機(jī)械基礎(chǔ) 課件 模塊八任務(wù)一 軸

課程導(dǎo)入：模塊八軸系零部件

任務(wù)一

軸

軸是機(jī)械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回轉(zhuǎn)的機(jī)械零件（如齒輪、帶輪等），并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。汽車傳動(dòng)軸火車車輪軸減速器軸

2010年11月4日，澳洲航空公司的一架A380客機(jī)執(zhí)行倫敦-新加坡-悉尼的QF32航班任務(wù)時(shí)，機(jī)上載有440名乘客及26名機(jī)組成員。

飛機(jī)由新加坡起飛后，爬升幾分鐘飛到2134米高度時(shí)，突然出現(xiàn)了爆炸聲，飛機(jī)隨即處于難以控制的狀態(tài)。原因是2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中壓渦輪驅(qū)動(dòng)中壓壓氣機(jī)的傳動(dòng)軸突然折斷，造成中壓渦輪盤爆破成幾塊，斷塊以很大的離心力打穿渦輪機(jī)匣與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙（如圖）。

在機(jī)組人員精心操作下，將損壞嚴(yán)重、難于控制的飛機(jī)終于在起飛后109分鐘，在距機(jī)場(chǎng)跑道（跑道長(zhǎng)4000米）盡頭150米處安全停住。創(chuàng)造了航空史上的一個(gè)奇跡。受損的發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)受損情況教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解軸的類型和特性；2.掌握軸的常用材料；3.掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4.掌握軸的強(qiáng)度校核。能力目標(biāo)1.能夠正確選擇軸的材料；2.能夠進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3.能夠進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核。素養(yǎng)目標(biāo)1.樹(shù)立自立協(xié)作、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心的工作態(tài)度，處理好人際關(guān)系。2.培養(yǎng)學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)和規(guī)范意識(shí)；3.培養(yǎng)學(xué)生敢于擔(dān)當(dāng)、精益求精的工匠精神。【學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)】1.軸的功用和類型；2.軸材料的選擇；3.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4.軸強(qiáng)度的校核?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】一、軸的功用和類型（一）軸的功用

軸的主要功用是支承旋轉(zhuǎn)零件（如齒輪、帶輪、聯(lián)軸器等），以傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，是組成機(jī)器的重要零件之一。（二）軸的類型1.根據(jù)承載情況不同，軸可分為傳動(dòng)軸、心軸和轉(zhuǎn)軸三類。如圖所示。（a）傳動(dòng)軸

（b）心軸

（c）轉(zhuǎn)軸2.按軸線的幾何形狀分類

按軸線的幾何形狀不同，軸可分為直軸、曲軸和撓性軸三類，如圖所示。二、軸的材料

軸的主要失效形式為疲勞破壞，其材料應(yīng)具有較好的強(qiáng)度、韌性及耐磨性。

選用軸材料時(shí)應(yīng)綜合考慮，具體按以下要求選?。?.一般用途的軸常用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如35、45、50等，采用正火或調(diào)質(zhì)處理；2.輕載或不重要的軸可采用普通碳素鋼；3.重載重要的軸可選用合金結(jié)構(gòu)鋼，如20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等，其力學(xué)性能高，但成本較高。三、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的基本要求

1.有利于提高軸的強(qiáng)度和剛度。

2.軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置。

3.軸應(yīng)便于加工，軸上零件要易于裝拆。4.軸應(yīng)具有良好的制造工藝性。5.軸各部分的直徑和長(zhǎng)度的尺寸要合理。軸的裝配（二）軸的結(jié)構(gòu)組成

軸的結(jié)構(gòu)一般由軸頭、軸頸、軸身、軸肩和軸環(huán)等組成，如圖所示。（三）軸最小直徑的估算

常根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件來(lái)估算軸的最小直徑，軸的最小直徑可按照模塊一公式（1-29）進(jìn)行計(jì)算。則軸的最小直徑估算公式為：C—由軸的材料和載荷情況確定的常數(shù)。

考慮到軸上開(kāi)有鍵槽會(huì)削弱軸的強(qiáng)度，可將軸徑適當(dāng)增大。軸上開(kāi)有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑可增大3%左右，軸的同一截面開(kāi)有兩個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑可增大7%左右。軸的標(biāo)準(zhǔn)直徑見(jiàn)表8-2。（四）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.軸的加工和裝配工藝性（1）軸的形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單，階梯級(jí)數(shù)盡可能少。（2）鍵槽、圓角半徑、倒角、中心孔等尺寸盡可能統(tǒng)一，以利于加工和檢驗(yàn)。如圖所示。鍵槽與倒角（3）車制螺紋的軸段應(yīng)有退刀槽，磨削的軸段應(yīng)設(shè)計(jì)砂輪越程槽，如圖所示。（4）當(dāng)軸上有多處鍵槽時(shí)，應(yīng)使各鍵槽位于同一圓軸母線上。（5）為便于裝配，軸端均應(yīng)有倒角。（6）為了便于安裝與拆卸，階梯軸應(yīng)設(shè)計(jì)成兩端小中間大，便于零件從兩端裝拆。（7）各零件裝配應(yīng)盡量不接觸其他零件的配合表面。（8）軸肩高度不應(yīng)妨礙零件的拆卸。退刀槽與越程槽2.軸上零件的定位與固定（1）軸上零件的軸向定位與固定

常用軸上零件的軸向定位與固定方式、特點(diǎn)及應(yīng)用見(jiàn)表8-3。注意：（1）非定位軸肩是為了加工和裝配方便而設(shè)置的，其高度沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定，一般為1～2mm。（2）為保證軸上零件能可靠定位，當(dāng)采用套筒、軸端擋圈、圓螺母作軸向定位與固定時(shí)，軸與零件相配合的軸段長(zhǎng)度應(yīng)比輪轂的長(zhǎng)度短2～3mm。（3）軸上零件的周向固定

軸上零件周向必須固定可靠，才能傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力。周向固定可采用平鍵、花鍵、銷、過(guò)盈配合等，如圖所示。軸上零件的周向固定方法3.提高軸疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮減少應(yīng)力集中，以提高軸的疲勞強(qiáng)度。如圖所示。（a）凹切圓角

（b）過(guò)渡肩環(huán)

（c）開(kāi)卸載槽C為由軸的材料及承載情況確定的常數(shù)。由下表查得。1.按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

這種方法視軸只受轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩大小估算d，并用降低許用扭剪應(yīng)力的方法來(lái)考慮彎矩的影響。四、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸的材料Q235、20Q275、354540Cr、35SiMn、38SiMnMo[τ]/MPa15～2520～3525～4540～52C149～126135～112126～103106～97—扭剪應(yīng)力，MPa—許用扭剪應(yīng)力，MPa—抗扭截面系數(shù)，mm3

—轉(zhuǎn)矩，N.mm—傳遞的功率，KW—轉(zhuǎn)速，r/min—軸的直徑，mm式中：上式所求d作為軸的最小直徑進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，若該處有一個(gè)鍵槽，d增大5%，有兩個(gè)鍵槽，d增大10%。2.按經(jīng)驗(yàn)公式估算

對(duì)于一般減速裝置中的軸，也可用經(jīng)驗(yàn)公式估算軸的最小軸徑。

對(duì)于高速級(jí)輸入軸d=(0.8～1.2)D

D——與高速級(jí)軸相聯(lián)的電動(dòng)機(jī)軸徑

對(duì)于各級(jí)低速軸d=(0.3～0.4)a

a——同級(jí)齒輪中心距3.按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算

在初估軸徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，即可確定軸上載荷大小、方向、作用點(diǎn)和軸的支承點(diǎn)位置。從而可求出支承反力，畫出彎矩圖和扭矩圖，這時(shí)就可按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸的直徑（多用來(lái)對(duì)已設(shè)計(jì)好的軸進(jìn)行強(qiáng)度校核）。

由彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖可初步判斷軸的危險(xiǎn)剖面。對(duì)于一般的鋼制軸，可用第三強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)剖面的當(dāng)量應(yīng)力

e，其強(qiáng)度條件為：

e—當(dāng)量應(yīng)力MPa

b—彎曲應(yīng)力MPaM—危險(xiǎn)截面上的合成彎矩N.mmW—危險(xiǎn)截面上的抗彎截面系數(shù)mm3

對(duì)于一般轉(zhuǎn)軸，

b為對(duì)稱循環(huán)，而

的應(yīng)力特性常是不變或脈動(dòng)，考慮到兩者循環(huán)特性不同的影響，將上式中的轉(zhuǎn)矩乘以折算系數(shù)α，得校核軸的強(qiáng)度基本公式為：α—折算系數(shù)Me—當(dāng)量彎矩N.mm

[

-1]b—對(duì)稱循環(huán)下許用彎曲應(yīng)力設(shè)計(jì)式：

對(duì)于一般用途的軸，按上述方法計(jì)算已足夠精確。對(duì)重要的軸，還要考慮影響軸疲勞強(qiáng)度的一些因素而作精確驗(yàn)算。其內(nèi)容可參閱有關(guān)書籍。設(shè)計(jì)注意：1）找危險(xiǎn)截面：Me較大或d較小處

2）強(qiáng)度不足采取措施

a)增大軸徑，其它尺寸跟著變化

b)改用材料、熱處理方法4.軸的剛度計(jì)算概念軸受載后會(huì)產(chǎn)生彈性變形，機(jī)械中若軸的剛度不夠，會(huì)影響機(jī)器的正常工作。如機(jī)床的主軸變形太大時(shí)，將影響機(jī)床的加工精度，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸彎曲變形太大時(shí)，將使轉(zhuǎn)子和定子的間隙改變而影響電機(jī)性能，所以軸必須有足夠的剛度。

對(duì)于有剛度要求的軸，為使軸不因剛度不足而失效，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)軸的不同要求限制其變形量：