1、第十四章 轴,141 轴的功用和类型,142 轴的材料,143 轴的结构设计,140 工程实际中的轴,144 轴的强度计算,146 轴的临界转速的概念,145 轴的刚度设计,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,140 工程实际中的轴,一、轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,只承受弯矩,链接自行车,141 轴的功用及类型,传递运动和
2、力,转动心轴,链接火车,141 轴的功用及分类,一、轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,传递运动和力,只承受弯矩,传动轴,链接货车,只承受扭矩,只承受弯矩,141 轴的功用及分类,转动心轴,一、轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,传递运动和力,转轴,同时承受弯矩和扭矩,链接减速器,141 轴的功用及分类,传动轴,只承受弯矩,转动心轴,一、轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,传递运动和力,只承受扭矩,按轴线形状分,直轴,141 轴的功用及分类,转轴,传动轴,转动心轴,一、轴的功
3、用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,传递运动和力,按轴线形状分,直轴,141 轴的功用及分类,转轴,传动轴,转动心轴,一、轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,传递运动和力,曲轴,141 轴的功用及分类,按轴线形状分,直轴,转轴,传动轴,转动心轴,一、轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,传递运动和力,曲轴,钢丝软轴,141 轴的功用及分类,按轴线形状分,直轴,转轴,传动轴,转动心轴,一、轴的功用,二、轴的分类,按承载情况分,支承旋转（传动）零件,心轴,固定心轴,传递运动和力,曲轴,内
4、容 工作能力的设计 强度-保证安全使用 刚度-保证工作精度 振动稳定性-保证高速轴正常工作 结构设计 特点 边计算、边画图、边修改-“三边”设计方法,1、轴设计的内容、特点,三、 设计轴应考虑的问题,141 轴的功用及分类,选择材料,初步估算轴径,结构设计,强度、刚度计算,确定轴的结构尺寸、绘图,N,Y,2、轴的设计一般步骤,三、 设计轴应考虑的问题,141 轴的功用及分类,一般用途的轴：优质中碳钢-30、40、45、50 次要的轴：Q235、Q255、Q275 重要的轴：合金钢 耐磨性要求高：12CrNi、20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，轴颈渗碳淬火 高速重载：40Cr、40CrNi
5、、35CrMo等合金钢，表面淬火、调质 形状复杂的轴：QT600、ZG45,注意：200以下的碳钢、合金钢E值相差不大,轴的常用材料及其主要力学特性表,142 轴的材料及其选择,143 轴的结构设计,其余为轴身,一、轴结构设计的内容与要求,内容：确定轴的外形和全部结构尺寸,要求：,轴和轴上零件要有准确的定位 轴上零件应便于装拆和调整 轴应具有良好的制造工艺性 结构上要有利于提高轴的强度、刚度，尽量减少应力集中 有利于节省材料、减轻重量,143 轴的结构设计,拟定轴上零件装配方案 轴上零件的定位 各段轴直径和长度的确定 提高轴的强度和刚度的措施 轴的结构工艺性,二、轴的结构设计,143 轴的结构
6、设计,、拟定轴上零件装配方案,.齿轮从左端装,143 轴的结构设计,143 轴的结构设计,.齿轮从右端装,143 轴的结构设计,143 轴的结构设计,.对比,143 轴的结构设计,轴肩或轴环 套筒 弹性挡圈 圆螺母加止动垫圈、双圆螺母 紧定螺钉、锁紧挡圈、销钉 轴端挡圈 圆锥面,、轴上零件的定位,. 轴上零件的轴向定位,143 轴的结构设计,143 轴的结构设计,1) 轴肩、轴环,结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力,特点,143 轴的结构设计,143 轴的结构设计,轴肩的尺寸要求:,r C 或 r R,(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准),通常 定位轴肩： (0.70.1)d(35)
7、mm,非定位轴肩:h(0.51)mm,轴环宽度:b1.4h,2) 套筒,143 轴的结构设计,特点,结构简单,定位可靠,用于零件间距 较小场合,轴转速较高时不易选用,143 轴的结构设计,特点,结构简单,只能承受很小的轴向力,3) 弹性挡圈,143 轴的结构设计,固定可靠,装拆方便,可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大.,4) 圆螺母加止动垫片,143 轴的结构设计,5) 双圆螺母,143 轴的结构设计,适用于轴向力很小,转速很低或 为防止零件偶然沿轴向滑动的 场合,亦可用于周向固定,6) 紧定螺钉 锁紧挡圈,143 轴的结构设计,适用于固定轴端零件,特点,7) 轴端挡圈,143 轴的结构设计
8、,能消除轴与轮毂间的径向间 隙,装拆较方便,对中性好,可兼 作周向固定,但加工较困难,8) 圆锥面,143 轴的结构设计,键 花键 销 过盈联接 成型联接,. 轴上零件的周向定位,143 轴的结构设计,特点,装拆方便，互换性好，但对轴强度有削弱,1）键,143 轴的结构设计,特点,精度要求较高，定心性好， 拆装方便，但制造需用专用 设备和工具。,2）花键,143 轴的结构设计,圆柱销,圆锥销,只能传递较小扭矩,互换性好, 拆装方便,但对轴强度削弱较大.,3）销,轴上零件的定位方法,轴上零件的定位方法,143 轴的结构设计,有配合要求的轴段注意配合零件的要求，尽量采用标准直径； 与标准件配合的轴
9、段采用相应的标准值，例如：滚动轴承、联轴器、密封装置，应满足装配尺寸要求。 非标准轴段： 定位轴肩 h=(0.70.1)d(35)mm 非定位轴肩 h (0.51)mm 安装轴上零件时，所经过轴上各段直径应小于安装零件轮毂直径，以便于装拆。 滚动轴承定位轴肩高度必须低于内圈端面高度，以便于拆卸，具体尺寸由标准查出。,、各轴段直径的确定,143 轴的结构设计,主要根据： 轴上零件的轴向尺寸 相邻零件之间的距离 轴上零件的装拆和轴向固定,L,d,一般: 轮毂长度L=(1.52)d 毂比轴长23mm,4、各轴段长度的确定,详细说明,143 轴的结构设计,轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，须留出砂
10、轮越程槽、退刀槽；,一根轴上的圆角尽可能统一，退刀槽、越程槽、倒角尽量取同样尺寸；,不同轴段的键槽寛度尽可能一致，并布置在同一母线上；,5、轴的结构工艺性,轴段的阶梯数量要尽可能少。,143 轴的结构设计,轴端应制出45的倒角；,Tmax= T1,Tmax = T2,合理,不合理,6、提高轴的强度和刚度的措施,、合理布置传动零件位置，以减小轴上载荷,143 轴的结构设计,、改进轴上零件结构,以减小轴上载荷,图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。,143
11、 轴的结构设计,、改进轴的结构以减小应力集中 轴结构要尽量避免突然变化，增 大过渡圆角半径，可采用,内凹圆角,隔离环,143 轴的结构设计,轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘会产生较大的应力集中，为了减小应力集中，可在轴或毂上开卸荷槽，或加大配合部分直径。,143 轴的结构设计,、改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 表面强化处理，方法有：表面高頻淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；辗压、噴丸等强化处理； 合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。,143 轴的结构设计,装配过程演示,结构示例,一、装配顺序演示,装配过程演示,二、轴的结构分析改错,轴的结构分析1,轴的结构分析2,轴上装有多
12、种零件时，各零件有其正确的装配顺序，下面通过一具体实例来说明装配顺序。,轴的结构应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整，轴应具有良好的制造工艺性等。下面通过一具体轴系结构的改错加以说明。,143 轴的结构设计,一、按扭转强度计算,144 轴的强度计算,对于只传递转矩的圆截面轴，强度条件为：,设计公式,注: 轴上作用的弯矩比转矩小或只传递转矩时, C取较小值; 否则取较大值,3、对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。,一、按扭转强度计算,设计公式,1、考虑键槽对轴的削弱，可修正计算值,2、计算值为：最细处的直径（轴端）！,应圆整为：标准直径！,
13、说明,144 轴的强度计算,二、 按弯扭合成强度计算,144 轴的强度计算,因b 和的循环特性不同，引入折合系数，得：,第三强度理论（最大切应力理论）,强度条件为：,其中，弯曲应力：,扭切应力：,代入得：,W 抗弯截面系数； WT 抗扭截面系数；,静应力状态下的许用弯曲应力,设计公式：,脉动循环状态下的许用弯曲应力,设计公式：,对称循环状态下的许用弯曲应力,设计公式：,144 轴的强度计算,1、作出轴的计算简图(即力学模型)，求支承反力,三、 计算步骤,2、求支座反力作弯矩图,3、计算应力或直径,Ft,Fa,Ft,Fr,FH2,FH1,MH,Fr,Fa,MV1,B,A,C,D,FV2,MH,F
14、V1,FV1,MV2,M1,M2,MV,T,T,FV1,FV1,FH1,FV2,FH2,M=,水平面受力图,水平面弯矩图,垂直面受力图,垂直面弯矩图,合成弯矩图,扭矩图,T,T,作出轴的计算简图,画出垂直面受力图及弯矩图MV,画出水平面受力图及弯矩图MH,画出合成弯矩图M,画出扭矩图T,2、求支座反力作弯矩图,144 轴的强度计算,过盈配合,144 轴的强度计算,扭矩简化,轴的支承简化,e与轴承的宽径比有关,144 轴的强度计算,校核轴的强度,a为考虑扭转切弯曲应力和应力循环特性不同时的折合系数。,式中-1b为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表115）；,144 轴的强度计算,根据第三强
15、度理论,变形量的描述：,挠度 y,、转角,、扭角,设计要求：,y y,二、轴的扭转变形计算,机械设计基础,轴的允许挠度及允许偏转角,145 轴的刚度计算,一、轴的弯曲变形计算,145 轴的刚度计算,表14-5 轴的允许挠度及允许偏转角,轴的设计实例,145 轴的设计实例,一、轴的设计实例,轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容，下面通过设计一个圆锥圆柱齿轮减速器的输出轴来说明一具体轴的设计内容。,轴的设计实例,轴的设计实例,146 轴的临界转速的概念,一、轴的临界转速,由于回转件的结构不对称、材质不均匀，加工有误差等原因，要使回转件的重心精确地位于几何轴线上，几乎是不可能的。,实际上，重心与几何轴线间一般总有一微小的偏心距，因而，回转时产生的离心力，使轴受到周期性载荷的干扰。,若轴所受的外力频率与轴的自振频率一致时，运转将发生显著的振动，这种现象称为轴的共振。产生共振时轴的转速称为临界转速。,轴的设计实例,146 轴的临界转速的概念,一、轴的临界转速,轴的临界转速可以有许多个，最低的一个称为一阶临界转速，其余为二阶，三阶.,工作转速低于一阶临界转速的轴称为刚性轴；,超过一阶临界转速的轴称为扰性轴。,对于刚性轴，其转速 n(0.750.8)nc1.,对于扰性轴，其转速 1.4 nc1 n0.7nc2. Nc1、 Nc2分别为一阶临界转速、二阶临界转速。,
