受力大的細長軸,為避免軸產(chǎn)生過大的彈性變形而造成失效,需要對軸的剛度進行計算。對于高速旋轉(zhuǎn)的軸,為避免產(chǎn)生共振而造成失效,需要對軸的振動穩(wěn)定性進行計算。第二節(jié)軸的強度計算軸的強度計算方法主要分為兩大類:①按疲勞強度計算,包括按扭轉(zhuǎn)強度條件計算、按彎扭合成強度條件計算和按疲勞強度條件進行精確校核三種方法。②按靜強度計算。按扭轉(zhuǎn)強度條件計算的方法主要用于以下幾種情況:①傳動軸的計算。②初步估算轉(zhuǎn)軸受扭段的最小直徑,以便進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。③不重要的軸。若存在不大的彎矩時,則通過降低許用切應(yīng)力來考慮彎矩的影響。按彎扭合成強度條件計算的方法主要用于一般轉(zhuǎn)軸和心軸的計算。按疲勞強度條件計算的方法比較復(fù)雜,主要用于重要轉(zhuǎn)軸的精確計算。按靜強度條件計算的方法主要用于瞬時過載很大的軸的計算。這四種方法可以單獨使用,也可以聯(lián)合使用,視具體情況而定。第二節(jié)軸的強度計算一、按扭轉(zhuǎn)強度條件計算

第二節(jié)軸的強度計算一、按扭轉(zhuǎn)強度條件計算第二節(jié)軸的強度計算一、按扭轉(zhuǎn)強度條件計算第二節(jié)軸的強度計算一、按扭轉(zhuǎn)強度條件計算

第二節(jié)軸的強度計算二、按彎扭合成強度條件計算

第二節(jié)軸的強度計算二、按彎扭合成強度條件計算

第二節(jié)軸的強度計算二、按彎扭合成強度條件計算

第二節(jié)軸的強度計算二、按彎扭合成強度條件計算第二節(jié)軸的強度計算二、按彎扭合成強度條件計算第二節(jié)軸的強度計算三、按疲勞強度條件進行精確校核

第二節(jié)軸的強度計算三、按疲勞強度條件進行精確校核

第二節(jié)軸的強度計算四、按靜強度條件計算

第二節(jié)軸的強度計算四、按靜強度條件計算

第三節(jié)軸的剛度計算簡介

第三節(jié)軸的剛度計算簡介圖8-6軸的變形第三節(jié)軸的剛度計算簡介第四節(jié)軸的振動穩(wěn)定性計算簡介當(dāng)軸和軸上零件組成一個構(gòu)件做整體運動時,如果它所受外力的激振頻率與自身的固有頻率相同或接近時,那么軸將產(chǎn)生共振現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為軸的振動。軸在引起共振時的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。軸的振動穩(wěn)定性計算的目的就是使軸的工作轉(zhuǎn)速避開其臨界轉(zhuǎn)速。軸的振動分為彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動和縱向振動等。一般而言,軸的彎曲振動現(xiàn)象最為常見。在轉(zhuǎn)速不高的一般通用機械中,軸的振動問題不是很突出,常予以忽略。但在高速運轉(zhuǎn)的軸中,就必須對軸的振動穩(wěn)定性問題進行計算分析。當(dāng)激振頻率與零件的固有頻率成整數(shù)倍關(guān)系時,零件就會發(fā)生共振而失效。共振時的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。高轉(zhuǎn)速的軸,其臨界轉(zhuǎn)速有許多個,由低到高分別稱為一階臨界轉(zhuǎn)速、二階臨界轉(zhuǎn)速等。各階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的共振都會加劇軸的振動,但在一階臨界轉(zhuǎn)速時,軸的振動最激烈,最為危險,所以通常主要計算一階臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)軸的工作轉(zhuǎn)速很高時,應(yīng)使軸快速通過各階臨界轉(zhuǎn)速。軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避開相應(yīng)的共振區(qū),這樣的軸才具有振動穩(wěn)定性。即振動穩(wěn)定性就是在設(shè)計時要使外部激振頻率與零件的固有頻率錯開(圖8-7)。若用f表示零件固有頻率,fp表示激振頻率,則振動穩(wěn)定性條件為fp<0.85f或fp>1.25f(8-15)把激振源與零件隔離,阻止